CN107994553A - 一种混合式直流断路器及其分断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合式直流断路器及其分断方法。该方法包括：主通流支路；转移电流支路，与主通流支路并联连接，转移电流支路包括多个电力电子器件子模块；能量吸收支路，包括多个能量吸收单元，多个能量吸收单元中的每一个分别与至少一个电力电子器件子模块并联连接。通过上述方式，在断路器工作时，可以有效的抑制最大故障电流峰值，减小断路器核心部件的电流应力，延长各部件的使用寿命，提升断路器整体运行的可靠性。

Description

一种混合式直流断路器及其分断方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域，具体而言，涉及一种混合式直流断路器及其分断方法。

背景技术

高压直流断路器是保证电力系统稳定安全可靠运行的关键设备之一，混合采用机械开关和全控型电力电子开关直流断路器技术兼具了机械开关的低损耗特性和电力电子开关的快速分断特性，是目前应用高压输电系统中直流分断最为有效的技术途径。

目前，混合式直流断路器包括主通流支路、转移电流支路和能量吸收支路；图1现有技术中直流断路器限流分断过程中电流电压的示意图，1为主通流支路电流，2为转移电流支路电流，3为能量吸收支路电流，4为断路器电压，如图1所示，在输电系统直流侧发生短路故障后，主通流支路电流迅速增大，直流断路器接收到保护信号后于t₁迅速启动分断，主通流支路上的电力电子开关闭锁，主通流支路电流下降，转移电流支路电流上升，实现电流从主通流支路向转移电流支路转移，在t₂时刻，主通流支路电流下降为0，主通流支路的机械开关分断，在机械开关分断完成后，闭锁转移电流支路的全部子模块，t₃时刻实现电流从转移电流支路向能量吸收支路转移，完成故障电流分断。在现有混合断路器限流分断，故障电流峰值大，直流断路器受到的电流冲击也变大，直流断路器内部的关键部件如IGBT的应力要求就更高，避雷器吸收的能量也更多，从而影响高压直流断路器的参数设计和成本。

发明内容

本发明实施例提供了一种混合式直流断路器及其分断方法，以解决在断路器工作时，故障电流峰值大的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种混合式直流断路器，包括：主通流支路；转移电流支路，与主通流支路并联连接，转移电流支路包括多个串联连接的电力电子器件子模块；能量吸收支路，包括多个能量吸收单元，多个能量吸收单元中的每一个分别与至少一个电力电子器件子模块并联连接。

可选地，电力电子器件子模块包括至少两组开关模块，每组开关模块包括串联连接的至少一个开关单元，相邻两组开关模块之间反串联连接。

可选地，电力电子器件子模块包括第一全桥结构，第一全桥结构的每一个桥臂包括至少一个开关单元。

可选地，电力电子器件子模块包括第二全桥结构，第二全桥结构的每一个桥臂包括至少一个二极管，并且第二全桥结构的上、下桥臂之间连接有至少一个开关单元。

可选地，至少一个开关单元串联或并联连接。

可选地，第一全桥结构、第二全桥结构还包括缓冲均压支路，缓冲均压支路连接于全桥结构的上、下桥臂之间。

可选地，开关单元包括IGBT与其反并联的二极管。

可选地，能量吸收单元包括串联连接的至少一个避雷器单元。

根据本发明实施例的一个方面，还提供了一种混合式直流断路器的分断方法，该方法包括，当主通流支路上的电流大于第一预设阈值时，关断主通流支路上的电子开关，以使电流流向转移电流支路；当主通流支路上的电流小于等于第二预设阈值时，分断主通流支路上的机械开关，第二预设阈值小于第一预设阈值；获取能量吸收支路中能量吸收单元的残压；当机械开关的耐压水平大于k倍残压时，按照预定顺序关断转移电流支路上与能量吸收单元对应的至少一个电力电子器件子模块，k为大于等于1的自然数。

可选地，当机械开关的耐压水平大于k倍残压时，按照预定顺序关断转移电流支路上与能量吸收单元对应的至少一个电力电子器件子模块包括：对能量吸收支路上多个能量吸收单元的已吸收能量进行由低至高排序；当机械开关的耐压水平大于k倍残压时，关断在由低至高排序中，与第k个能量吸收单元对应的至少一个电力电子器件子模块。

