CN105655966A - 一种直流断路器 - Google Patents

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张志刚
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Abstract

本发明涉及一种直流断路器，该直流断路器包括：主通流支路、辅助电子开关支路和避雷器支路，主通流支路上串联有机械开关和换流单元；辅助电子开关支路上连接有断流单元；其特征在于，所述换流单元和断流单元均由一个全桥子模块构成；所述全桥子模块的每个桥臂上串联两个以上、相同数量的全控型功率开关器件。本发明还提出了另外两种直流断路器，其中一种仅换流单元由一个全桥子模块构成，另一种仅断流单元由全桥子模块构成。本发明大大简化设计结构，节省母排资源，减少造价成本，而且便于拆卸和安装。

Description

一种直流断路器
技术领域
本发明属于一种直流断路器，属于高压直流输电技术领域。
背景技术
目前，高压直流断路器的拓扑主要有正反向串联结构的IGBT模块和单级H桥结构的IGBT模块串联，外配置一个高压快速机械开关组成。由于直流断路器断开直流电流时，会在断路器两端产生很高的直流暂态电压，因此，直流断路器转移支路中需要串联很多IGBT模块，同时要求快速机械开关承受很高的关断电压，因此造成直流断路器的体积庞大，造价高昂，同时对快速机械开关的要求很高，设计难度极大。
现有技术中申请号为：201520250675.1名称为“一种直流断路器”中，断路器由换流支路和主电子开关支路组成，换流支路和主电子开关支路上均串联有若干个全桥MMC子模块或半桥MMC子模块或者半全桥混合模块，该断路器在关断后，电流可以迅速降至为零。但是，该结构中所需的MMC子模块元器件数量多，造价成本高，安装和拆卸过程繁琐。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种直流断路器，用以解决现有技术中MMC子模块数量多，安装繁琐的技术问题，本发明还提供了另外两种直流断路器。
为实现上述目的，本发明的方案包括：
一种直流断路器，该直流断路器包括：主通流支路、辅助电子开关支路和避雷器支路，主通流支路上串联有机械开关和换流单元；辅助电子开关支路上连接有断流单元；所述换流单元和断流单元均由一个全桥子模块构成；所述全桥子模块的每个桥臂上串联两个以上、相同数量的全控型功率开关器件，换流单元中的全控型功率开关器件的数量少于断流单元中的全控型功率开关器件。
进一步的，所述的全桥换流器包括：第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、电容；其中，第一桥臂的一端和第二桥臂的一端相连接，其连接端作为全桥子模块的输入/输出端，第三桥臂的一端和第四桥臂的一端相连接，其连接端作为全桥子模块的输出/输入端；
电容的正极与第一桥臂的另一端和第三桥臂的另一端相连接，电容的负极与第二桥臂的另一端和第四桥臂的另一端相连接。
进一步的，所述的电容为一个或一个以上串联的电容，每个电容上并联有均压电阻。
本发明还提出了一种直流断路器，该直流断路器包括：主通流支路、辅助电子开关支路和避雷器支路，主通流支路上串联有机械开关和换流单元；辅助电子开关支路上连接有断流单元；所述换流单元由一个全桥子模块构成；所述全桥子模块的每个桥臂上串联两个以上、相同数量的全控型功率开关器件；所述的断流单元中连接有全控型功率开关器件，换流单元中的全控型功率开关器件的数量少于断流单元中的全控型功率开关器件。
进一步的，所述的全桥换流器包括：第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、电容和电阻；其中，第一桥臂的一端和第二桥臂的一端相连接，其连接端作为全桥子模块的输入/输出端，第三桥臂的一端和第四桥臂的一端相连接，其连接端作为全桥子模块的输出/输入端；
电容的正极与第一桥臂的另一端和第三桥臂的另一端相连接，电容的负极与第二桥臂的另一端和第四桥臂的另一端相连接，电阻并联至电容上。
