CN103928913B - 一种基于快速斥力机构和绝缘变压器的高压直流断路器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于快速斥力机构和绝缘变压器的高压直流断路器，该断路器拓扑包括换流支路、主断路器支路、快速开关供能单元、主回路电抗器单元和主回路隔离开关单元。换流支路为一条LC振荡支路。主断路器支路由可调电抗器和若干快速开关吸能均压模块串联构成。每个快速开关吸能均压模块由一个快速开关、一个避雷器和一条RC均压支路并联组成。快速开关供能单元保证快速开关动作的快速性和协同性。主回路电抗器单元用于降低故障电流上升率。主回路保护开关单元用于在断路器成功开断后保护内部元件。本发明基于快速斥力机构和绝缘变压器，开断速度快，避免故障电流上升到较大的幅值；承受电压水平高，开断可靠性高；结构简单，造价低。

Description

一种基于快速斥力机构和绝缘变压器的高压直流断路器

技术领域

本发明属于高压直流断路器领域，更具体地，涉及一种基于快速斥力机构和绝缘变压器的高压直流断路器。

背景技术

基于电压源换流器(VoltageSourceConverter，VSC)构造的高压直流电网(HighVoltageDirectCurrentGrid，HVDCG)被认为是解决大规模边远风电场群并网与外送的最佳方案。以高压直流电网为风电的汇集平台，避免了交流电网的固有的稳定性(电压、频率、相位等)问题，从而为风电并网提供了柔性并网的可能。但带来的新问题则是直流短路故障的隔离和切除短路故障的直流断路器等新技术，其中尤以直流断路器最为关键。

当发生短路故障时，直流系统的低阻抗导致短路电流迅速上升，因此必须保证直流断路器在尽可能短的时间内可靠地切除短路故障。同时，由于直流断路器在开断电流期间需要承受较高的暂态恢复电压，必须保证主开关支路满足绝缘要求。

现有技术中往往采用液压或气动装置打开主开关，动作时间慢，导致短路电流上升至过大值，断路器难以开断大电流；当电压等级较高时，现有直流断路器绝缘等级无法满足要求，无法承受大电压，易发生重击穿。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的是提供了一种基于快速斥力机构和绝缘变压器的高压直流断路器，解决了现有高压直流断路器难以开断大电流和承受大电压的问题。

本发明提供的基于快速斥力机构和绝缘变压器的高压直流断路器，包括主断路器支路、换流支路、快速开关供能单元、主回路电抗器单元和主回路隔离开关单元；所述主回路隔离开关单元包括第一隔离开关和第二隔离开关；所述主断路器支路包括n个依次串联连接的快速开关吸能均压模块以及与所述快速开关吸能均压模块串联的可调电抗器；所述可调电抗器的一端通过所述第一隔离开关与所述主回路电抗器单元连接，所述可调电抗器的另一端与第1个快速开关吸能均压模块连接，第n个快速开关吸能均压模块与第二隔离开关连接；n为大于等于1的整数；所述换流支路与所述主断路器支路并联连接；所述快速开关供能单元分别与n个快速开关吸能均压模块中的供电端连接，用于给各个快速开关吸能均压模块中的快速开关操动机构提供电源。

其中，所述快速开关吸能均压模块包括依次并联连接的快速开关K、第一避雷器MOV和RC均压支路；所述RC均压支路包括依次串联连接的第一电容C₀和第一电阻R₀。

其中，所述快速开关供能单元包括m个绝缘变压器单元，每一个绝缘变压器单元包括分段串接的铁芯T，缠绕在所述铁芯上的一个原边绕组以及多个相互绝缘的副边绕组；所述原边绕组用于与市电连接，多个副边绕组分别与各个快速开关吸能均压模块中的供电端连接，m为大于等于1的整数。

其中，所述绝缘变压器单元还包括用于增大爬电距离的绝缘骨架G，为伞裙状结构，位于所述铁芯T的外围。

其中，所述主回路电抗器单元包括电抗器L₃、第二电阻R₁、第一二极管D₁、第二避雷器MOV₂、第三电阻R₂、第二二极管D₂和第二电容C₃；所述第一二极管D₁的阴极通过所述第二电阻R₁与所述电抗器L₃的一端连接，所述第一二极管D₁的阳极与所述电抗器L₃的另一端；所述第二避雷器MOV₂并联在所述电抗器L₃的两端；所述第二二极管D₂的阳极与所述电抗器L₃的一端连接，所述第二二极管D₂的阴极通过所述第二电容C₃接地；所述第三电阻R₂与所述第二二极管D₂并联连接。

