CN104767170B - 一种混合式高压直流断路器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种断路器及其实现方法，具体涉及一种混合式高压直流断路器及其实现方法。该直流断路器基于二次电流转移原理，主支路由快速机械开关和包含全控器件的电流转移模块构成，保证了正常导通时低损耗和灵活控制电流转移的优点；第一次电流转移支路采用半控型器件晶闸管串联构成，使得该断路器具有很强故障通流能力和分断能力，且能维持机械开关“零电压、零电流”足够长时间，实现机械开关无电弧开断；第二次电流转移支路由带有预充电压电容、电感和串联晶闸管构成，在第一电流转移支路晶闸管可靠关断后，电容将迅速建立起抵抗足够抵抗系统的直流电压，并由能量吸收回路对电容电压进行限制，较好控制了电容的体积和成本。

Description

一种混合式高压直流断路器及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种断路器及其实现方法，具体涉及一种混合式高压直流断路器及其实现方法。

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，故障时分断机械开关，利用产生的电弧电压将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。基于该原理断路器既减低了通态损耗，又提高了分断速度，但是需要使用大量的全控器件串联，技术难度大，制造成本高，而且当短路电流超过单个全控器件所能耐受电流峰值时，其成本将接近翻倍。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种混合式高压直流断路器，另一目的是提供一种混合式高压直流断路器的实现方法，本发明断路器的电路拓扑结构简单，控制简便，且使用的电力电子器件主要为半控器件晶闸管，技术成熟，易于实现，分断电流能力大，耐受电压等级高，扩展能力强，极大程度上降低了成本。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种混合式高压直流断路器，所述直流断路器包括并联的主支路、电流转移支路和能量吸收支路，所述直流断路器串联连接于直流系统中，其改进之处在于，所述主支路包括串联连接的至少一个高速机械开关K和至少一个包含全控器件的电流转移模块；所述电流转移支路包括第一电流转移支路和第二电流转移支路；所述能量吸收支路由非线性电阻器构成。

进一步地，所述电流转移模块采用由四个IGBT模块和电容器C1组成的全桥结构；每个IGBT模块均由IGBT器件以及与其反并联的续流二极管组成。

进一步地，所述电流转移模块采用由四个二极管和并联连接的电容器C2、IGBT模块组成的桥式电路结构，所述IGBT模块由IGBT器件以及与其反并联的续流二极管组成。

进一步地，所述电流转移模块由反向串联连接的IGBT模块构成，电容器C3并联在反向串联连接的IGBT模块支路的两端；所述IGBT模块由IGBT器件以及与其反并联的续流二极管组成。

进一步地，所述第一电流转移支路由两组反并联的晶闸管阀构成；两组晶闸管阀分别用T1和T2表示；

所述第二电流转移支路包括串联连接的电感L和晶闸管阀-电容模块；所述晶闸管阀-电容模块由并联的两组晶闸管阀-电容串联支路构成；两组晶闸管阀-电容串联支路均由串联的晶闸管阀和电容器组成，两组晶闸管阀通流方向相反；每组电容都被预充电至设定值；两组晶闸管阀分别用T3和T4表示；电容器分别用C和C’表示。

进一步地，所述非线性电阻器为避雷器。

本发明基于另一目的提供的一种混合式高压直流断路器的实现方法，其改进之处在于，当电流转移模块采用由四个IGBT模块和电容器组成的全桥结构时，所述实现方法包括：

一）当直流系统正常运行时，高速机械开关K闭合，电流转移模块中四个IGBT器件处于触发状态；稳态电流流经主支路中串联连接的高速机械开关K和电流转移模块，稳态电流在电流转移模块两条并联连接的IGBT和续流二极管组成的串联支路中被均分；在直流系统正常运行期间，第二电流转移支路中的电容C被充电至设定值；

二）直流系统发生单侧短路故障：①当直流系统在断路器右侧发生接地短路故障时，对第一电流转移支路中的晶闸管阀T2施加长触发脉冲，再闭锁主支路电流转移模块中的四个IGBT器件；

