CN113013831B - 基于主被动结合保护的混合式直流断路器故障保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于主被动结合保护的混合式直流断路器故障保护方法，包括：判断当前工况为误触发工况还是正常工作工况；确定混合式直流断路器中主通流支路中快速机械开关的重合闸完成的时刻t3或tt3；在所述时刻t3或tt3，关断所述混合式直流断路器中转移支路上的固态开关，其中，时刻t3为所述误触发工况下所述快速机械开关的重合闸完成的时刻；时刻tt3为所述正常工作工况下所述快速机械开关的重合闸完成的时刻。本发明的基于主被动结合保护的混合式直流断路器故障保护方法中，混合式直流断路器需具备主动保护和被动保护的功能，因而本发明既能防止主动保护导致的误动作，也避免了被动保护动作晚导致的故障电流过大。

Description

基于主被动结合保护的混合式直流断路器故障保护方法
技术领域
本发明属于直流断路器领域，特别涉及一种基于主被动结合保护的混合式直流断路器故障保护方法。
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之一。
现有的装设在柔性直流电网中的直流断路器通常采用被动保护方式，即由上层控保系统负责检测并判断故障，然后将动作指令下发到断路器，断路器再动作；部分直流断路器兼具主动保护功能，即断路器自身实时检测线路电流，一旦发生故障导致电流上升并超过阈值，断路器会自己执行开断动作。被动保护的缺点是保护出口时间往往较长，也就是从故障发生到断路器收到动作指令的时间较长，这使得在电流上升率较大的故障工况下，断路器需要开断较大的电流，极大地增加了断路器的设计成本、开断难度和电气应力。而主动保护虽然动作速度较快，但其缺点在于断路器可能误动作，影响电网的安全可靠运行。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于主被动结合保护的混合式直流断路器故障保护方法。
本发明的基于主被动结合保护的混合式直流断路器故障保护方法，包括步骤：
判断当前工况为误触发工况还是正常工作工况；
确定混合式直流断路器中主通流支路中快速机械开关的重合闸完成的时刻t3或tt3；
在所述时刻t3或tt3，关断所述混合式直流断路器中转移支路上的固态开关，
其中，
所述时刻t3为所述误触发工况下所述快速机械开关的重合闸完成的时刻；
所述时刻tt3为所述正常工作工况下所述快速机械开关的重合闸完成的时刻。
进一步，还包括：
在所述误触发工况或正常工作工况下，若所述混合式直流断路器检测到所述主通流支路中电流超过设定阈值或所述混合式直流断路器误动作时，控制所述混合式直流断路器执行如下步骤：
执行主动保护的前序指令；
在第二时刻t1至第三时刻t2，控制完成电流从所述主通流支路到所述转移支路的换流。
进一步，
所述第二时刻t1通过在下发快速机械开关分闸的指令的时刻加上刚分时间来确定；
所述第三时刻t2是电流从所述主通流支路到转移支路的换流完成的时刻。
进一步，
所述前序指令为同时下发所述快速机械开关分闸和所述转移支路中固态开关导通的指令。
进一步，
在所述第二时刻t1至第三时刻t2借助换流驱动电路，控制完成电流从所述主通流支路到所述转移支路的换流，所述换流驱动电路布置于所述主通流支路或转移支路中，连接至所述快速机械开关或所述固态开关。
进一步，还包括：
在所述误触发工况下，在完成电流从所述主通流支路到所述混合式直流断路器中转移支路的换流后，
控制所述混合式直流断路器将当前状态上报上层控保系统，若所述上层控保系统在收到所述上报后，下发快速机械开关重合闸指令，或在一段时间T内所述上层控保系统未发送任何指令，则控制所述快速机械开关重合闸，在完成重合闸的t3时刻，关断所述固态开关，使得电流从所述转移支路换流至主通流支路。
进一步，
所述时间T通过综合考虑重合闸时期的短路发生概率和所述转移支路中固态开关升温对性能的影响来确定。
进一步，
所述时间T取额定电流下所述固态开关温升10-20度的时间值。
进一步，还包括：
在所述正常工作工况下，
