本發(fā)明涉及用于在短路或故障情況下保護(hù)高壓直流(hvdc)系統(tǒng)的方法和設(shè)備。具體地，本發(fā)明涉及hvdc斷路器的設(shè)計(jì)和組裝。

背景技術(shù)：

高壓直流(hvdc)電力系統(tǒng)能夠提供高壓交流(hvac)電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)和有效的替代方式，特別是在遠(yuǎn)距離(>50km)傳輸電力時(shí)，hvdc通常具有較低的損耗，并且能提供提高的傳輸容量。

hvdc系統(tǒng)也可以用于促進(jìn)在異步網(wǎng)絡(luò)和在不同的ac頻率操作的網(wǎng)絡(luò)之間電力的傳遞和/或幫助穩(wěn)定ac網(wǎng)絡(luò)。

一個(gè)特定的感興趣的領(lǐng)域是使用hvdc系統(tǒng)從遠(yuǎn)程可再生能源諸如從離岸風(fēng)電或水電場(chǎng)向大陸傳輸電力。

相比ac使用dc系統(tǒng)的一個(gè)挑戰(zhàn)是在電涌或故障情況下中斷電流。在ac系統(tǒng)中，電流每半個(gè)周期經(jīng)過零，因此機(jī)械斷路器可以在電流零或接近電流零操作以避免當(dāng)斷路器斷開時(shí)的任何顯著的電弧。然而，在dc系統(tǒng)中，不存在電流的這種中斷。能夠有效地中斷dc電流的機(jī)械斷路器是已知的，不過他們對(duì)于現(xiàn)代電力系統(tǒng)太慢，要花幾十毫秒的時(shí)間。使用半導(dǎo)體開關(guān)的斷路器能夠克服此問題，不過，半導(dǎo)體開關(guān)會(huì)有高的導(dǎo)通損耗，與半導(dǎo)體斷路器有關(guān)的損耗可以高達(dá)電壓源換流站的損耗的30％。

解決這些問題的一種形式的hvdc斷路器稱作“混合”斷路器，例如具有如wo2012/100831或wo2013/071980中描述的結(jié)構(gòu)?；旌蠑嗦菲鹘M合機(jī)械和半導(dǎo)體部件以提供適合現(xiàn)代hvdc系統(tǒng)的需求的快速、高效的斷路器。圖1所示為混合斷路器的原理圖。圖1中所示的混合斷路器100，其分成并聯(lián)連接的兩個(gè)電流路徑，由主支路104和輔助支路102組成。輔助支路102包括多個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)，諸如串聯(lián)連接的絕緣柵雙極型晶體管(igbt)106。電涌捕獲器108與igbt106并聯(lián)連接。主支路104包含機(jī)械斷路器110和換向開關(guān)，換向開關(guān)可以包括一個(gè)或多個(gè)igbt112。如在下文更詳細(xì)地描述的，輔助支路102包括足夠數(shù)目的igbt，以在故障情況下中斷電路，因此實(shí)際上可能有幾十或者甚至上百個(gè)串聯(lián)的開關(guān)。為了簡(jiǎn)潔，圖1只示出幾個(gè)開關(guān)元件。換向開關(guān)112實(shí)際上包括明顯更少的igbt。

在正常操作中，主支路的機(jī)械斷路器110和換向開關(guān)112都閉合，即導(dǎo)通。在正常操作期間，輔助支路的半導(dǎo)體開關(guān)106通常是斷開的，即非導(dǎo)通的(但在一些應(yīng)用中，在正常操作期間，半導(dǎo)體開關(guān)也可能閉合)。在正常操作中，電流流過主支路104。在故障情況下，輔助支路的半導(dǎo)體開關(guān)106閉合，換向開關(guān)112斷開，因此將電流從主支路轉(zhuǎn)移到輔助支路102，允許主支路的機(jī)械斷路器110斷開，無顯著的電流從其通過。一旦機(jī)械斷路器斷開，然后輔助支路的igbt106斷開以中斷電路。因此，要認(rèn)識(shí)到在正常操作中的電流路徑是經(jīng)由主支路的機(jī)械斷路器110和換向開關(guān)的相對(duì)少數(shù)的igbt。與此路徑關(guān)聯(lián)的功率損耗因此相對(duì)較低。因此，在正常操作期間與機(jī)械斷路器關(guān)聯(lián)的低功率損耗與igbt開關(guān)組的速度和穩(wěn)定性組合，產(chǎn)生快速、高效的hvdc斷路器。

使用中，hvdc斷路器會(huì)被安裝在dc電網(wǎng)中的適當(dāng)點(diǎn)，例如關(guān)聯(lián)的hvdc轉(zhuǎn)換器或hvdc變電站內(nèi)。常規(guī)上，為了提供電磁干擾(emi)屏蔽，并且為了提供適當(dāng)安全和干凈的環(huán)境，整個(gè)dc斷路器會(huì)被組裝并安裝在基本上密封和屏蔽的結(jié)構(gòu)內(nèi)。不過，這的確需要專門建造的結(jié)構(gòu)，其必然相當(dāng)大以具有必需的電氣間隙容置斷路器。這可能增加dc斷路器的費(fèi)用，對(duì)大結(jié)構(gòu)的需求在一些應(yīng)用中可能是有問題的，諸如離岸安裝。本發(fā)明的實(shí)施例因此涉及緩解上述的問題中的至少一些的dc斷路器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，提供了一種適合用在高壓dc電路中的dc斷路器模塊，包括：包圍在導(dǎo)電外殼內(nèi)的至少第一斷路器電路；所述外殼被配置成使得在使用中，所述第一斷路器電路能夠在電氣路徑中與所述導(dǎo)電外殼外部的電路連接。所述導(dǎo)電外殼還被配置成連接至所述電氣路徑的節(jié)點(diǎn)，使得在使用中，所述導(dǎo)電外殼處于與電路路徑的節(jié)點(diǎn)相同的電壓電位。

