电路中断设备的制造方法

文档序号:8436073阅读:297来源:国知局
电路中断设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种在高压直流(HVDC)电力传输中使用的开关设备,包括至少一个这样的开关设备的电路中断设备,以及撬杆电路(crowbar circuit)。
【背景技术】
[0002]在输电网络中,交流(AC)电力通常被转换成直流电(DC)电力以用于经由架空线路和/或海底电缆传输。此转换不需要补偿由传输线路或电缆所施加的AC电容性负载的影响,由此减少了线路和/或电缆的每公里成本。当需要长距离传输电力时,从AC到DC的转换从而变得具有成本效益。
[0003]从AC到DC的电力转换还用于有必要互连运行于不同频率的AC网络的输电网络中。在任何这样的输电网络中,在AC和DC电力的每个交接处均需要转换器来实现所需的转换。
[0004]HVDC转换器容易受到DC侧故障或其他异常运行状况的影响,其他异常运行状况能够呈现具有跨DC输电线路或电缆的低阻抗的短路。这样的故障可能是由于绝缘的损坏或击穿、雷击、导体的移动或由外物导致的导体之间的其他意外桥接而发生。
[0005]跨DC输电线路或电缆的低阻抗的存在可能不利于HVDC转换器。有时转换器的固有设计意味着其在这样的条件下不能限制电流,导致发展成超过HVDC转换器的额定电流的高故障电流。这样的高故障电流不仅损害HVDC转换器的部件,还导致HVDC转换器离线一段时间。这导致维修和维护受损电气设备硬件的成本增加,并给依靠电气装置工作的终端用户带来不便。因此,能够在检测出高故障电流时立即中断高故障电流很重要。
[0006]在转换器控制不能用任何其他手段限制故障电流的情况下,保护HVDC转换器免受来自DC侧故障影响的常规手段是使AC侧断路器跳闸,从而去除通过HVDC转换器将故障馈送到DC侧的电流供应。这是因为目前还没有可商购的HVDC断路器设计。此外,目前几乎所有的HVDC方案是具有连接到DC侧的两个HVDC转换器的点对点方案,其中一个HVDC转换器作为具有电力整流能力的电源,而另一个HVDC转换器作为具有电力逆变能力的电力负载。因此,因为在点对点方案中存在故障需要中断电力流动以允许清除故障,所以使AC侧断路器跳闸是可以接受的。
[0007]一类新的HVDC输电网络正被考虑用于长距离移动大量电力,以满足地理上分散的可再生形式的发电的要求,并且用能够支持现代电力交易要求的智能电网的智能和功能对AC输电网络的现有能力进行增强。
[0008]这样的HVDC输电网络需要HVDC转换器的多端子互连,从而可以使用并行工作的三个或更多个HVDC转换器在DC侧交换电力。每个HVDC转换器用作源或蓄能库(sink),以维持网络的整体输入-输出电力平衡,同时根据需要交换电力。HVDC输电网络中的故障必须迅速与网络的其余部分隔离和分离,以便使得网络能够尽快恢复正常电力输送。
[0009]传统的AC断路器的电流中断是在电流达到电流零点时实施的,从而大大降低了中断任务的难度。因此,在传统的断路器中,如果未在用于中断电流的限定时间段内出现电流零点,则存在损坏电流中断设备的风险。因此,由于不像AC电流会自然发生电流零点,DC电流不能自然达到电流零点,所以本质上难以实施DC电流中断。
[0010]EP0867998B1公开了一种固态的DC断路器,包括串联连接的IGBT的层叠结构,其并联有金属氧化物电涌吸收器(surge arrester) ο该方案实现了几毫秒范围内的响应时间,但具有尚稳态电力损耗的缺点。

【发明内容】

[0011]根据本发明的第一方面,提供了一种开关设备,包括:
