專利名稱：高壓dc斷路器設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及DC斷路器設(shè)備，其配置成中斷在高壓DC導(dǎo)體中出現(xiàn)的故障電流。
背景技術(shù)：
高壓DC斷路器設(shè)備可設(shè)置在攜有高DC電壓的系統(tǒng)中，例如在基于電壓源轉(zhuǎn)換器的多端HVDC (高壓直流)網(wǎng)絡(luò)中，其中快速上升的DC故障電流必須 在高電壓被迅速中斷。這樣的故障可以是線路接線路故障或線路接地故障，即DC導(dǎo)體接地的短路。就高壓而論，在這里意指相對于地彡IOkV的電壓(并且常常是幾百kV的電壓)。在一個(gè)類型的已知這樣的斷路器設(shè)備中，配置成獲得通過中斷器的故障電流的零交叉的所述設(shè)置包括無源LC電路，其產(chǎn)生通過中斷器的故障電流的振蕩，旨在獲得故障電流的零交叉。使用這樣的設(shè)置的劣勢是關(guān)于電流的零交叉實(shí)際上將何時(shí)出現(xiàn)的不確定性，這導(dǎo)致在中斷電流是可能時(shí)滅弧窗出故障的風(fēng)險(xiǎn)，使得不能可靠地確保故障電流的中斷。另一個(gè)類型的已知高壓DC斷路器設(shè)備使用所述設(shè)置，其具有與機(jī)械中斷器并聯(lián)連接的預(yù)充電電容器用于獲得故障電流的電流零交叉。然而，該技術(shù)方案成本相對高，因?yàn)樾枰蟮碾娙萜饕约坝糜趯υ撾娙萜鞒潆姷莫?dú)立高壓充電裝置。US 5 517 378公開了高壓DC斷路器，其具有適應(yīng)于由線路電流橫過并且斷開用于開斷電流的兩個(gè)機(jī)械斷路器。電容器與串聯(lián)連接的斷路器并聯(lián)連接。半導(dǎo)體構(gòu)件與斷路器中的第一個(gè)并聯(lián)連接。當(dāng)斷開斷路器時(shí)，控制構(gòu)件控制半導(dǎo)體構(gòu)件使得獲得通過第二斷路器的電流的零交叉，由此線路電流被換向至電容器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供DC斷路器設(shè)備，其可以以較高的速度提供高DC電流的可靠開斷。該目的通過提供配置成中斷在高壓DC導(dǎo)體中出現(xiàn)的故障電流的DC斷路器設(shè)備而獲得。所設(shè)備包括
至少一個(gè)機(jī)械中斷器，其配置成與所述DC導(dǎo)體串聯(lián)連接，
設(shè)置，其配置成當(dāng)在所述導(dǎo)體中出現(xiàn)故障電流時(shí)獲得通過所述中斷器的電流的零交叉，以及
控制單元，其配置成控制所述設(shè)置和機(jī)械中斷器。配置成中斷故障電流的設(shè)置包括
與所述機(jī)械中斷器串聯(lián)連接的至少一個(gè)關(guān)斷型半導(dǎo)體器件，
與所述半導(dǎo)體器件并聯(lián)連接用于限定跨所述器件的最大電壓的放電器，以及
LC電路，其采用電感和電容串聯(lián)連接的形式，該串聯(lián)連接與所述半導(dǎo)體器件和機(jī)械中斷器的串聯(lián)連接并聯(lián)連接。DC斷路器設(shè)備進(jìn)一步包括控制單元，其配置成控制機(jī)械中斷器和該設(shè)置以用于獲得電流零交叉，其中該控制單元配置成在檢測到故障電流時(shí)用于 控制開關(guān)，以適應(yīng)于所述電感和電容的值的頻率控制所述至少一個(gè)半導(dǎo)體器件中的至少一個(gè)的開關(guān)，以便由故障電流對所述電容充電同時(shí)使通過機(jī)械中斷器(2)的電流以增加的幅度振蕩，以及
控制機(jī)械中斷器的脫扣使得其機(jī)械觸點(diǎn)在達(dá)到電流零交叉時(shí)將分離，使得獲得通過機(jī)械中斷器的故障電流的中斷。與US 5 517 378的DC斷路器相比，發(fā)明性DC斷路器設(shè)備可以 更快，因?yàn)殡娏鞯接糜陂_關(guān)的半導(dǎo)體器件內(nèi)的換向不是必需的。
通過使用故障電流對電容充電，不需要高壓充電裝置，但精確限定的故障電流的零交叉仍將由半導(dǎo)體器件的所述開關(guān)的適當(dāng)控制而獲得。此外，將僅需要小的電容用于獲得所述故障電流的零交叉。由于所述半導(dǎo)體器件僅需要大約所述放電器的保護(hù)電壓水平的額定電壓(其可以是系統(tǒng)電壓、即所述高壓DC導(dǎo)體相對于地的電壓的僅一小部分)這一事實(shí)，投入成本將是低的。所述半導(dǎo)體器件中的導(dǎo)通態(tài)損耗在談?wù)摰母邏篋C系統(tǒng)的正常操作下將也是低的。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的另一個(gè)優(yōu)勢是通過中斷器的逐漸增長的電流振蕩防止電流零過沖并且產(chǎn)生機(jī)械中斷器的可行的開關(guān)占空比，即足夠低的電流和電壓時(shí)間導(dǎo)數(shù)?？蛇x擇所述放電器的保護(hù)電壓水平以及LC電路的所述電感和電容的值用于在所述故障出現(xiàn)后的可接受時(shí)段內(nèi)獲得由機(jī)械中斷器的安全中斷。因此，用于獲得故障電流中斷的電流零交叉的產(chǎn)生由半導(dǎo)體器件應(yīng)對，而故障電流的中斷由機(jī)械中斷器處理。這結(jié)合了半導(dǎo)體器件快速開關(guān)和精確限定的阻斷電壓的益處以及機(jī)械中斷器涉及高介電承受能力和低損耗的優(yōu)勢。配置成獲得零交叉的設(shè)置可以有利地包括與所述至少一個(gè)半導(dǎo)體器件反并聯(lián)連接的整流元件。在一個(gè)實(shí)現(xiàn)中，該整流元件是二極管。