CN104993449B - 一种直流断路器用换流振荡回路 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种新型的直流断路器用换流振荡回路，属于高压直流输电工程领域；借助辅助振荡回路的真空直流断路器是一种可应用于对开断故障电流要求在几毫秒内的多端直流输电系统中的断路器结构，但这种断路器结构存在火花间隙不受控导通和导通失败、价格昂贵、触发控制系统充电时间长等问题，本申请中的直流断路器换流振荡回路包括多重火花间隙、触发控制系统、平波电抗器、交流断路器、避雷器、触发电阻、两电极开关、放电电容、充电电阻和换流电感；使得断路器在保证开关耐压的前提下提高了开关触发的可靠性，缩短了触发控制系统的充电时间，同时避免了重新外接昂贵的耐高压绝缘设备。

Description

一种直流断路器用换流振荡回路

技术领域

本申请属于电路转换设备领域，更具体地，涉及一种新型的直流断路器用换流振荡回路。

背景技术

相比于交流输电，直流输电在经济性，稳定性，远距离大容量输电，跨区互联，输电调控等方面都有较为明显的优势。然而，由于直流输电系统的阻尼相对较低，直流系统的短路故障发展的更快，控制保护难度也更大。因此，如何快速断开故障电流，维持电网安全稳定运行成为高压直流输电的一大难题。高压直流断路器作为高压直流输电工程的重要设备之一，是解决这一问题行之有效的技术手段。借助辅助振荡回路的真空直流断路器是一种可应用于对开断故障电流要求在几毫秒内的多端直流输电系统中的断路器结构。这种高压直流断路器的研制必须攻克的难点之一是换流振荡回路中的火花放电间隙及其触发控制系统：(1)为保证放电火花间隙在工作电压下不发生误动作(不受控导通)，应使间隙的耐受电压远高于工作电压，但工作电压过低可能会导致间隙在触发脉冲到达时发生拒动作(导通失败)；(2)触发控制系统耐高压绝缘设备结构复杂，且价格昂贵；(3)触发控制系统充电时间较长，当高压直流输电线路发生故障时，不能够迅速发出脉冲触发信号使火花间隙导通，进而切断故障线路。

发明内容

针对现有技术难点，本发明提供了一种新型的直流断路器用换流振荡回路，其目的在于解决现有高压直流断路器换流振荡回路中存在的火花放电间隙难以同时满足不误动和不拒动，以及触发控制系统充电时间长、耐高压绝缘设备价格昂贵的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种新型的直流断路器用换流振荡回路，包括多重火花间隙、触发控制系统、平波电抗器、交流断路器、避雷器、触发电阻、两电极开关、放电电容、充电电阻和换流电感。

其中，多重火花间隙包括间隙、间隙分压电阻和间隙分压电容，多级间隙串联连接，间隙分压电阻并联在间隙两端，间隙分压电容一端连接于两相邻间隙连接点上，另一端连接于最后一级间隙的低压端；

触发控制系统包括大分压电阻、小分压电阻、分压电容、充电电感、充电脉冲晶闸管、放电脉冲晶闸管、原方电容、副方电容、脉冲变压器和隔直电容，大分压电阻和小分压电阻串联连接，再并联在放电电容的两端，分压电容并联在小分压电阻的两端，充电电感一端接分压电容高压端，一端接充电脉冲晶闸管阳极，充电脉冲晶闸管阴极接原方电容高压端，放电脉冲晶闸管阳极接原方电容高压端，阴极接脉冲变压器原方绕组高压端，原方电容低压端接分压电容低压端，脉冲变压器原方绕组低压端接原方电容低压端，副方电容高压端接脉冲变压器副方绕组高压端，副方电容低压端接最后一级间隙低压端，脉冲变压器副方绕组低压端接在最后一级间隙的低压端，隔直电容一端接副方电容的高压端，一端接第一级间隙高压端；

