CN104638605B - 一种电容缓冲式混合高压直流断路器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容缓冲式混合高压直流断路器及其控制方法，该断路器包括机械开关单元、电流转换单元、电容缓冲单元和机械开关供能单元。机械开关单元由至少一个机械开关子单元串联构成，机械开关子单元由机械开关、均压模块和吸能限压模块并联构成；电流转换单元由电力电子开关模块和限压模块并联构成，电力电子开关模块包括至少一个电力电子器件；电容缓冲单元由电容器组构成，为故障电流提供换流缓冲支路；机械开关供能单元为机械开关提供电能，保证其动作的快速性和协同性。本发明提供的电容缓冲式混合高压直流断路器及其控制方法，结构简单，控制方便；速度快，可靠性高；通流耐压水平高；体积小，造价低。

Description

一种电容缓冲式混合高压直流断路器及其控制方法

技术领域

本发明属于高压直流断路器领域，更具体地，涉及一种电容缓冲式混合高压直流断路器及其控制方法。

背景技术

直流输电方式是历史上出现最早的输电方式，但由于未能解决电压变化等关键技术，所以很快被交流输电技术所取代。但近年来随着电力系统的发展和特殊输电技术的需要以及大功率电力电子技术的进步，高压直流输电以其独特的优势又得到了重视和应用发展。与交流输电相比，高压直流输电具有线路费用经济、两端系统无需稳定运行、功率调节简单易行等优点，特别适合于超高压、大容量、远距离输电。

目前，世界上投入运行的HVDC工程有90多个，总容量超过70000MW。但世界上运行的高压直流输电系统均为无分支的双端网络，原因在于没有可供使用的高压直流断路器。这一缺陷不仅限制了高压直流输电优越性的发挥，也制约着多端直流电网的建立和发展。

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较高的耐压要求。

目前直流断路器主要分为三种类型：机械式直流断路器、全固态式直流断路器、结合机械开关和固态开关的混合式直流断路器。但是适用于高压领域的直流断路器目前只有两种方案：第一，利用常规交流机械断路器电流过零熄弧的特点，通过预充电电容与电感产生的反向高频振荡电流与机械开关中直流故障电流叠加以产生“人工电流零点”，从而熄灭电弧，开断电流。第二，近年提出的在主通路上串联机械开关和电力电子器件，另一条旁路由压接IGBT或者电容器和避雷器并联组成的采用无弧开断方式的混合式高压直流断路器。但是对于第一种方案，需要的组件多，控制复杂；对机械开关、振荡回路、充电电源等要求高。对于第二种方案，如采用压接IGBT和避雷器并联组成另一条旁路，则需要串并联的IGBT数量太多，开关动作一致性得不到保证，可靠性差，控制复杂，同时价格昂贵，体积庞大；如采用电容器和避雷器并联组成另一条旁路，利用无弧开断方式，则要求电容充电时间比较长，进而导致电容选择困难，满足要求的电容体积往往过于庞大。

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一种电容缓冲式混合高压直流断路器及其控制方法，在满足直流系统对高压直流断路器本身动作迅速、开断大电流和承受高电压的基础上，解决现有高压直流断路器控制复杂、可靠性差、体积庞大等问题。

本发明提供的一种电容缓冲式混合高压直流断路器，包括依次串联连接的机械开关单元和电流转换单元，与所述机械开关单元的供电端连接的机械开关供能单元，以及一端与所述机械开关单元的输入端连接且另一端与所述电流转换单元的输出端连接的电容缓冲单元；所述机械开关单元包括N个串联连接的机械开关子单元，每一个机械开关子单元包括依次并联连接的机械开关、均压模块和吸能限压模块；所述均压模块用于实现对N个串联连接的所述机械开关子单元间的均压；所述吸能限压模块用于吸收故障电流被切断后电力系统中感性元件存储的能量来实现对所述机械开关的限压保护；N为大于等于1的整数；所述电流转换单元包括并联连接的电力电子开关模块和限压模块；所述电力电子开关模块用于在外部故障电流控制信号的控制下分断，使得快速切断故障电流；所述限压模块用于当所述电力电子开关模块两端电压超过动作值时导通电流，实现对所述电力电子开关模块的限压保护；所述电容缓冲单元用于当所述电力电子开关模块分断后，为故障电流提供换流缓冲支路；所述机械开关供能单元用于给所述机械开关中的操动机构提供电源。