可选地，当机械开关的耐压水平大于k倍残压时，按照预定顺序关断转移电流支路上与能量吸收单元对应的至少一个电力电子器件子模块包括：获取能量吸收支路中的多个能量吸收单元的已吸收能量；根据已吸收能量确定多个能量吸收单元投入次序或投入时间；当机械开关的耐压水平大于k倍残压时，按照能量吸收单元投入次序或投入时间，关断与能量吸收单元对应的至少一个电力电子器件子模块。

本发明实施例通过在能量吸收支路上设置多个能量吸收单元，能量吸收单元中的每一个分别与至少一个电力电子器件子模块连接，可以使高压直流断路器在限流分断时，对转移电流支路上的多个电力电子器件子模块分别进行分断控制，达到降低最大电流峰值的目的，可以减小断路器核心部件的电流应力，延长各部件的使用寿命。与常规的分断方法相比，本发明实施例可以降低避雷器吸收能量及冲击电热流效应，有利于减少能量吸收单元设计时的并联柱数，降低占地面积。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1现有技术中直流断路器限流分断过程中电流电压的示意图；

图2是根据本发明实施例的一种可选的混合式直流断路器的结构图；

图3根据本发明实施例的一种具体应用场景下，直流断路器限流分断过程中电流电压的示意图；

图4是根据本发明实施例的又一种可选的混合式直流断路器的结构图；

图5是根据本发明实施例的一种可选的电力电子器件子模块的电路图；

图6是根据本发明实施例的又一种可选的电力电子器件子模块的电路图；

图7是根据本发明实施例的另一种可选的电力电子器件子模块的电路图；

图8是根据本发明实施例的再一种可选的电力电子器件子模块的电路图；

图9是根据本发明实施例的又再一种可选的电力电子器件子模块的电路图；以及

图10是根据本发明实施例的一种可选的混合式直流断路器的分断方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例一

图2是根据本发明实施例的一种可选的混合式直流断路器的结构图，该混合式直流断路器可以包括相互并联连接的主通流支路11、转移电流支路12和能量吸收支路13。其中，转移电流支路12与主通流支路11并联连接，转移电流支路12包括多个串联连接的电力电子器件子模块17；能量吸收支路13，包括多个能量吸收单元16，多个能量吸收单元16中的每一个分别与至少一个电力电子器件子模块17并联连接。

需要说明的是，图2中所示的具体实施方式并非意在限定本发明，实际上每一能量吸收单元16可以与转移电流支路12上一个或者多个电力电子器件子模块17并联，例如1个、3个、4个等。一个能量吸收单元16可以包括一个或者多个避雷器或者压敏电阻。

下面将结合图3，详细描述本实施例中的混合式直流断路器的工作状态。以主通流支路11例如可以包括串联连接的机械开关14和电子开关15，能量吸收支路13包含4个能量吸收单元16为例，具体分断过程如下：

在t0时刻，断路器的直流侧发生短路故障，电流迅速增大；t1时刻，故障电流达到第一预设阈值，主通流支路11上的电子开关15迅速关断，故障电流向转移电流支路12转移并持续增大，主支通流路11上的电流开始变小；在主通流支路11上的电流小于等于第二预设阈值时，机械开关K分断，转移电流支路12上的电流继续增大；当机械开关K的耐压水平为1倍的能量吸收单元16残值时，立刻于t21时刻关断与第一能量吸收单元并联的，转移电流支路12上的电力电子器件子模块SM，即投入第一能量吸收单元；当机械开关K的耐压水平为2倍的能量吸收单元残值时，立刻于t22时刻关断与第二能量吸收单元并联的，转移电流支路12上的电力电子器件子模块SM，即投入第二能量吸收单元；当机械开关K的耐压水平为3倍的能量吸收单元残值时，立刻于t23时刻关断与第三能量吸收单元并联的，转移电流支路12上的电力电子器件子模块SM，即投入第三能量吸收单元；当机械开关K的耐压水平为4倍的能量吸收单元残值时，立刻于t3时刻关断与第四能量吸收单元并联的，转移电流支路12上的电力电子器件子模块SM，即投入第四能量吸收单元，至此，所有能量吸收单元全部投入，形成足够大的反电压，短路电流逐渐降为零，完成分断。本发明实施例将最大故障电流由Im降低为Im0。

