[发明专利]高压DC断路器设备

说明书

技术领域

本发明涉及用在高压直流(HVDC)输电中的断路器设备。

背景技术

在输电网络中通常将交流(AC)电转换成直流(DC)电以用于经由高架线和/或者海底电缆进行传输。该转换移除了对由传输线或者电缆施加的AC电容性负载效应进行补偿的需要，由此减少了每千米的传输线和/或者电缆的成本。因此，当需要长距离输电时，从AC转换到DC是合算的。

在其中需要互连在不同频率处进行工作的AC网络中的输电网络中也利用AC电到DC电的转换。在任何此类输电网络中，在AC电和DC电之间的每个接口处需要转换器以实现所需转换。

HVDC容易遭受DC侧故障或者可以在DC输电线或者电缆的两端出现具有低阻抗的短路的其它异常工作情况。这些故障由于绝缘的损伤或者破裂、雷击、导体的移动或者异物导致的导体之间的其它偶然桥连等而可能出现。

DC输电线或者电缆两端的低阻抗的存在可不利于HVDC转换器。有时，转换器的固有设计意味着转换器在这种条件下不能限流，导致超过HVDC转换器的额定电流的高故障电流的发展。这种高故障电流不仅损坏HVDC转换器的组件，而且导致HVDC转换器离线一段时间。这导致损坏的电子设备硬件的修理和维护成本的不断增加，并且不便于依赖电子设备工作的最终用户。因此，一检测到高故障电流就能够中断该高故障电流是重要的。

使HVDC转换器免于DC侧故障的传统方法(借此转换器控制不通过任何其它手段限制该故障电流)要热衷于AC侧断路器，从而移除了通过HVDC转换器将故障馈送到DC侧的电流供给。这是因为目前不存在可用的HVDC断路器设计。而且目前几乎所有的HVDC方案均是采用连接到DC侧的两个HVDC转换器的点对点方案，借此一个HVDC转换器用作具有电力校正能力的电源，并且另一个HVDC转换器用作具有电力逆变能力的电力负载。因此，由于故障在点对点方案中的存在需要中断电力流以允许清除该故障，所以热衷于AC侧断路器是可接受的。

如地理分散的可再生的生成形式所需的那样，一类新的电网连接的HVDC输电网络现在正在被考虑以用于长距离移动大量的电力，以增大具有智慧型电网智能和能够支持现代电贸易需求的特征的现有AC传输网络的能力。

电网连接的HVDC输电网络需要HVDC转换器的多终端互连，借此可以使用并行工作的三个或者更多的HVDC转换器来在DC侧交换电力。每个HVDC转换器用作源或者汇以维持网络的整个输入到输出的电力平衡同时交换所需要的电力。在遍及整个网络的不期望的电力损耗发生之前，需要迅速地隔离网络中的故障并且与剩余的网络分离。此外，来自用作源的几个转换器的故障电流可以合并，以形成组合的故障电流，如果不适当管理，这将导致对整个网络的电子设备的广泛损坏。

当电流达到电流零点时，执行传统断路器中的电流中断，以可观地减少中断任务的难度。因此，在传统电路器中，存在着如果电流零点没有在用于中断电流的限定时间之内出现，则损坏电流中断设备的风险。因此，与电流零点自然地出现的AC电流不同，DC电流不能自然地达到电流零点，所以固有的难以执行DC电流中断。

可以通过施加强制的电流零点或者人工创建的电流零点来使用传统AC断路器以执行DC电流中断。一种DC电流中断的方法涉及在传统AC断路器的两端并行连接辅助电路，该辅助电路包括：电容器或者电容器和电感器的组合，并且被布置为创建在DC负载电流上叠加的振荡电流，从而创建电流零点。这种布置通常具有几十毫秒的响应时间，这不满足需要响应时间在几毫秒范围内的HVDC电网的要求。

EP 0867998B1公开了传统固态DC断路器，该断路器包括与金属氧化物避雷器并行的串联IGBT堆叠。该方案达到了上述提及的响应时间但是遭受了高稳态功率损耗。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用在高压直流(HVDC)输电中的断路器设备，该断路器设备包括一个模块或者多个串联模块；

所述模块或者每个模块包括：第一传导通路、第二传导通路、第三传导通路和第四传导通路；以及连接到电网络的第一终端和第二终端，每个传导通路在第一终端和第二终端之间延伸。

第一传导通路包括机械开关元件，以选择性地在第一操作模式下允许电流在第一终端和第二终端之间流过第一传导通路或者在第二操作模式下将电流从第一传导通路整流换向到第二传导通路；