CN105186443A - 一种自动充电型强制过零高压直流断路器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自动充电型强制过零高压直流断路器，该断路器包括快速开关单元、吸能单元、耦合电抗器单元、换流电容单元和主回路隔离开关单元。快速开关单元由快速开关和快速开关供能模块构成，快速开关用于承担电流开断后的系统电压；吸能单元用于对快速开关进行限压保护；耦合电抗器单元用于耦合故障线路与换流电容支路；换流电容单元用于和耦合电抗器单元形成振荡；主回路隔离开关单元用于在断路器开断成功后断开，以保护直流断路器内部元件。本发明提供的自动充电型强制过零高压直流断路器，预充电设备体积小、换流支路触发开关速度要求低、控制简单，能够开断任一方向的故障电流。
Description
技术领域
本发明属于高压直流断路器领域，更具体地，涉及一种自动充电型强制过零高压直流断路器。
背景技术
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点对点连接，出现故障时只能断开交流侧断路器，从而导致整个换流站停运，极大影响直流输电系统的可靠性，原因就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绝缘要求。
高压直流断路器领域备受关注的方案之一就是预充电强制过零高压直流断路器，即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快速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。但是该种方案，对换流支路触发开关的快速可靠导通要求非常高，难以满足双向故障电流开断以及故障重合闸开断等功能，以及需要的预充电设备体积庞大，设备繁多，控制复杂。
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自动充电型强制过零高压直流断路器，旨在解决现有技术中预充电强制过零高压直流断路器预充电设备体积庞大、换流支路触发开关速度要求高、控制复杂和仅开断单向故障电流的技术问题。
本发明提供了一种自动充电型强制过零高压直流断路器，包括快速开关单元、吸能单元、耦合电抗器单元、换流电容单元、第一隔离开关和第二隔离开关；耦合电抗器单元包括原边绕组和副边绕组；第一隔离开关、所述快速开关单元、所述原边绕组和所述第二隔离开关依次串联连接；所述吸能单元与所述快速开关单元并联连接；换流电容单元与副边绕组串联后再与所述吸能单元并联连接。吸能单元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快速开关的限压保护；耦合电抗器用于发生故障时耦合故障电流流通线路与所述换流电容单元所在支路；第一隔离开关和所述第二隔离开关用于在电流完全切除后断开以保护直流断路器。本发明能够快速可靠切断任意方向的故障电流。
更进一步地，换流电容单元包括换流电容、预充电模块和充电开关；充电开关与所述换流电容串联连接，换流电容的非串联连接端用于与所述副边绕组连接，所述换流电容用于与所述副边绕组发生振荡；充电开关的非串联连接端用于与第一隔离开关和快速开关单元的连接端连接；充电开关用于当所述吸能单元耗散系统能量后打开以切断残存振荡电流，并在切断额定电流之前控制所述换流电容的充电过程；预充电模块连接在换流电容的充电端，用于在开断额定电流时给所述换流电容预充电。
更进一步地，快速开关单元包括快速开关以及与所述快速开关的供电端连接的快速开关供能模块；快速开关用于承担电流开断后的系统电压，快速开关供能模块用于给所述快速开关中的操动机构提供电源。
更进一步地，当任一方向发生短路故障时，所述快速开关立刻分断并发生燃弧，所述原边绕组中的故障电流逐渐上升并产生变化磁场，所述副边绕组中产生感应电流，感应电流与故障电流同方向以实现对所述换流电容的自动充电，所述换流电容充电完成后通过所述副边绕组放电，放电电流与故障电流反向并叠加产生电流零点，所述快速开关熄弧，电流全部转移至所述换流电容和所述副边绕组支路，当所述快速开关两端电压达到所述吸能单元的动作值时，所述吸能单元导通并耗散系统能量，打开所述充电开关以切断残存振荡电流。
