CN103337852A - 一种直流电网开断装置 - Google Patents

Abstract

一种直流电网开断装置，包括顺序连接的一次侧、变压器单元和二次侧。一次侧包括第一接地开关单元、逆变单元和第一交流断路器单元；第一接地开关单元与逆变单元并联，一起串联接入一次直流输电线路；逆变单元的交流侧与第一交流断路器单元的一端相连，第一交流断路器的另一端与变压器单元的高压侧相连。二次侧包括第二交流断路器单元、整流单元和第二接地开关单元；第二接地开关单元与整流单元并联，一起串联接入二次直流输电线路，整流单元的交流侧与第二交流断路器单元的一端相连，第二交流断路器单元的另一端与变压器单元的低压侧相连。

Description

一种直流电网开断装置

技术领域

本发明涉及一种用于多端直流系统快速断开直流电流的装置。

背景技术

我国地域辽阔，能源生产与利用分布不均，高压直流输电的大容量、远距离的输电优势，在我国“西电东送，全国联网”战略中发挥了重要的作用。另一方面，随着大功率电力电子全控开关器件技术以及新型直流输电技术的成熟与发展，新型直流输电技术由于良好的控制性使得多端输电在分布式发电、可再生能源发电、城市直流配电领域中的发展潜力日益显现。而由于新型直流输电技术具有与传统输电技术不同的特性，其对直流断路器的性能要求也不同，对高压直流断路器提出了新的要求。

目前的直流输电系统中的直流断路器主要是在交流断路器的基础上，通过各种措施将通过交流断路器的恒定电流转换为有电流过零点的交变电流，这样利用传统意义上的交流断路器所设计的直流开断方案，可以达到开断直流电流的效果。其通常由三个部分构成：交流断路器改造而成的开断装置（可以是空气断路器，SF6断路器，少油断路器或真空断路器）；以形成电流过零点为目的的振荡回路；以吸收直流回路中储存的能量为目的耗能元件。

图1给出了传统直流断路器的示意图，如图1所示直流线路L中承载电流I，直流断路器1（虚线框包含部分）布置在直流线路上，可以切断直流I。直流断路器1包括交流断路器11，与其并联的由电抗器12、电容器14构成谐振支路，以及耗能元件13。通常耗能元件为氧化锌避雷器，可以起到限制谐振支路电压及吸收线路能量的作用。

上述结构的直流断路器由于采用振荡的方式产生电流过零点，其开断的电流约4～5kA，对于更大的电流则无能为力。另外，其开断直流电路的时间较长，通常约在20ms甚至更长时间，而现代直流电网要求断路器能在5ms左右开断。此外，对于多端直流输电系统也较难应用。针对上述问题提出的解决办法如：

专利CN102227796A“高压直流电路断路器设备和方法”中提到使用现有组件并联实现比现有直流断路器处理更大电流的新型设备和方法；该方法能实现开断更大等级电流，但其开断时间依然较长。

专利US6952335B2“Solid-State DC Circuit Breaker”中提到一种使用发射极可关断（ETO）器件的固体直流断路器，该方法的优点是开断过程不产生电弧，但由于采用电力电子器件作为关断元件，其关断电流等级较低。

专利CN102683095A“直流真空断路器”中提到使用真空灭弧室作为开断元件，形成串联断开，采用熄弧电路控制断开燃弧时间，完成快速可靠开断，但由于使用真空灭弧室，只能用于中低压配电领域，无法用于高压领域。

专利CN102360990A“一种多断口特高压直流断路器结构”提到了一种使用传统直流开断技术的具有良好稳定性、可靠性和抗震性能的多断口特高压直流断路器结构，然而该结构只是提高了断路器开断电压，不能提高开断电流等级、降低开断时间。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种能够快速开断直流电网线路上额定或故障电流的的装置。本发明能够提高直流电流开断能力，同时减少开断时间，还兼有电能分配的功能。

本发明开断装置包括逆变单元、交流断路器单元、变压器单元、整流单元和接地开关单元几个部分。所述的逆变单元和整流单元具有类似的结构，均由电力电子器件串并联组成。组成所述整流单元的器件可以是可控的，也可以是不可控的换流器件，从减少成本来考虑，选择不可控器件是第一优选。组成所述逆变单元的器件为可控导通的晶闸管或绝缘栅双极晶体管换流阀，从成本和可靠性考虑，晶闸管是第一优选。所述的交流断路器可以是真空断路器，也可以是SF₆断路器或油断路器，在用于高压及以上电压领域时，优选SF6断路器，且所选断路器应具有快速开断中频或高频交流电流的能力。所述的接地开关为高速机械开关。所述的变压器为大容量中频或高频变压器，其可以起到变换电压等级的作用，同时还具有隔离直流线路两端的功能。对于不需要进行电压等级变换的直流输电线路，也可以不设置变压器。

