CN113922330A - 一种基于复合换流方式的发电机出口断路器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于复合换流方式的发电机出口断路器及其控制方法，所述发电机三相的出口处分别设有独立的单相断路器，所述单相断路器包括并联的主通流支路、转移支路和限压支路，所述主通流支路包括第一快速机械开关串联结构和第二快速机械开关串联结构，所述第一快速机械开关串联结构和所述第二快速机械开关串联结构串联；所述第一快速机械开关串联结构包括1个第一快速机械开关或由多个所述第一快速机械开关串联构成；所述第二快速机械开关串联结构包括1个第二快速机械开关或由多个所述第二快速机械开关串联构成。本发明的发电机出口断路器具有开断快速(1个交流周期以内)且可靠，可实现无弧开断，成本较低，寿命较长等优势。
Description
技术领域
本发明属于电力电子领域，特别涉及一种基于复合换流方式的发电机出口断路器及其控制方法。
背景技术
由于现有的发电机的电感值较系统相对要大，出口短路故障电流的瞬间直流分量和衰减时间常数均很大。若发电机源发生短路故障，可能会产生100ms以上的延时电流零点，因此要求发电机出口断路器(GCB)具有强迫短路电流尽快过零的性能，否则，长时间的短路电流可能导致发电机或主变压器受到损坏。
当前的发电机出口断路器具有进口设备价格高，而国产替代设备寿命短的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于复合换流方式的发电机出口断路器及其控制方法。
本发明的基于复合换流方式的发电机出口断路器，包括在发电机三相的出口处分别设立的单相断路器，所述单相断路器包括并联的主通流支路、转移支路和限压支路，
所述主通流支路包括第一快速机械开关串联结构和第二快速机械开关串联结构，所述第一快速机械开关串联结构和所述第二快速机械开关串联结构串联；
所述第一快速机械开关串联结构包括1个第一快速机械开关或由多个所述第一快速机械开关串联构成；
所述第二快速机械开关串联结构包括1个第二快速机械开关或由多个所述第二快速机械开关串联构成。
进一步，
所述第一快速机械开关的灭弧介质采用真空或SF6或环保气体。
进一步，
所述第二快速机械开关串联结构并联有第一转移支路，
所述第一转移支路包括双向固态开关模块串联结构，所述双向固态开关模块串联结构包括1个双向固态开关模块或由多个所述双向固态开关模块串联构成，所述双向固态开关模块串联结构并联有第一金属氧化物压敏电阻，所述双向固态开关模块中开关器件采用全控电力电子器件。
进一步，
所述全控电力电子器件采用绝缘栅双极型晶体管、集成门极换流晶闸管或栅极注入增强晶体管；
所述双向固态开关模块的双向拓扑结构采用反串联结构、全桥结构或二极管桥结构。
进一步，
所述转移支路为第二转移支路，所述第二转移支路包括开关模块和与所述开关模块串联的电容，所述电容并联有第二金属氧化物压敏电阻。
进一步，
所述开关模块为半控电力电子器件构成的串联结构，或全控电力电子器件构成的串联结构，或机械开关，
所述开关模块中的每一个半控电力电子器件或全控电力电子器件均并联有金属氧化物压敏电阻。
进一步，
所述半控电力电子器件为晶闸管，
所述全控电力电子器件为集成门极换流晶闸管。
进一步，
所述限压支路包括金属氧化物压敏电阻或包括由金属氧化物压敏电阻构成的串联结构。
本发明还提供一种基于复合换流方式的发电机出口断路器控制方法，用于控制上述的基于复合换流方式的发电机出口断路器，所述方法包括步骤：
当发电机出口发生短路故障且电流下降到一预期定值时，第二快速机械开关串联结构中第二快速机械开关首先动作燃弧，同时控制导通第一转移支路中双向固态开关模块串联结构，使得所述第二快速机械开关串联结构的总的弧压驱动故障电流从所述第二快速机械开关串联结构转移至所述第一转移支路，进行自然换流；
在所述自然换流之后，所述第二快速机械开关串联结构中第二快速机械开关的电流过零熄弧，随后，控制所述第二快速机械开关继续做分闸运动，待各所述第二快速机械开关的触头间隙能够承受所述第一转移支路的瞬态恢复电压后，关断所述第一转移支路中双向固态开关模块串联结构并导通第二转移支路中开关模块，故障电流由所述双向固态开关模块串联结构转移至所述双向固态开关模块串联结构并联的第一金属氧化物压敏电阻，使得电流被强迫从所述第一转移支路转移至所述第二转移支路即强迫换流，并给所述第二转移支路中电容充电。