②主支路中电流通过续流二极管D1、D2对电流转移模块中电容C1进行充电，当电容C1两端电压高于触发晶闸管阀T2所需的最低正向电压时，晶闸管阀T2将被触发开通，流经主支路电流开始向晶闸管阀T2转移直至过零，随后分断高速机械开关K；

③维持晶闸管阀T2导通2ms，保障高速机械开关K无弧分断并产生足够耐受直流系统过电压的开距；触发第二电流转移支路中的晶闸管阀T4，与之串联的带有预充电压的电容C’经电感L向晶闸管阀T2反向注入电流，电流从第一电流转移支路向第二电流转移支路转移，晶闸管阀T4在其电流降为零后关断；

④短路电流经电感L、晶闸管阀T4所在的第二电流转移支路对电容C’进行充电，直至电容C’极性反转，当其幅值达到避雷器动作阈值时，避雷器动作；短路电流转移至避雷器中，直流系统能量将被其所消耗吸收，所述直流断路器完成分断。

进一步地，当电流转移模块采用由四个二极管、并联的电容器和IGBT模块支路组成的桥式电路结构时，所述实现方法包括：

一）当直流系统正常运行时，高速机械开关K闭合，电流转移模块中IGBT器件处于触发状态；稳态电流经主支路中串联连接的高速机械开关K和电流转移模块流通；在直流系统正常运行期间，第二电流转移支路中的电容C和C’被充电至设定值；

二）直流系统发生单侧短路故障：①当直流系统在断路器右侧端口发生接地短路故障时，对第一电流转移支路中的晶闸管阀T2施加长触发脉冲，再闭锁主支路电流转移模块中的IGBT器件；

②主支路中电流通过续流二极管D1、D2对电流转移模块中电容C1进行充电，当电容C1两端电压高于触发晶闸管阀T2所需的最低正向电压时，晶闸管阀T2将被触发开通，流经主支路电流开始向晶闸管阀T2转移直至过零，随后分断高速机械开关K；

③维持晶闸管阀T2导通2ms，保障高速机械开关K无弧分断并产生足够耐受直流系统过电压的开距；触发第二电流转移支路中的晶闸管阀T4，与之串联的带有预充电压的电容C’经电感L向晶闸管阀T2反向注入电流，电流从第一电流转移支路向第二电流转移支路转移，晶闸管阀T4在其电流降为零后关断；

④短路电流经电感L、晶闸管阀T4所在的第二电流转移支路对电容C’进行充电，直至电容C’极性反转，当其幅值达到避雷器动作阈值时，避雷器动作；短路电流转移至避雷器中，直流系统能量将被其所消耗吸收，所述直流断路器完成分断。

进一步地，当电流转移模块由反向串联连接的IGBT模块构成时，所述实现方法包括：

一）当直流系统正常运行时，高速机械开关K闭合，电流转移模块中两个IGBT器件处于触发状态；稳态电流流经主支路中串联连接的高速机械开关K和电流转移模块，在直流系统正常运行期间，第二电流转移支路中的电容C和C’被充电至设定值；

二）直流系统发生单侧短路故障：①当直流系统在断路器右侧端口发生接地短路故障时，对第一电流转移支路中的晶闸管阀T2施加长触发脉冲，再闭锁主支路电流转移模块中的两个IGBT器件；

②主支路中电流对电流转移模块中电容C1进行充电，当电容C1两端电压高于触发晶闸管阀T2所需的最低正向电压时，晶闸管阀T2将被触发开通，流经主支路电流开始向晶闸管阀T2转移直至过零，随后分断高速机械开关K；

③维持晶闸管阀T2导通2ms，保障高速机械开关K无弧分断并产生足够耐受直流系统过电压的开距；触发第二电流转移支路中的晶闸管阀T4，与之串联的带有预充电压的电容C’经电感L向晶闸管阀T2反向注入电流，电流从第一电流转移支路向第二电流转移支路转移，晶闸管阀T4在其电流降为零后关断；

