CN107453335A - 一种直流断路器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种直流断路器，其包括：换流支路和断流支路；换流支路包括依次连接的隔离开关、限流电感、机械开关和换流单元；断流支路包括断流单元；断流单元与机械开关和换流单元组成的支路并联。本发明提供的直流断路器能够有效的降低直流断路器的全控器件数量和控制复杂程度；易于实现，且极极大的降低了直流断路器的体积和制造成本；结构新颖、控制简单，动作迅速，耐受电压等级高，且易于扩展至不同电压等级直流电网；本发明所提供的直流断路器的控制方法，能够安全、有序、可靠的保障断路器正常运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种断路器，具体涉及一种应用于混合直流断路器的桥式拓补结构及其控制方法。
背景技术
作为直流输电网、配电网中承载稳态电流、关断故障电流、关断负荷电流的设备的直流断路器能够限制故障范围的扩大并有效清除故障。随着多端直流输电技术、智能电网与直流配网技术、分布式电源与直流微网技术的迅速发展，直流断路器对电网的可靠、优质、经济运行起着重要作用。同时，直流电流没有自然过零点、开断过电压和能量吸收等问题也成为直流断路器研究难点。
目前直流断路器主要有四种技术方案：采用机械开关直接关断电流的直流断路器，动作速度慢，开关不能满足速动性和经济性的要求；采用振荡电路灭弧的直流断路器，动作时间较长，控制难度也较大；采用电力电子器件的全固态直流断路器，通态损耗较高，向更高电压等级的扩展性较差；采用机械开关和电力电子器件的混合型直流断路器，如ABB公司申请的申请号为WO2011141054A1的专利文件中公开一种采用机械开关和全控器件串联的混合型直流断路器，为实现主关断支路双向通流，需要使元件数量加倍，大大提高设备成本；现有技术中采用反并联全控型电力电子器件、机械开关直流负荷开关和续流二极管构成的混合型直流断路器，虽能进一步提高直流断路器性能，但随之提高了设备成本和控制复杂度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是在上述直流换流器的基础上提供一种降低全控器件数量的直流断路器及其控制方法。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种直流断路器，其包括：换流支路和断流支路；所述换流支路包括依次连接的隔离开关、限流电感、机械开关和换流单元；所述断流支路包括断流单元；所述断流单元并联在机械开关和换流单元组成支路的两端。
所述换流单元包括：二极管组成的桥式整流电路和晶体管，所述桥式整流电路的输出端分别与晶体管的集电极和发射极相连。
所述断流单元由断流子单元串联构成；所述断流子单元包括并联的桥式断流单元、缓冲支路和能量消耗支路。
所述桥式断流单元为换流单元，包括：二极管组成的桥式整流电路和晶体管，所述桥式整流电路的输出端分别与晶体管的集电极和发射极相连。
所述缓冲支路由缓冲电阻与缓冲电容串联组成。
所述能量消耗支路为避雷器。
所述控制方法包括如下步骤：
当直流电网系统正常运行时：
隔离开关和机械开关闭合，电流流经换流支路中串联连接的机械开关和换流单元；电流在换流单元中从二极管D101的阳极流入，经晶体管IGBT101流入到二极管D104的阳极，从二极管D104的阴极流出换流单元；
当直流电网系统发生故障时，该直流断路器控制方法包括如下步骤：
(1)线路中出现故障电流，故障电流升高，到达直流断路器的整定值，触发直流断路器工作；
(2)直流断路器断流单元中断流子单元的晶体管IGBT器件导通，电流从换流支路转移到断流支路中的二极管D1、IGBT1、二极管D4流出断路器并将机械开关关断；
(3)换流支路中的机械开关关断完成后，触发关断断流单元中断流子单元的晶体管IGBT器件；
(4)故障电流转移至缓冲回路，通过缓冲支路中的缓冲电阻向缓冲电容充电，缓冲电容两端的电压上升；
(5)缓冲电容两端的电压上升达到能量消耗支路避雷器的阈值电压时，触发能量消耗支路中的避雷器导通，避雷器消耗限流电感中的能量；
(6)限流电感中的能量消耗完毕为零后，断开换流支路上的隔离开关，直流断路器工作完毕，故障线路被断开。
