CN103647248B - 一种高压直流快速断路器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压直流快速断路器，属于高压、超高压直流输电技术领域。高压直流快速断路器由机械隔离开关、中低压直流断路器串联后与高压电子开关并联形成。该高压直流快速断路器串联于高压直流线路中，为高压直流设备及线路提供保护；当线路或直流设备故障时，高压直流快速断路器保护动作，使直流设备与线路迅速断开。

Description

一种高压直流快速断路器

技术领域

本发明涉及一种高压直流快速断路器，属于高压、超高压直流输电技术领域。

背景技术

目前，高压直流输电及多端柔性直流输电由于具有较大的优势愈来愈受到人们的重视。高压直流输电由于没有线路的无功损耗、传输效率高，当输电线路长度超过一定距离时，还具有造价低等特点。因此直流输电特别适合于长距离输电。

我国地域辽阔,西部地区有丰富的水力资源和煤炭资源,而东部沿海地区则是我国工业密集,电力短缺,需要大量能源的地区。因此,为了合理调整我国的能源布局,就必须建立长距离、大容量的输电系经,以实现西电东调。直流输电系统则可以发挥其显著的补用。

随着新能源战略的发展，一大批新能源电站相续建立，但是新能源的一大特点是稳定性差，柔直直流输电刚好能解决新能源并网中稳定性差的问题，而且可以通过发展多端柔直输电系统联网。发展多端柔直联网，就必须有高压直流断路器，以保证系统的安全稳定性。因此,直流断路器是解决柔直直流系统联网、提高可靠性和可控性的重要途径。

由于直流回路没有电流过零点，不能直接灭弧，所以直流断路器主要是利用交流断路器的灭弧执行机构，或者通过增加谐振装置人为产生过零点，或者通过旁路电路进行分流以提供零电流条件。

对于高压或特高压领域，直流断路器多处于研究阶段，特别是快速直流断路器，更是尚未有工程应用，这是由于在发生短路故障的情况，要使直流断路器正常开断故障直流电流，必须采取措施强迫直流电流过零。但在电流过零时,直流系统中存储着巨大的能量需要释放,这部分能量所产生的过电压必须有合适的措施限制，否则能引起断路器断口间的电弧重燃,造成开断失败。

发明内容

本发明的目的是提供一种高压直流快速断路器，用以解决现有技术的缺陷。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

一种高压直流快速断路器，包括机械隔离开关、高压电子开关和中低压直流断路器；所述机械隔离开关与中低压直流断路器串联，形成一条支路，所述高压电子开关与所述支路并联。

所述高压电子开关由至少两个阀段串联构成，每个阀段由一个避雷器与至少一组串联的可关断大功率电子元件并联形成。

所述可关断大功率电阻元件为IGBT、IECT或GTO。

本发明主要由三部分构成——机械隔离开关、中低压直流断路器和高压电子开关。机械隔离开关为没有分断高压直流电弧能力或具有分断很小直流电弧能力的高压快速隔离开关。其断口额定电压为系统的额定直流电压。在本发明中，它起到快速隔离的作用，不具备消除直流电弧的能力。

中低压直流断路器为低于系统额定直流电压的、具有消除直流电弧能力的低压直流断路器，其断开电流的速度很快，这种设备可以直接选型购买，成本较低。

高压电子开关包括有IGBT、IECT或GTO等等具有可控能力的大功率半导体器件正方向串联组成的阀组，有大功率可控元件、冷却单元、触发板、高压取能单元，避雷器和其它辅助控制系统组成；由于是电子器件，其动作速度很快。

在高压或超高压直流输电系统中，本发明的高压直流快速断路器接入线路，正常状态下，机械隔离开关、中低压直流断路器的串联支路导通，高压电子开关不导通，主回路电流流过串联支路，而高压电子开关回路中没有电流流过（启动过程中除外）。

