CN202696106U - 一种快速电力电子断路器装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种快速电力电子断路器装置，其包括：反并联晶闸管、作为限压器的金属氧化物变阻器ZnO、RC阻容吸收电路、隔离开关、旁路开关以及控制系统和电流互感器，其中，金属氧化物变阻器ZnO与晶闸管并联，限制晶闸管两端电压；RC阻容电路与晶闸管并联，用于吸收晶闸管开通和关断时产生的电压尖峰。与现有的断路器相比，由于本实用新型所述装置主要由电力电子开关器件组成，本身又带有旁路开关，使得检修维护方便，控制简单，在不增加系统成本的前提下，本实用新型断路器装置性价比高；能够在12ms内可分断20—200kA之间的任意短路电流，能够大大提高开关速度和开关寿命，确保重要敏感负荷供电不受影响，有效降低电网电能质量问题给企业带来的巨大经济损失。

Description

一种快速电力电子断路器装置

技术领域

本实用新型涉及电力电子半导体器件，属于电力系统柔性交流输电技术领域，尤其涉及一种用于电力系统线路通断保护的快速电力电子断路器装置。 

背景技术

随着国民经济的快速发展，社会对电力的需求不断增加，带动了电力系统的迅速发展，随之也带来了相应的问题。首先，由于电力系统的规模不断扩大，使得输配电网络的系统容量及短路电流不断增加，而短路电流的增大，对电力设备的容量与热稳定参数的要求也就越高；此外，各种复杂、精密、对电能质量敏感的用电设备也不断增加，如精密实验仪器、半导体制造、石化、冶金等重要生产加工行业需要连续正常的供电，这就要求线路保护装置要有更快的速度对电力故障做出反应。 

断路器作为输电线路中的一个重要环节，它的快速分断能力和分断电流能力直接影响着电网的正常运行，决定着是否能够提供用户需要的高质量电能。但是现阶段，中国交流输电中还是大量采用了传统的机械断路器。机械断路器有其突出的优点，即：导通稳定、带负载能力强。但它的缺点随着对电能质量要求的提高也越来越突出：1、开断时间长，从过流到产生保护的响应过程的时间一般要几十毫秒，甚至是上百毫秒，在这个级别的响应时间内，很多精密电路的器件都因过流产生而发生故障甚至完全毁坏，所以很难满足一些电力用户对故障电流开断的速动性要求；2、有些地区的短路电流已经达到甚至超过了断路器的遮断容量，为断路器的选择带来了困难；3、不能实时、灵活、连续的动作，易使事故扩大，破坏系统稳定性；4、在断开负载时往往有电弧产生，触头易烧损，在运行过程中有噪声，机械电气寿命受到限制。 

近年来，随着高压大电流电力电子器件(晶闸管、GTO、IGBT、IGCT、MCT、IEGT等)技术的飞速发展，以及FACTS技术研究与应用在电力系统中的不断推进，运用现代电力电子技术设计、研制和改造新型断路器成为当前断路器发展的目标。 

例如，申请号CN200810109200.5的专利文献公开了一种电子断路器，其具有输入端、输出端和电连接在输入端和输出端之间的开关，电子断路器监视开关所消耗的能量并在该能量达到阈值时断开开关以便保护开关，电子断路器还监视流过开关的电流并在必要时断开开关以保护负载。但是，该专利文献实际上只是在现有机械断路器的基础上采用电子电路来实现对流过开关的电流进行限制的方法，但在硬件特别是软件上并没有给出具体的结构设计方案。 

另外，申请号CN201110071796.6的发明专利文献提供一种电子断路器及其处理方法，该电子断路器及其处理方法，通过电流采样单元、限流控制单元、缓启单元、电流比较单元、电压采样单元、驱动单元以及电子开关等硬件电路来实现延时启动以及过流保护功能，从而可以避免采用微处理器进行过流保护引起的各种不稳定以及延迟问题。但该专利文献的电子断路器为单相可控开关，二极管方向为电流始终导通状态，无法实现关断，所以此电子断路器只能用在电流很小的电子设备中。 

实用新型内容

本实用新型鉴于上述问题，提供了一种用于电力系统线路通断保护的快速电力电子断路器装置，此装置主要是利用电力电子功率器件晶闸管的高速开关特性和大电流分断能力来实现对系统发生故障时的保护。 

本实用新型采用如下技术方案： 

本实用新型的快速电力电子断路器装置包括：反并联晶闸管、作为限压器的金属氧化物变阻器ZnO、RC阻容吸收电路、隔离开关、旁路开关以及控制系统和电流互感器，其中，金属氧化物变阻器ZnO与晶闸管并联，限制晶闸管两端电压；RC阻容吸收电路与晶闸管并联，用于吸收晶闸管开通和关断时产生的电压尖峰。 

本实用新型优选为，能够利用电力电子功率器件的高速开关特性和大电流分断能力来实现系统的短路电流保护，作为所述电力电子功率器件，能够使用GTO、IGBT、IGCT、MCT和IEGT中的任一种元件来代替所述反并联晶闸管。 