本發(fā)明的實(shí)施例因此涉及一種模塊化的hvdc斷路器系統(tǒng)，其允許以一系列獨(dú)立的模塊建造、運(yùn)輸和安裝hvdc斷路器，不需要為容置斷路器專門建造的建筑。單獨(dú)的模塊的使用有利于簡(jiǎn)便的運(yùn)輸和組裝，如下文將描述的，每個(gè)模塊是自包含的，在使用中可能不需要另外的專門的容器，因此避免了大的專用結(jié)構(gòu)的需要。

本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到dc轉(zhuǎn)換器通常安裝在通常稱作閥廳的專門建造的建筑中，以便抑制由變換器產(chǎn)生的電磁干擾(emi)，提供干凈的環(huán)境，目的是防止由于由高的dc電壓引起的靜電沉淀(electrostaticprecipitation)造成的過量灰塵積累。如上文提到的，常規(guī)的方法是dc斷路器應(yīng)當(dāng)位于相似的結(jié)構(gòu)中。

本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這些因素對(duì)于dc斷路器遠(yuǎn)不及對(duì)dc變換器那么相關(guān)。這是因?yàn)樵谡２僮髌陂g(即當(dāng)斷路器閉合時(shí))，在hvdc斷路器的外殼中沒有任何裝置會(huì)產(chǎn)生emi，即便是在斷路器斷開時(shí)，emi只是暫時(shí)產(chǎn)生的。

關(guān)于灰塵的積累，已經(jīng)認(rèn)識(shí)到通過在導(dǎo)電外殼例如金屬外殼中設(shè)置dc斷路器電路，可以顯著降低靜電沉淀，其中，外殼電連接至斷路器電路的適當(dāng)節(jié)點(diǎn)，因此使用中在hvdc線電位操作時(shí)，使得在正常操作期間(斷路器閉合)，導(dǎo)電的例如金屬外殼處于與斷路器相同的電壓電位。導(dǎo)電外殼可以被配置成連接至第一斷路器電路的輸入節(jié)點(diǎn)或第一斷路器電路的輸出節(jié)點(diǎn)。

斷路器處于與外殼相同的電位的結(jié)果是斷路器包含于局部dc電場(chǎng)很低的環(huán)境中，因此，在斷路器閉合時(shí)，不存在灰塵通過靜電沉淀在dc斷路器設(shè)備上積累的機(jī)構(gòu)。此外，確保在閉合時(shí)外殼處于與斷路器相同的電壓電位能夠降低對(duì)斷路器電路的有源帶電元件和外殼之間的電氣間隙(electricalclearance)的需求，即間隔距離。在正常使用中(當(dāng)斷路器電路閉合)，外殼因此基本上處于與斷路器電路的元件相同的電位，因此對(duì)電氣間隙的需求是最小的。

斷路器電路的元件和外殼之間所需的電氣間隙因此由與在故障條件操作的斷路器電路關(guān)聯(lián)的電壓確定。

在故障情況下，斷路器電路會(huì)如上文描述的操作。一旦斷路器完全斷開，故障清除，則在斷路器電路的輸入和輸出節(jié)點(diǎn)之間有電壓差，其可能高達(dá)斷路器電路的標(biāo)稱額定電壓(nominalratedvoltage)。不過，如本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)理解的，當(dāng)斷路器斷開時(shí)(即在故障清除過程中的幾毫秒)經(jīng)歷的電壓，稱作暫態(tài)中斷電壓(tiv)可能比此標(biāo)稱電壓高大約50％。當(dāng)導(dǎo)電外殼保持與斷路器電路的一部分相同的電位時(shí)，外殼和斷路器電路之間的最大預(yù)期電壓差因此會(huì)等于斷路器電路的tiv。因此，是tiv決定外殼和斷路器電路之間所需的電氣間隙，這將在下文更詳細(xì)地討論。通過將dc斷路器分成一系列個(gè)別的模塊，每個(gè)模塊具有在導(dǎo)電外殼中的斷路器電路，在使用中，導(dǎo)電外殼被保持在與斷路器電路的節(jié)點(diǎn)相同的電壓電位，每個(gè)模塊的感興趣的電壓相對(duì)較低，因此每個(gè)個(gè)別的模塊的電氣間隙能夠相對(duì)較低。

