CN108683158B - 一种直流断路器 - Google Patents

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Abstract

一种直流断路器，由组合回路、快速机械开关、电力电子开关、限流器和避雷器组成。电网正常稳态运行时，断路器呈现低阻抗，对电网影响小；在直流输电线路出现故障时，可快速实现故障限流及故障线路的分断。

Description

一种直流断路器
技术领域
本发明涉及一种直流断路器拓扑，特别涉及一种柔性直流电网的高压直流断路器拓扑。
背景技术
直流断路器是保证直流输配电系统和直流电网系统稳定安全可靠运行的关键设备之一。与交流系统不同的是，直流系统的电流并不存在自然过零点，因此直流系统中无法像交流系统一样利用电流的自然过零点关断，因此直流故障电流的开断问题一直是一个值得研究的课题。
为了快速有效隔离直流故障，保障直流电网相关设备安全稳定运行，需要采用高压直流断路器。目前，高压直流断路器主要有3种类型，即基于传统机械开关的机械式直流断路器、基于纯电力电子器件的固态直流断路器和基于二者结合的混合式直流断路器。机械式直流断路器通态损耗低，但受到振荡时间和机械开关分断速度的影响，难以满足柔性直流系统的要求；固态直流断路器需要使用较多的电力电子器件，导致其通态损耗大、成本高。因此，就目前研发现状而言，基于机械开关和电力电子器件的混合式直流断路器最具大规模应用的前景，为当前研究的重点。
因此，亟待开展新型直流断路器的研究。
发明内容
为了克服已有技术的不足，本发明提出一种新的直流断路器。本发明具有稳态运行时损耗小、出现短路故障时能够快速限流并分断故障、结构简单等特点。
本发明直流断路器包括第一组合回路、第二组合回路、第三组合回路、快速机械开关、电力电子开关、第一限流器、第二限流器和第一避雷器。第一限流器的一端与快速机械开关的一端在第二连接点连接；快速机械开关的另一端与电力电子开关的一端在第三连接点连接；电力电子开关的另一端与第二限流器的一端在第四连接点连接；第一避雷器连接在第二连接点和第四连接点之间。第一组合回路的一端连接在第二连接点上，第一组合回路的另一端与地线在第十三连接点连接；第二组合回路的一端连接在第四连接点上，第二组合回路的另一端与地线在第二十三连接点连接；第三组合回路的第一端口连接在第二连接点上，第三组合回路的第二端口连接在第四连接点上，第三组合回路的第三端口与地线在第三十二连接点连接。所述的直流断路器通过第一连接点和第五连接点串联接入直流系统母线和直流输电线之间。
第一组合回路中，第一机械开关的一端连接在第二连接点上；第一机械开关的另一端与第一二极管的一端在第十一连接点连接；第一二极管的另一端与第一电阻的一端在第十二连接点连接，第一电阻的另一端连接在第十三连接点上；第一晶闸管连接在第十一连接点与第十三连接点之间；第二避雷器连接在第十一连接点与第十三连接点之间。
第二组合回路中，第二机械开关的一端连接在第四连接点上；第二机械开关的另一端与第二二极管的一端在第二十一连接点连接；第二二极管的另一端与第二电阻的一端在第二十二连接点连接，第二电阻的另一端连接在第二十三连接点上；第二晶闸管连接在第二十一连接点与第二十三连接点之间；第三避雷器连接在第二十一连接点与第二十三连接点之间。
第三组合回路中，第三二极管的一端连接在第二连接点上；第三二极管的另一端与第四二极管的一端在第三十一连接点反向串联连接；第四二极管的另一端连接在第四连接点上；分断开关与第四避雷器均并联连接在第三十一连接点与第三十二连接点之间。
本发明的主要优点：
1.可实现对故障电流的快速分断与限流；
2.储存在限流电感和线路中的能量可通过二极管形成回路耗散；
3.具有双向分断故障的功能，节省了电力电子开关数量；
4.系统正常工作时的损耗小，整个拓扑结构简单、易实现、可靠性高。
附图说明
图1为本发明具体实施例1的电路原理图。
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。