所述开断装置包括一次侧即电源侧、变压器单元，以及二次侧即负载侧。一次侧、变压器单元和二次侧依次顺序连接。所述的一次侧由第一接地开关单元、逆变单元和第一交流断路器单元构成；所述第一接地开关单元与逆变单元的直流侧并联，而后一起串联接入一次直流输电线路；逆变单元的交流侧与第一交流断路器单元的一端相连，第一交流断路器的另一端与变压器单元的高压侧相连。所述的二次侧由第二交流断路器单元、整流单元和第二接地开关单元构成；所述第二接地开关单元与整流单元的直流侧并联，而后一起串联接入二次直流输电线路，整流单元的交流侧与第二交流断路器单元的一端相连，第二交流断路器单元的另一端与变压器单元的低压侧相连。所述的二次侧可以有多个，多个二次侧均接在变压器单元的低压侧母线上。为满足未来直流电网对开断时间约5ms以内的要求，所述交流断路器单元的最低频率为200Hz，所述变压器单元的最低频率为200Hz，所述交流断路器单元的最大开断时间为5ms；考虑到信号延迟及为保证开断可靠性，优选交流断路器和变压器工作频率在500Hz及以上。所述的装置在不包含变压器单元时，一次侧和二次侧只需要一个交流断路器单元，即只有第一交流断路器单元或第二交流断路器单元。

本发明包括变压器时，所述开断装置还具有变换电压等级的功能。在直流输电线路的负载侧输电线路发生故障时，故障的继电保护系统给第二交流断路器单元断开信号，第二交流断路器断开高频交流电流，直流输电线路的负载侧与电源侧断开，开断过程中变压器起到限流电抗器的作用。而后第二接地开关单元接地，整流单元被短路，以保护整流模块不受大电流的影响，同时输电线路中储存的能量得到释放；在直流输电线路的电源侧线路发生故障时，故障的继电保护系统给第一交流断路器单元断开信号，第一交流断路器断开高频交流电流，直流输电线路的负载侧与电源侧断开；

本发明不包括变压器时，所述开断装置在直流输电线路的负载侧或电源侧发生故障时，故障的继电保护系统给第二交流断路器单元断开信号，第二交流断路器断开高频交流电流，直流电网开断装置负载侧与电源侧断开；而后第二接地开关单元接地，整流单元被短路，以保护整流模块不受大电流的影响，同时断开的输电线路中储存的能量得到释放；

本发明将开断直流电流变为开断中频或高频交流电流，不仅提高了开断直流电流的等级而且开断速度也满足未来直流电网的需求。

附图说明

图1为传统直流断路器示意图；

图2为本发明直流电网开断装置的第一实施例；

图3为本发明直流电网开断装置的第二实施例；

图4为本发明直流电网开断装置的第三实施例。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图2为本发明直流电网开断装置的第一实施例。如图2所示，本发明开断装置2包括一次侧即电源侧、变压器单元23和二次侧即负载侧。一次侧、变压器单元23和二次侧依次顺序连接。所述的一次侧由第一接地开关单元26、逆变单元21和第一交流断路器单元22构成；所述的二次侧由第二交流断路器单元25、整流单元24、第二接地开关单元27构成。所述的逆变单元21的直流侧与第一接地开关单元26并联，而后串联接入一次直流输电线路HVDC1，所述的逆变单元21的交流侧与第一交流断路器单元22的一侧相连；所述第一交流断路器单元22的另一侧与变压器单元23的高压侧相连；所述变压器单元23的低压侧与第二交流断路器单元25的一侧相连；第二交流断路器单元25的另一侧与整流单元24的交流侧相连，整流单元24的直流侧与第二接地开关单元27并联，而后串联接入二次直流输电线路HVDC2。所述的变压器单元23为大容量中频或高频变压器，具有变换电压等级、同时在故障时还起到限流电抗器的作用，另外还具有隔离直流线路两端的功能；

图3为本发明直流电网开关装置的第二实施例。如图3所示，本发明的直流电网开断装置3包括一次侧即电源侧、变压器单元23和二次侧即负载侧，一次侧、变压器单元和二次侧依次顺序连接。所述的一次侧由第一接地开关单元26、逆变单元21和第一交流断路器单元22构成；所述二次侧包括两组二次侧，分别为第一二次侧和第二二次侧，两组二次侧并联，连接在变压器单元23的低压侧母线上；第一二次侧由第二交流断路器单元25、第一整流单元24、第二接地开关单元27构成；第二二次侧由第三交流断路器单元28、第二整流单元29、第三接地开关单元30构成。所述的逆变单元21的直流侧与第一接地开关单元26并联，而后串联接入一次直流输电线HVDC1，逆变单元21的交流侧与所述第一交流断路器单元22的一侧相连；所述第一交流断路器单元22的另一侧与变压器单元23的高压侧相连；所述变压器单元23的低压侧与第二交流断路器单元25，以及第三交流断路器单元28的一侧相连；第二交流断路器单元25的另一侧与第一整流单元24的交流侧相连接，第三交流断路器单元28的另一侧与第二整流单元29的交流侧相连接；第一整流单元24的直流侧与第二接地开关单元27并联，而后串联接入二次直流输电线HVDC2；第二整流单元29的直流侧与第三接地开关单元30并联，而后串联接入三次直流输电线HVDC3。

