CN104779593B - 一种直流固态断路器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直流固态断路器，包括主开关电路、换流电路、耗能电路、隔离开关、控制系统以及系统母线的正极接线端S1和负极接线端S2，主开关电路、换流电路、耗能电路并联后与隔离开关串联，主开关电路由半导体器件T1和二极管D构成，换流电路由半导体器件T2、电容C、电感L依次串联构成；还公开了上述直流固态断路器的控制方法，包括系统合闸通电的控制方法、系统故障大电流分闸的控制方法和系统额定及以下电流分闸的控制方法；本发明能够快速完成系统额定及以下电流的分断，提高系统额定通流能力，实现故障大电流的可靠分断，还容易实现器件的串并联应用，提升断路器的电压电流等级。
Description
技术领域
本发明属于电力系统故障保护技术领域，尤其涉及一种直流固态断路器及其控制方法。
背景技术
随着现代电力系统容量的不断增长，系统一旦发生短路故障，短路电流就迅速增加到较高的水平。
直流断路器作为一种重要的控制和保护设备，一直是直流电力系统中的难点和关注的焦点。常用的机械断路器受其自身物理机构的限制，当其动、静触头分开时会产生电弧，延长了故障电流的切除时间，往往需要数十乃至上百毫秒的时间才能分断电路。由于直流系统短路电流上升速度很快，因而不仅不能对短路电流起到有效的抑制作用，而且短路电流峰值可能会超过断路器的极限分断能力，导致断路器无法分断，给整个系统带来破坏性的危害。
与传统的机械断路器相比，基于功率半导体器件的固态断路器具有无弧、快速、精确和可靠的分断性能，应用前景非常广阔。
目前研究较多的直流固态断路器分别有限流型和直接分断型两种基本类型，参见图1和图2。限流型固态断路器通过LC强迫换流电路对主晶闸管进行关断，从而实现短路故障电流的分断。由于LC电路的参数设计与主晶闸管的关断电流值紧密相关，导致能够正常分断短路故障电流的LC电路参数无法快速完成系统小电流的分断，参见图3和图4。另外LC电路的参数决定了主晶闸管电流为零后的反向电压持续时间，为了提供足够的反压持续时间实现主晶闸管的可靠关断，需要减小关断电流，或增加电容的初始储能量，这会导致断路器分断能力降低，或者使其体积变大。而直接分断型固态断路器利用可关断半导体器件实现短路电流的快速分断，在器件串并联应用时，难以可靠完成故障大电流的分断，阻碍断路器向高压大电流方向的进一步发展。
发明内容
本发明为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的之一是提供一种能够快速完成系统额定及以下电流的分断，提高系统额定通流能力，实现故障大电流可靠分断的直流固态断路器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种直流固态断路器，包括主开关电路、换流电路、耗能电路、隔离开关、控制系统以及系统母线的正极接线端S1和负极接线端S2，所述主开关电路、换流电路、耗能电路并联后与隔离开关串联，所述主开关电路由半导体器件T1和二极管D构成，所述半导体器件T1的正极与所述正极接线端S1相连，所述二极管D反向并联在半导体器件T1两端，所述换流电路由半导体器件T2、电容C、电感L依次串联构成，所述半导体器件T2正极与半导体器件T1正极相连，半导体器件T2负极与所述电感L的一端相连，所述电容C的一端与半导体器件T1的负极相连、另一端与电感L的另一端相连，所述耗能电路为金属氧化物避雷器MOV或PTC材料或两者的结合，所述隔离开关为机械开关S，机械开关S一端与半导体器件T1的负极相连、另一端与负极接线端S2相连，机械开关S在主回路电流为零后无弧断开，在电源和负载之间形成电气隔离，所述控制系统包括电流检测单元和信号处理单元，所述电流检测单元通过电流传感器测量系统主回路电流，所述信号处理单元根据外部合闸命令依次控制机械开关S合闸以及半导体器件T1导通，根据外部分闸命令依次控制半导体器件T1关断以及机械开关S断开，根据电流检测单元测量的主回路电流信号判断出系统短路故障后，依次控制半导体器件T2导通、半导体器件T1关断以及机械开关S断开。
