CN114285014A - 一种直流断路器及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流断路器及其应用方法，该直流断路器包括：电压源激励振荡单元、能量吸收单元、多个机械开关单元和多个隔离单元，多个机械开关单元分别设置在多条直流线路上，多个隔离单元的输入端分别和多条直流线路一一对应连接，多个隔离单元的输出端连接电压源激励振荡单元的一端以及能量吸收单元的一端，电压源激励振荡单元的另一端以及所述能量吸收单元的另一端连接直流线路的直流母线。通过实施本发明，所有直流线路共用直流断路器电压源激励振荡单元和能量吸收单元，实现随着直流线路增加，灵活、简单、低成本扩展；并且，有利于换流站整体布置与设计；同时显著降低了在高压大容量直流电网中应用的设备成本，具备高技术经济性。

Description

一种直流断路器及其应用方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种直流断路器及其应用方法。

背景技术

直流输配电系统故障发展快、电流增长快，可靠的故障隔离是保证其安全稳定运行的关键。高技术经济性的直流断路器是支撑直流输配电系统发展应用的核心装备。目前，应用较广泛的中高压直流断路器主要有两种，一种为机械式直流断路器，通过单次注入反向电流实现机械开关熄弧关断，损耗低，但所需要电容容量大、电压高，并存在重合闸时间长、小电流开断机械开关重燃风险。另一种为混合式直流断路器，通过电力电子开关实现电流可控关断，具备无弧、快速重合闸等特点，系统适用性好，但开断电流技术性能与设备经济性能均受限于全控型电力电子开关，不利于其在高压直流输电系统的大规模推广应用。

由此可见，现有的混合式直流断路器或机械式直流断路器难以同时满足大规模直流电网建设对直流断路器技术性与经济性双重要求，限制了高压直流断路器在多端及直流电网中规模化应用。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种直流断路器及其应用方法，以解决现有混合式直流断路器或机械式直流断路器难以同时满足大规模直流电网建设对直流断路器技术性与经济性双重要求的技术问题。

本发明实施例提供的技术方案如下：

本发明实施例第一方面提供一种直流断路器，包括：电压源激励振荡单元、能量吸收单元、多个机械开关单元和多个隔离单元，所述多个机械开关单元分别设置在多条直流线路上，所述多个隔离单元的输入端分别和多条直流线路一一对应连接，所述多个隔离单元的输出端连接所述电压源激励振荡单元的一端以及所述能量吸收单元的一端，所述电压源激励振荡单元的另一端以及所述能量吸收单元的另一端连接直流线路的直流母线；所述机械开关单元用于导通直流系统负荷电流，所述电压源激励振荡单元用于和机械开关单元形成电流振荡回路，所述能量吸收单元用于抑制分断过电压和吸收系统感性元件储存能量，所述隔离单元用于隔离故障线路。

可选地，所述电压源激励振荡单元包括：串联连接的无源组件和受控电压源。

可选地，所述无源组件包括：电感和电容，所述电感和电容串联连接；或者，所述无源组件包括：电感、电容以及电阻，所述电容和所述电阻并联连接后和所述电感串联连接。

可选地，所述受控电压源包括至少一个基本模块单元，所述基本模块单元为半桥模块单元或全桥模块单元，所述基本模块单元包括电力电子开关和电压源。

可选地，所述隔离单元包括：串联连接的电力电子模块和机械开关，或者所述隔离单元包括多个反向串联连接的全控器件，或者所述隔离单元包括多个反向并联连接的晶闸管与二极管。

可选地，所述电力电子模块包括：反向串联连接的全控器件，或者所述电力电子模块包括全控器件和二极管组成的全桥模块。

可选地，所述能量吸收单元包括：非线性电阻或避雷器。

本发明实施例第二方面提供一种直流断路器的应用方法，应用于如本发明实施例第一方面及第一方面任一项所述的直流断路器，该应用方法包括：直流线路无故障时，直流断路器机械开关单元导通系统负荷电流；当监测到所述直流断路器发生线路故障时，控制发生故障的直流线路中的机械开关燃弧分闸；触发电压源激励振荡单元，在所述电压源激励振荡单元、发生故障的线路连接的隔离单元和发生故障所在线路的机械开关单元构成的回路中，产生幅值快速增加高频振荡电流，直至所述机械开关单元熄弧分断；能量吸收单元动作，故障电流转移至所述能量吸收单元中，故障电流被所述能量吸收单元消耗。

