高壓直流電路斷路器設(shè)備和方法
【專(zhuān)利摘要】提供了一種用于中斷傳輸線(xiàn)路上或高壓直流電路中的電流的DC電路斷路器設(shè)備。DC電路斷路器設(shè)備包括并聯(lián)連接的n個(gè)DC斷路器，該并聯(lián)連接與傳輸線(xiàn)路串聯(lián)。電抗器連接到每個(gè)DC電路斷路器。通過(guò)本發(fā)明，提供了能夠處理非常大的電流的DC電路斷路器設(shè)備。本發(fā)明還涉及相應(yīng)的方法。
【專(zhuān)利說(shuō)明】高壓直流電路斷路器設(shè)備和方法
[0001]本發(fā)明申請(qǐng)是 申請(qǐng)日期:為2008年11月26日、申請(qǐng)?zhí)枮椤?00880132114.4”、發(fā)明名稱(chēng)為“高壓直流電路斷路器設(shè)備和方法”的發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明一般地涉及電力傳輸系統(tǒng)領(lǐng)域，并且特別地涉及用于中斷高壓直流或?qū)Ω邏褐绷鬟M(jìn)行換流的裝置。本發(fā)明還涉及相應(yīng)的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]高壓直流(HVDC)電力系統(tǒng)包括配置為保護(hù)、監(jiān)測(cè)和控制形成電力系統(tǒng)一部分的設(shè)備的運(yùn)行的保護(hù)和控制系統(tǒng)。所述保護(hù)系統(tǒng)尤其防止在例如HVDC系統(tǒng)的電力傳輸線(xiàn)路中的短路、過(guò)電流和過(guò)電壓等等。
[0004]保護(hù)繼電器遍及HVDC系統(tǒng)而被使用來(lái)提供這種保護(hù)和控制。所述保護(hù)繼電器檢測(cè)傳輸和分配線(xiàn)路上的故障并通過(guò)斷開(kāi)和閉合電路斷路器來(lái)隔離故障。并非總是必須執(zhí)行完全的中斷，可取而代之的是執(zhí)行換流到可替換的路徑。本質(zhì)上，原始電流路徑的部件中的電流將停止流動(dòng)，但不是被中斷，而僅是改變方向。為了實(shí)現(xiàn)此目的，使用了 HVDC斷路器。
[0005]圖1示意性地示出了基本的傳統(tǒng)直流(DC)電路斷路器，其還被稱(chēng)為DC斷路器，其沿承載直流I的DC線(xiàn)路L配置。DC斷路器I被設(shè)計(jì)為使得能夠切斷直流I或?qū)χ绷鱅換流。為此，DC斷路器I包括交流電路斷路器2，其在以下被表示為斷流器，其與諧振LC支路
3、4 (即與電感器4串聯(lián)連接的電容器3)并聯(lián)連接。非線(xiàn)性電阻器5與LC支路3、4并聯(lián)連接，用以在直流I流經(jīng)電容器而不是流經(jīng)斷流器2時(shí)限制電容器電壓。電感器4可以但不必須是物理組件，電路中的漏電感通?？梢允亲銐虻?。
[0006]以下，說(shuō)明常規(guī)的中斷過(guò)程。一旦中斷或切斷直流I，電流通過(guò)電弧承載在斷流器2的觸點(diǎn)之間，并且這種電弧電流IaM必須被熄滅。圖2示出了斷流器2中的電弧電流IaM的電弧特性。對(duì)于達(dá)到約5kA的斷流器電流1_，電弧電壓/電流斜率為負(fù)，這導(dǎo)致針對(duì)LC支路3、4的不斷增大的振蕩。當(dāng)振蕩電流達(dá)到足夠大時(shí)，即，大到等于直流I時(shí)，電弧電流Iare達(dá)到電流過(guò)零點(diǎn)，于是電弧被熄滅并且全部直流經(jīng)過(guò)電容器3。然后電容器3的電壓快速增大直至其達(dá)到非線(xiàn)性電阻器5 (例如電涌捕獲器)的曲線(xiàn)拐點(diǎn)，非線(xiàn)性電阻器5配置為限制電容器3上的電壓。電容器電壓構(gòu)成電路中的反電壓，使得電流I減小直至其停止。
[0007]上述傳統(tǒng)DC電路斷路器I對(duì)于達(dá)到約4_5kA的傳輸線(xiàn)路或HVDC電路直流I運(yùn)行恰當(dāng)。對(duì)于更大的電流，在剛才描述的中斷處理中存在兩個(gè)主要的限制因素:
[0008]斷流器的穩(wěn)態(tài)電流能力目前被限制為大約5kA。
