CN105281303A - 一种混合式高压直流断路器及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合式高压直流断路器及其实现方法，直流断路器串联接于直流系统中，具体包括相互并联连接的通态支路、预转移支路、再转移支路和耗能支路；通态支路包括串联连接的至少一个快速机械开关和包含全控器件的第一电流转移模块；预转移支路包括串联连接的第一电感、第一半控器件晶闸管串联模块和包含全控器件的第二电流转移模块；再转移支路包括串联连接的第二电感、第二半控器件晶闸管串联模块和电容器；耗能支路由非线性电阻构成。直流断路器实现方法包括当直流系统正常运行及发生短路故障时对应的操作。本发明在保证足够快的分断速度和低损耗的前提下，采用半控器件晶闸管，分断电流能力大，耐受电压等级高，极大程度上降低了成本。

Description

一种混合式高压直流断路器及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种断路器及其实现方法，具体涉及一种混合式高压直流断路器及其实现方法。

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，但是需要使用大量的全控器件串联，技术难度大，制造成本高，而且当短路电流超过单个全控器件所能耐受电流峰值时，其成本将接近翻倍。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种混合式高压直流断路器及其实现方法，在保证足够快的分断速度和低损耗的前提下，主要采用半控器件晶闸管，技术成熟，易于实现，分断电流能力大，耐受电压等级高，极大程度上降低了成本。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的一种混合式高压直流断路器，串联接于直流系统中，混合式高压直流断路器包括相互并联连接的通态支路、预转移支路、再转移支路和耗能支路；所述通态支路包括串联连接的至少一个快速机械开关D和包含全控器件的第一电流转移模块M1；所述预转移支路包括串联连接的第一电感L1、第一半控器件晶闸管串联模块S1和包含全控器件的第二电流转移模块M2；所述再转移支路包括串联连接的第二电感L2、第二半控器件晶闸管串联模块S2和电容器C；所述耗能支路由非线性电阻R构成。

上述第一电流转移模块M1和第二电流转移模块M2包括非线性电阻R1和至少一个由两只反向串联连接的全控型功率开关器件模块，所述非线性电阻R1并联在串联连接的全控型功率开关器件模块两端，全控型功率开关器件两端均反并联有二极管。

上述第一电流转移模块M1和第二电流转移模块M2包括非线性电阻R2和至少一个由四只全控型功率开关器件及电容器C1组成的全桥模块，所述非线性电阻R2并联在串联连接的全桥模块两端，全控型功率开关器件两端均反并联有二极管。

上述第一电流转移模块M1和第二电流转移模块M2包括非线性电阻R3和反向并联的两组单向通流模块，所述非线性电阻R3和反向并联的两组单向通流模块相互并联，所述单向通流模块由至少一对全控型功率开关器件和不控器件(不控器件为二极管)正向串联连接构成。

上述第一电流转移模块M1和第二电流转移模块M2包括非线性电阻R4、全控型功率开关器件串联模块和不控器件全桥模块，所述非线性电阻R4、全控型功率开关器件串联模块和不控器件全桥模块的两个桥臂相互并联连接；所述不控器件全桥模块的每个桥臂由至少两个不控器件(不控器件为二极管)正向串联连接构成，两个桥臂的中点作为电流转移模块的输入端和输出端。

上述第一半控器件晶闸管串联模块S1和第二半控器件晶闸管串联模块S2由两组反并联的晶闸管阀构成。

上述的混合式高压直流断路器的实现方法，具体方法如下：

一)当直流系统正常运行时，快速机械开关D闭合，第一电流转移模块M1处于导通状态；稳态电流流经通态支路中串联连接的快速机械开关D和第一电流转移模块M1；

二)直流系统发生短路故障时：

①先关闭通态支路的第一电流转移模块M1，再开通预转移支路的第二电流转移模块M2，然后触发导通预转移支路的第一半控器件晶闸管串联模块S1；

②当通态支路电流完全转移至预转移支路后，分断快速机械开关D；

③当快速机械开关D无弧分断后，关闭预转移支路的第二电流转移模块M2，再触发导通再转移支路的第二半控器件晶闸管串联模块S2，电流从预转移支路向再转移支路转移，第一半控器件晶闸管串联模块S1在其电流降为零后关断；

④故障电流经过电感L2、第二半控器件晶闸管串联模块S2给电容器C充电，当电容器C幅值达到避雷器动作电压时，避雷器动作,第二半控器件晶闸管串联模块S2在其电流降为零后关断，此时故障电流完全转移至避雷器中，直至系统能量被其所消耗吸收，直流断路器完成分断。

