CN105609344A - 一种混合式直流断路器拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合式直流断路器拓扑结构，其技术特点是：包括三条并联支路，第一支路由第一机械开关K1、第二机械开关K2和电容C构成，所述第一机械开关K1和第二机械开关K2串联，该第二机械开关K2与电容C并联，用于导通系统正常工作电流；第二支路为固态开关S，所述固态开关S由若干个IGBT模块串联组成，每个IGBT模块由两个IGBT反向串联构成，用于实现双向关断故障电流；第三支路为由多个ZnO避雷器串并联组成的能量释放支路。本发明的混合式直流断路器的优点为损耗低、可实现双向快速关断且能够确保固态开关可靠导通。

Description

一种混合式直流断路器拓扑结构

技术领域

本发明属于直流断路器技术领域，特别涉及一种混合式直流断路器拓扑结构。

背景技术

目前，柔性直流配电网在提高供电半径和容量、降低线路成本、便于分布式电源接入、提高系统效率等方面与传统交流配电网相比具有显著的技术和经济优势。但在实际应用中，由于缺乏实用可靠的直流断路器，使得柔性直流配电网的直流侧短路故障难以及时清除，导致其发展受到很大的限制。

现阶段，直流断路器的研制主要面临以下困难：(1)直流电流没有自然过零点，直流电弧熄灭困难；(2)电流切断后断路器两端会产生较高的恢复过电压；(3)电流切断后系统电感中存储的能量需要释放；(4)直流输配电网等应用场合对开断时间要求短。

常用的直流断路器包括：传统机械式直流断路器、全固态直流断路器和混合式直流断路器；其主要优缺点在于：传统机械式直流断路器损耗低而开断速度慢；全固态直流断路器开断速度快而损耗大；混合式直流断路器结合了两者的优点，成为了中高压直流领域最有发展前景的方案。

常规的混合式直流断路器是利用机械开关分断时触头两端产生的电弧电压为固态开关建立正向电压使其导通。然而在高压系统中大量的全控器件串联产生的通态压降一般为几十伏甚至近百伏，单纯依靠电弧电压不能百分百保证固态开关的导通和完全换流。因此，如何为固态开关建立正向电压使其可靠导通并使短路电流完全转移到固态开关支路是混合式高压直流断路器研制方面的关键技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、损耗低、可实现双向快速关断且能够确保固态开关可靠导通的混合式直流断路器拓扑结构。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种混合式直流断路器拓扑结构，包括三条并联支路，第一支路由第一机械开关K1、第二机械开关K2和电容C构成，所述第一机械开关K1和第二机械开关K2串联，该第二机械开关K2与电容C并联，用于导通系统正常工作电流；第二支路为固态开关S，所述固态开关S由若干个IGBT模块串联组成，每个IGBT模块由两个IGBT反向串联构成，用于实现双向关断故障电流；第三支路为由多个ZnO避雷器串并联组成的能量释放支路。

而且，所述一种混合式直流断路器拓扑结构，还包括：一个限流电抗器和一个隔离开关，所述限流电抗器的一端与隔离开关的一端相连接，所述隔离开关的另一端与所述三条并联支路的一端串联。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明在正常导通状态下电流流过第一机械开关K1和第二机械开关K2，对混合式直流断路器的损耗小。

2、混合式直流断路器开断时，由于并联电容C的存在，电容电压可使得固态开关S可靠导通。

3、本发明的固态开关S由若干个IGBT模块串联组成，每个IGBT模块由两个IGBT反向串联构成，可实现双向关断故障电流。

4、由固态开关S切断故障电流时，第一机械开关K1无需灭弧功能，因此整个混合式直流断路器的开断时间较短。

附图说明

图1是本发明的混合式直流断路器拓扑结构示意图；

图2是本发明的混合式直流断路器开断过程示意图；

图3是本发明的混合式直流断路器开断过程仿真电路示意图；

图4是本发明的混合式流断路器开断过程仿真波形图。

具体实施方式

一种混合式直流断路器拓扑结构，如图1所示，包括一个限流电抗器、一个隔离开关和三条并联支路；所述限流电抗器的一端与隔离开关的一端相连接，所述隔离开关的另一端与所述三条并联支路的一端串联；所述三条并联支路中，第一支路由第一机械开关K1、第二机械开关K2和电容C构成，所述第一机械开关K1和第二机械开关K2串联，该第二机械开关K2与电容C并联，用于导通系统正常工作电流；上述第一机械开关K1和第二机械开关K2均为超快速机械开关；第二支路为固态开关S，所述固态开关S由若干个IGBT模块串联组成，每个IGBT模块由两个IGBT反向串联构成，用于实现双向关断故障电流；第三支路为由多个ZnO避雷器串并联组成的能量释放支路。

