CN110518545A - 基于双向限流模块的混合式高压直流断路器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双向限流模块的混合式高压直流断路器，包括相互并联的通流支路和故障切除支路；通流支路包括相互串联的机械开关和m个双向限流子模块；故障切除支路包括n个相互串联的双向限流子模块，m＜n；双向限流子模块包括第一限流支路和第二限流支路；第一限流支路包括依次串联的电力电子模块M1、限流电感L1和电力电子模块M3；第二限流支路包括依次串联的电力电子模块M4、限流电感L2和电力电子模块M2；本发明过流能力要求比较低，能保证功率器件的可靠关断，相应的可减少功率器件的并联数量，减少成本；关断的故障电流幅值小，对断路器的技术要求更低，同时故障电流对供电系统造成的损坏更小。

Description

基于双向限流模块的混合式高压直流断路器
技术领域
本发明涉及电气设备及电气工程技术领域，具体涉及一种基于双向限流模块的混合式高压直流断路器。
背景技术
高压直流断路器作切断线路故障的关键设备对维护直流电网安全运行至关重要。由于直流输电系统线路阻抗低，线路发生短路故障时，故障电流上升速度快，幅值高，要求直流断路器响应速度快，开断电流幅值大。另外与交流输电系统相比，直流输电系统是单极性的，电流没有过零点，无法套用交流断路器的开断原理，需要人工创造过零点来实现电流开断，技术难度大。
机械式直流断路器虽然通态损耗低，开断电流能力大，但是其动作比较慢，且动作过程中会产生电弧，容易烧坏触头或造成火灾。固态直流断路器虽然动作速度快且无弧关断，但是其通态损耗高。混合式直流断路器结合前两种短路器的优势，弥补他们的不足，是切除大电压大电流故障最理想的直流断路器。
ABB公司和其他的一些公司已经生产出了能切断大电流的混合式直流断路器，但是为了断开幅值较大的直流故障电流，对功率器件要求比较高，且需要串并联很多功率器件，成本比较大。直流供电系统的负载大多都会并联滤波电容进行滤波，在电容刚接进供电系统的一瞬间，电容进行充电，会使供电线路电流瞬间升上，可能会误触发直流断路器，造成断路器的误动作。现有大部分直流断路器都没有区分过流和短路的能力。
发明内容
本发明根据现有技术存在的不足提供一种对功率器件过流能力要求比较低，能保证功率器件的可靠关断，减少功率器件的并联数量的基于双向限流模块的混合式高压直流断路器。
本发明采用的技术方案是：一种基于双向限流模块的混合式高压直流断路器，包括相互并联的通流支路和故障切除支路；通流支路包括相互串联的机械开关和m个双向限流子模块；故障切除支路包括n个相互串联的双向限流子模块，m＜n；双向限流子模块包括第一限流支路和第二限流支路；第一限流支路包括依次串联的电力电子模块M1、限流电感L1和电力电子模块M3；第二限流支路包括依次串联的电力电子模块M4、限流电感L2和电力电子模块M2；电力电子模块M1的第一端和电力电子模块M4的第一端连接到双向限流子模块的第一端，电力电子模块M3的第二端和电力电子模块M2的第二端连接到双向限流子模块的第二端；限流电感L1并联有限流电阻R1，限流电感L2并联有限流电阻R2；还包括半控型晶闸管T1、T2、T3、T4、T5、T6；T1的正极和T3的负极连接到限流电感L1和电力电子模块M3第一端之间；T1的负极和T3的正极连接到限流电阻R1的一端；T2的正极和T4的负极连接到限流电感L1和电力电子模块M1第二端之间；T2的负极和T4的正极连接到限流电阻R1的另一端；T5的负极和T6的正极连接到限流电感L2和电力电子模块M2第一端之间；T5的正极和T6的负极连接到限流电感R2靠近电力电子模块M2的一端；T2的负极连接到T6的负极连接；电力电子模块包括二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6；D1的正极和D4的负极连接到电力电子模块的第一端，D3的正极和D2的负极连接到电力电子模块的第二端；D1的负极和D3的负极连接，D4的正极和D2的正极连接；D6的正极连接到D1的负极，D6的正极连接到D4的正极；还包括全控型功率器件M，M的漏极与D6的负极连接，M的源极与D6的正极连接；D5的正极连接D3的负极，D5的负极连接电容C的一端；电容C的另一端连接D2的正极；电力电子模块M1和电力电子模块M2均并联有能量吸收电路；还包括用于控制双向限流子模块的控制电路。