本发明的有益效果如下：

本发明所提供的断路器正常运行时，由快速机械开关和少量电力电子器件流通，通态损耗小；

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；

本发明所提供的断路器拓扑所使用主要为半控型电力电子器件，技术成熟，易于实现，且极大降低了制造成本；

本发明所提供的断路器所使用晶闸管具有很强的通流能力，使得其分断电流能力大为增强；

本发明所提供的断路器所使用晶闸管较高的耐压能力，应用于高电压等级时在技术和经济性上都更具有优势；

本发明所提供的断路器结构新颖、控制简单，易于拓展。

附图说明

图1为本发明的混合式高压直流断路器拓扑结构图；

图2为本发明的电流转移模块的实施例一；

图3为本发明的电流转移模块的实施例二；

图4为本发明的电流转移模块的实施例三；

图5为本发明的电流转移模块的实施例四；

图6为本发明的采用电流转移模块的实施例一时断路器分断示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

本发明的一种混合式高压直流断路器，该直流断路器包括通态支路、预转移支路、再转移支路和耗能支路。通态支路由快速机械开关和全控器件电流转移模块串联构成，保证正常导通时的低通态损耗；预转移支路由电感、半控器件晶闸管串联模块和全控器件电流转移模块串联构成，保证快速机械开关无电弧关断、同时具有强通流能力；再转移支路由电感、半控器件晶闸管串联模块和电容器串联构成，在预转移支路晶闸管可靠关断后，再转移支路电容器将迅速建立起足够直流电压并由耗能支路进行能量吸收。

实施例一：

参见图1，本发明的混合式高压直流断路器通过端口1、2串联接入直流系统中，包括四条支路，分别为通态支路、预转移支路、再转移支路和耗能支路，四条支路相互并联连接。

通态支路由至少一个快速机械开关D和包含全控器件的第一电流转移模块M1串联连接组成。

预转移支路由第一电感L1、第一半控器件晶闸管串联模块S1和包含全控器件的第二电流转移模块M2串联连接组成。

再转移支路由第一电感L2、第二半控器件晶闸管串联模块S2和电容器C串联连接组成。

耗能支路由非线性电阻R组成。

第一半控器件晶闸管串联模块S1和第一半控器件晶闸管串联模块S2由两组反并联的晶闸管阀构成。

参见图2，第一电流转移模块M1和第二电流转移模块M2采用非线性电阻R1和至少一个由两只全控型功率开关器件反向串联连接的模块，非线性电阻并联在串联连接的全控型功率开关器件模块两端。

参见图6，本实施例中，混合式高压直流断路器的实现方法如下：

一)当直流系统正常运行时，快速机械开关D闭合，第一电流转移模块M1处于导通状态，稳态电流流经通态支路中串联连接的快速机械开关D和第一电流转移模块M1中串联连接的全控型功率开关器件。第一电流转移模块M1需耐受高于预转移支路的通态压降，使得预转移支路的第一半控器件晶闸管串联模块S1和第二电流转移模块M2能够成功开通而自身不被损坏。因此第一电流转移模块M1所需耐压能力低，IGBT串联数量少，使得断路器正常运行时通态损耗小。

二)当直流系统发生短路故障时：

①首先关闭通态支路的第一电流转移模块M1，再开通预转移支路的第二电流转移模块M2，然后触发导通预转移支路的第一半控器件晶闸管串联模块S1；

②当通态支路电流完全转移至预转移支路后，分断快速机械开关D；

③当快速机械开关D无弧分断后，关闭预转移支路的第二电流转移模块M2，再触发导通再转移支路的第二半控器件晶闸管串联模块S2，电流从预转移支路向再转移支路转移，第一半控器件晶闸管串联模块S1在其电流降为零后关断；

④故障电流经过电感L2、第二半控器件晶闸管串联模块S2给电容器C充电。当电容器幅值达到避雷器动作电压时，避雷器动作。第二半控器件晶闸管串联模块S2在其电流降为零后关断，此时故障电流完全转移至避雷器中，直至系统能量被其所消耗吸收，所述直流断路器完成分断。

第二电流转移模块M2需耐受再转移换流结束时再转移支路两端的电压，即第二半控器件晶闸管串联模块S2的通态电压与再转移换流结束时电容器C两端电压的和。第二半控器件晶闸管串联模块S2的通态压降固定不变，为了减少第二电流转移模块M2的电压，可以适当增加电容器C的容值来降低换流结束时其两端的电压。第二电流转移模块M2为了具有较强的通流能力，可采用并联技术。

