使輸電線路或配電線路的電流斷路的裝置和方法以及限流布置的制作方法
【專利說明】使輸電線路或配電線路的電流斷路的裝置和方法以及限流
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布直
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及使流經(jīng)輸電線路或配電線路的電流斷路的裝置，其中包括主斷路器和非線性電阻器的并聯(lián)連接，主斷路器包括第一電流方向的至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)。此外，本發(fā)明涉及一種使用該裝置的方法，其中該裝置與輸電線路或配電線路串聯(lián)連接。本發(fā)明更進(jìn)一步涉及一種限流布置，其中包括至少兩個(gè)上述裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]最初，相關(guān)于能夠使流經(jīng)輸電線路的電流斷路的高壓DC斷路器、即開關(guān)裝置的領(lǐng)域來進(jìn)行本發(fā)明，其中線路處于高于50kV的電壓電平。但是，本發(fā)明也可應(yīng)用到用于中壓DC配電、即用于大約IkV與50kV之間的DC電壓范圍的斷路器，以及本發(fā)明的一些實(shí)施例甚至可應(yīng)用到用于任何電壓電平的AC輸電和配電的斷路器，下面進(jìn)行描述。
[0003]在EP 0867998 BI中，提出使用至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)和浪涌分流器的并聯(lián)連接來中斷通過高壓直流(HVDC)網(wǎng)絡(luò)的電流。其基于的思路是提供固態(tài)DC斷路器，固態(tài)DC斷路器遠(yuǎn)比通常已知的機(jī)械DC斷路器更快地對(duì)跳閘信號(hào)作出反應(yīng)，并且由此降低故障情況下在HVDC網(wǎng)絡(luò)中形成破壞性高電流的風(fēng)險(xiǎn)。
[0004]實(shí)際上，然而固態(tài)DC斷路器、即能夠使DC電流斷路并且包括至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)的斷路器由于這類斷路器的高電流損耗而沒有用于HVDC輸電系統(tǒng)。這是由于如下事實(shí):一方面的高工作電壓以及另一方面的目前市場(chǎng)銷售的單功率半導(dǎo)體開關(guān)的較低額定電壓使得需要固態(tài)DC斷路器由相當(dāng)大數(shù)量的串聯(lián)連接的功率半導(dǎo)體開關(guān)來構(gòu)建。這個(gè)數(shù)量在數(shù)百kV的HVDC電壓電平的情況下能夠易于達(dá)到數(shù)百。在HVDC輸電系統(tǒng)的正常操作期間，DC斷路器以及由此其全部功率半導(dǎo)體開關(guān)將接通，從而使功率半導(dǎo)體開關(guān)受到連續(xù)電流應(yīng)力。所產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)損耗達(dá)到通過DC斷路器所傳遞的能量的0.2與0.3%之間。在適合于640kV的線電壓和2kA的標(biāo)準(zhǔn)額定電流的固態(tài)DC斷路器的情況下，這些穩(wěn)態(tài)損耗等于3MW，這多達(dá)640kV的已知HVDC功率轉(zhuǎn)換器的損耗的大約一半。這些損耗在固態(tài)斷路器的使用壽命期間引起顯著成本，特別是在例如具有若干DC開關(guān)場(chǎng)的將來DC電網(wǎng)應(yīng)用中使用許多固態(tài)斷路器的情況下。
[0005]在EP 1377995 BI中，提供一種機(jī)械開關(guān)，該機(jī)械開關(guān)尤其適合與固態(tài)斷路器并聯(lián)使用，以便降低斷路器的穩(wěn)態(tài)損耗。機(jī)械開關(guān)具有相互串聯(lián)設(shè)置的多個(gè)斷路點(diǎn)，這些斷路點(diǎn)同時(shí)地并且與其它機(jī)械開關(guān)相比以高速度、即在大約Ims的時(shí)間范圍之內(nèi)來操作。當(dāng)固態(tài)斷路器處于閉合狀態(tài)時(shí)，機(jī)械開關(guān)也閉合并且傳導(dǎo)電流，而斷路器的功率半導(dǎo)體元件是無電流的并且由此是無損耗的。如果將要執(zhí)行斷路操作，則首先斷開機(jī)械開關(guān)，使得電流換向到斷路器，并且此后斷開斷路器。