为保证高压直流断路器更好的模块化，本发明提供了第二种电容缓冲式混合高压直流断路器连接形式，包括混合开关单元，与所述混合开关单元的供电端连接的机械开关供能单元，以及一端与所述混合开关单元的输入端连接且另一端与所述混合开关单元的输出端连接的电容缓冲单元；所述混合开关单元包括N个串联连接的混合开关子单元，每一个混合开关子单元包括依次串联连接的机械开关和电力电子开关模块，与所述电力电子开关模块并联连接的限压模块，一端与所述机械开关输入端连接且另一端与所述电力电子开关模块的输出端连接的均压模块，以及与所述均压模块并联连接的吸能限压模块；所述均压模块用于实现对N个串联连接的所述混合开关子单元间的均压；所述吸能限压模块用于吸收故障电流被切断后电力系统中感性元件存储的能量来实现对所述机械开关和所述电力电子开关模块的限压保护；所述电力电子开关模块用于在外部故障电流控制信号的控制下分断，使得快速切断故障电流；所述限压模块用于当所述电力电子开关模块两端电压超过动作值时导通电流，实现对所述电力电子开关模块的限压保护；N为大于等于1的整数；所述电容缓冲单元用于当所述电力电子开关模块分断后，为故障电流提供换流缓冲支路；所述机械开关供能单元用于给所述机械开关中的操动机构提供电源。

其中，所述均压模块包括依次串联连接的电容C0和电阻R0。

为保证高压直流断路器更好的模块化，本发明提供了第三种电容缓冲式混合高压直流断路器连接形式，包括直流断路器单元，以及与所述直流断路器单元的供电端连接的机械开关供能单元；所述直流断路器单元包括N个串联连接的直流断路器子单元，每一个直流断路器子单元包括依次串联连接的机械开关和电力电子开关模块，与所述电力电子开关模块并联连接的限压模块，一端与所述机械开关输入端连接且另一端与所述电力电子开关模块的输出端连接的电容缓冲单元，以及与所述电容缓冲单元并联连接的吸能限压模块；所述电容缓冲单元用于当所述电力电子开关模块分断后，为故障电流提供换流缓冲支路，并实现对N个串联连接的所述直流断路器子单元间的均压；所述吸能限压模块用于吸收故障电流被切断后电力系统中感性元件存储的能量来实现对所述机械开关和所述电力电子开关模块的限压保护；所述电力电子开关模块用于在外部故障电流控制信号的控制下分断，使得快速切断故障电流；所述限压模块用于当所述电力电子开关模块两端电压超过动作值时导通电流，实现对所述电力电子开关模块的限压保护；N为大于等于1的整数；所述机械开关供能单元用于给所述机械开关中的操动机构提供电源。

其中，当发生故障时，所述机械开关先分断并发生燃弧，在机械开关触头分离到达一个可以承受电容电压的距离时，再分断所述电力电子开关模块。

其中，所述吸能限压模块由第一避雷器MOV1构成，所述限压模块由第二避雷器MOV2构成。

其中，所述电力电子开关模块包括至少一个电力电子器件，可以是IGBT、IGCT、GTO、GTR等全控器件，也可以是晶闸管等半控型器件与全控器件的组合，电力电子器件串并联数量由所述电力电子开关模块的耐压通流等级决定。

其中，所述电力电子开关模块中的电力电子器件可以是单向串并联构成，使得直流断路器只能单向电流运行，也可以是双向串并联构成，使得直流断路器能够在不同电流方向下运行，利用所述电力电子器件的电流开断能力将故障电流从所述机械开关转移到所述电容缓冲单元。

其中，电容缓冲单元用于当所述电力电子开关模块分断后，为故障电流提供换流缓冲支路，有效降低依次串联的所述机械开关和所述电力电子开关模块两端电压上升率，为所述机械开关提供充分的绝缘介质恢复时间。所述电容缓冲单元中的电容取值由所述机械开关的绝缘介质恢复时间决定，电容耐压峰值由故障电流给电容充电的最大电压值决定。

