CN103457257A - 一种多端直流系统用直流断路器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种多端直流系统用直流断路器及其控制方法，断路器包括避雷器、直流负荷开关支路、主开关支路和辅助开关电路；避雷器、直流负荷开关支路和主开关支路依次并联；主开关支路由两组结构相同的断流单元串联构成，每组断流单元包括串联的隔离开关和隔离阀段；在每组断流单元两端并联设结构相同的辅助开关电路。辅助开关电路包括晶闸管-电抗串联支路、二极管、电容和电阻；二极管并联在断流单元两端，晶闸管-电抗串联支路和电容对地并联接于二极管两端，并通过电阻接地。本发明通过注入反向电流的方法使直流电流过零来将其分断，对负荷电流则使用断路器的直流负荷开关来对其分断。

Description

一种多端直流系统用直流断路器及其控制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种多端直流系统用直流断路器及其控制方法。

背景技术

多端直流输电技术能够实现多电源供电、多落点受电，是一种灵活、快捷、经济的输电方式，满足电力工业的发展需求。直流断路器是多端直流输电工程中一种十分重要的设备，在多端直流系统中采用直流断路器才能充分发挥多端直流系统的特点和优势，然而直流断路器开断直流电流过程承受电压极高，需要吸收的能量特别大，要求开断速度快，可靠性高，而且需要开断双向电流。目前，一些学者正在研究其对应的直流断路器。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种多端直流系统用直流断路器及其控制方法，核心是基于电流转移原理采用叠加反向电流的方式分断直流电流，实现了电流的双向分断，为直流断路器的研制提供了一条崭新的技术路线。

本发明提供的一种多端直流系统用直流断路器，其改进之处在于，包括避雷器、直流负荷开关支路、主开关支路和辅助开关电路；所述避雷器、所述直流负荷开关支路和所述主开关支路依次并联；

所述直流负荷开关支路包括串联的直流转换开关和电阻R3；

所述主开关支路由结构相同的第一断流单元和第二断流单元串联构成；所述第一断流单元包括串联的隔离开关BRK1和第一隔离阀段；所述第二断流开关包括串联的隔离开关BRK2和第二隔离阀段；

在所述第一断流单元两端并联第一辅助开关电路；在所述第二断流单元两端并联第二辅助开关电路；

所述第一辅助开关电路包括晶闸管T4-电抗L2串联支路、二极管D1、电容C2和电阻R1；所述二极管D1并联在所述第一断流单元两端；所述晶闸管T4-电抗L2串联支路和所述电容C1对地并联接于所述二极管D1两端，并通过所述电阻R1接地；

所述第二辅助开关电路包括晶闸管T3-电抗L1串联支路、二极管D2、电容C1和电阻R2；所述二极管D2并联在所述第二断流单元两端；所述晶闸管T3-电抗L1串联支路和所述电容C1对地并联接于所述二极管D2两端，并通过所述电阻R2接地。

其中，所述直流转换开关包括并联的交流断路器BRK3和LC串联支路；所述LC串联支路包括串联的电容C3和电抗L3。

其中，所述第一隔离阀段包括反并联的全控器件T1和全控器件T2；所述全控器件T1和全控器件T2均采用IGCT或GTO；所述第二隔离阀段包括反并联的全控器件T11和全控器件T21；所述全控器件T11和全控器件T21均采用IGCT或GTO。

其中，所述第一辅助开关电路中，所述晶闸管T4的阳极与所述二极管D1的负极连接，其阴极与所述电抗L2连接；所述电抗L2的另一端与所述电容C2的一端连接，所述电容C2的另一端与所述二极管D1的正极连接；所述电抗L2和电容C2之间通过所述电阻R1接地；

所述第二辅助开关电路中，所述晶闸管T3的阳极与所述二极管D2的负极连接，其阴极与所述电抗L1连接；所述电抗L1的另一端与所述电容C1的一端连接，所述电容C1的另一端与所述二极管D2的正极连接；所述电抗L1和电容C1之间通过所述电阻R2接地。

