CN116014666A - 一种基于igct的超导混合直流断路器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于IGCT的超导混合直流断路器及其工作方法，断路器包括主支路和与主支路并联的桥式电流换向电路，主支路包括电阻式超导故障限流器R‑SFCL和隔离开关，桥式电流换向电路包括第一桥臂、第二桥臂、额定电流换向支路、有源电流注入支路，第一桥臂包括两个阴极相连的二极管VD₁、VD₂，第二桥臂包括两个阳极相连的二极管VD₃、VD₄，额定电流换向支路、有源电流注入支路一端连接在二极管VD₁、VD₂阴极之间，另一端连接在二极管VD₃、VD₄阳极之间。本发明利用电阻式超导限流器的限流特性极大地提高混合断路器中断故障电流的能力，可以在保障断路器良好的中断能力的同时，大大降低成本，在中压直流网络中的应用能够实现限流、中断一体化，并进一步降低成本。

Description

一种基于IGCT的超导混合直流断路器及其工作方法

技术领域

本发明涉及超导开关技术领域，具体涉及一种基于IGCT的超导混合直流断路器及其工作方法。

背景技术

随着国民经济和资源的长期发展，海上开发、控制和综合管理能力亟待提高。为海上特种设备提供可靠的电力已成为当务之急。中压直流(MVDC)因其供电时间长、功耗低、可靠性高和独立电源控制等优点，越来越受到人们的关注。然而，直流故障电流的di/dt上升率非常快。快速隔离故障线路，并切除故障电流，是确保直流系统可靠运行的关键。因此，MVDC系统需要满足快速中断故障电流、低功耗和低成本的直流断路器，以满足大规模应用的需要。

混合断路器结合了机械开关的优良静态特性和电力电子器件的良好动态性能，能够同时满足快速响应和低导通损耗的要求。但是，传统的混合断路器也同时存在机械开关灭弧困难、电力电子器件过载能力受限等问题，能达到的快速关断能力有限。

将电阻式超导故障限流器(R-SFCL)与混合断路器相结合，R-SFCL响应时间小于1.2ms，因此可以快速限制主支路的电流，并在短路故障后实现快速换向。采用R-SFCL抑制故障电流的大小和上升速度，可以有效降低直流电网故障对断路器开断容量的要求。UmerAmir Khan提出将超导故障电流限流器与传统的混合断路器串联，用于限制主电路电流，以便应用于直流输电领域。但当10kV MVDC电网中的故障电流水平大于15kA时,需要并联多个绝缘栅双极晶体管(IGBT)以实现可靠中断。这大大增加了混合断路器的支出成本。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于IGCT的超导混合直流断路器及其工作方法，将电阻式超导故障限流器与基于IGCT的混合断路器相结合，利用电阻式超导限流器的限流特性极大地提高混合断路器中断故障电流的能力，采用在通流能力、换流能力、过流工况、抗干扰性、可靠性以及成本等方面都具有很大优势的IGCT，可以在保障断路器良好的中断能力的同时，大大降低成本。该超导混合直流断路器(SDCCB)在中压直流网络中的应用能够实现限流、中断一体化，并进一步降低成本。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于IGCT的超导混合直流断路器，包括主支路和与主支路并联的桥式电流换向电路，主支路包括电阻式超导故障限流器R-SFCL和隔离开关，桥式电流换向电路包括第一桥臂、第二桥臂、额定电流换向支路、有源电流注入支路，第一桥臂包括两个阴极相连的二极管VD₁、VD₂，第二桥臂包括两个阳极相连的二极管VD₃、VD₄，额定电流换向支路、有源电流注入支路一端连接在二极管VD₁、VD₂阴极之间，另一端连接在二极管VD₃、VD₄阳极之间。

优选地，有源电流注入支路包括依次串联的预充电电容器C₁、电感器L₁和晶闸管T。

优选地，额定电流换向支路包括并联的IGCT、续流二极管D、缓冲器和金属氧化物压敏电阻器MOV，IGCT阳极连接在二极管VD₁、VD₂阴极之间，IGCT阴极连接在二极管VD₃、VD₄阳极之间；续流二极管D阴极连接在二极管VD₁、VD₂阴极之间，续流二极管D阳极连接在二极管VD₃、VD₄阳极之间。

