CN104158171B - 一种高压直流断路器拓扑电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高压直流断路器拓扑电路，包括主支路、电流转移支路和能量吸收支路；所述主支路、电流转移支路和能量吸收支路相互并联。本发明提供一种高压直流断路器拓扑电路，电路拓扑结构简单，分断过程中有稳定的电流过零点，控制简便，应用灵活，易于实现，分断电流能力大，耐受电压等级高，扩展能力强，设备成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种拓扑电路，具体涉及一种高压直流断路器拓扑电路。
背景技术
随着基于电压源换流器(VSC)的多端柔性直流和直流电网技术的开始应用，快速直流断路器成为保证系统稳定安全可靠运行的关键设备之一。在交流系统中，交流电流在一个周期内存在两个自然过零点，交流断路器正是利用电流的自然过零点关断电流，而在直流系统中，直流电流不存在自然过零点，因此直流电流的开断远比交流电流的开断困难。
开断直流电流通常有三种方式，一种是在常规交流机械断路器的基础上，通过增加辅助电路，在开断弧间隙的直流电流上迭加增幅的振荡电流，利用电流过零时开断电路，利用这种原理制造的机械式断路器，在分断时间上无法满足多端柔性直流输电系统的要求；一种是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；最后一种是采用机械开关和电力电子器件混合的方式，正常运行由机械开关通流，故障时将主支路的电流转移至并联连接的电力电子器件支路中，然后由电力电子器件分断电流。ABB目前提出的申请号为200980162538.X介绍的断路器就属于这类方式，该申请提供一种使输电线路或配电线路的电流断路的装置和方法以及限流布置，电流断路的装置包括主断路器和非线性电阻器的并联连接，其中主断路器包括第一电流方向的至少一个功利半导体开关。还包括至少一个机械开关的高速开关和辅助断路器的串联连接，辅助断路器相比主断路器有更小的导通电阻，并且包括第一电流方向的至少一个功率半导体开关。
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直流断路器拓扑电路，电路拓扑结构简单，分断过程中有稳定的电流过零点，控制简便，应用灵活，易于实现，分断电流能力大，耐受电压等级高，扩展能力强，设备成本低。
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直流断路器拓扑电路，所述拓扑电路包括主支路、电流转移支路和能量吸收支路；所述主支路、电流转移支路和能量吸收支路相互并联。
所述能量吸收支路包括非线性电阻器。
所述主支路包括串联的第一主支路和第二主支路；所述第一主支路和第二主支路均包括快速机械开关、LC放电回路和电力电子器件。
所述电流转移支路包括串联的第一全控型器件和第二全控型器件；所述第一全控型器件和第二全控型器件分别与第一主支路和第二主支路并联。
所述第一全控型器件和第二全控型器件均采用带有反并联二极管的晶体管或两个晶体管反并联结构。
所述电力电子器件采用第三全控型器件或第一半控型器件；所述第三全控型器件采用带有反并联二极管的晶体管，所述第一半控型器件为两个晶闸管反并联结构；
所述LC放电回路包括电感L、电容C和第二半控型器件，所述电感L一端连接第三全控型器件，另一端连接快速机械开关，所述电容C和第二半控型器件串联后并联在电感L的两端；所述第二半控型器件采用晶闸管或两个晶闸管反并联结构。
所述第一全控型器件和第二全控型器件均采用两个晶体管串联结构或两个带有反并联二极管的晶体管串联结构。
所述主支路包括快速机械开关、LC放电回路和电力电子器件；
所述电力电子器件采用二极管；
所述LC放电回路包括电感L、电容C和晶闸管；所述电感L一端连接二极管，另一端连接快速机械开关，所述电容C和晶闸管串联后并联在电感L的两端。
所述电流转移支路包括两个串联的晶体管。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明所提断路器正常运行时，由快速机械开关和少量电力电子器件流通，通态损耗小，通流能力强；
