CN103633631B - 一种高压超导限流直流断路器的开断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高压超导限流直流断路器的开断方法，包括以下步骤：当高压直流侧发生短路故障、电流和电流上升陡度迅速上升且达到电流限制器的临界值时，超导材料立即失超，阻抗急剧上升，将短路电流限制在设定值内，同时给超快速机械开关发出指令；超快速机械开关立即动作，以超快的刚分速度使触头分离，形成物理间隙并产生电弧，随即给电力电子开关发出开断指令；电力电子开关快速开断短路电流，使触头间的电弧熄灭形成隔离断口；当触头分离至最终分闸位置且避雷器中的电流衰减为零时，高压超导限流直流断路器完成整个开断过程，将高压直流输电电网与故障线路隔离。本发明综合考虑不同元件的性价比，优化配合；尽可能地减少元器件，缩小体积，减少重量，提高可靠性。

Description

一种高压超导限流直流断路器的开断方法

技术领域

本发明涉及一种断路器，具体涉及一种高压超导限流直流断路器及其开断方法。

背景技术

可靠有效的电力供应以及开发利用可再生资源对于改进电力传输模式提出了巨大的挑战。基于低损耗、远距离、大功率输电以及更有效地连接可再生能源入网和便于灵活操作的优点，高压直流输电得到了新的重视。特别是基于电压源型换流器的柔性直流输电技术的出现使得多端高压直流电网的筹建发展成为可能,并越来越具吸引力。具有快速开断直流故障电流和隔离故障功能的直流断路器是实现多端高压直流电网必不可少和至关重要的元件。

直流系统中短路故障发生后，短路电流上升非常快，要求高压直流开关能快速开断，并将高压直流输电电网与故障线路隔离。虽然目前市场上已有高压直流开关，并有一些已在超高电压系统中运行，但它们都只是用于点对点的直流输电系统，都是作为转换开关将故障电流从一个电路转换到另一电路，并利用电容器放电以制造电流零点，最终由交流断路器完成开断，其开断时间较长，系统欠稳定，直接开断短路故障电流的开断能力也较低，不适用多端高压直流系统。故具有高开断能力的快速高压直流断路器仍然是多端高压直流发展的一个瓶颈，限制着多端高压直流的发展。因此，高压直流断路器的研发迫在眉睫，一场研发高压直流断路器的激烈竞争在国内外电力设备制造商之间正在悄然进行。

截止目前，只有ABB在2012年11月公布他们最新研发出了混合式高压直流断路器，具有速度快、损耗小、开断能力较高的特点。这无疑是一大进步，但仍存在一些缺陷；如所需电力电子元件数量大，而且从安全可靠角度考虑需要很多候役的备份元件；体积庞大，控制系统复杂，价格昂贵，保护控制配合尚需斟酌；型式试验项目有待进一步商榷确定；特别是对不同拓扑结构的电网可靠性和运行操作有待考验等。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种高压超导限流直流断路器及其开断方法，利用了超导的非线性阻抗和抗磁性限流的特点，以及超快速机械开关合闸时损耗小，耐压，绝缘性能好，分闸速度快的特点；电力电子开关可断流、速度快、体积小及模块化设计易于成套；在参数选择上可综合考虑不同元件的性价比，优化配合；在结构设计上尽可能地减少元器件，缩小体积，减少重量，提高可靠性。因此，预期设计将不但在技术上达到并超过当代高压直流断路器的水平，而且具有开断容量高、体积小、重量轻和造价低的优点。进而为未来高压开关产品的研发开辟新的途径。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种高压超导限流直流断路器的开断方法，所述断路器包括超快速开关、超导故障电流限制器、电力电子开关和避雷器；所述超快速机械开关、超导故障电流限制器和电力电子开关依次串联后，与避雷器相并联；所述方法包括以下步骤：

步骤1：在高压直流侧发生短路故障，电流和电流上升陡度迅速上升且达到相应的设定开断值时，超导材料立即失超，阻抗急剧上升，将短路电流限制在设定的值，同时给超快速机械开关发出指令；

