CN107846210A - 一种直流断路器用支路组件、直流断路器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种直流断路器用支路组件、直流断路器，该支路组件包括开关子模块，开关子模块包括并联连接的至少两个开关功率模块，开关功率模块包括H桥模块，H桥模块包括并联的第一、二桥臂，第一、二桥臂均由两个不控器件阀组同向串联而成；第一桥臂的两个不控器件阀组的串联点为开关功率模块的输入/输出端，第二桥臂的两个不控器件阀组的串联点为开关功率模块的输出/输入端；开关功率模块还包括电容阀组以及同向并联连接的两个全控器件阀组，电容阀组、全控器件阀组与第一桥臂、第二桥臂并联。本发明通过将两个开关功率模块并联，并在每个开关功率模块中设置两个并联连接的全控器件阀组，有效提高了直流断路器用支路组件的电流分断能力。

Description

一种直流断路器用支路组件、直流断路器
技术领域
本发明涉及一种直流断路器用支路组件、直流断路器，属于高压直流断路器技术领域。
背景技术
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。随着可控功率器件制造工艺技术水平的不断提升，混合式直流断路器得到快速发展。
其中，混合式直流断路器大量采用的拓扑结构为：并联连接的通流主支路和转移支路。通流主支路由一组辅助换流模块和机械开关串联而成，转移支路由大量转移模块串联而成。所谓辅助换流模块和转移模块均为开关管或者特定开关管构成的如H桥、半桥结构。公布号为CN106786349A的中国专利文件公开了一种辅助换流模块，该辅助换流模块为H桥模块，具有并联的第一桥臂、第二桥臂和全控器件支路，第一桥臂由两个不控器件阀组同向串联而成，第二桥臂由另外两个不控器件阀组同向串联而成。与传统H桥结构的换流模块相比，该辅助换流模块减少了全控器件的数量，降低了高压直流断路器的制造成本，同时确保了高压直流断路器的电流双向切断能力。
但是，由于全控器件分断电流有限，上述的辅助换流模块存在分断电流较小的问题。另外，在实际工程应用中，针对每一种直流断路器拓扑结构，需要设计专门的设备结构布局。对于上述的辅助换流模块结构以及简单变形或者扩展的结构，现有的设备结构布局不再适用，因此需要设计出合适的设备结构布局，以推动其实际工程应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种直流断路器用支路组件、直流断路器，用于解决直流断路器中换流模块的电流分断能力差的问题，进一步的解决针对特定的直流断路器换流模块拓扑结构，现有的设备结构布局不再适用的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种直流断路器用支路组件，包括以下方案：
组件方案一：包括一个或者串联连接的至少两个开关子模块，所述开关子模块包括并联连接的至少两个开关功率模块，所述开关功率模块包括H桥模块，所述H桥模块包括并联的第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂均由两个不控器件阀组同向串联而成；所述第一桥臂的两个不控器件阀组的串联点为所述开关功率模块的输入/输出端，所述第二桥臂的两个不控器件阀组的串联点为所述开关功率模块的输出/输入端；所述开关功率模块还包括电容阀组以及同向并联连接的两个全控器件阀组，所述电容阀组、全控器件阀组与所述第一桥臂、第二桥臂并联。
组件方案二：在组件方案一的基础上，所述电容阀组中串设有电容以及用于在电容充电时导通、在电容放电时截止的防反二极管，所述电容的两端并联有放电电阻。
组件方案三、四：分别在组件方案一、二的基础上，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。
