CN113824083B - 一种具备自适应重合闸的混合式直流断路器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具备自适应重合闸的混合式直流断路器，包括：主通流支路、转移支路、分断支路、预充电支路，其中：主通流支路；转移支路；分断支路，与转移支路并联，由三条并联支路组成，其中支路一设有电容与三组晶闸管，晶闸管组一和晶闸管组二反向并联之后与电容和晶闸管组三依次串联；支路二设有电容和两组与支路一反向的晶闸管，晶闸管组一、电容、晶闸管组二依次串联；支路一的电容与支路一的晶闸管组二相连的一端设为A端，支路二的电容与支路二的晶闸管组二相连的一端设为B端，支路二的电容的另一端设为C端，A端和B端也相连；支路三设有金属氧化物避雷器MOA；预充电支路，一端与分断支路中支路二的电容的C端相连，另一端接地。

Description

一种具备自适应重合闸的混合式直流断路器
技术领域
本发明涉及电路装置领域，具体涉及一种具备自适应重合闸的新型混合式直流断路器。
背景技术
高压直流输电技术是解决我国能源供需逆向分布的重要技术手段，随着电力电子技术的快速发展，基于模块化多电平换流的柔性直流电网在波形质量、扩展性、新能源并网等方面具有明显优势，得到广泛关注。但直流电网是一个低阻抗系统，直流侧发生故障后，系统内储能元件向故障点快速放电，几ms内便可达到额定电流的几十倍，严重危及直流电网的安全，需及时将故障隔离。
采用直流断路器是实现直流故障隔离的主流方案之一。但大多直流断路器采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为开关元件，导致成本极高。部分直流断路器采用晶闸管作为开关元件，并与充电电容配合实现电路的切换，对于断路器中电容充电，目前常用方法是为每个电容单独配置充电装置，导致断路器成本上升，体积增大。此外，目前直流断路器大多不具备自适应重合闸能力，若盲目重合闸，会导致重合于永久故障时，对直流电网造成二次冲击。
发明内容
本发明的目的是提供具备自适应重合闸的新型混合式直流断路器，通过使用晶闸管代替IGBT，利用直流系统对断路器内电容进行充电，降低直流断路器成本；并基于此种断路器提出一种自适应重合闸方案，为直流断路器大规模使用奠定基础。技术方案如下：
一种具备自适应重合闸的混合式直流断路器，包括：主通流支路、转移支路、分断支路、预充电支路，其中：
所述主通流支路，第一端与第一直流电接口连接，第二端与第二直流电接口连接；所述主通流支路设有快速机械开关UFD一组，可控电力电子辅助开关LCS一组，且二者以串联形式连接；
所述转移支路，与主通流支路并联；所述转移支路由两条并联支路组成，其中支路一设有一组晶闸管，支路二设有一组与支路一反向的晶闸管。
所述分断支路，与转移支路并联；所述分断支路由三条并联支路组成，其中支路一设有电容与三组晶闸管，晶闸管组一和晶闸管组二反向并联之后与电容和晶闸管组三依次串联；支路二设有电容和两组与支路一反向的晶闸管，晶闸管组一、电容、晶闸管组二依次串联；支路一的电容与支路一的晶闸管组二相连的一端设为A端，支路二的电容与支路二的晶闸管组二相连的一端设为B端，支路二的电容的另一端设为C端，A端和B端也相连；支路三设有金属氧化物避雷器MOA。
所述预充电支路，一端与分断支路中支路二的电容的C端相连，另一端接地；所述预充电支路包括电阻和一组晶闸管，且二者以串联形式连接。
所述的混合式直流断路器，工作方法如下：
预充电方法：在直流电网正常工作时，触发预充电支路中的晶闸管以及分断支路中支路一的晶闸管组二，通过直流电网对断路器中的电容进行预充电。
故障分断方法：当断路器收到跳闸指令后，先关断主通流支路中的UFD和LCS，触发转移支路中的晶闸管，电流转移到转移支路中；在UFD打开至额定开距后，触发分断支路的支路一中的一组晶闸管和支路二的晶闸管组，分别位于两个支路的两个电容提供的反压使转移支路中的晶闸管关断，电流转移到分断支路中；电容放完电后进行充电，当充电至MOA的动作电压后，电流转移到分断支路中的支路三，MOA投入分断故障。