所述直流固态断路器中半导体器件T1为可关断器件GTO、IGCT和IGBT中的任意一个或多个的组合。
所述直流固态断路器中半导体器件T2为一个或多个晶闸管的组合。
所述直流固态断路器中MOV或/和PTC的开通电压大于系统额定电压、最大导通电压小于半导体器件T1或二极管D的最大耐受电压、能量耐受能力大于系统线路电感中储存的最大能量。
本发明的目的之二是提供上述直流固态断路器的控制方法，包括以下步骤：
系统合闸通电过程为控制系统首先控制机械开关S无弧闭合，然后半导体器件T1导通，此后负载电流从半导体器件T1和机械开关S中流过，在正常工作阶段，电容C上充有一定的电压，且电压方向与半导体器件T1的导通压降相反。
所述直流固态断路器的控制方法，还包括以下步骤：系统故障大电流分断过程为控制系统首先控制半导体器件T2导通产生脉冲大电流，迫使半导体器件T1电流迅速减小为零，然后在二极管D的续流过程中，控制半导体器件T1在近似零电压和零电流条件下关断，二极管D续流完毕后，当半导体器件T1两端电压达到避雷器MOV的开通电压时，避雷器MOV导通吸收能量并限制系统过电压，最终当主回路电流为零后控制机械开关S无弧断开形成电气隔离。
所述直流固态断路器的控制方法，还包括以下步骤：系统额定及以下电流分断过程为控制系统首先控制半导体器件T1关断，在半导体器件T1关断过程中避雷器MOV导通吸收能量并限制系统过电压，当主回路电流为零后控制机械开关S无弧断开在电源和负载之间形成电气隔离。
本发明的有益效果是：结合了新型可关断半导体器件和传统强迫换流分断技术的优点，在系统正常工作时，主开关电路中的半导体器件能够迅速完成额定及以下电流的关断，显著减小分断时间；发生短路故障后，换流电路产生的脉冲大电流迫使主开关电路电流迅速减小为零，半导体器件在近似零电压零电流条件下关断，能使故障大电流得以可靠分断，由于半导体器件无需直接关断故障大电流，容易实现器件的串并联应用，提升断路器的电压电流等级。
附图说明
图1为现有的限流型固态断路器电气方案；
图2为现有的直接分断型固态断路器电气方案；
图3为限流型固态断路器故障大电流分断主回路电流波形；
图4为限流型固态断路器小电流分断主回路电流波形；
图5为本发明的电气方案；
图6为本发明的断路器短路电流分断电压电流示意波形；
图7为本发明的断路器额度电流分断电压电流示意波形。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参照图5所示，本发明公开了一种直流固态断路器，包括主开关电路、换流电路、耗能电路、隔离开关、控制系统以及系统母线的正极接线端S1和负极接线端S2，其中主开关电路、换流电路、耗能电路并联后与隔离开关串联。
所述主开关电路由半导体器件T1和二极管D构成，所述半导体器件T1的正极与所述正极接线端S1相连，所述二极管D反向并联在半导体器件T1两端，半导体器件T1为可关断器件GTO、IGCT和IGBT中的任意一个或多个的组合。
所述换流电路由半导体器件T2、电容C、电感L依次串联构成，所述半导体器件T2正极与半导体器件T1正极相连，半导体器件T2负极与所述电感L的一端相连，所述电容C的一端与半导体器件T1的负极相连、另一端与电感L的另一端相连，半导体器件T2为一个或多个晶闸管的组合。
所述耗能电路为金属氧化物避雷器MOV或PTC材料或两者的结合，MOV或/和PTC的开通电压大于系统额定电压、最大导通电压小于半导体器件T1或二极管D的最大耐受电压、能量耐受能力大于系统线路电感中储存的最大能量。
