CN108448544A - 一种限流式低损耗混合直流断路器及工作方法 - Google Patents

一种限流式低损耗混合直流断路器及工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种限流式低损耗混合直流断路器及工作方法，该直流断路器由机械开关支路，能量转移支路，电力电子开关串联支路，能量吸收支路以及进线端A1和出线端A2构成；其中机械开关支路由两个快速机械开关构成；能量转移支路由两个二极管、两个全控型大功率电力电子开关、预充电电容器与限流元件构成；电力电子开关串联支路由全控型大功率电力电子开关串联构成；能量吸收支路由避雷器构成；本发明可在故障电流出现时才投入限流元件，对故障电流的上升率进行限制，从而减小限流元件在额定通流情况下带来的损耗；同时本发明在额定通流情况下损耗小，降低能源的损耗。

Description

一种限流式低损耗混合直流断路器及工作方法
技术领域
本发明涉及直流断路器技术领域，具体涉及一种限流式低损耗混合直流断路器及工作方法，该直流断路器可用于直流输电系统中，如铁路系统，船舶系统以及直流输电网中。
背景技术
近年来，随着经济的发展和人民生活水平的提高使得用电负荷持续增长。电网中发生短路故障时，短路电流水平日益提高。尤其在直流供电系统中，短路电流上升速率极高。传统的机械式断路器受自身结构特点和直流系统电流无过零点的限制，使其关断故障电流时间较长甚至关断失败。同时，由于短路电流峰值极高，可能会对系统中运行的电力设备造成不可恢复的破坏。
随着全控型电力电子器件的发展，其分断时间短且分断过程无电弧。但是其通态情况下损耗大，发热严重，需要冷却系统。因此，利用全控型电力电子开关与机械开关相结合来开断直流系统短路故障的方法引起越来越多人的关注。但目前用于商业化的混合式直流断路器大部分为强制换流型，在额定通流支路会有全控型电力电子开关器件，增大断路器在额定工作时的导通损耗，同时需增加对全控型电力电子开关的冷却系统，增加额外的能源供应。因此研制低损耗，可靠性高的混合式直流断路器以及成为了迫切需要。
发明内容
为降低混合式直流断路器导通时的通态损耗以及系统出现短路故障时，混合断路器的限流元件可在故障电流出现时投入，从而减少不必要的损耗。本发明的目的在于提供一种限流式低损耗混合直流断路器及其工作方法。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种限流式低损耗混合直流断路器，包括机械开关支路、能量转移支路、电力电子开关串联支路、能量吸收支路以及进线端A1和出线端A2；
所述的机械开关支路由第一快速机械开关S1和第二快速机械开关S2串联构成，第一快速机械开关S1的一端与进线端A1相连接，另一端与第二快速机械开关S2相连接；第二快速机械开关S2的另一端与出线端A2相连接；由于机械开关导通阻抗低，使该断路器在额定工作情况下导通损耗小；
所述的能量转移支路由第一二极管D1和第二二极管D2、第一全控型大功率电力电子开关S3和第二全控型大功率电力电子开关S4、预充电电容器C1以及限流元件L组成；所述的第一二极管D1阳极与第一全控型大功率电力电子开关S3集电极相连接，第一二极管D1阴极与第二全控型大功率电力电子开关S4集电极相连接；第二二极管D2阳极与第一全控型大功率电力电子开关S3发射极相连接，第二二极管D2阴极与第二全控型大功率电力电子开关S4发射极相连接，四者依次串联为一回路；所述的预充电电容器C1，其正极连接于第一二极管D1阴极与第二全控型大功率电力电子开关S4集电极之间，其负极连接于第二二极管D2阳极与第一全控型大功率电力电子开关S3发射极之间；
所述的能量转移支路，其第一二极管D1阳极与第一全控型大功率电力电子开关S3集电极之间的连接线以及第二二极管D2阴极与第二全控型大功率电力电子开关S4发射极之间的连接线分别与机械开关支路中第一快速机械开关S1和快速机械开关S2之间的连接线以及限流元件L的一端相连，其中限流元件L的另一端与出线端A2相连接；
