CN104242652B - 基于模块串联的高压直流真空断路器自具电源拓扑 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于模块串联的高压直流真空断路器自具电源拓扑，属于电力高压开关领域，断路器由若干直流真空断路器模块串联组成，每个模块包括两路联动真空开关和由转移电容器与回路电感器组成的转移回路，以及配合使用的充电回路。充电回路包括每个模块上附加的限流电阻器RC、充电IGBT开关、充电总线IGBT开关和整体电源分压电容器C0、控制器K。每个模块涉及的主要元件为主回路开关CB1，转移回路投入开关CB2，转移电容器C与电感器L，由自具电源控制器K对各模块实施分步自具充电，可实现其电参数的最佳配合，解决了串联模块各转移电容器充电电路成本高、可靠性差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电力高压开关领域，更具体地说，涉及一种基于模块串联的高压直流真空断路器自具电源拓扑结构。
背景技术
在高压直流(HVDC)输电工程中，直流断路器是保证系统安全运行的重要设备之一，它具有关合和开断电路、改变系统的连接方式和拓扑结构以及分断故障电流的功能，承担着控制和保护的双重任务。而到目前为止，对于高压直流系统，基于电流转移原理的直流真空断路器是最可行的方案之一，即利用预充电电容器向主回路真空开关提供反向放电，构造电流零点为断口熄弧创造条件。直流真空断路器向高电压等级发展必须依靠模块串联来解决，其技术瓶颈是串联模块中的转移电容器充电代价极高，原模块的转移电容器独立充电系统，有结构复杂，成本高，可靠性差等缺陷，限制了这种断路器向高电压等级发展。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于模块串联的高压直流真空断路器自具电源拓扑，用于断路器运行中为各串联模块中的电容器补充能量，使之保持一定的电压值，以便断路器分断操作时为主开关提供反向电流，从而解决现有技术的瓶颈。
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于模块串联的高压直流真空断路器自具电源拓扑，由n个直流真空断路器模块串联组成，每一所述模块包括一个模块本体和一个充电回路。所述模块本体由依次串联成回路的主回路开关CB1、转移回路投入开关CB2、转移电容器C与转移电感器L组成；所述转移电容器C、转移电感器L串联连接构成L/C串联支路。所述充电回路包括一个限流电阻Rc、一个充电IGBT开关In1、一个充电总线IGBT开关In2，n对应取值1、2、3……至模块数；其中，每一模块的所述充电IGBT开关In1与所述限流电阻Rc串联后，一端接于所述模块本体中所述转移回路投入开关CB2与所述L/C串联支路交汇的节点上，另一端接于与所述充电IGBT开关In1对应的所述充电总线IGBT开关In2的充电节点。控制器K分别连接各个所述充电IGBT开关In1和充电总线IGBT开关In2，用于启闭控制。系统供电电源依次由各个所述模块的主回路开关CB1串联，用于负载Rload供电控制。各个模块所述充电总线IGBT开关In2依次串联组成充电总线，其中，第一个模块的充电总线IGBT开关I12充电节点和系统地之间连接了断路器分压电容器C0，用于保持充电总线的电位。
上述电源拓扑结构的动作顺序是：在待机状态，各主回路开关CB1处于断开状态、各转移回路投入开关CB2处于闭合状态，各模块所述充电IGBT开关In1和充电总线开关In2处于关断状态，转移电容器C处于充电完毕状态。当断路器接到关合指令时，各模块所述主回路开关CB1闭合、所述转移回路投入开关CB2断开；第一个模块的充电IGBT开关I11接通，所述分压电容器C0补充到额定电压，补充第一个模块中的转移电容器C，使之电压波动小于等于设定值；关断第一个模块的充电IGBT开关I11。之后，接通所述充电总线的所有充电总线IGBT开关In2，按一定频率依次接通各模块的所述充电IGBT开关I21，I31，…In1，依次补充各模块中的所述转移电容器C，使之电压波动小于等于设定值之后，关闭相应的所述充电IGBT开关，直至关闭第n个模块的所述充电IGBT开关In1。循环上述各个模块中所述转移电容器C的充电过程。
