CN105680411B - 直流固态断路器及断路控制方法 - Google Patents

直流固态断路器及断路控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种直流固态断路器，它包括晶闸管开关模块、换流回路、撬棒电路和控制器，所述换流回路为T源阻抗网络，所述撬棒电路由可控电力电子开关和电阻R串联组成，所述控制器的可控电力电子开关控制信号输出端连接可控电力电子开关的控制信号输入端，控制器的晶闸管控制信号输出端连接晶闸管开关模块的控制信号输入端，所述晶闸管开关模块、换流回路和撬棒电路串联连接。本发明可以解决传统断路器分断速度慢，需要检测、判断、控制等进行短路保护而造成延时等问题，保证直流系统在发生故障时可靠关断，增强系统可靠性。

Description

直流固态断路器及断路控制方法
技术领域
本发明涉及电力开关技术领域，具体地指一种直流固态断路器及断路控制方法。
背景技术
近年来，直流电力系统在高压直流输电系统(HVDC)、船舶电力系统、轨道交通等领域的应用不断扩展，使得直流输配电系统设备的需求不断增长，直流断路器作为系统的关键保护设备有着广泛地应用前景。
由于直流系统的电流没有自然过零点，用于交流和直流系统断路器的要求有显著不同，以舰船直流系统为例，当直流系统中出现短路故障时，电流上升率可达到20A/μs以上，峰值电流达到110kA以上，传统机械式断路器分断比较困难，需要特殊设计分断、灭弧、触头系统来实现保护，而且线路电感中存储的大量能量需要释放，这将提高系统的耐压水平和绝缘强度，而且不能满足系统快速分断故障的要求。
由于电力电子功率半导体能够快速对电路进行开关，直流断路器引入电力电子功率半导体进行直接或间接分断故障电流。电力电子功率半导体作为电流分断的主开关，即固态开关。
专利CN103578820A“改进的固态开关装置”和Francesco等的论文“1MW Bi-directional DC SSCB based on air Cooled Reverse Blocking-IGCT”(2015-IEEE会议)设计了固态断路器(Solid State Circuit Breaker,SSCB)，其主要优点在于，无电弧断路操作而具有无限电器耐久性；与机电开关的分断时间相比，SSCB分断时间明显更短。但这类设计存在两种明显缺陷：一是采用全控型电力电子器件，这类器件的额定电压、电流和抗过载能力不高，在正常工作时的损耗较大；二是此类开关的操作必须根据非常精确、严格的时序来进行，需要检测、控制配合一致。
将机械式开关的高耐压、低损耗与固态开关的快速性结合，形成所谓的混合开关或混合断路器。
专利US20150002977A1“Mechatronic circuit breaker device and associatedtripping method and use thereof in interrupting a high direct current”和专利US20120299393“Device and method to break the current of a power transmissionor distribution line and current limiting arrangement”设计了用于HVDC领域的混合断路器，系统发生故障时，换流回路检测到故障，关断负载换流开关，将故障电流转移至主回路，超高速隔离开关打开形成隔离，随后主回路中的IGBT开关断开(同时开关两端电压上升至避雷器动作电压)，故障电流全部由避雷器流过并快速减小。这类设计存在两种明显缺陷：一是因为这类开关采用全控型电力电子器件多级串联结构，对串联均压设计、每个半导体一致性要求较高，技术难度大，成本高昂；二是此类开关的操作也同样必须根据非常精确、严格的时序来进行，需要检测、控制配合一致。
上述技术均在短路故障时，采用检测、判断、控制进行保护，对这几个环节依赖性很大，而这些环节的数据必然出现延迟或者失真，这将影响断路器的可靠动作，给整个系统的保护带来极大隐患；此外，这些技术需要使用大功率全控型电力电子器件(如：IGCT，IGBT等)，使得技术难度大、成本高昂。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种直流固态断路器及断路控制方法，该断路器及断路控制方法可以解决传统断路器分断速度慢，需要检测、判断、控制等进行短路保护而造成延时等问题，保证直流系统在发生故障时可靠关断，增强系统可靠性。