其中，所述换流支路包括第一电感L₁、第二电感L₂、第三电容C₁、第四电容C₂、变压器T₁、三电极间隙S_g和换流电容充能单元；所述三电极间隙S_g的第一端通过所述第一电感L₁与所述第一隔离开关与所述主断路器支路的连接端连接；所述三电极间隙S_g的第二端通过依次串联连接的第二电感L₂和第三电容C₁与所述主断路器支路与所述第二隔离开关的连接端连接；所述变压器T₁的原边用于连接市电，所述变压器T₁的副边线圈的一端通过所述第四电容C₂与所述三电极间隙S_g的第三端连接，所述变压器T₁的副边线圈的另一端接地；换流电容充能单元用于给所述第三电容C₁充电。

其中，所述换流电容充能单元包括快速开关S₃，第四电阻R₃和第五电阻R₄，所述第四电阻R₃和所述第五电阻R₄依次串联连接在所述第三电容C₁月所述第二电感L₂的连接端与地之间，所述快速开关S₃与所述第四电阻R₃并联连接。

其中，所述第一隔离开关和第二隔离开关为快速开关。

本发明通过多组模块的串联，能灵活满足不同电压等级的要求。每个模块承受相同的电压，通过一个或多个具有相互绝缘副边的变压器向快速开关K的操动机构提供电源。由于快速开关吸能均压模块串联，使得各个模块内的快速开关也串联连接，快速开关的触头均处于高电位，而由于绝缘变压器采用多组副边结构，使得与绝缘变压器副边相连的操动机构也处在高电位，从而大大降低了快速开关K的触头与操动机构间的绝缘要求，使得直流断路器能够承受大电压。本发明基于快速斥力机构和绝缘变压器，开断速度快，避免故障电流上升到较大的幅值；承受电压水平高，开断可靠性高；结构简单，造价低。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于快速斥力机构和绝缘变压器的高压直流断路器的原理框图；

图2为本发明实施例提供的基于快速斥力机构和绝缘变压器的高压直流断路器中快速开关吸能均压模块的电路图；

图3为本发明实施例提供的基于快速斥力机构和绝缘变压器的高压直流断路器中绝缘变压器的结构图；

图4为本发明实施例提供的基于快速斥力机构和绝缘变压器的高压直流断路器中换流支路的原理图；

图5为本发明实施例提供的基于快速斥力机构和绝缘变压器的高压直流断路器中主回路电抗器单元的电路图；

图6为本发明实施例提供的基于快速斥力机构和绝缘变压器的高压直流断路器的具体电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明实施例中，快速斥力机构为基于电磁斥力动作的机械式快速开关。快速开关(Ultra-FastSwitch)主要是指开关动作时间在几毫秒内，区别于传统开关的几十毫秒，因其动作速度远高于传统开关，故称其为快速开关。

如图1所示，本发明提供的高压直流断路器包括换流支路2、主断路器支路1、快速开关供能单元3、主回路电抗器单元4和主回路隔离开关单元5。主断路器支路1包含可调电抗器11以及与之串联的若干快速开关吸能均压模块12，该主断路器支路1通过快速开关供能单元3向快速开关吸能均压模块12中的快速开关操动机构提供电源。该主断路器支路1与换流支路2并联，再与主回路电抗器单元4和主回路隔离开关单元5串联，构成基于快速斥力机构和绝缘变压器的模块化高压直流断路器主体结构。

其中，多个快速开关吸能均压模块12串联。如图2所示，每个模块由一个快速开关K、一个避雷器MOV和一条RC均压支路并联组成。快速开关K是基于快速斥力机构的机械开关，避雷器MOV为用于耗散能量并最终开断电流的氧化锌压敏电阻，每个模块中的RC均压支路用于实现各个快速开关吸能均压模块间的均压，从而保证单个快速开关不会因承受过电压而发生电弧重燃，引起开断失败。正常运行时，快速开关K均处于合闸位置，线路电流仅流经快速开关K。当检测到短路故障发生时，快速开关K迅速打开，发生燃弧，由于换流支路振荡电流的作用，快速开关K产生电流过零点，电弧熄灭；此时快速开关K两端会产生较大的暂态恢复电压，模块中RC均压支路起到均压作用，防止单个快速斥力开关K重击穿；当电压上升至避雷器MOV钳位电压时，电流迅速转移至快速开关吸能均压模块中的避雷器MOV支路，线路中的能量被避雷器MOV吸收，直至电流降为零，完成开断。由于单个模块承受的电压值有限，因此，通过多组模块的串联，能灵活满足不同电压等级的要求。每个模块承受相同的电压，通过一个或多个具有相互绝缘副边的变压器向快速开关K的操动机构提供电源。由于快速开关吸能均压模块串联，使得各个模块内的快速开关也串联连接，快速开关的触头均处于高电位，而由于绝缘变压器采用多组副边结构，使得与绝缘变压器副边相连的操动机构也处在高电位，从而大大降低了快速开关K的触头与操动机构间的绝缘要求，使得直流断路器能够承受大电压。