為了獲得雙向DC電流斷路器，設(shè)置可以包括傳導(dǎo)方向相反的兩個(gè)半導(dǎo)體器件的串聯(lián)連接，其中這些半導(dǎo)體器件中的每個(gè)與傳導(dǎo)方向與該半導(dǎo)體器件相反的二極管并聯(lián)連接。在該配置中，這兩個(gè)二極管(其是反并聯(lián)的)串聯(lián)連接。在用于獲得零交叉的設(shè)置的備選實(shí)現(xiàn)中，提供采用額外的半導(dǎo)體器件形式的整流元件，使得兩個(gè)半導(dǎo)體器件反并聯(lián)連接，從而促進(jìn)雙向開斷的可能性。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，控制單元配置成以所述LC電路的本征頻率的90%_110%的頻率實(shí)施半導(dǎo)體器件的所述開關(guān)。接近于LC電路的本征頻率的開關(guān)頻率可以導(dǎo)致期望的通過中斷器的故障電流的振蕩以及在電流導(dǎo)數(shù)是零或接近于零時(shí)達(dá)到故障電流的零交叉，使得然后中斷電流將是有利的。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，開關(guān)頻率是固定的并且根據(jù)LC電路的本征頻率設(shè)置。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，該設(shè)備進(jìn)一步包括至少一個(gè)測量裝置，其配置成在出現(xiàn)所述故障時(shí)測量涉及所述設(shè)置的操作的至少一個(gè)參數(shù)并且將該測量的結(jié)果發(fā)送到所述控制單元，其配置成使所述開關(guān)適應(yīng)該測量結(jié)果。對于半導(dǎo)體器件的開關(guān)的這樣的反饋導(dǎo)致控制故障電流的零交叉將如何以及何時(shí)出現(xiàn)用于獲得故障電流的可靠中斷的可能性。適合的要測量的參數(shù)可以是通過所述半導(dǎo)體器件的電流和/或跨所述電容的電壓，其構(gòu)成本發(fā)明的另外的實(shí)施例。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述控制單元配置成將中斷器的機(jī)械觸點(diǎn)的分離的發(fā)起相對于所述半導(dǎo)體器件的開關(guān)的開始延遲確定時(shí)段以便萬一在該時(shí)段內(nèi)所述控制單元接收關(guān)于所述故障消失的信息則可能制止斷開中斷器。已經(jīng)證實(shí)即使使用這樣的延遲(其然后可導(dǎo)致在故障狀況迅速消失的情況下避免不必要的中斷)，獲得中斷也是可能的。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，設(shè)備包括與所述LC電路并聯(lián)連接的另外的放電器。該另外的放電器將在故障電流中斷后限制跨機(jī)械中斷器的上升的恢復(fù)電壓。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，與LC電路并聯(lián)連接的所述放電器的保護(hù)電壓水平是對所述DC導(dǎo)體規(guī)定的相對于地的DC電壓的至少120%或130%-200%。大約系統(tǒng)電壓的150%的保護(hù)電壓水平通常適合于與這樣的機(jī)械中斷器并聯(lián)的放電器。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，設(shè)備包括電流導(dǎo)數(shù)限制電抗器，其配置成與LC電路的所述并聯(lián)連接和半導(dǎo)體器件與所述DC導(dǎo)體中的機(jī)械中斷器的串聯(lián)連接串聯(lián)地連接。這樣的電抗器將限制故障電流的上升。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述控制單元配置成用lOOHz-lOkHz或500Hz-5kHz的頻率實(shí)施半導(dǎo)體器件的所述開關(guān)。這樣的開關(guān)頻率適合于該類型的設(shè)備中的開關(guān)裝置的操作， 其中電感可典型地具有O. ImH-IOmH的值并且電容具有IOnF-IOO μ F或O. 5 μ F-5 μ F的值。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，設(shè)備配置成中斷在高壓DC導(dǎo)體中出現(xiàn)的故障電流，該高壓DC導(dǎo)體規(guī)定為在相對于地> IOkV的電壓水平，例如在下列范圍中的一個(gè)內(nèi)的電壓水平相對于地 10kV-1000kV、100 kV-1000kV 或 300kV_1000kV，或更高。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，與所述半導(dǎo)體器件并聯(lián)連接的所述放電器的保護(hù)水平小于對所述高壓DC導(dǎo)體規(guī)定的相對于地的電壓水平的50%或小于其的10%?？商岢鲈趯λ龈邏篋C導(dǎo)體規(guī)定的相對于地的電壓水平可以是400kV的同時(shí)所述保護(hù)電壓水平例如可以是大約10kV。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，設(shè)備配置成連接到AC/DC轉(zhuǎn)換器站中的所述高壓DC導(dǎo)體，并且根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，設(shè)備配置成設(shè)置在DC電網(wǎng)中用于保護(hù)連接于其中的設(shè)備。本發(fā)明還涉及用于通過高壓直流傳輸電力的電廠，其特征在于其提供有根據(jù)本發(fā)明的DC斷路器設(shè)備。這樣的電廠可從上文提到的這樣的設(shè)備的積極特征中獲益。本發(fā)明還涉及用于控制根據(jù)本發(fā)明的高壓DC斷路器設(shè)備以便中斷在所述高壓DC導(dǎo)體中檢測的故障電流的方法以及與這樣的方法關(guān)聯(lián)的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品和計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。本發(fā)明的另外的優(yōu)勢以及有利特征將從下列描述顯現(xiàn)。


