CN105262068A - 一种高压直流断路器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压直流断路器及其控制方法，包括通态电流支路、分断电流支路和桥式支路。通态电流支路由机械开关和包含全控器件的电流转移模块串联构成，保证正常导通时的低通态损耗；分断电流支路由非线性电阻和全控器件串联阀组相互并联构成；桥式支路包括由4个相同的换向模块所构成的两条桥臂，各换向模块均由不控器件串联阀组和电感串联构成。本发明引入桥式支路使得分断电流支路能够分断双向线路电流，降低了全控器件数量和设备成本。

Description

一种高压直流断路器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种高压直流断路器，还涉及一种高压直流断路器的控制方法，属于断路器技术领域。

背景技术

随着多端直流输电技术的发展，高压直流断路器将成为保证系统安全稳定运行的关键设备之一。多端高压直流输电系统由于电压等级高、线路阻抗小，一旦发生线路短路故障，将很快影响到直流输电网络和交流网络，必须迅速切除故障。因此，高压直流断路器需要动作速度快，能够最大限度的减小故障持续时间或抑制故障电流，减小故障对交/直流输电网络的冲击。

目前直流断路器技术通常有三种方式，1）LC谐振直流断路器：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，在分断时间和分断电流能力上无法满足多端柔性直流输电系统的要求；2）固态直流断路器，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；3）混合式直流断路器：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，但是需要分断两个方向的线路电流，需要大量的全控器件正向串联后再反向串联，全控器件数量多、价格高,导致直流断路器设备价格昂贵，影响其广泛应用和推广。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种高压直流断路器，在保证足够快的分断速度和低损耗的前提下，显著降低设备成本，增加设备的可扩展性。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种高压直流断路器，包括通态电流支路、电流换向与分断单元；所述通态电流支路包括串联连接的：机械开关S和包含全控器件的电流转移模块；

所述电流换向与分断单元包括：桥式支路和分断电流支路；

所述桥式支路包括：两个相同的同向并联的桥臂，所述桥臂由两个同向串联连接的换向模块组成，所述换向模块由不控器件串联阀组和电感串联组成；两桥臂中两换向模块的连接节点作为电流换向与分断单元的两个接线端；

所述分断电流支路与桥式支路的两桥臂并联连接；所述分断电流支路由N个分断电流模块串联组成，其中：N为不小于1的整数；所述分断电流模块包括：并联连接的非线性电阻R1和全控器件串联阀组；

所述高压直流断路器采用如下两种连接结构中的任一种：

第一种：所述电流换向与分断单元、通态电流支路均设有M组，通态电流支路和电流换向与分断单元一一对应并联连接，且所有通态电流支路依序串联连接；其中M为不小于1的整数；

第二种：所述电流换向与分断单元设置有两组以上，所述通态电流支路设置有一组，所有电流换向与分断单元依序串联后，与通态电流支路并联。

所述电流转移模块包括并联连接的非线性电阻R2和全控器件模块，所述全控器件模块包括两只以上串联连接的全控器件，其中至少两只全控器件反向串联连接。

所述电流转移模块包括并联连接的非线性电阻R2和全控器件模块，所述全控器件模块由一个或两个以上全桥子模块串联组成，所述全桥子模块包括四个桥式连接的全控器件，全桥子模块的桥臂两端还并联有电容器。

所述电流转移模块包括非线性电阻R2和两组单向通流模块，两单向通流模块反向并联连接后与非线性电阻R2并联连接；所述单向通流模块包括：至少一对全控器件和至少一对不控器件，全控器件与不控器件同向串联连接。

