CN110048366B - 直流限流断路装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及断路器领域，具体涉及一种直流限流断路装置，目的在于限制短路电流并快速分断故障电路。本发明的直流限流断路装置包括：断路器、第一电抗器、第二电抗器、第一电容器、第二电容器、第一电阻、第二电阻、第一可控开关和控制单元。当负载启动时，控制单元将第一可控开关断开并将断路器闭合，直流电源通过充电回路完成了对第一电容器和第二电容器的充电；当负载短路时，控制单元将第一可控开关闭合，从而使第一电容器与第二电容器串联，使第一电容器与第一电抗器的连接点p1的电压升高，进而限制直流电源电流的大小并令断路器灭弧断开。本发明的断路装置结构简单、成本低，能够有效限制多端柔性直流电网的短路电流，并实现故障电路分断。

Description

直流限流断路装置

技术领域

本发明涉及断路器领域，具体涉及一种直流限流断路装置。

背景技术

随着风电、太阳能等新能源的开发与应用，基于电压源型换流器的多端柔性直流输电技术在直流输电领域占据越来越重要的位置。风能、太阳能发电等新能源接入电网的最大障碍是其间歇性和不确定性，而柔性直流输电技术可以有效地控制电能，隔离电网故障的扩散，而且还能根据电网需求，快速、灵活、可调地发出或者吸收一部分能量，从而优化电网的潮流分布、增强电网稳定性、提升电网的智能化和可控性。

多端柔性直流电网的直流侧线路上一旦发生短路故障，相当于换流器直流侧的电容直接放电，其短路电流会在几个毫秒到达峰值，最大值一般有几千安到几十千安。较大的电流上升率将带来热量集中、电弧火花、电磁应力等问题，同时，因为换流器一般采用IGBT或IGCT 器件，其反并联二极管会形成不控整流桥，所以单纯控制换流器无法切断短路电流，短路电流甚至会损坏换流站。直流短路电流没有过零点，且其峰值和上升速率都要远远高于交流电网，因此，给直流短路故障断开提出了更高的要求。

短路电流的开断还受到直流断路器等技术发展的制约。文献“直流断路器技术发展综述”(南方电网技术，2015年02期)给机械断路器增加并联谐振电路实现和吸能支路，实现直流开断。但是，存在开断和灭弧时间较长的问题。如果采用给并联谐振电路预充电的方式来提高断路器的灭弧速度，不但实现难度大，而且开断速度也难以满足直流电网的需求。国网智能电网研究院以舟山五端直流网络的仿真结果为例，得出高压直流断路器需分断15KA的电流(柔性直流输电网用新型高压直流断路器设计方案，电力系统自动化,2013,37(15):95-102.)，ABB 于2012年完成的320KV/2KA的混合型高压直流断路器(The HybridHVDC Breaker An innovation breakthrough enabling reliable HVDC grids. ABBGrid Systems,Technical Paper Nov’2012)，可分断9kA的短路电流，但因造价太高而未投入商用，并且增加开断容量只能依赖更多IGBT单元的串并联，这会大幅度增加断路器成本，降低可靠性。

然而，在电网发生短路故障时，如何有效限制短路电流并快速分断故障电路成为柔性直流输电网发展的一个瓶颈，有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出了一种直流限流断路装置，能够有效限制多端柔性直流电网短路电流，并实现故障电路分断。

本发明的一方面，提出一种直流限流断路装置，包括：断路器、第一电抗器、第二电抗器、第一电容器、第二电容器、第一电阻、第二电阻、第一可控开关和控制单元；

所述断路器的一端连接直流电源的正极，另一端连接所述第一电抗器的一端；所述直流电源的负极接地；所述第一电抗器的另一端连接所述第一电容器的一端；所述第一电容器的另一端串联所述第一电阻后接地；

所述第二电抗器的一端连接所述第一电抗器与所述第一电容器的之间的连接点p1，所述第二电抗器的另一端连接负载的一端；所述负载的另一端接地；

所述第二电阻的一端连接所述第二电抗器和所述负载之间的连接点p2，所述第二电阻的另一端串联所述第二电容器后接地；或者，

所述第二电阻的一端连接所述第一电抗器与所述第一电容器之间的连接点p1，所述第二电阻的另一端串联所述第二电容器后接地；

所述第一可控开关的一端连接在所述第一电容器与所述第一电阻之间的连接点p3上，所述第一可控开关的另一端连接在所述第二电阻与所述第二电容器之间的连接点上；

所述控制单元用于断开或闭合所述第一可控开关，和/或闭合所述断路器；

当所述负载启动时，所述控制单元将所述第一可控开关断开并将所述断路器闭合，从而为所述负载供电；

当所述负载短路时，所述控制单元将所述第一可控开关闭合，从而使所述第一电容器与所述第二电容器串联，使所述连接点p1的电压升高，进而限制电源电流的大小并令所述断路器灭弧断开。

