CN105659459A - 高压直流断路器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在直流线路的一侧发生故障的事件中用于切断流过用于电力输送和分配的直流线路的故障电流的一种高压直流断路器。根据本发明的一种用于切断流过直流线路的电流的高压直流断路器包括：主开关，所述主开关安装在所述直流线路中，用于在所述直流线路的一侧或另一侧发生故障的情况下断开，由此切断所述直流线路的电流；非线性电阻器，所述非线性电阻器与所述主开关并联；LC电路，所述LC电路与所述主开关并联，包括彼此串联以产生LC谐振的电容器和电抗器；第一双向开关元件，所述第一双向开关元件与所述LC电路串联，用于导通和关断双向的电流流动；以及第二双向开关元件，所述第二双向开关元件与所述LC电路并联，用于导通和关断电流流动以产生双向的LC谐振。

Description

高压直流断路器
技术领域
本发明总体上涉及一种高压直流断路器(high-voltageDCcircuitbreaker)，并且更具体地讲，涉及在直流线路(DCline)的一侧发生故障时切断(break)在用于电力传输或分配的直流线路中流动的故障电流的高压直流断路器。
背景技术
一般来讲，高压直流断路器是可以切断流过50kV或大于50kV的高压输电线路(例如，高压直流(HVDC)输电系统)的电流的开关设备。这种高压直流断路器用于在直流线路中发生故障时切断故障电流。当然，它也可以应用于范围约为1kV至50kV的直流电压水平的中间电压直流配电系统。
当系统中出现故障电流时，高压直流断路器断开(open)主开关(mainswitch)，以便切断出现故障的电路，由此中断故障电流。然而，因为直流线路中没有零电流点，当主开关断开时在主开关的端子之间产生的电弧不会熄灭。因此，故障电流通过电弧继续流动，并且因此无法中断故障电流。
为了通过熄灭在断开高压直流断路器的主开关CB时产生的电弧来切断故障电流，日本专利申请公开No.1984-068128，如图1所示，提供了一种通过主开关CB处的零电流熄灭电弧的技术，通过将LC电路产生的谐振电流(resonancecurrent)Ip叠加在直流线路中流动的电流IDC上来形成零电流(Idc＝IDC+Ip)。具体地讲，如果在主开关CB断开并且产生电弧时闭合辅助开关S，那么施加正(+)谐振电流(Ip>0)以叠加在直流电流IDC上。然后，谐振电流Ip由于L与C之间的谐振而在正(+)与负(-)之间振荡，并且其大小(magnitude)随着振荡沿着主开关CB重复而增大。因此，当负(-)谐振电流(Ip<0)的大小变得与IDC相同时，电流Idc变成零电流，并且主开关CB的电弧熄灭。然而，根据此常规技术，因为要叠加等于或大于直流电流IDC的正(+)谐振电流Ip，所以电路额定值应当大于额定电流的额定值的两倍。另外，为了实现这种大的谐振电流Ip，需要多个谐振周期，并且因此降低了切断速度。另外，常规的直流断路器存在无法中断双向故障电流的问题。
发明内容
技术问题
因此，本发明的目的是提供一种高压直流断路器，该高压直流断路器可以完全切断主开关中的故障电流，即使高压直流断路器不对主开关施加谐振电流。
本发明的另一个目的是提供一种高压直流断路器，该高压直流断路器通过使用单个电路(singlecircuit)来切断双向故障电流。
本发明的另外的目的是提供一种高压直流断路器，该高压直流断路器通过应用少量半导体器件来切断故障电流。
本发明的又另一个目的是提供一种高压直流断路器，该高压直流断路器实施为以便能够通过使用主开关来进行重合闸(reclosing)操作。
技术方案
为了实现上述目的，根据本发明的高压直流断路器包括：主开关，所述主开关安装在直流线路上，用于在所述直流线路的一侧或其余侧发生故障时通过断开所述主开关来切断所述直流线路的电流；非线性电阻器(nonlinearresistor)，所述非线性电阻器与所述主开关并联；LC电路，所述LC电路与所述主开关并联，并且包括电容器和电抗器(reactor)，所述电容器和所述电抗器串联以便产生LC谐振；第一双向开关元件，所述第一双向开关元件与所述LC电路串联，用于切换(switching)双向的电流流动(currentflow)；以及第二双向开关元件，所述第二双向开关元件与所述LC电路并联，用于切换电流流动以在两个方向引起(induce)LC谐振。