參照附圖，下文接著是引用為示例的本發(fā)明的實(shí)施例的具體描述。在圖中
圖I是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的高壓DC斷路器設(shè)備的示意圖，
圖2a_c示意地圖示用于獲得電流零交叉的設(shè)置的不同實(shí)施例，
圖3是在圖I中示出的高壓DC導(dǎo)體中出現(xiàn)故障時(shí)通過根據(jù)圖I的設(shè)備的機(jī)械中斷器的故障電流I vs.時(shí)間t的曲線圖，
圖4是出現(xiàn)所述故障時(shí)跨圖I中示出的設(shè)備的半導(dǎo)體器件的電壓U vs.時(shí)間t的曲線圖，以及
圖5是示意地圖示由用于控制DC斷路器設(shè)備(其包括用于獲得電流零交叉的設(shè)置)的操作的控制單元進(jìn)行的方法的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式圖I示意地示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的高壓DC斷路器設(shè)備100。該DC斷路器設(shè)備100配置成中斷在高壓DC導(dǎo)體I中出現(xiàn)的故障電流并且包括機(jī)械中斷器2 (其可代表一個(gè)或幾個(gè)機(jī)械中斷器，例如SF6或真空中斷器或其組合)，以及與之串聯(lián)連接的關(guān)斷型半導(dǎo)體器件3 (即可以控制成切斷以及接通的器件)。在圖I的實(shí)施例中，該半導(dǎo)體器件3是IGBT，其配置成在朝中斷器的方向上傳導(dǎo)。整流二極管4與該半導(dǎo)體器件3反并聯(lián)連接，使得該整流二極管的傳導(dǎo)方向與該半導(dǎo)體器件的傳導(dǎo)方向相反。放電器5與該半導(dǎo)體器件并聯(lián)連接用于通過具有適合的保護(hù)電壓水平而限定跨該半導(dǎo)體器件的最大電壓。在一個(gè)實(shí)施例中，該保護(hù)電壓水平是10kV。然而，可以使用其他值，并且特別地，適合水平的范圍將隨著中斷器設(shè)備的額定電壓而變化。圖I的半導(dǎo)體器件3是IGBT (絕緣柵雙極晶體管)器件?？梢栽诎雽?dǎo)體器件3中備選地使用其他類型的關(guān)斷型半導(dǎo)體器件，例如GTO (門極關(guān)斷晶閘管)和IGCT (絕緣柵換 向晶閘管)。半導(dǎo)體器件3可以實(shí)現(xiàn)為單個(gè)半導(dǎo)體元件，或作為一個(gè)以上半導(dǎo)體元件的串和/或并聯(lián)連接。半導(dǎo)體器件3的阻斷電壓能力應(yīng)該高于該保護(hù)電壓水平。因此，放電器5確保跨半導(dǎo)體器件的電壓在其關(guān)斷時(shí)將從未達(dá)到半導(dǎo)體器件的電壓阻斷能力的水平。此外，采用電感7和電容8串聯(lián)連接形式的LC電路6與半導(dǎo)體器件3和機(jī)械中斷器2的串聯(lián)連接并聯(lián)連接。另外的放電器9與LC電路6并聯(lián)連接，并且該放電器具有超出對所述DC導(dǎo)體I規(guī)定的相對于地的DC電壓水平的保護(hù)電壓水平并且例如是該電壓水平的150% οDC斷路器設(shè)備100還包括設(shè)置10，其配置成在DC導(dǎo)體I或在連接到DC導(dǎo)體的設(shè)備中出現(xiàn)故障時(shí)獲得通過中斷器2的故障電流的零交叉，并且該設(shè)置將部分由已經(jīng)描述的設(shè)置的部件形成。在下面，該設(shè)置將稱為用于獲得電流零交叉的設(shè)置10。電流零交叉是通過機(jī)械中斷器2的電流反轉(zhuǎn)處的時(shí)間實(shí)例。圖I的設(shè)置10示出為包括半導(dǎo)體器件3、整流二極管4和放電器5的并聯(lián)連接以及脈沖發(fā)生器13，其連接到半導(dǎo)體器件3的控制端并且設(shè)置成生成用于使半導(dǎo)體器件3導(dǎo)通和關(guān)斷的脈沖信號(hào)。IGBT的控制段典型地是柵極端，而其他類型的半導(dǎo)體器件的控制段可以是，例如柵極或基極端。用于獲得電流零交叉的設(shè)置10進(jìn)一步包括LC電路6。圖I的設(shè)置10進(jìn)一步示出為包括設(shè)置成測量通過半導(dǎo)體器件3的電流的電流測量裝置和設(shè)置成測量跨電容器8的電壓的電壓測量裝置15。圖I的電流測量裝置14和電壓測量裝置15的輸出連接到脈沖發(fā)生器13，可能地經(jīng)由控制單元12，使得在一個(gè)實(shí)施例中由脈沖發(fā)生器13產(chǎn)生并且提供給半導(dǎo)體器件3的控制端的脈沖的頻率可以根據(jù)通過半導(dǎo)體器件3的電流和跨電容器8的電壓而調(diào)整。開關(guān)頻率的這樣的調(diào)整將進(jìn)一步關(guān)于圖5描述。電流測量裝置14例如可以是光電流換能器(OCT)或DC電流反饋補(bǔ)償換能器(DCCT)，或任何其他適合的電流換能器、傳感器或其他電流測量裝置。電壓測量裝置15例如可以是直流分壓器，或任何其他適合的電壓測量裝置。
