CN110401174A - 一种中压直流真空断路器主电路拓扑及其分断方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中压直流真空断路器主电路拓扑，包括由真空断路器VB1和VB2串联构成的主电流通路，由换流电容C、辅助开关S和换流电感L串联构成的换流分断电路，由辅助电感La和辅助电容Ca串联构成的辅助分断电路以及由压敏电阻RV构成的吸能电路，所述主电流通路、换流分断电路和吸能电路相互并联，所述辅助分断电路与真空断路器VB1并联；还公开了其换流分断方法，当分断直流系统负载小电流时，真空断路器VB1和VB2先后动作；当分断直流系统故障大电流时，真空断路器VB1和VB2同时动作。本发明具有大电流分断过程可靠、小电流分断过程迅速等特点，并在装置的外形体积和成本方面具有一定的优势，适用于中压直流大电流系统。

Description

一种中压直流真空断路器主电路拓扑及其分断方法
技术领域
本发明属于电力系统故障保护技术领域，具体涉及一种中压直流真空断路器的主电路拓扑，以及其分断方法。
背景技术
基于有源强迫换流技术实现的直流真空断路器，通过LC换流电路中预储能电容器C放电提供的反向高频电流，使真空断路器VB中的直流短路电流产生过零点，并最终熄弧分断。其分断能力较高、并且电路结构相对简单、相关技术较为成熟，是解决中压直流大电流分断的有效技术途径。基本的主电路方案如图1所示。
通常在中压直流电力系统中，直流断路器不但需要对短路故障电流进行快速的分断隔离，同时还承担着频繁通断负载额定及其以下正常工作电流的任务，并且对其全分断时间具有一定的要求。
针对图1所示的直流真空断路器，若采用故障大电流的换流参数进行小电流分断，由于回路电阻较大，当真空断路器VB熄弧后，回路不满足二阶振荡条件，无法使LC换流电路快速退出工作、进而使压敏电阻RV开始导通吸能，结果负载电流只能随着换流电容C的充电过程缓慢衰减到零。整个分断过程持续时间明显变长。
为了实现对负载小电流的快速分断，目前主要有两种技术方案。如图2所示，通过额外引入一套小电流换流电路C2-S2，并采用容值较小的换流电容C2，使VB熄弧后的回路工作于二阶振荡状态，其中C1-S1换流电路用于故障大电流分断。也可以采用可关断半导体开关T，如图3所示，VB分断过程中产生的电弧电压迫使其电流向T中转移，然后由T进行关断，其中C-S换流电路用于故障大电流分断。在图2所示方案中，除了需要额外增加一套预储能电容器外，还需要为其配置相应的放电控制开关，并同时需要解决两组换流电容器充放电过程中的隔离问题。在图3所示方案中，由于当前半导体元件电压等级有限，当断路器电压较高时，需要采用多个元件进行串联，并且成本较高。同时，这两种方案由于需要引入功率较大的辅助元件，会对整个装置的体积产生较大的影响。
当直流系统发生短路故障时，图1真空断路器VB中的短路电流上升速度较快，为了使其电流能够快速过零熄弧，LC换流电路工作于高频振荡状态。针对中压直流大电流系统，VB的燃弧电流峰值较大、熄弧前的电流下降率极高，弧后恢复电压峰值较高、电压上升速度极快，难以可靠分断。
现有相关成果主要分别从降低真空断路器弧前电流下降率和弧后恢复电压方面提升直流真空断路器的分断能力及可靠性。如图4所示，通过在真空断路器VB支路串联饱和电抗器Lsat，利用Lsat退饱和后的电感显著增大效应，在VB熄弧前附近产生一段低电流下降率区间，从而改善VB的大电流分断性能。如图5所示，利用反并联在真空断路器VB两端的二极管D，当VB电流过零熄弧后，D导通续流，并将VB两端的恢复电压钳位在较低的水平。还可在真空断路器VB两端并联阻容缓冲电路RsCs，用以减缓VB熄弧后恢复电压的上升速率，如图6所示。