在本发明实施例中，通过将多个能量吸收单元与转移电流支路上的至少一个电力电子器件子模块并联连接，通过关断转移电流支路上的电力电子器件子模块，可以分别控制多个能量吸收单元耗散故障电流能量。与现有的技术方案相比，本发明实施例中通过分别投入能量吸收单元工作，在断路器工作时，可以降低故障电流的峰值。

需要说明的是，故障电流峰值的降低，可以减小断路器核心部件的电流应力，延长各部件的使用寿命。并且，降低能量吸收单元中电气元件吸收能量及冲击电热流效应，有利于减少能量吸收单元设计时的并联柱数，降低占地面积。

在本发明的一些可选实施方式中，如图4所示，电子开关15可以由多个电力电子器件子模块构成，多个电力电子器件子模块可以以矩阵或者串并联的形式设置，并且位于转移电流支路上的电力电子器件子模块的数量，要远大于电子开关包括的电力电子器件子模块的数量。由此，在直流侧发生短路故障后，直流电流将迅速增大，直流断路器在接收到保护信号后迅速启动分断。首先，主通流支路上的电子开关闭锁，实现电流从主通流支路向转移电流支路上转移，在转移完成后，机械开关分断，避免了机械开关在大电流下分断而产生电弧，实现了机械开关的无弧分断，延长了机械开关的使用寿命。

在本发明的一些可选实施方式中，如图5所示，电力电子器件子模块包括至少两组开关模块，即开关模块21和开关模块22，相邻两组开关模块之间反串联连接，每组开关模块包括串联连接的至少一个开关单元，即开关模块21包括串联连接的开关单元21a和21b，开关模块22包括串联连接的开关单元22a和22b。本领域技术人员应当理解，图5仅仅只是作为示例，并非意在限定本发明，虽然图5中示出了两个开关模块21和22，但是更多组开关模块也是可行的；虽然图5中每个开关模块21和22分别包括两个串联连接的开关单元，但实际上每组开关模块可以包括更多或更少的开关单元，例如1个，3个，4个等等，每组开关模块所包括的开关单元的数量可以相同，也可以不同。在图5中，每个开关单元包括IGBT与其反并联的二极管，实际上开关单元的结构也不限于IGBT与其反并联的二极管的结构，其他可以实现开关功能的结构也是可行的。

在本发明的一些可选实施方式中，如图6所示，电力电子器件子模块包括第一全桥结构，第一全桥结构的每一个桥臂包括至少一个开关单元51，图6中仅示出了1个开关单元51，本领域技术人员应当理解，采用多个串联或并联连接的开关单元也是可行的。在图6的示例中，每个开关单元51均包括IGBT与其反并联的二极管，同样地，本发明实施例中开关单元的结构也不限于IGBT与其反并联的二极管的结构，其他可以实现开关功能的结构也是可行的。

本发明的一些可选实施方式中，如图7所示，电力电子器件子模块还可以包括缓冲均压支路53，缓冲均压支路53连接于全桥结构的上、下桥臂之间。缓冲均压支路53例如可以包括阻尼电容C、阻尼电阻R以及二极管D，由阻尼电容R与阻尼电容C并联后，与二极管D串联构成。需要说明的是，缓冲均压支路53不限于由阻尼电容R与阻尼电容C并联后，与二极管D串联构成的形式，可以是一个或者多个非线性电阻，还可以是一个或者多个阻尼电容等等。

需要说明的是，通过在第一全桥结构的上、下桥臂之间设置缓冲均压支路，可以降低故障电流在经过开关单元时的大电压冲击，实现开关单元软关断，延长开关的使用寿命，提高电路的可靠性。

