CN111614068A - 一种双向开断的限流式混合直流断路器 - Google Patents

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Abstract

一种双向开断的限流式混合直流断路器，属于高压直流断路器的技术领域，本发明包括主回路单元、换流回路单元、缓冲吸能单元、限流单元；主回路单元与换流回路单元并联，并联后的主回路单元与换流回路单元与缓冲吸能单元并联，限流单元与主回路单元、换流回路单元和缓冲吸能单元构成的并联支路串联。本发明在满足直流输电系统对高压直流断路器本身动作迅速、承受高电压的基础上，克服了传统直流断路器开断时间长的缺点，实现了双向开断；同时所提出的直流断路器结构新颖，系统可靠性高，可满足不同直流系统需求，具有显著的工程意义。

Description

一种双向开断的限流式混合直流断路器
技术领域
本发明属于高压直流断路器的技术领域，更具体的是一种双向开断的限流式混合直流断路器。
背景技术
近年来，由于直流输电具有输送能量大，输送距离远，损耗小等优点，成为了世界各国研究的热点。其中多端直流输电能实现多电源供电、多落点受电，是一种更快捷、灵活的输电方式，但是多端直流输电网的直流侧阻抗非常小，在直流侧发生短路故障时，故障电流会快速上升，如果短时间内不能切除故障，会导致换流阀交流侧断路器动作，换流阀组闭锁，影响整个系统的正常运行。高压直流断路器能够切除直流侧的短路故障，成为构建可靠多端柔性直流电网的关键设备。
目前，国内外将直流断路器主要分为机械式断路器、固态式断路器和混合式断路器。机械式直流断路器触头易燃弧，开断能力有限，故障电流切除时间较长，易破坏系统稳定性。固态直流断路器存在容易过压过流、器件通态损耗高、冷却系统笨重，断路器体积大，以及现阶段成本较高等不足之处，这在一定程度上制约了其工业化应用。传统混合式直流断路器虽在一定程度上综合了机械式断路器与固态断路器的优点，但也存在成本高、大电流开断难等缺点。
因此，提供一种能够解决上述技术问题的一种双向开断的限流式混合直流断路器，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种双向开断的限流式混合直流断路器，在满足直流输电系统对高压直流断路器本身动作迅速、承受高电压的基础上，克服了传统直流断路器开断时间长的缺点，实现了双向开断；同时所提出的直流断路器结构新颖，系统可靠性高，可满足不同直流系统需求，具有显著的工程意义。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种双向开断的限流式混合高压直流断路器，包括：主回路单元、换流回路单元、缓冲吸能单元、限流单元；所述主回路单元与换流回路单元并联，并联后的主回路单元与换流回路单元与缓冲吸能单元并联，所述限流单元与主回路单元、换流回路单元和缓冲吸能单元构成的并联支路串联。
优选的，本发明的主回路单元包括：第二机械开关S2，第一IGBT阀组T1和第一二极管阀组D1、第二二极管阀组D2、第三二极管阀组D3和第四二极管阀组D4，所述第一二极管阀组D1与第二二极管阀组D2串联，并与第三二极管阀组D3与第四二极管阀组D4串联支路并联；所述第二机械开关S2的一端与第一二极管阀组D1和第二二极管阀组D2的共连接点连接，所述第二机械开关S2的另一端与第一IGBT阀组T1一端连接，所述第一IGBT阀组T1的另一端与第三二极管阀组D3和第四二极管阀组D4的共连接点连接。
优选的，本发明的第一二极管阀组D1、第二二极管阀组D2、第三二极管阀组D3和第四二极管阀组D4按照桥式整流电路连接。