所述的电力电子开关串联支路由多个全控型大功率电力电子开关S5串联而成，其作用为避免故障电流在电流转移支路中流经时间过长导致预充电电容器C1反向充电而造成的开断失败，其中所用的全控型大功率电力电子开关S5的数量根据系统电压等级和大功率电力电子开关耐压参数确定；电力电子开关串联支路头部的全控型大功率电力电子开关S5集电极一端与进线端A1相连接，尾部的全控型大功率电力电子开关S5其发射极一端通过第三二极管D3与能量转移支路和限流元件L之间的连接线相连接；其中，第三二极管D3阳极端与全控型大功率电力电子开关S5相连，第三二极管D3阴极端与能量转移支路和限流元件L之间的连接线相连接；第三二极管D3作用为防止预充电电容器C1向全控型大功率电力电子开关S5反向充电；
所述的能量吸收支路由避雷器MOV组成，避雷器MOV并联于电力电子开关串联支路两端，用于吸收全控型大功率电力电子开关S5关断后线路中的剩余能量和限制全控型大功率电力电子开关S5承受的过电压；
所述的限流元件L由铁块L1和绕有线圈的有缺口的环状铁芯L2构成，绕有线圈的有缺口的环状铁芯L2上的线圈同向绕制；铁块L1与绕有线圈的有缺口的环状铁芯L2紧密结合时形成封闭铁芯；其中铁块L1与第二快速机械开关S2机械连通，当第二快速机械开关S2处于闭合状态时，铁块L1与绕有线圈的有缺口的环状铁芯L2完全分离；当第二快速机械开关S2断开时，铁块L1与绕有线圈的有缺口的环状铁芯L2紧密结合形成封闭铁芯。
所述第一快速机械开关S1为真空断路器、气体断路器或隔离开关；第二快速机械开关S2为真空断路器或气体断路器。
所述第一全控型大功率电力电子开关S3、第二全控型大功率电力电子开关S4和全控型大功率电力电子开关S5为IEGT、IGCT或IGBT；正常工作条件时，全控型大功率电力电子开关处于关断状态。
所述的限流元件L的形式采用单孔插入式、多孔插入式或采用滚动插入方式。
所述的限流式低损耗混合直流断路器的工作方法，
在正常运行工况下，电流流经第一快速机械开关S1和第二快速机械开关S2支路，由于机械开关通态阻抗小，从而该混合直流断路器在额定工作条件下损耗小；
当系统发生短路故障时，故障电流从进线端A1流入，此时向第一快速机械开关S1和第二快速机械开关S2发出动作指令，使第一快速机械开关S1和第二快速机械开关S2触头分离，与此同时触发能量转移支路中的第一全控型大功率电力电子开关S3和第二全控型大功率电力电子开关S4使其导通，预充电电容器C1分别通过第二全控型大功率电力电子开关S4、限流元件L、第二快速机械开关S2和第一全控型大功率电力电子开关S3回路为第二快速机械开关S2提供反向电流，使快第二速机械开关S2在产生人工过零点的条件下而被快速关断；在第二快速机械开关S2完全断开前，限流元件中铁块L1与绕有线圈的有缺口的环状铁芯L2没有完全结合，此过程中限流元件对预充电电容器C1给第二快速机械开关S2提供的反向电流几乎无限制作用；当第二快速机械开关S2完全断开后，限流元件中铁块L1与绕有线圈的有缺口的环状铁芯L2紧密结合，限流元件L开始对故障电流上升率起到限制作用；
当第二快速机械断开关S2完全断开后，电流完全转移至能量转移支路，此时电流流经第一快速机械开关S1、第一全控型大功率电力电子开关S3、预充电电容器C1、第二全控型大功率电力电子开关S4和限流元件L支路；
然后在同一时间内断开第一全控型大功率电力电子开关S3和第二全控型大功率电力电子开关S4，同时触发导通全控型大功率电力电子开关S5，使故障电流强制转移到电力电子开关串联支路；
随后关断串联的全控型大功率电力电子开关S5，能量吸收支路的避雷器MOV导通，故障电流逐渐减小直至为零，故障电流被切除。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明的限流式低损耗混合式直流断路器，在其额定通流情况时，参与导通的部分仅有快速机械开关，通流损耗小。从而减少能量损耗以及不必要的电能浪费。
2、本发明的限流式低损耗混合式直流断路器，该断路器可以通过控制限流元件L中铁块L1和绕有线圈的有缺口的环状铁芯L2的结合与分离从而有选择的对故障电流上升率进行限制。通过该方式可避免像以往限流装置需要冷却系统而造成的占地面积大，并且需要额外的电能供应；本发明可在系统出现短路故障后才投入限流单元，从而避免限流元件在额定工作条件时带来的不必要的能量损耗。
附图说明
图1为本发明一种限流式低损耗混合直流断路器结构示意图。
图2为本发明限流式低损耗混合直流断路器的限流元件的几种形式。
其中：
图2(a)为单孔插入式，铁块L1与绕有线圈的有缺口的环状铁芯L2为导磁材料；
