CN106558864A - 一种混合式快速直流断路器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种混合式快速直流断路器，所述断路器包括并联连接的主通流支路、电流转移支路和耗能支路；所述主通流支路包括串联的快速机械开关单元和主支路子模块单元；所述电流转移支路包括依次级联的阀模块单元，每个阀模块单元由若干个半导体模块串联组成；所述耗能支路包括依次级联的耗能组件。本发明提供的断路器在结构设计上采用电气拓扑对应模块化设计，可根据不同电压等级应用需求，在结构上实现不同电压等级的结构扩展，断路器采用单一平台支撑结构，所有功能单元都集成在同一平台上，实现了设备的高度集成，结构体积小，抗震性能强，经济性好，可靠性高，结构灵活，具有更好的电气兼容性；可在直流系统发生故障时，快速切断故障电流。

Description

一种混合式快速直流断路器

技术领域

本发明涉及一种断路器，具体讲涉及一种用于高压直流输电系统电流开断的混合式快速直流断路器。

背景技术

直流电的电流特性使电流开断明显区别于交流电流开断，由于直流不存在电流过零点，因此依靠传统的机械式开关开断直流电流时有很多的问题，例如灭弧、绝缘和机械结构设计等问题，为此，需要用于开断直流电流的断路器。按照灭弧方式，一般有机械式直流断路器、固态半导体直流断路器和混合式直流断路器。机械式断路器是采用自激振荡方式来实现电流过零点，同时借助非线性耗能原件来实现能量的耗散和转移，但此类型断路器开断电流的时间较长，通常为数十个毫秒，相比于直流系统的故障电流的扩散速度，这样开断时间难以满足直流系统故障隔离的需要，一般只是用作转换开关，用于负荷电流转移，而不切断故障电流。

对于固态半导体直流断路器，该类型断路器是基于大量的全控半导体组件组成的断路器，该断路器可以在很短时间内开断直流系统的故障电流，但该类断路器由于有大量半导体器件组成，导致了具有很高的成本，且在大电流下具有很高的损耗，而只能应用于中低压场合，而在高压直流输电领域则很难应用此类断路器。对于上百千伏的直流输电工程而言，固态半导体直流断路器需要更多的半导体器件串联，数量可达到数百级，使得控制保护系统复杂，设备的可靠性也随之降低。由于众多的半导体器件串联，该类型断路器在运行寿命周期内的损耗成本也成为了明显的制约因素。以上诸多不利因素，导致该类型开关难以在高压直流输电系统扩展应用。

针对高压直流输电系统的需求，结合机械式直流断路器和固态半导体断路器的优缺点，相关研究人员提出了结合二者优点的混合式直流断路器，该类型断路器既包括了机械式开关，也包含了半导体开关，以求达到在开断时间、电流损耗和成本方面达到一个最优设计。CN102687221 A公布了这样类型一种断路器，该断路器包括主断路器支路、非线性电阻器支路和高速开关与辅助断路器串联支路，三个支路采用并联连接，主断路器包括某一电流方向的至少一个功率半导体开关。该断路器可以应用于高压直流输电领域，且具有较低的通态损耗，并可以在5ms内开断直流系统故障电流。该断路器的半导体开关采用半桥电路设计，即单级半导体组件由两个全控器件组成，决定了断路器的短路电流耐受能力直接决定于单个全控半导体器件，同时该断路器在电气模块化设计与结构设计没有有机的结合，该专利所表述的高速开关没有采用模块化组件设计，高速开关的电压等级直接对应应用直流系统的极线电压，也就意味着该断路器无法针对不同电压等级进行模块化设计，不同电压等级直流工程需要设计不同断路器结构。由ALSTOM公司申请的国际专利WO 2013/127463 A1也表述了一种由半导体开关、充电电容支路和非线性保护耗能支路组成的混合式断路器，这种断路器充电电容器支路作为断路器开断故障电流的关键部件，具有较大的容值和结构体积，整体设备结构设计复杂且需要较大的结构空间，且在直流电流过零设计上具有明显的实现难度，因此在几百千伏电压等级直流工程应用中具有明显的缺陷。SIEMENS公司申请的国际专利WO 2013/045238A1，该专利所述设备由众多的半导体组件开关、阻容器件、非线性耗能部件和机械开关组成的混合式断路器，电气设计复杂，控制保护系统也非常繁杂，该设计从工程实际应用角度分析，仅仅停留在概念设计阶段，因此在高电压等级的直流工程应用中，不具备功臣实施的价值。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种更优的混合式快速直流断路器通过电气并联连接，该断路器通过电气并联的主通流支路、电流转移支路和耗能支路实现直流输电线路或配电线路的直流电流或者故障电流的快速切断，其切断电流的具体类型包括正常的负荷电流、暂态过电流以及短路故障电流，是一种实现直流系统快速保护的电力装置。

本发明提供的技术方案是：一种混合式快速直流断路器，其改进之处在于：所述断路器包括并联连接的主通流支路、电流转移支路和耗能支路；所述主通流支路包括串联的快速机械开关单元和主支路子模块单元；所述电流转移支路包括依次级联的阀模块单元，每个阀模块单元由若干个半导体模块串联组成；所述耗能支路包括依次级联的耗能组件。

优选的，所述快速机械开关单元包括若干个串联的超高速机械开关，所述主支路子模块单元包括N组并联的半导体模块串联组件，每组半导体模块串联组件由M个半导体模块串联组成。