限流电感中能量的计算公式为：
与最接近的现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的直流断路器能够有效的降低直流断路器的全控器件数量和控制复杂程度；易于实现，且极极大的降低了直流断路器的体积和制造成本；结构新颖、控制简单，动作迅速，耐受电压等级高，且易于扩展至不同电压等级直流电网；本发明所提供的直流断路器的控制方法，能够安全、有序、可靠的保障断路器正常运行。
附图说明
图1为本发明直流断路器的结构示意图；
图2为本发明换流单元电路图；
图3为本发明断流单元电路图。
其中，1-断流子单元；2-缓冲支路；3-能量消耗支路；11-隔离开关；12-限流电感；13-机械开关；14-换流单元；15-断流单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本文提出了一种新型的桥式混合直流断路器以及相应的控制方法。该直流断路器除了降低所使用的全控型电力电子器件的数量另外，还能够有效的缓冲关断过程中晶体管IGBT所受到的电气应力，并且消除了由于二极管反向恢复过程带来对电气应力带来的影响。
如图1所示，本发明提出的一种直流断路器，该直流断路器包括换流支路和断流支路；换流支路包括依次连接的隔离开关、限流电感、机械开关和换流单元；断流支路包括断流单元；断流单元与机械开关和换流单元组成的支路并联。
如图2所示，直流断路器中的换流单元包括二极管D101，二极管D102，二极管D103，二极管D104与晶体管IGBT101；二极管D101的阳极与二极管D103的阴极相连，二极管D101的阴极与二极管D102的阴极连接，二极管D102的阳极与二极管D104的阴极相连，二极管D103的阳极与二极管D104的阳极相连；晶体管IGBT101的集电极与二极管D101的阴极连接，发射极与二极管D103的阳极相连。当电流从图中的左端流向右端时，电流从二极管D101与二极管D103之间的节点流入，从二极管D102与二极管D104之间的节点流出。当电流从图中的右端流向左端时，电流从二极管D102与二极管D104之间的节点流入，从二极管D101与二极管D103之间的节点流出。
如图3所示，直流断路器中的断流单元，由断流子单元串联而成。其中，断流子单元由桥式断流单元，缓冲回路，能量消耗支路并联而成。缓冲回路由缓冲电阻与缓冲电容串联而成，能量消耗支路由避雷器组成。
桥式断流单元，由二极管D1,二极管D2,二极管D3,二极管D4与晶体管IGBT1构成。其中二极管D1与二极管D2组成上桥臂，二极管D3与二极管D4组成下桥臂；晶体管IGBT1的一端连在二极管D1与二极管D2之间，另外一端连在二极管D3与二极管D4之间。当电流从图中的左端流向右端时，该断流子单元的电流从二极管D1与二极管D3之间的节点流入，从二极管D2与二极管D4之间的节点流出。当电流从图中的右端流向左端时，该断流子单元的电流从二极管D2与二极管D4之间的节点流入，从二极管D1与二极管D3之间的节点流出。
缓冲回路由缓冲电阻R1，缓冲电容C1串联组成。缓冲回路并联在晶体管IGBT1两端。当晶体管IGBT1关断的时候，由于线路限流电感存在导致两端电压急剧上升，此时缓冲电容两端电压升高，电流给缓冲电容充电，从而减缓晶体管IGBT1两端电压的上升，从而起到缓冲作用，保护了晶体管IGBT1。
能量消耗支路，由避雷器组成。能量消耗支路并联在缓冲支路两端。当缓冲电容两端电压上升到避雷器的导通电压后，避雷器导通，短路能量通过避雷器进行消耗。
当直流电网正常运行时：
隔离开关和机械开关闭合，电流流经换流支路中串联连接的机械开关和换流单元；电流在换流单元中从二极管D101的阳极流入，经晶体管IGBT101流入到二极管D104的阳极，从二极管D104的阴极流出换流单元；
当直流电网发生故障时，
(1)线路中出现故障电流，故障电流升高，到达直流断路器的整定值，触发直流断路器；
(2)直流断路器断流单元中断流子单元的晶体管IGBT器件导通，电流从换流支路转移到断流支路中的二极管D1、IGBT1、二极管D4流出断路器；
(3)换流支路中的机械开关关断并恢复绝缘能力后，关断断流单元中断流子单元的晶体管IGBT器件；
