CN113725831A - 一种经济型机械式高压直流断路器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种经济型机械式高压直流断路器，包括：主断路器单元，包括若干个快速机械开关CB，若干个快速机械开关CB用于对应串联连接在直流输电系统中的输电线路上，以使每个快速机械开关CB分断其所在输电线路上的故障电流；换流单元，包括振荡电路和辅助开断电路，振荡电路与辅助开断电路串联后与多个快速机械开关CB并联，振荡电路用于为发生短路故障输电线路上的快速机械开关CB提供电流过零点；辅助开断电路包括IGCT管和晶闸管T2，用于控制振荡电路的投入时间以及其中电流的开断；吸能单元，用于吸能和限制过电压。本发明采用半控型器件代替全控型器件，实现了故障电流的分断和重合闸功能，可有效降低断路器整机的造价，具备一定的经济性优势。

Description

一种经济型机械式高压直流断路器
技术领域
本发明属于直流断路器领域，更具体地，涉及一种经济型机械式高压直流断路器。
背景技术
近年来，随着柔性直流输电技术与多端直流电网的快速发展，作为直流输电系统中重要的控制与保护设备，直流断路器成为研究热点。目前的直流断路器主要可分为全固态式、混合式与机械式直流断路器，相较于混合式和固态式直流断路器，机械式直流断路器因其体积小，成本低等经济优势在直流输电系统有着广泛的应用。
目前，机械式直流断路器主要由高速机械开关、LC转移支路和吸能支路并联组成，其中，LC转移支路通常采用多个IGBT等全控器件开断电流，存在造价高的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种经济型机械式高压直流断路器，旨在解决现有技术中直流断路器造价高的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种经济型机械式高压直流断路器，应用于直流输电系统中，包括：
主断路器单元，包括若干个快速机械开关CB，所述快速机械开关CB的数量与所述直流输电系统中的输电线路数量相同，若干个所述快速机械开关CB用于对应串联连接在所述直流输电系统中的输电线路上，以使每个所述快速机械开关CB分断其所在输电线路上的故障电流；
换流单元，包括振荡电路和辅助开断电路，所述振荡电路与所述辅助开断电路串联后与多个所述快速机械开关CB并联，所述振荡电路用于为发生短路故障输电线路上的快速机械开关CB提供电流过零点；所述辅助开断电路包括IGCT管和晶闸管T2，用于控制所述振荡电路的投入时间以及所述振荡电路中电流的开断；
吸能单元，与所述换流单元并联，用于吸能和限制过电压。
在其中一个实施例中，所述振荡电路包括振荡电容C、振荡电感L、晶闸管T1、电阻R1、充电电容C1和整流电源，所述振荡电容C的一端与若干个所述快速机械开关CB的一端相连，所述振荡电容C的另一端分别与所述晶闸管T1的阴极、所述振荡电感L的一端相连，所述晶闸管T1的阳极依次通过所述电阻R1、所述充电电容C1与所述振荡电容C的一端相连，所述整流电源并联在所述充电电容C1的两端。
在其中一个实施例中，所述辅助开断电路还包括缓冲电阻R2和缓冲电容C2，所述IGCT管的集电极分别与所述振荡电感L的另一端、所述缓冲电阻R2的一端、所述缓冲电容C2的一端相连，所述IGCT管的发射极与所述晶闸管T2的阳极相连，所述晶闸管T2的阴极分别与所述缓冲电阻R2的另一端、所述缓冲电容C2的另一端、若干个所述快速机械开关CB的另一端相连。
在其中一个实施例中，所述吸能单元，包括避雷器MOV，所述避雷器MOV与所述换流单元并联。
在其中一个实施例中，还包括整流单元，所述整流单元包括二极管D1～D4和电感L1～L4，所述振荡电感L的另一端依次通过二极管D1、电感L1与所述IGCT管的集电极相连，若干个所述快速机械开关CB的另一端依次通过二极管D2、电感L2与所述IGCT管的集电极相连；所述晶闸管T2的阴极依次通过电感L3、二极管D3与所述振荡电感L的另一端相连；所述晶闸管T2的阴极依次通过电感L4、电容D4与若干个所述快速机械开关CB的另一端相连。
在其中一个实施例中，当检测到所述直流输电系统发生短路故障时，令发生短路故障输电线路上的快速机械开关CB开始分断；当所述快速机械开关CB分断到一定开距时，控制所述辅助开断电路中的IGCT管导通，为所述快速机械开关CB提供电流过零点；当所述快速机械开关CB分断后，控制故障电流转移至所述振荡电路和所述辅助开断电路所在的支路，当所述振荡电路中的振荡电容C极性发生翻转时，控制所述IGCT管关断；当所述振荡电容C的电压达到所述避雷器MOV的动作电压时，所述避雷器MOV动作，开始吸能并限制系统过电压。