[0012]初级开关块,包括:
[0013]至少一个开关模块,所述开关模块或每个开关模块包括至少一个半导体开关,所述至少一个半导体开关是可切换的以选择性地允许电流流过该开关模块;以及
[0014]切换控制单元,用以控制所述半导体开关或每个半导体开关的切换;其中所述开关设备还包括撬杆电路,
[0015]所述撬杆电路包括:
[0016]撬杆开关,是可切换的以选择性地允许电流流过所述撬杆开关,以便绕开所述开关丰旲块或每个开关t旲块;以及
[0017]次级开关块,包括开关元件,所述开关元件跨接所述撬杆开关的控制电极和阴极两端,所述开关元件是可切换的以选择性地允许非零电压施加在所述控制电极和阴极两端,以便保持所述撬杆开关处于截止状态或将所述固态开关切换到导通状态,
[0018]其中当所述开关元件在使用中接收控制信号时,所述开关元件被切换为导通以保持所述撬杆开关处于截止状态,并且当所述开关元件在使用中未接收控制信号时,所述开关元件被切换为截止以便将所述撬杆开关切换到导通状态,并且
[0019]所述开关元件与所述切换控制单元通信,用以在使用中当所述初级开关块在预定操作参数内运行时接收通过所述切换控制单元生成的控制信号。
[0020]初级开关块中的开关模块和半导体开关的数量根据开关设备的电流和电压要求可以不同。
[0021]在开关设备的正常运行过程中,切换控制单元控制所述或每个半导体切换到导通或截止,以控制电流流过初级开关块,并且因此流过开关设备。当所述初级开关块的所述或每个半导体开关和切换控制单元运行在预定的运行参数内时,即它们正常运行时,切换控制单元生成控制信号并将控制信号发送到开关元件。只要所述初级开关块的所述或每个半导体开关和切换控制单元运行在预定的运行参数内,切换控制单元就连续地生成控制信号并将控制信号发送至开关元件。
[0022]在从切换控制单元接收到控制信号时,开关元件被切换为导通,即它被闭合,或在它已经导通的情况下保持导通。这导致撬杆开关的控制电极和阴极经由闭合的开关元件而连接。这意味着,非零电压无法施加在撬杆开关的控制电极和阴极两端以便将撬杆开关切换到其导通状态。于是,撬杆开关被保持在其截止状态,并且不能传导电流。
[0023]在切换控制单元故障的情况下,所述或每个半导体开关不能被控制为导通以允许电流流过相应的开关模块。这可能对开关设备安全传导电流的能力产生不利影响。类似地,在一个或多个半导体开关的故障导致开路条件的情况下,无法导通所述或每个故障半导体开关也可能对开关设备安全传导电流的能力产生不利影响。考虑后一种情况对于具有至少一个开关模块的开关设备特别重要,所述至少一个开关模块包括一个或多个可商购的半导体开关(诸如IGBT),其在开路故障模式中通常发生故障。
[0024]切换控制单元和/或一个或多个半导体开关的故障意味着初级开关块无法在预定运行参数内操作。这将导致切换控制单元自动停止生成控制信号。初级开关块的预定运行参数可以被选择为使得在切换控制单元停止生成控制信号之前可以发生多个半导体开关的故障而不仅是单个半导体开关的故障。
[0025]当开关元件从切换控制单元未接收到任何控制信号时,开关元件被切换为截止,即它被断开。开关元件的断开状态导致撬杆开关的控制电极和阴极断开连接。这意味着,非零电压可以施加在撬杆开关的控制电极和阴极两端以便将撬杆开关切换到其导通状态,使得撬杆开关可以传导电流。以这种方式,撬杆开关为流过开关设备的任何电流提供了可选的安全传导电流路径,从而允许开关设备安全地传导电流。
[0026]撬杆开关可以是但不限于,固态开关(例如晶闸管)、闸流管或触发火花隙。