[0009]如圖2所示，電弧特性是曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)超過(guò)特定的電弧電流Iarc的部分失去其負(fù)斜率并且變得平直，這使其難以具有足夠大到引起電弧電流Iare的過(guò)零點(diǎn)的振蕩。在特性變?yōu)槠街碧幍南鄳?yīng)的直流I并非一個(gè)精確點(diǎn)，但是在大約4到5kA的某處。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0010]本發(fā)明的一個(gè)目的是提供改進(jìn)的DC電路斷路器設(shè)備，其能夠比現(xiàn)有的DC電路斷路器處理更大的電流水平。
[0011]本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種能夠使用現(xiàn)有組件實(shí)現(xiàn)的DC電路斷路器設(shè)備。
[0012]這些目的以及其他方面均由獨(dú)立權(quán)利要求中限定的DC電路斷路器設(shè)備以及方法實(shí)現(xiàn)。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用于中斷線(xiàn)路上的直流的DC電路斷路器設(shè)備，其中所述線(xiàn)路被理解為在承載了將被中斷的直流的HVDC電路中的電力傳輸線(xiàn)路或連接線(xiàn)路。所述DC電路斷路器設(shè)備包括沿所述線(xiàn)路并聯(lián)配置的至少第一和第二 DC斷路器，并且所述線(xiàn)路的電流在所述至少第一和第二 DC斷路器之間分割。
[0014]特別地，所述DC電路斷路器設(shè)備包括第一 DC斷路器，該第一 DC斷路器又包括連接到所述線(xiàn)路的第一斷流器。所述第一 DC斷路器進(jìn)一步包括第一諧振LC支路和與所述第一斷流器并聯(lián)連接的第一非線(xiàn)性電阻器。所述DC電路斷路器設(shè)備進(jìn)一步包括和所述第一DC斷路器相同的第二 DC斷路器。因此，所述第二 DC斷路器包括第二斷流器、第二諧振LC支路和與第二斷流器并聯(lián)連接的第二非線(xiàn)性電阻器。所述第二 DC斷路器與所述線(xiàn)路上的第一 DC斷路器并聯(lián)連接，其中第一和第二 DC斷路器的并聯(lián)連接與所述線(xiàn)路串聯(lián)連接。所述直流在第一和第二 DC斷路器之間分割。通過(guò)引入將電流分割為兩個(gè)或更多個(gè)支路，每個(gè)支路承載所述電流的一部分，每個(gè)斷流器中的穩(wěn)態(tài)電流被減半或減少得更多。進(jìn)一步地，每個(gè)斷流器中將被中斷的電流同樣被減半或減少得更多。通過(guò)本發(fā)明，提供了一種DC電路斷路器設(shè)備，其能夠處理達(dá)到IOkA或更大的直流。所述DC電路斷路器設(shè)備能夠通過(guò)使用易于獲得的傳統(tǒng)組件制造，使得所述DC電路斷路器設(shè)備具有成本效益并且易于制造。提供了一種在額定直流或在過(guò)載狀態(tài)期間的電流超過(guò)了現(xiàn)有DC斷路器的能力的應(yīng)用中使用的DC電路斷路器設(shè)備。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，包括用于在所述至少第一和第二 DC斷路器的中斷處理中保持期望的電流分割的裝置。由此提供最可靠的DC電路斷路器設(shè)備，其中所述電路斷路器不存在將全部電流換流到另一個(gè)電路斷路器時(shí)首先中斷其電流的風(fēng)險(xiǎn)。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，用于在所述中斷處理中保持所述電流分割的所述裝置包括連接到第一和第二 DC斷路器的兩繞組變壓器。因此，本發(fā)明能夠使用傳統(tǒng)組件實(shí)現(xiàn)，使得能夠提供具有成本效益的方案。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，提供了第三DC斷路器，其與傳輸線(xiàn)路上或HVDC電路中的第一和第二 DC斷路器并聯(lián)連接。