④短路电流经电感L、晶闸管阀T4所在的第二电流转移支路对电容C’进行充电，直至电容C’极性反转，当其幅值达到避雷器动作阈值时，避雷器动作；短路电流转移至避雷器中，直流系统能量将被其所消耗吸收，所述直流断路器完成分断。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1、本发明所提供的断路器正常运行时，由高速机械开关和少量电力电子器件流通，通态损耗小；

2、本发明所提供的断路器能够实现机械开关的无弧分断，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、本发明所提供的断路器拓扑所使用主要为半控型电力电子器件，技术成熟，易于实现，且极大降低了制造成本；

4、本发明所提供的断路器所用电容只对晶闸管可靠关断产生影响，而不会影响高速开关性能，并联于断路器两端装设有能量吸收支路，用于限制分断产生的过电压，极大的降低了电容的体积和成本；

5、本发明所提供的断路器所使用晶闸管具有很强的通流能力，使得其分断电流能力大为增强，且不需要采用器件的并联连接；

6、本发明所提供的断路器所使用晶闸管较高的耐压能力，应用于高电压等级时在技术和经济性上都更具有优势；

7、本发明所提供的断路器结构新颖、控制简单，动作迅速，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是本发明提供的混合式高压直流断路器拓扑结构图；

图2是本发明提供的电流转移模块的实施例一；

图3是本发明提供的电流转移模块的实施例二；

图4是本发明提供的电流转移模块的实施例三；

图5是本发明提供的采用电流转移模块的实施例一时断路器的分断示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提供的混合式高压直流断路器拓扑结构如图1所示，混合式高压直流断路器通过端口1、2串联接入直流系统中，包含有四条支路，分别是由至少一个高速机械开关和至少一个电流转移模块构成的主支路、两组晶闸管阀反并联构成的第一电流转移支路、并联的晶闸管阀与电容串联组合与电感串联连接构成的第二电流转移支路以及由非线性电阻器构成的能量吸收支路。非线性电阻器可由避雷器组成。

电流转移模块采用由四个IGBT模块和电容器C1组成的全桥结构；每个IGBT模块均由IGBT器件以及与其反并联的续流二极管组成，如图2所示；还可采用由四个二极管、并联的电容器C2和IGBT模块支路组成的桥式电路结构，所述IGBT模块由IGBT器件以及与其反并联的续流二极管组成，如图3所示；或是由反向串联连接的IGBT模块构成，电容器C3并联在反向串联连接的IGBT模块支路的两端；所述IGBT模块由IGBT器件以及与其反并联的续流二极管组成，如图4所示。

所述第一电流转移支路由两组反并联的晶闸管阀构成；两组晶闸管阀分别用T1和T2表示；所述第二电流转移支路包括串联的电感L和晶闸管阀-电容模块；所述晶闸管阀-电容模块由并联的两组晶闸管阀-电容串联支路构成；两组晶闸管阀-电容串联支路均由串联的晶闸管阀和电容器组成，两组晶闸管阀通流反向相反；每组电容都被充电电源预充电至设定值；两组晶闸管阀分别用T3和T4表示；电容器分别用C和C’表示。

本发明还提供一种高压直流断路器的实现方法，包括：

以选用图2所示电流转移模块的实施例来阐述所提高压直流断路器的工作原理，如图5所示。当直流系统正常运行时，高速开关K闭合，电流转移模块中四个IGBT器件处于触发状态，稳态电流流经主支路中串联连接的高速机械开关K和电流转移模块，稳态电流在电流转移模块两条并联连接的IGBT和续流二极管组成的串联支路中被均分。电流转移模块若能耐受高于第一电流转移支路的通态压降，使得晶闸管成功开通而自身不被损坏，即能使得电流的顺利转移，因此其所需要具备的耐压能力很低，一个模块单元即能满足正常运行的需求，降低了主支路中使用的电力电子器件个数，使得断路器正常运行时产生的损耗很小。在系统正常运行期间，通过辅助电源系统对第二电流转移支路中电容进行预充电。