图2(b)为多孔插入式，铁块L1与绕有线圈的有缺口的环状铁芯L2为导磁材料，L3为不导磁材料制作的支撑板；
图2(c)滚动插入式，铁块L1与绕有线圈的有缺口的环状铁芯L2为导磁材料。铁块L1沿中间轴转动，控制铁块L1与绕有线圈的有缺口的环状铁芯L2接触和分开。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，在正常运行工况下，电流流经第一快速机械开关S1和第二快速机械开关S2支路，由于机械开关通态阻抗小，从而该混合直流断路器在额定工作条件下损耗小。
当系统发生短路故障时，故障电流从进线端A1流入，此时向第一快速机械开关S1和第二快速机械开关S2发出动作指令，使第一快速机械开关S1和第二快速机械开关S2的触头分离，与此同时触发能量转移支路中的第一全控型大功率电力电子开关S3和第二全控型大功率电力电子开关S4使其导通，预充电电容器C1分别通过第二全控型大功率电力电子开关S4、限流元件L、第二快速机械开关S2和第一全控型大功率电力电子开关S3回路为第二快速机械开关S2提供反向电流，使第二快速机械开关S2在产生人工过零点的条件下而被快速关断；在第二快速机械开关S2完全断开前，限流元件中铁块L1与绕有线圈的有缺口的环状铁芯L2没有完全结合，此过程中限流元件L对预充电电容器C1给第二快速机械开关S2提供的反向电流几乎无限制作用；当第二快速机械开关S2完全断开后，限流元件中铁块L1与绕有线圈的有缺口的环状铁芯L2紧密结合，限流元件L开始对故障电流上升率起到限制作用。
当第二快速机械断开关S2完全断开后，故障电流完全转移至能量转移支路，此时电流流经第一快速机械开关S1、第一全控型大功率电力电子开关S3、预充电电容器C1、第二全控型大功率电力电子开关S4和限流元件L支路。
然后在同一时间内断开第一全控型大功率电力电子开关S3和第二全控型大功率电力电子开关S4，同时触发导通全控型大功率电力电子开关S5，使故障电流强制转移到电力电子开关串联支路。从而避免故障电流在电流转移支路中流经时间过长导致预充电电容器C1反向充电而造成的开断失败。
随后关断串联的全控型大功率电力电子开关S5，当全控型大功率电力电子开关S5两端电压达到避雷器MOV动作电压时，能量吸收支路的避雷器MOV导通，故障电流逐渐减小直至为零，故障电流被切除。
如图2中图2(a)、图2(b)、图2(c)所示，所述的限流元件L的形式分别采用单孔插入式、多孔插入式或采用滚动插入方式。

Claims (5)

1.一种限流式低损耗混合直流断路器，包括机械开关支路、能量转移支路、电力电子开关串联支路、能量吸收支路以及进线端(A1)和出线端(A2)，其特征在于：
所述的机械开关支路由第一快速机械开关(S1)和第二快速机械开关(S2)串联构成，第一快速机械开关(S1)的一端与进线端(A1)相连接，另一端与第二快速机械开关(S2)相连接；第二快速机械开关(S2)的另一端与出线端(A2)相连接；由于机械开关导通阻抗低，使该断路器在额定工作情况下导通损耗小；
所述的能量转移支路由第一二极管(D1)和第二二极管(D2)、第一全控型大功率电力电子开关(S3)和第二全控型大功率电力电子开关(S4)、预充电电容器(C1)以及限流元件(L)组成；所述的第一二极管(D1)阳极与第一全控型大功率电力电子开关(S3)集电极相连接，第一二极管(D1)阴极与第二全控型大功率电力电子开关(S4)集电极相连接；第二二极管(D2)阳极与第一全控型大功率电力电子开关(S3)发射极相连接，第二二极管(D2)阴极与第二全控型大功率电力电子开关(S4)发射极相连接，四者依次串联为一回路；所述的预充电电容器(C1)，其正极连接于第一二极管(D1)阴极与第二全控型大功率电力电子开关(S4)集电极之间，其负极连接于第二二极管(D2)阳极与第一全控型大功率电力电子开关(S3)发射极之间；
所述的能量转移支路，其第一二极管(D1)阳极与第一全控型大功率电力电子开关(S3)集电极之间的连接线以及第二二极管(D2)阴极与第二全控型大功率电力电子开关(S4)发射极之间的连接线分别与机械开关支路中第一快速机械开关(S1)和快速机械开关(S2)之间的连接线以及限流元件(L)的一端相连，其中限流元件(L)的另一端与出线端(A2)相连接；