本发明直流断路器包括第一组合回路10、第二组合回路20、第三组合回路30、快速机械开关K、电力电子开关Q、第一限流器FCL1、第二限流器FCL2和第一避雷器MOV0。第一限流器FCL1的一端与快速机械开关K的一端在第二连接点2连接；快速机械开关K的另一端与电力电子开关Q的一端在第三连接点3连接；电力电子开关Q的另一端与第二限流器FCL2的一端在第四连接点4连接；第一避雷器MOV0连接在第二连接点2和第四连接点4之间。第一组合回路10的一端连接在第二连接点2上，第一组合回路10的另一端与地线在第十三连接点13连接；第二组合回路20的一端连接在第四连接点4上，第二组合回路20的另一端与地线在第二十三连接点23连接；第三组合回路30的第一端口连接在第二连接点2上，第三组合回路30的第二端口连接在第四连接点4上，第三组合回路30的第三端口与地线在第三十二连接点32连接。所述的直流断路器通过第一连接点1和第五连接点5串联接入直流系统母线和直流输电线之间。
第一组合回路10中，第一机械开关S1的一端连接在第二连接点2上；第一机械开关S1的另一端与第一二极管D1的一端在第十一连接点11连接；第一二极管D1的另一端与第一电阻R1的一端在第十二连接点12连接，第一电阻R1的另一端连接在第十三连接点13上；第一晶闸管T1连接在第十一连接点11与第十三连接点13之间；第二避雷器MOV1连接在第十一连接点11与第十三连接点13之间。
第二组合回路20中，第二机械开关S2的一端连接在第四连接点4上；第二机械开关S2的另一端与第二二极管D2的一端在第二十一连接点21连接；第二二极管D2的另一端与第二电阻R2的一端在第二十二连接点22连接，第二电阻R2的另一端连接在第二十三连接点23上；第二晶闸管T2连接在第二十一连接点21与第二十三连接点23之间；第三避雷器MOV2连接在第二十一连接点21与第二十三连接点23之间。
第三组合回路30中，第三二极管D31的一端连接在第二连接点2上；第三二极管D31的另一端与第四二极管D32的一端在第三十一连接点31反向串联连接；第四二极管D32的另一端连接在第四连接点4上；分断开关Q3与第四避雷器MOV3均并联连接在第三十一连接点31与第三十二连接点32之间。
所述的电力电子开关Q为带反并联二极管的IGBT反向串联的组合；分断开关Q3由多个带反并联二极管的IGBT串联组成。第一限流器FCL1、第二限流器FCL2均为电感或者电阻型超导限流器。
在直流输电线路正常稳态运行时，所述的快速机械开关K、电力电子开关Q均处于导通状态，第一机械开关S1、第二机械开关S2、第一晶闸管T1、第二晶闸管T2和分断开关Q3均处于关断状态；线路电流通路依次为第一限流器FCL1、快速机械开关K、电力电子开关Q和第二限流器FCL2。
当检测到第二限流器FCL2右侧线路发生短路故障时，本发明直流断路器动作如下：立即闭合第二机械开关S2，并导通第二晶闸管T2和分断开关Q3，故障电流部分分流至第二晶闸管T2和分断开关Q3所在支路中，快速机械开关K和电力电子开关Q的两端电压为零，此时分断快速机械开关K、关断电力电子开关Q，非故障侧电流流过第三二极管D31、分断开关Q3，故障侧电流通过第二二极管D2和第二电阻R2续流，当快速机械开关K的触头分离达到预设开距时，关断分断开关Q3，当分断开关Q3两端电压升至第四避雷器MOV3动作电压时，线路能量通过第四避雷器MOV3泄放，从而实现对故障线路的分断，故障侧残余能量消耗完毕后分断第二机械开关S2。经过设定时间以后，所述的直流断路器开始重合闸动作：导通电力电子开关Q、合闸快速机械开关K，完成重合闸动作。
当检测到第一限流器FCL1左侧线路发生短路故障时，本发明直流断路器动作如下：立即闭合第一机械开关S1，并导通第一晶闸管T1和分断开关Q3，故障电流部分分流至第一晶闸管T1和分断开关Q3所在支路中，快速机械开关K和电力电子开关Q的两端电压为零，此时分断快速机械开关K、关断电力电子开关Q，非故障侧电流流过第四二极管D32、分断开关Q3，故障侧电流通过第一二极管D1和第一电阻R1续流，当快速机械开关K的触头分离达到预设开距时，关断分断开关Q3，当分断开关Q3两端电压升至第四避雷器MOV3动作电压时，线路能量通过第四避雷器MOV3泄放，从而实现对故障线路的分断，故障侧残余能量消耗完毕后分断第一机械开关S1。经过设定时间以后，所述的直流断路器开始重合闸动作：导通电力电子开关Q、合闸快速机械开关K，完成重合闸动作。

