CN113013832B - 一种基于无源耦合振荡的混合式直流断路器及其控制方法 - Google Patents

一种基于无源耦合振荡的混合式直流断路器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于无源耦合振荡的混合式直流断路器及其控制方法，所述混合式直流断路器包括：在输入端和输出端并联的主通流支路、转移支路、第一能量吸收支路，其中，所述主通流支路包括快速机械开关，所述快速机械开关连接至耦合电抗器。本发明的混合式直流断路器的换流基于耦合振荡，换流速度与有源强迫换流相当，高于自然换流。且本发明的混合式直流断路器对于故障电流越大的场合，换流越为可靠而快速，在船舰直流系统、数据中心直流供电系统等不宜布置大型限流电抗器的场合有突出的效果。

Description

一种基于无源耦合振荡的混合式直流断路器及其控制方法
技术领域
本发明属于直流断路器领域，特别涉及一种基于无源耦合振荡的混合式直流断路器及其控制方法。
背景技术
现有的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。当前混合式直流断路器在故障电流上升率高、故障电流大时，存在电流从主通流支路转移到转移支路较为困难的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于无源耦合振荡的混合式直流断路器及其控制方法。
本发明的基于无源耦合振荡的混合式直流断路器，包括：在输入端和输出端并联的主通流支路、转移支路、第一能量吸收支路，
其中，
所述主通流支路包括快速机械开关，所述快速机械开关连接至耦合电抗器。
进一步，
所述耦合电抗器为双绕组耦合电抗器，所述快速机械开关连接所述双绕组耦合电抗器的原边线圈L1；
所述主通流支路包括所述原边线圈L1。
进一步，
还包括振荡电路，
所述振荡电路包括并联的所述双绕组耦合电抗器的副边线圈L2、振荡电容、双向固态开关电路、第二能量吸收支路。
进一步，
所述振荡电容并联有一个开关-电阻支路，所述开关-电阻支路由开关和电阻串联构成。
进一步，
所述双向固态开关电路包括串联的双向固态开关模块。
进一步，
所述第二能量吸收支路包括单独或串联的能量吸收金属氧化物避雷器。
进一步，
所述转移支路包括串联的双向固态开关模块。
进一步，
所述第一能量吸收支路包括单独或串联的能量吸收金属氧化物避雷器。
本发明还提供上述的一种基于无源耦合振荡的混合式直流断路器的控制方法，包括以下步骤：
正常工作时，控制混合式直流断路器中转移支路中的双向固态开关模块不导通，使得线路电流经过主通流支路的原边线圈L1和快速机械开关流通，同时控制振荡电路中的双向固态开关模块导通。
进一步，还包括步骤：
在故障发生的第一时刻t0后，控制保护系统在第二时刻t1向所述转移支路中双向固态开关模块发送开通信号，同时向所述快速机械开关发送分闸指令，或间隔预期时间差分别发送所述开通信号和分闸指令；
在所述快速机械开关刚分起弧的第三时刻t2之后，控制所述快速机械开关触头继续做分闸运动，待所述快速机械开关触头的间隙能够承受系统瞬态恢复电压后，在第四时刻t3关断所述振荡电路中双向固态开关，并在第七时刻t6时刻关断所述转移支路中双向固态开关；
在所述快速机械开关电流过零熄弧的第五时刻t4之后，在副边线圈L2电流过零的第六时刻t5，导通振荡电容并联的开关-电阻支路。
本发明的基于无源耦合振荡的混合式直流断路器，具有换流组件结构简单、换流快速且可靠等优势。由于当前在故障电流上升率高，故障电流大的场合，通常采用有源强迫换流，需要额外增加强迫换流组件如充电机等，在应用中显示出较低的可靠性。而本发明的混合式直流断路器的换流基于耦合振荡，换流速度与有源强迫换流相当，高于自然换流。且本发明的混合式直流断路器对于故障电流越大的场合，换流越为可靠而快速，在船舰直流系统、数据中心直流供电系统等不宜布置大型限流电抗器的场合有突出的效果。