其中，与多个快速开关吸能均压模块12串联的可调电抗器11，既参与产生LC反向振荡电流，又起到抑制故障电流上升的作用，同时还降低了电流过零点时的下降速率，避免电弧重燃。

其中，如图3所示，快速开关供能单元3采用一个或多个具有相互绝缘副边的绝缘变压器向各串联开关操动机构提供电源。绝缘变压器由绝缘铁芯T分段串接组成，铁芯外面再套上绝缘骨架G以增大爬电距离。绝缘骨架可采用绝缘子伞裙等形状。变压器副边缠绕在两股绝缘骨架中间。

其中，如图4所示，换流支路2为一条LC振荡支路，用于产生反向电流过零点熄灭电弧并为自动重合闸实现快速开断。换流电容C₁从系统取电，预充电至系统电压。换流电容C₁可采用多种充电方式预充电至系统电压，比如经电阻接地或采用变压器充电。

其中，换流支路2采用三电极间隙S_g导通，通过电容C₂保护充电回路；换流支路为采用三电极间隙触发的LC振荡回路。当检测到短路故障后经过一定延时，直流断路器控制系统自动控制变压器T₁原方通电，触发三电极间隙S_g导通，换流电容C₁与电感L₁和L₂产生串联谐振，为快速开关K的熄弧提供反向电流。此外，电感L₁和L₂分布于三电极间隙S_g两侧，隔离三电极间隙S_g触发电压，避免触发电压串到电容器C₁或者快速开关K。

其中，如图5所示，主回路电抗器单元4由电抗器L₃、电阻R₁、二极管D₁、避雷器MOV₂、电阻R₂、二极管D₂和电容C₃组成。该主回路电抗器单元通过电抗器L₃起到降低故障电流的上升率的作用；当开断故障电流时，二极管D₁和电阻R₁为电抗器L₃所产生的感应电压提供放电支路，防止电抗器L₃两端承受电压过大；当故障电流迅速上升时，避雷器MOV₂通过电压钳位保护电抗器L₃，电容C₃、二极管D₂和电阻R₂构成的回路用于钳制电抗器L₃左端电位。

其中，主回路隔离开关单元5包括第一隔离开关51和第二隔离开关52。可以采用快速开关。正常运行及故障开断过程中，第一隔离开关51和第二隔离开关52均处于闭合状态。在断路器开断成功后，隔离开关打开，保护直流断路器内部元件。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)通过多个快速开关吸能均压模块的串联，能灵活地满足不同电压等级的直流断路器要求。(2)通过采用绝缘变压器向快速开关的操动机构提供电源，由于操动机构处在高电位，大大降低了触头与操动机构间的绝缘要求，保证了快速斥力开关可靠并同时动作。

本发明提出的基于快速斥力机构和绝缘变压器的模块化高压直流断路器采用有源型转移电流的直流开断方法，产生强制电流过零点开断电流。

本实施例中的模块化高压直流断路器采用附图6中所示多个快速开关串联所组成的高压直流断路器。

本实施例中的每个快速开关吸能均压模块由一个快速开关K、一个避雷器MOV和一条RC均压支路并联组成。快速开关K为采用绝缘变压器隔离的基于快速斥力机构的快速开关，避雷器MOV为用于耗散能量并最终开断电流的氧化锌压敏电阻，每个模块中的RC均压支路由电阻R和电容C串联组成，用于实现各个模块间的均压。正常运行时，快速开关K均处于合闸位置，线路电流仅流经快速开关K。当检测到短路故障发生时，快速开关K迅速打开，发生燃弧，由于换流支路振荡电流的作用，快速开关K产生电流过零点，电弧熄灭；此时快速开关K两端会产生较大的暂态恢复电压，模块中RC支路起到均压作用，防止单个快速斥力开关重击穿；当电压上升至避雷器MOV钳位电压时，电流迅速转移至避雷器MOV支路，线路中的能量被避雷器MOV吸收，直至电流降为零，完成开断。由于单个模块承受的电压值有限，因此，通过多组模块的串联，能灵活满足不同电压等级的要求。

本实施例中的快速开关供能单元，如附图4所示，主要由具有多个相互绝缘副边的变压器向各串联开关操动机构提供电源。变压器由绝缘铁芯分段串接组成，铁芯外面再加上绝缘骨架，以增大爬电距离。绝缘骨架可采用绝缘子伞裙等形状。变压器副边缠绕在两股绝缘骨架中间。

