CN105305372B - 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，包括主电流电路、第一转移电路、第二转移电路、能量吸收电路、磁场发生电路、系统接线端J1和J2，还公开了一种高压直流断路器的控制方法，包括系统正常工作阶段和系统出现短路故障后断路器的工作模式；本发明能减小系统长期通流损耗，加速分断过程中的电流转移过程，实现机械开关弧后介质可靠恢复，提升断路器的整体分断性能。

Description

一种高压直流断路器及其控制方法

技术领域

本发明属于电力系统故障保护技术领域，具体涉及一种高压直流断路器，以及其控制方法。

背景技术

直流断路器是直流电力系统中的关键保护设备，在系统发生短路故障时担负着快速断开电路、实现故障隔离的重要任务。传统的直流开断方式受其自身开断机制的制约，无法满足高压直流电力系统保护的需求。新型快速直流开断技术一直是直流电力系统中研究的热点和难点，目前主要有固态断路器和混合断路器两种方案。

采用纯半导体开关实现的直流固态断路器如图1所示，具有能够无弧快速分断直流电流的优点，然而其分断能力较低，系统长期运行损耗过大。

结合快速机械开关和半导体开关构成的混合直流断路器，兼备机械开关良好的静态性能和半导体开关优良的动态特性，分别有零电流开关和零电压开关两种基本类型。

参照图2所示，零电流开关通过LC强迫换流电路实现机械开关S电流过零分断，机械开关S电流过零时di/dt很高，弧后介质难以快速恢复，导致大电流分断的可靠性较低。

参照图3所示，零电压开关通过机械开关S分断时产生的电弧电压，实现电流向全控型半导体器件IGBT的转移，然后通过IGBT将电流关断；在高压系统中，机械开关S和IGBT之间回路的杂散电感很大，机械开关S较低的电弧电压难以实现短路电流的快速转移，致使分断失败。因此，电流快速转移技术和机械开关弧后介质可靠恢复技术是阻碍现有混合直流断路器向高压大容量系统发展的根本原因。

发明内容

为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的之一是提供一种同时结合快速机械开关和大功率半导体开关的高压直流断路器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高压直流断路器，包括主电流电路、第一转移电路、第二转移电路、能量吸收电路、磁场发生电路、系统接线端J1和J2；

所述的主电流电路、第二转移电路和能量吸收电路并联，并联电路的第一联结端与所述的系统接线端J1连接，并联电路的第二联结端与所述的系统接线端J2连接；

所述的主电流电路由真空开关模块VB1和真空开关模块VB2串联构成，所述真空开关模块VB1和真空开关模块VB2是至少由一个真空开关构成的串并联组件，所述的真空开关是基于电磁斥力原理构成的快速真空开关；

所述的第一转移电路是至少由一个半导体开关串并联构成的半导体开关组件T，与所述的真空开关模块VB1并联，所述的半导体开关采用二极管或晶闸管；

所述的第二转移电路是由预充电电容C2、电感L2和控制开关S2依次串联构成的脉冲电流电路，所述的电容C2与电感L2连接的一极为预充电电压正极，所述的控制开关S2采用至少由一个晶闸管或真空触发开关串并联构成的开关组件；

所述的能量吸收电路是由多个压敏电阻单元串并联构成的压敏电阻组件MOV；

所述的磁场发生电路是由预充电电容C1、线圈L1和控制开关S1依次串联构成的脉冲磁场回路，所述的真空开关模块VB1和磁场发生电路之间没有电气连接关系，所述的线圈L1与所述的真空开关模块VB1尽量靠近，线圈L1的法向与真空开关模块VB1中电流方向垂直。

所述的一种高压直流断路器，其磁场发生电路中的控制开关S1接通时，所述的电容C1通过所述的线圈L1放电，所述的线圈L1产生与所述真空开关模块VB1中电流方向垂直的横向磁场B。

所述的一种高压直流断路器，其半导体开关组件T采用晶闸管反向并联组件T1或二极管桥式电路与单向晶闸管构成的组件T2，所述的第二转移电路采用预充电电容、电感与晶闸管桥构成的桥式转移电路T3，使高压直流断路器实现双向电流分断功能。

