CN114123122A - 一种可快速可靠开断故障电流的混合直流断路器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可快速可靠开断故障电流的混合直流断路器，包括主支路、限流模块、晶闸管钳位电压模块以及能量吸收模块，所述限流模块与晶闸管钳位电压模块串联，限流模块与晶闸管钳位电压模块串联后的支路与主支路、能量吸收模块并联；本发明实施例中限流模块、晶闸管钳位电压模块、能量吸收模块三者有效结合，实现了直流电网中故障的快速、有效清除；故障清除过程中不会加剧故障电流上升。
Description
技术领域
本发明属于混合直流断路器技术领域，具体涉及一种可快速可靠开断故障电流的混合直流断路器。
背景技术
直流输电是目前应用最广泛的输电方式之一，因其输电距离远、输电量大的优势得到电力系统的广泛应用，高压直流输电用于远距离或超远距离输电，因为它相对传统的交流输电更经济。应用高压直流输电系统，电能等级和方向均能得到快速精确的控制，这种性能可提高它所连接的交流电网性能和效率，直流输电系统已经被普遍应用。直流输电系统发生短路故障时，会产生快速故障短路电流，因此目前保障直流电网安全稳定运行已经成为电力领域中备受关注的关键问题，直流断路器作为直流电网保护的关键设备，是保障其安全运行的基础。直流断路器的快速动作要求，不仅仅是直流系统的要求，也是断路器自身的要求。因为更长的分断时间意味着断路器要具备更大的电流分断能力和吸收更多的能量，同样意味着更高的制造成本，因此要考虑尽量缩短断路器的固有分断时间，此分断时间包括保护装置的故障响应时间以及断路器自身动作执行时间。
目前机械式直流断路器分断时间通常需要几十毫秒，无法满足直流电网的需要。若干新的直流断路器拓扑被提出ABB公司提出的混合式断路器实现了低损耗的同时可以在5毫秒内清除故障电流。但是由于其通流支路依赖于全控型电力电子器件，一旦门极失电，会直接影响到正常的负荷电流。全球能源互联网研究院提出的级联式H桥断路器拓扑，研制的样机已实现3 毫秒内切断15 kA故障电流。
近年来，得益于强大的输电能力与相对低廉的建设成本，基于架空线路大容量高压直流电网备受关注，被认为是未来直流电网的主流形式。这就对直流断路器在故障清除能力、限流能力、重合闸速度和成本等方面提出了更高的要求。直流断路器的主要作用包括切除直流系统的故障，实现交流系统的互联，提高其运行的灵活性和可靠性，还可以防止故障范围扩大等。
混合式直流断路器综合了常规机械开关和电力电子器件的优点，具有开端速度快、无弧光、寿命长、通态损耗小等优点。针对电弧烧蚀问题，ABB公司研制出的基于机械开关与绝缘栅双极型晶体管阀组串联结构的混合型直流断路器可以实现无弧开断，但大量串联的IGBT导致成本高昂；使用电容代替大量串联IGBT作为缓冲回路降低了成本，但在电容充电同时可能产生较大故障电流；采用电容预充电的方式虽避免了充电过程中故障电流增大的问题，且用晶闸管代替了IGBT降低了成本，但该方案需要使用外置电源，增大了可实现难度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可快速可靠开断故障电流的混合直流断路器，能通过可变钳位电压迫使母线与故障点之间的故障电流下降到零，同时防止故障电流的上升突变。
本发明所采用的技术方案是：
一种可快速可靠开断故障电流的混合直流断路器，其包括主支路、限流模块、晶闸管钳位电压模块以及能量吸收模块，所述限流模块与晶闸管钳位电压模块串联，限流模块与晶闸管钳位电压模块串联，后的支路与主支路、能量吸收模块并联。
进一步的，还包括辅助支路，所述主支路通过辅助支路与晶闸管钳位电压模块连接。
进一步的，所述辅助支路包括快速机械开关Sa。
进一步的，所述限流模块包括并联连接的电感L1和电阻R。
