使输电线路或配电线路的电流断路的装置和方法以及限流布置的制作方法
【专利说明】使输电线路或配电线路的电流断路的装置和方法以及限流
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技术领域
[0001]本发明涉及使流经输电线路或配电线路的电流断路的装置，其中包括主断路器和非线性电阻器的并联连接，主断路器包括第一电流方向的至少一个功率半导体开关。此外，本发明涉及一种使用该装置的方法，其中该装置与输电线路或配电线路串联连接。本发明更进一步涉及一种限流布置，其中包括至少两个上述装置。
【背景技术】
[0002]最初，相关于能够使流经输电线路的电流断路的高压DC断路器、即开关装置的领域来进行本发明，其中线路处于高于50kV的电压电平。但是，本发明也可应用到用于中压DC配电、即用于大约IkV与50kV之间的DC电压范围的断路器，以及本发明的一些实施例甚至可应用到用于任何电压电平的AC输电和配电的断路器，下面进行描述。
[0003]在EP 0867998 BI中，提出使用至少一个功率半导体开关和浪涌分流器的并联连接来中断通过高压直流(HVDC)网络的电流。其基于的思路是提供固态DC断路器，固态DC断路器远比通常已知的机械DC断路器更快地对跳闸信号作出反应，并且由此降低故障情况下在HVDC网络中形成破坏性高电流的风险。
[0004]实际上，然而固态DC断路器、即能够使DC电流断路并且包括至少一个功率半导体开关的断路器由于这类断路器的高电流损耗而没有用于HVDC输电系统。这是由于如下事实:一方面的高工作电压以及另一方面的目前市场销售的单功率半导体开关的较低额定电压使得需要固态DC断路器由相当大数量的串联连接的功率半导体开关来构建。这个数量在数百kV的HVDC电压电平的情况下能够易于达到数百。在HVDC输电系统的正常操作期间，DC断路器以及由此其全部功率半导体开关将接通，从而使功率半导体开关受到连续电流应力。所产生的稳态损耗达到通过DC断路器所传递的能量的0.2与0.3%之间。在适合于640kV的线电压和2kA的标准额定电流的固态DC断路器的情况下，这些稳态损耗等于3MW，这多达640kV的已知HVDC功率转换器的损耗的大约一半。这些损耗在固态断路器的使用寿命期间引起显著成本，特别是在例如具有若干DC开关场的将来DC电网应用中使用许多固态断路器的情况下。
[0005]在EP 1377995 BI中，提供一种机械开关，该机械开关尤其适合与固态断路器并联使用，以便降低断路器的稳态损耗。机械开关具有相互串联设置的多个断路点，这些断路点同时地并且与其它机械开关相比以高速度、即在大约Ims的时间范围之内来操作。当固态断路器处于闭合状态时，机械开关也闭合并且传导电流，而断路器的功率半导体元件是无电流的并且由此是无损耗的。如果将要执行断路操作，则首先断开机械开关，使得电流换向到断路器，并且此后断开断路器。
[0006]这种布置具有两个主要缺点。一方面，机械开关主动使电流断路，以便将其变换到固态断路器。这引起电弧，电弧在开关的断路点处发生并且导致对应触点的过早磨损，由此仅在几次开关操作之后便要求维护开关。另一方面，要注意，机械开关预计用于12-36kV的电压范围。相应地，对于数百kV的高压应用，多个机械开关的串联连接将是必要的。为了确保电压均匀地分布于串联连接的开关，特别是对于操作速度在开关之间略有不同的情况，要求并联连接的电容器。这相当大地增加设备成本。
[0007]本发明的一个目的是发现一种用于HVDC断路器的备选解决方案，用以降低功率半导体开关的稳态损耗，同时避免以上结合EP 1377995 BI所述的缺点。
[0008]这个目的通过如独立权利要求所述的装置和方法来实现。
