CN106533145A - 一种高压直流断路器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压直流断路器，包括一个或至少两个串联连接的直流断路器单元；直流断路器单元包括并联连接的通流支路、断流支路、缓冲支路和耗能支路；耗能支路由耗能单元构成；每个耗能单元均与相应的缓冲单元并联，缓冲单元由缓冲模块构成，所有的缓冲模块串联构成缓冲支路；每个缓冲模块与相应的断流单元并联，断流单元由断流模块构成；所有的断流模块串联构成断流支路。本发明的直流断路器拓扑通过控制断流支路中断流模块的闭锁时序，可以选择分时投入不同数量的耗能模块(避雷器/非线性电阻器)，使得直流断路器兼具限流的作用，降低了直流系统的故障电流峰值，大大降低了换流阀的过流风险，进而提高了直流系统运行的稳定性。

Description

一种高压直流断路器

技术领域

本发明涉及一种高压直流断路器，属于直流断路器技术领域。

背景技术

随着基于电压源换流器的多端柔性直流和直流电网技术的广泛应用，快速直流断路器成为保证系统稳定、安全和可靠运行的关键设备之一。在交流系统中，交流电流在一个周期内存在两个自然过零点，交流断路器利用交流电流的自然过零点关断电流。而在直流系统中，直流电流不存在自然过零点，因此直流电流开断远比交流电流的开断困难。另一方面，直流输电系统的线路阻抗很小，直流侧短路故障发生后故障电流上升速度快，最快可在几个毫秒之内上升到峰值，这对直流断路器的动作时间和开断能力提出了苛刻的要求。

目前，直流断路器的技术方案主要有三种类型，分别是基于常规开关的传统机械式直流断路器、基于纯电力电子器件的固态直流断路器以及基于二者结合的混合式直流断路器。其中，传统机械式直流断路器分断时间较长，固态直流断路器的损耗较大，随着高压大容量半导体器件的发展，结合常规机械开关和电力电子器件特点的混合式直流断路器技术得到快速发展。

大量采用的直流断路器单元结构均为：并联的通流支路、断流支路和耗能支路。通流支路由一组(如2-3个)辅助换流模块和一组(如2-3个)机械开关串联而成；断流支路由大量断流模块串联而成；耗能支路为避雷器以吸收过电压。所谓辅助换流模块、断流模块均为开关管或者特定开关管拓扑(如H桥、半桥等)。另外，有些直流断路器还包括并联的缓冲支路，用于在闭锁断流支路时起到缓冲作用。

混合式直流断路器正常运行状态下，由机械开关通流。若系统发生故障，在混合式直流断路器分断故障的过程中，将电流转移至与机械开关并联的断流支路，然后由电力电子器件分断电流，随后断开机械开关。基于该原理的混合式直流断路器既降低了通态损耗，又提高了分断速度。通常，通流支路中的辅助换流模块由全控器件正向/反向串联而成。这种的拓扑结构和控制方法使得其切断电流过程中对直流系统产生很大的电压应力。

而且，一般直流断路器由多个上述直流断路器单元构成，但是在动作时，均是所有直流断路器单元同时动作，这种方式使得换流阀有过流风险，直流系统运行的稳定性较差，对机械开关耐压要求也较高，不能保证直流输电系统的功率传输，混合式直流断路器“隔离故障区域保证健全部分”的优势无法发挥。

因此，研究成本低、可扩展性强、具备重合闸功能，可以限制切断直流电流峰值，同时降低对直流系统过电压应力和换流阀过流风险的高压直流断路器及其实现方法，对保障直流输电系统的可靠运行具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种高压直流断路器，用于解决在直流断路器切断过程中，由于换流阀过流风险较大导致直流系统稳定性差的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种高压直流断路器，包括以下方案：

方案一：包括一个或至少两个串联连接的直流断路器单元；所述直流断路器单元包括并联连接的通流支路、断流支路、缓冲支路和耗能支路；所述通流支路由机械开关和辅助换流模块串联构成；所述耗能支路由耗能单元构成；每个耗能单元均与相应的缓冲单元并联，每个缓冲单元由设定数量的缓冲模块构成，所有的缓冲模块串联构成所述缓冲支路；每个缓冲模块均与相应的断流单元并联，每个断流单元由设定数量的断流模块构成；所有的断流模块串联构成所述断流支路。

