CN106848999B - 一种直流断路器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直流断路器，包括N个出线端，N≥3，N个通态电流支路和N个主断路器支路；通态电流支路由快速机械开关（FSD）和辅助换流模块（ASM）串联组成；主断路器支路由主断路器子模块（SM）串联组成，主断路器子模块包括电力电子断流单元和耗能单元。该直流断路器的每个出线端与两个通态电流支路、一个主断路器支路直接连接；通态电流支路的两端分别与直流断路器的两个相邻出线端直接连接；主断路器支路的一端与直流断路器的出线端直接连接，另一端与其它主断路器支路连接在一个电节点（o）。本发明引入直流断路器的主断路器支路额定电压仅为直流断路器额定电压的一半，降低了电力电子元器件数量和设备成本。

Description

一种直流断路器
技术领域
本发明涉及一种直流断路器，可应用于常规直流输电系统、柔性直流输电系统以及混合直流输电系统，属于直流输电技术领域。
背景技术
目前满足直流电网需求的直流断路器主要有3种类型，分别是机械式直流断路器、固态直流断路器和混合式直流断路器。机械式直流断路器分断小电流能力较弱且不容易实现重合闸；固态直流断路器的通流损耗较大；随着高压大容量半导体元器件的快速发展，结合快速机械开关和电力电子元器件特点的混合式直流断路器技术得到快速发展。混合式直流断路器包含并联连接的通态电流支路和主断路器支路两部分，其中通态电流支路一般由快速机械开关和辅助换流模块构成，主断路器支路一般由电力电子断流单元和耗能单元构成。通态电流支路和主断路器支路的结构都属于现有技术，故而不在此进行详细介绍。正常运行时，通态电流支路流过大部分或者全部的直流电流；需要直流断路器跳闸时，主断路器支路分断直流电流、建立隔离电压并吸收直流系统故障能量。
现有直流断路器的额定电压与主断路器支路的额定电压相同，主断路器支路中需要串联大量的电力电子元器件，成本较高；另一方面，现有直流断路器采用两个出线端设计，为了实现对直流电网中所有换流站和直流线路的保护和故障隔离，需要在换流站与直流线路之间、直流线路与直流线路之间配置大量的直流断路器，控制复杂，影响其广泛应用和推广。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种直流断路器，成本较低、控制简单并且可以灵活扩展。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种直流断路器，包括N个出线端，N≥3，N个通态电流支路和N个主断路器支路；
所述出线端与两个通态电流支路、一个主断路器支路直接连接；
所述通态电流支路的两端分别与直流断路器的两个相邻出线端直接连接；
所述主断路器支路的一端与直流断路器的出线端直接连接，另一端与其它主断路器支路连接在一个电节点。
所述通态电流支路由快速机械开关和辅助换流模块串联组成；
所述快速机械开关的个数至少为一个；
所述辅助换流模块的个数至少为一个；
所述通态电流支路的额定电压不低于所述直流断路器的额定电压。
所述主断路器支路由主断路器子模块串联组成，所述主断路器子模块包括电力电子断流单元和耗能单元；
所述主断路器子模块的个数至少为一个；
所述主断路器支路的额定电压不低于所述直流断路器额定电压的一半。
本发明的另一目的在于提供一种直流断路器的控制方法：
一）直流电网正常运行时，闭合通态电流支路的快速机械开关，解锁通态电流支路的辅助换流模块，通态电流支路流过大部分或者全部的直流电流；
二）需要切断与直流断路器连接的直流设备时：
1）闭锁与所述直流设备直接连接通态电流支路的辅助换流模块，解锁主断路器支路的主断路器子模块；
2）当所述通态电流支路电流转移到所述主断路器支路后，断开所述通态电流支路的快速机械开关；
3）当所述快速机械开关完成分闸后，闭锁所述主断路器子模块，随着主断路器支路中耗能单元对直流系统故障能量的吸收，直流断路器完成对所述直流设备的隔离；
三）直流断路器完成对与其连接直流设备的隔离后短时间内，直流电网要求重新连接所述直流设备时：
1）解锁主断路器支路的主断路器子模块；
2）当流过所述主断路器子模块的直流电流不超过直流断路器过流保护定值并保持一定时间后，闭合与所述直流设备直接连接通态电流支路的快速机械开关，解锁与所述直流设备直接连接通态电流支路的辅助换流模块；