在本发明中，所述高压直流断路器进一步包括充电电阻器，所述充电电阻器用于在初始启动时使所述电容器充有直流电压(Vc)，其中，所述充电电阻器安装在接地端(ground，GND)与所述LC电路和所述第一双向开关元件的接触点之间。
在本发明中，所述第一双向开关元件和所述第二双向开关元件均包括导通(turn-on)或者导通/关断(turn-on/turn-off)可控的一对功率半导体开关，其中，所述一对功率半导体开关在相反的方向上并联。
在本发明中，如果在所述主开关由于所述直流线路的一侧发生故障而断开时产生电弧，在所述第一双向开关元件的功率半导体开关(G1-G2)关断的状态下，通过导通所述第二双向开关元件的功率半导体开关中的一个功率半导体开关(G4)，所述电容器充有由所述LC电路的电抗器和电容器之间的LC谐振引起的电压-Vc；通过关断所述功率半导体开关(G4)并且导通所述第一双向开关元件的功率半导体开关中的一个功率半导体开关(G2)，所述电容器中充有的电压-Vc使电流供应到所述主开关；并且所供应的电流在所述主开关处引起零电流，由此在所述主开关中产生的电弧熄灭。
在本发明中，通过所述电容器中充有的电压-Vc供应到所述主开关的电流具有比故障电流的大小更大的大小，并且具有与所述故障电流的方向相反的方向，所述故障电流通过所述主开关中的电弧继续流动。
在本发明中，在所述主开关中产生的电弧熄灭之后，当变得比所述直流线路的一侧的电压更高的所述直流线路的其余侧的电压在所述非线性电阻器处被消耗时，所述电容器通过流过所述LC电路和所述第一双向开关元件的电流而再充有电压+Vc，并且然后所述功率半导体开关(G2)关断。
在本发明中，如果在所述主开关由于所述直流线路的其余侧发生故障而断开时产生电弧，在所述第二双向开关元件的功率半导体开关(G3-G4)关断的状态下，通过导通所述第一双向开关元件的功率半导体开关中的一个功率半导体开关(G1)，所述LC电路的电容器中先前充有的+Vc使电流供应到所述主开关，并且所供应的电流在所述主开关(110)处引起零电流，由此在所述主开关中产生的电弧熄灭。
在本发明中，通过所述电容器中先前充有的电压+Vc供应到所述主开关的电流具有比故障电流的大小更大的大小，并且具有与所述故障电流的方向相反的方向，所述故障电流通过所述主开关中的电弧继续流动。
在本发明中，在所述主开关中产生的电弧熄灭之后，在变得比所述直流线路的其余侧的电压更高的所述直流线路的一侧的电压使所述LC电路的电容器充有-Vc之后，关断所述功率半导体开关(G1)；并且通过导通所述第二双向开关元件的功率半导体开关中的一个功率半导体开关(G3)，所述LC电路的电容器和电抗器之间的LC谐振使所述电容器再充有电压+Vc。
在本发明中，变得比所述直流线路的其余侧的电压更高的所述直流线路的一侧的电压在所述非线性电阻器处被消耗。
有益效果
本发明通过容易且快速地熄灭在高压直流断路器中执行主开关的开关操作时产生的电弧来切断故障电流。
另外，根据本发明的高压直流断路器可以通过使用单个电路来切断双向故障电流。
另外，根据本发明，通过使用最小数量的电子元件来实施高压直流断路器，因此减小断路器的大小和成本。
此外，根据本发明的高压直流断路器可以再次执行电流切断操作，除非在执行重合闸主开关的操作时排除了故障电流。
附图说明
图1是常规的高压直流断路器的框图；
图2是根据本发明的实施例的高压直流断路器的框图；
图3是示出了当在高压直流线路的一侧发生故障时根据本发明的高压直流断路器中的切断故障电流的过程的示意图；并且
图4是示出了当在高压直流线路的另一侧发生故障时根据本发明的高压直流断路器中的切断故障电流的过程的示意图。
具体实施方式
以下将参照附图来详细地描述本发明的优选实施例。另外，以下将省略被视为使本发明的主旨不必要地模糊的已知功能和构造的详细描述。
