CN112332387A - 一种适用于直流电网的具备重合闸判断能力的电容换流型直流断路器拓扑 - Google Patents

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蒋纯冰
赵成勇
杨勇平
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/26—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured
    • H02H7/268—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured for dc systems

Abstract

本发明涉及一种适用于直流电网的具备重合闸判断能力的电容换流型直流断路器拓扑，属于直流电网故障清除技术领域；该直流断路器拓扑包含主支路、换流支路、引流支路、故障类型判别支路。其中主支路由快速机械开关、二极管、晶闸管、IGBT组成；换流支路由电阻、电容、快速机械开关、二极管、金属氧化物避雷器组成；引流支路由晶闸管、电阻组成；故障类型判别支路由电阻、快速机械开关组成。该直流断路器拓扑中的主支路具备双向开断电流能力；换流支路可分断直流故障线路，换流支路中不含有IGBT，可以大大降低直流断路器成本；故障类型判别支路可以区分瞬时性故障与永久性故障，避免盲目重合闸于永久性故障对系统造成严重危害。

Description

一种适用于直流电网的具备重合闸判断能力的电容换流型直 流断路器拓扑
技术领域
本发明涉及一种适用于直流电网的具备重合闸判断能力的电容换流型直流断路器拓扑，属于多端直流、直流电网领域。
背景技术
柔性直流输电在可再生能源并网、孤岛供电、交流系统互联等方面具备显著优势，现已成为未来智能电网的发展趋势。由于直流电网具有低惯量、弱阻尼特性，在直流线路发生短路故障后，故障电流发展迅速，因此在故障发生后，快速精准切除故障线路是保障直流电网可靠运行的关键。直流断路器在直流线路故障期间可以选择性的切除特定线路，从而无需闭锁全部换流站，因此被广泛应用。目前直流断路器主要分为三类：机械式、全固态式和混合式，其中混合式直流断路器兼具机械开关低通态损耗特性与电力电子器件的快速分断特性，是目前的优选直流断路器类型。但是混合式直流断路器的电力电子转移支路承压需要按照额定直流电压进行设计，同时应考虑一定的工程设计裕度，因此导致需要大量IGBT器件串并联，这使得混合式DCCB建设成本高昂。并且直流断路器无法判定故障类型是瞬时性故障还是永久性故障，若盲目重合闸于永久性故障，不仅不能使系统恢复正常供电，而且对系统将会造成二次冲击，严重危害系统中设备安全性。因此研制出低成本的并且具备重合闸判断能力的直流断路器已经成为迫切需要。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种适用于直流电网的具备重合闸判断能力的电容换流型直流断路器拓扑。
本发明的目的在于克服当前高压直流断路器建设成本高昂和无法判定故障类型的缺点。
本发明所采用的技术方案是：在系统正常运行时，主支路中IGBT处于导通状态，电流流经阻抗较低的主支路；当直流线路发生短路故障时，随着故障被检测并定位，闭锁主支路中的IGBT，此时故障电流将转入换流支路，换流电容Cm开始充电。由于V1和UFD1均不具备自关断能力，闭锁T1为V1和UFD1的分断提供零电流条件。考虑到晶闸管的耐流、耐压、经济性能远优于IGBT，从而降低了在相同电流和电压等级下主支路中需要串并联的IGBT数量，大大提高电容换流型直流断路器的经济性。换流电容Cm两端电压达到避雷器的启动电压时，耗能支路导通。同时导通接地引流晶闸管V2，从而减少避雷器的耗能需求，泄放电阻R2的投入可以缩短能量耗散时间。当故障完全隔离后，再闭合引流开关V2和判别开关UFD4。考虑到在大型直流电网中，较大的故障电流会产生无法忽略的电磁感应现象，使得瞬时性故障时故障判别支路电流很难近似为零，因此应设定电流判别阈值以降低误判风险。当故障类型为瞬时性故障时，由于故障点已经消除，此时仅有卸能电阻支路为换流电容Cm提供放电通路。此时故障类型判别支路电流小于判别阈值。当故障类型为永久性故障时，由于故障点仍然存在，卸能电阻支路和故障类型判别支路均可以为换流电容Cm提供放电通路，此时故障类型判别支路电流大于判别阈值。因此可以根据故障类型判别支路电流是否大于判别阈值，从而判断出故障类型，避免重合闸于永久性故障对系统造成严重危害。与现有技术相比，本发明具有的优势为：
1、经济性好，由于混合式DCCB中电力电子断流支路中的IGBT器件需要按照承受较高障电流和较高的直流电压和来设计，导致电力电子转移支路中需要配置大量IGBT，导致投资成本高昂；而在电容换流型直流断路器方案中，利用电容换流支路取代了传统混合型直流断路器的电力电子转移支路，降低了建造成本。
2、具备故障类型判别能力，该电容换流型断路器可以通过判断故障类型判别支路的电流值，从而判断出故障类型，避免盲目重合闸于永久性故障对系统造成严重危害。
3、减少避雷器耗能，引流支路能够减少避雷器耗能并缩短故障隔离时间，同时为故障电流判别支路提供通流路径。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1示出了一种适用于直流电网的具备重合闸判断能力的电容换流型直流断路器拓扑，包含主支路、换流支路、引流支路和故障类型判别支路；
图2示出了故障检测阶段故障电流通流路径；
图3示出了电容换流阶段故障电流通流路径；
图4示出了耗能阶段故障电流通流路径；
图5示出了故障类型判别阶段故障电流通流路径。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
适用于直流电网的具备重合闸判断能力的电容换流型直流断路器拓扑如图1所示，该直流断路器拓扑包含主支路、换流支路、引流支路和故障类型判别支路。其中主支路由快速机械开关、二极管、晶闸管、IGBT组成；换流支路由电阻、电容、快速机械开关、二极管、金属氧化物避雷器组成；引流支路由晶闸管、电阻组成；故障类型判别支路由电阻、快速机械开关组成。
故障检测阶段故障电流通流路径如图2所示，假设t0时刻线路发生单极接地故障，由于存在故障检测延时，此时故障电流仍流经主支路。
电容换流阶段故障电流通流路径如图3所示，随着故障被检测并定位，在t1时刻，闭锁主支路中的T1，由于t0～t1时间内，换流电容Cm两端电压为零，Cm处于被旁路状态。于t1时刻，故障电流将转入换流支路，Cm开始充电。由于V1和UFD1均不具备自关断能力，闭锁T1为V1和UFD1的分断提供零电流条件。考虑到晶闸管的耐流、耐压、经济性能远优于IGBT，从而降低了在相同电流和电压等级下主支路中需要串并联的IGBT数量，大大提高电容换流型直流断路器的经济性。于t2时刻，可以分断UFD1。
耗能阶段故障电流通流路径如图4所示，t3时刻，换流电容Cm两端电压达到避雷器的启动电压时，耗能支路导通，故障电流在t4时刻衰减至零。同时于t3时刻，导通接地引流晶闸管V2，利用V2减少避雷器耗能，同时泄放电阻R2的投入可以缩短能量耗散时间。
故障类型检测阶段故障电流通流路径如图5所示，t4时刻，故障已被成功隔离，此时闭合T1和V1为后期重合闸做准备。t5时刻，断开断路开关UFD2，同时闭合卸能开关UFD3，换流电容Cm开始放电。t6时刻，闭合引流开关V2和判别开关UFD4。考虑到在大型直流电网中，较大的故障电流会产生无法忽略的电磁感应现象，使得瞬时性故障时故障判别支路电流很难近似为零，因此应设定电流判别阈值以降低误判风险。当故障类型为瞬时性故障时，由于故障点已经消除，此时仅有卸能电阻支路为Cm提供放电通路。此时故障类型判别支路电流小于判别阈值。当故障类型为永久性故障时，由于故障点仍然存在，卸能电阻支路和故障类型判别支路均可以为Cm提供放电通路，此时故障类型判别支路电流大于判别阈值。因此可以根据故障类型判别支路电流是否大于判别阈值，从而判断出故障类型，避免重合闸于永久性故障对系统造成严重危害。
最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

