CN112821354B - 直流变压器固态开关电路、风冷固态开关模块及故障保护系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用于直流变压器的固态开关电路、风冷固态开关模块及故障保护系统，固态开关电路包括串联在直流正极母线上的IGBT开关单元，并联在直流正极母线与直流负极母线之间的第一续流二极管、放电电阻和直流电容，以及控制器；控制器根据接收到的外部指令信号或线路运行状态信号控制IGBT开关单元的通断状态，能够在固态开关所在线路发生故障时控制IGBT开关单元断开线路。在固态开关停运后，续流二极管可对短路电流进行续流，放电电阻对直流电容进行放电，直流电容可提供直流电压支撑。固态开关具有稳态运行和故障限流运行时工作稳定的特点。风冷固态开关模块可便于应用时的扩展，保障直流变压器低压侧短路时用户的供电可靠性。

Description

直流变压器固态开关电路、风冷固态开关模块及故障保护系 统和方法

技术领域

本发明涉及配电设备技术领域，特别是一种基于IGBT并联拓扑的直流变压器风冷固态开关电路、模块及故障保护系统和方法。

背景技术

目前，直流变压器低压限流柜中的固态开关按冷却方式可分为风冷和水冷两种。虽然水冷固态开关具有散热能力强、通流能力强和噪音低等特点，但是水冷固态开关只适合直流变压器在功率模块为水冷方式时，共用水机进行散热的场景。在直流变压器容量教小即2M以下时，考虑风机比水机成本低和维修方便等优点，国内直流变压器厂家功率模块多数设计为风冷方式。现今，模块化结构设计是目前电力电子产品的普遍采用的型式，同时电力电子产品要求具有功率密度高、占地面积小和维修方便等特点，因此如何设计体积小、维护方便和模块化的风冷固态开关是目前需要攻克的难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于直流变压器的固态开关电路、风冷固态开关模块及故障保护系统和方法，其中固态开关电路具有稳态运行和故障限流运行时工作稳定的特点，风冷固态开关模块的模块化设计便于应用于直流变压器故障保护时的扩展。本发明采用的技术方案如下。

一方面，本发明提供一种适用于直流变压器的固态开关电路，包括控制器、直流正极母线、直流负极母线、IGBT开关单元、第一续流二极管、放电电阻和直流电容；直流正极母线包括阀侧正极母线和低压线路侧正极母线；IGBT开关单元串联在阀侧正极母线与低压线路侧正极母线之间，放电电阻和直流电容并联在阀侧正极母线与直流负极母线之间，第一续流二极管并联在低压线路侧正极母线与直流负极母线之间；

所述控制器用于接收控制参考信号，根据接收到的控制参考信号控制IGBT开关单元的通断状态，其中所述控制参考信号包括外部指令信号和/或线路运行状态信号。

由于IGBT开关单元串联于直流母线上，因此其通断决定了直流母线的线路通断状态，即，上述固态开关电路能够实现直流变压器中直流母线的通断控制。

上述控制器的外部通信端接受的线路运行状态信号可以是，开关所在线路的电流等线路参数信号。控制器可根据接收到的外部指令信号直接控制固态开关的通断状态，或者根据线路参数信号判断是否需要控制固态开关的停运。如，在应用时，固态开关所在线路发生故障如直流变压器低压侧母线短路，控制器可通过外部通信端接收该短路电流信号，并根据该信号控制IGBT开关单元断开线路。

在固态开关停运后，第一续流二极管可对短路电流进行续流，放电电阻对直流电容进行放电，直流电容则用于提供固态开关的直流电压支撑。

可选的，直流变压器固态开关电路还包括：并联在直流正极母线与直流负极母线之间的取能电源，取能电源的电源输出端连接控制器的电源输入端，和/或，串接于低压线路侧正极母线上的电抗器。由于取能电源与直流电容同样并联于直流正负极母线之间，因此，取能电源可通过直流电容的正负极进行取能，进而为控制器工作供电电源。电抗器与续流二极管相配合，能够在IGBT开断时提供反向压降，降低短路电流。

可选的，所述控制器接收外部指令信号和线路运行状态信号，所述线路运行状态信号包括母线电流信号；

固态开关电路还包括用于采集所述母线电流信号的母线电流传感器，所述母线电流传感器的输出端连接控制器。

上述方案中，固态开关本体设置母线电流传感器，用于外部指令之外的开断控制逻辑的判断依据。可实现：若低压侧进线发生短路，外部指令未能及时到达控制器使得固态开关停运，此时母线电流传感器能够检测到短路电流，控制器可在接收到的短路电流超过设定值或设定标幺值时，自发控制固态开关停运。

