CN104242229A - 一种多断口混合直流断路器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多断口混合直流断路器，其包括主开关回路、振荡回路、能量吸收回路组成，其中主开关回路由3个快速开关以及三个与快速开关并联的均压回路构成，振荡回路由晶闸管阀T1-T4、变压器以及电容电感构成，吸收回路由ZnO避雷器构成，能够双向、快速、无弧分断直流系统中出现的短路电流；通态损耗低、成本低、使用寿命长；分断能力强，分断时间短，实现技术难度低，改善各断路器的断口间的均压，以防止单个断路器由于分断时差而导致的分断电压不一致，利用有源式的电流注入，使电路更快且更容易达到过零点。

Description

一种多断口混合直流断路器

技术领域

本发明涉及一种超、特高压的输配电技术，特别是用于超、特高压输配电中使用的超高压直流断路器。

背景技术

近年来，我国的直流输电系统取得了显著的成就，目前，虽然直流输电技术已经发展得比较成熟，但相对于交流输电系统灵活、多样的连接方式而言，世界上仅有极个别直流输电系统为多端连接方式，而绝大数依然是两端系统，其主要原因就是没有实用的超高压直流断路器。当两端系统发展到一定程度后，多端系统的出现将是必然的趋势，同时，电力电子技术的发展确实促进了直流输电系统的发展，但作为最后的保护单元，直流断路器的配置也是不可或缺的，尤其是在柔性直流输电系统中。

目前采用的超高压直流断路器常见的有无源式与有源式以及混合式等，其中图1所示的为无源式的直流断路器，其叠加振荡电流是在直流断路器的基础上叠加了振荡电流，用以创造电流过零点，利用这个理想的电流过零点条件实现分闸功能。振荡电流的产生利用了电弧的负阻特性，由电容C、电感L、ZnO避雷器和断路器触点CB构成直流断路器叠加振荡电流的原理示意图如图1所示。电弧的负阻特性是这类断路器实现开断的关键，通常选取CB的灭弧介质就成为决定电弧负阻特性是否符合电流振荡条件的主要因素。

如图2所示的为有源式的直流断路器，在电路设计上，电流转移的方法几乎与叠加振荡电流的方法相同，不同之处在于给振荡回路中的电容C进行了预充电，该方法的工作原理与叠加振荡电流的类似，区别是需要配合好将电容C接入回路时开关S的时间和cB断口断开的时间。当断路器开断回路时，CB断开，几乎在很短的时间内闭合S，此时充好电的电容c产生的反向电流与CB中的电弧电流振荡叠加，当断口分开到一定距离后，振荡电路出现过零点，电弧随之熄灭。其中，ZnO避雷器的工作原理与叠加振荡电流法中ZnO避雷器的工作原理相同。采用电流转移法开断直流断路器最大的优势是，可以断开幅值很大的直流电流。但是该方法结构复杂、控制烦琐而且可靠性较低，需要进一步改进才能发挥更大的作用。

如图3所示的为混合式的直流断路器，混合式断路器结合了机械式断路器和固态断路器的优点，用快速机械开关来导通正常运行电流，固态电力电子器件来分断短路电流，使得其既具备较低的通态损耗，又有很快的分断速度，这种拓扑结构断路器依靠电弧电压将短路电流从快速机械开关支路转移至固态开关支路。在高压系统中，大量的全控器件串联产生的通态压降一般都能达到近百伏，依靠电弧电压很难实现电流的完全转移，因而快速开关需要具备灭弧能力，使得快速开关整体质量增加，动作速度变慢，而且产生的电弧将会造成对快速开关触头的腐蚀。常见的超高压直流断路器分断能力有限，且对于灭弧介质的依赖性较强，触头伤害较大，采用单一的触头分压较大，容易导致电弧重燃与触头熔焊。

发明内容

基于上述问题，本发明提供一种多断口混合直流断路器，其包括主开关回路、振荡回路、能量吸收回路组成，其中主开关回路由3个快速开关以及三个与快速开关并联的均压回路构成，振荡回路由晶闸管阀T1-T4、变压器以及电容电感构成，吸收回路由ZnO避雷器构成，三个回路并联构成了多断口混合直流断路器。

本发明的主开关回路中的均压回路包括相互串联的阻尼电容Cs和阻尼电阻Rs，采用三个单相断路器的断口串联构成三断口串联结构，具有开断电压高，开断电流大、开断时间短等效果，完全可以满足超、特高压直流输电工程的需要，RC均压回路，用于改善各断路器的断口间的均压，以防止单个断路器由于分断时差而导致的分断电压不一致，从而导致的触头熔焊与熄弧重燃的情况。

本发明采用的振荡回路采用的变压器式结构，可以防止振荡回路直接接入主开关回路中产生的电压或电流冲击，同时可以进行变比控制，以控制电容器输出的电流能够更好的使分断电流达到过零点，以便更快速的进行过零灭弧，采用电源给电容预充电可以在故障初期施加反向电流，相比于由LC振荡回路进行振荡以产生过零点可以使电路更快且更容易达到过零点，晶闸管阀T1-T4可以在电容充电时将电容与主电路进行隔离，在电容接入电路进行反向过零电流注入时，可以快速的导通进行电流的注入，同时，采用四个晶闸管阀可以能够双向、快速、无弧分断直流系统中出现的短路电流。采用常用的ZnO避雷器来吸收电路中残余的能量。