本实用新型优选为，由反并联晶闸管、金属氧化物变阻器ZnO和RC阻容吸收电路一体地结合而构成晶闸管模块。 

本实用新型优选为，隔离开关KI1和KI2在检修晶闸管模块时断开与晶闸管相连接的电源和负载；旁路开关KB1在检修晶闸管模块时将流经晶闸管模块的电流转移到旁路开关KB1；电流互感器检测电源输入端电流，作为触发晶闸管开关动作的依据。 

本实用新型优选为，所述控制系统包括微处理器和控制面板，微处理器是以高速数字信号处理器为核心对系统输入电压、电流进行测量和计算，对所有开关信号进行监测和控制；控制面板为触摸屏，通过面板能够直观地监测到系统运行情况，也能够改变系统的功能配置和设定系统参数。 

本实用新型所述断路器装置的功率器件晶闸管用于快速分断故障电流，本身携带旁路开 关以便于所述断路器装置不断电时进行检修维护，进出线加隔离开关的结构便于所述断路器装置的接入、退出以及维护；因此本实用新型断路器装置是集功率器件晶闸管、旁路开关和隔离开关于一体，使得整个断路器装置具有功能强大，使用方便，控制简单的优势。具体而言，本实用新型具有如下的有益效果： 

1、与现有的机械断路器相比，本实用新型的电力电子断路器装置开关速度快，最长能够在12ms内进行高速安全开断，远远小于现有的机械断路器的开断时间，从而能够有效解决现有的机械断路器固有问题，大大提高开关速度和开关寿命，确保重要敏感负荷供电不受影响，有效降低电网电能质量问题给企业带来的巨大经济损失。 

2、与现有的断路器相比，本实用新型的电力电子断路器装置分断电流大，这种电力电子断路器装置能够在12ms内可分断20—200kA之间的任意短路电流。 

3、利用电力电子半导体器件的高速开关特性能够减轻一次高压电气设备的动、热稳定负担，提高其动作可靠性和使用寿命，提高电力系统的运行可靠性。 

4、与现有的断路器相比，由于本实用新型所述断路器装置主要由电力电子开关器件组成，本身又带有旁路开关，使得检修维护方便，控制简单，在不增加系统成本的前提下，本实用新型所述断路器装置性价比最高。 

附图说明

图1是本实用新型一实施例的快速电力电子断路器的电路拓扑结构的构成示意图。 

图2是本实用新型一实施例的快速电力电子断路器的控制系统的构成示意图。 

图3是本实用新型一实施例的高压快速电力电子断路器电路拓扑结构的构成示意图。 

图4是表示本实用新型在短路故障限流器中的应用实例1。 

图5是表示本实用新型在电网调整运行模式中的应用实例2。 

具体实施方式

以下，结合附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。 

如图1所示，本实用新型一实施例的快速电力电子断路器装置具有电路拓扑结构，所述电路拓扑结构包括：反并联晶闸管、金属氧化物变阻器ZnO（限压器）、RC阻容吸收电路、隔离开关KI1、KI2，旁路开关KB1、电流互感器(TA)。其中，金属氧化物变阻器ZnO与晶闸管并联，用于限制晶闸管两端的电压;C阻容吸收电路与晶闸管并联，用于吸收晶闸管导通和关断时产生的电压尖峰。由反并联晶闸管、金属氧化物变阻器ZnO和RC阻容吸收电结合一体地构成一晶闸管模块。 

图2表示本实用新型的快速电力电子断路器装置的控制系统。所述电力电子断路器装置具有控制系统，所述控制系统包括控制面板和微处理器，微处理器以高速数字信号处理器DSPTMS320F28335为核心，它具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多达18路的PWM输出。其中，有6路为TI特有的更高精度的PWM输出(HRPWM)，12位16通道ADC。得益于其浮点运算单元，用户能够快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力，与前代DSC相比，平均性能提高50%，并与定点C28x控制器软件兼容，从而简化软件开发，缩短开发周期，降低开发成本；它的执行速度比相同频率的F28xx系列定点芯片快50%，处理数学运算性能提升2.45倍，控制更加灵活。控制面板为触摸屏，通过控制面板能够很直观地监测到系统运行情况，也能够改变系统的功能配置和设定系统参数； 

并且，在上述控制系统的作用下，隔离开关KI1和KI2在检修晶闸管模块时将与晶闸管连接的电源和负载断开；旁路开关KB1在检修晶闸管模块时将流经晶闸管模块的电流转移到旁路开关KB1；电流互感器(TA)检测电源输入端电流，作为触发晶闸管开关动作的依据。 

所述控制系统通过所述微处理器对所述电力电子断路器装置进行控制处理，即：所述控制系统在正常情况下，使电流通过晶闸管开关向负载供电，旁路开关处于断开状态，隔离开关全部闭合；当系统发生短路故障时，晶闸管开关能快速断开，有效切除短路电流；当晶闸管需要检修维护时，断开晶闸管开关，同时接通旁路开关，供电电流经旁路开关向负载供电，以保证负载的正常用电。 