在一些實(shí)施例中，單獨(dú)的隔離開關(guān)可以與斷路器串聯(lián)設(shè)置。隔離開關(guān)是本領(lǐng)域已知的，通?？梢耘c斷路器串聯(lián)設(shè)置，以便一旦斷路器已經(jīng)斷開，提供網(wǎng)絡(luò)的更永久的斷開。如果在任何時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)，斷路器要保持?jǐn)嚅_，則隔離開關(guān)可以被斷開，這可能平衡斷路器電路和導(dǎo)電外殼上的電壓。隔離開關(guān)的使用限制模塊內(nèi)所需的絕緣支撐的數(shù)量，原因是只需要在斷路器內(nèi)dc斷路器設(shè)備的絕緣支撐在短的時(shí)間段內(nèi)承受導(dǎo)電外殼和斷路器電路之間的任何電壓差，例如其在斷路器斷開和故障清除期間必須承受tiv，但這可能花費(fèi)毫秒量級(jí)的時(shí)間。在tiv之后，會(huì)有高達(dá)斷路器電路的標(biāo)稱電壓的電壓差，但隔離開關(guān)的使用可以確保在斷路器被斷開和隔離開關(guān)被斷開之間只有短的時(shí)間段(比如幾秒或幾分鐘)。

在適合斷開通常在hvdc系統(tǒng)中出現(xiàn)的標(biāo)稱電壓的斷路器的情況下，將全部的斷路器電路容置在單個(gè)導(dǎo)電外殼中，例如單個(gè)金屬外殼中，會(huì)需要大的導(dǎo)電外殼，這對(duì)于至少一些應(yīng)用是不現(xiàn)實(shí)的。這是因?yàn)樵谕ǔ?20kvdc系統(tǒng)的情況下，需要的電氣間隙可能導(dǎo)致不現(xiàn)實(shí)的大的金屬外殼。

因此，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，例如諸如圖1中圖示的，hvdc斷路器被分成串聯(lián)連接在一起的多個(gè)較小的模塊。每個(gè)模塊包含容置在導(dǎo)電外殼中的斷路器電路。每個(gè)斷路器模塊能夠憑借其自身充當(dāng)斷路器，額定電壓低于hvdc系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓。然后可以通過將許多個(gè)模塊串聯(lián)電連接在一起，建立具有適合hvdc系統(tǒng)的額定電壓的斷路器。設(shè)想了可以構(gòu)建一系列尺寸的模塊，不過，對(duì)于一些模塊的適當(dāng)尺寸可以是83kv和167kv。結(jié)果，分別由兩個(gè)或三個(gè)167kv模塊串聯(lián)連接可以容易地創(chuàng)建常用的320kv和500kv的hvdc電壓。通過使用83kv和167kv模塊的混合，也可以實(shí)現(xiàn)150kv、250kv和400kv的中間電壓。

通過此以方式拆分?jǐn)嗦菲?，?dāng)斷路器處于斷開位置時(shí)，每個(gè)斷路器電路和其關(guān)聯(lián)的外殼之間所需的電氣間隙相對(duì)較小。對(duì)于83kv或167kv斷路器模塊，各自的tiv會(huì)是125kv和250kv。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)理解，此尺寸的tiv所需的電氣間隙對(duì)于斷路器模塊是足夠低的，以適應(yīng)可以是標(biāo)準(zhǔn)尺寸的運(yùn)輸容器。

dc斷路器模塊因此可以容置在符合iso標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)輸容器的尺寸的結(jié)構(gòu)中。例如，可以在運(yùn)輸容器內(nèi)或者由運(yùn)輸容器形成導(dǎo)電外殼。導(dǎo)電外殼的至少一個(gè)壁可以形成運(yùn)輸容器的至少一部分。

在一些實(shí)施例中，dc斷路器模塊還可以包括在導(dǎo)電外殼內(nèi)的第二斷路器電路，第一和第二斷路器電路串聯(lián)連接。所述導(dǎo)電外殼可以被配置成使得在使用中，所述第二斷路器電路能夠在所述電氣路徑中與所述第一斷路器電路連接。在這些實(shí)施例中，所述導(dǎo)電外殼可以被配置成在所述第一和第二斷路器電路之間的連接點(diǎn)連接至節(jié)點(diǎn)。

每個(gè)dc斷路器模塊因此可以有效地包括安裝所需的部件，作為對(duì)于其額定電壓的完整的斷路器電路，例如混合斷路器的主支路和輔助支路的適當(dāng)額定值的部件，通過串聯(lián)連接這些模塊可以形成較高額定值的斷路器。不過，如果需要可以在多個(gè)外殼之間拆分?jǐn)嗦菲麟娐返牟考?。例如，主支路的部件可以位于一個(gè)外殼中，輔助支路的部件在另一外殼中。

所述導(dǎo)電外殼可以包括用于連接電襯套的至少一個(gè)連接部位，諸如孔以允許所述第一斷路器電路在所述電氣路徑中與所述金屬外殼外部的電路通過所述金屬外殼的壁電連接。

所述模塊還可以包括至少一個(gè)絕緣支撐構(gòu)件，所述至少一個(gè)絕緣支撐構(gòu)件用于在使用中將所述斷路器電路支撐在所述導(dǎo)電外殼內(nèi)。在一些實(shí)施例中，所述斷路器電路和/或?qū)щ娡鈿た梢园ㄒ粋€(gè)或多個(gè)安裝部位，所述一個(gè)或多個(gè)安裝部位用于安裝至少一個(gè)可移動(dòng)支柱構(gòu)件，以便在不使用時(shí)例如在運(yùn)輸期間支撐所述斷路器電路。