(4)故障电流转移至缓冲回路，通过缓冲支路中的缓冲电阻向缓冲电容充电，缓冲电容两端的电压上升；
(5)缓冲电容两端的电压上升达到能量消耗支路避雷器的阈值电压时，触发能量消耗支路中的避雷器导通，避雷器消耗限流电感中的能量；
(6)限流电感中的能量消耗为零后，断开换流支路上的隔离开关，直流断路器工作完毕，故障线路被断开。
断流子单元工作原理：
当直流电网发生故障时，故障电流升高，到达直流断路器的整定值，此时，桥式断流单元中晶体管IGBT1驱动导通，电流从换流支路转移到断流支路中的二极管D1，IGBT1，二极管D4流出断路器。
当换流支路中的快速机械开关关断并恢复绝缘能力后，晶体管IGBT1驱动关断，此时故障电流将转移至缓冲回路，通过电阻R1向电容C1进行充电，电容C1两端上升。
当电容C1两端的电压到达避雷器的阈值电压时，避雷器导通，线路中储存的短路能量将通过避雷器进行释放。此时，电流转移到避雷器支路，电流值也在消耗过程中逐渐降低，直至为0。随后断开线路上的隔离开关，将直流断路器与换流阀隔离。至此，混合直流断路器切断故障线路完毕。
需要声明的是，本发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理启发下，可作各种修改、等同替换、或改进。但这些变更或修改均在申请待批的保护范围内。
Claims (8)
1.一种直流断路器，所述直流断路器包括：换流支路和断流支路；其特征在于：所述换流支路包括依次连接的隔离开关、限流电感、机械开关和换流单元；所述断流支路包括断流单元；所述断流单元并联在机械开关和换流单元组成支路的两端。
2.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于：所述换流单元包括：二极管组成的桥式整流电路和晶体管，所述桥式整流电路的输出端分别与晶体管的集电极和发射极相连。
3.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于：所述断流单元由断流子单元串联构成；所述断流子单元包括并联的桥式断流单元、缓冲支路和能量消耗支路。
4.根据权利要求3所述的直流断路器，其特征在于：所述桥式断流单元为换流单元，包括：二极管组成的桥式整流电路和晶体管，所述桥式整流电路的输出端分别与晶体管的集电极和发射极相连。
5.根据权利要求3所述的直流断路器，其特征在于：所述缓冲支路由缓冲电阻与缓冲电容串联组成。
6.根据权利要求3所述的直流断路器，其特征在于：所述能量消耗支路为避雷器。
7.一种权利要求1所述的直流断路器的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括如下步骤：
当直流电网系统正常运行时：
隔离开关和机械开关闭合，电流流经换流支路中串联连接的机械开关和换流单元；电流在换流单元中从二极管D101的阳极流入，经晶体管IGBT101流入到二极管D104的阳极，从二极管D104的阴极流出换流单元；
当直流电网系统发生故障时，该直流断路器控制方法包括如下步骤：
(1)线路中出现故障电流，故障电流升高，到达直流断路器的整定值，触发直流断路器工作；
(2)直流断路器断流单元中断流子单元的晶体管IGBT器件导通，电流从换流支路转移到断流支路中的二极管D1、IGBT1、二极管D4流出断路器并将机械开关关断；
(3)换流支路中的机械开关关断完成后，触发关断断流单元中断流子单元的晶体管IGBT器件；
(4)故障电流转移至缓冲回路，通过缓冲支路中的缓冲电阻向缓冲电容充电，缓冲电容两端的电压上升；
(5)缓冲电容两端的电压上升达到能量消耗支路避雷器的阈值电压时，触发能量消耗支路中的避雷器导通，避雷器消耗限流电感中的能量；
(6)限流电感中的能量消耗完毕为零后，断开换流支路上的隔离开关，直流断路器工作完毕，故障线路被断开。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：限流电感中能量的计算公式为：
其中：W为限流电感中存储的能量，L为限流电感的阻抗值，I为流经限流电感的电流。
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