3）当直流电流从所述主断路器支路转移至所述通态电流支路后，直流断路器完成对所述直流设备的重新连接。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
1、本发明提供直流断路器的主断路器支路中使用电力电子元器件、耗能单元以及其它组件数量是现有直流断路器的一半，成本较低；
2、本发明提供直流断路器只需要增加一个通态电流支路和一个主断路器支路，便可以实现直流断路器出线端数量加一，扩展成本较低、扩展灵活性较高；
3、本发明提供直流断路器的控制方法，当用于隔离直流设备时，只需要断开与所述直流设备直接连接两个通态电流支路的快速机械开关。因此断开快速机械开关的数量与直流断路器的出线端数量无关，不但降低了直流断路器的控制难度，而且提高了直流断路器的可靠性。
附图说明
图1为本发明提供的直流断路器的第一实施例的电气结构示意图。
图2为本发明提供的直流断路器的第二实施例的电气结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述：应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
直流断路器的第一实施例：
如图1所示，当直流断路器的出线端为三个时，直流断路器包括三个通态电流支路和三个主断路器支路。
三个通态电流支路均由快速机械开关FSD和辅助换流模块ASM串联组成；快速机械开关FSD的个数至少为一个；辅助换流模块ASM的个数至少为一个。通态电流支路12连接在出线端1与出线端2之间；通态电流支路23连接在出线端2与出线端3之间；通态电流支路31连接在出线端3与出线端1之间。当直流断路器的额定电压为500kV时，每个通态电流支路的额定电压均不低于500kV。
三个主断路器支路均由主断路器子模块SM串联组成，主断路器子模块SM包括电力电子断流单元和耗能单元；主断路器子模块SM的个数至少为一个。主断路器支路1的一端与出线端1直接连接，另一端连接在电节点o；主断路器支路2的一端与出线端2直接连接，另一端连接在电节点o；主断路器支路3的一端与出线端3直接连接，另一端连接在电节点o。当直流断路器的额定电压为500kV时，每个主断路器支路的额定电压均不低于250kV。每个主断路器支路中使用电力电子元器件、耗能单元以及其它组件数量是现有直流断路器的一半，因此成本更低。
本实施例提供直流断路器的控制方法，过程如下：
当与直流断路器连接的直流电网正常运行时，闭合通态电流支路12、通态电流支路23和通态电流支路31的快速机械开关FSD，解锁通态电流支路12、通态电流支路23和通态电流支路31的辅助换流模块ASM，通态电流支路12、通态电流支路23和通态电流支路31流过大部分或者全部的直流电流。
当利用直流断路器切断与出线端1连接的直流设备时，首先闭锁通态电流支路12和通态电流支路31的辅助换流模块ASM，并解锁主断路器支路1以及主断路器支路2/3中任意一个或者两个，将通态电流支路12和通态电流支路31的电流转移到主断路器支路；之后断开通态电流支路12和通态电流支路31的快速机械开关FSD；然后闭锁主断路器支路，随着主断路器支路中耗能单元对直流系统故障能量的吸收，直流断路器完成对与出线端1连接直流设备的隔离。
当直流断路器完成对与出线端1连接直流设备的隔离后短时间内，直流电网要求重新连接该直流设备时，首先解锁主断路器支路1以及主断路器支路2/3中任意一个或者两个；当流过主断路器支路的直流电流不超过直流断路器过流保护定值并保持一定时间后，合闸通态电流支路12和通态电流支路31的快速机械开关FSD，同时解锁通态电流支路12和通态电流支路31的辅助换流模块ASM；当直流电流从主断路器支路转移至通态电流支路12和通态电流支路31后，实现与出线端1连接直流设备的重新并网。
当利用直流断路器切断与出线端2连接的直流设备时，首先闭锁通态电流支路12和通态电流支路23的辅助换流模块ASM，并解锁主断路器支路2以及主断路器支路1/3中任意一个或者两个，将通态电流支路12和通态电流支路23的电流转移到主断路器支路；之后断开通态电流支路12和通态电流支路23的快速机械开关FSD；然后闭锁主断路器支路，随着主断路器支路中耗能单元对直流系统故障能量的吸收，直流断路器完成对与出线端2连接直流设备的隔离。