可选地，直流断路器的应用方法还包括：当监测到直流母线侧的换流站发生接地故障时，控制所有直流线路中的机械开关燃弧分闸；触发电压源激励振荡单元，在所述电压源激励振荡单元、机械开关单元和对应的隔离单元构成的回路中，产生幅值快速增加高频振荡电流，直至所述机械开关单元熄弧分断；能量吸收单元动作，故障电流转移至所述能量吸收单元中，故障电流被所述能量吸收单元消耗。

可选地，触发电压源激励振荡单元之前，所述机械开关燃弧分闸直至达到足够耐受暂态开断电压的设计开距。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明实施例提供的直流断路器及其应用方法，适用于换流站直流母线具有2条及以上出线的直流系统中；同时，该直流断路器通流单元仅包含机械开关，无需水冷设备。该直流断路器共用电压源激励振荡单元和能量吸收单元，实现随着直流线路增加，灵活、简单、低成本扩展；并且，该直流断路器拓扑，对于多直流出线换流站，相较于布置于每条直流线路上的高压直流断路器，大幅减低了多直流出线换流站中直流断路器总体积，有利于换流站整体布置与设计；同时显著降低了直流断路器在高压大容量直流电网中应用的设备成本，具备高技术经济性。此外，本发明实施例提供的直流断路器，能够快速隔离所应用直流系统发生的线路、母线、换流站等故障，保障直流输电系统的安全、可靠和经济运行。

本发明实施例提供的直流断路器及其应用方法，采用有源振荡升压方式，逐步增大反向注入电流实现机械开关熄弧，仅需要极少量电力电子开关，大幅降低了设备体积与成本；同时，该直流断路器具有低损耗、快速、双向、大电流分断、扩展性强等特征，技术性能良好，能够满足直流电网不同运行需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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方式，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为本发明实施例中直流断路器的结构框图；

图2为本发明实施例中电压源激励振荡单元的结构原理图；

图3(a)与图3(b)为本发明实施例中无源组件的结构原理图；

图4(a)至图4(c)为本发明实施例中受控电压源的结构原理图；

图5为本发明实施例中隔离单元的结构原理图；

图6(a)至图6(b)为本发明实施例中隔离单元中电力电子模块的结构原理图；

图7为本发明另一实施例中隔离单元的结构原理图；

图8为本发明另一实施例中隔离单元的结构原理图；

图9为本发明实施例中直流断路器稳态运行的原理图；

图10(a)至图10(c)为本发明实施例中发生线路故障时直流断路器的工作原理图；

图11(a)至图11(c)为本发明实施例中发生线路故障时直流断路器的工作原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明实施例提供一种直流断路器，如图1所示，该直流断路器包括：所述多个机械开关单元分别设置在多条直流线路上，所述多个隔离单元的输入端分别和多条直流线路一一对应连接，所述多个隔离单元的输出端连接所述电压源激励振荡单元的一端以及所述能量吸收单元的一端，所述电压源激励振荡单元的另一端以及所述能量吸收单元的另一端连接直流线路的直流母线；所述机械开关单元用于导通直流系统负荷电流，所述电压源激励振荡单元用于和机械开关单元形成电流振荡回路，所述能量吸收单元用于抑制分断过电压和吸收系统感性元件储存能量，所述隔离单元用于隔离故障线路。其中，机械开关单元可以作为直流线路的通流单元。