其中，所述机械开关供能单元包括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；所述原边绕组连接于由市电逆变的高频电能端，所述多个副边绕组分别与各个所述机械开关中的操动机构供电端连接，m为大于等于1的整数。

本发明提供的一种电容缓冲式混合高压直流断路器的控制方法，包括下述步骤：

①当系统正常运行时，控制所述机械开关和所述电力电子开关模块均处于关合位置，并流过线路正常电流；

②当系统出现短路故障时，控制所述机械开关分断，所述机械开关的触头开始分离，并发生燃弧；

③当所述机械开关的触头分离到达一个足以承受电容电压的开距时，控制所述电力电子开关模块分断，故障电流转移到所述电容缓冲单元；

④当所述机械开关的电压超过所述吸能限压模块的动作电压时，所述吸能限压模块中的避雷器导通，吸收系统能量。

其中，系统出现短路故障时的工作原理如下：

当检测到故障时，控制所述机械开关分断，经过一定延时，所述机械开关的触头开始分离，由于故障电流通路仍然存在，所述机械开关触头之间产生电弧。当所述机械开关触头分离到达一个足以承受电容电压的开距时，所述电力电子器件分断，故障电流开始转移到所述电容缓冲单元，电容开始充电。当故障电流完全转移之后，所述机械开关开始在已经达到的开距的基础上恢复绝缘强度，此绝缘恢复时间很短。在所述机械开关恢复绝缘期间，电容上电压缓慢上升，有效限制所述机械开关和所述电力电子开关模块两端的电压上升率和电压幅值，以保证不被击穿。在所述机械开关恢复绝缘之前，电容电压由所述电力电子开关模块承担；在所述机械开关恢复绝缘之后，电容电压基本都加在所述机械开关上。当所述机械开关电压超过所述吸能限压模块的动作电压时，所述吸能限压模块中的第一避雷器MOV1导通，吸收系统感性元件中存储的能量。

其中，控制所述机械开关的触头燃弧时间与所述电容缓冲单元的充电时间，使其和大于所述机械开关的触头分离并恢复绝缘强度到足以承受系统电压的时间，以保证缓冲电容电压达到系统电压及以上时，所述机械开关触头间隙具有足够耐压能力，从而不被击穿。

其中，燃弧开断方式相比于无弧开断方式可以降低所述电容缓冲单元中的电容储能要求，从而减小电容体积。燃弧开断方式是在一定的燃弧开距下开始转移故障电流给电容充电，所述机械开关触头分离时间等于燃弧时间与缓冲电容充电时间之和；无弧开断方式中的缓冲电容充电时间就是所述机械开关触头分离时间，为保证触头分离距离足够大就必须保证电容充电时间足够长。因此燃弧开断方式对所述缓冲电容取值要求低很多。

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。本发明提供的一种电容缓冲式混合高压直流断路器及其控制方法，在满足直流系统对高压直流断路器本身动作迅速、开断大电流和承受高电压的基础上，结合机械开关耐压高和电力电子器件断流能力强的优点，使得开断故障电流设备大大简化，解决了预充电型“人工电流零点”方案控制复杂的问题；换流支路采用缓冲电容代替大量串联的电力电子器件，器件单一且无需均压策略，解决了可靠性差的问题；采用燃弧开断控制技术大大降低对缓冲电容充电时间的要求，解决了电容体积大的问题。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的电容缓冲式混合高压直流断路器的原理框图；