本发明的目的之二是提供一种高压直流断路器的控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高压直流断路器的控制方法，包括以下步骤：

a)、在直流电力系统正常工作阶段，主电流电路中的真空开关模块VB1和真空开关模块VB2均处于闭合状态，负载电流由真空开关模块VB1和真空开关模块VB2承担；

b)、当系统出现短路故障后，真空开关模块VB1和真空开关模块VB2同时分断，磁场发生电路（5）导通，产生能显著提高真空开关模块VB1分断电弧电压的横向磁场B；

c)、在真空开关模块VB1分断的同时，第一转移电路中的半导体开关组件T导通，在真空开关模块VB1电弧电压的作用下，电流迅速从真空开关模块VB1向半导体开关组件T中转移；

d)、当电流完全转移至半导体开关组件T之后，延时至所述真空开关模块VB2的触头分开到足够开距时，第二转移电路中控制开关S2接通，电容C2通过电感L2放电产生脉冲电流，迫使半导体开关组件T和真空开关模块VB2中的电流同时减小为零；

e)、半导体开关组件T电流过零关断后，系统母线对电容C2反向充电，导致断路器两端的电压不断增加，当电压增加到压敏电阻组件MOV的开通值后，压敏电阻组件MOV导通吸收系统能量并限制过电压，实现对故障电流的限制并最终使其减小为零。

所述的一种高压直流断路器的控制方法，其半导体开关组件T采用二极管组件时还包括以下步骤：

A)、二极管不需要门极控制，在真空开关模块VB1电弧电压开始建立时，即自动进入电流转移过程；

B)、二极管电流过零后，电容C2电压极性相对于二极管为反向，在电容C2电压方向变化之前，二极管反向截止，在此期间，真空开关模块VB2进行弧后介质快速恢复；

C)、二极管首先承受分断过程中断路器两端建立的反向恢复电压，当恢复电压变为正向后，由真空开关模块VB2完全承担。

所述的一种高压直流断路器的控制方法，其半导体开关组件T采用晶闸管组件时还包括以下步骤：

A)、在真空开关模块VB1电弧电压开始建立时，通过门极控制晶闸管导通，实现电流的转移过程；

B)、晶闸管电流过零后，电容C2电压极性相对于晶闸管为反向，晶闸管自然关断，由于晶闸管同时具备正反向阻断功能，真空开关模块VB2能够更加可靠地完成弧后介质恢复；

C)、晶闸管首先承受分断过程中断路器两端建立的反向恢复电压，当恢复电压变为正向后，由晶闸管组件和真空开关模块VB2共同承担。

本发明的有益效果是：

1、系统正常运行损耗小，带负载能力强。

2、分断过程电弧电压高，电流转移速度快。

3、机械开关介质恢复迅速，分断可靠性高。

4、断路器容易实现双向分断功能。

附图说明

图1为现有的固态断路器方案的示意图；

图2为现有的零电流开关方案的示意图；

图3为现有的零电压开关方案的示意图；

图4为本发明的高压混合式直流断路器方案的示意图；

图5为本发明具体实施例1中方案的示意图；

图6为本发明具体实施例1中的预期分断波形；

图7为本发明具体实施例2中方案的示意图；

图8为本发明具体实施例2中的预期分断波形；

图9为本发明双向半导体开关组件T1的结构示意图；

图10为本发明双向半导体开关组件T2的结构示意图；

图11为本发明双向桥式转移电路T3的结构示意图。

各附图标记为：1—主电流电路，2—第一转移电路，3—第二转移电路，4—能量吸收电路，5—磁场发生电路，J1—系统接线端，J2—系统接线端，S1—控制开关，S2—控制开关。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图4所示，本发明公开了一种高压直流断路器，包括主电流电路1、第一转移电路2、第二转移电路3、能量吸收电路4、磁场发生电路5、系统接线端J1和系统接线端J2，其中：

所述的主电流电路1、第二转移电路3和能量吸收电路4并联，并联电路的第一联结端与所述的系统接线端J1连接，并联电路的第二联结端与所述的系统接线端J2连接；

所述的主电流电路1由真空开关模块VB1和真空开关模块VB2串联构成，所述真空开关模块VB1和真空开关模块VB2是至少由一个真空开关构成的串并联组件，所述的真空开关是基于电磁斥力原理构成的快速真空开关；

所述的第一转移电路2是至少由一个半导体开关串并联构成的半导体开关组件T，与所述的真空开关模块VB1并联，所述的半导体开关采用二极管或晶闸管；

所述的第二转移电路3是由预充电电容C2、电感L2和控制开关S2依次串联构成的脉冲电流电路，所述的电容C2与电感L2连接的一极为预充电电压正极，所述的控制开关S2采用至少由一个晶闸管或真空触发开关串并联构成的开关组件；

所述的能量吸收电路4是由多个压敏电阻单元串并联构成的压敏电阻组件MOV；

所述的磁场发生电路5是由预充电电容C1、线圈L1和控制开关S1依次串联构成的脉冲磁场回路，所述的真空开关模块VB1和磁场发生电路5之间没有电气连接关系，所述的线圈L1与所述的真空开关模块VB1尽量靠近，线圈L1的法向与真空开关模块VB1中电流方向垂直。

