CN105391024A

CN105391024A - 一种限流式混合直流断路器

Info

Publication number: CN105391024A
Application number: CN201510754453.8A
Authority: CN
Inventors: 江道灼; 陈可; 谢峰; 吴兆麟; 辛焕海
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2015-11-09
Filing date: 2015-11-09
Publication date: 2016-03-09

Abstract

本发明公开一种限流式混合直流断路器，包括机械开关支路、固态开关支路、限流电路，以及过压保护电路。机械开关支路包括机械开关S、第一电感L₁及第一二极管D₁，主要用于通过直流线路的正常工作电流，以及关断过程中辅助固态开关支路导通，加速机械开关支路电流向固态开关支路转移；固态开关支路与机械开关支路并联，用于配合机械开关实现对直流线路的接通与开断控制；限流电路与开关支路串联，用于限制流过直流线路的短路故障电流的上升率，以改善开关支路分断直流短路电流的工作条件；过压保护电路并联在直流断路器负载侧出口处，用于保护装置本体。本发明可为解决直流线路发生短路故障时开断故障电流提供可靠、有效、便捷的方法。

Description

一种限流式混合直流断路器

技术领域

本发明涉及一种直流断路器，尤其是限流式混合式直流断路器。

技术背景

随着可再生能源发电的发展及用户对电能要求的不断提高，传统交流电网已难以满足可再生能源发电和负荷随机波动性对电网快速反应的要求。随着电压源型高压变流器和高压柔性直流输（配）电技术的迅速发展，国内外对直流输（配）电网的研究正日益深入。近十几年来，基于电压源换流器的轻型直流输电技术的提出和发展，令直流输电的使用延伸到了近距离、小容量的输电场合。另一方面，面对经济社会的快速发展，用户对电力系统提出了很多新的要求：环境友好性、安全可靠性的提升、更加优质经济且支持用户进行与电网的双向互动等等，研究兼具可靠性、安全性、稳定性、经济性的直流输（配）电网具有巨大的市场价值和经济价值。直流输（配）电网的工程化应用关键技术之一就是高压直流断路器的研发。作为规定时间内承载并开断直流电网正常电流以及各种故障电流的开关设备，高压直流断路器是直流输（配）电网络建设的运行、控制与保护基础。

目前，制约柔性直流输（配）电网络实际工程应用的主要原因之一就是缺乏实用的高压直流断路器。作为承载、开断直流运行回路正常电流以及各种故障电流的开关设备，高压直流断路器是提高直流输（配）电系统稳定性、可靠性与灵活性的重要手段，是直流输（配）电网运行、控制、保护的基础。由于直流电流不存在自然过零点，直流电弧的熄灭相比交流电弧困难得多。虽然近几年高压直流断路器技术已经有了长足的进步，但从目前的研究情况来看，国内大多数科研机构对于高压直流断路器的研究还基本处于样机试制和验证阶段，容量较小且集中在一些特殊的领域，无法投入工程应用。因此，高压直流断路器已成为直流输（配）电技术研究的关键技术难题之一，同时也成为了制约电力建设和进一步发展的瓶颈。

发明内容

本发明的目的是提供一种限流式混合直流断路器，不仅可以在直流系统正常工作时控制直流线路的通断，还可以在直流电路发生短路故障时限制故障电流的上升率，断开线路上的故障电流、切除故障。

本发明包括直流电源、机械开关支路、固态开关支路、限流电路、过压保护电路、直流负载。

机械开关支路包括一个机械开关S、第一电感L ₁（其内阻为R ₁）及第一二极管D ₁；第一电感L ₁与第一二极管D ₁并联，第一二极管D ₁阴极端与机械开关的一端相连接，阳极端与固态开关支路的负端相连。机械开关的另一端与直流电源、固态开关支路的正端相连；

