CN110323721B - 一种机械自激振荡型直流断路器、参数确定方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机械自激振荡型直流断路器、参数确定方法和装置，机械自激振荡型直流断路器包括控制模块以及并联的机械开关支路、振荡支路和吸收支路，采用了较少的器件，体积小且造价低。本发明确定的参数包括控制模块的动作时间、机械开关支路中机械开关的响应动作时间、振荡支路中振荡电容C和振荡电感L的取值范围，为机械式直流断路器参数选型提供可靠的途径，同时本发明基于机械自激振荡型直流断路器开断特性比较分析振荡支路不同RLC参数对断路器开断过程的影响，从而优化振荡支路参数；还分析机械自激振荡型直流断路器不同开断时序对直流开断的影响规律，从而确定开断故障电流时机械开关支路和振荡支路的最优配合时序。

Description

一种机械自激振荡型直流断路器、参数确定方法和装置

技术领域

本发明涉及机械型直流断路器，具体涉及一种机械自激振荡型直流断路器、参数确定方法和装置。

背景技术

直流断路器是直流输电系统灵活转换运行方式和开断故障电流的重要设备。目前直流输电系统对短路故障的处理方法为：首先闭锁换流站，接着操动机构开断交流断路器，从而隔离短路故障。这种处理方法会造成交流系统短时停运，不利于电网的供电可靠性，因而直流断路器是限制直流输电系统规模和容量扩大的瓶颈。因此，设计开发高压直流断路器及其数值建模方法具有重要的工程意义和应用价值。

目前的直流断路器主要有混合式直流断路器、全固态式直流断路器和机械式直流断路器，具体如下：

1)混合式直流断路器：将机械开关与电力电子器件结合而构成了混合式直流断路器，主要包括电流转移支路、固态开关支路以及吸能支路。混合式直流断路器综合了机械开关的绝缘特性以及固态开关的快速开断能力，实现大电流的快速开断。混合式直流断路器中需要使用大量的电力电子器件，成本较高，经济性不高。

2)全固态式直流断路器：全固态式直流断路器主要由电力电子固态开关和吸能支路两部分组成。全固态直流断路器应用到高压直流输电系统中需要串联大量的电力电子器件，价格昂贵，控制技术复杂，而且运行时通态损耗较大，因此，全固态直流断路器的经济性不高且技术性复杂。

3)机械式直流断路器：机械式直流断路器主要以交流断路器为基础。依据开断电流转移的方法的不同分为：有源式机械直流断路器和无源式机械直流断路器。无源式机械直流断路器也称为机械自激振荡型直流断路器。它的开断时间为数十毫秒，因此适合关合、开断负荷电流及一定范围的故障电流。同时，机械直流断路器在经济性上是可观的。

现有技术中的机械式直流断路器包括通流支路、换流支路和吸能限压支路，其中通流支路由一个或多个机械开关串联构成，换流支路由高压电容与换流电路串联构成，吸能限压支路由避雷器构成，通流支路、换流支路和吸能限压支路相互并联。现有技术中的机械式直流断路器存在以下缺点：(1)其通流支路仅由一条支路组成，意味着该条支路需独自承担较大的故障电流，造成通流支路上的机械开关发热严重，机械开关的触头容易损坏；(2)需要为电容提供充电系统，整个机械式断路器体积大，且造价高；(3)缺乏基于软件分析的机械式直流断路器数值建模过程和机械式直流断路器的参数选择方法，不利于对机械式直流断路器的参数选型。

发明内容

为了克服上述现有技术中机械开关触头容易损坏、体积大、造价高且不利于对机械式直流断路器参数选型的不足，本发明提供一种机械自激振荡型直流断路器、参数确定方法和装置，机械自激振荡型直流断路器包括机械开关支路、振荡支路、吸收支路和控制模块，采用了较少的器件，体积小且造价低，得到的机械自激振荡型直流断路器的参数包括控制模块的动作时间、机械开关支路中机械开关的响应动作时间、振荡支路中振荡电容C和振荡电感L的取值范围，为机械式直流断路器参数选型提供可靠的途径。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种机械自激振荡型直流断路器，包括：