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示出了根据本发明实施例的基于无源耦合振荡的混合式直流断路器的拓扑结构图；
图2示出了根据本发明实施例的基于无源耦合振荡的混合式直流断路器的工作时序示意图一；
图3示出了根据本发明实施例的基于无源耦合振荡的混合式直流断路器的工作时序示意图二。
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所示为本发明的基于无源耦合振荡的混合式直流断路器的拓扑结构图。
图1中，IN和OUT分别为本发明的基于无源耦合振荡的混合式直流断路器的输入端和输出端。所述混合式直流断路器主要包括三个支路和一个振荡电路。所述三个支路为并联在IN和OUT之间的主通流支路、转移支路、第一能量吸收支路(图1中简称为能量吸收支路)。主通流支路包括一组由若干串联连接的快速机械开关构成的快速机械开关组。快速机械开关组连接双绕组耦合电抗器，双绕组耦合电抗器同名端如图1所示，导磁材料可以使用空气或磁芯。双绕组耦合电抗器包括原边线圈L1和副边线圈L2，原副边线圈的互感为M。主通流支路还包括所述原边线圈L1，由所述快速机械开关组连接所述原边线圈L1。转移支路包括若干串联的双向固态开关模块。第一能量吸收支路包括由第一组能量吸收金属氧化物避雷器(MOV)串联构成的第一能量吸收MOV组。
双绕组耦合电抗器的副边线圈为L2，振荡电容，双向固态开关电路，第二能量吸收支路并联构成振荡电路。振荡电容与由开关和电阻串联构成的开关-电阻支路并联。双向固态开关电路由若干双向固态开关模块串联构成。第二能量吸收支路包括由第二组能量吸收MOV串联连接所构成的第二能量吸收MOV组。
快速机械开关可采用真空快速机械开关、气体快速机械开关或上述开关的串并联；转移支路和双向固态开关电路中的双向固态开关模块，其器件可采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、集成门极换流晶闸管(IGCT)和栅极注入增强晶体管(IEGT)等全控电力电子器件，双向拓扑结构可采用反串联结构、全桥结构和二极管桥结构；能量吸收MOV由金属氧化物压敏电阻MOV构成。
图2和图3示出了本发明的基于无源耦合振荡的混合式直流断路器的工作时序示意图。
参见图2和图3可知，本发明的基于无源耦合振荡的混合式直流断路器的控制及工作过程为：
1.正常工作时，控制转移支路中的双向固态开关模块不导通，使得线路电流经过主通流支路的线圈L1和快速机械开关流通。同时控制振荡电路中的双向固态开关模块导通，但由于线路电流稳定时耦合电抗器副边线圈不会感应出电压，故基本不会有电流通过。
2.设t0时刻(即第一时刻)故障发生，通过线圈L1的故障电流上升，将会在线圈L2上耦合一个在图1中左正右负的电压，此时由于振荡电路双向固态开关模块导通，耦合电抗器副边回路将激发出逆时针的上升电流。
3.经过一定的故障检测时间后，控制保护系统在t1时刻(即第二时刻)向转移支路中双向固态开关模块发送开通信号，同时向快速机械开关发送分闸指令，根据需要可间隔一预期的时间差分别发送所述开通信号和分闸指令。此后由于快速机械开关接触电阻增大，将有小部分故障电流转移到转移支路。t1时刻由控制保护系统本身的检测时间和通信延迟决定。
4.设t2时刻(即第三时刻)快速机械开关刚分起弧，随后，控制快速机械开关触头继续做分闸运动，待快速机械开关触头的间隙能够承受系统瞬态恢复电压后，在t3时刻(即第四时刻)关断振荡电路中双向固态开关，电流从该双向固态开关转移至并联的振荡电容，随后振荡电容与线圈L2产生LC振荡，双绕组耦合电抗器的副边电流快速下降并反向增大，耦合给原边线圈如图1中左正右负的电压，该电压与快速机械开关电弧电压共同促进电流从主通流支路向转移支路转移，使得快速机械开关电流迅速在t4(即第五时刻)时刻过零熄弧。此后LC继续振荡，在t5时刻(即第六时刻)线圈L2电流过零，此时导通振荡电容并联的电阻放电回路(即所述开关-电阻支路)，将电容能量通过电阻耗散。其中，t3时刻根据快速机械开关机械特性(快速机械开关的触头间隙达到安全距离的时刻)事先确定。
