CN108475595B - 中断电流的布置、***和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于中断电流的布置(10)，该布置(10)包括适用于电连接电力***的两个部分(100、200)的第一和第二端子(11、12)。电压控制装置(4)在使用中是可控制的，以将能量注入环路中以在主支路(15)被控制成断开以中断主电流(I)时强制流过所述主支路(15)的交流电流(Io)的快速增加，并且藉此通过机械主电路断路器(1)的电流(Isw)的过零在交流电流(Io)的幅度(AIo)超过主电流的幅度(AI)时被实现。能量吸收设备(2)适用于：当机械断路器被断开时限制跨所述电容器(31)和跨所述机械断路器(1)的电压。此外，该能量吸收设备适用于：如果跨机械断路器的电压在断开过程中或紧接在断开过程之后击穿，则限制跨电感元件(32)的电压，从而限制通过所述环路的电流的上升率和峰值。通过所述谐振环路的电流的上升率和峰值由此被限制，并且获得改善了的电流中断能力而不管要被中断的电流的类型如何。还提供了用于中断电流的***和方法。

Description

中断电流的布置、***和方法
技术领域
本发明一般涉及中断电力***中的电流，并且具体而言涉及采用添加的辅助振荡电流来中断主电流的断路器。本发明还涉及一种中断电流的***和方法。
背景技术
通常断路器或其它电流中断装置的使用在电力***中(诸如在电力分配或传输***中)被充分建立，特别是作为尤其是在故障(例如，短路故障或过流条件等)情况下保护、隔离和/或控制在电力***中的不同组件的工作的装置。断路器也被用于在对电力***的特定组件或部分修理和/或维护期间隔离电力***的各部件。而且，断路器被频繁地用于将各种负载，像电机或其它工业负载，连接到网络。
取决于电力***的电流或电压水平，不同类型的断路器已经被用作断流器。最常见的机械电路断路器被使用，藉此用于分隔触点的致动器可以使用电机、弹簧、气压布置或某些其它装置。替代的断流器可以使用半导体设备。
大多数应用要求(尤其出于安全原因)断流器在断路器的两侧之间实现物理分隔，并且因此即使使用固态断流器也需要机械开关。机械开关也可以与固态断流器并联使用，以便消除半导体设备中的损耗(当在高电压应用中使用时这种损耗可能是明显的)，所述高电压应用要求串联连接许多设备以便实现所需的耐压能力。
当通过机械触点的分隔来中断在电路中流动的电流时，电弧通常在各触点之间生成。在高电压时，在电弧中流动的电流被自然地或通过人造装置强制变成过零(zero-crossing)从而熄灭是必要的。在ac电力***中，每半个***频率的周期电流零点就自然出现一次，并且因此，ac断路器的简单布置的实现是非常常见且已充分建立。然而，在某些应用中期望以比电流的自然发生的过零所提供的速率快得多的速度来中断ac***中的电流，以便防止故障电流到达高电平或保护敏感装备。
另一方面，dc***缺少这种电流的自然过零，并且因此已经有许多用以实现用于中断dc电力***中的故障电流的快速dc断路器的尝试。这个问题在现有技术中已经通过引入谐振电路被解决，该谐振电路在要被中断的电流上叠加ac电流以引起过零。在PCT公开WO2014/166528 A1中，公开了使用与谐振电路并联的机械断流器的dc断路布置，该谐振电路包括至少一个电容器、至少一个电感器和至少一个开关元件。使得该谐振电路通过闭合开关元件来生成叠加在断流器中所生成的任何电弧的电流上的谐振电流。这种布置具有谐振电流主要由电弧电压激发的缺陷。为了克服该缺陷，所公开的布置进一步被提供有辅助电源单元，该辅助电源单元可以传递电力以对电容器充电(需要的话)。该布置要求复杂的充电过程且需要针对每个应用专门适配。
US 4,805,062公开了通过使用充电的电容器来强制电流零点的针对所述问题的解决方案。为此，它公开了一种包括整流电容器以及串联电路的dc断路器，该整流电容器的一端被连接到dc线的正母线而另一端通过充电电阻器被连接到dc线的负母线，该串联电路包括磁斥力线圈和第二开关，与整流电容器并联连接，其中整流电容器被直接从正dc线充电。当断路器单元开始断开时，第二开关被导通以便逆转充电的整流电容器的极性，使得它在断路器单元断开的同时引起通过断路器单元的反向放电电流。该发明具有非常有限的控制力并因此难以实现最佳切换性能的缺陷。而且，所述解决方案在高电压应用中是较不适用的，所述高电压应用对所提议的充电机制存在限制。
适用于直流传输线的断路布置在WO2014/154260 A1中被公开。所述断路器布置包括机械断流器单元和两个谐振电路，所述机械断流器单元适用于当被致动时中断传输线中的电流，每个谐振电路适用于当断流器单元致动时生成叠加到在断流器单元中所生成的任何电弧的电流的谐振电流，并且已经由第一谐振电路生成的谐振电流从与由第二谐振电路生成的谐振电流不同的方向流入到断流器单元中。该提议的解决方案遭受下述缺点：具有两个谐振电路以及附加的对连接谐振电路的两个开关的控制的复杂性。
在J.M.Anderson、J.J.Carroll在IEEE电力装备和***会刊(卷PAS-97，第5号，1972年9月/10月)的论文“Applicability of a Vacuum Interrupter as the BasicSwitch Element in HVDC Breakers(真空中断器作为HVDC断路器中的基本开关元件的适用性)”中，作者描述了实验，其中预充电电容器通过承载负载电流的真空中断器来放电，以便产生通过真空中断器的总电流的人为过零。已表明真空中断器对于该应用具有吸引人的特性，例如快速熄灭，以及非常快速的介电隔离强度构建。该放电通过激发受控的触发间隙来发起，从而将该布置的责任限制成单次放电操作。
