CN109066611A - 一种直流断路器电路拓扑及控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种直流断路器电路拓补及控制方法，该电路拓补包括：第一支路、第二支路和第三支路；第一支路、第二支路和第三支路之间相互并联；所述第一支路，包括第一开关和第二开关；所述第一支路，用于当接收到开断指令时，由导通状态改变为开断状态；所述第二支路，包括电容和第三开关；所述电容，用于当所述第二开关由闭合状态改变为开断状态后，接收外接主电路的电流；所述第三开关，具有灭弧装置，用于当所述第一开关完全断开之后，由闭合状态转变为开断状态；所述第三支路，包括第一避雷器；所述第一避雷器，用于当两端电压大于阈值电压时导通，消耗外接主电路的电能。本申请方案可以降低直流断路器电路成本，提高电路可靠性。

Description

一种直流断路器电路拓扑及控制方法

技术领域

本申请涉及直流输电技术领域，尤其涉及一种直流断路器电路拓扑及控制方法。

背景技术

直流系统发生短路故障时，短路电流增长的速度远超过交流系统，将在很短的时间(如10ms内)超过常规交流断路器的开断能力，进而对直流断路器提出了很高的要求。直流限流器与直流断路器发展滞后是当前制约柔性直流输电系统发展的重要因素。

目前的直流断路器存在一些缺点。例如，机械式断路开关的关断时间较长；固态直流断路开关存在较高的通态损耗，且价格昂贵；混合式开关价格昂贵，且因存在大量的全控型电力电子开关器件，需要大量的保护、控制电路，系统结构复杂，整体可靠性较低。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供一种直流断路器电路拓扑及控制方法，可以解决目前直流断路器价格昂贵、结构复杂、可靠性低的技术问题。

本申请实施例提供了一种直流断路器电路拓扑及控制方法，所述电路拓补包括：第一支路、第二支路和第三支路；其中，所述第一支路、所述第二支路和所述第三支路之间相互并联；

所述第一支路，包括第一开关和第二开关；所述第二开关，用于当接收到开断指令时，由导通状态改变为开断状态；所述第一开关，与所述第二开关串联，用于在所述第二开关改变为开断状态之后，由闭合状态改变为开断状态；

所述第二支路，包括电容和第三开关；所述电容，用于当所述第二开关由闭合状态改变为开断状态后，接收外接主电路的电流；所述第三开关，用于当所述第一开关完全断开之后，由闭合状态转变为开断状态；

所述第三支路，包括第一避雷器；所述第一避雷器，用于当两端电压大于阈值电压时导通，消耗所述外接主电路的电能。

上述技术方案中，所述灭弧装置，用于在接收的外接主电路的电流小于阈值电流时，隔断所述第二支路中外接主电路的电流。

上述技术方案中，所述第一开关为快速机械开关。

上述技术方案中，所述第二开关为固态开关。

上述技术方案中，所述第一支路，还包括：

第二避雷器，并联在所述第二开关的两端，用于在所述第二开关的两端电压小于阈值电压时呈高阻状态，在所述第二开关的两端电压达到阈值电压时导通，保护所述固态开关。

上述技术方案中，所述第二避雷器为金属氧化物避雷器。

上述技术方案中，所述第二支路，还包括：

电阻，与所述第二支路的电容并联，用于在所述第一支路、所述第二支路与所述第三支路均断开之后，消耗所述电容所存储的能量。

上述技术方案中，所述电路拓补还包括：

隔离开关，所述隔离开关的一端与所述外接主电路连接，所述隔离开关的另一端与所述第一支路、所述第二支路和所述第三支路组成的并联结构相连。

上述技术方案中，所述第三开关为含灭弧装置的机械开关。

上述技术方案中，所述第一避雷器为金属氧化物避雷器。

本申请实施例还提供了一种直流断路器电路拓补控制方法，应用于直流断路器电路拓扑中，所述电路拓扑包括：第一支路、第二支路和第三支路；其中，所述第一支路、所述第二支路和所述第三支路之间相互并联；所述方法包括：