图2为本发明第二实施例提供的电容缓冲式混合高压直流断路器的原理框图；

图3为本发明第三实施例提供的电容缓冲式混合高压直流断路器的原理框图；

图4为本发明实施例提供的电容缓冲式混合高压直流断路器中具有单向电流运行能力的电力电子开关模块的电路图；

图5为本发明实施例提供的电容缓冲式混合高压直流断路器中具有双向电流运行能力的电力电子开关模块的电路图；

图6为本发明实施例提供的电容缓冲式混合高压直流断路器中机械开关子单元的电路图；

图7为本发明实施例提供的电容缓冲式混合高压直流断路器中混合开关子单元电路图；

图8为本发明实施例提供的电容缓冲式混合高压直流断路器中直流断路器子单元电路图；

图9为本发明实施例提供的电容缓冲式混合高压直流断路器的第一具体电路图；

图10为本发明实施例提供的电容缓冲式混合高压直流断路器的第二具体电路图；

图11为本发明实施例提供的电容缓冲式混合高压直流断路器的第三具体电路图；

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。

如图1所示，本发明第一实施例提供的电容缓冲式混合高压直流断路器的原理框图，包括依次串联连接的机械开关单元110和电流转换单元120，与机械开关单元110的供电端连接的机械开关供能单元140，以及一端与机械开关单元110的输入端连接且另一端与电流转换单元120的输出端连接的电容缓冲单元130；机械开关单元110包括N个串联连接的机械开关子单元，每一个机械开关子单元包括依次并联连接的机械开关111、均压模块112和吸能限压模块113；均压模块112用于实现对N个串联连接的机械开关子单元间的均压；吸能限压模块113用于吸收故障电流被切断后电力系统中感性元件存储的能量来实现对机械开关111的限压保护；N为大于等于1的整数；电流转换单元120包括并联连接的电力电子开关模块121和限压模块122；电力电子开关模块121用于在外部故障电流控制信号的控制下分断，使得快速切断故障电流；限压模块122用于当电力电子开关模块121两端电压超过动作值时导通电流，实现对电力电子开关模块121的限压保护；电容缓冲单元130用于当电力电子开关模块121分断后，为故障电流提供换流缓冲支路；机械开关供能单元140用于给机械开关111中的操动机构提供电源。

如图2所示，本发明第二实施例提供的电容缓冲式混合高压直流断路器的原理框图，包括混合开关单元210，与混合开关单元210的供电端连接的机械开关供能单元240，以及一端与混合开关单元210的输入端连接且另一端与混合开关单元210的输出端连接的电容缓冲单元230；混合开关单元210包括N个串联连接的混合开关子单元，每一个混合开关子单元包括依次串联连接的机械开关211和电力电子开关模块214，与电力电子开关模块并联连接的限压模块215，一端与机械开关211的输入端连接且另一端与电力电子开关模块214的输出端连接的均压模块212，以及与均压模块212并联连接的吸能限压模块213；均压模块212用于实现对N个串联连接的混合开关子单元间的均压；吸能限压模块213用于吸收故障电流被切断后电力系统中感性元件存储的能量来实现对机械开关211和电力电子开关模块214的限压保护；电力电子开关模块214用于在外部故障电流控制信号的控制下分断，使得快速切断故障电流；限压模块215用于当电力电子开关模块214两端电压超过动作值时导通电流，实现对电力电子开关模块214的限压保护；N为大于等于1的整数；电容缓冲单元230用于当所述电力电子开关模块214分断后，为故障电流提供换流缓冲支路；机械开关供能单元240用于给机械开关211中的操动机构提供电源。

如图3所示，本发明第三实施例提供的电容缓冲式混合高压直流断路器的原理框图，包括直流断路器单元310，以及与直流断路器单元310的供电端连接的机械开关供能单元340；直流断路器单元310包括N个串联连接的直流断路器子单元，每一个直流断路器子单元包括依次串联连接的机械开关311和电力电子开关模块314，与电力电子开关模块314并联连接的限压模块315，一端与机械开关311输入端连接且另一端与电力电子开关模块314的输出端连接的电容缓冲单元312，以及与电容缓冲单元312并联连接的吸能限压模块313；电容缓冲单元312用于当电力电子开关模块314分断后，为故障电流提供换流缓冲支路，并实现对N个串联连接的直流断路器子单元间的均压；吸能限压模块313用于吸收故障电流被切断后电力系统中感性元件存储的能量来实现对机械开关311和电力电子开关模块314的限压保护；电力电子开关模块314用于在外部故障电流控制信号的控制下分断，使得快速切断故障电流；限压模块315用于当电力电子开关模块314两端电压超过动作值时导通电流，实现对电力电子开关模块314的限压保护；N为大于等于1的整数；机械开关供能单元340用于给机械开关311中的操动机构提供电源。