在第三时刻tt2，控制所述混合式直流断路器完成电流从所述主通流支路到转移支路的换流之后，一旦收到上层控保系统下发的分闸指令，且所述快速机械开关触头间隙达到安全距离后，立即在tt3时刻关断所述固态开关，使得故障电流从所述转移支路换流到能量吸收支路，所述混合式直流断路器的端电压被能量吸收支路限制，同时故障电流逐渐下降至零。
进一步，
所述第三时刻tt2是电流从所述主通流支路到转移支路的换流完成的时刻。
本发明的基于主被动结合保护的混合式直流断路器故障保护方法中，混合式直流断路器需具备主动保护和被动保护的功能，首先执行主动保护的前序指令，并根据不同的工况，决定下一步执行被动保护或重合闸指令。既能防止主动保护导致的误动作，也避免了被动保护动作晚导致的故障电流过大。
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示出了用于采用本发明的混合式直流断路器；
图2示出了根据本发明实施例的误触发工况下的基于主被动结合保护的混合式直流断路器故障保护方法时序波形图；
图3示出了根据本发明实施例的正常工作工况下的基于主被动结合保护的混合式直流断路器故障保护方法时序波形图。
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。
图1所示为采用本发明的故障保护方法的混合式直流断路器。由图1可知，混合式直流断路器由主通流支路、转移支路和能量吸收支路组成。其中，主通流支路由一个(或多个)快速机械开关串联组成；转移支路由一个或多个固态开关如双向固态开关模块串联组成，所述双向固态开关模块可采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等全控电力电子器件，双向固态开关拓扑可采用反串联结构、全桥结构和二极管桥结构；能量吸收支路由金属氧化物压敏电阻(MOV)组成。
本发明的主被动结合的混合式直流断路器的故障保护方法存在两种工况：误触发工况和正常工作工况。
图2所示为误触发工况下的基于主被动结合保护的混合式直流断路器故障保护方法时序波形图。如图2所示，设t0时刻(即第一时刻)混合式直流断路器中线路电流发生波动，之后，当混合式直流断路器检测到主通流支路电流Ia超过设定阈值或混合式直流断路器误动作时，混合式直流断路器首先执行主动保护的前序指令，即同时下发机械开关分闸和固态开关导通的指令，并在t1～t2时刻(即第二时刻至第三时刻)借助换流驱动电路(可布置在主通流支路、或转移支路、或不布置)，完成电流从主通流支路到转移支路的换流，t1时刻是通过在下发快速机械开关分闸的指令的时刻加上刚分时间(机械开关固有参数)来确定，刚分时间可通过调节快速机械开关的操动机构来控制；t2时刻是电流从主通流支路到转移支路的换流完成的时刻，也就是快速机械开关电流过零的时刻；t1时刻到t2时刻的时长取决于换流回路的杂散参数、机械开关弧压、转移支路固态开关导通压降等。然后混合式直流断路器将当前状态上报上层控保系统。若上层控保系统在收到断路器上报后，下发机械开关重合闸指令，或在一段时间T内上层控保系统未发送任何指令，则主通流支路中快速机械开关重合闸，T通过综合考虑重合闸时期的短路发生概率和转移支路固态开关升温对性能的影响来确定，根据不同工况，T可取额定电流下固态开关温升10-20度的时间值。在完成重合闸的第四时刻t3时刻，关断转移支路固态开关，电流在t3～t4时刻(即第四至第五时刻)从转移支路换流至主通流支路，t3时刻到t4时刻的时长取决于换流回路的杂散参数、转移支路固态开关的关断特性等。
图3所示为的正常工作工况下的基于主被动结合保护的混合式直流断路器故障保护方法时序波形图。如图3所示，tt0～tt2时刻的时序与误触发工况t0～t2时刻的时序对应相同，tt0～tt2时刻(即图3中的第一时刻至第三时刻)分别对应图2中t0～t2时刻。在tt2时刻，混合式直流断路器完成电流从主通流支路到转移支路的换流之后，一旦收到上层控保系统下发的分闸指令，且混合式直流断路器的主通流支路中快速机械开关触头间隙达到安全距离后，立即在第四时刻tt3关断转移支路上的固态开关，故障电流在tt3～tt4时刻(即第四至第五时刻)从转移支路换流到能量吸收支路，直流断路器端电压被能量吸收支路限制，同时故障电流逐渐下降至零，tt3时刻为根据快速机械开关机械特性(即快速机械开关的触头间隙达到安全距离的时刻)事先确定，tt3时刻到tt4时刻的时长取决于从转移支路到能量吸收支路的换流回路的杂散参数、转移支路固态开关的关断特性、MOV的伏安特性等。tt5为能量吸收支路电流下降至零的时刻。
