CN117578378A - 一种中压直流电网馈出保护装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中压直流电网馈出保护装置，包括设置在直流正极线路和/或直流负极线路上的电力电子开关组件，所述电力电子开关组件用于对所述直流流出汇集母线的线路和负载进行保护，电力电子开关组件的一端连接限流电抗器，限流电抗器连接线路侧负载，电力电子开关组件的另一端依次通过主接触器和主隔离开关连接直流汇集母线；在需要断路或异常时，电力电子开关组件先于主接触器断开线路，并在线路电流下降至接近零后再断开主接触器；在接通线路时，先触发电力电子开关导通，再闭合主接触器；本发明对于功率单方向流出直流电网的支路，可以快速阻断线路短路造成的短路。
Description
技术领域
本发明涉及电路保护装置技术领域，具体涉及一种中压直流电网馈出保护装置。
背景技术
中压直流电网多采用带有机械触点的保护装置，在发生短路时，电压将跌落至不足10%，时间长达2ms以上。对于很多敏感的微电网设备，2ms的超低电压过程可能造成故障停机和生产损失。对于离网型微电网，2ms的超低电压过程可能导致电网崩溃。
现有技术具有电力电子型直流断路器，但这类断路器为双向分断断路器，且为了提供双向分断能力设置有大量的二极管组件，损耗很大，造价较高。而且这类直流断路器内部没有短路电流主动限制器件，短路电流的变化速度受限于外部电网的参数，具有较大的不确定性，在外部电网本身的短路阻抗较小的场合中，例如带有电容支撑装置的电网中，这类直流断路器还必须配合专用的电流限制装置使用，因此体积大，造价高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种中压直流电网馈出保护装置，以解决现有技术中配合专用的电流限制装置使用，体积大，造价高，以及短路延时的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：
一种中压直流电网馈出保护装置，包括设置在直流正极线路和/或直流负极线路上的电力电子开关组件，所述电力电子开关组件的一端连接限流电抗器，所述限流电抗器连接线路侧负载，所述电力电子开关组件的另一端依次通过主接触器和主隔离开关连接直流汇集母线，所述电力电子开关组件能够对从所述直流正极线路至所述直流负极线路的电流进行单向保护；
其中，在需要断路或异常时，所述电力电子开关组件先于所述主接触器断开线路，并在线路电流下降至接近零后再断开所述主接触器；
在接通线路时，先触发所述电力电子开关导通，再闭合所述主接触器。
作为本发明的优选方案，所述电力电子开关组件至少为2个串联设置，且任意分布在所述直流正极线路和/或直流负极线路上。
作为本发明的优选方案，至少两个相邻的所述电力电子开关组件组合成一个电力电子开关单元，其中，每个所述电力电子开关单元内设置组件控制装置和散热器，同一个所述电力电子开关单元内的所述电力电子开关组件共用一个所述组件控制装置。
作为本发明的优选方案，还包括设置在所述直流正极线路和/或直流负极线路上的电流检测装置，以及与所述电流检测装置连接的系统控制装置；
所述电流检测装置用于检测线路电流，并将电流信号传输至所述系统控制装置；
所述系统控制装置与所述电力电子开关单元的组件控制装置通讯连接，所述系统控制装置用于在判断所述电流信号超出预设阈值后，向所述组件控制装置发出断开所有电力电子开关单元的指令，以断开所有电力电子开关组件。
作为本发明的优选方案，每个所述电力电子开关组件均连接一个电压检测装置，所述电压检测装置与所述系统控制装置连接，所述电压检测装置用于检测所述电力电子开关组件两端的电压，并将电压信号传输至所述系统控制装置，所述系统控制装置用于在判断任一所述电压信号超过预设阈值时，向所述组件控制装置发出断开所有电力电子开关单元的指令，以断开所有电力电子开关组件。
作为本发明的优选方案，每个所述电力电子开关组件均包括并联设置的电力电子开关 、静态均压电路、动态过电压吸收电路、线路能量吸收电路和反向导通的二极管；
所述电力电子开关两端连接线路。
作为本发明的优选方案，所述动态过电压吸收电路为电阻串联电容；