使用中，均壓環(huán)(coronaring)可以適配到所述金屬外殼的外部。

所述第一斷路器電路可以包括混合斷路器電路，所述混合斷路器電路包括主路徑和輔助路徑，其中，所述輔助路徑包括串聯(lián)連接的多個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)，所述主路徑包括串聯(lián)連接的一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)和機(jī)械斷路器。所述模塊可以包括在所述導(dǎo)電外殼的外部上的至少一個(gè)安裝點(diǎn)，用于在所述斷路器電路的外部與所述輔助路徑的多個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)并聯(lián)地安裝一個(gè)或多個(gè)電涌捕獲器(surgearrester)。當(dāng)然，要認(rèn)識(shí)到還可以使用其它形式的斷路器電路，例如完全固態(tài)(fullysolid-state)的斷路器，混合斷路器的替代性布置或任何類型的機(jī)械斷路器。本發(fā)明的原理通常適用于使用可以被實(shí)現(xiàn)或開發(fā)的任何適當(dāng)類型的斷路器電路。

本發(fā)明的各方面還涉及一種適合用在高壓dc系統(tǒng)中的dc斷路器，所述dc斷路器包括如上文描述的多個(gè)dc斷路器模塊，其中，所述多個(gè)dc斷路器模塊串聯(lián)連接。

在另一方面，提供了一種形成dc斷路器的方法。所述方法可以包括：取得多個(gè)dc斷路器模塊，每個(gè)dc斷路器模塊包括在導(dǎo)電外殼中的dc斷路器電路；將所述dc斷路器模塊的dc斷路器電路串聯(lián)連接；以及將dc斷路器模塊的每個(gè)導(dǎo)電外殼連接至相應(yīng)的dc斷路器電路的節(jié)點(diǎn)。

提出的方案具有許多優(yōu)點(diǎn)，主要是可掌控大小的自包含模塊的使用消除了建造專用廳容納斷路器的必要，因此節(jié)約了相當(dāng)大的成本。而且，可以在運(yùn)輸之前在出廠設(shè)置測(cè)試每個(gè)組裝好的模塊，在運(yùn)輸期間有最小的干擾，并在現(xiàn)場(chǎng)安裝。這與傳統(tǒng)的安裝形成對(duì)比，在傳統(tǒng)安裝中，斷路器必須在測(cè)試之前在現(xiàn)場(chǎng)組裝。而且，本發(fā)明提供了在標(biāo)準(zhǔn)化dc斷路器設(shè)備方面的優(yōu)點(diǎn)，原因是可以生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)尺寸的模塊，并且在一系列電路規(guī)模和應(yīng)用中以最小的改動(dòng)使用。不過，要認(rèn)識(shí)到對(duì)于一些應(yīng)用，也可以為特定的外殼制造模塊，每個(gè)模塊根據(jù)特定的安裝確定尺寸。如上文提到的，設(shè)想了一些模塊將被制成適合尺寸與運(yùn)輸容器一致的容器的大小，因此有利于簡(jiǎn)便的運(yùn)輸。

附圖說明

參照附圖，現(xiàn)在只通過示例描述本發(fā)明，附圖中：

圖1所示為hvdc斷路器電路的現(xiàn)有技術(shù)的示例。

圖2a所示為本發(fā)明的實(shí)施例中說明的單個(gè)斷路器模塊。

圖2b所示為本發(fā)明的實(shí)施例中說明的雙斷路器模塊。

圖3所示為包括串聯(lián)連接的兩個(gè)167kv斷路器模塊的320kv斷路器的示例。

具體實(shí)施方式

圖2a示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其說明了一斷路器模塊200，斷路器模塊200包括導(dǎo)電外殼202，導(dǎo)電外殼202包圍大致指示為100的斷路器電路。

在圖2a所示的實(shí)施例中，斷路器電路可以是混合斷路器電路，即斷路器電路可以是圖1中圖示的形式，在斷路器電路100內(nèi)有主路徑和輔助路徑。斷路器電路100因此可以被視作一個(gè)完整的dc斷路器，但需要比全hvdc系統(tǒng)相對(duì)較低的額定電壓。例如，斷路器電路100可以具有量級(jí)大約為83kv的額定電壓，比如在60kv-100kv的范圍內(nèi)。不過，當(dāng)然要認(rèn)識(shí)到斷路器電路可以額定為其它標(biāo)稱電壓。在此意義上，術(shù)語(yǔ)“額定電壓”解讀為指在故障已經(jīng)清除之后斷路器電路100在其端子之間能夠承受的標(biāo)稱電壓。因此，83kv的額定電壓指在故障清除之后并作為斷路器以此電壓操作時(shí)，斷路器電路適于承受83kv的標(biāo)稱電壓。在混合斷路器的情況下，83kv的額定電壓意味著斷路器電路100在輔助路徑中包含足夠多的igbt106以安全地中斷83kv標(biāo)稱系統(tǒng)上的dc故障電流。如下文將解釋的，因此通過將適當(dāng)數(shù)目的斷路器模塊串聯(lián)連接在一起可以形成全額定dc斷路器。

