CN106300301B - 基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器及其控制方法，该双向机械式直流断路器包括：通流支路、换流支路和吸能限压支路，其中，通流支路由一个或多个机械开关串联构成；换流支路由高压电容与换流驱动电路串联构成；吸能限压支路由避雷器构成，其中，通流支路、换流支路和吸能限压支路相互并联。本发明能保证需要开断双向电流时，电流可由通流支路先转移至换流支路，再转移至吸能限压支路，最终实现双向电流的开断，具有成本低、结构简单、可靠性高的优点。

Description

基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力设备技术领域，特别涉及一种基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器及其控制方法。
背景技术
基于电压源型换流站的多端直流输电系统的快速发展亟需直流断路器能够快速隔离直流侧故障线路，以保证各换流站向正常线路的可靠供电。目前直流断路器主要有机械式直流断路器和混合式直流断路器两种实现方式。其中机械式直流断路器具有成本低、体积小的优点而受到关注。
目前，机械式直流断路器中的电流转移是靠预充电电容和高电压空气球隙实现的。图1示出了现有机械式直流断路器的结构示意图。如图1所示，通流支路由机械开关构成，换流支路由预充电电容和高电压空气球隙构成，限压吸能支路由避雷器构成。当线路正常时，电流由通流支路的机械开关导通，运行损耗几乎为零；一旦检测到线路故障，触发高电压空气球隙，故障电流先由通流支路转移至换流支路，故障电流给换流支路中的高压电容充电，电容两端电压不断抬升，最终避雷器动作，故障电流被转移至限压吸能支路，并开始逐渐下降。该方案中，高压电容两端电压最高为系统电压的1.5～1.6倍，只能靠复杂的倒闸操作通过直流母线取电，且故障时，直流母线电压跌落，电容两端电压难以维持，直流断路器工作状态不稳定。换流支路中的高电压空气球隙具有较弱的熄弧能力，但其熄弧能力受多种因素如触头烧蚀情况、触头结构、瞬态恢复电压等，熄弧时刻不确定，且在空气燃弧，可靠性较差。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器，该双向机械式直流断路器能保证需要开断双向电流时，电流可由通流支路先转移至换流支路，再转移至吸能限压支路，最终实现双向电流的开断，具有成本低、结构简单、可靠性高的优点。
本发明的另一个目的在于提出一种基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器的控制方法。
为了实现上述目的，本发明第一方面的实施例提出了一种基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器，包括：通流支路、换流支路和吸能限压支路，其中，所述通流支路由一个或多个机械开关串联构成；所述换流支路由高压电容与换流驱动电路串联构成；所述吸能限压支路由避雷器构成，其中，所述通流支路、所述换流支路和所述吸能限压支路相互并联。
另外，根据本发明上述实施例的基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器还可以具有如下附加的技术特征：
在一些示例中，所述基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器为低电压等级的双向机械式直流断路器。
在一些示例中，通过多个所述低电压等级的双向机械式直流断路器串联得到高电压等级的双向机械式直流断路器。
在一些示例中，通过多个机械开关串联构成所述高电压等级的双向机械式直流断路器。
在一些示例中，所述换流驱动电路包括：预充电电容、快速导通开关、原边线圈和副边线圈，其中，所述预充电电容通过单独的充电系统自动储能；所述预充电电容通过所述快速导通开关与所述原边线圈构成电气回路，所述副边线圈的两端作为所述双向机械式直流断路器的引出端子，以连接到所述换流支路中；所述原边线圈和所述副边线圈在电气上是相互耦合的，其中，当所述快速导通开关处于断开状态时能耐受所述预充电电容上的预充电电压，其导通响应时间为μs级，且不会在过零点自然关断。
在一些示例中，所述快速导通开关由多个电力电子开关模块串联构成。
在一些示例中，所述电力电子开关模块包括第一晶闸管、第一二极管、第一缓冲吸收电路及第一限压避雷器，其中，所述第一晶闸管与所述第一二极管反向并联，并与所述第一缓冲吸收电路和所述第一限压避雷器并联。
在一些示例中，所述电力电子开关模块包括：第二晶闸管、第三晶闸管、第二缓冲吸收电路及第二限压避雷器，其中，所述第二晶闸管和第三晶闸管反向并联，并与所述第二缓冲吸收电路和所述第二限压避雷器并联。
根据本发明实施例的基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器，利用换流驱动电路实现电流由通流支路向换流支路的可靠转移，避免了使用高压电容的在线取电系统及可靠性较低的高电压空气球隙，即能保证需要开断双向电流时，电流可由通流支路先转移至换流支路，再转移至吸能限压支路，最终实现双向电流的开断，具有成本低、结构简单、可靠性高的优点。