进一步，所述半导体模块为全桥模块，所述全桥模块包括四个桥臂和RC并联单元；所述四个桥臂中的两个桥臂串联后与RC并联单元、以及另外两个串联的桥臂依次并联；所述RC并联单元包括并联的桥臂电容器C和放电电阻R；所述桥臂包括反并联有二极管的绝缘栅双极型晶体管IGBT。

优选的，所述阀模块单元的数量以混合式快速直流断路器的电压等级和暂态过电压水平决定；所述耗能组件的数量与所述阀模块单元的数量相对应；所述阀模块单元与所述耗能组件对应并联，以形成依次级联的基本级联单元。

优选的，所述主通流支路、所述电流转移支路和所述耗能支路在同一支撑架构内沿水平方向依次分区布置，以形成固定在塔基支撑平台上的主通流支路区、电流转移支路区和耗能支路区；所述主通流支路区、所述电流转移支路区和所述耗能支路区分别在竖直方向上以相同的层高和层数分层布置，层间通过竖直方向的绝缘子支撑固定。

进一步，所述主通流支路区的主支路子模块在结构上采用矩阵式布置方式，一层布置M个全桥模块，共布置N层。

进一步，所述电流转移支路区的每层设置两个阀模块单元；所述耗能支路区的每层设置有耗能组件；所述两个阀模块单元串联后与同一平层上的耗能组件并联连接，以形成基本级联单元。

进一步，所述耗能支路区的每层设置有由三个耗能子单元并联组成的耗能组件，每个耗能子单元内封装有若干个并联的金属氧化物压敏电阻片，所述三个耗能子单元采用品字形布置。

进一步，所述M个全桥模块分别封装在屏蔽壳体内，所述屏蔽壳体固定在水平方向的第一支撑框架上；

所述第一支撑框架包括第一矩形支撑架和设于所述第一矩形支撑架内的第一绝缘隔离板，所述第一矩形支撑架由两侧相互平行的金属角梁和垂直安装在两侧金属角梁之间的支撑绝缘槽梁组成；所述金属角梁与层间的绝缘子固定；

所述屏蔽壳体沿平行于所述金属角梁的方向固定在所述支撑绝缘槽梁上；所述屏蔽壳体内还设置有：第二支撑框架，安装在所述屏蔽壳体底部，用于支撑所述全桥模块；二次控制单元A，安装在所述全桥模块的压装结构上，用于控制和保护所述全桥模块中的绝缘栅双极型晶体管IGBT；水冷散热器，设于两个绝缘栅双极型晶体管IGBT之间，用于给所述绝缘栅双极型晶体管IGBT散热；电气连接母排，与全桥模块的压装结构固定成一体，用于所述全桥模块之间的电气连接、以及全桥模块与超高速机械开关之间的电气连接；

所述二次控制单元A通过双冗余供能系统供电，所述双冗余供能系统包括高频电磁供能系统和激光供能系统，所述激光供能系统采用并联设计，保证在一路供能光纤损坏时，其余光纤仍可靠供能。

进一步，超高速机械开关包括安装在第三支撑框架上的电磁斥力柜、充放电电源柜、以及垂直设于所述电磁斥力柜顶部的两个串联的真空灭弧室；所述电磁斥力柜内设有两个分合闸电磁斥力单元，分别与两个真空灭弧室相对应，用于控制两个真空灭弧室的开断；所述充放电电源柜内设有分合闸电源机构，用于给所述分合闸电磁斥力单元供能；所述电磁斥力柜和所述充放电电源柜固定在同一电位上；

所述第三支撑框架包括第二矩形支撑架和设于所述第二矩形支撑架内的第二绝缘隔离板，所述第二矩形支撑架由两侧相互平行的金属横梁和垂直安装在两侧金属横梁之间的绝缘槽梁组成；所述金属横梁与层间的绝缘子固定。

进一步，所述两个阀模块单元并列布置在第四支撑框架上，并通过母排螺旋连接方式串联；所述阀模块单元包括：平行设于所述第四支撑框架上的IGBT压装单元和电容器组件；所述IGBT压装单元和所述电容器组件对应电气相连，以形成依次级联的全桥模块；

所述第四支撑框架上还设置有：二次控制单元B，用于控制和保护所述阀模块单元中的绝缘栅双极型晶体管IGBT；高频电磁供能系统，用于给所述二次控制单元B供能；

所述高频电磁供能系统包括：高频隔离变压器，用于功率输出和高压隔离；高压传输电缆，用于电能输送和绝缘隔离；分布式磁环，用于给每个全桥模块输送高频电能，并起到全桥模块间的电位隔离作用；电源模块，用于将所述分布式磁环输出的高频交流转换为二次控制单元B可使用的直流电能。

进一步，所述塔基支撑平台包括水平方向设置的高电位平台、竖直方向安装在所述高电位平台底部的支撑绝缘子、以及设置在所述支撑绝缘子之间的斜拉绝缘子；

所述高电位平台底部还设置有供能装置，所述供能装置与高频隔离变压器相连，用于提供所述高频电磁供能系统的供能电源；

所述支撑绝缘子的两端分别设有法兰，其底端的法兰上配置有均压环；所述高电位平台外围布置有第一管形屏蔽罩。

进一步，层间的绝缘子通过法兰连接，以构成支撑架构；所述支撑架构外围设有用于实现快速直流断路器高电位电场改善和屏蔽的均压屏蔽结构；所述均压屏蔽结构包括设于所述支撑架构顶部外围的第二管形屏蔽罩、以及设于所述支撑架构层间外围的层间屏蔽罩；