在此示例中，導(dǎo)電外殼202是金屬外殼，其被配置成經(jīng)由電連接204連接至斷路器電路100的節(jié)點(diǎn)，使得在使用中，金屬外殼202處于與斷路器電路100的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)相同的電壓電位。連接204可以連接至斷路器電路100的輸入節(jié)點(diǎn)114或輸出節(jié)點(diǎn)116。替代性地，連接204可以連接至處于與斷路器電路100關(guān)聯(lián)的電壓電位的另一節(jié)點(diǎn)。在所有情況下，連接204確保在正常使用中，金屬外殼202處于基本上與斷路器電路的相關(guān)節(jié)點(diǎn)相同的電位。斷路器電路100優(yōu)選完全由外殼202包圍，即外殼基本上包圍所有的面以提供對(duì)包圍的電路的環(huán)境保護(hù)——盡管在使用中，有至少一些電連接穿過外殼的壁，外殼可以配備有一個(gè)或多個(gè)門，以允許為了維修或調(diào)試的進(jìn)入。優(yōu)選地，外殼的導(dǎo)電材料被設(shè)置成使得斷路器電路基本上完全由導(dǎo)電材料圍繞，使得在使用中，斷路器電路由處于與斷路器相似的電位的材料圍繞。導(dǎo)電材料可以在外殼的至少一部分上是連續(xù)的，例如連續(xù)的金屬板或者在一些實(shí)施例中，外殼的至少一部分可由導(dǎo)電網(wǎng)狀物提供。

外殼202包括一個(gè)或多個(gè)穿墻襯套206，這允許連接208穿過導(dǎo)電外殼202，使得斷路器模塊能夠與外殼外部的電路在電氣路徑中連接，例如與至少一個(gè)其它斷路器模塊串聯(lián)。對(duì)于圖2a中所示的斷路器模塊，導(dǎo)電外殼本身可以經(jīng)由連接204附連到dc斷路器電路的一端，例如圖1中圖示的節(jié)點(diǎn)114。由于節(jié)點(diǎn)114連接至外殼，因此處于相同的電位，在此連接點(diǎn)不需要任何襯套。如圖2a中所示的，可能只需要單個(gè)襯套(用于建立與節(jié)點(diǎn)116的連接)。替代性地，可以使用兩個(gè)襯套將斷路器模塊200連接至外部電路，這些襯套可以設(shè)置在容器的任一端，或者在金屬外殼202上的某一位置?？梢酝ㄟ^襯套要在現(xiàn)場(chǎng)安裝的方式確定襯套206的定位的選擇，例如襯套206可以定位在容器的相對(duì)端，以便允許在并排設(shè)置的同時(shí)方便地連接一個(gè)或多個(gè)模塊。替代性地，第一襯套可以被定位成允許連接通過金屬外殼202的上壁進(jìn)行，第二襯套可以被定位成允許連接通過金屬外殼202的底板進(jìn)行，以便使得模塊能夠在使用時(shí)堆疊。

盡管一個(gè)或多個(gè)襯套206可以在出廠設(shè)置中適配到模塊200，特別是為了模塊的測(cè)試，為了防止損壞，襯套可以被拆掉以便運(yùn)輸，并且在現(xiàn)場(chǎng)重新附連。在這種情況下，在模塊的運(yùn)輸期間，可以由盲板(blankingplates)替代襯套206。

在替代性地實(shí)施例中，可以在金屬外殼202上提供多個(gè)可能的“襯套部位”，可以使用其中的每一個(gè)適配襯套，并提供斷路器模塊和外部電路之間的連接點(diǎn)208。提供多個(gè)襯套部位的目的是提供一系列可能的連接點(diǎn)208，使得模塊能夠在各種各樣的安裝布置中安裝。這意味著在模塊的制造地點(diǎn)不需要確定模塊的外部連接，而是可以在安裝地點(diǎn)確定這些連接，因此，斷路器模塊的設(shè)計(jì)可以變得高度標(biāo)準(zhǔn)化。在這種情況下，可以使用盲板密封在最終的斷路器布置中不使用的任何連接點(diǎn)。

在外殼內(nèi)，一個(gè)或多個(gè)絕緣支撐210將斷路器電路100支撐在外殼內(nèi)的限定位置。方便的是，絕緣支撐可以只包括從導(dǎo)電外殼202的底板提升斷路器電路的支撐。但在一些實(shí)施例中，可以另外或替代性地提供頂板或側(cè)壁的支撐。在一些實(shí)施例中，斷路器模塊可能能夠安裝在不同的方位，即取決于方位，外殼的特定壁可充當(dāng)?shù)装寤蛘叱洚?dāng)側(cè)壁。在其它實(shí)施例中，盡管斷路器模塊可以用限定的底板設(shè)置，但應(yīng)當(dāng)關(guān)于限定的“向上方向”安裝。在任何情況下，絕緣支撐被設(shè)置成在斷路器電路和導(dǎo)電外殼202的壁之間以足夠大的電氣間隙支撐斷路器電路。

因此，絕緣支撐210支撐斷路器電路100足夠遠(yuǎn)離外殼的壁，使得在圍繞斷路器電路100的所有點(diǎn)，斷路器電路100和金屬外殼202之間的空隙至少與所需的電氣間隙一樣大，如在下文更詳細(xì)地描述的。換言之，本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，斷路器電路100設(shè)置在外殼內(nèi)，以滿足預(yù)定的最小電氣間隙。