进一步的，所述的电容为一个或一个以上串联的电容，每个电容上并联有均压电阻。
本发明还提出了一种直流断路器，该直流断路器包括：主通流支路、辅助电子开关支路和避雷器支路，主通流支路上串联有机械开关和换流单元；辅助电子开关支路上连接有断流单元；其特征在于，所述断流单元由一个全桥子模块构成；所述全桥子模块的每个桥臂上串联两个以上、相同数量的全控型功率开关器件；所述的换流单元中连接有全控型功率开关器件，换流单元中的全控型功率开关器件的数量少于断流单元中的全控型功率开关器件。
进一步的，所述的全桥换流器包括：第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、电容和电阻；其中，第一桥臂的一端和第二桥臂的一端相连接，其连接端作为全桥子模块的输入/输出端，第三桥臂的一端和第四桥臂的一端相连接，其连接端作为全桥子模块的输出/输入端；
电容的正极与第一桥臂的另一端和第三桥臂的另一端相连接，电容的负极与第二桥臂的另一端和第四桥臂的另一端相连接，电阻并联至电容上。
进一步的，所述的电容为一个或一个以上串联的电容，每个电容上并联有均压电阻。
本发明的有益效果是：
本发明提出了一种直流断路器，该直流断路器由主通流支路、辅助电子开关支路和避雷器支路组成，主通流支路上串联有机械开关和换流单元；辅助电子开关支路上连接有断流单元，换流单元和断流单元均由一个全桥子模块构成；全桥子模块的每个桥臂上串联两个以上的全控型功率开关器件。本发明将现有技术中一条支路上的多个MMC子模块归纳到一个单元模块中，大大简化设计结构，节省母排资源，减少造价成本，而且便于拆卸和安装。同时保证了直流断路器具有完全阻断直流电压的能力，达到快速分段直流线路的目的。
本发明还提出了另外两种直流断路器，其中一种直流断路器和第一种直流断路器的区别在于，其换流单元由一个全桥子模块构成，全桥子模块的每个桥臂上串联两个以上的全控型功率开关器件，而断流单元可以采用其他形式子模块的连接方式。另一中直流断路器和第一种直流断路器的区别在于，其断流单元一个全桥子模块构成，全桥子模块的每个桥臂上串联两个以上的全控型功率开关器件，而换流单元可以采用其他形式子模块的连接方式。该两种直流断路器起到的作用和达到的效果同第一种直流断路器，故不再赘述。
附图说明
图1是本发明实例1中的直流断路器；
图2是本发明实例中的全桥子模块；
图3是本发明实时中的多电容多电阻全桥子模块；
图4是本发明实例3中的直流断路器；
图5是本发明实例4中的直流断路器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
一种直流断路器实施例1
如图1所示，所述直流断路器模块单元包括主通流支路、辅助电子开关支路和避雷器支路并联三条支路而成。
主通流支路上串联有快速机械开关和换流单元模块。辅助电子开关支路上连接有断流单元模块。
换流单元模块和断流单元模块均由全桥子模块构成。
如图2所示，其中，全桥子模块由第一桥臂T1、第二桥臂T2、第三桥臂T3、第四桥臂T4、电容和电阻成；每个桥臂上都串联有两个以上的全控型功率开关器件(本实施例中采用IGBT)。
第一桥臂的一端和第二桥臂的一端相连接，其连接端作为全桥子模块的输入/输出端，第三桥臂的一端和第四桥臂的一端相连接，其连接端作为全桥子模块的输出/输入端。
电容的正极与第一桥臂的另一端和第三桥臂的另一端相连接，电容的负极与第二桥臂的另一端和第四桥臂的另一端相连接，电阻并联至电容上。
换流单元中的全控型功率开关器件的数量少于断流单元中的控型功率开关器件的数量。例如图1中，换流单元模块和断流单元模块均采用全桥换流器，换流单元模块中的全桥换流器上的每个桥臂串联有2个IGBT，断流单元模块中的全桥换流器上的每个桥臂串联有4个IGBT。
所述的避雷器支路上串联有避雷器，避雷器的数量可以选取1个,也可以选取多个。本实施例中避雷器并联在主同流支路和辅助电子开关支路的两端，作为其他实施方式，避雷器也可以与相应的元件进行并联，也可以选择性的对需要保护的地方两端增加限压器件。
本实施例中，子模块中电容两端并联有均压电阻，电容和均压电阻的选取数量可以依据实际情况而定，例如图3中，采用两个电容串联的形式，每个电容并联对应的均压电阻。