步骤2：超快速机械开关操作机构立即动作，以超快的刚分速度使触头分离，形成物理间隙并产生电弧，随即给电力电子开关发出开断指令；

步骤3：电力电子开关快速开断短路电流，使超快速机械开关触头间的电弧熄灭形成隔离断口，超快速机械开关承受高电压，超导故障电流限制器和电力电子开关不承受高电压；

步骤4：当超快速机械开关触头分离至最终分闸位置且避雷器中的电流衰减为零时，高压超导限流直流断路器完成整个开断过程，将高压直流输电电网与故障线路隔离。

所述超快速机械开关包括触头、灭弧室和操作机构；超快速机械开关在额定电流时保持合闸，当接到来自超导故障电流限制器的开断指令后时，操作机构动作使触头分离，形成物理间隙并产生电弧，随即给电力电子开关发出开断指令，超快速机械开关触头继续分离至最终分闸位置，在分离过程中，当电力电子开关开断后，超快速机械开关的电流过零，电弧熄灭形成隔离断口，并承受额定电压。

所述超快速机械开关采用利用电磁斥力操动机构的机械快速开关，或机械快速开关与触发间隙组成的快速混合开关的操动机构的快速机械开关。

所述超导故障电流限制器利用超导材料阻抗的非线性特性进行限流；在正常运行状态下，超导材料处于超导状态，具有零阻抗特性；当高压直流侧发生故障时，电流迅速上升达到超导故障电流限制器的临界电流值，且电流上升陡度达到相应的开断设定值时，电流的冲击使超导材料失超，其阻抗急遽上升，在短路电流上升阶段将其加以限制，同时给超快速机械开关发出开断指令。

所述电力电子开关由至少两个绝缘栅双极型晶体管或碳化硅电力电子元件串联而成；绝缘栅双极型晶体管的尺寸和碳化硅电力电子元件的个数分别根据其额定电压和电流确定。

所述电力电子开关在正常运行状态下，处于关合状态，流过正常的负荷电流；当接到开断指令后，快速开断电流并将电流转移到所述避雷器，使所述超快速机械开关触头间的电弧熄灭，达到开断直流电流的目的。

所述绝缘栅双极型晶体管包括在N-衬底表面进行低浓度的N-离子注入形成的衬底，形成在衬底表面的栅极氧化层，淀积在栅极氧化层上的多晶硅栅极，形成在栅极氧化层与N-衬底之间的p+阱区及位于p+阱区与栅极氧化层之间的N+阱区，位于N-衬底下方的背面注入区，位于注入区下方的集电极及位于栅极氧化层上方的发射极，栅极氧化层下方的N-型衬底上设有一个浓P型阱区。

所述避雷器为金属氧化物避雷器，其具有非线性电阻的特性，用于能量吸收和暂态过电压保护；在正常运行状态下，其电阻很大，相当于开路状态；当所述超快速机械开关和电力电子开关开断后，将电流转移到避雷器，因避雷器电阻随着电流的增加而降低，从而可限制操作过电压并吸收残余能量。

所述金属氧化物避雷器包括数节避雷器单元，避雷器单元包括绝缘套和法兰；所述绝缘套为两层，内层为非瓷质绝缘材料的绝缘筒，外层为硅橡胶复合材料的伞套，绝缘筒上设置有压力释放口，在压力释放口上装配有密封件；所述法兰与绝缘筒之间以胶装连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.由于利用了超导材料高电流密度，低损耗特性，超导故障电流限制器可以降低高压直流超导限流断路器的整体重量和体积，降低损耗，缓解过负荷和上更高电压等级；

2.超快速机械开关合闸时损耗小，耐压，绝缘性能好，分闸速度快；

3.电力电子开关可断流、速度快、体积小及模块化设计易于成套；

4.在参数选择上可综合考虑不同元件的性价比，优化配合；

5.避雷器的应用可限制由电力电子开关开断后所产生的暂态过电压起到保护超导故障电流限制器、超高速机械开关和电力电子开关的作用并吸收残余能量；

6.在结构设计上尽可能地减少元器件，缩小体积，减少重量，提高可靠性；

7.采用了超导故障电流限制器可将短路电流限制在一定的水平，与无限流功能的机电一体化高压直流断路器相比，新型高压直流超导限流断路器不但可减小超快速机械开关、电力电子开关和避雷器的工作负荷、额定容量、体积、重量和造价，而且可提高其开断容量；

8.高压直流超导限流断路器不仅可用于高压直流系统，做适当的改造也可用于高压交流系统，如故障电流限制器、电源快速切换装置、快速旁路装置等。

附图说明

图1是高压超导限流直流断路器电气示意图；

图2是高压超导限流直流断路器开断方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明创造的目的是利用现有商业化超导材料，探索新型超导开关技术，开拓超导在直流输电领域的应用。目标是发明一种超导与其他先进技术相结合的新型高压直流超导限流断路器，它不仅能满足直流断路器的基本要求，而且有能力在短路电流上升阶段（数十微秒内）就将其加以限制，使短路电流对系统的影响和损坏最大限度地减低；同时简化控制，集检测、触发、限流、开断、隔离功能于一身。期望造价可与ABB的混合式直流断路器相当，但其短路开断能力可以做到比ABB的混合式直流断路器的短路开断能力大。进而也将为未来高压断路器产品的研发开辟新的途径。

