CN111886768B

CN111886768B - 电路断路器中的健康调查

Info

Publication number: CN111886768B
Application number: CN201880091554.3A
Authority: CN
Inventors: A·库玛; S·N·R·帕慕拉帕蒂; A·温伯格; P·卡尔森; Y·彼得森
Original assignee: ABB Grid Switzerland AG
Current assignee: Hitachi Energy Co ltd
Priority date: 2018-03-21
Filing date: 2018-03-21
Publication date: 2021-10-15
Anticipated expiration: 2038-03-21
Also published as: CN111886768A; EP3769386A1; WO2019179613A1; EP3769386B1

Abstract

一种用于具有反向阻断状态、正向导电状态和故障状态的第一单向导电元件(MBD1)的健康调查装置(22)包括：与元件(MBD1)并联的分压电路(26)，该电路(26)包括第一块(40)，该第一块(40)包括与第二块(42)串联连接的第一部件(R1)，该第二块(42)包括第二部件(R2)，这些部件彼此之间具有将反向阻断状态电压分压成可以由信号评估电路处理的电平的关系。块(40，42)之间的结点形成提供能够表示所有状态的健康信号(Vmon)的健康信号输出，并且块(42)包括与第一(MBDi)相比具有相反取向的第二单向导电元件(D2)用于在第一元件处于正向导电状态时从健康信号中去除分压。

Description

电路断路器中的健康调查

技术领域

本发明总体涉及调查电路断路器中的单向导电元件的健康状况。更具体地，本发明涉及一种用于充当电路断路器的主电路断路器元件的第一单向导电元件的健康调查装置、包括这样的健康调查装置的电路断路器以及包括这样的电路断路器的传输系统。

背景技术

在诸如高压直流(HVDC)输电的输电系统中，往往需要电路断路器，以便在诸如极到地故障或反极性的极故障期间断连电线或电缆。可以这样做以便保护主换流器阀不受系统引起的反极性影响。然后，DC电路断路器可以包括主断路器，该主断路器由与电涌放电器并联的多个串联连接半导体部件构成。还可以存在与主断路器并联连接的电子负载换向开关和机械隔离器。

主断路器往往(尤其是在设想到双向电流传导时)通过强制换向半导体开关的组合来实现，诸如具有反并联二极管的晶体管。

在一些情况下，用自换向半导体或单向导电元件(诸如二极管)代替上述强制换向开关是令人感兴趣的。当在输电系统中实际上只设想到一个电流传导方向时，这可能是有利的，在这种情况下，不需要逻辑来控制主断路器来中断电流。

然而，与此同时，监测这样的自换向半导体或单向导电元件的健康状况，即，以确定这样的自换向半导体或单向导电元件是否正常运行是令人感兴趣的。

监测二极管的一些方案是已知的。

US 2004/0125518公开了对充当燃料电池的反向电流保护设备的二极管进行监测。测量跨二极管的电压并使该电压反向。然后将反向电压与阈值进行比较以便如果跨过阈值则确定该二极管良好。

CH 513539公开了一种用于高压应用的半导体阀监测设备，其中，阀可以由作为阀元件的二极管或晶闸管组成。通过在放大器中将跨整个阀的电压与跨第一个阀元件的电压进行比较来确定阀的晶闸管的健康状况。

高压系统中使用的二极管将基本上具有两个健康状态；正向偏置状态和反向偏置状态。正向偏置状态通常涉及跨二极管的相当低的电压，诸如在0.8-1.35V的范围内，而反向偏置电压将相当地更高，诸如在3-5kV的范围内。除此之外，故障二极管的电压可以约为零。

由于不同状态的电压电平之间的差异并且特别是健康状态之间的差异，仍很难在不同状态之间并且尤其是在故障状态与健康正向偏置状态之间进行区分。因此，可能难以确定健康状况。

本发明解决了简化在单向导电元件的不同状态之间进行区分以便于改进对半导体的健康状况的确定的该问题。

发明内容

因此，本发明的一个目的是改进对单向导电元件的健康状况的确定。

根据第一方面，该目的是通过健康调查装置或第一自换向单向导电元件来实现的，该第一自换向单向导电元件充当与直流输电介质串联连接的电路断路器的主电路断路器元件，该元件具有第一电压电平的反向阻断状态、第二电压电平的正向导电状态和以第三电压电平的故障状态，其中，第二电压电平的绝对值高于第三电压电平的绝对值，并且第一电压电平的绝对值大于第二电压电平的绝对值的十倍。该健康调查装置包括与第一单向导电元件并联连接的分压电路，该分压电路包括：

