CN105931923B - 一种高压直流断路器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高压直流断路器，包括多个用于依次串联的断路器功率组件，多个断路器功率组件沿上下方向间隔分层布置，任意相邻的两层断路器功率组件之间设置层间支撑绝缘子以形成阀塔主体，高压直流断路器还包括对应布置在所述阀塔主体的旁侧的避雷器组件。本发明所提供的高压直流断路器中，多个断路器功率组件沿上下方向间隔分层布置，且任意相邻的两层断路器功率组件之间布置有层间支撑绝缘子以形成阀塔主体，多个断路器功率组件沿上下方向分层布置，布置相对紧凑，水平占地面积相对较小。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压直流断路器。
背景技术
基于柔性直流的多端直流输电和直流电网技术是解决新能源并网和消纳问题的有效技术手段之一，而高压断路器是构建直流电网的关键设备，对直流输电系统和直流电网的安全可靠运行有着极其重要的作用。一直以来，在高电压、大电流条件下，如何解决直流电流无自然过零点而难以开断，及直流短路电流上升速度快要求其数毫秒内开断的问题，困扰着国内外学术界和工程界，因此被誉为电力技术领域的百年难题。
申请公布号为CN103647248A的高压直流快速断路器包括机械隔离开关、高压电子开关和中低压直流断路器，机械隔离开关与中低压直流断路器串联以形成一个支路，高压电子开关与所述支路并联，此处的高压电子开关由多个阀段串联构成，每个阀段由一个避雷器与至少一组串联的可关断大功率电子元件并联形成。正常状态下，机械隔离开关、中低压直流断路器的串联支路导通，高压电子开关回路中没有电流通过。而当高压直流线路短路故障时，中低压直流断路器首先动作，由于中低压直流断路器具有直流消弧能力，直流电流在中低压直流断路器两端产生电弧压降，此时，立即触发与其并联的高压电子开关，高压电子开关导通后，由于其导通阻抗低，直流电流被迅速转移至高压电子开关回路，相应的中低压直流断路器及机械隔离开关回路中的直流电流迅速降低，端电压也迅速降低，机械隔离开关及中低压直流断路器具备了消弧条件，并断开熄弧，使机械隔离开关具备了阻断额定直流电压的能力，然后，高压电子开关停止导通，呈高阻抗状态，断开回路中的直流电流回路。目前，国内外的高压直流断路器均处于研发阶段，尚无成熟的产品。整个直流断路器的零部件较多，需要选择合适的安装结构来组装直流断路器，其中，如何较为紧凑、经济的布置数目较多的功率组件成为结构设计的难点。
发明内容
本发明提供一种功率组件紧凑布局的高压直流断路器。
本发明所提供的高压直流断路器的技术方案是：一种高压直流断路器，包括多个用于依次串联的断路器功率组件，多个断路器功率组件沿上下方向间隔分层布置，任意相邻的两层断路器功率组件之间设置层间支撑绝缘子以形成阀塔主体，高压直流断路器还包括对应布置在所述阀塔主体的旁侧的避雷器组件。
所述的阀塔主体在水平横向上间隔布置有至少两列。
任意相邻的两列阀塔主体之间设有维修平台。
所述的避雷器组件包括沿上下方向布置的多个避雷器；高压直流断路器还包括用于向所述断路器功率组件供电的送能单元，送能单元与所述避雷器组件对应布置在所述阀塔主体的相对两侧。
所述的阀塔主体支撑设置在底部支撑绝缘子结构上，所述的避雷器组件和送能单元分别支撑设置在旁侧支撑绝缘子上，底部支撑绝缘子结构包括竖向布置的多个主支撑绝缘子和对应布置在主支撑绝缘子之间的斜拉绝缘子。
所述的断路器功率组件包括组件框架，组件框架上设有至少一个子模块单元，各子模块单元分别包括阀段子模块，各阀段子模块具有对应电连接以构成H桥结构的四个功率器件，所述的子模块单元具有沿左右方向并行延伸并沿前后方向间隔分布的前列压装单元和后列压装单元，每列压装单元均包括沿左右方向依次压装固定的多个功率器件，各子模块单元中的阀段子模块沿左右方向布置有至少两个，每个阀段子模块中的两个上桥臂的功率器件布置在所述前列压装单元中、两个下桥臂的功率器件布置在所述后列压装单元中。
所述的每个阀段子模块中的布置在同一列压装单元中的两个功率器件相邻，每个阀段子模块中的布置在前列压装单元中的两个功率器件与布置在后列压装单元中的两个功率器件在前后方向一一对应。