如图4所示，本发明实施例提供的电容缓冲式混合高压直流断路器中具有单向电流运行能力的电力电子开关模块由至少一个电力电子器件组成，可以是串并联的IGBT、IGCT、GTO、GTR等全控器件，也可以是晶闸管等半控型器件与全控器件的组合，电力电子器件串并联数量由所述电力电子开关模块的耐压通流等级决定。

如图5所示，本发明实施例提供的电容缓冲式混合高压直流断路器中具有双向电流运行能力的电力电子开关模块由至少正反方向各一个电力电子器件组成，可以是串并联的IGBT、IGCT、GTO、GTR等全控器件，也可以是晶闸管等半控型器件与全控器件的组合，电力电子器件串并联数量由所述电力电子开关模块的耐压通流等级决定。

如图6所示，本发明实施例提供的电容缓冲式混合高压直流断路器中机械开关子单元由一个机械开关K、一个避雷器MOV1和一条RC均压支路并联组成。避雷器MOV1为用于耗散能量的氧化锌压敏电阻，RC均压支路用于实现各个机械开关子单元间的均压，从而保证单个机械开关不会因承受过电压而发生击穿。

如图7所示，本发明实施例提供的电容缓冲式混合高压直流断路器中混合开关子单元包括机械开关K与电力电子器件IGBT依次串联组成的正常电流通路、电容C0和电阻R0依次串联组成的均压支路、氧化锌避雷器MOV1组成的吸能限压支路。

其中，电力电子器件IGBT由一个或多个带反并联二极管的IGBT模块串并联组成。IGBT两端并联氧化锌避雷器MOV2，用于当IGBT两端电压超过动作值时导通电流，实现对IGBT的限压保护。

如图8所示，本发明实施例提供的电容缓冲式混合高压直流断路器中直流断路器子单元包括机械开关K与电力电子器件IGBT依次串联组成的正常电流通路、电容器组C构成的电容缓冲单元、氧化锌避雷器MOV1组成的吸能限压支路。

其中，电力电子器件IGBT由一个或多个带反并联二极管的IGBT模块串并联组成。IGBT两端并联氧化锌避雷器MOV2，用于当IGBT两端电压超过动作值时导通电流，实现对IGBT的限压保护。

如图9所示，为本发明实施例提供的电容缓冲式混合高压直流断路器的第一具体电路图，N个机械开关子单元串联之后与电流转换单元串联，N为大于等于1的整数。机械开关子单元由机械开关K、RC均压支路和避雷器MOV1并联构成，电流转换单元由电力电子器件IGBT和避雷器MOV2并联构成。电容C一端与机械开关K的输入端连接，另一端与电流转换单元中的IGBT输出端连接。机械开关K主要用于IGBT分断故障电流之后承受系统电压；RC均压支路用于实现各个机械开关子单元间的均压；避雷器MOV1用于实现机械开关K的限压保护，同时在直流断路器完成电流开断之后吸收系统感性元件中存储的能量；MOV2主要用于限制IGBT电压，保护IGBT不受过压损坏。

电路具体控制方法如下：

①当系统正常运行时，控制机械开关K和电力电子器件IGBT均处于关合位置，并流过线路正常电流；

②当系统出现短路故障时，控制机械开关K分断，机械开关K的触头开始分离，并发生燃弧；

③当机械开关K的触头分离到达一个足以承受电容电压的开距时，控制电力电子器件IGBT分断，故障电流转移到电容C。机械开关K开始在已经达到的开距基础上恢复绝缘强度，此绝缘恢复时间很短。在机械开关K恢复绝缘期间，电容C上电压缓慢上升，有效限制机械开关K和IGBT两端的电压上升率和电压幅值，以保证不被击穿。在机械开关K恢复绝缘之前，电容电压由IGBT承担；在机械开关K恢复绝缘之后，电容电压基本都加在机械开关K上；

④当机械开关K的电压超过避雷器MOV1的动作电压时，避雷器MOV1导通，吸收系统感性元件中存储的能量。

此直流断路器控制方法在于机械开关先燃弧分断一段时间，然后控制IGBT分断转移电流到电容C。控制机械开关的触头燃弧时间与电容充电时间，使其和大于机械开关的触头分离并恢复绝缘强度到足以承受系统电压的时间，以保证缓冲电容电压达到系统电压及以上时，机械开关触头间隙具有足够耐压能力，从而不被击穿。

