CN117578371A - 一种基于模块化串联均压的直流断路器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于模块化串联均压的直流断路器及控制方法，包括：若干个断路器子模块和在线监测系统；所述断路器子模块包括：主支路、换流支路、能量吸收支路、控制模块、第一出线端和第二出线端；其中，每一所述断路器子模块依次串联，串联后形成的回路与第一避雷器串联；所述主支路的第一端分别与所述第一出线端和所述换流支路的第一端连接，所述主支路的第二端分别与所述第二出线端和所述换流支路的第二端连接；所述能量吸收支路的第一端与所述换流支路的第三端连接，所述能量吸收支路的第二端与所述主支路的第二端连接；所述控制模块分别与所述主支路中的机械开关、所述换流支路中的换流开关单元和所述在线监测系统连接。
Description
技术领域
本发明涉及断路器领域，尤其涉及一种基于模块化串联均压的直流断路器及控制方法。
背景技术
直流断路器实现直流系统故障隔离，应能够在出现故障的直流线路中产生电流过零点，使得断路器的断口间能够熄弧，以此分断线路中的电流，并在直流电流分断过程中，吸收直流系统感性元件储存以及交流系统注入的能量，同时抑制暂态分断过电压，降低系统设备的绝缘耐受水平。
随着新能源的分布式直流供电系统需求大幅增加，尤其是在新能源并网的柔性多端直流系统中，由于多数负载具有发电/用电双重属性，这一特性造成柔性多端直流电网中的能量潮流方向具有不确定性。而且新能源并网的柔性多端直流系统中往往包含大量功率电力电子器件，一旦发生故障，需要在非常短的时间内切断故障电流来以防电力电子器件损毁。但是传统的直流断路器在吸收残余的系统能量，短路电流逐渐下降的过程中用时较长，无法高效地完成开断，并不能应用于柔性多端直流系统中。
因此，亟需一种断路器，从而解决直流断路器开断效率低的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种基于模块化串联均压的直流断路器及控制方法，以提高直流断路器的开断效率。
为了解决上述问题，本发明一实施例提供一种基于模块化串联均压的直流断路器，包括：若干个断路器子模块、第一避雷器和在线监测系统；所述断路器子模块包括：主支路、换流支路、能量吸收支路、控制模块、第一出线端和第二出线端；其中，每一所述断路器子模块依次串联，串联后形成的回路与第一避雷器并联；
所述主支路的第一端分别与所述第一出线端和所述换流支路的第一端连接，所述主支路的第二端分别与所述第二出线端和所述换流支路的第二端连接；所述能量吸收支路的第一端与所述换流支路的第三端连接，所述能量吸收支路的第二端与所述主支路的第二端连接；
所述控制模块分别与所述主支路中的机械开关、所述换流支路中的换流开关单元和所述在线监测系统连接；其中，所述换流开关单元包括：若干电力电子功率器件模块和单个预充电储能电容；所述控制模块用于接收所述在线监测系统传输的数据，并控制所述机械开关和换流开关单元的开启和关闭；所述在线监测系统用于采集各个断路器子模块的数据。
作为上述方案的改进，所述主支路，包括：一个或若干个机械开关；其中，若机械开关为若干个，则每一所述机械开关互相串联。
作为上述方案的改进，所述换流支路，包括：换流开关单元、振荡电感和振荡电容；
所述换流开关单元的第一端与所述振荡电容的第一端连接，所述换流开关单元的第二端与所述主支路的第二端连接；
所述振荡电感的第一端与所述主支路的第一端连接，所述振荡电感的第二端分别与所述振荡电容的第二端和所述能量吸收支路的第一端连接；
所述换流支路的第一端为所述振荡电感的第一端，所述换流支路的第二端为所述换流开关单元的第二端，所述换流支路的第一端为所述振荡电感的第二端。
作为上述方案的改进，所述换流开关单元包括：第一电力电子功率器件模块、第二电力电子功率器件模块、第三电力电子功率器件模块、第四电力电子功率器件模块和预充电储能电容；
