EP2885801B1 - Disconnecting assembly for a high-voltage direct-current network - Google Patents

Disconnecting assembly for a high-voltage direct-current network Download PDF

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EP2885801B1
EP2885801B1 EP13763021.6A EP13763021A EP2885801B1 EP 2885801 B1 EP2885801 B1 EP 2885801B1 EP 13763021 A EP13763021 A EP 13763021A EP 2885801 B1 EP2885801 B1 EP 2885801B1
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EP
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switching unit
mechanical
semiconductor
voltage
mechanical switching
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EP13763021.6A
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EP2885801A1 (en
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Dominik ERGIN
Gerd Griepentrog
Werner Hartmann
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
    • H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
    • H01H9/541—Contacts shunted by semiconductor devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
    • H01H33/02—Details
    • H01H33/59—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switch and not otherwise provided for, e.g. for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle
    • H01H33/596—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switch and not otherwise provided for, e.g. for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle for interrupting dc

Definitions

  • the present invention relates to a separation arrangement for a high voltage direct current network. Moreover, the present invention relates to a method for operating a separation arrangement for a high-voltage direct current network.
  • the semiconductor switches After extinguishing the arc and a time for reconsolidation of the insulation gap, the semiconductor switches are driven accordingly, so that builds up a voltage with which the power is turned off in the DC network.
  • the arc voltage generated in the mechanical switch is sufficiently large so that the commutation process can also take place.
  • the threshold voltage of today used and massively connected in series semiconductor switches must be overcome statically.
  • the over the Stray inductances occurring in the commutation circuit voltage drops are taken into account.
  • the WO 2011 057 675 A1 a device for switching off a direct current in a high-voltage network with a first separator, which comprises a plurality of series-connected semiconductor switches.
  • a second separation device Parallel to the first separation device, a second separation device is connected, which comprises a series connection of a mechanical switch and a semiconductor switch.
  • a separator arrangement is described in which a first separator comprises a plurality of series-connected semiconductor switches.
  • the second separating device connected in parallel with the first separating device comprises, as a mechanical switch, a so-called quick disconnector, which is connected in series with an auxiliary switching device comprising a semiconductor switch.
  • an electrical voltage can be established, which considerably exceeds the voltage drop in the first separator and thus allows the commutation to the first separator.
  • a disadvantage of such an arrangement is that the current in normal operation always flows through the semiconductor switch in the auxiliary switching device and thus permanent losses are generated, requiring the corresponding permanent cooling effort.
  • failure of the entire separation arrangement and an associated uninfluenced short-circuit current destruction of the auxiliary switching device take place because the then flowing short-circuit current exceeds the saturation current of the semiconductor switch in the auxiliary switching device.
  • Another possibility is to build a negative voltage in the semiconductor branch of the first separator for the purpose of commutation.
  • This is possible, for example, if so-called full-bridge circuits with energy stores, for example capacitors, are used in the semiconductor branch.
  • energy stores for example capacitors
  • this requires the use of full-bridge modules, for example, each having four IGBT branches.
  • the high-voltage direct-current-network isolating arrangement comprises a first isolating device comprising a first semiconductor switching unit and a second isolating device connected in parallel to the first isolating device, comprising a first mechanical switching unit and an auxiliary switching device connected in series with the mechanical switching unit, the auxiliary switching device comprising a second Semiconductor switching unit comprises and wherein the auxiliary switching device comprises a second mechanical switching unit which is connected in parallel to the second semiconductor switching unit.
  • the separation arrangement can be used in particular for switching off direct currents in high-voltage networks. With the separation arrangement, the current in the event of a fault as well as operating currents can be switched off. In the following, all shutdowns are referred to simply as "fault case", which also means normal shutdowns of operating currents.
  • the first semiconductor switching unit of the first separator may comprise a plurality of semiconductor switches which are electrically connected in series.
  • the respective semiconductor switches may be formed, for example, as IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor).
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • the use of half-bridge modules is also possible here.
  • the first mechanical switching unit in the second separator may be formed by a plurality of mechanical switches connected in series. For the mechanical switches vacuum interrupters may preferably be used.
  • each of the vacuum interrupters can isolate a voltage of 30 kV.
  • the auxiliary switching device connected in series with the first mechanical switching unit comprises a parallel circuit comprising a second semiconductor switching unit and a second mechanical switching unit.
  • the second mechanical switching unit may also include a plurality of mechanical switches connected in series.
  • a semiconductor switch which is formed for example as an IGBT, can be used. In practice, for reasons of redundancy but the series connection less semiconductor switches makes sense.
  • the use of two anti-serially connected IGBTs is also conceivable in a bipolar active circuit.
  • a half bridge or a full bridge with connected capacitors can be used.
  • the auxiliary switching device when switching off the direct current, the necessary electrical voltage can be generated in order to commutate the electric current from the second separating device into the first separating device.
  • the electrical current can flow through the first and the second mechanical switching unit.
  • the losses can be significantly reduced and can be completely dispensed with a permanent cooling of Hableiterschalter.
  • the first and second mechanical switching units may be closed.
  • the separating device preferably comprises a control device for actuating the first mechanical switching unit, the second mechanical switching unit, the first semiconductor switching unit and the second semiconductor switching unit.
  • the Control device may include or be connected to a detection device, with which a fault current in the high-voltage direct current network can be detected.
  • the first and the second mechanical switching unit as well as the first and the second semiconductor switching unit can be controlled independently of each other.
  • the IGBTs can be individually controlled in the first semiconductor switch of the first separation unit. By appropriate arresters that are installed parallel to these IGBTs, so a Abschaltumblenes can be variably adjusted. The path can also be used to limit the current. Thus, reliable operation of the partition assembly can be ensured.
  • a forward voltage of the second semiconductor switching unit is less than an electrical voltage, which rests against contacts of the second mechanical switching unit when the second mechanical switching unit is opened.
  • an arc voltage can form. If the second mechanical switching unit is designed as a vacuum interrupter, this arc voltage can be for example 30 volts. This voltage is sufficient to overcome the forward voltage or threshold voltage of the second semiconductor switching unit connected in the forward direction.
  • the second semiconductor switching unit may comprise only one or a few IGBTs, which are electrically connected in series. Thus, in the ideal case, no arc is produced at the second mechanical switching unit, since the second semiconductor switching unit is switched more quickly in the forward direction than the mechanical switch is opened.
  • the separation arrangement can be operated particularly efficiently.
  • control device is designed to close the first and the second mechanical switching unit for normal operation of the high-voltage direct current network.
  • the electric current flows in normal operation via the first and the second mechanical switching unit.
  • only small electrical losses and the cooling costs can be reduced.
  • the separation arrangement can be operated particularly energy efficient.
  • control device is designed to open the second mechanical switching unit in the presence of a fault in the high-voltage direct current network. If the direct current in the high-voltage network is to be opened as a result of an error or fault current, the second mechanical switching unit can be opened as quickly as possible. Thus, the shutdown of the electric current can be reliably started.
  • the control device is designed to switch the second semiconductor switching unit in the presence of the fault in the forward direction. It can also be provided that the second semiconductor switching unit of the auxiliary switching device is switched to passage in normal operation. At the latest when the current in the high-voltage network is to be switched off, the second semiconductor switching unit is switched in the forward direction.