在本发明的一些可选实施方式中，如图8所示，电力电子器件子模块包括第二全桥结构，第二全桥结构的每一个桥臂包括一个二极管，在第二全桥结构的上、下桥臂之间设有并联连接的两个开关单元51，每个开关单元51均包括IGBT与其反并联的二极管。本领域技术人员应当理解，每一个桥臂上可以采用多个串联或者并联连接的二极管，上下桥臂件的开关单元的数量也不限于两个，可以包括更多或者更少的开关单元，多个开关单元51可以串联或并联连接。同样地，本发明实施例中开关单元的结构也不限于IGBT与其反并联的二极管的结构，其他可以实现开关功能的结构也是可行的。

本发明的一些可选实施方式中，如图9所示，电力电子器件子模块还包括缓冲均压支路53，缓冲均压支路53连接于全桥结构的上、下桥臂之间。缓冲均压支路53例如可以包括阻尼电容C、阻尼电阻R以及二极管D，由阻尼电容R与阻尼电容C并联后，与二极管D串联构成。需要说明的是，缓冲均压支路53不限于由阻尼电容R与阻尼电容C并联后，与二极管D串联构成的形式，可以是一个或者多个非线性电阻，还可以是一个或者多个阻尼电容等等。

需要说明的是，通过在第二全桥结构的上、下桥臂之间设置缓冲均压支路，可以降低故障电流在经过开关单元时的大电压冲击，实现开关单元软关断，延长开关的使用寿命，提高电路的可靠性。

实施例二

根据本发明实施例，还提供了一种混合式直流断路器的分断方法的实施例，图10是根据本发明实施例的一种可选的混合式直流断路器的分断方法的流程图，如图10所示，该方法包括：

步骤S11，当主通流支路上的电流大于第一预设阈值时，关断主通流支路上的电子开关，以使电流流向转移电流支路。

具体地，主通流支路可以用于通过正常工作状态下的电流。主通流支路可以由机械开关以及电子开关串联组成。第一预设阈值可以是预先设置的电流值，当主通流支路上的故障电流大于第一预设阈值时，直流断路器开始启动分断。

步骤S12，当主通流支路上的电流小于等于第二预设阈值时，分断主通流支路上的机械开关，第二预设阈值小于第一预设阈值。

具体地，转移电流支路可以用于在出现故障电流时，实现故障电流从主通流支路的转移。第二预设阈值可以是预先设置的电流值，例如为0。在主通流支路上电流小于等于第二预设阈值时，分断主通流支路上的机械开关。

步骤S13，获取能量吸收支路中能量吸收单元的残压。

步骤S14，当机械开关的耐压水平大于k倍残压时，按照预定顺序关断转移电流支路上与能量吸收单元对应的至少一个电力电子器件子模块，k为大于等于1的自然数。

在本发明实施例中，通过将多个能量吸收单元与转移电流支路上的至少一个电力电子器件子模块并联连接，按照预定顺序关断转移电流支路上与能量吸收单元对应的至少一个电力电子器件子模块，可以分别控制多个能量吸收单元耗散故障电流能量，因此在断路器工作时，可以降低故障电流的峰值。

需要说明的是，故障电流峰值的降低，可以减小断路器核心部件的电流应力，延长各部件的使用寿命。并且，降低避雷器吸收能量及冲击电热流效应，有利于减少能量吸收单元设计时的并联柱数，降低占地面积。

在本发明的一些可选实施方式中，在直流侧发生短路故障后，直流电流将迅速增大，直流断路器在接收到保护信号后迅速启动分断。主通流支路上的电子开关闭锁，实现电流从主通流支路向转移电流支路上转移，在转移完成后，机械开关分断，避免了快速机械开关在大电流下分断而产生电弧，实现了机械开关的无弧分断，延长了机械开关的使用寿命。

可选地，步骤S14，当机械开关的耐压水平大于k倍残压时，按照预定顺序关断转移电流支路上与能量吸收单元对应的至少一个电力电子器件子模块可以包括：

对能量吸收支路上多个能量吸收单元的已吸收能量进行由低至高排序。

当机械开关的耐压水平大于k倍残压时，关断在由低至高排序中，与第k个能量吸收单元对应的至少一个电力电子器件子模块。

具体地，可以通过对能量吸收单元已吸收能量进行排序，可以按照吸收能量由低至高的次序依次投入，也就是将吸收能量最少的能量吸收单元先投入，达到能量平衡的目的，提升了断路器整体运行的可靠性。