圖I的DC斷路器設(shè)備100進(jìn)一步包括設(shè)置并且配置成檢測所述DC導(dǎo)體I中故障電流的出現(xiàn)的裝置，所述裝置在圖I中示出為故障電流檢測器11。故障電流檢測器11例如可以包括光電流換能器(OCT )或DC電流反饋補(bǔ)償換能器(DCCT )，或任何其他適合的電流換能器、傳感器或用于檢測故障電流的裝置。故障電流檢測器11例如可以進(jìn)一步包括硬件或軟件，用于將來自電流換能器的測量(或一組測量)與電流和/或電流導(dǎo)數(shù)閾值比較以便檢測故障，該故障引起或有風(fēng)險(xiǎn)引起通過DC斷路器設(shè)備100的電流增加而超過可接受水平。此外，故障電流檢測器11可以設(shè)置成響應(yīng)于故障電流的檢測而生成信號(hào)。將生成這樣的信號(hào)時(shí)的輸出可以有利地連接到控制單元12的輸入。圖I的DC斷路器設(shè)備100包括控制單元12，其配置成控制設(shè)置10用于獲得電流零交叉以及用于控制機(jī)械中斷器2。該控制單元12配置成萬一已經(jīng)檢測到故障則通過發(fā)送控制信號(hào)到脈沖發(fā)生器13而控制半導(dǎo)體器件3的開關(guān)。由脈沖發(fā)生器13引發(fā)的開關(guān)然后以適應(yīng)于用于由故障電流對所述電容充電的電感7和電容8的值的頻率實(shí)施，如將進(jìn)一步在下文更詳細(xì)描述的。在圖I中，圖示DC斷路器設(shè)備100還可具有測量裝置，所述測量裝置在圖I中示出為用于測量通過半導(dǎo)體器件3的電流的電流測量裝置14和用于測量跨電容8的電壓的電壓測量裝置15，如在上文論述的。圖I的電壓和電流測量裝置14、15配置成發(fā)送測量結(jié)果到控制單元12 (脈沖發(fā)生器13)，其然后在控制半導(dǎo)體器件3的開關(guān)時(shí)可考慮這些結(jié)果。在圖I中，為了說明目的，脈沖發(fā)生器13已經(jīng)圖示為相對于控制單元12的獨(dú)立單元。然而，脈沖發(fā)生器13通常視為控制單元12的一部分。圖I的DC斷路器設(shè)備100還包括電流導(dǎo)數(shù)限制電抗器16，其與LC電路6與半導(dǎo)體器件3和所述DC導(dǎo)體I中的機(jī)械中斷器2的串聯(lián)連接的并聯(lián)連接串聯(lián)地連接。在圖I中，電流導(dǎo)數(shù)限制電抗器16在半導(dǎo)體器件的傳導(dǎo)方向上所看到的該并聯(lián)連接的上游連接。然而，電抗器16備選地可以在該并聯(lián)連接下游連接。采用關(guān)斷型半導(dǎo)體器件(例如IGBT)與放電器的并聯(lián)連接的至少一個(gè)模塊形式的電流限制裝置可與電抗器16串聯(lián)連接并且有助于限制故障電流或甚至替換電抗器。
圖I的DC斷路器設(shè)備100的部件的可能值可如下電抗器16具有IOOmH的電感并且電感7具有O. 6mH的電感。電容8是I μ F。DC導(dǎo)體I相對于地處于320kV的電壓并且放電器5的保護(hù)水平是10kV。這些值僅作為示例給出，并且可以對320kV DC斷路器設(shè)備使用部件的其他值。此外，適合的值范圍取決于DC斷路器設(shè)備100的額定電壓，并且當(dāng)設(shè)計(jì)不同額定電壓的DC斷路器設(shè)備時(shí)，部件的值可以因此有利地調(diào)整。指出如在圖I中示出的DC斷路器設(shè)備100配置成在中斷器右側(cè)上出現(xiàn)故障17(如在圖中看到的)時(shí)中斷故障電流，但更改DC斷路器設(shè)備100以便相反能夠處理在中斷器左側(cè)上出現(xiàn)的故障并且以便同樣能夠處理在DC斷路器設(shè)備100的兩側(cè)上出現(xiàn)的故障(這例如可以通過使另外的放電器與關(guān)斷型半導(dǎo)體器件的并聯(lián)連接與在圖I中示出的并聯(lián)連接以及與具有相反傳導(dǎo)方向的該半導(dǎo)體器件串聯(lián)連接而獲得)，這當(dāng)然在本發(fā)明的范圍內(nèi)。設(shè)置10的這樣的備選實(shí)施例的示例將關(guān)于圖2a-c進(jìn)一步描述。為了簡化圖，設(shè)置10的LC電路6已經(jīng)在圖2a_c中省略。另一個(gè)選項(xiàng)將是在相鄰開關(guān)設(shè)備中具有防止在一個(gè)以上方向上的電流的斷路器配置。圖2a示出用于獲得電流零交叉的設(shè)置10的實(shí)施例，其中設(shè)置10包括關(guān)斷型半導(dǎo)體器件3、整流二極管4和放電器5的并聯(lián)連接。圖2a的設(shè)置10與圖I的設(shè)置10的不同之處在于圖2a的半導(dǎo)體器件3和整流二極管4設(shè)置成在與圖I的對應(yīng)部件相反的方向上傳導(dǎo)。圖I和圖2a的設(shè)置10能夠引發(fā)振蕩，其引起在半導(dǎo)體器件3的傳導(dǎo)方向上流動(dòng)的DC電流的電流零交叉。因此，圖I或圖2a的設(shè)置10可以在其中DC電流將僅在一個(gè)方向上(例如在單向DC斷路器設(shè)備100中)流動(dòng)的應(yīng)用中有用，或至少在其中將僅關(guān)于單方向的DC電流需要開斷DC電流的能力的應(yīng)用中有用。圖I和圖2a的設(shè)置可以連接使得半導(dǎo)體器件3將在朝機(jī)械中斷器2的方向上傳導(dǎo)，或使得半導(dǎo)體器件3將在沿半導(dǎo)體器件3與機(jī)械中斷器2的串聯(lián)連接遠(yuǎn)離機(jī)械中斷器2的方向上傳導(dǎo)。