CN104242265B - 一种直流配电网全固态直流断路器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流配电网新型全固态直流断路器，其特征在于，直流断路器由辅助断路器回路、主断路器回路和能量吸收回路三者并联组成。其中，辅助断路器回路包括串联的晶闸管开关单元和模块化全控器件开关单元；主断路器回路包括多个压装全控器件开关单元、避雷器和熔断器，采用二极管桥式结构实现双向通流；能量吸收回路包括至少一个避雷器。本发明构成的全固态直流断路器拓扑结构新颖，功能全面，正常运行时通态损耗较低，可迅速检测电流状态并有效识别故障，故障时可实现开断双向电流，关断电流等级高，故障清除速度快，关断过程中的过电压和能量吸收效果好，有效限制故障电流上升率，对主断路器回路串联阀组和辅助断路器回路全控器件进行可靠保护。

Description

一种直流配电网全固态直流断路器

技术领域

本发明涉及一种直流配电网全固态直流断路器，属于电力电子技术领域，应用于10kV上下电压等级的直流配电网。

背景技术

随着多端直流输配电技术、直流微网和智能电网技术的发展，直流断路器作为在规定时间内承载、开断直流运行支路正常电流以及各种故障电流的开关设备，是提高直流配电系统稳定性、可靠性与灵活性的重要手段，是直流输、配电网运行、控制和保护的基础，成为系统安全运行和保护的关键设备，对防止故障范围扩大有着重大意义。直流电流没有过零点带来的灭弧问题、关断过程产生的过电压问题和能量吸收问题给研制高压大容量直流断路器带来巨大困难，直流断路器成为制约直流电网研究与应用的技术瓶颈之一。

传统的机械式直流断路器，动作时间达几十毫秒，不能满足直流系统快速清理故障的要求，且由于灭弧问题造成机械开关磨损，大大降低使用寿命；普通的全固态直流断路器动作速度快，但通态损耗较高；机械开关和固态开关构成的混合型直流断路器可靠性高，但对高速机械开关的制造提出了更高的要求；由振荡电路产生电流过零点的直流断路器，动作时间和关断电流等级较低，不能满足可靠、迅速清理故障的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种通态损耗低、关断速度快、串联电力电子器件一致性和均压效果好、关断过电压和能量可靠吸收的新型全固态直流断路器。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

直流配电网全固态直流断路器，所述直流断路器包括辅助断路器支路、主断路器支路和能量吸收支路，三者为并联结构，其创新之处在于：

所述辅助断路器支路包括晶闸管开关单元和模块化全控器件开关单元，两者为串联结构。

其中，所述晶闸管开关单元由多组晶闸管单元串联构成，每组晶闸管单元中有两支晶闸管反并联，采用热管自冷散热方式。

其中，所述的模块化全控器件开关单元包括两支模块全控型器件反向串联构成，采用热管自冷散热方式。

所述主断路器支路包括串联压装全控器件开关单元、di/dt抑制和阀组保护单元。

其中，所述的全控器件串联开关单元采用压装结构，串联个数为N+1个，其中一个为冗余模块；由四支二极管构成桥式结构实现双向通流。

其中，所述的di/dt抑制和阀组保护单元由避雷器和熔断器串联构成，避雷器与熔断器各自的并联个数由开断能量决定。

所述能量吸收支路，采用的避雷器为无串联间隙的金属氧化物避雷器，由至少一个避雷器串联构成，串联个数由系统参数和保护电压等级决定。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1)本发明提供的全固态直流断路器电路拓扑，由辅助断路器支路承担正常工作电流，串联器件个数少，通态损耗低；采用热管散热方式，长期通流散热性能好。