本发明的主被动结合的混合式直流断路器的故障保护方法使得混合式直流断路器兼具主动保护和被动保护的功能，既能防止主动保护导致的误动作，也避免了被动保护动作晚导致的故障电流过大。
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 (10)

1.基于主被动结合保护的混合式直流断路器故障保护方法，其特征在于，包括步骤：
判断当前工况为误触发工况还是正常工作工况；
确定混合式直流断路器中主通流支路中快速机械开关的重合闸完成的时刻t3或所述快速机械开关的触头间隙达到安全距离的时刻tt3；
在所述时刻t3或tt3，关断所述混合式直流断路器中转移支路上的固态开关，
其中，
所述时刻t3为所述误触发工况下所述快速机械开关的重合闸完成的时刻；
所述时刻tt3为所述正常工作工况下所述快速机械开关的触头间隙达到安全距离的时刻。
2.根据权利要求1所述的基于主被动结合保护的混合式直流断路器故障保护方法，其特征在于，还包括：
在所述误触发工况或正常工作工况下，若所述混合式直流断路器检测到所述主通流支路中电流超过设定阈值或所述混合式直流断路器误动作时，控制所述混合式直流断路器执行如下步骤：
执行主动保护的前序指令；
在第二时刻t1至第三时刻t2，控制完成电流从所述主通流支路到所述转移支路的换流。
3.根据权利要求2所述的基于主被动结合保护的混合式直流断路器故障保护方法，其特征在于，
所述第二时刻t1通过在下发快速机械开关分闸的指令的时刻加上刚分时间来确定；
所述第三时刻t2是电流从所述主通流支路到转移支路的换流完成的时刻。
4.根据权利要求3所述的基于主被动结合保护的混合式直流断路器故障保护方法，其特征在于，
所述前序指令为同时下发所述快速机械开关分闸和所述转移支路中固态开关导通的指令。
5.根据权利要求4所述的基于主被动结合保护的混合式直流断路器故障保护方法，其特征在于，
在所述第二时刻t1至第三时刻t2借助换流驱动电路，控制完成电流从所述主通流支路到所述转移支路的换流，所述换流驱动电路布置于所述主通流支路或转移支路中，连接至所述快速机械开关或所述固态开关。
6.根据权利要求2-5任一所述的基于主被动结合保护的混合式直流断路器故障保护方法，其特征在于，还包括：
在所述误触发工况下，在完成电流从所述主通流支路到所述混合式直流断路器中转移支路的换流后，
控制所述混合式直流断路器将当前状态上报上层控保系统，若所述上层控保系统在收到所述上报后，下发快速机械开关重合闸指令，或在一段时间T内所述上层控保系统未发送任何指令，则控制所述快速机械开关重合闸，在完成重合闸的t3时刻，关断所述固态开关，使得电流从所述转移支路换流至主通流支路。
7.根据权利要求6所述的基于主被动结合保护的混合式直流断路器故障保护方法，其特征在于，
所述时间T通过综合考虑重合闸时期的短路发生概率和所述转移支路中固态开关升温对性能的影响来确定。
8.根据权利要求6所述的基于主被动结合保护的混合式直流断路器故障保护方法，其特征在于，
所述时间T取额定电流下所述固态开关温升10-20度的时间值。
9.根据权利要求2-5任一所述的基于主被动结合保护的混合式直流断路器故障保护方法，其特征在于，还包括：
在所述正常工作工况下，
在第三时刻tt2，控制所述混合式直流断路器完成电流从所述主通流支路到转移支路的换流之后，一旦收到上层控保系统下发的分闸指令，且所述快速机械开关触头间隙达到安全距离后，立即在tt3时刻关断所述固态开关，使得故障电流从所述转移支路换流到能量吸收支路，所述混合式直流断路器的端电压被能量吸收支路限制，同时故障电流逐渐下降至零。
10.根据权利要求9所述的基于主被动结合保护的混合式直流断路器故障保护方法，其特征在于，
所述第三时刻tt2是电流从所述主通流支路到转移支路的换流完成的时刻。
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