但在图4所示方案中，但由于饱和电抗器与真空断路器串联，需要长期导通负载电流，因而会产生额外的发热损耗；并且在饱和电抗器工作过程中，要求在大电流充磁完成后，能在励磁电流减小为零之前附近(拐点电流)迅速退出饱和状态，并具有较高的伏秒积性能，这与当前电力系统常用的晶闸管阀阳极饱和电抗器差异较大；尤其是当对电抗器体积要求较高时，难以实现相应的磁特性；并且当负载电流高达数kA时，不得不考虑为电抗器配置水冷散热设备。在图5所示方案中，当真空断路器燃弧电流较大、电流下降率较高时，真空间隙极有可能在电弧电流过零后无法立即恢复介质强度，导致断路器弧后等效阻抗较小；考虑实际二极管支路等效阻抗的影响，当两者处于相同数量级时，在二极管续流期间，仍可能有一部分较小的反向电弧电流从真空间隙流过，真空间隙无法进行介质恢复，因而二极管的电压钳位作用未能起到实际的作用；同时，由于二极管属于不控型器件，当电压正向时自然导通，故该方案难以实现直流真空断路器的双向对称分断功能。图6所示方案针对直流真空断路器在大电流、高电流下降率条件下的强迫换流分断特性改善作用较为有限，通常仅作为某一特定方案的辅助性措施使用。
发明内容
为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的之一在于提供一种新型的中压直流真空断路器主电路拓扑，有效提升真空开关快速分断中高压直流大电流的可靠性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种中压大电流直流真空断路器主电路拓扑，包括由真空断路器VB1和真空断路器VB2构成的主电流通路，由换流电容C、辅助开关S和换流电感L构成的换流分断电路，由辅助电感La和辅助电容Ca构成的辅助分断电路以及由压敏电阻RV构成的吸能电路，其特征在于：所述的真空断路器VB1和真空断路器VB2完全相同且依次串联，所述的换流电容C、辅助开关S和换流电感L依次串联，所述的辅助分断电路与真空断路器VB1相互并联，所述的辅助电感La和辅助电容Ca依次串联，所述的主电流通路、换流分断电路和吸能电路相互并联，所述的换流电容C预先充电Uc0，并且当中压直流真空断路器的电压等级为Un时，所述真空断路器VB1和真空断路器VB2的电压等级均为Un。
本发明的目的之二在于提供上述中压直流真空断路器主电路拓扑的分断方法。
当进行直流系统的负载小电流分断时：
1）、所述真空断路器VB1首先分断产生电弧，并在所述换流分断电路作用下实现电流过零熄弧，在所述真空断路器VB1熄弧前，所述辅助分断电路被所述真空断路器VB1的弧隙近似短路，对所述真空断路器VB1的电流转移过程没有影响；
2）、当所述真空断路器VB1熄弧后，所述辅助电感La、辅助电容Ca与所述真空断路器VB2串联工作，有效减小由所述换流分断电路、辅助分断电路以及真空断路器VB2所构成回路的等效电容、增大回路等效电感，使回路满足二阶电路振荡条件，最终使所述换流分断电路的电流迅速过零而退出工作；
3）、此后，所述辅助电感La、辅助电容Ca工作于二阶振荡状态，振荡电流频率较高、幅值较小，与所述辅助分断电路串联工作的真空断路器VB2具有多次电流过零熄弧分断的机会；
4）、在直流系统的负载小电流分断过程中，通过所述辅助分断电路使所述换流分断电路迅速退出工作，从而可使所述吸能电路迅速导通吸收直流系统能量，最终实现直流系统负载小电流的快速分断。
进一步，若真空断路器VB2无法在压敏电阻RV导通期间可靠熄弧，待压敏电阻RV截止后，辅助电感La、辅助电容Ca和真空断路器VB2形成的支路与直流系统串联，满足二阶衰减振荡条件并产生高频振荡的小电弧电流，真空断路器VB2仍然能够实现熄弧分断。
当进行直流系统的短路故障大电流分断时：
1）、所述真空断路器VB1和真空断路器VB2同时分断产生电弧，并在所述换流分断电路作用下同时实现电流过零熄弧，在所述真空断路器VB1熄弧前，所述辅助分断电路被所述真空断路器VB1的弧隙近似短路，对所述真空断路器VB1的电流转移过程没有影响；