进一步的，控制器包括光纤通信端口，控制器根据接收到的所述母线电流信号判断是否发生线路故障，通过光纤通信端口向外部阀控系统传输线路故障信号，并接收外部阀控系统响应于接收到所述线路故障信号后返回的所述外部指令信号。这种实施方式下，固态开关是否控制IGBT开关单元通断统一由外部指令信号决定，简化固态开关控制器的控制逻辑，减轻其计算负荷。

可选的，所述IGBT单元由至少2个IGBT开关管并联组成，各IGBT开关管的源极和漏极串联在直流正极母线上，栅极作为所述控制输入端分别连接控制器；

各IGBT开关管的源极和漏极上分别并联有续流二极管，所述第一续流二极管的续流方向与各IGBT开关管上的续流二极管的续流方向相同。

第二方面，本发明提供一种采用第一方面所述固态开关电路的风冷固态开关模块，包括壳体、固态开关电路和风冷组件；

所述风冷组件包括风冷散热器，风冷散热器安装于壳体内侧壁上；

固态开关电路中，直流母线、IGBT开关单元、第一续流二极管、放电电阻、直流电容和控制器均安装于壳体内，并与风冷散热器固接。

可选的，所述风冷组件还包括风道，风道安装于壳体上，并与风冷散热器相接；风道上安装有至少一个散热风机。

可选的，风冷固态开关模块还包括温度传感器，温度传感器安装于风冷散热器上，温度传感器的输出端连接固态开关电路的控制器。由此，控制器可在风冷散热器过热时闭锁关断IGBT开关单元，避免过热工况下IGBT性能不稳定对线路造成的影响。

可选的，所述直流母线采用复合母排，包括对应直流正极母线的阀侧正极母排和线路侧正极母排，以及对应直流负极母线的负极母排；固态开关电路中的IGBT开关单元串接在阀侧正极母排和线路侧正极母排之间；直流电容和放电电阻的两端分别连接阀侧正极母排和负极母排，第一续流二极管的负极连接线路侧正极母排，正极连接负极母排。复合母排的设计能够降低回路的杂感。

可选的，壳体上设有二次出线孔，固态开关电路包括母线电流传感器，母线电流传感器位于壳体外，其信号输出端通过所述二次出线孔连接控制器。母线电流传感器不作为核心电路部件，且一般采用霍尔传感器时体积较大，因此本发明将母线电流传感器外置，可方便实现固态开关的模块化集成和标准化设计。

可选的，控制器包括光纤通信端口，壳体上设有相应的光纤通信端子，所述光纤通信端子连接控制器的光纤通信端口。

以上方案中，风道可设置在壳体的上部或底部，在应用时，本发明的风冷固态开关模块可上下叠置或水平方向排列，上下叠置时，其中一个模块的风道将同时接触两个相邻模块的风冷散热器，水平方向排列时，相邻模块的风道可对接或位于同一直线上，能够更好的实现风冷散热。

第三方面，本发明提供一种适用于直流变压器的线路故障保护系统，包括阀控系统，至少一个固态开关电路，串接于直流变压器的直流正极母线低压线路侧的电抗器，以及设置于直流变压器的直流正极母线或直流负极母线上的第一母线电流传感器；

各固态开关电路分别包括：控制器，串联在直流正极母线阀侧与低压线路侧之间的IGBT开关单元，以及并联在直流正极母线与直流负极母线之间的第一续流二极管、放电电阻和直流电容；IGBT开关单元包括控制输入端，控制器连接IGBT开关单元的控制输入端；第一续流二极管的负极连接直流正极母线低压线路侧，放电电阻和直流电容的正极母线连接端连接直流正极母线阀侧；

所述第一母线电流传感器的输出端连接阀控系统，阀控系统根据接收到的母线电流信号向所述控制器发送开断指令信号，控制器根据接收到的开断指令信号控制IGBT开关单元的通断状态。

上述方案中，多个固态开关电路并联可适应较大的线路电流，在各固态开关电路皆能够正常工作的情况下，线路电流将由多个固态开关的IGBT开关单元分流。结合第二方面所述的风冷固态开关模块，模块化后，单个固态开关中的IGBT数量是确定的，当线路电流较大，即可采用多个风冷固态开关模块并联。