方案二：在方案一的基础上，所述辅助换流模块为H桥模块，具有并联的第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂由两个阀组同向串联而成，所述第二桥臂由另外两个阀组同向串联而成；第一桥臂的两个阀组的串联点为所述辅助换流模块的输入/输出端，第二桥臂的两个阀组的串联点为所述辅助换流模块的输出/输入端；所述辅助换流模块还包括电容支路，所述电容支路与所述第一桥臂、第二桥臂并联。

方案三：在方案二的基础上，所述第一桥臂的两阀组为全控器件阀组(T1、T3)，所述第二桥臂的两阀组为全控器件阀组(T2、T4)。

方案四：在方案二的基础上，所述第一桥臂的两阀组为全控器件阀组(T1、T3)，所述第二桥臂的两阀组为不控器件阀组(D2、D4)。

方案五：在方案二的基础上，所述第一桥臂的两阀组为不控器件阀组(D1、D3)，所述第二桥臂的两阀组为不控器件阀组(D2、D4)；所述辅助换流模块还包括一条包含全控器件阀组的全控器件支路，该全控器件支路与第一、第二桥臂并联。

方案六：在方案二、三、四或五的基础上，所述电容支路中还串联有限流电阻(R0)。

方案七：在方案六的基础上，所述电容支路还包括与所述限流电阻(R0)并联的二极管(D0)。

方案八：在方案三、四或五的基础上，所述全控器件阀组由一个或者至少两个同向串联的全控器件构成，所述不控器件阀组由一个或者至少两个同向串联的二极管构成。

方案九：在方案八的基础上，所述全控器件为IGBT。

方案十：在方案一或二的基础上，所述耗能单元由至少一个非线性电阻器或避雷器构成。

本发明的有益效果：本发明的直流断路器拓扑通过控制断流支路中断流模块的闭锁时序，可以选择分时投入不同数量的耗能模块(避雷器/非线性电阻器)，使得直流断路器兼具限流的作用，降低了直流系统的故障电流峰值，大大降低了换流阀的过流风险，进而提高了直流系统运行的稳定性；还使得直流断路器兼具限压的作用，不但降低了对机械开关的耐压水平要求，而且降低了对直流系统的电压应力，采用该拓扑结构的高压直流断路器非常适用于具有降压运行工况的直流输电系统。

附图说明

图1是直流断路器的结构示意图；

图2是辅助换流模块SMC的第一实施例；

图3是辅助换流模块SMC的第二实施例；

图4是辅助换流模块SMC的第三实施例；

图5是辅助换流模块SMC的第四实施例；

图6是辅助换流模块SMC的第五实施例；

图7是辅助换流模块SMC的第六实施例；

图8是缓冲模块SMS的结构示意图；

图9是断流模块SMB的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

高压直流断路器的实施例：

该直流断路器包括多个串联连接的直流断路器单元，图1给出了由两个直流断路器单元串联构成的直流断路器拓扑结构。下面以一个直流断路器单元，如图1中机械开关K1-1涉及的直流断路器单元为例对直流断路器的结构进行介绍。

该直流断路器单元包括一条通流支路，该通流支路由一组机械开关K1-1、K1-2和K1-3以及辅助换流模块SMC1-1、SMC1-2和SMC1-3串联连接构成。在该通流支路的两端并联有一个耗能支路，该耗能支路由三个耗能单元Z1-1、Z1-2和Z1-3串联连接构成，每个耗能单元由若干个非线性电阻器Z构成。在耗能支路中任意一个耗能单元的两端，均并联有一个缓冲单元，每个缓冲单元由设定数量的缓冲模块串联连接构成，例如耗能单元Z1-1并联一个缓冲单元，该缓冲单元包括缓冲模块SMS1-1和SMS1-2。在任意一个缓冲模块的两端，均并联有一个断流单元，每个断流单元由设定数量的断流模块串联连接构成。例如，缓冲模块SMS1-1并联一个断流单元，该断流单元包括断流模块SMB1-1和SMB1-2。

