CN111817266B - 一种限流混合式直流断路器 - Google Patents

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Abstract

本公开揭示了一种限流混合式直流断路器，包括：主电流回路、电流转移回路、第一进/出线端和第二进/出线端，所述主电流回路和所述电流转移回路并联；其中，所述主电流回路包括串联的高速机械开关和辅助电流转移模块，所述高速机械开关的一侧连接第一进/出线端，另一侧连接所述辅助电流转移模块，所述辅助电流转移模块的另一侧连接第二进/出线端；所述电流转移回路包括第一、第二、第三和第四转移支路，所述第一转移支路和第四转移支路构成桥式电路，用于实现故障电流的双向分断；所述第二转移支路用于限制系统故障电流，同时用于完成电磁能量的耗散；所述第三转移支路用于实现系统故障电流的分断。

Description

一种限流混合式直流断路器
技术领域
本公开属于断路器技术领域，具体涉及一种限流混合式直流断路器。
背景技术
随着分布式能源装机容量的逐年上升和电力系统容量的提升，直流电网成为未来电网的发展方向。但是直流系统还面临很多潜在的问题，其中最严重的是直流短路故障，由于直流系统短路阻抗小，故障电流快速上升，会对系统设备造成冲击，直流断路器是实现短路故障快速隔离的最具前景的解决方案。
目前，直流断路器主要包括机械式直流断路器、固态式直流断路器和混合式直流断路器。机械式直流断路器需要预充电电容，存在长期带高压电带来的绝缘性能降低的风险，而且小电流开断时间较长。固态式直流断路器额定通流损耗高，而且大量使用电力电子器件导致断路器造价过高。而混合式直流断路器是目前比较理想的方案，它综合了机械式和固态式直流断路器的优点，但仍然需要大量辅助转移电力电子器件，导致额定通流能力差，发热严重，需要添加水冷装置。此外，直流电流快速上升对断路器故障电流开断能力提出了很高的要求，目前直流系统中主要通过安装限流电抗器来限制故障电流的上升速度，但是，限流电控器长期存在于系统中会降低系统的动态响应，同时电抗器上存储的能量增加了断路器能量耗散过程中耗能的压力，限制了电流下降速度。在这种应用背景下，应用于双向直流供电系统的直流断路器必须能够辨识电流流向，限制故障电流的同时实现快速双向开断，提高直流系统的可靠性。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种限流混合式直流断路器，通过对主电流回路和电流转移回路的设计，能够解决机械断口绝缘恢复速度慢、开断电流大和避雷器耗能要求高等问题。
为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：
一种限流混合式直流断路器，包括：主电流回路、电流转移回路、第一进/出线端和第二进/出线端，所述主电流回路和所述电流转移回路并联；其中，
所述主电流回路包括串联的高速机械开关和辅助电流转移模块，
所述高速机械开关的一侧连接第一进/出线端，另一侧连接所述辅助电流转移模块，
所述辅助电流转移模块的另一侧连接第二进/出线端；
所述电流转移回路包括第一、第二、第三和第四转移支路，
所述第一转移支路和第四转移支路构成桥式电路，用于实现故障电流的双向分断；
所述第二转移支路用于限制系统故障电流，同时完成电磁能量的耗散；
所述第三转移支路用于实现系统故障电流的分断。
优选的，所述第一转移支路包括串联连接的第一功率半导体器件和第二功率半导体器件，所述第一半导体器件和第二半导体器件的阳极连接。
优选的，所述第二转移支路包括电容、电感、电阻和第三半导体器件；所述电容和电感并联，所述电阻和所述第三半导体器件串联后并联在所述电感的两端，所述电感的一端连接所述第一半导体器件和第二半导体器件的阳极连接点。
优选的，所述第三转移支路包括全控型功率半导体器件和避雷器，所述全控型功率半导体器件和避雷器并联后的一端连接所述电感的另一端。
优选的，所述第四转移支路包括串联连接的第一半控型功率半导体器件和第二半控型功率半导体器件，所述第一半控型功率半导体器件和第二半控型功率半导体器件的阴极连接点与所述全控型功率半导体器件和避雷器并联后的另一端连接。
优选的，所述电流辅助转移模块包括如下任一：超导限流器、液态金属限流器、非线性电阻或热敏电阻、IGBT负载换流开关及其串并联组合。
