CN110311354B - 一种中压大容量混合直流断路器及限流分断方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中压大容量混合直流断路器，快速分断模块、初级转移模块、次级转移模块和能量吸收模块并联之后与隔离模块串联；快速分断模块和隔离模块串联承载直流系统正常工作时的负载电流，隔离模块用于分断正常工作电流；还公开了其限流分断方法，当直流电力系统发生短路故障时，快速分断模块分断产生的弧压使得流过快速分断模块的电流向初级转移模块转移，初级转移模块能自动产生较高的电弧电压，迫使故障电流迅速向次级转移模块中转移并最终实现分断；本发明长期带载损耗低、能大幅提高大电流分断过程的电流转移速度、减小次级转移模块的关断电流、而且无需对液态金属进行控制，从而快速、可靠地实现对故障电流的有效限制。

Description

一种中压大容量混合直流断路器及限流分断方法
技术领域
本发明属于断路器技术领域，具体涉及一种中压大容量混合直流断路器，以及其限流分断方法。
背景技术
柔性直流输电技术的快速发展使得其容量大幅度提升，额定电流更大而且线路阻抗更小，当发生短路故障时，短路电流峰值高达上百千安，且短路电流上升速率更高。传统电力系统保护设备动作时间较长，分断能力有限，难以实现短路电流的快速限流分断。短路电流若未及时切断，将导致电气设备的永久性损坏，因此亟待进行新型限流及开断技术的研究。
目前的直流断路器在开断几十千安大电流时存在以下问题：
1，机械式断路器大电流灭弧问题导致绝缘恢复时间较长，难以实现大电流直接开断，分断可靠性低，寿命短。
2，固态断路器使用的电力电子器件的串联数较多通态损耗大，需配备专用的冷却设备，系统复杂。
3，液态金属限流器仅能起到限制短路电流峰值的作用，不具备开断大电流的能力。
4，采用机械式断路器和固态断路器构成的混合式断路器，机械式断路器开断时产生的弧压较低，需要多级换流过程，换流过程较长，控制系统复杂；中高压场合回路电感较大，转移速度慢，受半导体水平所限，分断能力低，或需要采用大量串并联，体积大、成本高。
为确保大电流可靠分断，一般有后备保护措施如爆炸开关或熔断器等以防换流失败导致系统故障扩大，但爆炸开关或熔断器仅能单次动作，系统维修困难，难以立刻恢复使用。当电压、电流等级升高时，由于电弧电压较低、回路电感较大、半导体开关通态阻抗较高、电流转移速度很慢，会导致半导体开关最终无法可靠关断，或需要采用多个器件串并联，会使体积和成本大幅增加。
当电压、电流等级升高时，快速分断模块分断产生的弧压较低不足以使次级转移模块中的半导体器件有效导通，无法实现电流向次级转移模块的转移；而初级转移模块可产生高达数千伏的电弧电压，可使次级转移模块中的半导体器件可靠导通，故障电流迅速转移，采用初级转移模块作为中间环节是必要的。
若采用半导体开关作为中间环节，由于电弧电压较低、回路电感较大、半导体开关通态阻抗较高、电流转移速度很慢，会导致半导体开关最终无法可靠关断，或需要采用多个器件串并联，会使体积和成本大幅增加。
现有的主动式电流转移型混合断路器，主电流通路的机械开关串联了可关断半导体开关，由于半导体开关导通损耗较高，需要额外增加散热设备，并且控制复杂，不适用于大电流场合。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提出一种中压大容量混合直流断路器，在满足开断要求的前提下，能自触发限流，通态损耗小，换流迅速，控制简单，降低了对次级转移模块和隔离模块开断能力的要求，系统可靠性大大提升；除此之外，避免了爆炸开关或熔断器等后备保护开关的使用，系统维修性大大提高。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种中压大容量混合直流断路器，包括快速分断模块QF、初级转移模块LMCL、次级转移模块T、能量吸收模块MOV和隔离模块S，所述的快速分断模块QF、初级转移模块LMCL、次级转移模块T和能量吸收模块MOV并联之后与所述的隔离模块S串联；所述的快速分断模块QF采用电磁斥力机构，快速分断模块QF和隔离模块S串联承载直流系统正常工作时的负载电流，隔离模块S用于分断所述正常工作电流；所述的初级转移模块LMCL采用液态金属，所述的次级转移模块T采用可关断半导体开关，所述的隔离模块S采用负荷开关。