所述静态均压电路为均压电阻；
所述的线路能量吸收电路为金属氧化物压敏电阻；
所述的电力电子开关为IGBT或IGCT或IEGT。
作为本发明的优选方案，所述二极管的正负极安装方向与所述直流正极线路至直流负极线路的直流导向方向相反。
本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：
本发明对于功率单方向流出直流电网的支路，可以快速阻断线路短路造成的短路，导通损耗低，工作效率高，通过设置限流电抗器，抑制短路时的电流上升速度，使得在发生短路后的确定的时间内，短路电流低于本直流断路器的截断电流，可以由本断路器执行可靠的分断保护。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
图1为本发明实施例提供的馈出保护装置的结构框图；
图2为本发明实施例提供的电力电子开关组件的结构框图。
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。
如图1和图2所示，本发明提供了一种中压直流电网馈出保护装置，具体包括以下实施例。
实施例1：
该直流电网馈出保护装置包括设置在直流正极线路或直流负极线路上的电力电子开关组件，电力电子开关组件的一端连接限流电抗器，限流电抗器连接线路侧负载，电力电子开关组件的另一端依次通过主接触器和主隔离开关连接直流汇集母线，所述电力电子开关组件用于对所述直流流出汇集母线的线路和负载进行保护。
其中，在需要断路或异常时，电力电子开关组件先于主接触器断开线路，并在线路电流下降至接近零后再断开主接触器。
在接通线路时，先触发电力电子开关导通，再闭合主接触器。
具体的，限流电抗器可以限制短路电流增加的速度，本装置采用的电力电子开关组件可以在0.02ms以下进行快速的分断操作。因此无论外部电网的短路阻抗有多小，本装置内置的限流电抗器均能够保证在0.02ms内，短路电流不超过本装置电力电子开关的直流电流分断能力。相比之下，混合型直流断路器，或者机械型直流断路器，其分断时间超过2ms，不含限流电抗器的电力电子型直流断路器其短路电流增加速度可能产生超过其分断能力的短路电流。
本实施方式在馈出保护装置内设置限流电抗器，能够抑制短路时的电流上升速度，使得在发生短路后的确定的时间内，短路电流低于本馈出保护装置的截断电流，可以由本馈出保护装置执行可靠的分断保护。
另外，采用单向保护结构，减少了整流二极管的静态损耗，对于馈出应用（能量从直流电网流出至线路侧负载）降低了馈出保护装置的损耗，提升了馈出保护装置的效率。
主隔离开关的目的是为了检修隔离，而设置主接触器是为了在电力电子开关组件处于分断状态时，尽快由主接触器承受系统电压，避免电力电子开关组件长时间承受系统电压，以提升系统的可靠性。
其中，电力电子开关组件至少为2个串联设置，且任意分布在直流正极线路或直流负极线路上。
单个电力电子开关组件的电压较低，典型的为工作电压2kV，最高耐压4.5kV，典型的中压直流断路器的工作电压为20kV，所以需要多个电力电子开关组件串联形成一个中压直流断路器。
至少两个相邻的电力电子开关组件组合成一个电力电子开关单元，其中，每个电力电子开关单元内设置组件控制装置，同一个电力电子开关单元内的电力电子开关组件共用一个组件控制装置。
在本实施方式中，同一个电力电子开关单元共用一个散热器，组合形成的电力电子开关单元的体积小，成本低，对器件的散热极耐压能力、导电极耐压能力利用较为合理。
在散热器上设置温度传感器，通过组件控制装置进行温度采样，并通过光纤发送至系统控制装置。采用调速风机进行风冷散热，根据实测的散热器温度，调节风机转速，使得系统可以运行于合理的散热器温度和较低的风机电耗点上。
另外直流正极线路或直流负极线路上设有电流检测装置，以及与所述电流检测装置连接的系统控制装置。
组件控制装置是控制芯片系统，与系统控制装置通讯，系统控制装置向电力电子开关发出命令，检测电力电子开关的运行状态。
系统控制装置与组件控制装置之间采用光纤连接，系统控制装置通过光纤向组件控制装置下发闭合、分断指令，组件控制装置通过光纤向系统控制装置报告自身状态。