可选的，所述第一母线电流传感器的数量为2个，分别设置于直流负极母线上和直流正极母线低压线路侧；

各固态开关电路分别还包括第二母线电流传感器，所述第二母线电流传感器设置于直流正极母线阀侧，第二母线电流传感器的信号输出端连接控制器，控制器根据接收到的母线电流信号判断母线电流是否超出预设阈值，若超出则控制器向阀控系统传输线路故障信号，阀控系统根据接收到的线路故障信号向控制器传输开断指令信号，或者，若超出则控制器控制IGBT开关单元闭锁开断。

上述预设阈值可根据经验设置为标幺值或适应线路电压电流等级的具体电流数值。

可选的，各固态开关电路中，所述IGBT单元由至少2个IGBT开关管并联组成，各IGBT开关管的源极和漏极串联在直流正极母线阀侧与低压线路侧之间，栅极作为所述控制输入端分别连接控制器；

各IGBT开关管的源极和漏极上分别并联有续流二极管，所述第一续流二极管的续流方向与各IGBT开关管上的续流二极管的续流方向相同。

第四方面，本发明提供一种第三方面所述线路故障保护系统的短路保护方法，线路故障保护系统中，第一母线电流传感器至少包括设置于直流正极母线低压线路侧的线路侧电流传感器；方法包括：

接收所述线路侧电流传感器输出的母线电流信号；

响应于母线电流信号超出第四阈值时，控制直流变压器的低压侧开关和高压侧开关均跳开；

响应于母线电流信号超出第一阈值时，在预设的故障允许时间范围内执行：响应于接收到的母线电流信号超出第二阈值时，控制固态开关中的IGBT开关单元关断；响应于母线电流信号从第二阈值下降至第一阈值时，控制固态开关中的IGBT开关单元导通；响应于母线电流信号下降至第三阈值时，控制固态开关中的IGBT开关单元维持导通或切换至导通状态；

响应于母线电流信号超出第一阈值的持续时间超出所述预设的故障允许时间范围，控制直流变压器的低压侧开关和高压侧开关均跳开。

以上方案所述的方法可由阀控系统集中实现，当需要开断固态开关时，阀控系统将开断指令信号传输给固态开关的控制器。

可选的，所述第四阈值为1.5pu，第一阈值为1.15pu，第二阈值为1.35pu，第三阈值为1.0pu，预设的故障允许时间范围为100ms。则基于第三方面故障保护系统的以上方法能够实现在可直流变压器低压侧短路后的100ms内，固态开关与电抗器配合将短路电流限制在1.15pu-1.35pu，可减少故障检修对用户供电的影响，提高供电可靠性。

有益效果

本发明的固态开关能够适用于直流变压器，实现直流母线低压侧线路故障时的电路开断控制，具有电路拓扑简单，性能稳定的特点。风冷固态开关模块将固态开关的核心功能部件进行集成模块化设计，结构紧凑，能够有效实现风冷散热，且便于实际应用时的并联扩容。故障保护系统及其短路保护方法，通过固态开关与电抗器等的结合，可在阀控系统的统筹下实现短路故障发生后一段时间内将故障电流有效值限制在一定范围内，避免对直流变压器造成损坏，同时实现低压线路侧在故障后的短时持续运行，减少故障检修对用户供电的影响。

附图说明

图1所示为本发明故障保护系统的一种实施例的固态开关可扩容阵列化拓扑示意图；

图2所示为本发明风冷固态开关模块的一种实施例内部结构展示示意图；

图3所示为图2实施例中，两个风冷固态开关模块上下叠置的外观结构示意图；

图4所示为6个风冷固态开关组成的阵列并联方式示意图；

图5所示为本发明固态开关工作过程示意图，其中，曲线01代表限流失败跳闸情况，曲线02代表限流成功情况；

图6所示为一种应用例中通过阀控系统软件平台输出的单个固态开关的稳态运行数据监测结果；

图7所示为一种应用例中通过阀控系统软件平台输出的2个固态开关并联运行的稳态运行数据监测结果；

图8所示为示波器输出的一种应用例中单个固态开关实现短路限流的试验过程电流波形；

图2和图3中，1-壳体，2-复合母排，21-阀侧正极母线，22-低压线路侧正极母线，23-直流负极母线，3-控制器板卡，4-取能电源，5-IGBT，6-直流电容，7-放电电阻，8-第一续流二极管，9-温度传感器，10-风冷散热器，11-风道，12-散热风机，101-二次出线口，102-光纤通信端子。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步描述。