  • the second mechanical switching unit is opened, a voltage is applied between its contacts. It may also be the case that forms an arc between the contacts of the second mechanical switching unit. The electrical voltage between the contacts is sufficient to overcome the threshold voltage of the second semiconductor switching unit. As soon as the electric current flows through the second semiconductor switching unit, a possible arc extinguishes at the contacts of the second mechanical switching unit. Now the mechanical switching unit can immediately absorb electrical voltage.
  • control device is designed to open the first mechanical switching unit of the separating arrangement at the same time as the second mechanical switching unit or a predetermined period of time after the second mechanical switching unit.
  • the first mechanical switching unit can be opened at the same time as the second mechanical switching unit.
  • the second mechanical switching unit is opened for a predetermined period of time, for example 0.1 to a few 10 milliseconds, after the second mechanical switching unit. This makes it possible to control the first mechanical switching unit individually and independently of the second mechanical switching unit.
  • the control device is designed to switch the second semiconductor switching unit into a blocking operation after opening the first mechanical switching unit.
  • the second semiconductor switching unit which is formed by one or more IGBTs
  • a blocking voltage for example of 2 kV
  • the blocking voltage provided by the second semiconductor switching unit is in series with the arc voltage at the first mechanical switching unit.
  • the reverse voltage generated at the second semiconductor switching unit is sufficient to commutate the electric current from the second separator into the first separator. As soon as the electric current flows through the first separator, the arc on the first mechanical switching unit can also go out and the actual switching off of the electric current can begin.
  • control device may be designed to open the first mechanical switching unit only after an electric current has been commutated by the second separating device into the first separating device. If the first mechanical switching unit is opened only when the electric current is fully commutated in the first separator or the first semiconductor switching unit, the first mechanical switching unit can be ideally opened normally and there is no arc at the contacts of the first mechanical switching unit. As a result, wear of the contacts of the first mechanical switching unit can be effectively prevented.
  • the method according to the invention for operating a separation arrangement for a high-voltage direct current network comprises providing a first separation device which comprises a first semiconductor switching unit and providing a second separation device which is connected in parallel with the first separation device and which connects a first mechanical switching unit and one connected in series with the first mechanical switching unit
  • An auxiliary switching device comprises, wherein the auxiliary switching device comprises at least a second semiconductor switching unit and the provision of a second mechanical switching unit in the auxiliary switching device, which is connected in parallel to the second semiconductor switching unit.
  • the present invention will now be explained in more detail with reference to the accompanying drawings.
  • the single figure shows a schematic representation of a separation arrangement for a high-voltage direct current network.
  • the figure shows a generally designated 10 separating arrangement.
  • the separation assembly 10 may be used for a high voltage network.
  • the high-voltage network may, for example, have a rated voltage of 300 kV.
  • the separator 10 is connected to a line 26 of the high voltage direct current network.
  • the separating arrangement 10 has a first separating device 12 and a second separating device 14, which are electrically connected in parallel.
  • the first separating device 12 comprises a first semiconductor switching unit 16.
  • the first semiconductor switching unit 16 comprises a plurality of semiconductor switches or semiconductor components connected in series.
  • the semiconductor switches can each be designed as IGBT.
  • the second separating device 14 comprises a first mechanical switching unit 18, which in the present case is represented by the series connection of two individual switches.
  • the first mechanical switching unit comprises a plurality of vacuum interrupters, which are connected in series.
  • the second separating device 14 comprises an auxiliary switching device 20, which is electrically connected in series with the first mechanical switching unit 18.
  • the auxiliary switching device 20 comprises a parallel circuit comprising a second mechanical switching unit 24 and a second semiconductor switching unit 22.
  • the second mechanical switching unit 24 may be formed by one or more vacuum interrupters.
  • the second semiconductor switching unit 22 may be formed by one or more IGBTs.
  • the second semiconductor switching unit 22 may also be formed by two IGBTs connected in antiseries, by a half-bridge or a full bridge with connected energy stores in the form of capacitors.
  • the first mechanical switching unit 18 and the second mechanical Switching unit 24 is closed.
  • the second semiconductor switching unit 22 may generally be switched to passage in normal operation of the high voltage network.
  • the second semiconductor switching unit 22 is switched immediately in the forward direction. If an error occurs in the high-voltage direct-current network, the current flow in the electrical line 26 should be switched off or interrupted.
  • first the second mechanical switching unit 24 is opened. When the contacts of the second mechanical switching unit 24 are opened, an arc may form on the contacts. As a result of the arc, an arc voltage of, for example, 30 volts is applied between the contacts of the second mechanical switching unit 24.
  • This electrical voltage is sufficient to overcome the threshold voltage of the second semiconductor switching unit 22. Ideally, forms no arc at the contacts of the second mechanical switching unit 24, since the second semiconductor switching unit 22 is switched faster in the passage direction than the second mechanical switching unit 24 is opened. Furthermore, because of the low forward voltage of the second semiconductor switching unit 22, which may be, for example, only a few volts, the necessary minimum arc voltage for an arc can not be achieved at the second mechanical switching unit 24.
  • the opening of the second mechanical switching unit 24 and the first mechanical switching unit 18 is opened.
  • the arc at the contacts of the second mechanical switching unit 24 is extinguished.
  • the second mechanical switching unit 24 can now immediately absorb electrical voltage.
  • the second semiconductor switching unit 22 is driven in such a way that generates a high blocking voltage on it becomes.
  • a blocking voltage of 2 kV can be provided with an IGBT.
  • an arc usually forms on the contacts of the first mechanical switching unit 18 and an arc voltage is applied between the contacts.
  • the blocking voltage generated by the second semiconductor switching unit 22 is in series with this arc voltage. It is sufficient to commutate the electric current from the second separator 14 into the first separator 12. As soon as the electrical current has commutated into the first separation device 12 or the first semiconductor switching unit 16, the arc extinguishes at the contacts of the first mechanical switching unit 18 and the actual switching off of the electric current can begin.
  • the first mechanical switching unit 18 is only opened when the electric current is completely commutated by the second separator 14 into the first separator 12.
  • the first mechanical switching unit 18 is ideally opened without current and no arc forms at the contacts of the first mechanical switching unit 18.
  • wear of the contacts of the first mechanical switching unit 18 due to an arc can be prevented.
  • the second mechanical switching unit 24 of the auxiliary switching device 20 is closed again after completion of the switch-off operation.
  • the second semiconductor switching unit 22 is protected from overvoltages and overcurrents.
  • arresters parallel to each IGBT Ie.
  • the semiconductor switching units 16 and 22 may include an IGBT and a trap connected in parallel with the IGBT.
  • Electrotechnical methods for voltage limiting such as the parallel connection of voltage-limiting components to the semiconductor switching unit 22, are suitable for protecting the semiconductor switching unit 22 against overvoltages.
  • Suitable voltage-limiting components are, for example, avalanche diodes, zener diodes, or metal-oxide varistors, as well as so-called snubber circuits comprising capacitors, resistors and possibly diodes.
  • the separation arrangement 10 has the advantage that the electric current in the normal state flows exclusively via the first mechanical switching unit 18 and the second mechanical switching unit 24. Thus, small losses occur and the cooling effort can be kept low. Furthermore, in the event of a failure of the isolating arrangement 10, the first mechanical switching unit 18 and the second mechanical switching unit 24 can be closed again, whereby destruction of the second semiconductor switching unit 22 is ruled out in the case of a high short-circuit current. The faulty declaration then takes over as part of a so-called backup protection, an additional switch.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Trennanordnung für ein Hochspannungsgleichstromnetz. Überdies betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Trennanordnung für ein Hochspannungsgleichstromnetz.The present invention relates to a separation arrangement for a high voltage direct current network. Moreover, the present invention relates to a method for operating a separation arrangement for a high-voltage direct current network.