当接收到开断指令时，所述第一支路的第二开关由导通状态改变为开断状态；在所述第二开关改变为开断状态之后，与第二开关串联的第一开关由闭合状态改变为开断状态；

当所述第二开关由闭合状态改变为开断状态后，所述第二支路中的电容接收外接主电路的电流；当所述第一开关完全断开之后，所述第二支路中的具有灭弧装置的第三开关由闭合状态转变为开断状态；

当两端电压大于阈值电压时导通，所述第三支路中的第一避雷器消耗所述外接主电路的电能。

本申请实施例提供的直流断路器电路拓补，包括第一支路、第二支路和第三支路；其中第一支路、第二支路和第三支路之间相互并联。在接收到断开指令后，第一支路由导通状态改变为开断状态，流向第一支路的外接主电路的电流转移流向第二支路，第二支路的电容充电。第二支路中的第三开关在第一支路的第一开关完全断开之后，由闭合状态改变为开断状态。当第三支路的第一避雷器的两端电压大于电压阈值时，第三支路导通，第三支路的第一避雷器消耗外接主电路的电能，从而在外接主电路发生短路时，可以消耗外接主电路的电能，提供电路保护。本申请方案使用电容所在的支路作为电流转移支路，替代电力电子开关，可以大幅降低直流断路器电路的成本。此外，由于第二支路中电容的引入，电容可以与外接主电路的电感构成二阶电路，相比于其他一些直流断路器电路拓补在外接主电路短路后形成的一阶电路模型，本申请方案可以降低外接主电路短路之后电流的增长速率。且本申请方案第二支路采用含灭弧装置的第三开关，可主动隔断一定范围内的电流。对于超过灭弧装置灭弧能力的电流，由于电容和外接主电路中的电感构成二阶电路，外接主电路流入直流断路器电路拓补的电流存在自然过零点，第二支路可以自然断路。本申请方案电路结构简单，可以大幅减少电力电子可控器件，降低成本，提高直流断路器电路的可靠性。

为使本申请实施例的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下面将结合实施例，并配合所附附图，作详细说明。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本申请实施例所提供的直流断路器电路拓补的基本结构图；

图2示出了本申请实施例所提供的直流断路器电路拓补的具体结构图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本申请实施例提供的直流断路器电路拓补，包括第一支路、第二支路和第三支路；其中第一支路、第二支路和第三支路之间相互并联。在接收到断开指令后，第一支路的第二开关状态由闭合状态改变为断开状态，流向第一支路外接主电路的电流转移流向第二支路，第二支路的电容进行充电。继而第一支路中与第二开关串联的第一开关开始执行开断操作，第二支路中的第三开关在第一支路的第一开关完全断开之后，由闭合状态转变为开断状态。当第三支路的第一避雷器的两端电压大于电压阈值时，第三支路导通，第三支路的第一避雷器消耗外接主电路的电能，从而在外接主电路发生短路时，可以消耗外接主电路的电能，提供电路保护。本申请方案使用电容所在的第二支路作为电流转移支路，替代混合式断路器中电力电子开关电路，将大幅降低直流断路器的成本。此外，由于第二支路中电容的引入，电容可以与外接主电路的滤波电感构成二阶电路，相比于传统直流断路器电路拓补在外接主电路短路后形成的一阶电路模型，本申请方案可以降低外接主电路短路之后电流的增长速率，且电路存在电流自然过零点，第二支路可自然断路。电路结构简单，可以大幅减少可控器件，降低设备成本，提高直流断路器电路的可靠性。

下述实施例将会对直流断路器电路拓补作详细说明。

本申请实施例提供的直流断路器电路拓补的基本结构可以如图1所示，所述直流断路器电路拓补包括：

第一支路、第二支路和第三支路；其中，所述第一支路、所述第二支路和所述第三支路之间相互并联；

所述第一支路，包括第一开关和第二开关；所述第二开关，用于当接收到开断指令时，由导通状态改变为开断状态；所述第一开关，与所述第二开关串联，用于在所述第二开关改变为开断状态之后，由闭合状态改变为开断状态；

