CN113437731A - 一种基于高速机械开关的限流型混合直流断路器 - Google Patents

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Abstract

本发明中公开了一种基于高速机械开关的限流型混合直流断路器，属于电力高压大容量直流断路器领域。基于高速机械开关的限流型混合直流断路器拓扑1主要包括IGBT阀组11、耗能回路12和高速机械开关13。IGBT阀组包括数个串联的IGBT和由四个二极管组成的二极管整流桥，该结构的功能是切断故障电流；限流电感(L1、L2、L3)负责限制短路电流的上升速率；能量耗散电阻(Rd)和反向二极管(D)与电感并联，在断路器切断故障电流后消耗电感中剩余的能量；高速机械开关的作用是在发生短路故障后改变电路结构，将原来并联支路转变为串联支路，由于电感电流不能突变，短路电流将降低为单个支路电流。因此，提出的断路器可以大大降低成本和短路电流幅值。

Description

一种基于高速机械开关的限流型混合直流断路器
技术领域
本发明涉及电力高压大容量直流断路器领域，具体涉及一种基于高速机械开关的限流型混合直流断路器。
背景技术
直流断路器作为电力高压大容量输电系统控制和保护的重要设备,保障供电系统安全可靠运行,目前直流牵引供电系统短路电流可达数十千安,电流上升率快。由于直流输电网的直流侧阻抗小,当系统发生短路故障时,故障电流快速上升,如果不在短时间内切除故障,会导致换流侧交流断路器动作,换流阀组闭锁,影响整个系统的正常运行,极大地降低了输电系统的可靠性和灵活性。
目前，为了解决混合直流断路器造价昂贵和性能提高的问题，已有多篇学术论文和专利进行研究并提出相应的解决办法，例如：
1、H.Ye等人发表的“A Novel Hybrid DC Circuit Breaker Based onPrecharged Capacitors”2018 IEEE International Power Electronics andApplication Conference and Exposition(PEAC),2018，该文章提出一种Z源直流断路器，该断路器的拓扑由一个半导体元件、一对电感电容桥臂、二极管和电阻组成。发生故障时，Z源直流断路器可以利用电路中并联电容产生的反向电流切断可控硅，实现无电弧切断电路。Z源断路器的缺点是不能切断高阻故障，并且桥臂电感、电容参数不能随时调整，导致断路器适应性差。
2、郭彦勋等人发表的“机械式直流断路器自适应重合闸策略”高电压技术:1-9[2021-02-25]，该文章的机械式直流断路器带载能力强、开断容量大、通态损耗小，然而其动作速度较慢，其分合闸需要几十毫秒，这将导致故障电流峰值难以被抑制，从而影响电网的安全运行。此外由于直流电流不存在过零点，机械式直流断路器在分断短路电流时极易产生电弧，这将减少设备寿命,并造成安全隐患。
3、申请号为CN201610044842.6，名称为“一种限流式高压直流断路器”的专利中，提出了一种带有限流功能的高压直流断路器拓扑。该拓扑采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为主开关器件，具有断路、限流等功能，并具有通态损耗小、关断电流大、电压等级高的优点；可灵活配置支路数量以调节每个支路的工作电流及故障下的限流效果，进而避免或减少大容量场合下IGBT的直接并联。但同样需要较多的IGBT来实现此性能，导致总体造价昂贵。
综上，目前已有的方法仍存在断路器性能不佳，造价昂贵等不足。为此，亟需一种可以提高混合直流断路器性能和降低成本的拓扑。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对目前大多数固态直流断路器采用大量的绝缘栅双极晶体管(IGBT)串联和并联断开故障电流的问题，提出一种改进的低成本限流型混合直流断路器。当短路故障发生后，采用控制高速机械开关串联断路器中并联支路，使IGBT阀组共享阻断电压，减少IGBT数量。由于电感电流不能突变，短路电流将降低为单个支路电流。因此，提出的断路器可以大大降低成本和短路电流幅值。
所述IGBT阀组包括数个串联的IGBT和由四个二极管组成的二极管整流桥，串联IGBT的个数由拓扑并联的支路数、开断电压的大小以及IGBT的型号来决定，该结构的功能是实现电流双相传导和切断故障电流；
所述耗能回路包括能量耗散电阻(Rd)和反向二极管(D)与电感并联，限流电感(L1、L2、L3)负责限制短路电流的上升速率，能量耗散电阻(Rd)和反向二极管(D)与电感并联，在断路器切断故障电流后消耗电感中剩余的能量。此外，在每个并联支路中均存在一个耗能回路；
所述高速机械开关的作用是在发生短路故障后改变电路结构，将原来并联支路转变为串联支路。此外，高速机械开关存在于相邻两个并联支路的中间，左右依次放置。
进一步，所述的断路器的并联支路个数为N(N＝3，5，7…)；所述断路器的高速机械开关的个数为(N-1)；所述的IGBT阀组和耗能回路的个数均为N；故障电流限流能力强，当UFD断开时，故障电流降为1/N。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
采用二极管桥结构实现双向导通，不仅可以减少IGBT的使用，降低成本，还可以使断路器具有双向导通电流的功能；故障发生后，可通过断开高速机械开关将支路由并联变为串联，从而将所有支路的IGBT串联起来，以承受电源电压。因此，可以大大减少IGBT的数量，降低成本；故障电流限流能力强，当高速机械开关断开时，故障电流降为1/N(N为支路数)。与传统断路器相比，在高压电网中具有更好的经济性。
附图说明
图1为本发明的限流型混合直流断路器拓扑图；
图2为本发明的断路器正常工作电流流向图；
图3为本发明的断路器故障检测阶段电流流向图；
图4为本发明的断路器换流阶段电流流向图；