其中，磁场发生电路5中的控制开关S1接通时，所述的电容C1通过所述的线圈L1放电，所述的线圈L1产生与所述真空开关模块VB1中电流方向垂直的横向磁场B。

其中，半导体开关组件T采用晶闸管反向并联组件T1或二极管桥式电路与单向晶闸管构成的组件T2，所述的第二转移电路3采用预充电电容、电感与晶闸管桥构成的桥式转移电路T3，使高压直流断路器实现双向电流分断功能。

一种高压直流断路器的控制方法，包括以下步骤：a)、在直流电力系统正常工作阶段，主电流电路中的真空开关模块VB1和真空开关模块VB2均处于闭合状态，负载电流由真空开关模块VB1和真空开关模块VB2承担；b)、当系统出现短路故障后，真空开关模块VB1和真空开关模块VB2同时分断，磁场发生电路导通，产生能显著提高真空开关模块VB1分断电弧电压的横向磁场B；c)、在真空开关模块VB1分断的同时，第一转移电路中的半导体开关组件T导通，在真空开关模块VB1电弧电压的作用下，电流迅速从真空开关模块VB1向半导体开关组件T中转移；d)、当电流完全转移至半导体开关组件T之后，延时至所述真空开关模块VB2的触头分开到足够开距时，第二转移电路中控制开关S2接通，电容C2通过电感L2放电产生脉冲电流，迫使半导体开关组件T和真空开关模块VB2中的电流同时减小为零；e)、半导体开关组件T电流过零关断后，系统母线对电容C2反向充电，导致断路器两端的电压不断增加，当电压增加到压敏电阻组件MOV的开通值后，压敏电阻组件MOV导通吸收系统能量并限制过电压，实现对故障电流的限制并最终使其减小为零。

其中，半导体开关组件T采用二极管组件时还包括以下步骤：A)、二极管不需要门极控制，在真空开关模块VB1电弧电压开始建立时，即自动进入电流转移过程；B)、二极管电流过零后，电容C2电压极性相对于二极管为反向，在电容C2电压方向变化之前，二极管反向截止，在此期间，真空开关模块VB2进行弧后介质快速恢复；C)、二极管首先承受分断过程中断路器两端建立的反向恢复电压，当恢复电压变为正向后，由真空开关模块VB2完全承担。

其中，半导体开关组件T采用晶闸管组件时还包括以下步骤：A)、在真空开关模块VB1电弧电压开始建立时，通过门极控制晶闸管导通，实现电流的转移过程；B)、晶闸管电流过零后，电容C2电压极性相对于晶闸管为反向，晶闸管自然关断，由于晶闸管同时具备正反向阻断功能，真空开关模块VB2能够更加可靠地完成弧后介质恢复；C)、晶闸管首先承受分断过程中断路器两端建立的反向恢复电压，当恢复电压变为正向后，由晶闸管组件和真空开关模块VB2共同承担。

实施例1

参见图5所示，第一转移电路2中半导体开关组件T采用单向二极管D组件，第二转移电路3中控制开关S2采用晶闸管，构成单向通流的高压混合式直流断路器，断路器通过系统接入端J1和系统接入端J2接入直流电力系统。分断过程如下：

参见图6，在t<t ₀阶段，真空开关模块VB1和真空开关模块VB2均处于闭合状态，负载电流从真空开关模块VB1和真空开关模块VB2中流过，在t=t ₀时刻，系统发生短路故障，真空开关模块VB1电流i _VB1随着短路电流i ₀的增加开始上升；

在t=t ₁时刻，真空开关模块VB1和真空开关模块VB2分断，同时L1-C1磁场发生电路导通产生横向磁场B，将真空开关模块VB1分断时的电弧电压提高到上千伏，在电弧电压的作用下，二极管D自然导通，短路电流被迫从真空开关模块VB1向二极管D中转移，结果i _VB1减小，i _D增加；

在t=t ₂时刻，短路电流完全转移至二极管D中，真空开关模块VB1电流为零，此后短路电流完全由二极管D和真空开关模块VB2承担，i ₀逐渐增加；

在t=t ₃时刻，真空开关模块VB2触头达到足够的开距，L2-C2强迫关断电路导通，电容C2放电产生脉冲大电流，迫使电路D-VB2中的电流逐渐向L2-C2强迫关断电路中转移，结果i _D减小，i _C2增加；

