CN115133512A - 一种混合式直流断路器 - Google Patents

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CN115133512A CN202210277835.6A CN202210277835A CN115133512A CN 115133512 A CN115133512 A CN 115133512A CN 202210277835 A CN202210277835 A CN 202210277835A CN 115133512 A CN115133512 A CN 115133512A
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李妍
何大瑞
缪芸
诸晓骏
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Economic and Technological Research Institute of State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd
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    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
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    • H02H9/02—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess current
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    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
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    • H02H7/222—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for distribution gear, e.g. bus-bar systems; for switching devices for switches

Abstract

本发明的混合式直流断路器，包括：通流支路，包含一个快速机械开关和一个负载转移开关，导通系统正常运行时的电流；电流转移支路，包含若干串联的断流单元，在直流故障时转移电流的导通；能量吸收支路，由若干串联的避雷器组成，在直流故障时吸收故障能量；所述正常通流支路、故障通流支路以及能量吸收支路相并接。有益效果为：该断路器在系统正常运行时拥有较小的损耗，同时当发生故障的初期可以对故障电流进行限制。

Description

一种混合式直流断路器
技术领域
本发明涉及电网断路器技术领域，尤其涉及一种混合式直流断路器。
背景技术
目前国内外学者对高压混合直流断路器研究方向仍基于自然换流型与强迫换流型，自然换流型断路器核心思想是“零电压关断”，但该结构开断能力取决于电力电子器件，多管串联均压与并联均流的难度较大,且依靠弧压转移电流的可靠性不高。强迫换流型断路器思想核心为“零电流关断”，该结构通过在电流人工过零时刻开断机械开关实现故障电流的快速熄弧，但此结构极易因恢复电压存在而发生二次燃弧现象。
现有的混合直流断路器使用的转移开关由电力电子开关(主要为IGBT)组成，在系统正常运行时存在较大的损耗，而且直流断路器本身没有限流能力，当系统中限流设备出现故障或者系统出现严重的事故时，由于电力电子器件的耐过压能力较弱，可能会导致电力电子器件的损坏，影响断路器的性能，进而对系统的稳定运行造成影响。
为了进一步抑制故障电流峰值,国内外学者将超导技术引入高压直流断路器设计中，文献(葛天科、周羽生、陈鹏辉等:电阻型超导限流高压直流断路器研究[J]:低温与超导,2018,46(4),32-38.)提出一种基于电阻型超导限流器的高压直流断路器拓扑,该结构虽然能有效抑制短路初期电流增长率，但整体结构亦是自然换流型，而基于自然换流型结构均未能解决多管均压及电流转移可靠性等问题。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供了一种在系统正常运行时拥有较小的损耗，同时当发生故障的初期可以对故障电流进行限制的混合式直流断路器，具体由以下技术方案实现：
所述混合式直流断路器，包括：
通流支路，包含一个快速机械开关和一个负载转移开关，导通系统正常运行时的电流；
电流转移支路，包含若干串联的断流单元，在直流故障时转移电流的导通；能量吸收支路，由若干串联的避雷器组成，在直流故障时吸收故障能量；
所述正常通流支路、故障通流支路以及能量吸收支路相并接。
所述混合式直流断路器的进一步设计在于，所述通流支路中负载转移开关采用电阻型超导开关，快速机械开关为典型混合直流断路器。