进一步的，所述主支路包括限流电感L2、第一晶闸管Tm1、第二晶闸管Tm2、第一快速机械开关Sm1以及第二快速机械开关Sm2；第一晶闸管Tm1与第一快速机械开关Sm1串联连接，第二晶闸管Tm2与第二快速机械开关Sm2串联连接，第一晶闸管Tm1、第一快速机械开关Sm1串联支路与第二晶闸管Tm2、第二快速机械开关Sm2的串联支路并联，后与限流电感L2串联。
进一步的，所述第一晶闸管Tm1与第二晶闸管Tm2方向相反，通过控制快速机械开关的开关状态，可令功率双向传输。
进一步的，所述晶闸管钳位电压模块包括极性选择晶闸管组、第一快速机械开关S1、第二快速机械开关S2 、第三快速机械开关S3、第一预充电电容C1以及第二预充电电容C2。充电电容投入前进行充电，通过钳位电路可令母线和故障点之间电流降低。
进一步的，所述极性选择晶闸管组包括极性选择晶闸管T1、极性选择晶闸管T2、极性选择晶闸管T3、极性选择晶闸管T4、极性选择晶闸管T5、极性选择晶闸管T6、极性选择晶闸管T7以及极性选择晶闸管T8，极性选择晶闸管T1与极性选择晶闸管T2、极性选择晶闸管T3与极性选择晶闸管T4、极性选择晶闸管T5与极性选择晶闸管T6、极性选择晶闸管T7与极性选择晶闸管T8分别反向并联连接，极性选择晶闸管T1和极性选择晶闸管T2的并联电路与极性选择晶闸管T3和极性选择晶闸管T4的并联电路串联，极性选择晶闸管T5和极性选择晶闸管T6的并联电路与极性选择晶闸管T7和极性选择晶闸管T8的并联电路串联。
进一步的，第一预充电电容C1与第二预充电电容C2并联连接，该并联电路的一端连接在极性选择晶闸管T1与极性选择晶闸管T5之间，另一端连接在极性选择晶闸管T3与极性选择晶闸管T7之间。
进一步的，所述能量吸收模块包括避雷器MOA，所述避雷器MOA与第一快速机械开关Sm1、第一晶闸管Tm1以及第二快速机械开关Sm2、第二晶闸管Tm2所在的功率传输线路并联。
本发明的积极效果为：
本发明实施例中限流模块、晶闸管钳位电压模块、能量吸收模块三者有效结合，实现了直流电网中故障的快速、有效清除；故障清除过程中不会加剧故障电流上升；控制多个机械开关的工作状态可以实现断路器快速反复投切，适用于电网瞬时性故障场合；此发明不使用全控性器件，同时也有效地控制了成本。
附图说明
为了更清楚的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，下面描述中的附图仅仅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为本发明实施例提供的可快速可靠开断故障电流的混合直流断路器原理结构图；
图2为本发明实施例提供的可快速可靠开断故障电流的混合直流断路器具体结构示意图。
图3、图4为本发明实施例提供的可快速可靠开断故障电流的混合直流断路器两阶段工作示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
如附图1、2所示，本发明包括主支路、限流模块、晶闸管钳位电压模块、能量吸收模块以及辅助支路，所述限流模块与晶闸管钳位电压模块串联，限流模块与晶闸管钳位电压模块串联后的支路与主支路、能量吸收模块并联，主支路通过辅助支路与晶闸管钳位电压模块连接，在辅助支路上设有快速机械开关Sa。
能量吸收模块包括避雷器MOA，所述避雷器MOA与机械开关所在的功率传输线路并联。
本发明的主支路连接在电源侧，为直流线路提供双向功率传输通道；所述限流支路限制故障检测阶段故障电流的上升速度；所述晶闸管钳位电压支路可通过提升线路电压，与母线形成反向电压差来降低线路电流；所述能量吸收支路用于开断故障电流吸收系统感性元件储能和限制过电压，防止过电压对开关造成损害，增加开断的可靠性。
