CN103618298A - 一种高压直流断路器 - Google Patents

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Abstract

一种高压直流断路器，由初始电流通路（1）和故障电流阻断通路（2）组成；初始电流通路（1）包括至少一个电力电子开关模块（3）和机械开关（4）。故障电流阻断通路（2）包括初始电容器（C）和模块化投切子单元串联部分（5）。模块化投切子单元串联部分由多个子单元（6）串联组成。在高压直流输电线路出现故障时，可快速实现故障输电线路的开断。

Description

一种高压直流断路器
技术领域
本发明涉及一种断路器，具体涉及一种直流断路拓扑。
背景技术
快速直流断路器是保证直流输配电系统和直流电网系统稳定安全可靠运行的关键设备之一。与交流系统所不同的是，直流系统的电流并不存在自然过零点，因此直流系统中无法像交流系统一样利用电流的自然过零点关断，因此直流电流的开断问题一直是一个值得研究的课题。
目前开断直流电流通常有两种方式，第一种是纯电力电子断路器，如专利CN102870181A，利用大功率可关断电力电子器件，直接分断直流电流。利用这种原理制造的固态断路器，在时间上虽然可以满足多端柔性直流系统的要求，但在正常导通时的损耗过大，经济性较差。
第二种是混合断路器技术，即在传统的交流机械断路器的基础上，通过增加辅助的电力电子电路，投入限流电阻以降低短路电流或在开断弧间隙的直流电流上叠加振荡电流，利用电流过零时开断电路。利用这种原理制造的混合式断路器，由于其对机械开关有特殊要求，在分断时间上较难满足直流输电系统的要求。
西门子公司的专利（WO2013/093066A1）提出的一种混合断路器技术，在主通路上串联机械开关和电力电子全控器件，另一条旁路由电容组成，当检测到故障电流时，主通路上电力电子全控器件断开，机械开关也开始开断，故障电流向旁路电容充电，这种电路的旁路电容不能取值过小，否则机械开关尚未完全打开，若旁路电容在故障电流充电下电压上升过快会超过机械开关和电力电子器件承受电压等级。然而电容值取值大时，开断速度就会受到影响。
ABB公司的专利(WO2011141054A1)提出的一种混合断路器技术，在主通路上串联机械开关和电力电子全控器件，另一条旁路由限压装置和压接IGBT并联组成，当检测到故障电流时，旁路上的压接IGBT全部导通，之后主通路上的电力电子全控器件断开，机械开关也开始关断，等到机械开关完全关断后，压接IGBT关断，限压装置接入电路抑制短路电流，这种断路器开断速度较快，但是整个旁路的压接IGBT承受电压之和必须要大于直流输电线路初始电压，这需要大量压接IGBT串联，造成整个直流断路器的成本较高。
并且上述两种专利主回路都必须采用全控开关器件与机械开关串联，导致正常时仍然会有较大的导通损耗。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种混合式直流断路器。本发明具有整体成本低，稳态运行时损耗小，必要时可用半控器件方案代替初始电流通路上的全控器件降低正常运行损耗，出现短路故障时无电弧切断，响应迅速等特点。
本发明采用的技术方案如下：
一种混合式直流断路器，其特征在于：所述的直流断路器由初始电流通路和故障电流阻断通路组成。初始电流通路的第一引出端子与故障电流阻断通路的第一引出端子连接后作为直流断路器的第一引出端子与外部线路连接；初始电流通路的第二引出端子与故障电流阻断通路的第二引出端子连接，作为直流断路器的第二引出端子与直流输电线的另一端连接。
所述的直流断路器另一种连接方式为：直流断路器初始电流通路第一引出端子与故障电流阻断通路第一引出端子连接后也可与电感一端连接，然后电感另一端作为直流断路器的第一引出端子与外部线路连接；初始电流通路的第二引出端子，故障电流阻断通路的第二引出端子作为直流断路器的第二引出端子与直流输电线的另一端连接。
初始电流通路包括电力电子器件开关模块和机械开关模块；故障电流阻断通路包括电容器模块和模块化投切子单元串联部分。