第一电压处理模块，其与第二电压处理块串联连接，该第一电压处理块包括第一分压部件并且第二电压处理块包括第二分压部件，第一部件和第二分压部件彼此之间具有设置成将反向阻断状态的电压分压成可以由信号评估电路处理的电平，其中第一电压处理模块和第二电压处理块之间的结点形成健康信号输出，在该健康信号输出上提供了能够表示第一单向导电元件的所有状态的健康信号，其中，第二电压处理块包括与第一单向导电元件相比具有相反定向的第二单向导电元件，以便在第一单向导电元件处于正向导电状态时，从健康信号中去除第一分压部件和第二分压部件的分压。

根据第二方面，该目的还通过一种电路断路器来实现，该电路断路器包括充当主电路断路器元件的单向导电元件以及根据第一方面的健康调查装置。

根据第三方面，该目的通过一种输电系统来实现，该输电系统包括传输介质和根据第二方面的串联连接的电路断路器。

单向导电元件可以是诸如二极管或晶闸管之类的单向导电半导体。由于单向导电元件通过自身而不是通过接收控制信号来关停，因此其也可以被认为是自换向元件或自换向半导体。由于单向导电元件可以通过被反向偏置来关停，因此其也可以被认为是反向偏置关停元件。在二极管的情况下，由于单向导电元件可以通过被正向偏置来导通，其也可以被认为是正向偏置导通元件。第一电压电平的极性可以与第二电压电平的极性相反。第一电压电平的绝对值可以额外地大于第二电压电平的绝对值的一千倍并且有利地大于第二电压电平的绝对值的两千倍。

根据上述方面的本发明具有许多优点。即使被监测的电压可能处于极低电平和处于高电平，本发明也允许以简单、有效且可靠的方式安全地检测单向导电元件的不同状态。

可以仅使用无源部件来实现第一电压处理块和第二电压处理块并且由此可以在不使用任何电源的情况下获得健康信号，这可能很难在电路断路器处局部实现。

应当强调的是，术语“包括/包含”在本说明书中使用时要被理解成指定存在所陈述的特征、整数、步骤或部件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、部件或其群组。

附图说明

下面将参照附图来描述本发明，其中

图1示意性地示出了包括呈连接到电路断路器的电线或电缆形式的输电介质的简单HVDC系统，

图2示意性地示出了包括由多个串联连接的二极管组成的主断路器以及与二极管中的一个二极管并联连接的健康调查装置的电路断路器，

图3示意性地示出了健康调查装置以及二极管中的一个二极管，其中，该装置包括电源电路、分压电路以及信号评估电路，

图4示意性地示出了二极管连同分压电路以及电源电路的第一变型，

图5示意性地示出了分压电路的一种实现方式，

图6示意性地示出了信号评估电路的一种实现方式，

图7示出了电源电路的第一变型的例示实现方式，

图8示意性地示出了可以根据分压电路的另一种实现方式对健康评估信号进行编码以指示二极管的各种状态的一种方式，以及

图9示意性地示出了分压电路连同电源电路的第二变型。

具体实施方式

在下文中，将给出本发明的优选实施例的详细描述。

本发明涉及用于单向导电元件的健康调查装置以及与直流输电介质串联连接的电路断路器。本发明还涉及包括这样的传输介质和电路断路器的直流输电系统。

图1示出了高压直流(HVDC)输电系统的一种变型。

图1中的系统是用于两个交流(AC)输电系统之间的连接的点对点系统。出于这个原因，HVDC系统包括：第一和第二换流器站10和12，其中第一换流器站10包括第一变压器T1。第一换流器站10还包括用于在AC与DC之间进行转换的第一换流器14，因此该换流器14包括连接到变压器T1的AC侧以及连接到第一电抗器L1的DC侧。因此，第一变压器T1将第一换流器14连接到第一AC输电系统(未示出)。第一换流器14经由DC传输介质18连接到第二换流器站12的第二换流器16，该DC传输介质可以是电线或电缆。如先前所述，第一换流器10在这里可以经由第一电抗器L1连接到传输介质的第一端并且第二换流器可以经由第二电抗器L2连接到传输介质18的第二端。第二换流器16还在AC与DC之间进行转换并且可以是逆变器。第二换流器站12还可以包括第二变压器T2，该第二变压器将第二换流器16连接到第二AC输电系统(未示出)。

换流器14和16可以是任何类型的换流器，诸如线换向电流源换流器(CSC)或强制换向电压源换流器(VSC)。换流器更具体地可以包括多个换流器阀。电压源换流器可以是两电平电压源换流器或采用单元(cell)的多电平电压源换流器。最后，电路断路器20也与传输介质串联。尽管仅示出了一个电路断路器，但是应当认识到，在换流器附近，例如在每个换流器附近均可以存在一个这样的电路断路器。因此，可以存在位于传输介质18的相反侧上的设备。

图1中的HVDC系统是单极系统。然而，应该认识到，该系统也可以是双极系统。

作为另一个替代方式，HVDC系统有可以是多端子HVDC系统，诸如包括连接到DC电网的多个换流器的HVDC系统，其中，换流器在AC与DC之间进行转换。在这种情况下，这样的电网的电线可以各自包括一个、两个或更多个电路断路器。

