CN105793948B - 用于开关直流的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于开关高压线路(2)中的直流的设备(1,11)，该设备具有多个开关单元(3)，这些开关单元以形成串联电路的方式布置在高压线路中。每个开关单元在此包括开关元件(4)和与开关元件并联布置的浪涌放电器(5)，其阈值电压高于开关元件的额定电压，其中，开关元件的额定电压之和至少对应于高压线路的运行电压。本发明的特征在于，开关元件是机械开关，其中，每个机械开关都包括带有两个可分离的接触件的接触装置，并且构建为在分离开关件时建立电弧电压，其绝对值高于机械开关的额定电压。此外，本发明涉及一种用于开关直流的方法。

Description

用于开关直流的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于开关高压线路中的直流的设备，该设备具有多个开关单元，这些开关单元以形成串联电路的方式布置在高压线路中。每个开关单元在此包括开关元件和与开关元件并联布置的浪涌放电器，其阈值电压高于开关元件的额定电压，其中，开关元件的额定电压之和至少对应于高压线路的运行电压。
高压在本发明中理解为例如相对于地电势而言的、至少为10kV的电压电势差。
背景技术
这种类型的设备从WO2011/141054 A1中已知。根据WO2011/141054 A1的开关元件是半导体开关。为了将额定运行期间形成于设备中的导通损耗保持在低位，与带有半导体开关的开关单元串联布置有又一开关单元，其包括机械开关。在额定运行中，电流流过机械开关，其损耗相对于半导体开关的损耗较小。在断开已知设备时，首先断开半导体开关，然后可以将机械开关脱扣并且中断高压线路中的电流。
该已知的设备设计用于高线线路中，后者具有绝对值直至几百kV的运行电压。因此，已知设备必须包括大量半导体开关，其首先限制电流，从而可以将机械开关脱扣。然而大量半导体开关导致设备中仍然很高的损耗。此外，如果半导体开关和机械开关时间上先后开关，则延长了设备的开关时间。此外，半导体开关的使用导致了设备的高制造成本。
发明内容
基于现有技术，本发明的任务在于，提出一种成本低廉并且允许降低导通损耗的设备。
该任务通过如下解决，即，设备的开关元件是机械开关，其中每个机械开关都包括带有两个可分离的接触件的接触装置，并且构建为在分离接触件时建立电弧电压，其绝对值高于机械开关的额定电压。
机械开关的额定电压在此理解为机械开关可以持久地隔离的电压。通常，机械开关还可以在必要时短暂隔离高压线路中的高于额定电压的瞬时过压。
如果例如在故障情况下应该开关高压线路中的电流，则开关机械开关，其中将接触件分离。在此，在彼此分离的接触件之间形成电弧是常见的。根据本发明的设备的机械开关构建为建立绝对值高于其额定电压的电弧电压。基于该能力，机械开关可以总计建立反向电压，其大于高压线路或直流电压网的运行电压。以该方式，在每个开关单元中，将电流从机械开关换向到具有浪涌放电器的并联支路上，并且熄灭电弧。浪涌放电器的阈值电压分别位于机械开关的额定电压之上，从而流过设备的电流在总体上可以通过浪涌放电器被限制为应忽略的剩余电流。此外，通过将电流换向到浪涌放电器上阻止了各个电弧的由于熄灭时间不同而可能出现的复燃。此外，浪涌放电器通过如下方式为机械开关减负荷，即，电感性地存储在高压线路中的能量部分地被浪涌放电器吸收，并且无需完全被各个电弧吸收。这减小了机械开关的负荷。
根据本发明的设备的优点是，在额定运行中高压线路中的电流流过机械开关，其中在此形成的损耗小于在相应的半导体开关的情况下。由此可以减小包括高压线路的直流电压网的运行成本。
通过使用串联连接的机械开关，还可以与使用单个的、具有必要长度的隔离路径的机械开关相比缩短开关时间。
