CN108429244A - 一种电子开关和混合式高压直流断路器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电子开关和混合式高压直流断路器，直流断路器包括并联的主支路，转移支路和耗能支路；主支路和转移支路设有电子开关；电子开关包括第一支路和第二支路；第一支路和第二支路中均串联设置有至少3个二极管，第一支路和第二支路并联，第一并联端连接第一支路中第一个二极管的阳极和第二支路中第一个二极管的阴极；第一支路中第i个二极管和第i+1个二极管的串联点与第二支路中第i个二极管和第i+1个二极管的串联之间设置有开关管，且各开关管的阳极与阴极之间均并联设置有相应的避雷器。本发明提供的技术方案，可明显的缩短直流断路器对故障电流的转移时间，并且对于同电压等级的直流断路器，其制造成本和运行成本也会降低。
Description
技术领域
本发明属于电力系统高压直流断路器技术领域，具体涉及一种电子开关和混合式高压直流断路器。
背景技术
目前，高压直流输电技术已经在我国得到了广泛的应用，尤其是柔性直流输电技术，更是使直流输电技术应用到了近距离、小容量的输电场合。
高压直流断路器是柔性直流输电系统中非常重要的设备。按照直流断路器的工作原理，可将其分为机械式断路器、全固态断路器和混合式断路器，其中混合式断路器由于其通态损耗少、开断时间短、无需专用冷却等优点，被广泛应用在柔性直流输电系统中。
混合式直流断路器如图1所示，包括相互并联的主支路、转移支路和耗能支路，其中主支路上串设有快速隔离开关和电子负载开关，电子负载开关由多个IGBT构成的电子开关串联而成；转移支路也是由多个电子开关串联而成，每个电子开关都由多个IGBT器件按照设定的拓扑结构进行连接，用于实现某个特定的功能，如图2是由四个IGBT器件t1、t2、t3和t4组成的电子开关，并且这四个IGBT器件上分别并联有防反二极管d1、d2、d3和d4；图3是由两个IGBT器件t5和t6串联而成的电子开关，并且这两个IGBT器件上分别并联有防反二极管d5和d6；还有按照其他拓扑结构连接而成的电子开关，这里不一一列举。耗能支路上设置有避雷器，通过控制电子开关，能够将转移支路上的电能转移到耗能支路上消耗。
受限于IGBT的容量和耐压水平，目前常用的方通常采用增加电子开关的并联和串联级数提升直流断路器的通流容量，即随着高压直流断路器的电压等级，主支路电子负载开关中电子开关的数量和转移支路中电子开关的数量也需要相应的增加。
随着直流断路器中电子开关数量的增加，直流断路器的体积也不断增加，直流断路器的占地面积和运行损耗也都相应的增加，使得直流断路器的制造成本和运行成本都比较高。
发明内容
本发明提供一种电子开关和混合式高压直流断路器，用于降低高压直流断路器的制造成本和运行成本。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
断路器方案1：一种混合式高压直流断路器，包括并联设置的主支路，转移支路和耗能支路；所述主支路包括机械开关和第一电子开关，转移支路包括第二电子开关；
所述第一电子开关和/或第二电子开关包括第一支路和第二支路；所述第一支路和第二支路中均串联设置有至少3个二极管，且第一支路和第二支路中二极管的数量相同；
第一支路和第二支路并联，形成第一并联端第二并联端；所述第一并联端连接第一支路中第一个二极管的阳极和第二支路中第一个二极管的阴极；第一支路中第i个二极管和第i+1个二极管的串联点与第二支路中第i个二极管和第i+1个二极管的串联之间设置有开关管，开关管的导通时导通的方向为其中一条支路中二极管的阴极到另一条支路中二极管的阳极，且各开关管的阳极与阴极之间均并联设置有相应的避雷器。
本发明提供的技术方案，在第一电子开关和第二电子开关中均设置有避雷器，取代传统的电容器均压的方式，不但降低设备的体积和制造成本；而且具有以下三个优点：