所述第二管形屏蔽罩由均压管与敷板组合而成；所述层间屏蔽罩由直板屏蔽罩和角屏蔽罩沿所述支撑框架层间外围组合形成。

与最接近的技术方案相比，本发明具有如下显著进步：

(1)本发明提供的快速直流断路器以一定电压耐受等级的电气模块单元进行级联连接，从而实现所需承受的应用直流系统电压等级；直流断路器结构设计上与电气设计对应，同样采用功能模块化设计，可实现电气与结构协同对应的单元模块化设计；

(2)在直流断路器结构设计上，直流断路器拓扑的各个支路在结构上都是独立的结构单元，通过电气连接结构，形成一个完整的直流断路器功能整体，结构灵活，每一个支路的结构具有自身特点，相互之间互不影响；同时可根据电气设计需要，各自灵活扩展；

(3)本发明提供的直流断路器在结构设计上，根据电气需求，灵活设计了冗余结构，并于断路器整体结构融合一体，有效的提升断路器的整体性，大幅降低了直流断路器结构体积；

(4)直流断路器的电气和结构可协同扩展的设计方法，可实现了电气和结构的灵活扩展，增强了工程应用的适应性，同时便于电压等级的扩展，实现了更好的电压兼容性。

(5)本发明所提出的以一定电压等级为基本级联单元的全桥级联式快速直流断路器拓扑结构，可以是快速直流断路器具有在电气功能上具有很强的扩展性，可以实现在50-800kV宽电压范围内的灵活扩展。同时，采用以一定电压等级为基本级联单元的拓扑设计，也为直流断路器的模块化结构设计奠定了基础。

(6)基于以一定电压等级为基本级联单元的全桥级联快速直流断路器拓扑结构，本发明提出了主通流支路、电流转移支路和耗能支路等并联支路在单一支撑平台结构布置的高度集成结构设计方法，将主支路子模块单元、超高速机械开关、阀模块单元、耗能避雷器组件等诸多关键零部件和组件集成布置在同一个支撑结构内，同时配置以辅助的绝缘支撑、均压屏蔽、电气连接母排和冷却管路等，实现了复杂结构、多零部件、多功能组件的一体化布置，大幅度减小了断路器的空间尺寸，提高了断路器应用的经济性和可靠性。

(7)本发明提出的主支路子模块单元采用矩阵式冗余设计，包括2×2(2串2并)、3×2(3串2并)、3×3(3串3并)等，可大幅度提升主通流支路导通额定负荷电流和过负荷电流的能力，同时也提高了在运行过程中的主支路子模块的运行可靠性，通过冗余配置，可保证在部分子模块故障失效工况下，主支路仍能保持运行功能。

(8)本发明提供的主通流支路的超高速机械开关采用两个真空灭弧室，每个真空灭弧室为一个分断断口，多断口串联冗余设计，提升了主通流支路分断后的绝缘耐受强度，同时可保证在个别断口拒动情况下，仍能保证绝缘隔离要求。

(9)本发明提供的超高速机械开关采用真空灭弧室形式，以两个真空灭弧室串联为一个单元，同时将由电磁斥力机构、缓冲机构、压力保持机构组成的分合闸电磁斥力单元集成在一个电磁斥力柜里，斥力机构的充放电电源集成在另外一个单独柜体内，电磁斥力柜和充放电电源柜固定在同一电位。上述设计形式，大幅度减小了超高速机械开关在高电压下的绝缘隔离参数需求，大幅度减小了结构尺寸，为断路器的整体集成奠定基础。

(11)本发明提供的主支路子模块单元结构，采用独立的子模块结构形式，每个子模块在电气上对应一个全桥模块。这种设计形式充分考虑了主通流支路的电气运行特点，其长期处于通流状态，工作应力苛刻，可靠性要求更高，发生故障概率大。通过独立子模块结构设计，使得主支路子模块的更换简单方便，便于工程维护。

(12)本发明专利提出的阀模块单元结构，采用IGBT压装单元对称矩阵式布置结构，实现了阀模块单元的高度集成，减少了快速直流断路器的阀模块单元串联数量，有利于压缩断路器结构尺寸。通过快速直流断路器的同一平层布置两个阀模块单元，上下层布置阀模块数量取决于50kV单元级联数量。这种布置形式使得阀模块单元布置灵活，也有利于断路器的电气连接设计和结构抗震优化设计。

(13)本发明提出的耗能支路耗能组件的每个耗能组件由三柱耗能子单元并联，采用品字形布置，在满足断路器分断能量前提下，使得耗能组件的占据的包络面积最小，有利于减小断路器的整体结构尺寸。

(14)本发明提出的高频电磁和激光复合的供能系统设计方法，提高了供能系统可靠性。对于长期导通电流的主支路子模块采用高频电磁供能和激光供能组合的复合供能形式，优先保证主支路的运行可靠性。对于不连续短时工作的阀模块单元，则采用单一的高频电磁供能。高频电磁供能通过高频隔离变压器、电缆和分布式磁环配合的结构设计方法，保证了在供能的同时，满足直流极线对地电压隔离的要求，也保证了每一级全桥模块之间隔离供能的要求。激光供能采用并联设计，保证在某一路供能光纤损坏情况下，其余光纤仍然可实现可靠供能。

