直流斷路器及使用該直流斷路器的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開該涉及直流(DC)斷路器和使用該直流斷路器的方法。更具體地，本公開涉及用于在設(shè)備的維護(hù)或替換時(shí)或者當(dāng)在系統(tǒng)的傳輸線或配電線中發(fā)生故障電流時(shí)快速地且高效地中斷高壓直流電(HVDC)系統(tǒng)以便保護(hù)設(shè)備以及系統(tǒng)的DC斷路器。本公開還涉及使用該DC斷路器的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]—般地，DC斷路器被用于在設(shè)備的維護(hù)或替換時(shí)或者當(dāng)在系統(tǒng)的傳輸線或配電線中發(fā)生故障電流時(shí)快速地且高效地中斷高壓直流電(HVDC)系統(tǒng)以便保護(hù)設(shè)備以及系統(tǒng)。
[0003]最近，DC斷路器趨向于設(shè)計(jì)有功率半導(dǎo)體開關(guān)，其具有較短的響應(yīng)時(shí)間，并且在發(fā)生故障時(shí)很少會損壞相鄰線路。遺憾的是，采用功率半導(dǎo)體開關(guān)的此類DC斷路器遭受大的電流損耗，并且因此不適合于HVDC傳輸。具體地，要求例如大量的功率半導(dǎo)體開關(guān)(約數(shù)十至數(shù)百個功率半導(dǎo)體開關(guān))來傳導(dǎo)HVDC傳輸。另外，此類大量的功率半導(dǎo)體開關(guān)導(dǎo)致電流損耗。
[0004]已經(jīng)提出了用以改善此類缺點(diǎn)的方法，其在圖1和2中示出。將參考圖1和2來描述該方法。
[0005]圖1示出了在參考文獻(xiàn)中公開的固態(tài)斷路器的基礎(chǔ)元件6。固態(tài)斷路器是下面將進(jìn)一步描述的主要和輔助斷路器?；A(chǔ)元件6包括設(shè)置在第一電流方向4上的功率半導(dǎo)體開關(guān)I和反并聯(lián)地連接到功率半導(dǎo)體開關(guān)I的續(xù)流二極管(free-wheeling d1de) 2。
[0006]在圖2中描繪的設(shè)備的示例中使用基礎(chǔ)元件6。斷路器13如圖2中所示與傳輸線14串聯(lián)連接。傳輸線14是HVDC傳輸線。斷路器13包括主斷路器8，其包括:數(shù)十個至數(shù)百個(取決于電壓水平)串聯(lián)連接的基礎(chǔ)元件6 ;被并聯(lián)連接到主斷路器8的非線性電阻器11 ;以及被串聯(lián)連接的高速開關(guān)10和輔助斷路器9，其被并聯(lián)連接到主斷路器8和非線性電阻器11。輔助斷路器9包括僅一個基礎(chǔ)元件6。雖然高速開關(guān)10被示為一個機(jī)械開關(guān)，但其包括被串聯(lián)連接并同時(shí)地操作的至少兩個機(jī)械開關(guān)。反應(yīng)器12被串聯(lián)連接到斷路器13以限制電流額定值。
[0007]在參考文獻(xiàn)中公開的斷路器13的操作如下。
[0008]在額定電流操作期間，高速開關(guān)10以及主斷路器8和輔助斷路器9被閉合，使得額定電流流過高速開關(guān)10和輔助斷路器9。
[0009]當(dāng)由在線路上發(fā)生的缺陷引起故障電流時(shí)，輔助斷路器9在接收到輔助斷路器打開信號之后的幾微秒內(nèi)立即打開，促使故障電流流向主斷路器8。高速開關(guān)10等待一會兒以確信輔助斷路器9被打開，并且然后被打開。在高速開關(guān)10的打開被打開之后，主斷路器8在幾微秒內(nèi)立即被打開。當(dāng)主斷路器8被打開時(shí)，故障電流被引導(dǎo)流向非線性電阻器11，并且然后電流水平減小且電壓被限制。
[0010]然而，參考文獻(xiàn)中的主斷路器8要求被串聯(lián)連接的數(shù)十至數(shù)百個功率半導(dǎo)體開關(guān)以供在幾百kV下操作的HVDC系統(tǒng)中使用。由于功率半導(dǎo)體開關(guān)是昂貴的，所以DC斷路器的制造成本增加。。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]鑒于上述內(nèi)容，本公開提供了一種DC斷路器以及使用該DC斷路器的方法，該DC斷路器可以減少額定電流操作期間的傳導(dǎo)損耗，并且可以通過在不采用功率半導(dǎo)體的情況下構(gòu)造主斷路器來以低成本制造。