过压保护电路包括一个氧化锌避雷器和续流二极管D，氧化锌避雷器和续流二极管D并联，直流电源的正极分别与机械开关支路一端、固态开关支路的正端相连接，负极分别与续流二极管D阳极、氧化锌避雷器一端以及直流负载一端相连接，机械开关支路另一端分别与固态开关支路负端以及限流电路支路一端相连接，限流电路支路另一端分别与续流二极管D阴极、氧化锌避雷器另一端以及直流负载另一端相连接；

固态开关支路包括IGBT阀组T ₁，IGBT阀组T ₁的集电极为固态开关支路的正端，与机械开关S一端以及电源正端相连接，IGBT阀组T ₁的发射极为固态开关支路的负端，与机械开关支路另一端相连接；

限流电路包括第二电感L ₂（其内阻为R ₂）及第二二极管D ₂，第二电感L ₂一端与直流负载侧相连接，第二二极管D ₂阴极分别与第二电感L ₂另一端以及固态开关支路的负端相连接，第二二极管D ₂阳极分别与续流二极管D阴极以及氧化锌避雷器一端相连接。

本发明工作流程如下：

当短路故障发生时，同时向机械开关与固态开关发出动作指令，令机械开关分闸、固态开关闭合，此时与机械开关串联的第一电感L ₁和限流电路中的第二电感L ₂阻碍短路电流的上升，与机械开关串联的第一电感L ₁两端产生正向的感应电压。当机械开关支路两端电压达到固态开关的导通电压时，固态开关导通，流经机械开关支路的短路电流逐渐转移至固态开关部分。机械开关接到分闸指令之后，经过脱扣起弧的过程，机械开关等效电阻逐渐增大。由于与第一电感L₁反并联的第一二极管D₁的续流作用，加速了机械开关中的电流向固态开关支路的转移，而且由于固态开关支路的导通压降极低，使机械开关的关断变得非常容易。当机械开关完全断开，能承受系统恢复电压后，对固态开关发出关断信号，固态开关断开，线路上的短路电流迅速下降，同时限流电路中的第二电感L ₂感应产生反电势，使第二二极管D ₂导通，第二电感L ₂被旁路，其中的能量经第二二极管D ₂与第二电阻R ₂释放；直流负载中的能量则经续流二极管D续流释放，短路故障被切除。

本发明的有益效果在于，当线路发生短路时，与机械开关串联的第一电感L ₁感应产生正向电压，可以快速的达到固态开关的导通电压，加快了固态开关的导通速度，减小了机械开关的燃弧电压；其负载侧的限压电路，能够吸收切断直流电路时的操作过电压（以及正常运行过程中的雷击过电压），提高安全性；本发明为解决直流线路发生短路故障时开断故障电流问题提供了一套可靠、有效、便捷的方法。

附图说明

图1是限流式直流断路器原理结构示意图；

图2是限流式直流断路器仿真用等效电路图；

图3是限流式直流断路器分闸过程波形图；

图4是限流式直流断路器分闸过程机械开关支路和固态开关支路的仿真波形图；

图5是限流式直流断路器分闸过程限流电路和续流二极管的仿真波形图；

机械开关S、IGBT阀组T ₁、第一电感内阻R ₁、第二电感内阻R ₂、线路电阻R _s、负载电阻R、第一二极管D ₁、第二二极管D ₂、续流二极管D、第一电感L ₁，第二电感L ₂、线路电感L _s、机械开关支路（固态开关支路）两端电压V _S、第一电感两端电压V _m、第一电感电流i _m、机械开关支路二极管电流i _Dm、机械开关支路电流i _S、固态开关电流i _T、限流电路第二电感电流i _L、限流电路第二二极管电流i _DL、续流二极管电流i _D、直流线路短路电流I；直流电源1、机械开关支路2、固态开关支路3、限流电路支路4、过压保护电路5、直流负载6。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括直流电源1、机械开关支路2、固态开关支路3、限流电路支路4、过压保护电路5、直流负载6。

机械开关支路2包括一个机械开关S、第一电感L ₁（其内阻为R ₁）及第一二极管D ₁；第一电电感L ₁与第一二极管D ₁并联，第一二极管D ₁阴极端与机械开关的一端相连接，阳极端与固态开关支路3的负端相连。机械开关的另一端与直流电源1、固态开关支路3的正端相连。

