CN108599099A

CN108599099A - 一种多线路直流断路器及开断方法

Info

Publication number: CN108599099A
Application number: CN201810383746.3A
Authority: CN
Inventors: 余修勇; 张志丰; 滕尚甫; 朱志芹; 刘怡; 张国民
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2018-04-26
Filing date: 2018-04-26
Publication date: 2018-09-28
Anticipated expiration: 2038-04-26
Also published as: CN108599099B

Abstract

本发明涉及一种多线路直流断路器及开断方法，在典型的混合式直流断路器拓扑的基础上，通过共享主支路和耗能支路，在不影响可靠性的前提下，减小了在多线路网状直流系统中直流断路器的成本。通过将直流线路连接在多边形的顶点，在多边形中每一条边串联故障转移支路，在相间的边并联主支路和耗能支路。故障时，故障线路相邻的未并联主支路和耗能支路的故障转移支路的开关和所有并联有主支路和耗能支路的故障转移支路的开关动作，让所有馈线的故障电流都至少通过一个主支路和耗能支路进行开断和能量泄放。当故障电流下降到设定的阈值时，故障线路上的隔离开关动作，隔离故障线路。

Description

一种多线路直流断路器及开断方法

技术领域

本发明涉及一种利用共享支路的多线路直流断路器，属于直流电网中的开断技术领域。

背景技术

由于化石能源的日益枯竭以及环境恶化问题的加剧，世界各国普遍认为能源的开发必须向绿色可再生能源过渡。如何将具有间歇性、随机性的可再生能源(如风能、太阳能等)规模接入电网成为了当前一个亟待解决的问题。随着功率半导体技术的进步，基于电压源换流器的高压直流输电(voltage source converter high voltage direct current，VSC-HVDC)技术由于不存在换相失败、有功无功解耦控制、无需滤波和无功补偿设备、且更适合构成直流网络运行，是解决可再生能源规模接入电网的重要手段。目前，随着直流电网的电压等级越来越高(如张北四端柔性直流电网的电压等级高达±500kV)，容量越来越大，直流开断技术是阻碍其进一步发展的重要挑战之一。一方面，VSC-HVDC系统是一个“低惯量”系统，在直流线路发生故障后将影响整个网络，直流短路电流上升速度快，在几毫秒内就可能严重过流。同时，基于可控半导体器件(如IGBT)的电压源换流器的过流能力弱，如果不采取快速的限流开断技术，这些器件极有可能遭到破坏。另一方面，直流短路电流不存在过零点，利用交变电流过零点实现开断的传统交流断路器将不再适用于直流系统，这严重加大了大容量直流断路器的研制难度。因此，迫切需要发展大容量、高可靠性的直流断路器。

目前直流断路器通常分为三大类：机械开关振荡式、固态开关式和混合式直流断路器。机械振荡式又可分为无源的自激振荡法和有源的预充电振荡法，其中自激振荡法过零点的形成一般需要几十毫秒，难以满足直流电网保护速度的要求。固态开关式能够实现毫秒级开断，但是也存在通态损耗过高的缺点，可能达到换流器损耗的30％左右。混合式直流断路器通过主支路、转移支路、耗能支路的配合，系统稳态时电流流过开关数量很少的转移支路，解决了固态开关式稳态损耗过高的缺点。2011年前后ABB公司成功研制了开断能力达到9kA的混合式直流断路器。2016年底我国自主研制的±200kV高压混合式直流断路器在舟山五端工程投运，该断路器能够在3ms内断开15kA短路电流。2017年南瑞自主研制了世界上首台500kV，开断能力25kA/3ms的混合式直流断路器。目前，混合式直流断路器已经基本能够实现500kV级开断，阻碍其进一步应用的是高昂的成本，特别是在多端直流网络需要大量直流断路器的情况中。对于一台混合式直流断路器，其成本最高的是起到故障断流功能的主支路，通常主支路需要串联大量的电力电子开关器件。