优选地，所述第一可控开关为晶闸管阀组，所述晶闸管阀组由一对反向并联的晶闸管组成，或由多对反向并联的晶闸管组成。

优选地，所述断路器由一个快速真空断路器组成，或由多个快速真空断路器串联组成，或由多断口串联的快速真空断路器组成，或由快速真空断路器与IGBT并联组成。

优选地，所述第二电容器为一个或多个，所述第一可控开关为一个或多个；

当所述负载短路时，所述控制单元控制一个预先选定的第一可控开关闭合，从而将一个或多个所述第二电容器与所述第一电容器串联；

其中，所述预先选定的第一可控开关为根据电网电压的高低和经验预先选定的第一可控开关。

优选地，所述直流限流断路装置还包括：第一二极管、第二二极管和第二可控开关；

所述第一二极管串联在所述连接点p3与所述第一电阻之间，且所述第一二极管的正极连接所述连接点p3，所述第一二极管的负极连接所述第一电阻；

所述第二可控开关与所述第一二极管并联，且所述第二可控开关的正极连接所述第一电阻，所述第二可控开关的负极连接所述连接点p3；

所述第二二极管与所述第二电阻串联；

当所述断路器灭弧断开后，所述控制单元控制所述第一可控开关断开，并控制所述第二可控开关导通，以实现第一电容器通过第一电阻、第二电抗器和所述连接点p2之间的放电回路进行放电；进而检测所述放电回路的阻抗特性，若所述放电回路的阻抗呈电阻性，则闭合所述断路器为所述负载重新供电；若所述放电回路的阻抗呈电感性，则保持所述断路器为断开状态。

优选地，所述第二可控开关由一个晶闸管组成，或由多个晶闸管串联组成。

优选地，所述第二电容器为一个或多个，所述第一可控开关为一个或多个；

当所述负载短路时，所述控制单元控制一个预先选定的第一可控开关闭合，从而将一个或多个所述第二电容器与所述第一电容器串联；

其中，所述预先选定的第一可控开关为根据电网电压的高低和经验预先选定的第一可控开关。

优选地，所述第二电容器为三个，所述第一可控开关为三个，且所述第一可控开关与所述第二电容器一一对应；

三个所述第二电容器串联后连接在所述第二电阻与地之间；

每个所述第一可控开关的一端连接到所述连接点p3，另一端连接到对应的第二电容器的正极；

当所述负载短路时，所述控制单元控制一个预先选定的第一可控开关闭合，从而将一个或多个所述第二电容器与所述第一电容器串联；

其中，所述预先选定的第一可控开关为根据电网电压的高低和经验预先选定的第一可控开关。

本发明的另一方面，提出一种直流限流断路装置，包括：断路器、第一电抗器、第二电抗器、第一电容器、三个第二电容器、第一电阻、第二电阻、控制单元和三个第一可控开关；

所述断路器的一端连接直流电源的正极，另一端连接所述第一电抗器的一端；所述直流电源的负极接地；所述第一电抗器的另一端连接所述第一电容器的一端；所述第一电容器的另一端串联所述第一电阻后接地；

所述第二电抗器的一端连接所述第一电抗器与所述第一电容器的之间的连接点p1，所述第二电抗器的另一端连接负载的正极；所述负载的负极接地；

所述第二电阻的一端连接所述第二电抗器和所述负载之间的连接点p2，所述第二电阻的另一端与三个所述第二电容器依次串联后接地；或者，

所述第二电阻的一端连接所述第一电抗器与所述第一电容器之间的连接点p1，所述第二电阻的另一端与三个所述第二电容器依次串联后接地；

所述第一可控开关与所述第二电容器一一对应；每个所述第一可控开关的一端连接到所述第一电容器与所述第一电阻之间的连接点p3上，另一端连接到对应的第二电容器的正极；

所述控制单元用于断开或闭合所述第一可控开关，和/或闭合所述断路器；

当所述负载启动时，所述控制单元将每个所述第一可控开关断开并将所述断路器闭合，从而为所述负载供电；

当所述负载短路时，所述控制单元将预先选定的第一可控开关闭合，从而使一个或两个或三个所述第二电容器与所述第一电容器串联，使所述连接点p1的电压升高，进而限制电源电流的大小并令所述断路器灭弧断开；

