本發(fā)明涉及用在高壓直流(hvdc)電力傳輸中的斷路器裝置。

背景技術(shù)：

電網(wǎng)運營商越來越多地使用高壓直流(hvdc)來在長距離上有效地運送大功率。主要原因是對于這種大功率長距離鏈路，直流(dc)優(yōu)于交流(ac)，原因是直流能夠沒有電容或電感損耗地傳送電力。

dc換流站還通過去耦連這些網(wǎng)絡(luò)的頻率和相位提高關(guān)聯(lián)的ac網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。hvdc鏈路因此對穩(wěn)定電網(wǎng)是非常有用的，電網(wǎng)受到來自分布式和間歇式電源，諸如風(fēng)能或太陽能的電力的越來越多的貢獻的挑戰(zhàn)。

電力網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵元件是斷路器。其作用是通過快速地切斷故障元件中的電流保護網(wǎng)絡(luò)，從而防止故障和停電(例如在雷擊或海底電纜斷開之后)。以此方式，斷路器將故障與電網(wǎng)的剩余部分隔離。不管是ac或dc，斷路器對保護復(fù)雜的互連電網(wǎng)至關(guān)重要。

在ac網(wǎng)絡(luò)中，電流周期性地驅(qū)動通過零點(對于50hz網(wǎng)絡(luò)，每秒100次)，電流零點是中斷的理想時刻。

但是在dc網(wǎng)絡(luò)中，沒有自然的電流零點，一個主要技術(shù)挑戰(zhàn)是不停止升高的故障電流。

在缺少電流零點時，在由斷路器的開關(guān)分開的觸點之間產(chǎn)生電弧。這可能侵蝕并使觸點惡化，由此不利地影響介質(zhì)承受，降低開關(guān)的壽命。

因此已經(jīng)開發(fā)出具有能夠產(chǎn)生人工電流零點的dc斷路器。

如圖1上所示，并且對于在daganderssondr.和andershenriksson的文章“passiveandactivedcbreakersinthethreegorges-changzhouhvdcproject”(cigréinternationalconferenceonpowersystems(國際大電網(wǎng)會議)，中國，武漢，2001年9月3-5日，391頁)中描述的情況，通過增加與斷路器b并聯(lián)的lc振蕩電流，可以實現(xiàn)這種人工的電流零點。這里，lc電路包括電感器l、中斷器i和被永久性預(yù)充電的電容器c的串聯(lián)布置。

圖1的dc斷路器包括并聯(lián)的三個支路：具有斷路器b的低阻抗支路(主支路)，其中，電流穩(wěn)態(tài)流動；具有l(wèi)c電路的輔助支路；和具有浪涌捕獲器(surgearrester)p的能量吸收支路。

開關(guān)情形是一個兩步驟過程。

-步驟1：在斷路器b的閉合位置，電流流動通過主支路，輔助和能量吸收支路不起作用。按跳閘次序，為了發(fā)起從主支路到輔助支路的電流換向，在電流仍流動通過主支路時，斷路器的觸點被分開。由此在斷路器的觸點之間拉出長度增長的電弧。當(dāng)觸點充分分開時，輔助支路的中斷器i閉合。預(yù)充電的電容器c通過電感器l和斷路器b以由此振蕩電路的電容和電感強加的頻率放電。如果電容器的電壓足夠高，則放電電流超過dc電流，電流穿過零點，主支路中的電流在小于一個周期中被中斷。否則，放電引起由主支路和輔助支路形成的回路中的電流振蕩。振蕩電流增加，最終超過要被中斷的dc電流。現(xiàn)在，流動通過主支路的電流具有過零點，斷路器能夠中斷該電流。

-步驟2。當(dāng)電弧電流被中斷時，電流現(xiàn)在只在輔助支路中流動。線路(或電纜)中的能量仍太高，其繼續(xù)對電容器充電。當(dāng)達到浪涌捕獲器的拐點電壓時，浪涌捕獲器開始導(dǎo)通，吸收能量，鉗制電壓。此電壓反對通過斷路器的電流流動，直到線路沒有與零電流對應(yīng)的更多能量。電壓降低到浪涌捕獲器的拐點電壓，電流被絕對地中斷。