优选地，缓冲器包括串联的电阻Rs和电容Cs。

优选地，隔离开关为带Mayr电弧的超快隔离开关UDS。

优选地，R-SFCL包括并联的超导体R_sc和旁路电阻器R_c。

优选地，R-SFCL淬火现象如下所示：

其中，R_m是最大淬火电阻，T_sc是过渡到淬火状态的时间常数，t₀表示淬火开始时间，即故障发生时间。

本发明还提供一种基于IGCT的超导混合直流断路器的工作方法，包括如下步骤：

S1：系统处于正常工作模式时，电流流经主支路，此时系统稳态电流i_0a为：

其中，E为直流侧电压，R_load为负载，Z₁,Z₂为线路阻抗；

S2：系统发生故障，此时预期稳态短路电流i_0b为：

若短路电流上升到预设动作值I_set，R-SFCL过渡到淬火状态以减小故障电流的上升速度，R-SFCL动作之后经一段可控延时，超导混合直流断路器SDCCB开始跳闸，此时UDS关断，IGCT导通，电流开始从主支路换流到并联的桥式电流换向电路，并且电流在桥式电流换向电路中依次流过二极管VD₁、IGCT、二极管VD₄，此过程为UDS开始关断后的第一次电流换向；

S3：主支路的电流降到0，故障电流被完全换流到桥式电流换向电路；当UDS达到安全开距，此时有源电流注入支路中的晶闸管T导通，电流开始从IGCT换流到有源电流注入支路，电流在桥式电流换向电路中依次流过二极管VD₁、IGCT、二极管VD₄，并且在预充电电容器C₁、电感器L₁、晶闸管T、IGCT的回路中形成浪涌电流，此过程为预充电电容器C₁注入后的第二次电流换向；这一过程的系统故障电流i_0c为：

其中，L为系统等效电感，U_diode为续流二极管D两端电压，U_IGCT为IGCT两端电压，i_T为晶闸管T中的电流，i_IGCT为IGCT中的电流；

S4：IGCT中的电流降至零，由于预充电电容器C₁的过放电，续流二极管D开始续流，电流在桥式电流换向电路中依次流过二极管VD₁、预充电电容器C₁、电感器L₁、晶闸管T、二极管VD₄，并且在预充电电容器C₁、电感器L₁、晶闸管T、续流二极管D的回路中形成环路电流，此过程为续流二极管D在第二次电流换向中的续流；这一过程的系统故障电流i_0d为：

其中，U_C1为预充电电容器C₁的电压，U_T为晶闸管T的电压，i_D为续流二极管D中的电流；

S5：预充电电容器C₁被故障电流反向充电，超导混合直流断路器两端电压开始上升，电流从IGCT换流到有源电流注入支路，第二次电流换向结束，电流在桥式电流换向电路中依次流过二极管VD₁、预充电电容器C₁、电感器L₁、晶闸管T、二极管VD₄，这一过程的系统故障电流i_0e为：

S6：当超导混合直流断路器两端电压达到金属氧化物压敏电阻器MOV的额定电压，电流开始从有源电流注入支路换流到MOV，电流在桥式电流换向电路中依次流过二极管VD₁、MOV、二极管VD₄，直至MOV中的故障电流降至零，整个故障电流断开完成，此过程为第三次电流换向，系统故障能量通过MOV消散；MOV耗散能量E_MOV表示为：

其中，t₁,t₂分别为MOV耗散故障能量开始和结束的时间，U_MOV,I_MOV分别为MOV的电压和电流，I_peak为故障电流达到的峰值，(di_MOV/dt)_avg为故障电流平均下降速率；

直流系统的故障清除时间Δt为：

其中，T_d为IGCT的关断延迟时间。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

与传统的混合断路器相比，基于IGCT的超导混合直流断路器可以实现限流、换向、快速中断，分断可靠性高。由于R-SFCL的淬火特性和IGCT的低导通电阻，可以实现故障电流的快速换向，这有助于机械触点的介质恢复并显著提高大电流开断的能力。

R-SFCL的限流特性显著抑制了直流故障电流，加快了中断过程，并显著降低了SDCCB组件的电流中断应力。另外，基于IGCT的超导混合直流断路器克服了IGCT中断能力不如IGBT的缺点，保留了IGCT成本低廉的优点，更适用于中压场合。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。