2）、当所述真空断路器VB1和真空断路器VB2同时或只有VB2熄弧分断后，所述辅助电感La、辅助电容Ca不存在电流通路，对后续分断过程没有任何影响；
3）、当所述真空断路器VB1熄弧分断、而所述真空断路器VB2发生电弧重燃后，则所述辅助电感La、辅助电容Ca在所述真空断路器VB2中产生高频振荡的小电弧电流，所述真空真空断路器VB2具有多次电流过零熄弧分断的机会；
4）、在直流系统的故障大电流分断过程中，通过所述真空断路器VB1和真空断路器VB2串联、再结合所述辅助分断电路，当所述真空断路器VB1和真空断路器VB2同时进行分断动作、并且其中至少有一个断路器能够可靠熄弧时，即可实现直流系统故障大电流的可靠分断。
进一步，若真空断路器VB1可靠熄弧、而真空断路器VB2发生电弧重燃，则辅助电感La、辅助电容Ca与VB2串联工作，与换流分断电路构成新的二阶放电回路，辅助分断电路中产生的高频振荡电流不足以使换流分断电路电流快速过零，待压敏电阻RV导通后换流分断电路退出；若真空断路器VB2无法在压敏电阻RV导通前可靠熄弧，待压敏电阻RV截止后，真空断路器VB2会再次因辅助电感La、辅助电容Ca和真空断路器VB2形成的支路中产生的高频振荡小电弧电流而实现熄弧分断。
本发明的有益效果是：通过引入辅助分断电路，在真空断路器熄弧后使换流分断电路电流迅速过零而退出工作，显著减小直流系统负载小电流的分断时间；通过采用两个完全相同的真空断路器串联并同时动作，提高主电流通路分断过程中的冗余性，大幅提升直流大电流的分断可靠性；另外，由于辅助电容、电感均为无源器件、且功率较小，而主电流通路中串联的两个完全相同的真空断路器从技术上容易实现、且便于结构布置，因此，能有效减小整个装置的体积和成本。
附图说明
图1为现有直流真空断路器的基本主电路方案；
图2为现有引入小电流换流电路的直流真空断路器主电路方案；
图3为现有引入可关断半导体开关的直流真空断路器主电路方案；
图4为现有串联饱和电抗器的直流真空断路器主电路方案；
图5为现有反并联二极管的直流真空断路器主电路方案；
图6为现有并联阻容缓冲的直流真空断路器主电路方案；
图7为本发明的中压直流真空断路器主电路方案；
图8为本发明技术方案分断负载小电流时的特征电流、电压波形；
图9为本发明技术方案分断故障大电流时的特征电流、电压波形；
图10为本发明技术方案分断100A和500A负载电流的比较图。
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
参照图7所示，本发明公开了一种中压直流真空断路器主电路拓扑，包括由真空断路器VB1和真空断路器VB2构成的主电流通路，由换流电容C、辅助开关S和换流电感L构成的换流分断电路，由辅助电感La和辅助电容Ca构成的辅助分断电路以及由压敏电阻RV构成的吸能电路。
所述换流电容C、辅助开关S和换流电感L依次串联，换流电容C预先充电Uc0，所述主电流通路、换流分断电路和吸能电路相互并联，所述辅助分断电路与真空断路器VB1相互并联，所述真空断路器VB1和真空断路器VB2依次串联，所述辅助电感La和辅助电容Ca依次串联，所述真空断路器VB1和真空断路器VB2完全相同。
其中，当所述中压直流真空断路器（主电路）的额定电压等级为Un时，所述真空断路器VB1和VB2的电压等级均为Un（常规串联的两个真空断路器的电压都是整个中压直流真空断路器主电路额定电压的1/2）。
实施例2
参照图8所示，在直流系统正常工作阶段，真空断路器VB1和真空断路器VB2闭合，导通负载电流。如需对正常负载电流进行分断，分断过程如下：
1）真空断路器VB1首先分断产生电弧；
2）然后接通换流分断电路中的辅助开关S，使换流电容C通过辅助开关S、换流电感L、VB2以及VB1弧隙构成的回路放电，产生的脉冲放电电流迫使VB1电流迅速过零熄弧；