图2是根据本发明的实施例的高压直流断路器的框图。
参见图2，根据本发明的实施例的高压直流断路器100包括安装在连接A和B的直流线路10上的主开关110。当在A或B处发生故障时，主开关110用于阻断直流线路10，以便防止故障电流继续流到发生故障的电路。为此，在正常状态下闭合的主开关110在发生故障时断开。由控制单元(未示出)的控制信号控制主开关110的开关操作。
在本实施例中，非线性电阻器120与主开关110并联，其中，非线性电阻器120防止等于或大于额定电压的过高电压(excessivevoltage)在主开关110被阻断时施加在高压直流断路器100的两端。当等于或大于预设参考电压(referencevoltage)的高电压由故障引起并且出现在高压直流断路器100的两端时，线性电阻器120自动导通并且消耗高电压。在本实施例中，非线性电阻器120可以实施为变阻器(varistor)。
在本实施例中，因为在直流线路10中产生高电压，所以高电流流入主开关110中。因此，当主开关110由于发生故障而断开时，在主开关110的开关接线端子之间产生电弧，并且直流故障电流通过电弧继续在直流线路10中流动。因此，本发明需要通过熄灭电弧来完全切断故障电流的附加元件。
具体地讲，串联的LC电路130和第一双向开关元件140，LC电路130和第一双向开关元件140然后与主开关110并联。另外，第二双向开关元件150与LC电路130并联。LC电路130被配置为包括串联的电容器131和电抗器132。为了使电流在两个方向流动，双向开关元件150和160以这样一种方式配置：两个功率半导体开关G1至G4并联并且以相反的方向定向。尽管图未示出，但是功率半导体开关G1至G4的操作由控制单元(未示出)控制。在本实施例中，功率半导体开关G1至G4是导通可控元件，并且可以实施为晶体闸流管(thyristors)。可替代地，作为导通/关断可控元件，它们可以实施为GTO、IGCT、IGBT等。
另外，在本实施例的高压直流断路器100中，充电电阻器160连接在接地端GND与LC电路130和第一双向开关元件140的接触点之间。通过充电电阻器160，LC电路130的电容器131最初充有与直流电压Vc一样高的电压。
图3是示出了根据本发明的实施例的当在高压直流断路器的一侧B发生故障时切断故障电流的过程的示意图，并且图4是示出了根据本发明的另一个实施例的当在高压直流断路器的另一侧A发生故障时切断故障电流的过程的示意图。
首先，当根据本发明的实施例的高压直流断路器100处于正常状态时，其主开关110闭合。另外，第一双向开关元件140和第二双向开关元件150由于关断而被阻断。因此，当在直流线路10上施加电压时，稳定的电流通过主开关110在直流线路10中流动，并且电容器131通过LC电路130的电容器131和电抗器132以及充电电阻器160而充有直流电压Vc。
如果B处发生故障，控制单元检测故障并且断开主开关110，如图3所示。当主开关110断开时，在主开关110的开关接线端子之间产生电弧，并且因此故障电流继续从A流到B。此时，如果在第一双向开关元件140中彼此并联的功率半导体开关G1和G2关断的状态下导通作为第二双向开关元件150的下开关的功率半导体开关G4，通过功率半导体开关G4产生电抗器132与电容器131之间的LC谐振，由此电容器131的电压变为–Vc。
然后，功率半导体开关G4关断，并且在第一双向开关元件140中的右侧的功率半导体开关G2导通。因此，通过电容器131中充有的电压–Vc，电流通过功率半导体开关G2供应到B处。供应的电流使主开关110处的电流变为零，并且因此电弧熄灭。这里，需要供应到B处的电流具有比通过主开关110中的电弧继续流动的故障电流的大小更大的大小，并且具有与故障电流的方向相反的方向。可以确定电容器的充电容量以便满足这些条件。
如上所述，当主开关110通过完全熄灭在主开关110产生的电弧而中断故障电流时，A处电压与B处电压相比迅速增大。在A处的增大的电压在与主开关110并联的非线性电阻器120处消耗的同时，电容器131通过LC电路130和第一双向开关元件140再充有+Vc。然后，关断功率半导体开关G2。