新型高压直流超导限流断路器的设计理念与现有高压直流断路器有所不同，它具有直接开断短路电流的能力。它与纯电力电子直流断路器相比，因不需大量的电力电子元件，其输电损耗显著减少，由此解决了纯电力电子断路器通态损耗高、造价高和体积大的弊端。与ABB的混合式直流断路器相比，在具有相同的开断直流短路电流能力的条件下，新型高压直流超导限流断路器可节省由大量电力电子元件组成的主开断回路，即大大减少对电力电子元件的需求，同时也简化了控制和保护设备，其造价和体积均显著减少，同时因采用超导故障电流限制器,高压直流超导限流断路器的短路开断能力可以做到比ABB的混合式直流断路器的短路开断能力大。

本发明提供一种高压超导限流直流断路器的开断方法，如图1，所述断路器包括超快速开关、超导故障电流限制器、电力电子开关和避雷器；所述超快速机械开关、超导故障电流限制器和电力电子开关依次串联后，与避雷器相并联；如图2，所述方法包括以下步骤：

步骤1：在高压直流侧发生短路故障，电流迅速上升达到超导故障电流限制器的临界电流值，且电流上升陡度达到相应设定的开断值时，超导材料立即失超，阻抗急剧上升，将短路电流限制在设定的值，同时给超快速机械开关发出指令；

步骤2：超快速机械开关操作机构立即动作，以超快的刚分速度使触头分离，形成物理间隙并产生电弧，随即给电力电子开关发出开断指令；

步骤3：电力电子开关快速开断短路电流，使超快速机械开关触头间的电弧熄灭形成隔离断口，超快速机械开关承受高电压，超导故障电流限制器和电力电子开关不承受高电压；

步骤4：当超快速机械开关触头分离至最终分闸位置且避雷器中的电流衰减为零时，高压超导限流直流断路器完成整个开断过程，将高压直流输电电网与故障线路隔离。

所述超快速机械开关包括触头、灭弧室和操作机构；超快速机械开关在额定电流时保持合闸，当高压直流侧发生故障,电流迅速上升，电流和电流上升陡度达到相应的开断设定值时，操作机构动作使触头分离，形成物理间隙并产生电弧，随即给电力电子开关发出开断指令，超快速机械开关触头继续分离至最终分闸位置，在分离过程中，当电力电子开关开断后，超快速机械开关的电流过零，电弧熄灭形成隔离断口，并承受额定电压。

所述超快速机械开关的灭弧室设计需要满足超快速分断的要求，同时具有耐受电弧和高压的功能。操作机构设计要满足较大的操作功和较高的刚分速度以保证超快速开断的要求。

所述超快速机械开关采用利用电磁斥力操动机构的机械快速开关，或机械快速开关与触发间隙组成的快速混合开关的操动机构的超快速机械开关。

所述超导故障电流限制器利用超导材料阻抗的非线性特性进行限流；在正常运行状态下，超导材料处于超导状态，具有零阻抗特性；当高压直流侧发生故障时，电流迅速上升达到超导故障电流限制器的临界电流值，且电流上升陡度达到相应的开断设定值时，电流的冲击使超导材料失超，其阻抗急遽上升，在短路电流上升阶段（数十微秒级）将其加以限制，使阻抗不能达到预期峰值，同时给超快速机械开关发出开断指令。由于利用了超导材料高电流密度，低损耗特性，超导故障电流限制器可以降低新型高压直流超导限流断路器的整体重量和体积，降低损耗，缓解过负荷和上更高电压等级。

所述电力电子开关由至少两个绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor-IGBT)或碳化硅电力电子元件串联而成；绝缘栅双极型晶体管的尺寸和碳化硅电力电子元件的个数分别根据其额定电压和电流确定。

所述电力电子开关在正常运行状态下，处于关合状态，流过正常的负荷电流；当接到开断指令后，快速开断电流并将电流转移到所述避雷器，使所述超快速机械开关触头间的电弧熄灭，达到开断直流电流的目的。

