CN109713650A - 一种适用于架空线型直流电网的低成本直流断路器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于架空线型直流电网的低成本直流断路器，属于高压、超高压直流输电技术领域；该低成本直流断路器包含主动短路单元、隔离单元、能量吸收回路，其中主动短路单元由改进结构的换流站组成；隔离单元包括超快速机械开关、电流转移开关、金属氧化物避雷器；能量吸收回路由晶闸管与金属氧化物避雷器组成；该低成本直流断路器在正常运行的时候，其主动短路单元作为换流站运行，隔离单元串联于线路中，能量吸收回路一端与该路相连，另一端根据单双极运行方式选择与线路的负极或大地相连；在故障时通过协同控制主动短路单元、隔离单元、能量吸收回路实现故障的清除与隔离。

Description

一种适用于架空线型直流电网的低成本直流断路器

技术领域

本发明涉及一种适用于架空线型直流电网的低成本直流断路器，属于高压、特高压直流输电领域。

背景技术

高压、特高压直流输电由于诸多优点，得到了越来越多的重视，未来的多端直流输电以由此构建的直流电网成为了趋势，而高压直流输电的电流没有过零点，不能像交流输电那样利用过零点灭弧，给直流断路器的实现带来了很大的困难，目前的实现方法分为以下几种：基于叠加振荡电流产生电流过零点，进而实现电流分断，缺点是关断延迟过长，关断电流有限；直流线路增加逆变-整流环节，在逆变后的交流侧用交流断路器切断电流，缺点是关断延迟大，要等到电流过零点才能关断，且损耗大、造价昂贵；用大量的电力电子器件串联，上面并联避雷器，在正常工作时电流流过阻抗较低的支路，起到降低损耗的作用，在关断时先将电流转移到电力电子支路，然后将隔离开关打开，再用电力电子器件进行关断，用避雷器吸收故障能量。缺点是关断电流有限，而且关断时要先将电流转移到电力电子支路，还要等待隔离开关完全打开，从一定程度上加大了关断延迟。对于高压或特高压领域的直流断路器的开发依然有很多问题亟待解决，研制适用于高电压、大电流场合的直流断路器已经成为了迫切需要。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种适用于架空线型直流电网的低成本直流断路器。

本发明的目的在于克服当前高压直流断路器电压等级较低，关断延迟较大，造价过高的缺点。

本发明所采用的技术方案是：在正常运行的时候，主动短路单元作为换流站运行，与换流站功能相同，隔离单元闭合连接在线路中，能量吸收回路断开，不影响系统的正常运行；在系统出现故障时，触发主动短路单元内相应的全控型器件以实现直流正负极短路，然后将隔离单元内的全控型器件闭锁，同时触发能量吸收回路的半控型器件，随着该路电流降为零，分断快速机械开关，随着快速机械开关成功打开，故障得以清除，主动短路单元停止主动短路操作并恢复换流站的功能。

与现有技术相比，本发明具有的优势为：

1、关断延迟小，由于机械开关速度较慢，至少需要2ms，传统混合式断路器中的电力电子断流电路并联在机械开关支路上，需要待机械开关完全打开才能闭锁电力电子断流电路，随后还有能量吸收回路的吸能过程；而该断路器的快速机械开关没有并联支路，在故障时，执行主动短路操作、电流转移操作之后即可分断快速机械开关，快速机械开关打开之后故障便得到清除，降低了关断延迟。

2、成本低，将当前工程应用的换流站附加一些电路即可改造成主动短路单元，正常运行时不影响其作为换流站的功能；每条线路上不再像混合式断路器一样串联大量的全控型器件，节省了造价。

3、运行经济，由于混合式断路器配置的大量串联的全控型器件以及能量吸收回路在线路正常运行时处于闲置状态，而该方案只有能量吸收回路在正常运行时处于闲置状态，其中主动短路单元在正常时可以作为换流站使用，提高了利用率。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1示出了一种适用于架空线型直流电网的低成本直流断路器示意图，该图为断路器在双极工况下的应用；

图2示出了主动短路单元示意图，图中虚线框5表示在换流站基础上每相附加一个由 IGBT开关组和二极管串联组成的电路；

图3示出了隔离单元示意图，由隔离开关6、金属氧化物避雷器7、反向串联的全控型器件8组成；

图4示出了能量吸收回路示意图，由反向并联的若干半控型器件(晶闸管)9、金属氧化物避雷器10组成；

图5示出了采用若干不控型器件(二极管)和金属氧化物避雷器串联组成的能量吸收回路；

图6示出了该断路器在单极工况下的结构，11为主动短路单元，12为隔离单元、13为能量吸收回路，14为限流电抗。

具体实施方式

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。

如图1所示，所述低成本直流断路器包括：主动短路单元1、隔离单元2、能量吸收回路3，限流电抗器4；其中主动短路单元如图2所示，隔离单元如图3所示，采用半控型器件(晶闸管)的能量吸收回路如图4所示，采用不控型器件(二极管)的能量吸收回路如图5所示；

