CN112531633A - 一种直流断路器的强迫换流回路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流断路器的强迫换流回路及方法，由储能电容、调波电感、触发开关及液态金属限流器串联组成，所述的调波电感两端反向并联续流二极管组件，强迫换流回路并联于主开关两端时，通过在换流回路引入液态金属限流器LMCL的方式，不仅能在对换流时间影响较小的前提下减小主开关电流两次过零点附近di/dt，提高直流断路器大电流工况下的开断性能，且能有效降低断路器的成本和体积。

Description

一种直流断路器的强迫换流回路及方法

技术领域

本发明属于电力系统故障保护技术领域，具体涉及一种直流断路器的强迫换流回路，以及其控制方法。

背景技术

高压直流输电技术由于具有输电稳定、损耗小及无同步问题等优点已逐步应用于大功率远距离输电领域，而直流断路器作为整个输电系统的核心保护设备，致力于提升其大容量开断性能的研究已迫在眉睫。

真空介质以其无污染、可恢复及优越的绝缘性能等优势，逐渐取代SF₆成为新型灭弧介质。目前，国内外开发的真空灭弧室遮断容量有限，在大电流、高di/dt的场合下存在分断失败的风险，严重影响系统的安全运行。

系统发生故障后，故障电流上升率极快，为快速切断故障电流，避免负载设备受到不必要损坏，必须提升强迫换流回路放电频率，这必然导致真空开关电流过零处的di/dt较大，使得真空开关弧后残余等离子体密度增大，阻碍了弧后介质恢复进程。

针对以上不足，最常见解决技术手段之一为增大换流回路储能电容C或调波电感L，这必然影响主开关换流特性，增大故障电流切除时间；技术手段之二为在主回路引入饱和电抗器的方式来改变主开关电流过零点附近di/dt，但无疑大幅增大了断路器的整体成本体积，且饱和电抗器需承担正常通流，使得其长期发热问题难以解决。

发明内容

为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的之一在于提供一种直流断路器的强迫换流回路，以减小主开关两次电流过零点附近的di/dt，提升其分断可靠性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种直流断路器的强迫换流回路，由储能电容、调波电感、触发开关及液态金属限流器串联组成，所述的调波电感两端反向并联续流二极管组件，所述的储能电容采用脉冲电容器组并预先充电至系统电压，所述的续流二极管组件根据换流回路电压、电流等级选择一定数量的二极管串并联构成。

所述的一种直流断路器的强迫换流回路，其触发开关为真空触发开关或者半控型电力电子器件。

本发明的目的之二在于提供上述强迫换流回路并联于主开关两端时的控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种直流断路器的强迫换流回路的控制方法，强迫换流回路并联于主开关两端，系统主电流方向由节点I流向节点O，包括如下步骤：换流回路投入初期，强迫换流回路的换流电流由于没达到液态金属限流器的起弧电流门槛值，液态金属限流器的等效电阻极小，换流回路等效为LC振荡放电，放电频率变大，换流速度变快；当主开关的电流接近过零时，换流电流上升至较大幅值并超过液态金属限流器的起弧电流门槛值后，液态金属限流器迅速建立弧压，等效电阻上升，换流回路过渡为RLC过阻尼放电，放电频率减小，主开关第一次电流过零点附近di/dt减小；当主开关的电流一次过零时未能可靠关断时，换流回路的换流电流上升至峰值后开始减小，续流二极管组件导通，为调波电感提供续流路径，换流回路过渡为RC放电，此时液态金属限流器的等效电阻上升至较大幅值，主开关电流二次过零点附近di/dt再次减小。

本发明的有益效果是：通过在传统LC单频振荡强迫换流方式的条件下，串入液态金属限流器，并在调波电感两端反并续流二极管组件，当换流电流上升至液态金属限流器门槛值后，液态金属限流器迅速建立弧压，降低主开关两次电流过零点附近di/dt，显著提升直流断路器分断性能，同时将断路器整体造价和体积控制在一定范围。

附图说明

图1为本发明的电路图；

图2为本发明的分断原理图；图中i _f为故障电流；i _C为未引入液态金属限流器的换流支路电流；i _CL为引入液态金属限流器的换流支路电流。

各附图标记为：LMCL—液态金属限流器，C—储能电容，D—续流二极管组件，L—调波电感，CS—触发开关，MS—主开关。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