所述第二支路，包括电容和第三开关；所述电容，用于当所述第二开关由闭合状态改变为开断状态后，接收外接主电路的电流；所述第三开关，具有灭弧装置，用于当所述第一开关完全断开之后，由闭合状态转变为开断状态；

所述第三支路，包括第一避雷器；所述第一避雷器，用于当两端电压大于阈值电压时导通，消耗所述外接主电路的电能。

这里，在接收到断路指令之后，第一支路的第二开关的状态由闭合状态改变为断开状态，从而外接主电路的直流电流由原本流经的第一支路转变为第二支路，第二支路的电容进行充电，继而第一支路的第一开关开始执行开断操作，第二支路中的第三开关在第一支路的第一开关完全断开之后，由闭合状态转变为开断状态。第二支路中具有电容，电容可以与外接主电路的电感构成二阶电路。且第二支路采用含灭弧装置的第三开关，可主动隔断一定范围内的电流。对于超过灭弧装置灭弧能力的电流，由于电容和外接主电路中的电感可以构成二阶电路，外接主电路流入直流断路器电路拓补的电流存在自然过零点，第二支路可以自然断路。第三支路具有第一避雷器，用于在电容电压超过阈值时消耗主电路上的电能。这样，直流断路器电路拓补就可以在接收到断路指令时，对直流电路进行隔断。上述第一开关可以为快速机械开关，上述第三开关可以为包括灭弧装置的机械开关。所述灭弧装置，用于在接收的外接主电路的电流小于灭弧阈值电流时，隔断所述第二支路中外接主电路的电流，进而可主动隔断第二支路中一定范围内的电流。

这里，第一开关可以与第二开关串联。当直流断路器电路拓补接收到开断指令时，所述第一支路的第二开关由导通状态改变为开断状态，继而第一开关由闭合状态改变为开断状态。其中，第二开关可以为固态开关。

本申请实施例提供的直流断路器电路拓补的具体结构如图2所示。

上述直流断路器电路拓补中的第一支路，包括第一开关S₁和第二开关S₂。第一开关S₁为快速机械开关，第二开关S₂为固态开关。在接收到断路指令后，第二开关S₂首先断开，然后第一开关S₁断开。

第一支路还可以包括第二避雷器MOA2。第二避雷器MOA2与第二开关S₂并联，可以保护第二开关S₂，使第二开关S₂避免在过压时发生损坏。这里，第二避雷器MOA2可以为金属氧化物避雷器。

这里，在接收到断路指令后，第二开关S₂先于第一开关S₁断开。其中第二开关S₂的电路结构可以如图2中所示，为保证双向导通和双向阻断能力，可以包括两个反向串联的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)，或两个反向串联的集成门极换流晶闸管(Integrated Gate Commutated Thyristors，IGCT)等其他类型的电力电子器件。且IGBT或IGCT等其他类型的电力电子器件需并联二极管。

上述第二支路包括电容C，放电电阻R和第三开关S₃。为保证双向关断能力，这里电容C可以为双极型电容。这里的放电电阻R，可以与电容C并联，用于消耗电容C的电能。这里的第三开关S₃可以为含灭弧装置的机械开关。

在一些实施例中，直流断路器电路拓补还可以包括隔离开关S₄，隔离开关S₄的一端与外接主电路连接，隔离开关S₄的另一端与第一支路、第二支路和第三支路组成的并联结构相连。隔离开关S₄可以隔离外接主电路，增强直流断路器电路的可靠性。

上述第三支路包括第一避雷器MOA1，第一避雷器MOA1与第二支路并联。第一避雷器MOA1在第二支路两端的电压达到第一避雷器MOA1的击穿阈值电压时，第一避雷器MOA1击穿，外接主电路的电流转移至第三支路中。此时第二支路中的电容C停止充电，第二支路中的电流降为0，第三开关S₃中的电弧熄灭，第二支路完全断开。第一避雷器MOA1将逐渐消耗外接主电路中电感存储的能量，使外接主电路的电流逐渐衰减到0。这里，第一避雷器MOA1可以为金属氧化物避雷器。

