CN117957736A - 用保险丝断开高压直流电的设备和方法，以及振荡电流过载系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种设备(10)，用于经由插接在主支路(24)中的保险丝(26)断开高压直流电，具有：过载系统(30)，能够产生振荡过载电流，在主支路(24)中，在至少一个半周期的振荡中，该振荡过载电流与故障电流以绝对值相加，以确保熔断保险丝(26)。本发明还涉及一种经由插接在主支路(24)中的保险丝(26)断开高压直流电的方法，包括：在过载系统(30)中储存电能；通过过载系统(30)产生振荡过载电流，在主支路(24)中，在至少一个半周期的振荡中，该振荡过载电流与故障电流以绝对值相加，以确保熔断保险丝(26)。

Description

用保险丝断开高压直流电的设备和方法，以及振荡电流过载 系统

技术领域

本发明涉及一种用于断开高压直流电(HVDC)的设备。这种设备旨在实现在HVDC网络或网络单元中，在网络的至少一个电导体中出现产生故障电流的电气故障时使用。

在本文中，以下设备将被视为高压直流设备：“中高压”设备，其中，额定直流工作电压大于1500V，但小于或等于75000V(75kV)；或“高压”设备，当额定直流工作电压高于75000V(75kV)。因此，高压直流电包络线(envelope)包括“中高压”包络线和“高压”包络线。

断开这种网络中的电流是一个关键的问题，直接决定了这种网络的可行性和发展。

在电路中，人们通常会发现至少一个电压源和至少一个电力消费者，该至少一个电力消费者可以包括使用电能将其转换为另一种形式的能量(例如，转换为机械能和/或热能和/或电磁能等)的任何电器或一系列电器或具有这种电器的任何网络。

在电路中，人们通常会发现至少一个电流断开设备，用于切断流经电路的电流流动，通常位于电压源和电力消费者之间。

已知有各种类型的电流断开设备，旨在插接在电路的电导体中。例如，已知的断路器，其设计和尺寸设计为尤其允许在负载情况下或在断路器所插接的电路的故障情况下断开。此外，还有一些设计较为简单的电气断开设备，如隔离开关，其设计通常不是为了确保在负载情况下断开电路，而是为了在电流循环已被另一个断开电器切断的电路中，通过确保电路的导体(例如，与电压源连接的)的上游部分与该电路的导体的下游部分之间的电气隔离达到给定的高水平，从而在干预过程中确保资产和人员的安全。

电流断开设备是已知的机械类型，电流断开是通过打开机械开关元件来获得的。这种机械开关元件包括两个接触的导电部件，当开关元件闭合时，这两个导电部件处于机械和电气接触状态，当开关元件打开时，这两个导电部件机械地分离。这种机械分离通常是通过移动相对于固定导电部件的可移动导电部件来实现的。

电流断开设备也是已知的半导体类型，通过对设备进行适当的极化或去极化，阻止电流通过设备，从而获得电流断开。

电流断开设备也是已知的真空灯泡或真空管类型。

所有这些设备都具有电流断开设备的优点，其中电流断开是可控的，而且通常都是可逆的，无需对设备进行人工干预。另一方面，这些设备在确保断开大电流(尤其是在最高电压下)的能力方面仍有局限性，特别是在直流电压的情况下，因此直流电压与交流电压相反，不会有规律地与零电压值交叉。因此，对于给定的断开能力(其能够断开的电压和电流安培数而言)，这种设备的设计导致这些电器体积笨重、价格昂贵。

在某些情况下，高压直流(HVDC)电流断开设备用于已知故障发生概率低的电路中，或用于保护设备或网络的部分，其重要性并不一定要求能够立即恢复运行。在这种情况下，建议使用电流断开设备，其中确保电流断开的构件是保险丝。

背景技术

文件WO2020/259924描述了一种保险丝，其能够被用于确保高压直流电的断开。

文件US2020/0411271描述了包括保险丝的高压直流电断开设备。

当然，在其中断开电流的构件为保险丝的电流断开设备中，与保险丝的存在直接相关的限制是众所周知的，其使得直到更换保险丝之前，受该断开设备保护的电路中的电流的循环无法复位。因此，保险丝是一种消耗品，而更换保险丝需要对断开设备进行维修操作，通常是人为操作。

另一方面，只要这种限制在所设想的应用中是可以接受的，那么其中确保电流断开的构件为保险丝的电流设备就具有许多优点。尤其是，与上文所述的半导体或真空机械设备相比，对于给定的断开能力而言，这种设备通常体积较小，成本也低得多。此外，除了更换保险丝的可能操作外，这种设备通常对操作维护的要求不高。

在这种设备中，断开电流的构件是保险丝，因此能够更可靠地确保断开最大故障电流，因为电流安培数越大，保险丝熔断和切断电流的速度就越快。因此，这种设备对低阻抗故障(例如，接地故障)产生的故障电流非常有效。

另一方面，在阻抗较高的故障中，故障电流安培数的最大值以及故障电流安培数的增加速度可能意味着故障电流不足以确保包含保险丝的设备快速断开。具体而言，众所周知保险丝的断开性能通常由一个量来描述，这个量是通过保险丝的安培数的平方乘以该电流通过保险丝的时间(I^2×t)，二者同质。

以这种方式，由此看来虽然在某些情况下，尤其是出现低阻抗故障时，使用保险丝断开电流能被证明非常有效，但在其它情况下，尤其是出现高阻抗故障时，使用保险丝断开电流可能被证明是不够的。

在本发明之外的另一个领域，尤其是在高压直流电领域之外，在文件US-3.868.552中，已知有一种电流断开设备，其中包括过载系统，用于向保险丝注入过载电流，从而导致熔断保险丝。然而，就通过过载系统注入保险丝的电流的方向而言，这种设备是单向的。因此，如果故障电流在相反的方向上循环，两个电流往往会相互抵消，这可能会导致该设备无法工作，或需要对过载系统进行超尺寸设计。