图2示出了可以实现电路断路器20的一种方式。电路断路器20可以由一个或多个串联连接的块组成，其中，在图2中示出了四个块。在这样的块中，可以存在一组并联分支。在此示例中，该组由两个并联分支组成。存在第一主断路器分支和第二电涌放电器分支。本文中，每个电涌放电器分支均包括电涌放电器并且每个主断路器分支均包括呈二极管形式的自换向单向电流传导元件或自换向半导体元件。由此，存在串联连接的第一、第二、第三和第四二极管MBD1、MBD2、MBD3和MBD4以用于形成主断路器。

应该认识到，所示电路断路器20仅仅是一种可能的实现方式。存在多种不同的实现方式，诸如通过包括机械隔离器的每个模块和/或包括与主断路器分支和电涌放电器分支并联的缓冲电路的每个模块。断路器可以不是模块化的，而代替地是提供具有二极管、电涌放电器以及具有机械隔离器的负载换向开关的三个并联串。另一种可能的实现方式是将包括电子负载换向开关和机械隔离器的负载换向分支与主断路器分支和电涌放电器分支并联连接。

然而，在所有这些变型中，主断路器都是使用自换向半导体或单向电流传导元件或半导体实现的，在这种情况下，单向电流传导元件或半导体还是二极管。出于这个原因，电路断路器20也可以被认为是二极管阀。

在图中，还示出了与第一个二极管MBD1并联连接的健康调查装置22。提供健康调查装置22来调查二极管的健康状况：应该认识到，即使仅示出了一个健康调查装置，但是主断路器20的所有二极管MBD1、MBD2、MBD3和MBD4都可以连接到这样的健康调查装置22。

图3示意性地示出了实现健康调查装置22的一种方式。如可以看到的，健康调查装置22包括：与二极管MBD1并联连接的电源电路24，以及与电源电路24并联连接的分压电路26。还有信号评估电路28，其连接到电源电路24和分压电路26两者。电源电路24为操作该装置的电路提供功率，比如信号评估电路28以及也许还有分压电路26，该功率通过跨二极管MBD1的电压获得。分压电路26将监测电压Vmon提供给信号评估电路28以用于评估二极管MBD1的健康状况。因此，信号评估电路28基于健康指示信号Vmon来确定第一单向导电元件MDB1的状态。

在这里应该认识到，信号评估电路28可以提供有自己的本地电源，在这种情况下可以省略电源电路24。信号评估电路28还可以在特定条件下由分压器电路26自身提供功率，并且在这种情况下，也可以省略电源24。

图4示出了分压电路26连同电源电路24的第一实现方式。电源电路24包括：第一DC/DC换流器34以及第一和第二分压块30和32，其中第一分压块30与第二分压块32串联连接在第一串中，其中具有这两个块的第一串进一步与二极管MBD1并联连接。此外，第一分压块30连接到二极管MBD1的阴极C并且第二分压块32连接到二极管MBD1的阳极A。还存在第三分压块36，其与第四分压块38串联连接，其中，这两个块也与二极管MBD1并联连接，其中，第三分压块36连接到二极管MBD1的阴极C并且第四分压块38连接到二极管MBD1的阳极A。第一和第二分压块30和32之间的第一结点连接到第一DC/DC换流器34的第一输入。而且，第三和第四分压块36和38之间的第二结点连接到第一DC/DC换流器34的第一输入。在电源电路24的该第一变型中，第一结点以及第二结点经由选择块35连接到第一DC/DC换流器34的第一输入端子。因此，存在连接于第一结点、第二结点和第一DC/DC换流器34的第一输入之间的选择块35。二极管MBD1的阳极A、第二分压块32和第四分压块38之间的结点也连接到第一DC/DC换流器34的第二输入端子。第一和第二分压块30和32可以被认为形成了第一分压器，并且第三和第四分压块36和38可以被认为形成了第二分压器。在这里应当认识到，选择块35的功能是可选的，并且其功能可以被包括在第一和/或第二分压器中。

分压电路26与第一单向导电元件(MBD1)并联连接。分压电路26包括与第二电压处理块42串联连接的第一电压处理块40并且该串联连接同样与二极管MBD1并联连接，其中第一电压处理块40连接到二极管MBD1的阴极C并且第二电压处理块42连接到二极管MBD1的阳极A。此外，在这两个块40和42之间存在结点并且该结点形成健康信号输出，该健康信号输出连接到信号处理电路28。在健康信号输出上，提供了监测电压Vmon，其是指示二极管MBD1的状态的健康信号。

