CN112086943B - 一种主动式故障限流电路及全固态直流断路器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种主动式故障限流电路及全固态直流断路器，涉及半导体器件领域，主动式故障限流电路正常运行时，全固态直流断路器的限流电感被低导通损耗的RB‑IGCT旁路；线路电流大于限流阈值时，限流电感投入线路抑制故障电流，线路电流继续增长至大于继电保护电流整定值时，断路器分闸；断路器合闸阶段先投入限流电感，待电流达到稳态时旁路限流电感；若发生下一段故障且下一段断路器已动作，本段断路器的限流电感退出运行。本发明可以降低断路器的通态损耗，减小在高效率全固态直流断路器中串联电抗器损耗对断路器效率的影响，通过时序控制可以提高主动式故障限流电路在继电保护系统中的适用性。

Description

一种主动式故障限流电路及全固态直流断路器

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，具体的是一种主动式故障限流电路及全固态直流断路器。

背景技术

相比于传统交流配电网，直流配电网不存在频率和相位同步等问题，使得分布式电源接入更加简单，技术上有利于解决新能源消纳问题，且具有稳定性高、控制灵活、电能质量高等特点，成为未来能源互联网电力配用的重要发展方向。直流断路器承载稳态电流，隔离故障，是保障直流配电网安全可靠运行的关键设备。全固态直流断路器是指不含机械动作元件的直流断路器，和机械式直流断路器相比具有故障响应快、关断迅速、无弧光的优点。随着近年来功率半导体器件的更新换代，利用新型IGCT、SiC-MOSFET/JFET等器件作为断路器主关断器件，可使断路器通态损耗较使用IGBT的断路器进一步减小，关断速度进一步提高。但是和机械式开关相比，功率半导体器件的最大承受电流有限，尤其在断路器近端线路发生严重故障(如极间短路)时，需在主电路中设计故障限流电路从而保护主关断器件。传统限流电路由串联电抗器和RD吸收回路构成，但缺点是通态损耗较大，甚至能够抵消采用新型功率半导体器件带来的减损效果。另一方面，限流电路的存在虽然可以保护主关断器件，但是影响断路器动作的灵敏度，因此需要在限流电路和继电保护动作的电流整定值之间引入权衡机制。

发明内容

为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种主动式故障限流电路及全固态直流断路器，本发明解决传统故障限流电路会增加全固态直流断路器的通态损耗、进而削弱新型功率半导体器件减损的优势，同时，解决了限流电路的引入与继电保护的灵敏度之间的矛盾。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种主动式故障限流电路，包括：

主关断器件S₁和S₂，针对不同类型的IGCT元件应采取不同的串并联方式；

与主关断器件并联的缓冲电路MOV₁与吸收电路MOV₂，采用两组电路兼顾电压尖峰抑制效果和能量吸收能力；

还包括限流电感L_limit，一对反并联的反向阻断型集成门级换流晶闸管(RB-IGCT)S₃与S₄，小电感值电感L_h，一对反并联全控型器件S₅、S₆，双向触发二极管DIAC以及耗能电阻R_d；

在功率按照一个方向传输时，S₃触发导通并承担工作电流，限流电感被旁路；

断路器分闸操作：检测到线路电流大于正常工作阈值时，S₅首先导通，S₃紧接关断，限流电感投入主电路，故障电流由S₃的小电感支路转移至S₅的大电感支路，当检测到故障电流进一步增加至主关断器件的动作阈值时，S₁关断，这一过程中限流电感产生一瞬时高电压，该电压使DIAC导通，从而使限流电感残流通过RLD回路释放；

断路器合闸操作：限流电感首先投入主电路，S₃关断，S₅导通，S₁随后导通，待主电路电流渐升至稳态后，导通S₃，关断S₅，限流电感残流通过RLD回路释放；

当功率按另一方向传输时，参与限流的半导体器件包括S₄、S₆和DIAC。

进一步地，还包括与缓冲电路MOV₁串联的第一杂散电感L₁′以及与吸收电路MOV₂串联的第二杂散电感L₂′。

进一步地，所述反并联可主动关断器件S₅、S₆为IGCT或IGBT。

一种主动式故障限流电路的计及继电保护的时序控制方法，包括如下步骤：

1)判断正常工作电流I_N的流向，决定双向结构中哪一套开关元件需要动作,在检测到线路电流大于限流阈值i_lim时，即触发RB-IGCT关断，该动作阈值小于系统继电保护设置的电流速断保护的动作阈值i_b；当故障电流达到i_b时，断路器主关断元件动作，经(t₅-t₃)的时长，故障电流完成关断；