其中，

所述断路器由一个快速真空断路器组成，或由多个快速真空断路器串联组成，或由多断口串联的快速真空断路器组成，或由快速真空断路器与IGBT并联组成；

所述第一可控开关为晶闸管阀组，所述晶闸管阀组由一对反向并联的晶闸管组成，或由多对反向并联的晶闸管组成；

所述预先选定的第一可控开关为根据电网电压的高低和经验预先选定的第一可控开关。

优选地，所述直流限流断路装置还包括：第一二极管、第二二极管和第二可控开关；

所述第一二极管串联在所述连接点p3与所述第一电阻之间，且所述第一二极管的正极连接所述连接点p3，所述第一二极管的负极连接所述第一电阻；

所述第二可控开关与所述第一二极管并联，所述第二可控开关由一个晶闸管组成，或由多个晶闸管串联组成，且所述第二可控开关的正极连接所述第一电阻，所述第二可控开关的负极连接所述连接点p3；

所述第二二极管与所述第二电阻串联；

当所述断路器灭弧断开后，所述控制单元控制三个所述第一可控开关断开，并控制所述第二可控开关导通，以实现第一电容器通过第一电阻、第二电抗器、所述连接点p2和接地点之间的放电回路进行放电；进而检测所述放电回路的阻抗特性，若所述放电回路的阻抗呈电阻性，则闭合所述断路器为所述负载重新供电；若所述放电回路的阻抗呈电感性，则保持所述断路器为断开状态。

与最接近的现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明通过第一可控开关在电网短路故障暂态过程中的导通，实现了第一电容器和第二电容器的串联及连接点p1电压的提升，通过第一电抗器L1给断路器K反向加压，不仅可以限制短路电流，还可以制造电流过零点，实现了短路电流的限制功能并使得断路器K得以灭弧分断；

(2)本发明通过第一电容器C1、第二电容器C2和电抗器 L1形成的振荡，可以在断路器K上形成多个电流过零点，确保断路器K灭弧分断；

(3)本发明通过添加第一二极管、第二二极管和第二可控开关，可以在重合闸前检测短路故障是否已经清除，从而决定是否重合闸，避免了重合闸不成功对设备造成的再次冲击；

(4)本发明的第一可控开关采用晶闸管阀组，断路器采用快速真空断路器，提高了直流侧短路电流的分断速度；

(5)本发明的直流限流断路装置结构简单、成本低，通过采用多个第一可控开关与多个第二电容，适合中压、高压等各种多端柔性直流电网故障限流和分断。

附图说明

图1是本发明的直流限流断路装置实施例一的主要构成示意图；

图2是本发明的直流限流断路装置实施例二的主要构成示意图；

图3是本发明的直流限流断路装置实施例三的主要构成示意图；

图4是本发明的直流限流断路装置实施例四的主要构成示意图；

图5是本发明的直流限流断路装置实施例五的主要构成示意图；

图6是本发明的直流限流断路装置实施例六的主要构成示意图；

图7是本发明的直流限流断路装置实施例七的主要构成示意图；

图8是本发明的直流限流断路装置实施例八的主要构成示意图。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置、元件或参数的相对重要性，因此不能理解为对本发明的限制。

图1是本发明的直流限流断路装置实施例一的主要构成示意图。如图1所示，该断路装置包括：断路器K、第一电抗器L1、第二电抗器L2、第一电容器C1、第二电容器C2、第一电阻R1、第二电阻 R2、第一可控开关T1和控制单元(图中未示出)。

本实施例中，断路器K的一端连接直流电源Udc的正极，另一端连接第一电抗器L1的一端；直流电源Udc的负极接地；第一电抗器L1的另一端连接第一电容器C1的一端；第一电容器C1的另一端串联第一电阻R1后接地；第二电抗器L2的一端连接第一电抗器L1与第一电容器C1之间的连接点p1，第二电抗器L2的另一端连接负载R3的一端(即正极)；负载R3的另一端(即负极)接地；第二电阻R2的一端连接第二电抗器L2和负载R3之间的连接点p2，第二电阻R2的另一端串联第二电容器C2后接地；第一可控开关T1的一端连接在第一电容器C1与第一电阻R1之间的连接点p3上，第一可控开关T1的另一端连接在第二电阻R2与第二电容器C2之间的连接点上。

本实施例中，第一可控开关T1为晶闸管阀组，该晶闸管阀组由一对反向并联的晶闸管组成(实际应用中晶闸管阀组也可以由多对反向并联的晶闸管组成)；断路器K可以由一个快速真空断路器组成，或由多个快速真空断路器串联组成，或由多断口串联的快速真空断路器组成，或由快速真空断路器与IGBT并联组成；控制单元可以根据具体情况，来断开或闭合第一可控开关T1，和/或闭合断路器K；第一电阻R1 和第二电阻R2均为百千欧姆或兆欧姆级电阻。