本发明通过将传统的辐射状断路器布置方式，改成环状布置，同时只需要在相间隔的地方配置混合式直流断路器的主支路和耗能支路。在多线路系统中，共享主支路和耗能支路，在不影响可靠性的前提下，不仅减小了单台断路器的容量，还大大减少了器件的使用量，缩减了成本，能够满足在网状多线系统中的应用。

发明内容

本发明技术解决的问题：克服传统混合式直流断路器成本过高的缺点，提供一种多线路直流断路器及开断方法，特别是在网状多线路直流系统中，通过共享直流断路器的主支路和耗能支路，大大减小了直流开断的成本，满足在网状多线路柔性直流电网中的应用要求。

本发明采用的技术方案之一：一种多线路直流断路器，包括：所述多线路为三条直流线路，三条直流线路分别连接在三角形的三个顶点，三个故障转移支路分别串联在三角形的三条边中，两个主支路及耗能支路分别与其中的两个故障转移支路相并联；其中，故障转移支路由快速机械开关和电力电子开关串联组成，电力电子开关由一对反向串联的IGBT及其并联的二极管组成，或由一对反向串联的IGCT及其并联的二极管组成；主支路由多个串联的电力电子开关组成，其个数由直流断路器的开断容量决定，对于±100kV的直流系统可能需要将近上百个；耗能支路通常可以由金属氧化物避雷器组成。

本发明采用的技术方案之二：本发明一种多线路直流断路器，包括：所述多线路为四条直流线路，四条直流线路分别连接在四边形的四个顶点，四个故障转移支路分别串联在四边形的四条边中，两个主支路及耗能支路分别与四边形两条对边相并联；其中，故障转移支路由快速机械开关和电力电子开关串联组成，电力电子开关由一对反向串联的IGBT及其并联的二极管组成，或由一对反向串联的IGCT及其并联的二极管组成；主支路由多个串联的电力电子开关组成，其个数由直流断路器的开断容量决定，对于±100kV的直流系统可能需要将近上百个；耗能支路通常可以由金属氧化物避雷器组成。

本发明采用的技术方案之三：一种多线路直流断路器，所述多线路为n条直流线路，所述n≥5；所述多线路直流断路器包括：n条直流线路分别连接在n边形的n个顶点，n个故障转移支路分别串联在n边形的n条边中，在n边形中相间隔的边上分别并联主支路及耗能支路；由于主支路及耗能支路在n边形中相间隔的边上布置，当n为偶数时需要n/2个，当n为奇数时需要(n+1)/2个；其中，故障转移支路由快速机械开关和电力电子开关串联组成，电力电子开关由一对反向串联的IGBT及其并联的二极管组成，或由一对反向串联的IGCT及其并联的二极管组成；主支路由多个串联的电力电子开关组成，其个数由直流断路器的开断容量决定，对于±100kV的直流系统可能需要将近上百个；耗能支路通常可以由金属氧化物避雷器组成。

工作过程：电网稳态时，电流从故障转移支路流过，通态损耗几乎可以忽略；在直流线路发生故障，故障快速保护装置识别后，让故障线路相邻的未并联有主支路和耗能支路的故障转移支路的开关，以及所有并联有主支路和耗能支路的故障转移支路的开关动作；当电流转移到主支路后，任意一条馈入故障线路短路电流的线路都将至少通过一个主支路；主支路上的电力电子开关动作，故障电流转移到耗能支路进行能量的泄放；当故障电流下降到定的隔离开关能够切断的阈值时，故障线路的隔离开关动作，隔离故障线路，实现直流开断。

利用技术解决方案之一的多线路直流断路器的开断方法，实现为：电网稳态时，电流从三条故障转移支路流过通态电流；当三条线路中的某一条发生故障后，故障快速保护装置检测到该线路故障，并向该线路相邻的未并联主支路及耗能支路的故障转移支路和所有并联有主支路及耗能支路的故障转移支路发出指令，电力电子开关和快速机械开关动作，在经过几个ms后，未故障的两条线路馈入到故障线路的短路电流都将至少通过一个主支路；此时，主支路上的电力电子开关动作，短路电流通过耗能支路进行能量的泄放，当电流下降到设定的隔离开关能够切断的阈值时，故障线路的隔离开关动作，隔离故障线路。

