CN105610148B - 高电压大功率直流断路器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高电压大功率直流断路器。本发明的目的是在短时间内快速、安全的开断高电压大功率的直流电流，同时最大限度的简化设备结构，降低制造成本。本发明的技术方案是：电压大功率直流断路器，其特征在于所述断路器包括主回路以及分别与主回路并联的第一转移回路和第一放电回路，主回路由第一交流断路器、快速分断开关组件、阻抗器和第二交流断路器串联而成；由第一电容器组件与第一切换开关串联后与主回路并联构成第一转移回路；由第一放电电阻与第一放电开关串联后与第一电容器组件并联构成第一放电回路。本发明适用于高压输电工程技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种高电压大功率直流断路器。属于高压输电工程技术领域。
背景技术
目前，高压直流输电或多端柔性直流输电由于具有较大的优势愈来愈受到人们的重视。高压直流输电由于没有线路的无功损耗、传输效率高，当输电线路长度超过一定距离时只有直流输电技术才能胜任远距离传输要求。
直流断路器是特高压直流输电工程换流站的重要设备之一，其主要作用是改变直流系统的运行方式，清除直流侧出现的短路故障。
随着新能源战略的发展，一大批新能源电站相继建立，但是新能源的一大特点是稳定性差，柔性直流输电刚好能解决新能源并网中稳定性差的问题，而且可以通过发展多端柔直输电系统联网。发展多端大容量的直流输电系统，就必须有高压直流断路器，以保证系统的安全稳定性。但是由于直流回路没有电流过零点，不能直接灭弧，所以现有的直流断路器主要是利用交流断路器的灭弧执行机构，或者通过增加谐振装置人为地产生过零点，再通过旁路电路进行分流以提供零电流而产生的灭弧条件。
与交流灭弧系统相比较，直流电流由于没有“自然过零点”而难以开断，特别是高电压、大电流条件下，这一问题更加严峻。此外，直流短路电流上升速度快，要求在短路发生后几毫秒的时间内将其开断。因此，高电压、大电流条件下直流电流的快速开断技术及相应的高压直流断路器已成为限制直流电网发展的主要瓶颈问题，也是国内外目前的研究热点。
现有技术的直流断路器的组成结构与工作原理如图1所示，以有源型直流断路器切断直流电流为例。
有源型直流断路器一般由一台SF6断路器(断口)B，一台电容器C，一台避雷器R，以及一台电抗器L和隔离开关S1及一台直流充电装置Udc组成。先由充电装置Udc将电容器C预充电到一定的直流电压。在断路器B触头分离之后的适当时刻，合上隔离开关S1，预充过电的电容器跨接到断路器上，激发起振荡电流，实现断路器断口电流过零，断口间电弧熄灭的原理过程。但是这种直流断路器除了结构过于复杂、造价高之外，往往还会发生不起振的现象，严重制约了高压直流输电系统的稳定性及其经济效益。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种高电压大功率直流断路器，主要目的是在短时间内快速、安全的开断高电压大功率的直流电流，同时最大限度的简化设备结构，降低制造成本。
本发明所采用的技术方案是：高电压大功率直流断路器，其特征在于所述断路器包括主回路以及分别与主回路并联的第一转移回路和第一放电回路，主回路由第一交流断路器、快速分断开关组件、阻抗器和第二交流断路器串联而成；由第一电容器组件与第一切换开关串联后与主回路并联构成第一转移回路；由第一放电电阻与第一放电开关串联后与第一电容器组件并联构成第一放电回路；
所述第一电容器组件的末端电容两端接有取样直流电压的第一电压取样电路；
所述第一电压取样电路由第一电压互感器和第一电压继电器组成，该第一电压互感器包括铁芯Ⅰ和铁芯Ⅱ，对应的两个一次线圈完全相同并且串联，两个二次线圈完全相同且反相并联，跨接在两个二次线圈输出端上的取样电容两端的取样电压，经桥式整流器后接到第一电压取样电路中的第一电压继电器上；该第一电压继电器具有第一电压继电器的第一常开触点和第一电压继电器的第二常开触点。
所述主回路还并联有第二转移回路和第二放电回路，所述第二转移回路由第二电容器组件与第二切换开关串联后再与主回路并联而成，所述第二放电回路由第二放电电阻与第二放电开关串联后再与第二电容器组件并联而成；