所述电流转移模块包括非线性电阻R2、全控器件串联模块、不控器件全桥模块，非线性电阻、全控器件串联模块与不控器件全桥模块的两个桥臂并联连接；

所述全控器件串联模块包括至少两个同向串联连接的全控器件；

所述不控器件全桥模块的每个桥臂由至少两个不控器件正向串联连接构成，两桥臂的中点分别作为电流转移模块的输入和输出端。

本发明的另一目的在于提供一种高压直流断路器的控制方法：

一）当直流系统正常运行时，闭合机械开关S，电流转移模块中的全控器件处于导通状态；稳态电流流经通态电流支路中串联连接的机械开关和电流转移模块；

二）直流系统发生短路故障时：

①首先开通分断电流支路的全控器件串联阀组，再闭锁通态电流支路的电流转移模块的全控器件；

②当通态电流支路电流完全转移至桥式支路和分断电流支路后，关闭通态电流支路的机械开关S；

③当机械开关S无弧分断后，闭锁分断电流支路的全控器件串联阀组，此时故障电流转移至非线性电阻R1中，直至系统能量被其所消耗吸收，所述直流断路器完成分断。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

1、本发明通过引入由不控器件串联阀组构成的桥式支路使得分断电流支路能够分断双向线路电流，显著减少全控器件的数量，不控器件的价格相比全控器件的通流能力强且远远低于全控器件，因此可以大大降低设备成本；

2、本发明的桥式支路种各换向模块由不控器件串联阀组和电感串联连接构成，不控器件的桥式结构实现了电流换向功能，串联电感限制了电流换向过程中产生的电流变化速率；

3、本发明所提供的断路器正常运行时，由机械开关和少量电力电子器件通流，通态损耗小；

4、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。

附图说明

图1是本发明提供的高压直流断路器的第一实施例的电路图。

图2是本发明提供的高压直流断路器的第二实施例的电路图。

图3是本发明提供的高压直流断路器的第三实施例的电路图。

图4是本发明提供的高压直流断路器的第四实施例的电路图。

图5是电流转移模块的第一实施例的电路图。

图6是电流转移模块的第二实施例的电路图。

图7是电流转移模块的第三实施例的电路图。

图8是电流转移模块的第四实施例的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明公开的高压直流断路器，包括通态电流支路、电流换向与分断单元。

通态电流支路包括串联连接的机械开关S和包含全控器件的电流转移模块。机械开关S的主要作用是隔断电压，在分断电流支路分断后，将会在通态电流支路两端产生较高的分断电压，机械开关S可承受很高的分断电压，使电流转换模块承受很小的分断电压。电流转移模块中包含的全控器件较少，机械开关S的通态电阻也很小，在正常工作状态下，线路电流流经通态电流支路后产生的损耗很低。

电流换向与分断单元包括：桥式支路和分断电流支路。

分断电流支路的主要作用是中断线路中的故障电流，并能够承受较高的分断电压。它由N个分断电流模块串联组成，其中：N为不小于1的整数。分断电流模块包括：并联连接的非线性电阻R1和全控器件串联阀组。当分断电流支路接收到分断指令后，同步分断全控器件串联阀组中的所有全控器件，分断后会在电节点c和电节点d之间产生分断电压，高电压使并联在两端的非线性电阻R1阻抗发生变化，最终电流被换至非线性电阻R1，能量由非线性电阻R1所吸收。需要说明的是：应用于分断电流支路的全控器件总数是固定，每个全控器件串联阀组内全控器件的数量根据全控器件串联阀组的数量平均分配，即N取值越大，则每个全控器件串联阀组内全控器件的数量越少。采用多个分断电流模块串联连接是为了减少单个分断电流模块体积大小、便于扩展集成。

桥式支路包括由四个电节点和四个相同的换向模块采用桥式连接构成，其中：换向模块D1、换向模块D3通过电节点a同向串联，构成桥式支路的第一桥臂；换向模块D2、换向模块D4通过电节点b同向串联，构成桥式支路的第二桥臂；换向模块D1通过电节点c与换向模块D2电连接，换向模块D3通过电节点d与换向模块D4电连接，使第一桥臂和第二桥臂实现同向并联连接。电节点a和电节点b分别引出一个连接线作为电流换向与分断单元的接电线端，电节点c和电节点d之间连接分断电流支路。