所述隔离开关为机械开关S，机械开关S一端与半导体器件T1的负极相连、另一端与负极接线端S2相连，机械开关S在主回路电流为零后无弧断开，在电源和负载之间形成电气隔离。
所述控制系统包括电流检测单元和信号处理单元，所述电流检测单元通过电流传感器测量系统主回路电流，所述信号处理单元根据外部合闸命令依次控制机械开关S合闸以及半导体器件T1导通，根据外部分闸命令依次控制半导体器件T1关断以及机械开关S断开，根据电流检测单元测量的主回路电流信号判断出系统短路故障后，依次控制半导体器件T2导通、半导体器件T1关断以及机械开关S断开。
本发明还提供了上述直流固态断路器的控制方法，包括以下步骤：
系统合闸通电过程为控制系统首先控制机械开关S在零电流条件下无弧合闸，当开关S可靠闭合后，控制系统再控制半导体器件T1导通，此后负载电流从半导体器件T1和机械开关S中流过，在系统正常工作阶段，半导体器件T2截止，电容C上充有一定的电压，且电压方向与所述半导体器件T1的导通压降相反。
系统故障大电流分断过程为控制系统首先控制半导体器件T2导通产生脉冲大电流，迫使半导体器件T1电流迅速减小为零，然后在二极管D的续流过程中，控制半导体器件T1在近似零电压和零电流条件下关断，二极管D续流完毕后，当半导体器件T1两端电压达到避雷器MOV的开通电压时，避雷器MOV导通吸收能量并限制系统过电压，最终当主回路电流为零后控制机械开关S无弧断开形成电气隔离。
参照图6所示，假定系统在t 0时刻发生了短路故障，系统主回路电流i S开始迅速增加；在t 1时刻，控制系统根据检测单元的电流信号识别出了短路故障，并控制半导体器件T2开通；当T2开通后，电容C通过电感L放电产生脉冲大电流i C，半导体器件T1电流i T1随着电流i C的增加迅速减小，在t 2时刻减小为零；此后电流i C通过二极管D续流，并在t 3时刻达到峰值后减小，在t 4时刻i C减小到与i S相等，二极管D续流结束；在二极管D续流的t 2到t 4期间，半导体器件T1近似处于零电压和零电流状态，此阶段可控制半导体器件T1可靠关断；在t 4时刻后，半导体器件T1两端的电压u T1跳变为电容C和电感L的电压之和，并随着电容C的反向充电不断增大，在t 5时刻增加到系统电源电压，主回路电流i S达到峰值；此后i S开始减小，u T1持续增加，在t 6时刻u T1增加使耗能电路开通吸能并限制过电压，电流i mov逐渐增加，电流i C逐渐减小；在t 7时刻电流i C减小为零，半导体器件T2关断，电流i mov达到峰值，相应的电压u T1达到最大；此后电流i S与i mov相等并逐渐减小，最终在t 8时刻减小为零；当主回路电流为零后，控制机械开关S无弧断开形成电气隔离，完成整个短路分断过程。
可以看出，本发明的直流固态断路器通过换流电路实现故障大电流的分断，其中的主开关半导体器件无需直接进行故障大电流的关断，仅需具备系统额定电流关断能力，容易实现器件的串并联应用，提升断路器电压和电流等级。另外主开关器件在二极管续流过程中，近似在零电压和零电流条件下可靠关断，其关断性能不受LC换流电路参数的影响，能够确保故障大电流的可靠分断。
系统额定及以下电流分断过程为控制系统首先控制半导体器件T1关断，在半导体器件T1关断过程中避雷器MOV导通吸收能量并限制系统过电压，当主回路电流为零后控制机械开关S无弧断开在电源和负载之间形成电气隔离。
参照图7所示，假定在t 0时刻控制系统发出半导体器件T1关断信号，半导体器件T1经过微秒级的关断延时后，在t 1时刻进入实际关断阶段，电流i T1开始迅速减小；由于半导体器件T1关断速度极快，系统线路电感中的巨大能量导致半导体器件T1两端的电压u T1瞬间上升使耗能电路开通吸收能量并限制系统过电压，结果电流i mov增加；在t 2时刻，半导体器件T1关断结束，电流i mov达到峰值，相应的器件电压u T1达到最大；此后主回路电流i S与i mov相等并逐渐减小，最终在t 3时刻减小为零；当主回路电流减小为后，控制机械开关S无弧断开形成电气隔离，完成整个电流分断过程。