结合图2下面对本申请实施例提供的直流断路器电路拓补控制方法的过程进行说明，该方法包括：

当接收到开断指令时，所述第一支路的第二开关由导通状态改变为开断状态；在所述第二开关改变为开断状态之后，与第二开关串联的第一开关由闭合状态改变为开断状态；

当所述第二开关由闭合状态改变为开断状态后，所述第二支路中的电容接收外接主电路的电流；当所述第一开关完全断开之后，所述第二支路中的具有灭弧装置的第三开关由闭合状态转变为开断状态；

当两端电压大于阈值电压时导通，所述第三支路中的第一避雷器消耗所述外接主电路的电能。

当直流断路器电路拓补正常工作时，第一开关S₁、第二开关S₂、第三开关S₃、隔离开关S₄均为闭合状态，外接主电路电流从第一支路通过。第一开关S₁可以认为无明显压降，第二开关S₂两端的电压为电力电子开关器件的导通压降。第二支路中电容C两端的电压为第二开关S₂的导通压降，可以近似于0。其中第二支路中的电阻R的取值较大，可认为此时第二支路无电流通过。同时，第三支路也无电流通过。当直流断路器电路拓补正常工作时，能量的损耗可以认为为第一支路中第二开关S₂的导通时的损耗。

假设t＝0时刻接收到开断操作指令，本申请实施例提供的方案断路器开断过程如下：

当直流断路器电路拓补接收到开断指令时，第一支路中的第二开关S₂断开，此时由于第二支路中电容C的电压接近于0，电路拓补中的直流电流将由第一支路全部转移至第二支路，给第二支路中的电容C充电。电容C可以与外接主电路中的滤波电感形成二阶电路。当第一支路的第二开关S₂完全断开后(一般几十微秒)，第一支路中的电流降为0，此时第一开关S₁断开，第一开关S₁断开的过程一般为2～3毫秒。在第一开关S₁断开的过程中，电容C的充电电压将降落在第二开关S₂上，进而结合电路参数，为电容C设计合理的电容值，可以使得第一开关S₁在断开时，电容C的电压不超过第二开关S₂的击穿电压。

在第一开关S₁完全开断之后，此时即可断开第二支路中的第三开关S₃。如果此时外接主电路的电流较小，第三开关S₃中的灭弧装置可以熄灭电弧，隔断第二支路中外接主电路的电流，则第二支路可以关断。如果外接主电路的电流较大，第三开关S₃中的灭弧装置无法熄灭电弧，则第二支路导通，外接主电路中的电流继续给第二支路的电容C充电，电容C的电压继续升高。当电容C的电压升高至第一避雷器MOA1的击穿阈值电压时，第一避雷器MOA1击穿，此时第二支路中的电容C停止充电，第二支路中的电流降为0，第三开关S₃中的电弧熄灭，第二支路完全断开。外接主电路中的电流将转移到第三支路中的第一避雷器MOA1，此第一避雷器MOA1将逐渐消耗外接主电路中电感存储的能量，外接主电路的电流逐渐衰减到0。