这种控制方法相比于无弧开断方式可以减小所述电容缓冲单元中的电容体积。无弧开断方式中的缓冲电容充电时间就是机械开关触头分离时间，为保证触头分离距离足够大就必须保证电容充电时间足够长。因此这种燃弧开断方式对缓冲电容取值要求低很多。

如图10所示，为本发明实施例提供的电容缓冲式混合高压直流断路器的第二具体电路图。N个混合开关子单元依次串联，缓冲电容C一端与N个串联的混合开关子单元的输入端连接且另一端与N个串联的混合开关子单元的输出端链接，N为大于等于1的整数。混合开关子单元由机械开关K与电流转换单元串联，然后与RC均压支路和避雷器MOV1并联构成；电流转换单元由电力电子器件IGBT和避雷器MOV2并联构成。

其中，机械开关K主要用于IGBT分断故障电流之后承受系统电压；RC均压支路用于实现各个机械开关子单元间的均压；避雷器MOV1用于实现机械开关K和IGBT串联支路的限压保护，同时在直流断路器完成电流开断之后吸收系统感性元件中存储的能量；缓冲电容C主要用于IGBT分断故障电流之后为故障电流提供缓冲支路；MOV2主要用于限制IGBT电压，保护IGBT不受过压损坏。

这种将电流转换单元分配到各机械开关子单元中的好处在于，可以更方便的实现模块化，使多组模块串联灵活满足不同电压等级的要求。

电路具体控制方法如下：

①当系统正常运行时，控制机械开关K和电力电子器件IGBT均处于关合位置，并流过线路正常电流；

②当系统出现短路故障时，控制机械开关K分断，机械开关K的触头开始分离，并发生燃弧；

③当机械开关K的触头分离到达一个足以承受电容电压的开距时，控制电力电子器件IGBT分断，故障电流转移到电容C。机械开关K开始在已经达到的开距基础上恢复绝缘强度，此绝缘恢复时间很短。在机械开关K恢复绝缘期间，电容C上电压缓慢上升，有效限制机械开关K和IGBT两端的电压上升率和电压幅值，以保证不被击穿。在机械开关K恢复绝缘之前，电容电压由IGBT承担；在机械开关K恢复绝缘之后，电容电压基本都加在机械开关K上；

④当机械开关K的电压超过避雷器MOV1的动作电压时，避雷器MOV1导通，吸收系统感性元件中存储的能量。

此直流断路器控制方法在于机械开关先燃弧分断一段时间，然后控制IGBT分断转移电流到电容C。控制机械开关的触头燃弧时间与电容充电时间，使其和大于机械开关的触头分离并恢复绝缘强度到足以承受系统电压的时间，以保证缓冲电容电压达到系统电压及以上时，机械开关触头间隙具有足够耐压能力，从而不被击穿。

这种控制方法相比于无弧开断方式可以减小所述电容缓冲单元中的电容体积。无弧开断方式中的缓冲电容充电时间就是机械开关触头分离时间，为保证触头分离距离足够大就必须保证电容充电时间足够长。因此这种燃弧开断方式对缓冲电容取值要求低很多。

如图11所示，为本发明实施例提供的电容缓冲式混合高压直流断路器的第三具体电路图。N个直流断路器子单元依次串联，N为大于等于1的整数。直流断路器子单元由机械开关K与电流转换单元串联，然后与缓冲电容C和避雷器MOV1并联构成；电流转换单元由电力电子器件IGBT和避雷器MOV2并联构成。

其中，机械开关K主要用于IGBT分断故障电流之后承受系统电压；缓冲电容C主要用于IGBT分断故障电流之后为故障电流提供缓冲支路,并实现对N个串联连接的直流断路器子单元间的均压；避雷器MOV1用于实现机械开关K和IGBT串联支路的限压保护，同时在直流断路器完成电流开断之后吸收系统感性元件中存储的能量；MOV2主要用于限制IGBT电压，保护IGBT不受过压损坏。

这种将缓冲电容分配到各开关子单元中组成直流断路器子单元的好处在于，因缓冲电容本身可以实现各子单元的均压，故省掉了RC均压支路，简化拓扑结构，更方便的实现模块化，使多组模块串联灵活满足不同电压等级的要求。