本发明旨在提供一种用于断开高压直流电的设备和方法，该设备和方法提供有效的保护，即在短时间内断开电流，与高压直流电领域的已知解决方案相比，成本低、体积小。

发明内容

为此，本发明提供了一种用于断开高压直流电的设备，该设备包括：

-主电路，在断开设备的导电配置中，在所述设备的直流额定工作高压下的工作电流在所述主电路中循环；

-至少一个断开模块，插接在所述主电路的第一点和第二点之间的用于所述断开模块的所述主电路中，所述断开模块包括在所述断开模块的所述第一点和所述第二点之间的主支路，具有插接在所述第一点和所述第二点之间的所述主支路中的至少一个保险丝，所述工作电流在所述断开设备的导电配置中在所述主支路中循环。

所述断开设备为其中所述断开模块包括过载系统的类型，在所述设备的过载配置中，在所述主电路中存在故障电流的情况下，所述过载系统能够产生过载电流，以确保熔断所述保险丝。

该设备的特征在于，所述过载电流为振荡电流，在所述主支中，在至少一个半周期的振荡中，所述振荡电流与所述故障电流以绝对值相加，以确保熔断所述保险丝。

下文将介绍本发明的其它可选特征，这些特征可单独或组合使用。

所述过载系统可以包括与所述主支路并联、具有过载导体的过载支路，所述过载支路在所述断开模块的所述第一点和所述第二点之间延伸。然后过载系统包括：

-至少一个过载电容器，插接在所述断开模块的所述第一点和所述第二点之间的所述过载支路的所述过载导体中，

-双向过载断路器，插接在所述过载支路的所述过载导体中，所述过载断路器和所述过载电容器依次一个接一个地插接在所述断开模块的所述第一点和所述第二点之间的所述过载支路的所述过载导体中，所述过载断路器在断开状态下，阻止电流在所述断开模块的所述第一点和所述第二点之间的所述过载支路中循环，以及所述过载断路器在闭合状态下，允许电流在所述断开模块的所述第一点和所述第二点之间的所述过载支路中双向循环，以及

-过载电容器的预充电电路。

在这种情况下，在设备的导电配置中，过载断路器处于其断开状态，以及，在所述设备的所述过载配置中，所述过载断路器处于其闭合状态，以允许所述过载电容器向所述主支路放电，从而产生振荡过载电流，在至少一个半周期的振荡中，所述振荡过载电流与在所述主支路中循环的所述故障电流以绝对值相加。

在某些实施方式中，断开设备可以包括电子控制单元，在所述主电路中存在故障电流的情况下，所述电子控制单元通过编程命令所述过载断路器进入其闭合状态。

在某些实施方式中，所述过载断路器在其断开状态下具有最大耐压值，当超过所述最大耐压值时，所述过载断路器自动切换到其闭合状态，以及其特征在于，所述主支路具有电感，当在所述主支路中的电流变化速度超过给定的允许值时，所述电感的尺寸设计为在所述主支路的端子的两端上产生大于所述过载断路器的所述最大耐压值的电压。

在某些实施方式中，所述主支路和所述过载支路形成具有电感和电容的振荡回路，所述电感和电容的尺寸设计为使得所述过载电容器的所述放电在所述回路中产生振荡放电电流。

在这种实施方式的某些变体中，所述振荡回路包括专用电感组件。

在某些变体中，所述过载支路包括专用电感组件，所述专用电感组件插接在所述断开模块的所述第一点和所述第二点之间的所述过载导体中。

在某些实施方式中，过载支路包括专用电阻组件，所述专用电阻组件插接在所述断开模块的所述第一点和所述第二点之间的所述过载导体中。

在某些实施方式中，所述断开模块包括至少一个与所述保险丝电气并联布置的通用浪涌抑制器。

在这种实施方式的某些变体中，所述断开模块包括吸收支路，所述吸收支路与所述断开模块的所述第一点和所述第二点之间的所述主支路和所述过载支路电气并联布置，以及所述通用浪涌抑制器然后插接在所述第一点和所述第二点之间的所述吸收支路中。

在某些实施方式中，所述过载电容器的所述预充电电路包括到电位参考的爬电距离，所述爬电距离在所述电位参考和所述过载支路中的分接点之间延伸，所述分接点在所述过载电容器和所述过载断路器之间布置在所述过载支路的所述过载导体中。

在这种实施方式的某些变体中，到所述电位参考的所述爬电距离包括电阻组件。

在某些实施方式中，过载断路器为双向静态开关，例如双向半导体开关，或具有一个或多个电子管或一个或多个火花隙的双向开关。

在某些实施方式中，所述断开模块包括与所述主支路和所述过载支路并联的附加过载支路，所述附加过载支路具有在所述断开模块的所述第一点和所述第二点之间延伸的附加过载导体。

在这种实施方式中，断开模块的过载系统包括：

-至少一个附加过载断路器，插接在所述断开模块的所述第一点和所述第二点之间的、所述附加过载支路的所述附加过载导体中，

-附加双向过载断路器，插接在所述附加过载支路的所述附加过载导体中，所述附加过载断路器和所述附加过载电容器依次一个接一个地插接在所述断开模块的所述第一点和所述第二点之间的、所述附加过载支路的所述附加过载导体中，所述附加过载断路器在断开状态下，阻止电流在所述断开模块的所述第一点和所述第二点之间的所述附加过载支路中循环，以及所述附加过载断路器在闭合状态下，允许电流在所述断开模块的所述第一点和所述第二点之间的所述附加过载支路中双向循环，以及

-附加过载电容器的预充电电路。

在这种实施方式中，在所述设备的所述导电配置中，所述附加过载断路器处于其断开状态，以及在所述设备的所述过载配置中，所述附加过载断路器处于其闭合状态，以允许所述附加过载电容器向所述主支路放电，产生附加的振荡放电电流，在所述主支路中，在至少一个半周期的振荡中，所述附加的振荡放电电流与在所述主支路中循环的所述故障电流以绝对值相加。

