CN112086939B - 一种机械开关并联的自然换流型直流断路器及控制方法 - Google Patents

一种机械开关并联的自然换流型直流断路器及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机械开关并联的自然换流型直流断路器及控制方法，所述机械开关并联的自然换流型直流断路器包括主通流支路、转移支路和能量吸收支路，其中，所述主通流支路包括真空快速机械开关。所述自然换流型直流断路器具有损耗低、换流自然可靠、体积紧凑、成本低等特点。

Description

一种机械开关并联的自然换流型直流断路器及控制方法
技术领域
本发明属于电力电子领域，特别涉及一种机械开关并联的自然换流型直流断路器及控制方法。
背景技术
柔性直流电网因其系统主接线结构、运行方式更加复杂多样，进而导致直流系统故障方式多、故障发展快、影响范围广。因此，迫切需要柔性直流电网的故障隔离技术，以保障柔性直流电网的安全可靠运行。直流断路器是直流输配电系统中实现直流故障隔离最为理想的选择。根据拓扑结构的不同，直流断路器主要分为固态式直流断路器、机械式直流断路器和混合式直流断路器。由于兼具固态式直流断路器的快速开断特性和机械式直流断路器的低损耗特性，混合式直流断路器成为高压直流断路器的主要发展方向之一。
国内外学者围绕混合式直流断路器的新型拓扑结构、高可靠换流方式、运行控制策略、型式试验方法等方面开展了广泛研究，并在柔性直流电网示范工程中进行了初步应用。但是，目前混合式直流断路器仍存在体积大、成本高等问题。因此，如何提供一种具有损耗低、换流可靠、体积紧凑、成本低等特点的机械开关并联的自然换流型直流断路器越来越成为亟待解决的技术问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种机械开关并联的自然换流型直流断路器及控制方法，具有损耗低、换流自然可靠、体积紧凑、成本低等特点。
本发明的目的在于提供一种机械开关并联的自然换流型直流断路器，所述机械开关并联的自然换流型直流断路器包括主通流支路、转移支路和能量吸收支路，其中，
所述主通流支路包括真空快速机械开关。
进一步地，所述转移支路由气体快速机械开关和固态开关并联组成，其中，
所述气体快速机械开关为SF6快速机械开关；
所述固态开关包括一个或多个双向固态开关模块。
进一步地，所述双向固态开关模块为二极管组成的二极管桥模块、电力电子器件组成的反并联模块或电力电子器件组成的全桥模块中的任意一种。
进一步地，所述电力电子器件为IGBT、IGCT、IEGT中的任意一种。
进一步地，所述能量吸收支路包括避雷器。
本发明的另一目的在于提供一种机械开关并联的自然换流型直流断路器控制方法，直流系统故障时包括，
控制主通流支路的真空快速机械开关分闸，控制转移支路的气体快速机械开关保持合闸；
当所述主通流支路的故障电流完全转移至转移支路，控制所述转移支路的气体快速机械开关分闸。
进一步地，控制主通流支路的真空快速机械开关分闸时，所述真空快速机械开关的弧压大于气体快速机械开关的导通压降。
进一步地，还包括，
当气体快速机械开关触头开距达到一定距离时，控制固态开关的一个或多个双向固态开关模块均导通，强迫故障电流由气体快速机械开关转移至一个或多个固态开关模块；
控制气体快速机械开关继续做分闸运动；
当气体快速机械开关的触头间隙能够承受瞬态恢复电压后，控制固态开关中的一个或多个双向固态开关模块均关断，故障电流从固态开关转移至能量吸收支路；
所述能量吸收支路控制故障电流下降为零。
进一步地，所述气体快速机械开关的弧压大于固态开关的导通压降。
本发明的机械开关并联的自然换流型直流断路器基于真空快速机械开关与气体快速机械开关并联，利用真空快速机械开关的弧压大于气体快速机械开关的导通压降，使得电流由主通流支路能够自然地转移至转移支路，相比于强迫换流型混合式直流断路器方案，所述机械开关并联的自然换流型直流断路器减少了强迫换流组件，进而可减少直流断路器的体积和制造成本。
此外，所述主通流支路采用真空快速机械开关串联，在真空快速机械开关导通时，其触头间接触电阻小，发热小，无需特殊散热设备。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例中的一种机械开关并联的自然换流型直流断路器结构示意图；