Claims (1)

1.一种直流断路器，其特征是：所述的直流断路器包括第一组合回路(10)、第二组合回路(20)、第三组合回路(30)、快速机械开关(K)、电力电子开关(Q)、第一限流器(FCL1)、第二限流器(FCL2)和第一避雷器(MOV0)；第一限流器(FCL1)的一端与快速机械开关(K)的一端在第二连接点(2)连接；快速机械开关(K)的另一端与电力电子开关(Q)的一端在第三连接点(3)连接；电力电子开关(Q)的另一端与第二限流器(FCL2)的一端在第四连接点(4)连接；第一避雷器(MOV0)连接在第二连接点(2)和第四连接点(4)之间；第一组合回路(10)的一端连接在第二连接点(2)上，第一组合回路(10)的另一端与地线在第十三连接点(13)连接；第二组合回路(20)的一端连接在第四连接点(4)上，第二组合回路(20)的另一端与地线在第二十三连接点(23)连接；第三组合回路(30)的第一端口连接在第二连接点(2)上，第三组合回路(30)的第二端口连接在第四连接点(4)上，第三组合回路(30)的第三端口与地线在第三十二连接点(32)连接；所述的直流断路器通过第一连接点(1)和第五连接点(5)串联接入直流系统母线和直流输电线之间；
第一组合回路(10)中，第一机械开关(S1)的一端连接在第二连接点(2)上；第一机械开关(S1)的另一端与第一二极管(D1)的一端在第十一连接点(11)连接；第一二极管(D1)的另一端与第一电阻(R1)的一端在第十二连接点(12)连接，第一电阻(R1)的另一端连接在第十三连接点(13)上；第一晶闸管(T1)连接在第十一连接点(11)与第十三连接点(13)之间；第二避雷器(MOV1)连接在第十一连接点(11)与第十三连接点(13)之间；
第二组合回路(20)中，第二机械开关(S2)的一端连接在第四连接点(4)上；第二机械开关(S2)的另一端与第二二极管(D2)的一端在第二十一连接点(21)连接；第二二极管(D2)的另一端与第二电阻(R2)的一端在第二十二连接点(22)连接，第二电阻(R2)的另一端连接在第二十三连接点(23)上；第二晶闸管(T2)连接在第二十一连接点(21)与第二十三连接点(23)之间；第三避雷器(MOV2)连接在第二十一连接点(21)与第二十三连接点(23)之间；
第三组合回路(30)中，第三二极管(D31)的一端连接在第二连接点(2)上；第三二极管(D31)的另一端与第四二极管(D32)的一端在第三十一连接点(31)反向串联连接；第四二极管(D32)的另一端连接在第四连接点(4)上；分断开关(Q3)与第四避雷器(MOV3)均并联连接在第三十一连接点(31)与第三十二连接点(32)之间；
所述的电力电子开关(Q)为带反并联二极管的IGBT反向串联的组合；分断开关(Q3)由多个带反并联二极管的IGBT串联组成；第一限流器(FCL1)、第二限流器(FCL2)均为电感或者电阻型超导限流器；
在直流输电线路正常稳态运行时，所述的快速机械开关(K)、电力电子开关(Q)均处于导通状态，第一机械开关(S1)、第二机械开关(S2)、第一晶闸管(T1)、第二晶闸管(T2)和分断开关(Q3)均处于关断状态；线路电流通路依次为第一限流器(FCL1)、快速机械开关(K)、电力电子开关(Q)和第二限流器(FCL2)；
当检测到第二限流器(FCL2)右侧线路发生短路故障时，所述的直流断路器动作如下：立即闭合第二机械开关(S2)，并导通第二晶闸管(T2)和分断开关(Q3)，故障电流部分分流至第二晶闸管(T2)和分断开关(Q3)所在支路中，快速机械开关(K)和电力电子开关(Q)的两端电压为零，此时分断快速机械开关(K)、关断电力电子开关(Q)，非故障侧电流流过第三二极管(D31)、分断开关(Q3)，故障侧电流通过第二二极管(D2)和第二电阻(R2)续流，当快速机械开关(K)的触头分离达到预设开距时，关断分断开关(Q3)，当分断开关(Q3)两端电压升至第四避雷器(MOV3)动作电压时，线路能量通过第四避雷器(MOV3)泄放，从而实现对故障线路的分断，故障侧残余能量消耗完毕后分断第二机械开关(S2)；经过设定时间以后，所述的直流断路器开始重合闸动作：导通电力电子开关(Q)、合闸快速机械开关(K)，完成重合闸动作；
当检测到第一限流器(FCL1)左侧线路发生短路故障时，所述的直流断路器动作如下：立即闭合第一机械开关(S1)，并导通第一晶闸管(T1)和分断开关(Q3)，故障电流部分分流至第一晶闸管(T1)和分断开关(Q3)所在支路中，快速机械开关(K)和电力电子开关(Q)的两端电压为零，此时分断快速机械开关(K)、关断电力电子开关(Q)，非故障侧电流流过第四二极管(D32)、分断开关(Q3)，故障侧电流通过第一二极管(D1)和第一电阻(R1)续流，当快速机械开关(K)的触头分离达到预设开距时，关断分断开关(Q3)，当分断开关(Q3)两端电压升至第四避雷器(MOV3)动作电压时，线路能量通过第四避雷器(MOV3)泄放，从而实现对故障线路的分断，故障侧残余能量消耗完毕后分断第一机械开关(S1)；经过设定时间以后，所述的直流断路器开始重合闸动作：导通电力电子开关(Q)、合闸快速机械开关(K)，完成重合闸动作。
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