CN204732845U - 一种全固态直流断路器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种全固态直流断路器，由长期通流支路，电流开断支路，能量吸收支路并联构成，其特征在于，长期通流支路由至少一个半控器件和至少一个全控器件串联构成，并采用全桥电路实现双向通流；电流开断支路由全控器件、RCD吸收电路、避雷器构成的断路单元串联构成，采用全桥电路实现双向通流；能量吸收回路由至少一个避雷器构成。本实用新型拓扑结构简单新颖，通态损耗低，减少了全控器件的数量，简化控制的复杂程度和成本。本实用新型故障电流清除速度快，同时可以利用断流单元的分别控制，限制故障电流的上升率，使断路器同时具有限流功能，有效的处理直流系统中的短路、过载故障。保护直流系统的安全运行。

Description

一种全固态直流断路器

技术领域

本实用新型属于电力电子技术领域，具体涉及一种全固态直流断路器拓扑。

背景技术

随着直流输配电技术的发展，传统直流输电和轻型直流输电技术成为了未来电网发展的重要方向。在多端直流输电系统中，直流断路器作为故障保护设备，成为了系统安全运行存在的重要设备之一。直流断路器在切断故障电流过程中，没有电流过零点。因此，直流断路器的研制面临着更多困难。

通常采用机械开关构成的直流断路器，为了解决开断电流过程中的电弧问题，需要增加辅助的振荡电路，制造关断过程中的电流过零点，使得机械开关可以在零电流条件下关断。但电路结构往往比较复杂且分断时间难以满足系统要求。机械开关和固态开关构成的混合直流断路器，其关断特性同样受到机械开关特性的制约，对于机械开关的分断速度提出了过高的要求。普通全固态直流断路器，由于需要直接正反串联多个全控的功率器件，损耗和成本都比较高，对于全控器件的控制一致性要求也较高。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本实用新型提供了一种新型全固态直流断路器，本实用新型具有开断电流速度快、通态损耗小、控制简单等特点。同时，全桥整流单元的引入，可以有效的减少全控器件的数量，降低系统控制的复杂程度和成本。断流单元化设计可以降低对于器件直接串联的技术要求。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案实现：

一种全固态直流断路器，由长期通流支路、电流分断支路、能量吸收支路并联构成，其特征在于，

所述的长期通流支路由至少一个半控器件开关单元和至少一个全控器件开关单元串联构成，所述的半控器件开关单元和全控器件开关单元均与全桥整流电路相连接，长期通流支路采用全桥整流电路实现电流的双向流动；

所述的电流分断支路由多个断流单元串联组成，所述断流单元由单向全控开关器件、吸收电路、避雷器并联后与全桥整流电路相连接，电流分断支路采用桥式整流电路实现电 流双向流动；所述的电流分断支路的吸收电路为电阻、电容和二极管构成的RCD吸收电路，所述避雷器为与单向全控开关器件电压相匹配的低压避雷器；

所述的能量吸收支路，包含至少一个避雷器单元，吸收开断过程中的系统能量。

所述的长期通流支路的全控器件开关单元、所述的电流分断支路的单向全控开关器件，为IGBT，IGCT，IEGT全控型器件。

所述能量吸收支路由避雷器单元构成，根据系统参数决定避雷器的串、并联个数及串并联连接结构。

与现有技术相比，本实用新型的优点是：

1)本实用新型提出了一种全固态的直流断路器拓扑方案，辅助回路承担系统正常状态下，系统工作电流，辅助回路采用半控器件单元与全控器件单元串联方案，具有通态损耗小，的特点。

2)本实用新型提出的全固态直流断路器方案，避免采用机械开关，显著的提高了断路器的关断速度。同时，桥式电路的引入，在保证双向通流的条件下，减小了半控器件的数量，简化了控制复杂程度。

3)本实用新型提出的全固态直流断路器方案，电流分断支路采用断流单元模块化设计，其中断流单元由压装全控器件，RCD吸收电路，避雷器单元构成，其断流单元本身具有很好的承担过电压能力，系统安全性高。

4)本实用新型提出的全固态直流断路器方案，压装全控器件，RCD吸收电路，避雷器单元构成的断流单元可以与全桥整流电路构成双向通流单元，具有控制简单，成本较低的优点。

5)本实用新型提出的全固态直流断路器方案，串联的断流单元数目可以根据系统电压等级确定，在分断系统电流过程中，可以部分关断断流单元，作为系统的限流装置使用。有效处理系统的远端短路，近端断路，系统过载等故障。

6)本实用新型提出的全固态直流断路器方案，可以在系统电流故障发生后，通过关断部分断流单元，可以限制故障电流的上升率，明确地判断系统的故障类型，提供正确分断方案。

附图说明

图1是全固态直流断路器拓扑结构示意图。

图2是全固态直流断路器的电路原理图。

图3是全固态直流断路器的长期通流支路的电路原理图。

图4是电流分断支路的电路原理图。

图5是断流单元的电路原理图。

图6是断流单元双向通流结构的电路原理图。

图7是固态直流断路器的控制系统示意图。

图中，1-晶闸管或其它半控开关器件 2-整流二极管 3-模块化全控开关器件 4-压装全控开关器件 5-压装器件体二极管或者反并联二极管 6-快恢复二极管 7-低压避雷器8-吸收电路电容 9-吸收电路电阻 10-吸收电路避雷器 11-长期通流支路电流检测信号 12-电流开断支路电流检测信号 13-能量吸收支路电流检测信号 14-断流单元控制信号 15-长期通流支路半控器件单元控制信号 16-断流单元控制信号 17-长期通流支路全控器件开关单元控制信号 18-断流单元控制信号 19-主控系统控制器与直流断路器控制器通讯信号