进一步的，所述能量吸收电路包括2n个相互并联的避雷器MOV。
进一步的，所述控制电路包括用于检测故障是否发生的故障电流检测电路和用于判断故障类型的短路电流检测电路；故障电流检测电路检测通过电流采样电路采集的通流支路中双向限流子模块第二端的电流；若检测到电流I满足I＞Iact则判断发生故障；若判断为发生故障，则发出关断电力电子模块M1和M2的信号；驱动芯片控制关断电力电子模块M1和M2；
短路电流检测电路检测通过电流采样电路采集得到的第一限流支路和第二限流支路之间的电流大小，若检测电流I满足Iact＜I＜I0则为过流故障；检测电流I满足I＞I0则为短路故障；若为短路故障则产生关断电力电子模块M3和M4的信号，驱动芯片控制关断电力电子模块M3和M4，此时故障切除支路导通；然后向控制驱动芯片发出信号，关断故障切除支路中的电力电子模块M1和M2；关闭机械开关后通过驱动芯片关断故障切除支路中的电力电子模块M3和M4；
若为过流故障，则产生延迟信号，若延迟t时间后过流故障没有清除，控制驱动芯片关断电力电子模块M3和M4；若延迟t时间后过流故障清楚，则产生恢复信号，控制驱动芯片开启电力电子模块M1和M2。
进一步的，所述电流计算方法如下：
I＝U/(mR1+mR2+RLoad+RZ)
式中：R1和R2为限流电阻，RLoad为线路电阻，RZ为故障点等效电阻，U为线路母线电压；
I0计算方法如下：
I0＝U/(mR1+mR2+RLoad+R0)
式中：R0为发生短路故障时故障点的等效电阻值；
Iact计算方法如下：
Iact＝U/(mR1+mR2+RLoad+Ract)
式中：Ract为断路器动作时故障点等效电阻，Ract＜RZ＜R0。
本发明的有益效果是：
(1)本发明中通流支路和故障切除支路中电流流过电力电子模块中的电流都是电网电流的一半；过流模式下关断电流为故障电流的一半，比传统的断路器关断的电流小；过流能力要求比较低，能保证功率器件的可靠关断，相应的可减少功率器件的并联数量，减少成本；
(2)本发明的直流断路器在供电系统出现故障时，双向限流子模块中的并联限流电感变为串联，再串入限流电阻对故障电流进行限流，限制了故障电流的快速发展；与传统的直流断路器相比，关断的故障电流幅值小，对断路器的技术要求更低，同时故障电流对供电系统造成的损坏更小；
(3)本发明直流断路器可根据过流和短路作出不同的反应，避免直流断路器出现的误操作；
(4)本发明直流断路器中，限流电阻在电路电流正常工作时处于旁路状态，对供电线路不良影响；在进行电流限流时，串入电路中减小故障电流；在双向限流子模块闭锁时，对限流电感中的能量进行消耗，减轻了吸收电路中MOV消耗能量的压力。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明中双向限流子模块结构结构示意图。
图3为本发明中电力电子模块结构示意图。
图4为本发明中控制电路结构示意图。
图5为本发明实施例中直流断路器切断故障电流时电流波形图。
图6为本发明实施例中直流断路器切断故障电流时流过双向限流子模块中电力电子模块电流示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