当负载R3需要启动运行时，控制单元将第一可控开关T1 断开并将断路器K闭合，直流电源Udc依次经过断路器K、第一电抗器 L1、第二电抗器L2和负载R3组成闭合回路，形成主回路；直流电源Udc 依次经过断路器K、第一电抗器L1、第一电容器C1和第一电阻R1形成第一电容器C1的充电回路；直流电源Udc依次经过断路器K、第一电抗器L1、第二电抗器L2、第二电阻R2和第二电容器C2形成第二电容器 C2的充电回路。第一电阻R1和第二电阻R2在充电过程中起到限制充电电流的作用。充电完成后，电网进入稳态。

当负载R3发生短路故障，即连接点p2对地短路时，直流电源Udc依次经过断路器K、第一电抗器L1和第二电抗器L2对地放电，放电电流快速增大。从断路器K开始分闸到断路器K达到额定开距但仍处于燃弧导通状态这段时间内，控制单元将第一可控开关T1闭合，从而使第一电容器C1与第二电容器C2串联，第二电容器C2向第一电容器 C1放电，第一电容器C1支路的电流不断增加，连接点p3和连接点p1 的电压就会不断升高，从而限制了故障电流的不断增加。当连接点p1的电压超过直流电源Udc的电压，第一电容器C1支路开始向第一电抗器 L1和断路器K支路注入反向电流，电流方向由连接点p1到直流电源Udc 正极，即断路器K的电流不断减小，当断路器K的电流过零时自动灭弧断开，从而完成短路电流限制和故障电路分断。

图2是本发明的直流限流断路装置实施例二的主要构成示意图。如图2所示，与图1相比，本实施例中第二电阻R2的一端连接第一电抗器L1与第一电容器C1之间的连接点p1，第二电阻R2的另一端串联第二电容器C2后接地；其余部分的电路结构均与图1相同。

负载R3启动时，第一可控开关T1处于断开状态，断路器K 闭合，直流电源Udc依次经过断路器K、第一电抗器L1、第二电抗器L2 和负载R3组成的闭合回路，形成主回路；直流电源Udc依次经过断路器 K、第一电抗器L1、第一电容器C1和第一电阻R1形成第一电容器C1的充电回路；直流电源Udc依次经过断路器K、第一电抗器L1、第二电阻R2、第二电容器C2形成第二电容器C2的充电回路。充电完成后，电网进入稳态。第一电阻R1和第二电阻R2均为百千欧姆或兆欧姆级电阻，在充电过程中起到限制充电电流的作用。

当负载R3发生短路故障时，即连接点p2对地短路，本实施例的直流限流断路装置进行短路电流限制和故障电路分断的原理与图 1中相同，此处不再赘述。

图3是本发明的直流限流断路装置实施例三的主要构成示意图。如图3所示，与图1相比，本实施例中第二电容器为三个(C2-1、 C2-2、C2-3)，第一可控开关为三个(T1-1、T1-2、T1-3)，且第一可控开关与第二电容器一一对应；其余部分的电路结构均与图1中相同。

本实施例中，三个第二电容器C2-1、C2-2、C2-3串联后连接在第二电阻R2与地之间；每个第一可控开关的一端连接到连接点p3，另一端连接到对应的第二电容器的正极；这里所说的“第二电容器的正极”指的是断路器K闭合并完成对该第二电容器充电后，该第二电容器的极性为正的那一端。

当负载R3需要启动运行时，控制单元将三个第一可控开关全部断开并将断路器K闭合，直流电源Udc依次经过断路器K、第一电抗器L1、第二电抗器L2和负载R3组成闭合回路，形成主回路；直流电源Udc依次经过断路器K、第一电抗器L1、第一电容器C1和第一电阻R1形成第一电容器C1的充电回路；直流电源Udc依次经过断路器K、第一电抗器L1、第二电抗器L2、第二电阻R2和第二电容器C2-1、C2-2 和C2-3形成第二电容器C2-1、C2-2和C2-3的充电回路。第一电阻R1 和第二电阻R2在充电过程中起到限制充电电流的作用。充电完成后，电网进入稳态。

当负载R3发生短路故障，即连接点p2对地短路时，直流电源Udc依次经过断路器K、第一电抗器L1和第二电抗器L2对地放电，放电电流快速增大。从断路器K开始分闸到断路器K达到额定开距但仍处于燃弧导通状态这段时间内，控制单元控制一个预先选定的第一可控开关闭合，从而将一个或两个或三个第二电容器与第一电容器C1串联。其中，预先选定的第一可控开关是预先根据电网电压的高低和经验从第一可控开关T1-1、T1-2和T1-3中选定的一个。