所述第一电力电子功率器件模块的正极分别与所述第二电力电子功率器件模块的正极和预充电储能电容的第一端连接；所述第一电力电子功率器件模块的负极分别与所述第三电力电子功率器件模块的正极和所述振荡电容的第一端连接；所述第二电力电子功率器件模块的负极分别与所述第四电力电子功率器件模块的正极和所述主支路的第二端连接；所述第三电力电子功率器件模块的负极分别与所述第四电力电子功率器件模块的负极和所述预充电储能电容的第二端连接；
所述换流开关单元的第一端为所述第一电力电子功率器件模块的负极，所述换流开关单元的第二端为所述第二电力电子功率器件模块的负极。
作为上述方案的改进，所述能量吸收支路包括：一个或若干个第二避雷器；其中，若第二避雷器为若干个，则每一所述第二避雷器互相串联。
作为上述方案的改进，所述在线监测系统包括：第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器、第四电流传感器、第五电流传感器、第一电压传感器、第二电压传感器、第三电压传感器、第四电压传感器、位置传感器、第一温度传感器和第二温度传感器；
所述控制模块分别与所述第一电流传感器、所述第二电流传感器、所述第三电流传感器、所述第四电流传感器、所述第五电流传感器、所述第一电压传感器、所述第二电压传感器、所述第三电压传感器、所述第四电压传感器、所述位置传感器、所述第一温度传感器和所述第二温度传感器。
作为上述方案的改进，还包括：
所述第一电流传感器，用于测量每一所述断路器子模块中的第一出线端对应引出线的电流；
所述第二电流传感器，用于测量每一所述断路器子模块中的主支路的电流；
所述第三电流传感器，用于测量每一所述断路器子模块中的换流支路的电流；
所述第四电流传感器，用于测量每一所述断路器子模块中的能量吸收支路的电流；
所述第五电流传感器，用于测量每一所述断路器子模块外部连接的能量吸收支路的电流；
所述第一电压传感器，用于测量每一所述断路器子模块中的机械开关两端的电压；
所述第二电压传感器，用于测量每一所述断路器子模块中的第二避雷器两端的电压；
所述第三电压传感器，用于测量预充电储能电容两端的电压；
所述第四电压传感器，用于测量每一所述断路器子模块外部连接的第一避雷器两端的电压；
所述位置传感器，用于检测机械开关的触头状态；
所述第一温度传感器，用于测量每一所述断路器子模块中的第二避雷器的温度；
所述第二温度传感器，用于测量每一所述断路器子模块外部连接的第一避雷器的温度。
作为上述方案的改进，所述在线监测系统还包括：声音测量装置、X射线测量装置和磁场测量装置。
相应的，本发明一实施例还提供了一种基于模块化串联均压的直流断路器的控制方法，应用于如本发明所述的直流断路器中每一断路器子模块的控制模块，所述控制方法包括：
获取分闸指令；其中，在获取分闸指令之前，电流从第一出线端流入，经过机械开关，并从第二出线端流出；
根据所述分闸指令，控制机械开关触头分离；
接收由在线监测系统传输的机械开关两端的开关电压；
在所述开关电压大于第一预设电压时，导通换流开关模块，接收由所述在线监测系统传输的换流支路的振荡电流，根据振荡电流重复执行换流操作，直至机械开关的故障电弧电流值达到电流过零点时，停止执行换流操作，并通过控制振荡电容和避雷器进行所述断路器子模块内部的能量吸收。
作为上述方案的改进，所述换流操作包括：
在本次振荡电流达到电流过零点后，获得换流支路的振荡电流达到电流过零点的总次数，对总次数进行判断；
若为单数，则换流支路切换为换流第一状态，并保持换流第一状态重新执行换流操作；其中，所述换流第一状态包括：导通第一电力电子功率器件模块和第四电力电子功率器件模块，关闭第二电力电子功率器件模块和第三电力电子功率器件模块；
若为双数，则换流支路切换为换流第二状态，并保持换流第二状态重新执行换流操作；其中，所述换流第二状态包括：关闭第一电力电子功率器件模块和第四电力电子功率器件模块，导通第二电力电子功率器件模块和第三电力电子功率器件模块。