本发明实施例提供的直流断路器，适用于换流站直流母线具有2条及以上出线的直流系统中；同时，该直流断路器通流单元仅包含机械开关，无需水冷设备。该直流断路器共用电压源激励振荡单元和能量吸收单元，实现随着直流线路增加，灵活、简单、低成本扩展；并且，该直流断路器拓扑，对于多直流出线换流站，相较于布置于每条直流线路上的高压直流断路器，大幅减低了多直流出线换流站中直流断路器总体积，有利于换流站整体布置与设计；同时显著降低了直流断路器在高压大容量直流电网中应用的设备成本，具备高技术经济性。此外，本发明实施例提供的直流断路器，能够快速隔离所应用直流系统发生的线路、母线、换流站等故障，保障直流输电系统的安全、可靠和经济运行。

在一实施例中，如图2所示，所述电压源激励振荡单元包括：串联连接的无源组件和受控电压源。如图3(a)所示，所述无源组件包括：电感L和电容C，所述电感L和电容C串联连接；或者，如图3(b)所示，所述无源组件包括：电感L、电容C以及电阻R，所述电容C和所述电阻R并联连接后和所述电感L串联连接。所述受控电压源包括至少一个基本模块单元，所述基本模块单元为半桥模块单元或全桥模块单元，所述基本模块单元包括电力电子开关和电压源。

具体地，基本模块单元中的电力电子开关包括至少一级，该电力电子开关为全控器件、半控器件或者不控器件中的任意一种。电压源为直流电压源，例如，可以是高压大电容、蓄电池或者交流电源整流单元中的任意一种。其中，采用电力电子开关和电压源构成基本模块单元时，如图4(a)所示，由两个电压源和两组电力电子开关构成半桥模块单元；或者如图4(b)所示，由两组电力电子开关和一个电压源构成半桥模块单元；或者如图4(c)所示，由四组电力电子开关和一个电压源构成全桥模块单元。

在一实施例中，如图5所示，所述隔离单元包括：串联连接的电力电子模块和机械开关，其中，如图6(a)所示，该电力电子模块可以由反向串联连接的全控器件构成，或者如图6(b)所示，该电力电子模块也可以由全控器件和二极管组成的全桥模块构成。此外，除了采用电力电子模块和机械开关构成隔离单元外，如图7所示，该隔离单元还可以由多个反向串联连接的全控器件构成，或者如图8所示，所述隔离单元包括多个反向并联连接的晶闸管与二极管。

在一实施例中，能量吸收单元包括：非线性电阻或避雷器。

在一实施例中，以直流断路器在各换流站有2条出线的4端直流电网中的应用为例，对该直流断路器的工作过程进行说明。具体地，如图9所示，当直流断路器所在的高压直流输电系统稳态运行时，放置在直流线路1和直流线路2中的机械开关单元1和机械开关单元2均处于合闸状态，导通系统负荷电流，直流功率经两条直流线路向其他换流站传输；电压源激励振荡单元中的受控电压源处于闭锁状态。

在一实施例中，当直流线路1发生接地故障时，直流断路器接受分断命令后向机械开关单元1发送分闸命令，机械开关燃弧分闸，直至达到足够耐受暂态开断电压的设计开距；电压源激励振荡单元投入工作，在无源组件、受控电压源、隔离单元1和机械开关单元1构成的回路中，产生幅值快速增加高频振荡电流，直至机械开关单元1熄弧分断，如图10(a)所示；能量吸收单元工作，系统电流被其消耗清除，如图10(b)所示；故障清除后，隔离单元1隔离故障线路，健全线路正常运行，如图10(c)所示。

在一实施例中，当换流站1出口发生接地故障时，直流断路器接受分断命令后向机械开关单元1和机械开关单元2中发送分闸命令，机械开关燃弧分闸，直至达到足够耐受暂态开断电压的设计开距；电压源激励振荡单元投入工作，分别在无源组件、受控电压源、隔离单元1、机械开关单元1中和无源组件、受控电压源、隔离单元2和机械开关单元2构成的两条回路中，产生幅值快速增加高频振荡电流，直至机械开关单元和机械开关单元21熄弧分断，如图11(a)所示；能量吸收单元工作，系统电流被其消耗清除，如图11(b)所示；故障清除后，隔离单元1和隔离单元2隔离故障线路，健全线路正常运行，如图11(c)所示。