可以看出，本发明的固态断路器利用可关断半导体器件可以实现系统额定及以下电流的快速分断。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种直流固态断路器，包括主开关电路、换流电路、耗能电路、隔离开关、控制系统以及系统母线的正极接线端S1和负极接线端S2，其特征在于：
(1)所述主开关电路、换流电路、耗能电路并联后与隔离开关串联；
(2)所述主开关电路由半导体器件T1和二极管D构成，所述半导体器件T1的正极与所述正极接线端S1相连，所述二极管D反向并联在半导体器件T1两端；
(3)所述换流电路由半导体器件T2、电容C、电感L依次串联构成，所述半导体器件T2正极与半导体器件T1正极相连，半导体器件T2负极与所述电感L的一端相连，所述电容C的一端与半导体器件T1的负极相连、另一端与电感L的另一端相连；
(4)所述耗能电路为金属氧化物避雷器MOV或PTC材料或两者的结合；
(5)所述隔离开关为机械开关S，机械开关S一端与半导体器件T1的负极相连、另一端与负极接线端S2相连，机械开关S在主回路电流为零后无弧断开，在电源和负载之间形成电气隔离；
(6)所述控制系统包括电流检测单元和信号处理单元，所述电流检测单元通过电流传感器测量系统主回路电流，所述信号处理单元根据外部合闸命令依次控制机械开关S合闸以及半导体器件T1导通，根据外部分闸命令依次控制半导体器件T1关断以及机械开关S断开，根据电流检测单元测量的主回路电流信号判断出系统短路故障后，依次控制半导体器件T2导通、半导体器件T1关断以及机械开关S断开。
2.根据权利要求1所述的直流固态断路器，其特征在于，所述的半导体器件T1为可关断器件GTO、IGCT和IGBT中的任意一个或多个的组合。
3.根据权利要求1所述的直流固态断路器，其特征在于，所述的半导体器件T2为一个或多个晶闸管的组合。
4.根据权利要求1所述的直流固态断路器，其特征在于，所述的MOV或/和PTC的开通电压大于系统额定电压、最大导通电压小于半导体器件T1或二极管D的最大耐受电压、能量耐受能力大于系统线路电感中储存的最大能量。
5.一种如权利要求1所述直流固态断路器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：系统合闸通电过程为控制系统首先控制机械开关S无弧闭合，然后半导体器件T1导通，此后负载电流从半导体器件T1和机械开关S中流过，在正常工作阶段，电容C上充有一定的电压，且电压方向与半导体器件T1的导通压降相反。
6.根据权利要求5所述直流固态断路器的控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：系统故障大电流分断过程为控制系统首先控制半导体器件T2导通产生脉冲大电流，迫使半导体器件T1电流迅速减小为零，然后在二极管D的续流过程中，控制半导体器件T1在近似零电压和零电流条件下关断，二极管D续流完毕后，当半导体器件T1两端电压达到避雷器MOV的开通电压时，避雷器MOV导通吸收能量并限制系统过电压，最终当主回路电流为零后控制机械开关S无弧断开形成电气隔离。
7.根据如权利要求6所述直流固态断路器的控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：系统额定及以下电流分断过程为控制系统首先控制半导体器件T1关断，在半导体器件T1关断过程中避雷器MOV导通吸收能量并限制系统过电压，当主回路电流为零后控制机械开关S无弧断开在电源和负载之间形成电气隔离。
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