具有借助lc電路的人工電流零點產(chǎn)生的dc斷路器的另一示例示于圖2上，并在yeqiwang和rainermarquardt的文章《afastswitching，scalabledc-breakerformeshedhvdc-super-grids》，pcim-europe，2014年5月20-22日中描述。

在主支路上的兩個斷路器bin、bout的閉合位置，電容器cpg充電到電網(wǎng)電壓。當(dāng)此斷路器被設(shè)置成中斷時，機構(gòu)打開斷路器bin和bout，由此在兩個斷路器中產(chǎn)生電弧。當(dāng)觸點分開得足夠大時以確保電壓穩(wěn)定性時，晶閘管tpg閉合，在由電容器cpg(預(yù)充電的)和電感器lpg形成的回路中引起電流。當(dāng)電流試圖反向時(即在半周期之后)，晶閘管不需要關(guān)斷命令自然地關(guān)斷。在晶閘管阻斷之后，電容器cpg以大致相同的電荷結(jié)束，但電壓反向。然后在電容器cpg和斷路器外部的電感l(wèi)in和lout之間引發(fā)第二電流振蕩。在斷路器的左邊和右邊朝電容器cpg的網(wǎng)絡(luò)部分的大的涌入電流在斷路器中故障的一側(cè)產(chǎn)生零電流。在涌入電流比在開關(guān)時刻流動的電流大很多的情況下，與斷路器并聯(lián)的二極管din、dout允許電流流動，不再次點燃電弧，標記為db的支路閉合電路，以保持回路電感很低，涌入電流很高。如果電網(wǎng)電感l(wèi)in、lout仍具有磁能，則其可以耗散在浪涌捕獲器vdrpg中。電流降低至零，故障被隔離。

這些現(xiàn)有技術(shù)解決方案具有產(chǎn)生比要切斷的電流高的反向電流的缺點。實際上，反向電流值必須超過圖1斷路器的幾千安培和圖2斷路器的幾十千安培的幅值。由于電流必須在其中流動的回路的電感，必須儲存一定量的能量，這需要大體積的電容器。因為必須與大地絕緣地安裝，并且在第二現(xiàn)有技術(shù)中必須相互隔離，所以這些電容器是特別麻煩的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在加速hvdc斷路器中的電弧熄滅，同時克服現(xiàn)有技術(shù)解決方案的缺點。為此目的，本發(fā)明提出一種斷路器裝置，包括：主支路和與所述主支路電并聯(lián)的輔助支路，其中，所述主支路包括與由至少一個半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)成的斷路器單元串聯(lián)的至少一個機械隔離開關(guān)和與所述至少一個斷路器單元并聯(lián)的緩沖器電路，所述緩沖器電路包括能量儲存元件，其中，所述機械隔離開關(guān)可開關(guān)以選擇性允許在第一操作模式中電流在所述主支路中流動，或者在第二操作模式中將電流從所述主支路換向到所述輔助支路，其特征在于，所述緩沖器電路還包括泄流電阻器，所述泄流電阻器被設(shè)置成當(dāng)電流從所述主支路換向到所述輔助支路時，通過對所述能量儲存元件放電在所述主支路中產(chǎn)生反向電流。

此斷路器裝置的某些優(yōu)選但非限制性的特征如下：

-所述緩沖器電路包括與所述能量儲存元件串聯(lián)連接的二極管，所述泄流電阻器被設(shè)置成與所述二極管并聯(lián)；

-其還包括與所述至少一個斷路器單元并聯(lián)的浪涌捕獲器；

-所述輔助支路還包括與開關(guān)輔助模塊串聯(lián)的至少一個晶閘管，所述開關(guān)輔助模塊由電容器、電阻器和浪涌捕獲器的并聯(lián)連接構(gòu)成；

本發(fā)明還涉及一種電力系統(tǒng)，所述電力系統(tǒng)包括被設(shè)置成運送直流電流的傳輸線和根據(jù)本發(fā)明的斷路器裝置，所述斷路器裝置耦連至所述傳輸線以可控地實現(xiàn)直流電流在所述傳輸線中流動的中斷。所述電力系統(tǒng)可以包括高壓直流電力傳輸系統(tǒng)。