1、缩短了故障电流在直流断路器主支路向转移支路转移的时间；
2、缩短了故障电流在直流断路器的转移支路向耗能支路转移的时间；
3、缩短了直流断路器对故障电流的分断时间，提高了直流断路器的快速切除故障电流的能力。
本发明提供的技术方案，对于同电压等级的直流断路器，由于其级联结构精简高效，会大大减少设备的装配体积和连接导体的数量、降低均压系数，提高电子开关的均压能力，因此其电子开关的数量将会减少，直流断路器的体积减小，其制造成本和运行成本也会降低。
断路器方案2：在断路器方案1的基础上，各开关管均并联设置有相应的旁路开关。
设置旁路开关，当相应的开关管出现故障时，可采用旁路开关将该开关管旁路，使直流断路器仍然能够正常工作，提高直流断路器的可靠性。
断路器方案3：在断路器方案1或2的基础上，所述开关管为IGBT。主支路的第一电子开关的通流能力，可通过改变其中并联IGBT的数量进行调整。
电子开关方案1：一种电子开关，包括第一支路和第二支路；所述第一支路和第二支路中均串联设置有至少3个二极管，且第一支路和第二支路中二极管的数量相同；
第一支路和第二支路并联，形成第一并联端第二并联端；所述第一并联端连接第一支路中第一个二极管的阳极和第二支路中第一个二极管的阴极；第一支路中第i个二极管和第i+1个二极管的串联点与第二支路中第i个二极管和第i+1个二极管的串联之间设置有开关管，开关管的导通时导通的方向为其中一条支路中二极管的阴极到另一条支路中二极管的阳极，且各开关管的阳极与阴极之间均并联设置有相应的避雷器。
电子开关方案2：在电子开关方案1的基础上，各开关管均并联设置有相应的旁路开关。
电子开关方案3：在电子开关方案1或2的基础上，各开关管均为IGBT。主支路的第一电子开关的通流能力，可通过改变其中并联IGBT的数量进行调整。
附图说明
图1为现有技术中直流断路器的结构原理图；
图2为现有技术中直流断路器第一种电子开关的结构原理图；
图3为现有技术中直流断路器第二种电子开关的结构原理图；
图4为实施例中混合式高压直流断路器的结构原理图；
图5为实施例中第一电子开关的结构原理图；
图6为实施例中第一电子开关中第一种结构的原理图；
图7为实施例中设有旁路开关的第一电子开关中第一种结构的原理图；
图8为实施例中第一电子开关中第二种结构的原理图；
图9为实施例中设有旁路开关的第一电子开关中第二种结构的原理图；
图10为实施例中第一电子开关的电流从O1端流向O2端的示意图；
图11为实施例中第一电子开关的电流从O2端流向O1端的示意图。
具体实施方式
本发明提供一种电子开关和混合式高压直流断路器，不但可以缩短故障电流的转移时间和故障恢复时间，还能降低高压直流断路器的制造成本和运行成本。
直流断路器在正常工作的时候主支路的机械开关闭合，第一电子开关导通；在检测到故障电流的时候，会即可导通转移支路的第二电子开关，将故障电流转移到转移支路中，同时主支路的机械开关会分断，从故障电流向转移支路换流开始到故障电流全部转移走的时间就是故障电流的转移时间t1；机械开关分断时间为t2，然后故障电流从转移支路转向耗能支路，耗能支路把故障电流消耗为零时间的t3；这时候主支路检测到电流小于故障电流的报警值，将重新投入运行，导通主支路的第一电子开关并闭合机械开关，这段时间为t4；t1+t2+t3+t4就叫做故障恢复时间；其中t1、t3叫做故障电流的转移时间，避雷器并联开关管的方案与传统的并联电容器相比，t1、t3的值会明显的缩短，举例如t1的值从一百多微秒减小到十几微秒。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种混合式高压直流断路器，包括并联设置的主支路，转移支路和耗能支路；所述主支路包括机械开关和第一电子开关，转移支路包括第二电子开关；