平波电抗器和交流断路器串联连接，再串接在高压直流输电线路中；

避雷器并联在交流断路器的两端；

触发电阻一端接在第一级间隙的高压端，一端接在平波电抗器和交流断路器连接点上；

两电极开关并联连接在触发电阻两端；

放电电容低压端接换流电感低压端，放电电容的高压端接在交流断路器背离平波电抗器的一端，换流电感的高压端接在最后一级间隙的低压端；

充电电阻一端接放电电容低压端，另一端直接接地。

优选地，大分压电阻为MΩ级电阻，耐压值应为直流母线电压的2倍以上。

优选地，分压电容为mF级电容，用于给原方电容补电，维持原方电容上电压不变，保证触发控制系统能够随时输出脉冲触发信号。

优选地，隔直电容为nF级电容，耐压值应高于直流母线电压。

优选地，充电电阻为MΩ级电阻，耐压值应为直流母线电压的2倍以上。

优选地，触发电阻为MΩ级电阻，用以增大多重火花间隙并联回路阻抗，防止多重火花间隙被高频小阻抗支路并联旁路，导致触发电压达不到预定高压而无法正常击穿多重火花间隙。

优选地，两电极开关的导通设置为两电极过压自触发方式，为保证其在触发控制系统输出脉冲信号时不发生过压击穿，两电极开关触发电压应大于每级间隙耐压值，而为保证换流回路导通后两电极开关能够触发导通，触发电压应比直流母线电压值小。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列的有益效果：

(1)通过结合直流断路器自身的结构及应用特点，本发明采用了多重火花间隙，由此妥善的解决了直流断路器换流振荡回路中火花放电间隙难以同时满足不误动和不拒动的问题。

(2)此外触发控制系统完全利用了换流振荡回路自身的对地绝缘，将触发器及其供电系统全部置于高电位，避免了重新外接昂贵的耐高压绝缘设备。

(3)触发控制系统基于电容分压的原理，使原方电容电压维持不变，缩短了触发控制系统的充电时间，保证触发控制系统能够随时输出脉冲触发信号。

附图说明

图1是本发明一种新型的直流断路器用换流振荡回路结构示意图。

图2是本发明一种新型的直流断路器用换流振荡回路短路保护控制程序图。

图3是本发明一种新型的直流断路器用换流振荡回路绝缘分析电路图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

S₁，……，S_N为间隙；R_s1，……，R_sN为间隙分压电阻；C₁，……，C_N-1为间隙分压电容；L₀为平波电抗器；C_main为放电电容；L为换流电感；R₀为充电电阻；R₁为触发电阻；R₂为小分压电阻；R₃为大分压电阻；C_f1为分压电容；L₁为充电电感；SCR₁为充电脉冲晶闸管；SCR₂为放电脉冲晶闸管；Cf₂为原方电容；Cf₃为副方电容；T为脉冲变压器；C_gz为隔直电容；S为两电极开关；CB为交流断路器；F为避雷器。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所涉及保护范围为图1中虚线框所包围电路。

如图1所示，本发明一种新型的直流断路器用换流振荡回路包括多重火花间隙1、触发控制系统2、平波电抗器L₀、交流断路器CB、避雷器F、触发电阻R₁、两电极开关S、放电电容C_main、充电电阻R₀和换流电感L。

多重火花间隙1包括间隙S₁，……，S_N、间隙分压电阻R_s1，……，R_sN和间隙分压电容C₁，……，C_N-1。

多重火花间隙开关的主要特点是通过间隙网络实现了多个开关在稳态和暂态时分压的不一致，进而既实现了直流稳态时均匀分压，在最大程度上提高了间隙的总耐压水平；同时通过暂态电压非线性分布的特性，使触发电压的大部分加在第一级火花间隙上，大幅度降低了触发的难度，在保证耐压的前提下提高了触发的可靠性。

间隙S₁，……，S_N串联连接。

间隙分压电阻R_s1，……，R_sN分别并联在间隙S₁，……，S_N两端。

间隙分压电容C₁，……，C_N-1一端分别连接于间隙S₁，……，S_N-1的低压端，另一端均直接连接于间隙S_N的低压端。

触发控制系统2包括小分压电阻R₂、大分压电阻R₃、分压电容C_f1、充电电感L₁、充电脉冲晶闸管SCR₁、放电脉冲晶闸管SCR₂、原方电容C_f2、副方电容C_f3、脉冲变压器T和隔直电容C_gz。

小分压电阻R₂和大分压电阻R₃串联连接，再并联在放电电容C_main的两端，大分压电阻R₃为MΩ级电阻，耐压值应为直流母线电压的2倍以上。

分压电容C_f1并联在小分压电阻R₂的两端，分压电容C_f1为mF级电容，用于给原方电容C_f2补电，维持原方电容C_f2上电压不变，保证触发控制系统2能够随时输出脉冲触发信号。