本发明的工作原理如图2所示，正常情况下，K1、K2处于闭合状态，固态开关S关断，系统工作电流流过K1、K2；当t₁时刻系统发生短路故障时，故障电流在限流电抗器的限流作用下以一定斜率上升；t₂时刻保护系统检测到短路故障，发出开断命令，触发固态开关S导通的同时打开第二机械开关K2，此时在电弧电压作用下向电容C充电，电弧电流减小；由于电弧的负阻性，电弧电压进一步增加，电容电流进一步增大，很快到t₃时刻故障电流将全部换流到电容C上，第二机械开关K2实现关断；t₃开始随着电容的充电，电容电压迅速增加，t₄时刻电容C电压上升到能够使固态开关S可靠导通，故障电流由电容C支路转移到固态开关S支路；t₅时刻故障电流转移完毕，电容C电流减小为零；断开第一机械开关K1，由于K1两端电压几乎为零，电流也几乎为零，因此其开断可非常迅速。当第一机械开关K1触头间达到额定开距足以承受恢复过电压后，t₆时刻关断固态开关S，由固态开关S切断故障电流；t₇时刻由于固态开关S支路上电流的迅速减小，在限流电抗器上产生的过电压将使ZnO避雷器导通，故障电流将由固态开关S支路换流到ZnO避雷器支路；t₈时刻ZnO避雷器支路释放掉存储在系统中的能量后，两端电压恢复到系统额定电压，整个故障电流处理过程结束。

为验证上述混合式直流断路器方案的可行性，利用Matlab软件对上述混合式直流断路器工作过程进行仿真，其开断过程仿真电路如图3所示，包括一个直流电源、一个电感L、第一电阻R₁、混合式直流断路器、第二电阻R₂和断路器QB，所述直流电源的正极与电感L的一端相连接，该电感L的另一端与第一电阻R₁、混合式直流断路器和第二电阻R₂依次连接，所述第二电阻R₂另一端与所述直流电源的负极相连接，所述断路器QB并联在该第二电阻R₂的两端。

其中，混合式直流断路器的第一机械开关K1和第二机械开关K2用Mayr电弧模型代替；Mayr模型是根据热平衡、热惯性、热游离三个基本原理推导得出，则单位长度电弧可表示为：

$\frac{1}{g}\left(\frac{dg}{dt}\right)=\frac{1}{{\mathrm{\θ}}_M}\left(\frac{ei-P_{loss}}{P_{loss}}\right)$

式中，g为单位长度电弧电导，dg/dt为单位长度电弧电弧的导数，e为电弧电位梯度，i为电弧电流，θ_M为电弧时间常数，P_loss为单位长度电弧散热功率。

所述混合式直流断路器工作过程的仿真电路中各元件的参数如下表所示：V_ref为避雷器参考电压即保护电压，I_ref为避雷器参考电流，n为避雷器并联数目，k_i、α_i为避雷器各区域的参数。

开始时混合式直流断路器处于闭合状态，断路器QB处于断开状态，0.199s时将断路器QB闭合，模拟短路故障。假设0.1ms后保护系统检测到故障发出开断信号，0.02s时触发固态开关导通，同时断开开关K2。则可获得如图4所示的仿真结果。

从图4的仿真波形可看出，0.02s后故障电流在电弧电压作用下很快由K2转移到电容C上，电容电压为固态开关S提供正向电压，故障电流再由电容转移到固态开关上。待故障电流转移完全后，断开开关K1。假设0.0201s时开关K1已经完全断开，向固态开关S发出关断信号，由固态开关S切断故障电流。此后在过电压作用下ZnO避雷器动作，释放掉存储在系统中的能量，接近0.0207s时能量释放完毕，电压恢复到系统额定电压，整个关断过程结束。仿真中整个关断过程大概需0.8ms，本实验结果证明了上述混合式直流断路器方案的可行性。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种混合式直流断路器拓扑结构，其特征在于：包括三条并联支路，第一支路由第一机械开关K1、第二机械开关K2和电容C构成，所述第一机械开关K1和第二机械开关K2串联，该第二机械开关K2与电容C并联，用于导通系统正常工作电流；第二支路为固态开关S，所述固态开关S由多个IGBT模块串联组成，每个IGBT模块由两个IGBT反向串联构成，用于实现双向关断故障电流；第三支路为由多个ZnO避雷器串并联组成的能量释放支路。

2.根据权利要求1所述的一种混合式直流断路器拓扑结构，其特征在于：还包括一个限流电抗器和一个隔离开关，所述限流电抗器的一端与隔离开关的一端相连接，所述隔离开关的另一端与所述三条并联支路的一端串联。