可选地，步骤S14，当机械开关的耐压水平大于k倍残压时，按照预定顺序关断转移电流支路上与能量吸收单元对应的至少一个电力电子器件子模块可以包括：

获取能量吸收支路中的多个能量吸收单元的已吸收能量。

根据已吸收能量确定多个能量吸收单元投入次序或投入时间。

当机械开关的耐压水平大于k倍残压时，按照能量吸收单元投入次序或投入时间，关断与能量吸收单元对应的至少一个电力电子器件子模块。

具体地，可以预先计算能量吸收单元的已吸收能量，可以通过已吸收能量来确定能量吸收单元投入工作的时间或次序，达到能量平衡的目的，提升了断路器整体运行的可靠性。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (11)

1.一种混合式直流断路器，其特征在于，包括：

主通流支路；

转移电流支路，与所述主通流支路并联连接，所述转移电流支路包括多个串联连接的电力电子器件子模块；

能量吸收支路，包括多个能量吸收单元，所述多个能量吸收单元中的每一个分别与至少一个所述电力电子器件子模块并联连接。

2.根据权利要求1所述的混合式直流断路器，其特征在于，所述电力电子器件子模块包括至少两组开关模块，每组所述开关模块包括串联连接的至少一个开关单元，相邻两组所述开关模块之间反串联连接。

3.根据权利要求1所述的混合式直流断路器，其特征在于，所述电力电子器件子模块包括第一全桥结构，所述第一全桥结构的每一个桥臂包括至少一个开关单元。

4.根据权利要求1所述的混合式直流断路器，其特征在于，所述电力电子器件子模块包括第二全桥结构，所述第二全桥结构的每一个桥臂包括至少一个二极管，并且所述第二全桥结构的上、下桥臂之间连接有至少一个开关单元。

5.根据权利要求3或4中任一项所述的混合式直流断路器，其特征在于，所述至少一个开关单元串联或并联连接。

6.根据权利要求3或4中任一项所述的混合式直流断路器，其特征在于，所述第一全桥结构或所述第二全桥结构还包括缓冲均压支路，所述缓冲均压支路连接于所述全桥结构的上、下桥臂之间。

7.根据权利要求2至4中任一项所述的混合式直流断路器，其特征在于，所述开关单元包括IGBT与其反并联的二极管。

8.根据权利要求1所述的混合式直流断路器，其特征在于，所述能量吸收单元包括串联连接的至少一个避雷器单元。

9.一种混合式直流断路器的分断方法，根据上述权利要求1至8任一项所述的混合式直流断路器，其特征在于，所述方法包括：

当主通流支路上的电流大于第一预设阈值时，关断所述主通流支路上的电子开关，以使所述电流流向转移电流支路；

当所述主通流支路上的电流小于等于第二预设阈值时，分断所述主通流支路上的机械开关，所述第二预设阈值小于所述第一预设阈值；

获取能量吸收支路中能量吸收单元的残压；

当机械开关的耐压水平大于k倍所述残压时，按照预定顺序关断所述转移电流支路上与所述能量吸收单元对应的至少一个所述电力电子器件子模块，k为大于等于1的自然数。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，当机械开关的耐压水平大于k倍所述残压时，按照预定顺序关断所述转移电流支路上与所述能量吸收单元对应的至少一个所述电力电子器件子模块包括：

对所述能量吸收支路上多个所述能量吸收单元的已吸收能量进行由低至高排序；

当机械开关的耐压水平大于k倍所述残压时，关断在所述由低至高排序中，与第k个能量吸收单元对应的至少一个所述电力电子器件子模块。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，当机械开关的耐压水平大于k倍所述残压时，按照预定顺序关断所述转移电流支路上与所述能量吸收单元对应的至少一个所述电力电子器件子模块包括：

获取所述能量吸收支路中的多个所述能量吸收单元的已吸收能量；

根据所述已吸收能量确定多个所述能量吸收单元投入次序或投入时间；

当机械开关的耐压水平大于k倍所述残压时，按照所述能量吸收单元投入次序或投入时间，关断与所述能量吸收单元对应的至少一个所述电力电子器件子模块。