本发明结构如图1所示，包括相互并联的通流支路和故障切除支路；通流支路包括相互串联的机械开关和m个双向限流子模块(MBLSM)；故障切除支路包括n个相互串联的双向限流子模块(NBLSM)，m＜n；双向限流子模块包括第一限流支路和第二限流支路；第一限流支路包括依次串联的电力电子模块M1、限流电感L1和电力电子模块M3；第二限流支路包括依次串联的电力电子模块M4、限流电感L2和电力电子模块M2；电力电子模块M1的第一端和电力电子模块M4的第一端连接到双向限流子模块的第一端，电力电子模块M3的第二端和电力电子模块M2的第二端连接到双向限流子模块的第二端；限流电感L1并联有限流电阻R1，限流电感L2并联有限流电阻R2；还包括半控型晶闸管T1、T2、T3、T4、T5、T6；T1的正极和T3的负极连接到限流电感L1和电力电子模块M3第一端之间；T1的负极和T3的正极连接到限流电阻R1的一端；T2的正极和T4的负极连接到限流电感L1和电力电子模块M1第二端之间；T2的负极和T4的正极连接到限流电阻R1的另一端；T5的负极和T6的正极连接到限流电感L2和电力电子模块M2第一端之间；T5的正极和T6的负极连接到限流电感R2靠近电力电子模块M2的一端；T2的负极连接到T6的负极连接；电力电子模块包括二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6；D1的正极和D4的负极连接到电力电子模块的第一端，D3的正极和D2的负极连接到电力电子模块的第二端；D1的负极和D3的负极连接，D4的正极和D2的正极连接；D6的正极连接到D1的负极，D6的正极连接到D4的正极；还包括全控型功率器件M，M的漏极与D6的负极连接，M的源极与D6的正极连接；全控型功率器件M可以选择IGBT或者MOSFET；D5的正极连接D3的负极，D5的负极连接电容C的一端；电容C的另一端连接D2的正极；电力电子模块M1和电力电子模块M2均并联有能量吸收电路，能量吸收电路包括2n个相互并联的避雷器MOV；还包括用于控制双向限流子模块的控制电路。
双向限流子模块有限流模式、通流模式和闭锁模式三种工作模式；通流模式时，电力电子模块M1、M2、M3、M4全部导通，电流分为两路流过双向限流子模块；一路电流依次流过电力电子模块M1、限流电感L1和电力电子模块M3；另一路电流依次流过电力电子模块M4、限流电感L2和电力电子模块M2，呈现低阻抗性。限流模式时，电力电子模块M3和M4关闭，双向限流子模块变为一路通流支路。依次流过电力电子模块M1、限流电感L1，半控型晶闸管T1(电流相反时，流过半控型晶闸管T3)、限流电阻R2、限流电感L2和电力电子模块M2，呈现高阻抗性。闭锁模式时，电力电子模块M1、M2、M3、M4全部关闭，双向限流子模块不导通，限流电感L1中的电流通过限流电阻R1、半控型晶闸管T1和T2(电流相反时，流过半控型晶闸管T3和T4)进行续流。限流电感L1中的能量消耗在限流R1上，限流电感L2中的电流通过限流电阻R2和半控型晶闸管T5(故障电流相反时，电流流过半控型晶闸管T6)进行续流，将限流电感L2中的能量消耗在限流电阻R2上。
控制电路包括用于检测故障是否发生的故障电流检测电路和用于判断故障类型的短路电流检测电路；故障电流检测电路检测通过电流采样电路采集的通流支路中双向限流子模块第二端的电流；若检测到电流I满足I＞Iact则判断发生故障；若判断为发生故障，则发出关断电力电子模块M1和M2的信号；JK上升沿触发器接收发出的信号，并向驱动芯片发出信号，关断电力电子模块M1和M2；
短路电流检测电路检测通过电流采样电路采集得到的第一限流支路和第二限流支路之间的电流大小，若检测电流I满足Iact＜I＜I0则为过流故障；检测电流I满足I＞I0则为短路故障；若为短路故障则产生关断电力电子模块M3和M4的信号，JK上升沿触发器接收发出的信号，并向驱动芯片发出信号，关断电力电子模块M3和M4，此时故障切除支路导通；然后向控制驱动芯片发出信号，关断故障切除支路中的电力电子模块M1和M2；关闭机械开关后通过驱动芯片关断故障切除支路中的电力电子模块M3和M4；
若为过流故障，则产生延迟信号，若延迟t时间后过流故障没有清除，控制驱动芯片关断电力电子模块M3和M4；若延迟t时间后过流故障清楚，则产生恢复信号，控制驱动芯片开启电力电子模块M1和M2。