优选方式下，所述转移电容器C为100μF到300μF，所述分压电容器C0的容量为所述转移电容器C的n分之一，范围在10μF到50μF，n为串联模块数，取值为3～30。所述转移电感器L为0.1mH到300mH，充电电阻为30kΩ到300kΩ；直流真空断路器模块的工作电压在3kV到30kV。充电IGBT开关、充电总线IGBT开关参数为：10kV到30kV，可由额定电压为3.3kV的IGBT阀片串联。
本发明基于模块串联的高压直流真空断路器自具电源拓扑，属于电力高压开关领域，由每个模块上附加的一个电阻器RC、二个IGBT开关In1、In2和整体一个电容器C0、一个控制器K组成。每个模块涉及元件为主回路开关CB1，转移回路投入开关CB2，转移电容器C与电感器L。由控制器K对各模块实施分步自具充电，可实现其电参数的最佳配合，解决了串联模块各转移电容器充电电路成本高、可靠性差的问题。
本发明的有益效果是解决了串联高压直流真空断路器模块各转移电容器充电电路成本高、可靠性差的问题，实现了转移电容器的自具充电，各模块分步充电，实现其电参数的最佳配合。该技术涉及的串联高压直流断路器模块的自具电源拓扑，结构简单、运行可靠、成本低，且有益于实现高压直流真空开关智能化控制。
附图说明
图1为本发明的基于模块串联的高压直流真空断路器自具电源的电路框图。
图2为本发明拓扑在断路器关合状态下的等效电路图。
图3为本发明拓扑在断路器分断状态下的等效电路图。
图中，CB1，CB2，为每个模块中的两路联动真空开关，第一联动开关CB1为主回路开关，是常闭开关；第二联动开关CB2为转移回路投入开关；转移电容器C和转移电感器L组成转移回路，Rc为限流电阻器；C0为断路器分压电容器，In1为模块充电IGBT开关，In2为充电总线开关，K为系统控制器，Rload为负载等效电阻。
具体实施方式
本发明的模块串联的高压直流真空断路器自具电源拓扑结构，断路器由若干直流真空断路器模块串联组成，每个模块有两路联动真空开关，转移电容器与回路电感器组成的转移回路以及由限流电阻器、充电IGBT开关、充电总线IGBT开关组成的充电回路；每个模块还附加了一个电阻器Rc，以及整个电源拓扑结构设置的一个电容器C0、一个控制器K组成。每个模块本体涉及的主要元件为主回路开关CB1，转移回路投入开关CB2，转移电容器C与电感器L。由控制器K对模块实施分步充电，并完成各模块及IGBT的通讯与控制，从而使各模块中的电参数达到最佳配合，经系统分压电容器和模块分步充电控制器完成串联模块的自具电源功能。具体说，连接到转移回路上的模块充电开关(IGBT)In1与充电电阻RC串联后接于由开关In2组成的充电总线相应节点上，由控制器给各IGBT指令完成各模块依次分步充电，并完成到各模块及IGBT的通讯与控制。
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步阐述。
如图1所示，断路器由n个直流真空断路器模块串联组成，每一所述模块包括一个模块本体和一个充电回路。所述模块本体由依次串联成回路的主回路开关CB1、转移回路投入开关CB2、转移电容器C与转移电感器L组成。所述充电回路包括一个限流电阻Rc、一个充电IGBT开关In1、一个充电总线IGBT开关In2，n对应取值1、2、3……至模块数；其中，每一模块的所述充电IGBT开关In1与所述限流电阻Rc串联后，一端接于所述模块本体中所述转移回路投入开关CB2和C\L的节点上，另一端接于与所述充电IGBT开关In1对应的所述充电总线IGBT开关In2的充电节点。控制器K分别连接各个所述充电IGBT开关In1和充电总线IGBT开关In2，用于启闭控制。系统供电电源依次由各个所述模块的主回路开关CB1串联，用于负载Rload供电控制。各个模块所述充电总线IGBT开关In2依次串联组成充电总线，其中，第一个模块的充电总线IGBT开关I12充电节点和系统地之间连接了断路器分压电容器C0，用于保持充电总线的电位。
转移电感器L、转移电容器C、转移回路投入开关CB2依次串联后与主回路开关CB1并联，形成基本直流开断模块；模块充电开关(IGBT)In1与充电电阻Rc串联后，一端接于转移开关CB2和转移回路C\L的节点上，另一端接于由开关In2组成的充电总线相应节点上。其等效电路，如图2和图3所示。