如果控制第一可控开关T1-1闭合，使得第一电容器C1与第二电容器C2-1、C2-2和C2-3串联，第二电容器C2-1、C2-2和C2-3向第一电容器C1放电，第一电容器C1支路的电流不断增加，接点p3和连接点p1的电压不断升高，限制了故障电流的不断增加。当连接点p1的电压超过直流电源Udc的电压时，第一电容器C1支路开始向第一电抗器 L1和断路器K支路注入反向电流，电流方向由连接点p1到直流电源Udc 的正极，即断路器K的电流不断减小，当断路器K的电流过零时自动灭弧断开，从而完成短路电流限制和故障电路分断。

如果控制第一可控开关T1-2闭合，使得第一电容器C1与第二电容器C2-2和C2-3串联，第二电容器C2-2和C2-3向第一电容器C1 放电，第一电容器C1支路的电流不断增加，连接点p3和连接点p1的电压不断升高，限制了故障电流的不断增加。当连接点p1的电压超过电源电压Udc。第一电容器C1支路开始向第一电抗器L1和断路器K支路注入反向电流，电流方向由连接点p1到直流电源Udc的正极，即断路器K 的电流不断减小，当断路器K的电流过零时自动灭弧断开。

如果控制第一可控开关T1-3闭合，使得第一电容器C1与第二电容器C2-3串联，第二电容器C2-3向第一电容器C1放电，第一电容器C1支路的电流不断增加，连接点p3和连接点p1的电压不断升高，限制了故障电流的不断增加。当连接点p1的电压超过直流电源Udc的电压时，第一电容器C1支路开始向第一电抗器L1和断路器K支路注入反向电流，电流方向由连接点p1到直流电源Udc的正极，即断路器K的电流不断减小，当断路器K的电流过零时自动灭弧断开。

图4是本发明的直流限流断路装置实施例四的主要构成示意图。如图4所示，与图3相比，本实施例中第二电阻R2的一端连接第一电抗器L1与第一电容器C1之间的连接点p1，第二电阻R2的另一端依次串联第二电容器C2-1、C2-2、C2-3后接地；其余部分的电路结构均与图3相同。

当负载R3需要启动运行时，控制单元将三个第一可控开关全部断开并将断路器K闭合，直流电源Udc依次经过断路器K、第一电抗器L1、第二电抗器L2和负载R3组成的闭合回路，形成主回路；直流电源Udc依次经过断路器K、第一电抗器L1、第一电容器C1和第一电阻R1形成第一电容器C1的充电回路；直流电源Udc依次经过断路器K、第一电抗器L1、第二电阻R2和第二电容器C2-1、C2-2和C2-3形成第二电容器C2-1、C2-2和C2-3的充电回路。第一电阻R1和第二电阻R2 在充电过程中起到限制充电电流的作用。充电完成后，电网进入稳态。

当负载R3发生短路故障时，即连接点p2对地短路，本实施例的直流限流断路装置进行短路电流限制和故障电路分断的原理与图 3中相同，此处不再赘述。

图5是本发明的直流限流断路装置实施例五的主要构成示意图。如图5所示，本实施例的直流限流断路装置与图1相比，还包括：第一二极管D1、第二二极管D2和第二可控开关T2。

其中，第一二极管D1串联在连接点p3与第一电阻R1之间，且第一二极管D1的正极连接到连接点p3，第一二极管D1的负极连接第一电阻R1；第二可控开关T2(本实施例中由一个晶闸管组成，实际应用中也可以由多个晶闸管串联组成)与第一二极管D1并联；第二二极管 D2与第二电阻R2串联，图5中D2串联在了R2的上端，实际应用中也已可以串联在R2的下端。

本实施例的启动过程和电网发生短路故障时的限流和分断原理与图1相同。同时，在电网稳态时，一旦连接点p1电压升高，就形成了第一电容器C1通过第一二极管D1和第一电阻R1进行充电的回路；一旦连接点p1电压降低，第一二极管D1就阻断了第一电容器C1对连接点p1的放电回路。在电网稳态时，一旦连接点p2电压升高，就形成了第二电容器C2通过第二二极管D2和第二电阻R2进行充电的回路；一旦接点p2电压降低，第二二极管D2就阻断了第二电容器C2对连接点 p2的放电回路。当断路器K自动灭弧断开后，控制单元控制第一可控开关T1断开，并控制第二可控开关T2闭合，实现第一电容器C1通过第一电阻R1、第二电抗器L2和连接点p2之间的放电回路进行放电，进而检测放电回路的阻抗特性，如果放电回路阻抗呈电阻性，表明短路故障为瞬时性故障，则闭合断路器K，实现系统重合闸为负载供电；如果回路阻抗呈电感性，表明短路故障是永久性故障，则保持断路器K为断开状态。