图2示出了本发明实施例中自然换流型直流断路器所连接直流系统的系统电流、主通流支路电流、转移支路电流、能量吸收支路电流以及端口电压的变化示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例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。
如图1所示，本发明实施例中介绍了一种机械开关并联的自然换流型直流断路器，所述机械开关并联的自然换流型直流断路器包括主通流支路、转移支路和能量吸收支路，其中，所述主通流支路包括真空快速机械开关。所述主通流支路为真空快速机械开关串联，在真空快速机械开关导通时，其触头间接触电阻小，发热小，无需特殊散热设备。
本实施例中，所述转移支路由气体快速机械开关和固态开关并联组成，其中，所述固态开关包括一个或多个双向固态开关模块。利用真空快速机械开关的弧压大于气体快速机械开关的导通压降，并利用气体快速机械开关的弧压大于固态开关的导通压降，能够实现故障电流从主通流支路到转移支路以及在转移支路中可靠的自然换流。
本实施例中，所述气体快速机械开关为SF6快速机械开关，但不限于此，其他类型的气体快速机械开关也适用于本发明。
示例性的，所述机械开关并联的自然换流型直流断路器为基于真空快速机械开关与气体快速机械开关并联的自然换流型直流断路器，则当自然换流型直流断路器连接的直流系统发生故障后，所述自然换流型直流断路器的工作原理为：首先分闸真空快速机械开关，SF6快速机械开关保持合闸；此时，由于真空快速机械开关的弧压大于气体快速机械开关的导通压降，因此，电流由主通流支路自然换流至SF6快速机械开关；待电流完全转移至SF6快速机械开关时，分闸SF6快速机械开关支路；同时导通转移支路中的一个或多个双向固态开关模块，强迫故障电流从SF6快速机械开关转移至固态开关。当SF6快速机械开关电流过零后，触头熄弧，随后，SF6快速机械开关触头继续做分闸运动，待SF6快速机械开关的触头间隙能够承受瞬态恢复电压后，关断转移支路中的一个或多个双向固态开关模块，故障电流转移至能量吸收支路。直流断路器的端口电压被能量吸收支路所限制，同时使得故障电流逐渐下降至零。相比于现有的强迫换流型混合式直流断路器方案(ABB、联研院辅助开关强迫换流型混合式直流断路器、耦合负压强迫换流型混合式直流断路器)，自然换流型直流断路器减少了强迫换流组件，进而可减少直流断路器的体积和制造成本。
进一步，如图2所示，在当自然换流型直流断路器连接的直流系统发生故障后，所述自然换流型直流断路器所连接直流系统的系统电流、主通流支路电流、转移支路电流、能量吸收支路电流以及断口电压的变化图。其中，故障发生后，所述系统电流和主通流支路电流均异常升高，然后在所述真空快速机械开关分闸后，所述主通流支路电流开始转移至所述转移支路，所述转移支路中的电流增加，系统电流在故障影响下继续升高，当关断转移支路中一个或多个双向固态开关模块，故障电流转移至能量吸收支路，所以能量吸收支路电流逐渐增加，所述能量吸收支路限制了直流断路的端口电压，所述故障电流逐渐下降为0，进一步，图2中Ip为最大的故障电流，Up是一个或多个固态开关模块关断时对应的过电压，Uc为避雷器残压。
本实施例中，所述双向固态开关模块为二极管桥模块、电力电子器件组成的反并联模块或电力电子器件组成的全桥模块中的任意一种。示例性的，所述二极管桥模块为两个二极管组成正向电路和两个二极管组成的反向电路共用电力电子器件及反并联二极管；所述电力电子器件组成的反并联模块为两个电力电子开关/二极管反并联电路反向串联；所述电力电子器件组成的全桥模块包括四个电力电子开关/二极管反并联电路和电容，所述四个电力电子开关/二极管反并联电路两两串联后与所述电容并联。一个或多个双向固态开关模块组成的固态开关能够短时承载并开断直流系统故障电流，以及还能够建立瞬态恢复电压。
本实施例中，所述电力电子器件为IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)、IGCT(integrated Gate Commutated Thyristors，集成门极换流晶闸管)、IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor，栅极注入增强晶体管)中的任意一种。
所述能量吸收支路包括避雷器，所述避雷器为金属氧化物压敏电阻(Metal OxideVaristors，MOV)。