为了实现上述目的，本发明第二方面的实施例提出了一种基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器的控制方法，包括以下步骤：在所述双向机械式直流断路器正常运行时，控制所述一个或多个机械开关处于合闸状态，使所述通流支路导通正常运行电流；判断是否检测到故障电流；如果检测到所述故障电流，则控制所述一个或多个机械开关分闸；所述快速导通开关在所述一个或多个机械开关的动静触头拉开预设开距时快速导通；所述快速导通开关导通后，所述预充电电容通过所述原边线圈连续振荡放电，并在所述通流支路和所述换流支路所构成回路中耦合出高频振荡电流；所述高频振荡电流与所述故障电流叠加，并使一个或多个机械开关的电流过零熄弧，以使故障电流由所述通流支路转移至所述换流支路；所述故障电流持续给所述换流支路中的高压电容充电，以使所述双向机械式直流断路器两端电压增大，直至所述避雷器动作，所述故障电流转移至所述限压吸能支路并开始下降，以开断所述故障电流。
根据本发明实施例的基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器的控制方法，利用换流驱动电路实现电流由通流支路向换流支路的可靠转移，避免了使用高压电容的在线取电系统及可靠性较低的高电压空气球隙，具有可靠性高的优点。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是现有技术中使用预充电电容和高电压空气球隙实现电流转移的机械式直流断路器的结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器的结构示意图；
图3是根据本发明一个具体实施例的快速导通开关的结构示意图；
图4是根据本发明另一个具体实施例的快速导通开关的结构示意图；以及
图5是根据本发明一个实施例的基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图描述根据本发明实施例的基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器及其控制方法。
图2是根据本发明一个实施例的基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器的结构示意图。如图2所示，该双向机械式直流断路器包括：通流支路201、换流支路202和吸能限压支路203。
其中，如图2所示，通流支路201由一个或多个机械开关204串联构成；换流支路202由高压电容205与换流驱动电路206串联构成；吸能限压支路203由避雷器211构成，其中，通流支路201、换流支路202和吸能限压支路203相互并联，从而构成了本发明实施例的基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器。
进一步地，如图2所示，换流驱动电路206例如包括：预充电电容207、快速导通开关208、原边线圈209和副边线圈210，其中，预充电电容207通过单独的充电系统自动储能；并且，预充电电容207通过快速导通开关208与原边线圈209构成电气回路，副边线圈210的两端作为双向机械式直流断路器的引出端子，以连接到换流支路202中；原边线圈209和副边线圈210在电气上是相互耦合的，其中，当快速导通开关208处于断开状态时能耐受预充电电容207上的预充电电压，其导通响应时间为μs级，且不会在过零点自然关断。
其中，在本发明的一个实施例中，上述的快速导通开关208由多个电力电子开关模块串联构成。
更为具体地，在本发明的一个实施例中，如图3所示，展示了构成快速导通开关208的电力电子开关模块的一种组成结构。在该示例中，电力电子开关模块例如包括：电力电子开关模块包括第一晶闸管301、第一二极管302、第一缓冲吸收电路303及第一限压避雷器304，其中，第一晶闸管301与第一二极管302反向并联，并与第一缓冲吸收电路303和第一限压避雷器304并联。快速导通开关208例如可有多个这样的电力电子开关模块串联而成。
在本发明的另一个实施例中，如图4所示，展示了构成快速导通开关208的电力电子开关模块的另一种组成结构。在该示例中，上述的电力电子开关模块例如包括：第二晶闸管401、第三晶闸管402、第二缓冲吸收电路403及第二限压避雷器404，其中，第二晶闸管401和第三晶闸管402反向并联，并与第二缓冲吸收电路403和第二限压避雷器404并联。快速导通开关208例如可有多个这样的电力电子开关模块串联而成。
在本发明一个实施例中，本发明实施例的基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器例如为低电压等级的双向机械式直流断路器。基于此，可通过多个低电压等级的双向机械式直流断路器串联得到高电压等级的双向机械式直流断路器。换言之，即可以低电压等级的基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器作为子模块，通过多个子模块串联的方式实现更高电压等级的双向机械式直流断路器。其中，例如，低电压等级指的是电压低于预设的电压阈值，高电压等级值得是电压高于预设的电压阈值，预设的电压阈值可根据实际需求而设定。
在本发明的另一个实施例中，例如也可以通过多个机械开关串联构成高电压等级的双向机械式直流断路器。
综上，根据本发明实施例的基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器，利用换流驱动电路实现电流由通流支路向换流支路的可靠转移，避免了使用高压电容的在线取电系统及可靠性较低的高电压空气球隙，即能保证需要开断双向电流时，电流可由通流支路先转移至换流支路，再转移至吸能限压支路，最终实现双向电流的开断，具有成本低、结构简单、可靠性高的优点。