不過，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，通過確保使根據(jù)本發(fā)明的模塊的斷路器電路具有相對(duì)適中的電壓額定值，比如說大約80kv的量級(jí)，并且導(dǎo)電外殼被設(shè)置成處于與斷路器電路的節(jié)點(diǎn)相同的電位，則所需的電氣間隙相對(duì)較低。因此，可以在為加工、運(yùn)輸和安裝方便的尺寸的外殼中安裝斷路器模塊。

可以基于斷路器的暫態(tài)中斷電壓(tiv)計(jì)算所需的電氣間隙，tiv通常定義為額定電壓的大約一點(diǎn)五(1.5)倍。如上文指出的，對(duì)于83kv或167kv的斷路器模塊，為125kv和250kv的相應(yīng)tiv相對(duì)較低，這意味著可以在不太大的金屬外殼中實(shí)現(xiàn)相關(guān)的間隙。具體地，導(dǎo)電外殼可以被設(shè)置成標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)輸容器的尺寸。

因此，在一些實(shí)施例中，導(dǎo)電的例如金屬外殼202因此可以具有與運(yùn)輸容器相當(dāng)或兼容的外部尺寸。在一些實(shí)施例中，外殼202可以包括運(yùn)輸容器。例如，導(dǎo)電外殼可包括金屬壁的運(yùn)輸容器。運(yùn)輸容器可以是標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)輸容器，例如具有單壁的金屬結(jié)構(gòu)和/或可包括由多個(gè)金屬層制成的容器，其中的至少一個(gè)在整個(gè)外殼上是充分導(dǎo)電的。然而，在一些實(shí)施例中，導(dǎo)電外殼202可以是容置于運(yùn)輸容器中的單獨(dú)的結(jié)構(gòu)。

運(yùn)輸容器可以是標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)輸容器，有時(shí)稱作聯(lián)合模式容器或iso容器。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到對(duì)于運(yùn)輸用的運(yùn)輸容器有列出標(biāo)準(zhǔn)化需求的各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。運(yùn)輸容器因此可以符合標(biāo)準(zhǔn)尺寸集合中的一個(gè)和/或符合用于運(yùn)輸/聯(lián)合模式容器的相關(guān)iso標(biāo)準(zhǔn)的至少一部分，諸如在iso3646中提到的尺寸。

本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，在一系列尺寸上，可用iso兼容的運(yùn)輸容器，然而，許多這類容器基于20英尺(6.1m)的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度，已知有單長(zhǎng)度或雙長(zhǎng)度(40英尺或12.9m)的容器。實(shí)際上，容器容量通常可以用teu表示(20英尺等效單位)。已知當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)高度為8英尺6英寸(2.59m)，不過，其它高度也是可行的，8英尺(2.44m)的寬度也是常見的，不過已知有其它寬度。

在一個(gè)實(shí)施例中，運(yùn)輸容器因此可以是單teu容器或雙teu容器，即20英尺長(zhǎng)或者40英尺長(zhǎng)(高度和寬度在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi))。

本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，通過使用導(dǎo)電外殼包圍斷路器電路，并通過將導(dǎo)電外殼連接至斷路器電路的節(jié)點(diǎn)，可以在標(biāo)準(zhǔn)大小的運(yùn)輸容器例如20英尺長(zhǎng)8英尺寬的運(yùn)輸容器中安裝額定為大約80kv量級(jí)的電壓的斷路器電路，并且可以在hvdc系統(tǒng)中的這種運(yùn)輸容器中安裝并安全地使用斷路器電路(只要其連接至足夠多的其它模塊，使得總的等效斷路器額定為dc系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓)?？梢栽跇?biāo)準(zhǔn)尺寸的運(yùn)輸容器中安裝用于hvdc即與電壓的量級(jí)比如300kv或更大的其它模塊串聯(lián)使用的斷路器模塊以適當(dāng)操作，即在此外殼內(nèi)裝配，這是特別令人驚訝的，代表本發(fā)明的一個(gè)新穎方面。本領(lǐng)域技術(shù)人員一般不會(huì)認(rèn)為運(yùn)輸容器的尺寸會(huì)安全地包圍hvdc部件，并提供足夠的電氣間隙或足夠的絕緣。

應(yīng)當(dāng)注意，運(yùn)輸容器通常有尖的拐角，這可能導(dǎo)致在容器連接在高電位的點(diǎn)的高電場(chǎng)。為了減少這種問題，在安裝期間，均壓環(huán)可以被增加到金屬外殼202的外部輪廓，以便磨光尖銳的邊緣。再一次，可以與斷路器模塊分開地運(yùn)輸均壓環(huán)，并在現(xiàn)場(chǎng)就地裝配。