更进一步地，当切断额定电流时，断开所述充电开关，所述预充电模块给所述换流电容预充电，闭合所述充电开关后，所述换流电容与所述副边绕组形成高频振荡电流与所述快速开关中的额定电流叠加以产生电流零点，电流转移至所述换流电容，当所述换流电容的电压上升到所述吸能单元的动作值时，所述吸能单元导通并耗散系统能量。
更进一步地，切断故障电流时无需对所述换流电容预充电，通过所述耦合电抗器实现换流电容的自动充电；仅切断额定电流时需要预充电设备，降低预充电设备的体积和成本。
更进一步地，耦合电抗器为铁芯耦合电抗器、空心耦合电抗器或者平波电抗器加耦合线圈的形式。
更进一步地，所述快速开关为单个快速开关或N个依次串联连接的快速开关；N为大于1的正整数。各快速开关并联RC均压支路。
同时，本发明能够进行串联使用以实现高压直流断路器的模块化，灵活满足不同电压等级直流输电系统的需求。
综上所述，本发明提供的一种自动充电型强制过零高压直流断路器，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，通过耦合电抗器将故障电流流通线路与换流电容单元所在支路进行耦合，使得能够开断任意方向的故障电流，且无需预充电设备，无需快速投入换流电容所在支路的高速触发开关，从而解决了现有强制过零型高压直流断路器难以满足双向故障电流开断等功能，预充电设备体积大、换流支路的触发开关要求高和控制复杂等问题。
附图说明
图1为本发明实施例提供的自动充电型强制过零高压直流断路器的原理框图；
图2为本发明实施例提供的自动充电型强制过零高压直流断路器的具体电路图；
图3为本发明实施例提供的自动充电型强制过零高压直流断路器的多断口串联使用的具体电路图；
图4为本发明实施例提供的自动充电型强制过零高压直流断路器的多模块串联使用的具体电路图。
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。
本发明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，解决了现有强制过零型高压直流断路器预充电设备体积大、换流支路开关要求高、控制复杂和仅开断单一方向故障电流的技术问题。
本发明提供的一种自动充电型强制过零高压直流断路器，包括快速开关单元、吸能单元、耦合电抗器单元、换流电容单元和主回路隔离开关单元；耦合电抗器单元包括原边绕组和副边绕组；主回路隔离开关单元包括第一隔离开关和第二隔离开关；第一隔离开关与快速开关单元、原边绕组、所述第二隔离开关依次串联连接，快速开关单元和所述吸能单元并联连接，换流电容单元的一端与快速开关单元的输入端连接，且另一端通过副边绕组与所述快速开关单元的输出端连接。快速开关单元包括快速开关以及与快速开关的供电端连接的快速开关供能模块；快速开关用于承担电流开断后的系统电压，快速开关供能模块用于给快速开关中的操动机构提供电源；吸能单元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快速开关的限压保护；耦合电抗器用于发生故障时耦合故障电流流通线路与换流电容单元所在支路；换流电容单元包括依次串联连接的充电开关和换流电容，以及与换流电容充电端连接的预充电模块；换流电容用于与副边绕组产生谐振；预充电模块用于开断额定电流时给换流电容预充电；充电开关用于开断额定电流时断开，使得换流电容顺利充电，以及切断吸能部件耗散系统能量之后残存的振荡电流；主回路隔离开关单元用于在电流完全切除后断开以保护直流断路器。
其中，当发生故障时，快速开关立刻分断并发生燃弧，原边绕组中的故障电流逐渐上升并产生变化磁场，副边绕组中产生感应电流，感应电流与故障电流同方向以实现对换流电容的自动充电，换流电容充电完成后通过所述副边绕组放电，放电电流与故障电流反向并叠加产生电流零点，快速开关熄弧，电流全部转移至所述换流电容和所述副边绕组支路，当所述快速开关两端电压达到所述吸能单元的动作值时，吸能单元导通并耗散系统能量，最后打开所述充电开关以切断残存振荡电流。
其中，当切断额定电流时，断开所述充电开关，所述预充电模块给所述换流电容预充电，闭合所述充电开关后，所述换流电容与所述副边绕组形成高频振荡电流与所述快速开关中的额定电流叠加以产生电流零点，电流转移至所述换流电容，当所述换流电容的电压上升到所述吸能单元的动作值时，所述吸能单元导通并耗散系统能量。
其中，通过控制原边绕组与副边绕组同名端的位置，使得发生故障时所述副边绕组感应电流的方向与故障电流方向相同，实现对所述换流电容的自动充电，从而可以快速开断任意方向的故障电流，同时无需绝缘要求高、体积庞大的预充电设备。