图6是本发明的直流限流断路装置实施例六的主要构成示意图。如图6所示，本实施例的直流限流断路装置与图5相比，本实施例中第二电阻R2的一端连接第一电抗器L1与第一电容器C1的之间的连接点p1，第二电阻R2的另一端串联第二电容器C2后接地；其余部分的电路结构均与图5相同。

本实施例的启动过程和电网发生短路故障时的限流和分断原理与图2相同。同时，在电网稳态时，一旦连接点p1电压升高，就形成了第一电容器C1通过第一二极管D1和第一电阻R1进行充电的回路，同时形成了第二电容器C2通过第二二极管D2和第二电阻R2进行充电的回路；一旦连接点p1电压降低，第一二极管D1就阻断了第一电容器 C1对连接点p1的放电回路，同时第二二极管D2阻断了第二电容器C2 对连接点p1的放电回路。当断路器K自动灭弧断开后，控制单元控制第一可控开关T1断开，并控制第二可控开关T2闭合，实现第一电容器C1 通过第一电阻R1、第二电抗器L2和连接点p2之间的放电回路进行放电，进而检测放电回路的阻抗特性，如果放电回路阻抗呈电阻性，表明短路故障为瞬时性故障，则闭合断路器K，实现系统重合闸为负载供电；如果回路阻抗呈电感性，表明短路故障是永久性故障，则保持断路器K为断开状态。

图7是本发明的直流限流断路装置实施例七的主要构成示意图。如图7所示，与图3相比，本实施例的断路装置还包括：第一二极管D1、第二二极管D2和第二可控开关T2。

其中，第一二极管D1串联在连接点p3与第一电阻R1之间，且第一二极管D1的正极连接于连接点p3，第一二极管D1的负极连接第一电阻R1；第二可控开关T2(本实施例中由一个晶闸管组成，实际应用中也可以由多个晶闸管串联组成)与第一二极管D1并联；第二二极管 D2与第二电阻串联R2，图7中D2串联在了R2的上端，实际应用中也已可以串联在R2的下端。

本实施例的启动过程和电网发生短路故障时的限流和分断原理与图3相同。同时，在电网稳态时，一旦连接点p1电压升高，就形成了第一电容器C1通过第一二极管D1和第一电阻R1进行充电的回路；一旦连接点p1电压降低，第一二极管D1就阻断了第一电容器C1对连接点p1的放电回路。在电网稳态时，一旦连接点p2电压升高，就形成了第二电容器C2-1、C2-2和C2-3通过第二二极管D2和第二电阻R2进行充电的回路；一旦接点p2电压降低，第二二极管D2就阻断了第二电容器C2-1、C2-2和C2-3对连接点p2的放电回路。当断路器K自动灭弧断开后，控制单元控制三个第一可控开关(T1-1、T1-2和T1-3)全部断开，并控制第二可控开关T2闭合，实现第一电容器C1通过第一电阻R1、第二电抗器L2和连接点p2之间的放电回路进行放电，进而检测放电回路的阻抗特性，如果放电回路阻抗呈电阻性，表明短路故障为瞬时性故障，则闭合断路器K，实现系统重合闸为负载供电；如果回路阻抗呈电感性，表明短路故障是永久性故障，则保持断路器K为断开状态。

图8是本发明的直流限流断路装置实施例八的主要构成示意图。如图8所示，与图7相比，本实施例的断路装置中第二电阻R2的一端连接第一电抗器L1与第一电容器C1的之间的连接点p1，第二电阻 R2的另一端与三个第二电容器C2-1、C2-2、C2-3依次串联后接地；其余部分的电路结构均与图7相同。

本实施例的启动过程和电网发生短路故障时的限流和分断原理与图4相同。同时，在电网稳态时，一旦连接点p1电压升高，就形成了第一电容器C1通过第一二极管D1和第一电阻R1进行充电的回路，同时形成了第二电容器C2-1、C2-2和C2-3通过第二二极管D2和第二电阻R2进行充电的回路；一旦连接点p1电压降低，第一二极管D1就阻断了第一电容器C1对连接点p1的放电回路，同时第二二极管D2就阻断了第二电容器C2-1、C2-2和C2-3对连接点p1的放电回路。当断路器K自动灭弧断开后，控制单元控制三个第一可控开关全部断开，并控制第二可控开关T2闭合，实现第一电容器C1通过第一电阻R1、第二电抗器 L2和连接点p2之间的放电回路进行放电，进而检测放电回路的阻抗特性，如果放电回路阻抗呈电阻性，表明短路故障为瞬时性故障，则闭合断路器K，实现系统重合闸为负载供电；如果回路阻抗呈电感性，表明短路故障是永久性故障，则保持断路器K为断开状态。