例如从M.Schlaug等人“Late Breakdown Phenomena in Vacuum Interrupters(真空中断器中的晚期击穿现象)”的文献(2008年，Bucharest，第23届真空放电和电绝缘国际研讨会)中已知，当跨真空中断器的电压在电流过零处的电流截止之后不久增加时，真空中断器的耐压能力会降低，即所谓的“晚期击穿”。这种现象通常是由中断腔室的颗粒污染引起的。电压击穿可以在电流截止之后几毫秒发生，此时跨真空中断器的电压已上升到高的值。基于真空中断器对用于中断电流的任何布置的设计必须考虑这种现象并且应当应用适当的预防措施。
一般而言，将电流驱动通过断路器的源具有内部电感。这在电力传输应用中是特别有效的。当电流被中断时，存储在源电感中的磁能必须被电流中断布置吸收。金属氧化变阻器(MOC)通常被用于该目的，因为它同时提供限压功能。它可以直接跨机械主断路器的端子被连接，如在所提到的PCT公开WO 2014/166528 A1中所示出的。然而，已显示该电路拓扑在应当有效地处理如上所述的晚期电压击穿情况的用于电流中断的布置中不太有用。
在图1-4中示出了用于中断电流的现有技术的布置的示例。
发明概述
本发明的目的在于克服现有技术中的问题和缺陷，并且公开了与要被中断的电流的类型无关的改善了的电流中断能力。具体而言，本发明已被设计成使得本发明能够成功地处理晚期电压击穿情形，使得可以确保安全的电流中断。
根据本发明的第一方面，该目的是通过一种用于中断电流的布置来实现的，所述布置包括适用于电连接电力***的两个部分的第一和第二端子，并且至少包括主支路和两极体，所述主支路包含机械断路器，当主电路断路器被闭合时各端子之间的主电流能够流过所述机械断路器，所述两极体与所述主支路并联连接，所述两极体包括至少一个两极体支路，所述两极体支路包含电容器和能量吸收设备，其中，所述主支路和所述两极体一起形成环路，所述环路包含电感和电压控制装置，并且其中，所述环路展现出至少一个谐振频率，其中，所述布置的特征在于，所述电压控制装置在使用中是可控制的以将能量注入所述环路中，以在所述主支路被控制成断开以中断所述主电流时强制流过所述主支路的交流电流的快速增加，并且藉此通过所述机械主电路断路器的电流的过零在所述交流电流的幅度超过所述主电流的幅度时被实现，并且所述能量吸收设备适用于：当所述机械断路器被断开时限制跨所述电容器和跨所述机械断路器的电压，所述能量吸收设备适用于：如果在断开过程中或者紧接在断开过程之后跨所述机械断路器的电压击穿，则限制跨所述电感元件的电压，从而限制通过所述环路的电流的上升率和峰值。
在优选实施例中，所述两极体包括至少两个两极体支路的并联连接。
在优选实施例中，至少一个两极体支路包括全部串联连接的至少一个电容器、至少一个电感器和一个电压控制装置，以及附加地与所述电容器并联连接的至少一个能量吸收限压设备。替换地或附加地，至少一个两极体支路包括全部串联连接的至少一个电容器、至少一个电感器和一个电压控制装置，以及附加地与所述电容器和所述电压控制装置的串联连接并联连接的至少一个能量吸收限压设备。
在优选实施例中，各端子连接到所述主支路和所述两极体在所述主断路器的任一侧上接合的点。
在优选实施例中，提供被连接在所述机械断路器的各端子之间的过压降压电路。所述过压降压电路优选地是包括至少一个电阻器和至少一个电容器的串联连接。
在优选实施例中，至少一个切断开关被布置成与所述第一和第二端子中的至少一者串联连接，并且所述至少一个切断开关在使用中是可控制的以提供电力***的所述两个部分的物理分隔。
在优选实施例中，所述至少一个电压控制装置是静态电压源转换器。
在优选实施例中，所述电容器被提供有放电装置。
在优选实施例中，所述机械断路器包括适用于在所述机械断路器的断开过程期间移动的触点，并且其中，所述机械断路器包括至少一个传感器。所述至少一个传感器优选地在使用时适用于确定在所述机械断路器的断开过程器件所述触点的位置、加速度和速度中的至少一者。此外，所述至少一个传感器优选地适用于检测物理量，所述物理量优选地是以下至少一项：电弧电压降的出现、声学现象和电磁辐射或噪声，诸如光、热或X射线辐射。
在优选实施例中，所述至少一个两极体支路包括附加的无源组件，所述无源组件使所述环路展现出若干个谐振频率。
在优选实施例中，所述两极体包括具有不同谐振频率的多个两极体支路，藉此所述环路展现出若干个谐振频率。
在优选实施例中，所述主支路进一步包括与机械断路器串联地安排的可饱和电抗器，以帮助减少通过所述机械断路器的电流的过零附近的电流变化率。
在优选实施例中，附加电路支路与所述主支路和所述两极体并联地安排，所述附加电路支路被提供有反向电流控制装置以在电流中断期间提供用于从所述机械断路器离开的反向电流的替换路径。所述反向电流控制装置优选地包括两个晶闸管，所述晶闸管被反并联地安排以控制在相反方向上流过所述两个晶闸管的电流。此外，所述主支路优选地包括与所述机械断路器串联地安排的低压半导体开关，所述低压半导体开关在使用中是可控制的以帮助将电流从所述机械断路器转移到所述附加电路支路。
在优选实施例中，所述用于中断电流的布置是dc断路器。替换地，所述用于中断电流的布置是限流ac断路器。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于中断电流的***，包括根据本发明的至少两个用于中断电流的布置，其中，所述至少两个用于中断电流的布置被串联连接。
