CN111740389B - 一种适用于重合闸的高分断性能直流断路器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于重合闸的高分断性能直流断路器，装置由耗能支路、稳态通流支路、转移支路、换流回路以及控制模块组成，耗能支路由避雷器RV构成，稳态通流支路由机械开关MS构成，转移支路由反向并联于机械开关MS两端的二极管D1构成，换流回路由储能电容C、调波电感L组成的LC放电回路和桥式半导体组件构成；还公开其开断方法，无需外部提供预充电回路，有效解决了繁琐的充电回路带来控制、成本及体积上的约束，控制简单而且大大缩短了重合闸动作时间。

Description

一种适用于重合闸的高分断性能直流断路器
技术领域
本发明属于电力系统故障保护技术领域，尤其涉及一种适用于重合闸的高分断性能直流断路器，以及监测到故障时的开断方法。
背景技术
随着直流输电技术的兴起，直流断路器作为系统重要保护设备备受关注。
不同于交流断路器的自然电流过零点，直流断路器需人工为其制造过零点，最常用的做法便是采用有源LC振荡回路。而如今在高压大电流场合，直流断路器的分断可靠性便成为一大瓶颈；另外，有源LC回路的储能电容在断路器每次开断前都需高压充电机提供预充电回路，这其中又涉及到充电开关的投切控制时序，使得整体装置的成本体积受限。
发明内容
本发明为了克服现有技术的缺点和不足，目的之一是提供一种适用于重合闸的高分断性能直流断路器，以提升直流断路器大功率场合的分断性能，以解决储能电容的预充电问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种适用于重合闸的高分断性能直流断路器，由耗能支路、稳态通流支路、转移支路、换流回路以及控制模块组成；所述的耗能支路、稳态通流支路、转移支路和换流回路并联后连接于母线节点I和O之间，主电流由节点I流向节点O；所述的耗能支路由避雷器RV构成；所述的稳态通流支路由机械开关MS构成；所述的换流回路由储能电容C、调波电感L组成的LC放电回路和桥式半导体组件构成，所述的半导体组件包括晶闸管T1、晶闸管T2和二极管D2、二极管D3；所述的转移支路由反向并联于机械开关MS两端的二极管D1构成，用于在机械开关MS关断后导通通流并将机械开关MS两端电压钳位，以及在储能电容C的电压极性翻转后导通，利用LC放电回路振荡响应将储能电容C的电压极性再次翻转至预充电状态。
本发明的目的之二是提供一种适用于重合闸的高分断性能直流断路器的开断方法，包括如下步骤：断路器发生短路故障时，控制模块监测到急速上升的故障电流向机械开关MS发出分断命令，机械开关MS触头分离开始燃弧；换流回路的晶闸管T1和晶闸管T2触发导通，储能电容C与调波电感L开始形成振荡放电；当振荡放电升至与故障电流相等时，机械开关MS熄弧关断，同时转移支路的二极管D1在正向电压条件下第一次导通，故障电流及振荡放电开始转移至二极管D1，同时由于二极管D1的导通将机械开关MS两端钳制于低电压状态；当振荡电流再次下降与故障电流相等时，二极管D1截止，此后调波电感L储存的能量开始向储能电容C反向充电；储能电容C的反向电压达到峰值，换流回路的正向电流过零，晶闸管T1和晶闸管T2截止，同时二极管D2和二极管D3在正向电压下导通并与系统回路形成放电路径；二极管D1在正向电压下第二次导通，换流回路形成自激振荡放电；储能电容C极性再次翻转至故障前状态，二极管D1再次电流过零关断；二极管D1关断后，二极管D2和二极管D3继续给储能电容C正向充电，当储能电容C两端电压增大至避雷器RV开通电压后，避雷器RV开通吸收系统及换流回路能量；换流回路反向电流过零，二极管D2和二极管D3截止关断，耗能支路继续吸收系统多余能量；避雷器RV吸能完成，至此故障电流完全清除。
本发明的有益效果是：
本断路器继承了传统直流断路器机械开关通流损耗小和有源LC换流响应快的优点，通过反并联二极管D1的电压钳位作用提升机械开关MS熄弧分断能力，并结合桥式换流回路特点将故障清除后储能电容C的电压极性和幅值还原至预充电状态。
本发明控制简单，装置体积小，能有效提升断路器直流开断性能，适用于快速重合闸应用场合。无需外部提供预充电回路，有效解决了繁琐的充电回路带来控制、成本及体积上的约束，控制简单而且大大缩短了重合闸动作时间。
附图说明
图1为本发明断路器的电路结构图；
图2为本发明断路器分断全过程电流电压波形图；
图3为本发明断路器分断过程局部放大图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明公开了一种适用于重合闸的高分断性能直流断路器，由耗能支路、稳态通流支路、转移支路、换流回路以及控制模块组成。
系统主电流方向由节点I流向节点O，各支路及回路并联连接。
所述的耗能支路由避雷器RV构成，依据系统电压及电流等级决定阀片数及串并联方式。
所述的稳态通流支路由机械开关MS构成，通流能力强，损耗小。
所述的换流回路由储能电容C、调波电感L组成的LC放电回路和桥式半导体组件/器件构成，所述的半导体组件包括晶闸管T1、晶闸管T2和二极管D2、二极管D3。
所述的转移支路由反向并联于机械开关MS两端的二极管D1构成，第一次在机械开关MS熄弧关断后导通通流，并将机械开关MS两端电压钳位；第二次在储能电容C的电压极性翻转后导通，利用LC放电回路振荡响应将储能电容C的电压极性再次翻转至预充电状态。二极管D1依据系统电压及电流等级采用单片串并联方式连接构成，二极管D1第一次导通后的电压钳位作用，可有效避免机械开关MS熄弧后发生弧后重击穿而导致分断失败的现象；二极管D1第二次导通后，可将储能电容C的电压极性翻转至预充电状态，并可调整避雷器RV的参数使分断过程结束后储能电容C的电压幅值与预充电电压幅值一致。
参照图2所示，系统在t 0时刻发生了短路故障，故障电流i fault急速上升。
参照图3所示，当控制模块在t 1时刻监测到故障并发出机械开关MS分断命令，机械开关MS触头分离开始燃弧。
晶闸管T1、晶闸管T2在t 2时刻触发导通，储能电容C与调波电感L开始形成振荡放电i C。
当换流回路的电流在t 3上升至与故障电流相等时，机械开关MS熄弧关断，同时转移支路的二极管D1在正向电压条件下第一次导通，故障电流及换流回路电流开始转移至二极管D1，同时由于二极管D1的导通将机械开关MS两端钳制于低电压状态，有效保证了机械开关MS弧后介质可靠恢复，极大提升了机械开关MS分断能力。
当换流回路振荡电流在t 4时刻再次下降与故障电流相等时，二极管D1截止，此后系统及调波电感L储存的能量开始向储能电容C反向充电。
在t 5时刻，储能电容C反向电压达到峰值，换流回路正向电流过零，晶闸管T1、晶闸管T2截止，同时二极管D2、二极管D3在正向电压下导通并与系统回路形成放电路径。
在t 6时刻，二极管D1在正向电压下第二次导通，换流回路形成自激振荡放电。
储能电容C极性再次翻转至故障前状态，并于t 7时刻二极管D1再次电流过零关断。
二极管D1关断后，系统开始通过二极管D2、二极管D3继续给储能电容C正向充电，当储能电容C两端电压在t 8时刻增大至耗能支路的避雷器RV开通电压后，避雷器RV开通吸收系统及换流回路能量。
在t 9时刻，换流回路反向电流过零，二极管D2、二极管D3截止关断，耗能支路继续吸收系统多余能量。
参照图2，在t 10时刻，避雷器RV吸能完成，至此故障电流完全清除。
从本发明的直流断路器工作原理可以看出，该型断路器保留了传统直流开断的稳态损耗小及大功率开断容量优点外，通过改进拓扑结构，极大提升了断路器的分断可靠性；同时解决了储能电容的预充电问题，并且整套装置采用机械开关与半控型器件组成，有效的节约了装置的成本和体积，适用于频繁重合闸场合。
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，对于本领域的技术人员来说，在不偏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 (1)