所述的电力电子开关串联支路由多个全控型大功率电力电子开关(S5)串联而成，其作用为避免故障电流在电流转移支路中流经时间过长导致预充电电容器(C1)反向充电而造成的开断失败，其中所用的全控型大功率电力电子开关(S5)的数量根据系统电压等级和大功率电力电子开关耐压参数确定；电力电子开关串联支路头部的全控型大功率电力电子开关(S5)集电极一端与进线端(A1)相连接，尾部的全控型大功率电力电子开关(S5)其发射极一端通过第三二极管(D3)与能量转移支路和限流元件(L)之间的连接线相连接；其中，第三二极管(D3)阳极端与全控型大功率电力电子开关(S5)相连，第三二极管(D3)阴极端与能量转移支路和限流元件(L)之间的连接线相连接；第三二极管(D3)作用为防止预充电电容器(C1)向全控型大功率电力电子开关(S5)反向充电；
所述的能量吸收支路由避雷器(MOV)组成，避雷器(MOV)并联于电力电子开关串联支路两端，用于吸收全控型大功率电力电子开关(S5)关断后线路中的剩余能量和限制全控型大功率电力电子开关(S5)承受的过电压；
所述的限流元件(L)由铁块(L1)和绕有线圈的有缺口的环状铁芯(L2)构成，绕有线圈的有缺口的环状铁芯(L2)上的线圈同向绕制；铁块(L1)与绕有线圈的有缺口的环状铁芯(L2)紧密结合时形成封闭铁芯；其中铁块(L1)与第二快速机械开关(S2)机械连通，当第二快速机械开关(S2)处于闭合状态时，铁块(L1)与绕有线圈的有缺口的环状铁芯(L2)完全分离；当第二快速机械开关(S2)断开时，铁块(L1)与绕有线圈的有缺口的环状铁芯(L2)紧密结合形成封闭铁芯。
2.根据权利要求1所述的限流式低损耗混合直流断路器，其特征在于：所述第一快速机械开关(S1)为真空断路器、气体断路器或隔离开关；第二快速机械开关(S2)为真空断路器或气体断路器。
3.根据权利要求1所述的限流式低损耗混合直流断路器，其特征在于：所述第一全控型大功率电力电子开关(S3)、第二全控型大功率电力电子开关(S4)和全控型大功率电力电子开关(S5)为IEGT、IGCT或IGBT；正常工作条件时，全控型大功率电力电子开关处于关断状态。
4.根据权利要求1所述的限流式低损耗混合直流断路器，其特征在于：所述的限流元件(L)的形式采用单孔插入式、多孔插入式或采用滚动插入方式。
5.权利要求1至4任一项所述的限流式低损耗混合直流断路器的工作方法，其特征在于：
在正常运行工况下，电流流经第一快速机械开关(S1)和第二快速机械开关(S2)支路，由于机械开关通态阻抗小，从而该混合直流断路器在额定工作条件下损耗小；
当系统发生短路故障时，故障电流从进线端(A1)流入，此时向第一快速机械开关(S1)和第二快速机械开关(S2)发出动作指令，使第一快速机械开关(S1)和第二快速机械开关(S2)触头分离，与此同时触发能量转移支路中的第一全控型大功率电力电子开关(S3)和第二全控型大功率电力电子开关(S4)使其导通，预充电电容器(C1)分别通过第二全控型大功率电力电子开关(S4)、限流元件(L)、第二快速机械开关(S2)和第一全控型大功率电力电子开关(S3)回路为第二快速机械开关(S2)提供反向电流，使快第二速机械开关(S2)在产生人工过零点的条件下而被快速关断；在第二快速机械开关(S2)完全断开前，限流元件中铁块(L1)与绕有线圈的有缺口的环状铁芯(L2)没有完全结合，此过程中限流元件对预充电电容器(C1)给第二快速机械开关(S2)提供的反向电流几乎无限制作用；当第二快速机械开关(S2)完全断开后，限流元件中铁块(L1)与绕有线圈的有缺口的环状铁芯(L2)紧密结合，限流元件(L)开始对故障电流上升率起到限制作用；
当第二快速机械断开关(S2)完全断开后，电流完全转移至能量转移支路，此时电流流经第一快速机械开关(S1)、第一全控型大功率电力电子开关(S3)、预充电电容器(C1)、第二全控型大功率电力电子开关(S4)和限流元件(L)支路；
然后在同一时间内断开第一全控型大功率电力电子开关(S3)和第二全控型大功率电力电子开关(S4)，同时触发导通全控型大功率电力电子开关(S5)，使故障电流强制转移到电力电子开关串联支路；
随后关断串联的全控型大功率电力电子开关(S5)，能量吸收支路的避雷器(MOV)导通，故障电流逐渐减小直至为零，故障电流被切除。
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