图5示出了与主电路断路器二极管MBD1并联的分压电路26的第一和第二电压处理块40和42的示例实现方式，该二极管在这里也被认为是第一二极管。可以看到，第一电压处理块40包括与第一电抗部件(在这里呈第一电容器C1的形式)并联的第一分压部件(在这里呈第一电阻器R1的形式)，而第二电压处理块42包括串联电路，该串联电路包括与第二单向导电元件(在这里由第二二极管D2示例)串联连接的第二分压部件(在这里呈第二电阻器R2的形式)。第二电抗部件(在这里呈第二电容器C2的形式)与该串联电路并联连接。还可以看到，与第一二极管MBD1相比，第二二极管D2具有相反定向。更特别地，该第二二极管D2的阴极连接到第一二极管MBD1的阳极A并且阳极连接到第二电阻器R2。由于两个块的电抗部件都是电容器，因此可以看到它们属于同一类型。

图6示意性地示出了信号评估电路28的一种示例实现方式。该信号评估电路28包括三个输入，每个输入各自接收监测信号Vmon，其中第一输入连接到第一比较器44，该第一比较器44进而经由第一电阻器50连接到监测逻辑56，第二输入连接到第二比较器46，该第二比较器46进而经由第二电阻器52连接到监测逻辑56，并且第三输入连接到第三比较器48，该第三比较器48进而经由第三电阻器54连接到监测逻辑56。监测逻辑56具有经由第四电阻器58连接到发光器60的输出(在这里由发光二极管(LED)示例)。提供比较器来将电压Vmon与对应电压阈值进行比较，以便于指示二极管MBD1的状态，并且监测逻辑56可以对二极管的状态进行编码以提供给主控制单元。

有几种方式可以提供监测逻辑。监测逻辑可以被提供为具有相关联的存储器的处理器，该存储器包括实现其功能的软件代码。监测逻辑也可以被实现为专用电路，诸如专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)。

在这里还可以提到的是，健康调查装置22可以设置为处于高电势，而主控制单元可以设置为处于低电势，诸如接地电势。而且，LED可以用激光器代替。另外，可以使用电和电缆代替发光器和光纤。

图7示出了电源电路24的示例实现方式，其中第一分压块30被实现为第三电阻器R3，第二分压块被实现为与第三电容器C3并联的齐纳二极管Z2，其中，齐纳二极管Z2的阳极连接到第一二极管MBD1的阳极，第三分压块36被实现为第四电阻器R4，该第四电阻器R4与由第五可变电阻器R5和齐纳二极管Z5组成的并联电路串联，该第齐纳二极管Z5的阳极连接到第二结点，并且第四分压块被实现为与第四电容器C4并联的齐纳二极管Z3，其中，齐纳二极管Z3的阴极连接到第一二极管MBD1的阳极。选择块35可以被实现为连接在与分压块相关联的结点与第一DC/DC换流器34的第一输入之间的两串。在图7的示例中，选择块35被实现为具有连接在第一结点和第一DC/DC换流器34的第一输入之间的二极管D3的第一串并被实现为具有连接在第二结点与第一DC/DC换流器34的第一输入之间的第二反相DC/DC换流器62和二极管D4第二。在这种情况下，第二串的二极管D4被放置在第二换流器62之后，即，第二换流器62经由二极管D4连接到第一DC/DC换流器34的第一输入。另外，二极管D3和D4二者都以其阴极连接到第一DC/DC换流器34的第一输入。作为示例，尽管可以设想其他实现，第二DC/DC换流器62可以被实现为反相降压-升压换流器。

现在将某种程度上更加详细地描述健康调查装置22的功能。

在传输介质具有单向功率流动的情况下，自换向半导体元件或单向导电元件(诸如二极管)可以被用作与输电介质(诸如电线或地下线缆)串联连接的电路断路器中的主断路器元件。例如，如果换流器站使用电流源换流器，则可以是这种情况。

在这种情况下，比如接地故障之类的故障或由系统在任何类型的故障期间引起的电压极性反转可以导致通过输电介质的电流反转其电流方向，这进而导致二极管被反向偏置并且由此被关停。然后，可以在不使用控制信号的情况下实现这种关停。这可以简化并加速上述类型的系统中的故障处理。由于其他原因(诸如由于成本)，二极管也可以是有利的。

二极管也可需要监测其健康状况。然而，这并不那样简单。

二极管可以具有三个状态，其中这些状态中的两个与正常二极管相关联并且这些状态中的第三状态与故障二极管相关联。健康二极管可以正在传导电流，在这种情况下，该二极管是正向偏置的；或者该二极管可以正在阻断电流，在这种情况下，该二极管是反向偏置的。该二极管也可以是有故障的，在这种情况下，跨二极管基本上是零电压。在这里，反向偏置的健康二极管处于第一反向阻断状态，正向偏置的健康二极管处于第二正向导电状态，并且故障二极管则处于第三故障状态。