自适应重合闸方法：在完成故障分断后，触发预充电支路中的晶闸管以及分断支路中支路一的晶闸管组三；此时若故障仍然存在，则分断支路中支路二的电容中流过电流，判定故障性质为永久故障，不进行重合闸；若此时故障已经消失，则该电容不流过电流，判定故障性质为瞬时故障，进行重合闸。
与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
1、该断路器通过电容的充放电配合晶闸管进行电路状态的切换，能够实现故障电流的双向切断，原理简单，在直流电网中表现出良好的适用性。
2、该断路器在不添加额外设备的基础上可实现预充电和自适应重合闸功能，扩展了断路器功能的同时不会增加成本。
3、采用晶闸管代替IGBT，一方面在保证性能的前提下，断路器成本得到很好的控制，经济性良好，另一方面降低了开关器件串并联的难度，为断路器大规模应用奠定良好基础。
附图说明
图1为本发明一种具备自适应重合闸的新型混合式直流断路器示意图；
图2为本发明一种具备自适应重合闸的新型混合式直流断路器正常运行回路；
图3为本发明一种具备自适应重合闸的新型混合式直流断路器各工作阶段回路。(a)为本发明一种具备自适应重合闸的新型混合式直流断路器预充电回路；(b)为本发明一种具备自适应重合闸的新型混合式直流断路器换流回路；(c)为本发明一种具备自适应重合闸的新型混合式直流断路器预备分断回路；(d)为本发明一种具备自适应重合闸的新型混合式直流断路器分断回路；
图4为本发明一种具备自适应重合闸的新型混合式直流断路器自适应重合闸判定回路。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。
图1，为本发明一种具备自适应重合闸的新型混合式直流断路器示意图，为实现故障双向分断，断路器中各元件均进行了双向配置。
图2，为本发明一种具备自适应重合闸的新型混合式直流断路器正常运行回路，图中虚线表示电流路径，直流系统正常工作时快速机械开关UFD闭合，持续触发可控电力电子辅助开关发LCS使其导通。
图3(a-d)为断路器右侧直流线路发生短路故障后，基于晶闸管的新型混合式直流断路器的各工作阶段回路，图中虚线表示电流路径。
预充电阶段如图3(a)所示，对断路器中电容进行预充电时，触发T3’和T7，则C1和C2串联，直流系统对电容进行充电，充电电流路径如图中回路2所示。充电完成后，回路2中电流衰减为0，晶闸管组T3’和T7自然关断。
换流阶段如图3(b)所示，直流侧发生故障后，故障电流快速上升，系统检测到故障，向断路器发出跳闸指令。触发T1，关断LCS与UFD，电流换流至转移支路。在电流换流至转移支路后，停止各晶闸管的触发。
预备分断阶段如图3(c)所示，在UFD达到额定开距后，触发T5与T6，由于经过预充电，C2的电压为右正左负，所以T1将因承受反向电压而被迫关断，电流转移到C2支路中。C2投入后先进行放电，放电期间T1都承受反压，因此可保证其可靠关断。之后C2进行反向充电。
分断阶段如图3(d)所示，C2反向充电至MOA动作电压，MOA投入分断故障，故障电流开始衰减直至为0，故障分断完成，回路中晶闸管自动关断。
自适应重合闸判定阶段如图4所示，故障分断后，将C1中的能量泄放。在经过充分的去游离后，断路器进入重合闸阶段，需要判断故障性质。触发T4和T7，由于C2经过反向充电，此时若故障仍存在，C2将通过图4所示路径放电，此回路中因此存在较大的电流，用ir表示。若此时故障已经消失，则此放电回路不存在，回路中电流ir近似为0。据此，可以设置阈值Iv，若回路中电流大于阈值，则为永久故障，不进行重合闸；若小于阈值，则为瞬时性故障，进行重合闸。
总之，本发明的技术方案如下：
本发明的具备自适应重合闸的新型混合式直流断路器，包括：主通流支路、转移支路、分断支路、预充电支路，其中：
所述主通流支路，第一端与第一直流电接口连接，第二端与第二直流电接口连接；具体的，所述主通流支路设有快速机械开关(UFD)一组，可控电力电子辅助开关(LCS)一组，且二者以串联形式连接；