所述的功率器件为IGBT，每列压装单元包括依次间隔布置的多个水冷散热器和所述的IGBT，每个阀段子模块中的两个上桥臂的IGBT和两个下桥臂的IGBT分别通过夹设在对应两IGBT之间的水冷散热器导电连接，每个阀段子模块中的两个上桥臂与两个下桥臂通过桥接在该阀段子模块的四个IGBT外侧的相应水冷散热器之间的桥接片导电连接。
所述的组装框架上对应每个阀段子模块分别设有一个旁路开关，该旁路开关与对应的阀段子模块并联布置，旁路开关对应布置在所述子模块单元的前侧和/或后侧。
每个阀段子模块均包括阻尼电容和/或阻尼电阻，每个阀段子模块的阻尼电容和/或阻尼电阻分别布置在所述子模块单元的前侧和/或后侧。
本发明的有益效果是：本发明所提供的高压直流断路器中，多个断路器功率组件沿上下方向间隔分层布置，且任意相邻的两层断路器功率组件之间布置有层间支撑绝缘子以形成阀塔主体，多个断路器功率组件沿上下方向分层布置，布置相对紧凑，水平占地面积相对较小。
进一步地，阀塔主体在水平横向上间隔布置有至少两列，这样可以根据实际需要布置多个断路器功率组件的位置。
进一步地，在相邻的两列阀塔主体之间设有维修平台，便于人员操作及设备维修。
进一步地，送能单元和避雷器组件分置于阀塔主体的两侧，接线相对简单，结构也较为紧凑。进一步地，阀塔主体通过底部支撑绝缘子结构支撑，并且，在竖向布置的主支撑绝缘子之间设置斜拉绝缘子，可以提高底部支撑绝缘子结构的整体强度及稳定性，提升阀塔主体的整个抗震性能，也便于叠放更多的断路器功率组件。
进一步地，断路器功率组件中，子模块单元的阀段子模块的上桥臂的两个功率器件布置在前列压装单元中，下桥臂的两个功率器件则布置在后列压装单元上，这样可以根据实际需要沿左右方向布置有多个阀段子模块，多个阀段子模块的所有上桥臂的功率器件位于前列压接单元中，而所有下桥臂的功率器件则位于后列压接单元中，不需要为每个阀段子模块分别配置压装结构件，进而可有效简化功率组件的整体结构。
进一步地，每个阀段子模块并联一个旁路开关，这样可以实现转移支路的冗余设计，在任何一个阀段子模块出现故障时，旁路开关可以将其短接，不影响其他阀段子模块的正常工作。
进一步地，阀段子模块的阻尼电容和阻尼电阻对应布置在子模块单元的前侧和/或后侧，这样可以方便实现阻尼电容和阻尼电阻与各阀段子模块的功率器件的对应连接。
附图说明
图1是本发明所提供的高压直流断路器的一种实施例的结构示意图；
图2是图1所示断路器的左侧示意图；
图3是图1所示断路器的俯视图；
图4为图1中断路器功率组件的结构示意图；
图5为图4所示功率组件的主视图；
图6为图4所示功率组件的电气原理图。
具体实施方式
如图1至图6所示，一种高压直流断路器的实施例，该实施例中的高压直流断路器包括多个用于依次串联的断路器功率组件5，多个断路器功率组件5沿上下方向间隔分层布置，且任意相邻的两层断路器功率组件之间设置层间支撑绝缘子以形成阀塔主体100，每个阀塔主体分别具有5个断路器功率组件，本实施例中，此处的阀塔主体100在水平横向上间隔布置有两列，且在相邻的两列阀塔主体之间设有维修平台4。
每层断路器功率组件5上分别设有层间分体屏蔽，即每个断路器功率组件外侧分别设有绕断路器功率组件布置的周向屏蔽结构，并且，在每列阀体主体100的上方支撑设置有顶部屏蔽罩8，每列阀体主体100的下方分别设有底部屏蔽罩5。在阀塔主体的上下对应设置顶部屏蔽罩及底部屏蔽罩，起到屏蔽兼防尘的租用，不仅美观，而且，结构轻便，安装简易。
两列阀塔主体100对应的支撑设置在底部支撑绝缘子结构400上，底部支撑绝缘子结构400包括竖向布置的多个主支撑绝缘子2和对应布置在主支撑绝缘子之间的斜拉绝缘子1。
本实施例中，在两列阀塔主体100的两侧分别设有避雷器组件200和送能单元300。此处的避雷器组件200包括多个沿上下方向分层布置的避雷器9，对应每个断路器功率组件分别并联的布置有一个上述的避雷器9。送能单元300包括多个沿上下方向分层布置的送能变压器7。本实施例中，避雷器组件200和送能单元300分别由布置在底部支撑绝缘子结构400旁侧的旁侧支撑绝缘子10支撑。