在正常工作时，快速开关K闭合，电流经主支路流过。快速开关用来耐受电流分断后产生的暂态过电压，采用3个快速开关串联加快了开关的动作速度以及增强了断路器耐受过电压的能力。正常工作期间，隔离辅助电源对电容C进行预充电至所设定电压U，并维持。发生接地短路故障时，短路电流上升，达到断路器预设定动作电流I时，断路器动作，均压回路维持各断路器的断口电压平衡。首先，将电容C与辅助电源隔离。随后据短路电流方向的来选择触发晶闸管阀组合T1、T3或者T2、T4，电容C经过L向主支路中注入反向电流，主支路电流开始向转移支路转移。当主回路的能量积累到一定程度时，吸收回路的Zn0避雷器吸收主回路的能量，从而完成分断。

采用本发明的多断口混合直流断路器能够双向、快速、无弧分断直流系统中出现的短路电流；通态损耗低、成本低、使用寿命长；分断能力强，分断时间短，实现技术难度低，改善各断路器的断口间的均压，以防止单个断路器由于分断时差而导致的分断电压不一致，利用有源式的电流注入，使电路更快且更容易达到过零点。

附图说明

图1是现有技术中的无源式的直流断路器

图2是现有技术中的有源式直流断路器

图3是现有技术中的混合式直流断路器

图4是本发明提供的多断口混合直流断路器。

具体实施方式

如图4所示，本发明提供一种多断口混合直流断路器，其包括主开关回路、振荡回路、能量吸收回路组成，其中主开关回路由3个快速开关K以及三个与快速开关并联的RC均压回路构成，振荡回路由晶闸管阀T1-T4、变压器T以及电容C电感L构成，吸收回路由ZnO避雷器MOV构成，三个回路并联构成了多断口混合直流断路器。

主开关回路中的3个快速开关K依次串联构成，3个RC均压回路依次并联连接在各快速开关的两端，3个快速开关通过直流母线进行连接，振荡回路的变压器结构主绕组并联连接在主开关回路的两端，副边绕组的两端分别连接晶闸管阀T3和T4的阴极、T1和T2的阳极，T3和T4的阳极与T1和T2的阴极通过电感L与电容C相连，其中，电容C两端还并联连接有隔离充电电源，晶闸管阀T1-T4在电容充电时将电容与主开关回路进行隔离，主开关回路的两端还并联连接有ZnO避雷器。

在正常工作时，快速开关K闭合，电流经主支路流过。快速开关用来耐受电流分断后产生的暂态过电压，采用3个快速开关串联加快了开关的动作速度以及增强了断路器耐受过电压的能力。正常工作期间，隔离辅助电源对电容C进行预充电至所设定电压U，并维持。发生接地短路故障时，短路电流上升，达到断路器预设定动作电流I时，断路器动作，均压回路维持各断路器的断口电压平衡。首先，将电容C与辅助电源隔离。随后据短路电流方向的来选择触发晶闸管阀组合T1、T3或者T2、T4，电容C经过L向主支路中注入反向电流，主支路电流开始向转移支路转移。当主回路的能量积累到一定程度时，吸收回路的Zn0避雷器吸收主回路的能量，从而完成分断。

本发明采用上述结构，具有开断电压高，开断电流大、开断时间短等效果，完全可以满足超、特高压直流输电工程的需要，RC均压回路，用于改善各断路器的断口间的均压，以防止单个断路器由于分断时差而导致的分断电压不一致，从而导致的触头熔焊与熄弧重燃的情况。可以防止振荡回路直接接入主开关回路中产生的电压或电流冲击，同时可以进行变比控制，以控制电容器输出的电流能够更好的使分断电流达到过零点，以便更快速的进行过零灭弧，采用电源给电容预充电可以在故障初期施加反向电流，相比于由LC振荡回路进行振荡以产生过零点可以使电路更快且更容易达到过零点。

Claims (2)

1.一种多断口混合直流断路器，其特征在于，包括主开关回路、振荡回路、能量吸收回路，其中主开关回路由三个快速开关K以及三个与快速开关并联的RC均压回路构成，振荡回路由晶闸管阀T1-T4、变压器T以及电容C电感L构成，吸收回路由ZnO避雷器MOV构成，三个回路并联构成了多断口混合直流断路器。

2.如权利要求1所述的多断口混合直流断路器，其特征在于，主开关回路中的三个快速开关K依次串联构成，三个RC均压回路依次并联连接在各快速开关的两端，三个快速开关通过直流母线进行连接，振荡回路的变压器结构主绕组并联连接在主开关回路的两端，副边绕组的两端分别连接晶闸管阀T3和T4的阴极、T1和T2的阳极，T3和T4的阳极与T1和T2的阴极通过电感L与电容C相连，其中，电容C两端还并联连接有隔离充电电源，晶闸管阀T1-T4在电容充电时将电容与主开关回路进行隔离，主开关回路的两端还并联连接有ZnO避雷器，在正常工作时，快速开关K闭合，电流经主支路流过，快速开关用来耐受电流分断后产生的暂态过电压，正常工作期间，隔离辅助电源对电容C进行预充电至所设定电压U，并维持，发生接地短路故障时，短路电流上升，达到断路器预设定动作电流I时，断路器动作，均压回路维持各断路器的断口电压平衡，首先将电容C与辅助电源隔离，随后据短路电流方向的来选择触发晶闸管阀组合T1、T3或者T2、T4，电容C经过L向主支路中注入反向电流，主支路电流开始向转移支路转移，当主回路的能量积累到一定程度时，吸收回路的Zn0避雷器吸收主回路的能量，从而完成分断。