从整体来看，所有缓冲模块串联形成缓冲支路，所有断流模块串联形成断流支路。

下面具体介绍用于上述直流断路器单元中的辅助换流模块SMC、缓冲模块SMS以及断流模块SMB。

辅助换流模块SMC第一实施例：

如图2所示，辅助换流模块SMC为H桥模块，包括并联的第一桥臂和第二桥臂，其中第一桥臂由全控器件阀组T1和全控器件阀组T3同向串联构成，第二桥臂由全控器件阀组T2和全控器件阀组T4同向串联构成。全控器件阀组T1和T3通过电节点a同向串联，全控器件阀组T2和T4通过电节点b同向串联。全控器件阀组T1通过电节点c与全控器件阀组T2连接，全控器件阀组T3通过电节点d与全控器件阀组T4连接，第一桥臂和第二桥臂中的电流流向相反。电节点c和电节点d之间连接有电容支路，该电容支路包括串联连接的限流电阻R0与充电电容C0，该电容支路与第一桥臂和第二桥臂并联连接。全控器件阀组T1、T2、T3和T4均包括同向串联连接的若干个全控器件IGBT。从电节点a和电节点b分别引出一个连接线，当电流方向为由a到b时，即电流经过全控器件阀组T3中的全控器件和全控器件阀组T4中的反并联二极管时，电节点a作为辅助换流模块SMC的输入端，b作为辅助换流模块SMC的输出端；当电流方向为由b到a时，即电流经过全控器件阀组T1中的全控器件和全控器件阀组T2中的反并联二极管时，电节点b作为辅助换流模块SMC的输入端，a作为辅助换流模块SMC的输出端。

当然，为简化结构，辅助换流模块SMC的全控器件阀组T1、T2、T3和T4也可均由一个全控器件构成。另外，该电容支路可以仅由电容构成，也可含有多个串联连接的电容和电阻器。

辅助换流模块SMC第二实施例：

如图3所示，在辅助换流模块SMC第一实施例的基础上，电容支路中电阻器R0的两端还并联有一个二极管D0。当对充电电容C0进行充电时，二极管D0的存在避免了充电电流流经限流电阻R0。由于已对辅助换流模块SMC第一实施例进行了详细介绍，因此对辅助换流模块SMC第二实施例不再赘述。

辅助换流模块SMC第三实施例：

如图4所示，辅助换流模块SMC为H桥模块，包括并联的第一桥臂和第二桥臂，其中第一桥臂由全控器件阀组T1和全控器件阀组T3同向串联构成，第二桥臂由不控器件阀组D2和不控器件阀组D4同向串联构成。全控器件阀组T1和T3通过电节点a同向串联，不控器件阀组D2和D4通过电节点b同向串联。全控器件阀组T1通过电节点c与不控器件阀组D2连接，全控器件阀组T3通过电节点d与不控器件阀组D4连接，第一桥臂和第二桥臂中的电流流向相反。电节点c和电节点d之间连接有电容支路，该电容支路包括串联连接的限流电阻R0与充电电容C0，该电容支路与第一桥臂和第二桥臂并联连接。全控器件阀组T1和T3均由同向串联连接的若干个全控器件IGBT组成，不控器件阀组D2和D4均由同向串联连接的若干个二极管组成。从电节点a和电节点b分别引出一个连接线，当电流方向为由a到b时，即电流经过全控器件阀组T3中的全控器件和不控器件阀组D4中的二极管时，电节点a作为辅助换流模块SMC的输入端，b作为辅助换流模块SMC的输出端；当电流方向为由b到a时，即电流经过全控器件阀组T1中的全控器件和不控器件阀组D2中的二极管时，电节点b作为辅助换流模块SMC的输入端，a作为辅助换流模块SMC的输出端。

当然，为简化结构，辅助换流模块SMC的全控器件阀组T1和T3也可均由一个全控器件构成，不控器件阀组D2和D4也可均由一个二极管构成。另外，该电容支路可以仅由电容构成，也可含有多个串联连接的电容和电阻器。