在自由空气中隔离两个处在电压下的触点时形成了电弧，其每厘米电弧长度的电弧电压为大约20V。该电压不足以在接触件之间给定的为几厘米的最大隔离路径的情况下建立足以熄灭电弧的电弧电压。电弧电压的提高例如可以通过冷却来实现，例如借助环绕接触件流动的气体或油来进行的冷却。优选地，为了建立电弧电压，机械开关分别具有至少一个灭弧室。灭弧室在此可以包括多个并联布置的灭弧栅片。在接触件之间燃烧的电弧例如可以借助电磁吹动而被朝着灭弧栅片驱动，从而电弧划分为在灭弧栅片之间燃烧的子电弧。以该方式可以显著提高电弧电压。
根据本发明的一个实施形式，可以设有用于将开关脱扣的至少一个脱扣单元。脱扣单元例如在利用电磁力的条件下分离机械开关的接触件，如例如在市场上常见的电气铁道用快速开关中实现的那样。在此显得特别合适的是来自列车应用中的、能够快速脱扣的电气铁道用快速开关，其可以在几毫秒内、优选在小于10ms内、特别优选在小于5ms内分离接触件。在此可用的常见的电气铁道用快速开关具有4kV的额定电压和5kA的DC额定电流。该设备例如包括串联连接的、50至200个这样的电气铁道用快速开关。
优选地，该设备包括用于控制至少一个脱扣单元的至少一个控制设备。如果根据本发明的设备包括多个触发单元，则控制设备优选构造为单个地控制脱扣单元。以该方式可以例如以预先给定的顺序、但是不全都同时地将机械开关脱扣。由此，在整个设备中逐步地适配反向电压。这允许了可变地调节故障电流的电流变化速率。
优选地，机械开关的额定电压在1kV与20kV之间。
根据本发明的设备的又一有利实施形式，浪涌放电器是金属氧化物压敏电阻器。这些压敏电阻器相比于例如碳化硅压敏电阻器的其它压敏电阻器而言优越之处是特别有利的电流电压特性曲线。
按照根据本发明的设备的又一实施形式，该设备包括用于中断直流的隔离开关。该隔离开关在此与开关单元串联布置。隔离开关构建为用于在断开机械开关并且熄灭了电弧的情况下中断高压线路和由此无电压地进行开关。
根据本发明的设备的开关单元优选还分别包括限制电流上升的电感器，其与机械开关串联布置。
优选地，根据本发明的设备包括用于探测高压线路中的故障电流的测量装置。测量装置与控制装置连接。测量装置例如设计为用于采集和确定高压线路中的电流和/或电流上升。测量装置可以根据所采集的测量数据产生输出信号，其可以被传导到控制装置上，从而控制装置可以将测量装置的输出信号转换为相应的控制信号。
此外，本发明涉及一种用于开关高压线路中的直流的方法，并且提出了如下任务，即将这种方法扩展为使得其可以在小的导通损耗的条件下成本低廉地执行。
该任务根据本发明通过如下方法来解决，其中将串联布置的机械开关脱扣，其中，在每个机械开关中建立绝对值高于机械开关的额定电压的电弧电压，从而将电流换向到与每个机械开关并联布置的、具有至少一个浪涌放电器的并联支路中，该浪涌放电器的阈值电压高于机械开关的额定电压。
根据本发明的方法的一个优点是，在额定运行中，高压线路中的电流流经机械开关，其中，在此形成的损耗小于在相应的半导体开关中的情况下。由此可以降低包括高压线路的直流电压网络的运行成本。
机械开关的基本上并行执行的脱扣有利地允许限制开关时间。每个机械开关可以在几毫秒内开关，并且所需的电弧电压的建立同样仅需几毫秒。由此实现了快速和可靠地开关高压线路中的电流。
附图说明
下面借助图1和2详细阐述本发明的实施例。
图1以示意图示出了根据本发明的设备的第一实施例。
图2以示意图示出了根据本发明的设备的第二实施例。
具体实施方式
详细而言，图1示出了用于开关高压线路2中的直流的设备1。设备1包括串联连接的开关单元3的串联电路。每个开关单元3包括为机械开关4的开关元件。在图1的示意图中，详细图示了5个开关单元3，具有5个机械开关4。然而通过虚线段8表示设备1还包括其它开关单元。开关单元3的数目取决于高压线路2中的运行电压和机械开关4的额定电压。每个开关单元还具有金属氧化物压敏电阻器5，其布置在与机械开关4并联的并联支路中。