由上可见，本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种基于模块化串联均压的直流断路器，包括：若干个断路器子模块和在线监测系统；所述断路器子模块包括：主支路、换流支路、能量吸收支路、控制模块、第一出线端和第二出线端；其中，每一所述断路器子模块依次串联，串联后形成的回路与第一避雷器串联；所述主支路的第一端分别与所述第一出线端和所述换流支路的第一端连接，所述主支路的第二端分别与所述第二出线端和所述换流支路的第二端连接；所述能量吸收支路的第一端与所述换流支路的第三端连接，所述能量吸收支路的第二端与所述主支路的第二端连接；所述控制模块分别与所述主支路中的机械开关、所述换流支路中的换流开关单元和所述在线监测系统连接；其中，所述换流开关单元包括：若干电力电子功率器件模块和单个预充电储能电容；所述控制模块用于接收所述在线监测系统传输的数据，并控制所述机械开关和换流开关单元的开启和关闭；所述在线监测系统用于采集各个断路器子模块的数据。本发明通过各个断路器子模块之间的串联以及子模块内部和外部避雷器之间的配合，结合若干电力电子功率器件模块和单个预充电储能电容所组成的换流开关单元，在电力电子功率器件所执行的换流操作，实现了快速切换，提高了断路器整体的耐压水平，并且可以限制各个模块上的过电压并且能够实现断路器保护的冗余，从而保证直流断路器可以快速可靠的切除故障，提高了直流断路器的开断效率，进而提高电力系统的可靠性和稳定性。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的基于模块化串联均压的直流断路器的结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的基于模块化串联均压的直流断路器的控制方法的流程示意图；
图3是本发明一实施例提供的断路器子模块内的传感器安装位置示意图；
图4是本发明一实施例提供的断路器子模块外的传感器安装位置示意图；
图5是本发明另一实施例提供的不同串联方式构成的模块化串联均压直流断路器及测量子模块外部能量吸收支路电流状态的电流传感器安装位置示意图。
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作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。
实施例一
参见图1，图1是本发明一实施例提供的一种基于模块化串联均压的直流断路器的结构示意图，包括：若干个断路器子模块101、第一避雷器102和在线监测系统103；所述断路器子模块包括：主支路1011、换流支路1012、能量吸收支路1013、控制模块1014、第一出线端L2k-1和第二出线端L2k；其中，每一所述断路器子模块依次串联，串联后形成的回路与第一避雷器并联；
所述主支路的第一端分别与所述第一出线端和所述换流支路的第一端连接，所述主支路的第二端分别与所述第二出线端和所述换流支路的第二端连接；所述能量吸收支路的第一端与所述换流支路的第三端连接，所述能量吸收支路的第二端与所述主支路的第二端连接；
所述控制模块分别与所述主支路中的机械开关、所述换流支路中的换流开关单元和所述在线监测系统连接；其中，所述换流开关单元包括：若干电力电子功率器件模块和单个预充电储能电容；所述控制模块用于接收所述在线监测系统传输的数据，并控制所述机械开关和换流开关单元的开启和关闭；所述在线监测系统用于采集各个断路器子模块的数据。
在一具体的实施例中，控制模块通过无线连接的方式与主支路中的机械开关、换流支路中的换流开关单元和在线监测系统连接。
在一具体的实施例中，在线监测系统通过无线方式与若干个断路器子模块和第一避雷器连接。
在一具体的实施例中，所述在线监测系统用于测量流经换流开关模块的电流以及电流方向、流经换流支路的电流以及电流方向、流经能量吸收支路的电流及方向、主支路机械开关两端的电压及开关行程、能量吸收支路避雷器电压和温度、储能电容两端电压。
作为上述方案的改进，所述主支路，包括：一个或若干个机械开关CB；其中，若机械开关为若干个，则每一所述机械开关互相串联。
在一具体的实施例中，机械开关可以为基于爆炸驱动的机械开关、基于电磁斥力的机械开关、基于永磁体斥力的机械开关、基于弹簧操动机构的机械开关或基于电机驱动的机械开关。
为更好地说明，所述机械开关在收到控制信号可实现快速分断和关合动作，当多个机械开关串联时，根据需要加装动静态均压装置，多个机械开关同步动作时间误差应小于50微秒，收到开断信号后能够在规定的时间内提供足够的耐压水平。
