专利名称：带有过电压保护的电路断路器的制作方法
技术领域：
本文公开的实施例一般涉及电路断路器(circuit breaker)，并且更具体地说涉及一种用于保护电气设备免于不期望的电压，同时还保护旋转机械(例如机电机器 (dynamoelectric machine))免于不期望的扭矩瞬变(torsional transient)的电路断路器。
背景技术：
对于发电来说，风电场(wind farm)正变得日益流行。在风电场中，在风力恒定且相当大的乡村地点安装了大量的风力涡轮机。通常，风力涡轮机将包括联接在轴上的叶片阵列。由叶片的旋转所造成的轴的旋转将产生电能。电线将与能量发生器相连，从而将能量从特殊的风力涡轮机输送至馈线上。来自风电场中的各种风力涡轮机的电能可全体地通过馈线而将能量传送给变电站(substation)。这些风力涡轮机通常可各生产在大约1. 5MW和3. OMW之间的功率。风电场中的多个风力涡轮机的输出时常被分组到多个集电电路(electrical collection circuit)或馈线中。变压器用于将风力涡轮机输出联结到馈线上。变压器用于将风力涡轮机的输出电压升高至中等电压，通常34. 5千伏。风电场中的各种风力涡轮机通常并联到馈线中，该馈线可输送大约15至30兆瓦功率。考虑到已经升高至34. 5千伏的电压，各个馈线将需要最小 34. 5千伏额定容量的电路断路器。能量将通过电路断路器而传送至变电站的34. 5kV母线上。34. 5kV变电站母线将进入一个或多个主升压变压器，然后连接到高压公共线路或电网 (power grid)中，从而将期望具有如果电网上发生故障可中断电路的装置。电功率电路的中断始终是一项基本功能，尤其在超负荷或短路的情况下，此时电流的即时中断作为保护措施而变得必要。在过去，只能通过处于空气中的触头隔开，之后将所引起的电弧拉伸(draw out)至其不能再维持的这样一种长度来切断电路。这种中断手段很快变得不合适，并且发展出被称为“电路断路器”的特殊装置。基本的问题是控制和熄灭大功率电弧。当断开高电流电路时，这必然发生在隔开的断路器的触头上。因为电弧产生大量的热能(其对于断路器的触头常常是破坏性的)，所以必须限制电弧的持续时间，并研制出可反复承受电弧影响的触头。真空电路断路器使用快速电介质恢复(dielectric recovery)和高的真空电介质强度。一对触头被气密地密封在真空包壳中。促动运动通过波纹管传递至可动触头上。当电极被分开时，由于从电极中汽化(condense)的金属蒸气产生并支持电弧。蒸气粒子扩散到真空中，并冷凝在固体表面上。在中性电流零点处，蒸气粒子消失并且熄灭了电弧。在过去，与这种风电场相关联的是，当电路断路器断开时，馈线电流将被中断，并且在馈线中可能发生暂时的过电压情形。这种过电压情形可能是由于馈线与设备隔离而造成的，其通常相对于地电位为相电压提供了基准点。在馈线上的其中一个相(phase)和接地装置(ground)之间的短路将造成该相上的电压相对于接地装置下降至接近零点，并且其它两个相上的相对于接地装置的电压升高至正常的相-相值，其大约为正常的相-地值的1.73倍。这种过电压可能损坏连接在馈线上的设备。运行的风力涡轮机与电网的隔离还可能导致其它过电压现象。馈线中的高的瞬变电压将通过电路“备份(back up)”，并传送至与风力涡轮机发电机相关联的电子装置。结果，这种瞬变过电压可能对与风力涡轮机相关联的电路或机械以及整个系统的其它电路造成损伤。结果，考虑到存在于整个风电场中的大量能量的特征，需要将断开电路断路器时所发生的任何过电压保持在可接受的极限内。通常为了避免过电压情形，需要安装接地变压器。这些接地变压器将通常具有Z字形绕组或接地的Y字形初级绕组和要么断开要么闭合的带次级绕组的三角接线 (delta)。如果使用断开的三角形次级绕组，那么三角接线通过外部电阻或感应器来闭合。 变压器的初级电压与馈线的额定电压是一致的，通常为34. 5kV。在使用断开或闭合的三角接线的情况下，次级电压相对于应用需要是任意的。这种电压通常选择为优化变压器的设计，或者如果使用断开的三角形次级绕组则优化外部电阻或感应器的选择。变压器具有芯体，该芯体带有在其周围的绕组。考虑到芯体和绕组，存在与使用这种接地变压器相关联的连续数量的芯体能量损失。随着时间的流逝，芯体损失可能总计达较大量美元的能量损失。 另外，这些接地变压器具有相对较高的原始成本、安装成本和很长的交付筹备时间(lead time for delivery)。图1是采用接地变压器的系统100的图示。风力涡轮机110，112，114和116通过线路118，120，122和124连接在馈线126上。