这里，本发明的高压直流断路器100具有特性，使得重合闸主开关110的操作是可行的。换句话讲，当B处的故障排除时，控制单元可以闭合主开关110以便在直流线路10中形成闭合回路。当通过闭合主开关110而形成闭合回路时，如果B处的故障未排除，那么重复上述过程。可以执行此重合闸操作，因为在电弧熄灭之后，电容器131在LC电路130中维持充有+Vc的充电状态。
如上所述，在根据本发明的高压直流断路器100中，通过单个LC谐振熄灭在主开关110产生的电弧，使得通过电弧流动的故障电流被中断。
同时，当在A处发生故障时，控制单元检测故障并且断开主开关110，如图4所示。当主开关110断开时，在主开关110的开关接线端子之间产生电弧，并且因此故障电流继续从B流到A。在这种情况下，如果在第二双向开关元件150中彼此并联的功率半导体开关G3和G4关断的状态下导通作为第一双向开关元件140的左开关的功率半导体开关G1，电流通过LC电路130的电容器131中存储的电压供应到A。供应的电流使主开关110处的电流变为零，由此电弧熄灭。这里，需要供应到A处的电流具有比通过主开关110中的电弧继续流动的故障电流的大小更大的大小，并且具有与故障电流的方向相反的方向。
然后，当主开关110通过完全熄灭在主开关110产生的电弧而中断故障电流时，如上所述，B处电压迅速升高，并且LC电路130的电容器131充有-Vc。然后，功率半导体开关G1断开。在这种情况下，如果第二双向开关元件150的功率半导体开关G3导通，那么电容器131与电抗器132之间的LC谐振通过功率半导体开关G3产生，并且因此电容器131的电压变为+Vc。然后，功率半导体开关G3关断。另外，变得比A处电压较高的B处电压在与主开关110并联的非线性电阻器120处消耗。
另外，在图4的情况下，本发明的高压直流断路器100可以执行主开关110的重合闸操作。换句话讲，当A处故障排除时，控制单元可以闭合主开关110以便在直流线路10中形成闭合回路。当通过闭合主开关110而形成闭合回路时，如果A处故障未排除，那么重复上述过程。可以执行此重合闸操作，因为在电弧熄灭之后，电容器131由于LC电路130中的谐振而维持充有+Vc的充电状态。
如上所述，根据本发明的高压直流断路器100具有以下特征：由LC谐振引起的电流通过第二双向开关元件150的功率半导体开关G3和G4形成，而不是通过如图1所示的常规技术的主开关CB形成。因此，不同于LC谐振引起的电流振荡增大的常规技术，引起一次LC谐振以便颠倒LC电路130的电容器131的电压极性。因此，与常规技术相比切断速度提升。另外，不同于常规技术，本发明通过在主开关110上施加在与流入主开关110中的故障电流相反的方向上流动的电流来实现主开关110处的零电流，由此熄灭电弧。
虽然以上结合优选实施例描述了本发明，但是本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员会认识到在不脱离由所附权利要求书所公开的本发明的范围和精神的情况下，可以进行多种修改、增设和替换。因此，本发明的范围应当由所附权利要求书及其等同形式的范围来限定。

Claims (10)

1.一种用于切断直流线路中流动的电流的高压直流断路器，包括：
主开关(110)，所述主开关(110)安装在所述直流线路上，用于当所述直流线路的一侧或所述直流线路的其余侧发生故障时通过断开所述主开关(110)来切断所述直流线路的电流；
非线性电阻器(120)，所述非线性电阻器(120)与所述主开关(110)并联；
LC电路(130)，所述LC电路(130)与所述主开关(110)并联，并且包括电容器(131)和电抗器(132)，所述电容器(131)和所述电抗器(132)串联以便产生LC谐振；
第一双向开关元件(140)，所述第一双向开关元件(140)与所述LC电路(130)串联，用于切换双向的电流流动；以及
