CN113852056A - 一种具备预限流功能的经济型直流断路器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具备预限流功能的经济型直流断路器及其控制方法。当电路中出现过电流时预先将限流回路投入，并根据故障检测结果决定切除故障线路或恢复正常运行，减少了系统的误动作，同时增加了系统的可靠性。震荡电路中的电容无需额外的预充电电路，降低了系统硬件成本，而且通流支路中无功率器件串入，降低了正常工作的损耗，增加了系统的经济性。本发明在直流输配电领域等场合有较好的使用价值和经济效益。

Description

一种具备预限流功能的经济型直流断路器及其控制方法

技术领域

本发明涉及直流输配电网领域，特别是涉及一种具备预限流功能的经济型直流断路器及其控制方法。

背景技术

电力系统中用于关合和开断电路的设备被称为开关电器。作为构建坚强可靠电力系统的安全卫士，开关电器分为断路器、隔离开关、熔断器、负荷开关等多种，其中，断路器用于正常工作和发生故障(如短路故障)时关合和开断电路，是开关电器中最重要、最昂贵、同时也是技术参数最复杂的一种开关设备。近二十年来，电力系统随着电压等级提高、输电容量增大、直流输电发展以及分布式能源的迅速发展，不同应用场景对开关电器的保护机制、开断电流、开断速度均提出新要求，应用于各种新场景的“现代开关电器”的设计及可靠性研究十分重要。

当前阶段，在市场当中出现许多型号类型各异的开关设备，其结构往往十分复杂，在技术应用方面更是呈现多样化。对此我们需要对开关设备在不同场景下的应用加强研究，充分了解各类设备的优点和不足，根据各场景的需求合理进行选择相应开关设备。随着直流断路器的发展，直流断路器主要可分为3类：固态式直流断路器、机械式直流断路器和混合式直流断路器。

固态式直流断路器直接利用全控型半导体器件关断电流可实现快速无弧开断，动作速度很快，但是负荷电流通路存在的大量半导体器件结构复杂，并且会使得固态直流断路器的导通损耗过大，需配备相应散热设备，过电压及过电流承受能力和电磁抗毁性较差。混合式直流断路器和机械式直流断路器是当前的主流研究方向，在光伏发电、大数据中心、轨道交通及核电等直流配电场景应用时，运维成本差距较大。为满足大电流开断需求，专利201711497845.6《一种直流电网用电容型混合直流断路器及其控制方法》、专利202011509071.6《基于限流器与断路器配合的直流故障快速开断电路》等所提及的混合直流断路器的通流支路通常由数个IGBT(实际工程中同一位置有多个IGBT，因此其数量很多)串并联后与快速机械开关串联而成，在柔直领域正常工作时会造成几十千瓦的功率损耗，而且需要专门的散热装置，另外由于IGBT性能参数的不一致性及微秒级的开关速度，难以确保开断过程中所有IGBT的开关同步性，虽采用复杂的控制手段可实现IGBT的同步分合，但将增加混合式断路器整机的复杂程度和硬件成本，导致服役周期内系统稳定性和可靠性下降。

尽管ABB等国际大型电力公司宣称突破了直流开断的百年难题，但国外先进技术垄断与标准壁垒仍是制约我国直流开断设备自主研发、标准破壁与建壁以及自主技术创新的关键瓶颈。开展直流输配电网故障基础理论与可靠开断关键问题研究，对打造安全、可靠、经济、清洁的“坚强智能电网”具有战略意义。

发明内容

为了提高多端直流电网在直流故障下的运行可靠性，同时降低对直流断路器分断电流能力的要求，本发明提出一种具备预限流功能的经济型直流断路器及其控制方法，以实现系统故障后能有效限制故障电流的上升速率及幅值，同时省去了额外的电容预充电电路，增加了系统的可靠性和经济性。