2)i_bmax为断路器最大电流关断能力，对应t₄为最晚动作时间，配电网线路上的继电保护存在分段配合，为提高可靠性需要延长二段保护或过电流三段保护断路器动作时间的整定值，但无论在何种情况下，应保证动作电流整定值小于i_bmax，且在下一段保护动作后，S₃或S₄触发导通，S₅、S₆关断，旁路限流电感。

一种全固态直流断路器，包括所述的一种主动式故障限流电路。

本发明的有益效果：

本发明在全控器件构成的全固态直流断路器基础上，提供了主动式限流电流和计及继电保护的时序控制策略，不仅解决了传统限流电路通态损耗较大的问题，而且考虑引入限流电路可能对继电保护动作灵敏度产生的影响，提供了一种限流电路投入和继电保护动作之间的时序方案，对除电流速断保护外的其他电流保护的时间整定值也提供了理论指导。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是采用主动式故障限流电路的全固态直流断路器双向结构示意图；

图2是本发明断路器计及继电保护的时序控制方法示意图；

图3是本发明分闸过程线路电流；

图4是本发明分闸过程线路负载电压；

图5是本发明分闸过程限流电感电流；

图6是本发明分闸过程限流电感电压；

图7是本发明分闸过程S₃电流；

图8是本发明分闸过程S₃电压；

图9是本发明分闸过程S₅电流；

图10是本发明分闸过程S₅电压；

图11是本发明分闸过程线路电流；

图12是本发明分闸过程线路负载电压；

图13是本发明分闸过程限流电感释放电流；

图14是本发明合闸过程限流电感电流；

图15是本发明合闸过程限流电感电压；

图16是本发明合闸过程S₃电流；

图17是本发明合闸过程S₃电压；

图18是本发明合闸过程S₅电流；

图19是本发明合闸过程S₅电压；

图20是本发明合闸过程限流电感释放电流。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

1)一种主动式故障限流电路

提供一种配置主动式故障限流电路的全固态直流断路器拓扑，如图1所示。全固态直流断路器为双向设计，可以关断双向流动的直流电流，此处暂规定功率从左向右传输为电流的正方向，从右向左为反方向。

S₁、S₂为主关断器件，可由IGCT、SiC-JFET/MOSFET等具备大电流关断能力、低损耗等性能的器件构成，但针对不同类型的IGCT元件应采取不同的串并联方式，例如反向阻断型集成门极换流晶闸管(RB-IGCT)应直接反并联使用。

与主关断器件并联的是吸收/缓冲电路，采用两组吸收/缓冲电路兼顾电压尖峰抑制效果和能量吸收能力。采用低阻值、小容量的金属氧化物变阻器支路MOV₁缓冲尖峰电压，采用高阻值、大容量的金属氧化物变阻器支路MOV₂吸收短路能量，为对应的杂散电感。

在传统RLD限流电路的基础上，提出主动式故障限流电路。L_limit为限流电感，S₃、S₄为一对反并联的RB-IGCT，S₅、S₆为一对反并联可主动关断器件(如IGCT、IGBT等)，DIAC为双向触发二极管，当外加电压(不分正负)的幅值大于DIAC的转折电压时会击穿导通，R_d为耗能电阻。

1°以功率正方向传输的工况为例说明工作原理。

正常运行时S₃触发导通并承担工作电流，限流电感被旁路。

断路器分闸操作：检测到线路电流大于正常工作阈值时，S₅首先导通，S₃紧接关断，限流电感投入主电路，当检测到故障电流达到S₁动作阈值时，S₁关断。

结合400V/20A全固态直流断路器的典型仿真说明分闸操作的具体实施方式。仿真模型完全按照本发明提出的要求设计。仿真模拟断路器出口近端发生金属性接地的工况，故障发生在t＝0.2s的时刻。图3、4为线路电流、线路负载电压曲线，由图所示故障电流达到限流阈值之后被转移到限流支路，转移至限流支路上的故障电流增速明显变缓，给主关断器件创造反应条件；由于金属性接地，负载电压迅速降至零。图5、图6为限流电感的电流、电压曲线，由图所示限流电感电流首先承担故障电流，当主关断器件关断之后DIAC发生击穿，限流电感通过RLD回路放电。图7-10为S₃、S₅的电流、电压曲线，值得关注的是通过L_limit、L_h参数和开关器件动作时间的配合，S₃、S₅上产生的尖峰电压均在可接受的范围内。