圖2b和2c每個(gè)示出設(shè)置IO的實(shí)施例，其中設(shè)置IO能夠引發(fā)振蕩，其引起在DC導(dǎo)體I的兩個(gè)方向上流動(dòng)的DC電流的電流零交叉。因此，在圖2b和2c中示出的設(shè)置10的實(shí)施例可以有利地在雙向DC斷路器設(shè)備100中使用。圖2b的設(shè)置10包括第一關(guān)斷型半導(dǎo)體器件3a與第二關(guān)斷型半導(dǎo)體器件3b的并 聯(lián)連接，其中該第一和第二半導(dǎo)體器件3a和3b能夠在相反方向上傳導(dǎo)電流，半導(dǎo)體器件3a和3b從而反并聯(lián)連接。兩個(gè)半導(dǎo)體器件的并聯(lián)連接與放電器5并聯(lián)連接。當(dāng)由故障電流檢測器11在第一電流方向上檢測到過多電流時(shí)，能夠在該第一方向上傳導(dǎo)的半導(dǎo)體器件將接通和切斷以便引入振蕩(相反電流方向的半導(dǎo)體器件可以同時(shí)以相同的頻率接通和切斷，或可以根據(jù)期望導(dǎo)通或關(guān)斷)。第一電流測量裝置14a設(shè)置成測量第一半導(dǎo)體器件3a中的電流，而第二電流測量裝置14b設(shè)置成測量第二半導(dǎo)體器件3b中的電流。電流測量裝置14a和14b連接到脈沖發(fā)生器13的輸入，以便允許根據(jù)通過半導(dǎo)體器件的電流調(diào)整開關(guān)。圖2c的設(shè)置10包括兩個(gè)半導(dǎo)體器件3a和3b，其串聯(lián)連接并且設(shè)置成在相反的方向上傳導(dǎo)電流。每個(gè)半導(dǎo)體器件3a、3b分別具有反并聯(lián)連接的整流二極管4a、4b。此外，放電器5與半導(dǎo)體器件3a、3b的串聯(lián)連接并聯(lián)連接。當(dāng)由故障電流檢測器11在第一電流方向上檢測到過多電流時(shí)，能夠在該第一方向上傳導(dǎo)的半導(dǎo)體器件將接通和切斷以便引入振蕩(相反電流方向的半導(dǎo)體器件可以同時(shí)以相同的頻率接通和切斷，或可以根據(jù)期望導(dǎo)通或關(guān)斷)。如在圖2b的設(shè)置10中，第一電流測量裝置14a設(shè)置成測量第一半導(dǎo)體器件3a中的電流，而第二電流測量裝置14b設(shè)置成測量第二半導(dǎo)體器件3b中的電流。電流測量裝置14a和14b連接到脈沖發(fā)生器13的輸入，以便允許根據(jù)通過超導(dǎo)體器件的電流調(diào)整開關(guān)。在下面，術(shù)語正向傳導(dǎo)半導(dǎo)體器件3將用于指代這樣的半導(dǎo)體器件，其能夠在要開斷的DC電流的方向上傳導(dǎo)電流并且因此可以用于獲得通過機(jī)械中斷器2的振蕩電流，以便簡化與DC開斷設(shè)備(其包括傳導(dǎo)方向相反的半導(dǎo)體器件3a、3b)有關(guān)的描述。哪個(gè)半導(dǎo)體器件充當(dāng)這樣的DC開斷設(shè)備的正向傳導(dǎo)半導(dǎo)體器件取決于流過導(dǎo)體I的DC電流的方向。當(dāng)前不是正向傳導(dǎo)半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體器件可能以與正向傳導(dǎo)半導(dǎo)體器件相同的頻率開關(guān)(如上文提到的)，以便簡化開關(guān)的控制。標(biāo)號(hào)3將在大體上指代半導(dǎo)體器件時(shí)使用，從而包括半導(dǎo)體器件3、3a和3b ;標(biāo)號(hào)14將在大體上指代電流測量裝置時(shí)使用，從而包括電流測量裝置14、14a或14b ;等?，F(xiàn)在將解釋在故障出現(xiàn)情況下DC斷路器設(shè)備100的操作示例，同時(shí)還參考圖3和
4。圖3圖示在故障情形下作為時(shí)間t的函數(shù)的通過機(jī)械中斷器2的故障電流I，而圖4圖示在相同情形下作為時(shí)間t的函數(shù)的跨正向傳導(dǎo)半導(dǎo)體器件3的電壓。在正常操作期間，正向傳導(dǎo)半導(dǎo)體器件3和機(jī)械中斷器2將閉合。電流(例如大約2000A大小的電流)將在DC導(dǎo)體I中流動(dòng)通過正向傳導(dǎo)半導(dǎo)體器件3和機(jī)械中斷器2。因?yàn)橹恍鑼雽?dǎo)體器件3額定成略高于放電器5的保護(hù)電壓水平的值，能量轉(zhuǎn)移損耗在半導(dǎo)體器件3中相對低。因此，半導(dǎo)體器件3可以典型地實(shí)現(xiàn)而不必使用大量半導(dǎo)體元件。當(dāng)在DC線路上出現(xiàn)故障17 (其可以是線路接線路故障或線路接地故障)時(shí)，這由故障電流檢測器11檢測并且關(guān)于其的信息被發(fā)送到控制單元12。這在圖3和4中示出的時(shí)間h出現(xiàn)。在已經(jīng)出現(xiàn)故障后，通過中斷器的故障電流以由DC導(dǎo)體的系統(tǒng)電壓與故障電流導(dǎo)數(shù)限制電抗器16的電抗之間的比率給定的速率上升。電流的上升在時(shí)間t2之前發(fā)生，在該時(shí)間控制單元12控制機(jī)械中斷器2脫扣。當(dāng)機(jī)械中斷器2脫扣時(shí)，其機(jī)械觸點(diǎn)開始分離，使得在其之間形成電弧。時(shí)間t2例如可以在自檢測到故障經(jīng)過保護(hù)時(shí)間tp時(shí)出現(xiàn)，使得tfti+tp。持續(xù)時(shí)間Tp例如可以是2ms。在另一個(gè)實(shí)施例中，Tp基本上是零,使得一檢測到故障電流(其需要脫扣)就進(jìn)行機(jī)械中斷器的脫扣?？刂茊卧?2進(jìn)一步以接 近于LC電路6的本征頻率的頻率觸發(fā)正向傳導(dǎo)半導(dǎo)體器件3的開關(guān)，使得電容8將由通過中斷器2的故障電流充電。