[0009]按照本发明，除了主断路器和非线性电阻器的已知并联连接之外，其中主断路器包括第一电流方向的至少一个功率半导体开关_(又称作断路装置的)要使流经输电线路或配电线路的电流断路的装置还包括其中包含至少一个机械开关的高速开关和辅助断路器的串联连接，其中串联连接与并联连接进行并联连接。辅助断路器相比主断路器具有更小的导通电阻，并且包括第一电流方向的至少一个功率半导体开关。术语“导通电阻”指的是流经被接通的功率半导体开关的电流的电阻。换言之，辅助断路器相比主断路器具有更低的导通电压降。
[0010]建议按照如下方式来使用按照本发明的装置:该装置要与经过输电线路或配电线路、优选地为HVDC输电线路的电流通路串联连接，并且在正常操作下，装置的辅助断路器和高速开关要闭合，这对于辅助断路器意味着相应功率半导体开关要接通。在再次断开辅助断路器之前的适当时间点，闭合主断路器，即，其半导体开关接通。如果此后接收到辅助断路器断开信号，则断开辅助断路器，由此将电流变换到主断路器，然后，断开高速开关，以及如果接收到主断路器断开信号，则最后断开主断路器。因此，电流从主断路器换向(commutate over)到非线性电阻器，其中降低了电流电平并且限制了电压。从这种方法变得显而易见，需要高速开关来将辅助断路器与线路分离，以便防止将全电压施加到辅助断路器。
[0011]特别是对于高电压DC应用，按照本发明的装置以及所提出的装置使用方法尤其具有下列优点:
[0012]-稳态损耗降低，因为在正常操作期间，电流不再流经主断路器，而是流经作为几乎完全没有损耗的机械开关的高速开关，以及流经相比主断路器具有更低的导通电阻并且由此具有更低的导通电压降的辅助断路器。由于主断路器的稳态损耗消失，所以主断路器不再有热过载的倾向，使得不再要求主断路器的主动冷却。对于辅助断路器，优选的是，与主断路器相比，导通电压降小得多，由此损耗小得多，使得在此任一处都不要求主动冷却。
[0013]-为了将电流换向到主断路器，不再是机械开关必须首先中断电流，而是改为固态辅助断路器。相应地，因电弧引起的机械触点的磨损的问题不再存在，这降低维护工作量，并且增加整体断路装置的可靠性和使用寿命。相应地，高速开关只是快速操作隔离开关就已足够。
[0014]-由于主断路器仅在到非线性电阻器的变换之后的有限时间段期间才经受全电压，所以变得有可能在主断路器的串联连接中添加另外的功率半导体开关，以便确保可靠电压分布，而无需增加总损耗。
[0015]-相关于对其功率半导体开关之一中故障的响应，进一步简化主断路器的设计。在一些已知功率半导体开关中，规定不可操作开关自动短路，以便允许另一个冗余功率半导体开关接管操作。但是，这种短路故障模式实际上能够是不稳定模式，其稳定性仅能够确保有限时间段。通过所提出的装置，在主和/或辅助断路器均可包括冗余功率半导体开关的情况下，这对于主断路器不再带来问题，因为主断路器仅在极短时间段才处于全操作，使得不要求最佳短路故障模式。
[0016]-主断路器上以及由此其功率半导体开关上的电压和电流应力得到大大降低，由此降低功率半导体开关的故障率并且增加主断路器的可靠性。
[0017]-在较高电压的情况下，在高速开关不仅包括一个机械开关而且包括串联连接的数个机械开关的情况下，跨串联连接开关的均匀电压分布的问题不再成为难题，因为在无电流和无电压状况下断开高速开关。因此，将不需要并联连接的电容器，这大大降低了成本。
