CN111786366A - 一种多极结构的直流开关设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多极结构的直流开关设备，利用主通流回路的多断口结构保证了开断的可靠性，利用转移支路的电力电子器件辅助转移主通流回路的电流，利用旁路支路的储能及吸收模块快速切断并清除故障电流。本发明与已有直流开关设备的拓扑相比，在实现设备性能的同时，减少了器件数量，可以节省技术成本并降低控制难度，开断速度快，可以快速切断并清除故障电流，通用度极高，适用于多极结构的直流单、双向系统。

Description

一种多极结构的直流开关设备

技术领域

本发明涉及直流输配电领域，具体涉及一种多极结构的直流开关设备。

背景技术

随着能源格局的变化，以及电压源换流器、关断装置和脉宽调制技术的进步，柔性直流输电凭借着众多优势而展现出巨大的应用前景。与传统方式相比，柔性直流输电可向无源网络供电、不存在换相故障、换相站间无需通信、易于构建多终端直流系统，是改变大电网发展格局的战略选择，在未来城市智能配电网、微网等领域也具有较大优势。

采用电力电子器件的直流断路器、直流负荷开关等设备，是柔性直流系统的输电领域和配电领域的关键组成部分。直流断路器可以开断和导通正常的负载电流，还可以控制故障电流的通断。目前，电流断路器的拓扑结构较多，且这些拓扑结构具有不同优势，但是在输电成本和故障电流清除时间方面仍存在不足，未能满足实际要求。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是提供一种多极结构的直流开关设备，利用主通流回路的多断口结构保证了开断的可靠性，利用转移支路的电力电子器件承压使机械开关有足够的恢复时间，利用旁路支路的储能及吸收模块快速切断并清除故障电流。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明的一个方面提供了一种多极结构的直流开关设备，其特征在于，包括主通流回路、转移支路和旁路支路，主通流回路包括n个串联的机械开关，转移支路为1条或多条，每条转移支路包括一可控型开关模块，与所述主通流回路的一个或多个机械开关并联，旁路支路包括由耗能模块、储能模块和开关模块组成的串并联电路，在所述串并联电路中，所述耗能模块与所述储能模块并联，再与所述开关模块串联，旁路支路连接到所述直流开关设备中能够形成电流回路的两极之间，其中n为大于等于1的整数。

根据本发明一个方面，所述直流开关设备的正极和负极均采用主通流回路，零极采用金属导体。

根据本发明一个方面，所述旁路支路的串并联电路的一端连接金属导体的一端。

根据本发明一个方面，所述直流开关设备为单向系统时，所述旁路支路的所述串并联电路的一端连接主通流回路的一端，当所述直流开关设备为双向系统时，所述旁路支路的所述串并联电路的一端通过由开关模块组成的桥式回路连接到主通流回路的两端。

根据本发明一个方面，当旁路支路连接在正负两极之间时，所述旁路支路具有四端口的X型结构。

根据本发明一个方面，当旁路支路连接在正零两极或零负两极之间时，所述旁路支路具有三端口的Y型结构。

根据本发明一个方面，所述开关模块是机械开关，或者真空触发开关，或者机械开关与真空触发开关的串、并联混合使用，或者电力二极管，或者可控型电力电子器件，或者可控型电力电子器件与电力二极管的串、并联组合。

根据本发明一个方面，所述可控型开关模块是可控型电力电子器件，或者可控型电力电子器件与电力二极管的串、并联组合。

根据本发明一个方面，所述储能模块是电容,或者由电容与电阻器组成的串联电路。

根据本发明一个方面，所述耗能模块为能量吸收器件。

根据本发明一个方面，所述能量吸收器件是避雷器。

根据本发明一个方面，所述的机械开关是高速隔离开关，或者真空开关。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

与已有直流开关设备拓扑相比，本发明在实现设备性能的同时，减少了器件数量，可以节省技术成本并降低控制难度；开断速度快，可以快速切断并清除故障电流；通用度极高，适用于多极结构的直流单双向系统，尤其应用于高压、中压的直流输配电领域。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的一种适用于双向系统的正、负两极结构直流开关设备的电路图。

图2是根据本发明第二实施例的一种适用于单向系统的正、负两极结构直流开关设备的电路图。

图3是根据本发明第三实施例的一种适用于双向系统的正、零两极结构直流开关设备的电路图。

图4是根据本发明第四实施例的一种适用于单向系统的正、零两极结构直流开关设备的电路图。

图5是根据本发明第五实施例的一种适用于双向系统的正、负、零三极结构直流开关设备的电路图。

图6是根据本发明第六实施例的一种适用于单向系统的正、负、零三极结构直流开关设备的电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

