CN107533926B - 旁路开关、提供导电路径的方法和功率系统 - Google Patents

Abstract

呈现了一种旁路开关，用于在第一端子与第二端子之间提供旁路路径。旁路开关包括：分别连接到第一端子和第二端子的第一组电气触点；分别连接到第一端子和第二端子的第二组电气触点；以及可动构件。该可动构件包括第一导电部、第二导电部、以及在第一导电部与第二导电部之间的绝缘体，其中可动构件从初始状态经由第一状态到第二状态是可移动的，其中，在初始状态，第一组电气触点导电分离，并且第二组电气触点导电分离，在第一状态下，第一组电气触点经由第一导电部导电连接，并且第二组电气触点导电分离，并且在第二状态下，第二组电气触点经由第二导电部导电连接。

Description

旁路开关、提供导电路径的方法和功率系统

技术领域

本发明涉及旁路开关、功率系统以及在第一端子与第二端子之间提供导电路径的方法。

背景技术

诸如电气功率分配或传输系统的功率系统被用于供应、传输和使用电功率。归因于对具有低传输损耗以及灵活互连可能性的功率传输需求的增加，高压直流电流(HVDC)的功率传输变得越来越普遍。

诸如电气功率传输系统的功率系统一般包括保护系统，用于保护、监测和控制功率系统中的电气设备的操作。这样的保护系统可以例如能够检测功率线、变压器和/或功率系统的其他部件或组件中的短路、过电流以及过电压。保护系统可以包括诸如断路器的保护装备，用于通过断开或跳闸断路器来隔离例如在功率传输和分配线路中出现任何可能的故障。故障清除后，例如通过对已经检测到故障的组件执行维修和/或维护，可以通过闭合断路器来恢复电力流。

此外，保护系统可以被布置成在检测到特定电气设备中的故障时，通过使用旁路开关绕过该电气设备来隔离故障电气设备。然后，旁路开关提供导电路径以绕过电气设备，直到电气设备被修好或被替换。

HVDC换流器站将高压直流电流(DC)变换为交流电流(AC)，或者反之亦然。HVDC换流器站可以包括多个元件，例如换流器设备(或串联或并联连接的多个换流器设备)、AC开关装置、变压器、电容器、滤波器、DC开关装置和/或其他辅助元件。换流器设备可以包括多个基于固态的设备，诸如半导体设备，并且可以被分类为使用例如晶闸管作为开关的线换相换流器，或使用诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)的晶体管作为开关的电压源换流器。多个固态半导体设备，诸如晶闸管或IGBT，可以例如串联连接在一起，以形成HVDC换流器的构建块或单元，也可以被称为HVDC换流器阀

根据一个示例，诸如晶闸管或IGBT的多个固态半导体设备可以串联连接在HVDC换流器的单元中。在例如包括HVDC换流器的HVDC功率传输系统或HVDC电网的正常操作期间，HVDC换流器中的固态半导体设备有时可能处于其中它们导通电流的导通模式，并且在其他时间处于阻塞模式，以便获得电流的期望(例如正弦的)波形。这可能使固态半导体设备暴露于持续的电流应力，特别是在HVDC应用中，其可能具有显著的幅度。如果任何一个固态半导体设备发生故障，则通过HVDC换流器的电流可能会被中断，并且然后可能必需维修和/或替换任何故障的固态半导体设备，以便将HVDC换流器重新投入操作。在基于电压源换流器的HVDC换流器站中，可以存在用作电压源的DC电容器或DC电容器组，并且其例如并联连接到一个或多个固态半导体设备，例如包括在HVDC换流器的单元中的IGBT。

如上所述，在检测到特定电气设备中的故障时，可以使用旁路开关绕过该电气设备来隔离故障电气设备。这种故障操作可以应用于故障半导体和/或电容器组。然而，归因于涉及的高电压，在切换期间出现电弧，这使旁路开关的触点恶化，从而导致损耗和/或不稳定的旁路状态。

EP2775502呈现了一种设备，该设备具有辅助开关触桥和保护触桥，辅助开关触桥和保护触桥在第一位置被偏转，使得辅助开关触桥与辅助开关固定触点电连接，并且辅助开关触桥和保护触桥在第二位置被偏转，使得保护触桥与接触器固定触点电连接。控制装置被设定为在预定时间段内接通接触器。线圈被使用电流激励以启动接触器，使得开关处于第一位置或第二位置。