本发明实施例提供的直流断路器，采用有源振荡升压方式，逐步增大反向注入电流实现机械开关熄弧，仅需要极少量电力电子开关，大幅降低了设备体积与成本；同时，该直流断路器具有低损耗、快速、双向、大电流分断、扩展性强等特征，技术性能良好，能够满足直流电网不同运行需求。

本发明实施例还提供一种直流断路器的应用方法，该应用方法应用于如上述实施例所述的直流断路器，该应用方法包括如下步骤：

步骤S101：直流线路无故障时，直流断路器机械开关单元导通系统负荷电流；在一实施例中，以直流断路器在各换流站有2条出线的4端直流电网中的应用为例，如图9所示，当直流断路器所在的高压直流输电系统稳态运行时，放置在直流线路1和直流线路2中的机械开关单元1和机械开关单元2均处于合闸状态，导通系统负荷电流，直流功率经两条直流线路向其他换流站传输；电压源激励振荡单元中的受控电压源处于闭锁状态。

步骤S102：当监测到所述直流断路器发生线路故障时，控制发生故障的直流线路中的机械开关燃弧分闸。

当直流线路1发生接地故障时，如图10(a)所示，直流断路器接受分断命令后向机械开关单元1发送分闸命令，机械开关单元1中的机械开关燃弧分闸，直至达到足够耐受暂态开断电压的设计开距。

步骤S103：触发电压源激励振荡单元，在所述电压源激励振荡单元、发生故障的线路连接的隔离单元和发生故障所在线路的机械开关单元构成的回路中，产生幅值快速增加高频振荡电流，直至所述机械开关单元熄弧分断。

具体地，如图10(a)所示，当机械开关单元1中的机械开关达到足够耐受暂态开关电压的设计开距后，触发电压源激励振荡单元中的受控电压源，此时，电压源激励振荡单元和隔离单元1、机械开关单元1构成回路，该回路中产生幅值快速增加高频振荡电流，直至机械开关单元1熄弧分断。

步骤S104：能量吸收单元动作，故障电流转移至所述能量吸收单元中，故障电流被所述能量吸收单元消耗。

具体地，如图10(b)所示，在机械开关单元1熄弧分断后，能量吸收单元工作，故障电流转移至能量吸收单元中被消耗清除。如图10(c)所示，在故障清除后，隔离单元1隔离故障线路，健全线路正常运行。

在一实施例中，该直流断路器的应用方法还包括如下步骤：

步骤S201：当监测到直流母线侧的换流站发生接地故障时，控制所有直流线路中的机械开关燃弧分闸。

在一实施例中，以直流断路器在各换流站有2条出线的4端直流电网中的应用为例，当换流站1出口发生接地故障时，如图11(a)所示，直流断路器接受分断命令后向机械开关单元1和机械开关单元2发送分闸命令，机械开关单元1和机械开关单元2中的机械开关燃弧分闸，直至达到足够耐受暂态开断电压的设计开距。

步骤S202：触发电压源激励振荡单元，在所述电压源激励振荡单元、机械开关单元和对应的隔离单元构成的回路中，产生幅值快速增加高频振荡电流，直至所述机械开关单元熄弧分断。

具体地，如图11(a)所示，当两个机械开关单元中的机械开关达到足够耐受暂态开关电压的设计开距后，触发电压源激励振荡单元中的受控电压源，此时，电压源激励振荡单元和隔离单元1、机械开关单元1构成回路；同时，电压源激励振荡单元和隔离单元2以及机械开关单元2也构成回路。在形成的两条回路中产生幅值快速增加高频振荡电流，直至机械开关单元1和机械开关单元2熄弧分断。

步骤S203：能量吸收单元动作，故障电流转移至所述能量吸收单元中，故障电流被所述能量吸收单元消耗。

具体地，如图11(b)所示，在机械开关单元1和机械开关单元2熄弧分断后，能量吸收单元工作，故障电流转移至能量吸收单元中被消耗清除。如图11(c)所示，在故障清除后，隔离单元1和隔离单元2隔离故障线路，健全线路正常运行。