如圖1中圖示的，斷路器電路100包括多個(gè)電涌捕獲器108。在一些實(shí)施例中，電涌捕獲器108容置在模塊200內(nèi)。不過，在一些實(shí)施例中，電涌捕獲器212可以安裝在金屬外殼202的頂板上，以便限制在放電或爆炸情況下對(duì)其它電路部件造成損壞的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)這些外部安裝的電涌捕獲器的電連接可以由襯套206的外部形成，或者替代性地，可以制成針對(duì)金屬外殼的電連接?？梢允褂媒^緣支撐將襯套與外殼分開，或者替代性地，電涌捕獲器可以安裝成使得捕獲器的一個(gè)端子直接連接至金屬外殼。要安裝在金屬外殼202的頂板上的任何電涌捕獲器108可以與模塊200分開地運(yùn)輸，并在現(xiàn)場(chǎng)組裝(以與上文描述的襯套206類似的方式)。電涌捕獲器基本上可以不被圍住。然而，在一些安裝中，電涌捕獲器可以位于外殼內(nèi)，外殼例如可以是絲網(wǎng)等等。這種絲網(wǎng)可以電連接至金屬外殼，使得捕獲器處于與絲網(wǎng)外殼相同的電壓。這具有優(yōu)點(diǎn)：確保局部的dc電場(chǎng)是低的，以便防止在捕獲器上積累灰塵。

因此，本發(fā)明的模塊可以至少部分地在第一方位組裝以運(yùn)輸?shù)叫枰猟c斷路器的現(xiàn)場(chǎng)。可以在外殼中組裝斷路器電路和絕緣支撐，因此斷路器模塊可以在制造時(shí)被測(cè)試。模塊然后可以被運(yùn)輸?shù)剿璺轿?。在輸運(yùn)期間，外殼能夠保護(hù)斷路器電路。

在模塊的運(yùn)輸中，可以在斷路器電路100和金屬外殼202之間提供附加的支柱(bracing)，以幫助保護(hù)斷路器電路不受由于例如機(jī)械沖擊或振動(dòng)引起的損壞。設(shè)想了在測(cè)試之后運(yùn)輸之前可以拆掉穿墻襯套206，用盲板代替，并且在測(cè)試之后準(zhǔn)備運(yùn)輸時(shí)，可以增加任何運(yùn)輸支柱。由于外殼可以包括標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)輸容器，所以模塊的運(yùn)輸可以相對(duì)簡(jiǎn)單。

在現(xiàn)場(chǎng)，可以通過拆掉運(yùn)輸支柱，拆掉相關(guān)盲板并用穿墻襯套206代替來安裝模塊。然后，每個(gè)模塊被提升到絕緣基座上。一旦就位，可以裝配任何外部的電涌捕獲器，然后均壓屏蔽最后裝配到容器的頂部和底部以控制結(jié)構(gòu)周圍的電場(chǎng)。

如上文描述的，圖2a所示為外殼內(nèi)的單個(gè)斷路器電路，其中，外殼在使用中鏈接至節(jié)點(diǎn)，諸如斷路器電路的端節(jié)點(diǎn)。如提到的，此斷路器電路例如可以具有大約83kv的額定電壓，并且例如可以容置于20英尺的容器中。此模塊在本文中被稱作“單模塊”。在一些實(shí)施例中，使用一些斷路器技術(shù)，具體地借助斷路器技術(shù)的發(fā)展，可以在20英尺的容器內(nèi)組裝較高電壓額定值的斷路器模塊，例如可以在單個(gè)20英尺容器中組裝167kv額定值的斷路器模塊。

較大的容器例如40英尺容器能夠容置包含更多的igbt元件的更大額定電壓的斷路器。顯然，盡管斷路器的電壓額定值越大，在使用中，斷路器兩端的電壓差越大，因此，要求外殼內(nèi)有較大的電氣間隙。這會(huì)潛在地限制可被使用的斷路器電路的電壓額定值。

不過，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，可以通過將斷路器電路拆分到串聯(lián)連接的兩個(gè)不同的斷路器電路中限制所需的電氣間隙。通過將導(dǎo)電外殼連接至在兩個(gè)斷路器電路之間的連接點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)，例如在兩個(gè)斷路器電路100之間的中間點(diǎn)，限制所需的間隙。例如，圖2b示出單個(gè)導(dǎo)電外殼202中包含的兩個(gè)斷路器電路100。這些斷路器電路中的每一個(gè)可以額定為大約83kv的電壓，并串聯(lián)連接以產(chǎn)生額定為167kv的模塊。這可以稱作“雙模塊”。在圖2b所示的雙模塊中，金屬外殼202被配置成在兩個(gè)斷路器電路100的中點(diǎn)或連接點(diǎn)經(jīng)由連接204連接至節(jié)點(diǎn)，使得在使用中，金屬外殼202處于與兩個(gè)斷路器電路100的中點(diǎn)相同的電壓電位。

對(duì)于單斷路器模塊，諸如圖2a中所示的，假如斷路器電路的額定電壓為167kv，則外殼內(nèi)所需的電氣間隙會(huì)與和全167kv額定電壓關(guān)聯(lián)的tiv即250kv有關(guān)。

不過，如果167kv被拆分成串聯(lián)連接的兩個(gè)83kv斷路器電路100，并在兩個(gè)斷路器電路之間的中點(diǎn)連接金屬外殼202，如圖2b所示的，斷路器模塊的額定電壓仍為167kv，不過所需的間隙顯著降低。這是因?yàn)樗璧拈g隙與每個(gè)個(gè)別的斷路器電路100兩端的電壓降有關(guān)，即與250kv相比，與125kv的tiv有關(guān)，因此降低所需的間隙。

因此，通過將較大的斷路器電路100拆分成串聯(lián)連接的較小的斷路器電路，并在斷路器電路的中點(diǎn)連接至金屬外殼，可以降低斷路器模塊的物理尺寸和金屬外殼202的尺寸。

