DE202012100023U1

DE202012100023U1 - HVDC-Hybrid-Leistungsschalter mit Schutzbeschaltung

Info

Publication number: DE202012100023U1
Application number: DE202012100023U
Authority: DE
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: Hitachi Energy Ltd
Priority date: 2012-01-04
Filing date: 2012-01-04
Publication date: 2012-04-12
Anticipated expiration: 2022-01-05

Abstract

Gleichstrom(DC)-Leistungsschalter (100), der Folgendes umfasst: einen Hauptleistungsschalter (110) und einen Unterbrecher (120) und einen Hilfsleistungsschalter (170), die in Reihe geschaltet sind, wobei die Reihenschaltung aus Unterbrecher und Hilfsleistungsschalter mit dem Hauptleistungsschalter parallel geschaltet ist, wobei der Hilfsleistungsschalter (170) Folgendes umfasst: ein Leistungshalbleiter-Schaltelement (210) und eine Schutzbeschaltu(210) parallel geschaltet ist, wobei die Schutzbeschaltung Folgendes umfasst: einen ersten Kondensator (221), einen ersten Widerstand (222), der mit dem ersten Kondensator (221) parallel geschaltet ist, einen zweiten Kondensator (223), einen zweiten Widerstand (224), der mit dem zweiten Kondensator (223) in Reihe geschaltet ist, wobei die Reihenschaltung aus dem zweiten Widerstand (224) und dem zweiten Kondensator (223) mit dem ersten Kondensator (221) und dem ersten Widerstand (222) parallel geschaltet ist, und eine erste Diode (225), die eine erste Polarität hat und mit der Parallelschaltung aus dem ersten Kondensator (221) und...