图1为直流输电系统的拓扑结构图；

图2为SDCCB的拓扑结构图；

图3为R-SFCL的物理模型图；

图4为R-SFCL的淬火特性图；

图5为SDCCB在故障电流中断的不同时期的等效电路。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

直流输电系统的拓扑结构如图1所示，交流电网通过变压器与电压源变换器交流端连接，进行交直流转换。电压源变换器直流端通过两条直流输电线路与负载电阻两端连接，两条直流输电线路阻抗为Z₁，Z₂。两条直流输电线路靠近电压源变换器直流端分别设置SDCCB。

SDCCB的拓扑结构如图2所示，包括主支路和与主支路并联的桥式电流换向电路，主支路包括电阻式超导故障限流器R-SFCL和带Mayr电弧的超快隔离开关UDS，R-SFCL包括并联的超导体R_sc和旁路电阻器R_c。R-SFCL用于限制故障电流并实现快速换流。桥式电流换向电路包括第一桥臂、第二桥臂、额定电流换向支路、有源电流注入支路，第一桥臂包括两个阴极相连的二极管VD₁、VD₂，第二桥臂包括两个阳极相连的二极管VD₃、VD₄，额定电流换向支路、有源电流注入支路一端连接在二极管VD₁、VD₂阴极之间，另一端连接在二极管VD₃、VD₄阳极之间。有源电流注入支路用于实现电流换向和电压建立，保证电力电子器件在低电流水平下可靠关断。VD₁-VD₄用于实现双向电流传导。有源电流注入支路包括依次串联的预充电电容器C₁、电感器L₁和晶闸管T。额定电流换向支路包括并联的IGCT、续流二极管D、缓冲器和金属氧化物压敏电阻器MOV，IGCT阳极连接在二极管VD₁、VD₂阴极之间，IGCT阴极连接在二极管VD₃、VD₄阳极之间；续流二极管D阴极连接在二极管VD₁、VD₂阴极之间，续流二极管D阳极连接在二极管VD₃、VD₄阳极之间。

如图3所示，R-SFCL包括并联的超导体R_sc和旁路电阻器R_c，超导体R_sc超导状态下的电阻为0，淬火后成为高电阻状态电阻。旁路电阻器R_c用于防止超导体因过电流而烧毁。I_a1、I_a2分别表示流经R_sc和R_c的电流，I表示总电流。R-SFCL淬火现象如下所示：

其中，R_m是最大淬火电阻，T_sc是过渡到淬火状态的时间常数，t₀表示淬火开始时间，即故障发生时间。

SDCCB中R-SFCL的主要目标是将增加的直流故障电流抑制到较低水平，并显著降低SDCCB组件上的电流中断应力。R-SFCL的淬火特性如图4所示，假设系统故障发生在t₀＝1ms，最大淬火电阻为9Ω，可以看出R-SFCL的响应时间仅有1.2ms，因此可以快速限制故障电流。

通过对比串联不同阻值的R-SFCL和没有串联R-SFCL几种情况，观察主支路中故障电流的变化。表1总结了Z_R-SFCL值变化导致的故障电流减少百分比。当没有R-SFCL接入时，断路器需要关闭非常大的故障电流(17.6kA)。当Z_R-SFCL＝3Ω时，故障电流大大减少(3.8kA)，中断故障电流的时间减少，这可以降低断路器的中断压力。随着Z_R-SFCL的增加，SDCCB中断的故障电流随着电流中断时间的减少而减少。

相应地，对于R-SFCL的最小值(3Ω)，R-SFCL的电压最低。随着Z_R-SFCL的增加，R-SFCL的电压也会增加。不可避免地，R-SFCL的额定电压会随之增加，这将增加R-SFCL的尺寸和成本。因此，需要仔细选择R-SFCL的电阻值，并且需要考虑SDCCB的电流中断能力。在此基础上，本实施例选择Z_R-SFCL＝9Ω，以实现降低故障电流和降低成本之间的最大性价比。