辅助换流模块SMC第四实施例：

如图5所示，在辅助换流模块SMC第三实施例的基础上，电容支路中电阻器R0的两端还并联有一个二极管D0。当对充电电容C0进行充电时，二极管D0的存在避免了充电电流流经限流电阻R0。由于已对辅助换流模块SMC第三实施例进行了详细介绍，因此对辅助换流模块SMC第四实施例不再赘述。

辅助换流模块SMC第五实施例：

如图6所示，辅助换流模块SMC为H桥模块，包括并联的第一桥臂和第二桥臂，其中第一桥臂由不控器件阀组D1和不控器件阀组D3同向串联构成，第二桥臂由不控器件阀组D2和不控器件阀组D4同向串联构成。不控器件阀组D1和D3通过电节点a同向串联，不控器件阀组D2和D4通过电节点b同向串联。不控器件阀组D1通过电节点c与不控器件阀组D2连接，不控器件阀组D3通过电节点d与不控器件阀组D4连接，第一桥臂和第二桥臂中的电流流向相反。电节点c和电节点d之间连接有电容支路和包含有全控器件阀组T5的全控器件支路，该电容支路包括串联连接的限流电阻R0与充电电容C0，该电容支路、全控器件支路与第一桥臂和第二桥臂并联连接。不控器件阀组D1、D2、D3和D4均由同向串联连接的若干个二极管组成，全控器件阀组T5由同向串联连接的若干个全控器件IGBT组成。从电节点a和电节点b分别引出一个连接线，当电流方向为由a到b时，即电流经过不控器件阀组D1中的二极管、全控器件阀组T5中的全控器件和不控器件阀组D4中的二极管时，电节点a作为辅助换流模块SMC的输入端，b作为辅助换流模块SMC的输出端；当电流方向为由b到a时，即电流经过不控器件阀组D2中的二极管、全控器件阀组T5中的全控器件和不控器件阀组D3中的二极管时，电节点b作为辅助换流模块SMC的输入端，a作为辅助换流模块SMC的输出端。

当然，为简化结构，辅助换流模块SMC的全控器件阀组T5也可由一个全控器件构成，不控器件阀组D1、D2、D3和D4也可均由一个二极管构成。另外，该电容支路可以仅由电容构成，也可含有多个串联连接的电容和电阻器。

辅助换流模块SMC第六实施例：

如图7所示，在辅助换流模块SMC第五实施例的基础上，电容支路中电阻器R0的两端还并联有一个二极管D0。当对充电电容C0进行充电时，二极管D0的存在避免了充电电流流经限流电阻R0。由于已对辅助换流模块SMC第五实施例进行了详细介绍，因此对辅助换流模块SMC第六实施例不再赘述。

缓冲模块SMS的实施例：

缓冲模块SMS由多个电阻R以及多个电容器C串联构成，其结构示意图如图8所示。当然，缓冲模块SMS也可仅由一个电阻R和一个电容器C串联构成。

断流模块SMB的实施例：

如图9所示，断流模块SMB为H桥模块，包括并联的第一桥臂和第二桥臂，其中第一桥臂由不控器件阀组D1和不控器件阀组D3同向串联构成，第二桥臂由不控器件阀组D6和不控器件阀组D8同向串联构成。不控器件阀组D1和D3通过电节点a’同向串联，不控器件阀组D6和D8通过电节点b’同向串联。不控器件阀组D1通过电节点c’与不控器件阀组D6连接，不控器件阀组D3通过电节点d’与不控器件阀组D8连接，第一桥臂和第二桥臂中的电流流向相反。电节点c’和电节点d’之间连接有包含有全控器件阀组T6的全控器件支路，该全控器件支路与第一桥臂和第二桥臂并联连接。不控器件阀组D1、D3、D6和D8均由同向串联连接的若干个二极管组成，全控器件阀组T5由同向串联连接的若干个全控器件IGBT组成。从电节点a’和电节点b’分别引出一个连接线，当电流方向为由a’到b’时，即电流经过不控器件阀组D1中的二极管、全控器件阀组T6中的全控器件和不控器件阀组D8中的二极管时，电节点a’作为断流模块SMB的输入端，b’作为断流模块SMB的输出端；当电流方向为由b’到a’时，即电流经过不控器件阀组D6中的二极管、全控器件阀组T6中的全控器件和不控器件阀组D3中的二极管时，电节点b’作为断流模块SMB的输入端，a’作为断流模块SMB的输出端。