故障電流然后將以增加的幅度振蕩，如在圖3中示出的，該振蕩由正向傳導(dǎo)半導(dǎo)體器件3的開關(guān)引起，并且跨電容8的電壓將由發(fā)送到正向半導(dǎo)體器件3的每個(gè)啟動(dòng)脈沖而增加直到通過中斷器2的故障電流達(dá)到電流零O。在由圖3和4圖示的情形下，正向傳導(dǎo)半導(dǎo)體器件3的開關(guān)在與機(jī)械中斷器2的脫扣相同的時(shí)間發(fā)起?？梢杂欣剡M(jìn)行正向傳導(dǎo)半導(dǎo)體器件3的開關(guān)使得在電流改變方向時(shí)的時(shí)間點(diǎn)達(dá)到零交叉使得電流導(dǎo)數(shù)是零。在電流的振蕩部分的幅度接近但略高于DC故障電流時(shí)，SP當(dāng)總電流的小電流環(huán)是小的時(shí)(小電流環(huán)是總故障電流的在與故障電流的DC部分相反的方向上流動(dòng)的部分)也獲得對于電流中斷有利的電流導(dǎo)數(shù)?？梢杂糜谙薅娏鲗?dǎo)數(shù)何時(shí)有利的判據(jù)的示例是小電流環(huán)小于電流的振蕩分量的總幅度的近似5-10%。表達(dá)這樣的判據(jù)的另一個(gè)方式是通過中斷器2的電流的振蕩部分的大小應(yīng)該大于該電流的DC部分的大小，但僅相差小的量，例如相差大約10-20%。通過在最大電流大小(絕對值)提供電流零交叉，促進(jìn)通過中斷器的電流的正確中斷。一旦通過機(jī)械中斷器2的電流被中斷，中斷器2將經(jīng)受上升恢復(fù)電壓，其將受到與LC電路6并聯(lián)連接的另外的放電器9的限制。用于提供反饋的測量裝置14和15的存在(然而該存在不是必需的)使得適應(yīng)性修改正向傳導(dǎo)半導(dǎo)體器件3的開關(guān)以采用最有利方式(在零或低電流導(dǎo)數(shù)處，如在上文描述的)并且在期望的瞬間達(dá)到通過中斷器的故障電流的零交叉是可能的。這在圖3和4中示出的實(shí)施例中在中斷器脫扣后的大約5. 6秒發(fā)生。在不存在這樣的測量裝置的實(shí)施例中，可采用預(yù)定開關(guān)頻率。在圖I和2a-2c中，已經(jīng)示出電流測量裝置14設(shè)置成測量通過正向傳導(dǎo)半導(dǎo)體器件3的電流，從而提供通過中斷器的電流的測量。備選地，電流測量裝置14可以設(shè)置成通過測量正向傳導(dǎo)半導(dǎo)體器件3與反并聯(lián)二極管4/反并聯(lián)半導(dǎo)體器件3的共同電流而獲得通過中斷器的電流的測量。在另一個(gè)實(shí)現(xiàn)中，電流測量裝置14可以設(shè)置在LC電路6中，憑借此可獲得通過機(jī)械中斷器2的電流的振蕩分量。然后可以從故障電流檢測器11獲得通過機(jī)械中斷器2的電流的DC分量。盡管在圖3和4中示出正向傳導(dǎo)半導(dǎo)體器件3的開關(guān)在與機(jī)械中斷器2脫扣相同的時(shí)間開始，機(jī)械中斷器2的脫扣可相對于正向傳導(dǎo)半導(dǎo)體器件3的開關(guān)的開始延遲預(yù)定時(shí)段。正向傳導(dǎo)半導(dǎo)體器件3的開關(guān)的觸發(fā)與機(jī)械中斷器2的脫扣之間的確定時(shí)期便于萬一在該確定時(shí)期內(nèi)控制單元12接收到關(guān)于故障消失的信息則制止斷開機(jī)械中斷器2。時(shí)常地，斷開機(jī)械中斷器2所花費(fèi)的時(shí)間是期望快速開斷操作時(shí)的限制因素，在該情況下中斷器2的斷開可以有利地在與發(fā)起開關(guān)相同的時(shí)間發(fā)起。中斷器2的觸點(diǎn)分離不必在與出現(xiàn)電流的第一零交叉相同的時(shí)間達(dá)到，而可以在出現(xiàn)第一零交叉之前或之后達(dá)到，只要觸點(diǎn)將在電流的零交叉出現(xiàn)時(shí)分離即可。影響中斷器過程的參數(shù)包括放電器5的保護(hù)電壓水平，更高的這樣的水平意指將更迅速地對電容充電。此外,更高的LC電路6的電感和電容值將導(dǎo)致更低的LC電路的本征頻率和更低的適合的半導(dǎo)體器件3的開關(guān)頻率。應(yīng)該選擇L和C的值用于獲得要由機(jī)械中斷器2管理的例如關(guān)于跨中斷器2的恢復(fù)電壓的中斷情形。還必須考慮半導(dǎo)體器件3可操作的頻率，并且半導(dǎo)體器件3還必須能夠在所述開關(guān)中被關(guān)斷時(shí)開斷通過其的電流。圖5是圖示在其中開關(guān)頻率可以根據(jù)涉及設(shè)置10的操作的至少一個(gè)參數(shù)的測量而調(diào)整的實(shí)施例中萬一檢測到故障電流則在控制單元12中進(jìn)行用于控制半導(dǎo)體開關(guān)3和機(jī)械中斷器2的操作的方法的示例的流程圖。在步驟500，故障指示由控制單元12典型地從故障電流檢測器11接收。正向傳導(dǎo)半導(dǎo)體3的開關(guān)然后在步驟505發(fā)起，其中以預(yù)定頻率fo (其典型地設(shè)置在LC電路6的本征頻率或附近，如在上文描述的)進(jìn)行開關(guān)。中斷器 2的斷開在與開關(guān)發(fā)起相同的時(shí)間或在不同的時(shí)間點(diǎn)(如期望的話)也在步驟505發(fā)起。在步驟510，控制單元12從電流測量裝置14接收通過中斷器2的電流Ii的測量結(jié)果。在步驟515，檢查Ii的振蕩部分I·的大小是否小于Ii的DC部分ID。的大小。如果這樣的話，這指示振蕩部分的大小將必須增加以出現(xiàn)任何電流零交叉。然后進(jìn)入步驟530，其中檢查開關(guān)頻率f是否小于fo。