本发明的技术方案如下：

一种具备预限流功能的经济型直流断路器，包括通流支路、故障处理支路和预充电支路；其中，

通流支路由超快速机械开关UFD组成；故障处理支路由换流部分、限流部分和分断部分组成；预充电支路由限流电阻R和晶闸管T₁₁串联组成；

换流部分包括支路1、支路2、支路3、支路4和震荡支路；支路1由晶闸管组T₃与晶闸管组T₄反并联组成，支路2由晶闸管组T₇与晶闸管组T₈反并联组成，支路3由晶闸管组T₅与晶闸管组T₆反并联组成，支路4由晶闸管组T₉与晶闸管组T₁₀反并联组成，震荡支路由电感L₁和电容C₁串联构成。支路1与支路2串联连接后并联连接在超快速机械开关UFD两端，支路3与支路4串联连接后并联连接在超快速机械开关UFD两端。震荡支路的一端连接在支路1与支路2的连接点，另一端连接在支路3与支路4的连接点。避雷器MOA₁并联在震荡支路电容C₁两端；

限流部分包括支路0和限流电感L₀；支路0由晶闸管组T₁与晶闸管组T₂反并联组成，支路0和限流电感L₀串联连接；

分断部分由反向串并联的带有反并联二极管的IGBT组T₀与一个避雷器MOA₀并联组成；限流部分与分断部分串联连接后并联接在超快速机械开关UFD两端；

预充电支路中的晶闸管阴极与地相连，晶闸管阳极通过限流电阻R连接于支路3和支路4的连接点；震荡支路中的电感L₁的电感值和电容C₁的电容值由期望的震荡频率等优化目标决定；限流电感L₀的电感值由期望的限流效果决定；晶闸管数量由源侧电压等级和耐流值决定；避雷器MOA₀的额定电压由源侧电压和限流电感值共同决定，避雷器MOA₁的额定电压一般取源侧电压的1.2倍。

上述具备预限流功能的经济型直流断路器的控制方法包括以下流程：

假设系统正常运行时，电流从直流断路器的左侧流向右侧，短路故障发生在直流断路器的右端，将直流断路器左侧称为非故障侧或源侧，右侧称为故障侧；

阶段0(t₀-)：超快速机械开关UFD处于开路状态，向T₃和T₁₁施加触发信号，源侧向电容C₁充电，当电容电压等于源侧电压时，撤去施加的触发信号，预充电支路电流降至零，T₃和T₁₁实现自然关断；

阶段1(t₀)：合上超快速机械开关UFD，系统正常工作时电流流经通流支路；

阶段2(t₀-t₁)：t₁时刻，系统检测到电路电流异常时，向T₅、T₆、T₇和T₈施加触发信号，同时开始拉开超快速机械开关UFD，因有电弧的存在，UFD继续保持导通，并与震荡支路构成震荡回路，震荡支路中的电容C₁和电感L₁通过晶闸管在通流支路中产生震荡电流，当通流支路中的电流为零时，UFD实现无弧分断；

阶段3(t₁-t₂)：t₂时刻，UFD完成分断，向T₀和T₁施加触发信号，同时撤去向T₅、T₆、T₇和T₈施加的触发信号，源侧通过T₅和T₇向电容C₁反向充电，当电容C₁中的电压等于源侧电压时，T₅和T₇因电流过零而自然关断，电路中的电流全部转移至由限流部分和分断部分组成的支路；

阶段4(t₂-t₃)：t₃时刻，电路中的电流全部转移至由限流部分和分断部分组成的支路，限流电感L₀起到限流作用，限制了系统中电流的增长速度和故障切除时电流的幅值；

阶段5(t₃-t₄)：t₄时刻，故障检测完成，若确认发生故障，则向分断部分中的T₀发送关断信号，此时电流转移至MOA₀，因为MOA₀自身伏安特性会在故障线路中呈现很大的反向电压，从而实现故障电流切断，进入阶段7；若确认未发生故障，则闭合UFD，同时向T₀发送关断信号，此时，电流全部转移至通流支路，进入阶段6；

阶段6(t₄-t₅)：当未发生故障时，t₅时刻，电流全部转移至通流支路，向T₃和T₁₁施加触发信号，源侧给电容C₁充电，当电容电压等于源侧电压时，撤去施加的触发信号，预充电支路电流降至零，T₃和T₁₁实现自然关断；