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein Hochspannungs-Gleichstrom(HVDC)-Hybrid-Leistungsschalter und insbesondere Schutzbeschaltungen in solchen Leistungsschaltern.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
HVDC-Hybrid-Leistungsschalter, wie sie zum Beispiel in WO 2011/057675 offenbart sind, basieren in der Regel auf einer Kombination aus einem Festkörper-Hauptleistungsschalter, der mit einer Reihenschaltung aus einem Festkörper-Hilfsleistungsschalters und einem mechanischen Unterbrecher parallel geschaltet ist. Das Funktionsprinzip eines Hybrid-Leistungsschalters ist, dass der Hauptleistungsschalter, der Hilfsleistungsschalter und der Unterbrecher während des Normalbetriebes geschlossen sind. Wenn ein Auslösesignal empfangen wird, so versucht der Hybrid-Leistungsschalter, den durch ihn fließenden Strom zu unterbrechen, indem er zuerst den Hilfsleistungsschalter öffnet, wodurch der Strom, der durch den Hilfsleistungsschalter und den Unterbrecher zum Hauptleistungsschalter fließt, kommutiert wird. Anschließend wird der Unterbrecher geöffnet, um den Hilfsleistungsschalter zu trennen, und schließlich wird der Hauptleistungsschalter geöffnet, was zu einer Kommutation des Stromes führt, der von dem Hauptleistungsschalter zu einem mit dem Hauptleistungsschalter parallel geschalteten Überspannungsableiter fließt.
Häufig werden Hybrid-Leistungsschalter mit Schutzbeschaltungen geliefert, um Spannungsübergangszustände zu unterdrücken, die in Reaktion auf das plötzliche Unterbrechen des Stromes entstehen, wenn der Unterbrecher geöffnet wird. Eine Schutzbeschaltung umfasst in der Regel einen Kondensator, der mit dem Hilfsleistungsschalter parallel geschaltet ist.
Wenn der Unterbrechungsbetrieb des Hybrid-Leistungsschalters durch Öffnen des Hilfsleistungsschalters initiiert wird, so wird der Dämpfungskondensator geladen, aber sobald der Strom von dem Hilfsleistungsschalter zu dem Hauptleistungsschalter kommutiert, wird der Kondensator durch den Unterbrecher und den Hauptleistungsschalter entladen. Dieser Entladungsprozess, und der resultierende Strom von ungleich Null durch den Unterbrecher, behindert den Unterbrechungsbetrieb des Unterbrechers.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine effizientere Alternative zu den oben beschriebenen Techniken und dem Stand der Technik bereitzustellen.
Genauer gesagt, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten HVDC-Hybrid-Leistungsschalter bereitzustellen.
Diese und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden mittels eines Gleichstrom(DC)-Leistungsschalters erfüllt, der die Merkmale aufweist, die in dem unabhängigen Anspruch 1 definiert sind. Ausführungsformen der Erfindung sind durch die unabhängigen Ansprüche gekennzeichnet.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein DC-Leistungsschalter bereitgestellt. Der Leistungsschalter umfasst einen Hauptleistungsschalter, einen Unterbrecher und einen Hilfsleistungsschalter. Der Unterbrecher und der Hilfsleistungsschalter sind in Reihe geschaltet. Die Reihenschaltung aus Unterbrecher und Hilfsleistungsschalter ist mit dem Hauptleistungsschalter parallel geschaltet. Der Hilfsleistungsschalter umfasst ein Leistungshalbleiter-Schaltelement und eine Schutzbeschaltung. Die Schutzbeschaltung ist mit dem Leistungshalbleiter-Schaltelement parallel geschaltet. Die Schutzbeschaltung umfasst einen ersten Kondensator, einen zweiten Kondensator, einen ersten Widerstand, einen zweiten Widerstand und eine erste Diode. Der erste Widerstand ist mit dem ersten Kondensator parallel geschaltet. Der zweite Widerstand ist mit dem zweiten Kondensator in Reihe geschaltet. Die Reihenschaltung des zweiten Widerstands und des zweiten Kondensators ist mit dem ersten Kondensator und dem ersten Widerstand parallel geschaltet. Die erste Diode hat eine erste Polarität und ist mit der Parallelschaltung des ersten Kondensators und des ersten Widerstands und der Reihenschaltung des zweiten Widerstands und des zweiten Kondensators in Reihe geschaltet.
Die vorliegende Erfindung nutzt das Wissen, dass ein unkontrolliertes Entladen des Dämpfungskondensators während des Unterbrechungsbetriebes eines HVDC-Hybrid-Leistungsschalters verhindert werden kann, indem man den Hilfsleistungsschalter mit einer oben beschriebenen Schutzbeschaltung ausstattet. Während der Abschaltzeit wird der erste Kondensator geladen, und anschließend wird die gespeicherte Ladung zwischen dem ersten und dem zweiten Kondensator aufgeteilt und auch durch den parallelen Widerstand dissipiert.
Eine Ausführungsform der Erfindung ist vorteilhaft, da die Probleme, die mit den Hybrid-Leistungsschaltern des Standes der Technik auftreten, das heißt Probleme infolge eines Entladestroms, der von dem Kondensator aus durch den Unterbrecher und den Hauptleistungsschalter fließt, vermindert werden. Genauer gesagt, behindert der Strom von ungleich Null, der durch den Unterbrecher eines Hybrid-Leistungsschalters des Standes der Technik fließt, die Unterbrechungswirkung des Unterbrechers. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird andererseits ein unkontrolliertes Entladen des Kondensators verhindert, wodurch der Unterbrecher den Strom unterbrechen kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Leistungshalbleiter-Schaltelement einen Insulated-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT) und eine zweite Diode. Der IGBT hat die erste Polarität. Die zweite Diode hat eine zweite Polarität, die der ersten Polarität entgegengesetzt ist. Die zweite Diode ist mit dem IGBT parallel geschaltet.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Leistungshalbleiter-Schaltelement einen Bi-mode-Insulated-Gate-Transistor (BiGT) und eine zweite Diode. Der BiGT hat die erste Polarität. Die zweite Diode hat eine zweite Polarität, die der ersten Polarität entgegengesetzt ist. Die zweite Diode ist mit dem BiGT parallel geschaltet.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Hauptleistungsschalter mehrere Leistungshalbleiter-Schaltelemente. Die Schaltelemente sind in Reihe geschaltet.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Unterbrecher einen mechanischen Schalter.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Hilfsleistungsschalter ein Leistungshalbleiter-Schaltelement. Des Weiteren kann der Hilfsleistungsschalter mehrere in Reihe geschaltete Leistungshalbleiter-Schaltelemente umfassen.
Obgleich Vorteile der vorliegenden Erfindung in einigen Fällen mit Bezug auf Ausführungsformen des Hybrid-Leistungsschalters gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben wurden, gelten entsprechende Überlegungen auch für Ausführungsformen des Verfahrens gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung.