所述的初始电流通路中，所述的机械开关模块包括至少一个机械开关串联组件，所述的电力电子开关模块包括至少一个电力电子器件串联组件；机械开关模块的一端与电力电子开关模块的一端连接，机械开关模块的另一端作为初始电流通路的第一引出端子与外部线路连接；电力电子开关模块的另一端作为初始电流通路的第二引出端子与故障电流阻断通路的第二引出端子连接。
所述的故障电流阻断通路中，所述电容器模块的一端与模块化投切子单元串联部分的一端连接，电容器模块的另一端作为故障电流阻断通路的第一引出端子与初始电流通路的第一引出端子连接；所述的模块化投切子单元串联部分的另一端作为故障电流阻断通路的第二引出端子与初始电流通路的第二引出端子连接。
所述的电容器模块可以由一个或多个电容器串联或并联组成。
所述的电容器模块可加入泄放装置，从而在短路故障排除后能够快速重合闸。
所述的模块化投切子单元串联部分由多个子单元串联组成。子单元有多种实现方式，其中一种实现方式为由限压装置投入通路和电力电子全控器件旁路通路并联组成。
在直流输电线路正常运行时，初始电流通路的机械开关模块为闭合状态，电力电子开关模块为导通状态。当检测到线路短路故障以后，所述的故障电流阻断通路的模块化投切子单元串联部分的各子单元电力电子全控器件旁路通路导通，各子单元中的限压装置被旁路，关断初始电流通路的电力电子开关模块，使初始电流通路电流降为零，然后机械开关模块开始打开。故障电流被切换到故障电流阻断通路对所述的故障电流阻断通路的电容器模块充电。
由于机械开关完全开断需要一定时间，其可承受电压随着其打开过程中，其两端触头间隔距离增加而增加。因此该初始电容器容值需要特殊设置，使其电压上升速度应远小于初始电流通路上电力电子开关模块可承受电压和机械开关模块打开过程中能承受电压上升速度。
延时至机械开关两端触头间隔距离足够承受大电压时，所述的故障电流阻断通路的模块化投切子单元串联部分的各子单元电力电子全控器件旁路通路关断，各子单元中的限压装置被快速顺次投入至故障电流阻断通路中，此时故障电流阻断通路中电容器模块充电电压与各限压装置电压叠加，对故障电流限流，使故障电流最终降为0。
所述的故障电流阻断通路电容器模块两端并联限压装置，限压装置为ZnO限压装置或其他组成方式。
所述的故障电流阻断通路模块化投切子单元串联部分的子单元限压装置投入通路中的限压装置由其他类型的限压装置代替。所述子单元有多种实电力电子全控器件旁路通路可由一个或多个电力电子全控器件串联组成。
所述的初始电流通路两端一个并联限压装置。所述的初始电流通路第一引出端子与地之间也并联一个限压装置，在初始电流第二引出端子与地之间也并联一个限压装置。
所述的初始电流通路中的电力电子开关模块由晶闸管串联组成。故障电流阻断通路的电容器模块配置预充电机对电容器模块预充电，当检测到线路短路故障以后，所述的故障电流阻断通路的模块化投切子单元串联部分的各子单元电力电子全控器件旁路通路导通，故障电流阻断通路的电容器模块放电，使初始电流通路电流迅速转移至故障电流阻断通路，使所述的初始电流通路电力电子开关模块自然关断。
本发明的优点：
a.该直流断路器拓扑开断更为迅速，能够实现零电弧开断；
b.整个换流拓扑可采用常规部件，制造难度相对较小，可靠性高；
c.该直流断路器能够将短路电流控制在较低的水平，从而保护系统安全性；
d.该直流断路器拓扑能够减小短路电流对换流站的影响；
e.更容易与柔性直流输电系统结合，适宜于一体化设计；
f.与纯电力电子开关式直流断路器相比系统正常工作时的损耗更小；
g.当采用半控器件代替初始电流通路上的全控电力电子开关时，其系统正常运行损耗能够降至更低；
h.该断路器电流阻断通路采用初始电容器与模块化子单元投切模块结合，整体实现方案的成本更低。
附图说明
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1为本发明的电路原理图；
图2为本发明的具体实施例1中的电路原理图；
图3为本发明的具体实施例2中的电路原理图；
图4为本发明的具体实施例3中的电路原理图；
图5为本发明的具体实施例4中的电路原理图；
图6为本发明第一种子单元电路结构示意图；
图7为本发明的第二种子单元电路结构示意图；
图8为本发明的第三种子单元电路结构示意图；
图9为本发明初始电流通路中的电力电子开关模块一种结构示意图；
图10为本发明初始电流通路中的电力电子开关模块另一种结构示意图；