第一实施例

图1示出了根据本发明第一实施例的一种适用于双向系统的正、负两极结构直流开关设备的电路图。该直流开关设备具有正、负两极结构，从图1可以看出，该直流开关设备包括由主通流回路、转移支路和旁路支路。主通流回路包括正极主通流回路和负极主通流回路，连接正极的串联电路正极主通流回路是由机械开关1-1和1-2组成的串联电路，负极主通流回路由机械开关1-12和1-13组成的串联电路。转移支路包括可控型开关模块1-3和1-11，可控型开关模块1-3与机械开关1-2并联，可控型开关模块1-11与机械开关1-13并联，可控型开关模块1-3和1-11包括两组由可控型电力电子器件与电力二极管组成的并联电路相串联，然后与避雷器并联组成的电路。旁路支路为“X”型结构，由储能模块1-6、耗能模块1-7、可控型开关模块1-8和电力二极管1-4、1-5、1-9、1-10组成的，耗能模块1-7并联在储能模块1-6两端，耗能模块1-7包括由避雷器和电阻并联形成的电路，所述旁路支路的电力二极管1-4、1-5、1-9、1-10，分布于“X”型结构的两侧，形成双侧对称的四端口结构，两对称侧分别接在正极主通流回路和负极主通流回路的两端。所述旁路支路的电力二极管1-4、1-5的正极分别连接正极主通流回路的两端，电力二极管1-4、1-5的负极与储能模块1-6的一端相连接，储能模块1-6的另一端与电力二极管1-8的正极相连接，电力二极管1-8的负极连接电力二极管1-9、1-10的正极，电力二极管1-9、1-10的负极分别连接负极主通流回路的两端。

合闸操作过程：

如图1所示，直流开关设备的初始状态处于分闸位置，即机械开关1-1、1-2、1-12和1-13分断。若系统需要合闸操作，可关合机械开关1-1、1-2、1-12和1-13，使主通流回路导通，完成合闸操作。

分闸操作过程：

如图1所示，直流开关设备的初始状态处于合闸位置，即机械开关1-1、1-2、1-12和1-13关合，主通流回路承载系统负载电流。若系统需要分闸，控制器发出命令使可控型开关模块1-3、1-11预导通，同时发出命令使机械开关1-1、1-2、1-12和1-13开始执行分闸操作。当机械开关1-2、1-13的电弧电压大于可控型开关模块1-3、1-11的门槛电压时，通过机械开关1-2、1-13的电流转移到可控型开关模块1-3、1-11中，机械开关1-2、1-13熄弧并逐渐恢复绝缘能力。机械开关1-2、1-13电流完全转移后，先导通可控型开关模块1-8，使主通流回路电流开始向旁路支路转移并对储能模块1-6进行充电；然后关断双向可控型开关模块1-3、1-11，使主通流回路的电流过零，机械开关1-1、1-2开始恢复绝缘能力。当系统电流全部转移到旁路支路后，迅速升高的电容端电压将触发耗能模块1-7中的避雷器动作并吸收部分能量。转移支路无电流通过，分断完成。

重合闸过程：

断路器完成分断后，为实现重合闸功能，其余剩余能量由耗能模块1-7中的电阻吸收。然后控制器发出合闸指令使机械开关1-1、1-2、1-12和1-13关合，主通流回路导通。若断路器未合闸到故障回路，主通流回路承载系统负载电流，合闸完成；若断路器合闸到故障回路，重复分闸过程即可。

第二实施例

图2示出了根据本发明第二实施例的一种适用于单向系统的正、负两极结构直流开关设备的电路图。从图2可以看出，该直流开关设备的主通流回路和转移支路均与第一实施例相同。旁路支路采用由储能模块2-4与耗能模块2-5并联后再与开关模块2-6串联组成，旁路支路的一端连接直流开关设备的正极的电流流入端，另一端连接负极的电流流出端。分、合闸及重合闸操作的操作时序与第一实施例基本相同。

第三实施例

图3示出了根据本发明第三实施例的一种适用于双向系统的正、零两极结构直流开关设备的电路图。从图3可以看出，该直流开关设备的正极采用主通流回路，零极采用金属导体，转移支路由可控型开关模块3-3组成，并与机械开关3-2并联，旁路支路采用由储能模块3-6、耗能模块3-7、开关模块3-8以及电力二极管3-4、3-5组成的“Y型结构”。所述旁路支路的电力二极管3-4、3-5，分布于“Y型结构”的一侧，形成单侧对称的三端口结构，对称侧接在主通流回路的两端。分、合闸及重合闸操作的操作时序与第一实施例基本相同。