因此，在本发明的直流限流断路装置中，启动时，直流电源通过充电回路完成了对电容器的充电；当发生短路故障时，通过晶闸管阀组实现了电容器的串联，导致电容器与电抗器连接点p1的电压提升，从而在快速真空断路器上形成反压，迫使快速真空断路器电流过零，达到灭弧断流的作用。同时，直流限流断路器也起到了有效限制短路电流的作用。

本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种直流限流断路装置，其特征在于，包括：断路器、第一电抗器、第二电抗器、第一电容器、第二电容器、第一电阻、第二电阻、第一可控开关和控制单元；

所述断路器的一端连接直流电源的正极，另一端连接所述第一电抗器的一端；所述直流电源的负极接地；所述第一电抗器的另一端连接所述第一电容器的一端；所述第一电容器的另一端串联所述第一电阻后接地；

所述第二电抗器的一端连接所述第一电抗器与所述第一电容器的之间的连接点p1，所述第二电抗器的另一端连接负载的一端；所述负载的另一端接地；

所述第二电阻的一端连接所述第二电抗器和所述负载之间的连接点p2，所述第二电阻的另一端串联所述第二电容器后接地；或者，

所述第二电阻的一端连接所述第一电抗器与所述第一电容器之间的连接点p1，所述第二电阻的另一端串联所述第二电容器后接地；

所述第一可控开关的一端连接在所述第一电容器与所述第一电阻之间的连接点p3上，所述第一可控开关的另一端连接在所述第二电阻与所述第二电容器之间的连接点上；

所述控制单元用于断开或闭合所述第一可控开关，和/或闭合所述断路器；

当所述负载启动时，所述控制单元将所述第一可控开关断开并将所述断路器闭合，从而为所述负载供电；

当所述负载短路时，从所述断路器开始分闸到所述断路器达到额定开距但仍然处于燃弧导通状态这段时间内，所述控制单元将所述第一可控开关闭合，从而使所述第一电容器与所述第二电容器串联，使所述连接点p1的电压升高，进而在所述连接点p1的电压超过所述直流电源的电压时所述第一电容器向所述第一电抗器和所述断路器注入反向电流，通过所述第一电抗器给所述断路器反向加压，限制电源电流的大小并令所述断路器灭弧断开。

2.根据权利要求1所述的直流限流断路装置，其特征在于，所述第一可控开关为晶闸管阀组，所述晶闸管阀组由一对反向并联的晶闸管组成，或由多对反向并联的晶闸管组成。

3.根据权利要求1所述的直流限流断路装置，其特征在于，所述断路器由一个快速真空断路器组成，或由多个快速真空断路器串联组成，或由多断口串联的快速真空断路器组成，或由快速真空断路器与IGBT并联组成。

4.根据权利要求1所述的直流限流断路装置，其特征在于，所述第二电容器为一个或多个，所述第一可控开关为一个或多个；

当所述负载短路时，所述控制单元控制一个预先选定的第一可控开关闭合，从而将一个或多个所述第二电容器与所述第一电容器串联；

其中，所述预先选定的第一可控开关为根据电网电压的高低和经验预先选定的第一可控开关。

5.根据权利要求1所述的直流限流断路装置，其特征在于，所述直流限流断路装置还包括：第一二极管、第二二极管和第二可控开关；

所述第一二极管串联在所述连接点p3与所述第一电阻之间，且所述第一二极管的正极连接所述连接点p3，所述第一二极管的负极连接所述第一电阻；

所述第二可控开关与所述第一二极管并联，且所述第二可控开关的正极连接所述第一电阻，所述第二可控开关的负极连接所述连接点p3；

所述第二二极管与所述第二电阻串联；

当所述断路器灭弧断开后，所述控制单元控制所述第一可控开关断开，并控制所述第二可控开关导通，以实现第一电容器通过第一电阻、第二电抗器和所述连接点p2之间的放电回路进行放电；进而检测所述放电回路的阻抗特性，若所述放电回路的阻抗呈电阻性，则闭合所述断路器为所述负载重新供电；若所述放电回路的阻抗呈电感性，则保持所述断路器为断开状态。