(15)本发明提出的快速直流断路器的均压屏蔽结构，由角屏蔽罩、直板屏蔽罩和管形屏蔽罩组合的结构形式，既满足断路器在几百千伏高电位下的电场分布优化设计要求，也满足了快速直流断路器整体简洁美观的要求。

(16)用于支撑直流断路器的塔基支撑平台由支撑绝缘子、斜拉绝缘子和高电位平台组成，可实现断路器所有部件的布置连接和固定，满足整体支撑强度要求。同时通过单一高电位平台固定支撑，大幅度提高了断路器的结构抗震特性，可满足8-9级地震烈度的抗震需求。

附图说明

图1为本发明提供的混合式快速直流断路器的电气拓扑结构图；

图2为图1中全桥模块的结构示意图；

图3为主通流支路中全桥模块的IGBT闭锁时的电流流通示意图；

图4为电流转移支路中全桥模块的IGBT闭锁时的电流流通示意图；

图5为混合式快速直流断路器的限流分断模式示意图；

图6为混合式快速直流断路器的整体结构示意图；

图7为混合式快速直流断路器的内部结构示意图；

图8为混合式快速直流断路器的内部结构示意图；

图9为混合式快速直流断路器的结构功能分区示意图；

图10为塔基支撑平台的结构示意图；

图11为均压屏蔽结构的整体结构示意图；

图12为图11中角屏蔽罩的结构示意图；

图13为图11中直板屏蔽罩的结构示意图；

图14为图11中均压管的结构示意图；

图15为电流转移支路区中每层阀模块单元的整体结构示意图；

图16为图15中第四支撑框架的整体结构示意图；

图17为主通流支路区中每层全桥模块的整体结构示意图；

图18为图17中第一支撑框架的整体结构示意图；

图19为图17中屏蔽壳体的外部结构示意图；

图20为图19中屏蔽壳体的内部结构示意图；

图21为超高速机械开关的结构示意图；

图22为用于支撑图21中超高速机械开关本体的第三支撑框架的结构示意图；

图23为超高速机械开关安装在第三支撑框架上的整体结构示意图；

图24为高频供能系统的布置结构图；

其中：1、主通流支路；2、电流转移支路；3、耗能支路；4、快速机械开关单元；5、主支路子模块单元；6、阀模块单元；7、基本级联单元；8、主通流支路中的全桥模块；9、超高速机械开关；10、电流转移支路中的全桥模块；11、耗能组件；12、13、14、15：桥臂；16、桥臂电容；17、放电电阻；18、连接金具；19、均压环屏蔽结构；20、支撑绝缘子；21、冷却系统；22、供能装置；23、主通流支路区；24、电流转移支路区；25、耗能支路区；26、塔基支撑平台；27-高电位平台；28，均压环；29、斜拉绝缘子；30、均压管；31、直板屏蔽罩；32、角屏蔽罩；33、电容器组件；34、导电母排；35、第四支撑框架；36、供能单元组件；37、IGBT压装单元；38、金属横梁I；39、绝缘槽梁I；40、第一支撑框架；41、第二绝缘隔离板、42、金属角梁；43、支撑绝缘槽梁；44、屏蔽壳体；45、全桥IGBT压装单元；46、第二支撑框架；47、二次控制单元A、48、电气连接母排；49、电容器；50、充放电电源柜；51、真空灭弧室；52、电磁斥力柜；53、绝缘槽梁II；54、金属横梁II；55、第二绝缘隔离板；56、第三支撑框架；57、绝缘隔离屏；58、分布式磁环；59、电源模块。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

本发明提供一种新型的混合式快速直流断路器，用于直流输电系统的电流切断。该断路器由半导体组件开关、毫秒级开断的超高速机械快关和非线性耗能保护器件组成，该断路器采用单元电压模块化设计，可以根据应用电压等级的需要，通过电气级联的方式实现灵活串联，以满足不同电压等级系统的需求。该断路器作为直流输电系统的一个电流切断装置，在正常运行时，具有很低的阻断电阻，也就意味着该断路器在正常运行时具有很低的电能损耗。由于采用毫秒级快速机械开关，使得该断路器能够在毫秒级时间内切断电流，在直流系统发生故障时，该断路器能够快速隔离故障系统，切断故障电流，可以有效避免故障扩大造成的系统破坏。

本发明提供的断路器在结构设计上采用统一的模块化组件设计，可以以模块化单元进行组装，在结构布置上可以根据应用场合的具体情况进行灵活组装，便于工程应用。根据电气设计，在结构上将一定电压等级的快速直流断路器组成一个完成结构单元，可以根据电压等级的提升，通过调整该结构单元的装配数量，以实现不同电压等级的需要，从而实现了电气和结构的有机结合。

本发明提供的用于直流系统故障电流切断和负荷电流切换的快速直流断路器可以在几个毫米快速动作，并能够分断高端数十千安的故障电流和切合几千安的负荷电流，同时可以应用从几十千伏到几百千伏的电压等级。

本发明提供的快速直流断路器共包括两部分内容：(1)以一定电压等级电气模块级联的电气拓扑结构设计；(2)与电气级联拓扑对应的高度集成的单元模块化装置结构设计。通过电气拓扑设计和结构集成设计，实现快速直流断路器的高电压适应性、高分断能力和高扩展性。电气拓扑设计主要是针对用于高压直流分断的快速直流断路器在电气功能上实现的方法，工作原理以及电气拓扑所具有的典型功能；快速直流断路器装置设计主要是基于快速直流断路器在电气拓扑上有三条支路组成：主通流支路、电流转移支路和耗能支路，主通流支路由超高速机械开关和主支路子模块串联而成，电流转移支路由多级半导体模块级联而成，耗能支路由多级耗能组件级联而成，快速直流断路器的电气拓扑结构如图1所示。