根据本发明的第三方面，提供了一种使用根据本发明的用于中断电流的装置来中断电力***中的电流的方法，所述方法包括以下步骤：断开机械断路器以促成所述机械断路器的触点的分隔并中断具有幅度的主电流，以及控制两极体中的电压控制装置以激发具有比被中断的主电流的幅度更高的最大幅度的总谐振电流，以引起主支路中的电流过零。
在优选实施例中，激发电压控制装置的波形是针对环路的滤波器特性来设计的，以提供具有期望波形的谐振电流以引起包含所述断路器的支路中的电流过零。
在优选实施例中，所述两极体支路的数目、谐振频率及其相应的开始时间被选择以便提供具有期望波形的总谐振电流以引起包含所述断路器的支路中的电流过零。
在优选实施例中，断开所述机械断路器和控制所述电压控制装置的步骤是并发且协作执行的。
在优选实施例中，所述步骤的执行顺序是预定义的，使得在经过所述机械断路器的电流中的过零在相对于介电隔离强度的适当时刻发生，所述介电隔离强度在触点彼此分隔时在所述断路器中被构建。
在优选实施例中，所述步骤的顺序以各连续步骤之间的所述预定义时间延迟被执行，并且其中，取决于要被中断的所述主电流的幅度，所述时间延迟是固定的或变化的。
在优选实施例中，各连续步骤之间的预定义时间延迟被选择成使得所述机械断路器的触点分隔距离在最小总时间中足以耐受第二并联支路的能量吸收设备的电压限制。
在优选实施例中，所述传感器被用于确定在各步骤之间的所述时间延迟。
在优选实施例中，一个或几个步骤的执行是有条件的，以便具有使得在流过所述机械中断器的电流中发生过零的幅度的谐振电流被激发并维护，直到做出了是执行完整的步骤序列以中断主电流还是不完成中断(在该情形中谐振电流将被抑制)的判定。
附图简述
现在参照附图通过示例来描述本发明，其中：
图1-4示出了用于中断电流的现有技术的布置；
图5示出了根据本发明的用于中断电流的布置的通用实施例的示图；
图6-12示出了根据本发明的用于中断电流的布置的各个实施例；
图13示出了电流限制中断的时间示图；
图14示出了类似于图5的布置的一种布置，但该布置具有串联连接的切断开关；
图15a-e示出了电力转换器的不同的实现；
图16a-b示出电力转换器的保护性布置的示例；
图17示出了包括电容器、电感器、电压控制装置和能量吸收设备的支路，其中电容器装备了放电装置；
图18a-c示出了包括电容器、电感器、电压控制装置和能量吸收设备的支路的不同配置，其中电容器装备了放电装置；
图19a-c示出用于对电容器放电的不同装置；
图20a-c示出限压能量吸收设备的实现；
图21a-b示出具有反向电流的支路的用于中断电流的布置的替换实施例；
图22a-c示出具有可饱和电抗器的用于中断电流的布置的替换实施例；
图23示出包括低压整流半导体开关的用于中断电流的布置的替换实施例；
图24示出根据本发明的用于中断电流的***，包括若干个用于中断电流的布置；
图25a-b示出在谐振电路中的谐振电流幅度的构建的原理；
图26示出在电流中断处的原理波形；
图27解说了电流过零对比耐压能力；
图28和29解说了信号控制的一些示例；
图30和31a-b示出了根据本发明的用于中断电流的布置的支路的替换配置。
实施例的描述
以下，将给出根据本发明的用于中断电流的布置、***和方法的详细描述。
图5示出了与本发明有关的电路的概览。在电力***的部分100、200之间的电连接用于在所述各部分之间传输电力的目的，在该情况中主电流I流过机械断路器1。部分100、200可以是公共电力***或使用dc或ac的分开的电力传输***的子***。或者，各部分可以表示馈送负载，例如被连接到电源100的电机200，的电力***。
在机械断路器1中的触点分隔处，将在各触点之间建立内部电弧，并且主电流I将继续流过电弧。如果机械开关以高电压工作，则电弧将仅在自然地或通过人造装置强制发生电流过零的情况下熄灭。
在电弧***中，主电流I具有自然过零，且一旦触点分隔足以展现出超过在电流熄灭之后出现的电压的耐压能力，电弧就将在这样的过零处熄灭。在短路时，电流在接近任何过零之前通常首先朝向非常高的峰值增加。随后可能期望在电流已经到达其峰值之前无需等待过零就执行即时中断。这种办法(被称为主电流的电流限制中断)在图13中被说明。
当电力传输***利用直流电压时，像高压直流(HVDC)***，电流不展现出任何自然过零。在互连的***100、200中的任意或这两个***中有故障时，电流更加朝向非常高的值上升。随后需要电流中断***的快速干预以便防止互连电力***的完全崩溃。
从断路器的视角来看，在ac***中的即时的、电流限制中断等同于在dc***中中断直流电流，因为在这两种情况下都期望在缺少任何自然过零的情况下中断通过机械开关1的电流。
本发明的目的在于提供一种用于在承载电节点11、12之间流动的主电流I的机械断路器中产生人为电流过零的装置和方法，从而使得机械断路器有可能中断电流。
图5中描绘了权利要求1中的本发明的通用形式，其中电力***中的两个电节点11、12适用于通过布置10来电连接电力***的两个部分100、200，该布置10包括一个主支路15和两极体3，主支路15包含机械主断路器1，端子11、12之间的电流可以流过该机械主断路器1；两极体3与所述支路15并联连接，该两极体3包含至少一个电容器31和至少一个能量吸收设备2，其中支路15和两极体3一起形成环路，该环路进一步包含至少一个电感32和至少一个电压控制装置4，其中主支路15和两极体一起展现出至少一个谐振频率。优选地，两极体3的各设备被布置在一个或若干个支路16中，如图中所指示的。