为实现此目的，本发明所设计的直流固态断路器，其特征在于：它包括晶闸管开关模块(SCR)、换流回路、撬棒电路(Crowbar)和控制器，所述换流回路为T源阻抗网络，所述撬棒电路由可控电力电子开关和电阻R串联组成，所述控制器的可控电力电子开关控制信号输出端连接可控电力电子开关的控制信号输入端，控制器的晶闸管控制信号输出端连接晶闸管开关模块的控制信号输入端，所述晶闸管开关模块、换流回路和撬棒电路串联连接。
上述技术方案中，所述T源阻抗网络包括耦合电路、电容C和二极管D，其中，所述耦合电路包括变压器芯体、缠绕在变压器芯体上的原边电感L1和副边电感L2，原边电感L1的一端连接晶闸管开关模块的输出端，原边电感L1的另一端连接副边电感L2的一端，副边电感L2的另一端连接可控电力电子开关的发射极，可控电力电子开关的集电极连接电阻R的一端，电阻R的另一端连接电容C的一端，电容C的另一端连接原边电感L1的另一端，二极管D的负极连接原边电感L1的一端，二极管D的正极连接原边电感L1的另一端。
一种利用上述直流固态断路器进行断路控制的方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：在所述直流固态断路器的晶闸管开关模块输入端和电容C的一端均连接第一外部隔离开关，在所述直流固态断路器的可控电力电子开关的发射极和电阻R的另一端均连接第二外部隔离开关；
步骤2：将辅助电源开通对电容C进行充电，当电容C电压升高到预设值Umax后，断开辅助电源，将第一外部隔离开关和第二外部隔离开关闭合，同时控制器向晶闸管开关模块发出控制信号控制触发晶闸管开关模块导通，则外部直流负载完成开通操作；
步骤3：控制器通过外部直流负载检测单元，实时检测外部直流负载的工作电流，并计算过载时间或过载电流平方对时间的积分；
当控制器计算到外部直流负载过载时间或过载电流平方对时间的积分大于或等于对应的预设值时，控制器向可控电力电子开关发出控制信号控制可控电力电子开关闭合，外部直流负载通过撬棒电路产生故障电流，并达到直流固态断路器最小整定值，此时外部直流负载关断操作完毕；
步骤4：当外部直流负载短路时，电容C产生瞬时短路电流，电流路径从电容C到副边电感L2，使得副边电感L2两端产生电压，此电压将耦合到原边电感L1两端，使原边电感L1产生耦合电压，从而使得原边电感L1产生瞬时电流，方向与正常工作电流相反，两个电流叠加，此时晶闸管开关模块上的电流迅速下降为零，晶闸管开关模块自动断开，从而使故障从整个直流系统回路切断，检测电容C的电压，当电容C的电压降低至预设值Umin后，控制器触发撬棒电路断开，将第一外部隔离开关和第二外部隔离开关之间断开，则短路关断操作完毕。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供的串入T源阻抗网络和撬棒电路的断路器，能够满足外部直流负载快速切断故障电流需求，能够实现开关的无电弧分断，操作检测且功能全面。
(2)本发明采用T源阻抗网络在故障时，在主回路产生方向相反的电流，形成电流过零点，使得晶闸管能够在零电流时分断，从而快速分断故障电流。
(3)本发明提供的直流断路器在短路故障保护时，无需控制器和检测单元，自动将分断主回路，没有检测、控制延时，简单可靠。
(4)本发明提供的直流断路器的电压等级可通过晶闸管的串联级联进行扩展或组合，适应各类电压等级的系统，通用性强。
(5)本发明提供的直流断路器新颖简洁，节省成本。
(6)本发明使用晶闸管作为主关断电力电子器件，其功率等级、耐压和通流能力均高于全控型电力电子器件，且使用方式更简单、可靠，成本更低。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的使用状态示意图。
其中，1—晶闸管开关模块、2—换流回路、2.1—耦合电路、2.2—变压器芯体、3—撬棒电路、3.1—可控电力电子开关、4—控制器、5—辅助电源。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