在某些实施方式中，所述断开模块包括所述过载电容器的用于维护操作的至少一个放电电路。

在某些实施方式中，所述断开模块包括与所述过载电容器电气并联的电容器保护电阻。

在某些实施方式中，所述断开模块包括与所述过载断路器(36)电气并联的断路器保护电阻(62)。

在某些实施方式中，所述断开模块包括与所述过载电容器电气并联的电容器电阻保护器、以及与所述过载断路器电气并联的断路器保护电阻。

本发明还涉及一种用于断开高压直流电的方法，通过熔断保险丝确保断开电流，所述保险丝插接在主支路中，工作电流以额定导电相位在所述主支路中循环，其中所述方法包括：

-在过载系统中储存电能的步骤；以及

-通过所述过载系统产生过载电流的步骤，在所述主支路中，所述过载电流与故障电流叠加，以确保熔断所述保险丝。

在这种方法中，过载电流为振荡电流，在主支路中，在至少一个半周期的振荡中，振荡电流与故障电流以绝对值相加。

在某些实施方式中，通过控制所述过载系统的双向过载断路器来触发产生振荡过载电流的步骤。

在某些实施方式中，当在所述主支路中的电流变化超过给定的允许值时，通过所述主支路的电感的端子的两端上的电压来触发产生振荡过载电流的步骤。

附图说明

图1是示出本发明的第一实施方式的示意图。

图2是示出本发明的第二实施方式的示意图。

图3是示出本发明的第三实施方式的示意图。

图4是示出本发明的第四实施方式的示意图。

图5是示出本发明的第五实施方式的示意图。

图6是示出本发明的第六实施方式的示意图。

图7是示出本发明的第七实施方式的示意图。

图8是示出本发明的第八实施方式的示意图。

具体实施方式

在电网中，网络的两个给定点之间的电力传输是通过电力传输线完成的，电力传输线通常包括若干个电导体，每个导体对应电力传输线的电极。在所有情况下，在本文的意义范围内，电导体的形式可以是在所考虑的网络的两个独立点之间延伸的单个电导体，也可以是在所考虑的网络的两个相同独立点之间电气并联延伸的一组电导体，该组件的所有导体在任何时候都处于相同的电位。

因此，在高压直流(HVDC)网络中，网络的两个给定点之间的电力传输是经由电力传输线完成的，在许多情况下，电力传输线包括两个电极，每个电极包括在网络的两个给定点之间延伸的电导体。在这种情况下，电力传输线因此包括两个不同极性的电导体，例如，在负载情况下，一个电导体处于正电位，并且一个电导体处于负电位或中性电位。还是在HVDC网络单元中，网络的两个给定点之间的电力传输也可以经由具有三个电极的电力传输通道完成，该三个电极包括三个电导体，在负载情况下，一个电导体处于正电位，一个电导体处于负电位，一个电导体处于中性电位。在某些情况下，网络的两个给定点之间的电力传输可以经由具有单个电极的电力传输线、具有处于线的电位处的电导体、以及具有经由大地的电回路来完成。

不同的图各自示出了用于切断在电导体11中循环的高压直流电的断开设备10的示例性实施方式，电导体11例如可属于在HVDC网络单元中以大于1500V、甚至大于75000V的额定工作直流电压Unom工作的电力传输线。因此，断开设备10插接在设备10的初级点12和设备10的次级点14之间的电导体11中，初级点12和次级点14可以分别是用于连接设备10的端子。因此，断开设备10将电导体11分为两段，第一段11.1连接到初级点12，而第二段11.2连接到次级点14。在示出的示例中，例如，电导体11的第一段11.1连接到高压直流电源13(例如，电压转换器)。在示出的示例中，例如，电导体11的第二段11.2链接到电力负载(未显示)(例如，电力消费者)。

因此，断开设备10包括在设备10的初级点12和设备10的次级点14之间的主电路16，其中在断开设备10的导电配置中，主电路16循环断开设备10的直流额定工作高压(即网络的额定工作电压Unom)下的工作电流，该工作电流是在电导体11中循环的工作电流，其安培数小于或等于设备的额定安培数。具体而言，作为在网络中瞬时需求的函数，在给定时刻在导体11中循环的工作安培数可以在小于或等于额定安培数的情况下变化。另一方面，发生电气故障时，通过断开设备的电流安培数可能会超过这个额定安培数。断开设备10配置为发挥断路器的作用，即它有能力切断安培数大于或等于额定安培数的电流，无论是在额定安培数的负载下，还是在安培数大于或等于额定安培数的故障电流存在时。当然，至少对于某些实施方式而言，断开设备10也可以配置为能够确保断开安培数小于额定安培数的电流。

断开设备10包括至少一个断开模块18，该断开模块18插接在主电路16中，在主电路16的第一点20和第二点22之间，用于断开模块18。在仅包含单个断开模块18的示出的示例中，主电路16的第一点20和第二点22是主电路16中分别与断开设备10的初级点12和次级点14处于相同电位的点，初级点12和次级点14划界断开设备10的主电路16。

断开设备能够包括若干个断开模块，在这种情况下，这些断开模块可以布置为在断开设备10的初级点12和次级点14之间的主电路16中电串联。这若干个断开模块10可以彼此相同，也可以彼此不同。例如，这若干个断开模块10可以采用将在下文中所述的一种或另一种形式的实施方式。

断开模块18包括用于断开模块18的主支路24，该主支路24在断开模块18的第一点20和第二点22之间延伸。保险丝26插接在第一点20和第二点22之间的主支路24中。在断开设备10的导电配置中，工作电流在主支路24中循环，从而通过保险丝26。当断开设备10处于其导电配置时，模块18的主支路24是在正常网络工作情况下工作电流在其中循环的支路，此时保险丝26处于工作状态，将通过它的电流从一个端子传导到另一个端子。

保险丝保护电路的原理是众所周知的，包括在高压直流电领域。通常，保险丝包括由绝缘材料(例如陶瓷)制成的管状外体。在该管状外体内部，同轴布置了中央支承件，在其外圆柱面上支承着通常由金属材料制成的一个或多个保险丝线。例如，一个或多个保险丝线由银制成，在适用的情况下由纯银制成。一个或多个保险丝线通常呈螺旋状缠绕在中央支承件上。中央支承件由电绝缘材料制成，通常由陶瓷制成。优选地，在中央支承件与管状外体的面的内圆柱面之间的空间中填充材料，这种材料可促进在一个或多个保险丝线熔断时可能形成的电弧的熄灭。例如，该材料为石英砂。在外部管状体的两个轴向端部处，人们通常发现有接触盖，接触盖各自形成保险丝的两个端子之一。例如，可用于本发明的保险丝由SIBA GmbH公司销售，地址为博克大街(Borker Strasse)20-22,44354Lünen,Allemagne。