限流模块包括电感L1和电阻R，其中，所述电感L1和电阻R并联连接，限流模块两端分别连接主支路和晶闸管钳位电压支路。
所述主支路包括限流电感L2、第一晶闸管Tm1、第二晶闸管Tm2、第一快速机械开关Sm1以及第二快速机械开关Sm2；第一晶闸管Tm1与第一快速机械开关Sm1串联连接，为直流线路提供功率传输通道，第二晶闸管Tm2与第二快速机械开关Sm2串联连接，提供了双向功率传输通道。第一晶闸管Tm1、第一快速机械开关Sm1串联支路与第二晶闸管Tm2、第二快速机械开关Sm2的串联支路并联，后与限流电感L2串联。
优选的，所述第一晶闸管Tm1与第二晶闸管Tm2方向相反，通过控制快速机械开关的开关状态，可令功率双向传输。
所述晶闸管钳位电压模块包括极性选择晶闸管组、第一快速机械开关S1、第二快速机械开关S2 、第三快速机械开关S3、第一预充电电容C1以及第二预充电电容C2。
极性选择晶闸管组包括极性选择晶闸管T1、极性选择晶闸管T2、极性选择晶闸管T3、极性选择晶闸管T4、极性选择晶闸管T5、极性选择晶闸管T6、极性选择晶闸管T7以及极性选择晶闸管T8，极性选择晶闸管T1与极性选择晶闸管T2、极性选择晶闸管T3与极性选择晶闸管T4、极性选择晶闸管T5与极性选择晶闸管T6、极性选择晶闸管T7与极性选择晶闸管T8分别反向并联连接，极性选择晶闸管T1和极性选择晶闸管T2的并联电路与极性选择晶闸管T3和极性选择晶闸管T4的并联电路串联，极性选择晶闸管T5和极性选择晶闸管T6的并联电路与极性选择晶闸管T7和极性选择晶闸管T8的并联电路串联。
第一预充电电容C1与第二预充电电容C2并联连接，该并联电路的一端连接在极性选择晶闸管T1与极性选择晶闸管T5之间，另一端连接在极性选择晶闸管T3与极性选择晶闸管T7之间。
正常运行时，主支路电流自a至b，第一个阶段是启动阶段，在此阶段只需闭合主支路第一快速机械开关Sm1，触发主支路第一晶闸管Tm1为线路提供能量通道，此时晶闸管钳位电压模块第一快速机械开关S1、第二快速机械开关S2为闭合状态，触发极性选择晶闸管T1、极性选择晶闸管T7导通，对第一预充电电容C1、第二预充电电容C2进行充电直至系统额定电压后完成预充电。
进一步地，故障发生时，进入故障清除阶段，如图3阶段1所示，直流断路器收到跳开命令时刻时，晶闸管钳位电压模块第一快速机械开关S1、第二快速机械开关S2断开，第三快速机械开关S3闭合，此时第一预充电电容C1、第二预充电电容C2连接形式变为串联连接，电容电压的预充电电压变为原来的2倍，同时辅助支路快速机械开关Sa闭合，待全部的快速机械开关动作完毕后，触发极性选择晶闸管T2和极性选择晶闸管T8导通，此时故障电流流向是由n至b，再经晶闸管钳位电压模块和限流模块到节点n，此时节点n电位迅速上升，迫使线路电流降低，线路电流过零时，主支路第一晶闸管Tm1自行关断，故障清除完成。
进一步地，故障清除阶段完成后断路器进入复位阶段，如图4阶段2所示，第一预充电电容C1、第二预充电电容C2、电感L1、限流电感L2构成谐振回路，当谐振回路电流过零时，极性选择晶闸管T2和极性选择晶闸管T8自行关断。晶闸管组关断后，复位第一快速机械开关S1、第二快速机械开关S2 、第三快速机械开关S3和快速机械开关Sa。复位完成后，直流断路器即可重合闸再次投入使用。
进一步地，在复位阶段，故障电流在过零时清除后，电能从电容转移至电感中，再由电感转移至电容，电容电压方向与初始状态相反。当再次投运直流断路器时，需要改变要触发的晶闸管，即启动过程中由触发极性选择晶闸管T1、极性选择晶闸管T7调整为触发极性选择晶闸管T4、极性选择晶闸管T6导通。同时故障清除阶段触发的晶闸管由T2、T8调整为T3、T5，各个阶段电流流向也因此相反。