第四实施例

图4示出了根据本发明第四实施例的一种适用于单向系统的正、零两极结构直流开关设备的电路图。从图4可以看出，该直流开关设备的正极采用主通流回路，零极采用金属导体，转移支路由可控型开关模块4-3组成，并与机械开关4-2并联，设备旁路支路采用由储能模块4-4与耗能模块4-5并联后再与开关模块4-6串联组成，一端连接设备正极的电流流入端，另一端连接金属导体(零极)。

分、合闸及重合闸操作的操作时序与第一实施例基本相同，不再赘述。

第五实施例

图5示出了根据本发明第五实施例的一种适用于双向系统的正、负、零三极结构直流开关设备的电路图。如图5所示，该直流开关设备的电路拓扑结构与第三实施例的区别是在正零极、负零极之间分别存在一套独立运行的开关设备。

分、合闸及重合闸操作的操作时序可以根据现场需求重复第三实施例的操作时序以单独控制。

第六实施例

图6示出了一种根据本发明第六实施例的直流开关设备的电路拓扑图。该直流开关设备适用于单向系统，具有正、负、零三极结构，如图6所示，与第四实施例的区别是在设备的正零极、负零极之间分别存在一套独立运行的开关设备。

分、合闸及重合闸操作的操作时序可以根据现场需求重复第四实施例的操作时序以单独控制。

需要说明的是，所述直流开关设备可应用于多极结构，这些结构中的至少一极应用主通流回路，其他极可有金属导线构成。转移支路可设置为1条或多条，旁路支路连接到开关设备中能够形成电流回路的任意两极之间，旁路支路布置原则是连接开关设备一极主通流回路的电流流入端和另外一极电流流出端。

综上所述，本发明旨在保护一种经济型直流开关设备的拓扑结构方案，尤其适用于高压、中压的直流输配电领域。该拓扑结构利用主通流回路的多断口结构保证了开断的可靠性，利用转移支路的电力电子器件辅助转移主通流回路的电流，利用旁路支路的储能及吸收模块快速切断并清除故障电流。本发明与已有直流开关设备的拓扑相比，在实现设备性能的同时，减少了器件数量，可以节省技术成本并降低控制难度；开断速度快，可以快速切断并清除故障电流；通用度极高，适用于多极结构的直流单、双向系统。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (12)

1.一种多极结构的直流开关设备，其特征在于，包括主通流回路、转移支路和旁路支路，主通流回路包括n个串联的机械开关，转移支路为1条或多条，每条转移支路包括一可控型开关模块，与所述主通流回路的一个或多个机械开关并联，旁路支路包括由耗能模块、储能模块和开关模块组成的串并联电路，在所述串并联电路中，所述耗能模块与所述储能模块并联，再与所述开关模块串联，旁路支路连接到所述直流开关设备中能够形成电流回路的两极之间，其中n为大于等于1的整数。

2.根据权利要求1所述的直流开关设备，其特征在于，所述直流开关设备的正极和负极均采用主通流回路，零极采用金属导体。

3.根据权利要求2所述的直流开关设备，其特征在于，所述旁路支路的串并联电路的一端连接金属导体的一端。

4.根据权利要求3所述的直流开关设备，其特征在于，所述直流开关设备为单向系统时，所述旁路支路的所述串并联电路的一端连接主通流回路的一端，当所述直流开关设备为双向系统时，所述旁路支路的所述串并联电路的一端通过由开关模块组成的桥式回路连接到主通流回路的两端。

5.根据权利要求4所述的直流开关设备，其特征在于，当旁路支路连接在正负两极之间时，所述旁路支路具有四端口的X型结构。

6.根据权利要求4所述的直流开关设备，其特征在于，当旁路支路连接在正零两极或零负两极之间时，所述旁路支路具有三端口的Y型结构。

7.根据权利要求4所述的直流开关设备，其特征在于，所述开关模块是机械开关，或者真空触发开关，或者机械开关与真空触发开关的串、并联混合使用，或者电力二极管，或者可控型电力电子器件，或者可控型电力电子器件与电力二极管的串、并联组合。

8.根据权利要求1的直流开关设备，其特征在于，所述可控型开关模块是可控型电力电子器件，或者可控型电力电子器件与电力二极管的串、并联组合。

9.根据权利要求1的直流开关设备，其特征在于，所述储能模块是电容,或者由电容与电阻器组成的串联电路。

10.根据权利要求1的直流开关设备，其特征在于，所述耗能模块为能量吸收器件。

11.根据权利要求10的直流开关设备，其特征在于，所述能量吸收器件是避雷器。

12.根据权利要求1的直流开关设备，其特征在于，所述的机械开关是高速隔离开关，或者真空开关。

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