其中，所述第一辅助开关电路中的所述二极管D1和所述晶闸管T4的个数均为两个以上；所述第二辅助开关电路中的所述二极管D2和所述晶闸管T3的个数均为两个以上。

其中，所述第一辅助开关电路中的二极管D1和所述第二辅助开关电路中的二极管D2负极相接，正极与线路中的限流电抗器连接。

本发明基于另一目的提供的一种多端直流系统用直流断路器的控制方法，其改进之处在于，所述方法包括如下步骤：

（1）将直流断路器接入线路中，并保持全控器件T1、全控器件T2、全控器件T11、全控器件T21、晶闸管T3和晶闸管T4为闭锁状态，直流转换开关的交流断路器BRK3为断开状态，第一断流单元中的隔离开关BRK1和第二断流单元中的隔离开关BRK2均为断开状态，电容充电到额定电压；

（2）开通直流断路器；

（3）出现故障时，判断线路中的电流类型，为故障电流还是直流负荷电流；

（4）根据电流类型，直流断路器采用不同方式进行关断。

其中，步骤（2）控制器对直流断路器的开通过程包括：

1）闭合直流负荷开关支路中的交流断路器BRK3；

2）闭合第二断流单元中的隔离开关BRK2，触发导通其中的全控器件T11；

3）断开所述交流断路器BRK3；

4）闭合第一断流单元中的隔离开关BRK1，触发导通其中的全控器件T1。

其中，步骤（4）根据电流类型，对直流断路器进行关断控制，包括：

对于故障电流：

①触发导通第二辅助开关电路中的晶闸管T3；

②断开所述第二断流单元中的隔离开关BRK2；

③避雷器动作并吸收能量；

④断开所述第一断流单元中的隔离开关BRK1；

对于直流负荷电流：

i）闭合所述交流断路器BRK3；

ii）关断第一断流单元中的全控型器件T1和第二断流单元中的全控器件T11，之后断开第一断流单元中的隔离开关BRK1和第二断流单元中的隔离开关BRK2；

iii）断开所述交流断路器BRK3；

iv）避雷器动作并吸收能量。

其中，步骤（2）控制器对直流断路器的开通过程包括：

1>闭合直流负荷开关支路中的交流断路器BRK3；

2>闭合第一断流单元中的隔离开关BRK1，触发导通其中的全控器件T2；

3>断开所述交流断路器BRK3；

4>闭合第二断流单元中的隔离开关BRK2，触发导通其中的全控器件T21。

其中，步骤（4）根据电流类型，对直流断路器进行关断控制，包括：

对于故障电流：

a）触发导通第一辅助开关电路中的晶闸管T4；

b）断开所述第一断流单元中的隔离开关BRK1；

c）避雷器动作并吸收能量；

d）断开所述第二断流单元中的隔离开关BRK2；

对于直流负荷电流：

I）闭合所述交流断路器BRK3；

II）关断第一断流单元中的全控型器件T2和第二断流单元中的全控器件T21，并断开第一断流单元中的隔离开关BRK1和第二断流单元中的隔离开关BRK2；

III）断开所述交流断路器BRK3；

IV）避雷器动作并吸收能量。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

本发明全控型器件IGCT或GTO构成直流断路器拓扑，通态损耗低，制造成本和散热要求较低，技术成熟。

本发明可应用于高压大电流场合，拓扑结构简单紧凑，控制简易，可扩展性高。

本发明应用快速隔离开关，实现了多工况双向直流电流分断，分断过程无弧快速。

本发明利用辅助开关电路实现了直流断路器的软开通，减小了功率器件开通过程所承受的应力。

本发明率先将直流负荷开关应用于直流断路器，可直接完成负荷电流工况时的直流电流切断与转换，增强直流断路器的使用寿命，增加其可靠性。

本发明属于混合型高压直流断路器，结合了机械式直流断路器和固态直流断路器二者的优势，研发难度相对较小，适用于各种多端直流系统。

本发明利用线路为辅助开关电路中电容器充电，不需额外增加充电设备，从而降低设备间电气隔离难度，减少占地面积和成本，易于工程化实现。

附图说明

图1为本发明提供的直流断路器结构图。

图2为本发明提供的分断故障电流的波形示意图。

图3为本发明提供的分断负荷电流的波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本实施例提出的一种多端直流系统用直流断路器，其通过两端分别串联限流电抗器后接入电网，其结构如图1所示，包括避雷器、直流负荷开关支路、主开关支路和辅助开关电路；避雷器、直流负荷开关支路和主开关支路依次并联；