基于上述直流断路器的结构，所述高压断路器的具体工作原理如下：
当主回路处于正常的工作状态时，闭合机械开关，电流从直流断路器模块主通流支路通过，此时辅助电子开关支路中无电流通过，具体为：
刚启动直流断路器模块时，快速机械开关处于断开，断流单元中的IGBT处于正向导通状态，电流从正向的第一IGBT和反向的第二IGBT中的续流二极管中共同流过，此时断流单元中的第一IGBT和反向的第二IGBT所在的两条支路处于并行状态。
然后，闭合机械开关，主通流流支路此时导通，由于换流单元中的IGBT数量较少，导致主通流支路上的导通压低于辅助电子开关支路上的导通压。
因此，电流迅速从辅助电子开关支路上转移到主通流流支路上，直到辅助电子开关支路的电流全部转移到主通流流支路上，此时，辅助电子开关支路上无电流通过，相当于辅助电子开关支路处于断开状态。
当直流线路发生故障时，触发断流单元中的全部IGBT，系统电流开始对主通流支路上换流单元中的电容充电，从而是主通流支路中换流单元两端电压升高，当电压升高至可以导通辅助电子开关支路上断流单元中IGBT的阈值电压后，电流开始从主通流支路往辅助电子开关支路上转移，
当主通流支路上的电流完全转移至辅助电子开关支路上后，主通流支路上的电流减小为零，将机械开关断开，主通流支路和辅助电子开关辅助支路完成换流过程，完成主通流支路分断。
然后，进入辅助电子开关支路分断过程，辅助电子开关辅助支路分断方法和上述主通流支路的方式就基本相同。
在机械开关恢复绝缘阻断能力之后，关断辅助电子开关支路中断流单元上的所有IGBT，此时辅助电子开关支路中的电阻非常大。
辅助电子开关支路中断路单元的IGBT的反并联二极管对电容进行充电，电容形成的电压成为阻碍二极管通态的反向电压。
断流单元两端的电压开始升高，当电压升高至可以使避雷器开启保护动作的电压阈值时，辅助电子开关支路中的电流开始转移至避雷器，直到避雷器完全吸收辅助电子开关支路的电流，此时，整个直流断路器完全实现分断直流线路的目的。
一种直流断路器实施例2
如图4所示的，实施例2介绍了另外一种直流断路器，与“一种直流断路器实施例1”的区别在于，实施例2中仅对换流单元中采用实施例1中的全桥子模块的形式，但是，断流单元采用若干全桥MMC子模块或者半桥MMC子模块串联的方式，或者采样全桥MMC子模块和半桥MMC子模块混合串联的形式，甚至是现有技术中的其他拓扑形式。
全桥MMC子模块主要由4个IGBT、旁路开关和电容组成。4个IGBT分别为第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT和第四IGBT。其中，电容的正极与第一IGBT的集电极和第三IGBT的集电极相连接，电容的负极与第二IGBT的发射机和第四IGBT的发射机相连接，第一IGBT的发射机与第二IGBT的集电极相连接，该连接端作为全桥MMC子模块的第一输出端，第三IGBT的发射极与第四IGBT的集电极相连接，该连接端子作为全桥MMC子模块的第二输出端。
半桥MMC子模块的结构为：半桥MMC子模块由第一IGBT、第二IGBT和电容组成，其中第一IGBT的集电极与第二IGBT的发射极连接，电容的负极与第一IGBT发射机连接，电容的正极与第二IGBT的集电极连接，第一IGBT的发射极作为半桥MMC子模块的第一输出端，第二IGBT的发射机作为半桥MMC子模块的第二输出端。
本实施例中断流单元中选用MMC子模块仅为优选的实施方式，作为其他实施方式，选择其他形式的IGBT连接方式也可以实现，如:断流单元中采用若干IGBT反向串联。
本实施例中可以为各个MMC子模块都并联有一个旁路开关，根据MMC子模块是否发生故障来设置旁路开关的开断。当MMC子模块发生故障时，闭合旁路开关，从而保证断流器的正常运行。
一种直流断路器实施例3
如图5所示，与“一种直流断路器实施例1”的区别在于，实施例2中仅对断流单元中采用实施例1中的全桥子模块的形式，但是，换流单元采用若干全桥MMC子模块或者半桥MMC子模块串联的方式，或者采样全桥MMC子模块和半桥MMC子模块混合串联的形式，甚至是现有技术中的其他拓扑形式。