如图1所述的直流固态断路器，它包括晶闸管开关模块1、换流回路2、撬棒电路3和控制器4，所述换流回路2为T源阻抗网络，所述撬棒电路3由可控电力电子开关3.1和电阻R串联组成，所述控制器4的可控电力电子开关控制信号输出端连接可控电力电子开关3.1的控制信号输入端，控制器4的晶闸管控制信号输出端连接晶闸管开关模块1的控制信号输入端，所述晶闸管开关模块1、换流回路2和撬棒电路3串联连接。
上述技术方案中，所述T源阻抗网络包括耦合电路2.1、电容C和二极管D，其中，所述耦合电路2.1包括变压器芯体2.2、缠绕在变压器芯体2.2(铁芯或空芯)上的原边电感L1和副边电感L2，原边电感L1的一端连接晶闸管开关模块1的输出端，原边电感L1的另一端连接副边电感L2的一端，副边电感L2的另一端连接可控电力电子开关3.1的发射极，可控电力电子开关3.1的集电极连接电阻R的一端，电阻R的另一端连接电容C的一端，电容C的另一端连接原边电感L1的另一端，二极管D的负极连接原边电感L1的一端，二极管D的正极连接原边电感L1的另一端。
故障发生时，电容C产生瞬时短路电流，电流路径从电容C到副边电感L2，使得副边电感L2两端产生电压，此电压将耦合到原边电感L1两端，使原边电感L1产生耦合电压，从而使得原边电感L1产生瞬时电流，方向与正常工作电流相反，两个电流叠加，在晶闸管SCR上的电流迅速下降为零，晶闸管SCR断开，从而使故障从整个直流系统回路切断。
上述技术方案中，所述电容C的两端连接有辅助电源5。
上述技术方案中，所述变压器芯体2.2、缠绕在变压器芯体2.2上的原边电感L1和副边电感L2组成变压器，原边电感L1产生的瞬时电流，通过变压器的变比系数调节，并根据实际故障电流幅值进行整定。
上述技术方案中，所述二极管D用于吸收原边电感L1产生的耦合能量，使得原边电感L1的能量得到释放，而不至于对晶闸管开关模块1产生超过其承受能力的电压。
上述技术方案中，所述晶闸管开关模块1为单晶闸管开关组成或多晶闸管开关串联组成，以达到实际系统的关断耐压要求。
一种利用直流固态断路器进行断路控制的方法，它包括如下步骤：
步骤1：在所述直流固态断路器的晶闸管开关模块1输入端和电容C的一端均连接第一外部隔离开关(即晶闸管开关模块1输入端和电容C的一端通过第一外部隔离开关连接电源)，在所述直流固态断路器的可控电力电子开关3.1的发射极和电阻R的另一端均连接第二外部隔离开关(即可控电力电子开关3.1的发射极和电阻R的另一端通过第二外部隔离开关)，如图2所示；
步骤2：将辅助电源5开通对电容C进行充电，当电容C电压升高到预设值Umax后，断开辅助电源5，将第一外部隔离开关和第二外部隔离开关闭合，同时控制器4向晶闸管开关模块1发出控制信号控制触发晶闸管开关模块1导通，则外部直流负载完成开通操作；
步骤3：控制器4通过外部直流负载检测单元，实时检测外部直流负载的工作电流，并计算过载时间或过载电流平方对时间的积分；
当控制器4计算到外部直流负载过载时间或过载电流平方对时间的积分大于或等于对应的预设值时，控制器4向可控电力电子开关3.1发出控制信号控制可控电力电子开关3.1闭合，外部直流负载通过撬棒电路3产生故障电流，并达到直流固态断路器最小整定值，此时外部直流负载关断操作完毕；
步骤4：当外部直流负载短路时，电容C产生瞬时短路电流，电流路径从电容C到副边电感L2，使得副边电感L2两端产生电压，此电压将耦合到原边电感L1两端，使原边电感L1产生耦合电压，从而使得原边电感L1产生瞬时电流，方向与正常工作电流相反，两个电流叠加，此时晶闸管开关模块1上的电流迅速下降为零，晶闸管开关模块1自动断开，从而使故障从整个直流系统回路切断，检测电容C的电压，当电容C的电压降低至预设值Umin后，控制器4触发撬棒电路3断开，将第一外部隔离开关和第二外部隔离开关之间断开，则短路关断操作完毕。
上述技术方案的步骤3中，当需要外部直流负载正常关断时，控制器4向可控电力电子开关3.1发出控制信号控制可控电力电子开关3.1闭合，外部直流负载通过撬棒电路3产生故障电流，并达到直流固态断路器最小整定值，则正常关断操作完毕。