然而，当二极管处于第一状态时，跨二极管的电压具有第一电平，该第一电平的绝对值通常在3-5kV的范围内。与第二状态并且通常还与第三状态相比，第一电平通常还具有反向极性。当二极管处于第二状态时，跨二极管的电压具有第二电平，该第二电平的绝对电压远低于第一电压电平的绝对值。第二电平通常在0.8-1.35V的范围内。当二极管处于第三状态时，跨二极管的电压具有通常为大约0V或近似0V的第三电平。由此可以看到，第二电压电平的绝对值高于第三电压电平的绝对值，并且第一电压电平的绝对值高于第二电压电平的绝对值。作为示例，第一电压电平的绝对值可以为大于十倍。有时，第一电压电平的绝对值可以为大于一千倍。在许多情况下，诸如在上面的示例中，第一电压电平的绝对值为大于两千倍。

现在，在监测健康状况时，通常优选地使用跨二极管的电压以便在不同状态之间进行区分。还令人感兴趣的是，使用尽可能少的不同测量电压以便执行健康评估。然而，由于针对不同状态出现的非常不同的电压电平，因此上述实现起来并不容易。挑战在于以下事实：二极管电压可以极低(二极接通状态)以及很高(二极管关停状态)。

有必要以简单且可靠的方式监测电路断路器中的二极管的健康状况。因此，应该可以识别并通知主控制单元有关二极管操作模式连同关于二极管的健康状况的信息。

提供了本发明的多方面来解决该问题。

该问题基本上是使用分压电路26解决的，其中，第一和第二分压电压处理块40和42可以被看作是组成第三分压器，该第三分压器在被正向偏置和反向偏置时均将跨待监测的第一二极管MBD1的电压进行分压以获得监测电压Vmon。在该分压电路中，通常选择第一电阻器R1与第二电阻器R2之间的关系，使得当二极管MBD1被反向偏置时，电压Vmon接近0.8-1.35V的正向偏置范围。因此，第一分压部件R1和第二分压部件R2彼此之间具有被设置成将反向阻断状态的电压分压成可以由信号评估电路28处理的电平的关系。作为示例，R1可以在是R2的一千倍的范围中。

可以在图5中看到，对于反向偏置的第一二极管MBD1，第二二极管D2将导电并且因此在两个电压处理块40和42之间的结点处存在由R2/(R1+R2)定义的分压，在R1为1000×R2的情况下，这将导致跨二极管的电压除以1000并且由此Vmon的大小将是几伏。

可以看到，对于正向偏置的第一二极管MBD1，第二二极管D2将被反向偏置，并且因此第二电阻器R2是浮置的并且将不参与任何分压。当第一单向导电元件被正向偏置(即，处于正向导电状态)时，与第一二极管MBD1的定向相比，第二二极管D2的定向因此从健康信号中去除了第一分压部件和第二分压部件的分压。在这种情况下，第一电阻器R1和第二电容器C2形成对二极管电压进行滤波的RC滤波器。在这种情况下，可以看到，监测电压Vmon基本上与正向偏置二极管电压相同，即，大约为0.8-1.35V。表示正向偏置电压的监测电压Vmon因此将与表示反向偏置电压的监测电压Vmon处于大致相同的范围内，但是明显低于经分压的第一状态的电压，并且由此可以容易地进行区分。在这里还可以提到，电压可以具有相反的极性，其中一个极性为正而另一个为负。

由此也可以看到，健康信号Vmon能够表示第一单向导电元件的所有状态。

换句话说并且更详细地进行分析，该操作可以被视作如下：

a)反向阻断状态：当二极管MBD1被反向偏置时，应相对于阳极A在二极管D1的阴极端子C处施加反向偏置阻断电压(V_R——通常为3至5kV)。当施加反向偏置电压时，分压器电路中的二极管D2被正向偏置并且健康信号输出处的分压比为：

其中，V_D2ON是第二二极管D2在被正向偏置时跨第二二极管D2的电压降。可以看到，分压器电压已经被偏移了D2的二极管正向电压V_D2ON并且该偏移电压可以被考虑用于信号评估电路。

b)正向偏置状态：在二极管MBD1被正向偏置的时间期间，正向偏置电压(VD——通常为0.8V至1.35V)跨阳极到阴极出现。图5所示的分压电路在阳极端子处参照本地接地。因此，相对于二极管MBD1的阳极端子A出现在阴极端子C处的电压是二极管的负正向电压降，并且该电压表现为二极管D2的反向偏置电压。在二极管D2反向偏置的情况下，电阻R2变为断开并且因此分压器变为RC滤波器，其中R1与C2串联。因此，健康信号输出处的分压为：

其中，V_DON是第一二极管MBD1的正向偏置电压。

同样可以看到，零电压对于区分将不会成问题。

由此提供在相同范围内的电压并且然后可以将这些电压提供给信号评估电路28以进行评估。

信号评估电路28接收表示跨第一二极管MBD1的电压的监测电压Vmon，分析电压Vmon以便于确定状态，并且将该二极管的状态的指示发送到主控制单元，该主控制单元可以设置在换流器站控制单元中并处于接地电势。可以使用发光元件60和光纤来发送该指示。