表一改变Z_R-SFCL时故障电流减少的百分比

如图5所示，本发明还提供一种基于IGCT的超导混合直流断路器的工作方法，包括如下步骤：

S1：如图5(a)所示，系统处于正常工作模式时，电流流经主支路，此时系统稳态电流i_0a为：

其中，E为直流侧电压，R_load为负载，Z₁,Z₂为线路阻抗；

S2：如图5(b)所示，系统发生故障，此时预期稳态短路电流i_0b为：

若短路电流上升到预设动作值I_set，R-SFCL过渡到淬火状态以减小故障电流的上升速度，R-SFCL动作之后经一段可控延时，超导混合直流断路器SDCCB开始跳闸，此时UDS关断，IGCT导通，电流开始从主支路换流到并联的桥式电流换向电路，并且电流在桥式电流换向电路中依次流过二极管VD₁、IGCT、二极管VD₄，此过程为UDS开始关断后的第一次电流换向；

S3：如图5(c)所示，主支路的电流降到0，故障电流被完全换流到桥式电流换向电路；当UDS达到安全开距，此时有源电流注入支路中的晶闸管T导通，电流开始从IGCT换流到有源电流注入支路，电流在桥式电流换向电路中依次流过二极管VD₁、IGCT、二极管VD₄，并且在预充电电容器C₁、电感器L₁、晶闸管T、IGCT的回路中形成浪涌电流，此过程为预充电电容器C₁注入后的第二次电流换向；这一过程的系统故障电流i_0c为：

其中，L为系统等效电感，U_diode为续流二极管D两端电压，U_IGCT为IGCT两端电压，i_T为晶闸管T中的电流，i_IGCT为IGCT中的电流；

S4：如图5(d)所示，IGCT中的电流降至零，由于预充电电容器C₁的过放电，续流二极管D开始续流，电流在桥式电流换向电路中依次流过二极管VD₁、预充电电容器C₁、电感器L₁、晶闸管T、二极管VD₄，并且在预充电电容器C₁、电感器L₁、晶闸管T、续流二极管D的回路中形成环路电流，此过程为续流二极管D在第二次电流换向中的续流；这一过程的系统故障电流i_0d为：

其中，U_C1为预充电电容器C₁的电压，U_T为晶闸管T的电压，i_D为续流二极管D中的电流；

S5：如图5(e)所示，预充电电容器C₁被故障电流反向充电，超导混合直流断路器两端电压开始上升，电流从IGCT换流到有源电流注入支路，第二次电流换向结束，电流在桥式电流换向电路中依次流过二极管VD₁、预充电电容器C₁、电感器L₁、晶闸管T、二极管VD₄，这一过程的系统故障电流i_0e为：

S6：如图5(f)所示，当超导混合直流断路器两端电压达到金属氧化物压敏电阻器MOV的额定电压，电流开始从有源电流注入支路换流到MOV，电流在桥式电流换向电路中依次流过二极管VD₁、MOV、二极管VD₄，直至MOV中的故障电流降至零，整个故障电流断开完成，此过程为第三次电流换向，系统故障能量通过MOV消散；MOV耗散能量E_MOV表示为：

其中，t₁,t₂分别为MOV耗散故障能量开始和结束的时间，U_MOV,I_MOV分别为MOV的电压和电流，I_peak为故障电流达到的峰值，(di_MOV/dt)_avg为故障电流平均下降速率；

直流系统的故障清除时间Δt为：

其中，T_d为IGCT的关断延迟时间。因此，R-SFCL有助于耗散故障能量及缩短故障清除时间。

Claims (8)

1.一种基于IGCT的超导混合直流断路器，包括主支路和与主支路并联的桥式电流换向电路，其特征在于，主支路包括电阻式超导故障限流器R-SFCL和隔离开关，桥式电流换向电路包括第一桥臂、第二桥臂、额定电流换向支路、有源电流注入支路，第一桥臂包括两个阴极相连的二极管VD₁、VD₂，第二桥臂包括两个阳极相连的二极管VD₃、VD₄，额定电流换向支路、有源电流注入支路一端连接在二极管VD₁、VD₂阴极之间，另一端连接在二极管VD₃、VD₄阳极之间。

2.根据权利要求1所述的基于IGCT的超导混合直流断路器，其特征在于，有源电流注入支路包括依次串联的预充电电容器C₁、电感器L₁和晶闸管T。

3.根据权利要求1所述的基于IGCT的超导混合直流断路器，其特征在于，额定电流换向支路包括并联的IGCT、续流二极管D、缓冲器和金属氧化物压敏电阻器MOV，IGCT阳极连接在二极管VD₁、VD₂阴极之间，IGCT阴极连接在二极管VD₃、VD₄阳极之间；续流二极管D阴极连接在二极管VD₁、VD₂阴极之间，续流二极管D阳极连接在二极管VD₃、VD₄阳极之间。