期望提供一种旁路开关，其减少归因于电弧的不良影响。

发明内容

根据第一方面，呈现了一种旁路开关，用于在第一端子与第二端子之间提供旁路路径。该旁路开关包括：分别连接到第一端子和第二端子的第一组电气触点；分别连接到第一端子和第二端子的第二组电气触点；以及可动构件，包括第一导电部、第二导电部、以及第一导电部与第二导电部之间的绝缘体，其中可动构件从初始状态经由第一状态到第二状态是可移动的，其中在初始状态下，第一组电气触点导电分离，并且第二组电气触点导电分离，在第一状态下，第一组电气触点经由第一导电部导电连接，并且第二组电气触点导电分离，并且在第二状态下，第二组电气触点经由第二导电部导电连接。

可动构件沿着第一方向是可位移的，以从初始状态经由第一状态转换到第二状态。

第二导电部可以在第一方向上位于第一导电部的前方。

旁路开关还可以包括烟火设备，其在被点火时产生冲击波，以将可动构件从初始状态经由第一状态移动到第二状态。

旁路开关还可以包括弹簧，其在被释放时使得可动构件从初始状态经由第一状态移动到第二状态。

在第二状态下，第二导电部可以楔入第二组电气触点之间。

在从初始状态经由第一状态到第二状态的转换期间，可动构件的移动可以足够慢，使得在第一状态期间，在第一组电气触点之间传递的能量防止在采用第二状态时第二组电气触点中任何一个电气触点的电弧。

旁路开关还可以包括在第二组电气触点的电气触点中的一个电气触点与第一电气触点和第二电气触点的其中之一之间的电抗器。

第一导电部可以可拆卸地连接到第二导电部。

根据第二方面，呈现了一种功率系统，包括：电气设备；以及根据前述权利要求中任一项所述的旁路开关；其中旁路开关的第一端子和第二端子跨越电气设备连接。

根据第三方面，呈现了一种用于在第一端子与第二端子之间提供导电路径的方法，该方法在旁路开关中执行，该旁路开关包括分别连接到第一端子和第二端子的第一组电气触点；分别连接到第一端子和第二端子的第二组电气触点；以及可动构件，其包括在第一导电部、第二导电部、以及在第一导电部与第二导电部之间的绝缘体。该方法包括以下步骤：将可动构件从初始状态移动到第一状态，其中在初始状态下，第一组电气触点导电分离，并且第二组电气触点导电分离，并且在第一状态下，第一组电气触点经由第一导电部导电连接，并且第二组电气触点导电分离，并且将可动构件从第一状态移动到第二状态，其中在第二状态，第二组电气触点经由第二导电部导电连接。

该方法还可以包括以下步骤：检测电气设备中的故障，该电气设备跨越第一端子和第二端子连接。

从初始状态移动到第一状态以及从第一状态移动到第二状态的步骤可以作为可动构件的连续移动的结果来执行。

一般地，权利要求中使用的所有术语都应根据技术领域的普通含义进行解释，除非本文另有明确定义。除非另有明确说明，所有引用“一/一个/元件、装置、组件、部件、步骤等”应被公开解释为指代元件、装置、组件、部件、步骤等的至少一个实例。除非明确说明，否则本文公开的任何方法的步骤不必以所公开的确切顺序执行。

附图说明

本发明现在通过示例的方式，参照附图进行描述，其中：

图1A至图1C图示了根据一个实施例的旁路开关的各种状态的示意图；

图2A至图2C图示了根据一个实施例的旁路开关的各种状态的示意图；

图3图示了图1A至图1C的实施例使用不同阻抗的示意图；

图4图示了图2A-C的实施例使用不同阻抗的示意图；

图5图示了图1A-C的实施例的第二导电部如何被楔入一组电气触点之间的示意图；

图6图示了采用旁路开关的功率系统的示意图；以及

图7图示了用于在旁路开关中提供导电路径的方法的流程图。

具体实施方式

现在参照其中示出了本发明的某些实施例的附图，将在下文中更加全面地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应被解释为受限于本文所阐述的实施例；相反，这些实施例通过示例的方式提供，使得本公开将是彻底和完整的，并且将全面地向本领域技术人员传达本发明的范围。在整个描述中，相同的数字指代相同的元件。

图1A至图1C图示了根据一个实施例的旁路开关100的各种状态的示意图。图1A图示了初始状态，图1B图示了第一状态，并且图1C图示了旁路开关的第二状态。

旁路开关100用于在第一端子102与第二端子103之间提供旁路路径。该旁路路径是允许电流在第一端子102与第二端子103之间、在任一方向单向或双向流动的导电路径。