[0012]根據(jù)本公開的一方面，提供了一種DC斷路器。該DC斷路器包括:第一線路20，其中，第一高速開關(guān)21和功率半導(dǎo)體開關(guān)22被串聯(lián)連接；至少一個第二線路30，其中，多個第二高速開關(guān)31、多對并聯(lián)連接的第一非線性電阻器32和電力熔絲33、以及電阻器被串聯(lián)連接；以及第三線路40，其包括第二非線性電阻器。此外，第一線路、第二線路以及第三線路被并聯(lián)連接。
[0013]可將第二高速開關(guān)分別地在所述多對之前和之后布置在第二線路中。
[0014]第二高速開關(guān)可具有低于第一高速開關(guān)的電壓容量。
[0015]功率半導(dǎo)體開關(guān)可以是絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOS)、集成門極換流晶閘管(IGCT)以及門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)。
[0016]該DC斷路器還可包括:電流測量單元，其設(shè)置在被并聯(lián)連接的第一線路、第二線路和第三線路的并聯(lián)連接之前。
[0017]DC斷路器還可包括:快速故障檢測器，其被連接到電流測量單元并被配置成向第一高速開關(guān)和第二高速開關(guān)或功率半導(dǎo)體開關(guān)發(fā)送打開信號。
[0018]DC斷路器可包括被配置成被并聯(lián)連接的多個第二線路。
[0019]DC斷路器可由被串聯(lián)連接的單元器件組成，其中的每一個是上述DC斷路器中的一個，其中第一線路、第二線路和第三線路被并聯(lián)連接。
[0020]根據(jù)本公開的另一方面，提供了一種使用DC斷路器的方法。該方法包括:制備DC斷路器，其包括:第一線路，其中，第一高速開關(guān)和功率半導(dǎo)體開關(guān)被串聯(lián)連接；第二線路，其中，多個第二高速開關(guān)、多對并聯(lián)連接的的第一非線性電阻器和電力熔絲、以及電阻器被串聯(lián)連接；以及第三線路，其包括第二非線性電阻器；打開第一高速開關(guān)且然后在預(yù)定時(shí)間段之后關(guān)斷功率半導(dǎo)體開關(guān)，使得電流繞過第一線路而流至第二線路；在電力熔絲被熔化時(shí)中斷流過第二線路的電流，流過第二線路的此電流被引導(dǎo)流至第三線路；并且通過第二非線性電阻器來減小流過第三線路的電流。
[0021]該方法還可包括在所述制備之后通過電流測量單元來檢測故障電流。
[0022]該方法還包括如果由電流測量單元檢測到故障電流，則通過使用快速故障檢測器來向第一高速開關(guān)、第二高速開關(guān)和功率半導(dǎo)體開關(guān)發(fā)送打開信號。
[0023]為了在穩(wěn)態(tài)電流流動的同時(shí)中斷額定電流以用于設(shè)備維護(hù)，可首先打開第二高速開關(guān)，并且然后在預(yù)定時(shí)間段之后打開第一高速開關(guān)。
[0024]用根據(jù)本公開的方面的DC斷路器，可以通過出于斷開故障電流的目的將斷路器配置成包括高速開關(guān)及多對非線性電阻器和限流電力熔絲來降低制造成本。
[0025]此外，由于限流電力熔絲的優(yōu)點(diǎn)在于其具有小的尺寸但卻大的斷路容量，所以DC斷路器可以被制得較小且較輕并容易維護(hù)。
[0026]在使用根據(jù)本公開的另一方面的DC斷路器的方法中，可使DC斷路器在兩個不同模式下操作:用于設(shè)備的維護(hù)和替換目的的額定電流中斷模式、和當(dāng)在線路中發(fā)生故障時(shí)的故障電流中斷模式。因此，可以避免替換限流電力熔絲(這在系統(tǒng)被中斷時(shí)在系統(tǒng)中頻繁地發(fā)生)。結(jié)果，可以進(jìn)一步降低維護(hù)成本。
【附圖說明】
[0027]根據(jù)結(jié)合附圖給出的示例性實(shí)施例的以下描述，本公開的上述及其它方面、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見，在所述附圖中:
[0028]圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的DC斷路器的元件的框圖；
[0029]圖2是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的DC斷路器的元件的框圖；
[0030]圖3是根據(jù)本公開的實(shí)施例的DC斷路器的框圖。
[0031]圖4是根據(jù)本公開的另一實(shí)施例的DC斷路器的框圖；以及
[0032]圖5是根據(jù)本公開的另一實(shí)施例的DC斷路器的框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面將參考附圖來詳細(xì)地描述本公開的優(yōu)選示例性實(shí)施例。將詳細(xì)地描述本公開以使得本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠容易地實(shí)施本公開。然而，本公開的技術(shù)思想和范圍不限于此。
[0034]將參考附圖來詳細(xì)地描述根據(jù)本公開的實(shí)施例的DC斷路器。
[0035]圖3是根據(jù)本公開的實(shí)施例的DC斷路器的框圖。
[0036]參考圖3，DC斷路器包括:第一線路20，其中，高速開關(guān)21和功率半導(dǎo)體開關(guān)22被串聯(lián)連接；第二線路30，其中，高速開關(guān)31、多對并聯(lián)連接的非線性電阻器32和電力熔絲33、以及電阻器36被串聯(lián)連接；以及第三線路40，其包括非線性電阻器41。第一線路20、第二線路30以及第三線路40被相互并聯(lián)地連接。
[0037]第一線路20由被串聯(lián)連接的高速開關(guān)21和功率半導(dǎo)體開關(guān)22組成。第一線路20負(fù)責(zé)額定電流的傳導(dǎo)。也就是說，第一線路20充當(dāng)主電路。
[0038]高速開關(guān)21將有效地控制在電力系統(tǒng)中發(fā)生的故障電流，并被用來引導(dǎo)故障電流快速地流至另一電路。
[0039]高速開關(guān)21包括:被連接到主電路且被配置成打開和閉合主電路的真空斷路器、被耦合到真空斷路器的可活動部分并提供接觸壓力的接觸壓力彈簧、被連接到接觸壓力彈簧的絕緣棒、被連接到所述絕緣棒并提供用于打開和閉合的驅(qū)動力的永磁致動器、被連接到所述永磁致動器的驅(qū)動線圈、向所述驅(qū)動線圈或線圈部分提供放電電流的電容器等。可使用在交流電(AC)電力系統(tǒng)中所使用的典型斷路器作為高速開關(guān)21。在那種情況下，取決于施加于第一線路20的電壓水平，可使用氣體絕緣開關(guān)設(shè)備、真空斷路器等。
[0040]功率半導(dǎo)體開關(guān)22被用于功率轉(zhuǎn)換和控制中的高電壓和大電流?？梢酝ㄟ^使用可以執(zhí)行電流的接通和關(guān)斷的IGBT (絕緣柵雙極晶體管)、M0SFET (金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)、IGCT(集成門極換流晶閘管)、GT0(門極可關(guān)斷晶閘管)來配置功率半導(dǎo)體開關(guān)22。
[0041]第二線路20由高速開關(guān)31、多對電力熔絲33和非線性電阻器32、以及電阻器36組成。也就是說，一個電力熔絲33和一個非線性電阻器32被并聯(lián)連接為一對，并且多個這種對被串聯(lián)連接為多個級。當(dāng)發(fā)生故障電流時(shí)，第二線路300限制并斷開故障電流。也就是說，第二線路30充當(dāng)主斷開電路。
[0042]電力熔絲33被構(gòu)造成具有低于功率半導(dǎo)體開關(guān)22的電壓容量。電力熔絲33可以是限流電力熔絲。在相應(yīng)對中的每個電力熔絲33將施加于直流斷路器的電壓相等地劃分。
[0043]例如可使用放電器(arrestor)作為非線性電阻器32。非線性電阻器32針對在電流被中斷時(shí)施加于電力熔絲33的過電壓而保護(hù)設(shè)備。
[0044]被并聯(lián)連接的一對電力熔絲33和非線性電阻器32組成單元。此類單元的數(shù)目是根據(jù)DC斷路器的電壓水平確定的。
[0045]第二高速開關(guān)31被分別地設(shè)置在被串聯(lián)連接的所述多對之前和之