In Hochspannungsnetzen werden üblicherweise Trennanordnungen verwendet, mit denen der Strom im Fehlerfall (sowie auch Betriebsströme) abgeschaltet werden können. Insbesondere zum Abschalten von Gleichströmen in Hochspannungsnetzen können mechanische Schalter den Schaltvorgang nicht alleine übernehmen. Der Grund hierfür ist, dass die, an den Kontakten des mechanischen Schalters, üblicherweise entstehende Lichtbogenspannung zu gering gegenüber der treibenden Netzspannung ist. Daher werden für die Unterbrechung von Gleichströmen meist sogenannte Hybridschalter bzw. hybride DC Leistungsschalter vorgeschlagen, die aus einer Kombination aus leistungselektronischem und mechanischem Schalter bestehen. Dabei wird der elektrische Strom im Normalzustand vom mechanischen Schalter geführt. Bei einem Abschaltvorgang wird der Strom zunächst vom mechanischen Schalter auf den Halbleiterzweig kommutiert. Damit der Lichtbogen im mechanischen Schalter verlöscht, muss der Halbleiterschalter zunächst in den leitenden Zustand geschalten werden. Nach dem Verlöschen des Lichtbogens und einer Zeit zur Wiederverfestigung der Isolationsstrecke werden die Halbleiterschalter entsprechend angesteuert, so dass sich eine Spannung aufbaut, mit der der Strom im DC-Netz abgeschaltet wird. Allerdings ist es für diesen Ablauf erforderlich, dass die im mechanischen Schalter erzeugte Lichtbogenspannung ausreichend groß ist, damit der Kommutierungsvorgang auch stattfinden kann. Insbesondere muss die Schwellspannung von heute eingesetzten und massiv in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern statisch überwunden werden. Zusätzlich müssen für den dynamischen Vorgang auch die über die Streuinduktivitäten im Kommutierungskreis auftretenden Spannungsabfälle berücksichtigt werden.In high-voltage networks usually disconnecting arrangements are used with which the current in case of failure (as well as operating currents) can be switched off. In particular, for switching off direct currents in high voltage networks mechanical switches can not take over the switching process alone. The reason for this is that the, at the contacts of the mechanical switch, usually resulting arc voltage is too low compared to the driving mains voltage. Therefore, so-called hybrid switches or hybrid DC circuit breakers are proposed for the interruption of direct current usually consisting of a combination of power electronic and mechanical switch. The electrical current is conducted in the normal state of the mechanical switch. During a shutdown process, the current is first commutated by the mechanical switch to the semiconductor branch. For the arc to extinguish in the mechanical switch, the semiconductor switch must first be switched to the conductive state. After extinguishing the arc and a time for reconsolidation of the insulation gap, the semiconductor switches are driven accordingly, so that builds up a voltage with which the power is turned off in the DC network. However, it is necessary for this process that the arc voltage generated in the mechanical switch is sufficiently large so that the commutation process can also take place. In particular, the threshold voltage of today used and massively connected in series semiconductor switches must be overcome statically. In addition, for the dynamic process, the over the Stray inductances occurring in the commutation circuit voltage drops are taken into account.

Bei heute verwendeten Trennanordnungen werden zum Abschalten von Gleichströmen in einem Hochspannungsnetz mit einer elektrischen Spannung von 300 kV beispielsweise 10 mechanische Schalter in Reihe geschaltet. Diese mechanischen Schalter sind üblicherweise als Vakuum-Schaltröhren ausgebildet. Jede der Vakuum-Schaltröhren erzeugt nach dem Öffnen der Kontakte eine Lichtbogenspannung von ca. 30 Volt, was einer Gesamt-Kommutierungsspannung von 300 Volt entspricht. Bei einer Netzspannung von 300 kV sind beispielsweise 140 Halbleiterschalter in Form von IGBTs mit einer jeweiligen Sperrspannung von 3,3 kV in Reihe zu schalten, um eine adäquate Sperrspannung aufbauen zu können. Jeder der Halbleiterschalter weist eine Flussspannung von etwa 3 Volt auf, was einer Mindest-Kommutierungsspannung von 420 Volt entspricht. In dieser beispielhaften Anordnung würde daher der Strom nicht vom mechanischen Schalter auf den Haltbleiterzweig kommutieren und eine Abschaltung des Stroms wäre daher nicht möglich.In isolation arrangements used today, for switching off direct currents in a high voltage network with an electrical voltage of 300 kV, for example, 10 mechanical switches are connected in series. These mechanical switches are usually designed as vacuum interrupters. Each of the vacuum interrupters generates an arc voltage of about 30 volts after opening the contacts, which corresponds to a total commutation voltage of 300 volts. At a mains voltage of 300 kV, for example, 140 semiconductor switches in the form of IGBTs with a respective blocking voltage of 3.3 kV are to be connected in series in order to build up an adequate blocking voltage. Each of the semiconductor switches has a forward voltage of about 3 volts, which corresponds to a minimum commutation voltage of 420 volts. In this exemplary arrangement, therefore, the current would not commutate from the mechanical switch to the Haltbleiterzweig and a shutdown of the current would therefore not possible.

In diesem Zusammenhang offenbart die WO 2011 057 675 A1 eine Vorrichtung zum Abschalten eines Gleichstroms in einem Hochspannungsnetz mit einer ersten Trenneinrichtung, die eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern umfasst. Parallel zu der ersten Trenneinrichtung ist eine zweite Trenneinrichtung geschaltet, die eine Reihenschaltung eines mechanischen Schalters und eines Halbleiterschalters umfasst. Des Weiteren ist in der Veröffentlichung von J. Häfner und B. Jacobson "Proactive Hybrid HVDC Breakers - A key innovation for reliable HVDC grids" vorgestellt auf "The electric power system of the future - Integration supergrids and microgrids", International Symposium in Bologna, Italien, 2011 eine Trennanordnung beschrieben, bei der eine erste Trenneinrichtung eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern umfasst. Die zu der ersten Trenneinrichtung parallel geschaltete zweite Trenneinrichtung umfasst als mechanischen Schalter einen sogenannten schnellen Trenner, der in Reihe zu einer Hilfsschalteinrichtung geschaltet ist, die einen Halbleiterschalter umfasst. Durch entsprechende Ansteuerung des Halbleiterschalters in der Hilfsschalteinrichtung kann eine elektrische Spannung aufgebaut werden, welche den Spannungsabfall in der ersten Trenneinrichtung erheblich übersteigt und somit den Kommutierungsvorgang auf die erste Trenneinrichtung erlaubt. Nachteilig an einer derartigen Anordnung ist, dass der Strom im Normalbetrieb immer durch den Halbleiterschalter in der Hilfsschalteinrichtung fließt und damit permanent Verluste erzeugt werden, die entsprechenden permanenten Kühlaufwand erfordern. Des Weiteren kann im Falle des Versagens der gesamten Trennanordnung und einem damit einhergehenden unbeeinflussten Kurzschlussstrom eine Zerstörung der Hilfsschalteinrichtung stattfinden, weil der dann fließende Kurzschlussstrom den Sättigungsstrom des Halbleiterschalters in der Hilfsschalteinrichtung übersteigt.In this context, the WO 2011 057 675 A1 a device for switching off a direct current in a high-voltage network with a first separator, which comprises a plurality of series-connected semiconductor switches. Parallel to the first separation device, a second separation device is connected, which comprises a series connection of a mechanical switch and a semiconductor switch. Furthermore, in the publication of J. Häfner and B. Jacobson "Proactive Hybrid HVDC Breakers - A key innovation for reliable HVDC grids" presented at "The electric power system of the future - Integrating supergrids and microgrids", International Symposium in Bologna, Italy, 2011 a separator arrangement is described in which a first separator comprises a plurality of series-connected semiconductor switches. The second separating device connected in parallel with the first separating device comprises, as a mechanical switch, a so-called quick disconnector, which is connected in series with an auxiliary switching device comprising a semiconductor switch. By appropriate control of the semiconductor switch in the auxiliary switching device, an electrical voltage can be established, which considerably exceeds the voltage drop in the first separator and thus allows the commutation to the first separator. A disadvantage of such an arrangement is that the current in normal operation always flows through the semiconductor switch in the auxiliary switching device and thus permanent losses are generated, requiring the corresponding permanent cooling effort. Furthermore, in the case of failure of the entire separation arrangement and an associated uninfluenced short-circuit current destruction of the auxiliary switching device take place because the then flowing short-circuit current exceeds the saturation current of the semiconductor switch in the auxiliary switching device.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, in dem Halbleiterzweig der ersten Trenneinrichtung zum Zweck der Kommutierung eine negative Spannung aufzubauen. Dies ist beispielsweise dann möglich, wenn im Halbleiterzweig sogenannte Vollbrückenschaltungen mit Energiespeichern, beispielsweise Kondensatoren, eingesetzt werden. Dies erfordert allerdings den Einsatz von Vollbrücken-Modulen, die beispielsweise jeweils vier IGBT-Zweige aufweisen.Another possibility is to build a negative voltage in the semiconductor branch of the first separator for the purpose of commutation. This is possible, for example, if so-called full-bridge circuits with energy stores, for example capacitors, are used in the semiconductor branch. However, this requires the use of full-bridge modules, for example, each having four IGBT branches.