该直流断路器分断直流的具体过程如下：

(1)线路正常运行时，快速开关K均位于合闸位，电流仅从主开关支路流通；开关S₃打开，电容C₁充电至系统电压；

(2)当发生短路故障时，线路电流迅速上升，直流断路器检测到故障电流后立即同时打开八个快速开关K，发生燃弧；

(3)经过时间t₁延时后，通过触发三电极间隙S_g导通，电容C₁与电感L、L₁和L₂串联谐振产生振荡电流，电流转移至换流支路；

(4)电容C₁因故障电流流入而不断充电，当达到避雷器MOV钳位电压时，避雷器MOV导通，电流转移到避雷器MOV；

(5)避雷器MOV不断消耗线路电感和电容C₁储存的能量，直至线路电流降为零，完成开断，此时换流电容充能单元动作，开关S₃闭合，换流电容C₁迅速充电至系统电压；经过时间t₂后，再次导通八个快速开关K。若故障类型为暂时性故障，则重合闸成功；若故障类型为非暂时性故障，则重复步骤(3)(4)，完成电流开断。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于快速斥力机构和绝缘变压器的高压直流断路器，其特征在于，包括主断路器支路(1)、换流支路(2)、快速开关供能单元(3)、主回路电抗器单元(4)和主回路隔离开关单元(5)；

所述主回路隔离开关单元(5)包括第一隔离开关(51)和第二隔离开关(52)；

所述主断路器支路(1)包括n个依次串联连接的快速开关吸能均压模块(12)以及与所述快速开关吸能均压模块(12)串联的可调电抗器(11)；所述可调电抗器(11)的一端通过所述第一隔离开关(51)与所述主回路电抗器单元(4)连接，所述可调电抗器(11)的另一端与第1个快速开关吸能均压模块(12)连接，第n个快速开关吸能均压模块(12)与第二隔离开关(52)连接；n为大于等于1的整数；

所述换流支路(2)与所述主断路器支路(1)并联连接；

所述快速开关供能单元(3)分别与n个快速开关吸能均压模块(12)中的供电端连接，用于给各个快速开关吸能均压模块(12)中的快速开关操动机构提供电源；

所述主回路电抗器单元(4)包括电抗器L₃、第二电阻R₁、第一二极管D₁、第二避雷器MOV₂、第三电阻R₂、第二二极管D₂和第二电容C₃；

所述第一二极管D₁的阴极通过所述第二电阻R₁与所述电抗器L₃的一端连接，所述第一二极管D₁的阳极与所述电抗器L₃的另一端连接；

所述第二避雷器MOV₂并联在所述电抗器L₃的两端；

所述第二二极管D₂的阳极与所述电抗器L₃的一端连接，所述第二二极管D₂的阴极通过所述第二电容C₃接地；

所述第三电阻R₂与所述第二二极管D₂并联连接。

2.如权利要求1所述的高压直流断路器，其特征在于，所述快速开关吸能均压模块(12)包括依次并联连接的快速开关K、第一避雷器MOV和RC均压支路；所述RC均压支路包括依次串联连接的第一电容C₀和第一电阻R₀。

3.如权利要求1所述的高压直流断路器，其特征在于，所述快速开关供能单元(3)包括m个绝缘变压器单元，每一个绝缘变压器单元包括分段串接的铁芯T，缠绕在所述铁芯T上的一个原边绕组以及多个相互绝缘的副边绕组；

所述原边绕组用于与市电连接，多个副边绕组分别与各个快速开关吸能均压模块(12)中的供电端连接，m为大于等于1的整数。

4.如权利要求3所述的高压直流断路器，其特征在于，所述绝缘变压器单元还包括用于增大爬电距离的绝缘骨架G，所述绝缘骨架G为伞裙状结构，位于所述铁芯T的外围。

5.如权利要求1所述的高压直流断路器，其特征在于，所述换流支路(2)包括第一电感L₁、第二电感L₂、第三电容C₁、第四电容C₂、变压器T₁、三电极间隙S_g和换流电容充能单元；

所述三电极间隙S_g的第一端通过所述第一电感L₁与所述第一隔离开关(51)与所述主断路器支路(1)的连接端连接；

所述三电极间隙S_g的第二端通过依次串联连接的第二电感L₂和第三电容C₁，与所述主断路器支路(1)和所述第二隔离开关(52)的连接端连接；

所述变压器T₁的原边用于连接市电，所述变压器T₁的副边线圈的一端通过所述第四电容C₂与所述三电极间隙S_g的第三端连接，所述变压器T₁的副边线圈的另一端接地；

换流电容充能单元用于给所述第三电容C₁充电。

6.如权利要求5所述的高压直流断路器，其特征在于，所述换流电容充能单元包括快速开关S₃，第四电阻R₃和第五电阻R₄，

所述第四电阻R₃和所述第五电阻R₄依次串联连接在所述第三电容C₁与所述第二电感L₂的连接端与地之间，

所述快速开关S₃与所述第四电阻R₃并联连接。

7.如权利要求1-6任一项所述的高压直流断路器，其特征在于，所述第一隔离开关(51)和第二隔离开关(52)为快速开关。