在优选实施例中，限压电路(即所谓的“缓冲器”17)跨机械主断路器的端子并联连接。通常，限压电路包括电阻器和电容器的串联连接，但是其它设计也是可想到的并且已在电力领域建立。
图6-10描绘了用于实现布置10的不同实施例。这些实施例在能量吸收设备2的放置方面、以及在电力***中的两个电节点11、12连接到布置10的方式方面不同。
电压控制装置在使用中时是可控制的，以将能量注入所述环路中，以在机械主电路断路器1被控制成断开以中断主电流I时强制流过包含机械主电路断路器1的所述支路15的交流电流Io的快速增加，并且藉此通过机械主电路断路器1的电流Isw的过零在交流电流Io的幅度AIo超过主电流I的幅度AI时被实现。此外，两极体3中的能量吸收设备2适用于：当机械主断路器1被断开(不传导)时限制跨所述电容器31和跨所述机械主断路器1的电压，并且如果跨主电路断路器1的电压在断开过程时或紧接在断开过程之后击穿，则限制跨由支路15和两极体3构成的环路中的电感元件32的电压，从而限制通过所述环路的电流的上升率和峰值。
一旦通过机械开关1的电流Isw已经在其过零处被熄灭，主电流I就将临时地被传送到两极体3中。首先，主电流I流入电容器32中，并且之后它将整流到能量吸收设备2中。设备2的保护性电压必须超过互连部分100、200中的最高驱动电压，以便消除主电流I。
电压控制装置4被控制成将能量注入包含(诸)电容器31和(诸)电感器32的(诸)谐振电路中，以便强制交流电流Io的快速增加，对通过机械断路器的电流Isw作出贡献。在用于电压控制装置4的第一控制办法中，测得电流的正反馈被利用。随后，电压控制装置4看起来像***到电路中的人造负电阻。负电阻的值可以通过设计被谨慎选择。在通过注入能量以激发所述环路中的电流的第二控制办法中，电压控制装置4被控制成产生具有与谐振频率接近的频率的输出电压。该频率可以被改变以便控制谐振电流Io的幅度AIo的上升率。可以使用其它用于谐振电流Io的控制方法。此外，由于使用可控电压控制装置4，针对由包含断路器1和两极体3的支路15构成的环路的能量注入可以在断路器1中已发生触点分隔之前发起。
在优选实施例中，当电流Isw已停止流入断路器1中时对谐振电流的进一步激发被禁止。
在优选实施例中，断路器1的传导状态被监视，并且如果重新激发发生，则恢复对谐振电流的激发。
在图11中所示的进一步实施例中，两极体3包含电容器31，该电容器31串联于若干支路的并联连接，这些支路包含与电感器32串联的电压控制装置4。电感器和电容器一起形成可以由电压控制装置4激发的谐振电路。当电压控制装置4提供相同电压时，流过并联连接支路中的每一者的电流将同相，并且由此相加在一起以形成具有高幅度AIo的总谐振电流Io，该高幅度AIo允许具有比在单个电压控制装置的情况下可能的幅度更高的幅度AI的电流的中断。
在优选实施例中，两极体包括具有相同或不同频率的至少两个谐振电路，如图12中所示。选择这些谐振电路的谐振频率、阻抗及其相应的开始时间以便提供具有期望波形的总谐振电流，以引起包含机械主断路器1的支路中的电流的电流过零。
在用于中断电流的布置的替换实施例中，切断开关5与参考图5描述的中断布置10串联连接。该布置在图14中示出。当主电流I已经被布置10中断时，两极体3中的限压能量吸收设备2不传导任何电流，因为在端子11、12之间的电压低于其保护性电压。因此，部分100、200仅通过两极体3保持连接。两极体3包含小串联电容器，并且因此可以在没有任何持续电弧的情况下断开切断开关5。当断开时，切断开关5在电力***的部分100、200之间的电连接中提供了物理分隔。
在一种用于操作在电力***的部分100、200之间的连接的方案中，断开器5被用于闭合连接。在这种情况下，一旦断开器5已经被断开，两极体3中的(诸)电容器31就可以被放电，并且随后无需任何放电脉冲主开关1就可以被闭合。由此，布置10变得准备好在断开器5重新闭合时立刻执行电流中断。
在另一种用于操作在电力***的部分100、200之间的连接的方案中，切断开关5在机械主中断器1之前被闭合。
可控电压控制装置4优选地是静态电压源转换器。它可以以许多方式使用不同类型的半导体来实现。图15a-e描述了作为有用的电路拓扑的示例的许多可能的转换器设计。通常，这种转换器利用至少一个dc链路41(或41a、41b)，该链路通常由dc电容器组组成。后者可以由电池或任何其它dc电压源来补充。dc链路可以由任何隔离的辅助电源、本地dc生成设备(例如燃料电池)、光电池或任何类型的能量存储来供电。转换器的输出电压的频率优选地出现在5-25kHz的范围中。决定转换器中的半导体额定电压的dc链路电压仅仅是能量吸收设备2的保护性电压的一小部分。注意可以利用通过分开的dc链路的几个桥的串联连接，以便实现高输出电压而无需使用通过半导体设备的直接串联连接的串。半导体和dc链路必须被设计成耐受高峰值操作电流或过压，或装备有合适的保护性装置。
在图15a-f中的电路使用一个或两个半桥相柱(half-bridge phase-legs)。在图15a和15c中仅使用了一个半桥。如果相柱和dc链路各自的中点被用作输出端子(如图15a所示)，就可以获得(具有两个极性的)对称输出电压，同时当相柱的中点和dc链路线之一用作输出端子(如图15c所示)时，单极电压和零电压将是可用的。如果转换器被配置作为使用两个相柱的H-桥(如在图15b、15d和15e中)，它就可以产生具有任一极性以及零电压的输出电压。在如图15b-e中所示的拓扑中，当输出电压为零时谐振电流Io完全旁路了dc链路。