电路具体控制方法如下：

①当系统正常运行时，控制机械开关K和电力电子器件IGBT均处于关合位置，并流过线路正常电流；

②当系统出现短路故障时，控制机械开关K分断，机械开关K的触头开始分离，并发生燃弧；

③当机械开关K的触头分离到达一个足以承受电容电压的开距时，控制电力电子器件IGBT分断，故障电流转移到电容C。机械开关K开始在已经达到的开距基础上恢复绝缘强度，此绝缘恢复时间很短。在机械开关K恢复绝缘期间，电容C上电压缓慢上升，有效限制机械开关K和IGBT两端的电压上升率和电压幅值，以保证不被击穿。在机械开关K恢复绝缘之前，电容电压由IGBT承担；在机械开关K恢复绝缘之后，电容电压基本都加在机械开关K上；

④当机械开关K的电压超过避雷器MOV1的动作电压时，避雷器MOV1导通，吸收系统感性元件中存储的能量。

此直流断路器控制方法在于机械开关先燃弧分断一段时间，然后控制IGBT分断转移电流到电容C。控制机械开关的触头燃弧时间与电容充电时间，使其和大于机械开关的触头分离并恢复绝缘强度到足以承受系统电压的时间，以保证缓冲电容电压达到系统电压及以上时，机械开关触头间隙具有足够耐压能力，从而不被击穿。

这种控制方法相比于无弧开断方式可以减小所述电容缓冲单元中的电容体积。无弧开断方式中的缓冲电容充电时间就是机械开关触头分离时间，为保证触头分离距离足够大就必须保证电容充电时间足够长。因此这种燃弧开断方式对缓冲电容取值要求低很多。

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 (5)

1.一种电容缓冲式混合高压直流断路器，其特征在于，包括依次串联连接的机械开关单元(110)和电流转换单元(120)，与所述机械开关单元(110)的供电端连接的机械开关供能单元(140)，以及一端与所述机械开关单元(110)的输入端连接且另一端与所述电流转换单元(120)的输出端连接的电容缓冲单元(130)；

所述机械开关单元(110)包括N个串联连接的机械开关子单元，每一个机械开关子单元包括依次并联连接的机械开关(111)、均压模块(112)和吸能限压模块(113)；所述均压模块(112)用于实现对N个串联连接的所述机械开关子单元间的均压；所述吸能限压模块(113)用于吸收故障电流被切断后电力系统中感性元件存储的能量来实现对所述机械开关(111)的限压保护；N为大于等于1的整数；

所述电流转换单元(120)包括并联连接的电力电子开关模块(121)和限压模块(122)；所述电力电子开关模块(121)用于在外部故障电流控制信号的控制下分断，使得快速切断故障电流；所述限压模块(122)用于当所述电力电子开关模块(121)两端电压超过动作值时导通电流，实现对所述电力电子开关模块(121)的限压保护；

所述电容缓冲单元(130)用于当所述电力电子开关模块(121)分断后，为故障电流提供换流缓冲支路；

所述机械开关供能单元(140)用于给所述机械开关(111)中的操动机构提供电源；

所述均压模块(112)包括依次串联连接的电容C0和电阻R0；

当发生故障时，所述机械开关(111)先分断并发生燃弧，在机械开关触头分离到达一个可以承受电容电压的距离时，再分断所述电力电子开关模块(121)；

所述电容缓冲单元(130)包括缓冲电容器组，所述缓冲电容的取值由所述机械开关(111)的绝缘介质恢复时间决定，所述缓冲电容的耐压峰值由故障电流给电容充电的最大电压值决定。

2.一种电容缓冲式混合高压直流断路器，其特征在于，包括混合开关单元(210)，与所述混合开关单元(210)的供电端连接的机械开关供能单元(240)，以及一端与所述混合开关单元(210)的输入端连接且另一端与所述混合开关单元(210)的输出端连接的电容缓冲单元(230)；