本实施例的直流负荷开关支路包括串联的直流转换开关和电阻R3，直流转换开关包括并联的高压SF₆断路器BRK3和LC串联支路；LC串联支路包括串联的电容C3和电抗L3。

本实施例的主开关支路由结构相同的第一断流单元和第二断流单元串联构成；第一断流单元包括串联的隔离开关BRK1和第一隔离阀段；第一隔离阀段包括反并联的全控器件T1和全控器件T2；第二断流开关包括串联的隔离开关BRK2和第二隔离阀段；第二隔离阀段包括反并联的全控器件T11和全控器件T21；全控器件T1、全控器件T2、全控器件T11和全控器件T21均采用IGCT或GTO实现。

本实施例在第一断流单元两端并联第一辅助开关电路，在第二断流单元两端并联第二辅助开关电路。

第一辅助开关电路包括晶闸管T4-电抗L2串联支路、二极管D1、电容C2和电阻R1；二极管D1并联在第一断流单元两端；晶闸管T4-电抗L2串联支路和电容C1对地并联接于二极管D1两端，并通过电阻R1接地。图中，晶闸管T4的阳极与二极管D1的负极连接，其阴极与电抗L2连接；电抗L2的另一端与电容C2的一端连接，电容C2的另一端与二极管D1的正极连接；电抗L2和电容C2之间通过电阻R1接地，R1起限流作用，电抗L2起抑制短路电流作用。

第二辅助开关电路包括晶闸管T3-电抗L1串联支路、二极管D2、电容C1和电阻R2；二极管D2并联在第二断流单元两端；晶闸管T3-电抗L1串联支路和电容C1对地并联接于二极管D2两端，并通过电阻R2接地。图中，晶闸管T3的阳极与二极管D2的负极连接，其阴极与电抗L1连接；电抗L1的另一端与电容C1的一端连接，电容C1的另一端与二极管D2的正极连接；电抗L1和电容C1之间通过电阻R2接地，R2起限流作用，电抗L1起抑制短路电流作用。

本实施例的二极管D1、二极管D2、晶闸管T3和晶闸管T4均由至少两个以上的同器件串联构成（图中只用一个标示）。其中，二极管D1和二极管D2负极相接，正极与线路中的限流电抗器连接。

对应的，本实施例提出一种多端直流系统用直流断路器的控制方法，由于本断路器结构对称，双向流通电流的分断机理完全相同，仅取正向做原理分析，反方向可类比，附图1中所示电流方向I_dc为电流的正方向。对直流断路器在不同工况下的开通和分断过程进行说明：

工况1：分断故障电流

开通过程：

电容C1和C2利用线路通过辅助开关电路C1-R-BRK1及C2-R-BRK2充电并保持常带电状态，电压稳定在系统额定电压水平。闭合SF6断路器BRK3，此时系统直流电流流过直流转换开关和R1所在的支路；然后先闭合快速机械隔离开关BRK2，再触发导通全控器件T11，由于R1的存在，部分电流开始向D1-BRK2-T11支路转移，分闸BRK3，由BRK3及其辅助LC振荡回路构成的转换开关会将其所在支路电流切断，并促使电流转完全移到D1-BRK2-T11支路；待电流稳定后，将快速隔离开关BRK1闭合，触发导通T1，由于D1为多只二极管串联，阻抗远大于隔离开关和隔离阀段支路，故电流迅速转移到BRK1-T1-BRK2-T11支路；电容C1和C2电压方向为上正下负，与图示方向相同，当电容电压及BRK1-T1-BRK2-T11中电流稳定后，系统进入稳态运行，至此直流断路器开通过程结束。

