CN105281288A - 一种具备双向阻断功能的直流断路器拓扑 - Google Patents

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一种具备双向阻断能力的直流断路器拓扑，其特征在于：所述的直流断路器拓扑由主回路模块(1)、故障电流阻断模块(2)，第一二极管组(3)和第二二极管组(4)组成；主回路模块(1)的第一引出端子与第一二极管组(3)的阳极连接，其连接点作为所述的直流断路器拓扑的第一引出端子(5)；主回路模块(1)的第二引出端子与第二二极管组(4)的阳极连接，其连接点作为所述的直流断路器拓扑的第二引出端子(6)；第一二极管组(3)的阴极与第二二极管组(4)的阴极连接，并与故障电流阻断模块(2)的第一引出端子连接于连接点(7)；故障电流阻断模块(2)的第二引出端子作为所述的直流断路器拓扑的第三引出端子(8)。

Description

一种具备双向阻断功能的直流断路器拓扑
技术领域
本发明涉及一种直流断路器拓扑。
背景技术
快速直流断路器是保证直流输配电系统和直流电网系统稳定安全可靠运行的关键设备之一。与交流系统所不同的是，直流系统的电流并不存在自然过零点，因此直流系统中无法像交流系统一样利用电流的自然过零点关断，因此直流电流的开断问题一直是一个值得研究的课题。
目前开断直流电流通常有两种方式，第一种是纯电力电子断路器，如ABB公司申请的专利CN102870181A，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。
第二种是混合断路器技术，即在传统的交流机械断路器的基础上，通过增加辅助的电力电子电路，投入限流电阻以降低短路电流或在开断弧间隙的直流电流上叠加振荡电流，利用电流过零时开断电路。利用这种原理制造的混合式断路器，其对机械开关有特殊要求，在分断时间上较难满足直流输电系统的要求。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术成本较高。工程实现难度较大的不足，提出一种混合式直流断路器。本发明具有稳态运行时损耗小，出现短路故障时无电弧切断，响应迅速等特点。
所述的直流断路器拓扑由主回路模块、故障电流阻断模块，第一二极管组和第二二极管组组成。主回路模块的第一引出端子与第一二极管组的阳极连接，连接点作为所述的直流断路器拓扑的第一引出端子；主回路模块的第二引出端子与第二二极管组的阳极连接，连接点作为所述的直流断路器拓扑的第二引出端子；第一二极管组的阴极与第二二极管组的阴极连接，并与故障电流阻断模块的第一引出端子连接于连接点；故障电流阻断模块的第二引出端子作为所述的直流断路器拓扑的第三引出端子。
所述的主回路模块由机械开关和半导体器件组组成。机械开关的一端作为主回路模块的第一引出端子，机械开关的另一端与半导体器件组的第一引出端子连接，半导体器件组的第二引出端子作为主回路模块的第二引出端子引出。
所述的主回路模块也可以仅由机械开关组成，半导体器件组用导线代替。
所述的故障电流阻断模块由n个子模块级联组成，n为大于等于1的整数。每个子模块由电容，子模块二极管，子模块全控型半导体器件和避雷器组成。所述的电容正极与子模块二极管的阴极连接于第一连接点，并与避雷器的一端连接，避雷器的另一端与电容的负极连接于第二连接点，并与子模块全控型半导体器件的发射极连接，作为子模块的第二引出端子，子模块二极管的阳极与子模块全控型半导体器件的集电极连接，作为子模块的第一引出端子。
在启动时，故障电流阻断模块中的各子模块中的全控型半导体器件关断，直流电流经过第一二极管或者第二二极管，然后依次流经各子模块中二极管和各子模块电容流到负直流母线中，该过程能够对各子模块电容进行充电。
当直流故障发生时，故障电流阻断模块中的各子模块中的全控型半导体器件导通，然后主回路关断，然后故障电流阻断模块中的各子模块全控型半导体器件关断，电流流过各子模块电容，当各子模块电容电压达到避雷器动作电压时，电流转而流过各子模块避雷器，依靠避雷器消耗掉直流网络残余能量，故障电流逐渐衰减为零。
所述的故障电流阻断模块也可以由全控型半导体器件组与避雷器并联组成。所述的全控型半导体器件组由多个全控型器件串联组成。如果采用此种结构，当故障发生时，故障电流阻断模块中的各子模块中的全控型半导体器件导通，然后主回路关断，然后故障电流阻断模块中的各子模块全控型半导体器件关断，电流流过各子模块避雷器，依靠避雷器消耗掉直流网络残余能量，故障电流逐渐衰减为零。
本发明的优点：
a.所使用的半导体器件数量少，耐压需求低；
b.整个装置无源器件需求少，体积小，重量轻；
c.采用已成熟的全桥子模块技术，易于工程实现。
附图说明
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1为本发明的电路结构示意图；
图2为本发明的实施例1的电路原理图；
图3为本发明的实施例2的电路原理图。
具体实施方式
如图1所示，所述的直流断路器拓扑由主回路模块1、故障电流阻断模块2，第一二极管组3，第二二极管组4组成。主回路模块的第一引出端子与第一二极管组3的阳极连接作为所述的直流断路器拓扑的第一引出端子5，主回路模块的第二引出端子与第二二极管组4的阳极连接作为所述的直流断路器拓扑的第二引出端子6，第一二极管组的阴极与第二二极管组的阴极连接，并与故障电流阻断模块的第一引出端子连接于连接点7；故障电流阻断模块的第二引出端子作为所述的直流断路器拓扑的第三引出端子8。
所述的主回路模块由机械开关11和半导体器件组14组成。机械开关的一端作为主回路模块的第一引出端子，机械开关的另一端与半导体器件组的第一引出端子连接，半导体器件组的第二引出端子作为主回路模块的第二引出端子引出。
所述的故障电流阻断模块2由3个子模块级联组成。每个子模块由电容26，子模块二极管24，子模块全控型半导体器件25和避雷器27组成。所述的电容正极与子模块二极管的阴极连接于第一连接点30，并与避雷器的一端连接，避雷器的另一端与电容的负极连接于第二连接点，并与子模块全控型半导体器件的发射极连接，作为子模块的第二引出端子29，子模块二极管的阳极与子模块全控型半导体器件的集电极连接，作为子模块的第一引出端子28。
在启动时，故障电流阻断模块中的各子模块中的全控型半导体器件关断，直流电流经过第一二极管3或者第二二极管4，然后依次流经各子模块中二极管和各子模块电容流到负直流母线中，该过程能够对各子模块电容进行充电。
当直流故障发生时，故障电流阻断模块中的各子模块中的全控型半导体器件导通，然后主回路模块关断，然后故障电流阻断模块中的各子模块全控型半导体器件关断，电流流过各子模块电容，当各子模块电容电压达到避雷器动作电压时，电流转而流过各子模块避雷器，依靠避雷器消耗掉直流网络残余能量，故障电流逐渐衰减为零。
实施例1
图2所示为所述直流断路器接入直流线中的具体实施例，其中直流断路器的的第一引出端子5与直流线路上的电感32一端连接，电感另一端与换流站33的正极连接，直流断路器的第二引出端子6与短路点31连接，直流断路器的第三引出端子8与负直流母线连接。主回路模块中的半导体器件组14由第一IGBT模块12与第二IGBT模块13反向串联组成。故障电流阻断模块由第一子模块21、第二子模块22、第三子模块23级联组成。
实施例2
图3所示为故障电流阻断模块的另一种实现方式，故障电流阻断模块2由全控型半导体器件组41与避雷器42并联组成，全控型半导体器件组41由多个IGBT串联组成。