[0006]這種布置具有兩個(gè)主要缺點(diǎn)。一方面，機(jī)械開關(guān)主動(dòng)使電流斷路，以便將其變換到固態(tài)斷路器。這引起電弧，電弧在開關(guān)的斷路點(diǎn)處發(fā)生并且導(dǎo)致對(duì)應(yīng)觸點(diǎn)的過早磨損，由此僅在幾次開關(guān)操作之后便要求維護(hù)開關(guān)。另一方面，要注意，機(jī)械開關(guān)預(yù)計(jì)用于12-36kV的電壓范圍。相應(yīng)地，對(duì)于數(shù)百kV的高壓應(yīng)用，多個(gè)機(jī)械開關(guān)的串聯(lián)連接將是必要的。為了確保電壓均勻地分布于串聯(lián)連接的開關(guān)，特別是對(duì)于操作速度在開關(guān)之間略有不同的情況，要求并聯(lián)連接的電容器。這相當(dāng)大地增加設(shè)備成本。
[0007]本發(fā)明的一個(gè)目的是發(fā)現(xiàn)一種用于HVDC斷路器的備選解決方案，用以降低功率半導(dǎo)體開關(guān)的穩(wěn)態(tài)損耗，同時(shí)避免以上結(jié)合EP 1377995 BI所述的缺點(diǎn)。
[0008]這個(gè)目的通過如獨(dú)立權(quán)利要求所述的裝置和方法來實(shí)現(xiàn)。
[0009]按照本發(fā)明，除了主斷路器和非線性電阻器的已知并聯(lián)連接之外，其中主斷路器包括第一電流方向的至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)_(又稱作斷路裝置的)要使流經(jīng)輸電線路或配電線路的電流斷路的裝置還包括其中包含至少一個(gè)機(jī)械開關(guān)的高速開關(guān)和輔助斷路器的串聯(lián)連接，其中串聯(lián)連接與并聯(lián)連接進(jìn)行并聯(lián)連接。輔助斷路器相比主斷路器具有更小的導(dǎo)通電阻，并且包括第一電流方向的至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)。術(shù)語“導(dǎo)通電阻”指的是流經(jīng)被接通的功率半導(dǎo)體開關(guān)的電流的電阻。換言之，輔助斷路器相比主斷路器具有更低的導(dǎo)通電壓降。
[0010]建議按照如下方式來使用按照本發(fā)明的裝置:該裝置要與經(jīng)過輸電線路或配電線路、優(yōu)選地為HVDC輸電線路的電流通路串聯(lián)連接，并且在正常操作下，裝置的輔助斷路器和高速開關(guān)要閉合，這對(duì)于輔助斷路器意味著相應(yīng)功率半導(dǎo)體開關(guān)要接通。在再次斷開輔助斷路器之前的適當(dāng)時(shí)間點(diǎn)，閉合主斷路器，即，其半導(dǎo)體開關(guān)接通。如果此后接收到輔助斷路器斷開信號(hào)，則斷開輔助斷路器，由此將電流變換到主斷路器，然后，斷開高速開關(guān)，以及如果接收到主斷路器斷開信號(hào)，則最后斷開主斷路器。因此，電流從主斷路器換向(commutate over)到非線性電阻器，其中降低了電流電平并且限制了電壓。從這種方法變得顯而易見，需要高速開關(guān)來將輔助斷路器與線路分離，以便防止將全電壓施加到輔助斷路器。
[0011]特別是對(duì)于高電壓DC應(yīng)用，按照本發(fā)明的裝置以及所提出的裝置使用方法尤其具有下列優(yōu)點(diǎn):
[0012]-穩(wěn)態(tài)損耗降低，因?yàn)樵谡２僮髌陂g，電流不再流經(jīng)主斷路器，而是流經(jīng)作為幾乎完全沒有損耗的機(jī)械開關(guān)的高速開關(guān)，以及流經(jīng)相比主斷路器具有更低的導(dǎo)通電阻并且由此具有更低的導(dǎo)通電壓降的輔助斷路器。由于主斷路器的穩(wěn)態(tài)損耗消失，所以主斷路器不再有熱過載的傾向，使得不再要求主斷路器的主動(dòng)冷卻。對(duì)于輔助斷路器，優(yōu)選的是，與主斷路器相比，導(dǎo)通電壓降小得多，由此損耗小得多，使得在此任一處都不要求主動(dòng)冷卻。