在保险丝所适用的电流和电压条件下，保险丝达到熔断状态，在穿过保险丝的电流作用下，一个或多个保险丝线熔断，阻止电流导通通过保险丝26，从而阻止电流在主支路24中的循环。

当然，如果在主电路16中出现故障电流，故障电流的安培数远远大于熔断保险丝所需的电流和电压条件，则保险丝会自发切换到熔断状态，无需任何人工或电子控制。

然而，在示出的每个实施方式中，断开模块18还包括过载系统30，在设备的过载配置中，在主电路16中存在故障电流的情况下，该系统能够产生振荡过载电流，在至少一个半周期的振荡中，振荡过载电流与在主支路24中循环的故障电流以绝对值相加，以增加通过保险丝26的电流安培数，从而确保熔断保险丝26。

下文将参考示出的不同实施方式及其任何变体，描述不同的过载系统30。

在所有示出的实施方式中，过载系统30包括至少一个过载支路32，过载支路32与主支路24并联布置在断开模块18的第一点20和第二点22之间。该过载支路32包括过载电导体33，过载电导体33的一端直接电连接到断开模块18的第一点20，并且另一端直接电连接到断开模块18的第二点22，并且其中插接有至少一个过载电容器34和过载断路器36。

在示出的示例中，过载电容器34以单个物理组件的形式示出。然而，过载电容器34也可以采用若干相互电串联和/或并联地布置的分立电容器的组件的形式。在这种情况下，过载电容器34就是与该组件电气等效的电容器。过载电容器34具有电容值C34。

过载断路器36插接在过载支路32的过载导体33中，过载断路器36和过载电容器34相继插接在断开模块18的第一点20和第二点22之间的过载支路32的过载导体33中。过载断路器36和过载电容器34可以在过载支路32的过载导体33中以一种顺序或另一种顺序布置，例如，可通过比较图1和图2以及图3至图6看出。

过载断路器36可以从断开状态可逆地切换到闭合状态。在断开状态下，过载断路器36阻止电流在过载支路32的过载电容器33中循环，在闭合状态下，过载断路器36允许电流在过载支路32的过载导体33中双向(two-way)循环。因此，过载断路器36为双向开关。但需要注意的是，从设备的工作中可以了解到，过载断路器36在从闭合状态过渡到断开状态期间不需要为中断负载电流而进行尺寸设计，更不需要在从闭合状态过渡到断开状态期间切断故障电流。换句话说，过载断路器36不需要作为断路器而进行尺寸设计。

过载断路器36优选为静态开关，例如，半导体开关或具有一个或多个电子管或一个或多个火花隙的开关，这样可以获得非常快的反应时间，有利于过载系统30的快速启动，从而有利于断开设备10快速切断电流。然而，也可以设想过载断路器36包括机械开关或采用机械开关的形式。

例如，双向过载断路器36可以采用单向开关的组件的形式，例如，两个反并联安装的晶闸管的并联组件。这种组件类似于TRIAC。然而，也可以使用其它半导体组件，例如IGBT。同样地，也可以使用反并联安装的晶闸管和二极管的并联组件。然而，尤其是从图5和图6的示例中可以看出，过载断路器36的实施方式也可以使用一个或多个电子管或一个或多个受控或非受控火花隙，例如，使用两个反并联安装的电子管或火花隙，在这种情况下，过载断路器36也是双向静态开关。

在断开设备10的导电配置中，过载断路器36在断开状态下，使得其阻止模块18的第一点20和第二点22之间过载支路32的过载导体33中的任何电流通过。

相反地，在断开设备10的过载配置中，在主支路24中存在人们希望断开的故障电流的情况下，过载断路器36进入闭合状态，以允许过载电容器34向主支路24放电，产生振荡过载电流，在主支路24中，在一个半周期的振荡中，振荡过载电流与故障电流叠加，增加其绝对值。具体而言，通过使过载断路器36进入闭合状态，人们可以使过载电容器34的箔片中的一个与第一点20电气连通，而过载电容器34的另一个箔片与第二点22电气连通，从而允许过载电容器34向主支路24放电。因此，过载系统30可以触发通过保险丝26的电流增加到熔断保险丝26的程度，包括故障电流值，如果没有这种增加，故障电流值是不会导致熔断保险丝26。

如上所示，过载系统30具有在出现故障电流时，至少在某些条件下产生过载电流的功能。为此，在示出的实施方式中，过载系统30还包括过载电容器34的预充电电路38。在示出的示例中，预充电电路38是从在电导体11中循环的电能中抽取电能的电路。例如，过载电容器34的预充电电路38包括到电位参考的爬电距离40。在图1至图7的示例中，电位参考是大地42，因为在这些示例中，电位源13在导体11和大地之间产生高压直流电。然而，图8示出了一种不同的安装方式，其中电位源13在导体11和另一个导体之间产生高压直流电，导体11因此形成电力传输线路的第一极，具有第一极性，而另一个导体形成第二极64，第二极64具有不同于第一极性的第二极性，例如与第一极性相反。需要注意的是，这种不同的安装方式具有两级，在图8的示例中，示出为与图1中相同的断开设备，可适用于图2至图7的所有实施方式。在这两种情况下，爬电距离40在电位参考42、64和过载支路32的分接点44之间延伸，分接点44布置在过载电容器34和过载断路器36之间的过载支路32的过载导体33中。当然，爬电距离40具有电阻，例如，采用电阻组件46的形式，电阻组件46的电阻值为R46，以限制可能流向电位参考42、64的爬电电流的值。需要注意的是，没有假设电流沿爬电距离的循环方向，这取决于导体11和电位参考42、64各自的电位。

通过在过载电容器34和过载断路器36之间布置分接点44，在电导体11和电位参考42、64之间产生了一个过载电容器34插接其中的电路，也是一个即使断路器36在断开状态下也不会被切断的电路。当电导体11中有电压时，例如，当电导体11达到工作电压时，预充电电路38将因此抽取部分可用电能，以对过载电容器34进行预充电。