所述第二电容器组件的末端电容两端接有取样直流电压的第二电压取样电路；
第二电压取样电路由第二电压互感器和第二电压继电器组成，该第二电压互感器包括铁芯Ⅰ和铁芯Ⅱ，对应的两个一次线圈完全相同并且串联，两个二次线圈完全相同且反相并联，跨接在两个二次线圈输出端上的取样电容两端的取样电压，经桥式整流器后接到第二电压取样电路中的第二电压继电器上；该第二电压继电器具有第二电压继电器的第一常开触点和第二电压继电器的第二常开触点。
所述快速分断开关组件由一台快速交流断路器和电阻器并联而成。
所述阻抗器由绕组和具有磁闭合回路的铁芯构成。
本发明的有益效果是：本发明利用了能量转移的原理，解决了在高电压、大电流条件下快速开断直流电流的难题，无论是在正常运行情况下还是短路故障发生时，本发明都能在几毫秒的时间内将其安全开断。此外，本发明简化了目前采用的过于复杂的设备，直接降低了制造成本，在新能源战略迅猛发展的当下，具有积极的经济效益和社会意义。
附图说明
图1是本发明背景技术的电路图。
图2是本发明实施例一中一次设备的电路图。
图3是本发明实施例二中一次设备的电路图。
图4-1、图4-2分别是实施例一中二次设备的电路图和出线图。
图5是实施例一的二次系统顺序控制原理图。
图6是带分合闸电阻的交流断路器的分闸过程示意图。
具体实施方式
实施例一，
如图2所示，本实施例高电压大功率直流断路器，包括主回路以及分别与主回路并联的第一转移回路和第一放电回路，主回路由第一交流断路器1DL、快速分断开关组件K、阻抗器L和第二交流断路器2DL串联而成；由第一电容器组件C1与第一切换开关QK1串联后再与主回路并联构成第一转移回路；由第一放电电阻R1与第一放电开关FK1串联后与第一电容器组件C1并联构成第一放电回路。
所述第一交流断路器1DL和第二交流断路器2DL为两台交流型常规六氟化硫(SF6)断路器，电压等级与直流电压相匹配(如500KV)。也可以由双断口的交流断路器将两个断口分别由操作机构控制开断时间，并进行串联接线。还可以选择对应电压匹配的可关断大功率电子开关，如GTO、IGBT等能实现大电流、高电压开断功能的设备。
所述快速分断开关组件K由一台快速交流断路器KK和电阻器R并联而成，快速交流断路器KK为SF6交流断路器或者真空断路器，平时运行时，电流从KK流过，功耗几乎为零，当需要对负荷电流或短路电流进行开断时，由控制电路先断开KK，开断时间一般在5ms以内，迫使电流从电阻器R上流过，产生电压降ΔUR。电阻器R为阻值R＝5～25Ω的碳化硅电阻器，电阻值不宜过大，否则会影响快速开关正常灭弧，但也不能过小，否则无法实现电流向电容器组件转移的目的。
如果在选用第一交流断路器1DL时，选择一种称之为带合闸电阻的双断口断路器时，其功能与安装快速分断开关组件K是一样的，这时可以省略快速分断开关组件K。常见的带合闸电阻的双断口断路器(500KV)型号有：西安高压开关厂生的的LW-13-500,或是LW6-500型。
所述阻抗器L由绕组和具有磁闭合回路的铁芯构成，绕组可采用铁丝、铜丝或铝线体，铁芯为矽(硅)钢片叠成或者是非晶合金的软磁材料。本例中阻抗器L起到在短路状态下通过的原理得到一个电压降。
所述第一切换开关QK1具有第一切换开关的第一辅助接点QK1-Wb1和第一切换开关的第二辅助接点QK1-Wb2。
所述第一放电开关FK1为与第一电容器组件C1电压等级相匹配的真空六氟化硫断路器。第一放电电阻R1为碳化硅电阻器。
如图4-1、图4-2所示，所述第一电容器组件C1的末端电容两端接有取样直流电压的第一电压取样电路。该第一电压取样电路由第一电压互感器1YB和第一电压继电器1YJ组成。所述第一电压互感器1YB包括铁芯Ⅰ和铁芯Ⅱ，对应的两个一次线圈完全相同并且串联，两个二次线圈完全相同且反相并联，取样电容C101两端的取样电压经桥式整流器后接到第一电压继电器1YJ上；该第一电压继电器1YJ具有第一电压继电器的第一常开触点1YJK1和第一电压继电器的第二常开触点1YJK2。
本实施例一的工作原理及工作过程如下(参见图2)：
正常运行时，第一交流断路器1DL和第二交流断路器2DL均闭合运行，第一切换开关QK1合闸位置。由于阻抗器L在直流电流下，其阻抗呈现基本为零，即阻抗器L的串联接入，几乎对直流线路输电没有影响。阻抗器L电阻值按输送功率的万分之五损耗来设计阻值。