所述绝缘栅双极型晶体管包括在N-衬底表面进行低浓度的N-离子注入形成的衬底，形成在衬底表面的栅极氧化层，淀积在栅极氧化层上的多晶硅栅极，形成在栅极氧化层与N-衬底之间的p+阱区及位于p+阱区与栅极氧化层之间的N+阱区，位于N-衬底下方的背面注入区，位于注入区下方的集电极及位于栅极氧化层上方的发射极，栅极氧化层下方的N-型衬底上设有一个浓P型阱区。

所述避雷器为金属氧化物避雷器，其具有非线性电阻的特性，用于能量吸收和暂态过电压保护；在正常运行状态下，其电阻很大，相当于开路状态；当所述超快速机械开关和电力电子开关开断后，将电流转移到避雷器，因避雷器电阻随着电流的增加而降低，从而可限制操作过电压并吸收残余能量。

所述金属氧化物避雷器包括数节避雷器单元，避雷器单元包括绝缘套和法兰；所述绝缘套为两层，内层为非瓷质绝缘材料的绝缘筒，外层为硅橡胶复合材料的伞套，绝缘筒上设置有压力释放口，在压力释放口上装配有密封件；所述法兰与绝缘筒之间以胶装连接。

新型高压直流超导限流断路器的结构特征是能够在高压直流侧发生短路故障，电流迅速上升达到超导故障电流限制器的临界电流值和电流上升陡度达到相应设定的开断值时，超导材料立即失超，阻抗急剧上升，将短路电流限制在设定的值，同时给超快速机械开关发出指令，超快速机械开关操作机构立即动作，以超快速的刚分速度使触头分离，形成物理间隙并产生电弧，随即给电力电子开关发出开断指令。电力电子开关快速开断短路电流，使超快速机械开关触头间的电弧熄灭形成隔离断口，因而超导故障电流限制器和电力电子开关不承受高电压。当超快速机械开关触头分离至最终分闸位置且避雷器中的电流衰减为零时，新型高压直流超导限流断路器完成整个开断过程，将高压直流输电电网与故障线路隔离。避雷器的应用可限制由电力电子开关开断后所产生的暂态过电压起到保护超导故障电流限制器、超高速机械开关和电力电子开关的作用并吸收残余能量。因采用了超导故障电流限制器可将短路电流限制在一定的水平，与无限流功能的机电一体化高压直流断路器相比，新型高压直流超导限流断路器不但可减小超快速机械开关、电力电子开关和避雷器的工作负荷、额定容量、体积、重量和造价，而且可提高其开断容量。

本发明以超导限流器、超快速机械开关和电力电子开关为核心器件，提出新型高压直流超导限流断路器设计方案。与2012年11月ABB公布的最新研发的混合式直流断路器相比，在具有相同的开断直流短路电流能力的条件下，高压超导直流断路器可节省由大量电力电子元件组成的主开断回路，即大大减少对电力电子元件的需求，从而不但可大量降低造价和成本，并且可减小设备的尺寸，但因增加了超导限流器，预计其造价和成本与ABB的混合式直流断路器相当，但其尺寸会较小，控制和保护会大大简化。因采用了超导限流的功能，高压直流超导限流断路器的短路开断能力可以做到比ABB的混合式直流断路器的短路开断能力大。本发明可解决多端高压直流发展的瓶颈，适应于特高压、大直流短路电流的系统。在此基础上，后续研究可容易形成系列智能开关产品及成套装置，在电力系统推广应用，显著提升电网控制及保护水平。

标准单元模块设计的电力电子开关的参数和结构设计，可以根据系统所需的额定电压、额定电流和额定短路开断电流，通过串联或并联或串并联组成。此外,新型高压直流超导限流断路器不仅可用于高压直流系统，做适当的改造也可用于高压交流系统，如故障电流限制器、电源快速切换装置、快速旁路装置等。

据预测，未来五年间世界范围内柔性直流输电的市场规模将达到1000亿元以上，柔性直流工程以每年近10条的速度增加；国内的柔性直流输电市场容量将达到200MW/年的平均增长速度，至2015年柔性直流输电设备投资将超过20亿元人民币。这些工程的建设项目对为高压直流断路器的研制发展提出了较大的需求要求，也带来了难得的发展机遇。预计未来5年，国内外在直流断路器方面的经济产值每年将增长数十亿元人民币。

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 (8)

1.一种高压超导限流直流断路器的开断方法，其特征在于：所述断路器包括超快速机械开关、超导故障电流限制器、电力电子开关和避雷器；所述超快速机械开关、超导故障电流限制器和电力电子开关依次串联后，与避雷器相并联；所述方法包括以下步骤：