然而，预充电电路38可以采用其它形式，例如，可以使用另一种电源，在适用的情况下使用专用电源。

在示出的示例中，预充电电路38没有开关。然而，可以设置朝向电位参考42、64的爬电距离40中被控制的开关。

如在示出的示例中，断开设备10可以包括电子控制单元100，在主电路16中存在故障电流的情况下，电子控制单元100通过编程命令过载断路器36进入其闭合状态。电子控制单元100通常包括至少一个处理器或微控制器或FPGA以及至少一个电子存储器，并且可以包括或被连接到一个或多个电子通信电路，例如用于与一个或多个计算机网络、和/或一个或多个电子接口电路、和/或一个或多个电子输入/输出电路进行通信。电子控制单元可以包括一个或多个显示单元或与一个或多个显示单元相关联。电子控制单元100可以包括一个或多个传感器或与一个或多个传感器相关联，例如，一个或多个安培数传感器和/或一个或多个电压传感器，配置为测量断开设备10中或设备10旨在并入的电气装置中的物理参数值。例如，一些示出的示例显示了电流安培数传感器48，例如电流表，配置为测量主电路16中的电流的安培数，该电流表48连接到电子控制单元100，因此能够拥有与主电路16中的电流的安培数相关的信息，因此也能拥有与电导体11中的电流的安培数相关的信息。

一个或多个电子控制单元100被编程以实现用于控制设备的全部或部分方法。有利的是，可以规定(多个)电子控制单元100通过相对于高压直流电隔离的信号传达它们的命令/控制指令，尤其是向过载断路器36传达它们的命令/控制指令。这些信号可以是由光纤传播的光信号。它们可以是由变压器隔离的电信号。这些信号可以是由无线通信链路传播的电磁信号。

主支路24和过载支路32形成一个具有电感和电容的回路，电感和电容的尺寸设计使得在断开设备10的过载配置中，过载电容器34的放电导致向主支路24和过载支路32形成的回路中注入振荡电流。具体而言，通过对产生振荡电流的回路进行尺寸设计，人们首先可以最大化注入电流的峰值安培数(对于电容器34中的可用给定能量而言)，并且人们还可以确保过载系统30的效率，使得保险丝26熔断，无论在主电路16中故障的循环方向如何，也无论故障相对于设备10在插入设备10的电气线路的导体11中的位置如何。

在图1、图2和图5至图8中示出的示例中，由主支路24和过载支路32形成的回路包括专用电感组件50、51，例如，由磁性材料(例如包括软铁)制成的线圈或线路。在图1、图2和图7中示出的示例中，专用电感组件50插接在过载支路32的过载导体33中。图5和图6的示例示出插接在主支路24中的专用电感组件51。当然，人们在过载支路32和主支路24两者中可以具有专用电感组件。相反地，由主支路24和过载支路32形成的回路可能不包含任何专用电感组件，但在这种情况下，由于由主支路24和过载支路32形成的回路中包括的元件的寄生电感，可能会具有电感，如图3和图4的示例所示。

通常，主支路24和过载支路32形成的回路的电感在回路中可以视为在回路中与过载电容器34的电容串联的电感。

同样地，由主支路24和过载支路32形成的回路可以具有电阻，该电阻可以是回路中包括的组件的寄生电阻的形式，或可以是具有电阻值R52的专用电阻组件52，如在图中所示。在这种情况下，回路的电阻可视为与回路的电感以及过载电容器34的电容串联的电阻。

总的来说，由过载支路32和主支路24形成的回路因此形成了串联LC电路或串联RLC电路，并产生振荡。作为电压等级和组件尺寸设计的函数，可以很容易地对电容和电感进行尺寸设计，使回路成为振荡回路，其中电容器的放电以电流振荡的形式进行。这样做，人们确保由过载系统30注入主支路24的过载电流在过载电流振荡的前半个周期期间首先将倾向于在一个方向上通过主支路24，然后，紧接着，在放电电流振荡的随后的半个周期期间，在另一个方向上通过主支路24。因此，在这两个半周期中的至少一个或另一个期间，由过载电容器34输送的过载电流必然与经由主支路24穿过断开设备10的故障电流以绝对值相加。无论通过断开设备10的故障电流的初始方向如何，也无论过载电容器34的预充电方向如何，都能获得绝对值的相加。在这种布置下，过载系统30将有效地使通过保险丝26的电流增加到确保熔断保险丝26的程度，包括在故障电流值不增加的情况下不会导致保险丝26熔断的情况，而这适用于无论故障电流的方向如何，也无论过载电容器34的充电方向如何。然而，只有当过载断路器36是双向的，即设计成使得在其闭合状态下允许电流通过其的两个方向上循环时，才能获得这种特性。

然而，即使是上述双向过载系统30，将系统配置为使得保险丝26中的电流安培数的增加从过载电流的振荡的前半周期获得将是有利的。为此，将布置为使得过载电容器34的与电位参考42、64的电位相差最大的箔片连接到保险丝26的端子，该保险丝26的端子连接到网络中具有剩余声音概率最大的部分。

在示出的示例中，断开模块18包括至少一个与保险丝26电气并联布置的通用浪涌抑制器54。浪涌抑制器的作用是在保险丝26熔断时吸收电路中的多余能量，尤其是多余磁能。此外，浪涌抑制器还使得限制过渡切断电压成为可能。

在图1至图4以及图7中示出的实施方式中，断开模块18包括吸收支路56，该吸收支路56与断开模块18的第一点20和第二点22之间的主支路24和过载支路32电气并联布置，并且通用浪涌抑制器54插接在第一点20和第二点22之间的吸收支路56中。另一方面，在图5中示出的示例中，在第一点20和第二点22之间的主支路24中插接有专用电感组件51，可以看出通用浪涌抑制器54与保险丝26电气并联布置，但吸收支路56在第一点20和位于保险丝26与专用电感组件51之间的主支路24中的连接点58之间延伸。相反地，在图6中示出的示例中，在第一点20和第二点22之间的主支路24中还插接有专用电感组件51，通用浪涌抑制器54与保险丝26和专用电感组件51电气并联布置，因为，在这种布局下，吸收支路56在第一点20和第二点22之间延伸。

还可以规定将浪涌抑制器布置为与过载电容器34直接并联。

图2、图3和图4的示例示出了能够调整过载断路器36和/或过载电容器34必须承受的最大电压的装置。

例如，图2示出了设置将具有电阻值R60的电容器保护电阻60与过载电容器34电气并联(直接与过载电容器34的端子并联)的可能性。以这种方式，当过载断路器36处于其断开状态的连续工作条件下，过载电容器34的端子的两端上的电压U34至多等于：

