CN107276045B - 一种混合直流限流断路器 - Google Patents
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Abstract
一种混合直流限流断路器，由快速机械开关B、IGBT模块G、晶闸管模块T1、晶闸管模块T2、限流器FCL、电感L1、电容C1和避雷器MOV组成。快速机械开关B连接在连接点1和连接点5之间，IGBT模块G连接在连接点2和连接点5之间，快速机械开关B和IGBT模块G串联，晶闸管模块T2连接在连接点1和连接点2之间，晶闸管模块T1和限流器FCL均连接在连接点2和连接点3之间，晶闸管模块T1和限流器FCL并联；电容C1连接在连接点1和连接点4之间，电感L1连接在连接点3和连接点4之间，电容和电感串联，避雷器MOV连接在连接点1和连接点3之间。电网稳态运行时，断路器呈现低阻抗，对电网影响小；在直流输电线路出现故障时，可快速实现故障限流及故障线路的开断。
Description
技术领域
本发明涉及一种混合直流限流断路器拓扑，特别涉及一种柔性直流电网的高压直流限流断路器拓扑。
背景技术
直流断路器是保证直流输配电系统和直流电网系统稳定安全可靠运行的关键设备之一。与交流系统所不同的是，直流系统的电流并不存在自然过零点，因此直流系统中无法像交流系统一样利用电流的自然过零点关断，因此直流故障电流的开断问题一直是一个值得研究的课题。
为快速有效隔离直流故障，保障直流电网相关设备安全稳定运行，并尽可能减少故障对交直流系统运行带来的影响，需要采用高压直流断路器技术。目前，高压直流断路器主要集中于3种类型，即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和基于二者结合的混合式直流断路器。传统机械式直流断路器通态损耗低，但受到振荡所需时间和常规机械开关分断速度的影响，难以满足直流系统快速分断故障电流的要求；固态直流断路器需要使用较多器件串联，使其通态损耗大、成本高。因此，就目前研发现状而言，基于机械开关和电力电子器件的混合式直流断路器最具有大规模商业化应用的前景，为各方研究的重点。
随着柔性直流电网的不断发展，直流系统短路阻抗越来越小，短路电流水平越来越高，这对电力系统的危害也越来越大，有必要研究有效的短路电流限制技术。
因此，亟待开展具有限流功能的高压直流断路器研究。
发明内容
为了克服已有技术的不足，本发明提出一种混合直流限流断路器。本发明具有稳态运行损耗小，出现短路故障时能够快速限流并切除故障，结构简单等特点。
本发明直流限流断路器拓扑包括快速机械开关B、IGBT模块G、晶闸管模块T1、晶闸管模块T2、限流器FCL、电感L1、电容C1和避雷器MOV。快速机械开关B连接在连接点1和连接点5之间，IGBT模块G连接在连接点2和连接点5之间，快速机械开关B和IGBT模块G串联，晶闸管模块T2连接在连接点1和连接点2之间，晶闸管模块T1和限流器FCL均连接在连接点2和连接点3之间，晶闸管模块T1和限流器FCL并联，电容C1连接在连接点1和连接点4之间，电感L1连接在连接点3和连接点4之间，电容C1和电感L1串联，避雷器MOV连接在连接点1和连接点3之间。该断路器通过连接点1和连接点3串联接入直流母线、直流输电线之间，构成直流限流断路器。
所述的晶闸管模块T1和晶闸管模块T2均为两个晶闸管反向并联的组合，所述的IGBT模块G为两个带反并联二极管的IGBT反向串联的组合，所述的限流器FCL为常规电抗器或者电阻型超导限流器。所述的快速机械开关B包括至少一个快速机械开关串联组件，所述的晶闸管模块T1和晶闸管模块T2均包括至少一个晶闸管反向并联组合串联组件，所述的IGBT模块G包括至少一个IGBT反向串联组合串联组件。
所述的快速机械开关B、IGBT模块G和晶闸管模块T2，可用快速机械开关B替换，即省去IGBT模块G和晶闸管模块T2。快速机械开关B连接在连接点1和连接点2之间，晶闸管模块T1和限流器FCL均连接在连接点2和连接点3之间，晶闸管模块T1和限流器FCL并联。电容C1连接在连接点1和连接点4之间，电感L1连接在连接点3和连接点4之间，电容C1和电感L1串联，避雷器MOV连接在连接点1和连接点3之间。构成的混合直流限流断路器可以作为一个模块，工程实际应用中，可以是多个这样的模块的串联组合。