实施例1

本实施例介绍一种适用于直流变压器的固态开关电路，可安装于直流变压器低压线路侧，当低压侧母线发生故障时用来有效隔离故障。

参考图1所示，固态开关电路包括控制器（图1未示出）、直流母线、串联在直流正极母线阀侧与低压线路侧之间的IGBT开关单元，并联在低压线路侧正极母线与直流负极母线之间的第一续流二极管D，并联在阀侧征集母线与直流负极母线之间的放电电阻R和直流电容C；IGBT开关单元开断时即可隔离直流变压器阀侧和低压线路侧，其中低压线路侧即第一续流二极管D所连接的一侧。

控制器用于接收控制参考信号，以及根据接收到的控制参考信号控制IGBT开关单元的通断状态，其中所述控制参考信号包括外部指令信号和/或线路运行状态信号。具体可实施为：控制器包括外部通信端和控制输出端；控制器通过外部通信端接收外部指令信号和/或线路运行状态信号；IGBT开关单元包括控制输入端，控制器的控制输出端连接IGBT开关单元的控制输入端，以能够根据接收到的外部指令信号或线路运行状态信号控制IGBT开关单元的通断状态。

上述控制器的外部通信端接收的线路运行状态信号可以是，开关所在线路的电流等线路参数信号。控制器可根据接收到的外部指令信号直接控制固态开关的通断状态，或者根据线路参数信号判断是否需要控制固态开关的停运。如，在应用时，直流变压器低压侧母线短路，控制器可通过外部通信端接收该短路电流信号，并根据该信号控制IGBT开关单元断开线路。

在固态开关停运后，第一续流二极管可对短路电流进行续流，放电电阻对直流电容进行放电，直流电容则用于提供固态开关的直流电压支撑。

图1的实施例中，直流变压器固态开关电路还包括取能电源、母线电流传感器T4和电抗器L。

取能电源并联在阀侧直流正极母线与直流负极母线之间，其电源输出端连接控制器的电源输入端。由于取能电源与直流电容并联，因此取能电源可通过直流电容的正负极进行取能，进而为控制器板卡提供工作电源。

母线电流传感器T4采集母线电流信号，传输至所述控制器。作为单个固态开关本体的母线电流传感器，可用作外部指令之外的开断控制逻辑的判断依据，实现：若低压侧进线发生短路，外部指令未能及时到达控制器使得固态开关停运，此时母线电流传感器T4能够检测到短路电流，控制器可在接收到的短路电流超过设定值或设定标幺值时，自发控制固态开关停运。

电抗器L亦可对应单个固态开关设计，串接于固态开关的低压线路侧正极母线上，用于在IGBT开关状态变化时产生反向压降，以降低短路电流。

针对固态开关本体涉及母线电流传感器的实施方式，控制器的外部通信端可设计为光纤通信端口，控制器根据本体固态开关的母线电流传感器检测到的母线电流信号，判断是否发生线路故障，通过光纤通信端口向外部阀控系统传输线路故障信号，并接收外部阀控系统响应于接收到所述线路故障信号后返回的所述外部指令信号。这种实施方式下，固态开关是否控制IGBT开关单元通断统一由外部指令信号决定，简化固态开关控制器的控制逻辑，减轻其计算负荷。当然，控制器也可根据本体固态开关的母线电流传感器检测到的母线电流信号，直接控制本体IGBT开关单元开断。

本实施例中，IGBT单元由至少2个IGBT开关管并联组成，如图1所示，由两个反并联有续流二极管的IGBT并联组成。各IGBT开关管的源极和漏极串联在直流正极母线上，栅极作为所述控制输入端分别连接控制器的控制输出端；各IGBT开关管的源极和漏极上并联的续流二极管的续流方向，与第一续流二极管D的续流方向相同。