本发明能满足快速切断故障电流需求，能够实现无电弧分断，简单可靠，易操作且功能全面。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种直流固态断路器，其特征在于：它包括晶闸管开关模块(1)、换流回路(2)、撬棒电路(3)和控制器(4)，所述换流回路(2)为T源阻抗网络，所述撬棒电路(3)由可控电力电子开关(3.1)和电阻R串联组成，所述控制器(4)的可控电力电子开关控制信号输出端连接可控电力电子开关(3.1)的控制信号输入端，控制器(4)的晶闸管控制信号输出端连接晶闸管开关模块(1)的控制信号输入端，所述晶闸管开关模块(1)、换流回路(2)和撬棒电路(3)串联连接。
2.根据权利要求1所述的直流固态断路器，其特征在于：所述T源阻抗网络包括耦合电路(2.1)、电容C和二极管D，其中，所述耦合电路(2.1)包括变压器芯体(2.2)、缠绕在变压器芯体(2.2)上的原边电感L1和副边电感L2，原边电感L1的一端连接晶闸管开关模块(1)的输出端，原边电感L1的另一端连接副边电感L2的一端，副边电感L2的另一端连接可控电力电子开关(3.1)的发射极，可控电力电子开关(3.1)的集电极连接电阻R的一端，电阻R的另一端连接电容C的一端，电容C的另一端连接原边电感L1的另一端，二极管D的负极连接原边电感L1的一端，二极管D的正极连接原边电感L1的另一端。
3.根据权利要求2所述的直流固态断路器，其特征在于：所述电容C的两端连接有辅助电源(5)。
4.根据权利要求2所述的直流固态断路器，其特征在于：所述变压器芯体(2.2)、缠绕在变压器芯体(2.2)上的原边电感L1和副边电感L2组成变压器，原边电感L1产生的瞬时电流，通过变压器的变比系数调节。
5.根据权利要求2所述的直流固态断路器，其特征在于：所述二极管D用于吸收原边电感L1产生的耦合能量，使得原边电感L1的能量得到释放，而不至于对晶闸管开关模块(1)产生超过其承受能力的电压。
6.根据权利要求2所述的直流固态断路器，其特征在于：所述晶闸管开关模块(1)为单晶闸管开关组成或多晶闸管开关串联组成。
7.一种利用权利要求2所述直流固态断路器进行断路控制的方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：在所述直流固态断路器的晶闸管开关模块(1)输入端和电容C的一端均连接第一外部隔离开关，在所述直流固态断路器的可控电力电子开关(3.1)的发射极和电阻R的另一端均连接第二外部隔离开关；
步骤2：将辅助电源(5)开通对电容C进行充电，当电容C电压升高到预设值Umax后，断开辅助电源(5)，将第一外部隔离开关和第二外部隔离开关闭合，同时控制器(4)向晶闸管开关模块(1)发出控制信号控制触发晶闸管开关模块(1)导通，则外部直流负载完成开通操作；
步骤3：控制器(4)通过外部直流负载检测单元，实时检测外部直流负载的工作电流，并计算过载时间或过载电流平方对时间的积分；
当控制器(4)计算到外部直流负载过载时间或过载电流平方对时间的积分大于或等于对应的预设值时，控制器(4)向可控电力电子开关(3.1)发出控制信号控制可控电力电子开关(3.1)闭合，外部直流负载通过撬棒电路(3)产生故障电流，并达到直流固态断路器最小整定值，此时外部直流负载关断操作完毕；
步骤4：当外部直流负载短路时，电容C产生瞬时短路电流，电流路径从电容C到副边电感L2，使得副边电感L2两端产生电压，此电压将耦合到原边电感L1两端，使原边电感L1产生耦合电压，从而使得原边电感L1产生瞬时电流，方向与正常工作电流相反，两个电流叠加，此时晶闸管开关模块(1)上的电流迅速下降为零，晶闸管开关模块(1)自动断开，从而使故障从整个直流系统回路切断，检测电容C的电压，当电容C的电压降低至预设值Umin后，控制器(4)触发撬棒电路(3)断开，将第一外部隔离开关和第二外部隔离开关之间断开，则短路关断操作完毕。
8.根据权利要求7所述的断路控制方法，其特征在于：所述步骤3中，当需要外部直流负载正常关断时，控制器(4)向可控电力电子开关(3.1)发出控制信号控制可控电力电子开关(3.1)闭合，外部直流负载通过撬棒电路(3)产生故障电流，并达到直流固态断路器最小整定值，则正常关断操作完毕。
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