2、本发明所提断路器通过主回路中串联了半导体，实现主回路电流转移完成后电流过零点维持一段时间，从而可以使机械开关实现无弧分断，能够延长开关的使用寿命，提高开关的分断速度，易于实现开关串联连接时的均压问题；
3、本发明所提断路器拓扑采用了LC振荡电路完成转移电流，主支路半导体选择多样化，可以选择不控型、半控型或全控型半导体，可根据具体使用场合需要更改；
4、本发明所提断路器扩展应用性，强易于实现模块化设计，应用于高电压等级时，在技术和经济上优势更为明显；
7、本发明所提断路器结构新颖、控制简单，应用灵活，动作迅速，设备成本低，耐受电压等级高，且易于扩展至不同电压等级直流电网，包含传统特高压直流电网。
附图说明
图1是本发明实施例1中高压直流断路器拓扑电路结构图；
图2是本发明实施例2中高压直流断路器拓扑电路结构图；
图3是本发明实施例3中高压直流断路器拓扑电路结构图；
图4是本发明实施例4中高压直流断路器拓扑电路结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图1，高压直流断路器拓扑电路包括主支路、电流转移支路和能量吸收支路；主支路、电流转移支路和能量吸收支路相互并联。
1)主支路包括串联的第一主支路和第二主支路；第一主支路包括快速机械开关K1、LC放电回路和电力电子器件；
电力电子器件采用带有反并联二极管的晶体管Tr1，LC放电回路包括电感L1、电容C1和晶闸管Th1，电感L1一端连接反并联二极管D1的阴极，另一端连接快速机械开关K1，电容C1和晶闸管Th1串联后并联在电感L1的两端；
第二主支路包括快速机械开关K2、LC放电回路和电力电子器件；
电力电子器件采用带有反并联二极管的晶体管Tr2，LC放电回路包括电感L2、电容C2和晶闸管Th2，电感L2一端连接反并联二极管D2的阴极，另一端连接快速机械开关K2，电容C2和晶闸管Th2串联后并联在电感L2的两端；
2)电流转移支路包括串联的第一全控型器件和第二全控型器件，第一全控型器件和第二全控型器件均采用2个带有反并联二极管的晶体管串联结构，第一全控型器件和第二全控型器件分别与第一主支路和第二主支路并联。
3)能量吸收支路包括非线性电阻器，用于限制分断产生的过电压，极大的降低了电容体积和成本。
工作原理如下：
第一步，当直流系统正常运行时，电流方向从左向右，依次经过二极管D1、电感L1、机械开关K1和K2、电感L2和晶体管Tr2；电流转移支路的晶体管处于导通态，电容预先充有电压。
第二步，当需要使用断路器断开主回路电流时，关断晶体管Tr1，开通电容电感放电回路的晶闸管2，使LC回路放电，由于选用晶闸管2只具备单向导通能力，所以LC放电回路的放电电流只能持续约1/2个固有振荡周期，在这期间，当电容电压反向且电容电压超过了转移支路晶体管导通压降时，电流开始向转移支路转移，一旦全部转移完毕，由于主回路二极管1的存在，导致在一段时间内，快速开关上电流为零，即将电流过零点维持一段时间，此时二极管1承受一个来自于电容的反向电压。
第三步，在电流维持在零点这段时间内迅速打开机械开关K1，产生足够开距以耐受系统过电压。
第四步，闭锁电流转移支路所有晶体管，使大部分系统电压加在串联的晶体管两端。
第五步，当电流转移支路两端电压大于避雷器动作电压后，避雷器动作，完成电流切断。
实施例2
如图2，高压直流断路器拓扑电路包括主支路、电流转移支路和能量吸收支路；主支路、电流转移支路和能量吸收支路相互并联。
1)主支路包括串联的第一主支路和第二主支路；第一主支路包括快速机械开关K1、LC放电回路和电力电子器件；
电力电子器件采用带有反并联二极管的晶体管Tr1，LC放电回路包括电感L1、电容C1和晶闸管，电感L1一端连接反并联二极管D1的阴极，另一端连接快速机械开关K1，电容C1和晶闸管Th1串联后并联在电感L1的两端；
第二主支路包括快速机械开关K2、LC放电回路和电力电子器件；
电力电子器件采用带有反并联二极管的晶体管Tr2，LC放电回路包括电感L2、电容C2和晶闸管，电感L2一端连接反并联二极管D2的阴极，另一端连接快速机械开关K2，电容C2和晶闸管Th2串联后并联在电感L2的两端；