主通流支路1由快速机械开关单元4和主支路子模块单元5串联而成，快速机械开关单元4由多个超高速机械开关9串联而成，主支路子模块单元5由多个全桥模块采用矩阵式串并联组合设计，具体为主支路子模块单元由N条并联的半导体模块串联支路，每条半导体模块串联支路由M个半导体模块串联组成，矩阵量为M×N；主支路子模块单元的最大矩阵量为3×3(串连数最大不超过3，并联支路数最大不超过3，可2串2并、3串2并、3串3并等)。

电流转移支路2由若干个阀模块单元6串联组成，每个阀模块单元6由多级全桥模块10串联组成，全桥模块10串联的数量以快速直流断路器应用系统的电压等级和暂态过电压水平决定。

耗能支路3主要由金属氧化物压敏电阻片组成的耗能组件11通过级联组成，级联的数量与电流转移支路对应，同样取决于快速直流断路器应用系统的电压等级和暂态过电压水平决定。

考虑快速直流断路器会在不同电压等级的直流系统应用，电压跨度可以从几十千伏到几百千伏，为了便于快速直流断路器在各个电压等级便捷应用，同时减少快速直流断路器的结构变动，减小快速直流断路器的设计成本，提升其应用扩展性，本电气拓扑采用单元模块化级联设计。将电流转移支路2的若干个阀模块单元6串联后与耗能支路3的耗能组件并联，形成一定电压等级的基本级联单元7。电流转移支路和耗能支路的电气拓扑从单元化看，实际是由若干个一定电压等级基本级联单元级联连接组成。

主通流支路1的全桥模块8和电流转移支路2的全桥模块10采用相同的电气拓扑结构，全桥模块拓扑结构如图2所示。全桥模块由包含反并联二极管的4个IGBT12、IGBT13、IGBT14、IGBT15、一个桥臂电容器16和电阻17组成。全桥模块由两种导通和闭锁两种状态。如果电流欧诺个A流向B，导通状态时，则通过上桥臂的IGBT14的二极管和IGBT13的IGBT、下桥臂的IGBT15的IGBT和IGBT12的二极管通流；闭锁状态时，通过上桥臂IGBT14的二极管、桥臂电容16和IGBT12的二极管导通电流，并对电容器充电。如果电流从B流向A，全桥模块导通状态时，通过上桥臂IGBT13的二极管和IGBT14的IGBT、下桥臂的IGBT12的IGBT和IGBT15的二极管导通电流，闭锁状态时，通过IGBT13的二极管、桥臂电容16和IGBT15的IGBT导通电流，并对电容充电。当全桥模块由闭锁状态转为导通状态前，需要桥臂电容16通过放电电阻17放电。

本发明所提出的快速直流断路器的电气拓扑工作原理如下：

(1)正常工作时

直流断路器串接于直流输电系统的输电线路上，闭合主通流支路1的快速机械开关单元4的各个超高速机械开关9的串联断口，触发导通主支路子模块单元中全桥模块8的IGBT，则直流线路的负荷电流通过主通流支路导通，由于超高速机械开关的动静触头接触电阻为微欧级，IGBT的导通压降只有几伏，因此，主通流支路在导通直流极线负荷电流时，具有很低的工作损耗，不超过0.01％。

(2)直流线路发生故障时

当直流线路发生故障，需要直流断路器动作切除故障线路时，则通过闭锁主通流支路1中主支路子模块单元5的全桥模块8的IGBT，同时导通电流转移支路2中阀模块单元的全桥模块10的IGBT，则直流极线上的电流通过主通流支路1的全桥模块8的二极管和电容分两条通路导通电流，如图3所示。当全桥模块8的电容器充电电压大于电流转移支路2的阀模块单元6的导通压降时，且直流极线电路大于快速直流断路器设定的主通流支路电流设定保护上限值时，电流开始向电流转移支路转移，直至电流全部转移完毕，此时，快速机械开关组件4处于近似“零电流零电压”状态，通过快速直流断路器的控保装置，发出快速机械开关单元的动作命令，则串联的多组超高速机械开关断口在2ms内打开。

当电流全部由主通流支路1转移至电流转移支路2后，闭锁电流转移支路2中阀模块单元6的所有全桥模块的IGBT，则电流转移支路由通流状态转为电容充电状态。如图4所示。

当电流转移支路的电容充电至一定电压水平，达到耗能支路的耗能组件的保护水平后，耗能支路动作，电流则有电流转移支路向耗能支路转移。整体分断过程完成。

同时本快速直流断路器还具有限流关断的功能，由于在设计上采用一定电压等级为一个基本级联单元，但直流极线发生故障时，故障电流比较大，则可通过分级投入基本级联单元，实现故障电流的限制并最终实现关断。具体操作方式如下：首选通过控保装置，控制基本级联单元1与主通流支路配合，其余的基本级联单元2-4则保持持续导通状态，通过主通流支路向基本级联单元1转移，且基本级联单元1的电流转移支路和耗能支路按照电流转移支路全桥模块IGBT闭锁，电容充电、耗能组件动作的流程完成一次故障电流限制；采用类似的方法，通过控制保护单元，控制基本级联单元1和基本级联单元2与主通流支路配合，完成一次完整的电流转移切换过程，实现第二次限流分断，以此类推，当故障电流限制至快速直流断路器分断能力内时，实现完整的故障电流分断过程。