本发明能通过可变钳位电压迫使母线与故障点之间的故障电流下降到低电流水平乃至下降到零，降低了机械开关分段时电弧能量，使开断成功的可能性更高，同时限流装置防止了故障电流的上升突变；可变钳位电压可提供2倍预充电电压，使故障电流在短时间降到零；通过在机械开关上并联避雷器，可防止发生过电压而对机械设备产生的危害，且具有快速反复投切，不使用全控型器件，相比而言造价低的优势。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；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实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种可快速可靠开断故障电流的混合直流断路器，其特征在于其包括主支路、限流模块、晶闸管钳位电压模块以及能量吸收模块，所述限流模块与晶闸管钳位电压模块串联，限流模块与晶闸管钳位电压模块串联后的支路与主支路、能量吸收模块并联。
2.根据权利要求1所述的一种可快速可靠开断故障电流的混合直流断路器，其特征在于还包括辅助支路，所述主支路通过辅助支路与晶闸管钳位电压模块连接。
3.根据权利要求2所述的一种可快速可靠开断故障电流的混合直流断路器，其特征在于所述辅助支路包括快速机械开关Sa。
4.根据权利要求1所述的一种可快速可靠开断故障电流的混合直流断路器，其特征在于所述限流模块包括并联连接的电感L1和电阻R。
5.根据权利要求1所述的一种可快速可靠开断故障电流的混合直流断路器，其特征在于所述主支路包括限流电感L2、第一晶闸管Tm1、第二晶闸管Tm2、第一快速机械开关Sm1以及第二快速机械开关Sm2；第一晶闸管Tm1与第一快速机械开关Sm1串联连接，第二晶闸管Tm2与第二快速机械开关Sm2串联连接，第一晶闸管Tm1、第一快速机械开关Sm1串联支路与第二晶闸管Tm2、第二快速机械开关Sm2的串联支路并联，后与限流电感L2串联。
6.根据权利要求5所述的一种可快速可靠开断故障电流的混合直流断路器，其特征在于所述第一晶闸管Tm1与第二晶闸管Tm2方向相反，通过控制快速机械开关的开关状态，可令功率双向传输。
7.根据权利要求1所述的一种可快速可靠开断故障电流的混合直流断路器，其特征在于所述晶闸管钳位电压模块包括极性选择晶闸管组、第一快速机械开关S1、第二快速机械开关S2 、第三快速机械开关S3、第一预充电电容C1以及第二预充电电容C2。
8.根据权利要求7所述的一种可快速可靠开断故障电流的混合直流断路器，其特征在于所述极性选择晶闸管组包括极性选择晶闸管T1、极性选择晶闸管T2、极性选择晶闸管T3、极性选择晶闸管T4、极性选择晶闸管T5、极性选择晶闸管T6、极性选择晶闸管T7以及极性选择晶闸管T8，极性选择晶闸管T1与极性选择晶闸管T2、极性选择晶闸管T3与极性选择晶闸管T4、极性选择晶闸管T5与极性选择晶闸管T6、极性选择晶闸管T7与极性选择晶闸管T8分别反向并联连接，极性选择晶闸管T1和极性选择晶闸管T2的并联电路与极性选择晶闸管T3和极性选择晶闸管T4的并联电路串联，极性选择晶闸管T5和极性选择晶闸管T6的并联电路与极性选择晶闸管T7和极性选择晶闸管T8的并联电路串联。
9.根据权利要求8所述的一种可快速可靠开断故障电流的混合直流断路器，其特征在于第一预充电电容C1与第二预充电电容C2并联连接，该并联电路的一端连接在极性选择晶闸管T1与极性选择晶闸管T5之间，另一端连接在极性选择晶闸管T3与极性选择晶闸管T7之间。
10.根据权利要求1所述的一种可快速可靠开断故障电流的混合直流断路器，其特征在于所述能量吸收模块包括避雷器MOA，所述避雷器MOA与机械开关支路并联，保护电气设备免受雷击时高瞬态过电压危害，并限制续流时间。
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