在本发明实施例中，充电开关用于吸能单元导通并耗散系统能量之后打开以切断残存振荡电流，同时用于控制切断额定电流之前的所述换流电容的充电过程，充电开关的合闸和分闸速度均无严格要求，因此可以用普通交流断路器，无需高速可靠的触发开关。
在本发明实施例中，预充电模块仅仅用于切断额定电流时给换流电容预充电，相对于切断故障电流和额定电流时都需要对换流电容预充电，显著降低预充电模块的绝缘要求、体积和成本。
在本发明实施例中，耦合电抗器可以是类似变压器的铁芯耦合电抗器，也可以是空心耦合电抗器或者平波电抗器加耦合线圈的形式。
作为本发明的一个实施例，快速开关可以是单个快速开关，也可以是N个相同所述快速开关的依次串联连接，N为大于等于1的整数；当N大于1时，各快速开关并联RC均压支路。
在本发明实施例中，自动充电型高压直流断路器能够进行串联使用，以实现高压直流断路器的模块化，灵活满足不同电压等级直流输电系统的需求。
在本发明实施例中，快速开关供能模块包括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快速开关中的操动机构供电端连接，m为大于等于1的整数。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的自动充电型强制过零高压直流断路器，现结合附图和具体实施例详述如下：
如图1所示，本发明实施例提供的自动充电型强制过零高压直流断路器的原理框图，包括快速开关单元10、吸能单元20、耦合电抗器单元30、换流电容单元40、第一隔离开关51和第二隔离开关52；耦合电抗器单元30包括原边绕组31和副边绕组32；第一隔离开关51与快速开关单元10、原边绕组31、第二隔离开关52依次串联连接，快速开关单元10和吸能单元20并联连接，换流电容单元40的一端与快速开关单元10的a端连接且另一端与副边绕组32的f端连接，副边绕组32的e端与快速开关单元10的b端连接。
快速开关单元10包括快速开关11以及与快速开关11的供电端连接的快速开关供能模块12；快速开关11用于承担电流开断后的系统电压，快速开关供能模块12用于给快速开关11中的操动机构提供电源；
吸能单元20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快速开关11的限压保护；
耦合电抗器30用于发生故障时耦合故障电流流通线路与换流电容单元40所在支路；通过控制耦合电抗器30的原边绕组与副边绕组同名端的位置，使得发生故障时所述耦合电抗器副边感应电流的方向与故障电流方向相同，实现对换流电容的自动充电，从而可以快速开断任意方向的故障电流，同时无需绝缘要求高、体积庞大的预充电设备。
换流电容单元40包括依次串联连接的充电开关43和换流电容41，以及与换流电容41充电端连接的预充电模块42；换流电容41用于与副边绕组32发生振荡；预充电模块42用于开断额定电流时给换流电容41预充电；充电开关43用于开断额定电流时断开，使得换流电容41顺利充电，以及切断吸能部件耗散系统能量之后残存的振荡电流；第一隔离开关51和第二隔离开关52用于在电流完全切除后断开以保护直流断路器。其中预充电模块42仅仅用于切断额定电流时给所述换流电容预充电，相对于切断故障电流和额定电流时都需要对所述换流电容预充电，显著降低预充电模块的绝缘要求、体积和成本。
如图2所示，本发明实施例提供的自动充电型强制过零高压直流断路器的具体电路图，第一隔离开关K1与快速开关CB、原边绕组L1、第二隔离开关K2依次串联，吸能单元MOV与快速开关CB并联，充电开关K3与换流电容C、副边绕组L2依次串联，且一端与快速开关CB输入端连接，另一端与快速开关CB输出端连接。
快速开关CB用于承担电流开断后的系统电压；吸能单元MOV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快速开关CB的限压保护；耦合电抗器用于发生故障时耦合故障电流流通线路与换流电容单元C所在支路；换流电容C用于与副边绕组L2形成振荡；主回路隔离开关K1和K2用于在电流完全切除后断开以保护直流断路器。
