CN116260118A - 一种具备限流功能的混合式直流断路器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具备限流功能的混合式直流断路器及其控制方法，当电路中出现过电流时将电流由主支路转移至故障处理支路，并根据故障检测结果决定切除故障线路或恢复正常运行，减少了系统的误动作，同时增加了系统的可靠性。故障处理支路中的电容无需额外的预充电电路，降低了系统硬件成本，而且在对故障线路进行切除时能够将限流电感中的能量进行转移，降低避雷器耗能的同时缩短了断路器动作时间。本发明在多端口柔性直流输配电领域等场合有较好的使用价值和经济效益。

Description

一种具备限流功能的混合式直流断路器及其控制方法
技术领域
本发明涉及中高压柔性直流输配电网领域，特别是涉及一种具备限流功能的混合式直流断路器及其控制方法。
背景技术
电力系统中用于关合和开断电路的设备被称为开关电器。作为构建坚强可靠电力系统的安全卫士，开关电器分为断路器、隔离开关、熔断器、负荷开关等多种，其中，断路器用于正常工作和发生故障（如短路故障）时关合和开断电路，是开关电器中最重要、最昂贵、同时也是技术参数最复杂的一种开关设备。近二十年来，电力系统随着电压等级提高、输电容量增大、直流输电发展以及分布式能源的迅速发展，不同应用场景对开关电器的保护机制、开断电流、开断速度均提出新要求，应用于各种新场景的“现代开关电器”的设计及可靠性研究十分重要。
当前阶段，在市场当中出现许多型号类型各异的开关设备，其结构往往十分复杂，在技术应用方面更是呈现多样化。对此我们需要对开关设备在不同场景下的应用加强研究，充分了解各类设备的优点和不足，根据各场景的需求合理进行选择相应开关设备。随着直流断路器的发展，直流断路器主要可分为3类：固态式直流断路器、机械式直流断路器和混合式直流断路器。
固态式直流断路器直接利用全控型半导体器件关断电流可实现快速无弧开断，动作速度很快，但是负荷电流通路存在的大量半导体器件结构复杂，并且会使得固态直流断路器的导通损耗过大，需配备相应散热设备，过电压及过电流承受能力和电磁抗毁性较差。混合式直流断路器和机械式直流断路器是当前的主流研究方向，在光伏发电、大数据中心、轨道交通及核电等直流配电场景应用时，运维成本差距较大。机械式直流断路器具有导通损耗可忽略、造价低、占地面积小的优点。传统的直流断路器辅助过零振荡支路可分为无源的自激振荡电路和有源的预充电振荡电路。无源的自激振荡电路不使用辅助设备，依靠电容电感的自激振荡产生电流过零点，但使用自激振荡的方法会增加开关的反应时间，一般需要几十毫秒，当电弧电流大到一定程度后，电弧的负阻性变得不很明显，不能保证振荡电流达到可产生零点的幅值，故此类断路器开断电流能力有限。有源的预充电振荡电路通过预充电的电容放电产生一个反向振荡电流，将此电流迭加到开断电流上制造电流过零点，断路器借此完成电路开断。给电容预充电虽然可以缩短电路动作时间，但额外增加的直流电源会使成本提高，同时增大了系统设计的复杂度，也使得直流断路器在无源电网侧的应用受限。混合式直流断路器将机械开关较强的通流能力和电力电子器件的快速关断能力相结合，系统正常工作时电流流经主支路机械开关，当系统发生故障时，故障电流被转移至故障处理支路后由电力电子器件进行切除。为了减小切断故障电流时的幅值，通常在直流电网中加装平波电抗器与混合式直流断路器配合使用，但当平波电抗器的值过大时会影响系统的动态性能，其值过小时限流效果不明显。
尽管ABB等国际大型电力公司宣称突破了直流开断的百年难题，但国外先进技术垄断与标准壁垒仍是制约我国直流开断设备自主研发、标准破壁与建壁以及自主技术创新的关键瓶颈。开展直流输配电网故障基础理论与可靠开断关键问题研究，解决多分布式微源接入下直流配电网故障特性分析及主动保护的难题，对打造安全、可靠、经济、清洁的“坚强智能电网”具有战略意义。
发明内容