2)本发明提供的全固态直流断路器电路拓扑，由晶闸管开关单元承担关断耐压，可靠保护模块化全控器件开关单元，显著提高关断速度。

3)本发明提供的全固态直流断路器电路拓扑，辅助断路器和主断路器支路均由电力电子器件构成，显著提高开断速度。

4)本发明提供的全固态直流断路器电路拓扑，主断路器支路压装全控器件串联开关单元采用可靠驱动电路和吸收电路，器件动作一致性高，动态均压效果好。

5)本发明提供的全固态直流断路器电路拓扑，主断路器支路压装全控器件串联开关单元采用N+1个冗余结构，可靠性高。

5)本发明提供的全固态直流断路器电路拓扑，主断路器支路采用避雷器，在故障发生时可降低故障电流上升率，有效应对近端及远端故障。

6)本发明提供的全固态直流断路器电路拓扑，主断路器支路采用熔断器，在最严重故障情况下确保串联阀组不受损坏。

附图说明

图1是本发明提供的直流断路器拓扑结构示意图；

图2是本发明提供的直流断路器电路原理图；

图3是本发明提供的直流断路器辅助支路电路原理图；

图4是本发明提供的直流断路器主支路阀串电路原理图；

图5是本发明提供的直流断路器主支路阀串吸收电路原理图；

图6是本发明提供的直流断路器主支路di/dt抑制和阀组保护电路原理图；

图7是本发明提供的直流断路器关断时序图；

图8是本发明提供的直流断路器控制保护系统示意图；

图中，1-晶闸管2-模块化全控器件3-阀串二极管4-压装全控器件5-主支路避雷器6-主支路熔断器7-能量吸收支路避雷器8-吸收电路二极管9-吸收电路电阻10-吸收电路电容11-直流线路电流检测12-辅助支路电流检测13-主支路电流检测14-能量吸收支路电流检测15-主支路阀串信号16-辅助支路晶闸管开关单元信号17-辅助支路全控器件开关单元信号18-系统控制器信号19-断路器控制器反馈信号20-系统其他检测信号

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术内容作进一步详细说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

见图1、图2，直流配电网全固态直流断路器，由辅助断路器支路、主断路器支路和能量吸收支路并联构成。其中，辅助断路器支路在正常运行时流过额定负载电流，包括串联的晶闸管开关单元和模块化全控器件开关单元，且能实现双向通流；主断路器支路在故障时关断故障电流，包括串联压装全控器件开关单元、di/dt抑制和阀组保护单元，采用二极管桥式结构实现双向切断电流；能量吸收支路吸收关断过程中产生的能量，并将关断过电压限制在合理的水平，由多个避雷器串联构成。

见图3，直流断路器辅助支路，晶闸管开关单元由多组晶闸管单元串联构成，每组晶闸管单元中有两支晶闸管1反并联；模块化全控器件开关单元包括两支模块全控器件2反向串联构成。均采用热管自冷散热方式。

见图4，直流断路器主支路阀串，包括串联压装全控器件开关单元和用于双向通流的二极管，阀串串联个数为N+1个，包含1个冗余模块；由四支二极管构成桥式结构实现双向通流。

见图5，本实施例提出的电力电子器件吸收电路为RCD电路，所含电阻、电容和二极管依据系统运行参数和均压要求选择，可有效实现串联均压。

见图6，直流断路器主支路di/dt抑制和阀组保护单元，由避雷器5和熔断器6串联构成。本实施例提出的di/dt抑制单元，在故障发生时，闭合主断路器支路，避雷器在辅助断路器支路断开后产生的过压下动作，将电压限制在残压水平，此时故障支路电感上的电压下降，短路电流上升率随之降低。本实施例提出的di/dt抑制策略可有效应对近端及远端故障，最小化支路中的限流电抗器，减小长期运行成本；本实施例提出的阀组保护单元，熔断器在最严重故障情况下最先熔断，确保串联阀组不受损坏，其设计耐受能量阈值应低于被保护阀组。避雷器和熔断器的并联个数由关断能量决定。

见图7，本实施例提出的全固态直流断路器在发生故障时开断步骤为：

(1)0-t₁阶段，系统正常运行，辅助断路器支路流过额定电流I_N；

(2)t₁时刻发生短路故障，故障电流迅速上升。t₂时刻，当检测电路检测到故障电流超过限值I_lim时，主支路全控器件开关单元触发导通，辅助支路全控器件开关单元关断，故障电流迅速向主断路器支路转移；

(3)t₃时刻，晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，可靠关断；

(4)t₄时刻，当检测电路检测到故障电流超过限值I_break时，串联压装全控器件开关单元关断，故障电流迅速向能量吸收支路转移；

(5)t₄-t₆阶段，故障电流在能力吸收支路中迅速衰减为零，完成关断；

其中，电力电子开关器件关断延时为微秒级，未在图中标出；从故障发生到完全关断，将故障清除总时间限制在5ms之内；图中t₅表示最迟关断时刻，该时刻对应的电流I_Bmax表示直流断路器最大关断电流，表征直流断路器开断能力。

本实施例提出的全固态直流断路器恢复正常运行时的闭合步骤为：

(1)主支路全控器件开关单元触发导通；

(2)辅助支路全控器件开关单元触发导通；

(3)晶闸管单元触发导通；

(4)主支路全控器件开关单元关断。

见图8，本实施例提出的全固态直流断路器采用分层分级控制保护方案。11-14为各支路电流信号检测装置。控制保护策略如下：

当11检测到线路电流超过第一个电流限值时，直流断路器控制器产生并发送主支路全控器件开关单元导通信号15和辅助支路全控器件开关单元关断信号17；当12检测到辅助支路电流已完全换流，且13检测到故障电流超过第二个电流限值时，由系统控制器发出关断电流指令信号18，直流断路器控制器产生并发送主支路全控器件开关单元关断信号15；当14检测到能量吸收支路电流降为零时，由系统控制器发出直流线路隔离开关信号，将故障线路完全隔离。