具体工作方式如下：正常工作时，线路电流流过第一隔离开关K1、快速开关CB、原边绕组L1和第二隔离开关K2；当任一方向发生短路故障时，快速开关CB立刻分断并发生燃弧，原边绕组L1中的故障电流逐渐上升并产生变化磁场，副边绕组L2中产生感应电流，感应电流与故障电流同方向以实现对换流电容C的自动充电，换流电容C充电完成后通过副边绕组L2放电，放电电流与故障电流反向并叠加产生电流零点，快速开关CB熄弧，电流全部转移至换流电容C和副边绕组L2支路，当快速开关CB两端电压达到吸能单元MOV的动作值时，吸能单元MOV导通并耗散系统能量，最后打开充电开关K3以切断残存振荡电流，打开第一隔离开关K1和第二隔离开关K2，以保护直流断路器。
当切断额定电流时，断开充电开关K3，换流电容C预充电，闭合充电开关K3后，换流电容C与副边绕组L2形成高频振荡电流与快速开关CB中的额定电流叠加以产生电流零点，电流转移至换流电容C，当换流电容C的电压上升到吸能单元MOV的动作值时，吸能单元MOV导通并耗散系统能量，最后打开充电开关K3以切断残存振荡电流，打开第一隔离开关K1和第二隔离开关K2，以保护直流断路器。
如图3所示，本发明实施例提供的自动充电型强制过零高压直流断路器的多断口串联使用的具体电路图，N个快速开关CB依次串联连接，且一端与第一隔离开关K1连接，另一端通过原边绕组L1与第二隔离开关K2连接，每个快速开关CB并联吸能单元MOV和均压支路，均压支路由电阻R0和电容C0构成，充电开关K3与换流电容C、副边绕组L2依次串联，且一端与N个依次串联的快速开关CB输入端连接，另一端与N个依次串联的快速开关CB输出端连接，N为大于等于1的整数。
具体工作方式如下：正常工作时，线路电流流过第一隔离开关K1、N个依次串联的快速开关CB、原边绕组L1和第二隔离开关K2；当任一方向发生短路故障时，N个依次串联的快速开关CB立刻同时分断并发生燃弧，原边绕组L1中的故障电流逐渐上升并产生变化磁场，副边绕组L2中产生感应电流，感应电流与故障电流同方向以实现对换流电容C的自动充电，换流电容C充电完成后通过副边绕组L2放电，放电电流与故障电流反向并叠加产生电流零点，快速开关CB熄弧，电流全部转移至换流电容C和副边绕组L2支路，当快速开关CB两端电压达到吸能单元MOV的动作值时，吸能单元MOV导通并耗散系统能量，最后打开充电开关K3以切断残存振荡电流，打开第一隔离开关K1和第二隔离开关K2，以保护直流断路器；当切断额定电流时，断开充电开关K3，换流电容C预充电，闭合充电开关K3后，换流电容C与副边绕组L2形成高频振荡电流与快速开关CB中的额定电流叠加以产生电流零点，电流转移至换流电容C，当换流电容C的电压上升到吸能单元MOV的动作值时，吸能单元MOV导通并耗散系统能量，最后打开充电开关K3以切断残存振荡电流，打开第一隔离开关K1和第二隔离开关K2，以保护直流断路器。
如图4所示，本发明实施例提供的自动充电型强制过零高压直流断路器的多模块串联使用的具体电路图，包括第一隔离开关K1、第二隔离开关K2和N个直流断路器子模块，直流断路器子模块包括并联连接的快速开关CB、RC均压支路和MOV吸能支路，以及换流电容单元和耦合电抗器，换流电容单元包括依次串联连接充电开关K3和换流电容C，充电开关K3与换流电容C、副边绕组L2依次串联，且一端与快速开关CB输入端连接，另一端与快速开关CB输出端连接，N为大于等于1的整数。
具体工作方式如下：正常工作时，线路电流流过隔离开关K1、N个依次串联的直流断路器子模块中的快速开关CB和原边绕组L1；当任一方向发生短路故障时，N个依次串联的直流断路器子模块中的快速开关CB立刻同时分断并发生燃弧，原边绕组L1中的故障电流逐渐上升并产生变化磁场，副边绕组L2中产生感应电流，感应电流与故障电流同方向以实现对换流电容C的自动充电，换流电容C充电完成后通过副边绕组L2放电，放电电流与故障电流反向并叠加产生电流零点，快速开关CB熄弧，电流全部转移至换流电容C和副边绕组L2支路，当快速开关CB两端电压达到吸能单元MOV的动作值时，吸能单元MOV导通并耗散系统能量，最后打开充电开关K3以切断残存振荡电流，打开第一隔离开关K1和第二隔离开关K2，以保护直流断路器；当切断额定电流时，断开充电开关K3，换流电容C预充电，闭合充电开关K3后，换流电容C与副边绕组L2形成高频振荡电流与快速开关CB中的额定电流叠加以产生电流零点，电流转移至换流电容C，当换流电容C的电压上升到吸能单元MOV的动作值时，吸能单元MOV导通并耗散系统能量，最后打开充电开关K3以切断残存振荡电流，打开第一隔离开关K1和第二隔离开关K2，以保护直流断路器。
