CN105811369A - 一种用于高压直流断路器的旁路保护装置及其保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高压直流断路器的旁路保护装置及其保护方法，旁路保护装置包括晶闸管阀和桥式过压保护电路；所述桥式过压保护电路连接在晶闸管阀中反并联的晶闸管之间；在所述主支路每个H桥子模块的两端并联有所述晶闸管阀，本发明提供的旁路保护装置能够在断路器主支路闭锁异常时，防止由于子模块过电压而损坏，即将正反向压接的晶闸管并联于主支路子模块上，正常运行时由机械开关通流，在出现故障时，将主支路的电流转移至并联连接的电力电子器件支路中，然后由电力电子器件分断电流，当主支路发生过电压时，触发晶闸管，使得电流通过晶闸管形成通路，从而达到保护主支路的目的。

Description

一种用于高压直流断路器的旁路保护装置及其保护方法

技术领域

本发明涉及一种直流断路器的保护装置及其保护方法，具体讲涉及一种用于高压直流断路器的旁路保护装置及其保护方法。

背景技术

直流输电与交流输电相比具有很多优点，如线损低、传输容量大、传输距离远、不存在系统同步运行稳定性问题等，高压直流断路器是高压直流输电换流站中非常重要的电气一次设备，在系统出现故障或检修的情况下，直流断路器能够在不停电的情况下改变供电系统结构，保证系统的正常运行。高压直流断路器大体可以分为机械式高压直流断路器、全固态高压直流断路器与混合式高压直流断路器。机械式高压直流断路器虽然通态损耗小、带载能力强、运行稳定，但是它无法实时切除故障电流；全固态高压直流断路器虽然开断时间短，但是单管容量低，器件的通态损耗高。混合式高压直流断路器是目前断路器研发的主要发展方向,具有广阔的应用前景，它由机械式开关和电力电子器件并联构成，不仅具有电力电子器件良好的动态特性，还具有机械式开关良好的静态特性，另外，混合式高压直流断路器的开断时间短，工作时损耗很小。

常规的旁路保护方法为在被保护设备两端并联避雷器，但是避雷器动作需要吸收回路电流，高压直流断路器的容量都很大，对避雷器的吸收能力提出了较高的影响。另外，由于断路器两端的电压只有数千伏，匹配如此低电压，且具有高能量吸收能力的避雷器较少，因而不是一种较为经济的保护方法。采用传统过电压保护器件BOD实现晶闸管的过电压保护，其保护动作可以在几微秒之内动作，为了实现在断路器的数毫秒内几千安培的电流变化率，而晶闸管的也可以在几微秒内开通时间。其动作特性速度快，由于断路器的双向动作特性，需要设计正反向并联的双向晶闸管以完成双向通流能力。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种用于高压直流断路器的旁路保护装置及其保护方法，旁路保护装置采用将正反向压接的晶闸管并联于高压直流断路器主支路子模块上，当主支路发生过电压时，触发晶闸管，使得电流通过晶闸管形成通路，从而达到保护主支路的目的。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种用于高压直流断路器的旁路保护装置，所述高压直流断路器包括直流母线、主支路，转移支路和泄放支路；所述主支路、转移支路和泄放支路并联后连接在直流母线上；其改进之处在于，所述旁路保护装置包括晶闸管阀和桥式过压保护电路；所述桥式过压保护电路连接在晶闸管阀中反并联的晶闸管之间；在所述主支路每个H桥子模块的两端并联有所述晶闸管阀。

进一步地，所述桥式过电压保护电路为反并联的晶闸管提供过压保护，包括2个LCD电路、BOD桥式电路、2个限流电阻和2个门极稳压二极管；其中一个门极稳压二极管的两端分别与其中一个晶闸管的控制极和其中一个LCD电路中的电抗器连接；另一个门极稳压二极管的两端分别与另一个晶闸管的控制极和另一个LCD电路中的电容器连接；2个限流电阻均连接在LCD电路和BOD桥式电路之间；

所述LCD电路用防止由于电压突然上升使BOD桥式电路意外导通，所述限流电阻用来限制门极电流；所述BOD桥式电路用于保护单个过电压保护元件BOD双向过压保护的目的，门极稳压二极管用于防止门极电压过高造成的损坏。但任意一个晶闸管正向电压导通超过过电压保护元件BOD动作保护值时，过电压保护元件BOD导通，产生门极电流开通晶闸管阀。