本发明的主要优点：
1.该直流断路器能够将短路电流限制在较低的水平，从而保护系统安全性。
2.可实现对短路电流的快速分断，且具有双向阻断功能。
3.系统正常工作时的损耗更小，成本更低。
4.整个拓扑结构简单、易实现，可靠性高。
附图说明
图1为本发明具体实施例1的电路原理图；
图2为本发明具体实施例2的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述：
图1所示为本发明的具体实施例1，实施例1的混合直流限流断路器包括快速机械开关B、IGBT模块G、晶闸管模块T2、晶闸管模块T1、限流器FCL、电感L1、电容C1和避雷器MOV。
所述的快速机械开关B连接在连接点1和连接点5之间，IGBT模块G连接在连接点2和连接点5之间，快速机械开关B和IGBT模块G串联，晶闸管模块T2连接在连接点1和连接点2之间，晶闸管模块T1和限流器FCL均连接在连接点2和连接点3之间，晶闸管模块T1和限流器FCL并联，电容C1连接在连接点1和连接点4之间，电感L1连接在连接点3和连接点4之间，电容C1和电感L1串联，避雷器MOV连接在连接点1和连接点3之间。晶闸管模块T1和晶闸管模块T2均由两个晶闸管反向并联组成，IGBT模块G由两个带反并联二极管的IGBT反向串联组成，限流器FCL为常规电抗器或者电阻型超导限流器。直流电源Udc为换流站直流母线，L0为电网系统直流线路上等效电感，电阻Rload为等效负载。
在直流输电线路正常稳态运行时，所述的快速机械开关B和IGBT模块G均处于导通状态，晶闸管模块T2和晶闸管模块T1均处于关断状态，限流器FCL在此状态下的阻抗可忽略，对系统正常运行基本没有影响；直流电流通路为快速机械开关B、IGBT模块G以及限流器FCL；电容C1和电感L1基本不参与运行，仅在短路故障发生后，通过谐振使得断路器顺利实现开断。
当直流输电线路发生短路故障时，首先，限流器FCL被立即触发，投入限流；当检测到短路电流超过限定值时，对晶闸管模块T2施加导通信号、对快速机械开关B和IGBT模块G触发关断，IGBT模块G经极短时间延迟后完全关断，短路电流全部转移至晶闸管模块T2，快速机械开关B可实现零电压零电流关断；通过限流器FCL、电容C1和电感L1的参数设计，在短路电流转移完成和快速机械开关B关断完成时，电容C1已完成充电，此时对晶闸管模块T1施加开通信号，电容C1和电感L1产生较大的谐振电流注入晶闸管模块T2和晶闸管模块T1，当流过晶闸管T2和晶闸管模块T1的电流震荡过零时，晶闸管模块T2和晶闸管模块T1均随即关断，随后，短路电流对电容C1充电，当电容C1两端电压升至避雷器MOV动作值时，线路剩余能量通过避雷器MOV泄放至零，彻底完成故障分断。
本发明的限流断路器具有诸多优点：稳态工作时，对电网影响小且损耗更低；在直流输电线路发生短路故障时，断路器通过限流器FCL实现了对故障电流的有效限制；IGBT模块G和晶闸管模块T2实现了快速机械开关B的无弧快速分断；通过电容C1和电感L1的谐振完成了故障电流的阻断，实现故障线路的隔离；拓扑结构简单，易实现；具有双向阻断功能等。该断路器有效地提高了电网运行的安全性和可靠性。
图2所示为本发明的具体实施例2，实施例2的混合直流限流断路器是在具体实施例1的基础上，用快速机械开关B替换快速机械开关B、IGBT模块G和晶闸管模块T2。快速机械开关B连接在连接点1和连接点2之间，晶闸管模块T1和限流器FCL均连接在连接点2和连接点3之间，晶闸管模块T1和限流器FCL并联，电容C1连接在连接点1和连接点4之间，电感L1连接在连接点3和连接点4之间，电容C1和电感L1串联，避雷器MOV连接在连接点1和连接点3之间。该断路器可以作为高压直流断路器的一个模块，工程实际应用中，可以是多个这样的模块串联组合成为高压直流断路器。