优选的，本发明的换回路单元包括：第二IGBT阀组T2、晶闸管阀组T3和第五二极管阀组D5、第六二极管阀组D6、第七二极管阀组D7和第八二极管阀组D8；所述第五二极管阀组D5与所述第六二极管阀组D6串联，并与所述第七二极管阀组D7与第八二极管阀组D8串联支路并联；所述第二IGBT阀组T2的一端与所述第五二极管阀组D5和第六二极管阀组D6的共连接点连接，所述第二IGBT阀组T2的另一端与晶闸管阀组T3一端连接，所述晶闸管阀组T3的另一端与第七二极管阀组D7和第八二极管阀组D8的共连接点连接。
优选的，本发明的第五二极管阀组D5、第六二极管阀组D6、第七二极管阀组D7和第八二极管阀组D8按照桥式整流电路连接。
优选的，本发明的缓冲吸能单元包括：缓冲电阻R、缓冲电容C和吸能电阻MOV；所述缓冲电阻R和所述的缓冲电容C串联，所述吸能电阻MOV与缓冲电阻R、缓冲电容C的串联支路并联。
优选的，本发明的限流单元包括：限流电感L、第三机械开关S3、耗能电阻R1；所述第三机械开关S3与耗能电阻R1串联，所述限流电感L与第三机械开关S3、耗能电阻R1串联支路并联。
本发明的双向开断的限流式混合直流断路器的工作过程如下：
当直流线路正常运行时，直流电流从二极管阀组、第二机械开关S2和第一IGBT阀组T1通过，其通态损耗较小；第二IGBT阀组T2和晶闸管阀组T3处于关断状态。
当系统发生故障时，直流断路器收到分闸指令，给第二机械开关S2和第一IGBT阀组T1发送分闸和关断命令，给第二IGBT阀组T2和晶闸管阀组T3发送导通命令；由于第一IGBT阀组T1的关断速度较快，主回路的电流立即转向换流通路；待机械开关S1开距达到预设耐压要求时，控制第二IGBT阀组T2和晶闸管阀组T3关断，迫使电流转移至缓冲吸能单元；在故障开始期间，限流单元中的限流电感L限制了电流的上升率，待故障结束时，合上第三机械开关S3和打开机械开关S1，通过耗能电阻R1释放限流电感L上的能量。
本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点：
1、本发明利用相互连接的第二机械开关S2，第一IGBT阀组T1和第一二极管阀组D1、第二二极管阀组D2、第三二极管阀组D3和第四二极管阀组D4，构成主回路单元；第一二极管阀组D1、第二二极管阀组D2、第三二极管阀组D3和第四二极管阀组D4按照桥式整流电路连接。能够实现双向通流，发生故障时电流转移到换流回路的速度快，机械开关可无弧开断。
2、本发明利用相互连接的第二IGBT阀组T2、晶闸管阀组T3和第五二极管阀组D5、第六二极管阀组D6、第七二极管阀组D7和第八二极管阀组D8，构成换流回路单元；第五二极管阀组D5、第六二极管阀组D6、第七二极管阀组D7和第八二极管阀组D8按照桥式整流电路连接。不需要判断工作电流方向即可实现双向开断，解决了IGBT串联均压的问题，大大减小了断路器的体积和成本。
3、本发明利用相互连接的缓冲电阻R、缓冲电容C和吸能电阻MOV，构成缓冲吸能单元；RC串联支路可防止电力电子器件过压而损坏，吸能电阻MOV可吸收短路故障时储存在直流系统电感和直流源能量。
4、本发明利用相互连接的限流电感L、第三机械开关S3、耗能电阻R1，构成限流单元；可限制短路时的故障电流上升率，减小直流断路器的开断电流幅值。
5、本发明提供的双向开断的限流式混合直流断路器，在满足直流输电系统对高压直流断路器本身动作迅速、承受高电压的基础上，主回路采用机械开关与全控型器件IGBT串联的方式，克服了传统直流断路器开断时间长的缺点，实现了双向开断；换流回路运用半控型器件晶闸管与全控型器件IGBT串联，解决了全控型器件IGBT串联均压问题，大大减小了断路器的体积和成本；缓冲吸能回路采用RC串联电路并联移能电阻限制了加在固态开关两端的电压上升率，避免了固态开关受过电压的威胁；运用限流回路，限制了故障电流的上升率，解决了大电流开断难的问题；同时所提出的直流断路器结构新颖，系统可靠性高，可满足不同直流系统需求，具有显著的工程意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明电路结构框图；