如果這樣的話，進(jìn)入步驟535，其中開關(guān)頻率f增加。然后進(jìn)入步驟510用于持續(xù)監(jiān)測通過中斷器2的電流Ip如果在步驟520發(fā)現(xiàn)f=^，則在步驟520后直接重新進(jìn)入步驟510。另一方面，如果在步驟515發(fā)現(xiàn)Idc的大小不超出Irec的大小，進(jìn)入步驟530。在步驟530，大小與Idc大小的比率與例如可以設(shè)置在110-120%的范圍內(nèi)的預(yù)定最大比率M比較。如果發(fā)現(xiàn)該比率超出最大比率M，則進(jìn)入步驟535，其中f減小。例如可以根據(jù)Iqsc與Idc的比率確定該較小。然后重新進(jìn)入步驟510。如果在步驟530發(fā)現(xiàn)比率未超出M，則直接進(jìn)入步驟510。根據(jù)上文，按照圖5的方法可以確保中斷器2中的電流零交叉將在電流導(dǎo)數(shù)是小的點(diǎn)處出現(xiàn)。在圖5中示出的方法僅是示例，并且可預(yù)想備選實(shí)現(xiàn)。例如，除電流Ii的測量外或代替電流Ii的測量，可以在確定是否以及如何適應(yīng)性修改開關(guān)頻率方面考慮跨電容器8的電壓的測量；可以允許高于初始頻率&的開關(guān)頻率，等。控制單元12可以實(shí)現(xiàn)為適合的硬件和軟件的組合。例如，控制單元12可以包括一個(gè)或多個(gè)處理器和存儲(chǔ)器，其存儲(chǔ)用于進(jìn)行在圖5中示出的方法的軟件，該處理器設(shè)置成在該處理器上執(zhí)行軟件時(shí)實(shí)施圖5的方法。例如可以以計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的形式提供軟件，至少部分通過例如因特網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)或在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上提供該計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。本發(fā)明當(dāng)然不以任何方式受限于上文描述的實(shí)施例，但對其的修改的許多可能性對于本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員將是明顯的而不偏離如在附上的權(quán)利要求中限定的本發(fā)明的范圍。使幾個(gè)中斷器級聯(lián)以便獲得更高電壓，即將包括圖I中示出的元件2-9和13-15的多個(gè)模塊串聯(lián)連接，這將是可能的。
權(quán)利要求
1.一種能夠中斷在高壓DC導(dǎo)體(I)中出現(xiàn)的故障電流的DC斷路器設(shè)備(100)，所述設(shè)備包括 至少一個(gè)機(jī)械中斷器(2)，其配置成與所述DC導(dǎo)體串聯(lián)連接，以及 設(shè)置(10)，其配置成當(dāng)在所述導(dǎo)體中出現(xiàn)故障電流時(shí)獲得通過所述中斷器的電流的零交叉， 控制單元(12)，其配置成控制所述設(shè)置和機(jī)械中斷器， 其中所述設(shè)置包括 至少一個(gè)關(guān)斷型半導(dǎo)體器件(3 ;3a，3b)，其與所述機(jī)械中斷器(2)串聯(lián)連接， 放電器(5)，其與所述半導(dǎo)體器件并聯(lián)連接用于限定跨所述器件的最大電壓，以及 LC電路(6)，其采用電感(7)和電容(8)的串聯(lián)連接的形式，其與所述至少一個(gè)半導(dǎo)體器件(3 ;3a，3b)和所述機(jī)械中斷器(2)的串聯(lián)連接并聯(lián)連接， 并且其中 所述控制單元(12)配置成在檢測到故障電流時(shí)用于 以適應(yīng)于所述電感(7)和電容(8)的值的頻率控制所述至少一個(gè)半導(dǎo)體器件(3 ;3a，3b)中的至少一個(gè)的開關(guān)，以便由故障電流對所述電容充電同時(shí)使通過所述機(jī)械中斷器(2)的電流以增加的幅度振蕩，以及 控制所述機(jī)械中斷器的脫扣使得其機(jī)械觸點(diǎn)在達(dá)到電流零交叉時(shí)將分離，使得獲得通過所述機(jī)械中斷器的故障電流的中斷。
2.如權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中 所述設(shè)置包括與所述半導(dǎo)體器件反并聯(lián)連接的整流二極管(4)。
3.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中 所述設(shè)置包括傳導(dǎo)方向相反的兩個(gè)半導(dǎo)體器件(3a，3b)的串聯(lián)連接以及傳導(dǎo)方向相反的兩個(gè)整流二極管(4a，4b)的串聯(lián)連接，其中所述半導(dǎo)體器件和整流二極管連接使得每個(gè)半導(dǎo)體器件與整流二極管反并聯(lián)連接。
4.如權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中 所述設(shè)置包括反并聯(lián)連接的相反電流方向的兩個(gè)半導(dǎo)體器件(3a，3b)，半導(dǎo)體器件的所述反并聯(lián)連接與所述放電器(5)并聯(lián)連接。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中 所述控制單元配置成以所述LC電路(6)的本征頻率的90%-110%的頻率實(shí)施半導(dǎo)體器件(3)的所述開關(guān)。