作为上述方案的改进，所述换流支路，包括：换流开关单元、振荡电感L和振荡电容C；
所述换流开关单元的第一端与所述振荡电容的第一端连接，所述换流开关单元的第二端与所述主支路的第二端连接；
所述振荡电感的第一端与所述主支路的第一端连接，所述振荡电感的第二端分别与所述振荡电容的第二端和所述能量吸收支路的第一端连接；
所述换流支路的第一端为所述振荡电感的第一端，所述换流支路的第二端为所述换流开关单元的第二端，所述换流支路的第一端为所述振荡电感的第二端。
作为上述方案的改进，所述换流开关单元包括：第一电力电子功率器件模块ES1、第二电力电子功率器件模块ES2、第三电力电子功率器件模块ES3、第四电力电子功率器件模块ES4和预充电储能电容CDC；
所述第一电力电子功率器件模块的正极分别与所述第二电力电子功率器件模块的正极和预充电储能电容的第一端连接；所述第一电力电子功率器件模块的负极分别与所述第三电力电子功率器件模块的正极和所述振荡电容的第一端连接；所述第二电力电子功率器件模块的负极分别与所述第四电力电子功率器件模块的正极和所述主支路的第二端连接；所述第三电力电子功率器件模块的负极分别与所述第四电力电子功率器件模块的负极和所述预充电储能电容的第二端连接；
所述换流开关单元的第一端为所述第一电力电子功率器件模块的负极，所述换流开关单元的第二端为所述第二电力电子功率器件模块的负极。
在一具体的实施例中，电力电子功率器件模块每个都包括m个全控型电力电子功率器件，m≥1；全控型电力电子功率器件为以下单个器件或多个器件串并联组合，包括GTO、晶闸管、MOSFECT、IGBT、IGCT。
在本实施例中，第一电力电子功率器件模块ES1的正极和第二电力电子功率器件模块ES2的正极相连接形成出线端L3，第三力电子功率器件模块ES3的负极和第四电力电子功率器件模块ES4的负极相连接形成出线端L4；第二电力电子功率器件模块ES2的负极和第四电力电子功率器件模块ES4的正极相连接形成换流开关出线端的L6，换流开关的出线端L6与出线端L2k相连；第一电力电子功率器件模块ES1的负极和第三电力电子功率器件模块ES3的正极相连接形成换流开关的出线端L5，所述换流开关的出线端L5连接振荡电容C的一端；出线端L3与预充电储能电容的一端相连，出线端L4与预充电储能电容的另一端相连；预充电储能电容充电方向与主支路电流方向相同或相反。
作为上述方案的改进，所述能量吸收支路包括：一个或若干个第二避雷器MOV；其中，若第二避雷器为若干个，则每一所述第二避雷器互相串联。
在一具体的实施例中，各个断路器子模块中的第二避雷器动作电压之和高于与断路器子模块串联的第一避雷器的动作电压，使得电流中断产生的大部分能量就被第一避雷器吸收，而断路器子模块的设计不受第二避雷器所需的能量等级的影响。并且通过选择能量吸收支路的第二避雷器能量等级，使n-1子模块可以成功地作为一个完整的断路器运行，能够在系统进行电流开断时限制各个模块上的过电压，保护各个子模块，进行系统中电流能量的吸收，实现设计时固有的冗余。
在一具体的实施例中，避雷器具体为：由以下单个器件或多个器件串并联组合形成，包括金属氧化物避雷器、气体绝缘金属氧化物避雷器、瓷壳绝缘金属氧化物避雷器、无间隙金属氧化物避雷器；所述外部能量吸收支路的避雷器的动作电压为所在系统额定电压的1.5～1.6倍，所述内部能量吸收支路的避雷器的动作电压高于内部避雷器的动作电压，使得电流中断产生的大部分能量就被外部避雷器吸收，而模块的设计不受内部避雷器所需的能量等级的影响。
作为上述方案的改进，所述在线监测系统包括：第一电流传感器D1k、第二电流传感器D2k、第三电流传感器D3k、第四电流传感器D4k、第五电流传感器D5k、第一电压传感器V1k、第二电压传感器V2k、第三电压传感器V3k、第四电压传感器V4k、位置传感器W1k、第一温度传感器T1k和第二温度传感器T2k；
所述控制模块分别与所述第一电流传感器、所述第二电流传感器、所述第三电流传感器、所述第四电流传感器、所述第五电流传感器、所述第一电压传感器、所述第二电压传感器、所述第三电压传感器、所述第四电压传感器、所述位置传感器、所述第一温度传感器和所述第二温度传感器。