进一步，包括步骤：
在所述强迫换流后，所述第一转移支路电流过零，此时控制所述第一快速机械开关串联结构中的第一快速机械开关刚分、并实现所述第一快速机械开关触头无弧分离，
随后，控制所述第一快速机械开关触头继续做分闸运动，同时控制所述第一快速机械开关触头的开距、以保证所述开距耐受所述触头间断口两端逐渐增大的电压。
进一步，包括步骤：
若第二转移支路中电容电压增大至所述电容并联的第二金属氧化物压敏电阻的阈值电压，使得电流从所述电容换流至所述第二金属氧化物压敏电阻并消耗故障能量，从而短路电流加速下降时，
若所述开关模块采用全控电力电子器件，则在所述第二转移支路的电流近零时主动关断所述开关模块；
若所述开关模块采用机械开关，则在所述第二转移支路的电流近零时提前分闸拉弧；
若所述开关模块采用晶闸管，则所述晶闸管在所述第二转移支路的电流过零时自动关断。
进一步，包括步骤：
正常工作时，控制所述第一转移支路和第二转移支路中开关器件不导通，使得线路电流经过所述主通流支路流通。
本发明的基于复合换流方式的发电机出口断路器具有开断快速(1个交流周期以内)且可靠，可实现无弧开断，成本较低，寿命较长等优势。本发明的出口断路器中，单相断路器可以保证其中的第一快速机械开关的无弧开断，极大增加了第一快速机械开关的电气寿命。所述单相断路器还保证了第二快速机械开关在熄弧后的介质恢复，消除了机械开关重击穿所导致的开断失败的风险。此外，由于第二快速机械开关的燃弧时间显著短于现有GCB方案，所以第二快速机械开关的电气寿命也得到显著提高。本发明可解决现有GCB方案中高直流分量短路电流开断的难题，保证了苛刻工况下开断的可靠性和较低的综合成本。
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复合换流方式的发电机出口断路器的单相断路器结构拓扑图。
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。
本发明的基于复合换流方式的发电机出口断路器由三个相互独立的单相断路器构成，所述三个相互独立的单相断路器分别接入所述发电机的三相中各相的出口处。所述单相断路器的拓扑结构如图1所示。图1中，IN和OUT分别为所述单相断路器的输入端和输出端。所述单相断路器包括在所述输入端和输出端之间并联的主通流支路、转移支路II(即第二转移支路)和限压支路。
所述单相断路器的主通流支路包括第一快速机械开关串联结构和第二快速机械开关串联结构，第一快速机械开关串联结构包括1个第一快速机械开关或由多个第一快速机械开关串联构成(即第一快速机械开关串联结构包括若干第一快速机械开关)；第二快速机械开关串联结构包括1个第二快速机械开关或由多个第二快速机械开关串联构成(即第二快速机械开关串联结构包括若干第二快速机械开关)，第一快速机械开关串联结构和第二快速机械开关串联结构串联构成主通流支路，具体地，所述第一快速机械开关的灭弧介质可采用真空或SF6或环保气体；所述第二快速机械开关串联结构并联有转移支路I(即第一转移支路)，转移支路I包括双向固态开关模块串联结构，双向固态开关模块串联结构包括1个双向固态开关模块或由多个所述双向固态开关模块串联构成，所述双向固态开关模块串联结构并联有第一金属氧化物压敏电阻(Metal Oxide Varistors，MOV)MOV1，所述双向固态开关模块中开关器件可采用绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)、集成门极换流晶闸管(integrated Gate Commutated Thyristors，IGCT)和栅极注入增强晶体管(Injection Enhanced Gate Transistor，IEGT)等全控电力电子器件，所述双向固态开关模块的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。其中，多个是指多于1个。
所述单相断路器的转移支路II包括开关模块及与开关模块串联的电容，所述电容并联有第二金属氧化物压敏电阻MOV2。所述开关模块可为串联的晶闸管等半控电力电子器件，或串联的IGCT等全控电力电子器件，或机械开关。同时上述开关模块中的各半控电力电子器件或全控电力电子器件分别并联MOV以防止过电压击穿。