在t=t ₄时刻，二极管D和真空开关模块VB2中电流同时减小为零，此后短路电流完全由L2-C2强迫关断电路承担，i ₀随着电容C2的反向充电电流i _C2逐渐增加，电容C2电压u _C2和整个断路器电压u ₀从反压逐渐向正压增加；

在t=t ₅时刻，由于电容C2的反向充电过程使断路器电压u ₀达到系统电源电压，结果短路电流i ₀达到峰值，此后随着电压u ₀的不断增加，短路电流i ₀开始减小；

在t=t ₆时刻，断路器电压u ₀增加到压敏电阻组件MOV的开通值，压敏电阻组件MOV开通吸能并限制系统过电压，电流从L2-C2强迫关断电路向压敏电阻组件MOV中转移，结果i _MOV增加， i _C2减小；

在t=t ₇时刻，L2-C2强迫关断电路电流i _C2减小为零，控制开关S2中的晶闸管关断，压敏电阻组件MOV电流i _MOV达到峰值，相应的断路器电压u ₀和电容电压u _C2电压均达到最大；

此后短路电流完全由压敏电阻组件MOV承担，随着直流系统能量不断被压敏电阻组件MOV吸收，短路电流i ₀随着电流i _MOV逐渐减小，最终在t=t ₈时刻能量吸收完毕，电流减小为零，分断过程结束，断路器电压u ₀降至系统电源电压。

在上述分断过程中，二极管D电流减小为零后，电压u _C2极性相对于二极管D为反向，在电压u _C2方向变化之前，二极管D处于反向截止状态，真空开关模块VB2中不会有电流流过，能快速地完成弧后介质恢复；二极管D首先承受断路器两端建立的反向恢复电压u ₀，当恢复电压u ₀变为正向之后，由真空开关VB2完全承担。

实施例2

参见图7所示，第一转移电路2中半导体开关组件T采用单向晶闸管组件，第二转移电路3中控制开关S2采用晶闸管，构成单向通流的高压混合式直流断路器，断路器通过系统接入端J1和系统接入端J2接入直流电力系统。

参见图8所示，其分断过程与实施例1基本相同。

不同之处在于，t=t ₁时刻，需要通过门极控制晶闸管导通，然后才能实现电流从真空开关模块VB1向晶闸管的转移； t=t ₄时刻，晶闸管和真空开关模块VB2中电流同时减小为零后，电压u _C2方向相对于晶闸管为反向，晶闸管自然关断，真空开关模块VB2中不会有电流流过，相对于实施例1，真空开关模块VB2能更加可靠地完成弧后介质恢复。晶闸管关断后，首先承受断路器两端建立的反向恢复电压u ₀，当恢复电压u ₀变为正向之后，由晶闸管和真空开关模块VB2共同承担。

实施例3

参见图9和图11所示，第一转移电路2中半导体开关组件T采用晶闸管反向并联构成的组件T1，第二转移电路3采用桥式转移电路T3。

在分断过程中，根据真空开关模块VB1中的正、反向工作电流，分别使晶闸管组件T11或T12导通。若晶闸管组件T11导通，则桥式关断电路中晶闸管桥臂T31-T34导通；若T12导通，则桥式关断电路中晶闸管桥臂T32-T33导通。实现高压直流断路器的双向分断功能。详细的正向或反向分断过程同实施例2。

实施例4

参见图10和图11所示，电流转移回路半导体开关组件T采用二极管桥式电路与单向晶闸管构成的组件T2，第二转移电路3采用桥式转移电路T3。

在分断过程中，根据真空开关模块VB1中的正、反向工作电流，二极管桥臂D1-D4或D2-D3分别自然导通，单向晶闸管组件通流。若D1-D4导通，则桥式关断电路中晶闸管桥臂T31-T34导通；若D2-D3导通，则桥式关断电路中晶闸管桥臂T32-T33导通。实现高压混合式直流断路器的双向分断功能。详细的正向或反向分断过程同实施例2。

因此本发明通过在分断过程中给真空开关模块VB1施加横向磁场，能够显著提高真空开关的电弧电压，加速电流从真空开关模块VB1向半导体开关T的转移过程；利用半导体开关T的阻断功能，阻碍真空开关模块VB2的弧后电流，实现弧后介质的快速恢复，提高断路器的分断可靠性；由于主电流电路1只包括真空开关，断路器的长期额定电流损耗很小，并能比较容易地实现双向分断功能。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高压直流断路器，包括主电流电路（1）、第一转移电路（2）、第二转移电路（3）、能量吸收电路（4）、磁场发生电路（5）、系统接线端J1和J2，其特征在于：