所述混合开关单元(210)包括N个串联连接的混合开关子单元，每一个混合开关子单元包括依次串联连接的机械开关(211)和电力电子开关模块(214)，与所述电力电子开关模块(214)并联连接的限压模块(215)，一端与所述机械开关(211)输入端连接且另一端与所述电力电子开关模块(214)的输出端连接的均压模块(212)，以及与所述均压模块(212)并联连接的吸能限压模块(213)；所述均压模块(212)用于实现对N个串联连接的所述混合开关子单元间的均压；所述吸能限压模块(213)用于吸收故障电流被切断后电力系统中感性元件存储的能量来实现对所述机械开关(211)和所述电力电子开关模块(214)的限压保护；所述电力电子开关模块(214)用于在外部故障电流控制信号的控制下分断，使得快速切断故障电流；所述限压模块(215)用于当所述电力电子开关模块(214)两端电压超过动作值时导通电流，实现对所述电力电子开关模块(214)的限压保护；N为大于等于1的整数；

所述电容缓冲单元(230)用于当所述电力电子开关模块(214)分断后，为故障电流提供换流缓冲支路；

所述机械开关供能单元(240)用于给所述机械开关(211)中的操动机构提供电源；

所述均压模块(212)包括依次串联连接的电容C0和电阻R0；

当发生故障时，所述机械开关(211)先分断并发生燃弧，在机械开关触头分离到达一个可以承受电容电压的距离时，再分断所述电力电子开关模块(214)；

所述电容缓冲单元(230)包括缓冲电容器组，所述缓冲电容的取值由所述机械开关(211)的绝缘介质恢复时间决定，所述缓冲电容的耐压峰值由故障电流给电容充电的最大电压值决定。

3.一种电容缓冲式混合高压直流断路器，其特征在于，包括直流断路器单元(310)，以及与所述直流断路器单元(310)的供电端连接的机械开关供能单元(340)；

所述直流断路器单元(310)包括N个串联连接的直流断路器子单元，每一个直流断路器子单元包括依次串联连接的机械开关(311)和电力电子开关模块(314)，与所述电力电子开关模块(314)并联连接的限压模块(315)，一端与所述机械开关(311)输入端连接且另一端与所述电力电子开关模块(314)的输出端连接的电容缓冲单元(312)，以及与所述电容缓冲单元(312)并联连接的吸能限压模块(313)；所述电容缓冲单元(312)用于当所述电力电子开关模块(314)分断后，为故障电流提供换流缓冲支路，并实现对N个串联连接的所述直流断路器子单元间的均压；所述吸能限压模块(313)用于吸收故障电流被切断后电力系统中感性元件存储的能量来实现对所述机械开关(311)和所述电力电子开关模块(314)的限压保护；所述电力电子开关模块(314)用于在外部故障电流控制信号的控制下分断，使得快速切断故障电流；所述限压模块(315)用于当所述电力电子开关模块(314)两端电压超过动作值时导通电流，实现对所述电力电子开关模块(314)的限压保护；N为大于等于1的整数；

所述机械开关供能单元(340)用于给所述机械开关(311)中的操动机构提供电源；

当发生故障时，所述机械开关(311)先分断并发生燃弧，在机械开关触头分离到达一个可以承受电容电压的距离时，再分断所述电力电子开关模块(314)；

所述电容缓冲单元(312)包括缓冲电容器组，所述缓冲电容的取值由所述机械开关(311)的绝缘介质恢复时间决定，所述缓冲电容的耐压峰值由故障电流给电容充电的最大电压值决定。

4.一种基于权利要求1或2或3所述的电容缓冲式混合高压直流断路器的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：

当系统正常运行时，控制所述机械开关和所述电力电子开关模块均处于关合位置；

当系统出现短路故障时，控制所述机械开关分断，所述机械开关的触头开始分离，并发生燃弧；

当所述机械开关的触头分离到达一个足以承受电容电压的开距时，控制所述电力电子开关模块分断，故障电流转移到所述电容缓冲单元；

当所述机械开关的电压超过所述吸能限压模块的动作电压时，所述吸能限压模块中的吸能元件导通，吸收系统能量实现对所述机械开关的限压保护。

5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述机械开关的触头燃弧时间与所述电容缓冲单元的充电时间之和大于所述机械开关的触头分离并恢复绝缘强度到足以承受系统电压的时间。