CN114362093B - 一种基于电容换流的大容量交流断路器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于电力器件领域，提供了一种基于电容换流的大容量交流断路器及控制方法，所述断路器包括多个相互独立的单相断路器，每个所述单相断路器串在一个相线中，用于开断所在相线的电流；所述单相断路器的输入端和输出端之间设置有拓扑结构；所述拓扑结构包括通流装置、换流装置和开断装置，所述换流装置和开断装置串联，串联后整体并联连接在通流装置两端。所述单相断路器可为气体机械开关提供零电压介质恢复时间，具有开断快速可靠，成本较低，寿命较长，可开断高直流分量短路电流等优势，在发电机出口断路器或需要断路器频繁动作的场合具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于电力器件领域，特别涉及一种基于电容换流的大容量交流断路器及控制方法。
背景技术
随着交流电网容量的增大，对交流断路器的额定电流和短路开断电流提出了更高的要求。在额定电流较大的场景下，真空开关由于散热能力不足难以应用，而气体开关的灭弧能力有限，在高暂态恢复电压（TRV）上升率的场景下面临重击穿的风险，且在开断较大短路电流时烧蚀严重，电气寿命不长。当前交流断路器存在进口设备价格高，国产替代设备寿命短的问题。
中国专利“基于换流驱动电路的双向机械式直流断路器及其控制方法”（公开号：CN106300301B），利用换流驱动电路实现电流由通流支路向换流支路的可靠转移，避免了使用高压电容的在线取电系统及可靠性较低的高电压空气球隙，即能保证需要开断双向电流时，电流可由通流支路先转移至换流支路，再转移至吸能限压支路，最终实现双向电流的开断，完成将电流转移的目的。但是该断路器主要面向直流开断，其设计使得开断过电压大于直流母线电压。该断路器的拓扑开断交流有过零点或近零点的故障电流，换流驱动电路所需的电容和电力电子开关成本将非常高且不必要。另外，机械式直流断路器在开断小电流时可能出现机械开关重击穿问题导致开断失败，在需要使用气体开关的交流断路器场景，由于气体开关介质恢复能力差，机械式直流断路器的拓扑将难以应用。
发明内容
针对上述问题，一方面，本发明公开了一种基于电容换流的大容量交流断路器，所述断路器包括多个相互独立的单相断路器，每个所述单相断路器串在一个相线中，用于开断所在相线的电流；
所述单相断路器的输入端和输出端之间设置有拓扑结构；
所述拓扑结构包括通流装置、换流装置和开断装置，所述换流装置和开断装置串联，串联后整体并联连接在通流装置两端。
进一步地，所述通流装置包括一个或多个串联的气体机械开关。
进一步地，所述换流装置包括换流第一支路和换流第二支路，所述换流第一支路与换流第二支路并联。
进一步地，所述换流第一支路包括一个预充电的电容和电力电子开关组A，所述电力电子开关组A与电容串联。
进一步地，所述换流第二支路包括电力电子开关组B和保护MOV，所述电力电子开关组B与保护MOV并联。
进一步地，所述电力电子开关组A和电力电子开关组B均包括多个方向不同且并联的电力电子开关。
进一步地，所述开断装置包括一个或多个串联或并联的真空机械开关。
进一步地，所述开断装置还包括与真空机械开关串联的耗能电阻。
进一步地，所述换流装置还包括与换流第一支路和换流第二支路并联的合闸保护开关。
另一方面，一种基于电容换流的大容量交流断路器的控制方法，所述控制方法包括：
当线路正常工作时，通流装置导通，换流装置和开断装置未导通，电流流经通流装置，换流装置内设置的电容通过外部充电机进行预充电，积蓄电压；
当监测到线路发生短路故障，且电流下降到换流装置的换流能力以内时，向换流装置电力电子开关发送导通指令，此时开断装置的真空机械开关暂时保持合闸，换流装置中预充电的电容放电；待到故障电流进一步下降到开断装置的开断能力以内时，向开断装置发送分闸指令，待到故障电流过零时，开断装置断开，使得故障电流完成开断。
进一步地，所述当线路正常工作时，通流装置导通，换流装置和开断装置未导通，电流流经通流装置，换流装置内设置的电容通过外部充电机进行预充电，积蓄电压具体包括：