机械开关支路，用于承担直流线路的正常工作电流和开断故障电流时机械自激振荡型直流断路器两端的过电压，并实现直流线路电流的双向导通；

振荡支路，与机械开关支路并联，用于产生增幅振荡电流，并将增幅振荡电流叠加到机械开关支路上使故障电流强制过零，从而实现将故障电流从机械开关支路转移至振荡支路；

吸收支路，与机械开关支路并联，用于吸收直流线路的残余能量；

控制模块，用于检测流过机械开关支路的故障电流，并对振荡支路中的晶闸管进行控制。

所述机械开关支路包括第一支路、第二支路和电流传感器；

所述第一支路和第二支路并联，且均包括多个串联的机械开关；

所述电流传感器用于采集直流线路的电流，并将采集的直流线路电流发送至控制模块。

所述直流线路的电流包括直流线路的正常工作电流和流过机械开关支路的故障电流。

所述振荡支路包括串联的振荡电容C、振荡电感L、杂散电阻R和晶闸管组；

所述晶闸管组包括反并联的第一晶闸管和第二晶闸管。

所述吸收支路包括避雷器，所述避雷器的额定电压满足n·U_BN＝k·U_SN，n表示避雷器个数；U_BN表示避雷器的额定电压；U_SN表示机械自激振荡型直流断路器所在的直流系统的额定电压，k表示避雷器的保护系数。

20.所述控制模块包括：

阈值设置单元，用于设置故障电流阈值，并将故障电流阈值传输至比较单元；

比较单元，将电流传感器采集的直流线路电流与故障电流阈值进行比较，若直流线路电流大于等于故障电流阈值，比较单元输出高电平给逻辑判断单元，若直流线路电流小于故障电流阈值，比较单元输出低电平给逻辑判断单元；

逻辑判断单元，用于当接收到比较单元输出的高电平时，发送控制信号给机械开关的控制电路，并发送触发信号给振荡支路中晶闸管组的驱动电路。

所述机械开关的控制电路接收逻辑判断单元发送的控制信号，并控制机械开关断开；

所述晶闸管组的驱动电路接收逻辑判断单元发送的触发信号，经设定延时后，将触发信号发送给晶闸管组中的第一晶闸管和第二晶闸管，使第一晶闸管和第二晶闸管导通。

所述机械开关断开时产生电弧，所述电弧的电导满足

g_m表示电弧的电导，/>

表示电弧电导变化率；τ_m表示电弧的时间常数，P₀表示电弧的冷却功率，u_arc表示电弧的压降，i_arc表示电弧的电流。

另一方面，本发明还提供一种机械自激振荡型直流断路器的参数确定方法，包括：

通过整定直流线路发生故障后机械开关支路与振荡支路的动作时序确定控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关的响应动作时间；

通过控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关的响应动作时间确定振荡支路中振荡电容C和振荡电感L的取值范围。

所述通过整定直流线路发生故障后机械开关支路与振荡支路的动作时序确定控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关的响应动作时间之前，包括：

按照下式确定吸收支路中避雷器的个数：

n·U_BN＝k·U_SN

其中，n表示吸收支路中避雷器的个数；U_BN表示避雷器的额定电压，U_SN表示机械自激振荡型直流断路器所在的直流系统的额定电压，k表示避雷器的保护系数。

所述通过整定直流线路发生故障后机械开关支路与振荡支路的动作时序确定控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关的响应动作时间，包括：

直流线路发生故障后，基于吸收支路中避雷器的个数并通过机械自激振荡型直流断路器对流过机械开关支路的故障电流进行开断，得到开断故障电流时机械自激振荡型直流断路器两端的过电压；

整定并改变直流线路发生故障后机械开关支路和振荡支路的动作时序，得到不同动作时序下开断故障电流时机械自激振荡型直流断路器两端的过电压；

以开断故障电流时机械自激振荡型直流断路器两端的过电压最小为目标，得到控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关响应动作时间。

所述控制模块的动作时间为1～10μs；

所述机械开关支路中机械开关响应动作时间1～2ms。

所述通过控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关的响应动作时间确定振荡支路中振荡电容C和振荡电感L的取值范围，包括：

直流线路发生故障后，基于吸收支路中避雷器的个数、控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关响应动作时间，并通过机械自激振荡型直流断路器对流过机械开关支路的故障电流进行开断，得到直流系统故障电流的开断时间和开断峰值；