全桥MMC子模块和半桥MMC子模块的结构在实施例2中已说明，故这里不再赘述
本实施例中断流单元中选用MMC子模块仅为优选的实施方式，作为其他实施方式，选择其他形式的IGBT连接方式也可以实现，如:换流单元中采用若干IGBT反向串联。
实施例1、2和3中只要保证换流单元中的IGBT模块少于断流单元中的IGBT模块即可。
实施例2和实施例3中的直流断路器的工作过程和实施例1相同。
以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种直流断路器，该直流断路器包括：主通流支路、辅助电子开关支路和避雷器支路，主通流支路上串联有机械开关和换流单元；辅助电子开关支路上连接有断流单元；其特征在于，所述换流单元和断流单元均由一个全桥子模块构成；所述全桥子模块的每个桥臂上串联两个以上、相同数量的全控型功率开关器件，换流单元中的全控型功率开关器件的数量少于断流单元中的全控型功率开关器件。
2.根据权利要求1所述的一种直流断路器，其特征在于，所述的全桥换流器包括：第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、电容；其中，第一桥臂的一端和第二桥臂的一端相连接，其连接端作为全桥子模块的输入/输出端，第三桥臂的一端和第四桥臂的一端相连接，其连接端作为全桥子模块的输出/输入端；
电容的正极与第一桥臂的另一端和第三桥臂的另一端相连接，电容的负极与第二桥臂的另一端和第四桥臂的另一端相连接。
3.根据权利要求2所述的一种直流断路器，其特征在于，所述的电容为一个或一个以上串联的电容，每个电容上并联有均压电阻。
4.一种直流断路器，该直流断路器包括：主通流支路、辅助电子开关支路和避雷器支路，主通流支路上串联有机械开关和换流单元；辅助电子开关支路上连接有断流单元；其特征在于，所述换流单元由一个全桥子模块构成；所述全桥子模块的每个桥臂上串联两个以上、相同数量的全控型功率开关器件；所述的断流单元中连接有全控型功率开关器件，换流单元中的全控型功率开关器件的数量少于断流单元中的全控型功率开关器件。
5.根据权利要求4所述的一种直流断路器，其特征在于，所述的全桥换流器包括：第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、电容和电阻；其中，第一桥臂的一端和第二桥臂的一端相连接，其连接端作为全桥子模块的输入/输出端，第三桥臂的一端和第四桥臂的一端相连接，其连接端作为全桥子模块的输出/输入端；
电容的正极与第一桥臂的另一端和第三桥臂的另一端相连接，电容的负极与第二桥臂的另一端和第四桥臂的另一端相连接，电阻并联至电容上。
6.根据权利要求5所述的一种直流断路器，其特征在于，所述的电容为一个或一个以上串联的电容，每个电容上并联有均压电阻。
7.一种直流断路器，该直流断路器包括：主通流支路、辅助电子开关支路和避雷器支路，主通流支路上串联有机械开关和换流单元；辅助电子开关支路上连接有断流单元；其特征在于，所述断流单元由一个全桥子模块构成；所述全桥子模块的每个桥臂上串联两个以上、相同数量的全控型功率开关器件；所述的换流单元中连接有全控型功率开关器件，换流单元中的全控型功率开关器件的数量少于断流单元中的全控型功率开关器件。
8.根据权利要求7所述的一种直流断路器，其特征在于，所述的全桥换流器包括：第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、电容和电阻；其中，第一桥臂的一端和第二桥臂的一端相连接，其连接端作为全桥子模块的输入/输出端，第三桥臂的一端和第四桥臂的一端相连接，其连接端作为全桥子模块的输出/输入端；
电容的正极与第一桥臂的另一端和第三桥臂的另一端相连接，电容的负极与第二桥臂的另一端和第四桥臂的另一端相连接，电阻并联至电容上。
9.根据权利要求8所述的一种直流断路器，其特征在于，所述的电容为一个或一个以上串联的电容，每个电容上并联有均压电阻。
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