图4为本发明直流电网开关装置的第三实施例。如图4所示，本发明直流电网开断装置4包括一次侧即电源侧、交流断路器单元22和二次侧即负载侧，一次侧、交流断路器单元和二次侧依次顺序连接。所述的一次侧由第一接地开关单元26和逆变单元21构成；所述的二次侧由整流单元24和第二接地开关单元27构成。所述逆变单元21的直流侧与一次直流输电线路HVDC1相连，所述逆变单元21的交流侧与所述交流断路器单元22的一侧相连；所述交流断路器单元22的另一侧与整流单元24的交流侧相连，整流单元24的直流侧与二次直流输电线路HVDC2相连。所述的第一接地开关单元26与逆变单元21的直流侧并联，第二接地开关单元27与整流单元24直流侧并联。

所述的直流电网开断装置适用于用于双端或多端直流输电系统。

Claims (6)

1.一种直流电网开断装置，其特征在于：所述的装置（2）包括一次侧即电源侧、变压器单元（23），以及二次侧即负载侧，一次侧、变压器单元（23）和二次侧依次顺序连接；所述的一次侧由第一接地开关单元（26）、逆变单元（21）和第一交流断路器单元（22）构成；所述第一接地开关（26）与逆变单元（21）的直流侧并联，而后一起串联接入一次直流输电线路（HVDC1）；所述逆变单元（21）的交流侧与第一交流断路器单元（22）的一端相连，第一交流断路器（22）的另一端与变压器单元（23）的高压侧相连；所述的二次侧由第二交流断路器单元（25）、整流单元（24）和第二接地开关单元（27）构成；所述第二接地开关单元（27）与整流单元（24）直流侧并联，而后一起串联接入二次直流输电线路（HVDC2）；所述整流单元（24）的交流侧与第二交流断路器单元（25）的一端相连，第二交流断路器单元(25)的另一端与变压器单元（23）的低压侧相连。

2.一种直流电网开断装置，其特征在于：所述的直流电网开断装置（3）包括一次侧即电源侧、变压器单元（23）和二次侧即负载侧，一次侧、变压器单元（23）和二次侧依次顺序连接；所述的一次侧由第一接地开关单元（26）、逆变单元（21）和第一交流断路器单元（22）构成；所述二次侧包括两组，分别为第一二次侧和第二二次侧；两组二次侧并联，连接在变压器单元（23）的低压侧母线上；第一二次侧由第二交流断路器单元（25）、第一整流单元（24）、第二接地开关单元（27）构成；第二二次侧由第三交流断路器单元（28）、第二整流单元（29）、第三接地开关单元（30）构成；所述的第一接地开关单元（26）与逆变单元（21）的直流侧并联，而后一起串联接入一次直流输电线（HVDC1），逆变单元（21）的交流侧与所述第一交流断路器单元（22）的一侧相连；所述第一交流断路器单元（22）的另一侧与变压器单元（23）的高压侧相连；所述变压器单元(23)的低压侧与第二交流断路器单元（25），以及第三交流断路器单元（28）的一侧相连；第二交流断路器单元（25）的另一侧与第一整流单元（24）的交流侧相连接，第三交流断路器单元（28）的另一侧与第二整流单元（29）的交流侧相连接；第一整流单元（24）的直流侧与第二接地开关单元（27）并联，而后一起串联接入二次直流输电线（HVDC2），第二整流单元（29）的直流侧与第三接地开关单元（30）并联，而后一起串联接入三次直流输电线（HVDC3）。

3.根据权利要求2所述的直流电网开断装置，其特征在于：所述的两组二次侧或者与逆变单元（21）的交流侧相连。

4.一种直流电网开断装置，其特征在于：所述的直流电网开断装置（4）包括一次侧即电源侧、交流断路器单元（22）和二次侧即负载侧，一次侧、交流断路器单元和二次侧依次顺序连接；所述的一次侧由第一接地开关单元（26）和逆变单元（21）构成；所述的二次侧由整流单元（24）和第二接地开关单元（27）构成；所述逆变单元（21）的直流侧与一次直流输电线路（HVDC1）相连，所述逆变单元（21）的交流侧与所述交流断路器单元（22）的一侧相连；所述交流断路器单元（22）的另一侧与整流单元（24）的交流侧相连，整流单元（24）的直流侧与二次直流输电线路（HVDC2）相连；所述的第一接地开关单元（26）与逆变单元（21）直流侧并联，第二接地开关单元（27）与整流单元（24）直流侧并联。

5.根据权利要求4所述直流电网开断装置，其特征在于：所述逆变单元（21）逆变后的交流电流最低频率为200Hz，所述第一交流断路器单元（22）、第二交流断路器单元（25）和第三交流断路器单元（28）的最大开断时间为5ms。

6.根据权利要求1或2所述的直流电网开断装置，其特征在于：所述逆变单元（21）逆变后的交流电流最低频率为200Hz，所述第一交流断路器单元（22）、第二交流断路器单元（25）的最大开断时间为5ms。

Images