基于快速直流断路器的拓扑设计，设计了完整的快速直流断路器结构。快速直流断路器的结构如图6-9所示，与电气拓扑对应，在结构集成设计上，采用各支路分区布置设计：主通流支路区23、电流转移支路区24和耗能支路区25，三个区域分别包含各自的功能组件，在整体结构设计上，采用单一塔式集中布置，采用同一支撑架构固定。为了实现快速直流断路器在高电位安全运行，在支撑架构的外围布置了均压屏蔽结构19，用于改善断路器内部及对地电场特性。快速直流断路器的集成设计还包含了半导体组件和超高速机械开关功率部件供能的辅助供能系统。

该快速直流断路器的结构整体采用支撑式结构，采用电气与结构对应的单元模块化设计，电流转移支路和耗能支路在结构布置上采用一定电压等级为单元级联单元布置，可以叠加至50-800kV等多个电压等级。为了实现主通流支路、电流转移支路和耗能支路的清晰布置，在结构上采用功能分区的设计方法，按照主通流支路区23、电流转移支路区24和耗能支路区25进行分区分层布置，具体结构如图9所示。

主通流支路区由若干组多断口串联的超高速机械开关与主支路子模块单元串联而成，主支路子模块单元采用模块化高度集成设计，在结构布置上采用矩阵式布置，可以是3×3矩阵(3串3并)、3×2矩阵(3串2并)、3×1矩阵(3串1并)等，主通流支路的矩阵式冗余设计增加了主通流支路长期运行可靠性。

电流转移支路区由若干个阀模块单元串联组成，每个阀模块单元包含不少于8级的全桥模块组件，如图6-9所示，电流转移支路区的阀模块采用多层双列布置，在电气连接上采用母排螺旋连接方式，将阀模块单元串联连接成结构整体。

耗能支路区域由多组耗能组件11组成，每组耗能组件的额定电压为50kV，每组耗能组件由三组耗能子单元组件并联组成，每个耗能子单元组件内封装了多柱并联的金属氧化物压敏电阻片。

快速直流断路器结构从高度方向看，由多层组成，每一层都采用绝缘子固定支撑，对于每一个平层，包含了主支路子模块单元、超高速机械开关、阀模块单元、耗能组件。整个直流断路器本体固定在一个塔基支撑平台上，塔基支撑平台结构如图10所示，塔基支撑平台由多个支撑绝缘子和高电位平台组成，同时为了强化结构强度，增加了斜拉绝缘子强化塔基支撑强度，满足8级及以上地震烈度抗震需求。由于直流断路器处于几百千伏的电位上，塔基支撑绝缘子的法兰在高电位下回发生放电，为了抑制放电，支撑绝缘子的法兰配置均压环。同时在高电位平台下方还设置了供能装置22和冷却系统21，供能装置22用于给快速直流断路器中的高频电磁供能系统提供电源，给全桥模块的控制单元供电；冷却系统21用于给全桥模块中的IGBT压装单元提供冷却水。

快速直流断路器应用于高电压场合，电压等级达到数百千伏，其内部的各种金属结构件和绝缘结构件在高电位下会发生放电，为了有效抑制快速直流断路器内部结构在高电位下的放电，设计了整体的均压屏蔽结构，用于改善快速直流断路器内部和对地的电场分布，均压屏蔽结构如图11-14所示。均压屏蔽结构由三种结构的屏蔽结构件组成，包括角屏蔽罩32、直板屏蔽罩31和均压管30。角屏蔽罩和直板屏蔽罩采用薄板铝合金材料制作成的具有一定圆角半径的壳状结构，均压管30是由薄壁的铝合金板材制作成型的管型屏蔽结构件，同时配合支撑结构件和覆板，使均压管屏蔽罩的均压效果达到最佳。角屏蔽罩、直板屏蔽罩和均压管的圆角半径需满足场强控制的要求。角屏蔽罩、直板屏蔽罩和均压管在快速直流断路器内的布置结构与断路器的电位分布关联，不同阀层、不同位置的屏蔽罩与对应的电位固定。

电流转移支路区的每层阀模块单元结构如图15-16所示，该结构由第四支撑框架35、IGBT压装单元37、电容器组件33、供能单元组件36、导电母排34、二次控制单元B等组成。每层布置有两个阀模块单元，每个阀模块单元包含了2组IGBT压装单元、一组电容器组件、一组供能单元组件和导电连接母排等。两个阀模块单元结构具有对称性。每个阀模块单元的电容器组件和两个IGBT压装单元的电容器与IGBT与全桥模块的拓扑结构对应，通过导电母排形成一个多级串联的全桥模块大组件，每个阀模块单元可容量不少于8级的全桥模块，每层第四支撑框架上可承载不少于16级的全桥模块。第四支撑框架作为电流转移支路阀模块单元的支撑主体，由金属横梁I 38和绝缘槽梁I 39组成，绝缘槽梁I 39采用层压绝缘材料制成，具有很高的强度。