当直流断路器完成对与出线端2连接直流设备的隔离后短时间内，直流电网要求重新连接该直流设备时，首先解锁主断路器支路2以及主断路器支路1/3中任意一个或者两个；当流过主断路器支路的直流电流不超过直流断路器过流保护定值并保持一定时间后，合闸通态电流支路12和通态电流支路23的快速机械开关FSD，同时解锁通态电流支路12和通态电流支路23的辅助换流模块ASM；当直流电流从主断路器支路转移至通态电流支路12和通态电流支路23后，实现与出线端2连接直流设备的重新并网。
当利用直流断路器切断与出线端3连接的直流设备时，首先闭锁通态电流支路23和通态电流支路31的辅助换流模块ASM，并解锁主断路器支路3以及主断路器支路1/2中任意一个或者两个，将通态电流支路23和通态电流支路31的电流转移到主断路器支路；之后断开通态电流支路23和通态电流支路31的快速机械开关FSD；然后闭锁主断路器支路，随着主断路器支路中耗能单元对直流系统故障能量的吸收，直流断路器完成对与出线端3连接直流设备的隔离。
当直流断路器完成对与出线端3连接直流设备的隔离后短时间内，直流电网要求重新连接该直流设备时，首先解锁主断路器支路3以及主断路器支路1/2中任意一个或者两个；当流过主断路器支路的直流电流不超过直流断路器过流保护定值并保持一定时间后，合闸通态电流支路23和通态电流支路31的快速机械开关FSD，同时解锁通态电流支路23和通态电流支路31的辅助换流模块ASM；当直流电流从主断路器支路转移至通态电流支路23和通态电流支路31后，实现与出线端3连接直流设备的重新并网。
直流断路器的第二实施例：
如图2所示，当直流断路器的出线端为四个时，直流断路器包括四个通态电流支路和四个主断路器支路。
四个通态电流支路均由快速机械开关FSD和辅助换流模块ASM串联组成；快速机械开关FSD的个数至少为一个；辅助换流模块ASM的个数至少为一个。通态电流支路12连接在出线端1与出线端2之间；通态电流支路23连接在出线端2与出线端3之间；通态电流支路34连接在出线端3与出线端4之间；通态电流支路41连接在出线端4与出线端1之间。当直流断路器的额定电压为500kV时，每个通态电流支路的额定电压均不低于500kV。
四个主断路器支路均由主断路器子模块SM串联组成，主断路器子模块SM包括电力电子断流单元和耗能单元；主断路器子模块SM的个数至少为一个。主断路器支路1的一端与出线端1直接连接，另一端连接在电节点o；主断路器支路2的一端与出线端2直接连接，另一端连接在电节点o；主断路器支路3的一端与出线端3直接连接，另一端连接在电节点o；主断路器支路4的一端与出线端4直接连接，另一端连接在电节点o。当直流断路器的额定电压为500kV时，每个主断路器支路的额定电压均不低于250kV，每个主断路器支路中使用电力电子元器件、耗能单元以及其它组件数量是现有直流断路器的一半，因此成本更低。
本实施例提供直流断路器的控制方法，过程如下：
当与直流断路器连接的直流电网正常运行时，闭合通态电流支路12、通态电流支路23、通态电流支路34和通态电流支路41的快速机械开关FSD，解锁通态电流支路12、通态电流支路23、通态电流支路34和通态电流支路41的辅助换流模块ASM，通态电流支路12、通态电流支路23、通态电流支路34和通态电流支路41流过大部分或者全部的直流电流。
当利用直流断路器切断与出线端1连接的直流设备时，首先闭锁通态电流支路12和通态电流支路41的辅助换流模块ASM，并解锁主断路器支路1以及主断路器支路2/3/4中任意一个、两个或者三个，将通态电流支路12和通态电流支路41的电流转移到主断路器支路；之后断开通态电流支路12和通态电流支路41的快速机械开关FSD；然后闭锁主断路器支路，随着主断路器支路中耗能单元对直流系统故障能量的吸收，直流断路器完成对与出线端1连接直流设备的隔离。
当直流断路器完成对与出线端1连接直流设备的隔离后短时间内，直流电网要求重新连接该直流设备时，首先解锁主断路器支路1以及主断路器支路2/3/4中任意一个、两个或者三个；当流过主断路器支路的直流电流不超过直流断路器过流保护定值并保持一定时间后，合闸通态电流支路12和通态电流支路41的快速机械开关FSD，同时解锁通态电流支路12和通态电流支路41的辅助换流模块ASM；当直流电流从主断路器支路转移至通态电流支路12和通态电流支路41后，实现与出线端1连接直流设备的重新并网。