图2为本发明电路结构示意图；
图3为本发明电路工作时序图；
其中：1-主回路单元，2-换流回路单元，3-缓冲吸能单元，4-限流单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见附图1-3所示，本发明实施例公开了一种双向开断的限流式混合直流断路器，包括主回路单元1、换流回路单元2、缓冲吸能单元3和限流单元4；主回路单元1与换流回路单元2并联，换流回路单元2与缓冲吸能单元3并联；限流单元4与主回路单元1、换流回路单元2和缓冲吸能单元3构成的并联支路串联。
在一个具体实施例中，参照图2，本发明的主回路单元包括：第二机械开关S2，第一IGBT阀组T1和第一二极管阀组D1、第二二极管阀组D2、第三二极管阀组D3和第四二极管阀组D4，第一二极管阀组D1与第二二极管阀组D2串联，并与第三二极管阀组D3与第四二极管阀组D4串联支路并联；第二机械开关S2的一端与第一二极管阀组D1和第二二极管阀组D2的共连接点连接，第二机械开关S2的另一端与第一IGBT阀组T1一端连接，第一IGBT阀组T1的另一端与第三二极管阀组D3和第四二极管阀组D4的共连接点连接。
在一个具体实施例中，参照图2，本发明的第一二极管阀组D1、第二二极管阀组D2、第三二极管阀组D3和第四二极管阀组D4按照桥式整流电路连接。
在一个具体实施例中，参照图2，本发明的换流回路单元包括：第二IGBT阀组T2、晶闸管阀组T3和第五二极管阀组D5、第六二极管阀组D6、第七二极管阀组D7和第八二极管阀组D8；第五二极管阀组D5与第六二极管阀组D6串联，并与第七二极管阀组D7与第八二极管阀组D8串联支路并联；第二IGBT阀组T2的一端与第五二极管阀组D5和第六二极管阀组D6的共连接点连接，第二IGBT阀组T2的另一端与晶闸管阀组T3一端连接，晶闸管阀组T3的另一端与第七二极管阀组D7和第八二极管阀组D8的共连接点连接。
在一个具体实施例中，参照图2，本发明的第五二极管阀组D5、第六二极管阀组D6、第七二极管阀组D7和第八二极管阀组D8按照桥式整流电路连接。
在一个具体实施例中，参照图2，本发明的缓冲吸能单元包括缓冲电阻R、缓冲电容C和吸能电阻MOV；缓冲电阻R和缓冲电容C串联，吸能电阻MOV与串联后的缓冲电阻R、缓冲电容C并联。
在一个具体实施例中，参照图2，本发明的限流单元包括限流电感L、第三机械开关S3、耗能电阻R1；第三机械开关S3与耗能电阻R1串联，限流电感L与第三机械开关S3、耗能电阻R1串联支路并联。
在一个具体实施例中，一种双向开断的限流式混合高压直流断路器工作过程如下：
当直流线路正常运行时，直流电流从二极管阀组、第二机械开关S2和第一IGBT阀组T1通过，其通态损耗较小；第二IGBT阀组T2和晶闸管阀组T3处于关断状态。
当系统发生故障时，直流断路器收到分闸指令，给第二机械开关S2和第一IGBT阀组T1发送分闸和关断命令，给第二IGBT阀组T2和晶闸管阀组T3发送导通命令；由于第一IGBT阀组T1的关断速度较快，主回路的电流立即转向换流回路；待机械开关S1开距达到预设耐压要求时，控制第二IGBT阀组T2和晶闸管阀组T3关断，迫使电流转移至缓冲吸能单元；在故障开始期间，限流单元中的限流电感L限制了电流的上升率，待故障结束时，合上第三机械开关S3和打开机械开关S1，通过耗能电阻R1释放限流电感L上的能量。
在另一个具体实施例中，参照图3为本电路动作时序图，当直流线路正常运行时，直流电流从二极管阀组、第二机械断开关S2和第一IGBT阀组T1通过，其通态损耗较小；第二IGBT阀组T2和晶闸管阀组T3处于关断状态。