如果半导体桥被阻断，即没有有源的半导体设备被导通，则谐振电流Io将通过转换器臂中的二极管，从而对dc链路充电。因此，谐振电流将被反向电压抑制，该反向电压的幅度由dc链路41(或41a、41b)中的电压来确定。
旨在保护电力转换器(半导体和dc链路)免受浪涌电流和过压的保护性布置的各示例分别在图16a和图16b中示出。
在图15a-e中，已经指示了MOSFET、IGBT、IGCT/GTO类型的半导体以及晶闸管。前三个半导体组保持固有的电流熄灭能力并且它们可以接近通过静态电压源转换器的谐振电流的过零被切换。另一方面，在谐振电流的过零之后必须延迟晶闸管的导通，以便在截止后使得其相柱伴随晶闸管恢复。
谐振电流Io仅在短暂的时段期间存在，同时其幅度AIo增加为超过主电流I的幅度AI。如果在任何其它时间的电容器电压适应于其平均值，则这是适当的，该平均值由跨主开关1和电压控制装置4的电压确定。如果电容器31装备了放电装置，例如并联连接的线性或非线性电阻器33，参见图17，则该条件将自动实现。虽然放电时间应该基本上长于激发Io所需的时间，它仍然可以是非常短的，在低至5毫秒的范围内。当电流中断布置包括切断开关5时，该布置是特别有利的。在这种情况下，电容器将被完全放电，使得主开关1可以重新闭合而无需任何放电电流，因而使得电流中断布置10准备好在切断开关5闭合时立刻中断电流I。
图18a-c示出了包括电容器、电感器、电压控制装置和能量吸收设备的支路的不同配置，其中电容器装备了放电装置。
用于对电容器放电的替换装置的配置在图19a-c中示出。
主开关1应该具有快速机械致动***，从而使得在几毫秒内实现触点分隔成为可能。优选地，使用要么是单个开关要么是一串串联设备的真空开关。由于真空开关的传导机制的物理性，它们可以在电流过零时或甚至在电流过零之前就非常快地(亚微秒)熄灭。而且，当与其它类型的机械中断器相比时，所需的机械行程是短的并且移动触点的聚集是小的。
还可以利用中压真空开关和其它类型的高压断路器的串联连接。主开关也可以与低压电力开关串联。
而且，主开关1可以由若干个串联连接的机械开关来实现，操作这些机械开关以使得个体开关的触点分隔时刻在时间上分布。该过程可以被用于确保当通过开关串的电流Isw过零时，在至少一个个体机械开关中已经实现了足够的耐压能力。
可控电压装置4应当***控成控制谐振电流Io的幅度并使得通过主开关1的电流中的过零出现在适当的时刻，即当触点分隔足以提供足够的电压处理能力时出现。如果提供了用于瞬时位置、加速度和/或速度的一个或多个传感器，则根据时间的触点分隔的良好估计可以被实现。
在主开关1中的传感器检测触点分隔可以通过适当的信息为可控电压控制装置4的控制和监视***做出贡献。优选地，这样的检测器可以基于与触点分隔有关的任何物理量的观察。这样的现象是电弧电压降的出现、声学现象、光学、热、X射线或任何其它类型的电磁辐射或噪声。
监视机械主电路断路器1的传导状态的传感器可以被用于向管控对谐振电流Io的激发的控制***提供信息。该传感器可以例如直接测量跨机械主断路器1的端子的电压或者跨能量吸收设备2的电压。取决于所检测到的机械主断路器的传导状态，当机械主断路器处于其非传导状态时对谐振电流Io的激发可被禁止。
如果机械主断路器的状态在电流中断操作期间从非传导变成传导，则对谐振电流Io的激发可被恢复。
优选地，能量吸收设备2是金属氧化变阻器(MOV)，但替换地，也可以使用展现出具有类似的强健非线性电压依赖性或电压限制布置的电阻的其它设备。可选地，可以使用由通过二极管相连的经充电的电容器组成的箝位电路。能量吸收设备2的各种实现在图20a-c中示出。
在根据本发明的用于中断电流的布置的替换实施例中，已添加了附加支路18，该附加支路18与电流中断装置10中包含机械断路器1的支路15并联，参见图21a。所添加的支路的目的在于提供用于反向电流的传导路径，当电流I和Io具有相同的符号并且谐振电流的幅度AIo超过主电流AI的幅度时该反向电流出现。控制***用于在谐振电流Io被激发时，使得该路径在与主电流I相反的方向上传导。随后，当存在触点分隔且相应地零电流经过机械开关1时，反向电流整流到支路18中，机械开关1随后重新建立其介电耐压能力。当谐振电流Io摆动回来，并且通过支路18的电流再次过零时，包含至少一个电容器31、电压控制装置4和限压能量吸收设备2的两极体3将是对于主断流I保持打开的唯一路径。主电流I对电容器31充电直到电压达到限压能量吸收设备2开始传导的电平。随后，超过电力***的各部分100、200中的源电压幅度的设备2的保护性电压强制主电流I为零。
支路18可以包括由反并联连接的两串单向阀构61、62构成的电路布置6，参见图21b。每个单向阀包括至少一个晶闸管。替代地，可以利用具有相同功能性的单向晶闸管串。在一些应用中，仅仅具有确定方向的电流I需要电流中断。在这种情况下，仅实现具有与主电流I相反的传导方向的晶闸管阀是可能的。
在根据本发明的用于中断电流的布置的替换实施例中，包括主开关1的支路包括串联连接的可饱和电抗器8，参见图22a-b。图22a解说了不具有支路18的布置10，并且图22b包括有支路18。目的是减少在过零处的电流导数，这对于某些机械断路器的关于在电流中断之后的即刻电压处理能力来说是有益的。所述原理在图中阐明。可饱和电抗器8可以采用由铁或铁氧体制成的可能地气隙磁芯的形式，该磁芯包围住一个主导体，如图22c中的草图所示。