阶段7(t₄-t₆)：当发生故障时，t₆时刻，系统完成故障电流切除，向T₃和T₁₁施加触发信号，源侧给电容C₁充电，当电容电压等于源侧电压时，撤去施加的触发信号，预充电支路电流降至零，T₃和T₁₁实现自然关断；

至此完成一个周期。

t₀-为未达到t₀的时刻；t₀为合上超快速机械开关UFD的时刻；t₁为系统检测到电路电流异常的时刻；t₂为UFD完成分断的时刻；t₃为电路中的电流全部转移至由限流部分和分断部分组成的支路；t₄为故障检测完成时刻；t₅为在故障检测完成后，电流再次全部转移至通流支路的时刻；t₆为在故障检测完成后，系统完成故障电流切除的时刻。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明为一种预限流型混合式直流断路器，设置的通流支路中仅有超快速机械开关UFD和现有的混合式断路器相比，省去了双向导通的IGBT组，这样既节约了成本(例如省去了双向导通IGBT组及其散热装置)，也降低了正常工作时的损耗(主要是IGBT组的损耗)；同时本发明中的故障处理支路利用LC震荡支路实现通流支路的关断代替通过关断通流支路上的IGBT组，将电流转移至故障处理支路的方式，增加了系统的可靠性。此外本发明通过由限流电阻R和晶闸管T11串联组成的简单的预充电支路直接进行预充电，省去了额外的电源和复杂的预充电电路。震荡电路中的电容无需额外的预充电电路，降低了系统硬件成本，而且通流支路中无功率器件串入，降低了系统的硬件成本和正常工作的损耗，增加了系统的经济性。

本发明控制方法中，当电路中出现过电流时预先将限流回路投入，并根据故障检测结果决定切除故障线路或恢复正常运行(即选择进行阶段7还是阶段6)，减少了系统的误动作，另外因为限流回路(限流部分)中电感的投入，限制了故障电流的增长速率，降低了切断时的电流幅值，同时增加了系统的可靠性。本发明在直流输配电领域等场合有较好的使用价值和经济效益。

附图说明

图1为具备预限流功能的经济型直流断路器拓扑示意图。

具体实施方式

以下结合附图详细描述本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

图1是本发明提出的具备预限流功能的经济型直流断路器拓扑，包括通流支路、故障处理支路和预充电支路；其中，

通流支路由超快速机械开关UFD组成；故障处理支路由换流部分、限流部分和分断部分组成；预充电支路由限流电阻R和晶闸管T₁₁串联组成；

换流部分包括支路1、支路2、支路3、支路4和震荡支路；支路1由晶闸管组T₃与晶闸管组T₄反并联组成，支路2由晶闸管组T₇与晶闸管组T₈反并联组成，支路3由晶闸管组T₅与晶闸管组T₆反并联组成，支路4由晶闸管组T₉与晶闸管组T₁₀反并联组成，震荡支路由电感L₁和电容C₁串联构成。支路1与支路2串联连接后并联连接在超快速机械开关UFD两端，支路3与支路4串联连接后并联连接在超快速机械开关UFD两端。震荡支路的一端连接在支路1与支路2的连接点，另一端连接在支路3与支路4的连接点；

限流部分包括支路0和限流电感L₀；支路0由晶闸管组T₁与晶闸管组T₂反并联组成，支路0和限流电感L₀串联连接；

分断部分由反向串并联的带有反并联二极管的IGBT组T₀与一个避雷器MOA₀并联组成；限流部分与分断部分串联连接后并联接在超快速机械开关UFD两端。

预充电支路中的晶闸管阴极与地相连，晶闸管阳极通过限流电阻R连接于支路3和支路4的连接点；震荡支路中的电感L₁的电感值和电容C₁的电容值由期望的震荡频率等优化目标决定；限流电感L₀的电感值由期望的限流效果决定；每个晶闸管组中晶闸管数量由源侧电压等级和耐流值决定；避雷器MOA₀的额定电压由源侧电压和限流电感值共同决定，震荡支路中MOA₁的额定电压一般为源侧电压的1.2倍；

