CN103474983A - 一种高压大电流直流断路器及其控制方法 - Google Patents

一种高压大电流直流断路器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种高压大电流直流断路器及其控制方法，直流断路器包括辅助开关电路，直流负荷开关，第一避雷器、主开关支路、第一二极管阀和第二二极管阀；辅助开关电路包括第一断流单元和第二断流单元；第一断流单元一端连接第一限流电抗器，另一端依次与第二断流单元、直流负荷开关和第二限流电抗器依次连接后，串入线路；主开关支路与第一避雷器并联后，一端连接在第一断流单元和第二断流单元之间，另一端接地；第一二极管阀连接在第一限流电抗器和第一断流单元之间并接地，第二二极管阀连接在第二限流电抗器和直流负荷开关之间并接地。本发明基于电流转移原理来分断直流电流，适用于高压大电流场合，拓扑结构简单，分断快速，控制简易。

Description

一种高压大电流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，具体涉及一种高压大电流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，本发明提出一种高压大电流直流断路器及其控制方法，利用电流转移原理分断直流电流，实现了高压大电流的双向快速分断，为极线直流断路器的研制提供了一条崭新的技术路线。
本发明提供的一种高压大电流直流断路器，其改进之处在于，所述直流断路器包括辅助开关电路，直流负荷开关，第一避雷器、主开关支路、第一二极管阀D1和第二二极管阀D2；
所述辅助开关电路包括第一断流单元和第二断流单元；所述第一断流单元一端连接第一限流电抗器L1，另一端依次与所述第二断流单元、所述直流负荷开关和第二限流电抗器L2依次连接后，形成支路，串入线路；
所述主开关支路与所述第一避雷器并联后，一端连接在所述第一断流单元和所述第二断流单元之间，另一端接地；
所述第一二极管阀D1一端连接在所述第一限流电抗器L1和所述第一断流单元之间，另一端接地；
所述第二二极管阀D2一端连接在所述第二限流电抗器L2和所述直流负荷开关之间，另一端接地。
其中，所述主开关支路由IGBT阀段构成；所述IGBT阀段由至少两个的IGBT串联构成。
其中，所述第一断流单元包括第一隔离开关BRK1、第二隔离开关BRK11、第一电阻R1和第一隔离阀；
所述第一隔离开关BRK1一端与所述第一电阻R1和第二隔离开关BRK11依次串联，另一端与所述第一限流电抗器L1连接；
所述第一隔离阀与串联的所述第一电阻R1和所述第二隔离开关BRK11并联；
所述第一隔离阀包括反并联的第一IGBT和第二IGBT。
其中，所述第二断流单元包括第三隔离开关BRK2、第四隔离开关BRK21、第二电阻R2和第二隔离阀；
所述第三隔离开关BRK2一端与所述第二电阻R2和第四隔离开关BRK21依次串联，另一端与所述第一断流单元的第二隔离开关BRK11连接；
所述第二隔离阀与串联的所述第二电阻R2和所述第四隔离开关BRK21并联；
所述第二隔离阀包括反并联的第三IGBT和第四IGBT。
其中，所述直流负荷开关包括交流断路器BRK3、电容C、第三电抗L3和第二避雷器；
所述电容C与所述第三电抗L3串联后分别与所述交流断路器BRK3和第二避雷器并联。
其中，所述第一二极管阀D1由至少两个的二极管同向串联构成，形成支路后，其正极接地，负极连接在所述第一限流电抗器L1和所述第一隔离开关BRK1之间。
其中，所述第二二极管阀D2由至少两个的二极管同向串联构成，形成支路后，其正极接地，负极连接在所述第二限流电抗器L2和所述直流负荷开关之间。
本发明基于另一目的提供的一种高压大电流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，并保持第一隔离开关BRK1、第二隔离开关BRK11、第三隔离开关BRK2、第四隔离开关BRK21和交流断路器BRK3为断开状态，IGBT阀段、第一隔离阀和第二隔离阀为闭锁状态；
（2）开通直流断路器；