装配时，可先在室内地面安装用于支撑阀塔主体的底部支撑绝缘子结构400，具体可先安装主支撑绝缘子2，在主支撑绝缘子2之间安装斜拉绝缘子1。
然后，在底部支撑绝缘子结构上依次自下而上安装底部屏蔽罩及第一层断路器功率组件，在第一层断路器功率组件安装完毕后，安装层间支撑绝缘子，然后放置第二层断路器功率组件，按此顺序，依次自下而上完成所有组件的叠层放置。
在两列阀塔主体之间设置维修平台。并在顶部安装顶部屏蔽罩。最后，在两列阀塔主体的两侧分别安装避雷器组件和送能单元。
另外，需要说明的是，该实施例中的功率组件包括组件框架400，组件框架400上布置有左右两个子模块单元500，每个子模块单元500分别包括8个阀段子模块，每个阀段子模块600分别具有对应连接以构成H桥结构的四个功率器件，此处的功率器件为IGBT613，两个子模块单元500的阀段子模块600依次串联。
实际上，本实施例中，每个子模块单元分别具有沿沿左右方向并行延伸并沿前后方向间隔分布的前列压装单元610和后列压装单元611，每列压装单元均包括沿左右方向依次压装固定的多个IGBT613和水冷散热器614以及相应的压装结构，压装结构包括位于两端的两压装板和设置于两压装板之间的绝缘拉杆。
每个阀段子模块中的两个上桥臂的IGBT布置在前列压装单元610中、两个下桥臂的IGBT布置在后列压装单元611中。而且，同一阀段子模块中的布置在同一列压装单元中的两个IGBT相邻，每个阀段子模块中的布置在前列压装单元中的两个IGBT与布置在后列压装单元中的两个IGBT在前后方向一一对应。
每个阀段子模块均包括四个IGBT和与四个IGBT对应间隔布置的六个水冷散热器，四个IGBT包括布置在前列压装单元10中的两个前列IGBT和布置在后列压装单元中的两个后列IGBT，六个水冷散热器则包括布置在前列压装单元中的三个前列散热器和布置在后列压装单元中的三个后列散热器。本实施例中，相邻的两个阀段子模块共用两个位于外侧的水冷散热器。
实际上，每个阀段子模块的两上桥臂的前列IGBT通过位于两前列IGBT之间的前列散热器导电连接，两下桥臂的后列IGBT通过位于两后列IGBT之间的后列散热器导电连接。
而且，每个阀段子模块的位于两前列IGBT两外侧的两个前列IGBT与位于两后列IGBT外侧的两个后列IGBT一一对应的通过桥接片612导电连接，以实现每个发段子模块的两个上桥臂与两个下桥臂之间的导电连接。
此处的组件框架实际上包括两绝缘支撑梁62和三个铝支撑梁65，两绝缘支撑梁62包括沿前后方向间隔布置并沿左右方向并行延伸的前绝缘支撑梁和后绝缘支撑梁，两绝缘支撑梁包括沿前后方向间隔布置并沿左右方向并行延伸的前绝缘支撑梁和后绝缘支撑梁，两绝缘支撑梁均为U形，三个铝支撑梁5为沿左右方向间隔布置并沿前后方形并行延伸的左支撑梁、中部支撑梁和右支撑梁，两个子模块单元的其中一个子模块单元的两列压装单元固定安装在左支撑梁和中部支撑梁之间，另一个子模块单元的两列压装单元固定安装在中部支撑梁和右支撑梁之间。
实际上，在组装框架上对应每个阀段子模块分别设有一个旁路开关63，该旁路开关63于对应的阀段子模块600并联布置，本实施例的组装框架上共设有16个旁路开关63以与两个子模块单元中的16个阀段子模块相应，16个旁路开关对应的布置在子模块单元的前后两侧。
而且，实际上，每个阀段子模块均包括阻尼电容67和阻尼电阻66，每个阀段子模块的阻尼电容和阻尼电阻分别布置在子模块单元的前侧。
另外，组件框架上于子模块单元的后侧设有向阀段子模块中的IGBT供电的取能电源69，取能电源69对应与阀段子模块中的IGBT驱动68导电连接以实现对相应IGBT的驱动。
另外，在组件框架400的外侧设置屏蔽罩61，屏蔽罩61沿组件框架的周向间隔均布有多个。
本实施例所提供的功率组件中，每个子模块单元分别具有两列压装单元，以形成多个阀段子模块，前后列压装单元中的IGBT对应导电连接以构成H桥，而且，旁路开关、阻尼电容和阻尼电阻对应布置在子模块单元的前侧和后侧，不影响沿左右方向延伸的压接单元的布置。整个功率组件结构紧凑，布局合理，同时，也方便实现功率组件内部器件的对应导电接线。
本实施例中，功率器件采用IGBT，在其他实施例中，也可采用IGCT。