第二双向开关元件(150)，所述第二双向开关元件(150)与所述LC电路(130)并联，用于切换电流流动以在两个方向引起LC谐振。
2.根据权利要求1所述的高压直流断路器，进一步包括充电电阻器(160)，所述充电电阻器(160)用于在初始启动时使所述电容器(131)充有直流电压(Vc)，
其中，所述充电电阻器(160)安装在接地端(GND)与所述LC电路(130)和所述第一双向开关元件(140)的接触点之间。
3.根据权利要求1或2所述的高压直流断路器，其中，所述第一双向开关元件和所述第二双向开关元件分别包括导通或者导通/关断可控的一对功率半导体开关(G1-G2)以及导通或者导通/关断可控的一对功率半导体开关(G3-G4)，
其中，所述一对功率半导体开关在相反的方向上并联。
4.根据权利要求3所述的高压直流断路器，其中，如果在所述主开关(110)由于所述直流线路的所述一侧发生故障而断开时产生电弧，
在所述第一双向开关元件(140)的功率半导体开关(G1-G2)关断的状态下，通过导通所述第二双向开关元件(150)的功率半导体开关中的一个功率半导体开关(G4)，使所述电容器(131)充有由所述LC电路(130)的所述电抗器(132)和所述电容器(131)之间的LC谐振引起的电压-Vc之后，通过关断所述功率半导体开关(G4)并且导通所述第一双向开关元件(140)的功率半导体开关中的一个功率半导体开关(G2)，所述电容器(131)中充有的电压-Vc使电流供应到所述主开关(110)，并且
所供应的电流在所述主开关(110)处引起零电流，由此在所述主开关(110)中产生的电弧熄灭。
5.根据权利要求4所述的高压直流断路器，其中，通过所述电容器(131)中充有的电压-Vc而供应到所述主开关(110)的电流具有比故障电流的大小更大的大小，并且具有与所述故障电流的方向相反的方向，所述故障电流通过所述主开关(110)中的电弧继续流动。
6.根据权利要求4所述的高压直流断路器，其中，在所述主开关(110)中产生的电弧熄灭之后，
当变得比所述直流线路的所述一侧的电压更高的所述直流线路的所述其余侧的电压在所述非线性电阻器(120)处被消耗时，所述电容器(131)通过流过所述LC电路(130)和所述第一双向开关元件(140)的电流而再充有电压+Vc，然后所述功率半导体开关(G2)关断。
7.根据权利要求3所述的高压直流断路器，其中，如果在所述主开关(110)由于所述直流线路的所述其余侧发生故障而断开时产生电弧，
在所述第二双向开关元件(150)的功率半导体开关(G3-G4)关断的状态下，通过导通所述第一双向开关元件(140)的功率半导体开关中的一个功率半导体开关(G1)，所述LC电路(130)的所述电容器(131)中先前充有的+Vc使电流供应到所述主开关(110)，并且
所供应的电流在所述主开关(110)处引起零电流，由此在所述主开关(110)中产生的电弧熄灭。
8.根据权利要求7所述的高压直流断路器，其中，通过所述电容器(131)中先前充有的电压+Vc而供应到所述主开关(110)的电流具有比故障电流的大小更大的大小，并且具有与所述故障电流的方向相反的方向，所述故障电流通过所述主开关(110)中的电弧继续流动。
9.根据权利要求7所述的高压直流断路器，其中，在所述主开关(110)中产生的电弧熄灭之后，
在变得比所述直流线路的所述其余侧的电压更高的所述直流线路的所述一侧的电压使所述LC电路(130)的所述电容器(131)充有-Vc之后，所述功率半导体开关(G1)关断；并且
通过导通所述第二双向开关元件(150)的功率半导体开关中的一个功率半导体开关(G3)，所述LC电路(130)的所述电容器(131)和所述电抗器(132)之间的LC谐振使所述电容器(131)再充有电压+Vc。
10.根据权利要求9所述的高压直流断路器，其中，变得比所述直流线路的所述其余侧的电压更高的所述直流线路的所述一侧的电压在所述非线性电阻器(120)处被消耗。
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