Schließlich beschreibt die DE 694 08 811 T2 einen Gleichstrom-Leistungsschalter für hohe Leistungen zur Verwendung in einer Gleichstrom-Hochspannungsleitung. Hierbei ist ein Halbleiterelement parallel zu einem mechanischen Schalter geschaltet. Wenn der mechanische Schalter geöffnet wird, liegt an den Kontakten des mechanischen Schalters eine Lichtbogenspannung an. Überschreitet diese Lichtbogenspannung einen vorgegebenen Grenzwert, wird mittels eines Steuerimpulsgenerators ein Zündsignal für das Halbleiterelement bereitgestellt. Dadurch wird das Halbleiterelement geschlossen und somit der Strom durch das Halbleiterelement geführt.Finally, that describes DE 694 08 811 T2 a high power DC power circuit breaker for use in a high voltage DC power line. Here, a semiconductor element is connected in parallel to a mechanical switch. When the mechanical switch is opened, an arc voltage is applied to the contacts of the mechanical switch. If this arc voltage exceeds a predetermined limit value, an ignition signal for the semiconductor element is provided by means of a control pulse generator. As a result, the semiconductor element is closed and thus the current is conducted through the semiconductor element.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Trennanordnung der eingangs genannten Art bereit zu stellen, die effizienter und zuverlässiger betrieben werden kann.It is an object of the present invention to provide a separating arrangement of the type mentioned, which can be operated more efficiently and reliably.

Diese Aufgabe wird durch eine Trennanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by a separating arrangement having the features of patent claim 1 and by a method having the features of patent claim 10. Advantageous developments of the present invention are specified in the subclaims.

Die erfindungsgemäße Trennanordnung für ein Hochspannungsgleichstromnetz umfasst eine erste Trenneinrichtung, die eine erste Halbleiterschalteinheit umfasst und eine zu der ersten Trenneinrichtung parallel geschaltete, zweite Trenneinrichtung, die eine erste mechanische Schalteinheit und eine in Reihe zu der mechanischen Schalteinheit geschaltete Hilfsschalteinrichtung umfasst, wobei die Hilfsschalteinrichtung eine zweite Halbleiterschalteinheit umfasst und wobei die Hilfsschalteinrichtung eine zweite mechanische Schalteinheit umfasst, die parallel zu der zweiten Halbleiterschalteinheit geschaltet ist.The high-voltage direct-current-network isolating arrangement according to the invention comprises a first isolating device comprising a first semiconductor switching unit and a second isolating device connected in parallel to the first isolating device, comprising a first mechanical switching unit and an auxiliary switching device connected in series with the mechanical switching unit, the auxiliary switching device comprising a second Semiconductor switching unit comprises and wherein the auxiliary switching device comprises a second mechanical switching unit which is connected in parallel to the second semiconductor switching unit.

Die Trennanordnung kann insbesondere zum Abschalten von Gleichströmen in Hochspannungsnetzen verwendet werden. Mit der Trennanordnung können der Strom im Fehlerfall sowie auch Betriebsströme abgeschaltet werden. Im Folgenden werden alle Abschaltungen vereinfachend als "Fehlerfall" bezeichnet, womit jedoch auch normale Abschaltungen von Betriebsströmen gemeint sind. Die erste Halbleiterschalteinheit der ersten Trenneinrichtung kann mehrere Halbleiterschalter umfassen, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die jeweiligen Halbleiterschalter können beispielsweise als IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor) ausgebildet sein. Die Verwendung von Halbbrücken-Modulen ist hier ebenfalls möglich. Die erste mechanische Schalteinheit in der zweiten Trenneinrichtung kann durch mehrere mechanische Schalter gebildet sein, die in Reihe geschaltet sind. Für die mechanischen Schalter können bevorzugt Vakuum-Schaltröhren verwendet werden. So können beispielsweise zehn Vakuum-Schaltröhren in Reihe geschaltet sein, wobei jede der Vakuum-Schaltröhren eine elektrische Spannung von 30 kV isolieren kann. Dadurch kann mit der ersten mechanischen Schalteinheit beispielsweise eine Gesamtsperrspannung von 300 kV bereitgestellt werden. Die in Reihe zu der ersten mechanischen Schalteinheit geschaltete Hilfsschalteinrichtung umfasst eine Parallelschaltung aus einer zweiten Halbleiterschalteinheit und einer zweiten mechanischen Schalteinheit. Die zweite mechanische Schalteinheit kann auch mehrere mechanische Schalter umfassen, die in Reihe geschaltet sind. Für die Realisierung der zweiten Halbleiterschalteinheit kann beispielsweise ein Halbleiterschalter, der beispielsweise als IGBT ausgebildet ist, verwendet werden. In der Praxis ist aus Gründen der Redundanz aber die Reihenschaltung weniger Halbleiterschalter sinnvoll. Auch die Verwendung von zwei antiseriell geschalteten IGBTs ist bei einer bipolar aktiven Schaltung denkbar. Zudem kann eine Halbbrücke oder eine Vollbrücke mit angeschlossenen Kondensatoren verwendet werden.The separation arrangement can be used in particular for switching off direct currents in high-voltage networks. With the separation arrangement, the current in the event of a fault as well as operating currents can be switched off. In the following, all shutdowns are referred to simply as "fault case", which also means normal shutdowns of operating currents. The first semiconductor switching unit of the first separator may comprise a plurality of semiconductor switches which are electrically connected in series. The respective semiconductor switches may be formed, for example, as IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor). The use of half-bridge modules is also possible here. The first mechanical switching unit in the second separator may be formed by a plurality of mechanical switches connected in series. For the mechanical switches vacuum interrupters may preferably be used. So, for example ten vacuum interrupters can be connected in series, each of the vacuum interrupters can isolate a voltage of 30 kV. As a result, with the first mechanical switching unit, for example, a total blocking voltage of 300 kV can be provided. The auxiliary switching device connected in series with the first mechanical switching unit comprises a parallel circuit comprising a second semiconductor switching unit and a second mechanical switching unit. The second mechanical switching unit may also include a plurality of mechanical switches connected in series. For the realization of the second semiconductor switching unit, for example, a semiconductor switch, which is formed for example as an IGBT, can be used. In practice, for reasons of redundancy but the series connection less semiconductor switches makes sense. The use of two anti-serially connected IGBTs is also conceivable in a bipolar active circuit. In addition, a half bridge or a full bridge with connected capacitors can be used.

Mit der Hilfsschalteinrichtung kann beim Abschalten des Gleichstromes die notwendige elektrische Spannung erzeugt werden, um den elektrischen Strom von der zweiten Trenneinrichtung in die erste Trenneinrichtung zu kommutieren. Im Normalbetrieb kann der elektrische Strom durch die erste und die zweite mechanische Schalteinheit fließen. Dadurch können die Verluste deutlich reduziert werden und auf eine permanente Kühlung der Hableiterschalter komplett verzichtet werden. Des Weiteren können im Falle eines Versagens der gesamten Trennanordnung die erste und zweite mechanische Schalteinheit geschlossen werden. Somit wird im Falle eines Fehlers innerhalb der Trennanordnung eine Zerstörung der Halbleiterschaltelemente ausgeschlossen.With the auxiliary switching device, when switching off the direct current, the necessary electrical voltage can be generated in order to commutate the electric current from the second separating device into the first separating device. In normal operation, the electrical current can flow through the first and the second mechanical switching unit. As a result, the losses can be significantly reduced and can be completely dispensed with a permanent cooling of Hableiterschalter. Furthermore, in the event of a failure of the entire separation assembly, the first and second mechanical switching units may be closed. Thus, in the event of a fault within the separation arrangement, destruction of the semiconductor switching elements is precluded.