组件方案五、六：分别在组件方案一、二的基础上，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。
组件方案七、八：分别在组件方案一、二的基础上，对应各所述开关功率模块还对应并联设置有旁路开关。
组件方案九：在组件方案一的基础上，包括组件框架，所述组件框架上设置有至少一个子模块压接单元，所述子模块压接单元包括沿左右方向并行延伸并沿前后方向间隔分布的前列混合阀段和后列混合阀段，每列混合阀段均包括由对应压接装配的不控器件组成的所述不控器件阀组以及由对应压接装配的全控器件组成的所述全控器件阀组，所述前列混合阀段上的不控器件阀组与后列混合阀段上的不控器件阀组在前后方向上对应布置且相应导电连接以形成所述的H桥模块。
组件方案十：在组件方案九的基础上，对应各开关功率模块，每列混合阀段中的不控器件阀组和全控器件阀组按照不控器件阀组-全控器件阀组-不控器件阀组的顺序依次布置。
组件方案十一、十二：分别在组件方案九、十的基础上，所述电容阀组中串设有电容以及用于在电容充电时导通、在电容放电时截止的防反二极管，所述电容的两端并联有放电电阻；对应各开关功率模块，所述电容设置在所述组件框架的端部；所述防反二极管压接在支路组件的下部，并通过导电母排连接对应的所述电容。
组件方案十三、十四：分别在组件方案九、十的基础上，每列混合阀段中包括对应不控器件及全控器件布置的散热器，每列混合阀段的散热器连接有水路，两列混合阀段相连接的两水路相互独立。
组件方案十五、十六：分别在组件方案九、十的基础上，对应各所述开关功率模块还对应并联设置有旁路开关；所述旁路开关布置在所述组件框架的端部。
本发明还提供了一种直流断路器，包括以下方案：
断路器方案一：包括支路组件，所述支路组件包括一个或者串联连接的至少两个开关子模块，所述开关子模块包括并联连接的至少两个开关功率模块，所述开关功率模块包括H桥模块，所述H桥模块包括并联的第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂均由两个不控器件阀组同向串联而成；所述第一桥臂的两个不控器件阀组的串联点为所述开关功率模块的输入/输出端，所述第二桥臂的两个不控器件阀组的串联点为所述开关功率模块的输出/输入端；所述开关功率模块还包括电容阀组以及同向并联连接的两个全控器件阀组，所述电容阀组、全控器件阀组与所述第一桥臂、第二桥臂并联。
断路器方案二：在断路器方案一的基础上，所述电容阀组中串设有电容以及用于在电容充电时导通、在电容放电时截止的防反二极管，所述电容的两端并联有放电电阻。
断路器方案三、四：分别在断路器方案一、二的基础上，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。
断路器方案五、六：分别在断路器方案一、二的基础上，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。
断路器方案七、八：分别在断路器方案一、二的基础上，对应各所述开关功率模块还对应并联设置有旁路开关。
断路器方案九：在断路器方案一的基础上，所述支路组件包括组件框架，所述组件框架上设置有至少一个子模块压接单元，所述子模块压接单元包括沿左右方向并行延伸并沿前后方向间隔分布的前列混合阀段和后列混合阀段，每列混合阀段均包括由对应压接装配的不控器件组成的所述不控器件阀组以及由对应压接装配的全控器件组成的所述全控器件阀组，所述前列混合阀段上的不控器件阀组与后列混合阀段上的不控器件阀组在前后方向上对应布置且相应导电连接以形成所述的H桥模块。
断路器方案十：在断路器方案九的基础上，对应各开关功率模块，每列混合阀段中的不控器件阀组和全控器件阀组按照不控器件阀组-全控器件阀组-不控器件阀组的顺序依次布置。