本实施例的固态开关电路，拓扑简单，易于实现，具有稳态运行和故障限流运行时工作稳定的特点。

实施例2

与实施例1基于相同的发明构思，本实施例介绍采用实施例1中固态开关电路的风冷固态开关模块。

参考图2至图4所示，风冷固态开关模块包括壳体1、固态开关电路和风冷组件；风冷组件包括风冷散热器10，风冷散热器10安装于壳体1内侧壁上；

固态开关电路中，直流母线、IGBT开关单元、第一续流二极管8、放电电阻7、直流电容6和控制器3均安装于壳体1内，并与风冷散热器10固接。

风冷组件还包括风道11，风道11安装于壳体1上，并与风冷散热器10相接；风道11上安装有至少一个散热风机12。

风冷固态开关模块还包括温度传感器9，温度传感器9安装于风冷散热器10上，温度传感器的输出端连接控制器。由此，控制器可在风冷散热器过热时闭锁关断IGBT开关单元，避免过热工况下IGBT性能不稳定对线路造成的影响。

如图2至图4的实施例，直流母线采用复合母排2，包括对应直流正极母线的阀侧正极母排21和低压线路侧正极母排22，以及对应直流负极母线的负极母排23；固态开关电路中的IGBT开关单元串接在阀侧正极母排和线路侧正极母排之间；直流电容和放电电阻的两端分别连接阀侧正极母排和负极母排，第一续流二极管的负极连接线路侧正极母排，正极连接负极母排。复合母排的设计能够降低回路的杂感。

壳体1上设有二次出线孔101，固态开关电路还包括置于壳体外的母线电流传感器，其信号输出端通过所述二次出线孔连接控制器。母线电流传感器不作为核心电路部件，且一般采用霍尔传感器时体积较大，因此本发明将母线电流传感器外置，可方便实现固态开关的模块化集成和标准化设计。

控制器的外部通信端可用于与阀控系统进行信号交互，可采用光纤通信端口，壳体上设有相应的光纤通信端子102，光纤通信端子连接控制器的光纤通信端口。

参考图2至图4所示，风道11可设置在壳体1的上部或底部。IGBT开关单元中的IGBT、续流二极管和放电电阻运行时产生的热损耗传递至风冷散热器，控制散热风机使得风道中风速达到4.5m/S，可将风冷散热器的热量有效带出，同时降低风冷固态开关的噪音。在应用时，本发明的风冷固态开关模块可上下叠置或水平方向排列，上下叠置时，其中一个模块的风道将同时接触两个相邻模块的风冷散热器，水平方向排列时，相邻模块的风道可对接或位于同一直线上，能够更好的实现风冷散热。

图3示出了风冷固态开关模块的一种扩容结构，即2个阵列并联方式。固态开关1和固态开关2垂直方向放置，固态开关1电气结构都同固态开关2。图4示出了6个阵列并联的固态开关扩容结构，其中，固态开关1和固态开关2垂直方向放置，固态开关1和固态开关2组合后水平方向放置固态开关3、固态开关4、固态开关5和固态开关6。N个组合的阵列可依次类推。

利用阀控系统软件平台的监测功能，图6示出了1个固态开关稳态运行的试验数据。从后台监控画面可知，额定电流下，1M固态开关温度为50.42℃，而固态开关过温保护为70℃，满足稳态运行条件。图7示出了2个固态开关稳态运行数据。从后台监控画面可知，额定电流下，2M固态开关1温度为55.3℃，2M固态开关2温度为61.81℃，而固态开关过温保护为70℃，满足稳态运行条件。

本实施例通过将母线电流传感器T4和电抗器（电感）L放置在固态开关模块本体外部，将核心电力电子器件集成在固态开关本体内部，便于固态开关的标准化设计，模块化设计重量轻、占地少，有利于在工程中批量生产，提高生产效率，且应用时维护方便，能够实现阵列化可扩容设计。

实施例3

本实施例介绍一种适用于直流变压器的线路故障保护系统，同样参考图1所示，线路故障保护系统包括阀控系统（未示出）、直流母线以及至少一个固态开关电路，直流正极母线的低压线路侧串接有电抗器L，直流母线上设有第一母线电流传感器；

各固态开关电路与实施例1和2基于相同的发明构思，分别包括：控制器，串联在直流正极母线阀侧与低压线路侧之间的IGBT开关单元，以及并联在直流正极母线与直流负极母线之间的第一续流二极管、放电电阻和直流电容；IGBT开关单元包括控制输入端，控制器的控制输出端连接IGBT开关单元的控制输入端；第一续流二极管的负极连接直流正极母线低压线路侧，放电电阻和直流电容的正极母线连接端连接直流正极母线阀侧；