当高压直流线路短路故障时，中低压直流断路器及高压电子开关同时动作，直流电流在中低压直流断路器两端产生电弧压降。当中低压直流断路器两端压降大于高压电子开关的阈值后，高压电子开关导通，从而将直流电流迅速转移至高压电子开关回路，相应的中低压直流断路器，及机械隔离开关串联支路中的电流迅速降低，使得中低压直流断路器能够顺利断开并息弧。当检测到中低压直流断路器回路电流过零时，控制系统控制高压电子开关停止导通，高压电子开关呈高阻抗状态，其回路中的直流电流回路断开，从而断开高压直流快速断路器两端的接通状态。回路中直流电流剩余的能量有与高压电子开关并联的避雷器吸收。

附图说明

图1是本发明的高压直流快速断路器电路原理图；

图2是本发明高压电子开关阀段电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示。高压直流断路器有机械隔离开关、中低压直流断路器串联后，再与有多级阀段组成的高压电子开关并联组成。每个阀段由多个可关断大功率电子元件串联再与避雷器并联构成，如图2所示，作为其它实施方式，也可以根据需要使可关断大功率电子元件形成其它串并联结构。可关断大功率电子元件包括IGBT、IECT、GTO等等。

其工作原理如下：

主回路中的电流正常情况下从机械隔离开关及中低压直流断路器中流过，高压电子开关回路中没有电流流过。

当高压直流线路短路故障时，中低压直流断路器首先动作，由于中低压直流断路器具有直流消弧能力，直流电流在中低压直流断路器两端产生电弧压降，此时立即触发与其并联的高压电子开关。高压电子开关导通后，由于其导通阻抗低，直流电流迅速转移至快速电子开关回路，相应的中低压直流断路器，及高压快速隔离开关回路中的直流电流迅速降低，端电压也迅速降低，快速机械开关及中低压直流断路器具备了消弧条件，并断开息弧，使机械隔离开关具备了阻断额定直流电压的能力。然后，高压电子开关停止导通，呈高阻抗状态，断开回路中的直流电流回路。

高压直流断路器启动时，首先高压电子开关启动，接通直流回路，此时中低压直流断路器及高压快速隔离开关两端端电压很低，仅为高压电子开关回路的导通压降。机械隔离开关及中低压直流断路器可以在低压下迅速闭合，接通主回路。由于机械隔离开关及中低压直流断路器闭合后的阻抗极小，自动旁路并切断高压电子开关回路中的直流电流。使直流电流无损耗通过机械隔离开关及中低压直流断路器。

回路中直流电流剩余的能量有与高压电子开关并联的避雷器吸收，剩余能力被避雷器吸收完毕后，整个直流断路器具有了完全阻断高压额定直流电压的能力，达到保护直流设备及直流线路的目的。这里的避雷器还具有限制高压电子开关过电压的能力，以便保护高压电子开关。

以上给出一种具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种高压直流快速断路器，其特征在于，包括机械隔离开关、高压电子开关和中低压直流断路器；所述机械隔离开关与中低压直流断路器串联，形成一条正常状态导通的支路，所述高压电子开关与所述支路并联；当高压直流线路短路故障时，所述中低压直流断路器先动作，当所述中低压直流断路器两端压降大于所述高压电子开关的阈值后，所述高压电子开关导通；当高压直流断路器启动时，首先高压电子开关启动，接通直流回路，当中低压直流断路器及机械隔离开关的两端电压为高压电子开关回路的导通压降时，中低压直流断路器及机械隔离开关闭合，接通主回路，自动旁路并切断高压电子开关回路中的直流电流。

2.根据权利要求1所述的一种高压直流快速断路器，其特征在于，所述高压电子开关由至少两个阀段串联构成，每个阀段由一个避雷器与至少一组串联的可关断大功率电子元件并联形成。

3.根据权利要求2所述的一种高压直流快速断路器，其特征在于，所述可关断大功率电子元件为IGBT、IECT或GTO。