断路器方案十一、十二：分别在断路器方案九、十的基础上，所述电容阀组中串设有电容以及用于在电容充电时导通、在电容放电时截止的防反二极管，所述电容的两端并联有放电电阻；对应各开关功率模块，所述电容设置在所述组件框架的端部；所述防反二极管压接在支路组件的下部，并通过导电母排连接对应的所述电容。
断路器方案十三、十四：分别在断路器方案九、十的基础上，每列混合阀段中包括对应不控器件及全控器件布置的散热器，每列混合阀段的散热器连接有水路，两列混合阀段相连接的两水路相互独立。
断路器方案十五、十六：分别在断路器方案九、十的基础上，对应各所述开关功率模块还对应并联设置有旁路开关；所述旁路开关布置在所述组件框架的端部。
本发明的有益效果是：
通过将两个以上的开关功率模块并联，并在每个开关功率模块中设置两个并联连接的全控器件阀组，有效提高了直流断路器用支路组件的电流分断能力。
进一步的，通过在每个开关功率模块的两端分别并联一个旁路开关，实现了冗余设计，当某一开关功率模块出现故障时，通过闭合其两端的旁路开关将其短接，以保证其他开关功率模块的正常运行。
进一步的，通过将各开关功率模块第一桥臂中的不控器件阀组和其中一个全控器件阀组布置在前列混合阀段中，将各开关功率模块第二桥臂中的不控器件阀组和另一个全控器件阀组布置在后列混合阀段中，不仅结构紧凑、模块化程度高，并且装配便捷，便于接线。
附图说明
图1是本发明直流断路器用支路组件的电气原理图；
图2是本发明直流断路器用支路组件的等效电气原理图；
图3是本发明直流断路器用支路组件的总装配图的俯视图；
图4是本发明直流断路器用支路组件的总装配图的仰视图；
图5是本发明组件框架的装配图；
图6是本发明每列混合阀段的装配图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
本发明所提供的直流断路器用支路组件的电气原理图如图1所示，包括一个开关子模块，该开关子模块包括并联连接的两个以上的开关功率模块(辅助换流模块)，其中，任一开关功率模块包括并联的第一桥臂、第二桥臂、第一全控器件阀组、第二全控器件阀组和吸收回路，第一桥臂和第二桥臂同向并联构成了H桥模块。以图1中上面的一个开关功率模块为例，第一桥臂由上桥臂中二极管1D1组成的不控器件阀组和下桥臂中二极管1D2组成的不控器件阀组同向串联构成，第二桥臂由上桥臂中二极管1D3组成的不控器件阀组和下桥臂中二极管1D4组成的不控器件阀组同向串联构成；第一全控器件阀组由第一功率器件IGBT(1T1)组成，第二功率器件阀组由第二功率器件IGBT(1T2)组成；吸收回路中串设有由电容1C组成的电容阀组和防反二极管1D5，电容1C的两端并联有电阻1R。
对于图1中的支路组件的原理图，其对应的等效电气原理图如图2所示。图2中虚线框100内的二极管为两个开关功率模块的第一桥臂中的二极管，虚线框100内的IGBT为两个开关功率模块的第一功率器件；图2中虚线框200内的二极管为两个开关功率模块的第二桥臂中的二极管，虚线框200内的IGBT为两个开关功率模块的第二功率器件。
当然，作为其他的实施方式，上述的不控器件阀组也可以由多个二极管同向串联构成；全控器件阀组也可以由由多个全控功率器件同向串联构成。
本发明所提供的直流断路器用支路组件的硬件结构图如图3和图4所示，其中图3为支路组件的硬件结构图的俯视图，图4为支路组件的硬件结构图的仰视图。该支路组件包括组件框架，该组件框架上布置有一个子模块压接单元，该子模块压接单元包括沿左右方向并行延伸并沿前后方向间隔分布的前列混合阀段33和后列混合阀段44，每列混合阀段均包括由对应压接装配的不控器件组成的不控器件阀组以及由对应压接装配的全控器件组成的全控器件阀组，前列混合阀段33上的不控器件阀组与后列混合阀段44上的不控器件阀组在前后方向上对应布置且相应导电连接以形成H桥模块。