优选的，所述避雷器包括如下任一：线路型金属氧化物避雷器、无间隙线路型金属氧化物避雷器、全绝缘复合外套金属氧化物避雷器和可卸式避雷器。
优选的，所述断路器外接有监测系统，用于：
监测主电流回路和电流转移支路的电流状态；
监测高速机械开关的断口电压和运动状态以及断路器的环境温度。
优选的，所述断路器还外接有控制系统，其：
基于主电流回路的电流幅值和变化率控制高速机械开关动作，
基于电流转移支路的电流幅值和变化率控制电流转移支路中半导体器件的导通状态，以及
向上级控制系统发送故障波形和接收上级控制系统的控制命令。
本公开还提供一种断路器的开断方法，包括如下步骤：
S100：当电力系统电流从第一进/出线端或第二进/出线端流入，经高速机械开关和电流辅助转移模块从第二进/出线端或第一进/出线端流出时，若在线监测系统检测到系统发生短路故障，控制系统触发第三转移支路和第四转移支路导通，同时，电流辅助转移模块处于辅助状态，流经主电流回路的电流向电流转移支路转移；
S200：当电流完全转移到电流转移支路后，电流辅助转移模块恢复为低阻导通状态，控制系统控制高速机械开关无弧分断；
S300：当高速机械开关分断满足绝缘强度要求时，避雷器导通，系统电流转移至避雷器；
S400：当系统电流完全转移至避雷器后，系统电流快速下降，当系统电流小于避雷器的最小导通电流时，避雷器恢复高阻抗状态，当系统电流下降为0时，开断完成。
与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：
1、通过在主电流回路串联电流辅助转移模块，能够辅助完成电流转移过程，保证了主电流回路电流过零时实现开关的无弧分闸。
2、转移回路中利用电容的快速充电和电感的电流限制能力，减小了开断器件T30的电流开断要求，降低了成本；
3、利用桥式结构可以实现双向限制和开断故障电流，减少了半导体器件的使用，有效降低了断路器控制复杂程度和制造成本。
附图说明
图1是本公开一个实施例提供的一种限流混合式直流断路器的结构示意图；
图2是本公开另一个实施例提供的一种限流混合式直流断路器的结构示意图；
图3是本公开另一个实施例提供的一种限流混合式直流断路器的结构示意图；
图4是本公开另一个实施例提供的一种限流混合式直流断路器的结构示意图；
图5是本公开另一个实施例提供的限流混合式直流断路器的监测系统分布示意图；
图6是本公开另一个实施例提供的限流混合式直流断路器的控制系统的结构框图；
图7(a)至图7(f)是根据图2实施例的电流从C1流向C2时限流混合式直流断路器单向工作的结构示意图；
图8是本公开一个实施例提供的分断电流时各支路中电流变化曲线图。
具体实施方式
下面将参照附图1至附图8详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。
一个实施例中，如图1所示，本公开提供一种限流混合式直流断路器，包括：主电流回路、电流转移回路、第一进/出线端和第二进/出线端，所述主电流回路和所述电流转移回路并联；其中，
所述主电流回路包括串联的高速机械开关和辅助电流转移模块，
所述高速机械开关的一侧连接第一进/出线端，另一侧连接所述辅助电流转移模块，
所述辅助电流转移模块的另一侧连接第二进/出线端；
所述电流转移回路包括第一、第二、第三和第四转移支路，
所述第一转移支路和第四转移支路构成桥式电路，用于实现故障电流的双向分断；
所述第二转移支路用于限制系统故障电流，同时完成电磁能量的耗散；
所述第三转移支路用于实现系统故障电流的分断。
本实施例中，通过在主电流回路中串联电流辅助转移模块，能够辅助完成电流转移，从而保证了流经主电流回路的电流过零时能够实现开关的无弧分断。电流转移回路中通过将第二转移支路和第三转移支路串联，利用电容的快速充电和电感的电流限制能力，能够减小开断器件的电流开断要求，从而降低成本。利用第一转移支路和第四转移支路构成的桥式结构能够实现双向限制和开断故障电流，从而能够有效降低断路器控制的复杂程度和制造成本。
另一个实施例中，所述第一转移支路包括串联连接的第一功率半导体器件和第二功率半导体器件，所述第一半导体器件和第二半导体器件的阳极连接。