步骤1：在高压直流侧发生短路故障，电流和电流上升陡度迅速上升且达到相应的设定开断值时，超导材料立即失超，阻抗急剧上升，将短路电流限制在设定值内，同时给超快速机械开关发出指令；

步骤2：超快速机械开关操作机构立即动作，以超快的刚分速度使触头分离，形成物理间隙并产生电弧，随即给电力电子开关发出开断指令；

步骤3：电力电子开关快速开断短路电流，使超快速机械开关触头间的电弧熄灭形成隔离断口，超快速机械开关承受高电压，超导故障电流限制器和电力电子开关不承受高电压；

步骤4：当超快速机械开关触头分离至最终分闸位置且避雷器中的电流衰减为零时，高压超导限流直流断路器完成整个开断过程，将高压直流输电电网与故障线路隔离；

所述超快速机械开关包括触头、灭弧室和操作机构；超快速机械开关在额定电流时保持合闸，当高压直流侧发生故障时，电流迅速上升，当电流和电流上升陡度达到相应的开断设定值时，超导故障电流限制器的超导材料失超并给超快速机械开关发出开断指令，超快速机械开关的操作机构动作使触头分离，形成物理间隙并产生电弧，随即给电力电子开关发出开断指令，超快速机械开关触头继续分离至最终分闸位置，在分离过程中，当电力电子开关开断后，超快速机械开关的电流过零，电弧熄灭形成隔离断口，并承受额定电压。

2.根据权利要求1所述的高压超导限流直流断路器的开断方法，其特征在于：所述超导故障电流限制器利用超导材料阻抗的非线性特性进行限流；在正常运行状态下，超导材料处于超导状态，具有零阻抗特性；当高压直流侧发生故障时，电流迅速上升达到超导故障电流限制器的临界电流值，且电流上升陡度达到相应的开断设定值时，电流的冲击使超导材料失超，其阻抗急遽上升，在短路电流上升阶段将其加以限制，同时给超快速机械开关发出开断指令。

3.根据权利要求1所述的高压超导限流直流断路器的开断方法，其特征在于：所述电力电子开关由至少两个绝缘栅双极型晶体管或碳化硅电力电子元件串联而成；绝缘栅双极型晶体管的尺寸和个数或碳化硅电力电子元件的个数分别根据其额定电压和电流确定。

4.根据权利要求3所述的高压超导限流直流断路器的开断方法，其特征在于：所述电力电子开关在正常运行状态下，处于关合状态，流过正常的负荷电流；当接到开断指令后，快速开断电流并将电流转移到所述避雷器，使所述超快速机械开关触头间的电弧熄灭，达到开断直流电流的目的。

5.根据权利要求3所述的高压超导限流直流断路器的开断方法，其特征在于：所述绝缘栅双极型晶体管包括在N-衬底表面进行低浓度的N-离子注入形成的衬底，形成在衬底表面的栅极氧化层，淀积在栅极氧化层上的多晶硅栅极，形成在栅极氧化层与N-衬底之间的p+阱区及位于p+阱区与栅极氧化层之间的N+阱区，位于N-衬底下方的背面注入区，位于注入区下方的集电极及位于栅极氧化层上方的发射极，栅极氧化层下方的N-型衬底上设有一个浓P型阱区。

6.根据权利要求1所述的高压超导限流直流断路器的开断方法，其特征在于：所述电力电子开关在正常运行状态下，处于关合状态，流过正常的负荷电流；当接到开断指令后，快速开断电流并将电流转移到所述避雷器，使所述超快速机械开关触头间的电弧熄灭，达到开断直流电流的目的。

7.根据权利要求1所述的高压超导限流直流断路器的开断方法，其特征在于：所述避雷器为金属氧化物避雷器，其具有非线性电阻的特性，用于能量吸收和暂态过电压保护；在正常运行状态下，其电阻很大，相当于开路状态；当所述超快速机械开关和电力电子开关开断后，将电流转移到避雷器，因避雷器电阻随着电流的增加而降低，从而可限制操作过电压并吸收残余能量。

8.根据权利要求7所述的高压超导限流直流断路器的开断方法，其特征在于：所述金属氧化物避雷器包括数节避雷器单元，避雷器单元包括绝缘套和法兰；所述绝缘套为两层，内层为非瓷质绝缘材料的绝缘筒，外层为硅橡胶复合材料的伞套，绝缘筒上设置有压力释放口，在压力释放口上装配有密封件；所述法兰与绝缘筒之间以胶装连接。