在一具体的实施例中，为更好地说明在线监测系统的设置方式，请参见图3和图4；
图3为在断路器子模块内部，在线监测系统组成成分的分布位置关系；图4为在若干断路器子模块外部、若干断路器子模块串联的电路中，在线监测系统组成成分的分布位置关系。
相应地，请参见图5，图5提供通过各个断路器子模块另一种串联方式构成的模块化串联均压直流断路器及测量子模块外部能量吸收支路电流状态的电流传感器安装位置示意图，为了表示方便图形上做了简化，通过多个第一避雷器分别接在各个子模块的两个出线端L2k和L2k-1，第一避雷器根据实际需要由一个或者多个避雷器组成，第一避雷器所在支路总的动作电压为所在系统额定电压的1.5～1.6倍，可以吸收短路过程中的绝大部分能量。
作为上述方案的改进，还包括：
所述第一电流传感器，用于测量每一所述断路器子模块中的第一出线端对应引出线的电流；
所述第二电流传感器，用于测量每一所述断路器子模块中的主支路的电流；
所述第三电流传感器，用于测量每一所述断路器子模块中的换流支路的电流；
所述第四电流传感器，用于测量每一所述断路器子模块中的能量吸收支路的电流；
所述第五电流传感器，用于测量每一所述断路器子模块外部连接的能量吸收支路的电流；
所述第一电压传感器，用于测量每一所述断路器子模块中的机械开关两端的电压；
所述第二电压传感器，用于测量每一所述断路器子模块中的第二避雷器两端的电压；
所述第三电压传感器，用于测量预充电储能电容两端的电压；
所述第四电压传感器，用于测量每一所述断路器子模块外部连接的第一避雷器两端的电压；
所述位置传感器，用于检测机械开关的触头状态；
所述第一温度传感器，用于测量每一所述断路器子模块中的第二避雷器的温度；
所述第二温度传感器，用于测量每一所述断路器子模块外部连接的第一避雷器的温度。
作为上述方案的改进，所述在线监测系统还包括：声音测量装置、X射线测量装置和磁场测量装置。
参见图2，图2是本发明一实施例提供的一种基于模块化串联均压的直流断路器的控制方法的流程示意图，如图2所示，本实施例包括步骤201至步骤204，各步骤具体如下：
步骤201：获取分闸指令；其中，在获取分闸指令之前，电流从第一出线端流入，经过机械开关，并从第二出线端流出。
在本实施例中，通过接收用户操作生成分闸指令；也可以在监测到电路短路时自动生成分闸指令。
步骤202：根据所述分闸指令，控制机械开关触头分离。
在本实施例中，机械开关接收到分闸指令在一定延迟后开始分闸并燃弧。
步骤203：接收由在线监测系统传输的机械开关两端的开关电压。
在本实施例中，机械开关分闸时间达到一定时长或电极触头分闸距离达到一定距离时，由在线监测系统监控机械开关两端的开关电压。
步骤204：在所述开关电压大于第一预设电压时，导通换流开关模块，接收由所述在线监测系统传输的换流支路的振荡电流，根据振荡电流重复执行换流操作，直至机械开关的故障电弧电流值达到电流过零点时，停止执行换流操作，并通过控制振荡电容和避雷器进行所述断路器子模块内部的能量吸收。
在本实施例中，触头间的电压达到足够的耐压水平(耐压水平对应的电压即本发明所述的第一预设电压，可由用户调整)后控制模块触发换流开关模块，换流开关单元被触发导通，储能电容通过振荡电容C、振荡电感L放电产生振荡电流，由在线监测系统检测振荡电流过零点，控制模块在每一个振荡电流过零点控制换流开关模块交替执行换流操作，振荡电流幅值每半个正弦振荡周期增大一次，直至与主支路的机械开关CB中电流电弧叠加产生过零点，主机械开关CB中的电弧熄灭；
机械开关CB中的电弧熄灭并停止导通，系统电流转移到换流开关模块所在支路，并对换流支路中的电容充电，振荡电容C两端电压迅速上升，直至该支路中电容电压达到与之并联的外部能量吸收支路避雷器的动作电压，避雷器动作，开始导通电流，系统电流转移到外部避雷器所在能量吸收支路，此阶段内部避雷器也会吸收一小部分能量。随着能量被逐渐吸收，系统中的电流逐渐下降，直至下降到0，完成电流开断。
作为上述方案的改进，所述换流操作包括：
在本次振荡电流达到电流过零点后，获得换流支路的振荡电流达到电流过零点的总次数，对总次数进行判断；