4.根据权利要求3所述的基于IGCT的超导混合直流断路器，其特征在于，缓冲器包括串联的电阻Rs和电容Cs。

5.根据权利要求1所述的基于IGCT的超导混合直流断路器，其特征在于，隔离开关为带Mayr电弧的超快隔离开关UDS。

6.根据权利要求1所述的基于IGCT的超导混合直流断路器，其特征在于，R-SFCL包括并联的超导体R_sc和旁路电阻器R_c。

7.根据权利要求1所述的基于IGCT的超导混合直流断路器，其特征在于，R-SFCL淬火现象如下所示：

其中，R_m是最大淬火电阻，T_sc是过渡到淬火状态的时间常数，t₀表示淬火开始时间，即故障发生时间。

8.权利要求1-7任一项所述的基于IGCT的超导混合直流断路器的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：系统处于正常工作模式时，电流流经主支路，此时系统稳态电流i_0a为：

其中，E为直流侧电压，R_load为负载，Z₁,Z₂为线路阻抗；

S2：系统发生故障，此时预期稳态短路电流i_0b为：

若短路电流上升到预设动作值I_set，R-SFCL过渡到淬火状态以减小故障电流的上升速度，R-SFCL动作之后经一段可控延时，超导混合直流断路器SDCCB开始跳闸，此时UDS关断，IGCT导通，电流开始从主支路换流到并联的桥式电流换向电路，并且电流在桥式电流换向电路中依次流过二极管VD₁、IGCT、二极管VD₄，此过程为UDS开始关断后的第一次电流换向；

S3：主支路的电流降到0，故障电流被完全换流到桥式电流换向电路；当UDS达到安全开距，此时有源电流注入支路中的晶闸管T导通，电流开始从IGCT换流到有源电流注入支路，电流在桥式电流换向电路中依次流过二极管VD₁、IGCT、二极管VD₄，并且在预充电电容器C₁、电感器L₁、晶闸管T、IGCT的回路中形成浪涌电流，此过程为预充电电容器C₁注入后的第二次电流换向；这一过程的系统故障电流i_0c为：

其中，L为系统等效电感，U_diode为续流二极管D两端电压，U_IGCT为IGCT两端电压，i_T为晶闸管T中的电流，i_IGCT为IGCT中的电流；

S4：IGCT中的电流降至零，由于预充电电容器C₁的过放电，续流二极管D开始续流，电流在桥式电流换向电路中依次流过二极管VD1、预充电电容器C₁、电感器L₁、晶闸管T、二极管VD₄，并且在预充电电容器C₁、电感器L₁、晶闸管T、续流二极管D的回路中形成环路电流，此过程为续流二极管D在第二次电流换向中的续流；这一过程的系统故障电流i_0d为：

其中，

为预充电电容器C1的电压，U_T为晶闸管T的电压，i_D为续流二极管D中的电流；

S5：预充电电容器C₁被故障电流反向充电，超导混合直流断路器两端电压开始上升，电流从IGCT换流到有源电流注入支路，第二次电流换向结束，电流在桥式电流换向电路中依次流过二极管VD₁、预充电电容器C₁、电感器L₁、晶闸管T、二极管VD₄，这一过程的系统故障电流i_0e为：

S6：当超导混合直流断路器两端电压达到金属氧化物压敏电阻器MOV的额定电压，电流开始从有源电流注入支路换流到MOV，电流在桥式电流换向电路中依次流过二极管VD₁、MOV、二极管VD₄，直至MOV中的故障电流降至零，整个故障电流断开完成，此过程为第三次电流换向，系统故障能量通过MOV消散；MOV耗散能量E_MOV表示为：

其中，t₁,t₂分别为MOV耗散故障能量开始和结束的时间，U_MOV,I_MOV分别为MOV的电压和电流，I_peak为故障电流达到的峰值，(di_MOV/dt)_avg为故障电流平均下降速率；

直流系统的故障清除时间Δt为：

其中，T_d为IGCT的关断延迟时间。

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