3）此后，辅助电感La、辅助电容Ca与VB2串联工作，并与换流分断电路构成新的二阶放电回路，其中电容等效为Ca与C串联、电感等效为La与L串联，因此当辅助分断电路采用较大的La和较小的Ca时，可大幅增加回路电感、减小回路电容，从而满足二阶振荡条件，进而使换流分断电路电流迅速过零而退出工作；
4）此后，La-Ca-VB2支路串入直流系统工作，Ca被直流系统电源反向充电，由于Ca极小，因此，VB1两端的电压迅速从负极性向正极性过渡并增加；
5）当电压增加到使压敏电阻RV开通后，RV等效电阻显著减小，由La-Ca-VB2支路与RV支路构成的回路满足二阶衰减振荡条件，在VB2中产生较小的高频振荡电流，VB2在此期间具有多次过零熄弧的机会；
6）当VB2熄弧分断后，随着RV对直流系统所储存感性能量的不断消耗，负载电流逐渐减小为零，分断过程结束；
7）若VB2无法在RV导通期间可靠熄弧，那么当RV截止后，La-Ca-VB2支路与直流系统串联，满足二阶衰减振荡条件，并且回路等效电阻（主要为负载电阻）较大，将产生高频振荡的小电弧电流，VB2在此期间仍然能够实现熄弧分断。
实施例3
参照图9所示，在直流系统发生短路故障后，分断过程如下：
1）首先，真空断路器VB1和真空断路器VB2同时分断产生电弧；
2）然后，接通换流分断电路中的辅助开关S，使换流电容C通过辅助开关S、换流电感L以及VB1、VB2弧隙构成的回路放电，产生的脉冲放电电流迫使VB1-VB2串联支路电流同时过零熄弧；
3）若VB1和VB2均可靠熄弧或只有VB2可靠熄弧，则辅助分断电路不存在电流通路，不会对后续分断过程产生任何影响，则换流分断电路串入直流系统工作，C在直流电源电压的作用下反向充电，使整个断路器两端的电压逐渐从负极性向正极性过渡并增加；当电压增加到使压敏电阻RV开通后，RV等效电阻显著减小，短路电流迅速向RV转移，导致换流分断电路电流迅速过零而退出工作；此后，随着RV对直流系统所储存感性能量的不断消耗，负载电流逐渐减小为零，分断过程结束；
4）若VB1可靠熄弧、而VB2发生电弧重燃后，则辅助电感La、辅助电容Ca与VB2串联工作，与换流分断电路构成新的二阶放电回路；由于La较大、Ca较小、并且换流分断电路中的电流快速上升，因此，辅助分断电路中产生的高频振荡电流不足以使换流分断电路电流快速过零，换流分断电路的退出仍然是在RV导通后实现的；但是，在RV导通之前，La-Ca-VB2支路将产生高频振荡的小电弧电流，VB2能在此期间实现可靠熄弧；若VB2无法在RV导通前可靠熄弧，那么，当RV截止以后，VB2会再次因La-Ca-VB2支路中产生的高频振荡小电弧电流而实现熄弧分断。
可以看出，本发明技术方案中的主电流通路采用两个完全相同的真空断路器VB1、VB2串联，并引入由La、Ca串联构成的辅助分断电路。在直流系统的负载小电流分断过程中，真空断路器VB1、VB2先后分断动作，当VB1熄弧后，因辅助分断电路串入工作而使回路满足二阶振荡条件，导致换流分断电路迅速退出工作、并使压敏电阻RV导通吸收能量，从而大幅缩短分断时间。
在直流系统故障大电流分断过程中，真空断路器VB1、VB2同时分断动作，结合辅助分断电路，当其中任何一个真空断路器可靠熄弧后，即可实现电流分断，从而显著提升分断可靠性。
另外，由于辅助电容、电感均为无源器件、且功率较小，而主电流通路中串联的两个完全相同的真空断路器VB1、VB2从技术上容易实现、且便于结构布置，因此，能有效减小整个装置的体积和成本。
图10显示，引入辅助分断电路后，500A和100A负载电流的全分断时间均未超过3ms，效果十分明显。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，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 (5)