当线路上发生短路时，如D2点短路，由母线向短路点D2输送短路电流ID，ID分别流过第一交流断路器1DL、快速分断开关组件K、阻抗器L和第二交流断路器2DL，当短路电流流过阻抗器L时，由于电流相比负荷状态时突然增加约20～30倍，使在阻抗器L上的电压降在短路瞬间也大大提高，根据电磁感应原理以及阻抗器L内电阻RL的影响，在阻抗器L上会感应出约20～30倍的直流电压分量ΔUL，由于ΔUL升高的原因，迫使短路电流由主回路中向第一电容器组件C1的第一转移回路转移，即会向第一电容器组件C1充电，如果C1的容量设计足够大，短路电流ID对C1的充电大约需要15-25ms的时间。在这个充电过程中流经主回路上的电流已经很小，由电力系统中继电保护的自控装置先将快速交流断路器KK断开，迫使短路电流流向电阻器R，即产生电压降ΔUR，此时的电压值U1＝ΔUL+ΔUR将更大，更多的电流再次转移流向第一电容器组件C1，这时就可以通过自控装置开断第一交流断路器1DL，由于流过1DL的电流已经很小，电弧将快速熄灭。当C1充满时，主回路上的电流仍保持小流量，这时再由自控装置开断第二交流断路器2DL已不再困难。
当需要切断负荷电流时，先将快速交流断路器KK开断，设计电阻器R的阻值为10～30Ω，若此时负荷电流为3000A，KK断开后，R上将会呈现3000A×10Ω＝30KV的电压值，该电压将向第一电容器组件C1充电，使负荷电流Ie流向第一电容器组件C1的第一转移回路中，此时便可通过顺序控制装置，将第一交流断路器1DL断开。由于此时电流转移流向第一电容器组件C1，主回路上电流已经很小，因此第一交流断路器1DL很容易开断。
在本发明的设计中，将第一交流断路器1DL跳闸开断时间T1小于第一电容器组件C1充电时间Tc，亦即1DL跳开之时C1的充电电压仍未达到充满全额电压的状态，而当C1充满电压后，由第一电压取样电路的第一电压互感器1YB向第一电压继电器1YJ输出电压信号，以启动第二交流断路器2DL继续分闸。此时，由于第一电容器组件C1的两端电压已经建立，当对C1充电至接近于额定电压时，使得流过第二交流断路器2DL的电流几乎为零，即熄灭该直流电弧也是容易的。
本方案充分利用了在直流短路大电流的瞬间，由阻抗器L线圈产生的反磁势变化，以及电阻器R上产生的直流分量迫使电流发生向电容器组件转移的原理，实现了断路器在小电流状态下进行开断，使目前可买到的断路器能够在高电压、大(直流)电流的情况下拉闸而不必考虑拉弧及灭弧困难的问题。
实施例二，
如图3、图4、图5所示，本例在主回路还并联有第二转移回路和第二放电回路，所述第二转移回路由第二电容器组件C2与第二切换开关QK2串联后再与主回路并联而成，所述第二放电回路由第二放电电阻R2与第二放电开关FK2串联后再与第二电容器组件C2并联而成。
所述第一电容器组件C1的末端电容两端接有取样直流电压的第一电压取样电路；第二电容器组件C2的末端电容两端接有取样直流电压的第二电压取样电路。
所述第二电压取样电路和第一电压取样电路的结构完全相同，该第二电压取样电路由第二电压互感器2YB和第二电压继电器2YJ组成，该第二电压互感器2YB包括铁芯Ⅰ和铁芯Ⅱ，对应的两个一次线圈完全相同并且串联，两个二次线圈完全相同且反相并联，取样电容C101两端的取样电压经桥式整流器后接到第二电压继电器2YJ上；该第二电压继电器2YJ具有第二电压继电器的第一常开触点2YJK1和第二电压继电器的第二常开触点2YJK2。
在实际工程中，输电线路上会有重合闸要求，即对于第一交流断路器1DL和第二交流断路器2DL有进行再次合闸、分闸的要求，即当线路第一次故障时，1DL、2DL均断开，而此时，短路电流对第一电容器组件C1充电后，仍有大量电能存储于C1上，为完成线路重合闸的任务，必须先将C1与电源侧切除，即断开第一切换开关QK1，同时合上第一放电开关FK1，迫使C1进行放电。与此同时，在控制电路的配合下，合上第二切换开关QK2，使第二转移回路和第二放电回路由备用状态转入工作状态。
本实施例二的工作过程描述如下：