断路器合闸操作：限流电感首先投入主电路，S₃关断，S₅导通，S₁随后导通，待主电路电流渐升至稳态后，导通S₃，关断S₅，限流电感产生一瞬时高电压，该电压使DIAC正向导通，从而使限流电感的残流通过RLD回路释放。

结合400V/20A全固态直流断路器的典型仿真说明合闸操作的具体实施方式。仿真模型完全按照本发明提出的要求设计。在t＝0.1s的时刻，S₅导通，限流电感投入主电路；t＝0.11s时，主关断器件S₁导通，线路通流；t＝0.13s时，S₃导通，线路电流逐渐向S₃支路转移；t＝0.18s时，S₅关断，限流电感残流经释放电路释放。从图12、13可见限流电感有效减缓了合闸电流的上升速度，但限流电感的存在使负荷电压明显地低于供电电压，线路发生可观的有功损耗；从图14可见限流电感电流有两个阶段的衰减过程，其一是通过自身电阻产生的压降衰减，其二是在击穿DIAC后通过RLD释放回路衰减(亦可见图20)，电流在第二阶段衰减得更快；图16-19为S₃、S₅的电流、电压曲线，可见S₃、S₅在断路器合闸过程中未曾承受不能接受的尖峰电压。

2°以功率反方向传输的工况为例说明工作原理。

正常运行时S₄触发导通并承担工作电流，限流电感被旁路。

断路器分闸操作：检测到线路电流大于正常工作阈值时，S₆首先导通，S₄紧接关断，限流电感投入主电路，当检测到故障电流达到S₂动作阈值时，S₂关断。

断路器合闸操作：限流电感首先投入主电路，S₄关断，S₆导通，随后S₂导通，待主电路电流渐升至稳态后，导通S₄，关断S₆，限流电感产生一瞬时高电压，该电压使DIAC反向导通，从而使限流电感的残流通过RLD回路释放。

由于RB-IGCT优异的大电流低损耗性能，使用这一改进拓扑可以显著降低断路器通态损耗，提升工作效率。

RB-IGCT和串联电抗器的通态损耗可由以下简单计算进行比较：

1°串联电抗器：由中华人民共和国机械行业标准JB/T 5346-1998《串联电抗器》5.4.1条指出，电抗器在工频额定电流下的损耗值按照计算，温度75℃。以10kV以下单相油浸式铁心电抗器为例，，工作在1kV/1kA的直流系统中时，,通态损耗为7.113kW，考虑到没有集肤效应，直流损耗较交流损耗稍稍减小，但不影响量级。

2°采用ABB公司0.9mm、2.5kV RB-IGCT器件，在温度400K(127℃)条件下，工作在1kV/1kA的直流系统中时，通态压降为0.9V，损耗0.9kW。

由此可见，采用RB-IGCT器件构成的主动限流支路可以显著降低断路器通态损耗，提升效率。

2)计及继电保护的时序控制策略

直流断路器通过上级继电保护系统和本地断路器控制构成两级动作体系。一般情况下，断路器通过线路电流监测单元实时监控线路电流变化情况，并将电流数据传输至上级系统，由上位机对数据分析处理后再将指令传回断路器，断路器根据系统指令执行导通或关断操作；当直流侧发生严重故障时，电流幅值或电流上升率过大，为了确保系统和设备安全，需要设定相应的阈值，由断路器直接动作隔离故障。

以图1所示全控型全固态直流断路器的拓扑为例，设计一种全控型全固态直流断路器计及继电保护的时序控制策略，时序控制原理如图2所示。

首先判断正常工作电流I_N的流向，决定双向结构中哪一套开关元件需要动作。

主动式故障限流电路上的RB-IGCT在检测到线路电流大于限流阈值i_lim时，即触发关断操作，该动作阈值小于直流系统继电保护设置的电流速断保护的动作阈值i_b，原因是限流电路是用来保护断路器主关断器件的，应保证其不被近端故障损坏。

当故障电流达到i_b时，断路器主关断元件动作，经(t₅-t₃)的时长，故障电流完成关断。i_bmax为断路器最大电流关断能力，对应t₄为最晚动作时间。

若配电网线路上的继电保护存在分段配合，为提高可靠性需要延长二段保护或过电流三段保护断路器动作时间的整定值，但无论在何种情况下，应保证动作电流整定值小于i_bmax。