若为单数，则换流支路切换为换流第一状态，并保持换流第一状态重新执行换流操作；其中，所述换流第一状态包括：导通第一电力电子功率器件模块和第四电力电子功率器件模块，关闭第二电力电子功率器件模块和第三电力电子功率器件模块；
若为双数，则换流支路切换为换流第二状态，并保持换流第二状态重新执行换流操作；其中，所述换流第二状态包括：关闭第一电力电子功率器件模块和第四电力电子功率器件模块，导通第二电力电子功率器件模块和第三电力电子功率器件模块。
在一具体的实施例中，所述换流操作包括：换流步骤1和换流步骤2：
换流步骤1为：第一电力电子功率器件模块ES1和第四电力电子功率器件模块ES4导通，第二电力电子功率器件模块ES2和第三电力电子功率器件模块ES3关闭；第一电力电子功率器件模块ES1和第四电力电子功率器件模块ES4导通后，预充电电容通过导通的换流开关单元对振荡电容和振荡电感放电，产生正弦振荡电流，根据在线监测系统的信号，当正弦振荡电流完成一个正弦半波的振荡且振荡电流到达过零点时，控制系统发出控制信号，执行换流步骤2；
换流步骤2为：第一电力电子功率器件模块ES1和第四电力电子功率器件模块ES4关闭，第二电力电子功率器件模块ES2和第三电力电子功率器件模块ES3导通，此时的预充电电容极性与支路中的振荡电流的电流方向一致，预充电电容继续对振荡电容和振荡电感放电，产生的正弦振荡电流幅值高于第一个正弦半波，根据在线监测系统的信号，当第二个正弦半波电流到达过零点时，控制系统发出控制信号，执行换流步骤1；随后在每个正弦半波电流达到零点时，换流步骤2与换流步骤1交替执行。
另外地，本实施例还可以实现快速重合闸，具体包括：对于永久性故障，故障电流开断后等待至设置的时间，导通开断单元，再次检测到故障电流，需再次关断开断单元，从而隔离故障线路；对于临时性故障，导通开断单元后未检测到故障电流，合闸主支路机械开关，以使直流断路器复位等待下一次操作。
本实施例提供了一种模块化串联均压直流断路器。相较于传统的电流注入型机械式直流断路器，电流注入支路需要配备大电容，电容的预充电电压较高，导致电容的成本和充电电路的成本提升以及自激振荡型机械式断路器要求电弧具有良好的负阻特性，对机械开关的设计要求较高，长时间的燃弧还会降低寿命和增加维护的问题，本发明的直流断路器通过用电力电子器件辅助振荡加快了振荡电流的发展，能够产生多个人工电流过零点，可在短时间内切断电路，隔离故障，保护柔性直流系统。
除此之外，本实施例通过设置由机械开关构成的主支路，机械开关由快速操作机构驱动，快速操作机构储能的能量可保证机械开关在故障电流开断和重合闸过程中连续进行分闸-合闸-分闸-合闸操作，其分闸时间为数毫秒。能够在正常运行时，额定电流由主支路机械开关导通，直流断路器运行中的通态损耗极低，无明显发热，无明显功率损耗。并且通过子模块之间的串联提高了断路器整体的耐压能力，能够更好的用于高压直流输电系统，通过各个断路器模块之间的串联以及内部和外部避雷器之间的配合，可以限制各个模块上的过电压并且能够实现断路器保护的冗余。从而保证直流断路器可以快速可靠的切除故障，提高电力系统的可靠性和稳定性。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于模块化串联均压的直流断路器，其特征在于，包括：若干个断路器子模块、第一避雷器和在线监测系统；所述断路器子模块包括：主支路、换流支路、能量吸收支路、控制模块、第一出线端和第二出线端；其中，每一所述断路器子模块依次串联，串联后形成的回路与第一避雷器并联；
所述主支路的第一端分别与所述第一出线端和所述换流支路的第一端连接，所述主支路的第二端分别与所述第二出线端和所述换流支路的第二端连接；所述能量吸收支路的第一端与所述换流支路的第三端连接，所述能量吸收支路的第二端与所述主支路的第二端连接；
所述控制模块分别与所述主支路中的机械开关、所述换流支路中的换流开关单元和所述在线监测系统连接；其中，所述换流开关单元包括：若干电力电子功率器件模块和单个预充电储能电容；所述控制模块用于接收所述在线监测系统传输的数据，并控制所述机械开关和换流开关单元的开启和关闭；所述在线监测系统用于采集各个断路器子模块的数据。