因此，電流在三個(gè)支路之間分割并且由此提供了能夠處理更大電流的DC電路斷路器設(shè)備。這種電路斷路器設(shè)備足夠用于所有類(lèi)型的高壓直流(HVDC)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，用于在具有三個(gè)支路的中斷處理中使能被保持的電流分配的裝置包括三個(gè)Z形連接(Z字形連接)的變壓器，所述變壓器連接到第一、第二和第三DC斷路器。此外，本發(fā)明能夠使用傳統(tǒng)組件實(shí)現(xiàn)，這使得能夠提供具有成本效益的方案。
[0019]本發(fā)明還涉及一種相應(yīng)的方法，由此獲得與上述類(lèi)似的優(yōu)點(diǎn)。
[0020]根據(jù)對(duì)以下說(shuō)明的閱讀，進(jìn)一步的實(shí)施例及其優(yōu)點(diǎn)將變得清楚。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】[0021]圖1示出了基本的傳統(tǒng)DC電路斷路器。
[0022]圖2示出了用作DC電路斷路器中的斷流器的交流電路斷路器的電弧特性。
[0023]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的DC電路斷路器設(shè)備的第一實(shí)施例。
[0024]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的DC電路斷路器設(shè)備的第二實(shí)施例。
[0025]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的步驟。
【具體實(shí)施方式】
[0026]已經(jīng)說(shuō)明了圖1和圖2并且在全部附圖中使用相同的參考標(biāo)記表示相同或相應(yīng)的部件。
[0027]圖3示出了本發(fā)明的第一實(shí)施例。根據(jù)本發(fā)明的DC電路斷路器設(shè)備，以下被表示為DC電路斷路器設(shè)備6，被設(shè)備為沿承載DC電流I的線(xiàn)路L連接，即與線(xiàn)路L串聯(lián)。線(xiàn)路L可以是HVDC電路中的電力傳輸線(xiàn)路或連接線(xiàn)路。
[0028]根據(jù)本發(fā)明，線(xiàn)路L的直流I被分割為兩個(gè)支路BI和B2。所述兩個(gè)支路BI和B2是相同的，并且每個(gè)支路包括DC斷路器I1U2，所述DC斷路器又包括結(jié)合圖1所述的各自的第一或第二斷流器2^2^各自的第一或第二 LC支路3^4和32、42與各自的第一或第二斷流器2p22并聯(lián)連接。進(jìn)一步地，第一和第二非線(xiàn)性電阻器5p52與各自的第一或第二 LC支路31、4jP32、42并聯(lián)連接。由此，每個(gè)支路B1、B2占線(xiàn)電流I的一半。
[0029]簡(jiǎn)單地將直流I分割為兩個(gè)路徑不能解決上述在大電流下失去負(fù)電流/電壓斜率(見(jiàn)圖2)的問(wèn)題并且所引起的實(shí)現(xiàn)電流中斷的困難仍存在。更具體地，如果直流I被簡(jiǎn)單地分割到兩個(gè)支路B1、B2中，則當(dāng)一個(gè)斷流器即第一斷流器或第二斷流器22成功切斷其電流，而另一個(gè)斷流器仍處于熄滅其電弧的處理中時(shí)，全部電流將換流到另一個(gè)支路中。另一個(gè)支路之后不能中斷電流。如果電流被簡(jiǎn)單地分割到更多個(gè)電流路徑中，則適用相同的情況。
[0030]因此，為了在中斷處理中保持期望的電流分割，根據(jù)本發(fā)明使用兩繞組變壓器Tl。當(dāng)?shù)谝缓偷诙嗔髌骱?2中的一個(gè)成功地中斷其電流時(shí)，兩繞組變壓器Tl的磁化阻抗阻止將在上述情況中發(fā)生的不均勻的電流分配。