为简化结构，断流模块SMB的全控器件阀组T6也可由一个全控器件构成，不控器件阀组D1、D3、D6和D8也可均由一个二极管构成。

当然，在上述高压直流断路器的实施例中，所有全控器件IGBT也可替换为IEGT、GTO或MOSFET；非线性电阻器Z也可替换为避雷器等其他耗能器件；断流模块SMB也可采用现有技术中的其他常见桥式结构、半桥结构或者本实施例中的辅助换流模块SMC结构。且在不同的高压直流断路器中，所串联的直流断路器单元的数目不定，可以为一个，也可以为多个。

高压直流断路器导通情况下，高压直流断路器各个直流断路器单元的通流支路中的所有机械开关K闭合，所有辅助换流模块SMC的全控器件导通，稳态电流流经通流支路中所有的机械开关K和辅助换流模块SMC。

当高压直流系统要求高压直流断路器分断操作时，在需要多个直流断路器单元参与分闸的情况下，根据直流系统和通流支路中机械开关的绝缘电压等级，确定参与分闸的直流断路器单元的数量和位置。由于高压直流断路器中每个直流断路器单元的分闸控制过程类似，下面仅以图1中机械开关K1-1涉及的直流断路器单元的控制过程为例，对高压直流断路器的分闸控制过程进行介绍。

情况一：直流断路器单元的分闸控制过程如下：

(a)导通断流支路中所有断流模块SMB中的全控器件，闭锁通流支路中所有辅助换流模块SMC中的全控器件。

(b)断流支路中的断流模块SMB(如SMB1-1、SMB1-2、SMB1-3)与通流支路中的机械开关K(如K1-1、K1-2、K1-3)和辅助换流模块SMC(SMC1-1、SMC1-2、SMC1-3)的电容支路之间形成振荡，将电流从通流支路转移至断流支路中。

(c)断开通流支路中的所有机械开关K。

(d)当机械开关K两端具有足够的端口距离后，闭锁断流支路中所有断流模块SMB中的全控器件，将电流从断流支路转移至缓冲支路中，当缓冲支路的电压升高至耗能支路中非线性电阻器Z的动作电压时，电流从缓冲支路转移至耗能支路中，直至电流被耗能支路中的非线性电阻器Z全部吸收，高压直流断路器完成分断操作。

上述情况一中，所有缓冲单元、断流单元和耗能单元均参与切换，与现有技术的控制方式基本相同。

情况二：仅选取部分缓冲单元、断流单元和耗能单元参与切换，直流断路器单元的分闸控制过程如下：

a)导通断流支路中所有断流模块SMB中的全控器件，闭锁通流支路中所有辅助换流模块SMC中的全控器件。

b)断流支路中的断流模块SMB(如SMB1-1、SMB1-2、SMB1-3)与通流支路中的机械开关K(如K1-1、K1-2、K1-3)和辅助换流模块SMC(SMC1-1、SMC1-2、SMC1-3)的电容支路之间形成振荡，将电流从通流支路转移至断流支路中。

c)断开通流支路中的所有机械开关K。

d)根据机械开关K的断口绝缘距离，闭锁与机械开关K所在通流支路并联的相应数量的断流模块SMB的全控器件组，例如闭锁SMB1-1和SMB1-2，将电流从断流模块SMB1-1和SMB1-2转移至与SMB1-1所在断流单元并联的缓冲模块SMS1-1中，当缓冲模块SMS1-1的电压升高至与缓冲模块SMS1-1所在缓冲单元并联的非线性电阻器Z1-1的动作电压时，电流从缓冲模块SMS1-1转移至非线性电阻器Z1-1中。为了保证机械开关K不被过压击穿，与机械开关K并联的耗能支路的端电压应始终低于机械开关K的绝缘耐受能力。