当线路正常工作时，气体机械开关和真空机械开关处于合闸位置，通流装置导通，电力电子开关闭锁，换流装置和开断装置未导通，换流装置内设置的电容通过外部充电机进行预充电，积蓄电压，线路电流经过气体机械开关流通。
进一步地，所述当监测到线路发生短路故障，电流下降到换流装置的换流能力以内时，向换流装置电力电子开关发送导通指令，此时开断装置的真空机械开关暂时保持合闸，换流装置中预充电的电容放电具体包括：
当监测到线路发生短路故障，向气体机械开关发送分闸指令；
当电流下降到换流装置的换流能力以内时，触发电力电子开关组A中与故障电流导通方向相同的一个电力电子开关导通，此时开断装置的真空机械开关暂时保持合闸，电容放电，电容放电产生的电流将反向叠加到气体机械开关并使得气体机械开关电流过零并反向增大；
随着电容进一步放电，其电压将过零反向，导通电力电子开关组B中与故障电流导通方向相同的一个电力电子开关，由于电容相当于被旁路，电流会从电容所在支路转移到电力电子开关组B上；
电流完成转移后，电力电子开关组A中的电力电子开关过零自然关断，电容与外部回路隔离，气体机械开关电流下降；
气体机械开关电流下降至零，此时气体开关两端电压为电力电子开关与真空机械开关导通压降之和，气体机械开关进行零电压弧后介质恢复。
进一步地，所述待到故障电流进一步下降到开断装置的开断能力以内时，向开断装置发送分闸指令，待到故障电流过零时，开断装置断开，使得故障电流完成开断具体包括：
当电流下降到开断装置的开断能力以内时，向开断装置发送分闸指令，控制真空机械开关分闸，交流故障电流下降，直至出现过零点，真空机械开关开断故障电流。
进一步地，当故障电流未能开断而重新上升时，若导通的电力电子开关无法耐受此时的导通电流，控制合闸保护开关合闸，进行分流，保护电力电子开关不被损坏。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的一种基于电容换流的大容量交流断路器，当监测到线路发生短路故障，且电流下降到换流装置的换流能力以内时，向换流装置电力电子开关发送导通指令，此时开断装置的真空机械开关暂时保持合闸，换流装置中预充电的电容放电；待到故障电流进一步下降到开断装置的开断能力以内时，向开断装置发送分闸指令，待到故障电流过零时，开断装置断开，使得故障电流完成开断。可为气体机械开关提供零电压介质恢复时间，具有开断快速可靠，成本较低，寿命较长，可开断高直流分量短路电流等优势，在发电机出口断路器或需要断路器频繁动作的场合具有广阔的应用前景。
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一简单地介绍，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示出了本发明实施例的基于电容换流的大容量交流断路器中单相断路器的拓扑结构示意图；
图2示出了本发明实施例的基于电容换流的大容量交流断路器中单相断路器的另一种拓扑结构示意图；
图3示出了本发明实施例中单相断路器的电容放电早期电流路径示意图；
图4示出了本发明实施例中单相断路器的电容放电中期电流路径示意图；
图5示出了本发明实施例中单相断路器的电容放电后期电流路径示意图；
图6示出了本发明实施例的单相断路器内隔离电容后电流路径示意图；
图7示出了本发明实施例的单相断路器内气体机械开关熄弧后电流路径示意图。
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。
本发明针对当前交流断路器进口设备价格高，国产替代设备寿命短的现状，提出一种基于电容换流的大容量交流断路器（下称新型断路器），可为气体机械开关提供零电压介质恢复时间，具有开断快速可靠，成本较低，寿命较长，可开断高直流分量短路电流等优势，在发电机出口断路器或需要断路器频繁动作的场合具有广阔的应用前景。
在本发明的一种实施例中，在大多数情况下，交流断路器是三相的，以三相交流断路器为例，新型断路器由三个相互独立的单相断路器构成，三个单相断路器串在每相相线中，用于开断每根相线的电流，其位置就在系统中需要布置交流断路器的常规位置。对于非三相的交流系统，也可以配置相应数量的单相断路器，但不脱离本专利的保护范畴。