所述的主电流电路（1）、第二转移电路（3）和能量吸收电路（4）并联，并联电路的第一联结端与所述的系统接线端J1连接，并联电路的第二联结端与所述的系统接线端J2连接；

所述的主电流电路（1）由真空开关模块VB1和真空开关模块VB2串联构成，所述真空开关模块VB1和真空开关模块VB2是至少由一个真空开关构成的串并联组件，所述的真空开关是基于电磁斥力原理构成的快速真空开关；

所述的第一转移电路（2）是至少由一个半导体开关串并联构成的半导体开关组件T，与所述的真空开关模块VB1并联，所述的半导体开关采用单向二极管或单向晶闸管；

所述的第二转移电路（3）是由预充电电容C2、电感L2和控制开关S2依次串联构成的脉冲电流电路，所述的电容C2与电感L2连接的一极为预充电电压正极，所述的控制开关S2采用至少由一个晶闸管或真空触发开关串并联构成的开关组件；

所述的能量吸收电路（4）是由多个压敏电阻单元串并联构成的压敏电阻组件MOV；

所述的磁场发生电路（5）是由预充电电容C1、线圈L1和控制开关S1依次串联构成的脉冲磁场回路，所述的真空开关模块VB1和磁场发生电路（5）之间没有电气连接关系，所述的线圈L1与所述的真空开关模块VB1尽量靠近，线圈L1的法向与真空开关模块VB1中电流方向垂直。

2.根据权利要求1所述的一种高压直流断路器，其特征在于，所述的磁场发生电路（5）中的控制开关S1接通时，所述的电容C1通过所述的线圈L1放电，所述的线圈L1产生与所述真空开关模块VB1中电流方向垂直的横向磁场B。

3.根据权利要求1所述的一种高压直流断路器，其特征在于，所述的半导体开关组件T采用晶闸管反向并联组件T1或二极管桥式电路与单向晶闸管构成的组件T2，所述的第二转移电路（3）采用预充电电容、电感与晶闸管桥构成的桥式转移电路T3，使高压直流断路器实现双向电流分断功能。

4.一种如权利要求1所述的高压直流断路器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)、在直流电力系统正常工作阶段，主电流电路（1）中的真空开关模块VB1和真空开关模块VB2均处于闭合状态，负载电流由真空开关模块VB1和真空开关模块VB2承担；

b)、当系统出现短路故障后，真空开关模块VB1和真空开关模块VB2同时分断，磁场发生电路（5）导通，产生能显著提高真空开关模块VB1分断电弧电压的横向磁场B；

c)、在真空开关模块VB1分断的同时，第一转移电路（2）中的半导体开关组件T导通，在真空开关模块VB1电弧电压的作用下，电流迅速从真空开关模块VB1向半导体开关组件T中转移；

d)、当电流完全转移至半导体开关组件T之后，延时至所述真空开关模块VB2的触头分开到足够开距时，第二转移电路（3）中控制开关S2接通，电容C2通过电感L2放电产生脉冲电流，迫使半导体开关组件T和真空开关模块VB2中的电流同时减小为零；

e)、半导体开关组件T电流过零关断后，系统母线对电容C2反向充电，导致断路器两端的电压不断增加，当电压增加到压敏电阻组件MOV的开通值后，压敏电阻组件MOV导通吸收系统能量并限制过电压，实现对故障电流的限制并最终使其减小为零。

5.根据权利要求4所述的一种高压直流断路器的控制方法，其特征在于，所述的半导体开关组件T采用二极管组件时还包括以下步骤：

A)、二极管不需要门极控制，在真空开关模块VB1电弧电压开始建立时，即自动进入电流转移过程；

B)、二极管电流过零后，电容C2电压极性相对于二极管为反向，在电容C2电压方向变化之前，二极管反向截止，在此期间，真空开关模块VB2进行弧后介质快速恢复；

C)、二极管首先承受分断过程中断路器两端建立的反向恢复电压，当恢复电压变为正向后，由真空开关模块VB2完全承担。

6.根据权利要求4所述的一种高压直流断路器的控制方法，其特征在于，所述的半导体开关组件T采用晶闸管组件时还包括以下步骤：

A)、在真空开关模块VB1电弧电压开始建立时，通过门极控制晶闸管导通，实现电流的转移过程；

B)、晶闸管电流过零后，电容C2电压极性相对于晶闸管为反向，晶闸管自然关断，由于晶闸管同时具备正反向阻断功能，真空开关模块VB2能够更加可靠地完成弧后介质恢复；

C)、晶闸管首先承受分断过程中断路器两端建立的反向恢复电压，当恢复电压变为正向后，由晶闸管组件和真空开关模块VB2共同承担。