[0031]由此，根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的DC電路斷路器設(shè)備6包括兩個(gè)并聯(lián)連接的傳統(tǒng)DC斷路器^和I2，所述傳統(tǒng)DC斷路器^和I2連接到兩繞組變壓器Tl，即連接到包括初級(jí)繞組和次級(jí)繞組或繞單個(gè)磁芯纏繞的線(xiàn)圈的單相兩繞組變壓器。特別地，DC斷路器I1和I2中的一個(gè)連接到變壓器Tl的一個(gè)繞組的極性端，并且另一個(gè)DC斷路器連接到變壓器Tl的另一個(gè)繞組的非極性端。繞組極性在附圖中以傳統(tǒng)方式的填充點(diǎn)顯示。在穩(wěn)態(tài)操作期間，繞組的電流將抵償磁芯中彼此的磁通量。由此，可以利用傳統(tǒng)的組件，提供具有成本效益的DC電路斷路器設(shè)備。
[0032]當(dāng)要中斷直流I時(shí)，DC斷路器I1U2以傳統(tǒng)方式工作，如本申請(qǐng)的前言部分所述。DC斷路器I1U2中的一個(gè)將在電流中斷處理中首先完成。首先完成的DC斷路器被表示為X并且其電流將流經(jīng)其相關(guān)聯(lián)的電容器3X。DC斷`路器Ix兩端的電壓將增大并且該電壓將試圖將支路Bx中的電流移向另一個(gè)支路，另一個(gè)支路還不具有反電壓。然而，變壓器Tl的磁化阻抗避免這種情況的發(fā)生。
[0033]圖4示出了本發(fā)明的第二實(shí)施例。在根據(jù)本實(shí)施例的DC電路斷路器設(shè)備6’中，直流I被分割到三個(gè)支路B1、B2和B3中，每個(gè)支路由此在穩(wěn)態(tài)操作期間承載直流I的三分之一。每個(gè)支路B1、B2、B3包括對(duì)應(yīng)的具有如前所述的布置的DC斷路器I1U2U315
[0034]為了在電流中斷處理中保持所述電流分配，提供了三個(gè)傳統(tǒng)的變壓器Tl、T2、T3。變壓器Tl、T2、T3以Z字形連接相連接并且具有如圖4所示的極性。對(duì)于具有三個(gè)支路的特定情況，這種變壓器連接還被稱(chēng)為Z形連接，并且能夠以三相Z形連接的變壓器實(shí)現(xiàn)。
[0035]特別地，每個(gè)變壓器上的一個(gè)線(xiàn)圈的非極性端連接到另一個(gè)變壓器中的一個(gè)線(xiàn)圈的非極性端?？商鎿Q地，連接可以是每個(gè)變壓器上的一個(gè)線(xiàn)圈的極性端連接到另一個(gè)變壓器的一個(gè)線(xiàn)圈的極性端。在穩(wěn)態(tài)操作期間，通過(guò)相反的電流，每個(gè)變壓器中的第一和第二線(xiàn)圈繞組的磁通量將相互抵償。 [0036]以根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的方式，變壓器的互感用于在中斷處理中保持所述電流分配。
[0037]一旦全部支路B1、B2、B3將其對(duì)應(yīng)的電流換流到其對(duì)應(yīng)的電容器3p32、33或其對(duì)應(yīng)的非線(xiàn)性電阻器5ρ52、53，由于全部電流衍生支路將處于相同方向中，因此變壓器的漏電感將被添加到總電路的電感中。然而，變壓器的漏電感(還被稱(chēng)作短路阻抗)非常低，比磁化電感低幾千倍，并且可以被忽略。
[0038]本發(fā)明的原理可以相應(yīng)的方式應(yīng)用于任意數(shù)量的η個(gè)支路B1、B2…、Bn。由此，可以設(shè)計(jì)DC電路斷路器設(shè)備6114并且適用于每個(gè)具體的應(yīng)用。然而，上述具有三個(gè)支路B1、B2、B3的DC電路斷路器設(shè)備6’足夠用于在不遠(yuǎn)的將來(lái)能夠預(yù)見(jiàn)的絕大多數(shù)應(yīng)用。注意，應(yīng)用本發(fā)明的原理，可以不使用例如能夠處理達(dá)到5kA的電流的兩個(gè)并聯(lián)連接的DC斷路器，而是可以使用多個(gè)更具有成本效益的能夠處理更低的電流例如500A的DC電路斷路器。
[0039]在以上說(shuō)明中，利用了適當(dāng)數(shù)量的η個(gè)變壓器以便在斷流器2p22、…、2n的中斷處理中保持電流分配。然而，可以替換為使用用于保持不同支路之間的電流分配的其他裝置。
[0040]例如，可以可替換地使用僅包括不依賴(lài)于上述互感的電抗器的裝置。然而，必須考慮以下事實(shí):在中斷期間用于保持電流分配所需要的非常大的電感即便在全部支路中的斷流器均已完成將電流換流到其各自的電容器或非線(xiàn)性電阻器之后仍然保留在電路中。