Bevorzugt umfasst die Trenneinrichtung eine Steuereinrichtung zum Ansteuern der ersten mechanischen Schalteinheit, der zweiten mechanischen Schalteinheit, der ersten Halbleiterschalteinheit und der zweiten Halbleiterschalteinheit. Die Steuereinrichtung kann eine Erfassungseinrichtung umfassen bzw. mit dieser verbunden sein, mit der ein Fehlerstrom in dem Hochspannungsgleichstromnetz erfasst werden kann. Im Fehlerfall können die erste und die zweite mechanische Schalteinheit sowie die erste und die zweite Halbleiterschalteinheit unabhängig voneinander angesteuert werden. Im ersten Halbleiterschalter der ersten Trenneinheit können die IGBTs gegebenenfalls einzeln angesteuert werden. Durch entsprechende Ableiter die parallel zu diesen IGBTs installiert sind, kann so eine Abschaltgegenspannung variabel eingestellt werden. Der Pfad kann des Weiteren auch zur Strombegrenzung verwendet werden. Somit kann ein zuverlässiger Betrieb der Trennanordnung gewährleistet werden.The separating device preferably comprises a control device for actuating the first mechanical switching unit, the second mechanical switching unit, the first semiconductor switching unit and the second semiconductor switching unit. The Control device may include or be connected to a detection device, with which a fault current in the high-voltage direct current network can be detected. In the event of a fault, the first and the second mechanical switching unit as well as the first and the second semiconductor switching unit can be controlled independently of each other. If appropriate, the IGBTs can be individually controlled in the first semiconductor switch of the first separation unit. By appropriate arresters that are installed parallel to these IGBTs, so a Abschaltgegenspannung can be variably adjusted. The path can also be used to limit the current. Thus, reliable operation of the partition assembly can be ensured.

In einer Ausführungsform ist eine Durchlassspannung der zweiten Halbleiterschalteinheit geringer als eine elektrische Spannung, die beim Öffnen der zweiten mechanischen Schalteinheit an Kontakten der zweiten mechanischen Schalteinheit anliegt. Beim Öffnen der zweiten mechanischen Schalteinheit in der Hilfsschaltungseinrichtung kann sich eine Lichtbogenspannung bilden. Wenn die zweite mechanische Schalteinheit als Vakuum-Schaltröhre ausgebildet ist, kann diese Lichtbogenspannung beispielsweise 30 Volt betragen. Diese Spannung reicht aus, um die Durchlassspannung bzw. Schwellspannung der zweiten Halbleiterschalteinheit, die in Durchlassrichtung geschaltet ist, zu überwinden. Dabei kann die zweite Halbleiterschalteinheit nur einen oder wenige IGBTs umfassen, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. So entsteht im Idealfall an der zweiten mechanischen Schalteinheit kein Lichtbogen, da die zweite Halbleiterschalteinheit schneller in Durchlassrichtung geschaltet wird, als der mechanische Schalter geöffnet wird. Aufgrund der niedrigen Durchlassspannung der zweiten Halbleiterschalteinheit, die beispielsweise nur einige Volt betragen kann, kann die Mindestbrennspannung für den Lichtbogen nicht erreicht werden. Des Weiteren bedarf es keiner zusätzlichen Stelleinrichtung, mit der die elektrische Spannung an der zweiten mechanischen Schalteinheit überwacht wird und mit der die zweite Halbleiterschalteinheit durch ein entsprechendes Steuersignal geöffnet wird. Damit kann die Trennanordnung besonders effizient betrieben werden.In one embodiment, a forward voltage of the second semiconductor switching unit is less than an electrical voltage, which rests against contacts of the second mechanical switching unit when the second mechanical switching unit is opened. When opening the second mechanical switching unit in the auxiliary circuit device, an arc voltage can form. If the second mechanical switching unit is designed as a vacuum interrupter, this arc voltage can be for example 30 volts. This voltage is sufficient to overcome the forward voltage or threshold voltage of the second semiconductor switching unit connected in the forward direction. In this case, the second semiconductor switching unit may comprise only one or a few IGBTs, which are electrically connected in series. Thus, in the ideal case, no arc is produced at the second mechanical switching unit, since the second semiconductor switching unit is switched more quickly in the forward direction than the mechanical switch is opened. Due to the low forward voltage of the second semiconductor switching unit, which may be for example only a few volts, the minimum arc voltage for the arc can not be achieved. Furthermore, there is no need for additional adjusting device, with which the electrical voltage is monitored at the second mechanical switching unit and with the second semiconductor switching unit by a corresponding control signal is opened. Thus, the separation arrangement can be operated particularly efficiently.

In einer weiteren Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, die erste und die zweite mechanische Schalteinheit zum Normalbetrieb des Hochspannungsgleichstromnetzes zu schließen. Damit fließt der elektrische Strom im Normalbetrieb über die erste und die zweite mechanische Schalteinheit. Dadurch entstehen nur geringe elektrische Verluste und der Kühlaufwand kann reduziert werden. Somit kann die Trennanordnung besonders energieeffizient betrieben werden.In a further embodiment, the control device is designed to close the first and the second mechanical switching unit for normal operation of the high-voltage direct current network. Thus, the electric current flows in normal operation via the first and the second mechanical switching unit. As a result, only small electrical losses and the cooling costs can be reduced. Thus, the separation arrangement can be operated particularly energy efficient.

In einer weiteren Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, die zweite mechanische Schalteinheit bei einem Vorliegen eines Fehlerfalls in dem Hochspannungsgleichstromnetz zu öffnen. Wenn der Gleichstrom in dem Hochspannungsnetz in Folge eines Fehlerfalls bzw. Fehlerstroms geöffnet werden soll, kann die zweite mechanische Schalteinheit möglichst schnell geöffnet werden. Somit kann das Abschalten des elektrischen Stromes zuverlässig gestartet werden.In a further embodiment, the control device is designed to open the second mechanical switching unit in the presence of a fault in the high-voltage direct current network. If the direct current in the high-voltage network is to be opened as a result of an error or fault current, the second mechanical switching unit can be opened as quickly as possible. Thus, the shutdown of the electric current can be reliably started.

Bevorzugt ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, die zweite Halbleiterschalteinheit beim Vorliegen des Fehlerfalls in Durchlassrichtung zu schalten. Dabei kann es auch vorgesehen sein, dass die zweite Halbleiterschalteinheit der Hilfsschaltvorrichtung im Normalbetrieb auf Durchgang geschaltet ist. Spätestens wenn der Strom in dem Hochspannungsnetz abgeschaltet werden soll, wird die zweite Halbleiterschalteinheit in Durchlassrichtung geschaltet. Wenn die zweite mechanische Schalteinheit geöffnet wird, liegt zwischen ihren Kontakten eine elektrische Spannung an. Dabei kann es auch der Fall sein, dass sich ein Lichtbogen zwischen den Kontakten der zweiten mechanischen Schalteinheit ausbildet. Die elektrische Spannung zwischen den Kontakten reicht aus, um die Schwellenspannung der zweiten Halbleiterschalteinheit zu überwinden. Sobald der elektrische Strom durch die zweite Halbleiterschalteinheit fließt, erlischt ein möglicher Lichtbogen an den Kontakten der zweiten mechanischen Schalteinheit. Nun kann die mechanische Schalteinheit unverzüglich elektrische Spannung aufnehmen.Preferably, the control device is designed to switch the second semiconductor switching unit in the presence of the fault in the forward direction. It can also be provided that the second semiconductor switching unit of the auxiliary switching device is switched to passage in normal operation. At the latest when the current in the high-voltage network is to be switched off, the second semiconductor switching unit is switched in the forward direction. When the second mechanical switching unit is opened, a voltage is applied between its contacts. It may also be the case that forms an arc between the contacts of the second mechanical switching unit. The electrical voltage between the contacts is sufficient to overcome the threshold voltage of the second semiconductor switching unit. As soon as the electric current flows through the second semiconductor switching unit, a possible arc extinguishes at the contacts of the second mechanical switching unit. Now the mechanical switching unit can immediately absorb electrical voltage.