参照图1所示，本发明公开了一种直流断路器的强迫换流回路，由储能电容C、调波电感L、触发开关CS及液态金属限流器LMCL串联组成，所述的调波电感L两端反向并联续流二极管组件D，所述的储能电容C采用脉冲电容器组并预先充电至系统电压，所述的触发开关CS选用真空触发开关或者半控型电力电子器件，所述调波电感L参数依据系统故障电流等级及换流电流脉宽设定，所述的续流二极管组件D根据换流回路电压、电流等级选择一定数量的二极管串并联构成，所述液态金属限流器LMCL可改变结构特征设定不同的起弧电流门槛值。

上述强迫换流回路，并联于主开关MS两端时，系统主电流方向由节点I流向节点O，强迫换流回路，控制方法的步骤如下。

换流回路投入初期，换流电流由于没达到液态金属限流器LMCL起弧电流门槛值，液态金属限流器LMCL等效电阻极小，换流回路等效为LC振荡放电，放电频率较大，换流速度较快。

当主开关MS电流接近过零时，换流电流上升至较大幅值并超过液态金属限流器LMCL起弧电流门槛值后，液态金属限流器LMCL迅速建立弧压，等效电阻上升，换流回路过渡为RLC过阻尼放电，放电频率减小，主开关MS第一次电流过零点附近di/dt减小。

当主开关MS电流一次过零时未能可靠关断，换流回路电流上升至峰值后开始减小，续流二极管组件D导通为调波电感L提供续流路径，换流回路过渡为RC放电，此时液态金属限流器LMCL等效电阻上升至较大幅值，主开关MS电流二次过零点附近di/dt再次减小。

参照图2所示，系统发生故障后，换流回路于t ₀时刻投入，随着换流电流不断升高，于t ₁时刻达到液态金属限流器LMCL起弧电流门槛值，液态金属限流器LMCL自收缩并建立弧压，电弧电阻增大，回路等效为RLC放电，放电频率减小，在t ₃时刻与主开关MS故障电流相等，主开关MS电流第一次过零，对比未引入液态金属限流器LMCL情况下主开关MS在t ₂时刻第一次电流过零处附近di/dt，引入液态金属限流器LMCL能有效改善主开关MS电流第一次过零处di/dt，提升主开关MS开断故障电流的可靠性，且换流时间并未发生明显影响；储能电容C于t ₄时刻极性开始翻转，续流二极管组件D由于正向偏置导通，调波电感L开始续流，换流回路过渡为RC放电过程，时间常数增大，可以明显看出引入液态金属限流器LMCL后主开关MS电流在t ₅时刻二次过零处di/dt远小于未引入液态金属限流器LMCL情况下主开关MS电流在t ₆时刻二次过零处di/dt。

从本发明的换流回路工作原理可以看出，此种人工过零强制换流方案是基于传统LC单频脉冲放电的基础上引入液态金属限流器LMCL，通过液态金属限流器LMCL在一定电流等级条件下的自收缩效应改变换流回路放电阻尼系数，有效减小主开关MS两次电流过零处di/dt，提升主开关MS大容量遮断能力，且换流时间未发生较大变化；与主回路引入饱和电抗器或增大换流回路储能电容C和调波电感L参数等常规技术手段相比，该型换流方案从成本体积和换流特性上都有着明显优势。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的技术人员来说，在不偏离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种直流断路器的强迫换流回路，其特征在于：由储能电容（C）、调波电感（L）、触发开关（CS）及液态金属限流器（LMCL）串联组成，所述的调波电感（L）两端反向并联续流二极管组件（D），所述的储能电容（C）采用脉冲电容器组，所述的续流二极管组件（D）由若干二极管串并联构成。

2.根据权利要求1所述的一种直流断路器的强迫换流回路，其特征在于，所述的触发开关（CS）为真空触发开关或者半控型电力电子器件。

3.一种直流断路器的强迫换流回路的控制方法，基于权利要求1所述的强迫换流回路，所述的强迫换流回路并联于主开关（MS）两端，其特征在于，包括如下步骤：

初始阶段，强迫换流回路的换流电流没达到液态金属限流器（LMCL）的起弧电流门槛值，液态金属限流器（LMCL）的等效电阻小，换流回路等效为LC振荡放电，放电频率变大，换流速度变快；

主开关（MS）的电流接近过零时，换流电流上升并超过液态金属限流器（LMCL）的起弧电流门槛值后，液态金属限流器（LMCL）迅速建立弧压，等效电阻上升，换流回路过渡为RLC过阻尼放电，放电频率减小，主开关（MS）第一次电流过零点附近di/dt减小；

主开关（MS）的电流一次过零未能可靠关断时，换流回路的换流电流上升至峰值后开始减小，续流二极管组件（D）导通，为调波电感（L）提供续流路径，换流回路过渡为RC放电，液态金属限流器（LMCL）的等效电阻上升，主开关（MS）电流二次过零点附近di/dt再次减小。

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