当第三开关S₃中的电弧熄灭后，第二支路完全断开。此后，放电电阻R给电容C放电，电容C的电压逐渐将至0。为下一次断路做准备。

在需要检修的场合，可以断开隔离开关S₄，从而可以对直流断路器电路中的第一支路、第二支路和第三支路的电路元器件进行检测。

本申请实施例中断路器电路拓补的重新闭合的步骤如下：

当接收到闭合操作指令后，可以先闭合外部的隔离开关S₄。

步骤1：第一支路中的第二开关S₂闭合；

步骤2：第一支路中的第一开关S₁闭合，此时直流断路器电路拓补导通；

步骤3：第二支路中的第三开关S₃闭合，进行该操作时，需确保电容C电压已经降至0。若电容C电压尚未降至0，可以延缓一段时间再闭合第三开关S₃。

通过本申请实施例提供的直流断路器电路拓补，使用电容所在的支路作为电流转移支路，替代电力电子开关，可以大幅降低直流断路器电路的成本。此外，由于第二支路中电容的引入，电容可以与外接主电路的电感构成二阶电路，相比于其他一些直流断路器电路拓补在外接主电路短路后形成的一阶电路模型，本申请方案可以降低外接主电路短路之后电流的增长速率。且本申请方案第二支路采用含灭弧装置的第三开关，可主动隔断一定范围内的电流。对于超过灭弧装置灭弧能力的电流，由于电容和外接主电路中的电感构成二阶电路，外接主电路流入直流断路器电路拓补的电流存在自然过零点，第二支路可以自然断路。本申请方案电路拓补结构简单，可以大幅减少电力电子可控器件，降低成本，提高直流断路器电路的可靠性。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种直流断路器电路拓扑，其特征在于，所述电路拓扑包括：第一支路、第二支路和第三支路；其中，所述第一支路、所述第二支路和所述第三支路之间相互并联；

所述第一支路，包括第一开关和第二开关；所述第二开关，用于当接收到开断指令时，由导通状态改变为开断状态；所述第一开关，与所述第二开关串联，用于在所述第二开关改变为开断状态之后，由闭合状态改变为开断状态；

所述第二支路，包括电容和第三开关；所述电容，用于当所述第二开关由闭合状态改变为开断状态后，接收外接主电路的电流；所述第三开关，具有灭弧装置，用于当所述第一开关完全断开之后，由闭合状态转变为开断状态；

所述第三支路，包括第一避雷器；所述第一避雷器，用于当两端电压大于阈值电压时导通，消耗所述外接主电路的电能。

2.根据权利要求1所述的电路拓扑，其特征在于，所述灭弧装置，用于在接收的外接主电路的电流小于阈值电流时，隔断所述第二支路中外接主电路的电流。

3.根据权利要求1所述的电路拓扑，其特征在于，所述第一开关为快速机械开关。

4.根据权利要求3所述的电路拓扑，其特征在于，所述第二开关为固态开关。

5.根据权利要求3所述的电路拓扑，其特征在于，所述第一支路，还包括：

第二避雷器，并联在所述第二开关的两端，用于在所述第二开关的两端电压小于阈值电压时呈高阻状态，在所述第二开关的两端电压达到阈值电压时导通，保护所述第二开关。

6.根据权利要求5所述的电路拓扑，其特征在于，所述第二避雷器为金属氧化物避雷器。

7.根据权利要求1所述的电路拓扑，其特征在于，所述第二支路，还包括：

电阻，与所述第二支路的电容并联，用于在所述第二支路断开之后，消耗所述电容所存储的能量。

8.根据权利要求1所述的电路拓扑，其特征在于，所述电路拓补还包括：

隔离开关，所述隔离开关的一端与所述外接主电路连接，所述隔离开关的另一端与所述第一支路、所述第二支路和所述第三支路组成的并联结构相连。

9.根据权利要求1所述的电路拓扑，其特征在于，所述第三开关为含灭弧装置的机械开关。

10.一种直流断路器电路拓补控制方法，其特征在于，应用于直流断路器电路拓扑中，所述电路拓扑包括：第一支路、第二支路和第三支路；其中，所述第一支路、所述第二支路和所述第三支路之间相互并联；所述方法包括：

当接收到开断指令时，所述第一支路的第二开关由导通状态改变为开断状态；在所述第二开关改变为开断状态之后，与第二开关串联的第一开关由闭合状态改变为开断状态；

当所述第二开关由闭合状态改变为开断状态后，所述第二支路中的电容接收外接主电路的电流；当所述第一开关完全断开之后，所述第二支路中的具有灭弧装置的第三开关由闭合状态转变为开断状态；

当两端电压大于阈值电压时导通，所述第三支路中的第一避雷器消耗所述外接主电路的电能。