具备预限流功能的经济型直流断路器的控制方法包括以下流程：

假设系统正常运行时，电流从直流断路器的左侧流向右侧，短路故障发生在直流断路器的右端，将直流断路器左侧称为非故障侧或源侧，右侧称为故障侧；

阶段0(t₀-)：超快速机械开关UFD处于开路状态，向T₃和T₁₁施加触发信号，源侧向电容C₁充电，当电容电压等于源侧电压时，撤去施加的触发信号，预充电支路电流降至零，T₃和T₁₁实现自然关断；

阶段1(t₀)：合上超快速机械开关UFD，系统正常工作时电流流经通流支路；

阶段2(t₀-t₁)：t₁时刻，系统检测到电路电流异常时，向T₅、T₆、T₇和T₈施加触发信号，同时开始拉开超快速机械开关UFD，因有电弧的存在，UFD继续保持导通，并与震荡支路构成震荡回路，震荡支路中的电容C₁和电感L₁通过晶闸管在通流支路中产生震荡电流，当通流支路中的电流为零时，UFD实现无弧分断；

阶段3(t₁-t₂)：t₂时刻，UFD完成分断，向T₀和T₁施加触发信号，同时撤去向T₅、T₆、T₇和T₈施加的触发信号，源侧通过T₅和T₇向电容C₁反向充电，当电容C₁中的电压等于源侧电压时，T₅和T₇因电流过零而自然关断，电路中的电流全部转移至由限流部分和分断部分组成的支路；

阶段4(t₂-t₃)：t₃时刻，电路中的电流全部转移至由限流部分和分断部分组成的支路，限流电感L₀起到限流作用；

阶段5(t₃-t₄)：t₄时刻，故障检测完成，若确认发生故障，则向分断部分中的T₀发送关断信号，此时电流转移至MOA₀，因为MOA₀自身伏安特性会在故障线路中呈现很大的反向电压，从而实现故障电流切断，进入阶段7；若确认未发生故障，则闭合UFD，同时向T₀发送关断信号，此时，电流全部转移至通流支路，进入阶段6；

阶段6(t₄-t₅)：当未发生故障时，t₅时刻，电流全部转移至通流支路，向T₃和T₁₁施加触发信号，源侧给电容C₁充电，当电容电压等于源侧电压时，撤去施加的触发信号，预充电支路电流降至零，T₃和T₁₁实现自然关断；

阶段7(t₄-t₆)：当发生故障时，t₆时刻，系统完成故障电流切除，向T₃和T₁₁施加触发信号，源侧给电容C₁充电，当电容电压等于源侧电压时，撤去施加的触发信号，预充电支路电流降至零，T₃和T₁₁实现自然关断；

至此完成一个周期。

本发明的预充电支路无开关器件，不需要引入额外的电源，本身能够为电路进行充电，避免额外增加的直流电源和复杂的预充电电路的引入，显著降低了成本，更加经济。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (7)

1.一种具备预限流功能的经济型直流断路器，包括通流支路、故障处理支路和预充电支路；其特征在于，

通流支路由超快速机械开关UFD组成；故障处理支路由换流部分、限流部分和分断部分组成；预充电支路由限流电阻R和晶闸管T₁₁串联组成；

所述换流部分包括支路1、支路2、支路3、支路4和震荡支路；支路1由晶闸管组T₃与晶闸管组T₄反并联组成，支路2由晶闸管组T₇与晶闸管组T₈反并联组成，支路3由晶闸管组T₅与晶闸管组T₆反并联组成，支路4由晶闸管组T₉与晶闸管组T₁₀反并联组成，震荡支路由电感L₁和电容C₁串联构成；支路1与支路2串联连接后并联连接在超快速机械开关UFD两端，支路3与支路4串联连接后并联连接在超快速机械开关UFD两端；震荡支路的一端连接在支路1与支路2的连接点，另一端连接在支路3与支路4的连接点；避雷器MOA₁并联在震荡支路电容C₁两端；