In einer weiteren Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, die erste mechanische Schalteinheit des der Trennanordnung zeitgleich mit der zweiten mechanischen Schalteinheit oder eine vorbestimmte Zeitdauer nach der zweiten mechanischen Schalteinheit zu öffnen. Die erste mechanische Schalteinheit kann zeitgleich mit der zweiten mechanischen Schalteinheit geöffnet werden. Dabei ist es auch denkbar, dass die zweite mechanische Schalteinheit eine vorbestimmte Zeitdauer, beispielsweise 0,1 bis einige 10 Millisekunden, nach der zweiten mechanischen Schalteinheit geöffnet wird. Dies ermöglicht es, die erste mechanische Schalteinheit individuell und unabhängig von der zweiten mechanischen Schalteinheit anzusteuern.In a further embodiment, the control device is designed to open the first mechanical switching unit of the separating arrangement at the same time as the second mechanical switching unit or a predetermined period of time after the second mechanical switching unit. The first mechanical switching unit can be opened at the same time as the second mechanical switching unit. It is also conceivable that the second mechanical switching unit is opened for a predetermined period of time, for example 0.1 to a few 10 milliseconds, after the second mechanical switching unit. This makes it possible to control the first mechanical switching unit individually and independently of the second mechanical switching unit.

Bevorzugt ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, die zweite Halbleiterschalteinheit nach dem Öffnen der ersten mechanischen Schalteinheit in einen Sperrbetrieb zu schalten. So kann beispielsweise mit der zweiten Halbleiterschalteinheit, die durch einen oder mehrere IGBTs gebildet ist, eine Sperrspannung, beispielsweise von 2 kV bereitgestellt werden. Wenn die erste mechanische Schalteinheit geöffnet wird, kann sich zwischen den Kontakten der ersten mechanischen Schalteinheit ein Lichtbogen ausbilden und somit eine Lichtbogenspannung zwischen den Kontakten anliegen. Die von der zweiten Halbleiterschalteinheit bereit gestellte Sperrspannung liegt in Reihe zu der Lichtbogenspannung an der ersten mechanischen Schalteinheit. Die Sperrspannung, die an der zweiten Halbleiterschalteinheit erzeugt wird, ist ausreichend, um den elektrischen Strom von der zweiten Trenneinrichtung in die erste Trenneinrichtung zu kommutieren. Sobald der elektrische Strom durch die erste Trenneinrichtung fließt, kann auch der Lichtbogen an der ersten mechanischen Schalteinheit verlöschen und die eigentliche Abschaltung des elektrischen Stroms kann beginnen.Preferably, the control device is designed to switch the second semiconductor switching unit into a blocking operation after opening the first mechanical switching unit. For example, with the second semiconductor switching unit, which is formed by one or more IGBTs, a blocking voltage, for example of 2 kV, can be provided. When the first mechanical switching unit is opened, an arc can form between the contacts of the first mechanical switching unit and thus an arc voltage can be applied between the contacts. The blocking voltage provided by the second semiconductor switching unit is in series with the arc voltage at the first mechanical switching unit. The reverse voltage generated at the second semiconductor switching unit is sufficient to commutate the electric current from the second separator into the first separator. As soon as the electric current flows through the first separator, the arc on the first mechanical switching unit can also go out and the actual switching off of the electric current can begin.

Alternativ dazu kann die Steuereinrichtung dazu ausgebildet sein, die erste mechanische Schalteinheit erst zu öffnen, nachdem ein elektrischer Strom von der zweiten Trenneinrichtung in die erste Trenneinrichtung kommutiert ist. Wenn die erste mechanische Schalteinheit erst geöffnet wird, wenn der elektrische Strom vollständig in die erste Trenneinrichtung bzw. die erste Halbleiterschalteinheit kommutiert ist, kann die erste mechanische Schalteinheit idealerweise stromlos geöffnet werden und es entsteht kein Lichtbogen an den Kontakten der ersten mechanischen Schalteinheit. Dadurch kann ein Verschleiß der Kontakte der ersten mechanischen Schalteinheit effektiv verhindert werden.Alternatively, the control device may be designed to open the first mechanical switching unit only after an electric current has been commutated by the second separating device into the first separating device. If the first mechanical switching unit is opened only when the electric current is fully commutated in the first separator or the first semiconductor switching unit, the first mechanical switching unit can be ideally opened normally and there is no arc at the contacts of the first mechanical switching unit. As a result, wear of the contacts of the first mechanical switching unit can be effectively prevented.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Trennanordnung für ein Hochspannungsgleichstromnetz umfasst das Bereitstellen einer ersten Trenneinrichtung, die eine erste Halbleiterschalteinheit umfasst und das Bereitstellen einer zur ersten Trenneinrichtung parallel geschalteten, zweiten Trenneinrichtung, die eine erste mechanische Schalteinheit und eine in Reihe zu der ersten mechanischen Schalteinheit geschaltete Hilfsschalteinrichtung umfasst, wobei die Hilfsschalteinrichtung zumindest eine zweite Halbleiterschalteinheit umfasst und das Bereitstellen einer zweiten mechanischen Schalteinheit in der Hilfsschalteinrichtung, die parallel zu der zweiten Halbleiterschalteinheit geschaltet ist.The method according to the invention for operating a separation arrangement for a high-voltage direct current network comprises providing a first separation device which comprises a first semiconductor switching unit and providing a second separation device which is connected in parallel with the first separation device and which connects a first mechanical switching unit and one connected in series with the first mechanical switching unit An auxiliary switching device comprises, wherein the auxiliary switching device comprises at least a second semiconductor switching unit and the provision of a second mechanical switching unit in the auxiliary switching device, which is connected in parallel to the second semiconductor switching unit.

Die vorliegend im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Trennanordnung beschriebenen Vorteile und Weiterbildungen können in gleicher Weise auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragen werden.The advantages and developments described herein in connection with the separating arrangement according to the invention can be transferred in the same way to the method according to the invention.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung einer Trennanordnung für ein Hochspannungsgleichstromnetz.The present invention will now be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. The single figure shows a schematic representation of a separation arrangement for a high-voltage direct current network.

Das nachfolgend näher geschilderte Ausführungsbeispiel stellt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.The embodiment described in more detail below represents a preferred embodiment of the present invention.