[0013]-為了將電流換向到主斷路器，不再是機(jī)械開關(guān)必須首先中斷電流，而是改為固態(tài)輔助斷路器。相應(yīng)地，因電弧引起的機(jī)械觸點(diǎn)的磨損的問題不再存在，這降低維護(hù)工作量，并且增加整體斷路裝置的可靠性和使用壽命。相應(yīng)地，高速開關(guān)只是快速操作隔離開關(guān)就已足夠。
[0014]-由于主斷路器僅在到非線性電阻器的變換之后的有限時(shí)間段期間才經(jīng)受全電壓，所以變得有可能在主斷路器的串聯(lián)連接中添加另外的功率半導(dǎo)體開關(guān)，以便確保可靠電壓分布，而無需增加總損耗。
[0015]-相關(guān)于對(duì)其功率半導(dǎo)體開關(guān)之一中故障的響應(yīng)，進(jìn)一步簡(jiǎn)化主斷路器的設(shè)計(jì)。在一些已知功率半導(dǎo)體開關(guān)中，規(guī)定不可操作開關(guān)自動(dòng)短路，以便允許另一個(gè)冗余功率半導(dǎo)體開關(guān)接管操作。但是，這種短路故障模式實(shí)際上能夠是不穩(wěn)定模式，其穩(wěn)定性僅能夠確保有限時(shí)間段。通過所提出的裝置，在主和/或輔助斷路器均可包括冗余功率半導(dǎo)體開關(guān)的情況下，這對(duì)于主斷路器不再帶來問題，因?yàn)橹鲾嗦菲鲀H在極短時(shí)間段才處于全操作，使得不要求最佳短路故障模式。
[0016]-主斷路器上以及由此其功率半導(dǎo)體開關(guān)上的電壓和電流應(yīng)力得到大大降低，由此降低功率半導(dǎo)體開關(guān)的故障率并且增加主斷路器的可靠性。
[0017]-在較高電壓的情況下，在高速開關(guān)不僅包括一個(gè)機(jī)械開關(guān)而且包括串聯(lián)連接的數(shù)個(gè)機(jī)械開關(guān)的情況下，跨串聯(lián)連接開關(guān)的均勻電壓分布的問題不再成為難題，因?yàn)樵跓o電流和無電壓狀況下斷開高速開關(guān)。因此，將不需要并聯(lián)連接的電容器，這大大降低了成本。
[0018]在裝置的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，主斷路器相比輔助斷路器具有更高的額定電壓阻塞能力。這例如可通過提供作為主斷路器的至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，該開關(guān)具有數(shù)百kV的電壓阻塞能力，同時(shí)輔助斷路器的至少一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)的電壓阻塞能力處于僅幾kV。實(shí)現(xiàn)這個(gè)方面的另一種可能性是將不同類型的功率半導(dǎo)體開關(guān)，例如至少一個(gè)IGBT (絕緣柵雙極晶體管)用于主斷路器，而將至少一個(gè)MOSFET (金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)用于輔助斷路器，因?yàn)榫哂斜菼GBT更小的電壓斷路能力是MOSFET的固有特性。可使用的其它類型的功率半導(dǎo)體開關(guān)是IGCT(集成門極換流晶閘管)或GT0(門極可關(guān)斷晶閘管)。應(yīng)當(dāng)注意，所述的所有這些類型均屬于具有接通和關(guān)斷能力的功率半導(dǎo)體開關(guān)組。
[0019]在這個(gè)實(shí)施例的一個(gè)特定發(fā)展中，主斷路器包括第一電流方向的至少兩個(gè)串聯(lián)連接的功率半導(dǎo)體開關(guān)，輔助斷路器包括第一電流方向的、具有與主斷路器的功率半導(dǎo)體開關(guān)相同的電壓阻塞能力的至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)，并且主斷路器相比輔助斷路器始終包括更大數(shù)量的功率半導(dǎo)體開關(guān)。