实施例二：

参见图3，实施例二中，第一电流转移模块M1和第二电流转移模块M2采用非线性电阻R2和至少一个由四只全控型功率开关器件、电容器组成的全桥模块，非线性电阻并联在串联连接的全桥模块两端。

实施例三：

参见图4，实施例三中，第一电流转移模块M1和第二电流转移模块M2采用非线性电阻R3和反向并联的两组单向通流模块，非线性电阻和反向并联的两组单向通流模块相互并联。

其中，单向通流模块由至少一对全控器件和不控器件正向串联连接构成。

实施例四：

参见图5，实施例四中，第一电流转移模块M1和第二电流转移模块M2采用非线性电阻、全控器件串联模块、不控器件全桥模块，非线性电阻、全控器件串联模块和不控器件全桥模块的两个桥臂相互并联连接。其中，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，两个桥臂的中点作为电流转移模块的输入端和输出端。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种混合式高压直流断路器，其特征在于，串联接于直流系统中，混合式高压直流断路器包括相互并联连接的通态支路、预转移支路、再转移支路和耗能支路；

所述通态支路包括串联连接的至少一个快速机械开关D和包含全控器件的第一电流转移模块M1；

所述预转移支路包括串联连接的第一电感L1、第一半控器件晶闸管串联模块S1和包含全控器件的第二电流转移模块M2；

所述再转移支路包括串联连接的第二电感L2、第二半控器件晶闸管串联模块S2和电容器C；

所述耗能支路由非线性电阻R构成。

2.根据权利要求1所述的混合式高压直流断路器，其特征在于，所述第一电流转移模块M1和第二电流转移模块M2包括非线性电阻R1和至少一个由两只反向串联连接的全控型功率开关器件模块，所述非线性电阻R1并联在串联连接的全控型功率开关器件模块两端，全控型功率开关器件两端均反并联有二极管。

3.根据权利要求1所述的混合式高压直流断路器，其特征在于，所述第一电流转移模块M1和第二电流转移模块M2包括非线性电阻R2和至少一个由四只全控型功率开关器件及电容器C1组成的全桥模块，所述非线性电阻R2并联在串联连接的全桥模块两端，全控型功率开关器件两端均反并联有二极管。

4.根据权利要求1所述的混合式高压直流断路器，其特征在于，所述第一电流转移模块M1和第二电流转移模块M2包括非线性电阻R3和反向并联的两组单向通流模块，所述非线性电阻R3和反向并联的两组单向通流模块相互并联，所述单向通流模块由至少一对全控型功率开关器件和不控器件正向串联连接构成，全控型功率开关器件两端均反并联有二极管。

5.根据权利要求1所述的混合式高压直流断路器，其特征在于，所述第一电流转移模块M1和第二电流转移模块M2包括非线性电阻R4、全控型功率开关器件串联模块和不控器件全桥模块，所述非线性电阻R4、全控型功率开关器件串联模块和不控器件全桥模块的两个桥臂相互并联连接；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，两个桥臂的中点作为电流转移模块的输入端和输出端，全控型功率开关器件两端均反并联有二极管。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的混合式高压直流断路器，其特征在于，所述第一半控器件晶闸管串联模块S1和第二半控器件晶闸管串联模块S2由两组反并联的晶闸管阀构成。

7.根据权利要求1所述的混合式高压直流断路器的实现方法，其特征在于，具体方法如下：

一)当直流系统正常运行时，快速机械开关D闭合，第一电流转移模块M1处于导通状态；稳态电流流经通态支路中串联连接的快速机械开关D和第一电流转移模块M1；

二)直流系统发生短路故障时：

①先关闭通态支路的第一电流转移模块M1，再开通预转移支路的第二电流转移模块M2，然后触发导通预转移支路的第一半控器件晶闸管串联模块S1；

②当通态支路电流完全转移至预转移支路后，分断快速机械开关D；

③当快速机械开关D无弧分断后，关闭预转移支路的第二电流转移模块M2，再触发导通再转移支路的第二半控器件晶闸管串联模块S2，电流从预转移支路向再转移支路转移，第一半控器件晶闸管串联模块S1在其电流降为零后关断；

④故障电流经过电感L2、第二半控器件晶闸管串联模块S2给电容器C充电，当电容器C幅值达到避雷器动作电压时，避雷器动作,第二半控器件晶闸管串联模块S2在其电流降为零后关断，此时故障电流完全转移至避雷器中，直至系统能量被其所消耗吸收，直流断路器完成分断。