直流电源1的正极分别与机械开关支路2一端、固态开关支路3的正端相连接，负极分别与续流二极管D阳极、氧化锌避雷器一端以及直流负载一端相连接，机械开关支路2另一端分别与固态开关支路3负端以及限流电路一端相连接，限流电路另一端分别与续流二极管D阴极、氧化锌避雷器另一端以及直流负载另一端相连接；

固态开关支路3包括IGBT阀组T ₁，IGBT阀组T ₁的集电极为固态开关支路3的正端，与电源正端以及机械开关S一端相连接，IGBT阀组T ₁的发射极为固态开关支路3的负端，与机械开关支路2另一端相连接；

限流电路支路4包括第二电感L ₂（其内阻为R ₂）及第二二极管D ₂，第二电感L ₂一端与直流负载侧相连接，第二二极管D ₂阴极分别与第二电感L ₂另一端以及固态开关支路3的负端相连接，第二极管D ₂阳极端分别与续流二极管D阴极以及氧化锌避雷器的一端相连接。

如图3所示，对限流式直流断路器的原理与工作过程进行说明。

分闸过程：如图3所示，直流线路正常供电时，机械开关合闸，固态开关处于关断状态，当负载电流稳定时机械开关支路2（及固态开关支路3）两端电压V _S为零，机械开关电流i _S为线路正常供电电流。t ₁时刻发生短路故障，限流电路电感L ₂开始抑制短路电流i的上升。t ₂时刻，断路器同时发出机械开关分闸信号及固态开关导通信号，与机械开关串联的第一电感L ₁两端产生足够大的正向感应电压，使固态开关立刻导通，短路电流i逐渐由机械开关回路转移至固态开关回路，固态开关电流i _T逐步上升，由于固态开关存在一定的通态压降，作用在第一电感L ₁上，使机械开关支路2电流i _S仍在上升。t ₃时刻，机械开关S开始脱扣起弧，机械开关支路2电流i _S开始下降，迅速向固态开关支路3转移，实现“换流”。由于固态开关支路3的通态压降极低，使机械开关S几乎进入零电压分闸过程，大大减轻机械开关S的分闸负担。第一电感L ₁感应产生的反电势使第一二极管D ₁导通，第一电感L ₁中的能量开始释放。t ₄时刻，机械开关支路2电流i _S降为0，机械开关S完成分闸动作。短路电流完全由固态开关回路承担，固态开关电流i _T继续上升。t ₅时刻，系统检测到机械开关S完成分闸，弧隙已能承受恢复电压，向固态开关发出关断信号，固态开关关断，短路电流i（即固态开关电流i _T）迅速下降至零，限流电路电感L ₂感应产生的反电势使第二二极管D ₂导通，直流负载产生的反电势使续流二极管D导通，负载及限流电路电感L ₂中的能量开始释放，第二二极管D _L及续流二极管D电流上升至最大值。t ₆时刻，负载及限流电路第二电感L ₂中的能量释放完毕，短路故障被完全切除。

下面结合图2~5对直流限流断路器进行分闸过程的仿真。

仿真电路图如图2所示，其仿真参数如下：直流电源幅值10kV；机械开关S的电弧模型采用Cassie模型，其电弧时间常数150us，电弧瞬态恢复电压13kV；第一电感L ₁取值0.02mH、第一电感内阻R ₁取值0.001Ω；限流电路第二电感L ₂取值4mH、第二电感内阻R ₂取值0.2Ω；IGBT阀组T ₁用一个IGBT开关管代替，导通电压13.5V；线路电阻R _s取值0.5Ω，线路电感L _s取值0.02mH，负载电阻R取10Ω。