[0020]這個(gè)實(shí)施例特別適合于其中電壓電平要求主斷路器由功率半導(dǎo)體開關(guān)的串聯(lián)連接來構(gòu)建的較高電壓應(yīng)用。對(duì)于輔助斷路器，使用相同種類的功率半導(dǎo)體開關(guān)，但是由于輔助斷路器無需耐受全電壓，所以僅要求幾個(gè)串聯(lián)連接的功率半導(dǎo)體開關(guān)，大致在I個(gè)與最多10個(gè)之間。對(duì)于數(shù)百kV的高電壓應(yīng)用，在主斷路器包括高達(dá)數(shù)百個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)的串聯(lián)連接的情況下，主斷路器與輔助斷路器之間的導(dǎo)通電阻的差變得相當(dāng)大，因?yàn)閷?duì)于輔助斷路器，仍然僅需要一個(gè)或幾個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)。與主斷路器的上述0.2至0.3%相比，輔助斷路器的穩(wěn)態(tài)損耗在這種情況下估計(jì)為達(dá)到少至小于通過裝置所傳遞的能量的0.002%。相關(guān)于冗余功率半導(dǎo)體開關(guān)以及對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)之一中故障的響應(yīng)的上述設(shè)計(jì)問題在按照本發(fā)明的裝置中僅對(duì)于輔助斷路器才是相關(guān)的，其中在正常操作條件下電流永久地流經(jīng)輔助斷路器。但是，由于對(duì)于輔助斷路器僅需要幾個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)，所以例如通過將一個(gè)或兩個(gè)冗余功率半導(dǎo)體開關(guān)與至少一個(gè)功率半導(dǎo)體開關(guān)串聯(lián)連接的可靠冗余度解決方案的成本能夠保持$父低。
[0021]在使用所述裝置的方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，在生成和發(fā)送主斷路器斷開信號(hào)之前生成和發(fā)送輔助斷路器斷開信號(hào)。輔助斷路器斷開信號(hào)和主斷路器斷開信號(hào)的生成和發(fā)送能夠由一個(gè)或多個(gè)不同的感測(cè)和/或保護(hù)部件來執(zhí)行，這些部件監(jiān)測(cè)輸電線路和/或諸如電力轉(zhuǎn)換器、變壓器、其它斷路裝置或者另外線路之類的其它電氣裝置的狀態(tài)，并且在故障情況下接線地或無線地向裝置發(fā)送斷開信號(hào)。在該備選方案中，一個(gè)或兩個(gè)斷開信號(hào)能夠在裝置中內(nèi)部生成，取決于從外部感測(cè)和/或保護(hù)部件所接收的感測(cè)結(jié)果和/或保護(hù)信號(hào)，這意味著，斷開信號(hào)可以不一定在物理上經(jīng)由裝置內(nèi)部的數(shù)據(jù)通信總線來發(fā)送和接收，而是也可在內(nèi)部存儲(chǔ)器中簡(jiǎn)單地表示為變量。在后一種情況下，從存儲(chǔ)器中讀取這些變量的任一個(gè)變量的過程將被理解為接收對(duì)應(yīng)斷開信號(hào)。
[0022]在主斷路器斷開信號(hào)之前生成和發(fā)送輔助斷路器斷開信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)在于，這個(gè)功能可用于通過在最終進(jìn)行斷路判定之前斷開輔助斷路器來改進(jìn)裝置對(duì)實(shí)際斷路判定的響應(yīng)速度。實(shí)際上，在進(jìn)行斷路判定并且發(fā)送主斷路器斷開信號(hào)之前，必須處理來自不同來源的狀態(tài)和感測(cè)信號(hào)以便判定是否實(shí)際發(fā)生要求使線路中的電流斷路的故障的保護(hù)部件需要高達(dá)數(shù)毫秒。已知斷路器在接收到這個(gè)主斷路器斷開信號(hào)時(shí)的時(shí)間點(diǎn)之后作出響應(yīng)，即，有可能的是，輔助斷路器斷開信號(hào)也僅在斷路判定被進(jìn)行之后發(fā)送。通過按照這個(gè)實(shí)施例的方法，輔助斷路器以及還有高速開關(guān)將優(yōu)選地在斷路判定被進(jìn)行之前已經(jīng)斷開，使得對(duì)斷路判定的響應(yīng)時(shí)間剛好降低到僅幾微秒的主斷路器的極短斷開時(shí)間，因?yàn)殡娏髟谙惹耙呀?jīng)變換到主斷路器。相應(yīng)地，能夠執(zhí)行僅花費(fèi)幾微秒的極快電流斷路動(dòng)作，而沒有已知的基于固態(tài)斷路器的解決方案的缺點(diǎn)。
[0023]例如，如同方法的實(shí)施例之一中那樣，可緊接在輸電線路或配電線路中超過第一電流極限之后斷開輔助斷路器。對(duì)于已知電流斷路器，對(duì)應(yīng)斷開信號(hào)不是在超過電流極限之后立