调整振荡支路中振荡电感L的感值和振荡电容C的容值，得到不同感值和容值下直流系统故障电流的开断时间和开断峰值；

以直流系统故障电流的开断时间最短且开断峰值最小为目标，得到振荡支路中振荡电容C和振荡电感L的取值范围。

所述振荡电容C的取值范围为100～900μF，所述振荡电感L的取值范围为100～800μH。

再一方面，本发明还提供一种机械自激振荡型直流断路器的参数确定装置，包括：

第一确定模块，用于通过整定直流线路发生故障后机械开关支路与振荡支路的动作时序确定控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关的响应动作时间；

第二确定模块，用于通过控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关的响应动作时间确定振荡支路中振荡电容C和振荡电感L的取值范围。

所述参数确定装置还包括第三确定模块，用于按照下式确定吸收支路中避雷器的个数：

n·U_BN＝k·U_SN

其中，n表示吸收支路中避雷器的个数；U_BN表示避雷器的额定电压，U_SN表示机械自激振荡型直流断路器所在的直流系统的额定电压，k表示避雷器的保护系数。

所述第二确定模块包括：

第一开断单元，用于在直流线路发生故障后，基于吸收支路中避雷器的个数并通过机械自激振荡型直流断路器对流过机械开关支路的故障电流进行开断，得到开断故障电流时机械自激振荡型直流断路器两端的过电压；

整定单元，用于整定并改变直流线路发生故障后机械开关支路和振荡支路的动作时序，得到不同动作时序下开断故障电流时机械自激振荡型直流断路器两端的过电压；

时间确定单元，用于以开断故障电流时机械自激振荡型直流断路器两端的过电压最小为目标，得到控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关响应动作时间。

所述控制模块的动作时间为1～10μs；

所述机械开关支路中机械开关响应动作时间1～2ms。

所述第二确定模块包括：

第二开断单元，用于在直流线路发生故障后，基于吸收支路中避雷器的个数、控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关响应动作时间，并通过机械自激振荡型直流断路器对流过机械开关支路的故障电流进行开断，得到直流系统故障电流的开断时间和开断峰值；

调整单元，用于调整振荡支路中振荡电感L的感值和振荡电容C的容值，得到不同感值和容值下直流系统故障电流的开断时间和开断峰值；

取值范围确定单元，用于以直流系统故障电流的开断时间最短且开断峰值最小为目标，得到振荡支路中振荡电容C和振荡电感L的取值范围。

所述振荡电容C的取值范围为100～900μF，所述振荡电感L的取值范围为100～800μH。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的机械自激振荡型直流断路器包括机械开关支路、振荡支路、吸收支路和控制模块，机械开关支路用于承担直流线路的正常工作电流和开断故障电流时机械自激振荡型直流断路器两端的过电压，并实现直流线路电流的双向导通，振荡支路与机械开关支路并联，用于产生增幅振荡电流，并将增幅振荡电流叠加到机械开关支路上使故障电流强制过零，从而实现将故障电流从机械开关支路转移至振荡支路；吸收支路与机械开关支路并联，用于吸收直流线路的残余能量；控制模块，用于检测流过机械开关支路的故障电流，并对振荡支路中的晶闸管进行控制，本发明提供的机械自激振荡型直流断路器采用了较少的器件，体积小且造价低；

本发明提供的机械自激振荡型直流断路器的参数确定方法中，先通过整定直流线路发生故障后机械开关支路与振荡支路的动作时序确定控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关的响应动作时间，然后通过控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关的响应动作时间确定振荡支路中振荡电容C和振荡电感L的取值范围，得到的机械自激振荡型直流断路器的参数包括控制模块的动作时间、机械开关支路中机械开关的响应动作时间、振荡支路中振荡电容C和振荡电感L的取值范围，为机械式直流断路器参数选型提供可靠的途径；

本发明技术方案中的机械开关支路包括第一支路和第二支路共两条并联支路，两条并联支路共同分担较大的故障电流，不会出现机械开关支路上的机械开关发热过于严重的情况，机械开关的触头不容易损坏；