本发明断路器的具体动作机理是：在断路器待机状态(分断状态)，CB2闭合，所有充电开关In1和充电总线开关In2处于关断状态，C处于充电完毕状态。当断路器接到关合指令时，各模块的CB1合、CB2分，I11接通，C0补充到额定电压，补充模块1的C中电荷，使之电压波动不大于设定值；关断I11,接通充电总线各开关I12，I22,I32,…In2；按一定频率依次接通I21,保证模块2的C上的电压波动不大于设定值，关闭I21；接通I31，补充模块3的C中电荷后关闭I31,…直到关闭In1；进入下一个各模块的C中电荷补充循环。
当断路器接到分断指令时，关断所有IGBT，同时分各模块的CB1，延时1ms闭合CB2，再经主回路开关CB1燃弧时间、电流过零后完成断路器分断过程，回到待机状态。控制器K由工控机实现并由光纤完成到各模块及IGBT的通讯与控制。由于模块实施分步充电，即简化了断路器分压电容器系统，还能使各模块中的电参数达到最佳配合。
本发明的实施例是基于模块串联的高压直流真空断路器自具电源的实现，图1所用系统参数为：系统直流额定电压110kV，由8个额定电压15kV直流真空开关模块串联实现，额定故障分断电流10kA，转移电容器C为140μF/20kV,电感器L为0.14mH/20kV，充电电阻RC为30kΩ/50W，充电电容器C0:150kV/21μF；各IGBT参数为：20kV(3.3kVX6串)/100A。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于模块串联的高压直流真空断路器自具电源拓扑，其特征在于，由n个直流真空断路器模块串联组成，每一所述模块包括一个模块本体和一个充电回路；
所述模块本体由依次串联成回路的主回路开关CB1、转移回路投入开关CB2、转移电容器C与转移电感器L组成；所述转移电容器C、转移电感器L串联连接构成L/C串联支路；
所述充电回路包括一个限流电阻Rc、一个充电IGBT开关In1、一个充电总线IGBT开关In2，n对应取值1、2、3……至模块数；其中，每一模块的所述充电IGBT开关In1与所述限流电阻Rc串联后，一端接于所述模块本体中所述转移回路投入开关CB2与所述L/C串联支路交汇的节点上，另一端接于与所述充电IGBT开关In1对应的所述充电总线IGBT开关In2的充电节点；
控制器K分别连接各个所述充电IGBT开关In1和充电总线IGBT开关In2，用于启闭控制；
系统供电电源依次由各个所述模块的主回路开关CB1串联，用于负载Rload供电控制；
各个模块所述充电总线IGBT开关In2依次串联组成充电总线，其中，第一个模块的充电总线IGBT开关I12充电节点和系统地之间连接了断路器分压电容器C0，用于保持充电总线的电位。
2.根据权利要求1所述基于模块串联的高压直流真空断路器自具电源拓扑，其特征在于，电源拓扑结构的动作顺序是：
在待机状态，各主回路开关CB1处于断开状态、各转移回路投入开关CB2处于闭合状态，各模块所述充电IGBT开关In1和充电总线开关In2处于关断状态，转移电容器C处于充电完毕状态；
当断路器接到关合指令时，各模块所述主回路开关CB1闭合、所述转移回路投入开关CB2断开；第一个模块的充电IGBT开关I11接通，所述分压电容器C0补充到额定电压，补充第一个模块中的转移电容器C，使之电压波动小于等于设定值；关断第一个模块的充电IGBT开关I11；
之后，接通所述充电总线的所有充电总线IGBT开关In2，按一定频率依次接通各模块的所述充电IGBT开关I21，I31，…In1，依次补充各模块中的所述转移电容器C，使之电压波动小于等于设定值之后，关闭相应的所述充电IGBT开关，直至关闭第n个模块的所述充电IGBT开关In1；
循环上述各个模块中所述转移电容器C的充电过程。
3.根据权利要求1或2所述基于模块串联的高压直流真空断路器自具电源拓扑，其特征在于，所述转移电容器C为100μF到300μF，所述分压电容器C0的容量为所述转移电容器C的n分之一，范围在10μF到50μF，n为串联模块数，取值为3～30；
所述转移电感器L为0.1mH到300mH，充电电阻为30kΩ到300kΩ；直流真空断路器模块的工作电压在3kV到30kV；
充电IGBT开关、充电总线IGBT开关参数为：10kV到30kV，可由额定电压为3.3kV的IGBT阀片串联。
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