此步骤中，缓冲支路的电流并不像情况一那样流过所有的缓冲模块，而是仅流过相应的缓冲模块，即流过相应的缓冲模块与对应的断流模块形成的电流通路。例如上面的例子中，当闭锁SMB1-1和SMB1-2时，电流流过SMS1-1以及SMB1-3、SMB1-4…SMB1-12。

e)当电流降低到一定值后，闭锁断流支路中全部断流模块SMB的全控器件，直到电流被与通流流支路并联的耗能支路中的非线性电阻器Z1-1、Z1-2、Z1-3全部吸收，高压直流断路器完成分断操作。

上述情况二中直流断路器单元的分闸控制的方式，通过控制断流支路中断流模块的闭锁时序，可以选择分时投入不同数量的耗能模块(避雷器/非线性电阻器)，使得直流断路器兼具限流的作用，降低了直流系统故障电流峰值，大大降低了换流阀的过流风险，进而提高了直流系统运行的稳定性；还使得直流断路器兼具限压的作用，不但降低了对机械开关的耐压水平要求，而且降低了对直流系统的电压应力，使得采用该拓扑的高压直流断路器适用于具有降压运行工况的直流输电系统。

当高压直流系统要求高压直流断路器重合闸操作时，控制方法如下：

(A)导通各个直流断路器单元断流支路中断流模块SMB的全控器件。

(B)当直流电流不超过高压直流断路器过流保护定值并保持一定时间后，导通各个直流断路器单元通流支路中所有辅助换流模块SMC的全控器件，然后闭合所有机械开关K。

(C)当直流电流从各个直流断路器单元的断流支路完全转移至通流支路后，闭锁断流支路中断流模块SMB的全控器件，高压直流断路器完成重合闸操作。

Claims (10)

1.一种高压直流断路器，其特征在于，包括一个或至少两个串联连接的直流断路器单元；所述直流断路器单元包括并联连接的通流支路、断流支路、缓冲支路和耗能支路；所述通流支路由机械开关和辅助换流模块串联构成；所述耗能支路由耗能单元构成；每个耗能单元均与相应的缓冲单元并联，每个缓冲单元由设定数量的缓冲模块构成，所有的缓冲模块串联构成所述缓冲支路；每个缓冲模块均与相应的断流单元并联，每个断流单元由设定数量的断流模块构成；所有的断流模块串联构成所述断流支路。

2.根据权利要求1所述的高压直流断路器，其特征在于，所述辅助换流模块为H桥模块，具有并联的第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂由两个阀组同向串联而成，所述第二桥臂由另外两个阀组同向串联而成；第一桥臂的两个阀组的串联点为所述辅助换流模块的输入/输出端，第二桥臂的两个阀组的串联点为所述辅助换流模块的输出/输入端；所述辅助换流模块还包括电容支路，所述电容支路与所述第一桥臂、第二桥臂并联。

3.根据权利要求2所述的高压直流断路器，其特征在于，所述第一桥臂的两阀组为全控器件阀组(T1、T3)，所述第二桥臂的两阀组为全控器件阀组(T2、T4)。

4.根据权利要求2所述的高压直流断路器，其特征在于，所述第一桥臂的两阀组为全控器件阀组(T1、T3)，所述第二桥臂的两阀组为不控器件阀组(D2、D4)。

5.根据权利要求2所述的高压直流断路器，其特征在于，所述第一桥臂的两阀组为不控器件阀组(D1、D3)，所述第二桥臂的两阀组为不控器件阀组(D2、D4)；所述辅助换流模块还包括一条包含全控器件阀组的全控器件支路，该全控器件支路与第一、第二桥臂并联。

6.根据权利要求2-5中任一项所述的高压直流断路器，其特征在于，所述电容支路中还串联有限流电阻(R0)。

7.根据权利要求6所述的高压直流断路器，其特征在于，所述电容支路还包括与所述限流电阻(R0)并联的二极管(D0)。

8.根据权利要求3-5中任一项所述的高压直流断路器，其特征在于，所述全控器件阀组由一个或者至少两个同向串联的全控器件构成，所述不控器件阀组由一个或者至少两个同向串联的二极管构成。

9.根据权利要求8所述的高压直流断路器，其特征在于，所述全控器件为IGBT。

10.根据权利要求1或2所述的高压直流断路器，其特征在于，所述耗能单元由至少一个非线性电阻器或避雷器构成。