本发明详细分析机械自激振荡型直流断路器开断特性，基于上述开断特性比较分析振荡支路不同RLC参数对机械自激振荡型直流断路器开断过程的影响，从而优化振荡支路参数；

本发明还分析机械自激振荡型直流断路器不同开断时序对直流开断的影响规律，从而确定开断故障电流时机械开关支路和振荡支路的最优配合时序；

本发明基于机械自激振荡型直流断路器的动作特性，比较分析振荡支路中不同振荡电感和振荡电容参数对于机械自激振荡型直流断路器操作过程的影响，用以指导振荡支路参数的选型。

附图说明

图1是本发明实施例1中机械自激振荡型直流断路器结构图；

图2是本发明实施例2中机械自激振荡型直流断路器的参数确定方法流程图；

图3是本发明实施例2中机械自激振荡型直流断路器的动作时序示意图；

图4是本发明实施例2中机械自激振荡型直流断路器中机械开关电弧伏安特性图；

图5是本发明实施例2中机械自激振荡型直流断路器各支路电流以及直流线路电流波形图；

图6是本发明实施例2中振荡电容C＝700μF且振荡电感L＝100μH时机械自激振荡型直流断路器端电压波形图；

图7是本发明实施例2中振荡电感L＝100μH和L＝120μH时直流线路电流波形图；

图8是本发明实施例2中振荡电感L＝100μH和L＝120μH时机械自激振荡型直流断路器端电压波形图；

图9是本发明实施例2中振荡电容C＝700μF及C＝650μF时直流线路电流波形图；

图10是本发明实施例2中振荡电容C＝700μF及C＝650μF时机械自激振荡型直流断路器端电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本发明实施例1提供了一种机械自激振荡型直流断路器，其结构图如图1所示，具体包括机械开关支路、振荡支路、吸收支路和控制模块，下面对机械开关支路、振荡支路、吸收支路和控制模块各自的功能进行详细描述：

其中的机械开关支路，用于承担直流线路的正常工作电流和开断故障电流时机械自激振荡型直流断路器两端的过电压，并实现直流线路电流(直流线路电流包括直流线路的正常工作电流和流过机械开关支路的故障电流)的双向导通，且机械开关支路只能在故障电流过零点熄弧开断；

其中的振荡支路，与机械开关支路并联，用于产生增幅振荡电流，并将增幅振荡电流叠加到机械开关支路上使故障电流强制过零，从而实现将故障电流从机械开关支路转移至振荡支路；

其中的吸收支路，与机械开关支路并联，用于吸收直流线路的残余能量；

其中的控制模块，用于检测流过机械开关支路的故障电流，并对振荡支路中的晶闸管进行控制。

上述的机械开关支路包括第一支路、第二支路和电流传感器；其中第一支路和第二支路并联，且均包括多个串联的机械开关；

其中电流传感器用于采集直流线路的电流，并将采集的直流线路电流发送至控制模块。

上述机械开关断开时产生电弧，

机械开关支路可以等效为不同时段的可控电阻模型：机械开关闭合时，将其等效为低阻值的电阻；机械开关分断时，将其等效为电弧电阻；完全开断时，将其等效为高阻值电阻。其中，关键在于建立机械自激振荡型直流断路器分断时的电弧模型，选择适用于大电流开断的Mayr电弧模型对机械自激振荡型直流断路器分断时产生的电弧进行数学建模，电弧的电导满足

g_m表示电弧的电导，/>

表示电弧电导变化率；τ_m表示电弧的时间常数，τ_m取值范围为10～50μs；P₀表示电弧的冷却功率，P₀取值范围为100～900kW；u_arc表示电弧的压降，i_arc表示电弧的电流。

上述振荡支路包括串联的振荡电容C、振荡电感L、杂散电阻R和晶闸管组；振荡电容C的取值范围为100～900μF，振荡电感L的取值范围为100～800μH，杂感电阻R的取值范围为0.00001～0.1Ω。

其中晶闸管组包括反并联的第一晶闸管和第二晶闸管。

上述吸收支路包括避雷器，所述避雷器的额定电压满足n·U_BN＝k·U_SN，n表示避雷器个数；U_BN表示避雷器的额定电压，U_BN的取值范围为6～10V；U_SN表示机械自激振荡型直流断路器所在的直流系统的额定电压，k表示避雷器的保护系数，且1.1≤k≤1.3。