6.如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括至少一個(gè)測量裝置(14，15)，所述至少一個(gè)測量裝置(14，15)配置成在出現(xiàn)所述故障時(shí)測量涉及所述設(shè)置(10)的操作的至少一個(gè)參數(shù)并且將測量結(jié)果發(fā)送到所述控制單元，并且其中 所述控制單元配置成響應(yīng)于所述測量結(jié)果適應(yīng)性地修改所述開關(guān)。
7.如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中 所述測量裝置(14)配置成測量通過所述半導(dǎo)體器件(3)的電流。
8.如權(quán)利要求6或7所述的設(shè)備，其中所述測量裝置(15)配置成測量跨所述電容(8)的電壓。
9.如權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中所述控制單元(12)配置成將所述中斷器(2)的機(jī)械觸點(diǎn)的分離的發(fā)起相對于所述半導(dǎo)體器件(3)的開關(guān)的開始延遲確定時(shí)段以便萬一在該時(shí)段內(nèi)所述控制單元接收關(guān)于所述故障消失的信息則可能制止斷開所述中斷器。
10.如權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括與所述LC電路(6)并聯(lián)連接的另外的放電器(9)。
11.如權(quán)利要求ι- ο中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中 所述控制單元(12)配置成用IOOHz-IOkHz或500Hz-5kHz的頻率實(shí)施半導(dǎo)體器件的所述開關(guān)。
12.如權(quán)利要求1-11中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中 所述電感(7)具有O. ImH-IOmH的值。
13.如權(quán)利要求1-12中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中所述電容(8)具有IOnF-IOOyF或O. 5yF-5yF 的值。
14.如權(quán)利要求1-13中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中 與所述半導(dǎo)體器件(3)并聯(lián)連接的所述放電器(5)的保護(hù)水平小于對所述高壓DC導(dǎo)體(I)規(guī)定的相對于地的電壓水平的50%或小于其的10%。
15.如權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括配置成檢測導(dǎo)體中故障電流的出現(xiàn)的故障電流檢測器(11)，所述設(shè)備在所述導(dǎo)體中連接。
16.一種包括如權(quán)利要求1-15中任一項(xiàng)所述的設(shè)備的AC/DC轉(zhuǎn)換器站，其中所述DC斷路器設(shè)備連接到所述AC/DC轉(zhuǎn)換器站中的所述高壓DC導(dǎo)體(I )。
17.—種包括如權(quán)利要求1-16中任一項(xiàng)所述的設(shè)備的DC電網(wǎng)，其中所述設(shè)備配置成保護(hù)所述DC電網(wǎng)的裝備。
18.—種控制DC斷路器設(shè)備用于中斷在高壓DC導(dǎo)體中出現(xiàn)的故障電流的方法，所述DC斷路器設(shè)備包括機(jī)械中斷器(2)和設(shè)置(10)，所述設(shè)置(10)配置成當(dāng)在所述DC導(dǎo)體中出現(xiàn)故障電流時(shí)獲得通過所述中斷器的電流的零交叉，所述設(shè)置包括至少一個(gè)關(guān)斷型半導(dǎo)體器件(3 ;3a，3b)和采用電感(7)和電容(8)的串聯(lián)連接(6)形式的LC電路(6)，其中所述方法包括 以適應(yīng)于所述電感和電容的值的第一頻率發(fā)起(505 )所述關(guān)斷型半導(dǎo)體器件的開關(guān)； 發(fā)起(505)所述機(jī)械中斷器的斷開； 接收(505)涉及通過所述機(jī)械中斷器的電流的大小的至少一個(gè)參數(shù)的測量； 檢查(515，530)所述電流的振蕩部分與所述電流的DC部分的比率是否大于I但小于預(yù)定值；并且如果否， 調(diào)整(535，525)所述半導(dǎo)體器件的開關(guān)頻率。
全文摘要
配置成中斷在高壓DC導(dǎo)體(1)中出現(xiàn)的故障電流的高壓DC斷路器設(shè)備包括機(jī)械中斷器(2)，與該中斷器串聯(lián)連接的至少一個(gè)半導(dǎo)體器件(3)，與該半導(dǎo)體器件并聯(lián)連接的放電器(5)以及與該半導(dǎo)體器件和該中斷器的串聯(lián)連接并聯(lián)連接的LC電路(6)。控制單元(12)配置成在檢測到故障電流時(shí)以適應(yīng)于LC電路的電感(7)和電容(8)的值的頻率控制所述半導(dǎo)體器件(3)的開關(guān)用于由故障電流對所述電容充電同時(shí)使通過中斷器(2)的電流以增加的幅度振蕩，并且控制中斷器斷開用于使其機(jī)械觸點(diǎn)在達(dá)到電流零交叉時(shí)分離，用于獲得通過中斷器的故障電流的中斷。
文檔編號(hào)H01H33/59GK102971819SQ201180034238
公開日2013年3月13日 申請日期2011年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月11日
發(fā)明者P·斯卡比 申請人:Abb 技術(shù)有限公司