[发明专利]DC断路器

说明书

本发明涉及DC断路器，具体涉及适合用在高压DC电路中的DC断路器模块(200)。所述断路器模块包括包围在导电外壳(202)内的至少第一断路器电路(100)。所述外壳被配置成使得所述第一断路器电路能够在电气路径中与所述导电外壳外部的电路连接(206)。所述导电外壳还被配置成连接(204)至所述电气路径的节点，使得在使用中，所述导电外壳处于与电路路径的节点相同的电压电位。所述导电外壳可以是标准化的尺寸，并且例如可以是标准的运输容器。本发明的方法和设备允许由可以在标准化的外壳中建造、测试、运输和安装的模块形成DC断路器。

技术领域

本发明涉及用于在短路或故障情况下保护高压直流(HVDC)系统的方法和设备。具体地，本发明涉及HVDC断路器的设计和组装。

背景技术

高压直流(HVDC)电力系统能够提供高压交流(HVAC)电力系统的经济和有效的替代方式，特别是在远距离(>50km)传输电力时，HVDC通常具有较低的损耗，并且能提供提高的传输容量。

HVDC系统也可以用于促进在异步网络和在不同的AC频率操作的网络之间电力的传递和/或帮助稳定AC网络。

一个特定的感兴趣的领域是使用HVDC系统从远程可再生能源诸如从离岸风电或水电场向大陆传输电力。

相比AC使用DC系统的一个挑战是在电涌或故障情况下中断电流。在AC系统中，电流每半个周期经过零，因此机械断路器可以在电流零或接近电流零操作以避免当断路器断开时的任何显著的电弧。然而，在DC系统中，不存在电流的这种中断。能够有效地中断DC电流的机械断路器是已知的，不过他们对于现代电力系统太慢，要花几十毫秒的时间。使用半导体开关的断路器能够克服此问题，不过，半导体开关会有高的导通损耗，与半导体断路器有关的损耗可以高达电压源换流站的损耗的30％。

解决这些问题的一种形式的HVDC断路器称作“混合”断路器，例如具有如WO2012/100831或WO2013/071980中描述的结构。混合断路器组合机械和半导体部件以提供适合现代HVDC系统的需求的快速、高效的断路器。图1所示为混合断路器的原理图。图1中所示的混合断路器100，其分成并联连接的两个电流路径，由主支路104和辅助支路102组成。辅助支路102包括多个半导体开关，诸如串联连接的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)106。电涌捕获器108与IGBT 106并联连接。主支路104包含机械断路器110和换向开关，换向开关可以包括一个或多个IGBT 112。如在下文更详细地描述的，辅助支路102包括足够数目的IGBT，以在故障情况下中断电路，因此实际上可能有几十或者甚至上百个串联的开关。为了简洁，图1只示出几个开关元件。换向开关112实际上包括明显更少的IGBT。

在正常操作中，主支路的机械断路器110和换向开关112都闭合，即导通。在正常操作期间，辅助支路的半导体开关106通常是断开的，即非导通的(但在一些应用中，在正常操作期间，半导体开关也可能闭合)。在正常操作中，电流流过主支路104。在故障情况下，辅助支路的半导体开关106闭合，换向开关112断开，因此将电流从主支路转移到辅助支路102，允许主支路的机械断路器110断开，无显著的电流从其通过。一旦机械断路器断开，然后辅助支路的IGBT 106断开以中断电路。因此，要认识到在正常操作中的电流路径是经由主支路的机械断路器110和换向开关的相对少数的IGBT。与此路径关联的功率损耗因此相对较低。因此，在正常操作期间与机械断路器关联的低功率损耗与IGBT开关组的速度和稳定性组合，产生快速、高效的HVDC断路器。

使用中，HVDC断路器会被安装在DC电网中的适当点，例如关联的HVDC转换器或HVDC变电站内。常规上，为了提供电磁干扰(EMI)屏蔽，并且为了提供适当安全和干净的环境，整个DC断路器会被组装并安装在基本上密封和屏蔽的结构内。不过，这的确需要专门建造的结构，其必然相当大以具有必需的电气间隙容置断路器。这可能增加DC断路器的费用，对大结构的需求在一些应用中可能是有问题的，诸如离岸安装。本发明的实施例因此涉及缓解上述的问题中的至少一些的DC断路器。