所述转移支路，与主通流支路并联；具体的，所述转移支路由两条并联支路组成，其中支路一设有一组晶闸管，支路二设有一组与支路一反向的晶闸管。
所述分断支路，与转移支路并联；具体的，所述分断支路由三条并联支路组成，其中支路一设有电容与三组晶闸管，晶闸管组一和晶闸管组二反向并联之后与电容和晶闸管组三依次串联；支路二设有电容和两组与支路一反向的晶闸管，晶闸管组一、电容、晶闸管组二依次串联，支路一和支路二的电容右侧相连；支路三设有金属氧化物避雷器(MOA)。
所述预充电支路，一端与分断支路中支路二的电容左侧相连，另一端接地；具体的，所述预充电支路由电阻和一组晶闸管组成，且二者以串联形式连接。
所述直流断路器的工作方法如下：
预充电方法：在直流电网正常工作时，触发预充电支路中的晶闸管以及分断支路中支路一的晶闸管组二，通过直流电网对断路器中的电容进行预充电。
故障分断方法：当断路器收到保护系统发出的跳闸指令后，先关断主通流支路中的UFD和LCS，触发转移支路中的晶闸管，电流转移到转移支路中；在UFD打开至额定开距后，触发分断支路中的晶闸管，电容提供的反压使转移支路中的晶闸管关断，电流转移到分断支路中；电容放完电后进行充电，当充电至MOA的动作电压后，电流转移到分断支路中的支路三，MOA投入分断故障。
自适应重合闸方法：在完成故障分断后，触发预充电支路中的晶闸管以及分断支路中支路一的晶闸管组三。此时若故障仍然存在，则分断支路中支路二的电容中流过一定电流，判定故障性质为永久故障，不进行重合闸；若此时故障已经消失，则该电容不流过电流，判定故障性质为瞬时故障，进行重合闸。

Claims (3)

1.一种具备自适应重合闸的混合式直流断路器，包括：主通流支路、转移支路、分断支路、预充电支路，其中：
所述主通流支路，第一端与第一直流电接口连接，第二端与第二直流电接口连接；所述主通流支路设有快速机械开关UFD一组，可控电力电子辅助开关LCS一组，且二者以串联形式连接；
所述转移支路，与主通流支路并联；所述转移支路由两条并联支路组成，其中支路一设有一组晶闸管，支路二设有一组与支路一反向的晶闸管；
所述分断支路，与转移支路并联；包括三条并联支路，其中，支路一设有电容与三组晶闸管，晶闸管组一和晶闸管组二反向并联之后与电容和晶闸管组三依次串联；支路二设有电容和两组与支路一反向的晶闸管，晶闸管组一、电容、晶闸管组二依次串联；支路一的电容与支路一的晶闸管组三相连的一端设为A端，支路二的电容与支路二的晶闸管组二相连的一端设为B端，支路二的电容的另一端设为C端，A端和B端也相连；支路三设有金属氧化物避雷器MOA；
所述预充电支路，一端与分断支路中支路二的电容的C端相连，另一端接地。
2.根据权利要求1所述的混合式直流断路器，其特征在于，所述预充电支路包括电阻和一组晶闸管，且二者以串联形式连接。
3.根据权利要求2所述的混合式直流断路器，其特征在于，工作方法如下：
预充电方法：在直流电网正常工作时，触发预充电支路中的晶闸管以及分断支路中支路一的晶闸管组二，通过直流电网对断路器中的电容进行预充电；
故障分断方法：当断路器收到跳闸指令后，先关断主通流支路中的UFD和LCS，触发转移支路中的支路一中的晶闸管，电流转移到转移支路中；在UFD打开至额定开距后；在UFD打开至额定开距后，触发分断支路的支路二中的晶闸管组一和组二，位于支路二的电容提供的反压使转移支路中的晶闸管关断，电流转移到分断支路中；支路二中的电容放完电后进行充电，当充电至MOA的动作电压后，电流转移到分断支路中的支路三，MOA投入分断故障；
自适应重合闸方法：在完成故障分断后，触发预充电支路中的晶闸管以及分断支路中支路一的晶闸管组三；此时若故障仍然存在，则分断支路中支路二的电容中流过电流，判定故障性质为永久故障，不进行重合闸；若此时故障已经消失，则该电容不流过电流，判定故障性质为瞬时故障，进行重合闸。
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