具体的，在本实施例中，全控功率器件为IGBT，不控器件为二极管，工程中可根据实际情况增减子模块压接单元中的开关子模块，各开关子模块依次串联。对应各开关功率模块，每列混合阀段中的不控器件阀组和全控器件阀组按照不控器件阀组-全控器件阀组-不控器件阀组的顺序依次布置。并且，各开关功率模块布置在前列混合阀段中的二极管和全控功率器件与布置在后列混合阀段中的二极管和全控功率器件在前后方向一一对应。
如图5所示，组件框架包括沿前后方向布置的前后槽型绝缘梁21、固设在前后槽型绝缘梁21上的沿左右方向布置的左右槽型绝缘梁22和左右阀段支撑梁23，左右阀段支撑梁23具体为铝型材。具体的，前后槽型绝缘梁21、左右槽型绝缘梁22、左右阀段支撑梁23通过螺栓固定在一起。前列混合阀段33和后列混合阀段44沿前后方向依次间隔固定在左右阀段支撑梁23上。
如图6所示，每列混合阀段包括混合阀段框架，该混合阀段框架由端板24、绝缘拉杆25、碟簧单元26和压紧装置27依次安装组成，将二极管1、IGBT 2和散热器28依次安装在混合阀段框架内，通过液压工具对碟簧单元施加规定压力，然后锁紧压紧装置，确保二极管、IGBT表面的压力正常工作范围之内。由于混合阀段中各个部件的结构以及组装方式与现有技术中现有的混合阀段类似，此处不再赘述。
将图6中的混合阀段装配到图5中的组件框架上，另外，如图3所示，组件框架上各开关子模块中的并联连接的两个开关功率模块分别设有一个旁路开关4，旁路开关4与对应的开关功率模块并联布置，旁路开关4布置在组件框架的左端。当然，作为其他的实施方式，旁路开关4布置在组件框架的右端。组件框架上并联连接的两个开关功率模块分别设有一个电容5，该电容5布置在组件框架的右端。当然作为其他的实施方式，当电容5也可以布置在组件框架的左端。
另外，将各开关功率模块对应的中控单元29、磁环电源单元30、水管31、驱动单元以及防反二极管3安装在组件内，并通过母排连接各电器元件，最终得到支路组件的总装配。其中，每列混合阀段的散热器中均连接有水路，两列混合阀段相连接的两水路相互独立。
本发明还提供了一种直流断路器，该直流断路器包括并联连接的通流主支路和转移支路，通流主支路和/或转移支路中串设有上述的支路组件，由于上述已对该支路组件进行了详细介绍，此处对该直流断路器不再赘述。
本发明的直流断路器用支路组件采用框架式结构，模块化设计和装配，每个开关子模块设计为两个开关功率模块并联，可根据工程需要进行不同数量开关子模块串联，在工程运用当中装配便捷、维护方便；本组件将两并联开关功率模块压装在一起，结构紧凑，模块化程度高，装配、转运方便；本组件可以在阀塔上不拆除水管的前提下对任何电气元器件进行更换，现场维护十分方便；本组件采用模块化对称设计，两个IGBT、二极管混合阀段对称分居阀组件中央两侧，IGBT、二极管混合阀段将IGBT和二极管压接到一起，减少了压接阀段数量，有效控制了组件尺寸大小；将磁环及电源安装到一个绝缘型材上，形成独立的安装单元，此单元安装在电容上方，节省了组件内部安装空间，安装方便、走线美观；本组件吸收回路电容安装在组件端部，通过叠层母排连接在回路当中，两电容相对安装，叠层母排安装、电容维护方便；本组件旁路开关置于组件端部，通过绝缘梁支撑，操作、维护方便；本组件吸收回路中防反二极管单独压接，通过绝缘槽型材支撑于组件下部，与电容叠层母排直接相连，最大限度减小铜排长度，降低电磁干扰；本组件水路采用两独立水路，每个阀段一个水路，该水路设计综合考虑系统流阻分配，水路结构简单，散热效率高效，系统水路均流效果良好。

Claims (10)