换向模块由不控器件串联阀组和电感串联组成。电流由通态电流支路向桥式支路和分断电流支路转移时，由于全控器件关断速度很快，电流将快速转移，此时流过桥式支路的不控器件的电流将迅速上升，因此串联电感的主要作用是抑制换流过程中较大的电流变化速率（di/dt），以防止功率器件损坏。不控器件串联阀组的桥式结构实现了电流换向功能，具体为：当线路电流方向为电节点a流向电节点b时，电流通过换向模块D1和D4流过分断电流支路，此时换向模块D1和D4导通、换向模块D2和D3关断，当分断电流支路关断后换向模块D2和D3将承受高电压；当线路电流方向为电节点b流向电节点a时，电流通过换向模块D2和D3流过分断电流支路，此时换向模块D2和D3导通、换向模块D1和D4关断，当分断电流支路关断后换向模块D1和D4将承受高电压。

下面结合具体实施例对高压直流断路器的具体连接结构进一步详细描述：

高压直流断路器第一实施例：

如图1所示，通态电流支路、电流换向与分断单元均设置一组，通态电流支路并联在电流换向与分断单元的两端。分断电流支路也仅设置有一个分断电流模块：包括一个非线性电阻R1和一个由多个全控器件同向串联连接组成的全控器件串联阀组，非线性电阻R1与全控器件串联阀组并联连接。

高压直流断路器第二实施例：

如图2所示，与高压直流断路器第一实施例的不同之处在于：电流换向与分断单元设置有多组，多组电流换向与分断单元依序串联连接，然后再与通态电流支路连接。

高压直流断路器第三实施例：

如图3所示，与高压直流断路器第一实施例的不同之处在于：电流换向分断单元中的分断电流支路设置有多个串联连接的非线性电阻R1，每个非线性电阻R1的两端均并联有一组全控器件串联阀组，但本实施例中所有全控器件串联阀组中全控器件的数量与高压直流断路器第一实施例中全控器件串联阀组中全控器件的数量相等，本实施例中每个全控器件串联阀组中全控器件的数量按照全控器件串联阀组的组数平均分配。此连接结构能够缩小单个分断电流模块的体积。

高压直流断路器第四实施例：

如图4所示，与高压直流断路器第一实施例的不同之处在于：通态电流支路、电流换向与分断单元均设置有多组，所有通态电流支路依序串联连接，电流换向与分断单元与通态电流支路一一对应并联连接。

高压直流断路器第五实施例：

与高压直流断路器第二实施例的不同之处在于：分断电流支路采用高压直流断路器第三实施例中的分断电流支路。

高压直流断路器第六实施例：

与高压直流断路器第四实施例的不同之处在于：分断电流支路采用高压直流断路器第三实施例中的分断电流支路。

前述的电流转移模块具有以下四种实施例，上述所有高压直流分段器结构均可以采用下述四种电流转移模块中的任一种，下面结合图5至图8对电流转移模块作进一步描述。

电流转移模块第一实施例：

如图5所示，电流转移模块包括并联连接的非线性电阻R2和全控器件模块，全控器件模块包括两只以上串联连接的全控器件，其中至少两只全控器件反向串联连接。

电流转移模块第二实施例：

如图6所示，电流转移模块包括并联连接的非线性电阻R2和全控器件模块，全控器件模块由一个或两个以上全桥子模块串联组成，全桥子模块包括四个桥式连接的全控器件，全桥子模块的桥臂两端还并联有电容器。

电流转移模块第三实施例：

如图7所示，电流转移模块包括非线性电阻R2和两组单向通流模块，两单向通流模块反向并联连接后与非线性电阻R2并联连接；单向通流模块包括：至少一对全控器件和至少一对不控器件，全控器件与不控器件同向串联连接。

电流转移模块第四实施例：

如图8所示，电流转移模块包括非线性电阻R2、全控器件串联模块、不控器件全桥模块，非线性电阻、全控器件串联模块与不控器件全桥模块的两个桥臂并联连接；全控器件串联模块包括至少两个同向串联连接的全控器件；不控器件全桥模块的每个桥臂由至少两个不控器件正向串联连接构成，两桥臂的中点分别作为电流转移模块的输入和输出端。

上述所有全控器件均需要具备开通与关断电流的能力，可采用门极可关断器件IGBT、EGBT、GTO、MOSFET等，不控器件不需要具备开通与关断电流的能力，可采用晶体二极管。