使用时，电网稳定运行时，NBLSM关闭，MBLSM导通，电流依次流过机械开关和MBLSM，且MBLSM中双向限流子模块工作于通流模式，断路器呈现低阻抗，对电网影响较小。当线路出现短路或过流故障时，MBLSM中双向限流子模块将工作于限流模式，对限流模式下的电流大小进行实时计算，通过控制电路区分过流和短路故障，做出相应的动作，避免断路器误操作。如果断路器判定为过流，则延迟一定时间，实时计算电流大小，若在延迟时间内电流恢复正常，则断路器中MBLSM中双向限流子模块将恢复通流模式，恢复正常供电。若在延迟时间内电流没有恢复正常，断路器将继续进行下一步关断动作，导通NBLSM。使其中的双向限流子模块工作于通流模式，电流开始向NBLSM转移，然后让MBLSM工作于闭锁模式。同时控制NBLSM中双向限流子模块工作于限流模式，对故障电流再次限流，再关闭机械开关。机械开关完全关闭后，控制NBLSM中双向限流子模块工作于闭锁模式，对限流电感能量进行消耗吸收，残余能量通过吸收电路吸收，完成对故障的切除工作。
电流I如下：
I＝U/(mR1+mR2+RLoad+RZ)
式中：R1和R2为限流电阻，RLoad为线路电阻，RZ为故障点等效电阻，U为线路母线电压；
I0计算方法如下：
I0＝U/(mR1+mR2+RLoad+R0)
式中：R0为发生短路故障时故障点的等效电阻值；
Iact计算方法如下：
Iact＝U/(mR1+mR2+RLoad+Ract)
式中：Ract为断路器动作时故障点等效电阻，Ract＜RZ＜R0。
直流断路器切断故障电流过程中的电流波形如图5和图6所示。图5为直流断路器切断故障电流时电流波形图，图中a为MBLSM和NBLSM的电流。(b)为供电母线上的电流，t0时刻，线路出现短路或过流故障，电流上升。t1时刻，MBLSM中的双向限流子模块工作于限流模式。t2时刻，导通NBLSM，使其中的双向限流子模块工作于通流模式，电流开始向NBLSM转移。t3时刻，MBLSM工作于闭锁模式。t4时刻，控制NBLSM中双向限流子模块工作于限流模式，对故障电流再次限流，同时关闭机械开关。机械开关完全关闭后，t5时刻，控制NBLSM中双向限流子模块工作于闭锁模式。
图6为直流断路器切断故障电流时流过双向限流子模块中电力电子模块的电流。a为流过NBLSM中双向限流子模块的电力电子模块的电流，b为流过MBLSM中双向限流子模块的电力电子模块的电流。从仿真图可以看出，流过双向限流子模块的电力电子模块的故障电流峰值为母线电流峰值的一半。且在t2时刻故障电流峰值最大，在电流从MBLSM向NBLSM转移过程中，故障电流发展较慢，之后的最大峰值也远低于t2时刻的。从仿真结果可以看出，流过双向限流子模块的电力电子模块的电流比较小，对电力电子模块的电流应力比较小，相应的可以减少成本。其次，在t2时刻以后故障电流增加比较慢，对故障点的冲击比较小，同时也为机械开关的开断赢得了时间。
本发明中当供电系统正常供电时，电流不是一路通过断路器，通态损耗小，对电网影响小。正常通流和故障转移时，流过MBLSM和NBLSM中电力电子模块中的电流都是电网电流的一半。并且电力电子模块M1和M2再关断时的关断电流也是故障电流的一半。关断电力电子模块M3和M4时的关断电流为限流后的故障电流，也比传统的断路器关断的电流小。所以本发明直流断路器中对功率器件过流能力要求比较低，能保证功率器件的可靠关断，相应的可以减少功率器件的并联数量，减少成本。在供电系统出现故障时，双向限流子模块中的并联限流电感变为串联，再串入限流电阻对故障电流进行限流，限制了故障电流的快速发展，与传统的直流断路器相比，关断的故障电流幅值比较小，对断路器的技术要求更低，同时故障电流对供电系统造成的损坏更小。直流断路器具有过流和短路这两种状况的判断功能，能避免直流断路器出现误操作。限流电阻在电路电流正常工作时处于旁路状态，对供电线路不产生影响。在进行电流限流时，串入电路中减小故障电流。在双向限流子模块闭锁时，对限流电感中的能量进行消耗，减轻了吸收电路中MOV消耗能量的压力，相应的可以降低对MOV的设计要求。

Claims (4)