作为示例，可以在第一比较器44中将监测电压与表示第一状态的第一阈值进行比较，在第二比较器46中将监测电压与表示第二状态的第二阈值进行比较，并且在第三比较器48中将监测电压与表示第三状态的第三阈值进行比较。然后，跨过阈值的比较器将表示对应状态的信号发送到监测逻辑56，该监测逻辑56进而经由光纤将表示状态的信号发送到主控制单元。因此，可以看到，信号评估电路28通过将健康指示信号Vmon与各自与对应的状态相关联的三个不同的阈值进行比较来确定第一单向导电元件MDB1的状态并且指示跨过了对应阈值的状态。

存在可以从监测电压Vmon获得状态的多种方法。由于该监测电压被用来指示二极管是处于正向还是反向偏置位置，因此，该监测电压也可以被称为二极管位置电压。

a)如上所述，可以使用不同的三个比较器，该三个比较器通过分压电路26接收二极管位置电压Vmon。主控制单元可以利用简单的协议从监测逻辑电路确定二极管操作模式或者可以将测得的实际电压作为编码数据发送到接地电势控制器。

b)作为替换方式，可以使用监测电容器C2中的能量来触发通过光纤的脉冲列。脉冲的宽度应相同，但是脉冲到来的速率/频率指示二极管的工作模式/电压。在这种情况下，信号评估电路28将健康指示信号Vmon的电压电平编码成脉冲列，该脉冲列具有与健康指示信号Vmon的电压电平相对应的脉冲重复率以便于指示状态。然后，第一状态的脉冲重复率可以高于第二状态的脉冲重复率，而第二状态的脉冲重复率进而可以高于第三状态的脉冲重复率，该第三状态的脉冲重复率可以为零。这种编码的示例可以在图8中看到，其示出了第一状态S1、第二状态S2和第三状态S3。如可以看到的，如果没有脉冲，则二极管被认为是有故障的。

c)第三种方式是使用模数换流器(ADC)对分压后的监测二极位置电压Vmon进行采样，并且通过光纤将其发送到接地电势。

信号评估电路28需要外部功率以便于能够实行其功能。可选地，分压电路26也可以需要这样的外部功率。可以通过常规电源来提供这种功率。然而，在某些情况下，没有这样的电源可以连接至的可用网络，并且在这种情况下，可以代替地使用跨二极管MBD1的电压。这是电源电路24的目的。

此外，如上面已经陈述的，在操作中，跨二极管的电压可以显著变化。提供电源电路24来处理该变化并且生成稳定电源电压。

如图4中可以看到的，电源电路24包括第一、第二、第三和第四分压块30、32、36和38。可以将分压块设置为并联电路，该并联电路包括与电容器并联的电阻器。可选地，还可以存在与电阻器和/或电容器并联的二极管，比如齐纳二极管。还可以具有与并联电路串联的另外的电阻器。

第一、第二、第三和第四分压块30、32、36和38对跨二极管MBD1的电压进行分压，以便生成用于供能信号评估电路28的功率。由于在二极管MBD1的反向偏置状态期间的高电压以及在二极管MBD1的正向偏置状态期间处于反向极性的极低电压，提出了分别通过第一和第二分压块30和32以及第三和第四分压块36和38获得的两个单独的分压器。在这里，第一分压块30和第二分压块32彼此之间具有被设置成在第一二极管MBD1处于反向阻断状态时将第一结点处的电压提供为反向阻断状态的被分压成可以由第一DC/DC换流器34处理的电平的电压的关系。第三和第四分压块彼此之间进而具有被设置成在第一二极管MBD1处于正向导电状态时提供与正向导电状态的正向偏置电压相对应的处于可以由第一DC/DC换流器34处理的电平的电压的关系。

然后，选择块35基于电压电平和极性来选择要施加在第一DC/DC换流器34的输入端子之间的输入电压以及在适当情况下使所选择的电压的极性反向。因此，选择块35选择是要将与正向导电状态的第二结点处的电压相对应的电压还是将反向阻断状态的第一结点处的分压后的电压提供给第一DC/DC换流器34。选择块35还可以使电压中的一个电压的极性反向。

当二极管MBD1被反向偏置时，第一和第二分压块30和32被选择成使得在这些块之间的第一结点处提供具有可以由换流器34处理的电平的电压。例如，电压可以被分压大约1000次至相当更低的电平。

当二极管MBD1被正向偏置时，第三和第四分压模块36和40将被代替地选择并且将跨二极管MBD1的电压分压成可以由换流器34用作输入电压的电平。由于二极管电压已经为低，所以该分压可以是微末的。