具体实施方式

下面结合附图，对于本实用新型的具体实施方式作进一步的详细说明。本实用新型专利属于电力电子应用范畴，应用于多端直流输电系统，该直流断路器串联接入输电系统，在系统短路故障模式下，用于切断系统的短路电流，清除故障。

见图1、图2，全固态直流断路器由长期通流支路、电流分断支路、能量吸收支路并联构成。其中长期通流支路承担系统正常运行过程中的负载电流，全桥整流结构保证系统的双向通流，半控开关器件耐受电压高，通流容量大，通流损耗低。电流分断支路的断流单元采用全控开关器件构成，在断流器分断电流过程中，分断系统电流。能量吸收支路由避雷器构成，在系统电流分断后，吸收系统中残余的能量，保护长期通流支路和电流分断支路的器件安全。

见图3，长期通流支路由全控器件开关单元和半控器件开关单元串联构成，在系统正常时，系统电流依次流过全控器件开关单元和半控器件开关单元，在检测到系统电流超过限定电流值后，系统首先开通电流分断支路的全部断流单元。然后关断系统长期通流单元中的全控器件开关单元。系统电流转移到电流分断支路。此时，长期通流支路中的半控器件开关单元电流自动过零，半控器件开关单元中的半控器件恢复承担高电压能力。长期通流支路完成换流过程。

见图4，电流分断支路由多个断流单元构成，在长期通流支路完成换流过程后，电流 分断支路，可以部分或全部的关断断流单元。根据系统的限流控制等级，在电流过载较低的情况下，可以部分关断断流单元，限制系统电流的上升斜率，如果系统仅仅是短期的过载故障，可以重新开通长期通流支路。开通的时序是，先开通全控器件开关单元，再触发开通半控器件开关单元。

见图4，电流过载较高，超过设置的限值，或者在关断部分断流单元后系统电流依然上升超过设定的限值后，控制策略是关闭全部的断流单元，彻底分断系统电流。由能量吸收支路吸收系统的残余能量。

见图5、图6，电流分断支路由多个断流单元串联组成，断流单元由全桥整流电路、单向全控开关器件、RCD吸收电路、避雷器组成。全桥整流电路实现断路器的双向通流能力，RCD吸收电路能够有效的吸收关断过程中产生的电压尖峰，避免断流单元过电压。避雷器使得系统可以分别控制不同的断流单元，不仅可以分断系统电流，而且可以在系统过载的情况下，起到限流作用。在断流单元在长期能量冲击下，避雷器避免全控开关器件过压，在串联的各个断流单元关断动作不一致的情况下，保护全控器件单向全控开关的安全运行。有效避免器件直接串联不均压造成的器件击穿危险。

电流分断支路的断流单元的串联数量实际系统的电压等级决定，可以根据实际系统要求，增加一定冗余单元，增强系统稳定运行的可靠性。

能量吸收支路由金属氧化物避雷器构成，其中根据系统短路时能量等级，可以对避雷器进行串联，并联连接，有效的吸收系统短路能量。

见图7，直流断流器系统与上级主控系统具有通信机制，除了自身的保护机制外，直流断路器受多端直流系统的控制，分断电流与重新开通断路器，均受直流系统整体调度。

见图7，直流断路器的控制器，采样长期通流支路、电流分断支路、能量吸收支路的电流，并根据系统设定的参数，产生分断与开通信号。对直流系统进行保护。

本实施例的提出的全固态直流断路器在系统短路故障模式下的分断步骤为：

(1)断流器控制器发出电流分断支路中断流单元触发导通信号，导通电流分断支路；

(2)断流器控制器发出长期通流支路全控器件开关单元分断信号，完成长期通流支路转换到电流分断支路；

(3)断流器控制器检测并判断长期通流支路电流完成换流过程；

(4)断流器控制器发出电流分断支路的分断信号，完成电流分断过程；

(5)能量吸收支路，吸收系统故障中，系统的残余能量。

本实施例提出的全固态直流断路器恢复正常运行时的闭合步骤为：

(1)断流器控制器发出电流分断支路断流单元的开通信号，开通电流分断支路；

(2)断流器控制器发出长期通流支路，全控器件开关单元的触发开通信号；

(3)断流器控制器发出长期通流支路，半控器件开关单元的触发开通信号；

(4)断流器控制器发出电流分断支路断流单元的分断信号。

本领域技术人员应当明了，以上所示仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本实用新型技术方案的范围内。

以上对本实用新型所提供的直流断路器，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (3)

1.一种全固态直流断路器，由长期通流支路、电流分断支路、能量吸收支路并联构成，其特征在于，

所述的长期通流支路由至少一个半控器件开关单元和至少一个全控器件开关单元串联构成，所述的半控器件开关单元和全控器件开关单元均与全桥整流电路相连接，长期通流支路采用全桥整流电路实现电流的双向流动；

所述的电流分断支路由多个断流单元串联组成，所述断流单元由单向全控开关器件、吸收电路、避雷器并联后与全桥整流电路相连接，电流分断支路采用桥式整流电路实现电流双向流动；所述的电流分断支路的吸收电路为电阻、电容和二极管构成的RCD吸收电路，所述避雷器为与单向全控开关器件电压相匹配的低压避雷器；

所述的能量吸收支路，包含至少一个避雷器单元，吸收开断过程中的系统能量。

2.根据权利要求1所述的全固态直流断路器，其特征在于，所述的长期通流支路的全控器件开关单元、所述的电流分断支路的单向全控开关器件，为IGBT，IGCT，IEGT全控型器件。

3.根据权利要求1所述的固态直流断路器，其特征在于，所述能量吸收支路由避雷器单元构成，根据系统参数决定避雷器的串、并联个数及串并联连接结构。