图5为本发明的断路器IGBT工作阶段电流流向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
所述限流型混合直流断路器拓扑图如说明书附图1所示，所提限流型混合直流断路器拓扑1主要包括IGBT阀组11、耗能回路12和高速机械开关13。IGBT阀组包括数个串联的IGBT和由四个二极管组成的二极管整流桥，该结构的功能是切断故障电流；限流电感(L1、L2、L3)负责限制短路电流的上升速率；能量耗散电阻(Rd)和反向二极管(D)与电感并联，在断路器切断故障电流后消耗电感中剩余的能量；高速机械开关的作用是在发生短路故障后改变电路结构，将原来并联支路转变为串联支路。
更具体的是，所述的限流型混合直流断路器工作原理如下所示：
发生短路故障后，限流型混合式直流断路器的分断时序为：t1时刻为短路故障发生时刻；t2时刻高速机械开关接收到断开信号；t3时刻高速机械开关完全断开，各IGBT阀组由并联变为串联；t4时刻给IGBT发送关断信号，切除故障电流。
1)正常工作阶段(t0-t1)
所述断路器正常工作电流流向图如说明书附图2所示，R0、R1、Rs、R2分别为线电阻、IGBT电阻、负载电阻、高速机械开关电阻。系统电流设置为I，各支路电流分别设为IL1、IL2、IL3，直流电源电压设为Udc。t0-t1期间，系统电流I可表示为(1):
Figure BDA0003161477950000031
式中R为三个桥臂支路的等效电阻，可表示为(2)
Figure BDA0003161477950000032
各支路电流可由(3)计算。
Figure BDA0003161477950000033
高速机械开关的电阻很小，如果忽略R2，三个支路的电流近似相等。
2)故障检测阶段(t1-t2)
所述断路器故障检测阶段电流流向图如说明书附图3所示，假设在t1时发生短路故障。不同的故障检测设备，会有数百微秒到毫秒的延迟时间来进行故障检测。
根据图3列出相应的KVL方程，如下(4)式所示:
Figure BDA0003161477950000034
其中L＝L1＝L2＝L3，为简化式(4)，用Re和Rq代替部分系数。
Figure BDA0003161477950000035
Figure BDA0003161477950000036
简化结果可表示为(7):
Figure BDA0003161477950000037
解式(7)可得:
Figure BDA0003161477950000038
式中τ＝LRq/Re，IN为额定电流。
3)换流阶段(t2-t3)
所述断路器换流阶段电流流向图如说明书附图4所示，关断信号在t2时送至高速机械开关，电流换相开始。电容充电方程可表示为(9):
Figure BDA0003161477950000041
其中UC1和UC2分别代表左右电容的电压。
在高速机械开关断开的过程中，系统电流连续给高速机械开关中的并联电容充电。当电容的反向电压达到一定值时，串联在电容上的晶闸管断开，此时可视为整流结束。此外，电容C在充电过程中会产生反向电压，可在一定程度上限制短路电流的增长。
4)IGBT工作阶段(t3-t4)
所述断路器IGBT工作阶段电流流向图如说明书附图5所示，当高速机械开关在t3时完全断开，并联的三个支路同时串联，KVL方程为(10):
Figure BDA0003161477950000042
解式(10)可得:
Figure BDA0003161477950000043
式中τ1是3L/(R0+3R1)，It3为t3时的系统电流值。
由于流过电感的电流不能突然变化，当三个支路由并联变为串联时，系统电流会降低到原来的1/3，这进一步体现了断路器的限流作用。值得注意的是，虽然前面的讨论是在三个支路的情况下进行的，但本文提出的断路器可以有三个以上的任意奇数分支。
断路器开断电压为Udc，短路电流峰值为Ipeak,IGBT可承受的关断电压为u，可承受的峰值电流为i1。那么，本文所提出的断路器所需IGBT数量可由下(12)得到。
Figure BDA0003161477950000044
所需二极管数量如式(13)所示。
Figure BDA0003161477950000045
两种断路器使用相同数量的二极管，传统混合直流断路器所需IGBT数量如式(14)所示。
Figure BDA0003161477950000046
从(12)-(14)可以看出，本发明提出的断路器与传统混合直流断路器相比，随着电压水平的提高，虽使用的二极管数量是相同的，但可以节省更多的IGBT。综上所述，本发明提出的断路器可以显著降低IGBT的数量，进而节约成本。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种基于高速机械开关的限流型混合直流断路器，其特征在于：所述断路器包括IGBT阀组、耗能回路和高速机械开关。
所述IGBT阀组包括数个串联的IGBT和由四个二极管组成的二极管整流桥，串联IGBT的个数由拓扑并联的支路数、开断电压的大小以及IGBT的型号来决定，该结构的功能是实现电流双相传导和切断故障电流；
所述耗能回路包括能量耗散电阻(Rd)、反向二极管(D)与限流电感，限流电感(L1、L2、L3)负责限制短路电流的上升速率，能量耗散电阻(Rd)和反向二极管(D)串联后与限流电感并联，在断路器切断故障电流后消耗电感中剩余的能量。此外，在每个并联支路中均存在一个耗能回路；
所述高速机械开关存在于相邻两个并联支路的中间，左右依次放置。高速机械开关的作用是在发生短路故障后改变电路结构，将原来并联支路转变为串联支路。
2.根据权利要求1所述的一种基于高速机械开关的限流型混合直流断路器，其特征在于：
所述的断路器的并联支路个数为N(N＝3，5，7…)；所述断路器的高速机械开关的个数为(N-1)；所述的IGBT阀组和耗能回路的个数均为N；故障电流限流能力强，当UFD断开时，故障电流降为1/N。
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