本发明实施例提供的直流断路器的应用方法，适用于换流站直流母线具有2条及以上出线的直流系统中；同时，该直流断路器通流单元仅包含机械开关，无需水冷设备。该直流断路器共用电压源激励振荡单元和能量吸收单元，实现随着直流线路增加，灵活、简单、低成本扩展；并且，该直流断路器拓扑，对于多直流出线换流站，相较于布置于每条直流线路上的高压直流断路器，大幅减低了多直流出线换流站中直流断路器总体积，有利于换流站整体布置与设计；同时显著降低了直流断路器在高压大容量直流电网中应用的设备成本，具备高技术经济性。此外，本发明实施例提供的直流断路器，能够快速隔离所应用直流系统发生的线路、母线、换流站等故障，保障直流输电系统的安全、可靠和经济运行。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下对这些实施例进行各种变化、替换和修改，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (10)

1.一种直流断路器，其特征在于，包括：电压源激励振荡单元、能量吸收单元、多个机械开关单元和多个隔离单元，

所述多个机械开关单元分别设置在多条直流线路上，所述多个隔离单元的输入端分别和多条直流线路一一对应连接，所述多个隔离单元的输出端连接所述电压源激励振荡单元的一端以及所述能量吸收单元的一端，所述电压源激励振荡单元的另一端以及所述能量吸收单元的另一端连接直流线路的直流母线；

所述机械开关单元用于导通直流系统负荷电流，所述电压源激励振荡单元用于和机械开关单元形成电流振荡回路，所述能量吸收单元用于抑制分断过电压和吸收系统感性元件储存能量，所述隔离单元用于隔离故障线路。

2.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述电压源激励振荡单元包括：串联连接的无源组件和受控电压源。

3.根据权利要求2所述的直流断路器，其特征在于，

所述无源组件包括：电感和电容，所述电感和电容串联连接；或者，

所述无源组件包括：电感、电容以及电阻，所述电容和所述电阻并联连接后和所述电感串联连接。

4.根据权利要求2所述的直流断路器，其特征在于，所述受控电压源包括至少一个基本模块单元，所述基本模块单元为半桥模块单元或全桥模块单元，所述基本模块单元包括电力电子开关和电压源。

5.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述隔离单元包括：串联连接的电力电子模块和机械开关，或者所述隔离单元包括多个反向串联连接的全控器件，或者所述隔离单元包括多个反向并联连接的晶闸管与二极管。

6.根据权利要求5所述的直流断路器，其特征在于，所述电力电子模块包括：反向串联连接的全控器件，或者所述电力电子模块包括全控器件和二极管组成的全桥模块。

7.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述能量吸收单元包括：非线性电阻或避雷器。

8.一种直流断路器的应用方法，其特征在于，应用于如权利要求1-7任一项所述的直流断路器，包括：

直流线路无故障时，直流断路器机械开关单元导通系统负荷电流；

当监测到所述直流断路器发生线路故障时，控制发生故障的直流线路中的机械开关燃弧分闸；

触发电压源激励振荡单元，在所述电压源激励振荡单元、发生故障的线路连接的隔离单元和发生故障所在线路的机械开关单元构成的回路中，产生幅值快速增加高频振荡电流，直至所述机械开关单元熄弧分断；

能量吸收单元动作，故障电流转移至所述能量吸收单元中，故障电流被所述能量吸收单元消耗。

9.根据权利要求8所述的直流断路器的应用方法，其特征在于，还包括：

当监测到直流母线侧的换流站发生接地故障时，控制所有直流线路中的机械开关燃弧分闸；

触发电压源激励振荡单元，在所述电压源激励振荡单元、机械开关单元和对应的隔离单元构成的回路中，产生幅值快速增加高频振荡电流，直至所述机械开关单元熄弧分断；

能量吸收单元动作，故障电流转移至所述能量吸收单元中，故障电流被所述能量吸收单元消耗。

10.根据权利要求9所述的直流断路器的应用方法，其特征在于，触发电压源激励振荡单元之前，所述机械开关燃弧分闸直至达到足够耐受暂态开断电压的设计开距。

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