4.当在t4时刻快速机械开关熄弧后，仍需等待一定的介质恢复时间，待快速机械开关的触头间隙能够承受系统瞬态恢复电压后，在t6时刻(即第七时刻)关断转移支路中双向固态开关，故障电流快速转移至能量吸收支路。新型断路器两端电压被能量吸收支路限制，同时故障电流逐渐下降，在t7时刻(即第八时刻)降至零。t6时刻为根据快速机械开关介质恢复时间(在额定开断电流下介质恢复额定瞬态恢复电压耐受能力所需的时间，该时间可通过试验测得)事先确定。
由于当前在故障电流上升率高，故障电流大的场合，通常采用有源强迫换流，需要额外增加强迫换流组件如充电机等，在应用中显示出较低的可靠性。而本发明的混合式直流断路器的换流基于耦合振荡，换流速度与有源强迫换流相当，高于自然换流。且本发明的混合式直流断路器对于故障电流越大的场合，换流越为可靠而快速，在船舰直流系统、数据中心直流供电系统等不宜布置大型限流电抗器的场合有突出的效果。
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 (9)

1.一种基于无源耦合振荡的混合式直流断路器，其特征在于，包括：在输入端和输出端并联的主通流支路、转移支路、第一能量吸收支路，
其中，
所述主通流支路包括快速机械开关，所述快速机械开关连接至耦合电抗器，所述耦合电抗器为双绕组耦合电抗器，所述直流断路器还包括振荡电路，所述振荡电路包括并联的所述双绕组耦合电抗器的副边线圈L2、振荡电容、双向固态开关电路、第二能量吸收支路。
2.根据权利要求1所述的一种基于无源耦合振荡的混合式直流断路器，其特征在于，
所述快速机械开关连接所述双绕组耦合电抗器的原边线圈L1；
所述主通流支路包括所述原边线圈L1。
3.根据权利要求2所述的一种基于无源耦合振荡的混合式直流断路器，其特征在于，
所述振荡电容并联有一个开关-电阻支路，所述开关-电阻支路由开关和电阻串联构成。
4.根据权利要求3所述的一种基于无源耦合振荡的混合式直流断路器，其特征在于，
所述双向固态开关电路包括串联的双向固态开关模块。
5.根据权利要求4所述的一种基于无源耦合振荡的混合式直流断路器，其特征在于，
所述第二能量吸收支路包括单独或串联的能量吸收金属氧化物避雷器。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种基于无源耦合振荡的混合式直流断路器，其特征在于，
所述转移支路包括串联的双向固态开关模块。
7.根据权利要求1-5任一所述的一种基于无源耦合振荡的混合式直流断路器，其特征在于，
所述第一能量吸收支路包括单独或串联的能量吸收金属氧化物避雷器。
8.权利要求1-7任一所述的一种基于无源耦合振荡的混合式直流断路器的控制方法，其特征在于，包括步骤：
正常工作时，控制混合式直流断路器中转移支路中的双向固态开关模块不导通，使得线路电流经过主通流支路的原边线圈L1和快速机械开关流通，同时控制振荡电路中的双向固态开关模块导通。
9.根据权利要求8所述的一种基于无源耦合振荡的混合式直流断路器的控制方法，其特征在于，还包括步骤：
在故障发生的第一时刻t0后，控制保护系统在第二时刻t1向所述转移支路中双向固态开关模块发送开通信号，同时向所述快速机械开关发送分闸指令，或间隔预期时间差分别发送所述开通信号和分闸指令；
在所述快速机械开关刚分起弧的第三时刻t2之后，控制所述快速机械开关触头继续做分闸运动，待所述快速机械开关触头的间隙能够承受系统瞬态恢复电压后，在第四时刻t3关断所述振荡电路中双向固态开关，并在第七时刻t6时刻关断所述转移支路中双向固态开关；
在所述快速机械开关电流过零熄弧的第五时刻t4之后，在副边线圈L2电流过零的第六时刻t5，导通振荡电容并联的开关-电阻支路。
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