分断过程：

当需要直流断路器分断线路故障电流时，触发导通T3，由于电容电压的作用，电容器C1迅速在C1-T11-BRK2-L1回路中产生一个与线路正向电流反向的脉冲电流，使得全控器件T11中电流过零，由于D2导通给T11提供反向电压，全控器件T11关断，此时快速机械隔离开关BRK2在无电流情况下快速动作分闸，待恢复阻断能力后，电流完全转移到BKR1-T1-T3-L1-C1支路，同时对C1充电，电容C1电压由上正下负变为上负下正，与图示方向相反。当BRK1-T1-T3-L1-C1支路电压达到避雷器MOV两端动作电压时，避雷器MOV动作，电流向避雷器MOV所在支路转移，当电容器C1充电电流为零时，电流完全转移到MOV支路，避雷器MOV吸收线路及限流电感中储存的能量，晶闸管T3关断，BRK1在无电流情况下分闸，待避雷器中电流逐渐减小至0，避雷器恢复阻断状态，流经线路断路器电流完全分断，至此关断过程结束。

工况2：分断直流负荷电流

开通过程：

闭合SF6断路器BRK3，此时系统直流电流流过直流转换开关和R1所在的支路；然后先闭合快速机械隔离开关BRK2，再触发导通全控器件T11，由于R1的存在，部分电流开始向D1-BRK2-T11支路转移，分闸BRK3，由BRK3及其辅助LC振荡回路构成的转换开关会将其所在支路电流切断，并促使电流转完全移到D1-BRK2-T11支路；待电流稳定后，将快速隔离开关BRK1闭合，触发导通T1，由于D1为多只二极管串联，阻抗远大于隔离开关和隔离阀段支路，故电流迅速转移到BRK1-T1-BRK2-T11支路；电容C1和C2电压方向为上正下负，与图示方向相同，当电容电压及BRK1-T1-BRK2-T11中电流稳定后，系统进入稳态运行，至此直流断路器开通过程结束。

分断过程：

当需要分断系统稳态负荷电流时，先闭合SF6断路器BRK3，此时会有部分电流从BRK3-R1支路流过，控制关断全控型器件T11和T1，并分闸快速机械开关BRK2和BRK1，使得线路电流将全部转移至BRK3-R1支路；待电流稳定后，分闸BRK3，利用BRK3及其并联的LC支路组成的直流转换开关分断负荷电流，其并联的LC支路会向BRK3支路叠加自激振荡电流使得BRK3支路电流出现过零点并分闸，电流转移至其并联的LC支路并给电容充电，当LC-R1支路电压达到避雷器MOV动作电压时，MOV动作并吸收线路及限流电感中储存的能量，待避雷器中电流逐渐减小至0，避雷器恢复阻断状态，流经线路断路器的电流完全分断，至此关断过程结束。

如图2所示，为分断故障电流的波形示意图。通过对本实施例提出的直流断路器的操控，从图中可以看出，经过1.4ms主支路直流电流分断，最终电流转移至避雷器进行能量耗散。

如图3所示，为分断负荷电流的波形示意图。通过对本实施例提出的直流断路器的操控，从图中可以看出，经过1.3ms主支路直流电流分断，最终电流转移至避雷器进行能量耗散。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (11)

1.一种多端直流系统用直流断路器，其特征在于，包括避雷器、直流负荷开关支路、主开关支路和辅助开关电路；所述避雷器、所述直流负荷开关支路和所述主开关支路依次并联；

所述直流负荷开关支路包括串联的直流转换开关和电阻R3；

所述主开关支路由结构相同的第一断流单元和第二断流单元串联构成；所述第一断流单元包括串联的隔离开关BRK1和第一隔离阀段；所述第二断流开关包括串联的隔离开关BRK2和第二隔离阀段；

在所述第一断流单元两端并联第一辅助开关电路；在所述第二断流单元两端并联第二辅助开关电路；

所述第一辅助开关电路包括晶闸管T4-电抗L2串联支路、二极管D1、电容C2和电阻R1；所述二极管D1并联在所述第一断流单元两端；所述晶闸管T4-电抗L2串联支路和所述电容C1对地并联接于所述二极管D1两端，并通过所述电阻R1接地；

所述第二辅助开关电路包括晶闸管T3-电抗L1串联支路、二极管D2、电容C1和电阻R2；所述二极管D2并联在所述第二断流单元两端；所述晶闸管T3-电抗L1串联支路和所述电容C1对地并联接于所述二极管D2两端，并通过所述电阻R2接地。

2.如权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述直流转换开关包括并联的交流断路器BRK3和LC串联支路；所述LC串联支路包括串联的电容C3和电抗L3。