1.一种基于双向限流模块的混合式高压直流断路器，其特征在于，包括相互并联的通流支路和故障切除支路；通流支路包括相互串联的机械开关和m个双向限流子模块；故障切除支路包括n个相互串联的双向限流子模块，m＜n；双向限流子模块包括第一限流支路和第二限流支路；第一限流支路包括依次串联的电力电子模块M1、限流电感L1和电力电子模块M3；第二限流支路包括依次串联的电力电子模块M4、限流电感L2和电力电子模块M2；电力电子模块M1的第一端和电力电子模块M4的第一端连接到双向限流子模块的第一端，电力电子模块M3的第二端和电力电子模块M2的第二端连接到双向限流子模块的第二端；限流电感L1并联有限流电阻R1，限流电感L2并联有限流电阻R2；还包括半控型晶闸管T1、T2、T3、T4、T5、T6；T1的正极和T3的负极连接到限流电感L1和电力电子模块M3第一端之间；T1的负极和T3的正极连接到限流电阻R1的一端；T2的正极和T4的负极连接到限流电感L1和电力电子模块M1第二端之间；T2的负极和T4的正极连接到限流电阻R1的另一端；T5的负极和T6的正极连接到限流电感L2和电力电子模块M2第一端之间；T5的正极和T6的负极连接到限流电感R2靠近电力电子模块M2的一端；T2的负极连接到T6的负极连接；电力电子模块包括二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6；D1的正极和D4的负极连接到电力电子模块的第一端，D3的正极和D2的负极连接到电力电子模块的第二端；D1的负极和D3的负极连接，D4的正极和D2的正极连接；D6的正极连接到D1的负极，D6的正极连接到D4的正极；还包括全控型功率器件M，M的漏极与D6的负极连接，M的源极与D6的正极连接；D5的正极连接D3的负极，D5的负极连接电容C的一端；电容C的另一端连接D2的正极；电力电子模块M1和电力电子模块M2均并联有能量吸收电路；还包括用于控制双向限流子模块的控制电路。
2.根据权利要求1所述的一种基于双向限流模块的混合式高压直流断路器，其特征在于，所述能量吸收电路包括2n个相互并联的避雷器MOV。
3.根据权利要求1所述的一种基于双向限流模块的混合式高压直流断路器，其特征在于，所述控制电路包括用于检测故障是否发生的故障电流检测电路和用于判断故障类型的短路电流检测电路；故障电流检测电路检测通过电流采样电路采集的通流支路中双向限流子模块第二端的电流；若检测到电流I满足I＞Iact则判断发生故障；若判断为发生故障，则发出关断电力电子模块M1和M2的信号；驱动芯片控制关断电力电子模块M1和M2；
短路电流检测电路检测通过电流采样电路采集得到的第一限流支路和第二限流支路之间的电流大小，若检测电流I满足Iact＜I＜I0则为过流故障；检测电流I满足I＞I0则为短路故障；若为短路故障则产生关断电力电子模块M3和M4的信号，驱动芯片控制关断电力电子模块M3和M4，此时故障切除支路导通；然后向控制驱动芯片发出信号，关断故障切除支路中的电力电子模块M1和M2；关闭机械开关后通过驱动芯片关断故障切除支路中的电力电子模块M3和M4；
若为过流故障，则产生延迟信号，若延迟t时间后过流故障没有清除，控制驱动芯片关断电力电子模块M3和M4；若延迟t时间后过流故障清楚，则产生恢复信号，控制驱动芯片开启电力电子模块M1和M2。
4.根据权利要求3所述的一种基于双向限流模块的混合式高压直流断路器，其特征在于，所述电流I如下：
I＝U/(mR1+mR2+RLoad+RZ)
式中：R1和R2为限流电阻，RLoad为线路电阻，RZ为故障点等效电阻，U为线路母线电压；
I0计算方法如下：
I0＝U/(mR1+mR2+RLoad+R0)
式中：R0为发生短路故障时故障点的等效电阻值；
Iact计算方法如下：
Iact＝U/(mR1+mR2+RLoad+Ract)
式中：Ract为断路器动作时故障点等效电阻，Ract＜RZ＜R0。
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