为了提高多端直流电网在直流故障下的运行可靠性，同时降低对直流断路器分断电流能力的要求，本发明提出一种具备限流功能的混合式直流断路器及其控制方法，以实现系统故障后有效限制故障电流的上升速率及幅值，同时省去了电容预充电电路，增加了系统的可靠性和经济性。
本发明的技术方案如下：
一种具备限流功能的混合式直流断路器，包括主支路、故障处理支路；其中，
主支路由超快速机械开关UFD和负载转换开关LCS组成；故障处理支路由换向部分、电流转移部分、限流部分、分断部分和预充电部分组成；
换向部分由晶闸管T1-T4组成的桥式电路构成；
电流转移部分包括晶闸管T5、晶闸管T6和电容C 1，其中晶闸管T6与电容C 1串联再与晶闸管T5进行并联；
限流部分包括晶闸管T8、晶闸管T9、电容C 2和限流电感L；限流电感L与晶闸管T8串联，电容C 2与晶闸管T9串联，这两个电路再进行并联；
分断部分由IGBT组S1与一个避雷器MOA并联组成；
预充电部分由限流电阻R与晶闸管T10串联而成；
限流部分与分断部分串联连接后并联接在电流转移部分两端，在分断部分与限流部分的串联连接点处通过晶闸管T7连接于电容C 1与晶闸管T6中间，主支路与故障电流转移支路并联连接。
预充电部分中的晶闸管阴极与地相连，晶闸管阳极通过限流电阻R连接于限流部分中电容C 2与晶闸管T9中间；电流转移部分中电容C 1的电容值由故障电流幅值和晶闸管T5所承受反压时间决定；限流电感L的电感值由期望的限流效果决定；晶闸管数量由源侧电压等级和耐流值决定；避雷器MOA的额定电压有源侧电压和限流电感值共同决定；
上述具备限流功能的混合式直流断路器的控制方法包括以下流程：
假设系统正常运行时，电流从直流断路器的左侧流向右侧，短路故障发生在直流断路器的右端，将直流断路器左侧称为非故障侧或源侧，右侧称为故障侧；
阶段0（t 0-）：超快速机械开关UFD处于闭合状态，向晶闸管T1、T5、T7和T10施加触发信号，源侧向电容C 1和电容C 2充电，当两个电容电压之和等于源侧电压时，撤去施加的触发信号，预充电电路电流降至零，晶闸管T1、T5、T7和T10实现自然关断；
阶段1（t 0-）：系统正常工作时电流流经主支路；
阶段2（t 0-t 1）：t 1时刻，检测到电路电流异常时，向负载转换开关LCS施加关断信号，向晶闸管T1、T4和T5施加触发信号，待电流完全转移至故障处理支路时，主支路电流降为零，此时开始拉开超快速机械开关UFD，UFD实现无弧分断；
阶段3（t 1-t 2）：t 2时刻，UFD完成分断，向分断开关S1、晶闸管T6和T8施加触发信号，同时撤去向T1、T4和T5施加的触发信号，晶闸管T5因承受电容C 1的反压而关断，故障电流被转移至电容C 1和晶闸管T6所在电路,故障电流开始对电容C 1进行反向充电；
阶段4（t 2-t 3）：t 3时刻，电容C 1的电压等于零，分断开关S1和晶闸管T8导通，限流电感L开始投入；
阶段5（t 3-t 4）：t 4时刻，电容C 1反向充电至系统电压，电容C 1所在电路电流降为零，晶闸管T6自然关断，故障电流被完全转移至分断部分和限流部分组成的电路中，限流电感L起到限流作用；
阶段6（t 4-t 5）：t 5时刻，故障检测完成，若确认发生故障，则向分断部分中的分断开关S1发送关断信号，向晶闸管T9施加触发信号，此时电流转移至MOA，因为MOA自身伏安特性会在故障线路中呈现很大的反向电压，同时电感中的能量开始向电容C 2中进行转移，进入阶段8；若确认未发生故障，则闭合UFD，向负载转换开关LSC和晶闸管T9施加触发信号，同时向分断开关S1发送关断信号，电感中的能量开始向电容C 2中转移，进入阶段7；
阶段7（t 5-t 7）：当未发生故障时，t 6时刻，电流全部转移至主支路；t 7时刻，电感L中的能量全部转移至电容C 2，撤去施加的触发信号，晶闸管T8和T9实现自然关断，同时向晶闸管T1、T5、T7和T10施加触发信号，源侧给电容C 1和电容C 2充电，当两个电容电压之和等于源侧电压时，撤去施加的触发信号，预充电电路电流降至零，晶闸管T1、T5、T7和T10实现自然关断；