1.一种中压直流真空断路器主电路拓扑，包括由真空断路器VB1和真空断路器VB2构成的主电流通路，由换流电容C、辅助开关S和换流电感L构成的换流分断电路，由辅助电感La和辅助电容Ca构成的辅助分断电路以及由压敏电阻RV构成的吸能电路，其特征在于：所述的真空断路器VB1和真空断路器VB2完全相同且依次串联，所述的换流电容C、辅助开关S和换流电感L依次串联，所述的辅助分断电路与真空断路器VB1相互并联，所述的辅助电感La和辅助电容Ca依次串联，所述的主电流通路、换流分断电路和吸能电路相互并联，所述的换流电容C预先充电Uc0，并且当中压直流真空断路器的电压等级为Un时，所述真空断路器VB1和真空断路器VB2的电压等级均为Un。
2.一种基于权利要求1所述中压直流真空断路器主电路拓扑的分断方法，其特征在于，当进行直流系统的负载小电流分断时，步骤如下：
1）、真空断路器VB1首先分断产生电弧，并在所述换流分断电路作用下实现电流过零熄弧，在真空断路器VB1熄弧前，辅助分断电路被真空断路器VB1的弧隙近似短路；
2）、当所述真空断路器VB1熄弧后，辅助电感La、辅助电容Ca与真空断路器VB2串联工作，有效减小由所述换流分断电路、辅助分断电路以及真空断路器VB2所构成回路的等效电容，增大回路等效电感，使回路满足二阶电路振荡条件，最终使换流分断电路的电流迅速过零而退出工作；
3）、此后，所述辅助电感La、辅助电容Ca工作于二阶振荡状态，振荡电流频率较高、幅值较小，与所述辅助分断电路串联工作的真空断路器VB2具有多次电流过零熄弧分断的机会；
4）、通过辅助分断电路使换流分断电路迅速退出工作，从而使所述吸能电路迅速导通吸收直流系统能量，最终实现直流系统负载小电流的快速分断。
3.根据权利2所述的一种中压直流真空断路器主电路拓扑的分断方法，其特征在于，若真空断路器VB2无法在压敏电阻RV导通期间可靠熄弧，待压敏电阻RV截止后，辅助电感La、辅助电容Ca和真空断路器VB2形成的支路与直流系统串联，满足二阶衰减振荡条件并产生高频振荡的小电弧电流，真空断路器VB2仍然能够实现熄弧分断。
4.一种基于权利要求1所述中压直流真空断路器主电路拓扑的分断方法，其特征在于，当进行直流系统的短路故障大电流分断时，步骤如下：
1）、真空断路器VB1和真空断路器VB2同时分断产生电弧，并在换流分断电路作用下同时实现电流过零熄弧，在所述真空断路器VB1熄弧前，辅助分断电路被所述真空断路器VB1的弧隙近似短路；
2）、当所述真空断路器VB1和真空断路器VB2同时或只有真空断路器VB2熄弧分断后，辅助电感La、辅助电容Ca不存在电流通路；
3）、当所述真空断路器VB1熄弧分断，而所述真空断路器VB2发生电弧重燃后，所述辅助电感La、辅助电容Ca在所述真空断路器VB2中产生高频振荡的小电弧电流，所述真空真空断路器VB2具有多次电流过零熄弧分断的机会；
4）、通过所述真空断路器VB1和真空断路器VB2串联、再结合所述辅助分断电路，当真空断路器VB1和真空断路器VB2同时进行分断动作、并且其中至少有一个断路器能够可靠熄弧时，即可实现直流系统故障大电流的可靠分断。
5.根据权利4所述的一种中压直流真空断路器主电路拓扑的分断方法，其特征在于，若真空断路器VB1可靠熄弧、而真空断路器VB2发生电弧重燃，则辅助电感La、辅助电容Ca与真空断路器VB2串联工作，与换流分断电路构成新的二阶放电回路，辅助分断电路中产生的高频振荡电流不足以使换流分断电路电流快速过零，待压敏电阻RV导通后换流分断电路退出；若真空断路器VB2无法在压敏电阻RV导通前可靠熄弧，待压敏电阻RV截止后，真空断路器VB2会再次因辅助电感La、辅助电容Ca和真空断路器VB2形成的支路中产生的高频振荡小电弧电流而实现熄弧分断。
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