馈线126连接在接地变压器130上。接地变压器130和电路断路器134可配置为变电站138的一部分。变电站138可通过线路132 而连接在电网上。当电路断路器134被触发而断开电路时，馈线126中的能量被传送至接地变压器130上。接地变压器130对于馈线126上的任何共模或零相序电压都存在小的阻抗，并为由风力涡轮机110，112，114和116和线路118，120，122，124和126组成的子系统中所产生的电压提供接地参考(ground reference) 0如果其中一个相被短路至接地装置时，这减少了未出现故障的相电压相对于接地装置的升高。当接地变压器130有效地使用时，可将由于子系统与通常由变电站138提供的接地参考的隔离所造成的任何过电压降低至可容忍的水平。然而，接地变压器130是昂贵的，并且对于每个馈线都需要一个接地变压
ο 某些风电场业主/运营商青睐更低成本的途径，并且在图2中显示了途径。图2是这样的系统200的图例，S卩，其通过在连接于各个馈线226上的电路断路器中结合接地开关而消除了对于接地变压器的需求。从图中可看出，风力涡轮机210，212，214和216通过线路218，220，222和224而连接在馈线226上。馈线连接在变电站238中的电路断路器234 上。在正常操作中，由风力涡轮机产生的能量通过馈线226经由电路断路器234和线路232 传送至电网。电路断路器234包括至接地装置246的连接件。图3显示了用于电路断路器234中的开关的简化的电路图。常闭开关310连接在馈线226和电网连接线232之间。常开开关320连接在馈线226和接地装置246之间。在正常操作期间，功率从馈线226，经由开关310和变电站238而传送至电网。在发生故障状态的事件中或其它事件中，可断开开关310，并且闭合开关320 (如图所示)。在这种配置下， 馈线226联结在接地装置246上。然而，当馈线226突然联结到接地装置上时，单个风力涡轮机可经历扭矩瞬变状态。扭矩瞬变状态可能是由于风力涡轮机中的发电机上突然发生短路而引起的。如果造成开关310断开的初始事件是故障的话，那么扭矩瞬变可能是特别严重的，并且初始故障在发电机中建立了通量水平(flux level)，其与由于开关320的后续闭合所造成的发电机中的短路电 流相互作用。在某些情况下，结果是极大的扭矩瞬变，其可能损伤风力涡轮机。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种电路断路器以用于保护机电机械。电路断路器包括连接在馈线上的馈线输入连接件(feeder input connection)。馈线(feeder line) 连接在机电机器上。变电站连接件(substation connection)连接在变电站母线上。中断断路器连接在馈线输入连接件和变电站连接件之间。短路开关连接在馈线输入连接件上， 并且阻抗装置连接在短路开关和接地装置或中性线(neutral)上。当由电路断路器使馈线与变电站隔离时，阻抗装置、短路开关以及接地装置或中性线可减少馈线上的过大电压，并且阻抗装置经过选择以减少机电机器所经历的扭矩瞬变。根据本发明的另一方面，提供了一种具有电路断路器的变电站以用于保护机电机械。变电站包括连接在馈线上的馈线输入连接件。馈线连接在机电机器上。变电站连接件连接在变电站母线上。中断断路器连接在馈线输入连接件和变电站连接件之间。短路开关连接在馈线输入连接件上，并且阻抗装置连接在短路开关和接地装置或中性线上。当由电路断路器使馈线与变电站隔离时，阻抗装置、短路开关以及接地装置或中性线减少馈线上的过大电压，并且阻抗装置经过选择以减少机电机器所经历的扭矩瞬变。根据本发明的又一方面，提供了一种电路断路器以用于保护机电机械。电路断路器包括连接在馈线上的馈线输入连接件。馈线连接在机电机器上。变电站连接件连接在变电站母线上。中断断路器连接在馈线输入连接件和变电站连接件之间。短路开关连接在馈线输入连接件上，并且阻抗装置连接在短路开关和接地装置或中性线上。当由电路断路器使馈线与变电站隔离时，阻抗装置、短路开关以及接地装置/中性线减少馈线上的过大电压，并且阻抗装置经过选择以减少机电机器所经历的扭矩瞬变。机电机器是风力涡轮机、发电机和/或马达。
图1显示了电路断路器系统的方框图；图2显示了另一电路断路器系统的方框图；图3显示了用于图2电路断路器系统中的开关的简化的示意图；图4显示了根据本发明一个方面的电路断路器系统的方框图；图5显示了根据本发明一个方面的电路断路器系统的方框图和简化的电路示意图。部件列表100 系统110风力涡轮机112风力涡轮机114风力涡轮机