Claims (4)

1.一种具备双向阻断能力的直流断路器拓扑，其特征在于：所述的直流断路器拓扑由主回路模块(1)、故障电流阻断模块(2)，第一二极管组(3)和第二二极管组(4)组成；主回路模块(1)的第一引出端子与第一二极管组(3)的阳极连接，其连接点作为所述的直流断路器拓扑的第一引出端子(5)；主回路模块(1)的第二引出端子与第二二极管组(4)的阳极连接，其连接点作为所述的直流断路器拓扑的第二引出端子(6)；第一二极管组(3)的阴极与第二二极管组(4)的阴极连接，并与故障电流阻断模块(2)的第一引出端子连接于连接点(7)；故障电流阻断模块(2)的第二引出端子作为所述的直流断路器拓扑的第三引出端子(8)。
2.按照权利要求1所述的直流断路器拓扑，其特征在于：所述的主回路模块由机械开关(11)和半导体器件组(14)组成；机械开关(11)的一端作为主回路模块的第一引出端子，机械开关(11)的另一端与半导体器件组(14)的第一引出端子连接，半导体器件组(14)的第二引出端子作为主回路模块(1)的第二引出端子。
3.按照权利要求1所述的直流断路器拓扑，其特征在于：所述的故障电流阻断模块(2)由n个子模块级联组成，n为大于等于1的整数；每个子模块由电容(26)，子模块二极管(24)，子模块全控型半导体器件(25)和避雷器(27)组成；所述的电容(26)的正极与子模块二极管(24)的阴极连接于第一连接点(30)，并与避雷器(27)的一端连接，避雷器(27)的另一端与电容(26)的负极连接于第二连接点，并与子模块全控型半导体器件(25)的发射极连接，作为子模块的第二引出端子(29)，子模块二极管(24)的阳极与子模块全控型半导体器件(25)的集电极连接，作为子模块的第一引出端子(28)。
4.按照权利要求1所述的直流断路器拓扑，其特征在于：所述的故障电流阻断模块由全控型半导体器件组与避雷器并联组成；所述的全控型半导体器件组由多个全控型器件串联组成。
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