本实施例中，旁路开关对应布置在子模块单元的前侧和后侧，在其他实施例中，也可仅子模块单元的前侧或后侧。
本实施例中，各阀段子模块的阻尼电阻和阻尼电容布置在子模块单元的前侧，在其他实施例中，也可以布置在子模块单元的前侧和后侧，或者是直接布置在后侧，可使得阻尼电阻和阻尼电容沿左右方向排布布置。
本实施例中，组件框架上设有两个子模块单元，在其他实施例中，可设置一个子模块单元或者两个以上的子模块单元。
本实施例中，压接单元中压装结构可采用申请公布号为CN104701096A中压接单元的压装结构，也可采用现有技术中常用的阀段压接结构。
本实施例中，断路器功率组件可采用申请公布号为CN103647248A的发明专利申请中的高压电子开关中的大功率电子元件。
本实施例中，送能单元可采用申请公布号为CN103647537A发明专利申请中的取能送能装置。
本实施例中，设置有两列阀塔主体，在其他实施例中，可根据实际需要设置单列阀塔主体或中三列以上的阀塔主体。
本实施例中，底部支撑绝缘子结构的主支撑绝缘子之间设有斜拉绝缘子，可提升整体结构强度及稳定性，提升阀塔主体的抗震性能。
Claims (9)
1.一种高压直流断路器，包括多个用于依次串联的断路器功率组件，其特征在于：多个断路器功率组件沿上下方向间隔分层布置，任意相邻的两层断路器功率组件之间设置层间支撑绝缘子以形成阀塔主体，高压直流断路器还包括对应布置在所述阀塔主体的旁侧的避雷器组件，所述的避雷器组件包括沿上下方向布置的多个避雷器；高压直流断路器还包括用于向所述断路器功率组件供电的送能单元，送能单元与所述避雷器组件对应布置在所述阀塔主体的相对两侧，所述送能单元包括多个沿上下方向分层布置的送能变压器，每层的断路器功率组件分别并联一台送能变压器和避雷器。
2.根据权利要求1所述的高压直流断路器，其特征在于：所述的阀塔主体在水平横向上间隔布置有至少两列。
3.根据权利要求2所述的高压直流断路器，其特征在于：任意相邻的两列阀塔主体之间设有维修平台。
4.根据权利要求1所述的高压直流断路器，其特征在于：所述的阀塔主体支撑设置在底部支撑绝缘子结构上，所述的避雷器组件和送能单元分别支撑设置在旁侧支撑绝缘子上，底部支撑绝缘子结构包括竖向布置的多个主支撑绝缘子和对应布置在主支撑绝缘子之间的斜拉绝缘子。
5.根据权利要求1或2或3所述的高压直流断路器，其特征在于：所述的断路器功率组件包括组件框架，组件框架上设有至少一个子模块单元，各子模块单元分别包括阀段子模块，各阀段子模块具有对应电连接以构成H桥结构的四个功率器件，所述的子模块单元具有沿左右方向并行延伸并沿前后方向间隔分布的前列压装单元和后列压装单元，每列压装单元均包括沿左右方向依次压装固定的多个功率器件，各子模块单元中的阀段子模块沿左右方向布置有至少两个，每个阀段子模块中的两个上桥臂的功率器件布置在所述前列压装单元中、两个下桥臂的功率器件布置在所述后列压装单元中。
6.根据权利要求5所述的高压直流断路器，其特征在于：所述的每个阀段子模块中的布置在同一列压装单元中的两个功率器件相邻，每个阀段子模块中的布置在前列压装单元中的两个功率器件与布置在后列压装单元中的两个功率器件在前后方向一一对应。
7.根据权利要求6所述的高压直流断路器，其特征在于：所述的功率器件为IGBT，每列压装单元包括依次间隔布置的多个水冷散热器和所述的IGBT，每个阀段子模块中的两个上桥臂的IGBT和两个下桥臂的IGBT分别通过夹设在对应两IGBT之间的水冷散热器导电连接，每个阀段子模块中的两个上桥臂与两个下桥臂通过桥接在该阀段子模块的四个IGBT外侧的相应水冷散热器之间的桥接片导电连接。
8.根据权利要求5所述的高压直流断路器，其特征在于：所述的组件框架上对应每个阀段子模块分别设有一个旁路开关，该旁路开关与对应的阀段子模块并联布置，旁路开关对应布置在所述子模块单元的前侧和/或后侧。
9.根据权利要求5所述的高压直流断路器，其特征在于：每个阀段子模块均包括阻尼电容和/或阻尼电阻，每个阀段子模块的阻尼电容和/或阻尼电阻分别布置在所述子模块单元的前侧和/或后侧。
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