单相断路器的拓扑结构如图1所示，图1的左右两端分别为单相断路器的输入端和输出端。单相断路器的拓扑结构主要包括通流装置、换流装置和开断装置。换流装置与开断装置串联，再整体并联在通流装置两端。
其中，通流装置由一个或若干个气体机械开关串并联组成，其无需安装额外的灭弧装置。所述换流装置包括换流第一支路和换流第二支路，所述换流第一支路与换流第二支路并联。所述换流第一支路包括一个预充电的电容Cm和电力电子开关组A，所述电力电子开关组A包括两个反向并联的电力电子开关A，所述电力电子开关组A与电容Cm串联。所述换流第二支路包括电力电子开关组B和保护MOV，所述电力电子开关组B和保护MOV并联，所述电力电子开关组B包括两个反向并联的电力电子开关B。开断装置由一个或若干个真空机械开关串并联组成。
具体地，气体机械开关的灭弧介质可采用SF6或环保气体；电力电子开关A/B可采用普通晶闸管、脉冲晶闸管、门极可关断晶闸管（GTO）、集成门极换流晶闸管（IGCT）等电力电子开关；保护MOV由金属氧化物压敏电阻组成；所述耗能电阻为绕线电阻、金属电阻、陶瓷电阻、金属氧化物压敏电阻等常用电阻的串并联组合；合闸保护开关可为真空开关、SF6开关或环保气体开关，具备接到合闸信号后数毫秒内快速合闸的能力。
如图2所示，在图1图示的基础上，开断装置中，视应用场景还可设置有与真空机械开关串联的耗能电阻；换流装置中，视应用场景还可设置有与电力电子开关B以及保护MOV并联的合闸保护开关。
相应的，对交流断路器的控制方法进行说明，所述控制方法包括：
当线路正常工作时，通流装置导通，换流装置和开断装置未导通，电流流经通流装置，换流装置内设置的电容通过外部充电机进行预充电，积蓄电压；
当监测到线路发生短路故障，且电流下降到换流装置的换流能力以内时，向换流装置电力电子开关发送导通指令，此时开断装置的真空机械开关暂时保持合闸，换流装置中预充电的电容放电；待到故障电流进一步下降到开断装置的开断能力以内时，向开断装置发送分闸指令，待到故障电流过零时，开断装置断开，使得故障电流完成开断。当故障电流未能开断而重新上升时，若导通的电力电子开关无法耐受此时的导通电流，控制合闸保护开关合闸，进行分流，保护电力电子开关不被损坏。
在本发明的一种实施例中，所述当线路正常工作时，通流装置导通，换流装置和开断装置未导通，电流流经通流装置，换流装置内设置的电容通过外部充电机进行预充电，积蓄电压具体包括：
当线路正常工作时，气体机械开关和真空机械开关处于合闸位置，通流装置导通，电力电子开关闭锁，换流装置和开断装置未导通，换流装置内设置的电容通过外部充电机进行预充电，积蓄电压，线路电流经过气体机械开关流通。
在本实施例的一种情况中，所述当监测到线路发生短路故障，电流下降到换流装置的换流能力以内时，向换流装置电力电子开关发送导通指令，此时开断装置的真空机械开关暂时保持合闸，换流装置中预充电的电容放电具体包括：
当监测到线路发生短路故障，向气体机械开关发送分闸指令；
当电流下降到换流装置的换流能力以内时，触发电力电子开关组A中与故障电流导通方向相同的一个电力电子开关导通，此时开断装置的真空机械开关暂时保持合闸，电容放电，电容放电产生的电流将反向叠加到气体机械开关并使得气体机械开关电流过零并反向增大；
随着电容进一步放电，其电压将过零反向，导通电力电子开关组B中与故障电流导通方向相同的一个电力电子开关，由于电容相当于被旁路，电流会从电容所在支路转移到电力电子开关组B上；
电流完成转移后，电力电子开关组A中的电力电子开关过零自然关断，电容与外部回路隔离，气体机械开关电流下降；
气体机械开关电流下降至零，此时气体开关两端电压为电力电子开关与真空机械开关导通压降之和，气体机械开关进行零电压弧后介质恢复。
在本发明的一种实施例中，所述待到故障电流进一步下降到开断装置的开断能力以内时，向开断装置发送分闸指令，待到故障电流过零时，开断装置断开，使得故障电流完成开断具体包括：
当电流下降到开断装置的开断能力以内时，向开断装置发送分闸指令，控制真空机械开关分闸，交流故障电流下降，直至出现过零点，真空机械开关开断故障电流。
为更好的理解上述交流断路器中单相断路器拓扑结构的控制时序和工作原理，下面结合图示进行说明。