当利用直流断路器切断与出线端2连接的直流设备时，首先闭锁通态电流支路12和通态电流支路23的辅助换流模块ASM，并解锁主断路器支路2以及主断路器支路1/3/4中任意一个、两个或者三个，将通态电流支路12和通态电流支路23的电流转移到主断路器支路；之后断开通态电流支路12和通态电流支路23的快速机械开关FSD；然后闭锁主断路器支路，随着主断路器支路中耗能单元对直流系统故障能量的吸收，直流断路器完成对与出线端2连接直流设备的隔离。
当直流断路器完成对与出线端2连接直流设备的隔离后短时间内，直流电网要求重新连接该直流设备时，首先解锁主断路器支路2以及主断路器支路1/3/4中任意一个、两个或者三个；当流过主断路器支路的直流电流不超过直流断路器过流保护定值并保持一定时间后，合闸通态电流支路12和通态电流支路23的快速机械开关FSD，同时解锁通态电流支路12和通态电流支路23的辅助换流模块ASM；当直流电流从主断路器支路转移至通态电流支路12和通态电流支路23后，实现与出线端2连接直流设备的重新并网。
当利用直流断路器切断与出线端3连接的直流设备时，首先闭锁通态电流支路23和通态电流支路34的辅助换流模块ASM，并解锁主断路器支路3以及主断路器支路1/2/4中任意一个、两个或者三个，将通态电流支路23和通态电流支路34的电流转移到主断路器支路；之后断开通态电流支路23和通态电流支路34的快速机械开关FSD；然后闭锁主断路器支路，随着主断路器支路中耗能单元对直流系统故障能量的吸收，直流断路器完成对与出线端3连接直流设备的隔离。
当直流断路器完成对与出线端3连接直流设备的隔离后短时间内，直流电网要求重新连接该直流设备时，首先解锁主断路器支路3以及主断路器支路1/2/4中任意一个、两个或者三个；当流过主断路器支路的直流电流不超过直流断路器过流保护定值并保持一定时间后，合闸通态电流支路23和通态电流支路34的快速机械开关FSD，同时解锁通态电流支路23和通态电流支路34的辅助换流模块ASM；当直流电流从主断路器支路转移至通态电流支路23和通态电流支路34后，实现与出线端3连接直流设备的重新并网。
当利用直流断路器切断与出线端4连接的直流设备时，首先闭锁通态电流支路34和通态电流支路41的辅助换流模块ASM，并解锁主断路器支路4以及主断路器支路1/2/3中任意一个、两个或者三个，将通态电流支路34和通态电流支路41的电流转移到主断路器支路；之后断开通态电流支路34和通态电流支路41的快速机械开关FSD；然后闭锁主断路器支路，随着主断路器支路中耗能单元对直流系统故障能量的吸收，直流断路器完成对与出线端4连接直流设备的隔离。
当直流断路器完成对与出线端4连接直流设备的隔离后短时间内，直流电网要求重新连接该直流设备时，首先解锁主断路器支路4以及主断路器支路1/2/3中任意一个、两个或者三个；当流过主断路器支路的直流电流不超过直流断路器过流保护定值并保持一定时间后，合闸通态电流支路34和通态电流支路41的快速机械开关FSD，同时解锁通态电流支路34和通态电流支路41的辅助换流模块ASM；当直流电流从主断路器支路转移至通态电流支路34和通态电流支路41后，实现与出线端4连接直流设备的重新并网。
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，本领域的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，而未脱离本发明的权利要求范围当中。例如，可容易设想设置用于使直流电网的5个及以上直流设备互连的本发明的直流断路器的实施例。

Claims (2)

1.一种直流断路器，其特征在于，包括N个出线端，N≥3，N个通态电流支路和N个主断路器支路；
所述出线端与两个通态电流支路、一个主断路器支路直接连接；
所述通态电流支路的两端分别与直流断路器的两个相邻出线端直接连接；
所述主断路器支路的一端与直流断路器的出线端直接连接，另一端与其它主断路器支路连接在一个电节点（o）。
2.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述主断路器支路的额定电压不低于所述直流断路器额定电压的一半。
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