在正常运行时主动短路单元虚线框5内的全控型器件闭锁，按照换流站控制策略进行控制，与换流站功能相同；隔离单元快速机械开关6闭合、虚线框8内的所有全控型器件导通，该单元正常流过直流电流；能量吸收回路中虚线框9内的半控型器件闭锁；

线路出现短路故障时，触发主动短路单元内相应的全控型器件，随后触发能量吸收回路虚线框9内的所有半控型器件的同时闭锁断路单元虚线框8内的所有全控型器件，当电流降为零时断开快速机械开关6，待6完全打开，短路故障即得以清除，如果是单端或双端系统中，将主动短路单元内的所有全控型器件闭锁；在多端直流或直流电网系统中，重新将主动短路单元作为换流站运行。

若考虑节约成本，能量吸收回路中的晶闸管也可替换为若干串联的二极管，两条支路可以变为一条，如图5所示。在正常运行状态下，二极管串反向截止，承受直流电压，故障过程中，与故障线路和故障点组成耗能回路消耗线路剩余能量。

单极工况下的低成本直流断路器如图6所示。该工况下正常运行、故障清除操作与双极工况下的操作相同。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

Claims (7)

1.一种适用于架空线型直流电网的低成本直流断路器，其特征在于：包括主动短路单元（1）、隔离单元（2）、能量吸收回路（3）；其中主动短路单元包括全控型器件（IGBT、IGCT等）、二极管、桥臂电感、导线等；断路单元包括快速机械开关、全控型器件、金属氧化物避雷器、二极管等；能量吸收回路包含晶体管器件（晶闸管/二极管）、金属氧化物避雷器等。

2.根据权利要求1所述的一种适用于架空线型直流电网的低成本直流断路器，其特征在于：其主动短路单元的组成结构为：在普通换流站的桥臂电感处附加一个由若干IGBT开关组和若干二极管串联组成的电路，换流站采用半桥MMC、全桥MMC、半全桥混合MMC等拓扑，正常运行时该电路截止，主动短路单元作为换流站运行，与换流站的功能一样，故障时作为主动短路单元使用。

3.根据权利要求1所述的一种适用于架空线型直流电网的低成本直流断路器，其特征在于：隔离单元由快速机械开关、全控型器件单元、金属氧化物避雷器组成，其中全控型器件单元包括至少两组反向串联的全控型器件及二极管；断路单元位于主动短路单元与能量吸收回路之间。

4.根据权利要求1所述的一种适用于架空线型直流电网的低成本直流断路器，其特征在于：能量吸收回路由半控型器件单元与金属氧化物避雷器单元串联组成，其中半控型器件单元包括至少两组串联的反并联器件，器件可选用晶闸管；也可采用若干二极管串联组成更简单更经济的能量吸收回路。

5.根据权利要求1所述的一种适用于架空线型直流电网的低成本直流断路器，其特征在于：应用在单端或双端直流输电系统中时，单极运行工况下每端包含一个主动短路单元、一个隔离单元、一条能量吸收回路；双极运行时每端包含一个主动短路单元、两个隔离单元（每极的线路各串联一个）、一条能量吸收回路（两端分别连接在正负极上，位于断路单元之后）。

6.根据权利要求1所述的一种适用于架空线型直流电网的低成本直流断路器，其特征在于：应用在多端或直流电网系统中时，每个换流站都作为主动短路单元运行，与直流侧母线相连的所有线路都共用这一个主动短路单元，单极运行工况下与直流侧母线相连的每条线路都配置有一个隔离单元、一条能量吸收回路，其中隔离单元直接串联在线路中，能量吸收回路一端接在隔离单元后侧（离直流母线较断路单元远），另一端接地；双极运行时与每一极直流侧母线相连的每条线路都配置有一个隔离单元，该单元直接串联在线路中，每一条回路的正负极线路共用一条能量吸收回路，该回路一端接在该极的隔离单元后侧（离直流母线较隔离单元远），另一端接在另一极的隔离单元后侧（离直流母线较隔离单元远）。

7.根据权利要求1所述的一种适用于架空线型直流电网的低成本直流断路器，其特征在于：在线路出现短路故障时，有两种主动短路方案，方案一：导通主动短路单元内三个相单元的相应全控型器件以及桥臂电感上附加的所有全控型器件，以半桥MMC子模块组成的主动短路单元为例，触发全部能使该子模块旁路的全控型器件，以实现直流侧短路；方案二：根据此刻交流侧瞬时电压，闭锁交流电压较高的相单元内所有全控型器件，主动短路其余一相或两相，相单元内部的短路策略与方案一相同。