Die Figur zeigt eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Trennanordnung. Die Trennanordnung 10 kann für ein Hochspannungsnetz verwendet werden. Das Hochspannungsnetz kann beispielsweise eine Nennspannung von 300 kV aufweisen. Die Trenneinrichtung 10 ist mit einer Leitung 26 des Hochspannungsgleichstromnetzes verbunden. Die Trennanordnung 10 weist eine erste Trenneinrichtung 12 und eine zweite Trenneinrichtung 14 auf, die elektrisch parallel verschaltet sind. Die erste Trenneinrichtung 12 umfasst eine erste Halbleiterschalteinheit 16. Die erste Halbleiterschalteinheit 16 umfasst eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern bzw. Halbleiterbauteilen. Die Halbleiterschalter können jeweils als IGBT ausgebildet sein. Die zweite Trenneinrichtung 14 umfasst eine erste mechanische Schalteinheit 18, die vorliegend durch die Reihenschaltung von zwei Einzelschaltern dargestellt ist. Üblicherweise umfasst die erste mechanische Schalteinheit eine Mehrzahl von Vakuum-Schaltröhren, die in Reihe geschaltet sind. Des Weiteren umfasst die zweite Trenneinrichtung 14 eine Hilfsschalteinrichtung 20, die elektrisch in Reihe zu der ersten mechanischen Schalteinheit 18 geschaltet ist.The figure shows a generally designated 10 separating arrangement. The separation assembly 10 may be used for a high voltage network. The high-voltage network may, for example, have a rated voltage of 300 kV. The separator 10 is connected to a line 26 of the high voltage direct current network. The separating arrangement 10 has a first separating device 12 and a second separating device 14, which are electrically connected in parallel. The first separating device 12 comprises a first semiconductor switching unit 16. The first semiconductor switching unit 16 comprises a plurality of semiconductor switches or semiconductor components connected in series. The semiconductor switches can each be designed as IGBT. The second separating device 14 comprises a first mechanical switching unit 18, which in the present case is represented by the series connection of two individual switches. Usually, the first mechanical switching unit comprises a plurality of vacuum interrupters, which are connected in series. Furthermore, the second separating device 14 comprises an auxiliary switching device 20, which is electrically connected in series with the first mechanical switching unit 18.

Die Hilfsschalteinrichtung 20 umfasst eine Parallelschaltung aus einer zweiten mechanischen Schalteinheit 24 und einer zweiten Halbleiterschalteinheit 22. Die zweite mechanische Schalteinheit 24 kann durch eine oder mehrere Vakuum-Schaltröhren gebildet sein. Die zweite Halbleiterschalteinheit 22 kann durch einen oder mehrere IGBTs gebildet sein. Die zweite Halbleiterschalteinheit 22 kann auch durch zwei antiseriell geschaltete IGBTs, durch eine Halbbrücke oder eine Vollbrücke mit angeschlossenen Energiespeichern in Form von Kondensatoren gebildet sein.The auxiliary switching device 20 comprises a parallel circuit comprising a second mechanical switching unit 24 and a second semiconductor switching unit 22. The second mechanical switching unit 24 may be formed by one or more vacuum interrupters. The second semiconductor switching unit 22 may be formed by one or more IGBTs. The second semiconductor switching unit 22 may also be formed by two IGBTs connected in antiseries, by a half-bridge or a full bridge with connected energy stores in the form of capacitors.

Im Normalbetrieb des Hochspannungsgleichstromnetzes sind die erste mechanische Schalteinheit 18 und die zweite mechanische Schalteinheit 24 geschlossen. Auch die zweite Halbleiterschalteinheit 22 kann generell im Normalbetrieb des Hochspannungsnetzes auf Durchgang geschaltet sein. Spätestens beim Beginn einer notwendigen Abschaltung wird die zweite Halbleiterschalteinheit 22 unverzüglich in Durchlassrichtung geschaltet. Tritt nun ein Fehlerfall in dem Hochspannungsgleichstromnetz auf, soll der Stromfluss in der elektrischen Leitung 26 abgeschaltet bzw. unterbrochen werden. Dazu wird zunächst die zweite mechanische Schalteinheit 24 geöffnet. Wenn die Kontakte der zweiten mechanischen Schalteinheit 24 geöffnet werden, kann sich an den Kontakten ein Lichtbogen ausbilden. Infolge des Lichtbogens liegt eine Lichtbogenspannung von beispielsweise 30 Volt zwischen den Kontakten der zweiten mechanischen Schalteinheit 24 an. Diese elektrische Spannung reicht aus, um die Schwellspannung der zweiten Halbleiterschalteinheit 22 zu überwinden. Im Idealfall bildet sich an den Kontakten der zweiten mechanischen Schalteinheit 24 kein Lichtbogen aus, da die zweite Halbleiterschalteinheit 22 schneller in Durchgangsrichtung geschaltet wird, als die zweite mechanische Schalteinheit 24 geöffnet wird. Des Weiteren kann wegen der geringen Durchlassspannung der zweiten Halbleiterschalteinheit 22, die beispielsweise nur einige Volt betragen kann, an der zweiten mechanischen Schalteinheit 24 die notwendige Mindestbrennspannung für einen Lichtbogen nicht erreicht werden.In normal operation of the high-voltage direct current network, the first mechanical switching unit 18 and the second mechanical Switching unit 24 is closed. Also, the second semiconductor switching unit 22 may generally be switched to passage in normal operation of the high voltage network. At the latest at the beginning of a necessary shutdown, the second semiconductor switching unit 22 is switched immediately in the forward direction. If an error occurs in the high-voltage direct-current network, the current flow in the electrical line 26 should be switched off or interrupted. For this purpose, first the second mechanical switching unit 24 is opened. When the contacts of the second mechanical switching unit 24 are opened, an arc may form on the contacts. As a result of the arc, an arc voltage of, for example, 30 volts is applied between the contacts of the second mechanical switching unit 24. This electrical voltage is sufficient to overcome the threshold voltage of the second semiconductor switching unit 22. Ideally, forms no arc at the contacts of the second mechanical switching unit 24, since the second semiconductor switching unit 22 is switched faster in the passage direction than the second mechanical switching unit 24 is opened. Furthermore, because of the low forward voltage of the second semiconductor switching unit 22, which may be, for example, only a few volts, the necessary minimum arc voltage for an arc can not be achieved at the second mechanical switching unit 24.

Zum gleichen Zeitpunkt oder eine vorbestimmte Zeitdauer von beispielsweise 0,1 bis maximal einige 10 Millisekunden nach dem Öffnen der zweiten mechanischen Schalteinheit 24 wird auch die erste mechanische Schalteinheit 18 geöffnet. Sobald der elektrische Strom durch die zweite Halbleiterschalteinheit 22 fließt, verlischt der Lichtbogen an den Kontakten der zweiten mechanischen Schalteinheit 24. Die zweite mechanische Schalteinheit 24 kann nun unverzüglich elektrische Spannung aufnehmen.At the same time or a predetermined period of time, for example, 0.1 to a maximum of several 10 milliseconds after the opening of the second mechanical switching unit 24 and the first mechanical switching unit 18 is opened. As soon as the electric current flows through the second semiconductor switching unit 22, the arc at the contacts of the second mechanical switching unit 24 is extinguished. The second mechanical switching unit 24 can now immediately absorb electrical voltage.

Anschließend daran wird die zweite Halbleiterschalteinheit 22 derart angesteuert, dass an ihr eine hohe Sperrspannung erzeugt wird. So kann beispielsweise mit einem IGBT eine Sperrspannung von 2 kV bereitgestellt werden. Nach dem Öffnen der ersten mechanischen Schalteinheit 18 bildet sich üblicherweise an den Kontakten der ersten mechanischen Schalteinheit 18 ein Lichtbogen aus und zwischen den Kontakten liegt eine Lichtbogenspannung an. Die von der zweiten Halbleiterschalteinheit 22 erzeugte Sperrspannung liegt in Reihe zu dieser Lichtbogenspannung. Sie ist ausreichend, um den elektrischen Strom von der zweiten Trenneinrichtung 14 in die erste Trenneinrichtung 12 zu kommutieren. Sobald der elektrische Strom in die erste Trenneinrichtung 12 bzw. die erste Halbleiterschalteinheit 16 kommutiert ist, verlöscht der Lichtbogen an den Kontakten der ersten mechanischen Schalteinheit 18 und die eigentliche Abschaltung des elektrischen Stromes kann beginnen.Subsequently, the second semiconductor switching unit 22 is driven in such a way that generates a high blocking voltage on it becomes. For example, a blocking voltage of 2 kV can be provided with an IGBT. After opening the first mechanical switching unit 18, an arc usually forms on the contacts of the first mechanical switching unit 18 and an arc voltage is applied between the contacts. The blocking voltage generated by the second semiconductor switching unit 22 is in series with this arc voltage. It is sufficient to commutate the electric current from the second separator 14 into the first separator 12. As soon as the electrical current has commutated into the first separation device 12 or the first semiconductor switching unit 16, the arc extinguishes at the contacts of the first mechanical switching unit 18 and the actual switching off of the electric current can begin.