Weitere Aufgaben, Merkmale, Details, Ausführungsformen und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Offenbarung, den Zeichnungen und den beiliegenden Ansprüchen ersichtlich. Der Fachmann erkennt, dass verschiedene Merkmale der vorliegenden Erfindung kombiniert werden können, um andere Ausführungsformen hervorzubringen als jene, die im Folgenden beschrieben werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben angeführten sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende veranschaulichende und nicht-einschränkende detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besser verstanden, wobei auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen Folgendes dargestellt ist:
1 ist eine schematische Veranschaulichung eines HVDC-Hybrid-Leistungsschalters des Standes der Technik.
2 ist eine schematische Veranschaulichung eines HVDC-Hybrid-Leistungsschalters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Alle Figuren sind schaubildhaft, nicht unbedingt maßstabsgetreu und zeigen allgemein nur Teile, die erforderlich sind, um die Erfindung zu begreifen, wobei andere Teile weggelassen oder lediglich angedeutet sein können.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Mit Bezug auf 1 wird ein HVDC-Hybrid-Leistungsschalter des Standes der Technik beschrieben.
Der Hybrid-Leistungsschalter 100 umfasst einen Hauptleistungsschalter 110, einen schnellen Unterbrecher, d. h. einen Hochgeschwindigkeitsschalter, 120, einen Hilfsleistungsschalter 130, einen Überspannungsableiter 140 und einen Dämpfungskandensator 150. Der Unterbrecher 120 und der Hilfsleistungsschalter 130 sind in Reihe geschaltet, und die Reihenschaltung aus Unterbrecher 120 und Hilfsleistungsschalter 130 ist mit dem Hauptleistungsschalter 110 parallel geschaltet. Der Überspannungsableiter 140 ist mit dem Hauptleistungsschalter 110 und der Reihenschaltung aus Unterbrecher 120 und Hilfsleistungsschalter 130 parallel geschaltet. Der Dämpfungskondensator 150 ist mit dem Hilfsleistungsschalter 130 parallel geschaltet.
Der Hybrid-Leistungsschalter 100 kann mit einem externen Schaltkreis, wie zum Beispiel einer HVDC-Übertragungsleitung, an Anschlüssen 101 und 102 verbunden sein. Zum Beispiel kann der Hybrid-Leistungsschalter 100 verwendet werden, um eine HVDC-Übertragungsleitung mit einer Sammelschiene einer Schaltanlage zu verbinden, um die Übertragungsleitung bei einer technischen Störung oder für Wartungsarbeiten von der Sammelschiene zu trennen.
Im Folgenden wird das Funktionsprinzip des Hybrid-Leistungsschalters 100 beschrieben. Während des Normalbetriebes sind der Hauptleistungsschalter 110, der Unterbrecher 120 und der Hilfsleistungsschalter 130 geschlossen. Wenn der Hybrid-Leistungsschalter 100 ein Auslösesignal empfängt, so versucht der Leistungsschalter 100, den durch ihn fließenden Strom, d. h. vom Anschluss 101 zu 102 oder umgekehrt, zu unterbrechen, indem er zuerst den Hilfsleistungsschalter 130 öffnet, wodurch der Strom, der durch den Hilfsleistungsschalter 130 und den Unterbrecher 120 zum Hauptleistungsschalter 110 fließt, kommutiert wird. Anschließend wird der Unterbrecher 120 geöffnet, um den Hilfsleistungsschalter 130 zu trennen, und schließlich wird der Hauptleistungsschalter 110 geöffnet, was zu einer Kommutation des Stromes vom Hauptleistungsschalter 110 zum Überspannungsableiter 140 führt.
Der Hybrid-Leistungsschalter 100 ist mit einem Dämpfungskondensator 150 ausgestattet, um Spannungsübergangszustände zu unterdrücken, die in Reaktion auf das plötzliche Unterbrechen des Stromes entstehen, wenn der Unterbrecher 120 geöffnet wird.
Ein Problem, das in Hybrid-Leistungsschaltern des Standes der Technik, wie zum Beispiel dem mit Bezug auf 1 beschriebenen Hybrid-Leistungsschalter 100, entsteht, ist, dass der geladene Dämpfungskondensator 150 durch den Unterbrecher 120 und den Hauptleistungsschalter 110 entladen wird, wenn der Hilfsleistungsschalter 130 geöffnet wird, wie durch den Pfeil 160 in 1 veranschaulicht ist. Infolge des Stromes von ungleich Null, der durch den Unterbrecher 120 fließt, wird die Unterbrechungswirkung des Unterbrechers 120 behindert.
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf 2 beschrieben. Zur Vereinfachung der Darstellung ist nur der Hilfsleistungsschalter in 2 veranschaulicht, d. h. der in 2 veranschaulichte Schaltungsaufbau entspricht dem Schaltungsaufbau 170 von 1.
Der Hilfsleistungsschalter 200 umfasst ein Leistungshalbleiter-Schaltelement 210 und eine Schutzbeschaltung. Die Leistungshalbleiter-Schaltelement 210 umfasst einen Transistor, z. B. einen IGBT oder einen BiGT. Die Schutzbeschaltung umfasst zwei Kondensatoren 221 und 223 sowie zwei Widerstände 222 und 223 und eine Diode 225. Während des Unterbrechungsbetriebes wird der Dämpfungskondensator 221 geladen, und anschließend wird die Ladung durch die Kondensatoren 221 und 223 gemeinsam genutzt und auch durch den Widerstand 222 dissipiert. Die Kapazität des Kondensators 223 ist bevorzugt mindestens dreimal größer als die des Kondensators 221. Der Widerstand 224 verhindert das Laden des Kondensators 223 während des Unterbrechungsbetriebes, wodurch bewirkt wird, dass sich der Kondensator 221 die gespeicherte Energie mit dem Kondensator 223 teilt.
Der Fachmann erkennt, dass die vorliegende Erfindung keinesfalls auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Es sind im Gegenteil viele Modifizierungen und Variationen innerhalb des Schutzumfangs der beiliegenden Ansprüche möglich.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass ein HVDC-Hybrid-Leistungsschalter bereitgestellt wird. Der Leistungsschalter umfasst einen Festkörper-Hauptleistungsschalter, einen mechanischen schnellen Unterbrecher und einen Hilfsleistungsschalter. Der Unterbrecher und der Hilfsleistungsschalter sind in Reihe geschaltet. Der Hilfsleistungsschalter umfasst ein Leistungshalbleiter-Schaltelement und eine Schutzbeschaltung, die zwei Kondensatoren, zwei Widerstände und eine Diode umfasst. Während des Unterbrechungsbetriebes wird der Dämpfungskondensator geladen, und anschließend wird die Ladung durch die Kondensatoren gemeinsam genutzt und auch durch den Widerstand dissipiert. Der widerstand verhindert das Laden des Kondensators während des Unterbrechungsbetriebes, wodurch bewirkt wird, dass sich der Kondensator die gespeicherte Energie mit Kondensator teilt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2011/057675 [0002]