Claims (6)

1.一种适用于直流电网的具备重合闸判断能力的电容换流型直流断路器拓扑，其特征在于：包括主支路、换流支路、引流支路、故障类型判别支路；其中主支路由快速机械开关、二极管、晶闸管、IGBT组成；换流支路由电阻、电容、快速机械开关、二极管、金属氧化物避雷器组成；引流支路由晶闸管、电阻组成；故障类型判别支路由电阻、快速机械开关组成。
2.根据权利要求1所述的一种适用于直流电网的具备重合闸判断能力的电容换流型直流断路器拓扑，其特征在于：主支路由超快速机械开关UFD1、IGBT和相应的续流二极管组成的负载换向开关和反并联晶闸管V1构成。
3.根据权利要求1所述的一种适用于直流电网的具备重合闸判断能力的电容换流型直流断路器拓扑，其特征在于：换流支路由金属氧化物避雷器、换流电容Cm、断路开关UFD2、卸能开关UFD3、卸能电阻R1构成。当Cm两端电压高于直流电压时，Cm停止充电，当避雷器达到启动电压时，实现故障电流软关断。
4.根据权利要求1所述的一种适用于直流电网的具备重合闸判断能力的电容换流型直流断路器拓扑，其特征在于：引流支路由引流晶闸管V2和泄放电阻R2构成。当避雷器达到启动电压时，引流晶闸管阀组动作，将平波电抗旁路，可以降低避雷器耗能需求，并且泄放电阻R2的投入可以加快故障侧的能量耗散速度。
5.根据权利要求1所述的一种适用于直流电网的具备重合闸判断能力的电容换流型直流断路器拓扑，其特征在于：故障类型判别支路由判别电阻R3和判别开关UFD4构成，可以通过故障类型判别支路电流的大小来区分瞬时性故障与永久性故障。
6.根据权利要求1所述的一种适用于直流电网的具备重合闸判断能力的电容换流型直流断路器拓扑，其特征在于：在线路故障清除之后，闭合引流开关V2和判别开关UFD4。考虑到在大型直流电网中，较大的故障电流会产生无法忽略的电磁感应现象，使得瞬时性故障时故障判别支路电流很难近似为零，因此应设定电流判别阈值以降低误判风险。当故障类型为瞬时性故障时，由于故障点已经消除，此时仅有卸能电阻支路为换流器电容Cm提供放电通路。此时故障类型判别支路电流小于判别阈值。当故障类型为永久性故障时，由于故障点仍然存在，卸能电阻支路和故障类型判别支路均可以为换流电容Cm提供放电通路，此时故障类型判别支路电流大于判别阈值。因此可以根据故障类型判别支路电流是否大于判别阈值，从而判断出故障类型，避免重合闸于永久性故障对系统造成严重危害。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112968420A (zh) * 2021-02-18 2021-06-15 天津大学 一种晶闸管型混合式直流断路器及其控制方法
CN113824083A (zh) * 2021-07-09 2021-12-21 天津大学 一种具备自适应重合闸的混合式直流断路器

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