本发明的目的之二在于提出上述限流式混合直流断路器的限流分断方法，步骤为：
直流系统正常工作阶段，快速分断模块QF和隔离模块S串联导通负载电流I0，通过隔离模块S实现对正常工作电流的分断；
系统发生短路故障后，短路电流迅速增加，短路电流达到初级转移模块LMCL中液态金属的起弧条件时，初级转移模块LMCL两端迅速产生高压；同时触发导通次级转移模块T中的半导体器件，短路电流从初级转移模块LMCL向次级转移模块T中快速转移；
初级转移模块LMCL的电流完全转移到次级转移模块T中后熄弧，经过一段延时，当初级转移模块LMCL完全恢复阻断能力后，关断次级转移模块T中的半导体器件，在次级转移模块T的关断过电压条件下，能量吸收模块MOV迅速导通吸收直流系统能量，主回路电流完全转移至能量吸收模块MOV中；
随着主回路电流逐渐减小，最终为零，然后无弧断开隔离模块S，分断过程结束
本发明的有益效果是：
主电路电流通路采用机械开关，显著提高长期带载能力，初级转移模块具有自触发功能不需要额外的检测、触发装置，并且液态金属导通时的等效阻抗较小，当直流系统发生短路故障时，初级转移模块自动产生的电弧电压高达上千伏，实现故障电流向次级转移模块的快速转移，从而降低次级转移模块中的半导体器件最终关断的电流，实现对故障电流快速、可靠地限制和分断，控制更加简单，系统可靠性大大提升；避免了爆炸开关或熔断器等后备保护开关的使用，使得系统维修性大大提高。
附图说明
图1为本发明的电路结构示意图；
图2为本发明工作过程中时序及各模块电流示意图。
各附图标记为：QF—快速分断模块，LMCL—初级转移模块，T—次级转移模块，MOV—能量吸收模块，S—隔离模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参照图1所示，本发明公开了一种中压大容量混合直流断路器，包括快速分断模块QF、初级转移模块LMCL、次级转移模块T、能量吸收模块MOV和隔离模块S，其中，快速分断模块QF、初级转移模块LMCL、次级转移模块T和能量吸收模块MOV并联，然后与隔离模块S串联。所述的快速分断模块QF采用电磁斥力机构，所述的初级转移模块LMCL采用液态金属，所述的次级转移模块T采用可关断半导体开关，所述的隔离模块S采用负荷开关。快速分断模块QF和隔离模块S串联承载直流系统正常工作时的负载电流，当需要分断所述正常工作电流时，所述隔离模块S分断。隔离模块S具有大电流额定通流能力，能带载合闸和分闸，分闸状态具有高压阻断能力；而快速分断模块QF在导通正常工作电流时的等效电阻仅为微欧级，长期带载时的功率损耗较低。
当直流系统发生短路故障时，快速分断模块QF分断产生的弧压使得流过快速分断模块QF的电流向初级转移模块LMCL转移，随着故障电流的增加，初级转移模块LMCL自动产生较高的电弧电压，迫使故障电流迅速向次级转移模块T中转移，并由次级转移模块T最终完成电流的分断。
本发明短路电流开断过程时序图及各模块电流波形如图2所示。
1，在直流系统正常工作阶段，由快速分断模块QF和隔离模块S串联导通负载电流I0；由于在正常导通阶段，快速分断模块QF的等效电阻仅为微欧级，因此长期导通损耗较低；若需要对正常工作电流进行分断时，由隔离模块S断开即可实现分断。
2，当系统在tl时刻发生短路故障后，随着短路电流的迅速增加，快速分断模块QF分断产生的弧压使得流过快速分断模块QF的电流向初级转移模块LMCL转移，在t2时刻转移电流达到初级转移模块LMCL起弧条件时，初级转移模块LMCL通流孔中的液态金属在短路电流轴向电磁力的作用下，液柱快速收缩变细起弧，形成迅速上升的电弧电压，使初级转移模块LMCL呈现高阻状态，将短路电流峰值限制下来。同时触发导通次级转移模块T中的半导体器件，初级转移模块LMCL产生的高达上千伏电弧电压，迫使故障电流从初级转移模块LMCL迅速转移至次级转移模块T。