第一母线电流传感器的输出端连接阀控系统，阀控系统根据接收到的母线电流信号向所述控制器发送开断指令信号，控制器根据接收到的开断指令信号控制IGBT开关单元的通断状态。

上述方案中，多个固态开关电路并联可适应较大的线路电流，在各固态开关电路皆能够正常工作的情况下，线路电流将由多个固态开关的IGBT开关单元分流。结合第二方面所述的风冷固态开关模块，模块化后，单个固态开关中的IGBT数量是确定的，当线路电流较大，即可采用多个风冷固态开关模块并联。

如图1所示，上述第一母线电流传感器的数量为2个，分别为设置于直流负极母线上的T32和设置于直流正极母线低压线路侧的T31；

各固态开关电路分别还包括第二母线电流传感器T4，所述第二母线电流传感器设置于直流正极母线阀侧，第二母线电流传感器的信号输出端连接控制器，控制器根据接收到的母线电流信号判断母线电流是否超出预设阈值，若超出则控制器向阀控系统传输线路故障信号，阀控系统根据接收到的线路故障信号向控制器传输开断指令信号，或者，若超出则控制器控制IGBT开关单元闭锁开断。

以上所述预设阈值可根据经验设置，可为标幺值或具体电流数值。

图1实施例中，各固态开关电路中， IGBT单元由2个IGBT开关管T1和T2并联组成，各IGBT开关管的源极和漏极串联在直流正极母线阀侧与低压线路侧之间，栅极作为所述控制输入端分别连接控制器的控制输出端；各IGBT开关管的源极和漏极上分别并联有续流二极管，所述第一续流二极管的续流方向与各IGBT开关管上的续流二极管的续流方向相同。

在应用时，于直流变压器低压侧布置固态开关，当直流变压器正常运行时，T1和T2处于导通状态，二极管D处于关断状态；当低压侧发生故障如母线短路时，本实施例可实现通过固态开关和电抗器L限制故障电流有效值在1.15pu~1.35pu之间，并维持100ms以上。

以下具体介绍上述线路故障保护系统的短路保护方法，方法包括：

接收直流正极母线线路侧电流传感器输出的母线电流信号；也即，线路故障保护系统中，第一母线电流传感器至少包括设置于直流正极母线低压线路侧的线路侧电流传感器；

响应于母线电流信号超出第四阈值时，控制直流变压器的低压侧开关和高压侧开关均跳开；

响应于母线电流信号超出第一阈值时，在预设的故障允许时间范围内执行：响应于接收到的母线电流信号超出第二阈值时，控制固态开关中的IGBT开关单元关断；响应于母线电流信号从第二阈值下降至第一阈值时，控制固态开关中的IGBT开关单元导通；响应于母线电流信号下降至第三阈值时，控制固态开关中的IGBT开关单元维持导通或切换至导通状态；

响应于母线电流信号超出第一阈值的持续时间超出所述预设的故障允许时间范围，控制直流变压器的低压侧开关和高压侧开关均跳开。

以上方案所述的方法可由阀控系统集中实现，当需要开断固态开关时，阀控系统将开断指令信号传输给固态开关的控制器。

参考图1中的线路拓扑，以低压侧为375V电压等级的直流变压器为例，上述方法中的第四阈值为1.5pu，第一阈值为1.15pu，第二阈值为1.35pu，第三阈值为1.0pu，预设的故障允许时间范围为100ms。这些设定下，故障保护系统的工作原理为：

正常情况下：固态开关的IGBT是导通状态；

短路情况下：低压进线侧发生短路，需要100ms内限流到1.15pu-1.35pu。当T31或T32检测到低压侧母线电流上升率较高达到保护值，则阀控通过光纤下发给固态开关的监控板，由监控板控制IGBT进行限流工作；或者当阀控并未捕捉到电流上升率较高，而固态开关本体的母线电流传感器T4检测到低压侧母线电流值超过1.15pu时（三个点），则由固态开关监控板通过光纤上传给阀控系统，阀控系统综合判断后认为符合限流条件，则阀控系统通过光纤下发给固态开关的控制器，由控制器控制IGBT进行限流工作，限制低压侧母线电流至1.15pu-1.35pu。

参考图2和图8，图2示出了固态开关工作过程中的母线电流变化，限流成功可持续100ms以内限制低压侧母线电流在1.15pu-1.35pu；限流失败情况则控制直流变压器跳闸。