首先介绍交流故障存在电流过零点的应用场合（也就是不要求交流断路器开断100%以上直流分量故障电流的场景），此时拓扑结构可选用图1所示的拓扑结构，电流路径如图3-7所示，图中加粗黑线代表当前线路中有电流。
1. 正常工作时，气体机械开关和真空机械开关处于合闸位置，电容Cm通过外部充电机预充有一定的电压，电力电子开关A和电力电子开关B均闭锁，线路电流经过气体机械开关流通。
2.当线路发生短路故障时，根据交流短路故障电流特性，线路电流上升至第一个峰值后将下降。当断路器接收到分闸信号，向气体机械开关发分闸指令；待气体机械开关刚分后，当电流下降到换流装置的换流能力以内时，触发电力电子开关A导通，电容Cm放电。如图3所示，以故障电流方向从左到右、电容预充电电压左负右正为例，电容放电产生的电流将反向叠加到气体机械开关并使得气体机械开关电流过零。如图4所示，由于气体机械开关过零熄弧时电容仍存在残余电压，气体机械开关将反向击穿，电流反向增大。
3.如图5所示，随着电容Cm进一步放电，其电压将过零反向，在此时或提前一段时间导通电力电子开关B中的其中一条支路（根据故障电流方向决定，该方向选择导通图中上方的支路），由于电容Cm相当于被旁路，电流会从电容Cm所在支路转移到电力电子开关B上。
4.一段时间后，如图6所示，电流完成转移，电力电子开关A中的晶闸管过零自然关断，将电容Cm与外部回路隔离。采用合理的参数设计可使得此时气体机械开关电流仍为图6所示方向，例如一方面可以增大电容对气体机械开关支路的换流能力（如增加预充电电压/减小换流回路杂散电感），另一方面可以加快电流从电容向电力电子开关B转移的速度（如减小该换流回路的杂散电感）。此后开关弧压、换流装置和开断装置的导通压降将叠加，共同促使气体机械开关电流下降。
5.一段时间后，如图7所示，气体机械开关电流下降至零，此时气体开关两端电压为电力电子开关与真空机械开关导通压降之和，可以忽略不计，实现了气体机械开关的零电压弧后介质恢复，规避了弧后击穿的风险。另外，由于上述电流转移过程的LC振荡周期很短，可大幅缩短气体机械开关的燃弧时间，提高了其电气寿命。
6. 气体机械开关电流过零后一段时间，综合故障电流的幅值和真空灭弧室开断能力，电流下降到开断装置的开断能力以内时，操作真空机械开关分闸，根据前述对应用场合的说明，交流故障电流随后将继续下降直至出现过零点，真空机械开关将开断故障电流。
然后，针对交流故障短期内不存在电流过零点的应用场合（也就是交流断路器开断>100%直流分量故障电流的场景，例如发电机出口断路器），简要介绍其工作原理。此时拓扑结构可选用图2所示的结构，也就是在电力电子开关B两端并联了合闸保护开关，在真空机械开关上串联了耗能电阻。
其动作时序1~5步骤与上述1~5步骤相同。
第6步为：对于短期不存在过零点的故障电流，根据步骤2中所述的交流短路故障电流特性，线路电流上升至第一个峰值后将下降的特点，电流在达到低谷值后将再次上升。由于高直流分量的故障电流场景通常伴随着极大的故障电流，若导通的电力电子开关无法耐受，则需要在此时操作合闸保护开关合闸分流。另外，通过适当的参数设计，串联的耗能电阻将吸收一定的能量，使得故障电流在下一个周期的电流低谷值出现过零点，断路器将在故障电流过零之前，综合故障电流的幅值和真空灭弧室开断能力，操作真空机械开关分闸，最终在故障电流过零时实现故障开断。其中，所述适当的参数设计可以逆向推断出，根据下一个周期电流预期的低谷值，结合仿真和试验，选择足够大的耗能电阻的阻值，使得加入耗能电阻后，故障电流在下一个周期的电流低谷值出现过零点；未加入耗能电阻或阻值不够大则不会出现过零点。
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 (11)
1.一种基于电容换流的大容量交流断路器，其特征在于，所述断路器包括多个相互独立的单相断路器，每个所述单相断路器串在一个相线中，用于开断所在相线的电流；
所述单相断路器的输入端和输出端之间设置有拓扑结构；
所述拓扑结构包括通流装置、换流装置和开断装置，所述换流装置和开断装置串联，串联后整体并联连接在通流装置两端；