附圖說明

在閱讀以下對本發(fā)明的優(yōu)選實施例的詳細描述后，本發(fā)明的其它方面、目標、優(yōu)點和特征將變得更清楚，優(yōu)選實施例通過非限制性示例并參照附圖給出，附圖中：

圖1和圖2已經(jīng)在上文討論過，示出現(xiàn)有技術(shù)的斷路器裝置；

圖2a-2c圖解說明另一現(xiàn)有技術(shù)的斷路器裝置的操作模式；

圖2d示出圖2a-2c的現(xiàn)有技術(shù)的斷路器裝置從主支路到輔助支路的電流換向；

圖3a示出根據(jù)本發(fā)明的可行實施例的斷路器裝置；

圖3b示出圖3a的斷路器從主支路到輔助支路的電流換向。

具體實施方式

圖2a-2c圖解說明現(xiàn)有技術(shù)的斷路器裝置1的操作模式，其沒有用于加速電弧熄滅的反向電流生成。圖3a示出根據(jù)本發(fā)明的可行實施例的斷路器裝置10。從下面的描述顯然可知，斷路器裝置10具有與現(xiàn)有技術(shù)的斷路器1相同的拓撲，但斷路器裝置10具有附加的泄流電阻器，允許創(chuàng)建反向電流。出于此原因，斷路器裝置1和10中的共同元件共用相同的附圖標記。

斷路器裝置1、10各自適于耦連至被布置成傳送直流電流的電力系統(tǒng)的傳輸線，用于可控地實現(xiàn)直流電流在傳輸線中的流動的停止。電力系統(tǒng)可以包括高壓直流電力傳輸系統(tǒng)。

斷路器裝置1、10中的每一個包括：主支路bm，在使用中電流在其中穩(wěn)態(tài)流動；和輔助支路ba，其與主支路電并聯(lián)。主支路和輔助支路bm、ba中的每一個在第一和第二端子2、3之間延伸，其在使用中連接至dc電力網(wǎng)絡(luò)4。

主支路bm包括至少一個機械隔離開關(guān)s1、s2，其與由至少一個半導(dǎo)體開關(guān)qp構(gòu)成的至少一個斷路器單元串聯(lián)。至少一個機械隔離開關(guān)s1、s2例如是真空斷路器。每個半導(dǎo)體開關(guān)qp例如可以是基于硅的絕緣柵雙極型晶體管(igbt)。替代性地，可以使用其它類型的關(guān)斷半導(dǎo)體器件，諸如jfet、mosfet或雙極型晶體管，也可以使用其它寬帶隙半導(dǎo)體材料，諸如碳化硅或氮化鎵。

斷路器裝置1、10還包括開關(guān)控制單元5，以控制至少一個機械隔離開關(guān)s1、s2和至少一個半導(dǎo)體開關(guān)qp的開關(guān)。

因此，借助開關(guān)控制單元5，至少一個機械隔離開關(guān)s1、s2可開關(guān)以選擇性允許在第一操作模式中電流在主支路bm中流動，或者在第二操作模式中使電流從主支路換向到輔助支路ba。

主支路bm還包括與至少一個斷路器單元qp并聯(lián)的緩沖器電路sn1、sn2。緩沖器電路包括與能量儲存元件諸如電容器cp電串聯(lián)的二極管dp，電容器cp本身與放電電阻器r1電并聯(lián)。

當(dāng)斷路器單元qp由開關(guān)控制單元5切換到截止(off)狀態(tài)時，能量儲存元件cp控制在其端子處的電壓的增長速率。二極管dp防止當(dāng)斷路器單元qp開始導(dǎo)通時電容器cp的兇猛放電。最后，放電電阻器r1實現(xiàn)能量儲存元件cp的緩慢放電。

因此，當(dāng)斷路器單元從導(dǎo)通(on)狀態(tài)切換到非導(dǎo)通(off)狀態(tài)時，緩沖器電路通過控制斷路器單元端子兩端的電壓增長的速率保護與其關(guān)聯(lián)的斷路器單元。從貢獻于控制所述支路中的電流的di/dt的意義上，電壓增長的速率的這種限制還具有將電流從主支路切換到輔助支路的有益效果。