所述单相断路器的限压支路包括一个金属氧化物压敏电阻，或包括由金属氧化物压敏电阻构成的串联结构。
所述发电机出口断路器的拓扑特征在于，转移支路I并联在第二快速机械开关串联结构两端，转移支路II和限压支路并联在主通流支路两端。
所述单相断路器可以保证其中的第一快速机械开关的无弧开断，极大增加了第一快速机械开关的电气寿命。所述单相断路器还保证了第二快速机械开关在熄弧后的介质恢复，消除了机械开关重击穿所导致的开断失败的风险。此外，由于第二快速机械开关的燃弧时间显著短于现有GCB方案，所以第二快速机械开关的电气寿命也得到显著提高。
本发明的基于复合换流方式的发电机出口断路器的控制方法如下：
1.正常工作时，控制转移支路(包括转移支路I和转移支路II)中开关器件不导通(电力电子器件闭锁或机械开关处于分闸位置)，线路电流经过主通流支路流通。
2.发电机出口发生短路故障时，根据发电机出口故障电流特性，线路电流上升至第一个峰值后将下降。当电流下降到一预期定值时，第二快速机械开关串联结构中第二快速机械开关首先动作燃弧，同时由断路器控保系统发导通信号以控制导通转移支路I中双向固态开关模块串联结构，使得第二快速机械开关串联结构的总的弧压驱动故障电流从第二快速机械开关串联结构转移至转移支路I，此时为第一次换流，第一次换流的原理为自然换流。
3.一段时间后，第二快速机械开关串联结构中第二快速机械开关电流过零熄弧。随后，控制第二快速机械开关串联结构中第二快速机械开关继续做分闸运动，待各第二快速机械开关的触头间隙能够承受转移支路I的瞬态恢复电压后，关断转移支路I中双向固态开关模块串联结构并导通转移支路II中开关模块，故障电流由双向固态开关模块串联结构转移至其并联的MOV1，由于MOV的非线性伏安特性，转移支路I两端将迅速建立起千伏量级的电压。该电压将强迫电流快速从转移支路I转移至转移支路II，并给转移支路II中电容充电，此时为第二次换流，第二次换流的原理为强迫换流。
4.一段时间后，转移支路I电流过零，此时控制第一快速机械开关串联结构中各第一快速机械开关刚分、并实现各第一快速机械开关触头无弧分离。随后，控制各第一快速机械开关触头继续做分闸运动，与此同时转移支路II中电容电压逐渐增大，期间，控制各第一快速机械开关的触头开距、以保证所述开距足够耐受所述触头间断口两端逐渐增大的电压。
5.待转移支路II中电容电压增大至电容所并联的并联MOV2的阈值电压时，电流将从电容换流至MOV2并消耗故障能量，使得短路电流加速下降。若开关模块采用晶闸管等半控电力电子器件，则转移支路II电流过零时将自动关断；若开关模块采用IGCT等全控电力电子器件，则需在转移支路II电流近零时主动关断开关模块；若开关模块采用机械开关，则需在转移支路II电流近零时提前分闸拉弧，在转移支路II电流过零时自动熄弧关断。随后系统的暂态恢复电压被限压支路的限压MOV限制，从而实现短路电流的开断。通过合理设计MOV2的阈值电压，可解决现有GCB方案中高直流分量短路电流开断的难题，保证了苛刻工况下开断的可靠性和较低的综合成本。
本发明的基于复合换流方式的发电机出口断路器具有开断快速(1个交流周期以内)且可靠，可实现无弧开断，成本较低，寿命较长等优势。
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 (12)
1.一种基于复合换流方式的发电机出口断路器，其特征在于，
包括在发电机三相的出口处分别设立的单相断路器，所述单相断路器包括并联的主通流支路、转移支路和限压支路，
所述主通流支路包括第一快速机械开关串联结构和第二快速机械开关串联结构，所述第一快速机械开关串联结构和所述第二快速机械开关串联结构串联；
所述第一快速机械开关串联结构包括1个第一快速机械开关或由多个所述第一快速机械开关串联构成；
所述第二快速机械开关串联结构包括1个第二快速机械开关或由多个所述第二快速机械开关串联构成。
2.根据权利要求1所述的一种基于复合换流方式的发电机出口断路器，其特征在于，
所述第一快速机械开关的灭弧介质采用真空或SF6或环保气体。
3.根据权利要求1所述的一种基于复合换流方式的发电机出口断路器，其特征在于，
所述第二快速机械开关串联结构并联有第一转移支路，
所述第一转移支路包括双向固态开关模块串联结构，所述双向固态开关模块串联结构包括1个双向固态开关模块或由多个所述双向固态开关模块串联构成，所述双向固态开关模块串联结构并联有第一金属氧化物压敏电阻，所述双向固态开关模块中开关器件采用全控电力电子器件。