所述混合式直流断路器的进一步设计在于，每个断流单元包括：反向串联的 IGBT和与IGBT相并联的二极管。
所述混合式直流断路器的进一步设计在于，所述断流单元为三个。
所述混合式直流断路器的进一步设计在于，所述避雷器为三个。
本发明的优点：
本发明的混合式直流断路器在系统正常运行时拥有较小的损耗，同时在故障发生初期可以有效抑制故障电流的发展，同时能够较好的实现快速机械开关的零电流关断。
附图说明
图1为混合式直流断路器的示意图。
图2为通流支路的示意图。
图3为电流转移支路的示意图。
图4为断流单元的示意图。
图5能量吸收支路的示意图。
图6为正常运行和故障电流转移前电流流向的示意图。
具体实施方式
结合附图对本发明的技术方案进一步说明。
如图1，本实施例的混合式直流断路器，主要由通流支路、电流转移支路以及能量吸收支路组成。其中，通流支路，包含一个快速机械开关(UFD)和一个负载转移开关(LCS)，导通系统正常运行时的电流，参见图2。电流转移支路，包含若干串联的断流单元(MB)，在直流故障时转移故障电流，参见图3。能量吸收支路，由若干串联的避雷器(MOV)组成，在直流故障时吸收故障能量，参见图5。正常通流支路、电流转移支路以及能量吸收支路相并接。
本实施例的通流支路中负载转移开关采用电阻型超导开关R-SFCL，当其通过的电流在一定值之下时，R-SFCL处于超导状态，电阻为零，当电流上升至一定值后，开始呈现电阻的性质，快速机械开关采用典型混合直流断路器，当流通的电流过零时关断。
本实施例的混合式直流断路器中断流单元为三个，每个断流单元包括：反向串联的IGBT和与IGBT反向并联的二极管，参见图4。
本实施例的混合式直流断路器，避雷器为三个，参见图5。
当正常运行时，电阻型超导开关R-SFCL的等效电阻为零，不产生损耗。快速机械开关处于导通状态，负载电流经由通流支路中的LCS和UFD传输电能。电流方向如图6所示。
当故障发生时，通流支路中的故障电流逐渐上升，当上升至一定值时，电阻型超导开关处于失超状态，故障电流的上升速度得到抑制。随着故障电流继续上升，系统检测到故障并向断路器发出断路信号，此时导通电流转移支路对应方向的IGBT(本例为左侧IGBT)，由于IGBT的导通电阻较小，电流从电阻较大的通流支路进入电阻较小的转移支路，使得通流支路电流下降为零。随后关断快速机械开关，实现快速机械开关的零电流关断。电路方向如所示。
当快速机械开关关断后，同时关断各断流单元中的IGBT，电流转移支路中电流下降为零，同时避雷器两端电压上升至动作电压，此时故障电压使避雷器动作，电流进入能量吸收支路，将故障能量吸收，参见，电流逐渐下降至零，断流过程结束。
本实施例的混合式直流断路器在系统正常运行时拥有较小的损耗，同时在故障发生初期可以有效抑制故障电流的发展，同时能够较好的实现快速机械开关的零电流关断,断路器动作时通流支路、转移支路电流以及能量吸收支路电流示意分别参见、以及，整个断路过程各部分运行效果如下：当正常运行时，负载电流经通流支路的负载转移开关LCS和快速机械开关UFD向负载供电，这一阶段内电流低于电阻型超导开关R-SFCL的失超电流，电阻为零，不产生损耗。故障发生并被故障识别后快速机械开关UFD分闸，但是由于UFD电流不为零，使得快速机械开关UFD开始燃弧而没有关断，故障电流继续上升，当上升到电阻型超导开关R-SFCL的失超电流后，电阻型超导开关R-SFCL呈现电阻的性质，开始抑制故障电流的发展，此时打开转移支路中的IGBT由于通流支路存在电阻而转移支路处于短路状态，电流转移进入转移支路，转移支路电流出现如所示的上升，通流支路电流下降为零，UFD电流过零关断。在UFD关断后，关断转移支路中的IGBT，此时转移支路中电流被减小至零，出现如所示的电流下降。由于IGBT 的关断，断路器两端电压上升，导致避雷器达到动作电压，转移支路的电流转移进入能量吸收支路中，此后故障电流产生的能量由避雷器吸收，电流逐渐下降至零，如所示。就整个过程而言，故障电流在故障发生后开始上升直到转移支路中 IGBT关断，此后开始下降，直到断路过程结束，整个过程的主电路电流如所示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种混合式直流断路器，其特征在于包括：
通流支路，包含一个快速机械开关和一个负载转移开关，导通系统正常运行时的电流；
电流转移支路，包含若干串联的断流单元，在直流故障时转移电流的导通；
能量吸收支路，由若干串联的避雷器组成，在直流故障时吸收故障能量；
所述正常通流支路、故障通流支路以及能量吸收支路相并接。
2.根据权利要求1所述的混合式直流断路器，其特征在于所述通流支路中负载转移开关采用电阻型超导开关，快速机械开关为典型混合直流断路器。
3.根据权利要求1所述的混合式直流断路器，其特征在于每个断流单元包括：反向串联的IGBT和与IGBT相并联的二极管。
4.根据权利要求1所述的混合式直流断路器，其特征在于所述断流单元为三个。
5.根据权利要求1所述的混合式直流断路器，其特征在于所述避雷器为三个。
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