1.一种适用于重合闸的高分断性能直流断路器，由耗能支路、稳态通流支路、转移支路、换流回路以及控制模块组成；其特征在于：
所述的耗能支路、稳态通流支路、转移支路和换流回路并联后连接于母线节点I和O之间，主电流由节点I流向节点O；
所述的耗能支路由避雷器RV构成；
所述的稳态通流支路由机械开关MS构成；
所述的换流回路由储能电容C、调波电感L组成的LC放电回路和桥式半导体组件构成，所述的半导体组件包括晶闸管T1、晶闸管T2和二极管D2、二极管D3；
所述的转移支路由反向并联于机械开关MS两端的二极管D1构成，用于在机械开关MS关断后导通通流并将机械开关MS两端电压钳位，以及在储能电容C的电压极性翻转后导通，利用LC放电回路振荡响应将储能电容C的电压极性再次翻转至预充电状态；
断路器发生短路故障时，控制模块监测到急速上升的故障电流向机械开关MS发出分断命令，机械开关MS触头分离开始燃弧；
换流回路的晶闸管T1和晶闸管T2触发导通，储能电容C与调波电感L开始形成振荡放电；
当振荡放电升至与故障电流相等时，机械开关MS熄弧关断，同时转移支路的二极管D1在正向电压条件下第一次导通，故障电流及振荡放电开始转移至二极管D1，同时由于二极管D1的导通将机械开关MS两端钳制于低电压状态；
当振荡电流再次下降与故障电流相等时，二极管D1截止，此后调波电感L储存的能量开始向储能电容C反向充电；
储能电容C的反向电压达到峰值，换流回路的正向电流过零，晶闸管T1和晶闸管T2截止，同时二极管D2和二极管D3在正向电压下导通并与系统回路形成放电路径；
二极管D1在正向电压下第二次导通，换流回路形成自激振荡放电；
储能电容C极性再次翻转至故障前状态，二极管D1再次电流过零关断；
二极管D1关断后，二极管D2和二极管D3继续给储能电容C正向充电，当储能电容C两端电压增大至避雷器RV开通电压后，避雷器RV开通吸收系统及换流回路能量；
换流回路反向电流过零，二极管D2和二极管D3截止关断，耗能支路继续吸收系统多余能量；
避雷器RV吸能完成，至此故障电流完全清除。
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