为了确保在前章节中提及的反向电流真正整流到附加支路18(当提供了附加支路18时)中，低压半导体开关7可以与机械开关1串联连接，参见图23。低压开关7可以被控制成仅允许被定向为主电流I的电流流动，从而阻断相反方向的电流。应该与支路18中的阀61、62的控制相协调地来控制低压开关7。
如上所述的几个电流中断布置10可以在电力***的各部分100、200之间被串联安排，如图24中所示。通过闭合/断开布置10中的主开关1，可变数量的限压能量吸收设备2可以被***在电力***的各部分100、200之间的连接中，以便限制流经互连的故障电流。由于在这些设备中将累积大量的能量，因此仅可能短时间维持这样的操作条件，最多数十毫秒。但是，该时间可以足以在确定***中的哪些断路器应该以特定扰动操作所需的时间期间限制高压输电线路网中的短路电流。
现在将描述用于控制上述中断布置10的方法。为了执行该方法，需要控制***通过控制两极体3中的电压控制装置4来协调机械开关1的断开和谐振电流Io的激发。
机械开关1的断开通过对机械致动器给出“断开”命令来简单地开始，该机械致动器开始将移动触点转移离开固定触点，以便触点分隔发生。机械延迟时间，tmech，即从“断开”命令给出开始直到已经建立触点分隔所逝去的时间，通常被认为是良好精度的，并且其可以被控制***使用。虽然在1-5ms的范围中的机械延迟时间从机械视角来看显得非常短暂，但从电力视角来看它仍然是非常长的。注意，例如在一毫秒期间将完成在10kHz处的十个完整周期，参见图25a-b，图25a-b示出了通过快速可控电力电压控制装置4的动作在由支路15和两极体3的并联连接构成的谐振电路中构建谐振电流幅度的原理。考虑图25a中所解说的LC电路。该电路由其谐振频率
Figure GDA0002200543510000151
及其电抗来表征
Figure GDA0002200543510000152
(该电抗在谐振频率处)。该电路由电压控制装置激发，该电压控制装置可以被假设为产生两种极性的电压。所施加的电压的幅度是Uosc，并且其方向由电力装置控制以跟随电流Io的方向。所施加的电压幅度Uosc和特性电抗x0之间的比率定义了单位电流，其可以被标注为Iosc
Figure GDA0002200543510000153
最初，电压控制装置产生恒定输出电压Uosc，该输出电压Uosc被串联电容器Cosc阻断。当激活激发时，输出电压反转将被执行，并且因此具有幅度2×Uosc的电压阶跃被施加到谐振电路上。在输出电压的该第一次反转之后，如果损耗被忽略，则将产生具有幅度2×Iosc的正弦电流半周期。其峰值在谐振频率的四分之一周期之后出现。当在完整半周期之后电流过零时，新的反转被强加，并且谐振电流的幅度增加到4×Iosc。类似地，在谐振电流的每个过零处，其幅度增加2×Iosc。因此，在N次反转(半周期)之后的一个四分之一周期，谐振电流的幅度理想地为2×N×Iosc。在三又四分之一个周期之后，即在7次反转之后，谐振电流的幅度理想地为14×Iosc。
注意，谐振电流幅度的实质增加是在非常短的时间中获得的。考虑例如10kA的电流应该用100kV的保护性电压中断的情况。在这种情况下可以使用具有x0＝8Ω的特性电抗的LC电路。考虑到损耗，在4个周期之后的谐振电流的幅度为约14×Iosc，并且如果Iosc＝1.1×10/14＝0.79kA，则它将比10kA超出10％。所需的dc链路电压是Uosc＝x0×Iosc＝8×0.79＝6.3kV，这仅仅是保护性电压的6.3％。而且，达到该幅度的时间仅仅是4个周期，即10kHz时为400μs，这比机械延迟时间tmech短得多。在使用全桥的电力转换器中每个半导体的额定电压变成Uosc，即保护性电压的6.3％。在全桥中需要四个臂，以使得所有半导体的总额定电压变成保护性电压的25％。
该示例指示了当与通常要求应当使用具有两种极性的针对全部保护性电压额定的半导体的其它已知的布置相比时，根据本发明的电流中断布置10允许半导体设备的数量的大大减少。
图26示出如上所述的电流中断操作的过程。电流中断通常在总谐振电流Io具有与主电流I相同的方向，并且谐振电流的幅度AIo超过主电流的幅度AI时发生。随后，在主电流I对两极体3中的(诸)电容器31充电时直到跨(诸)限压能量吸收设备2的电压达到后者的保护性电压并且其接管了主电流为止，跨主开关1的电压经历了线性电压变化。
当电流中断布置10包括附加支路18时，当在中断操作期间谐振电流Io和主电流I具有相同的方向并且谐振电流Io的幅度超过主电流I的幅度时出现的“反向”电流或即过量电流Isw＝Io-I将由该支路18承载。随后当谐振电流Io的幅度减少时电流中断发生。产生跨两极体3中的(诸)电容器的(诸)电压的线性增加直至其达到对应能量吸收设备2中的保护性电压。
优选地，提供对机械开关1的断开和谐振电流Io的激发的经协调控制以便执行对主电流I的成功电流中断。
当提供切断开关5时，反向传导装置6或协助将主电流I整流到反向传导装置61、62、对对应开关的控制的辅助低压开关7可以优选地被包括在经协调控制方案中。
这些步骤的执行顺序优选地被预定义，以使得在触点分隔之后在断路器中已经构建了耐受两极体3中的能量吸收设备2的电压限制的足够介电隔离强度时，发生经过机械断路器1的电流Isw中的过零。
控制的步骤的协调旨在当通过谐振电流Io产生流经机械开关1的电流中的过零时，确保已经建立足够的触点分隔以便在机械开关1中提供足够的耐压能力，如图27中所解说的。