上述控制模块包括阈值设置单元、比较单元和逻辑判断单元，分别如下：

阈值设置单元，用于设置故障电流阈值，并将故障电流阈值传输至比较单元；

比较单元，将电流传感器采集的直流线路电流与故障电流阈值进行比较，若直流线路电流大于等于故障电流阈值，比较单元输出高电平给逻辑判断单元，若直流线路电流小于故障电流阈值，比较单元输出低电平给逻辑判断单元；

逻辑判断单元，用于当接收到比较单元输出的高电平时，发送控制信号给机械开关的控制电路(每个机械开关都设有相应的控制电路)，并发送触发信号给振荡支路中晶闸管组的驱动电路。

上述机械开关的控制电路接收逻辑判断单元发送的控制信号，并控制断开；

上述晶闸管组的驱动电路接收逻辑判断单元发送的触发信号，经设定延时后，将触发信号发送给晶闸管组中的第一晶闸管和第二晶闸管，使第一晶闸管和第二晶闸管导通。

实施例2

本发明实施例2提供一种上述实施例1中机械自激振荡型直流断路器的参数确定方法，具体流程图如图2所示，具体过程如下：

S101：通过整定直流线路发生故障后机械开关支路与振荡支路的动作时序确定控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关的响应动作时间；

S102：通过S101确定的控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关的响应动作时间确定振荡支路中振荡电容C和振荡电感L的取值范围。

上述S101之前，按下式确定吸收支路中避雷器的个数：

n·U_BN＝k·U_SN

其中，n表示吸收支路中避雷器的个数；U_BN表示避雷器的额定电压，U_BN的取值范围为6～10V；U_SN表示机械自激振荡型直流断路器所在的直流系统的额定电压，k表示避雷器的保护系数，且1.1≤k≤1.3。

避雷器的伏安特性选择PSCAD中默认的伏安特性曲线，该伏安特性如表1所示，表1中的电压为标幺值。

表1

上述S01中，通过整定直流线路发生故障后机械开关支路与振荡支路的动作时序确定控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关的响应动作时间，具体过程如下：

1)直流线路发生故障后，基于吸收支路中避雷器的个数并通过机械自激振荡型直流断路器对流过机械开关支路的故障电流进行开断，得到开断故障电流时机械自激振荡型直流断路器两端的过电压；

2)整定并改变直流线路发生故障后机械开关支路和振荡支路的动作时序，得到不同动作时序下开断故障电流时机械自激振荡型直流断路器两端的过电压；

机械自激振荡型直流断路器的动作时序示意图如图3所示，具体如下：

0-t₁，直流线路正常运行；

t₁-t₂，发生故障后，检测故障电路动作，操动机构断开机械开关支路，机械开关拉弧；

t₂-t₃，驱动电路动作，驱动振荡支路的晶闸管导通，机械开关支路两端的电弧电压对振荡支路电容充电，由于电弧电阻的负阻特性使得振荡支路电流呈现增幅振荡变化，故障电流开始从机械开关支路转移到振荡支路；

t₃-t₄，机械开关完全关断后，故障电流对振荡电容C充电，由于机械自激振荡型直流断路器所在的直流系统电感较大，故此过程中流经机械自激振荡型直流断路器的电流近似恒定；

t₄-t₅，当振荡电容C上的电压达到避雷器的动作电压时，避雷器开始动作，吸收支路动作限制机械自激振荡型直流断路器两端过电压及过电流。

3)以开断故障电流时机械自激振荡型直流断路器两端的过电压最小为目标，得到控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关响应动作时间，具体地，控制模块的动作时间为1～10μs，机械开关支路中机械开关响应动作时间1～2ms。

上述S102中，通过控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关的响应动作时间确定振荡支路中振荡电容C和振荡电感L的取值范围，具体过程如下：

1)直流线路发生故障后，基于吸收支路中避雷器的个数、控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关响应动作时间，并通过机械自激振荡型直流断路器对流过机械开关支路的故障电流进行开断，得到直流系统故障电流的开断时间和开断峰值；