阶段8（t 5-t 9）：当发生故障时，t 8时刻，故障电流被完全切除，电感L中的能量继续向电容C 2中转移；t 9时刻，电感L中的能量全部转移至电容C 2，限流部分中的回路电流降为零，撤去施加的触发信号，晶闸管T8和T9实现自然关断，同时向晶闸管T1、T5、T7和T10施加触发信号，源侧给电容C 1和电容C 2充电，当两个电容电压之和等于源侧电压时，撤去施加的触发信号，预充电电路电流降至零，晶闸管T1、T5、T7和T10实现自然关断；
至此完成一个周期。
t 0-为未达到t 0的时刻；t 0为系统正常运行的时刻；t 1为系统检测到电路电流异常的时刻；t 2为UFD完成分断的时刻；t 3为电容电压为零的时刻；t 4为电路中的电流全部转移至分断部分和限流部分组成的电路的时刻；t 5为故障检测完成的时刻；t 6为故障电流再次全部转移至主支路的时刻；t 7为未发生故障时电感L中的能量完全转移到电容C 2中的时刻；t 8为在故障检测完成后，故障电流切除的时刻；t 9为发生故障时电感L中的能量完全转移到电容C 2中的时刻。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明为一种限流型混合式直流断路器，分断部分中的分断开关仅参与到断路器对故障电流的限流和切除阶段，不会参与断路器全部的工作阶段，降低了断路器在处理故障电流时IGBT的功率损耗；本发明在切除故障电流时，能够将回路中限流电感的能量进行转移，减小了避雷器所消耗的能量，同时缩短了切除故障电流所需时间，提高了系统的可靠性。此外本发明通过由限流电阻R和晶闸管T10串联组成的简单的预充电部分对电容进行预充电，省去了额外的电源和复杂的预充电电路，降低了系统的硬件成本，增加了系统的经济性。
本发明的控制方法中，当电路中出现过电流时能够将限流部分进行投入，并根据故障检测结果决定切除故障线路或恢复正常运行（即选择阶段7还是阶段8），减少了系统的误动作，限流部分中电感的投入，限制了故障电流的增长速率，降低了切断时的电流幅值，且在切除过程中能够将电感中的能量进行转移，增加了系统的可靠性。本发明在直流输配电领域等场合有较好的使用价值和经济效益。
附图说明
图1为具备限流功能的混合式直流断路器拓扑示意图。
实施方式
以下结合附图详细描述本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。
图1所示的具备限流功能的混合式直流断路器拓扑，包括主支路、故障处理支路；其中，
主支路由超快速机械开关UFD和负载转换开关LCS组成；故障处理支路由换向部分、电流转移部分、限流部分、分断部分和预充电部分组成；
换向部分由晶闸管T1、T2、T3和T4组成的桥式电路构成；
电流转移部分包括晶闸管T5、晶闸管T6和电容C 1，其中晶闸管T6与电容C 1串联再与晶闸管T5进行并联；
限流部分包括晶闸管T8、晶闸管T9、电容C 2和限流电感L；限流电感L与晶闸管T8串联，电容C 2与晶闸管T9串联，这两个电路再进行并联；
分断部分由IGBT组S1与一个避雷器MOA并联组成；
预充电部分由限流电阻R与晶闸管T10串联而成；
所述限流部分与分断部分串联连接后并联接在电流转移部分两端，在分断部分与限流部分的串联连接点处通过晶闸管连接于电容C 1与晶闸管T6中间，主支路与故障电流转移支路并联连接。
预充电部分中的晶闸管阴极与地相连，晶闸管阳极通过限流电阻R连接于限流部分中电容C 2与晶闸管T9中间；电流转移部分中电容C 1的电容值由故障电流幅值和晶闸管T5所承受反压时间决定；限流电感L的电感值由期望的限流效果决定；晶闸管数量由源侧电压等级和耐流值决定；避雷器MOA的额定电压有源侧电压和限流电感值共同决定；
具备限流功能的混合式直流断路器的控制方法包括以下流程：
假设系统正常运行时，电流从直流断路器的左侧流向右侧，短路故障发生在直流断路器的右端，将直流断路器左侧称为非故障侧或源侧，右侧称为故障侧；