快速直流断路器的主支路子模块单元包含了若干级串并联的全桥模块和第一支撑框架40，如图17-20所示。全桥模块在结构设计上，整体封装在一个具有一定造型的屏蔽壳体44内，屏蔽壳体44内部包括了第二支撑框架46、全桥IGBT压装单元45、电容器49、电气连接母排48、冷却管路和二次控制单元A 47等，其结构如图19所示。全桥IGBT压装单元45是包含了4个IGBT的压接结构，内部包含了IGBT、散热器、导电母排和辅助压装结构件；由于主支路子模块单元长期通过千安级以上的负荷电流，需要通过冷却保证IGBT器件的可靠运行，本发明的主支路子模块单元采用水冷方式，实现IGBT的可靠冷却。第一支撑框架40由金属角梁42、支撑绝缘槽梁43和第一绝缘隔离板41组成，是每层全桥模块的支撑基础和固定安装基础。

快速直流断路器的超高速机械开关设计时，考虑了高电气绝缘隔离、快速分断、结构紧凑布置等综合因素，采用多断口串联的真空绝缘型式，断口串联数量与电压等级关联，电压等级提升，串联的断口数量相应增加。本发明设计的快速直流断路器，包含了3个超高速机械开关，每个超高速机械开关包含了2个分断断口。超高速机械开关结构如图21-23所示，包含了2个真空灭弧室51(1个真空灭弧室为1个分断断口)、电磁斥力柜52、充放电电源柜50、第三支撑框架56，在结构布置上，每一个真空灭弧室51对应一套分合闸电磁斥力单元，电磁斥力柜52内包括了2个分合闸电磁斥力单元，用于控制真空灭弧室；充放电电源柜50内设置分合闸电源机构，用于给分合闸电磁斥力单元供电。为了实现超高速机械开关在快速直流断路器内部的紧凑布置，并满足过电压下的绝缘距离要求，在充放电电源柜的侧部设置绝缘隔离屏57，实现有限空间的绝缘隔离需求。第三支撑框架56的结构如图22所示，由金属横梁II 54、绝缘槽梁II 53、第二绝缘隔离板55组成，具有很高的绝缘耐受强度和机械强度。

快速直流断路器的主通流支路和电流转移支路的全桥模块组件，包含了用于IGBT控制和保护的二次控制单元，这些二次控制单元需要由外部可靠供能，方能正常工作，意味着供能的可靠性直接决定了直流断路器工作的可靠性。本发明在供能设计上采用整体供能和局部强化供能结合的方法，进行整体供能的高可靠性设计。对于整个断路器的供能，采用高频电磁供能系统供能，高频电磁供能系统除了满足供能的功率需求外，还具有高电位隔离的作用，对于主通流支路的全桥模块，则补充增加了激光供能系统作为备用供能。激光供能系统供能密度高、结构体积小、高电位隔离设计简单。高频电磁供能系统结构如图24所示，由高频隔离变压器、高压传输电缆、分布式磁环58、电源模块59组成，高频变压器用于功率输出和高压隔离；高压传输电缆用于电能输送和绝缘隔离；分布式磁环用于给每个全桥模块输送高频电能，并起到全桥模块间的电位隔离作用；电源模块则是将分布式磁环输出的高频交流转换为二次控制单元可使用的直流电能。

为了实现阀模块单元的结构紧凑化设计，电流转移支路中阀模块单元的供能单元组件，采用紧凑化悬挂固定设计，在第四支撑框架的绝缘槽梁上，固定安装分布式磁环58，同时在每一级的磁环上布置了用于电压变换的电源模块59。供能磁环采用整体绝缘浇注设计，浇注结构既起到绝缘隔离作用，又起到固定支撑作用。

以上仅为本发明的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则内所做的任何修改，同等替换或改进均包含在待审批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (13)

1.一种混合式快速直流断路器，其特征在于：所述断路器包括并联连接的主通流支路、电流转移支路和耗能支路；所述主通流支路包括串联的快速机械开关单元和主支路子模块单元；所述电流转移支路包括依次级联的阀模块单元，每个阀模块单元由若干个半导体模块串联组成；所述耗能支路包括依次级联的耗能组件。

2.根据权利要求1所述的一种混合式快速直流断路器，其特征在于：

所述快速机械开关单元包括若干个串联的超高速机械开关，所述主支路子模块单元包括N组并联的半导体模块串联组件，每组半导体模块串联组件由M个半导体模块串联组成。

3.根据权利要求1或2所述的一种混合式快速直流断路器，其特征在于：

所述半导体模块为全桥模块，所述全桥模块包括四个桥臂和RC并联单元；所述四个桥臂中的两个桥臂串联后与RC并联单元、以及另外两个串联的桥臂依次并联；所述RC并联单元包括并联的桥臂电容器C和放电电阻R；所述桥臂包括反并联有二极管的绝缘栅双极型晶体管IGBT。

4.根据权利要求1所述的一种混合式快速直流断路器，其特征在于：

所述阀模块单元的数量以混合式快速直流断路器的电压等级和暂态过电压水平决定；所述耗能组件的数量与所述阀模块单元的数量相对应；所述阀模块单元与所述耗能组件对应并联，以形成依次级联的基本级联单元。

5.根据权利要求1所述的一种混合式快速直流断路器，其特征在于：

所述主通流支路、所述电流转移支路和所述耗能支路在同一支撑架构内沿水平方向依次分区布置，以形成固定在塔基支撑平台上的主通流支路区、电流转移支路区和耗能支路区；所述主通流支路区、所述电流转移支路区和所述耗能支路区分别在竖直方向上以相同的层高和层数分层布置，层间通过竖直方向的绝缘子支撑固定。