利用技术解决方案之二的多线路直流断路器的开断方法，实现为：电网稳态时，电流从四条故障转移支路流过通态电流；当故障快速保护装置检测到四条线路中的某一条线路发生故障，向该线路相邻的未并联主支路及耗能支路的故障转移支路和所有并联有主支路及耗能支路的故障转移支路发出指令，电力电子开关和快速机械开关动作，在经过几个ms后，未故障的两条线路馈入到故障线路的短路电流都将至少通过一个主支路；此时，主支路上的电力电子开关动作，短路电流通过耗能支路进行能量的泄放；当电流下降到设定的隔离开关能够切断的阈值时，故障线路的隔离开关动作，隔离故障线路，四线路直流断路器变成三线路直流断路器继续运行。

利用技术解决方案之三的多线路直流断路器的开断方法，实现为：电网稳态时，电流从n条故障转移支路流过通态电流；当某一条直流线路发生故障后，与之相邻的未并有主支路及耗能支路的电流转移之路和所有并联有主支路及耗能支路的电流转移支路中的开关动作，电流转移到主支路；经过几个ms，快速机械开关拉开一定的物理间距，约几十毫米，以保证故障限流支路上的快速机械开关的电弧不会重燃后，主支路上的开关动作，电流通过耗能支路进行能量的泄放；当电流下降到设定的隔离开关能够切断的阈值时，故障线路的隔离开关动作，隔离故障区域，n线路直流断路器变成n-1线路直流断路器运行。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明通过共享直流断路器中的主支路和耗能支路，大大降低了直流开断的成本，特别是在网状多线路直流系统中。

(2)本发明将直流线路分别接入到多边形的不同顶点，在某条直流线路故障后，不仅降低了单台断路器容量，并且整个多线路直流断路器的动作时序简单，具有较高的可靠性。

附图说明

图1为传统的混合式直流断路器拓扑结构图；

图2为本发明具体实施例1的拓扑结构图；

图3为本发明具体实施例2的拓扑结构图；

图4为本发明具体实施例3的拓扑结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，目前已存在的传统的混合式直流断路器主要由转移支路、主支路和耗能支路组成。其中，转移支路由快速机械开关UFD和负荷转移开关LCS串联组成，而负荷转移开关LCS是由一对反向串联的电力电子开关组成，电力电子开关可以为IGBT及其反向并联的二极管组成，或IGCT及其反向并联的二极管组成。主支路MB由大量串联的电力电子开关组成，与之并联的金属氧化物避雷器组成耗能支路SA。转移支路、主支路和耗能支路并联于连接点a和b之间。正常运行时，电流从转移支路上流过，减小了通态运行时的损耗。故障后，转移之路中快速机械开关UFD和负荷转移开关LCS动作，当电流转移到主支路后，主支路上串联的大量电力电子开关动作，电流再通过并联的耗能支路SA进行能量的泄放。最后，当故障电流下降到很小的值时，隔离开关DS动作，从而实现直流故障开断。

本发明在典型的混合式直流断路器拓扑的基础上，通过共享主支路和耗能支路，在不影响可靠性的前提下，减小在多线路网状直流系统中直流断路器的成本。

如图2所示，本发明的具体实施例1为一种三线路直流断路器。本发明实施例的三线路直流断路器包括三个转移之路LS1-LS3，两个主支路及耗能支路MB1-MB2，以及三个隔离开关DS1-DS3。其中，转移开关LS1-LS3具有和图1中转移支路相同的结构和功能，主支路及耗能支路MB1-MB2具有和图1中的主支路及耗能支路相同的结构和功能。其中，转移支路LS1和主支路及耗能支路MB1并联与第一连接点a和第二连接点b之间，转移支路LS3和主支路及耗能支路MB2并联在第一连接点a和第三连接点c之间。转移支路LS2连接在第二连接点b和第三连接点c之间。隔离开关DS1和线路1串接到第一连接点a，隔离开关DS2和线路2串接到第二连接点DS2，隔离开关DS3和线路3串接到第一连接点c。