阶段0（t 0-）：超快速机械开关UFD处于闭合状态，向晶闸管T1、T5、T7和T10施加触发信号，源侧向电容C 1和电容C 2充电，当两个电容电压之和等于源侧电压时，撤去施加的触发信号，预充电电路电流降至零，晶闸管T1、T5、T7和T10实现自然关断；
阶段1（t 0-）：系统正常工作时电流流经主支路；
阶段2（t 0-t 1）：t 1时刻，检测到电路电流异常时，向负载转换开关LCS施加关断信号，向晶闸管T1、T4和T5施加触发信号，待电流完全转移至故障处理支路时，主支路电流降为零，此时开始拉开超快速机械开关UFD，UFD实现无弧分断；
阶段3（t 1-t 2）：t 2时刻，UFD完成分断，向分断开关S1、晶闸管T6和T8施加触发信号，同时撤去向T1、T4和T5施加的触发信号，晶闸管T5因承受电容C 1的反压而关断，故障电流被转移至电容C 1和晶闸管T6所在电路,故障电流开始对电容C 1进行反向充电；
阶段4（t 2-t 3）：t 3时刻，电容C 1的电压等于零，分断开关S1和晶闸管T8导通，限流电感L开始投入；
阶段5（t 3-t 4）：t 4时刻，电容C 1反向充电至系统电压，电容C 1所在电路电流降为零，晶闸管T6自然关断，故障电流被完全转移至分断部分和限流部分组成的电路中，限流电感L起到限流作用；
阶段6（t 4-t 5）：t 5时刻，故障检测完成，若确认发生故障，则向分断部分中的分断开关S1发送关断信号，向晶闸管T9施加触发信号，此时电流转移至MOA，因为MOA自身伏安特性会在故障线路中呈现很大的反向电压，同时电感中的能量开始向电容C 2中进行转移，进入阶段8；若确认未发生故障，则闭合UFD，向负载转换开关LSC和晶闸管T9施加触发信号，同时向分断开关S1发送关断信号，电感中的能量开始向电容C 2中转移，进入阶段7；
阶段7（t 5-t 7）：当未发生故障时，t 6时刻，电流全部转移至主支路；t 7时刻，电感L中的能量全部转移至电容C 2，撤去施加的触发信号，晶闸管T8和T9实现自然关断，同时向晶闸管T1、T5、T7和T10施加触发信号，源侧给电容C 1和电容C 2充电，当两个电容电压之和等于源侧电压时，撤去施加的触发信号，预充电电路电流降至零，晶闸管T1、T5、T7和T10实现自然关断；
阶段8（t 5-t 9）：当发生故障时，t 8时刻，故障电流被完全切除，电感L中的能量继续向电容C 2中转移；t 9时刻，电感L中的能量全部转移至电容C 2，限流部分中的回路电流降为零，撤去施加的触发信号，晶闸管T8和T9实现自然关断，同时向晶闸管T1、T5、T7和T10施加触发信号，源侧给电容C 1和电容C 2充电，当两个电容电压之和等于源侧电压时，撤去施加的触发信号，预充电电路电流降至零，晶闸管T1、T5、T7和T10实现自然关断；
至此完成一个周期。
本发明的限流部分在系统正常工作时不会影响直流电网动态性能；预充电部分无开关器件，不需要引入额外的电源，自身能够为电容进行充电，避免额外增加的直流电源和复杂的预充电电路的引入，显著降低了成本，更加的经济。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (7)

1.一种具备限流功能的混合式直流断路器，包括主支路、故障处理支路；其特征在于，
主支路由超快速机械开关UFD和负载转换开关LCS组成；故障处理支路由换向部分、电流转移部分、限流部分、分断部分和预充电部分组成；
所述换向部分由晶闸管T1-T4组成的桥式电路构成；
所述电流转移部分包括晶闸管T5、晶闸管T6和电容C 1，其中晶闸管T6与电容C 1串联再与晶闸管T5进行并联；
所述限流部分包括晶闸管T8、晶闸管T9、电容C 2和限流电感L；限流电感L与晶闸管T8串联，电容C 2与晶闸管T9串联，这两个电路再进行并联；
所述分断部分由IGBT级联而成的分断开关S1与一个避雷器MOA并联组成；
所述预充电部分由限流电阻R与晶闸管T10串联而成；
所述限流部分与分断部分串联连接后并联接在电流转移部分两端，在分断部分与限流部分的串联连接点处通过晶闸管T7连接于电容C 1与晶闸管T6中间，主支路与故障电流转移支路并联连接。