116风力涡轮机118 线路 120 线路122 线路124 线路126 馈线130接地变压器132 线路134电路断路器138变电站200 系统210风力涡轮机212风力涡轮机214风力涡轮机216风力涡轮机218 线路220 线路222 线路224 线路226 馈线232 线路234电路断路器238变电站246接地装置310 开关320 开关400 系统410机电机器411发电机412机电机器414机电机器416机电机器418 线路420 线路422 线路424 线路426 馈线432 线路434电路断路器
438变电站446接地装置527馈线输入连接件528变电站总线连接件510 阻抗
520短路开关530中断断路器540促动器
具体实施例方式在电路断路器中，在对电路断路器的按钮或杠杆施加手动力后或通过断开电路的自动继电器可切断至变电站的电路。通常要测量至变电站的电流。如果任何继电器感测到问题，就将信号传送至电路断路器，从而断开断路器。通常继电器将保持在变电站中。电路断路器的断开将防止能量从馈线传送至变电站。有时断开电路断路器，从而容许维护人员对风电场系统、对电路断路器或对变电站进行作业。通常，如果传感器感测到过量的电流、 或具有指示故障至接地的共模成分的电流分量时，继电器将工作。图4显示了系统400的简化的电路图，其可用于保护机电机器免于过电压和/或扭矩瞬变状态。机电机器410，412，414和416通过线路418，420，422和424而连接在馈线 426上。机电机器可包括，但不局限于风力涡轮机、发电机、马达或任何旋转电机。例如，风力涡轮机可包括发电机411，其可为鼠笼式、感应式、双馈感应式(doubly fed induction), 多相感应式或永磁体类型。在风力涡轮机和发电机的示例中，发电机可包括鼠笼式发电机、 感应发电机、双馈感应发电机、多相感应发电机或永磁发电机、以及任何其它合适类型的发电机。馈线426连接在电路断路器434和变电站438上。在正常操作中，由机电机器产生的能量通过馈线426经由电路断路器434和变电站438，然后经由线路432而传递至电网。线路432可称为变电站母线。电路断路器434包括至接地装置446的连接件。图5显示了根据本发明一个方面的电路断路器434的一部分的简化的电路图。电路断路器434包括至少一个馈线输入连接件527和至少一个输出、变电站或变电站总线连接件528。在电路断路器434的短路电路上增加了电阻抗510，要么电阻、电抗要么这两者。 电短路开关520可机械地和/或电地连接在电中断断路器530上。电短路开关520可机械地和/或机电地与中断断路器530 —样联接在相同的促动器540上，并由其操作。这种设计使得短路开关520将中断断路器530的馈线侧的一个或多个电相连接到阻抗510上，并由此将该阻抗510连接到接地装置446或电气系统的中性线上。在三相系统中，各个相可具有连接在接地装置或中性线上的短路开关。然而扭矩限制阻抗可能只处于三个相中的一个或两个上，或者如特殊应用中的需要的那样在所有三个相上。该系统可用作在变电站母线432和馈线426之间的电路断路器，馈线连接一个或多个单独的机电机器(例如发电机、 风力涡轮机等等)。在一个示例中，这些发电机是风力涡轮机发电机。该系统可用作用于切换和隔离馈线426的电路断路器434，并且用作短路开关，以确保当馈线426被隔离时不会形成过大的过电压，其中，发电机继续给馈线426供应能量。该系统的一个目的是对负载施加阻抗或使馈线426的相接地，使得过电压不会发生。阻抗经过选择，使得将馈线426闭合到阻抗510中的动作不会对发电机或电气系统造成过大的电应力或机械应力。电中断电路(530，520)可为真空中断开关、六氟化硫中断开关或任何其它合适的中断及切换装置。电短路开关520设计成能够处理连接到电路断路器434的馈线侧上的故障电流。对于中断断路器530和短路开关520公共的促动器540在中断断路器530闭合时保持短路开关520断开。相反，当中断断路器530断开时，在通过中断断路器530完成电路中断之后以最小的时延使短路开关520闭合。阻抗510连接在短路开关520和接地装置 446或系统电中性线之间。电路断路器434作为电路断路器和短路装置或“消弧(crowbar) ”装置的组合进行操作。当中断断路器530中的中断触头断开时，例如当在馈线426上检测到电故障时，短路开关520闭合，并插入阻抗510以对电路进行加载并提 供接地参考。针对可为电阻性或电抗性的阻抗510的值选择成足够小，使得当馈线与变电站438由中断断路器530隔离时，馈线上的电压不会过大，尤其当一个相发生故障而接地时，未发生故障的相上的电压不会过大，但该值也足够大，使得通过短路作用而加置于发电机(410-416)上的扭矩瞬变是可接受的。