机械延迟时间通常是已充分定义并且已知的，并且谐振电流的激发的过程是已充分受控的。如果是这种情况，则给予开关的信号优选地在基于参考断开机械开关1的命令的时间延迟来定义的时间序列中给出，如图28中所示。该时间延迟可以依据所测量的主电流I的值来变化。
优选地，依据来自检测触点分隔已经发生或指示在断开操作期间的移动触点的位置的任何传感器的信号来确定给予开关的信号。可选地，可以使用固定时间延迟或依赖于所测量的主电流I和/或谐振电流Io的值或感测到的移动触点速度值的可变时间延迟。一些示例在图29中示出。
优选地，机械断路器1的传导状态由传感器监视，该传感器向管控谐振电流的激发的***发送信息。通常，当机械断路器处于其非传导状态时，激发停止，但是如果在电流中断操作期间出现电压击穿并且机械断路器落回到其传导状态，则激发重新开始。
如果激发谐振电流的幅度AIo超过主电流电平AI的时间长于机械延迟时间，tmech，则一旦主电流I超出比正常断路电平更低的电平就开始激发是有利的，从而维持谐振电流的幅度接近主电流I的幅度，等待最终决定：在机械开关被命令操作并且谐振电流的幅度被控制成超出主电流幅度AI的情况下，执行电流中断，或在谐振电流的激发将被禁止的情况下，不完成电流中断。可以通过禁止电压控制装置4中的所选整流来将谐振电流的幅度维持在或多或少恒定的电平。
发生几个电流中断布置10被串联连接的情况，其目的是限制在电力***中的部分100、200之间经过的主电流I。通常，这样的装置在互连几个HDVC站的dc高压输电线路网中是感兴趣的。这样的dc高压输电线路网可以包含许多dc断路器，并且重要的是在高压输电线路网中有故障时仅相关的dc断路器***作。合适的选择可能需要一些时间，在几个毫秒的量级。在该时间期间可控数目的电流中断布置10的***使得防止主电流I的进一步增加成为可能。
根据本发明的用于中断电流的布置可以在不同的电力网络配置中被使用，其中的三种在示出ac电力网络的图30和示出dc电力网络的图31a-b中进行解说。
已经给出了根据本发明的用于中断电流的布置、***和方法的优选实施例。将理解的是这些实施例可以在所附权利要求的范围内改变，而不背离发明理念。

Claims (33)

1.一种用于中断电流的装置(10)，所述装置(10)包括适用于电连接电力***的两个部分(100、200)的第一端子(11)和第二端子(12)，并且至少包括主支路(15)和两极体(3)，所述主支路(15)包含机械主电路断路器(1)，当所述机械主电路断路器被闭合时所述第一端子(11)和第二端子(12)之间的主电流(I)能够流过所述机械主电路断路器(1)，所述两极体(3)与所述主支路(15)并联连接，所述两极体包括至少一个两极体支路(16)，所述两极体支路(16)包含电容器(31)和能量吸收设备(2)，其中，所述主支路(15)和所述两极体(3)一起形成环路，所述环路包含电感元件(32)和电压控制装置(4)，并且其中所述环路展现出至少一个谐振频率，
其特征在于
-所述电压控制装置(4)在使用中是可控制地以将能量注入所述环路中，以在所述主支路(15)被控制成断开以中断所述主电流(I)时强制流过所述主支路(15)的交流电流(Io)的快速增加，并且藉此通过所述机械主电路断路器(1)的电流(Isw)的过零在所述交流电流(Io)的幅度(AIo)超过所述主电流的幅度(AI)时被实现，
-所述能量吸收设备(2)适用于：当所述机械主电路断路器被断开时限制跨所述电容器(31)和跨所述机械主电路断路器(1)的电压，以及
-所述能量吸收设备(2)适用于：如果在断开过程中或者紧接在断开过程之后跨所述机械主电路断路器(1)的电压击穿，则限制跨电感元件(32)的电压，从而限制通过所述环路的电流的上升率和峰值。
2.如权利要求1所述的用于中断电流的装置(10)，其特征在于，所述两极体(3)包括至少两个两极体支路(16)的并联连接。
3.如权利要求1或2所述的用于中断电流的装置(10)，其特征在于，至少一个两极体支路(16)包括全部串联连接的至少一个电容器(31)、至少一个电感元件(32)和至少一个电压控制装置，以及附加地与所述电容器(31)并联连接的至少一个能量吸收设备(2)。
4.如权利要求1或2所述的用于中断电流的装置(10)，其特征在于，至少一个两极体支路(16)包括全部串联连接的至少一个电容器(31)、至少一个电感元件(32)和一个电压控制装置，以及附加地与所述电容器(31)和所述电压控制装置(4)的串联连接并联连接的至少一个能量吸收设备(2)。
5.如权利要求1或2所述的用于中断电流的装置，其特征在于，所述第一端子(11)和第二端子(12)连接到所述主支路(15)和所述两极体(3)在所述机械主电路断路器(1)的任一侧上接合的点。
6.如权利要求1或2所述的用于中断电流的装置，其特征在于，包括被连接在所述机械主电路断路器(1)的各端子之间的过压降压电路(17)。
7.如权利要求6所述的用于中断电流的装置，其特征在于，所述过压降压电路(17)是包括至少一个电阻器和至少一个电容器的串联连接。
8.如权利要求1或2所述的用于中断电流的装置，其特征在于，包括至少一个切断开关(5)，所述切断开关(5)与所述第一端子(11)和第二端子(12)中的至少一者串联地安排，并且在使用中是可控制地以提供电力***的所述两个部分(100、200)的物理分隔。
9.如权利要求1或2所述的用于中断电流的装置，其特征在于，所述电压控制装置(4)是静态电压源转换器。
10.如权利要求1或2所述的用于中断电流的装置，其特征在于，所述电容器(31)被提供有放电装置(33)。