本实施例中，如图1所示，第一转移支路包括不可控型功率半导体器件D1和D2，D1的阳极和D2的阳极相连。
另一个实施例中，所述第二转移支路包括电容C、电感L、电阻R和第三功率半导体器件D20；所述电容C和电感L并联，所述电阻R和所述第三功率半导体器件D20串联后并联在所述电感L的两端，所述电感L的一端连接所述第一功率半导体器件D1和第二功率半导体器件D2的阳极连接点。
本实施例中，通过将电容和电感并联组成LC振荡电路，对故障电流进行限制，通过将电阻R和第三功率半导体器件D20串联，能够起到耗散电感L和电容C电磁能量的作用。
另一个实施例中，所述第三转移支路包括全控型功率半导体器件和避雷器，所述全控型功率半导体器件和避雷器并联后的一端连接所述电感的另一端。
本实施例中，所述第三转移支路包括全控型功率半导体器件T30和避雷器MOV，所述全控型功率半导体器件T30和避雷器MOV并联后连接所述电感L的另一端。
另一个实施例中，所述第四转移支路包括串联连接的第一半控型功率半导体器件T1和第二半控型功率半导体器件T2，所述第一半控型功率半导体器件T1和第二半控型功率半导体器件T2的阴极连接点与所述全控型功率半导体器件T30和避雷器MOV并联后的另一端连接。
本实施例中，如图1所示，第四转移支路包括第一半控型功率半导体器件T1和第二半控型功率半导体器件T2，T1的阴极和T2的阴极相连。
另一个实施例中，如图2所示，此时电流辅助转移模块为液态金属限流器LMCL，其电流分断过程如图7(a)至图7(f)所示。其中，图7(a)为系统电流正常流通，此时电流流经高速机械开关HSS和液态金属限流器LMCL。在t0时刻系统发生故障后，电流迅速上升，在线监测系统检测到系统发生短路故障，经过计算和信号处理，t1时刻控制系统触发半导体控制器件T1和T30导通，同时，液态金属由于磁收缩效应迅速起弧，产生很高的电弧电压，强制电流由主电路回路转移到电流转移回路，电流流向如图7(b)所示。同时，电容C快速充电，随着电容C的电压升高，第二转移支路中的电流逐渐由电容C转移到电感L上，当电容C两端电压超过系统电压，故障电流下降。t2时刻当电流完全转移到电流转移回路后，主电流回路电流降为0，液态金属限流器LMCL恢复到正常低阻导通状态，控制系统控制高速机械开关无弧分断，电流流向如图7(c)所示。当高速机械开关HSS触头分离到位满足绝缘强度要求时，t3时刻控制全控型功率半导体T30关断，导通MOV，电流快速转移到MOV，电流流向如图7(d)所示。t4时刻系统电流全部转移至MOV，系统电流将快速下降，同时电容C电流过零后反向，大大加快故障电流的下降速度，直至t5时刻系统电流降为0，开断过程完成，电流流向如图7(e)所示。t5时刻后，第二转移支路中电感电流继续反向注入电容C，当电容电压减小为0后反向，即电感两端电压反向，并联的第三功率半导体器件D20承受正向电压导通，电感L和电容C中能量由电阻R耗散，如此振荡循环耗能，直至电容电压和电感电流降为0，电流流向如图7(f)所示。
另一个实施例中，如图3所示，此时电流辅助转移模块为超导限流器SFCL，相比液态金属限流器LMCL，SFCL对故障电流反应更快。正常工作情况下，SFCL处于超导状态。当系统发生短路故障时，系统中短路电流快速增加，超导限流器SFCL失超，在线路中电阻增大，其较大的导通电压会强迫电流从主回路转移到电流转移回路，当主回路电流过零后，控制高速机械开关HSS断开，切除主回路电流。
另一个实施例中，如图4所示，此时电流辅助转移模块为2个IGBT串联构成的双向负载换流开关LCS，相比LMCL和SFCL，其可控性更高。正常通流情况下，换流开关LCS中的IGBT导通，和高速机械开关共同承担主回路电流。在系统发生故障时，控制系统控制IGBT关断，产生的负向电压强迫电流从主回路转移到电流转移回路。
需要说明的是，2个串联连接的IGBT也可以改为并联连接，其工作原理和串联连接时相同，此处不再赘述。
另一个实施例中，所述断路器外接有监测系统，用于：
监测主电流回路和电流转移支路的电流状态；
监测高速机械开关的断口电压和运动状态以及断路器的环境温度。