[0041 ] 如圖5所示，本發(fā)明還提供了一種用于中斷或?qū)鬏斁€(xiàn)路L或HVDC電路上的直流I換流的方法10。所述方法10包括第一步驟11:將直流I分割到兩個(gè)或更多個(gè)支路B1、B2、B3中。第二步驟12包括通過(guò)激勵(lì)配置在每個(gè)相應(yīng)的支路B1、B2、B3處的DC斷路器I1'
12、13而中斷直流I，同時(shí)在直流I的中斷期間通過(guò)變壓器設(shè)備保持所述電流分割。DC斷路器Ip 12、I3如前所述配置，變壓器設(shè)備同樣如前所述配置，即，如果電流被分割到兩個(gè)支路中，則所述變壓器設(shè)備是一個(gè)單相兩繞組變壓器Tl，或者如果電流被分割到三個(gè)支路中，則所述變壓器設(shè)備是三個(gè)兩繞組變壓器T1、T2、T3，以此類(lèi)推，直到η個(gè)兩繞組變壓器Τ1、Τ2、Τ3、…、Tn以將電流分割到η個(gè)支路中。
[0042]總之，本發(fā)明提供了用于允許通過(guò)結(jié)合傳統(tǒng)的DC斷路器中斷大于5kA并且最為有利地是IOkA或更大的直流的裝置，傳統(tǒng)的DC斷路器具有能夠處理達(dá)到約5kA的斷流器。因此，本發(fā)明對(duì)于電流超過(guò)5kA的應(yīng)用是有利的，不管該電流為額定電流或在過(guò)載狀態(tài)下的電流。通過(guò)將電流分到兩個(gè)或更多個(gè)支路中，每個(gè)支路承載一半或更少的直流I，每個(gè)斷流器中的穩(wěn)態(tài)電流被減半或者甚至更低。進(jìn)一步地，將被中斷的電流(或者將發(fā)生振蕩的電流)被減半或者更低。進(jìn)一步地，以創(chuàng)新的方式促進(jìn)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的均勻電流分配。
【權(quán)利要求】
1.一種DC電路斷路器設(shè)備(6’)，用于中斷線(xiàn)路(L)上的直流(I)，包括: -并聯(lián)連接的η個(gè)DC電路斷路器(I1,12，I3)，其中n>2，DC電路斷路器的所述并聯(lián)連接與所述線(xiàn)路(L)串聯(lián)連接，所述線(xiàn)路(L)的所述直流(I)在所述η個(gè)DC電路斷路器(I1,12，I3)之間分割，以及 -η個(gè)電抗器，每個(gè)電抗器連接到所述DC電路斷路器(I1,12，I3)中的一個(gè)，用于在電流中斷期間保持所述電流分割。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的DC電路斷路器設(shè)備(6’)，其中每個(gè): -DC電路斷路器仏丄^包括斷流器^^^^以及與所述斷流器^^^^并聯(lián)連接的諧振LC支路(S1，32，33，4，42，43)和非線(xiàn)性電阻器(S1，52，53)。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的DC電路斷路器設(shè)備(6’)，其中，所述線(xiàn)路(L)是高壓DC傳輸線(xiàn)路或是高壓直流電路的一部分。
4.一種用于中斷或換流傳輸線(xiàn)路(L)上或高壓直流電路中的直流(I)的方法，包括下述步驟: -將所述支流(I)分割到η個(gè)支路(BI，Β2，Β3)中，其中η>2， -通過(guò)激勵(lì)配置在每個(gè)支路(Β1，Β2，Β3)處的斷流器(I1,12，I3)而中斷所述直流(I)，同時(shí)在所述電流中斷期間通過(guò)η個(gè)電抗器保持所述電流分割，每個(gè)電抗器連接到所述斷流器(I1,12,13)中的一個(gè)。
【文檔編號(hào)】H01H33/59GK103560042SQ201310384749
【公開(kāi)日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2008年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2008年11月26日
【發(fā)明者】維克托·萊斯卡勒 申請(qǐng)人:Abb技術(shù)有限公司