图11为本发明实施例5中的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明直流断路器包括初始电流通路1和故障电流阻断通路2。初始电流通路1的第一引出端子与故障电流阻断通路2的第一引出端子连接作为直流断路器的第一引出端子7与外部线路连接，初始电流通路1的第二引出端子和故障电流阻断通路2的第二引出端子连接，作为直流断路器的第二引出端子8与直流输电线的另一端连接。
初始电流通路1由电力电子器件开关模块3和机械开关模块4组成，故障电流阻断通路2由电容器模块C和模块化投切子单元串联部分5组成。
初始电流通路1中，所述的机械开关模块4包括至少一个机械开关串联组件，所述的电力电子开关模块3包括至少一个电力电子器件串联组件；机械开关模块4的一端与电力电子开关模块3的一端10连接，机械开关模块4的另一端作为初始电流通路1的第一引出端子，与外部线路连接；电力电子开关模块3的另一端作为初始电流通路1的第二引出端子，与故障电流阻断通路2的第二引出端子连接。
故障电流阻断通路2中，所述的电容器模块C的一端与模块化投切子单元串联部分的第一引出端子连接，电容器模块C的另一端作为故障电流阻断通路2的第一引出端子与初始电流通路第一引出端子连接，故障电流阻断通路2的模块化投切子单元串联部分另一端作为故障电流阻断通路2的第二引出端子与初始电流通路的第二引出端子连接。
所述的模块化投切子单元串联部分中的子单元结构如图6、图7和图8所示。图6所示为第一种模块化投切子单元串联部分子单元结构。如图6所示，子单元由限压装置投入通路和电力电子全控器件旁路通路并联组成，电力电子全控器件旁路通路由单个IGBT组成，或者多个IGBT串联，或者由压接式IGBT组成。单个子单元内串联IGBT可承受电压之和应大于限压装置的限压阈值。
图7所示为第二种模块化投切子单元串联部分中的子单元结构。如图7所示，子单元62由全控型器件组和限压器件并联组成，所述的全控型器件组由两组正向串联全控型器件组反向串联组成。
图8所示为第三种子单元结构。如图8所示，该子单元由限压器件和全控型器件组并联后与二极管不控整流桥组的直流侧并联组成。所述的二极管不控整流桥由四个二极管组组成，每个二极管组均可由至少一个的二极管串联组成，所述的全控型器件组由至少一个的全控型器件串联组成。
所述的初始电流通路1中电力电子开关模块有多种实现方式，图9为初始电流通路电力电子开关模块的另一种实现方式，图9中所示的初始电流通路电力电子开关模块类型由全控型器件组与二极管不控整流桥并联组成，具备双向开断能力。所述的二极管不控整流桥由四个二极管组组成，每个二极管组可由至少一个的二极管串联组成，所述的全控型器件组由至少一个的全控型器件串联组成。
图10为初始电流通路电力电子开关模块的另一种实现方式，图10中所示的初始电流通路电力电子开关模块类型由由两组正向串联全控型器件组反向串联组成。
实施例1
图2所示为本发明的实施例1。如图2所示，直流电源15为模拟换流站，电感L为模拟换流站自带的限流电抗器，电感的一端与换流站正极9连接，电感的另一端与直流断路器的第一引出端子7连接。电阻16为短路模拟电阻。本发明直流断路拓扑的基本结构由初始电流通路1和故障电流阻断通路2组成。初始电流通路1的第一引出端子与故障电流阻断通路2的第一引出端子连接作为直流断路器的第一引出端子7与外部线路连接，初始电流通路1的第二引出端子与故障电流阻断通路2的第二引出端子作为直流断路器的第二引出端子8与直流输电线的另一端连接。
所述的初始电流通路1包括至少一个的电力电子器件开关模块3和机械开关模块4，故障电流阻断通路2由电容器模块C和模块化投切子单元串联部分5组成。
所述的初始电流通路1中的机械开关模块包括至少一个机械开关串联组件，所述的初始电流通路1中的电力电子开关模块包括至少一个电力电子器件串联组件。机械开关模块的一端与电力电子开关模块的一端10连接，机械开关模块的另一端作为初始电流通路1的第一引出端子；电力电子开关模块的另一端作为初始电流通路的第二引出端子，与故障电流阻断通路2的第二引出端子连接。