第一组电气触点107分别连接到第一端子102和第二端子103。类似地，第二组电气触点108分别连接到第一端子102和第二端子103。

可动构件109包括第一导电部112和第二导电部116。绝缘体111设置在第一导电部112与第二导电部116之间。可动构件109可沿第一方向118位移，并且可以通过围绕结构(未示出)在这种移动中被引导。所产生的移动是一种平移移动。

可动构件109可从图1A中所示的初始状态，经由图1B中所示的第一状态，移动到图1C中所示的第二状态。

在图1A中所示的初始状态下，第一组电气触点107被导电分离，并且第二组电气触点108被导电分离。因此，在这种状态下，对应于被保护的电气设备没有被绕过的正常操作状态，在第一端子102与第二端子103之间没有导电路径。在这里所示的状态下，绝缘体111位于第一组电气触点之间，从而在第一组电气触点107之间提供导电分离。这允许可动构件109被定位成使得第二部116在第一组电气触点(沿着第一方向118)之前。因此，如果第一部112卡在第一组电气触点107之间，则第二导电部116可以朝向第二组电气触点108继续移动，只要这与第一导电部112是可分离的。此外，存在物理分离，其在第一组电气触点之间提供空气(或其他流体)，以获得导电分离。

当旁路设备被激活时，本文以烟火设备115形式的致动器被触发。因此，当可动构件109要被移动时致动器被使用，从而实现通过旁路设备的导电路径。致动器可以是任何适合的设备，其可以被控制可沿着第一方向118移动可动构件109。例如，致动器也可以使用弹簧等来实施。

在图1B中所示的第一状态下，可动构件109已经移动到使得第一组电气触点107经由第一导电部112而被导电连接。当第一组电气触点变成导电连接时，发生从初始状态到第一状态的转换。以这种方式，第一导电路径120a被设置在第一端子102与第二端子103之间。在第一状态下，第二组电气触点108被导电分离，由此在第一端子与第二端子103之间可能涉及电弧的初始能量传递仅仅在使用第一组电气触点107时出现。

然而，归因于由致动器提供的可动构件109的动能，可动构件109继续移动。一旦可动构件109已经移动到使得第二导电部116在第二组电气触点108之间引起导电连接，则采用第二状态，如图1C中所示。在第二状态下，第二导电路径120b经由第二组电气触点108被设置在第一端子102与第二端子103之间。在可动构件109的移动期间，可能存在第一状态与第二状态之间的转换状态。在转换状态期间，第一端子102与第二端子103之间可选地不存在导电连接。备选地，当第二导电部116提供第二组电气触点108之间的导电连接时，第一导电部112也暂时地或无限时地连接到第一组电气触点107。换言之，在第二状态下，在第一组电气触点107之间可选地还存在导电连接。

当旁路开关被触发时，第一状态允许第一组电气触点107承受主要电应力，并且用于降低旁路开关的两侧之间可能涉及电弧的电压。电弧通常降低触点的质量，但是由于旁路开关随后进入第二状态，电弧放电已经完成，并且第二组电气触点108在没有(或可忽略)电弧放电的情况下被连接。第二组电气触点继而在没有(或可忽略)电弧放电的情况下被连接，提供可以无限期地持续的稳定和可预测的连接，直到被绕过的电气设备被替换。

由于可动构件109包括第一导电部112和第二导电部116两者，相同的推进力被使用来闭合第一(电弧)导电路径120a和第二(稳定)导电路径120b，这导致旁路开关仅具有对致动器的一次触发，并且具有少数组件，并且仍然实现了在电弧接触之后的稳定接触。

在本实施例中，参照第一方向，第二导电部116位于第一导电部112的前方。此外，第一导电部112可拆卸地连接到第二导电部116。以这种方式，如果归因于材料表面的改变(归因于电弧)，第一导电部112卡在第一组电气触点107之间，则第二导电部116可以在第一方向118上继续移动，从而从第一导电部112拆卸下。可拆卸连接可以是当第一导电部112被卡住时、归因于第一导电部(以及可选地，绝缘体111)的动能而可以释放的任何机械连接。

触点的尺寸以及移动的时间(例如由致动器推进时的速度)可以被配置成使得在第一状态下，旁路开关的两侧之间传递足够的能量。换言之，在从初始状态经由第一状态到第二状态的转换期间，可动构件109的移动足够慢，使得在第一状态期间、在第一组电气触点107之间传递的能量防止在采用第二状态时第二组电气触点108中的任何一个电气触点的电弧。