3，在t3时刻，初级转移模块LMCL电流完全转移到次级转移模块T；此后，经过一段延时，在t4时刻初级转移模块LMCL完全恢复阻断能力后，关断次级转移模块T中的半导体器件；在次级转移模块T的关断过电压条件下，能量吸收模块MOV迅速导通吸收直流系统能量，并在t5时刻电流完全转移至能量吸收模块MOV中。
4，此后，随着直流系统储存能量不断地被能量吸收模块MOV消耗，主回路电流逐渐减小，最终在t6时刻减小为零；然后无弧断开隔离模块S，分断过程结束。
为实现大电流分断，现有的机械式断路器绝缘恢复时间较长，难以实现大电流直接开断，分断可靠性低，寿命短；现有的固态断路器使用的电力电子器件的串联数较多通态损耗大，需配备专用的冷却设备；现有的混合式断路器，因为机械式断路器开断时产生的弧压较低不能直接使高压电力电子器件支路可靠导通所以需要多级换流过程，所需元器件较多，换流过程较长，控制系统复杂。
本发明主电路电流通路采用机械开关，长期带载损耗低、与单纯的固态开关相比，可以避免使用庞大的散热装置。同时在限流分断过程中的电流转移阶段，液态金属能随着短路电流的增加自动产生较高的电弧电压，实现大电流的快速转移；与现有基于机械开关电弧电压的混合式直流分断技术方案相比，能显著减小固态开关最终关断的电流，减少器件使用数量，减小装置体积，降低成本，和提高装置的限流分断能力及可靠性。
本发明初级转移模块LMCL在系统短路故障时产生的电弧电压高达上千伏，大幅提升故障电流向所述次级转移模块T的转移速度，次级转移模块T中的半导体器件最终关断的电流相对较小，针对相同的短路故障电流，可明显减少次级转移模块T中的半导体器件使用数量，当采用相同的次级转移模块时T，能有效提升装置的限流分断能力。
上述实施例仅例示说明本发明的原理及其功效以及部分运用的实施例，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种中压大容量混合直流断路器，其特征在于：包括快速分断模块（QF）、初级转移模块（LMCL）、次级转移模块（T）、能量吸收模块（MOV）和隔离模块（S），所述的快速分断模块（QF）、初级转移模块（LMCL）、次级转移模块（T）和能量吸收模块（MOV）并联之后与所述的隔离模块（S）串联；所述的快速分断模块（QF）采用电磁斥力机构，快速分断模块（QF）和隔离模块（S）串联承载直流系统正常工作时的负载电流，隔离模块（S）用于分断正常工作电流；所述的初级转移模块（LMCL）采用液态金属，所述的次级转移模块（T）采用可关断半导体开关，所述的隔离模块（S）采用负荷开关。
2.一种如权利要求1所述的中压大容量混合直流断路器的限流分断方法，其特征在于，步骤为：
直流系统正常工作阶段，快速分断模块（QF）和隔离模块（S）串联导通负载电流，通过隔离模块（S）实现对正常工作电流的分断；
系统发生短路故障后，短路电流迅速增加，达到初级转移模块（LMCL）中液态金属的起弧条件时，初级转移模块（LMCL）两端迅速产生高压；同时触发导通次级转移模块（T）中的半导体器件，短路电流从初级转移模块（LMCL）向次级转移模块（T）中快速转移；
初级转移模块（LMCL）的电流完全转移到次级转移模块（T），经过一段延时，初级转移模块（LMCL）完全恢复阻断能力，关断次级转移模块（T）中的半导体器件，在次级转移模块（T）的关断过电压条件下，能量吸收模块（MOV）迅速导通吸收直流系统能量，主回路电流完全转移至能量吸收模块（MOV）中；
随着主回路电流逐渐减小，最终为零，然后无弧断开隔离模块（S），分断过程结束。
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