充电电感L₁一端接分压电容C_f1高压端，一端接充电脉冲晶闸管SCR₁阳极，充电脉冲晶闸管SCR₁阴极接原方电容C_f2高压端。

放电脉冲晶闸管SCR₁阳极接原方电容C_f2高压端，阴极接脉冲变压器T原方绕组高压端，原方电容C_f2低压端接分压电容C_f1低压端。

副方电容C_f3高压端接脉冲变压器T副方绕组高压端，副方电容C_f3低压端接最后一级间隙S_N低压端。

脉冲变压器T原方绕组低压端接原方电容C_f2低压端，脉冲变压器T副方绕组低压端接在最后一级间隙S_N的低压端。

隔直电容C_gz一端接在副方电容C_f3的高压端，一端接在间隙S₁的高压端，隔直电容C_gz为nF级电容，耐压值应高于直流母线电压。

平波电抗器L₀和交流断路器CB串联连接，再串接在高压直流输电线路中。

避雷器F并联在交流断路器CB的两端。

触发电阻R₁一端接在间隙S₁的高压端，另一端接在平波电抗器L₀和交流断路器CB的连接点上，触发电阻R₁为MΩ级电阻，用以增大多重火花间隙并联回路阻抗，防止多重火花间隙1被高频小阻抗支路并联旁路，导致触发电压达不到预定高压而无法正常击穿多重火花间隙1。

两电极开关S并联在触发电阻R₁两端，其导通方式设置为两电极过压自触发方式。由于多重火花间隙1自带触发网络，故触发控制系统2输出脉冲幅值只需大于每级间隙的耐压值。为保证其在触发控制系统2输出脉冲信号时不发生过压击穿，两电极开关S的触发电压应比间隙S₁，……，S_N中每一级间隙的耐压值大，而为保证换流回路导通后两电极开关S能够触发导通，触发电压应比直流母线电压值小。

放电电容C_main低压端接换流电感L低压端，放电电容C_main的高压端接在交流断路器CB背离平波电抗器L₀的一端，换流电感L的高压端接在最后一级间隙S_N的低压端。

充电电阻R₀一端接放电电容C_main低压端，另一端直接接地。

振荡回路的放电电容C_main在直流断路器正常挂网运行时，通过充电电阻R₀充电，电压将始终保持为直流母线电压值，用以在直流断路器动作时，提供足够的振荡电流。触发控制系统2直接从电网取电，在放电电容两端利用分压电阻R₂和R₃分压，同时在小分压电阻R₂两端并联mF级分压电容C_f1，专门用于对脉冲变压器T低压侧原方电容C_f2进行充电。大电容C_f1对小电容C_f2充电，效率最高的方式为谐振充电，即通过充电电感L₁进行充电，由脉冲晶闸管SCR₁控制通断。之所以选择mF级的分压电容C_f1对触发器进行供电，是为了防止C_f1在分压电阻R₂和R₃形成的RC网络中时间常数太小，而无法保持足够的电压。

如图2所示，t₁时刻，直流输电线路发生短路故障，由于平波电抗器L₀的存在，交流断路器CB上电流i开始以一定的速率线性上升。经过一定的保护响应时间，在t₂时刻，交流断路器CB开始动作，并经过一段时间拉开至最大开距。t₃时刻，触发控制系统2输出脉冲高压信号，到t₄时刻，多重火花间隙1中间隙S₁，……，S_N依次导通，放电电容C_main放电，换流回路提供反向大电流i₁。到t₅时刻，交流断路器CB上电流i强制过零，CB中的电弧熄灭，直流电流i₂全部转移至换流支路。此后，直流输电线路开始对放电电容C_main正向充电，由于平波电抗L₀中储存有巨大能量，所以交流断路器CB上产生正向过电压，达到避雷器F阈值时避雷器F导通泄能，将CB以及放电电容C_main上的电压保持在安全范围之内。当平波电抗L₀储存的能量通过避雷器F泄能后，直流输电线路电压降至系统稳态电压，完成短路故障电流开断。