固态开关的限流逻辑如下，为方便描述，将电抗器L、IGBT、直流电容C与直流母线之间形成的回路作为回路1，第一续流二极管D、电抗器与直流母线之间形成的回路作为回路2。

电流第一次上升：当T31检测到电流从1.0pu上升并超过1.15pu时，控制IGBT导通，如果短路不消失，固态开关的直流电容C通过回路1进行蓄流，此时续流二极管承受反向压降则回路2不导通，此时回路1电流即T31检测电流上升。

电流第一次下降：当T31检测到电流从1.15pu上升到1.35pu时，控制IGBT关断，如果短路不消失，电抗器L内部电流因为IGBT突然关断，电流产生突然消失的趋势，根据楞次定律电抗器会产生反向压降，使续流二极管承受正向压降，则回路2导通，此时因为回路2存在短路阻抗如电抗器阻抗或线路阻抗，使T31检测到电流下降。

电流第二次上升：当T31电流从1.35pu下降并到达1.15pu时，控制IGBT导通，如果短路不消失，电抗器L因为IGBT突然开通，电流产生突然增大的趋势，根据楞次定律电抗器会产生反向压降，使续流二极管承受反相压降，则回路2关断，回路1导通，回路1电流即T31检测到电流上升。

电流第二次下降：当T31电流从1.15pu上升到1.35pu时，IGBT关断，如果短路不消失，电抗器内部电流因为IGBT突然关断，电流产生突然消失的趋势，根据楞次定律电抗器会产生反向压降，使续流二极管承受正向压降，则回路2导通，此时因为回路2存在短路阻抗如电抗器阻抗或线路阻抗，使T31电流下降。

依次类推到第三次上升，第三次下降，在短路最长允许维持的100ms内时，T31电流维持在1.15pu-1.35pu之间。

若100ms内短路故障消失：T31电流会持续下降到1.0pu，此时如果IGBT处于导通状态则维持一直导通不进行下一次关断过程，电流维持到1.0pu；此时如果IGBT处于关断状态则使IGBT导通并维持一直导通不进行下一次关断过程，电流维持到1.0pu。

若100ms外短路故障不消失：则判定为故障跳闸，不进行IGBT开通关断的限流工作，直接跳开低压侧开关柜和高压侧开关柜，保护直流变压器。

限流失败：不考虑短路允许持续时间，如果T31电流超过1.5pu，则判定为故障跳闸，不进行IGBT开通关断的限流工作，直接跳开低压侧开关柜和高压侧开关柜，保护直流变压器。

图8示出了1个固态开关短路限流的试验电流波形，波形中可以看出，10kV1M直流变压器低压侧额定电流为1333A，在低压侧短路后，固态开关将短路电流限制在1.15pu-1.35pu即1533-1800A之间，开关频率为500HZ，即20ms动10次。

可见本发明能够实现在可直流变压器低压侧短路后的100ms内，将短路电流限制在1.15pu-1.35pu，可减少故障检修对用户供电的影响，提高供电可靠性。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (12)

1.一种线路故障保护系统的短路保护方法，其特征是：

线路故障保护系统包括：阀控系统，至少一个固态开关电路，串接于直流变压器的直流正极母线低压线路侧的电抗器，以及设置于直流变压器的直流正极母线上或直流正极母线及直流负极母线上的第一母线电流传感器，第一母线电流传感器至少包括设置于直流正极母线低压线路侧的线路侧电流传感器；

各固态开关电路分别包括：控制器，串联在直流正极母线阀侧与低压线路侧之间的IGBT开关单元，以及并联在直流正极母线与直流负极母线之间的第一续流二极管、放电电阻和直流电容；IGBT开关单元包括控制输入端，控制器连接IGBT开关单元的控制输入端；第一续流二极管的负极连接直流正极母线低压线路侧，放电电阻和直流电容的正极母线连接端连接直流正极母线阀侧；各固态开关电路中，所述IGBT开关单元由至少2个IGBT开关管并联组成，各IGBT开关管的源极和漏极串联在直流正极母线上，栅极作为所述控制输入端分别连接控制器；各IGBT开关管的源极和漏极上分别并联有续流二极管，所述第一续流二极管的续流方向与各IGBT开关管上的续流二极管的续流方向相同；

所述第一母线电流传感器的输出端连接阀控系统，阀控系统根据接收到的母线电流信号向所述控制器发送开断指令信号，控制器根据接收到的开断指令信号控制IGBT开关单元的通断状态；