如果借助图1中未图示的测量装置确定了高压线路2中的故障电流，则控制装置7生成控制信号，其将机械开关4脱扣。每个机械开关4具有在脱扣时被彼此分离的机械接触件。在此，在机械开关4的机械接触件之间分别形成电弧。为了产生高于机械开关4的额定电压的电弧电压，在示出的实施例中将电弧引导通过布置在机械开关4中的特殊灭弧栅片中。如果机械开关4中的电弧电压总计至少对应于高压线路2上的运行电压，则机械开关4中的电流分别被换向到带有压敏电阻器5的并联支路上。因为压敏电阻器5的阈值电压高于机械开关4的额定电压，所以电流总计被限制为小的、可忽略的剩余电流。
在图2中示出了根据本发明的设备的第二实施例。图1和2中相同的和相同类型的部件分别设有相同的附图标记。为了避免重复，因此在图2的描述中仅介绍将图2的实施例区别于图1的实施例的元件。
根据图2的实施例的设备11与根据图1的实施例的设备1的区别在于，与开关单元3的串联电路串联地还布置有隔离开关6。如果设备11中的电流被限制为剩余电流，则隔离开关6可以中断高压线路2中的电流并且由此完全断开高压线路2。
附图标记列表
1,11 用于开关直流的设备
2 高压线路
3 开关单元
4 开关元件
5 浪涌放电器
6 隔离开关
7 控制装置
8 线路区段

Claims (10)

1.一种对高压线路(2)中的直流进行开关的设备(1,11)，所述设备具有多个开关单元(3)，所述开关单元以形成串联电路的方式布置在高压线路中，其中，每个开关单元包括开关元件(4)和与开关元件(4)并联布置的浪涌放电器(5)，浪涌放电器(5)的阈值电压高于开关元件(4)的额定电压，其中，开关元件的额定电压之和至少等于高压线路(2)的运行电压，
其特征在于，开关元件(4)是机械开关，其中，每个机械开关都包括带有两个可分离的接触件的接触装置，并且构建为在分离开关件时建立电弧电压，其绝对值高于机械开关的额定电压。
2.根据权利要求1所述的设备(1,11)，其特征在于，所述机械开关分别具有至少一个灭弧室，以建立电弧电压。
3.根据权利要求1或2所述的设备(1,11)，其特征在于，设有至少一个电磁脱扣单元，以将所述机械开关脱扣。
4.根据权利要求3所述的设备(1,11)，其特征在于，设有用于控制所述至少一个脱扣单元的至少一个控制装置(7)。
5.根据上述权利要求1或2所述的设备(1,11)，其特征在于，所述机械开关的额定电压在1kV和20kV之间。
6.根据上述权利要求1或2所述的设备(1,11)，其特征在于，所述浪涌放电器(5)是金属氧化物压敏电阻器。
7.根据上述权利要求1或2所述的设备(1,11)，其特征在于，所述设备还包括用于中断直流的隔离开关(6)，所述隔离开关(6)与开关单元(3)串联布置。
8.根据上述权利要求1或2所述的设备(1,11)，其特征在于，每个开关单元(3)都具有限制电流上升的电感器，其与机械开关串联布置。
9.根据上述权利要求1或2所述的设备(1,11)，其特征在于，所述设备还包括用于检测高压线路中的故障电流的测量装置，并且测量装置与控制装置连接。
10.一种用于对高压线路(2)中的直流进行开关的方法，其中能够使得串联布置的机械开关(4)脱扣，其中在每个机械开关(4)中建立电弧电压，其绝对值高于机械开关(4)的额定电压，从而将电流换向到与每个机械开关(4)并联布置的、带有至少一个浪涌放电器(5)的并联支路中，浪涌放电器(5)的阈值电压高于机械开关(4)的额定电压。
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