U34＝Unom×R60/(R60+R46)

因此，通过准确地选择电阻值R60和R46，可以布置使得过载电容器34和过载断路器36必须承受的最大电压小于甚至明显小于网络的额定工作电压Unom。以这种方式，可以在过载电容器34的电容值以及过载电容器34和过载断路器36必须承受的最大电压之间取得最有利的平衡，尤其是从部件的体积和成本角度来看。

需要注意的是，这样布置的电容器保护60直接与过载电容器34的端子并联，形成了过载电容器34的放电电路，用于维护操作，而这与保险丝26的状态无关，即与保险丝26是否熔断无关。具体而言，当设备10不再通电时，例如当导体11与网络隔离时，过载电容器34中包含的电能会逐渐放电到电容器保护电阻60中。需要注意的是，必须确保当过载断路器36进入其闭合状态时，控制向电容器保护电阻60放电的时间常数远大于过载电容器34向主支路24放电的时间常数。

图3示出了设置将具有电阻值R62的断路器保护电阻62与过载断路器36电气并联(直接与过载断路器36的端子并联)的可能性。以这种方式，当过载断路器36处于其断开状态的直流工作下，过载断路器36的端子的两端上的电压U36至多等于：

U36＝Unom×R62/(R62+R46)

因此，通过准确地选择电阻值R62和R46，可以布置使得过载断路器36必须承受的最大电压小于甚至明显小于网络的额定工作电压Unom，从而使得降低其成本和体积成为可能。只要保险丝没有熔断，该电阻还允许过载电容器34缓慢放电，以便能够对其进行维护。

图4示出了前两种可能性的组合，即具有电阻值R60的电容器保护电阻60与过载电容器34电气并联(直接与过载电容器34的端子并联)以及具有电阻值R60的断路器保护电阻62与过载断路器36电气并联(直接与过载断路器36的端子并联)。

图5和图6的示例示出了两种工作模式，在这两种模式下，至少在某些故障电流条件下，可以通过闭合过载断路器36自动获得过载系统30的接合，而不一定要依靠过载断路器36的电子控制。

在这两个示例中，过载断路器36在其断开状态下具有最大耐压值，当超过该值时，过载断路器36自动切换到其闭合状态而不会破坏其本身，因此是可逆的。换句话说，当在过载断路器36的端子的两端上施加的电压超过最大耐压值时，它会自动切换到其闭合状态，而无需任何外部控制，尤其是无需任何外部电子命令。图5和图6的实施方式示出了与断路器36并联的保护电阻62。这具有降低断路器36端子的两端上的电压的作用，从而增加了自闭合点。对于高的额定工作电压Unom的值，尤其可以利用这一点。

通常，尤其是对于这种实施方式，过载断路器36可以采用一个或多个电子管或火花隙的形式，这样就可以在不损坏开关的情况下自动切换到闭合状态。在这两个示例中，主支路24具有电感，当主支路24中的电流变化速度(dI24/dt)超过给定的允许值时，该电感的尺寸设计为在主支路24的端子的两端上产生电压，该电压与过载电容器34的端子的两端上的电压相加，使两个电压之和大于过载断路器36的最大耐压值。在示出的两个示例中，该电感以专用电感组件51的形式示出，插接在第一点18和第二点22之间的主支路24中。然而，该电感也可能完全或部分来自该主支路24中的寄生电感。因此，可以理解的是，在存在具有相当大的变化速度的故障电流的情况下，大于允许的变化速度时，主支路24的电感的端子的两端上会出现电压，因此主支路24的端子的两端上出现电压，该电压与过载电容器36的电压相加，并作用于过载断路器36的端子的两端上，并且使其过渡到闭合状态，从而引起如上所述的过载电容器34的放电。在这种实施方式中，就可以省去过载断路器36的电子控制单元。然而，如在图5和图6中所示，这种实施方式也可以与受控火花隙或受控电子管(超过阈值电压时从其自然闭合状态过渡)一起使用，并实现上述电子控制单元，例如，对于具有不足以引起自动接合的变化速度的电流，引起过载系统30的接合。

将是有利的是，将系统配置为使得保险丝26中电流安培数的增加从电感51的端子的两端上的电压增加开始获得的。为此，需要布置将过载电容器34的与电位参考42、64的电位相差最大的箔片连接到保险丝26的端子上，该端子连接到故障出现概率最高的网络部分。

图7示出了除了上述过载支路32外，断开模块18还包括与主支路24以及过载支路32并联的附加过载支路32’的可能性，该附加过载支路32’具有在断开模块18的第一点20和第二点22之间延伸的附加过载导体33’。

在示出的示例中，附加过载支路32’与过载支路32的结构相同，并且这种选择是为了显示过载支路32与参考图2的实施方式描述的相同的情况。除了附加过载支路32’和过载支路32之间的结构相同之外，两个支路可以具有它们的组件(尤其是关于各自过载电容器的电容C34、C34’)相同的尺寸设计。

在所有情况下，具有这种附加过载支路32’的断开模块18包括：

-至少一个附加过载电容器34’，插接在断开模块18的第一点20和第二点22之间的附加过载支路32’的附加过载导体33’中，

-附加双向过载断路器36’，插接在附加过载支路32’的附加过载导体33’中，附加过载断路器36’和附加过载电容器34’依次插接在断开模块18的第一点20和第二点22之间的附加过载支路32’的附加过载导体33’中，附加过载断路器36’在断开状态下，阻止电流在断开模块18的第一点20和第二点(22)之间的附加过载支路32’中的循环，以及附加过载断路器36’在闭合状态下，允许电流在断开模块18的第一点20和第二点22之间的附加过载支路36’中的双向循环。

类似地，为附加过载电容器34’提供了预充电电路38’。在示例中该预充电电路38’的结构与上述结构相同。

在设备10的导电配置中，附加过载断路器36’处于其断开状态。在设备10的过载配置中，附加过载断路器32’处于其闭合状态，以允许附加过载电容器34’向主支路24的放电，产生附加的振荡过载电流，在主支路24中，在至少一个半周期的振荡中，附加的振荡过载电流与在主支路24中循环的故障电流以绝对值相加。