[0018]在装置的一个优选实施例中，主断路器相比辅助断路器具有更高的额定电压阻塞能力。这例如可通过提供作为主断路器的至少一个功率半导体开关的开关来实现，该开关具有数百kV的电压阻塞能力，同时辅助断路器的至少一个半导体开关的电压阻塞能力处于仅几kV。实现这个方面的另一种可能性是将不同类型的功率半导体开关，例如至少一个IGBT (绝缘栅双极晶体管)用于主断路器，而将至少一个MOSFET (金属氧化物半导体场效应晶体管)用于辅助断路器，因为具有比IGBT更小的电压断路能力是MOSFET的固有特性。可使用的其它类型的功率半导体开关是IGCT(集成门极换流晶闸管)或GT0(门极可关断晶闸管)。应当注意，所述的所有这些类型均属于具有接通和关断能力的功率半导体开关组。
[0019]在这个实施例的一个特定发展中，主断路器包括第一电流方向的至少两个串联连接的功率半导体开关，辅助断路器包括第一电流方向的、具有与主断路器的功率半导体开关相同的电压阻塞能力的至少一个功率半导体开关，并且主断路器相比辅助断路器始终包括更大数量的功率半导体开关。
[0020]这个实施例特别适合于其中电压电平要求主断路器由功率半导体开关的串联连接来构建的较高电压应用。对于辅助断路器，使用相同种类的功率半导体开关，但是由于辅助断路器无需耐受全电压，所以仅要求几个串联连接的功率半导体开关，大致在I个与最多10个之间。对于数百kV的高电压应用，在主断路器包括高达数百个功率半导体开关的串联连接的情况下，主断路器与辅助断路器之间的导通电阻的差变得相当大，因为对于辅助断路器，仍然仅需要一个或几个功率半导体开关。与主断路器的上述0.2至0.3%相比，辅助断路器的稳态损耗在这种情况下估计为达到少至小于通过装置所传递的能量的0.002%。相关于冗余功率半导体开关以及对半导体开关之一中故障的响应的上述设计问题在按照本发明的装置中仅对于辅助断路器才是相关的，其中在正常操作条件下电流永久地流经辅助断路器。但是，由于对于辅助断路器仅需要几个功率半导体开关，所以例如通过将一个或两个冗余功率半导体开关与至少一个功率半导体开关串联连接的可靠冗余度解决方案的成本能够保持$父低。
[0021]在使用所述装置的方法的一个优选实施例中，在生成和发送主断路器断开信号之前生成和发送辅助断路器断开信号。辅助断路器断开信号和主断路器断开信号的生成和发送能够由一个或多个不同的感测和/或保护部件来执行，这些部件监测输电线路和/或诸如电力转换器、变压器、其它断路装置或者另外线路之类的其它电气装置的状态，并且在故障情况下接线地或无线地向装置发送断开信号。在该备选方案中，一个或两个断开信号能够在装置中内部生成，取决于从外部感测和/或保护部件所接收的感测结果和/或保护信号，这意味着，断开信号可以不一定在物理上经由装置内部的数据通信总线来发送和接收，而是也可在内部存储器中简单地表示为变量。在后一种情况下，从存储器中读取这些变量的任一个变量的过程将被理解为接收对应断开信号。
[0022]在主断路器断开信号之前生成和发送辅助断路器断开信号的优点在于，这个功能可用于通过在最终进行断路判定之前断开辅助断路器来改进装置对实际断路判定的响应速度。实际上，在进行断路判定并且发送主断路器断开信号之前，必须处理来自不同来源的状态和感测信号以便判定是否实际发生要求使线路中的电流断路的故障的保护部件需要高达数毫秒。已知断路器在接收到这个主断路器断开信号时的时间点之后作出响应，即，有可能的是，辅助断路器断开信号也仅在断路判定被进行之后发送。通过按照这个实施例的方法，辅助断路器以及还有高速开关将优选地在断路判定被进行之前已经断开，使得对断路判定的响应时间刚好降低到仅几微秒的主断路器的极短断开时间，因为电流在先前已经变换到主断路器。相应地，能够执行仅花费几微秒的极快电流断路动作，而没有已知的基于固态断路器的解决方案的缺点。
[0023]例如，如同方法的实施例之一中那样，可紧接在输电线路或配电线路中超过第一电流极限之后断开辅助断路器。对于已知电流断路器，对应断开信号不是在超过电流极限之后立