[0027]优选地,所述撬杆开关具有短路故障模式,在短路故障模式中,在所述撬杆开关发生故障时,故障撬杆开关形成短路,使得在使用中允许电流流过所述撬杆开关。例如,这样的撬杆开关可以是本身具有短路故障模式的压接晶闸管。
[0028]撬杆开关的故障可能由次级开关块的一个或多个部件的故障(这阻止撬杆开关切换到其导通状态)以及撬杆开关两端的电压的上升超过安全电压水平引起。但是,即使次级开关块的一个或多个部件故障阻止撬杆开关切换到其导通状态以传导电流,撬杆开关的短路故障模式也确保撬杆开关仍能够为流过开关设备的任何电流提供短路形式的可选的安全电流路径,从而允许开关设备安全地传导电流。
[0029]因此,在开关设备中包括撬杆电路为开关设备提供了选择性地形成保护性电流旁路的能力,以便允许任何流过开关设备的电流在必要时绕开初级开关块。这确保单个部件故障不会导致没有通过开关设备的安全电流路径的情况,从而提高了开关设备的可靠性。
[0030]此外,上述撬杆电路的配置的有利之处还在于其允许撬杆电路迅速、可靠地响应切换控制单元和/或一个或多个半导体开关的故障事件。这是因为故障事件的发生导致切换控制单元自动停止生成控制信号,并且还因为可能不需要检测故障事件以使得切换控制单元停止生成控制信号。这从而允许响应于故障事件快速和可靠地使得开关元件截止,以将撬杆开关切换到其导通状态,以便形成保护性电流旁路。
[0031]与此相反,在故障事件之后,依赖于控制信号的生成以触发撬杆的撬杆电路需要检测故障事件然后生成控制信号的步骤,这将会减慢撬杆电路对故障事件的响应。而且,这种撬杆电路不仅需要额外的电路来进行检测故障事件并生成控制信号的步骤,而且还需要额外的电路来连续地运行,以便避免未检测到故障事件和/或不生成控制信号的风险。包括这样的附加电路将增加开关设备的尺寸、重量和成本,并对撬杆电路的性能和可靠性产生不利影响。
[0032]在本发明的实施例中,所述次级开关块还包括与所述次级开关块中所述开关元件串联连接的电阻元件,所述电阻元件与所述开关元件之间的联结点连接到所述撬杆电路的所述控制电极,并且所述电阻元件跨接在所述撬杆开关的所述控制电极和阳极两端,其中所述电阻元件的阻抗是可变的,以选择性地改变在次级开关块中的电流流动。
[0033]优选地,所述电阻元件具有非线性电压-电流特性。这样的电阻元件可以包括但不限于,变阻器(例如氧化锌变阻器或碳化硅变阻器)、齐纳二极管、火花隙或击穿二极管(breakover d1de)。
[0034]使用具有可变阻抗的电阻元件允许次级开关块在电阻元件两端的电压低于预定的触发电压时,对次级开关块中流动的电流呈现高阻抗,并且在电阻元件两端的电压超过预定的触发电压时,对次级开关块中流动的电流呈现低阻抗。例如,当电阻元件是齐纳二极管时,在齐纳二极管两端的电压低于其击穿电压时,齐纳二极管阻断次级开关块中的电流流动,并且在齐纳二极管两端的电压超过其击穿电压时允许电流在次级开关块中流动。
[0035]在次级开关块中包括电阻元件确保了仅当初级开关块两端的电压足够高以使得电阻元件两端的电压超过其触发电压并因此允许电流流入次级开关块时,撬杆开关才可以被切换到它的导通状态。
[0036]根据本发明的第一方面的开关设备可形成电路中断设备的一部分,电路中断设备包括主分支、辅助分支以及用于在使用中连接到电网的第一端子和第二端子,其中所述主分支和辅助分支在所述第一端子与所述第二端子之间延伸。
[0037]在这样的电路中断设备,主分支可包括开关装置,该开关装置是可切换的以选择性地在正常操作模式下允许电流流入主分支或在故障操作模
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