电流检测装置用于检测线路电流，并将电流信号传输至系统控制装置；系统控制装置与电力电子开关单元的组件控制装置通讯连接，系统控制装置用于在判断电流信号超出预设阈值后，向组件控制装置发出断开所有电力电子开关单元的指令，以断开所有电力电子开关组件。
每个电力电子开关组件均连接一个电压检测装置，电压检测装置与系统控制装置连接，电压检测装置用于检测电力电子开关组件两端的电压，并将电压信号传输至系统控制装置，系统控制装置用于在判断任一电压信号超过预设阈值时，向组件控制装置发出断开所有电力电子开关单元的指令，以断开所有电力电子开关组件。
进一步的，每个电力电子开关组件均包括并联设置的电力电子开关 、静态均压电路、动态过电压吸收电路和线路能量吸收电路，电力电子开关两端连接线路。
动态过电压吸收电路为电阻串联电容；静态均压电路为均压电阻；的线路能量吸收电路为金属氧化物压敏电阻；
电力电子开关为IGBT或IGCT或IEGT，且电力电子开关的两端安装有并联的反向导通二极管，反向导通二极管的正负极安装方向与直流正极线路至直流负极线路的直流导向方向相反，因此电力电子开关组件能够对从直流正极线路至所述直流负极线路的电流进行单向保护；
动态过电压吸收电路用于在开通过程和关断过程中，使各个串联的电力电子开关承受的电压具有较好的一致性；
静态均压电路用于在持续关断状态下，使各个串联的电力电子开关承受的电压具有较好的一致性；
线路能量吸收电路用于在存在线路电感时，将线路电感的电流因电力电子开关关断产生的电压限制在可承受的范围内，并且将每个电力电子开关两端的电压限制在可承受的范围内，并在上述过程中消耗线路电感储存的能量。
在具体应用时，将本实施方式馈出保护装置安装在直流电网与负载之间的线路上，其中直流电网的额定电压为±10kV，馈出保护的额定电流200A-1200A；直流正极线路和直流负极线路上的电力电子开关分别使用6支-10支IGBT、IGCT或IEGT，每支IGBT额定电压3.3kV、4.5kV或6.5kV，额定电流0.65kA – 3kA；
IGBT的动态过电压吸收电路采用电阻串联电容方式，电阻阻值0.2Ω - 10Ω，额定功率100W，电容容值0.47uF – 20uF，额定电压3.3kV-6.5kV；
IGBT的静态均压电路采用均压电阻，阻值100kΩ – 3.3MΩ，额定功率50W –500W，
线路能量吸收电路采用压敏电阻，并联在每支IGBT上，动作电压1.8kV – 4.0kV，残压2.8kV – 5.9kV，残压电流0.9kA - 5.5kA，能量5kJ – 100kJ，
主接触器的额定电压DC20kV，额定电流250A – 1250A；主隔离开关额定电压DC20kV，额定电流250A – 1250A。
本实施方式对于功率单方向流出直流电网的支路，可以快速阻断线路短路造成的短路，导通损耗低，工作效率高，通过设置限流电抗器，抑制短路时的电流上升速度，使得在发生短路后的确定的时间内，短路电流低于本直流断路器的截断电流，可以由本断路器执行可靠的分断保护。
实施例2：
与实施例1不同的是，该直流电网馈出保护装置包括设置在直流正极线路和直流负极线路上的电力电子开关组件，电力电子开关组件形成拓扑对称结构。
本实施方式在直流正极线路和直流负极线路上各设置一组串联的电力电子开关组件的好处是：在开关分断时，正极和负极均能提供较高的关断电压。相比的，如仅在一个极上设置开关，在关断时，另一个极仍处于直接连通状态，同时使得本实施方式基于电网电流控制电力电子开关组件通断的通讯和指令时间一般小于0.02ms。
基于上述的直流电网馈出保护装置，本实施方式还提供了其实现电网保护的实现方法，包括以下步骤：
（1）闭合接通以及分断电力电子开关组件，先触发电力电子开关响应，再触发主接触器响应。
具体的，电力电子开关组件接通时，所有的电力电子开关均处于导通状态，且在接通电力电子开关组件时，先触发电力电子开关导通，再闭合主接触器。
在分断电力电子开关组件时，先分断电力电子开关，待检测到电流下降至小于预设阈值后，再分断主接触器。