將83kv斷路器電路用作創(chuàng)建較大斷路器電路的構(gòu)造塊還具有標(biāo)準(zhǔn)化模塊中使用的斷路器電路的優(yōu)點(diǎn)。

要認(rèn)識(shí)到，這些電壓額定值只是出于示意，可以使用電壓額定值的其它組合。例如，雙模塊中的兩個(gè)斷路器電路100可以具有相同的電壓額定值，或者可以具有不同的電壓額定值。而且，一個(gè)模塊內(nèi)包含的斷路器電路的數(shù)目不局限于一個(gè)或兩個(gè)，而是在金屬外殼202中可以包含任何數(shù)目的斷路器電路，只要外殼足夠大，以在斷路器電路100和金屬外殼202的壁之間提供足夠的間隙。

如上文提到的，導(dǎo)電的例如金屬外殼202被配置成在兩個(gè)斷路器電路100的中點(diǎn)經(jīng)由連接204連接至節(jié)點(diǎn)，使得在使用中金屬外殼202處于與兩個(gè)斷路器電路100的中點(diǎn)相同的電壓電位。替代性地，連接204可以將金屬外殼202的壁連接至模塊的端子，這將模塊電連接至外部電路，或者處于與斷路器電路100關(guān)聯(lián)的電壓電位的某些其他節(jié)點(diǎn)。在所有實(shí)施例中，電連接204的目的是確保在正常使用中，金屬外殼202處于與被包圍的斷路器電路相同(或緊密相關(guān)或相似)的電位。這具有前述的優(yōu)點(diǎn)：降低所需的電氣間隙，使得金屬外殼202能夠?qū)⒊叽鐪p少到運(yùn)輸容器的尺寸。而且，降低了靜電沉淀和灰塵的積累的效應(yīng)。

在圖2b所示的實(shí)施例中，金屬外殼202包括兩個(gè)穿墻襯套206，允許兩個(gè)連接208穿過金屬外殼202，使得斷路器模塊可以在電氣路徑中與金屬外殼202外部的電路連接。襯套可以設(shè)置在容器的任一端，或者在金屬外殼202上的某個(gè)位置。襯套可以定位在容器的相對(duì)端，以便允許方便地連接一個(gè)或多個(gè)模塊，同時(shí)并排設(shè)置。替代性地，第一襯套可以定位成允許通過金屬外殼202的上壁進(jìn)行連接，第二襯套可以定位成允許通過金屬外殼202的底板進(jìn)行連接，以便使得模塊在被堆疊時(shí)容易連接。在上文描述的實(shí)施例中，對(duì)于襯套需要125kv的電壓額定值，結(jié)果，襯套可以是緊湊的。

再一次，外殼202可以包括標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)輸容器，例如符合iso標(biāo)準(zhǔn)諸如iso3646的聯(lián)合模式容器。而且，外殼202可以具有關(guān)于圖2a中圖示的單模塊在上文描述的外殼202的任意特性。

以與關(guān)于圖2a概括的之前實(shí)施例相似的方式，圖2b的雙模塊可能需要安裝均壓環(huán)，以便平滑金屬外殼的拐角，目的是防止在模塊的拐角產(chǎn)生高密集的電場(chǎng)線，特別是當(dāng)金屬外殼202是標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)輸容器時(shí)。連同前述的襯套，可以與雙模塊分開地運(yùn)輸均壓環(huán)，并在現(xiàn)場(chǎng)安裝。

圖3圖解說明使用中的模塊化320kv斷路器。斷路器300由兩個(gè)如上文描述的并在圖2b中圖示的167kv“雙模塊”302組成。這些模塊通過鏈接連接304串聯(lián)連接。每個(gè)模塊包括形式為標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)輸容器并安裝到多個(gè)絕緣基座306以防止放電的金屬外殼308。每個(gè)模塊302裝配有均壓環(huán)310，以平滑在運(yùn)輸容器的拐角的電場(chǎng)的輪廓。而且，襯套312能夠使電連接314穿過金屬外殼308以將斷路器電連接至外部系統(tǒng)。

在現(xiàn)場(chǎng)可以拆掉襯套312和均壓環(huán)310運(yùn)送模塊。在運(yùn)輸期間，襯套312可以用盲板替代。在斷路器300的安裝期間，可以去掉每個(gè)模塊內(nèi)部的運(yùn)輸支柱，用穿墻襯套206替代盲板。每個(gè)模塊然后可以提升到絕緣基座306上。最后，均壓環(huán)310可以裝配到模塊的頂部和底部，以控制結(jié)構(gòu)周圍的電場(chǎng)。

盡管主要根據(jù)混合斷路器描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到，上文描述的原理也適用于其它類型的斷路器。

應(yīng)當(dāng)注意，上文提到的實(shí)施例說明而不是限制本發(fā)明，在不偏離所附權(quán)利要求的范圍下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠設(shè)計(jì)許多替代性實(shí)施例。在權(quán)利要求中，詞語(yǔ)“包括”并不排除除了列出的之外的元件或步驟的存在，“一(a)”或“一(an)”并不排除復(fù)數(shù)，并且單個(gè)特征或其它單元可以實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求中陳述的幾個(gè)單元的功能。權(quán)利要求中任何附圖標(biāo)記不應(yīng)解讀為限制其范圍。