在其中一个实施例中，当故障切除后，控制所述晶闸管T1导通，所述充电电容C1为所述振荡电容C充电；当所述振荡电容C充电完成后，断路器为下一次故障做准备。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)本发明提供的经济型机械式高压直流断路器，采用全控器件IGCT来切除小电流，采用晶闸管T2耐受过电压，可显著降低辅助开断电路的造价，具备一定的经济性优势。
(2)本发明提供的经济型机械式高压直流断路器，创新开发了振荡电容C的快速充电技术，第一次开断后，能快速补充振荡电容C能量，在重合闸前完成第二次开断准备，使断路器具备重合闸的功能。
附图说明
图1为本发明提供的经济型机械式高压直流断路器的原理框图；
图2为本发明一实施例中经济型机械式高压直流断路器的具体电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为解决现有技术中直流断路器开断可靠性低、重合闸困难和造价高的问题，本发明提供了一种经济型机械式高压直流断路器，可应用于直流输电系统中，可以是单端直流输电系统，也可以是多端直流输电系统。
图1和图2分别是本发明提供的经济型机械式高压直流断路器的原理框图和具体电路图，由图1和图2可知，本发明提供的高压直流断路器包括主断路器单元100、换流单元200和吸能单元300。
其中，本发明提供的主断路器单元100，包括若干个快速机械开关CB，若干个快速机械开关CB的数量根据应用的直流输电系统中输电线路的条数进行相应选择，若干个快速机械开关CB用于对应串联连接在直流输电系统中的输电线路上，以使每个快速机械开关CB分断其所在输电线路上的故障电流。
本发明提供的换流单元200，包括振荡电路210和辅助开断电路220，振荡电路210与辅助开断电路220串联后与多个快速机械开关CB并联，振荡电路210用于为发生短路故障输电线路上的快速机械开关CB提供电流过零点，辅助该快速机械开关CB分断；辅助开断电路220包括IGCT管和晶闸管T2，用于控制振荡电路210的投入时间以及振荡电路210中电流的开断。
具体地，振荡电路210包括振荡电容C、振荡电感L、晶闸管T1、电阻R1、充电电容C1和整流电源，振荡电容C的一端与若干个快速机械开关CB的一端相连，振荡电容C的另一端分别与晶闸管T1的阴极、振荡电感L的一端相连，晶闸管T1的阳极依次通过电阻R1、充电电容C1与振荡电容C的一端相连，整流电源并联在充电电容C1的两端。
辅助开断电路还包括缓冲电阻R2和缓冲电容C2，IGCT管的集电极分别与振荡电感L的另一端、缓冲电阻R2的一端、缓冲电容C2的一端相连，IGCT管的发射极与晶闸管T2的阳极相连，晶闸管T2的阴极分别与缓冲电阻R2的另一端、缓冲电容C2的另一端、若干个快速机械开关CB的另一端相连。缓冲电容C2和缓存电阻R2用于限制IGCT关断后的电压，确保IGCT管不需要大量串联。
本发明提供的吸能单元300，与换流单元200并联，用于吸能和限制过电压，保护器件。具体地，吸能单元300可采用避雷器MOV。
进一步地，本发明提供的经济型机械式高压直流断路器，还包括整流单元，整流单元具体包括二极管D1～D4和电感L1～L4，振荡电感L的另一端依次通过二极管D1、电感L1与IGCT管的集电极相连，若干个快速机械开关CB的另一端依次通过二极管D2、电感L2与IGCT管的集电极相连；晶闸管T2的阴极依次通过电感L3、二极管D3与振荡电感L的另一端相连；晶闸管T2的阴极依次通过电感L4、电容D4与若干个快速机械开关CB的另一端相连。
针对上述提供的经济型机械式高压直流断路器拓扑结构，本发明对应提供的控制方法如下：
当检测到直流输电系统中某个输电线路发生短路故障时，令发生故障的输电线路上的发生快速机械开关CB开始分断，当CB分断达到一定开距后，控制晶闸管T2和IGCT管导通，振荡电容C和振荡电感L振荡，为该快速机械开关CB提供电流过零点；随后该快速机械开关CB成功分断，故障电流转移到振荡电路210和辅助开断电路220所在的支路，电源侧将对振荡电容C充电，由于电容充电效应(即电容产生的反向电压阻断故障电流，但随着电容电压上升，电源侧给电容的充电电流逐渐减小)，导致电流衰减到无电流(150mA)时间较长，如果不采取其他关断措施，将难以实现重合闸的需求。
因此该快速机械开关CB分断成功后需断开振荡电容C，本方案利用少量IGCT管串联去关断小电流，并利用缓冲电容C2以及缓冲电阻R2来限制IGCT管两端的电压，当IGCT管切除小电流后，晶闸管T2将在短期内成功关断，并耐受电压。由于晶闸管等半控型器件的造价远低于IGBT等全控型器件的造价，本方案利用IGCT来切除电流，利用晶闸管来耐受电压，可显著降低辅助开断电路的造价，具备一定的经济性优势。需要说明的是，IGCT管作为关断电流的器件，晶闸管T2作为耐压器件，其数量无限制，采用IGCT管是因为IGCT管在通过大电流和关断小电流方面相较于其他全控型器件具备一定的经济优势。