2.根据权利要求1所述的基于模块化串联均压的直流断路器，其特征在于，所述主支路，包括：一个或若干个机械开关；其中，若机械开关为若干个，则每一所述机械开关互相串联。
3.根据权利要求1所述的基于模块化串联均压的直流断路器，其特征在于，所述换流支路，包括：换流开关单元、振荡电感和振荡电容；
所述换流开关单元的第一端与所述振荡电容的第一端连接，所述换流开关单元的第二端与所述主支路的第二端连接；
所述振荡电感的第一端与所述主支路的第一端连接，所述振荡电感的第二端分别与所述振荡电容的第二端和所述能量吸收支路的第一端连接；
所述换流支路的第一端为所述振荡电感的第一端，所述换流支路的第二端为所述换流开关单元的第二端，所述换流支路的第一端为所述振荡电感的第二端。
4.根据权利要求3所述的基于模块化串联均压的直流断路器，其特征在于，所述换流开关单元包括：第一电力电子功率器件模块、第二电力电子功率器件模块、第三电力电子功率器件模块、第四电力电子功率器件模块和预充电储能电容；
所述第一电力电子功率器件模块的正极分别与所述第二电力电子功率器件模块的正极和预充电储能电容的第一端连接；所述第一电力电子功率器件模块的负极分别与所述第三电力电子功率器件模块的正极和所述振荡电容的第一端连接；所述第二电力电子功率器件模块的负极分别与所述第四电力电子功率器件模块的正极和所述主支路的第二端连接；所述第三电力电子功率器件模块的负极分别与所述第四电力电子功率器件模块的负极和所述预充电储能电容的第二端连接；
所述换流开关单元的第一端为所述第一电力电子功率器件模块的负极，所述换流开关单元的第二端为所述第二电力电子功率器件模块的负极。
5.根据权利要求1所述的基于模块化串联均压的直流断路器，其特征在于，所述能量吸收支路包括：一个或若干个第二避雷器；其中，若第二避雷器为若干个，则每一所述第二避雷器互相串联。
6.根据权利要求1所述的基于模块化串联均压的直流断路器，其特征在于，所述在线监测系统包括：第一电流传感器、第二电流传感器、第三电流传感器、第四电流传感器、第五电流传感器、第一电压传感器、第二电压传感器、第三电压传感器、第四电压传感器、位置传感器、第一温度传感器和第二温度传感器；
所述控制模块分别与所述第一电流传感器、所述第二电流传感器、所述第三电流传感器、所述第四电流传感器、所述第五电流传感器、所述第一电压传感器、所述第二电压传感器、所述第三电压传感器、所述第四电压传感器、所述位置传感器、所述第一温度传感器和所述第二温度传感器。
7.根据权利要求6所述的基于模块化串联均压的直流断路器，其特征在于，还包括：
所述第一电流传感器，用于测量每一所述断路器子模块中的第一出线端对应引出线的电流；
所述第二电流传感器，用于测量每一所述断路器子模块中的主支路的电流；
所述第三电流传感器，用于测量每一所述断路器子模块中的换流支路的电流；
所述第四电流传感器，用于测量每一所述断路器子模块中的能量吸收支路的电流；
所述第五电流传感器，用于测量每一所述断路器子模块外部连接的能量吸收支路的电流；
所述第一电压传感器，用于测量每一所述断路器子模块中的机械开关两端的电压；
所述第二电压传感器，用于测量每一所述断路器子模块中的第二避雷器两端的电压；
所述第三电压传感器，用于测量预充电储能电容两端的电压；
所述第四电压传感器，用于测量每一所述断路器子模块外部连接的第一避雷器两端的电压；
所述位置传感器，用于检测机械开关的触头状态；
所述第一温度传感器，用于测量每一所述断路器子模块中的第二避雷器的温度；
所述第二温度传感器，用于测量每一所述断路器子模块外部连接的第一避雷器的温度。
8.根据权利要求1所述的基于模块化串联均压的直流断路器，其特征在于，所述在线监测系统还包括：声音测量装置、X射线测量装置和磁场测量装置。
9.一种基于模块化串联均压的直流断路器的控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1至8任意一项所述的直流断路器中每一断路器子模块的控制模块，所述控制方法包括：
获取分闸指令；其中，在获取分闸指令之前，电流从第一出线端流入，经过机械开关，并从第二出线端流出；
根据所述分闸指令，控制机械开关触头分离；