所述短路保护方法包括：

接收所述线路侧电流传感器输出的母线电流信号；

响应于母线电流信号超出第四阈值时，控制直流变压器的低压侧开关和高压侧开关均跳开；

响应于母线电流信号超出第一阈值时，在预设的故障允许时间范围内执行：响应于接收到的母线电流信号超出第二阈值时，控制固态开关中的IGBT开关单元关断；响应于母线电流信号从第二阈值下降至第一阈值时，控制固态开关中的IGBT开关单元导通；响应于母线电流信号下降至第三阈值时，控制固态开关中的IGBT开关单元维持导通或切换至导通状态；

响应于母线电流信号超出第一阈值的持续时间超出所述预设的故障允许时间范围，控制直流变压器的低压侧开关和高压侧开关均跳开。

2.根据权利要求1所述的短路保护方法，其特征是，所述第四阈值为1.5pu，第一阈值为1.15pu，第二阈值为1.35pu，第三阈值为1.0pu，预设的故障允许时间范围为100ms。

3.根据权利要求1所述的短路保护方法，其特征是，线路故障保护系统中，所述第一母线电流传感器的数量为2个，分别设置于直流负极母线上和直流正极母线低压线路侧；

各固态开关电路分别还包括第二母线电流传感器，所述第二母线电流传感器设置于直流正极母线阀侧，第二母线电流传感器的信号输出端连接控制器，控制器根据接收到的母线电流信号判断母线电流是否超出预设阈值，若超出则控制器向阀控系统传输线路故障信号，阀控系统根据接收到的线路故障信号向控制器传输开断指令信号，或者，若超出则控制器控制IGBT开关单元闭锁开断。

4.根据权利要求1所述的短路保护方法，其特征是，所述固态开关电路还包括：

并联在直流正极母线与直流负极母线之间的取能电源，取能电源的电源输出端连接控制器的电源输入端；

和/或，串接于低压线路侧正极母线上的电抗器。

5.根据权利要求1所述的短路保护方法，其特征是，固态开关电路中，所述控制器还用于接收线路运行状态信号，所述线路运行状态信号包括母线电流信号；

固态开关电路还包括用于采集所述母线电流信号的母线电流传感器，所述母线电流传感器的输出端连接控制器。

6.根据权利要求5所述的短路保护方法，其特征是，固态开关电路中，控制器包括光纤通信端口，控制器根据接收到的所述母线电流信号判断是否发生线路故障，通过光纤通信端口向外部阀控系统传输线路故障信号，并接收外部阀控系统响应于接收到所述线路故障信号后返回的外部指令信号。

7.根据权利要求5所述的短路保护方法，其特征是，所述固态开关电路集成至一风冷固态开关模块，所述风冷固态开关模块包括壳体、固态开关电路和风冷组件；

所述风冷组件包括风冷散热器，风冷散热器安装于壳体内侧壁上；

固态开关电路中，直流母线、IGBT开关单元、第一续流二极管、放电电阻、直流电容和控制器均安装于壳体内，并与风冷散热器固接。

8.根据权利要求7所述的短路保护方法，其特征是，所述风冷组件还包括风道，风道安装于壳体上，并与风冷散热器相接；风道上安装有至少一个散热风机。

9.根据权利要求7所述的短路保护方法，其特征是，所述风冷固态开关模块还包括温度传感器，温度传感器安装于风冷散热器上，温度传感器的输出端连接固态开关电路的控制器。

10.根据权利要求7所述的短路保护方法，其特征是，所述直流母线采用复合母排，包括对应直流正极母线的阀侧正极母排和线路侧正极母排，以及对应直流负极母线的负极母排；固态开关电路中的IGBT开关单元串接在阀侧正极母排和线路侧正极母排之间；直流电容和放电电阻的两端分别连接阀侧正极母排和负极母排，第一续流二极管的负极连接线路侧正极母排，正极连接负极母排。

11.根据权利要求7所述的短路保护方法，其特征是，风冷固态开关模块的所述壳体上设有二次出线孔，固态开关电路的母线电流传感器位于壳体外，其信号输出端通过所述二次出线孔连接控制器。

12.根据权利要求7所述的短路保护方法，其特征是，控制器包括光纤通信端口，风冷固态开关模块的所述壳体上设有光纤通信端子，所述光纤通信端子连接控制器的光纤通信端口。

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