所述的故障电流阻断通路2的电容器模块C的一端与模块化投切子单元串联部分5的第一引出端子连接，电容器模块C的另一端作为故障电流阻断通路2的第一引出端子与初始电流通路第一引出端子连接，故障电流阻断通路2的模块化投切子单元串联部分另一端作为故障电流阻断通路2的第二引出端子与初始电流通路的第二引出端子连接。所述的模块化投切子单元串联部分由多个子单元6串联组成，所述的电容器模块C两端并联限压器件11。
在直流输电线路正常运行时，初始电流通路的机械开关模块为闭合状态，电力电子开关模块为导通状态；当检测到线路短路故障以后，所述的故障电流阻断通路的模块化投切子单元串联部分的各子单元电力电子全控器件旁路通路导通，各子单元中的限压装置被旁路，关断电力电子开关模块，使初始电流通路电流降为零，然后机械开关模块开始打开。故障电流被切换到故障电流阻断通路对所述的故障电流阻断通路的电容器模块充电。延时至机械开关两端触头间隔距离足够承受大电压时，所述的故障电流阻断通路的模块化投切子单元串联部分的各子单元电力电子全控器件旁路通路关断，各子单元中的限压装置被快速顺次投入至故障电流阻断通路中，此时故障电流阻断通路中电容器模块充电电压与各限压装置电压叠加，对故障电流限流，使故障电流最终降为0。
实施例2
图3所示为本发明的实施例2。如图3所示，初始电流通路1的两端并联了两个串联的限压器13和14，故障电流阻断通路2的电容器模块C两端并联了限压器12，模块化投切子单元串联部分5的两端并联了限压器15。初始电流通路1的第一引出端子与地之间，初始电流通路1的第二引出端子与地之间，用以对整个直流断路器的各个部分进行过电压保护。也可以选择性的在需要保护的地方两端增加限压器件。
实施例3
图4所示为本发明的实施例3。图4中电压源15为换流站，电阻16为短路模拟端子，电感L为模拟换流站自带的限流电抗器，电感的一端与换流站正极9连接，电感的另一端与直流断路器的第一引出端子7连接。本实施例中的故障电流阻断通路2由电容器模块C和模块化投切子单元串联部分5组成。
图4中初始电流通路1的电力电子开关模块3采用了半控型器件晶闸管。电力电子开关模块3也可以由多个晶闸管串联组成。这样可以使得整个直流断路器在直流电网正常运行时，其导通损耗更低，但是由于晶闸管没有自关断能力，需要创造电流过零点将其关断。因此，本实施例在故障电流阻断通路的电容器模块C的两端添加了预充电电路160，充电电压近电压源15侧为负，远电压源15侧为正。当检测到线路短路故障以后，所述的故障电流阻断通路的模块化投切子单元串联部分5的各子单元电力电子全控器件旁路通路导通，故障电流阻断通路2的电容器模块C放电，由于电感L上的电流不能突变，而故障电流阻断通路由于电容放电导致电流迅速增大，因此初始电流通路的电流迅速转移至故障电流阻断通路2，使所述的初始电流通路1电流迅速降低至零，所述的初始电流通路1的电力电子开关模块3自然关断。其后的故障电流阻断过程与实施例3类似。
实施例4
图5所示为本发明的实施例4。图5中初始电流通路的电力电子开关模块3采用了两组IGBT反向串联的结构方式，第一组IGBT的发射极与第二组IGBT的发射极连接，第一组IGBT的集电极作为电力电子开关模块的一端与机械开关模块连接，第二组IGBT的集电极作为电力电子开关模块的另一端引出作为初始电流通路1的第二引出端子。故障电流阻断通路2的模块化投切子单元串联部分5的子单元结构可采用图7或者图8中的结构。这样配置可以使整个直流断路器具备双向电流阻断能力。
实施例5
图11作为本发明的另一应用与双极性柔性直流输电时的实施例，第一断路器60的第一引出端子61与双极输电线路的正极连接，第一断路器60的第二引出端子62与模拟短路电阻一端连接。第二断路器65的第一引出端子63与双极输电线路的负极连接，第二断路器65的第二引出端子64与模拟短路电阻的另一端连接。

Claims (9)

1.一种高压直流断路器，其特征在于：所述的直流断路器由初始电流通路（1）和故障电流阻断通路（2）组成；初始电流通路（1）的第一引出端子与故障电流阻断通路（2）的第一引出端子连接后作为直流断路器的第一引出端子（7）与外部线路连接，初始电流通路（1）的第二引出端子与故障电流阻断通路（2）的第二引出端子连接，作为直流断路器的第二引出端子（8）与直流输电线的另一端连接；