应当注意的是，图1A至图1C仅仅是为了更好地示意性地解释旁路开关的功能，并且所示组件的几何结构可以与所示内容显著变化。例如，可以使用楔入、滑动、集电轨、梅花触点等来实施电气触点107、108。

旁路开关可以一次使用，使用后需要替换。备选地，通过允许可动构件移回到初始状态，并且替换或准备用于另一次触发的致动器，可以将旁路开关部署多次。

图2A至图2C图示了根据一个实施例的旁路开关的各种状态的示意图。图2A图示了初始状态，图2B图示了第一状态并且图2C图示了旁路开关的第二状态。该实施例的结构和操作对应于图1A至图1C的实施例，并且这里仅指出不同之处。

在该实施例中，在第一方向118上，第二导电部116位于第一导电部112的后方。这也意味着第一电气触点107位于第二电气触点108的前方(在第一方向)。

图3图示了图1A至图1C的实施例使用不同阻抗的示意图。这里，在第一组电气触点107的电气触点中的一个与电气触点102、103其中之一之间存在第一阻抗121a。在第二组电气触点108的电气触点中的一个与电气触点102、103其中之一之间还存在第二阻抗121b。

在该实施例中，第二阻抗121b的电抗明显高于第一阻抗的电抗。显著高于可以例如至少是两倍。在一个实施例中，第一阻抗121a不是物理组件，而是仅表示旁路开关的导体的(主要电阻式)阻抗。在一个实施例中，第二阻抗121b是电抗器。

归因于与第一阻抗121a相比第二阻抗121b具有更高的电抗，在第一组电气触点107和第二组电气触点两者被导电连接的情况下(例如，处于第一状态与第二状态之间的转换状态)，电流在第二组电气触点108上的增加相对较慢。以这种方式，更多的能量通过第一组电气触点传递。以这种方式，通过适当地确定第一和第二阻抗121a、121b的尺寸，可以控制能量传递首先出现在第一组电气触点107上，以关注电弧放电。

应当注意，这里，致动器图示为弹簧118。

图4图示了图2A至图2C的实施例使用不同阻抗的示意图。与图3的实施例一样，在第一组电气触点107的电气触点中的一个与电气触点102、103的其中之一之间存在第一阻抗121a。在第二组电气触点108的电气触点中的一个与电气触点102、103的其中之一之间还存在第二阻抗121b。同样这里，第二阻抗121b具有比第一阻抗121a显著更高的电抗，以允许上文参照图3解释的操作。

图5图示了图1A至图1C的实施例的第二导电部116如何楔入第二组电气触点108之间的示意图。当包括第二导电部116的可动构件沿着第一方向向前移动时，归因于第二导电部116和第二电气触点108的结构而实现楔入。楔入提供第二组电气触点108之间的稳定和可靠的接触。

图6图示了采用旁路开关100的功率系统200的示意图。功率系统200包括根据上文描述的任一实施例的电气设备201和旁路开关100。旁路开关的第一端子102和第二端子103跨越电气设备201而被连接。电气设备201是任何适合类型的电气设备，其可以在它发生故障时因旁路而受益，例如电容器、固态开关等。

提供控制器202，当在电气设备201中检测到故障201时，向旁路开关100发送信号以提供旁路路径。该信号致动旁路开关的致动器，从而如上文所描述地触发可动构件的移动。

图7图示了用于在旁路开关的一个实施例中提供导电路径的方法的流程图。该方法被执行于旁路开关中。

在检测故障步骤中，故障在跨越第一端子102和第二端子103连接的电气设备中被检测到。这将导致旁路开关的致动器被触发。

在初始状态移动到第一状态的步骤42中，可动构件109从初始状态移动到第一状态。如上所述，在初始状态下，第一组电气触点107被导电分离，并且第二组电气触点108被导电分离。此外，在第一状态下，第一组电气触点107经由第一导电部112被导电连接，并且第二组电气触点108被导电分离。

在第一状态移动到第二状态的步骤44中，可动构件109从第一状态移动到第二状态。如上所述，在第二状态下，第二组电气触点108经由第二导电部116被导电连接。

初始状态移动到第一状态的步骤42和第一状态移动到第二状态的步骤44可以作为可动构件的连续移动的结果而被执行。

以上参照几个实施例主要描述了本发明。然而，如本领域技术人员所容易理解的那样，除了所附专利的权利要求所限定的本发明的范围之外，与上述公开的实施例相比，其他实施例同样是可能的。

Claims (12)