换流器34然后从第一和第二分压器块30和32之间的第一结点或者第三和第四分压器块36和38之间的第二结点中获取由选择块33选择的输入电压。因此，第一DC/DC换流器34基于二极管操作模式从处于所需的电平的分压器接收输入电压。然后，DC/DC换流器34产生平稳且稳定的输出电压，以馈送至信号评估电路28。相同的第一DC/DC换流器34可以被用于二极管的两种操作模式(接通和关停)。

可以一定程度上改变电源电路24并且省略第三和第四分压块。这在图9中示意性地示出。高压分压器的数量因此可以减少到一个。可以在电源负载、正向电压降以及反向电压隔离损耗可以来降低的情况下通过优化信号评估电路来实现这种减少。如前所述，当第一二极管MBD1处于反向阻断状态时，第一和第二分压块30、32彼此之间具有被设置成在第一结点处提供电压作为反向阻断状态的被分压成可以由第一DC/DC换流器34处理的电平的电压的关系。然而，除此之外，当第一二极管MBD1处于正向导电状态时，第一分压块和第二分压块彼此之间具有被设置成在第一结点处提供与正向导电状态的电压相对应的处于可以由第一DC/DC换流器处理的电平的电压的关系。为了实现这一点，可以以与分压电路的电压处理块相同的方式来实现第一和第二分压块30和32。在该情况下，选择块35在适当的情况下可以使施加的电压的极性反向。

在这种情况下，选择块的一种实现方式可以是作为连接在分压块与第一DC/DC换流器的第一输入之间的结点之间的两个串。在图9的示例中，选择块可以被实现为具有连接在第一结点与第一DC/DC换流器的第一输入之间的二极管的第一串以及具有第二反向DC/DC换流器和也连接在第一结点与第一DC/DC换流器的第二输出之间的二极管的第二串。因此该两个串将是并联的。而且，在这种情况下，第二串的二极管将被放置在第二换流器之后，即，第二换流器将经由二极管连接到第一DC/DC换流器的第一输入。另外，两个二极管都将利用其阴极连接到第一DC/DC换流器的第一输入。作为替换方式，可以具有从第一结点到选择块的任何一个输入的仅一个连接。在这种情况下，如果需要，第一DC/DC换流器可以是反向DC/DC换流器。

上述电源电路的分压模块和/或分压电路的电压处理块可以仅使用无源部件来实现。在这方面，还应该提到，要注意的是，第一DC/DC换流器和第二DC/DC换流器(如果存在)是自操作DC/DC换流器，其中操作的功率从使用启动电路的换流器输入获得。替换地，也可以仅使用无源部件来实现这些换流器。

该发明具有许多优点。其提供了一种简单但有效且可靠的方式来监测电路断路器中的单向传导元件(诸如二极管阀中的二极管)的健康状况。二极管电压被馈送到信号评估电路，在该信号评估电路中判定二极管操作模式以及可能地还判定健康状况。所有这些功能都可以利用简单的电路以及利用到处于接地电势的主控制系统的仅一根光缆来实现。因此，以简单且可靠的方式监测二极管的健康状况。可以识别并通知处于接地电势上的主控制单元关于二极管的工作模式连同有关二极管的健康状况的信息。即使监测电压处于极低电平(二极管接通状态)并处于高电平(二极管关停状态)两者，这都是安全进行的。附加地，可以在不使用任何外部电源的情况下来实现。还可以利用与主控制单元的简单协议来指示二极管的健康状况。

尽管已经结合目前被认为是最实际和优选的实施例描述了本发明，但是要理解到，本发明不限于所公开的实施例，而相反地，本发明意图覆盖各种修改和等同装置。因此，本发明仅受限于所附权利要求。

Claims

1.一种用于第一单向导电且反向偏压关停元件(MBD1)的健康调查装置(22)，所述第一单向导电且反向偏压关停元件充当与直流输电介质(18)串联连接的电路断路器(20)的主电路断路器元件，所述第一单向导电且反向偏压关停元件具有处于第一电压电平的反向阻断状态(S1)、处于第二电压电平的正向导电状态(S2)以及处于第三电压电平的故障状态(S3)，其中，所述第二电压电平的绝对值高于所述第三电压电平的绝对值，并且所述第一电压电平的绝对值大于所述第二电压电平的绝对值的十倍，所述健康调查装置(22)包括分压电路(26)，所述分压电路在监测健康状况时与所述第一单向导电且反向偏压关停元件并联连接，所述分压电路(26)包括：

与第二电压处理块(42)串联连接的第一电压处理块(40)，所述第一电压处理块(40)包括第一分压部件(R1)并且第二电压处理块(42)包括第二分压部件(R2)，所述第一和第二分压部件(R1，R2)彼此之间具有被设置成将所述反向阻断状态(S1)的电压分压成能够由信号评估电路(28)处理的电平的关系，其中，所述第一和第二电压处理块(40，42)之间的结点形成健康信号输出，在所述健康信号输出上提供了能够表示所述第一单向导电且反向偏压关停元件的所有状态的健康信号(Vmon)，其中，所述第二电压处理块(42)包括与所述第一单向导电且反向偏压关停元件相比具有相反定向的第二单向导电元件(D2)以在所述第一单向导电且反向偏压关停元件处于所述正向导电状态(S2)时从所述健康信号中去除所述第一分压部件和所述第二分压部件的分压。