所述限流部分包括支路0和限流电感L₀；支路0由晶闸管组T₁与晶闸管组T₂反并联组成，支路0和限流电感L₀串联连接；

所述分断部分由反向串并联的带有反并联二极管的IGBT组T₀与一个避雷器MOA₀并联组成；

所述限流部分与分断部分串联连接后并联接在超快速机械开关UFD两端。

2.根据权利要求1所述的一种具备预限流功能的经济型直流断路器，其特征在于，预充电支路中的晶闸管阴极与地相连，晶闸管阳极通过限流电阻R连接于支路3和支路4的连接点。

3.根据权利要求1所述的一种具备预限流功能的经济型直流断路器，其特征在于，震荡支路中的电感L₁的电感值和电容C₁的电容值由期望的震荡频率优化目标决定。

4.根据权利要求1所述的一种具备预限流功能的经济型直流断路器，其特征在于，限流电感L₀的电感值由期望的限流效果决定。

5.根据权利要求1所述的一种具备预限流功能的经济型直流断路器，其特征在于，各组中晶闸管数量由源侧电压等级和相应的耐流值决定。

6.根据权利要求1所述的一种具备预限流功能的经济型直流断路器，其特征在于，避雷器MOA₀的额定电压由源侧电压和限流电感值共同决定，避雷器MOA₁的额定电压为源侧电压的1.2倍。

7.一种权利要求1所述的具备预限流功能的经济型直流断路器的控制方法，其特征在于，该方法包括以下流程：

假设系统正常运行时，电流从直流断路器的左侧流向右侧，短路故障发生在直流断路器的右端，将直流断路器左侧称为非故障侧或源侧，右侧称为故障侧；

阶段0(t₀-)：超快速机械开关UFD处于开路状态，向T₃和T₁₁施加触发信号，源侧向电容C₁充电，当电容电压等于源侧电压时，撤去施加的触发信号，预充电支路电流降至零，T₃和T₁₁实现自然关断；

阶段1(t₀)：合上超快速机械开关UFD，系统正常工作时电流流经通流支路；

阶段2(t₀-t₁)：t₁时刻，系统检测到电路电流异常时，向T₅、T₆、T₇和T₈施加触发信号，同时开始拉开超快速机械开关UFD，因有电弧的存在，UFD继续保持导通，并与震荡支路构成震荡回路，震荡支路中的电容C₁和电感L₁通过晶闸管在通流支路中产生震荡电流，当通流支路中的电流为零时，UFD实现无弧分断；

阶段3(t₁-t₂)：t₂时刻，UFD完成分断，向T₀和T₁施加触发信号，同时撤去向T₅、T₆、T₇和T₈施加的触发信号，源侧通过T₅和T₇向电容C₁反向充电，当电容C₁中的电压等于源侧电压时，T₅和T₇因电流过零而自然关断，电路中的电流全部转移至由限流部分和分断部分组成的支路；

阶段4(t₂-t₃)：t₃时刻，电路中的电流全部转移至由限流部分和分断部分组成的支路，限流电感L₀起到限流作用；

阶段5(t₃-t₄)：t₄时刻，故障检测完成，若确认发生故障，则向分断部分中的T₀发送关断信号，此时电流转移至MOA₀，因为MOA₀自身伏安特性会在故障线路中呈现很大的反向电压，从而实现故障电流切断，进入阶段7；若确认未发生故障，则闭合UFD，同时向T₀发送关断信号，此时，电流全部转移至通流支路，进入阶段6；

阶段6(t₄-t₅)：当未发生故障时，t₅时刻，电流全部转移至通流支路，向T₃和T₁₁施加触发信号，源侧给电容C₁充电，当电容电压等于源侧电压时，撤去施加的触发信号，预充电支路电流降至零，T₃和T₁₁实现自然关断；

阶段7(t₄-t₆)：当发生故障时，t₆时刻，系统完成故障电流切除，向T₃和T₁₁施加触发信号，源侧给电容C₁充电，当电容电压等于源侧电压时，撤去施加的触发信号，预充电支路电流降至零，T₃和T₁₁实现自然关断；

至此完成一个周期的控制。

Images