3.如权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述第一隔离阀段包括反并联的全控器件T1和全控器件T2；所述全控器件T1和全控器件T2均采用IGCT或GTO；所述第二隔离阀段包括反并联的全控器件T11和全控器件T21；所述全控器件T11和全控器件T21均采用IGCT或GTO。

4.如权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述第一辅助开关电路中，所述晶闸管T4的阳极与所述二极管D1的负极连接，其阴极与所述电抗L2连接；所述电抗L2的另一端与所述电容C2的一端连接，所述电容C2的另一端与所述二极管D1的正极连接；所述电抗L2和电容C2之间通过所述电阻R1接地；

所述第二辅助开关电路中，所述晶闸管T3的阳极与所述二极管D2的负极连接，其阴极与所述电抗L1连接；所述电抗L1的另一端与所述电容C1的一端连接，所述电容C1的另一端与所述二极管D2的正极连接；所述电抗L1和电容C1之间通过所述电阻R2接地。

5.如权利要求4所述的直流断路器，其特征在于，所述第一辅助开关电路中的所述二极管D1和所述晶闸管T4的个数均为两个以上；

所述第二辅助开关电路中的所述二极管D2和所述晶闸管T3的个数均为两个以上。

6.如权利要求1-5任一所述的直流断路器，其特征在于，所述第一辅助开关电路中的二极管D1和所述第二辅助开关电路中的二极管D2负极相接，正极与线路中的限流电抗器连接。

7.一种多端直流系统用直流断路器的控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

（1）将直流断路器接入线路中，并保持全控器件T1、全控器件T2、全控器件T11、全控器件T21、晶闸管T3和晶闸管T4为闭锁状态，直流转换开关的交流断路器BRK3为断开状态，第一断流单元中的隔离开关BRK1和第二断流单元中的隔离开关BRK2均为断开状态，电容充电到额定电压；

（2）开通直流断路器；

（3）出现故障时，判断线路中的电流类型，为故障电流还是直流负荷电流；

（4）根据电流类型，直流断路器采用不同方式进行关断。

8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，步骤（2）控制器对直流断路器的开通过程包括：

1）闭合直流负荷开关支路中的交流断路器BRK3；

2）闭合第二断流单元中的隔离开关BRK2，触发导通其中的全控器件T11；

3）断开所述交流断路器BRK3；

4）闭合第一断流单元中的隔离开关BRK1，触发导通其中的全控器件T1。

9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，步骤（4）根据电流类型，对直流断路器进行关断控制，包括：

对于故障电流：

①触发导通第二辅助开关电路中的晶闸管T3；

②断开所述第二断流单元中的隔离开关BRK2；

③避雷器动作并吸收能量；

④断开所述第一断流单元中的隔离开关BRK1；

对于直流负荷电流：

i）闭合所述交流断路器BRK3；

ii）关断第一断流单元中的全控型器件T1和第二断流单元中的全控器件T11，之后断开第一断流单元中的隔离开关BRK1和第二断流单元中的隔离开关BRK2；

iii）断开所述交流断路器BRK3；

iv）避雷器动作并吸收能量。

10.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，步骤（2）控制器对直流断路器的开通过程包括：

1>闭合直流负荷开关支路中的交流断路器BRK3；

2>闭合第一断流单元中的隔离开关BRK1，触发导通其中的全控器件T2；

3>断开所述交流断路器BRK3；

4>闭合第二断流单元中的隔离开关BRK2，触发导通其中的全控器件T21。

11.如权利要求10所述的控制方法，其特征在于，步骤（4）根据电流类型，对直流断路器进行关断控制，包括：

对于故障电流：

a）触发导通第一辅助开关电路中的晶闸管T4；

b）断开所述第一断流单元中的隔离开关BRK1；

c）避雷器动作并吸收能量；

d）断开所述第二断流单元中的隔离开关BRK2；

对于直流负荷电流：

I）闭合所述交流断路器BRK3；

II）关断第一断流单元中的全控型器件T2和第二断流单元中的全控器件T21，并断开第一断流单元中的隔离开关BRK1和第二断流单元中的隔离开关BRK2；

III）断开所述交流断路器BRK3；

IV）避雷器动作并吸收能量。

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