如图3所示，在直流断路器接入电网后，隔直电容C_gz通过图3中虚线框3所包围充电电路充电至母线电压值，同时放电电容C_main通过充电电阻R₀也被充电到母线电压值，这样充电电阻R₀高压端电位和脉冲变压器T次级绕组上的电压几乎为0，避免长期耐受高压。当触发控制系统2输出脉冲高压信号时，间隙S₁，……，S_N依次导通，直流母线开始对放电电容C_main正向充电。由于平波电抗器L₀储存了大量的能量，放电电容C_main上将产生过电压，过电压可接近母线电压的2倍。分析电路可知，通过阻容分压充电的方式，换流回路的对地绝缘将全部施加在充电电阻R₀两端。此外，为了防止多重火花间隙1被交流断路器CB、放电电容C_main和换流电感L所组成的高频小阻抗支路并联旁路，从而导致触发电压达不到预定高压而无法正常击穿多重火花间隙1，特在多重火花间隙1高压端与交流断路器CB和平波电抗器L₀连接点之间设置一MΩ级触发电阻R₁，用以增大并联回路的阻抗。与此同时，为了在换流回路导通时产生预定的反向电流i₁，在此大电阻两端并联一个两电极开关S，其作用主要是在多重火花间隙1触发导通后，两电极开关能够快速导通将触发电阻R₁短路。

两电极开关S的导通设置为两电极过压自触发方式，触发电压应大于间隙S₁，……，S_N中每一级间隙耐压值，但小于直流母线电压。举例来说，如果母线电压为320kV，多重火花间隙1的级数为10级，考虑到0.3～0.35的欠压比，则多重火花间隙1总的耐压值在1000kV左右，间隙S₁，……，S_N耐受电压均为100kV左右(在相同间隙距离和气压情况下)。t₃时刻，触发控制系统2输出脉冲高压，此时两电极开关S应处于关断状态，故其耐压值应大于100kV；在t₄时刻，多重火花间隙1导通，整个换流回路开始产生反向电流i₁，此时两电极开关S应触发导通，故触发电压应小于320kV，则两电极火花开关S的触发电压可设置为200kV。

该方案的优点是通过引入多重火花间隙解决了换流振荡回路中火花放电间隙难以同时满足不误动和不拒动的问题，触发控制系统直接从电网取电，能够随时输出脉冲触发信号使多重火花间隙开关导通，并且充分利用了振荡放电回路自身的对地绝缘，避免了重新外接昂贵的耐高压绝缘设备。

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 (3)

1.一种直流断路器用换流振荡回路，其特征在于：所述回路包括多重火花间隙、触发控制系统、平波电抗器、交流断路器、避雷器、触发电阻、两电极开关、放电电容、充电电阻和换流电感；

所述多重火花间隙包括：间隙、间隙分压电阻和间隙分压电容，多级间隙串联连接，间隙分压电阻并联在间隙两端，间隙分压电容一端连接于两相邻间隙连接点上，另一端连接于最后一级间隙的低压端；

所述触发控制系统包括大分压电阻、小分压电阻、分压电容、充电电感、充电脉冲晶闸管、放电脉冲晶闸管、原方电容、副方电容、脉冲变压器和隔直电容，大分压电阻和小分压电阻串联连接，再并联在放电电容的两端，分压电容并联在小分压电阻的两端，充电电感一端接分压电容高压端，一端接充电脉冲晶闸管阳极，充电脉冲晶闸管阴极接原方电容高压端，放电脉冲晶闸管阳极接原方电容高压端，阴极接脉冲变压器原方绕组高压端，原方电容低压端接分压电容低压端，脉冲变压器原方绕组低压端接原方电容低压端，副方电容高压端接脉冲变压器副方绕组高压端，副方电容低压端接最后一级间隙低压端，脉冲变压器副方绕组低压端接在最后一级间隙的低压端，隔直电容一端接副方电容的高压端，一端接第一级间隙高压端。

2.如权利要求1所述的换流振荡回路，其特征在于：分压电容为mF级电容；大分压电阻、充电电阻为MΩ级电阻，耐压值应为直流母线电压的2倍以上；触发电阻也为MΩ级电阻；隔直电容为nF级电容，耐压值应高于直流母线电压。

3.如权利要求1所述的换流振荡回路，其特征在于：所述两电极开关的导通设置为两电极过压自触发方式，触发电压应比每级间隙耐压值大，比直流母线电压值小。