换句话说，阻抗值经过选择，以减少馈线上的过大电压，并减少机电机器所经历的扭矩瞬变。促动器540可为任何合适的促动装置(电的和/或机械的)，其控制开关520和 530的“断开”和“闭合”状态。促动器可机械地和/或电地连接在开关520和530上。另夕卜，在促动器540和开关520，530之间的连接可通过有线或无线通信来实现。虽然已经结合目前被认为是其中一个最恰实际且最优选的实施例而描述了本发明，但是应该懂得本发明并不局限于所公开的实施例，相反，其意图覆盖包含在所附权利要求书的精神和范围内的各种变型和等同装置。
权利要求
1.一种用于保护机电机械(410-416)的电路断路器(434)，所述电路断路器包括 至少一个馈线输入连接件(527)，所述至少一个馈线输入连接件连接在馈线(426)上，所述馈线连接在至少一个机电机器上；至少一个变电站连接件(528)，其配置成用于连接在变电站母线(432)上； 至少一个中断断路器(530)，其连接在所述至少一个馈线输入连接件和所述至少一个变电站连接件之间；至少一个短路开关(520)，其连接在所述至少一个馈线输入连接件上； 至少一个阻抗装置(510)，其连接在所述至少一个短路开关和接地装置及中性线 (446)中的至少一个上；其中，当由所述电路断路器使所述馈线与变电站隔离时，所述至少一个阻抗装置可减少所述馈线上的过大电压，并且所述至少一个阻抗装置经过选择以减少所述至少一个机电机器所经历的扭矩瞬变。
2.根据权利要求1所述的电路断路器，其特征在于，所述至少一个机电机器包括下者中的一个或多个风力涡轮机、发电机及马达。
3.根据权利要求2所述的电路断路器，其特征在于，所述至少一个机电机器包括发电机(411)，所述发电机包括下者中的一个或多个鼠笼式发电机、感应发电机、双馈感应发电机、多相感应发电机以及永磁发电机。
4.根据权利要求1所述的电路断路器，其特征在于，所述变电站母线连接在电传输网上。
5.根据权利要求1所述的电路断路器，其特征在于，所述至少一个中断断路器包括下者中的一个或多个真空中断开关和六氟化硫开关。
6.根据权利要求1所述的电路断路器，其特征在于，所述至少一个短路开关包括下者中的一个或多个真空中断开关和六氟化硫开关。
7.根据权利要求1所述的电路断路器，其特征在于，所述至少一个阻抗装置包括下者中的一个或多个电阻和电抗。
8.根据权利要求1所述的电路断路器，其特征在于，所述电路断路器还包括至少一个促动器(540)，其用于控制所述至少一个中断断路器和所述至少一个短路开关的操作。
9.一种具有用于保护机电机械的电路断路器(434)的变电站(438)，所述变电站包括至少一个馈线输入连接件(527)，所述至少一个馈线输入连接件连接在馈线(426)上， 所述馈线连接在至少一个机电机器(410)上；至少一个变电站连接件(528)，其配置成用于连接在变电站母线(432)上； 至少一个中断断路器(530)，其连接在所述至少一个馈线输入连接件和所述至少一个变电站连接件之间；至少一个短路开关(520)，其连接在所述至少一个馈线输入连接件上； 至少一个阻抗装置(510)，其连接在所述至少一个短路开关和接地装置及中性线中的至少一个上；其中，当由所述电路断路器使所述馈线与变电站隔离时，所述至少一个阻抗装置、至少一个短路装置及接地装置或中性线组合以减少所述馈线上的过大电压，并且所述至少一个阻抗装置经过选择，以减少所述至少一个机电机器所经历的扭矩瞬变。
10.根据权利要求9所述的变电站，其特征在于，所述至少一个机电机器包括下者中的一个或多个风力涡轮机、发电机和马达。
全文摘要
本发明涉及一种带有过电压保护的电路断路器，具体而言，提供了一种电路断路器(434)以用于保护机电机械。电路断路器包括连接在馈线(426)上的馈线输入连接件(527)。馈线连接在机电机器上。变电站连接件(528)连接在变电站母线(432)上。中断断路器(530)连接在馈线输入连接件和变电站连接件之间。短路开关(520)连接在馈线输入连接件上，并且阻抗装置(510)连接在短路开关和接地装置或中性线(446)上。当由电路断路器将馈线与变电站隔离时，阻抗装置、短路开关和接地装置/中性线减少了馈线上的过大电压，并且阻抗装置经过选择以减少机电机器所经历的扭矩瞬变。
文档编号H02H9/04GK102315634SQ201110190008
公开日2012年1月11日 申请日期2011年6月30日 优先权日2010年6月30日
发明者E·V·拉森, K·克拉克, R·A·沃林 申请人:通用电气公司