2)调整振荡支路中振荡电感L的感值和振荡电容C的容值，得到不同感值和容值下直流系统故障电流的开断时间和开断峰值；

3)以直流系统故障电流的开断时间最短且开断峰值最小为目标，得到振荡支路中振荡电容C和振荡电感L的取值范围，具体地，振荡电容C的取值范围为100～900μF，振荡电感L的取值范围为100～800μH。

本发明实施例2提供的机械自激振荡型直流断路器的参数确定方法具体仿真过程可以采用下述任一方式：

方式一：在5kV直流系统中，设置C＝700μF，R＝0.01Ω，L＝100μH，在t＝0.1s时5kV直流系统发生短路故障，PSCAD仿真结果见下图4、5、6所示，图4是机械自激振荡型直流断路器中机械开关电弧伏安特性图，图5是机械自激振荡型直流断路器各支路电流以及直流线路电流波形图，图6是C＝700μF且L＝100μH时机械自激振荡型直流断路器端电压波形图。从图4至图6可以看出，t＝0.103s时刻机械开关开断电流，机械开关动作产生电弧，给振荡回路提供电弧电压，t＝0.1088s时刻，机械开关支路电流I1完全转移至振荡支路，t＝0.114时刻，线路电流过零。因此机械自激振荡型直流断路器可在15ms内快速开断故障电流，限制故障电流峰值，保障直流系统设备绝缘不被过电压及过电流损毁。

方式二：在5kV直流输电系统中，设置R＝0.0001Ω，C＝700μF，对比L＝100μH及L＝120μH，PSCAD仿真结果见下图7、8所示，图7是L＝100μH和L＝120μH时直流线路电流波形图，图8是L＝100μH和L＝120μH时机械自激振荡型直流断路器端电压波形图。从图7和图8中可看出，对于固定的振荡电容C和杂感电阻R，在一定范围内增加电感值，开断时间明显增加，同时随着振荡支路电感值的增大，线路电流峰值上升。

方式三：在5kV直流输电系统中，设置L＝100μH，R＝0.0001Ω，对比C＝700μF及C＝650μF，PSCAD仿真结果见下图9、10所示，从图9和图10可看出，对于固定的振荡电感L和振荡电阻R，在一定范围内增加振荡电容C的值，开断时间显著降低，同时随着振荡支路电容值的增大，线路电流峰值降低。

实施例3

基于与本发明实施例2同一发明构思，本发明实施例3提供一种机械自激振荡型直流断路器的参数确定装置，包括第一确定模块和第二确定模块，具体功能如下：

其中的第一确定模块，用于通过整定直流线路发生故障后机械开关支路与振荡支路的动作时序确定控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关的响应动作时间；

其中的第二确定模块，用于通过控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关的响应动作时间确定振荡支路中振荡电容C和振荡电感L的取值范围。

本发明实施例3提供的机械自激振荡型直流断路器的参数确定装置还包括第三确定模块，第三确定模块用于按照下式确定吸收支路中避雷器的个数：

n·U_BN＝k·U_SN

其中，n表示吸收支路中避雷器的个数；U_BN表示避雷器的额定电压，U_BN的取值范围为6～10V；U_SN表示机械自激振荡型直流断路器所在的直流系统的额定电压，k表示避雷器的保护系数，且1.1≤k≤1.3。

上述第二确定模块包括第一开断单元、整定单元和时间确定单元，具体如下：

其中的第一开断单元，用于在直流线路发生故障后，基于吸收支路中避雷器的个数并通过机械自激振荡型直流断路器对流过机械开关支路的故障电流进行开断，得到开断故障电流时机械自激振荡型直流断路器两端的过电压；

其中的整定单元，用于整定并改变直流线路发生故障后机械开关支路和振荡支路的动作时序，得到不同动作时序下开断故障电流时机械自激振荡型直流断路器两端的过电压；

其中的时间确定单元，用于以开断故障电流时机械自激振荡型直流断路器两端的过电压最小为目标，得到控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关响应动作时间，具体地，控制模块的动作时间为1～10μs，机械开关支路中机械开关响应动作时间1～2ms。