本发明的具体实施例1的三线路直流断路器开断过程为：当线路1-3中的某一条线路发生故障后，为了便于说明，假设直流线路3发生了短路故障，线路1和线路2都将通过图2所示的三线路直流断路器馈入故障短路电流。当快速故障检测装置检测到直流线路3发生故障后。首先，线路3相邻的转移开关LS2、并联有主支路及耗能支路的转移开关LS1和转移开关LS3中的负荷转移开关LCS和快速机械开关UFD动作。开关动作后，所有线路都将通过主支路及耗能支路MB1或主支路及耗能支路MB2，馈入故障短路电流到直流线路3短路故障处。然后，再经过一段时间，大约为2-3ms，转移开关LS1、LS2和LS3中的快速机械开关UFD拉开了一定的物理间距，约几十毫米后，主支路及耗能支路MB1和MB2中的主开关动作，线路2馈入的故障电流经由主支路及耗能支路MB1和MB2中的耗能支路进行泄放，而线路1馈入的故障电流经由主支路及耗能支路MB2中的耗能支路进行泄放。当故障回路中的短路电流下降到设定的隔离开关能够切断的阈值，一般为几十安培，线路3中的隔离开关DS3动作，隔离故障线路3。最后，当隔离开关DS3断开成功之后，转移开关LS1、LS2和LS3中的负荷转移开关LCS和快速机械开关UFD重新闭合。三线路直流断路器变成二线路直流断路器继续运行。

如图3所示，本发明的具体实施例2为一种四线路直流断路器。本发明实施例的四线路直流断路器包括四个转移支路LS1-LS4，两个主支路及耗能支路MB1-MB2，以及四个隔离开关DS1-DS4。其中，转移开关LS1-LS4具有和图1中转移支路相同的结构和功能，主支路及耗能支路MB1-MB2具有和图1中的主支路及耗能支路相同的结构和功能。其中，转移支路LS2和主支路及耗能支路MB1并联与第一连接点a和第二连接点b之间，转移支路LS4和主支路及耗能支路MB2并联在第三连接点c和第四连接点d之间。转移支路LS1连接在第一连接点a和第四连接点d之间，转移支路LS3连接在第二连接点b和第三连接点c之间。隔离开关DS1和线路1串接到第一连接点a，隔离开关DS2和线路2串接到第二连接点b，隔离开关DS3和线路3串接到第一连接点c，隔离开关DS4和线路4串接到第一连接点d。

本发明的具体实施例2的四线路直流断路器开断过程为：当线路1-4中的某一条线路发生故障后，为了便于说明，假设直流线路3发生了短路故障，线路1、2、4都将馈入故障短路电流到故障线路3。当快速故障检测装置，检测到直流线路3发生故障后。首先，线路3相邻的转移开关LS3，并联有主支路及耗能支路的转移开关LS2和转移开关LS4中的负荷转移开关LCS和快速机械开关UFD动作。开关动作后，故障电流将通过主支路及耗能支路MB1、转移开关LS1和主支路及耗能支路MB2，馈入故障短路电流到直流线路3短路故障处。然后，再经过一段时间，大约为2-3ms，转移开关LS3、LS2和LS4中的快速机械开关UFD拉开了一定的物理间距后，主支路及耗能支路MB1和MB2中的主开关动作，线路2馈入的故障电流经由主支路及耗能支路MB1和MB2中的耗能支路进行泄放，而线路1和线路4馈入的故障电流经由主支路及耗能支路MB2中的耗能支路进行泄放。当故障回路中的短路电流下降到设定的隔离开关能够切断的阈值后，线路3中的隔离开关DS3动作，隔离故障线路3。最后，当隔离开关DS3断开成功之后，转移开关LS3、LS2和LS4中的负荷转移开关LCS和快速机械开关UFD重新闭合。四线路直流断路器变成三线路直流断路器继续运行。