进一步地，所述LCD电路包括并联的电抗器、电容器和二极管；所述BOD桥式电路由两个反串联的二极管支路并联组成，在两个反串联的二极管支路之间连接有过电压保护元件BOD；其中一个反串联的二极管支路中的两个二极管阳极相连；另一个反串联的二极管支路中的两个二极管阴极相连；

所述门极稳压二极管由反串联的二极管组成，其中二极管阳极相连。

进一步地，所述主支路由级联的H桥子模块串联机械开关构成，所述H桥子模块包括两相四个桥臂，在两相之间并联有电容器；每个桥臂均有IGBT器件以及与其反并联的二极管组成；

所述转移支路由级联的H桥子模块构成，所述H桥子模块包括两相四个桥臂，在两相之间并联有电容器；每个桥臂均有IGBT器件以及与其反并联的二极管组成；

所述泄放支路由避雷器构成。

进一步地，所述每个H桥子模块均设有散热器，所述散热器位置抽头和旁路保护装置并联连接。

本发明还提供一种用于高压直流断路器的旁路保护装置的保护方法，其改进之处在于，所述方法包括：在主支路每个H桥子模块的两端并联由晶闸管阀，当主支路闭锁异常时，通过投入旁路装置承受暂时过电压和过电流，实现保护主支路的目的；包括如下步骤：

(1)安装所述晶闸管阀与高压直流断路器的主支路并联；

(2)当高压直流断路器需要断开线路电流时，主支路闭锁，为H桥子模块电容充电，主支路电压开始上升；

(3)正常情况下，电流转移至转移支路，若如果转移支路中的H桥子模块有无法正常开通的，则电流则无法成功转移，主支路电压进一步上升；

(4)当主支路电容电压阈值达到BOD桥式电路设定的阈值时，BOD导通，产生晶闸管阀门极电流，门极电流流过晶闸管阀，主支路电容电压不再升高，主支路得到保护。

进一步地，所述主支路中H桥子模块的保护阈值为3.5kV～4kV；选取的主支路晶闸管阀承受的暂态过电流为30～52kA，所述暂态过电流持续时间为10～20ms，暂态过电流电流上升率小于3kA/ms。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：

1、本发明所提出的适用于高压直流断路器的旁路保护方法使用单BOD器件，实现对晶闸管的双向保护目的，结构简单；

2、本发明所提出的适用于高压直流断路器的旁路保护方法易于扩展，易于实现模块化设计，应用于高电压等级时，在技术和经济上优势更为明显；

3、本发明所提出的适用于高压直流断路器的旁路保护方法结构新颖、控制简单，应用灵活，动作迅速，设备成本低，耐受电压等级高，且易于扩展至不同电压等级直流电网；

4、本发明所提出的适用于高压直流断路器的旁路保护方法安装方式简单，可根据工程实际需要进行灵活安装拆卸。

附图说明

图1是本发明提供的高压直流断路器的拓扑结构图；

图2是本发明提供的高压直流断路器旁路保护装置的结构图；

图3是本发明提供的旁路装置的安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

高压直流断路器包括直流母线、主支路，转移支路和泄放支路；所述主支路、转移支路和泄放支路并联后连接在直流母线上；高压直流断路器的拓扑结构图如图1所示，主支路由级联的H桥子模块串联机械开关构成，所述H桥子模块包括两相四个桥臂，在两相之间并联有电容器；每个桥臂均有IGBT器件以及与其反并联的二极管组成；所述转移支路由级联的H桥子模块构成，所述H桥子模块包括两相四个桥臂，在两相之间并联有电容器；每个桥臂均有IGBT器件以及与其反并联的二极管组成；所述泄放支路由避雷器构成。

旁路保护装置包括晶闸管阀和桥式过压保护电路。所述桥式过压保护电路连接在晶闸管阀中反并联的晶闸管之间；在所述主支路每个H桥子模块的两端并联有所述晶闸管阀。

桥式过电压保护电路为反并联的晶闸管提供过压保护，包括2个LCD电路、BOD桥式电路、2个限流电阻和2个门极稳压二极管；其中一个门极稳压二极管的两端分别与其中一个晶闸管的控制极和其中一个LCD电路中的电抗器连接；另一个门极稳压二极管的两端分别与另一个晶闸管的控制极和另一个LCD电路中的电容器连接；2个限流电阻均连接在LCD电路和BOD桥式电路之间。