本实施例中，如图5所示，监测系统包括第一电流传感器N1、第二电流传感器N2、第三电流传感器N3、第四电流传感器N4、第五电流传感器N5、第一电压传感器VHS、第二电压传感器Vc、第三电压传感器VMOV以及位移传感器P和环境温度传感器Temp。其中，第一电流传感器N1用于监测主电流回路电流状态，第二电流传感器N2用于监测第二转移支路中电容C的电流状态，第三电流传感器N3用于监测第二转移支路中电感L的电流状态，第四电流传感器N4用于监测第三转移支路中全控型半导体器件T30电流状态，第五电流传感器N5用于监测流过MOV的电流状态。第一电压传感器VHSS用于监测高速机械开关断口电压，第二电压传感器Vc用于监测电容C两端的电压，第三电压传感器VMOV用于监测MOV两端的电压，位移传感器P用于监测高速机械开关的运动状态，环境温度传感器Temp用于监测断路器的环境温度。
另一个实施例中，所述断路器还外接有控制系统，其：
基于主电流回路的电流幅值和变化率控制高速机械开关动作，
基于电流转移支路的电流幅值和变化率控制电流转移支路中半导体器件的导通状态，以及
向上级控制系统发送故障波形和接收上级控制系统的控制命令。
本实施例中，所述控制系统与所述监测系统相连，如图6所示，包括信号调理电路、高速AD、处理器、人机交互界面和通信模块；所述主电流回路的电流幅值和变化率以及电流转移回路中各支路电流幅值和变化率经过信号调理电路和高速AD滤波放大处理后输入处理器计算，基于计算结果控制电流转移回路中半导体器件和主电流回路的高速机械开关依次动作。人机交互界面实时显示所述断路器状态及计算结果，所述通信模块向上级系统发送故障波形和接收上级控制系统的控制命令。
另一个实施例中，所述高速机械开关为基于电磁斥力的高速机械开关、基于高速电机驱动的机械开关或基于爆炸驱动的高速机械开关。
另一个实施例中，所述半控型半导体器件T1、T2均为单向导通的半控型器件，所述不可控型半导体器件D1、D2和D20是快恢复二极管单个器件或其组合，所述全控型器件T30是IGBT、IGCT、IEGT等的单个器件或其组合。
另一个实施例中，所述避雷器包括如下任一：线路型金属氧化物避雷器、无间隙线路型金属氧化物避雷器、全绝缘复合外套金属氧化物避雷器或可卸式避雷器。
另一个实施例中，本公开还提供一种断路器的开断方法，包括如下步骤：
S100：当电力系统电流从第一进/出线端流入，经高速机械开关和电流辅助转移模块从第二进/出线端流出时，若在线监测系统检测到系统发生短路故障，控制系统触发第三转移支路和第四转移支路导通，同时，电流辅助转移模块处于辅助状态，流经主电流回路的电流向电流转移支路转移；
该步骤中，当在线监测系统检测到系统发生短路故障，通知控制系统或者控制系统受到上级控制系统的开断指令时，控制系统触发半导体控制器件T1、T30导通，同时电流辅助转移模块处于辅助状态，流经主电流电路的电流向电流转移回路转移，同时电容C快速充电，随着电容电压升高，第二转移支路中的电流逐渐由电容C转移到电感L上，当电容C两端电压超过系统电压，故障电流开始下降。
S200：当电流完全转移到电流转移支路后，电流辅助转移模块恢复为低阻导通状态，控制系统控制高速机械开关无弧分断；
该步骤中，当电流完全转移到电流转移回路后，主电流回路电流降为0，电流辅助转移模块恢复为低阻导通状态，控制系统控制高速机械开关无弧分断，当电流转移回路中起限流作用的第二转移支路中故障电流由电容C完全转移到电感L上，由于电容电压高于电感两端电压，电容电流过零后继续反向增大，电感电流持续上升，电容电压减小。
S300：当高速机械开关分断满足绝缘强度要求时，避雷器导通，系统电流转移至避雷器；
该步骤中，当高速机械开关HSS触头分离到位满足绝缘强度要求时，控制全控型器件T30关断，半导体器件关断时间很短，电流变化率很大，引起的过电压使得MOV导通，电流转移回路中第三转移支路中系统故障电流快速转移到MOV。
S400：当系统电流完全转移至避雷器后，系统电流快速下降，当系统电流小于避雷器的最小导通电流时，避雷器恢复高阻抗状态，当系统电流下降为0时，开断完成。
该步骤中，当系统电流全部转移至MOV后，系统电流将快速下降，同时电流不停的反向注入到电容C中，大大加快故障电流的下降速度，当系统电流小于MOV的最小导通电流时，MOV恢复高阻抗状态，系统电流降为0，开断过程完成。系统电流降为0时，电感电流继续反向注入电容，当电容电压减小为0后反向，即电感两端电压反向，并联的半导体器件D20承受正向电压导通，电感L和电容C中能量由电阻R耗散，如此振荡循环耗能，直至电容电压和电感电流降为0，此过程不影响完成的系统开断结果。