在直流输电线路正常稳态运行时，其工作原理和具体实施例1类似，所述的快速机械开关B处于导通状态，晶闸管模块T1处于关断状态，直流电流通路为快速机械开关B和限流器FCL。
当直流输电线路发生短路故障时，其工作原理和具体实施例1类似，首先，限流器FCL被立即触发，迅速发挥限流作用，对短路电流的上升率进行限制；当检测到短路电流超过限定值时，对快速机械开关B施加关断操作，快速机械开关B随即产生电弧，通过限流器FCL、电容C1和电感L1的参数设计，使得电容C1被迅速充满电，此时，对晶闸管模块T1施加开通信号，将限流器FCL旁路，电容C1和电感L1产生较大的震荡电流注入快速机械开关B，流过快速机械开关B的电流很快降到零，电弧熄灭，快速机械开关B顺利断开，晶闸管模块T1也随即关断。最后，线路剩余能量通过避雷器MOV泄放至零。
Claims (3)
1.一种混合直流限流断路器，其特征是：所述的混合直流限流断路器包括快速机械开关B、IGBT模块G、晶闸管模块T1、晶闸管模块T2、限流器FCL、电感L1、电容C1和避雷器MOV；所述的快速机械开关B连接在连接点1和连接点5之间，IGBT模块G连接在连接点2和连接点5之间，快速机械开关B和IGBT模块G串联；晶闸管模块T2连接在连接点1和连接点2之间，晶闸管模块T1和限流器FCL均连接在连接点2和连接点3之间，晶闸管模块T1和限流器FCL并联；电容C1连接在连接点1和连接点4之间，电感L1连接在连接点3和连接点4之间，电容C1和电感L1串联；避雷器MOV连接在连接点1和连接点3之间；所述的混合直流限流断路器通过连接点1和连接点3串联接入直流母线Udc和直流输电线之间，构成直流限流断路器；
所述的晶闸管模块T1和晶闸管模块T2均为两个晶闸管反向并联的组合；所述的IGBT模块G为两个带反并联二极管的IGBT反向串联的组合；所述的限流器FCL为常规电抗器或者电阻型超导限流器；所述的快速机械开关B包括至少一个快速机械开关串联组件，所述的晶闸管模块T1和晶闸管模块T2均包括至少一个晶闸管反向并联组合串联组件，所述的IGBT模块G包括至少一个IGBT反向串联组合串联组件；
在直流输电线路正常稳态运行时，快速机械开关B和IGBT模块G均处于导通状态，晶闸管模块T2和晶闸管模块T1均处于关断状态；当直流输电线路发生短路故障时，限流器FCL迅速对短路电流进行限制；当检测到短路电流超过限定值时，对晶闸管模块T2施加导通信号、对快速机械开关B和IGBT模块G施加关断信号，待短路电流全部转移至晶闸管模块T2，快速机械开关B实现零电压零电流关断；此时对晶闸管模块T1施加开通信号，已充满电的电容C1和电感L1产生大的谐振电流注入晶闸管模块T2和晶闸管模块T1，使晶闸管模块T2和晶闸管模块T1均在电流震荡过零时关断，线路剩余能量通过避雷器MOV泄放至零，故障分断彻底完成；
直流输电线路发生短路故障时，IGBT模块G的关断与晶闸管模块T2的开通使得短路电流快速转移，实现快速机械开关B的无弧快速分断；
直流输电线路发生短路故障时，短路电流发生转移的同时，限流器FCL两端电压促使短路电流对电容C1的充电，实现电容C1和电感L1产生的谐振电流注入晶闸管模块T2和晶闸管模块T1，完成短路电流的开断。
2.一种混合直流限流断路器，其特征是：快速机械开关B连接在连接点1和连接点2之间，晶闸管模块T1和限流器FCL均连接在连接点2和连接点3之间，晶闸管模块T1和限流器FCL并联；电容C1连接在连接点1和连接点4之间，电感L1连接在连接点3和连接点4之间，电容C1和电感L1串联，避雷器MOV连接在连接点1和连接点3之间；
直流输电线路发生短路故障时，对快速机械开关B施加关断操作，快速机械开关B随即产生电弧，通过电容C1和电感L1产生的震荡电流注入快速机械开关B，使流过快速机械开关B的电流降到零，电弧熄灭，实现快速机械开关B顺利断开。
3.按照权利要求2所述的混合直流限流断路器，其特征是：多个所述的混合直流限流断路器串联组合成为高压直流断路器。
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