上述第二确定模块包括第二开断单元、调整单元和取值范围确定单元，具体如下：

其中的第二开断单元，用于在直流线路发生故障后，基于吸收支路中避雷器的个数、控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关响应动作时间，并通过机械自激振荡型直流断路器对流过机械开关支路的故障电流进行开断，得到直流系统故障电流的开断时间和开断峰值；

其中的调整单元，用于调整振荡支路中振荡电感L的感值和振荡电容C的容值，得到不同感值和容值下直流系统故障电流的开断时间和开断峰值；

其中的取值范围确定单元，用于以直流系统故障电流的开断时间最短且开断峰值最小为目标，得到振荡支路中振荡电容C和振荡电感L的取值范围，具体地，振荡电容C的取值范围为100～900μF，振荡电感L的取值范围为100～800μH。

为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机械自激振荡型直流断路器，其特征在于，包括：

机械开关支路，用于承担直流线路的正常工作电流和开断故障电流时机械自激振荡型直流断路器两端的过电压，并实现直流线路电流的双向导通；

振荡支路，与机械开关支路并联，用于产生增幅振荡电流，并将增幅振荡电流叠加到机械开关支路上使故障电流强制过零，从而实现将故障电流从机械开关支路转移至振荡支路；

吸收支路，与机械开关支路并联，用于吸收直流线路的残余能量；

控制模块，用于检测流过机械开关支路的故障电流，并对振荡支路中的晶闸管进行控制；

所述吸收支路包括避雷器，所述避雷器的额定电压满足n·U_BN＝k·U_SN，n表示避雷器个数；U_BN表示避雷器的额定电压，U_SN表示机械自激振荡型直流断路器所在的直流系统的额定电压，k表示避雷器的保护系数；

所述控制模块包括：

阈值设置单元，用于设置故障电流阈值，并将故障电流阈值传输至比较单元；

比较单元，将电流传感器采集的直流线路电流与故障电流阈值进行比较，若直流线路电流大于等于故障电流阈值，比较单元输出高电平给逻辑判断单元，若直流线路电流小于故障电流阈值，比较单元输出低电平给逻辑判断单元；

逻辑判断单元，用于当接收到比较单元输出的高电平时，发送控制信号给机械开关的控制电路，并发送触发信号给振荡支路中晶闸管组的驱动电路；

所述机械开关的控制电路接收逻辑判断单元发送的控制信号，并控制机械开关断开；

所述晶闸管组的驱动电路接收逻辑判断单元发送的触发信号，经设定延时后，将触发信号发送给晶闸管组中的第一晶闸管和第二晶闸管，使第一晶闸管和第二晶闸管导通；

所述机械开关断开时产生电弧，所述电弧的电导满足

g_m表示电弧的电导，/>

表示电弧电导变化率；τ_m表示电弧的时间常数；P₀表示电弧的冷却功率；u_arc表示电弧的压降，i_arc表示电弧的电流。

2.根据权利要求1所述的机械自激振荡型直流断路器，其特征在于，所述机械开关支路包括第一支路、第二支路和电流传感器；

所述第一支路和第二支路并联，且均包括多个串联的机械开关；

所述电流传感器用于采集直流线路的电流，并将采集的直流线路电流发送至控制模块。

所述直流线路的电流包括直流线路的正常工作电流和流过机械开关支路的故障电流。

3.根据权利要求2所述的机械自激振荡型直流断路器，其特征在于，所述振荡支路包括串联的振荡电容C、振荡电感L、杂散电阻R和晶闸管组；

所述晶闸管组包括反并联的第一晶闸管和第二晶闸管。

4.一种如权利要求1-3任一所述的机械自激振荡型直流断路器的参数确定方法，其特征在于，包括：

通过整定直流线路发生故障后机械开关支路与振荡支路的动作时序确定控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关的响应动作时间；

通过控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关的响应动作时间确定振荡支路中振荡电容C和振荡电感L的取值范围；

所述通过整定直流线路发生故障后机械开关支路与振荡支路的动作时序确定控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关的响应动作时间之前，包括：

按照下式确定吸收支路中避雷器的个数：

n·U_BN＝k·U_SN

其中，n表示吸收支路中避雷器的个数；U_BN表示避雷器的额定电压；U_SN表示机械自激振荡型直流断路器所在的直流系统的额定电压，k表示避雷器的保护系数；

所述通过控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关的响应动作时间确定振荡支路中振荡电容C和振荡电感L的取值范围，包括：