当第一交流断路器1DL跳闸后，电网短路电流ID向第一电容器组件C1充电，在经过时间TC充满后，位于第一电容器组件C1末端的第一电压互感器1YB使第一电压继电器1YJ的线圈带电启动使其中的第一常开触点1YJK1闭合，使第二交流断路器2DL进行跳闸，又使第一电压继电器的第二常开触点1YJK2闭合，使第一切换开关QK1跳闸；与此同时，通过第一切换开关QK1操作机构中的第一辅助接点QK1-Wb1在QK1分闸后，同时接通第一放电开关FK1的合闸线圈，使第一电容器组件C1开始放电。第一切换开关QK1的第二辅助接点QK1-Wb2再接通第二切换开关QK2的合闸线圈QK2-HQ，通过QK2将第二电容器组件C2由备用状态转入工作状态。
以上动作完成后，重合闸装置(电气控制系统中自带)分别使1DL、2DL再次合闸，此时第一电容器组件C1已退出，由第二电容器组件C2接替运行，若线路上遇到永久性故障，则重复第一次跳闸动作的顺序过程。
当1DL、2DL再次分断后，可以由计算机系统预先设计好的程序控制电路再断开第二切换开关QK2，合上第二放电开关FK2，使第二电容器组件C2进入放电状态。
在自动控制电路设计中，上述C1、C2、QK1、QK2进行轮回切换，以保证在1DL动作分闸时，总有一组电容器处于无电压的待充状态，以实现短路电流ID定向转移的目的。
如图6显示的是带合闸电阻的双断口断路器(交流断路器)的工作过程，分闸时，主触头先断开，而合闸电阻R11仍处于连接状态，即主触头断开灭弧后，又将合闸电阻器R11串入了主回路。
Claims (4)
1.一种高电压大功率直流断路器，其特征在于：所述断路器包括主回路以及分别与主回路的部分器件并联的第一转移回路和第一放电回路，主回路由第一交流断路器(1DL)、快速分断开关组件(K)、阻抗器(L)和第二交流断路器(2DL)串联而成；由第一电容器组件(C1)与第一切换开关(QK1)串联后与主回路的部分器件并联构成第一转移回路；由第一放电电阻(R1)与第一放电开关(FK1)串联后与第一电容器组件(C1)并联构成第一放电回路；所述部分器件依次顺电流方向由第一交流断路器(1DL)、快速分断开关组件(K)和阻抗器(L)组成；
所述第一电容器组件(C1)的末端电容两端接有取样直流电压的第一电压取样电路；
所述第一电压取样电路由第一电压互感器(1YB)和第一电压继电器(1YJ)组成，该第一电压互感器(1YB)包括铁芯Ⅰ和铁芯Ⅱ，对应的两个一次线圈完全相同并且串联，两个二次线圈完全相同且反相并联，跨接在两个二次线圈输出端上的取样电容(C101)两端的取样电压，经桥式整流器后接到第一电压取样电路中的第一电压继电器(1YJ)上；该第一电压继电器(1YJ)具有第一电压继电器的第一常开触点(1YJK1)和第一电压继电器的第二常开触点(1YJK2)；当第一交流断路器(1DL)跳闸后，电网短路电流向第一电容器组件(C1)充电，在经过时间Tc充满后，位于第一电容器组件(C1)末端的第一电压互感器(1YB)使第一电压继电器(1YJ)的线圈带电启动使其中的第一常开触点(1YJK1)闭合，使第二交流断路器(2DL)进行跳闸，又使第一电压继电器的第二常开触点(1YJK2)闭合，使第一切换开关(QK1)跳闸。
2.根据权利要求1所述的高电压大功率直流断路器，其特征在于：所述主回路的部分器件上还并联有第二转移回路和第二放电回路，所述第二转移回路由第二电容器组件(C2)与第二切换开关(QK2)串联后再与主回路的部分器件并联，所述第二放电回路由第二放电电阻(R2)与第二放电开关(FK2)串联后再与第二电容器组件(C2)并联而成；
所述第二电容器组件(C2)的末端电容两端接有取样直流电压的第二电压取样电路；
第二电压取样电路由第二电压互感器(2YB)和第二电压继电器(2YJ)组成，该第二电压互感器(2YB)包括铁芯Ⅰ和铁芯Ⅱ，对应的两个一次线圈完全相同并且串联，两个二次线圈完全相同且反相并联，跨接在两个二次线圈输出端上的取样电容(C101)两端的取样电压，经桥式整流器后接到第二电压取样电路中的第二电压继电器(2YJ)上；该第二电压继电器(2YJ)具有第二电压继电器的第一常开触点(2YJK1)和第二电压继电器的第二常开触点(2YJK2)。
3.根据权利要求1或2所述的高电压大功率直流断路器，其特征在于：所述快速分断开关组件(K)由一台快速交流断路器(KK)和电阻器(R)并联而成。
4.根据权利要求1或2所述的高电压大功率直流断路器，其特征在于：所述阻抗器(L)由绕组和具有磁闭合回路的铁芯构成。
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