以单侧短路故障为例，阐述断路器在故障时的工作原理。当系统在右侧端口发生接地短路故障时，首先将电源与电容器隔离，然后对第一电流转移支路中的T2阀施加长触发脉冲，再闭锁主支路电流转移模块中的四个IGBT器件。此时，主支路电流对通过续流二极管D1、D2对电容进行充电，由于初始电压过低，晶闸管收到触发脉冲，但依然无法开通，当电容两端电压高于触发阀T2所需的最低正向电压时，阀T2将正常开通，流经主支路电流开始向阀T2转移直至过零，随后分断快速机械开关。维持阀T2导通2ms，使得高速机械开关产生足够耐受系统过电压的开距。此时，触发第二电流转移支路中的晶闸管阀T4，预充电电容经电感向阀T2反向注入电流，电流从第一转移支路向第二转移支路转移，T4电流降为零时关断，通过设计合适的参数，保证阀T2能够可靠关断。短路电流经电感L、晶闸管阀T4所在的第二电流转移支路对电容C’进行充电，直至电容C’极性反转，当其幅值达到避雷器动作阈值时，避雷器动作；短路电流转移至避雷器中，直流系统能量将被其所消耗吸收，所述直流断路器完成分断。

发生另一侧故障时，则按照上述时序，依次触发另一组晶闸管阀。

当电流转移模块采用图3所示的由四个二极管、并联的电容器和IGBT模块支路组成的桥式电路结构时，所述实现方法包括：

一）当直流系统正常运行时，高速机械开关K闭合，电流转移模块中IGBT器件处于触发状态；稳态电流经主支路中串联连接的高速机械开关K和电流转移模块流通；在直流系统正常运行期间，第二电流转移支路中的电容C和C’被充电至设定值；

二）直流系统发生单侧短路故障：①当直流系统在断路器右侧端口发生接地短路故障时，对第一电流转移支路中的晶闸管阀T2施加长触发脉冲，再闭锁主支路电流转移模块中的IGBT器件；

②主支路中电流通过续流二极管D1、D2对电流转移模块中电容C1进行充电，当电容C1两端电压高于触发晶闸管阀T2所需的最低正向电压时，晶闸管阀T2将被触发开通，流经主支路电流开始向晶闸管阀T2转移直至过零，随后分断高速机械开关K；

③维持晶闸管阀T2导通2ms，保障高速机械开关K无弧分断并产生足够耐受直流系统过电压的开距；触发第二电流转移支路中的晶闸管阀T4，与之串联的带有预充电压的电容C’经电感L向晶闸管阀T2反向注入电流，电流从第一电流转移支路向第二电流转移支路转移，晶闸管阀T4在其电流降为零后关断；

④短路电流经电感L、晶闸管阀T4所在的第二电流转移支路对电容C’进行充电，直至电容C’极性反转，当其幅值达到避雷器动作阈值时，避雷器动作；短路电流转移至避雷器中，直流系统能量将被其所消耗吸收，所述直流断路器完成分断。

当电流转移模块由如图4所示由反向串联连接的IGBT模块构成时，所述实现方法包括：

一）当直流系统正常运行时，高速机械开关K闭合，电流转移模块中两个IGBT器件处于触发状态；稳态电流流经主支路中串联连接的高速机械开关K和电流转移模块；在直流系统正常运行期间，第二电流转移支路中的电容C和C’被充电至设定值；

二）直流系统发生单侧短路故障：①当直流系统在断路器右侧端口发生接地短路故障时，对第一电流转移支路中的晶闸管阀T2施加长触发脉冲，再闭锁主支路电流转移模块中的两个IGBT器件；