6.根据权利要求5所述的直流限流断路装置，其特征在于，所述第二可控开关由一个晶闸管组成，或由多个晶闸管串联组成。

7.根据权利要求2所述的直流限流断路装置，其特征在于，所述第二电容器为一个或多个，所述第一可控开关为一个或多个；

当所述负载短路时，所述控制单元控制一个预先选定的第一可控开关闭合，从而将一个或多个所述第二电容器与所述第一电容器串联；

其中，所述预先选定的第一可控开关为根据电网电压的高低和经验预先选定的第一可控开关。

8.根据权利要求7所述的直流限流断路装置，其特征在于，所述第二电容器为三个，所述第一可控开关为三个，且所述第一可控开关与所述第二电容器一一对应；

三个所述第二电容器串联后连接在所述第二电阻与地之间；

每个所述第一可控开关的一端连接到所述连接点p3，另一端连接到对应的第二电容器的正极；

当所述负载短路时，所述控制单元控制一个预先选定的第一可控开关闭合，从而将一个或多个所述第二电容器与所述第一电容器串联；

其中，所述预先选定的第一可控开关为根据电网电压的高低和经验预先选定的第一可控开关。

9.一种直流限流断路装置，其特征在于，包括：断路器、第一电抗器、第二电抗器、第一电容器、三个第二电容器、第一电阻、第二电阻、控制单元和三个第一可控开关；

所述断路器的一端连接直流电源的正极，另一端连接所述第一电抗器的一端；所述直流电源的负极接地；所述第一电抗器的另一端连接所述第一电容器的一端；所述第一电容器的另一端串联所述第一电阻后接地；

所述第二电抗器的一端连接所述第一电抗器与所述第一电容器的之间的连接点p1，所述第二电抗器的另一端连接负载的一端；所述负载的另一端接地；

所述第二电阻的一端连接所述第二电抗器和所述负载之间的连接点p2，所述第二电阻的另一端与三个所述第二电容器依次串联后接地；或者，

所述第二电阻的一端连接所述第一电抗器与所述第一电容器之间的连接点p1，所述第二电阻的另一端与三个所述第二电容器依次串联后接地；

所述第一可控开关与所述第二电容器一一对应；每个所述第一可控开关的一端连接到所述第一电容器与所述第一电阻之间的连接点p3上，另一端连接到对应的第二电容器的正极；

所述控制单元用于断开或闭合所述第一可控开关，和/或闭合所述断路器；

当所述负载启动时，所述控制单元将每个所述第一可控开关断开并将所述断路器闭合，从而为所述负载供电；

当所述负载短路时，从所述断路器开始分闸到所述断路器达到额定开距但仍然处于燃弧导通状态这段时间内，所述控制单元将预先选定的第一可控开关闭合，从而使一个或两个或三个所述第二电容器与所述第一电容器串联，使所述连接点p1的电压升高，进而在所述连接点p1的电压超过所述直流电源的电压时所述第一电容器向所述第一电抗器和所述断路器注入反向电流，通过所述第一电抗器给所述断路器反向加压，限制电源电流的大小并令所述断路器灭弧断开；

其中，

所述断路器由一个快速真空断路器组成，或由多个快速真空断路器串联组成，或由多断口串联的快速真空断路器组成，或由快速真空断路器与IGBT并联组成；

所述第一可控开关为晶闸管阀组，所述晶闸管阀组由一对反向并联的晶闸管组成，或由多对反向并联的晶闸管组成；

所述预先选定的第一可控开关为根据电网电压的高低和经验预先选定的第一可控开关。

10.根据权利要求9所述的直流限流断路装置，其特征在于，所述直流限流断路装置还包括：第一二极管、第二二极管和第二可控开关；

所述第一二极管串联在所述连接点p3与所述第一电阻之间，且所述第一二极管的正极连接所述连接点p3，所述第一二极管的负极连接所述第一电阻；

所述第二可控开关与所述第一二极管并联，且所述第二可控开关的正极连接所述第一电阻，所述第二可控开关的负极连接所述连接点p3，所述第二可控开关由一个晶闸管组成，或由多个晶闸管串联组成；

所述第二二极管与所述第二电阻串联；

当所述断路器灭弧断开后，所述控制单元控制三个所述第一可控开关断开，并控制所述第二可控开关导通，以实现第一电容器通过第一电阻、第二电抗器、所述连接点p2和接地点之间的放电回路进行放电；进而检测所述放电回路的阻抗特性，若所述放电回路的阻抗呈电阻性，则闭合所述断路器为所述负载重新供电；若所述放电回路的阻抗呈电感性，则保持所述断路器为断开状态。

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