本发明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，通过耦合电抗器将故障电流流通线路与换流电容单元所在支路进行耦合，使得能够开断任意方向的故障电流，且无需预充电设备，无需快速投入换流电容所在支路的高速触发开关，从而解决了现有强制过零型高压直流断路器难以满足双向故障电流开断等功能，预充电设备体积大、换流支路的触发开关要求高和控制复杂等问题。
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 (8)
1.一种自动充电型强制过零高压直流断路器，其特征在于，包括快速开关单元(10)、吸能单元(20)、耦合电抗器单元(30)、换流电容单元(40)、第一隔离开关(51)和第二隔离开关(52)；
所述耦合电抗器单元(30)包括原边绕组(31)和副边绕组(32)；
所述第一隔离开关(51)、所述快速开关单元(10)、所述原边绕组(31)和所述第二隔离开关(52)依次串联连接；
所述吸能单元(20)与所述快速开关单元(10)并联连接；
所述换流电容单元(40)与所述副边绕组(32)串联后再与所述吸能单元(20)并联连接。
2.如权利要求1所述的自动充电型强制过零高压直流断路器，其特征在于，所述换流电容单元(40)包括换流电容(41)、预充电模块(42)和充电开关(43)；
所述充电开关(43)与所述换流电容(41)串联连接，所述换流电容(41)的非串联连接端用于与所述副边绕组(32)连接，所述换流电容(41)用于与所述副边绕组(32)发生振荡；
所述充电开关(43)的非串联连接端用于与所述第一隔离开关(51)和所述快速开关单元(10)的连接端连接；所述充电开关(43)用于当所述吸能单元(20)耗散系统能量后打开以切断残存振荡电流，并在切断额定电流之前控制所述换流电容(41)的充电过程；
所述预充电模块(42)连接在所述换流电容(41)的充电端，用于在开断额定电流时给所述换流电容(41)预充电。
3.如权利要求1或2所述的自动充电型强制过零高压直流断路器，其特征在于，所述快速开关单元(10)包括快速开关(11)以及与所述快速开关(11)的供电端连接的快速开关供能模块(12)；
所述快速开关(11)用于承担电流开断后的系统电压，所述快速开关供能模块(12)用于给所述快速开关(11)中的操动机构提供电源。
4.如权利要求1-3任一项所述的自动充电型强制过零高压直流断路器，其特征在于，当任一方向的短路故障发生时，所述快速开关(11)立刻分断并发生燃弧，所述原边绕组(31)中的故障电流逐渐上升并产生变化磁场，所述副边绕组(32)中产生感应电流，感应电流与故障电流同方向以实现对所述换流电容(41)的自动充电，所述换流电容(41)充电完成后通过所述副边绕组(32)放电，放电电流与故障电流反向并叠加产生电流零点，所述快速开关(11)熄弧，电流全部转移至所述换流电容(41)和所述副边绕组(32)支路，当所述快速开关(11)两端电压达到所述吸能单元(20)的动作值时，所述吸能单元(20)导通并耗散系统能量，打开所述充电开关(43)以切断残存振荡电流。
5.如权利要求1-4任一项所述的自动充电型强制过零高压直流断路器，其特征在于，当切断额定电流时，断开所述充电开关(43)，所述预充电模块(42)给所述换流电容(41)预充电，闭合所述充电开关(43)后，所述换流电容(41)与所述副边绕组(32)形成高频振荡电流与所述快速开关(11)中的额定电流叠加以产生电流零点，电流转移至所述换流电容(41)，当所述换流电容(41)的电压上升到所述吸能单元(20)的动作值时，所述吸能单元(20)导通并耗散系统能量。
6.如权利要求1-5任一项所述的自动充电型强制过零高压直流断路器，其特征在于，切断故障电流时无需对所述换流电容(41)预充电，通过所述耦合电抗器(30)实现所述换流电容(41)的自动充电；仅切断额定电流时需要预充电设备，降低预充电设备的体积和成本。
7.如权利要求1-6任一项所述的自动充电型强制过零高压直流断路器，其特征在于，所述耦合电抗器(30)为铁芯耦合电抗器、空心耦合电抗器或者平波电抗器加耦合线圈的形式。
8.如权利要求1-7任一项所述的自动充电型强制过零高压直流断路器，其特征在于，所述快速开关(11)为单个快速开关或N个依次串联连接的快速开关；N为大于1的正整数。
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