②主支路中电流对电流转移模块中电容C1进行充电，当电容C1两端电压高于触发晶闸管阀T2所需的最低正向电压时，晶闸管阀T2将被触发开通，流经主支路电流开始向晶闸管阀T2转移直至过零，随后分断高速机械开关K；

③维持晶闸管阀T2导通2ms，保障高速机械开关K无弧分断并产生足够耐受直流系统过电压的开距；触发第二电流转移支路中的晶闸管阀T4，与之串联的带有预充电压的电容C’经电感L向晶闸管阀T2反向注入电流，电流从第一电流转移支路向第二电流转移支路转移，晶闸管阀T4在其电流降为零后关断；

④短路电流经电感L、晶闸管阀T4所在的第二电流转移支路对电容C’进行充电，直至电容C’极性反转，当其幅值达到避雷器动作阈值时，避雷器动作；短路电流转移至避雷器中，直流系统能量将被其所消耗吸收，所述直流断路器完成分断。

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，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：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，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种混合式高压直流断路器，所述直流断路器包括并联的主支路、电流转移支路和能量吸收支路，所述直流断路器串联连接于直流系统中，其特征在于，所述主支路包括串联连接的至少一个高速机械开关K和至少一个包含全控器件的电流转移模块；所述电流转移支路包括第一电流转移支路和第二电流转移支路；所述能量吸收支路由非线性电阻器构成；

所述电流转移模块采用由四个IGBT模块和电容器C1组成的全桥结构；每个IGBT模块均由IGBT器件以及与其反并联的续流二极管组成；或

所述电流转移模块采用由四个二极管和并联连接的电容器C2、IGBT模块组成的桥式电路结构，所述IGBT模块由IGBT器件以及与其反并联的续流二极管组成；或

所述电流转移模块由反向串联连接的IGBT模块构成，电容器C3并联在反向串联连接的IGBT模块支路的两端；所述IGBT模块由IGBT器件以及与其反并联的续流二极管组成；

所述第一电流转移支路由两组反并联的晶闸管阀构成；两组晶闸管阀分别用T1和T2表示；

所述第二电流转移支路包括串联连接的电感L和晶闸管阀-电容模块；所述晶闸管阀-电容模块由并联的两组晶闸管阀-电容串联支路构成；两组晶闸管阀-电容串联支路均由串联的晶闸管阀和电容器组成，两组晶闸管阀通流方向相反；每组电容都被预充电至设定值；两组晶闸管阀分别用T3和T4表示；电容器分别用C和C’表示。

2.如权利要求1所述的混合式高压直流断路器，其特征在于，所述非线性电阻器为避雷器。

3.一种如权利要求1-2中任一项所述的混合式高压直流断路器的实现方法，其特征在于，当电流转移模块采用由四个IGBT模块和电容器组成的全桥结构时，所述实现方法包括：

一)当直流系统正常运行时，高速机械开关K闭合，电流转移模块中四个IGBT器件处于触发状态；稳态电流流经主支路中串联连接的高速机械开关K和电流转移模块，稳态电流在电流转移模块两条并联连接的IGBT和续流二极管组成的串联支路中被均分；在直流系统正常运行期间，第二电流转移支路中的电容C和C’被充电至设定值；

二)直流系统发生单侧短路故障：①当直流系统在断路器右侧端口发生接地短路故障时，对第一电流转移支路中的晶闸管阀T2施加长触发脉冲，再闭锁主支路电流转移模块中的四个IGBT器件；

②主支路中电流通过续流二极管D1、D2对电流转移模块中电容C1进行充电，当电容C1两端电压高于触发晶闸管阀T2所需的最低正向电压时，晶闸管阀T2将被触发开通，流经主支路电流开始向晶闸管阀T2转移直至过零，随后分断高速机械开关K；