浪涌捕獲器rp也與斷路器單元qp電并聯(lián)。浪涌捕獲器rp設(shè)計成將電壓限制到小于斷路器單元qp的承受電壓的值。

與主支路bm并聯(lián)地提供輔助支路ba，輔助支路ba包括與開關(guān)輔助模塊串聯(lián)的至少一個晶閘管t1，開關(guān)輔助模塊由電容器c、對電容器放電的電阻器r和浪涌捕獲器p的并聯(lián)連接構(gòu)成。開關(guān)控制模塊5還被配置成在其非導(dǎo)通(off)狀態(tài)和其導(dǎo)通(on)狀態(tài)之間切換至少一個晶閘管t1。

當(dāng)斷路器裝置1、10從主支路切換到輔助支路時，在兩個支路中相繼地使用浪涌捕獲器rp、p。

圖2a圖解說明第一操作模式，其中，電流ip在主支路bm中流動。

一旦網(wǎng)絡(luò)4上出現(xiàn)電力故障，主支路bm中電流ip增大。為了消除此故障，電流必須被中斷。借助實現(xiàn)以下操作序列的開關(guān)控制單元5執(zhí)行電流中斷。

如圖2b上所示的，首先，主支路bm中的至少一個斷路器單元qp被關(guān)斷，電流轉(zhuǎn)移到緩沖器電路sn1。緩沖器電路sn1限制電壓的上升速率，并對其能量儲存元件cp充電，直到并聯(lián)的浪涌捕獲器rp導(dǎo)通。

在第二步驟中，如圖2c上所示的，輔助支路ba中的至少一個晶閘管t1被切換到其導(dǎo)通狀態(tài)。同時，啟動主支路中至少一個機械隔離開關(guān)s1、s2的打開。

因此電流轉(zhuǎn)移到輔助支路ba。圖2d示出從主支路到輔助支路的這種電流換向，im指隨時間的主支路中的電流值，ia指隨時間的輔助支路中的電流值。

在此換向之后，輔助支路ba中的電容器c變成充電，直到并聯(lián)的浪涌捕獲器p導(dǎo)通。此最后的浪涌捕獲器p將電壓限制到比第一浪涌捕獲器rp小的值。緩沖器電路sn1的能量儲存元件cp緩慢地通過并聯(lián)的放電電阻器r1放電。取決于電壓差和使用的技術(shù)(高度非線性的暫態(tài)電壓抑制器相對于非線性浪涌捕獲器)，電流仍與第二步驟之前相同的方向通過現(xiàn)有技術(shù)的斷路器裝置1的主支路bm中的至少一個機械隔離開關(guān)s1、s2，產(chǎn)生電弧6。

為了在支路中建立電流零，確保電弧熄滅，本發(fā)明利用儲存在緩沖器電路的能量儲存元件cp中的電荷，以在主支路中生成反向電流。如圖3a上所示，其代表根據(jù)本發(fā)明的斷路器裝置10，緩沖器電路sn2還包括泄流電阻器r2，泄流電阻器r2被設(shè)置成當(dāng)電流從主支路換向到輔助支路時通過對能量儲存元件cp放電，在主支路bm中產(chǎn)生反向電流ic。

一旦完成能量儲存元件cp的放電，反向電流穩(wěn)定在零。

如圖3a上所示，泄流電阻器r2可以與緩沖器電路sn2的二極管dp并聯(lián)設(shè)置。

泄流電阻器r2可以與放電電阻器r1相同，但可以選擇得更小，以調(diào)節(jié)反向電流ic。

在圖3b上可見在至少一個機械隔離開關(guān)s1、s2中的電流上增加泄流電阻器r2的效果，圖3b代表隨時間在主支路中的電流值im，以及隨時間在輔助支路中的電流值ia。觀察到幾十安培的負電流的峰值，但持續(xù)時間非常短(小于一毫秒)，其對應(yīng)于在主支路bm中產(chǎn)生的反向電流ic。與要中斷的電流相比，此反向電流ic具有非常低的值，但是具有產(chǎn)生過零的足夠的值，加速電弧的熄滅。因此提高了至少一個機械隔離開關(guān)的觸點的壽命，同時反向電流只需要小的電容器產(chǎn)生。