1.一种直流断路器用支路组件，其特征在于，包括一个或者串联连接的至少两个开关子模块，所述开关子模块包括并联连接的至少两个开关功率模块，所述开关功率模块包括H桥模块，所述H桥模块包括并联的第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂均由两个不控器件阀组同向串联而成；所述第一桥臂的两个不控器件阀组的串联点为所述开关功率模块的输入/输出端，所述第二桥臂的两个不控器件阀组的串联点为所述开关功率模块的输出/输入端；所述开关功率模块还包括电容阀组以及同向并联连接的两个全控器件阀组，所述电容阀组、全控器件阀组与所述第一桥臂、第二桥臂并联。
2.根据权利要求1所述的直流断路器用支路组件，其特征在于，所述电容阀组中串设有电容以及用于在电容充电时导通、在电容放电时截止的防反二极管，所述电容的两端并联有放电电阻。
3.根据权利要求1所述的直流断路器用支路组件，其特征在于，包括组件框架，所述组件框架上设置有至少一个子模块压接单元，所述子模块压接单元包括沿左右方向并行延伸并沿前后方向间隔分布的前列混合阀段和后列混合阀段，每列混合阀段均包括由对应压接装配的不控器件组成的所述不控器件阀组以及由对应压接装配的全控器件组成的所述全控器件阀组，所述前列混合阀段上的不控器件阀组与后列混合阀段上的不控器件阀组在前后方向上对应布置且相应导电连接以形成所述的H桥模块。
4.根据权利要求3所述的直流断路器用支路组件，其特征在于，对应各开关功率模块，每列混合阀段中的不控器件阀组和全控器件阀组按照不控器件阀组-全控器件阀组-不控器件阀组的顺序依次布置。
5.根据权利要求3或4所述的直流断路器用支路组件，其特征在于，所述电容阀组中串设有电容以及用于在电容充电时导通、在电容放电时截止的防反二极管，所述电容的两端并联有放电电阻；对应各开关功率模块，所述电容设置在所述组件框架的端部；所述防反二极管压接在支路组件的下部，并通过导电母排连接对应的所述电容。
6.根据权利要求3或4所述的直流断路器用支路组件，其特征在于，每列混合阀段中包括对应不控器件及全控器件布置的散热器，每列混合阀段的散热器连接有水路，两列混合阀段相连接的两水路相互独立。
7.一种直流断路器，包括支路组件，其特征在于，所述支路组件包括一个或者串联连接的至少两个开关子模块，所述开关子模块包括并联连接的至少两个开关功率模块，所述开关功率模块包括H桥模块，所述H桥模块包括并联的第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂均由两个不控器件阀组同向串联而成；所述第一桥臂的两个不控器件阀组的串联点为所述开关功率模块的输入/输出端，所述第二桥臂的两个不控器件阀组的串联点为所述开关功率模块的输出/输入端；所述开关功率模块还包括电容阀组以及同向并联连接的两个全控器件阀组，所述电容阀组、全控器件阀组与所述第一桥臂、第二桥臂并联。
8.根据权利要求7所述的直流断路器，其特征在于，所述电容阀组中串设有电容以及用于在电容充电时导通、在电容放电时截止的防反二极管，所述电容的两端并联有放电电阻。
9.根据权利要求7所述的直流断路器，其特征在于，所述支路组件包括组件框架，所述组件框架上设置有至少一个子模块压接单元，所述子模块压接单元包括沿左右方向并行延伸并沿前后方向间隔分布的前列混合阀段和后列混合阀段，每列混合阀段均包括由对应压接装配的不控器件组成的所述不控器件阀组以及由对应压接装配的全控器件组成的所述全控器件阀组，所述前列混合阀段上的不控器件阀组与后列混合阀段上的不控器件阀组在前后方向上对应布置且相应导电连接以形成所述的H桥模块。
10.根据权利要求9所述的直流断路器，其特征在于，对应各开关功率模块，每列混合阀段中的不控器件阀组和全控器件阀组按照不控器件阀组-全控器件阀组-不控器件阀组的顺序依次布置。
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