所述LCD电路用防止由于电压突然上升使BOD桥式电路意外导通，所述限流电阻用来限制门极电流；所述BOD桥式电路用于保护单个BOD双向过压保护的目的，门极稳压二极管用于防止门极电压过高造成的损坏。但任意一个晶闸管正向电压导通超过BOD动作保护值时BOD导通，产生门极电流开通晶闸管阀。

LCD电路包括并联的电抗器、电容器和二极管；所述BOD桥式电路由两个反串联的二极管支路并联组成，在两个反串联的二极管支路之间连接有过电压保护元件BOD；其中一个反串联的二极管支路中的两个二极管阳极相连；另一个反串联的二极管支路中的两个二极管阴极相连；所述门极稳压二极管由反串联的二极管组成，其中二极管阳极相连。

高压直流断路器的主支路的故障类型主要分为开通故障和闭锁故障。根据开通故障的分析结果：当主支路存在开通故障且转移支路也存在开通故障时，将会发生模块的损坏，取决于主支路和转移支路中开通故障模块的数量。若主支路的故障数目小于转移支路的故障数目，则将导致主支路由于过压而发生损坏，因此，需要在主支路配备过压保护，在电压达到IGBT耐受电压时触发旁路装置。根据闭锁故障的分析结果：试验电流幅值达到断路器动作电流时，断路器动作，施加主支路子模块闭锁命令，若主支路模块全部发生闭锁故障，将无法实现试验电流向转移支路转移，从而造成直流断路器无法正常分断，更有甚者会使得主支路由于过流而损坏。因而需要主支路设置过电流保护，当主支路的电流达到保护阈值时闭锁主支路，使得电流强迫转移，若转移支路同时存在开通故障时，则试验电流将对主支路充电，当电压达到保护阈值时，使得旁路装置动作，使得试验电流通过旁路晶闸管而实现转移，从而达到保护主支路IGBT子模块的目的。保护包括如下步骤：

(1)安装所述晶闸管阀与高压直流断路器的主支路并联；

(2)当高压直流断路器需要断开线路电流时，主支路闭锁，为H桥子模块电容充电，主支路电压开始上升；

(3)正常情况下，电流转移至转移支路，若如果转移支路中的H桥子模块有无法正常开通的，则电流则无法成功转移，主支路电压进一步上升；

(4)当主支路电容电压阈值达到BOD桥式电路设定的阈值时，过电压保护元件BOD导通，产生晶闸管阀门极电流，门极电流流过晶闸管阀，主支路电容电压不再升高，主支路得到保护。

所述的高压直流断路器的旁路保护装置上设计为并联在主支路两端，当主支路无法继续运行时，可以通过投入旁路装置，让旁路装置承受暂时过电压和过电流，从而实现保护主支路的目的。这是由于晶闸管承受暂时过压和过流能力均要强于IGBT。通过晶闸管实现对断路器的旁路保护，能够可靠保证断路器模块免受回路过电压和过电流而损坏。

所陈述的高压断路器保护方法为断路器主支路每个H桥模块装配一组正反向并联的晶闸管作为旁路装置。可以在实际试验过程中短接主支路的3个子模块中的2个或者1个，将剩余的接入试验回路。断路器子模块的保护阈值为3.5kV～4kV。所选取的主支路晶闸管承受的暂态过电流为30～52kA，所承受的暂态电流持续时间为10～20ms，所能承受的电流上升率小于3kA/ms。

所设计的高压直流断路器主支路每个子模块设计一套旁路装置，试验过程中，可根据实际需要选择投入其中几套或者全部旁路装置。高压直流断路器的旁路装置保护方法是为了保护断路器的IGBT子模块免受损坏而施加的过电压保护方法，电路的结构输入如图2所示，是由电阻和电容串联形成。断路器具有双向动作特性。

所述的高压直流断路器保护电路结构如图2所示，以正向为例，即图中箭头方向所示，L1、C1不仅具有滤波的功能，而且对晶闸管的触发起到延时的作用，R1的作用是防止di/dt过大损坏晶闸管。

所述的高压直流断路器保护装置具有双向动作能力，双向动作特性是由高压二极管进行隔离。电路保护动作后电流的流动方向如图2所示。

所述的高压直流断路器保护电路通过高压二极管，阻容分压电路和BOD形成过电压保护动作电流释放通道。

所陈述的高压直流断路器保护电路的滤波电感能够抑制1～3kA/us的电流变化率，防止回路电流变化率过大而损坏晶闸管的门极。

所述的高压直流断路器保护电路的滤波回路能够抑制100～500kV/us的电压变化率，并且能够延缓晶闸管的触发时间1～3us，防止晶闸管开通过程中的开通过电压损坏晶闸管并影响其他回路。