如图4所示，本发明的具体实施例3为一种n线路直流断路器(n≥5)。本发明实施例的n线路直流断路器包括n个转移支路LS1-LSn，当n为偶数时，存在n/2个主支路及耗能支路MB1-MBn/2，当n为奇数时，存在(n+1)/2个主支路及耗能支路MB1-MB(n+1)/2，以及n个隔离开关DS1-DSn。其中，转移开关LS1-LSn具有和图1中转移支路相同的结构和功能，主支路及耗能支路MB1-MBn/2或(MB(n+1)/2)具有和图1中的主支路及耗能支路相同的结构和功能。当n为偶数个时，转移支路LS1和主支路及耗能支路MB1并联与第一连接点a和第二连接点b之间，转移支路LS3和主支路及耗能支路MB2并联在第三连接点c和第四连接点d之间，…，转移支路LS(n-1)和主支路及耗能支路MB(n/2)并联在第n-1连接点n-1和第n连接点n之间。转移支路LS2连接在第二连接点b和第三连接点c之间，转移支路LS4连接在第四连接点d和第五连接点e之间、…、转移支路LSn连接在第n连接点n和第一连接点a之间；当n为奇数个时，转移支路LS1和主支路及耗能支路MB1并联与第一连接点a和第二连接点b之间，转移支路LS3和主支路及耗能支路MB2并联在第三连接点c和第四连接点d之间，…，转移支路LSn和主支路及耗能支路MB(n+1)/2并联在第n连接点n和第1连接点a之间。转移支路LS2连接在第二连接点b和第三连接点c之间，转移支路LS4连接在第四连接点d和第五连接点e之间、…、转移支路LS(n-1)连接在第n-1连接点n-1和第n连接点n之间。线路1、线路2、…、线路n分别于隔离开关DS1、DS2、…、DSn串联在第一连接点a、第二连接点b、…、第n连接点n处。

本发明的具体实施例3的n线路直流断路器开断过程为：当线路1-n中的某一条线路发生故障后，为了便于说明，假设直流线路3发生了短路故障，线路1、2、4、…、n都将馈入故障短路电流到故障线路3。当快速故障检测装置，检测到线路3发生短路故障后，与线路3相邻的转移支路LS2和所有并联有主支路及耗能支路的转移支路(如LS1、LS3、…)中的负荷转移开关LCS和快速机械开关UFD动作。开关动作后，所有线路馈入的故障短路电流将都至少通过一个主支路及耗能支路才能馈入到故障线路3；然后，再经过一段时间，大约为2-3ms，所有动作了的转移开关的快速机械开关UFD拉开了一定的物理间距后，所有主支路及耗能支路中的主开关动作，各线路馈入的故障短路电流将经由耗能支路进行泄放。当故障回路中的短路电流下降到设定的隔离开关能够切断的阈值后，线路3中的隔离开关DS3动作，隔离故障线路3。最后，当隔离开关DS3断开成功之后，所有动作了的转移开关中的负荷转移开关LCS和快速机械开关UFD重新闭合。n线路直流断路器变成n-1线路直流断路器继续运行。

总之，本发明通过共享混合式直流断路器中的主支路和耗能支路，在不影响可靠性的前提下，减低了在多线路网状直流系统中直流断路器的成本。本发明提出的多线路直流断路器配置方式简便，并且具有简单、清晰的控制过程，具备较高的实用价值。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims

1.一种多线路直流断路器，其特征在于：包括所述多线路为三条直流线路，三条直流线路分别连接在三角形的三个顶点，三个故障转移支路分别串联在三角形的三条边中，两个主支路及耗能支路分别与其中的两个故障转移支路相并联；其中，故障转移支路由快速机械开关和电力电子开关串联组成，电力电子开关由一对反向串联的IGBT及其并联的二极管组成，或由一对反向串联的IGCT及其并联的二极管组成；主支路由多个串联的电力电子开关组成；耗能支路由避雷器组成。