1.一种旁路开关(100)，用于在第一端子(102)与第二端子(103)之间提供旁路路径，所述旁路开关包括：

第一组电气触点(107)，分别连接到所述第一端子(102)和所述第二端子(103)；

第二组电气触点(108)，分别连接到所述第一端子(102)和所述第二端子(103)；

可动构件(109)，所述可动构件(109)包括第一导电部(112)、第二导电部(116)、以及在所述第一导电部(112)与所述第二导电部(116)之间的绝缘体(111)，其中所述可动构件从初始状态经由第一状态到第二状态是可移动的，其中在所述初始状态下，所述第一组电气触点(107)被导电分离，并且所述第二组电气触点(108)被导电分离，在所述第一状态下，所述第一组电气触点(107)经由所述第一导电部(112)被导电连接，并且所述第二组电气触点(108)被导电分离，并且在所述第二状态下，所述第二组电气触点(108)经由所述第二导电部(116)被导电连接；以及

所述第一组电气触点(107)的电气触点中的一个电气触点与所述第一端子(102)和所述第二端子(103)中的一个之间的第一阻抗(121a)；以及在所述第二组电气触点(108)的电气触点中的一个电气触点与所述第一端子(102)和所述第二端子(103)中的一个之间的第二阻抗(121b)，使得所述第二阻抗的电抗显著地高于所述第一阻抗的电抗。

2.根据权利要求1所述的旁路开关(100)，其中所述可动构件沿第一方向(118)是可位移的，以从所述初始状态经由所述第一状态转换到所述第二状态。

3.根据权利要求2所述的旁路开关(100)，其中所述第二导电部(116)在所述第一方向上位于所述第一导电部(112)的前方。

4.根据前述权利要求中任一项所述的旁路开关(100)，还包括烟火设备(115)，所述烟火设备(115)在被点火时产生冲击波，以将所述可动构件从所述初始状态经由所述第一状态移动到所述第二状态。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的旁路开关(100)，还包括弹簧(118)，所述弹簧(118)在被释放时使得所述可动构件从所述初始状态经由所述第一状态移动到所述第二状态。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的旁路开关(100)，其中在所述第二状态下，所述第二导电部(116)楔入所述第二组电气触点(108)之间。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的旁路开关(100)，其中，在从所述初始状态经由所述第一状态到所述第二状态的转换期间，所述可动构件(109)的移动足够慢，使得在所述第一状态期间、在所述第一组电气触点(107)之间传递的能量防止在采用所述第二状态时所述第二组电气触点(108)中的任何一个电气触点的电弧。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的旁路开关(100)，其中所述第一导电部(112)可拆卸地连接到所述第二导电部(116)。

9.一种功率系统(200)，包括：

电气设备(201)；以及

根据前述权利要求中任一项所述的旁路开关(100)；

其中所述旁路开关的第一端子(102)和第二端子(103)跨越所述电气设备(201)连接。

10.一种用于在第一端子(102)与第二端子(103)之间提供导电路径的方法，所述方法在旁路开关中执行，所述旁路开关包括第一组电气触点(107)，所述第一组电气触点(107)分别连接到所述第一端子(102)和第二端子(103)；第二组电气触点(108)，所述第二组电气触点(108)分别连接到所述第一端子(102)和所述第二端子(103)；可动构件(109)，所述可动构件(109)包括第一导电部(112)、第二导电部(116)、以及在所述第一导电部(112)与所述第二导电部(116)之间的绝缘体(111)；所述第一组电气触点(107)的电气触点中的一个电气触点与所述第一端子(102)和所述第二端子(103)中的一个之间的第一阻抗(121a)；以及在所述第二组电气触点(108)的电气触点中的一个电气触点与所述第一端子(102)和所述第二端子(103)中的一个之间的第二阻抗(121b)，使得所述第二阻抗的电抗显著地高于所述第一阻抗的电抗，其中所述方法包括以下步骤：

将所述可动构件(109)从初始状态移动(42)到第一状态，其中在所述初始状态下，所述第一组电气触点(107)被导电分离，并且所述第二组电气触点(108)被导电分离，并且在所述第一状态下，所述第一组电气触点(107)经由所述第一导电部(112)被导电连接，并且所述第二组电气触点(108)被导电分离，并且

将所述可动构件(109)从所述第一状态移动(44)到第二状态，其中在所述第二状态下，所述第二组电气触点(108)经由所述第二导电部(116)被导电连接。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：

检测(40)电气设备中的故障，所述电气设备跨越所述第一端子(102)和所述第二端子(103)连接。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中从所述初始状态移动(42)到所述第一状态、以及从所述第一状态移动(44)到所述第二状态的步骤是作为所述可动构件的连续移动的结果而被执行。