为可靠检测故障电流状态，控制保护策略采用过流速断保护、电流上升率保护和电流增量保护。若故障电流是暂时的或者缓慢发展的，当11检测到线路电流下降到第一个电流限值以下时，由断路器控制器向系统控制器发送反馈信号19，系统控制器暂不发出关断电流指令18，直到11检测到的故障电流满足保护动作条件。

本领域技术人员应当明了，以上所示仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

以上对本发明所提供的直流断路器，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.直流配电网全固态直流断路器，由辅助断路器支路、主断路器支路和能量吸收支路三者并联组成；所述的辅助断路器支路包括串联的晶闸管开关单元和模块化全控器件开关单元；主断路器支路采用二极管桥式结构实现双向通流；能量吸收支路包括至少一个避雷器，

所述的辅助断路器支路中，晶闸管开关单元由多组晶闸管单元串联构成，每组晶闸管单元中有两支晶闸管反并联，采用热管自冷散热方式；模块化全控器件开关单元包括两支模块全控型器件反向串联构成，采用热管自冷散热方式；

每个模块化全控器件开关单元均设有实现串联均压的吸收电路，所述的吸收电路为RCD电路，有电阻、电容和二极管构成，依据系统运行参数和均压要求选择；

所述的主断路器支路中，串联连接的全控器件开关单元采用压装结构，串联个数为N+1个，其中一个为冗余模块；由四支二极管构成桥式结构实现双向通流；

所述的能量吸收支路包括至少一个避雷器，避雷器串联个数由系统参数和保护电压等级决定；

其特征在于，所述的主断路器支路包括串联连接的压装全控器件开关单元、di/dt抑制和阀组保护单元；

所述的di/dt抑制和阀组保护单元由避雷器和熔断器串联构成，避雷器与熔断器各自的并联个数由开断能量决定；

所述的di/dt抑制单元，在故障发生时，闭合主断路器支路，避雷器在辅助断路器支路断开后产生的过压下动作，将电压限制在残压水平，此时故障支路电感上的电压下降，短路电流上升率随之降低，所述的di/dt抑制策略有效应对近端及远端故障，最小化支路中的限流电抗器，减小长期运行成本；

所述的阀组保护单元，熔断器在最严重故障情况下最先熔断，确保串联阀组不受损坏，其设计耐受能量阈值低于被保护阀组，避雷器和熔断器的并联个数由关断能量决定。

2.根据权利要求1所述的直流配电网全固态直流断路器，其特征在于，所述全固态直流断路器在发生故障时开断步骤为：

(1)0-t₁阶段，系统正常运行，辅助断路器支路流过额定电流I_N；

(2)t₁时刻发生短路故障，故障电流迅速上升；t₂时刻，当检测电路检测到故障电流超过限值I_lim时，主回路全控器件开关单元触发导通，辅助回路全控器件开关单元关断，故障电流迅速向主断路器回路转移；

(3)t₃时刻，晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，可靠关断；

(4)t₄时刻，当检测电路检测到故障电流超过限值I_break时，串联压装全控器件开关单元关断，故障电流迅速向能量吸收回路转移；

(5)t₄-t₆阶段，故障电流在能力吸收回路中迅速衰减为零，完成关断；

全固态直流断路器恢复正常运行时的闭合步骤为：

(1)主回路全控器件开关单元触发导通；

(2)辅助回路全控器件开关单元触发导通；

(3)晶闸管单元触发导通；

(4)主回路全控器件开关单元关断。

3.权利要求1所述的直流配电网全固态直流断路器的控制方法，其特征在于，所述的全固态直流断路器采用分层分级控制保护方案，具体控制保护策略如下：

当检测到线路电流超过第一个电流限值时，直流断路器控制器产生并发送主回路全控器件开关单元导通信号和辅助回路全控器件开关单元关断信号；当检测到辅助回路电流已完全换流，且检测到故障电流超过第二个电流限值时，由系统控制器发出关断电流指令信号，直流断路器控制器产生并发送主回路全控器件开关单元关断信号；当检测到能量吸收回路电流降为零时，由系统控制器发出直流线路隔离开关信号，将故障线路完全隔离；

为可靠检测故障电流状态，控制保护策略采用过流速断保护、电流上升率保护和电流增量保护；若故障电流是暂时的或者缓慢发展的，当检测到线路电流下降到第一个电流限值以下时，由断路器控制器向系统控制器发送反馈信号，系统控制器暂不发出关断电流指令，直到检测到的故障电流满足保护动作条件。