所述的高压直流断路器旁路装置结构上采用串联压接方式，中间散热器位置抽头抽取反并联中性点，并和两个端部形成三个接线位置。旁路装置的两个端部并联至断路器主支路两端。

和电容以左边晶闸管为例，当晶闸管阳极和阴极之间的承受电压水平大于过电压保护时，上侧二极管将缓冲RC回路短接，变成两个二极管并联的支路和BOD相串联，反之亦是类似。

旁路装置的安装方式如图3所示。采用该种设计方式可以直接挂靠至主支路，可根据工程实际需要进行灵活安装拆卸。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于高压直流断路器的旁路保护装置，所述高压直流断路器包括直流母线、主支路，转移支路和泄放支路；所述主支路、转移支路和泄放支路并联后连接在直流母线上；其特征在于，所述旁路保护装置包括晶闸管阀和桥式过压保护电路；所述桥式过压保护电路连接在晶闸管阀中反并联的晶闸管之间；在所述主支路每个H桥子模块的两端并联有所述晶闸管阀。

2.如权利要求1所述的旁路保护装置，其特征在于，所述桥式过电压保护电路为反并联的晶闸管提供过压保护，包括2个LCD电路、BOD桥式电路、2个限流电阻和2个门极稳压二极管；其中一个门极稳压二极管的两端分别与其中一个晶闸管的控制极和其中一个LCD电路中的电抗器连接；另一个门极稳压二极管的两端分别与另一个晶闸管的控制极和另一个LCD电路中的电容器连接；2个限流电阻均连接在LCD电路和BOD桥式电路之间；

所述LCD电路用防止由于电压突然上升使BOD桥式电路意外导通，所述限流电阻用来限制门极电流；所述BOD桥式电路用于保护单个过电压保护元件BOD双向过压保护的目的，门极稳压二极管用于防止门极电压过高造成的损坏；任意一个晶闸管正向电压导通超过过电压保护元件BOD动作保护值时，过电压保护元件BOD导通，产生门极电流开通晶闸管阀。

3.如权利要求2所述的旁路保护装置，其特征在于，所述LCD电路包括并联的电抗器、电容器和二极管；所述BOD桥式电路由两个反串联的二极管支路并联组成，在两个反串联的二极管支路之间连接有过电压保护元件BOD；其中一个反串联的二极管支路中的两个二极管阳极相连；另一个反串联的二极管支路中的两个二极管阴极相连；

所述门极稳压二极管由反串联的二极管组成，其中二极管阳极相连。

4.如权利要求1所述的旁路保护装置，其特征在于，所述主支路由级联的H桥子模块串联机械开关构成，所述H桥子模块包括两相四个桥臂，在两相之间并联有电容器；每个桥臂均有IGBT器件以及与其反并联的二极管组成；

所述转移支路由级联的H桥子模块构成，所述H桥子模块包括两相四个桥臂，在两相之间并联有电容器；每个桥臂均有IGBT器件以及与其反并联的二极管组成；

所述泄放支路由避雷器构成。

5.如权利要求1所述的旁路保护装置，其特征在于，所述每个H桥子模块均设有散热器，所述散热器位置抽头和旁路保护装置并联连接。

6.一种如权利要求1-5中任一项所述的用于高压直流断路器的旁路保护装置的保护方法，其特征在于，所述方法包括：在主支路每个H桥子模块的两端并联由晶闸管阀，当主支路闭锁异常时，通过投入旁路装置承受暂时过电压和过电流，实现保护主支路的目的；包括如下步骤：

(1)安装所述晶闸管阀与高压直流断路器的主支路并联；

(2)当高压直流断路器需要断开线路电流时，主支路闭锁，为H桥子模块电容充电，主支路电压开始上升；

(3)正常情况下，电流转移至转移支路，若如果转移支路中的H桥子模块有无法正常开通的，则电流则无法成功转移，主支路电压进一步上升；

(4)当主支路电容电压阈值达到BOD桥式电路设定的阈值时，过电压保护元件BOD导通，产生晶闸管阀门极电流，门极电流流过晶闸管阀，主支路电容电压不再升高，主支路得到保护。

7.如权利要求6所述的保护方法，其特征在于，所述主支路中H桥子模块的保护阈值为3.5kV～4kV；选取的主支路晶闸管阀承受的暂态过电流为30～52kA，所述暂态过电流持续时间为10～20ms，暂态过电流电流上升率小于3kA/ms。