所述换流装置包括换流第一支路和换流第二支路，所述换流第一支路与换流第二支路并联；
所述换流第一支路包括一个预充电的电容和电力电子开关组A，所述电力电子开关组A与电容串联；
所述换流第二支路包括电力电子开关组B和保护MOV，所述电力电子开关组B与保护MOV并联。
2.根据权利要求1所述的基于电容换流的大容量交流断路器，其特征在于，所述通流装置包括一个或多个串联的气体机械开关。
3.根据权利要求1所述的基于电容换流的大容量交流断路器，其特征在于，所述电力电子开关组A和电力电子开关组B均包括多个方向不同且并联的电力电子开关。
4.根据权利要求1-3任一所述的基于电容换流的大容量交流断路器，其特征在于，所述开断装置包括一个或多个串联或并联的真空机械开关。
5.根据权利要求4所述的基于电容换流的大容量交流断路器，其特征在于，所述开断装置还包括与真空机械开关串联的耗能电阻。
6.根据权利要求5所述的基于电容换流的大容量交流断路器，其特征在于，所述换流装置还包括与换流第一支路和换流第二支路并联的合闸保护开关。
7.一种如权利要求1-6任一所述的基于电容换流的大容量交流断路器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
当线路正常工作时，通流装置导通，换流装置和开断装置未导通，电流流经通流装置，换流装置内设置的电容通过外部充电机进行预充电，积蓄电压；
当监测到线路发生短路故障，且电流下降到换流装置的换流能力以内时，向换流装置电力电子开关发送导通指令，此时开断装置的真空机械开关暂时保持合闸，换流装置中预充电的电容放电；待到故障电流进一步下降到开断装置的开断能力以内时，向开断装置发送分闸指令，待到故障电流过零时，开断装置断开，使得故障电流完成开断。
8.根据权利要求7所述的基于电容换流的大容量交流断路器的控制方法，其特征在于，所述当线路正常工作时，通流装置导通，换流装置和开断装置未导通，电流流经通流装置，换流装置内设置的电容通过外部充电机进行预充电，积蓄电压具体包括：
当线路正常工作时，气体机械开关和真空机械开关处于合闸位置，通流装置导通，电力电子开关闭锁，换流装置和开断装置未导通，换流装置内设置的电容通过外部充电机进行预充电，积蓄电压，线路电流经过气体机械开关流通。
9.根据权利要求7所述的基于电容换流的大容量交流断路器的控制方法，其特征在于，所述当监测到线路发生短路故障，电流下降到换流装置的换流能力以内时，向换流装置电力电子开关发送导通指令，此时开断装置的真空机械开关暂时保持合闸，换流装置中预充电的电容放电具体包括：
当监测到线路发生短路故障，向气体机械开关发送分闸指令；
当电流下降到换流装置的换流能力以内时，触发电力电子开关组A中与故障电流导通方向相同的一个电力电子开关导通，此时开断装置的真空机械开关暂时保持合闸，电容放电，电容放电产生的电流将反向叠加到气体机械开关并使得气体机械开关电流过零并反向增大；
随着电容进一步放电，其电压将过零反向，导通电力电子开关组B中与故障电流导通方向相同的一个电力电子开关，由于电容相当于被旁路，电流会从电容所在支路转移到电力电子开关组B上；
电流完成转移后，电力电子开关组A中的电力电子开关过零自然关断，电容与外部回路隔离，气体机械开关电流下降；
气体机械开关电流下降至零，此时气体开关两端电压为电力电子开关与真空机械开关导通压降之和，气体机械开关进行零电压弧后介质恢复。
10.根据权利要求9所述的基于电容换流的大容量交流断路器的控制方法，其特征在于，所述待到故障电流进一步下降到开断装置的开断能力以内时，向开断装置发送分闸指令，待到故障电流过零时，开断装置断开，使得故障电流完成开断具体包括：
当电流下降到开断装置的开断能力以内时，向开断装置发送分闸指令，控制真空机械开关分闸，交流故障电流下降，直至出现过零点，真空机械开关开断故障电流。
11.根据权利要求10所述的基于电容换流的大容量交流断路器的控制方法，其特征在于，当故障电流未能开断而重新上升时，若导通的电力电子开关无法耐受此时的导通电流，控制合闸保护开关合闸，进行分流，保护电力电子开关不被损坏。
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