若本段发生故障，本段保护动作后，进行自动重合闸操作或故障排除后进行重合闸操作时，在主关断器件闭合前后应保证限流电感串入主回路，使线路电流平缓上升，待电流达到稳态后限流支路RB-IGCT闭合，限流电感被短路，电感残流经RLD回路消耗。若发生非本段故障，在下一段保护动作后，S₃或S₄触发导通，S₅、S₆关断，旁路限流电感，本段恢复正常低损耗运行。

表1计及继电保护的时序控制策略中的关键参数

t<sub>2</sub>	故障限流电路投入时刻
		t<sub>3</sub>	断路器动作时刻
i<sub>lim</sub>	故障限流电路投入的电流阈值
		i<sub>b</sub>	断路器动作电流整定值
i<sub>bmax</sub>	断路器最大电流关断能力

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (5)

1.一种主动式故障限流电路，其特征在于，包括：

主关断器件S₁和S₂，反向阻断型集成门极换流晶闸管直接反并联使用；

与主关断器件并联的缓冲电路MOV₁与吸收电路MOV₂，采用两组电路兼顾电压尖峰抑制效果和能量吸收能力；

还包括限流电感L_limit，一对反并联的反向阻断型集成门级换流晶闸管S₃与S₄，小电感值电感L_h，一对反并联全控型器件S₅、S₆，双向触发二极管DIAC以及耗能电阻R_d；

在功率按照一个方向传输时，S₃触发导通并承担工作电流，限流电感被旁路；

断路器分闸操作：检测到线路电流大于正常工作阈值时，S₅首先导通，S₃紧接关断，限流电感投入主电路，故障电流由S₃的小电感支路转移至S₅的大电感支路，当检测到故障电流进一步增加至主关断器件的动作阈值时，S₁关断，这一过程中限流电感产生一瞬时高电压，该电压使DIAC导通，从而使限流电感残流通过RLD回路释放；

断路器合闸操作：限流电感首先投入主电路，S₃关断，S₅导通，S₁随后导通，待主电路电流渐升至稳态后，导通S₃，关断S₅，限流电感残流通过RLD回路释放；

当功率按另一方向传输时，S₄触发导通并承担工作电流，限流电感被旁路；

断路器分闸操作：检测到线路电流大于正常工作阈值时，S₆首先导通，S₄紧接关断，限流电感投入主电路，当检测到故障电流达到S₂动作阈值时，S₂关断；

断路器合闸操作：限流电感首先投入主电路，S₄关断，S₆导通，随后S₂导通，待主电路电流渐升至稳态后，导通S₄，关断S₆，限流电感产生一瞬时高电压，该电压使DIAC反向导通，从而使限流电感的残流通过RLD回路释放；

所述RLD回路，即由耗能电阻R_d 、限流电感L_limit 和双向触发二极管DIAC并联构成回路。

2.根据权利要求1所述的一种主动式故障限流电路，其特征在于，还包括与缓冲电路MOV₁串联的第一杂散电感片L₁'以及与吸收电路MOV₂串联的第二杂散电感L₂'。

3.根据权利要求1所述的一种主动式故障限流电路，其特征在于，所述反并联全控型器件S₅、S₆为IGCT或lGBT。

4.根据权利要求1所述的一种主动式故障限流电路，其特征在于，继电保护的时序控制方法包括如下步骤：

1)判断正常工作电流I_N的流向，决定双向结构中开关元件需要动作的半导体器件，在检测到线路电流大于限流阈值i_lim时，即触发反向阻断型集成门级换流晶闸管关断，该动作阈值小于系统继电保护设置的电流速断保护的动作阈值i_b；当故障电流达到i_b时，主关断器件动作，经(t₅-t₃)的时长，故障电流完成关断；

2)i_bmax为断路器最大电流关断能力，对应t₄为最晚动作时间，配电网线路上的继电保护存在分段配合，延长二段保护或过电流三段保护断路器动作时间的整定值，保证动作电流整定值小于i_bmax，且在下一段保护动作后，S₃或S₄触发导通，S₅、S₆关断，旁路限流电感。

5.一种全固态直流断路器，其特征在于，包括如权利要求1-3任一项所述的一种主动式故障限流电路。

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