6.根据权利要求5所述的一种混合式快速直流断路器，其特征在于：

所述主通流支路区的主支路子模块在结构上采用矩阵式布置方式，一层布置M个全桥模块，共布置N层。

7.根据权利要求5所述的一种混合式快速直流断路器，其特征在于：

所述电流转移支路区的每层设置两个阀模块单元；所述耗能支路区的每层设置有耗能组件；所述两个阀模块单元串联后与同一平层上的耗能组件并联连接，以形成基本级联单元。

8.根据权利要求5所述的一种混合式快速直流断路器，其特征在于：

所述耗能支路区的每层设置有由三个耗能子单元并联组成的耗能组件，每个耗能子单元内封装有若干个并联的金属氧化物压敏电阻片，所述三个耗能子单元采用品字形布置。

9.根据权利要求6所述的一种混合式快速直流断路器，其特征在于：

所述M个全桥模块分别封装在屏蔽壳体内，所述屏蔽壳体固定在水平方向的第一支撑框架上；

所述第一支撑框架包括第一矩形支撑架和设于所述第一矩形支撑架内的第一绝缘隔离板，所述第一矩形支撑架由两侧相互平行的金属角梁和垂直安装在两侧金属角梁之间的支撑绝缘槽梁组成；所述金属角梁与层间的绝缘子固定；

所述屏蔽壳体沿平行于所述金属角梁的方向固定在所述支撑绝缘槽梁上；所述屏蔽壳体内还设置有：第二支撑框架，安装在所述屏蔽壳体底部，用于支撑所述全桥模块；二次控制单元A，安装在所述全桥模块的压装结构上，用于控制和保护所述全桥模块中的绝缘栅双极型晶体管IGBT；水冷散热器，设于两个绝缘栅双极型晶体管IGBT之间，用于给所述绝缘栅双极型晶体管IGBT散热；电气连接母排，与全桥模块的压装结构固定成一体，用于所述全桥模块之间的电气连接、以及全桥模块与超高速机械开关之间的电气连接；

所述二次控制单元A通过双冗余供能系统供电，所述双冗余供能系统包括高频电磁供能系统和激光供能系统，所述激光供能系统采用并联设计，保证在一路供能光纤损坏时，其余光纤仍可靠供能。

10.根据权利要求5-9中任意一项所述的一种混合式快速直流断路器，其特征在于：

超高速机械开关包括安装在第三支撑框架上的电磁斥力柜、充放电电源柜、以及垂直设于所述电磁斥力柜顶部的两个串联的真空灭弧室；所述电磁斥力柜内设有两个分合闸电磁斥力单元，分别与两个真空灭弧室相对应，用于控制两个真空灭弧室的开断；所述充放电电源柜内设有分合闸电源机构，用于给所述分合闸电磁斥力单元供能；所述电磁斥力柜和所述充放电电源柜固定在同一电位上；

所述第三支撑框架包括第二矩形支撑架和设于所述第二矩形支撑架内的第二绝缘隔离板，所述第二矩形支撑架由两侧相互平行的金属横梁和垂直安装在两侧金属横梁之间的绝缘槽梁组成；所述金属横梁与层间的绝缘子固定。

11.根据权利要求7所述的一种混合式快速直流断路器，其特征在于：

所述两个阀模块单元并列布置在第四支撑框架上，并通过母排螺旋连接方式串联；所述阀模块单元包括：平行设于所述第四支撑框架上的IGBT压装单元和电容器组件；所述IGBT压装单元和所述电容器组件对应电气相连，以形成依次级联的全桥模块；

所述第四支撑框架上还设置有：二次控制单元B，用于控制和保护所述阀模块单元中的绝缘栅双极型晶体管IGBT；高频电磁供能系统，用于给所述二次控制单元B供能；

所述高频电磁供能系统包括：高频隔离变压器，用于功率输出和高压隔离；高压传输电缆，用于电能输送和绝缘隔离；分布式磁环，用于给每个全桥模块输送高频电能，并起到全桥模块间的电位隔离作用；电源模块，用于将所述分布式磁环输出的高频交流转换为二次控制单元B可使用的直流电能。

12.根据权利要求5所述的一种混合式快速直流断路器，其特征在于：

所述塔基支撑平台包括水平方向设置的高电位平台、竖直方向安装在所述高电位平台底部的支撑绝缘子、以及设置在所述支撑绝缘子之间的斜拉绝缘子；

所述高电位平台底部还设置有供能装置，所述供能装置与高频隔离变压器相连，用于提供所述高频电磁供能系统的供能电源；

所述支撑绝缘子的两端分别设有法兰，其底端的法兰上配置有均压环；所述高电位平台外围布置有第一管形屏蔽罩。

13.根据权利要求5所述的一种混合式快速直流断路器，其特征在于：

层间的绝缘子通过法兰连接，以构成支撑架构；所述支撑架构外围设有用于实现快速直流断路器高电位电场改善和屏蔽的均压屏蔽结构；所述均压屏蔽结构包括设于所述支撑架构顶部外围的第二管形屏蔽罩、以及设于所述支撑架构层间外围的层间屏蔽罩；

所述第二管形屏蔽罩由均压管与敷板组合而成；所述层间屏蔽罩由直板屏蔽罩和角屏蔽罩沿所述支撑框架层间外围组合形成。