（3）出现故障时，控制器判断线路中的电流类型，为故障电流还是负荷电流；
（4）根据电流类型，对直流断路器进行关断控制。
其中，步骤（2）开通直流断路器的过程包括：
1）闭合第一隔离开关BRK1、第二隔离开关BRK11、第三隔离开关BRK2和第四隔离开关BRK21；
2）闭合直流负荷开关中的交流断路器BRK3；
3）触发导通第一断流单元中的第一IGBT和第二断流单元中的第三IGBT；
4）断开第二隔离开关BRK11和第四隔离开关BRK21。
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触发导通所述IGBT阀段，关断所述第二断流单元中的第三IGBT；
②关断所述IGBT阀段；
③第一避雷器动作并吸收能量；
④断开第一隔离开关BRK1；
对于负荷电流：
i）断开直流负荷开关中的交流断路器BRK3；
ii）直流负荷开关中的第二避雷器动作并吸收能量。
其中，步骤（2）开通直流断路器的过程包括：
1）闭合主支路的第一隔离开关BRK1、第二隔离开关BRK11、第三隔离开关BRK2和第四隔离开关BRK21；
2）闭合直流负荷开关中的交流断路器BRK3；
3）触发导通第一断流单元中的第二IGBT和第二断流单元中的第四IGBT；
4）断开第二隔离开关BRK11和第四隔离开关BRK21。
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触发导通所述IGBT阀段，关断所述第一断流单元中的第二IGBT；
②第一避雷器吸收能量；
③断开第三隔离开关BRK2；
对于负荷电流：
i）断开直流负荷开关中的交流断路器BRK3；
ii）直流负荷开关中的第二避雷器吸收能量。
与现有技术比，本发明的有益效果为：
本发明结合了强迫换流思想和电流转移分断思想，实现了大容量系统直流电流的分断。
本发明采用全控型器件IGBT构成直流断路器拓扑，可应用于高压大电流场合，拓扑结构简单，控制简易，扩展性高。
本发明创造性的利用并联IGBT串联阀支路来分断双向直流电流，大幅减少了IGBT器件数量，降低直流断路器成本，损耗也相应减少。
本发明可应用于高压大电流场合，拓扑结构简单，控制简易，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。
附图说明
图1为本发明提供的直流断路器结构图。图中，L1为第一限流电抗器；L2为第二限流电抗器；1为第一IGBT；2为第二IGBT；3为第三IGBT；4为第四IGBT；5为IGBT阀段；BRK1为第一隔离开关；BRK11为第二隔离开关；BRK2为第三隔离开关；BRK21为第四隔离开关；BRK3为断路器；D1为第一二极管阀；D2为第二二极管阀；MOV1为第一避雷器；MOV2为第二避雷器。
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高压大电流直流断路器，其结构如图1所示，包括辅助开关电路，直流负荷开关，第一避雷器、主开关支路、第一二极管阀D1和第二二极管阀D2；辅助开关电路包括第一断流单元和第二断流单元；第一断流单元一端连接第一限流电抗器L1，另一端依次与第二断流单元和直流负荷开关和第二限流电抗器L2依次连接后，形成支路，串入线路；主开关支路与第一避雷器并联后，一端连接在第一断流单元和第二断流单元之间，另一端接地。第一二极管阀D1一端连接在第一限流电抗器L1和第一断流单元之间，另一端接地。第二二极管阀D2一端连接在第二限流电抗器L2和直流负荷开关之间，另一端接地。
如图中所示，本实施例的主开关支路由IGBT阀段构成。IGBT阀段由至少两个的IGBT同向串联构成，用于切断故障电流。
本实施例的直流负荷开关包括交流断路器BRK3（可采用SF6断路器实现）、电容C、第三电抗L3和第二避雷器；电容C与第三电抗L3串联后与交流断路器BRK3和第二避雷器并联。
本实施例的第一断流单元包括第一隔离开关BRK1、第二隔离开关BRK11、第一电阻R1和第一隔离阀；第一隔离开关BRK1一端与第一电阻R1和第二隔离开关BRK11依次串联，另一端与第一限流电抗器L1连接；第一隔离阀与串联的所述第一电阻R1和所述第二隔离开关BRK11并联；其中，第一隔离阀包括反并联的第一IGBT和第二IGBT。