2.根据权利要求1所述的健康调查装置(22)，其中，所述第二分压部件(R2)与所述第二单向导电元件(D2)串联连接。

3.根据权利要求2所述的健康调查装置(22)，其中，所述第二电压处理块(42)包括与所述第二分压部件(R2)和所述第二单向导电元件(D2)并联连接的另外的电抗部件(C2)。

4.根据权利要求3所述的健康调查装置(22)，其中，所述电抗部件(C2)是电容器。

5.根据权利要求3所述的健康调查装置(22)，其中，所述第一电压处理块(40)包括与所述第一分压部件(R1)并联连接的与所述第二电压处理块(42)中的所述电抗部件(C2)类型相同的电抗部件(C1)。

6.根据权利要求4所述的健康调查装置(22)，进一步包括信号评估电路(28)，所述信号评估电路被配置成基于所述健康信号(Vmon)来确定所述第一单向导电且反向偏压关停元件的状态。

7.根据权利要求6所述的健康调查装置(22)，其中，所述信号评估电路(28)被配置成通过将所述健康信号(Vmon)与三个不同阈值进行比较来确定所述第一单向导电且反向偏压关停元件的所述状态并且指示跨过对应阈值的状态，所述三个不同阈值各自与对应的状态相关联。

8.根据权利要求6所述的健康调查装置(22)，其中，所述信号评估电路(28)被配置成将所述健康信号(Vmon)的电压电平编码为脉冲列，所述脉冲列具有与所述健康信号(Vmon)的所述电压电平相对应的脉冲重复率以指示所述状态。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的健康调查装置(22)，进一步包括用于向所述健康调查装置的电路供电的电源电路(24)，所述电源电路(24)包括DC/DC换流器(34)以及第一和第二分压块(30，32)，所述第一分压块(30)与所述第二分压块(32)串联地连接在第一串中，所述第一串与所述第一单向导电且反向偏压关停元件并联连接，其中所述第一和第二分压块(30，32)之间的第一结点连接到所述DC/DC换流器(34)的第一输入并且所述第一和第二分压块(30，32)彼此之间具有被设置成当所述第一单向导电且反向偏压关停元件处于所述反向阻断状态时将所述第一结点处的电压提供为所述反向阻断状态的被分压成能够由DC/DC换流器(34)处理的电平的电压的关系，其中，所述电源电路(24)还被配置成当所述第一单向导电且反向偏压关停元件处于所述正向导电状态时提供与所述正向导电状态的电压相对应的处于能够由所述DC/DC换流器(34)处理的电平的电压。

10.根据权利要求9所述的健康调查装置(22)，其中，当所述第一单向导电且反向偏压关停元件处于所述正向导电状态时，所述第一分压块和所述第二分压块彼此之间具有被设置成在所述第一结点处提供与所述正向导电状态的电压相对应的处于能够由所述DC/DC换流器(34)处理的电平的电压的关系。

11.根据权利要求9所述的健康调查装置(22)，进一步包括具有与第四分压块(38)串联连接的第三分压块(36)的第二串，所述第二串与所述第一单向导电且反向偏压关停元件并联连接，其中，所述第三分压块和所述第四分压块之间的第二结点连接到所述DC/DC换流器(34)的第一输入并且所述第三分压块和所述第四分压块彼此之间具有被设置成当所述第一单向导电且反向偏压关停元件处于所述正向导电状态时在所述第二结点处提供与所述正向导电状态的电压相对应的处于能够由所述DC/DC换流器(34)处理的电平的电压的关系。

12.根据权利要求9所述的健康调查装置(22)，进一步包括选择块(35)，所述选择块连接在所述第一结点与所述DC/DC换流器(34)的所述第一输入之间，所述选择块被配置成选择要将与所述正向导电状态的电压相对应的电压还是将所述反向阻断状态的经分压电压供应给所述DC/DC换流器(34)。

13.根据权利要求12所述的健康调查装置，其中，所述选择块进一步被配置成使所述与所述正向导电状态的电压相对应的电压和所述反向阻断状态的经分压电压中的一个电压的极性反向。

14.一种与直流输电介质(18)串联连接的电路断路器(20)，所述电路断路器包括充当主电路断路器元件的第一单向导电且反向偏压关停元件以及根据权利要求1-13中任一项所述的健康调查装置(22)。

15.一种输电系统，其包括传输介质以及串联连接的根据权利要求14所述的电路断路器(20)。