通常，附加过载断路器36’本身也将由电子控制单元100控制，并且优选地，控制附加过载断路器36’和过载断路器36同时过渡到其闭合状态。

这种断开模块可以有利于实现过载断路器36、36’，过载断路器36、36’在“转移负载”(即通过断路器的累积负载)方面具有有限的传导电力。但应注意的是，由于放电电流的幅值在主支路24中相加在一起，因此制动断路器36、36’同时进入其闭合状态，这优选使用同时触发的受控制动断路器来实现。

图7的示例再次显示了提供通用浪涌抑制器54的可能性，在本示例中，其中插接有通用浪涌抑制器54的吸收支路56布置为与断开模块18的第一点20和第二点22之间的附加过载支路32’电气并联。

下面将介绍根据本发明的用于设计断开设备10的尺寸的方法的示例。

目的是使主支路24和过载支路32形成的回路形成振荡回路。这里指的是弱阻尼电路，即，例如满足以下条件的电路：

[数学函数1]

其中：

-L50是仅在过载支路32中的电感值；

-L51是正常工作时电流通过的电感，因此在主支路24中；

-R52是由过载支路32和主支路24形成的回路的总电阻。

需要注意的是，当由过载支路32和主支路24形成的回路的总电阻的值较大时，设备可以工作，但此时需要增加过载电容器34的电容值，从而增加其成本和体积。

根据该关系，人们然后可以确定过载电容器34的放电所产生的过载电流振荡的半周期T/2：

[数学函数2]

同样地，假设R52为零或可忽略不计，则可以确定过载电容器34的放电电流的峰值电流Ipk，其由以下关系式给出：

[数学函数3]

其中：

-U34为过载电容器34的端子的两端上的负载电压。

然后，在忽略支路中循环的电流I24的作用的情况下，设法确定过载电容器34的放电电流的振荡的一个半周期的特性参数"I²t"。

该特性参数的值由谐波电流的峰值振幅Ipk在一个半周期内的积分确定：

[数学函数4]

作为上述关系的函数，过载电容器34的放电电流的振荡的一个半周期的特性参数"I²t"以以下连续形式表示：

[数学函数5]

为了确定回路的尺寸，布置使得由上述关系定义的过载电容器34的放电电流的振荡的一个半周期的特性参数“I²t”大于或等于保险丝26的参数“I²t”，后者是保险丝26的制造商供应的给定特性。

当电阻52的值R52显著增大时，回路中出现阻尼，且过载电容器34的放电电流的振荡的一个半周期的特性参数“I²t”值减小。在这种情况下，有必要因此增大过载电容器34的电容值，或者使用分压器增大过载电容器34的端子的两端上的电压U34。

上述断开设备是可以实现用于断开高压直流电的方法的设备的示例，在这种方法中，通过熔断保险丝26确保断开电流，该保险丝26插接在主支路24中，工作电流以额定导电相位在主支路24中循环，并且其中，该方法包括：

在过载系统30中储存电能的步骤；

通过过载系统30产生振荡过载电流的步骤，在主支路24中，在至少一个半周期的振荡中，振荡过载电流与故障电流以绝对值相加，以确保熔断保险丝26。

在某些实施方式中，或至少在某些电流和电压条件下，通过控制过载系统30的双向过载断路器36、36’(例如，通过电子控制单元100)来触发产生振荡过载电流的步骤。

在某些实施方式中，如图5和图6的实施方式，以及至少在某些电流和电压条件下，当在主支路24中的电流变化超过给定的允许值时，通过主支路24的电感51的端子的两端上的电压来触发产生振荡过载电流的步骤。

Claims (23)

1.一种用于断开高压直流电的设备(10)，所述设备(10)包括：

-主电路(16)，在断开设备的导电配置中，在所述设备的直流额定工作高压(Unom)下的工作电流在所述主电路中循环；

-至少一个断开模块(18)，插接在所述主电路(16)的第一点(20)和第二点(22)之间的用于所述断开模块(18)的所述主电路(16)中，所述断开模块(18)包括在所述断开模块(18)的所述第一点(20)和所述第二点(22)之间的主支路(24)，具有插接在所述第一点(20)和所述第二点(22)之间的所述主支路(24)中的至少一个保险丝(26)，所述工作电流在所述断开设备的导电配置中在所述主支路(24)中循环；以及

所述断开设备(10)为其中所述断开模块(18)包括过载系统(30)的类型，在所述设备的过载配置中，在所述主电路(16)中存在故障电流的情况下，所述过载系统能够产生过载电流，以确保熔断所述保险丝(26)，

其特征在于，所述过载电流为振荡电流，在所述主支路(24)中，在至少一个半周期的振荡中，所述振荡电流与所述故障电流以绝对值相加，以确保熔断所述保险丝(26)。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述过载系统(30)包括与所述主支路(24)并联、具有过载导体(33)的过载支路(32)，所述过载支路(32)在所述断开模块(18)的所述第一点(20)和所述第二点(22)之间延伸，

其特征在于，所述过载系统(30)包括：

-至少一个过载电容器(34)，插接在所述断开模块(18)的所述第一点(20)和所述第二点(22)之间的所述过载支路(32)的所述过载导体(33)中，

-双向过载断路器(36)，插接在所述过载支路(32)的所述过载导体(33)中，所述过载断路器(36)和所述过载电容器(34)

依次一个接一个地插接在所述断开模块的所述第一点(20)和所述第二点(22)之间的所述过载支路(32)的所述过载导体中，

所述过载断路器(36)在断开状态下，阻止电流在所述断开模块的所述第一点(20)和所述第二点(22)之间的所述过载支路(32)

中循环，以及所述过载断路器(36)在闭合状态下，允许电流在

所述断开模块的所述第一点(20)和所述第二点(22)之间的所述过载支路(32)中双向循环，以及

-所述过载电容器(34)的预充电电路(38)；

其特征在于，在所述设备的所述导电配置中，所述过载断路器(36)处于其断开状态；以及

其特征在于，在所述设备的所述过载配置中，所述过载断路器(36)处于其闭合状态，以允许所述过载电容器(34)向所述主支路(24)放电，从而产生振荡过载电流，在至少一个半周期的振荡中，所述振荡过载电流与在所述主支路(24)中循环的所述故障电流以绝对值相加。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述断开设备(10)包括电子控制单元(100)，在所述主电路(16)中存在故障电流的情况下，所述电子控制单元(100)通过编程命令所述过载断路器(36)进入其闭合状态。