本发明实施例中还介绍了一种上述所述的机械开关并联的自然换流型直流断路器的控制方法，
所述方法包括直流系统故障时，控制主通流支路的真空快速机械开关分闸，控制转移支路的气体快速机械开关保持合闸；当所述主通流支路的故障电流完全转移至气体快速机械开关，控制所述转移支路的气体快速机械开关分闸。控制主通流支路的真空快速机械开关分闸时，所述真空快速机械开关的弧压大于气体快速机械开关的导通压降。从而能够令故障电流由主通流支路自然地转移至转移支路。
然后，当气体快速机械开关触头分闸的同时，控制固态开关中的一个或多个双向固态开关模块均导通，强迫故障电流由气体快速机械开关转移至固态开关；控制气体快速机械开关继续做分闸运动；所述气体快速机械开关的弧压大于固态开关的导通压降。当气体快速机械开关的触头间隙能够承受瞬态恢复电压后，控制固态开关中的一个或多个双向固态开关模块均关断，故障电流从固态开关转移至能量吸收支路；所述能量吸收支路控制故障电流下降为零。
本实施例中，气体快速机械开关触头开距达到一定距离时，则气体快速机械开关已达到有效开距。其中，当断路器额定电压为10kV(千伏)时，所述一定距离为2-3mm(毫米)。
本实施例中，所述机械开关并联的自然换流型直流断路器可利用转移支路中固态开关实现快速重合闸。其中，在进行重合闸时，首先控制所述固态开关的一个或多个双向固态开关模块导通；然后控制所述真空气体快速机械开关闭合；最后控制所述一个或多个双向固态开关模块断开。在重合闸的过程中，所述转移支路中的一个或多个双向固态开关模块首先导通，从而提升合闸速度，使得重合闸时间不超过1ms(毫秒)。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种机械开关并联的自然换流型直流断路器，其特征在于，所述机械开关并联的自然换流型直流断路器包括主通流支路、转移支路和能量吸收支路，其中，
所述主通流支路包括真空快速机械开关；
所述转移支路由气体快速机械开关和固态开关并联组成，所述真空快速机械开关与所述气体快速机械开关并联；其中，所述气体快速机械开关为SF6快速机械开关；所述固态开关包括一个或多个双向固态开关模块；
当自然换流型直流断路器连接的直流系统发生故障后，首先分闸真空快速机械开关，SF6快速机械开关保持合闸；待电流完全转移至SF6快速机械开关时，分闸SF6快速机械开关支路。
2.根据权利要求1所述的机械开关并联的自然换流型直流断路器，其特征在于，所述双向固态开关模块为二极管组成的二极管桥模块、电力电子器件组成的反并联模块或电力电子器件组成的全桥模块中的任意一种。
3.根据权利要求2所述的机械开关并联的自然换流型直流断路器，其特征在于，所述电力电子器件为IGBT、IGCT、IEGT中的任意一种。
4.根据权利要求1或3所述的机械开关并联的自然换流型直流断路器，其特征在于，所述能量吸收支路包括避雷器。
5.一种机械开关并联的自然换流型直流断路器控制方法，其特征在于，直流系统故障时包括，
控制主通流支路的真空快速机械开关分闸，控制转移支路的气体快速机械开关保持合闸，其中，所述转移支路由气体快速机械开关和固态开关并联组成，所述真空快速机械开关与所述气体快速机械开关并联；其中，所述气体快速机械开关为SF6快速机械开关；所述固态开关包括一个或多个双向固态开关模块；
当所述主通流支路的故障电流完全转移至转移支路，控制所述转移支路的气体快速机械开关分闸。
6.根据权利要求5所述的机械开关并联的自然换流型直流断路器控制方法，其特征在于，控制主通流支路的真空快速机械开关分闸时，所述真空快速机械开关的弧压大于气体快速机械开关的导通压降。
7.根据权利要求6所述的机械开关并联的自然换流型直流断路器控制方法，其特征在于，还包括，
当气体快速机械开关触头开距达到一定距离时，控制固态开关的一个或多个双向固态开关模块均导通，强迫故障电流由气体快速机械开关转移至一个或多个固态开关模块；
控制气体快速机械开关继续做分闸运动；
当气体快速机械开关的触头间隙能够承受瞬态恢复电压后，控制固态开关中的一个或多个双向固态开关模块均关断，故障电流从固态开关转移至能量吸收支路；
所述能量吸收支路控制故障电流下降为零。
8.根据权利要求7所述的机械开关并联的自然换流型直流断路器控制方法，其特征在于，所述气体快速机械开关的弧压大于固态开关的导通压降。
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