所述第一电子开关和/或第二电子开关包括第一支路和第二支路；所述第一支路和第二支路中均串联设置有至少3个二极管，且第一支路和第二支路中二极管的数量相同；
第一支路和第二支路并联，形成第一并联端第二并联端；所述第一并联端连接第一支路中第一个二极管的阳极和第二支路中第一个二极管的阴极；第一支路中第i个二极管和第i+1个二极管的串联点与第二支路中第i个二极管和第i+1个二极管的串联之间设置有开关管，开关管的导通时导通的方向为其中一条支路中二极管的阴极到另一条支路中二极管的阳极，且各开关管的阳极与阴极之间均并联设置有相应的避雷器。
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。
本实施例提供一种混合式高压直流断路器，用于直流输电系统中，通过在电子开关中采取避雷器均压的技术方案，以及高效级联的拓扑结构，不但可以缩短故障电流的转移时间，提高直流断路器转移电流的能力；还可明显减小高压直流断路器的体积，降低电子开关级联回路中的电感效应和能量损耗，解决占地面积较大和制造成本较高的问题。
本实施例所提供的混合式高压直流断路器，其结构如图4所示，包括并联设置的主支路、转移支路和耗能支路。主支路中串联设置有机械开关和第一电子开关，转移支路中设置有第二电子开关，耗能支路中设置有主避雷器。
第一电子开关的结构如图5所示，包括第一支路和第二支路，第一支路和第二支路并联，形成第一并联端O1和第二并联端O2。
在第一支路和第二支路上分别串联设置有m个二极管，其中第一支路中串联设置的二极管分别为D11，D12,……D1i,……D1m；在第二支路中串联设置的二极管分别为D21，D22,……D2i,……D2m。第一并联端O1连接二极管D11的阳极和二极管D21的阴极，且第一支路和第二支路中各相邻的两个二极管方向相反。
第一电子开关中还设有m-1个开关管，每个开关并联设置有一个避雷器，各避雷器的其中一端连接相应开关管的阴极，另一端连接相应开关管的阳极。第i个开关管设置在第一支路中第i个二极管与第i+1个二极管的联结点与第二支路中第i个二极管与第i+1个二极管的联结点之间，其导通方向为其中一条支路中二极管的阴极至另一条支路中二极管的阳极。
当第一支路中第i个二极管的阴极与第i+1个二极管的阴极相连时，第二支路中第i个二极管的阳极与第i+1个二极管的阳极相连，此时第i个开关管的阴极连接第一支路中第i个和i+1个二极管的阴极，第i个开关管Gi的阳极连接第一支路中第i个和i+1个二极管的阳极，如图6所示。在第i个开关管Gi的阳极和阳极之间并联设置有旁路开关Ki，如图7所示，当第i个开关管Gi出现故障时控制相应的第一旁路开关Ki闭合，将故障的开关管Gi旁路，使直流断路器能够正常工作，从而提高直流断路器的可靠性。
当第一支路中第i个二极管的阳极与第i+1个二极管的阳极相连时，第二支路中第i个二极管的阴极与第i+1个二极管的阴极相连，此时第i个开关管的阴极连接第二支路中第i个和i+1个二极管的阴极，第i个开关管的阳极连接第一支路中第i个和i+1个二极管的阳极，如图8所示。在第i个开关管Gi的阳极与阴极之间并联设置有旁路开关Ki，如图9所示，当第i个开关管Gi出现故障时控制相应的旁路开关Ki闭合，将故障的开关管Gi旁路，使直流断路器能够正常工作，从而提高直流断路器的可靠性。
第二电子开关的结构与第一电子开关的结构相同，区别在于第二电子开关的第一支路和第二支路中分别设置有n个二极管。第一电子开关第一支路中二极管的数量m和第二电子开关第二支路中二极管的n均由直流断路器运行的线路故障电流值和运行电压等级决定。
根据直流断路器的通断需求和直流断路器上电流的方向，控制第一电子开关和第二电子开关中各开关管的通断。以转移支路中第二电子开关的控制为例，当第二电子开关的电流由第一并联端O1流向第二并联端O2时，控制第二电子开关中的各开关管导通，此时第一并联端O1流向第二并联端O2导通，如图10所示；当第二并联端O2流向第一并联端O1时，控制第二电子开关中的各开关管导通，此时第二并联端O2流向第一并联端O1之间导通，如图11所示。