直流线路发生故障后，基于吸收支路中避雷器的个数、控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关响应动作时间，并通过机械自激振荡型直流断路器对流过机械开关支路的故障电流进行开断，得到直流系统故障电流的开断时间和开断峰值；

调整振荡支路中振荡电感L的感值和振荡电容C的容值，得到不同感值和容值下直流系统故障电流的开断时间和开断峰值；

以直流系统故障电流的开断时间最短且开断峰值最小为目标，得到振荡支路中振荡电容C和振荡电感L的取值范围；

所述振荡电容C的取值范围为100～900μF，所述振荡电感L的取值范围为100～800μH。

5.根据权利要求4所述的机械自激振荡型直流断路器的参数确定方法，其特征在于，所述通过整定直流线路发生故障后机械开关支路与振荡支路的动作时序确定控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关的响应动作时间，包括：

直流线路发生故障后，基于吸收支路中避雷器的个数并通过机械自激振荡型直流断路器对流过机械开关支路的故障电流进行开断，得到开断故障电流时机械自激振荡型直流断路器两端的过电压；

整定并改变直流线路发生故障后机械开关支路和振荡支路的动作时序，得到不同动作时序下开断故障电流时机械自激振荡型直流断路器两端的过电压；

以开断故障电流时机械自激振荡型直流断路器两端的过电压最小为目标，得到控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关响应动作时间。

6.根据权利要求4所述的机械自激振荡型直流断路器的参数确定方法，其特征在于，所述控制模块的动作时间为1～10μs；

所述机械开关支路中机械开关响应动作时间1～2ms。

7.一种如权利要求1-3任一所述的机械自激振荡型直流断路器的参数确定装置，其特征在于，包括：

第一确定模块，用于通过整定直流线路发生故障后机械开关支路与振荡支路的动作时序确定控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关的响应动作时间；

第二确定模块，用于通过控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关的响应动作时间确定振荡支路中振荡电容C和振荡电感L的取值范围；

所述参数确定装置还包括：

第三确定模块，用于按照下式确定吸收支路中避雷器的个数：

n·U_BN＝k·U_SN

其中，n表示吸收支路中避雷器的个数；U_BN表示避雷器的额定电压；U_SN表示机械自激振荡型直流断路器所在的直流系统的额定电压，k表示避雷器的保护系数；

所述第二确定模块包括：

第二开断单元，用于在直流线路发生故障后，基于吸收支路中避雷器的个数、控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关响应动作时间，并通过机械自激振荡型直流断路器对流过机械开关支路的故障电流进行开断，得到直流系统故障电流的开断时间和开断峰值；

调整单元，用于调整振荡支路中振荡电感L的感值和振荡电容C的容值，得到不同感值和容值下直流系统故障电流的开断时间和开断峰值；

取值范围确定单元，用于以直流系统故障电流的开断时间最短且开断峰值最小为目标，得到振荡支路中振荡电容C和振荡电感L的取值范围。

8.根据权利要求7所述的机械自激振荡型直流断路器的参数确定装置，其特征在于，所述第二确定模块包括：

第一开断单元，用于在直流线路发生故障后，基于吸收支路中避雷器的个数并通过机械自激振荡型直流断路器对流过机械开关支路的故障电流进行开断，得到开断故障电流时机械自激振荡型直流断路器两端的过电压；

整定单元，用于整定并改变直流线路发生故障后机械开关支路和振荡支路的动作时序，得到不同动作时序下开断故障电流时机械自激振荡型直流断路器两端的过电压；

时间确定单元，用于以开断故障电流时机械自激振荡型直流断路器两端的过电压最小为目标，得到控制模块的动作时间和机械开关支路中机械开关响应动作时间。

9.根据权利要求7所述的机械自激振荡型直流断路器的参数确定装置，其特征在于，所述控制模块的动作时间为1～10μs；

所述机械开关支路中机械开关响应动作时间1～2ms。

10.根据权利要求7所述的机械自激振荡型直流断路器的参数确定装置，其特征在于，所述振荡电容C的取值范围为100～900μF，所述振荡电感L的取值范围为100～800μH。

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