In einer alternativen Ausführungsform wird die erste mechanische Schalteinheit 18 erst dann geöffnet, wenn der elektrische Strom vollständig von der zweiten Trenneinrichtung 14 in die erste Trenneinrichtung 12 kommutiert ist. So wird die erste mechanische Schalteinheit 18 idealerweise stromlos geöffnet und es bildet sich kein Lichtbogen an den Kontakten der ersten mechanischen Schalteinheit 18 aus. Damit kann eine Abnutzung der Kontakte der ersten mechanischen Schalteinheit 18 in Folge eines Lichtbogens verhindert werden.In an alternative embodiment, the first mechanical switching unit 18 is only opened when the electric current is completely commutated by the second separator 14 into the first separator 12. Thus, the first mechanical switching unit 18 is ideally opened without current and no arc forms at the contacts of the first mechanical switching unit 18. Thus, wear of the contacts of the first mechanical switching unit 18 due to an arc can be prevented.

Um die zweite Halbleiterschalteinheit 22 vor Überspannungen und Überströmen zu schützen, wird die zweite mechanische Schalteinheit 24 der Hilfsschalteinrichtung 20 nach Abschluss des Abschaltvorgangs wieder geschlossen. Dadurch wird auch bei einem Versagen des Abschaltens des elektrischen Stroms in der ersten Halbleiterschalteinheit 16 und/oder der ersten mechanischen Schalteinheit 18 die zweite Halbleiterschalteinheit 22 vor Überspannungen und Überströmen geschützt. Zum Schutz vor Überspannungen bzw. zum Schutz der Halbleiter sind parallel zu jedem IGBT Ableiter vorzusehen. D. h. die Halbleiterschalteinheit 16 und 22 können einen IGBT und einen zu dem IGBT parallel geschalteten Ableiter umfassen. Auch in der Elektrotechnik übliche Methoden zur Spannungsbegrenzung, wie z.B. die Parallelschaltung spannungsbegrenzender Bauteile zur Halbleiterschalteinheit 22, sind geeignet, um die Halbleiterschalteinheit 22 gegen Überspannungen zu schützen. Geeignete spannungsbegrenzende Bauteile sind beispielsweise Avalanchedioden, Zenerdioden, oder Metall-Oxid-Varistoren sowie sogenannte Snubberkreise aus Kondensatoren, Widerständen und gegebenenfalls Dioden.In order to protect the second semiconductor switching unit 22 from overvoltages and overcurrents, the second mechanical switching unit 24 of the auxiliary switching device 20 is closed again after completion of the switch-off operation. As a result, even if the switching off of the electrical current in the first semiconductor switching unit 16 and / or the first mechanical switching unit 18 fails, the second semiconductor switching unit 22 is protected from overvoltages and overcurrents. To protect against overvoltages or to protect the semiconductors, it is necessary to provide arresters parallel to each IGBT. Ie. The semiconductor switching units 16 and 22 may include an IGBT and a trap connected in parallel with the IGBT. Also in the Electrotechnical methods for voltage limiting, such as the parallel connection of voltage-limiting components to the semiconductor switching unit 22, are suitable for protecting the semiconductor switching unit 22 against overvoltages. Suitable voltage-limiting components are, for example, avalanche diodes, zener diodes, or metal-oxide varistors, as well as so-called snubber circuits comprising capacitors, resistors and possibly diodes.

Die Trennanordnung 10 weist den Vorteil auf, dass der elektrische Strom im Normalzustand ausschließlich über die erste mechanische Schalteinheit 18 und die zweite mechanische Schalteinheit 24 fließt. Damit treten geringe Verluste auf und der Kühlaufwand kann gering gehalten werden. Des Weiteren kann im Fall eines Versagens der Trennanordnung 10 die erste mechanische Schalteinheit 18 und die zweite mechanische Schalteinheit 24 wieder geschlossen werden, wodurch im Fall eines hohen Kurzschlussstromes eine Zerstörung der zweiten Halbleiterschalteinheit 22 ausgeschlossen wird. Die Fehlerklärung übernimmt dann im Rahmen eines sogenannten Backup-Schutzes ein zusätzlicher Schalter.The separation arrangement 10 has the advantage that the electric current in the normal state flows exclusively via the first mechanical switching unit 18 and the second mechanical switching unit 24. Thus, small losses occur and the cooling effort can be kept low. Furthermore, in the event of a failure of the isolating arrangement 10, the first mechanical switching unit 18 and the second mechanical switching unit 24 can be closed again, whereby destruction of the second semiconductor switching unit 22 is ruled out in the case of a high short-circuit current. The faulty declaration then takes over as part of a so-called backup protection, an additional switch.

Claims (10)

  1. Disconnecting assembly (10) for a high-voltage direct-current network comprising
    - a first disconnecting device (12), which comprises a first semiconductor switching unit (16), and
    - a second disconnecting device (14), which is connected in parallel with the first disconnecting device (12) and which comprises a first mechanical switching unit (18) and an auxiliary switching device (20) connected in series with the first mechanical switching unit (18), wherein
    - the auxiliary switching device (20) comprises a second semiconductor switching unit (22),
    characterized in that
    - the auxiliary switching device (20) comprises a second mechanical switching unit (24), which is connected in parallel with the second semiconductor switching unit (22).
  2. Disconnecting assembly (10) according to Claim 1, characterized in that the disconnecting assembly (10) comprises a control device for driving the first mechanical switching unit (18), the second mechanical switching unit (24), the first semiconductor switching unit (16) and the second semiconductor switching unit (22).
  3. Disconnecting assembly (10) according to Claim 1 or 2, characterized in that a forward voltage of the second semiconductor switching unit (22) is lower than an electrical voltage present at contacts of the second mechanical switching unit (24) upon the opening of the second mechanical switching unit (24).
  4. Disconnecting assembly (10) according to Claim 2 or 3, characterized in that the control device is designed to close the first and second mechanical switching units (18, 24) for normal operation of the high-voltage direct-current network.
  5. Disconnecting assembly (10) according to any of Claims 2 to 4, characterized in that the control device is designed to open the second mechanical switching unit (24) upon the presence of a fault situation in the high-voltage direct-current network.
  6. Disconnecting assembly (10) according to any of Claims 2 to 5, characterized in that the control device is designed to switch the second semiconductor switching unit (22) in the forward direction upon the presence of the fault situation.
  7. Disconnecting assembly (10) according to any of Claims 2 to 6, characterized in that the control device is designed to open the first mechanical switching unit (18) upon the presence of the fault situation simultaneously with the second mechanical switching unit (24) or a predetermined time duration after the second mechanical switching unit (24).
  8. Disconnecting assembly (10) according to any of Claims 2 to 7, characterized in that the control device is designed to switch the second semiconductor switching unit (22) to semiconductor switching unit-state operation after the opening of the first mechanical switching unit (18).
  9. Disconnecting assembly (10) according to any of Claims 2 to 8, characterized in that the control device is designed to open the first mechanical switching unit (18) only after an electric current has commutated from the second disconnecting device (14) to the first disconnecting device (12).
  10. Method for operating a disconnecting assembly (10) for a high-voltage direct-current network by
    - providing a first disconnecting device (12), which comprises a first semiconductor switching unit (16), and
    - providing a second disconnecting device (14), which is connected in parallel with the first disconnecting device (12) and which comprises a first mechanical switching unit (18) and an auxiliary switching device (20) connected in series with the first mechanical switching unit (18), wherein the auxiliary switching device (20) comprises at least one second semiconductor switching unit (22),
    characterized by
    - providing a second mechanical switching unit (24) in the auxiliary switching device (20), which is connected in parallel with the second semiconductor switching unit (22).
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