能够理解，当电力系统电流从第二进/出线端流入，经高速机械开关和电流辅助转移模块从第一进/出线端流出时，与上述开断方法不同的是，当在线监测系统检测到系统发生短路故障，控制系统触发半导体控制器件T2、T30导通，T1不导通，此外，其余过程均与上述实施例相同，此处不再赘述。
以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，在本公开中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本公开的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

Claims (7)

1.一种限流混合式直流断路器，包括：主电流回路、电流转移回路、第一进/出线端和第二进/出线端，所述主电流回路和所述电流转移回路并联；其中，
所述主电流回路包括串联的高速机械开关和辅助电流转移模块，所述辅助电流转移模块包括如下任一：超导限流器、液态金属限流器、非线性电阻或热敏电阻、IGBT负载换流开关及其串并联组合；
所述高速机械开关的一侧连接第一进/出线端，另一侧连接所述辅助电流转移模块，
所述辅助电流转移模块的另一侧连接第二进/出线端；
所述电流转移回路包括第一、第二、第三和第四转移支路，
所述第一转移支路和第四转移支路构成桥式电路，用于实现故障电流的双向分断，所述第一转移支路包括串联连接的第一功率半导体器件和第二功率半导体器件，所述第一功率半导体器件的阳极和第二功率半导体器件的阳极连接；
所述第二转移支路用于限制系统故障电流，同时用于完成电磁能量的耗散，所述第二转移支路包括电容、电感、电阻和第三半导体器件；所述电容和电感并联组成LC振荡电路，所述电阻和所述第三半导体器件串联后并联在所述电感的两端，所述电感的一端连接所述第一功率半导体器件和第二功率半导体器件的阳极连接点；
所述第三转移支路用于实现系统故障电流的分断。
2.根据权利要求1所述的断路器，其中，所述第三转移支路包括全控型功率半导体器件和避雷器，所述全控型功率半导体器件和避雷器并联后的一端连接所述电感的另一端。
3.根据权利要求2所述的断路器，其中，所述第四转移支路包括串联连接的第一半控型功率半导体器件和第二半控型功率半导体器件，所述第一半控型功率半导体器件的阴极和第二半控型功率半导体器件的阴极的连接点与所述全控型功率半导体器件和避雷器并联后的另一端连接。
4.根据权利要求2所述的断路器，其中，所述避雷器包括如下任一：线路型金属氧化物避雷器、无间隙线路型金属氧化物避雷器、全绝缘复合外套金属氧化物避雷器和可卸式避雷器。
5.根据权利要求1所述 的断路器，其中，所述断路器外接有监测系统，用于：
监测主电流回路和电流转移支路的电流状态；
监测高速机械开关的断口电压和运动状态以及断路器的环境温度。
6.根据权利要求1所述的断路器，其中，所述断路器还外接有控制系统，其：
基于主电流回路的电流幅值和变化率控制高速机械开关动作，
基于电流转移支路的电流幅值和变化率控制电流转移支路中半导体器件的导通状态，以及
向上级控制系统发送故障波形和接收上级控制系统的控制命令。
7.一种根据权利要求1-6中任一项所述的断路器的开断方法，包括如下步骤：
S100：当电力系统电流从第一进/出线端或第二进/出线端流入，经高速机械开关和辅助电流转移模块从第二进/出线端或第一进/出线端流出时，若在线监测系统检测到系统发生短路故障，控制系统触发第三转移支路和第四转移支路导通，同时，辅助电流转移模块处于辅助状态，流经主电流回路的电流向电流转移支路转移；
S200：当电流完全转移到电流转移支路后，辅助电流转移模块恢复为低阻导通状态，控制系统控制高速机械开关无弧分断；
S300：当高速机械开关分断满足绝缘强度要求时，避雷器导通，系统电流转移至避雷器；
S400：当系统电流完全转移至避雷器后，系统电流快速下降，当系统电流小于避雷器的最小导通电流时，避雷器恢复高阻抗状态，当系统电流下降为0时，开断完成。
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