（2）对直流电网的电流进行采样，根据电流绝对值自动按时序分别分断电力电子开关和主接触器，为系统提供过电流保护，具体利用电流检测装置对电流进行快速采样，当检测到电流绝对值超过预设电流保护值时，系统控制装置向组件控制装置发送自动分断电力电子开关指令，且待电流下降至小于预设阈值后，再分断主接触器。
（3）检测各个电力电子开关两端的电压，根据电压绝对值自动按时序分断所有电力电子开关和主接触器，并报告故障信息。
实时检测每个电力电子开关两端的电压，在某一电力电子开关两端的电压超过预设阈值时，则认定该电力电子开关故障，系统控制装置向组件控制装置发送自动按时序分断所有电力电子开关和主接触器，且组件控制装置向系统控制装置报告故障信息。
以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。
Claims (10)
1.一种中压直流电网馈出保护装置，其特征在于，
包括设置在直流正极线路和/或直流负极线路上的电力电子开关组件，所述电力电子开关组件的一端连接限流电抗器，所述限流电抗器连接线路侧负载，所述电力电子开关组件的另一端依次通过主接触器和主隔离开关连接直流汇集母线，且所述电力电子开关组件用于对所述直流流出汇集母线的线路和负载进行保护；
其中，在需要断路或异常时，所述电力电子开关组件先于所述主接触器断开线路，并在线路电流下降至接近零后再断开所述主接触器；
在接通线路时，先触发所述电力电子开关导通，再闭合所述主接触器。
2.根据权利要求1所述的一种中压直流电网馈出保护装置，其特征在于，
所述电力电子开关组件任意分布在所述直流正极线路和/或直流负极线路上。
3.根据权利要求1所述的一种中压直流电网馈出保护装置，其特征在于，
在所述直流正极线路和直流负极线路上布置的所述电力电子开关组件的数量相同，以形成拓扑对称结构。
4.根据权利要求1所述的一种中压直流电网馈出保护装置，其特征在于，
至少两个相邻的所述电力电子开关组件组合成一个电力电子开关单元，其中，每个所述电力电子开关单元内分别设置有组件控制装置和散热器，同一个所述电力电子开关单元内的所述电力电子开关组件共用一个所述组件控制装置和散热器。
5.根据权利要求4所述的一种中压直流电网馈出保护装置，其特征在于，
还包括设置在所述直流正极线路和/或直流负极线路上的电流检测装置，以及与所述电流检测装置连接的系统控制装置；
所述电流检测装置用于检测线路电流，并将电流信号传输至所述系统控制装置；
所述系统控制装置与所述电力电子开关单元的组件控制装置通讯连接，所述系统控制装置用于在判断所述电流信号超出预设阈值后，向所述组件控制装置发出断开所有电力电子开关单元的指令，以断开所有电力电子开关组件。
6.根据权利要求5所述的一种中压直流电网馈出保护装置，其特征在于，
每个所述电力电子开关组件均连接一个电压检测装置，所述电压检测装置与所述系统控制装置连接，所述电压检测装置用于检测所述电力电子开关组件两端的电压，并将电压信号传输至所述系统控制装置，所述系统控制装置用于在判断任一所述电压信号超过预设阈值时，向所述组件控制装置发出断开所有电力电子开关单元的指令，以断开所有电力电子开关组件。
7.根据权利要求1所述的一种中压直流电网馈出保护装置，其特征在于，
每个所述电力电子开关组件均包括并联设置的电力电子开关 、静态均压电路、动态过电压吸收电路、线路能量吸收电路和反向导通的二极管，所述电力电子开关两端连接线路。
8.根据权利要求7所述的一种中压直流电网馈出保护装置，其特征在于，
所述动态过电压吸收电路为电阻串联电容；
所述静态均压电路为均压电阻；
所述线路能量吸收电路为金属氧化物压敏电阻。
9.根据权利要求7所述的一种中压直流电网馈出保护装置，其特征在于，
所述的电力电子开关为IGBT或IGCT或IEGT。
10.根据权利要求7所述的一种中压直流电网馈出保护装置，其特征在于，
所述二极管的正负极安装方向与所述直流正极线路至直流负极线路的直流导向方向相反。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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