本实用新型的另一实施例如下： 

1、正常情况下，发给反并联晶闸管同一个触发信号，当输入交流电源信号为正半波时，正向的晶闸管导通，当交流电源信号为负半波时，反向晶闸管导通，隔离开关KI1、KI2闭合，电源电流i经隔离开关KI1、晶闸管模块、隔离开关KI2给负载供电。 

2、当系统发生短路故障时，通过电流互感器TA检测到输入端短路电流i的大小，经DSP将模拟量转换成数字量，再通过控制算法进行逻辑判断后，同时撤销反并联晶闸管触发信号，若此时输入交流电源处于正半波时，正向晶闸管在此后第一次过零时关断，若此时输入交流电源处于负半波时，反向晶闸管在此后第一次过零时关断，从而快速有效的切除短路电流。 

整个过程中，通过控制算法检测判断短路电流的时间最长需要2ms，晶闸管关断最长时间为半个周波(10ms)，因此，本实用新型的电力电子断路器切断短路故障电流的时间最长只要12ms。 

3、当反并联晶闸管模块需要检修维护时，撤销晶闸管触发信号使其关断，同时接通旁路开关KB1，使电流经旁路开关给负载供电，以保证负载的连续正常用电。 

4、在低压电力系统，选用单个反并联晶闸管能够满足电压等级，而在中、高压电力系统中，提高电压等级通过串联反并联晶闸管来实现。如表示本实用新型一实例的高压电力电子断路器的电路拓扑结构的图3所示。 

在该实施例中，高速处理器DSP用于检测作为模拟量的电源电压u和电流i；作为开关量的反并联晶闸管、隔离开关KI1、KI2和旁路开关KB1；并控制反并联晶闸管、隔离开关KI1、KI2、旁路开关KB1的开通和关断。 

控制面板为触摸屏，通过控制面板能够很直观地监测到系统运行情况，也能够改变系统的功能配置和设定系统参数；记录系统发生事件(保护事件)和报警事件等用户需要的功能。 

如表示本实用新型断路器装置应用实例1的图4所示，由本实用新型所述电电力电子断路器和限流电抗器并联组成短路故障限流器。电网正常运行情况下，电力电子断路器处于导通状态。当系统发生短路故障时，迅速封锁晶闸管触发信号，使其过零关断，此时电流换流到并联的限流电抗器上进行限流，从而满足了限制短路故障电流的要求。该应用在保留限流电抗器的限流作用外，正常运行时接通电力电子断路器，有效避免限流电抗器长期通流所带来的各种弊端。 

如表示本实用新型断路器装置应用实例2的图5所示，本实用新型所述的电力电子断路器装置能够安装在主变出口，母联和出线处。图5仅以安装在母联处为例进行说明。在电力系统正常情况下，电力电子断路器处于导通状态，系统并列运行，保持了可靠性高的优点。当系统发生短路故障时，电力电子断路器快速断开，迅速解列电网，以有效降低短路电流。该应用既解决了系统并列运行时的短路电流超标问题，又保持了并列运行系统可靠性高的优点。 

本实用新型并不限于上述实施方式，在不背离本实用新型的实质内容的情况下，本领域技术人员能够想到的任何变形、改进、替换均落入本实用新型的范围。 

Claims (5)

1.一种快速电力电子断路器装置，其特征在于，包括：反并联晶闸管、作为限压器的金属氧化物变阻器ZnO、RC阻容吸收电路、隔离开关、旁路开关以及控制系统和电流互感器，所述金属氧化物变阻器ZnO与所述反并联晶闸管并联，以限制所述反并联晶闸管两端电压；所述RC阻容吸收电路与所述反并联晶闸管并联，用于吸收所述反并联晶闸管开通和关断时产生的电压尖峰。

2.根据权利要求1所述的快速电力电子断路器装置，其特征在于，使用GTO、IGBT、IGCT、MCT和IEGT中的任一元件来代替所述反并联晶闸管。

3.根据权利要求1所述的快速电力电子断路器装置，其特征在于，由所述反并联晶闸管、金属氧化物变阻器ZnO和RC阻容吸收电路一体地结合而构成晶闸管模块。

4.根据权利要求3所述的快速电力电子断路器装置，其特征在于，所述隔离开关用于在检修所述晶闸管模块时断开与所述反并联晶闸管相连接的电源和负载；所述旁路开关用于在检修所述晶闸管模块时将流经所述晶闸管模块的电流转移到所述旁路开关；所述电流互感器用于检测电源输入端电流，以作为触发所述反并联晶闸管开关动作的依据。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的快速电力电子断路器装置，其特征在于，所述控制系统包括微处理器和控制面板，所述微处理器用于以高速数字信号处理器为核心对系统输入电压、电流进行测量和计算，并对所有开关信号进行监测和控制；所述控制面板构成为触摸屏，用于能够直观地监测系统运行状况，并改变系统的功能配置和设定系统参数。 

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