设直流断路器所在运行系统的最高工作电压为Um，耗能支路的避雷器持续运行电压UC高于Um，耗能支路中避雷器的残压(即标准雷电冲击)为Ures；转移支路中开关管串联的级数为n级，其中每一级避雷器的残压为Unres，其中nUnres＞Ures；当转移支路中各电子开关的避雷器动作后，由于转移支路的避雷器残压之和高于耗能支路中避雷器的残压，因此将转移支路中的能量转移到耗能支路的避雷器上。
本实施例中，第一电子开关和第二电子开关中的开关管均采用IGBT，主支路的第一电子开关的通流能力，可通过改变其中并联IGBT的数量进行调整。
本实施例提供的新型混合式高压直流断路器，具有以下的特点：
1、混合式高压直流断路器的电子开关级联结构不需要设置大量的电子开关，可以大大减少回路的元件和电气连接的数量和体积，减小了设备的体积、占地面积，降低了设备的运行损耗，降低设备的制造成本和运行成本；
2、通过混合式高压直流断路器的电子开关级联结构中的避雷器实现对电子开关中开关管的均压保护，以及故障电流由直流断路器转移支路向耗能支路中避雷器的转移，该技术方法既克服了传统的电容器均压技术路线存在的难题，又降低了设备的体积、元器件的数量和设备的制造成本；
3、混合式高压直流断路器中开关管的级联方式和开关管并联的避雷器，能够提高直流断路器的电压等级和通流能力，并避免在增加串联、并联电子器件时所遇到的均压、器件选型等技术难题，以及在设备制造和运行时成本问题；
4、可以通过控制各二开关管的通断转换通流极性，通过在电子开关的每级IGBT器件的两端并联旁路开关方式轻易的实现故障设备的自动退出，通过对开关管所并联避雷器和耗能支路中避雷器的参数选择，实现对故障电流的转移和设备的保护。
Claims (6)
1.一种混合式高压直流断路器，包括并联设置的主支路，转移支路和耗能支路；所述主支路包括机械开关和第一电子开关，转移支路包括第二电子开关；
其特征在于，所述第一电子开关和/或第二电子开关包括第一支路和第二支路；所述第一支路和第二支路中均串联设置有至少3个二极管，且第一支路和第二支路中二极管的数量相同；
第一支路和第二支路并联，形成第一并联端第二并联端；所述第一并联端连接第一支路中第一个二极管的阳极和第二支路中第一个二极管的阴极；第一支路中第i个二极管和第i+1个二极管的串联点与第二支路中第i个二极管和第i+1个二极管的串联之间设置有开关管，开关管的导通时导通的方向为其中一条支路中二极管的阴极到另一条支路中二极管的阳极，且各开关管的阳极与阴极之间均并联设置有相应的避雷器。
2.根据权利要求1所述的一种混合式高压直流断路器，其特征在于，各开关管均并联设置有相应的旁路开关。
3.根据权利要求1或2所述的一种混合式高压直流断路器，其特征在于，所述开关管为IGBT。
4.一种电子开关，其特征在于，包括第一支路和第二支路；所述第一支路和第二支路中均串联设置有至少3个二极管，且第一支路和第二支路中二极管的数量相同；
第一支路和第二支路并联，形成第一并联端第二并联端；所述第一并联端连接第一支路中第一个二极管的阳极和第二支路中第一个二极管的阴极；第一支路中第i个二极管和第i+1个二极管的串联点与第二支路中第i个二极管和第i+1个二极管的串联之间设置有开关管，开关管的导通时导通的方向为其中一条支路中二极管的阴极到另一条支路中二极管的阳极，且各开关管的阳极与阴极之间均并联设置有相应的避雷器。
5.根据权利要求4所述的一种电子开关，其特征在于，各开关管均并联设置有相应的旁路开关。
6.根据权利要求4或5所述的一种电子开关，其特征在于，各开关管均为IGBT。
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