4.根据权利要求2或3所述的设备，其特征在于，所述过载断路器(36)在其断开状态下具有最大耐压值，当超过所述最大耐压值时，所述过载断路器自动切换到其闭合状态，以及其特征在于，所述主支路(24)具有电感(51)，当在所述主支路中的电流变化速度超过给定的允许值时，所述电感的尺寸设计为在所述主支路(24)的端子的两端上产生大于所述过载断路器(36)的所述最大耐压值的电压。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的设备，其特征在于，所述主支路(24)和所述过载支路(32)形成具有电感和电容的振荡回路，所述电感和电容的尺寸设计为使得所述过载电容器(34)的放电在所述回路中产生振荡放电电流。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述振荡回路包括专用电感组件(51、52)。

7.根据权利要求5或6所述的设备，其特征在于，所述过载支路包括专用电感组件(51、52)，所述专用电感组件插接在所述断开模块的所述第一点(20)和所述第二点(22)之间的所述过载导体(33)中。

8.根据权利要求2至7中任一项所述的设备，其特征在于，所述过载支路(32)包括专用电阻组件，所述专用电阻组件插接在所述断开模块的所述第一点(20)和所述第二点(22)之间的所述过载导体(33)中。

9.根据权利要求2至8中任一项所述的设备，其特征在于，所述断开模块(18)包括至少一个与所述保险丝(26)电气并联布置的通用浪涌抑制器(54)。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述断开模块(18)包括吸收支路(56)，所述吸收支路(56)与所述断开模块(18)的所述第一点(20)和所述第二点(22)之间的所述主支路(24)和所述过载支路(32)电气并联布置，以及其特征在于，所述通用浪涌抑制器(54)插接在所述第一点(20)和所述第二点(22)之间的所述吸收支路(56)中。

11.根据权利要求2至10中任一项所述的设备，其特征在于，所述过载电容器(34)的所述预充电电路(38)包括到电位参考(40、64)的爬电距离(40)，所述爬电距离在所述电位参考(40、64)和所述过载支路(32)中的分接点(44)之间延伸，所述分接点(44)在所述过载电容器(34)和所述过载断路器(36)之间布置在所述过载支路(32)的所述过载导体(33)中。

12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，到所述电位参考(40、64)的所述爬电距离(40)包括电阻组件(46)。

13.根据权利要求2至12中任一项所述的设备，其特征在于，所述过载断路器(36)为双向静态开关。

14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述过载断路器(36)为双向半导体开关。

15.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述过载断路器(36)为具有一个或多个电子管或一个或多个火花隙的双向开关。

16.根据权利要求2至15中任一项所述的设备，其特征在于，所述断开模块(18)包括与所述主支路(24)和所述过载支路(32)并联的附加过载支路(32’)，所述附加过载支路(32’)具有在所述断开模块(18)的所述第一点(20)和所述第二点(22)之间延伸的附加过载导体(33’)，

其特征在于，所述断开模块(18)的所述过载系统(30)包括：

-至少一个附加过载电容器(34’)，插接在所述断开模块(18)的所述第一点(20)和所述第二点(22)之间的、所述附加过载支路(32’)的所述附加过载导体(33’)中，

-附加双向过载断路器(36’)，插接在所述附加过载支路(32’)的所述附加过载导体中，所述附加过载断路器(36’)和所述附加过载电容器(34’)依次一个接一个地插接在所述断开模块(18)的所述第一点(20)和所述第二点(22)之间的、所述附加过载支路(32’)的所述附加过载导体中，所述附加过载断路器(36’)

在断开状态下，阻止电流在所述断开模块的所述第一点(20)和

所述第二点(22)之间的所述附加过载支路(32’)中循环，以及

所述附加过载断路器(36’)在闭合状态下，允许电流在所述断开模块的所述第一点(20)和所述第二点(22)之间的所述附加过载支路(32’)中双向循环，以及

-所述附加过载电容器(34’)的预充电电路(38’)；

其特征在于，在所述设备的所述导电配置中，所述附加过载断路器(36’)处于其断开状态；以及

其特征在于，在所述设备的所述过载配置中，所述附加过载断路器(36’)处于其闭合状态，以允许所述附加过载电容器(34’)向所述主支路放电，从而产生振荡附加放电电流，在所述主支路(24)中，在至少一个半周期的振荡中，所述振荡附加放电电流与在所述主支路中循环的所述故障电流以绝对值相加。

17.根据权利要求2至16中任一项所述的设备，其特征在于，所述断开模块包括所述过载电容器的用于维护操作的至少一个放电电路。

18.根据权利要求2至17中任一项所述的设备，结合权利要求12，其特征在于，所述断开模块包括与所述过载电容器(34)电气并联的电容器保护电阻(60)。

19.根据权利要求2至18中任一项所述的设备，结合权利要求12，其特征在于，所述断开模块包括与所述过载断路器(36)电气并联的断路器保护电阻(62)。

20.根据权利要求2至19中任一项所述的设备，结合权利要求12，其特征在于，所述断开模块包括与所述过载电容器(34)电气并联的电容器保护电阻(60)、以及与所述过载断路器(36)电气并联的断路器保护电阻(62)。

21.一种用于断开高压直流电的方法，其中，通过熔断保险丝(26)确保断开电流，所述保险丝(26)插接在主支路(24)中，工作电流以额定导电相位在所述主支路(24)中循环，其中所述方法包括：

-在过载系统(30)中储存电能的步骤；

-通过所述过载系统(30)产生过载电流的步骤，在所述主支路(24)中，所述过载电流与故障电流叠加，以确保熔断所述保险丝(26)，

其特征在于，所述过载电流为振荡电流，在所述主支路(24)中，在至少一个半周期的振荡中，所述振荡电流与所述故障电流以绝对值相加。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，通过控制所述过载系统(30)的双向过载断路器(36)来触发产生振荡过载电流的步骤。

23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，当在所述主支路(24)中的电流变化超过给定的允许值时，通过所述主支路(24)的电感(51)的端子的两端上的电压来触发产生振荡过载电流的步骤。