本实施例的第二断流单元包括第三隔离开关BRK2、第四隔离开关BRK21、第二电阻R2和第二隔离阀；第三隔离开关BRK2一端与第二电阻R2和第四隔离开关BRK21依次串联，另一端与第一断流单元的第二隔离开关BRK11连接；第二隔离阀与串联的第二电阻R2和第四隔离开关BRK21并联。其中，第二隔离阀包括反并联的第三IGBT和第四IGBT。上述的隔离开关中，BRK1和BRK2可采用快速隔离开关实现，BRK11和BRK21采用普通的隔离开关实现。
本实施例的第一二极管阀D1和第二二极管阀D2均由至少两个的二极管同向串联构成，形成支路后，其正极接地，第一二极管阀D1的负极连接在第一限流电抗器L1和第一隔离开关BRK1之间，第二二极管阀D2的负极连接在第二限流电抗器L2和直流负荷开关之间。
对应的，本实施例提出的一种高压大电流直流断路器的控制方法，根据其结构能实现双向直流电流分断，取正向做原理说明，反方向可类比，附图中所示电流方向Idc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：
开通过程：
闭合快速隔离开关BRK1和BRK2，闭合隔离开关BRK11和BRK21，最后合闸SF6断路器BRK3，电流通过BRK1-R1-BRK11-BRK2-R2-BRK21-BRK3支路流经断路器，待电流稳定后触发导通IGBT1和IGBT3，由于IGBT1和IGBT3阻抗远小于R1和R2，电流迅速向IGBT1和IGBT3所在支路转移，待电流稳定后分闸BRK11和BRK21，此时电流流通于BRK1-IGBT1-BRK2-IGBT3-BRK3支路，至此断路器完全投入运行，开通过程结束。
关断过程：
工况一：分断故障电流
当直流断路需要动作切断极线短路电流时，先触发导通IGBT5，关断IGBT3，则电流全部转移到BRK1-IGBT1-IGBT5支路，在无电流状态下BRK2动作分闸，经数ms后恢复阻断能力；之后关断IGBT5，待电压达到避雷器MOV动作电压避雷器动作，全部短路电流都转移到了MOV支路，MOV吸收线路及限流电感中储存的能量，待避雷器支路电流逐渐减小至0，避雷器恢复阻断状态，分闸BRK1，则流经极线断路器电流完全分断，至此关断过程结束。
工况二：分断负荷电流
当需要分断系统稳态负荷电流时，分闸BRK3，利用直流负荷开关直接分断负荷电流，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支路电压达到避雷器动作电压时，避雷器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，流经极线断路器的电流完全分断，至此关断过程结束。
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 (12)

1.一种高压大电流直流断路器，其特征在于，所述直流断路器包括辅助开关电路，直流负荷开关，第一避雷器、主开关支路、第一二极管阀D1和第二二极管阀D2；
所述辅助开关电路包括第一断流单元和第二断流单元；所述第一断流单元一端连接第一限流电抗器L1，另一端依次与所述第二断流单元、所述直流负荷开关和第二限流电抗器L2依次连接后，形成支路，串入线路；
所述主开关支路与所述第一避雷器并联后，一端连接在所述第一断流单元和所述第二断流单元之间，另一端接地；
所述第一二极管阀D1一端连接在所述第一限流电抗器L1和所述第一断流单元之间，另一端接地；
所述第二二极管阀D2一端连接在所述第二限流电抗器L2和所述直流负荷开关之间，另一端接地。
2.如权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述主开关支路由IGBT阀段构成；
所述IGBT阀段由至少两个的IGBT串联构成。
3.如权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述第一断流单元包括第一隔离开关BRK1、第二隔离开关BRK11、第一电阻R1和第一隔离阀；