本发明的进一步实施例还提出了一种基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器的控制方法。该基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器例如为本发明上述实施例所描述的基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器，关于该基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器的具体详细描述请参见本发明上述实施例对基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器的描述部分。基于此，图5是根据本发明一个实施例的基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器的控制方法的流程图，如图5所示，该方法包括以下步骤：
步骤S1：在双向机械式直流断路器正常运行时，控制通流支路中的一个或多个机械开关处于合闸状态，使通流支路导通以提供正常运行电流。
步骤S2：判断是否检测到故障电流。
步骤S3：如果检测到故障电流，则控制通流支路中的一个或多个机械开关分闸。
步骤S4：快速导通开关在一个或多个机械开关的动静触头拉开预设开距时快速导通。其中，预设开距的设定标准为使通流支路中的一个或多个机械开关的动静触头拉开足够距离，以满足实际需求。
步骤S5：快速导通开关导通后，预充电电容通过原边线圈连续振荡放电，并在通流支路和换流支路所构成回路中耦合出高频振荡电流。
步骤S6：高频振荡电流与故障电流叠加，并使一个或多个机械开关的电流过零熄弧，以使故障电流由通流支路转移至换流支路。
步骤S7：故障电流持续给换流支路中的高压电容充电，以使双向机械式直流断路器两端电压不断增大，直至避雷器动作，故障电流转移至限压吸能支路并开始下降，以开断故障电流。
综上，根据本发明实施例的基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器的控制方法，利用换流驱动电路实现电流由通流支路向换流支路的可靠转移，避免了使用高压电容的在线取电系统及可靠性较低的高电压空气球隙，具有可靠性高的优点。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (5)

1.一种基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器，其特征在于，包括：通流支路、换流支路和吸能限压支路，其中，
所述通流支路由一个或多个机械开关串联构成；
所述换流支路由高压电容与换流驱动电路串联构成，其中，所述换流驱动电路包括：预充电电容、快速导通开关、原边线圈和副边线圈，其中，
所述预充电电容通过单独的充电系统自动储能；
所述预充电电容通过所述快速导通开关与所述原边线圈构成电气回路，所述副边线圈的两端作为所述双向机械式直流断路器的引出端子，以连接到所述换流支路中；
所述原边线圈和所述副边线圈在电气上是相互耦合的，其中，
当所述快速导通开关处于断开状态时能耐受所述预充电电容上的预充电电压，其导通响应时间为μs级，且不会在过零点自然关断；
所述吸能限压支路由避雷器构成，其中，
所述通流支路、所述换流支路和所述吸能限压支路相互并联。
2.根据权利要求1所述的基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器，其特征在于，所述快速导通开关由多个电力电子开关模块串联构成。
3.根据权利要求2所述的基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器，其特征在于，所述电力电子开关模块包括：第一晶闸管、第一二极管、第一缓冲吸收电路及第一限压避雷器，其中，
所述第一晶闸管与所述第一二极管反向并联，并与所述第一缓冲吸收电路和所述第一限压避雷器并联。
4.根据权利要求2所述的基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器，其特征在于，所述电力电子开关模块包括：第二晶闸管、第三晶闸管、第二缓冲吸收电路及第二限压避雷器，其中，
所述第二晶闸管和第三晶闸管反向并联，并与所述第二缓冲吸收电路和所述第二限压避雷器并联。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
在所述双向机械式直流断路器正常运行时，控制所述通流支路中的机械开关处于合闸状态，使所述通流支路导通正常运行电流；
判断是否检测到故障电流；
如果检测到所述故障电流，则控制所述通流支路中的机械开关分闸；
快速导通开关在所述通流支路中的机械开关的动静触头拉开到预设开距时快速导通；
所述快速导通开关导通后，预充电电容通过所述原边线圈连续振荡放电，并在所述通流支路和所述换流支路所构成回路中耦合出高频振荡电流；
所述高频振荡电流与所述故障电流叠加，并使通流支路中的机械开关的电流过零熄弧，以使故障电流由所述通流支路转移至所述换流支路；
所述故障电流持续给所述换流支路中的高压电容充电，以使所述双向机械式直流断路器两端电压增大，直至避雷器动作，所述故障电流转移至所述限压吸能支路并开始下降，以开断所述故障电流。
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