2.根据权利要求1所述的一种具备限流功能的混合式直流断路器，其特征在于，预充电部分中的晶闸管阴极与地相连，晶闸管阳极通过限流电阻R连接于限流部分中电容C 2与晶闸管T9中间。
3.根据权利要求1所述的一种具备限流功能的经济型直流断路器，其特征在于，电流转移部分中电容C 1的电容值由故障电流幅值和晶闸管T5所承受反压时间决定。
4.根据权利要求1所述的一种具备限流功能的混合式直流断路器，其特征在于，限流电感L的电感值由期望的限流效果决定。
5.根据权利要求1所述的一种具备限流功能的混合式直流断路器，其特征在于，晶闸管数量源侧电压等级和耐流值决定。
6.根据权利要求1所述的一种具备限流功能的混合式直流断路器，其特征在于，避雷器MOA的额定电压有源侧电压和限流电感值共同决定。
7.一种权利要求1所述的一种具备限流功能的混合式直流断路器的控制方法，其特征在于，该方法包括以下流程：
假设系统正常运行时，电流从直流断路器的左侧流向右侧，短路故障发生在直流断路器的右端，将直流断路器左侧称为非故障侧或源侧，右侧称为故障侧；
阶段0（t 0-）：超快速机械开关UFD处于闭合状态，向晶闸管T1、T5、T7和T10施加触发信号，源侧向电容C 1和电容C 2充电，当两个电容电压之和等于源侧电压时，撤去施加的触发信号，预充电电路电流降至零，晶闸管T1、T5、T7和T10实现自然关断；
阶段1（t 0-）：系统正常工作时电流流经主支路；
阶段2（t 0-t 1）：t 1时刻，检测到电路电流异常时，向负载转换开关LCS施加关断信号，向晶闸管T1、T4和T5施加触发信号，待电流完全转移至故障处理支路时，主支路电流降为零，此时开始拉开超快速机械开关UFD，UFD实现无弧分断；
阶段3（t 1-t 2）：t 2时刻，UFD完成分断，向分断开关S1、晶闸管T6和T8施加触发信号，同时撤去向T1、T4和T5施加的触发信号，晶闸管T5因承受电容C 1的反压而关断，故障电流被转移至电容C 1和晶闸管T6所在电路,故障电流开始对电容C 1进行反向充电；
阶段4（t 2-t 3）：t 3时刻，电容C 1的电压等于零，分断开关S1和晶闸管T8导通，限流电感L开始投入；
阶段5（t 3-t 4）：t 4时刻，电容C 1反向充电至系统电压，电容C 1所在电路电流降为零，晶闸管T6自然关断，故障电流被完全转移至分断部分和限流部分组成的电路中，限流电感L起到限流作用；
阶段6（t 4-t 5）：t 5时刻，故障检测完成，若确认发生故障，则向分断部分中的分断开关S1发送关断信号，向晶闸管T9施加触发信号，此时电流转移至MOA，因为MOA自身伏安特性会在故障线路中呈现很大的反向电压，同时电感中的能量开始向电容C 2中进行转移，进入阶段8；若确认未发生故障，则闭合UFD，向负载转换开关LSC和晶闸管T9施加触发信号，同时向分断开关S1发送关断信号，电感中的能量开始向电容C 2中转移，进入阶段7；
阶段7（t 5-t 7）：当未发生故障时，t 6时刻，电流全部转移至主支路；t 7时刻，电感L中的能量全部转移至电容C 2，撤去施加的触发信号，晶闸管T8和T9实现自然关断，同时向晶闸管T1、T5、T7和T10施加触发信号，源侧给电容C 1和电容C 2充电，当两个电容电压之和等于源侧电压时，撤去施加的触发信号，预充电电路电流降至零，晶闸管T1、T5、T7和T10实现自然关断；
阶段8（t 5-t 9）：当发生故障时，t 8时刻，故障电流被完全切除，电感L中的能量继续向电容C 2中转移；t 9时刻，电感L中的能量全部转移至电容C 2，限流部分中的回路电流降为零，撤去施加的触发信号，晶闸管T8和T9实现自然关断，同时向晶闸管T1、T5、T7和T10施加触发信号，源侧给电容C 1和电容C 2充电，当两个电容电压之和等于源侧电压时，撤去施加的触发信号，预充电电路电流降至零，晶闸管T1、T5、T7和T10实现自然关断；
至此完成一个周期。
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