接收由在线监测系统传输的机械开关两端的开关电压；
在所述开关电压大于第一预设电压时，导通换流开关模块，接收由所述在线监测系统传输的换流支路的振荡电流，根据振荡电流重复执行换流操作，直至机械开关的故障电弧电流值达到电流过零点时，停止执行换流操作，并通过控制振荡电容和避雷器进行所述断路器子模块内部的能量吸收。
10.根据权利要求9所述的基于模块化串联均压的直流断路器的控制方法，其特征在于，所述换流操作包括：
在本次振荡电流达到电流过零点后，获得换流支路的振荡电流达到电流过零点的总次数，对总次数进行判断；
若为单数，则换流支路切换为换流第一状态，并保持换流第一状态重新执行换流操作；其中，所述换流第一状态包括：导通第一电力电子功率器件模块和第四电力电子功率器件模块，关闭第二电力电子功率器件模块和第三电力电子功率器件模块；
若为双数，则换流支路切换为换流第二状态，并保持换流第二状态重新执行换流操作；其中，所述换流第二状态包括：关闭第一电力电子功率器件模块和第四电力电子功率器件模块，导通第二电力电子功率器件模块和第三电力电子功率器件模块。
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Citations (6)
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|---|---|---|---|---|
| CN104617573A (zh) * | 2015-01-20 | 2015-05-13 | 清华大学 | 一种自然换流型混合式高压直流断路器 |
| CN205693347U (zh) * | 2016-06-16 | 2016-11-16 | 南方电网科学研究院有限责任公司 | 一种混合式直流断路器 |
| CN107257121A (zh) * | 2017-06-05 | 2017-10-17 | 国家电网公司 | 一种用于中压直流配网的断路器及其投入分断方法 |
| WO2021115101A1 (zh) * | 2019-12-13 | 2021-06-17 | 浙江大维高新技术股份有限公司 | 一种中高压双向全固态直流断路器及其高电位供能装置 |
| CN113964788A (zh) * | 2021-10-26 | 2022-01-21 | 西安交通大学 | 一种双向直流断路器及开断方法 |
| CN114709799A (zh) * | 2022-04-28 | 2022-07-05 | 西安交通大学 | 一种具有重合闸功能的双向微损耗直流断路器及开断方法 |
-
2023
- 2023-11-21 CN CN202311563674.8A patent/CN117578371A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104617573A (zh) * | 2015-01-20 | 2015-05-13 | 清华大学 | 一种自然换流型混合式高压直流断路器 |
| CN205693347U (zh) * | 2016-06-16 | 2016-11-16 | 南方电网科学研究院有限责任公司 | 一种混合式直流断路器 |
| CN107257121A (zh) * | 2017-06-05 | 2017-10-17 | 国家电网公司 | 一种用于中压直流配网的断路器及其投入分断方法 |
| WO2021115101A1 (zh) * | 2019-12-13 | 2021-06-17 | 浙江大维高新技术股份有限公司 | 一种中高压双向全固态直流断路器及其高电位供能装置 |
| CN113964788A (zh) * | 2021-10-26 | 2022-01-21 | 西安交通大学 | 一种双向直流断路器及开断方法 |
| CN114709799A (zh) * | 2022-04-28 | 2022-07-05 | 西安交通大学 | 一种具有重合闸功能的双向微损耗直流断路器及开断方法 |
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