在t1时刻检测到故障，经过一段时间延迟，在t2时刻直流断路器收到分闸指令，分别给第二机械开关S2和第一IGBT阀组T1发出分闸和关断命令，给第二IGBT阀组T2和晶闸管阀组T3发送导通命令；由于第一IGBT阀组T1的关断速度较快，在t3时刻主回路的电流立即转向换流回路；待主回路中第二机械开关S2开距达到预设耐压要求时，在t4时刻控制第二IGBT阀组T2和晶闸管阀组T3关断，迫使电流转移至缓冲吸能单元；在故障开始期间，限流单元中的限流电感L限制了电流的上升率，待故障结束时，在t5分别合上第三机械开关S3和打开机械开关S1，通过耗能电阻R1释放限流电感L上的能量。
对所公开的实施例的上述说明，按照递进的方式进行，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种双向开断的限流式混合直流断路器，其特征在于，包括：
主回路单元（1）、换流回路单元（2）、缓冲吸能单元（3）和限流单元（4）；
所述主回路单元（1）与换流回路单元（2）并联连接，所述主回路单元（1）与换流回路单元（2）的并联支路与缓冲吸能单元（3）并联连接，所述限流单元（4）与主回路单元（1）、换流回路单元（2）、缓冲吸能单元（3）的并联支路串联连接。
2.根据权利要求1所述的双向开断的限流式混合直流断路器，其特征在于，上述主回路单元（1）包括：第二机械开关S2，第一IGBT阀组T1和第一二极管阀组D1、第二二极管阀组D2、第三二极管阀组D3和第四二极管阀组D4，所述第一二极管阀组D1与第二二极管阀组D2串联，并与第三二极管阀组D3与第四二极管阀组D4串联支路并联；所述第二机械开关S2的一端与第一二极管阀组D1和第二二极管阀组D2的共连接点连接，所述第二机械开关S2的另一端与第一IGBT阀组T1一端连接，所述第一IGBT阀组T1的另一端与第三二极管阀组D3和第四二极管阀组D4的共连接点连接。
3.根据权利要求2所述的双向开断的限流式混合直流断路器，其特征在于，上述第一二极管阀组D1、第二二极管阀组D2、第三二极管阀组D3和第四二极管阀组D4按照桥式整流电路连接。
4.根据权利要求1所述的双向开断的限流式混合直流断路器，其特征在于，上述换流回路单元（2）包括：第二IGBT阀组T2、晶闸管阀组T3和第五二极管阀组D5、第六二极管阀组D6、第七二极管阀组D7和第八二极管阀组D8；
所述第五二极管阀组D5与所述第六二极管阀组D6串联，并与所述第七二极管阀组D7与第八二极管阀组D8串联支路并联；所述第二IGBT阀组T2的一端与所述第五二极管阀组D5和第六二极管阀组D6的共连接点连接，所述第二IGBT阀组T2的另一端与晶闸管阀组T3一端连接，所述晶闸管阀组T3的另一端与第七二极管阀组D7和第八二极管阀组D8的共连接点连接。
5.根据权利要求4所述的双向开断的限流式混合直流断路器，其特征在于，上述第五二极管阀组D5、第六二极管阀组D6、第七二极管阀组D7和第八二极管阀组D8按照桥式整流电路连接。
6.根据权利要求1所述的双向开断的限流式混合直流断路器，其特征在于，上述缓冲吸能单元（3）包括：缓冲电阻R、缓冲电容C和吸能电阻MOV；所述的缓冲电阻R和所述的缓冲电容C串联，所述的吸能电阻MOV与缓冲电阻R、缓冲电容C的串联支路并联。
7.根据权利要求1所述的双向开断的限流式混合直流断路器，其特征在于，上述限流单元（4）包括：限流电感L、第三机械开关S3、耗能电阻R1；所述第三机械开关S3与耗能电阻R1串联，所述的限流电感L与第三机械开关S3、耗能电阻R1串联支路并联。
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