所述的初始电流通路（1）包括电力电子器件开关模块（3）和机械开关模块（4）；故障电流阻断通路（2）包括电容器模块（C）和模块化投切子单元串联部分（5）；
所述的初始电流通路中，所述的机械开关模块（4）包括至少一个机械开关串联组件；所述的电力电子开关模块（3）包括至少一个电力电子器件串联组件；机械开关模块（4）的一端与电力电子开关模块（3）的一端（10）连接，机械开关模块（4）的另一端作为初始电流通路（1）的第一引出端子（7）与外部线路连接；电力电子开关模块（3）的另一端作为初始电流通路的第二引出端子，与故障电流阻断通路（2）的第二引出端子连接；
所述的故障电流阻断通路（2）中，所述的电容器模块（C）的一端与模块化投切子单元串联部分（5）的一端连接，电容器模块（C）的另一端作为故障电流阻断通路（2）的第一引出端子与初始电流通路（1）的第一引出端子连接，模块化投切子单元串联部分（5）的另一端作为故障电流阻断通路（2）的第二引出端子与初始电流通路（1）的第二引出端子连接。
2.按照权利要求1所述的高压直流断路器，其特征在于：所述的电力电子开关模块（3）由至少一个电力电子全控器件串联组成；所述的电力电子全控器件为IGBT或IGCT或GTO。
3.按照权利要求1所述的高压直流断路器，其特征在于：所述的电力电子开关模块（3）由至少一个半控型器件组成；所述的半控型器件采用晶闸管时，所述的电容器模块（C）需配置预充电机（16）。
4.按照权利要求3所述的高压直流断路器，其特征在于：所述的预充电机(16)对电容器模块（C）预充电；当检测到线路短路故障以后，所述的故障电流阻断通路的模块化投切子单元串联部分的各子单元电力电子全控器件旁路通路导通，故障电流阻断通路的电容器模块（C）放电，使初始电流通路电流迅速转移至故障电流阻断通路，使所述的初始电流通路电力电子开关模块自然关断。
5.按照权利要求1或3所述的高压直流断路器，其特征在于：所述的电容器模块（C）由一个或多个电容器串联或并联组成。
6.按照权利要求1所述的高压直流断路器，其特征在于：所述的模块化投切子单元串联部分（5）由多个子单元（6）串联组成；子单元（6）由限压装置投入通路和电力电子全控器件旁路通路并联组成，所述全控器件旁路通路中的全控器件为一个或多个全控器件与二极管或半控器件的组合。
7.按照权利要求1所述的高压直流断路器，其特征在于：在直流输电线路正常运行时，初始电流通路（1）的机械开关模块（4）为闭合状态，初始电流通路（1）的电力电子开关模块（3）为导通状态；当检测到线路短路故障以后，所述的故障电流阻断通路（2）的模块化投切子单元串联部分（5）各子单元的电力电子全控器件旁路通路导通，各子单元中的限压装置被旁路，关断初始电流通路（1）的电力电子开关模块（3），使初始电流通路（1）的电流降为零，然后机械开关模块（4）开始打开，故障电流被切换到故障电流阻断通路（2），对所述的故障电流阻断通路的电容器模块（C）充电；延时至机械开关两端触头间隔距离足够承受大电压时，所述的故障电流阻断通路（2）的模块化投切子单元串联部分（5）的各子单元电力电子全控器件旁路通路关断，各子单元中的限压装置被快速顺次投入至故障电流阻断通路中，此时故障电流阻断通路中电容器模块充电电压与各限压装置电压叠加，对故障电流限流，使故障电流最终降为0。
8.按照权利要求1所述的高压直流断路器，其特征在于：所述的故障电流阻断通路中，所述的电容器模块（C）两端并联限压装置，模块化投切子单元串联部分（5）两端并联限压装置（15）；所述的初始电流通路（1）的两端并联限压装置（12），所述的初始电流通路的第一引出端子与地之间并联限压装置（13），在初始电流第二引出端子与地之间并联限压装置（14）。
9.按照权利要求1所述的高压直流断路器，其特征在于：所述的电力电子开关模块（3）采用全控型电力电子器件反向串联模块（32）或二极管桥式与单相IGBT结合模块（31）时，所述子单元的电力电子全控器件旁路通路采用电力电子器件反向串联模块（32）组成第二类子单元结构（62），或者子单元的电力电子全控器件旁路通路采用二极管桥式与单相IGBT结合模块（3）组成第三类子单元结构（63），使整个直流断路器实现双向电流阻断能力。
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