Claims

Gleichstrom(DC)-Leistungsschalter (100), der Folgendes umfasst: einen Hauptleistungsschalter (110) und einen Unterbrecher (120) und einen Hilfsleistungsschalter (170), die in Reihe geschaltet sind, wobei die Reihenschaltung aus Unterbrecher und Hilfsleistungsschalter mit dem Hauptleistungsschalter parallel geschaltet ist, wobei der Hilfsleistungsschalter (170) Folgendes umfasst: ein Leistungshalbleiter-Schaltelement (210) und eine Schutzbeschaltung, die mit dem Leistungshalbleiter-Schaltelement (210) parallel geschaltet ist, wobei die Schutzbeschaltung Folgendes umfasst: einen ersten Kondensator (221), einen ersten Widerstand (222), der mit dem ersten Kondensator (221) parallel geschaltet ist, einen zweiten Kondensator (223), einen zweiten Widerstand (224), der mit dem zweiten Kondensator (223) in Reihe geschaltet ist, wobei die Reihenschaltung aus dem zweiten Widerstand (224) und dem zweiten Kondensator (223) mit dem ersten Kondensator (221) und dem ersten Widerstand (222) parallel geschaltet ist, und eine erste Diode (225), die eine erste Polarität hat und mit der Parallelschaltung aus dem ersten Kondensator (221) und dem ersten Widerstand (222) und mit der Reihenschaltung aus dem zweiten Widerstand (224) und dem zweiten Kondensator (223) in Reihe geschaltet ist.
DC-Leistungsschalter nach Anspruch 1, wobei das Leistungshalbleiter-Schaltelement Folgendes umfasst: einen Insulated-Gate-Bipolar-Transistor, IGBT, der die erste Polarität hat, und eine zweite Diode, die bevorzugt eine zweite Polarität hat und bevorzugt mit dem IGBT parallel geschaltet ist, wobei die zweite Polarität bevorzugt der ersten Polarität entgegengesetzt ist.
DC-Leistungsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Leistungshalbleiter-Schaltelement Folgendes umfasst: einen Bi-mode-Insulated-Gate-Transistor, BiGT, der die erste Polarität hat, und eine zweite Diode, die bevorzugt eine zweite Polarität hat und bevorzugt mit dem BiGT parallel geschaltet ist, wobei die zweite Polarität bevorzugt der ersten Polarität entgegengesetzt ist.
DC-Leistungsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Hauptleistungsschalter mehrere in Reihe geschaltete Leistungshalbleiter-Schaltelemente umfasst.
DC-Leistungsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Unterbrecher einen mechanischen Schalter umfasst.
DC-Leistungsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Hilfsleistungsschalter ein Leistungshalbleiter-Schaltelement umfasst.
DC-Leistungsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Hilfsleistungsschalter mehrere in Reihe geschaltete Leistungshalbleiter-Schaltelemente umfasst.