2)电流转移支路包括串联的第一全控型器件和第二全控型器件，第一全控型器件和第二全控型器件均采用2个晶体管串联结构，第一全控型器件和第二全控型器件分别与第一主支路和第二主支路并联。
3)能量吸收支路包括非线性电阻器，用于限制分断产生的过电压，极大的降低了电容体积和成本。
实施例3
如图3，高压直流断路器拓扑电路包括主支路、电流转移支路和能量吸收支路；主支路、电流转移支路和能量吸收支路相互并联。
1)主支路包括快速机械开关K、LC放电回路和电力电子器件；LC放电回路固有振荡周期
电力电子器件采用两个晶闸管反并联结构；LC放电回路包括电感L、电容C和两个晶闸管反并联结构，电感L1一端连接两个晶闸管反并联结构，另一端连接快速机械开关K，电容C和两个晶闸管反并联结构串联后并联在电感L的两端；
2)电流转移支路包括串联的两个晶闸管反并联结构；
3)能量吸收支路包括非线性电阻器，用于限制分断产生的过电压，极大的降低了电容体积和成本。
实施例4
如图4，高压直流断路器拓扑电路包括主支路、电流转移支路和能量吸收支路；主支路、电流转移支路和能量吸收支路相互并联。
1)主支路包括快速机械开关K、LC放电回路和电力电子器件；
电力电子器件采用二极管D；LC放电回路包括电感L、电容C和晶闸管Th，电感L一端连接二极管D的阴极，另一端连接快速机械开关K，电容C和晶闸管Th串联后并联在电感L的两端；
2)电流转移支路包括串联的两个晶闸管反并联结构；
3)能量吸收支路包括非线性电阻器，用于限制分断产生的过电压，极大的降低了电容体积和成本。
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，所属领域的普通技术人员参照上述实施例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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (1)
1.一种高压直流断路器拓扑电路，其特征在于：所述拓扑电路包括主支路、电流转移支路和能量吸收支路；所述主支路、电流转移支路和能量吸收支路相互并联；
所述能量吸收支路包括非线性电阻器；
所述主支路包括串联的第一主支路和第二主支路；
所述第一主支路包括快速机械开关K1、第一LC放电回路和第一电力电子器件；
所述第二主支路包括快速机械开关K2、第二LC放电回路和第二电力电子器件；
所述电流转移支路包括串联的第一全控型器件和第二全控型器件；所述第一全控型器件和第二全控型器件分别与第一主支路和第二主支路并联；
所述第一电力电子器件采用带有反并联二极管D1的晶体管Tr1；
所述第二电力电子器件采用带有反并联二极管D2的晶体管Tr2；
所述第一LC放电回路包括电感L1、电容C1和晶闸管Th1，所述电感L1一端连接第一电力电子器件，另一端连接快速机械开关K1，所述电容C1和晶闸管Th1串联后并联在电感L1的两端；
所述第二LC放电回路包括电感L2、电容C2和晶闸管Th2，所述电感L2一端连接第二电力电子器件，另一端连接快速机械开关K2，所述电容C2和晶闸管Th2串联后并联在电感L2的两端；
所述第一全控型器件和第二全控型器件均采用两个带有反并联二极管的晶体管串联结构；
当直流系统正常运行时，电流依次经过二极管D1、电感L1、快速机械开关K1、快速机械开关K2、电感L2和晶体管Tr2；电流转移支路的晶体管处于导通态，电容C1预先充有电压；
当需要使用高压直流断路器断开主回路电流时，关断晶体管Tr2，开通第一LC放电回路的晶闸管Th1，使第一LC放电回路放电，在此期间，当电容C1电压反向且电容C1电压超过电流转移支路的晶体管导通压降时，电流开始向电流转移支路转移，一旦全部转移完毕，由于二极管D1的存在，导致快速机械开关K1上的电流为零，二极管D1承受来自电容C1的反向电压；
在电流维持在零点的时间内打开快速机械开关K1，产生足够开距以耐受直流系统过电压；
闭锁电流转移支路的所有晶体管，使直流系统电压加在电流转移支路的两端；
当电流转移支路两端电压大于非线性电阻器动作电压后，非线性电阻器动作，完成电流切断。
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