11.如权利要求1或2所述的用于中断电流的装置，其特征在于，所述机械主电路断路器(1)包括适用于在所述机械主电路断路器的断开过程期间移动的触点，并且其中，所述机械主电路断路器(1)包括至少一个传感器。
12.如权利要求11所述的用于中断电流的装置，其特征在于，所述至少一个传感器在使用时适用于确定在所述机械主电路断路器的断开过程期间所述触点的位置、加速度和速度中的至少一者。
13.如权利要求12所述的用于中断电流的装置，其特征在于，所述至少一个传感器适用于检测物理量。
14.如权利要求13所述的用于中断电流的装置，其特征在于，所述物理量是下述至少一项：电弧电压降、声学现象、电磁辐射、电磁噪声。
15.如权利要求13或14所述的用于中断电流的装置，其特征在于，所述物理量是光、热或X射线辐射。
16.如权利要求1或2所述的用于中断电流的装置，其特征在于，所述至少一个两极体支路(16)包括附加的无源组件，所述无源组件使所述环路展现出若干个谐振频率。
17.如权利要求1或2所述的用于中断电流的装置，其特征在于，所述两极体(3)包括具有不同谐振频率的多个两极体支路(16)，藉此所述环路展现出若干个谐振频率。
18.如权利要求1或2所述的用于中断电流的装置，其特征在于，所述主支路(15)进一步包括与机械主电路断路器(1)串联地安排的可饱和电抗器(8)，以帮助减少通过所述机械主电路断路器的电流的过零附近的电流变化率。
19.如权利要求1或2所述的用于中断电流的装置，其特征在于，进一步包括与所述主支路(15)和所述两极体(3)并联地安排的附加电路支路(18)，所述附加电路支路(18)被提供有反向电流控制装置(6)，以在电流中断期间，提供用于从所述机械主电路断路器(1)离开的反向电流(Io-I)的替换路径。
20.如权利要求19所述的用于中断电流的装置，其特征在于，所述反向电流控制装置(6)包括两个晶闸管(61、62)，所述两个晶闸管被反并联地安排以控制在相反方向上流经所述两个晶闸管的电流。
21.如权利要求20所述的用于中断电流的装置，其特征在于，所述主支路(15)进一步包括与所述机械主电路断路器(1)串联地安排的低压半导体开关(7)，所述低压半导体开关在使用中是可控制地以帮助将所述流经所述两个晶闸管的电流从所述机械主电路断路器(1)转移到所述附加电路支路(18)。
22.如权利要求1或2所述的用于中断电流的装置，其特征在于，所述用于中断电流的装置是dc断路器。
23.如权利要求1或2所述的用于中断电流的装置，其特征在于，所述用于中断电流的装置是限流ac断路器。
24.一种用于中断电流的***，包括至少两个如权利要求1-23中任一项所述的用于中断电流的装置(10)，其中，所述至少两个用于中断电流的装置(10)被串联连接。
25.一种使用如权利要求1-23中任一项所述的用于中断电流的装置(10)来中断电力***中的电流的方法，所述方法包括下述步骤：
-断开所述机械主电路断路器(1)以促成所述机械主电路断路器的触点的分隔并中断具有幅度(AI)的主电流(I)，以及
-控制所述两极体(3)中的所述电压控制装置(4)以激发具有比被中断的主电流(I)的幅度(AI)更高的最大幅度(AIo)的交流电流(Io)，以引起所述主支路(15)中的电流过零。
26.如权利要求25所述的中断电力***中的电流的方法，其特征在于，激发电压控制装置(4)的波形是针对所述环路的滤波器特性来设计的，以提供具有期望波形的交流电流以引起包含所述机械主电路断路器(1)的主支路(15)中的电流过零。
27.如权利要求25-26中任一项所述的中断电力***中的电流的方法，其特征在于，两极体支路(16)的数目、谐振频率及其相应的开始时间被选择以便提供具有期望波形的交流电流以引起包含所述机械主电路断路器(1)的主支路(15)中的电流过零。
28.如权利要求25-26中任一项所述的中断电力***中的电流的方法，其特征在于，断开所述机械主电路断路器和控制所述电压控制装置的步骤被并发且协作执行。
29.如权利要求25-26中的任一项所述的中断电力***中的电流的方法，其特征在于，所述步骤的执行顺序是预定义的，使得在经过所述机械主电路断路器的电流中的过零在相对于介电隔离强度的适当时刻发生，所述介电隔离强度在所述触点彼此分隔时在所述机械主电路断路器中被构建。
30.如权利要求25-26中任一项所述的中断电力***中的电流的方法，其特征在于，所述步骤的顺序以各连续步骤之间的预定义时间延迟来被执行，并且其中，取决于要被中断的所述主电流的幅度，所述预定义时间延迟是恒定的或变化的。
31.如权利要求30所述的中断电力***中的电流的方法，其特征在于，各连续步骤之间的所述预定义时间延迟被选择成使得所述机械主电路断路器的触点分隔距离在最小总时间中足以耐受与所述主支路并联的一第二并联支路的所述能量吸收设备的电压限制。
32.如权利要求30所述的中断电力***中的电流的方法，其特征在于，传感器被用于确定所述各连续步骤之间的所述预定义时间延迟。
33.如权利要求25-26中任一项所述的中断电力***中的电流的方法，其特征在于，一个或几个所述步骤的执行是有条件的，以便具有使得在流过所述机械主电路断路器(1)的电流(Isw)中发生过零的幅度的交流电流被激发并维护，直到做出下述判定：要么执行完整的步骤序列以中断所述主电流(I)，要么不完成所述中断，当判定不完成所述中断时所述交流电流将被抑制。
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