2.一种多线路直流断路器，其特征在于：包括所述多线路为四条直流线路，四条直流线路分别连接在四边形的四个顶点，四个故障转移支路分别串联在四边形的四条边中，两个主支路及耗能支路分别与四边形两条对边相并联；其中，故障转移支路由快速机械开关和电力电子开关串联组成，电力电子开关由一对反向串联的IGBT及其并联的二极管组成，或由一对反向串联的IGCT及其并联的二极管组成；主支路由多个串联的电力电子开关组成；耗能支路由避雷器组成。

3.一种多线路直流断路器，其特征在于：所述多线路为n条直流线路，所述n≥5；所述多线路直流断路器包括：n条直流线路分别连接在n边形的n个顶点，n个故障转移支路分别串联在n边形的n条边中，在n边形中相间隔的边上分别并联主支路及耗能支路；由于主支路及耗能支路在n边形中相间隔的边上布置，当n为偶数时需要n/2个，当n为奇数时需要(n+1)/2个；其中，故障转移支路由快速机械开关和电力电子开关串联组成，电力电子开关由一对反向串联的IGBT及其并联的二极管组成，或由一对反向串联的IGCT及其并联的二极管组成；主支路由多个串联的电力电子开关组成；耗能支路由避雷器组成。

4.一种如权利要求1-3任意之一所述多线路直流断路器的开断方法，其特征在于：电网稳态时，电流从故障转移支路流过；在直流线路发生故障，故障快速保护装置识别后，让故障线路相邻的未并联有主支路和耗能支路的故障转移支路的开关，以及所有并联有主支路和耗能支路的故障转移支路的开关动作；当电流转移到主支路后，任意一条馈入故障线路短路电流的线路都将至少通过一个主支路；主支路上的电力电子开关动作，故障电流转移到耗能支路进行能量的泄放；当故障电流下降到设定的隔离开关能够切断的阈值时，故障线路的隔离开关动作，隔离故障线路，实现直流开断。

5.一种如权利要求1所述多线路直流断路器的开断方法，其特征在于：电网稳态时，电流从三条故障转移支路流过通态电流；当三条线路中的某一条发生故障后，故障快速保护装置检测到该线路故障，并向该线路相邻的未并联主支路及耗能支路的故障转移支路和所有并联有主支路及耗能支路的故障转移支路发出指令，电力电子开关和快速机械开关动作，在经过一定的时间后，未故障的两条线路馈入到故障线路的短路电流都将至少通过一个主支路；此时，主支路上的电力电子开关动作，短路电流通过耗能支路进行能量的泄放，当电流下降到设定的隔离开关能够切断的阈值时，故障线路的隔离开关动作，隔离故障线路。

6.一种如权利要求2所述多线路直流断路器的开断方法，其特征在于：电网稳态时，电流从四条故障转移支路流过通态电流；当故障快速保护装置检测到四条线路中的某一条线路发生故障，向该线路相邻的未并联主支路及耗能支路的故障转移支路和所有并联有主支路及耗能支路的故障转移支路发出指令，电力电子开关和快速机械开关动作，在经过设定的时间后，未故障的两条线路馈入到故障线路的短路电流都将至少通过一个主支路；此时，主支路上的电力电子开关动作，短路电流通过耗能支路进行能量的泄放；当电流下降到设定的隔离开关能够切断的阈值时，故障线路的隔离开关动作，隔离故障线路，四线路直流断路器变成三线路直流断路器继续运行。

7.一种如权利要求3所述多线路直流断路器的开断方法，其特征在于：电网稳态时，电流从n条故障转移支路流过通态电流；当某一条直流线路发生故障后，与之相邻的未并有主支路及耗能支路的电流转移之路和所有并联有主支路及耗能支路的电流转移支路中的开关动作，电流转移到主支路；经过一定的时间后，快速机械开关拉开一定的物理间距，以保证故障限流支路上的快速机械开关的电弧不会重燃后，主支路上的开关动作，电流通过耗能支路进行能量的泄放；当电流下降到设定的隔离开关能够切断的阈值时，故障线路的隔离开关动作，隔离故障区域，n线路直流断路器变成n-1线路直流断路器运行。