4.根据权利要求3所述的一种基于复合换流方式的发电机出口断路器，其特征在于，
所述全控电力电子器件采用绝缘栅双极型晶体管、集成门极换流晶闸管或栅极注入增强晶体管；
所述双向固态开关模块的双向拓扑结构采用反串联结构、全桥结构或二极管桥结构。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于复合换流方式的发电机出口断路器，其特征在于，
所述转移支路为第二转移支路，所述第二转移支路包括开关模块和与所述开关模块串联的电容，所述电容并联有第二金属氧化物压敏电阻。
6.根据权利要求5所述的一种基于复合换流方式的发电机出口断路器，其特征在于，
所述开关模块为半控电力电子器件构成的串联结构，或全控电力电子器件构成的串联结构，或机械开关，
所述开关模块中的每一个半控电力电子器件或全控电力电子器件均并联有金属氧化物压敏电阻。
7.根据权利要求6所述的一种基于复合换流方式的发电机出口断路器，其特征在于，
所述半控电力电子器件为晶闸管，
所述全控电力电子器件为集成门极换流晶闸管。
8.根据权利要求6所述的一种基于复合换流方式的发电机出口断路器，其特征在于，
所述限压支路包括金属氧化物压敏电阻或包括由金属氧化物压敏电阻构成的串联结构。
9.一种基于复合换流方式的发电机出口断路器控制方法，用于控制权利要求1-8任一所述的基于复合换流方式的发电机出口断路器，其特征在于，包括步骤：
当发电机出口发生短路故障且电流下降到一预期定值时，第二快速机械开关串联结构中第二快速机械开关首先动作燃弧，同时控制导通第一转移支路中双向固态开关模块串联结构，使得所述第二快速机械开关串联结构的总的弧压驱动故障电流从所述第二快速机械开关串联结构转移至所述第一转移支路，进行自然换流；
在所述自然换流之后，所述第二快速机械开关串联结构中第二快速机械开关的电流过零熄弧，随后，控制所述第二快速机械开关继续做分闸运动，待各所述第二快速机械开关的触头间隙能够承受所述第一转移支路的瞬态恢复电压后，关断所述第一转移支路中双向固态开关模块串联结构并导通第二转移支路中开关模块，故障电流由所述双向固态开关模块串联结构转移至所述双向固态开关模块串联结构并联的第一金属氧化物压敏电阻，使得电流被强迫从所述第一转移支路转移至所述第二转移支路即强迫换流，并给所述第二转移支路中电容充电。
10.根据权利要求9所述的一种基于复合换流方式的发电机出口断路器控制方法，其特征在于，包括步骤：
在所述强迫换流后，所述第一转移支路电流过零，此时控制所述第一快速机械开关串联结构中的第一快速机械开关刚分、并实现所述第一快速机械开关触头无弧分离，
随后，控制所述第一快速机械开关触头继续做分闸运动，同时控制所述第一快速机械开关触头的开距、以保证所述开距耐受所述触头间断口两端逐渐增大的电压。
11.根据权利要求10所述的一种基于复合换流方式的发电机出口断路器控制方法，其特征在于，包括步骤：
若第二转移支路中电容电压增大至所述电容并联的第二金属氧化物压敏电阻的阈值电压，使得电流从所述电容换流至所述第二金属氧化物压敏电阻并消耗故障能量，从而短路电流加速下降时，
若所述开关模块采用全控电力电子器件，则在所述第二转移支路的电流近零时主动关断所述开关模块；
若所述开关模块采用机械开关，则在所述第二转移支路的电流近零时提前分闸拉弧；
若所述开关模块采用晶闸管，则所述晶闸管在所述第二转移支路的电流过零时自动关断。
12.根据权利要求9-11任一项所述的一种基于复合换流方式的发电机出口断路器控制方法，其特征在于，包括步骤：
正常工作时，控制所述第一转移支路和第二转移支路中开关器件不导通，使得线路电流经过所述主通流支路流通。
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| CN114362093A (zh) * | 2022-03-16 | 2022-04-15 | 清华大学 | 一种基于电容换流的大容量交流断路器及控制方法 |
| CN114362093B (zh) * | 2022-03-16 | 2022-07-08 | 清华大学 | 一种基于电容换流的大容量交流断路器及控制方法 |
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