使用时，将高压直流断路器通过电节点a、电节点b串联连接于直流系统中，通过不控器件全桥电路的进行换流，可显著减少全控器件的数量，降低设备成本。

本发明提供一种高压直流断路器的控制方法是可采用上述任一高压直流断路器结构，具体控制方法如下：

一）当直流系统正常运行时，闭合机械开关S，电流转移模块中的全控器件处于导通状态；稳态电流流经通态电流支路中串联连接的机械开关和电流转移模块；

二）直流系统发生短路故障时：

①首先开通分断电流支路的全控器件串联阀组，再闭锁通态电流支路的电流转移模块的全控器件；

②当通态电流支路电流完全转移至桥式支路和分断电流支路后，关闭通态电流支路的机械开关S；

③当机械开关S无弧分断后，闭锁分断电流支路的全控器件串联阀组，此时故障电流转移至非线性电阻R1中，直至系统能量被其所消耗吸收，所述直流断路器完成分断。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高压直流断路器，其特征在于，包括通态电流支路、电流换向与分断单元；所述通态电流支路包括串联连接的：机械开关S和包含全控器件的电流转移模块；

所述电流换向与分断单元包括：桥式支路和分断电流支路；

所述桥式支路包括：两个相同的同向并联的桥臂，所述桥臂由两个同向串联连接的换向模块组成，所述换向模块由不控器件串联阀组和电感串联组成；两桥臂中两换向模块的连接节点作为电流换向与分断单元的两个接线端；

所述分断电流支路与桥式支路的两桥臂并联连接；所述分断电流支路由N个分断电流模块串联组成，其中：N为不小于1的整数；所述分断电流模块包括：并联连接的非线性电阻R1和全控器件串联阀组；

所述高压直流断路器采用如下两种连接结构中的任一种：

第一种：所述电流换向与分断单元、通态电流支路均设有M组，通态电流支路和电流换向与分断单元一一对应并联连接，且所有通态电流支路依序串联连接；其中M为不小于1的整数；

第二种：所述电流换向与分断单元设置有两组以上，所述通态电流支路设置有一组，所有电流换向与分断单元依序串联后，与通态电流支路并联。

2.根据权利要求1所述的高压直流断路器，其特征在于，所述电流转移模块包括并联连接的非线性电阻R2和全控器件模块，所述全控器件模块包括两只以上串联连接的全控器件，其中至少两只全控器件反向串联连接。

3.根据权利要求1所述的高压直流断路器，其特征在于，所述电流转移模块包括并联连接的非线性电阻R2和全控器件模块，所述全控器件模块由一个或两个以上全桥子模块串联组成，所述全桥子模块包括四个桥式连接的全控器件，全桥子模块的桥臂两端还并联有电容器。

4.根据权利要求1所述的高压直流断路器，其特征在于，所述电流转移模块包括非线性电阻R2和两组单向通流模块，两单向通流模块反向并联连接后与非线性电阻R2并联连接；所述单向通流模块包括：至少一对全控器件和至少一对不控器件，全控器件与不控器件同向串联连接。

5.根据权利要求1所述的高压直流断路器，其特征在于，所述电流转移模块包括非线性电阻R2、全控器件串联模块、不控器件全桥模块，非线性电阻、全控器件串联模块与不控器件全桥模块的两个桥臂并联连接；

所述全控器件串联模块包括至少两个同向串联连接的全控器件；

所述不控器件全桥模块的每个桥臂由至少两个不控器件正向串联连接构成，两桥臂的中点分别作为电流转移模块的输入和输出端。

6.一种高压直流断路器的控制方法，其特征在于：

一）当直流系统正常运行时，闭合机械开关S，电流转移模块中的全控器件处于导通状态；稳态电流流经通态电流支路中串联连接的机械开关和电流转移模块；

二）直流系统发生短路故障时：

①首先开通分断电流支路的全控器件串联阀组，再闭锁通态电流支路的电流转移模块的全控器件；

②当通态电流支路电流完全转移至桥式支路和分断电流支路后，关闭通态电流支路的机械开关S；

③当机械开关S无弧分断后，闭锁分断电流支路的全控器件串联阀组，此时故障电流转移至非线性电阻R1中，直至系统能量被其所消耗吸收，所述直流断路器完成分断。