直流限流断路器分闸过程仿真波形图如图4所示。0.5s时线路负载发生接地短路故障，线路发生短路故障后立刻发出机械开关分闸信号及固态开关导通信号.根据Cassie模型，机械开关S脱扣、起弧至完全关断的时间为4ms，则在0.504s向固态开关发出关断信号。固态开关关断速度为微秒级别，因此0.504s时固态开关完全关断，短路故障被切除。如图4所示，按照所给参数设置的直流限流断路器切除短路故障约需4ms。由于限流电路电感L取值较大，当第二电感内阻R ₂取值0.2Ω时，0.53s时电感L所储存的能量方能完全释放完毕，但由于0.52s时其电流即下降至线路正常工作电流以下，因此0.52s后其内剩余的能量不会对线路重合闸等操作造成影响。如图4~5所示，各元件的工作波形与图3所示一致，仿真结果表明，直流限流断路器可以在限制直流线路短路电流的上升速率，有效开断直流线路短路电流，还可以在直流线路分断后为直流线路及负载中储存的能量提供释放回路。本发明为解决直流线路短路电流开断问题提供了一套安全、高效、方便的方法。

Claims

1.一种限流式混合直流断路器，其特征是，包括机械开关支路（2）、固态开关支路（3）、限流电路支路（4）、以及过压保护电路（5）；混合直流断路器电源侧接直流电源（1），负载侧经直流线路接直流负载（6）；

机械开关支路（2）包括一个机械开关S、与机械开关S的一端串联的第一电感L ₁，以及第一二极管D ₁，所述第一电感L ₁内阻为R ₁，其中第一电感L ₁与第一二极管D ₁并联，即D ₁的阴极与L ₁靠近电源侧端相连，阳极与L ₁靠近负载侧端相连，机械开关S的另一端与直流电源（1）、固态开关支路（3）的正端相连；固态开关支路（3）包括IGBT阀组T ₁，IGBT阀组T ₁的集电极为固态开关支路（3）的正端，与所述机械开关S的另一端相连接，IGBT阀组T ₁的发射极为固态开关支路（3）的负端，与第一二极管D ₁的阳极相连接；

限流电路支路（4）包括第二电感L ₂及第二二极管D ₂，所述第二电感L ₂的内阻为R ₂，第二电感L ₂一端与直流负载侧（6）相连接，第二二极管D ₂阴极分别与第二电感L ₂另一端以及固态开关支路（3）的负端相连接，第二二极管D ₂阳极分别与过压保护电路（5）的续流二极管D阴极以及氧化锌避雷器一端相连接；第一电感L ₁、第二电感L ₂的串联点与固态开关支路（3）的负端相连；

过压保护电路（5）包括一个氧化锌避雷器和续流二极管D，氧化锌避雷器和续流二极管D并联；直流电源（1）的正极分别与机械开关支路（2）一端、固态开关支路（3）的正端相连接，直流电源（1）的负极分别与续流二极管D阳极、氧化锌避雷器的另一端以及直流负载（6）一端相连接，机械开关支路（2）另一端分别与固态开关支路（3）负端以及限流电路支路（4）一端相连接，限流电路支路（4）另一端分别与续流二极管D阴极、氧化锌避雷器另一端以及直流负载（6）另一端相连接。

2.根据权利要求1所述的限流式混合直流断路器，其特征在于：当发生短路时，利用第一电感L ₁产生的正向压降，为固态开关支路（3）的开通提供辅助正向电压，提高本直流断路器在切断短路电流过程中，其机械开关支路（2）电流向固态开关支路转移的速度，确保机械开关在略大于正常工作电流下实现微弧可靠快速关断，进而由固态开关支路（3）迅速切断故障电流。

3.根据权利要求1所述的限流式混合直流断路器，其特征在于：将限流电路、机械开关支路、固态开关支路结合，从而限制直流线路短路电流上升率，改善了所述直流断路器切断直流线路短路电流的工作条件。

4.根据权利要求1所述的直流限流断路器，其特征在于：并联在直流断路器负载侧出口处的限压电路，能够吸收切断直流电路时的操作过电压以及正常运行过程中的雷击过电压，从而有效提高本直流断路器装置的安全性。