③维持晶闸管阀T2导通2ms，保障高速机械开关K无弧分断并产生足够耐受直流系统过电压的开距；触发第二电流转移支路中的晶闸管阀T4，与之串联的带有预充电压的电容C’经电感L向晶闸管阀T2反向注入电流，电流从第一电流转移支路向第二电流转移支路转移，晶闸管阀T4在其电流降为零后关断；

④短路电流经电感L、晶闸管阀T4所在的第二电流转移支路对电容C’进行充电，直至电容C’极性反转，当其幅值达到非线性电阻器动作阈值时，非线性电阻器动作；短路电流转移至非线性电阻器中，直流系统能量将被其所消耗吸收，所述直流断路器完成分断。

4.如权利要求3所述的实现方法，其特征在于，当电流转移模块采用由四个二极管、并联的电容器和IGBT模块支路组成的桥式电路结构时，所述实现方法包括：

一)当直流系统正常运行时，高速机械开关K闭合，电流转移模块中IGBT器件处于触发状态；稳态电流经主支路中串联连接的高速机械开关K和电流转移模块流通；在直流系统正常运行期间，第二电流转移支路中的电容C和C’被充电至设定值；

二)直流系统发生单侧短路故障：①当直流系统在断路器右侧端口发生接地短路故障时，对第一电流转移支路中的晶闸管阀T2施加长触发脉冲，再闭锁主支路电流转移模块中的IGBT器件；

②主支路中电流通过续流二极管D1、D2对电流转移模块中电容C1进行充电，当电容C1两端电压高于触发晶闸管阀T2所需的最低正向电压时，晶闸管阀T2将被触发开通，流经主支路电流开始向晶闸管阀T2转移直至过零，随后分断高速机械开关K；

③维持晶闸管阀T2导通2ms，保障高速机械开关K无弧分断并产生足够耐受直流系统过电压的开距；触发第二电流转移支路中的晶闸管阀T4，与之串联的带有预充电压的电容C’经电感L向晶闸管阀T2反向注入电流，电流从第一电流转移支路向第二电流转移支路转移，晶闸管阀T4在其电流降为零后关断；

④短路电流经电感L、晶闸管阀T4所在的第二电流转移支路对电容C’进行充电，直至电容C’极性反转，当其幅值达到非线性电阻器动作阈值时，非线性电阻器动作；短路电流转移至非线性电阻器中，直流系统能量将被其所消耗吸收，所述直流断路器完成分断。

5.如权利要求3所述的实现方法，其特征在于，当电流转移模块由反向串联连接的IGBT模块构成时，所述实现方法包括：

一)当直流系统正常运行时，高速机械开关K闭合，电流转移模块中两个IGBT器件处于触发状态；稳态电流流经主支路中串联连接的高速机械开关K和电流转移模块；在直流系统正常运行期间，第二电流转移支路中的电容C和C’被充电至设定值；

二)直流系统发生单侧短路故障：①当直流系统在断路器右侧端口发生接地短路故障时，对第一电流转移支路中的晶闸管阀T2施加长触发脉冲，再闭锁主支路电流转移模块中的两个IGBT器件；

②主支路中电流对电流转移模块中电容C1进行充电，当电容C1两端电压高于触发晶闸管阀T2所需的最低正向电压时，晶闸管阀T2将被触发开通，流经主支路电流开始向晶闸管阀T2转移直至过零，随后分断高速机械开关K；

③维持晶闸管阀T2导通2ms，保障高速机械开关K无弧分断并产生足够耐受直流系统过电压的开距；触发第二电流转移支路中的晶闸管阀T4，与之串联的带有预充电压的电容C’经电感L向晶闸管阀T2反向注入电流，电流从第一电流转移支路向第二电流转移支路转移，晶闸管阀T4在其电流降为零后关断；

④短路电流经电感L、晶闸管阀T4所在的第二电流转移支路对电容C’进行充电，直至电容C’极性反转，当其幅值达到非线性电阻器动作阈值时，非线性电阻器动作；短路电流转移至非线性电阻器中，直流系统能量将被其所消耗吸收，所述直流断路器完成分断。