当振荡电容C的电压达到避雷器MOV的动作电压时，避雷器MOV动作，开始吸能并限制系统过电压，随后故障电流清除完成。当故障切除后，导通晶闸管T1，充电电容C1为振荡电容C充电，振荡电容充电时间短，当振荡电容C充电完成后，断路器可再次分断故障电流，具备重合闸功能。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)本发明提供的经济型机械式高压直流断路器，采用全控器件IGCT来切除小电流，采用晶闸管T2耐受过电压，可显著降低辅助开断电路的造价，具备一定的经济性优势。
(2)本发明提供的经济型机械式高压直流断路器，创新开发了振荡电容C的快速充电技术，第一次开断后，能快速补充振荡电容C能量，在重合闸前完成第二次开断准备，使断路器具备重合闸的功能。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种经济型机械式高压直流断路器，应用于直流输电系统中，其特征在于，包括：
主断路器单元，包括若干个快速机械开关CB，所述快速机械开关CB的数量与所述直流输电系统中的输电线路数量相同，若干个所述快速机械开关CB用于对应串联连接在所述直流输电系统中的输电线路上，以使每个所述快速机械开关CB分断其所在输电线路上的故障电流；
换流单元，包括振荡电路和辅助开断电路，所述振荡电路与所述辅助开断电路串联后与多个所述快速机械开关CB并联，所述振荡电路用于为发生短路故障输电线路上的快速机械开关CB提供电流过零点；所述辅助开断电路包括IGCT管和晶闸管T2，用于控制所述振荡电路的投入时间以及所述振荡电路中电流的开断；
吸能单元，与所述换流单元并联，用于吸能和限制过电压。
2.根据权利要求1所述的经济型机械式高压直流断路器，其特征在于，所述振荡电路包括振荡电容C、振荡电感L、晶闸管T1、电阻R1、充电电容C1和整流电源，所述振荡电容C的一端与若干个所述快速机械开关CB的一端相连，所述振荡电容C的另一端分别与所述晶闸管T1的阴极、所述振荡电感L的一端相连，所述晶闸管T1的阳极依次通过所述电阻R1、所述充电电容C1与所述振荡电容C的一端相连，所述整流电源并联在所述充电电容C1的两端。
3.根据权利要求2所述的经济型机械式高压直流断路器，其特征在于，所述辅助开断电路还包括缓冲电阻R2和缓冲电容C2，所述IGCT管的集电极分别与所述振荡电感L的另一端、所述缓冲电阻R2的一端、所述缓冲电容C2的一端相连，所述IGCT管的发射极与所述晶闸管T2的阳极相连，所述晶闸管T2的阴极分别与所述缓冲电阻R2的另一端、所述缓冲电容C2的另一端、若干个所述快速机械开关CB的另一端相连。
4.根据权利要求3所述的经济型机械式高压直流断路器，其特征在于，所述吸能单元，包括避雷器MOV，所述避雷器MOV与所述换流单元并联。
5.根据权利要求4所述的经济型机械式高压直流断路器，其特征在于，还包括整流单元，所述整流单元包括二极管D1～D4和电感L1～L4，所述振荡电感L的另一端依次通过二极管D1、电感L1与所述IGCT管的集电极相连，若干个所述快速机械开关CB的另一端依次通过二极管D2、电感L2与所述IGCT管的集电极相连；所述晶闸管T2的阴极依次通过电感L3、二极管D3与所述振荡电感L的另一端相连；所述晶闸管T2的阴极依次通过电感L4、电容D4与若干个所述快速机械开关CB的另一端相连。
6.根据权利要求4或5所述的经济型机械式高压直流断路器，其特征在于，当检测到所述直流输电系统发生短路故障时，令发生短路故障输电线路上的快速机械开关CB开始分断；当所述快速机械开关CB分断到一定开距时，控制所述辅助开断电路中的IGCT管导通，为所述快速机械开关CB提供电流过零点；当所述快速机械开关CB分断后，控制故障电流转移至所述振荡电路和所述辅助开断电路所在的支路，当所述振荡电路中的振荡电容C极性发生翻转时，控制所述IGCT管关断；当所述振荡电容C的电压达到所述避雷器MOV的动作电压时，所述避雷器MOV动作，开始吸能并限制系统过电压。
7.根据权利要求6所述的经济型机械式高压直流断路器，其特征在于，当故障切除后，控制所述晶闸管T1导通，所述充电电容C1为所述振荡电容C充电；当所述振荡电容C充电完成后，为下一次故障做准备。
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