所述第一隔离开关BRK1一端与所述第一电阻R1和第二隔离开关BRK11依次串联，另一端与所述第一限流电抗器L1连接；
所述第一隔离阀与串联的所述第一电阻R1和所述第二隔离开关BRK11并联；
所述第一隔离阀包括反并联的第一IGBT和第二IGBT。
4.如权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述第二断流单元包括第三隔离开关BRK2、第四隔离开关BRK21、第二电阻R2和第二隔离阀；
所述第三隔离开关BRK2一端与所述第二电阻R2和第四隔离开关BRK21依次串联，另一端与所述第一断流单元的第二隔离开关BRK11连接；
所述第二隔离阀与串联的所述第二电阻R2和所述第四隔离开关BRK21并联；
所述第二隔离阀包括反并联的第三IGBT和第四IGBT。
5.如权利要求4所述的直流断路器，其特征在于，所述直流负荷开关包括交流断路器BRK3、电容C、第三电抗L3和第二避雷器；
所述电容C与所述第三电抗L3串联后分别与所述交流断路器BRK3和第二避雷器并联。
6.如权利要求3所述的直流断路器，其特征在于，所述第一二极管阀D1由至少两个的二极管同向串联构成，形成支路后，其正极接地，负极连接在所述第一限流电抗器L1和所述第一隔离开关BRK1之间。
7.如权利要求5所述的直流断路器，其特征在于，所述第二二极管阀D2由至少两个的二极管同向串联构成，形成支路后，其正极接地，负极连接在所述第二限流电抗器L2和所述直流负荷开关之间。
8.一种高压大电流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，并保持第一隔离开关BRK1、第二隔离开关BRK11、第三隔离开关BRK2、第四隔离开关BRK21和交流断路器BRK3为断开状态，IGBT阀段、第一隔离阀和第二隔离阀为闭锁状态；
（2）开通直流断路器；
（3）出现故障时，控制器判断线路中的电流类型，为故障电流还是负荷电流；
（4）根据电流类型，对直流断路器进行关断控制。
9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，步骤（2）开通直流断路器的过程包括：
1）闭合第一隔离开关BRK1、第二隔离开关BRK11、第三隔离开关BRK2和第四隔离开关BRK21；
2）闭合直流负荷开关中的交流断路器BRK3；
3）触发导通第一断流单元中的第一IGBT和第二断流单元中的第三IGBT；
4）断开第二隔离开关BRK11和第四隔离开关BRK21。
10.如权利要求9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触发导通所述IGBT阀段，关断所述第二断流单元中的第三IGBT；
②关断所述IGBT阀段；
③第一避雷器动作并吸收能量；
④断开第一隔离开关BRK1；
对于负荷电流：
i）断开直流负荷开关中的交流断路器BRK3；
ii）直流负荷开关中的第二避雷器动作并吸收能量。
11.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于，步骤（2）开通直流断路器的过程包括：
1）闭合主支路的第一隔离开关BRK1、第二隔离开关BRK11、第三隔离开关BRK2和第四隔离开关BRK21；
2）闭合直流负荷开关中的交流断路器BRK3；
3）触发导通第一断流单元中的第二IGBT和第二断流单元中的第四IGBT；
4）断开第二隔离开关BRK11和第四隔离开关BRK21。
12.如权利要求11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触发导通所述IGBT阀段，关断所述第一断流单元中的第二IGBT；
②第一避雷器吸收能量；
③断开第三隔离开关BRK2；
对于负荷电流：
i）断开直流负荷开关中的交流断路器BRK3；
ii）直流负荷开关中的第二避雷器吸收能量。
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