CN205160036U - 一种预充电型高速直流断路器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种预充电型高速直流断路器，包括并联的断流支路和主电子开关支路，主电子开关支路用于流通正常运行时的电流；所述断流支路包括串联的断流开关和电容，电容两端用于连接充电电源；所述主电子开关支路包括至少一个电子开关单元，多个电子开关单元串联，电子开关单元由大功率开关器件构成。断流开关和主电子开关支路均为固态开关，能够避免由于现有技术中机械开关的使用的问题。本实用新型断路器拓扑结构和控制过程简单，实际工程中便于实现。

Description

一种预充电型高速直流断路器

技术领域

本实用新型涉及一种预充电型高速直流断路器。

背景技术

近几年，随着我国经济和科技的不断发展，对能源的需求也日益增加。为有效解决我国的能源分布不均问题，直流输电技术目前正在成为一种有效的手段。尤其是柔性直流输电技术的逐渐成熟更是促进了分布式新能源发展。由于直路系统具有故障发展速度快的特性，尤其是对于基于IGBT器件的柔性直流输电系统，由于存在反并联二极管，当直流侧发生故障时，无法快速限制短路电流。因此直流断路器的研究对于直流输电系统的稳定性有着重要的意义。

目前，高压直流断路器主要有机械式直流断路器、固态直流断路器和混合式直流断路器。机械式直流断路器是在常规机械式交流断路器结构基础上，增加能够在开断直流电流过程中自动形成高频振荡电流过零点的振荡换流电路，具有运行稳定、带载能力强、通态损耗小等优点，但其触头易被开断电弧损坏，开断能力有限，且故障电流切除时间较长。

混合式高压直流断路器将机械式直流断路器和固态直流断路器结合，综合了它们的优点，具有通态损耗小、开断快速可控制、无弧、无声响、无需专用冷却设备等优点。混合式高压直流断路器一般采用电力电子开关对机械开关进行分流，采用电容钳位电容的放电无法精确控制。例如中国专利文献《混合式直流断路器》(CN103021739A)，提出的一种混合式直流断路器，该方案由并联的高速真空开关、LC强制转移电路和过电压限制电路组成，LC强制转移电路包括串联的LC和电力电子门极可关断器件。

正常状态下，电流从高速真空开关流过，LC强制转移电路中的预电容C充有一定的电压，电力电子门极可关断器件处于关断状态，当系统故障，需要断路器断开时，控制电力电子门极可关断器件打开，LC强制转移电路中的预电容通过电力电子门极可关断器件、电感L和高速真空开关形成回路放电，最终达到直流关断目的。

然后，混合型直流断路器对于机械开关的断开速度要求非常苛刻，一般要在3ms以内完成开断并恢复绝缘阻断特性，目前这种快速的高压机械开关研发难度非常大，因而极大的限制了该方案的工程应用。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种直流断路器，用以解决现有技术中混合型直流断路器的缺陷。

为实现上述目的，本实用新型的方案包括：

一种预充电型高速直流断路器，包括并联的断流支路和主电子开关支路，主电子开关支路用于流通正常运行时的电流；所述断流支路包括串联的断流开关和电容，电容两端用于连接充电电源；所述主电子开关支路包括至少一个电子开关单元，多个电子开关单元串联，电子开关单元由大功率开关器件构成。

所述断流支路中还设有限流电感，限流电感与所述电容串联。

所述断流开关由至少一对反向并联的晶闸管构成，多对反向并联的晶闸管串联。

所述电子开关单元为一对反向并联的晶闸管。

所述预充电型高速直流断路器还包括至少一个避雷器，避雷器与所述断流支路和主电子开关支路的对应支路或元件并联。

断流开关和主电子开关支路均为固态开关，能够避免由于现有技术中机械开关的使用的问题。本实用新型断路器拓扑结构和控制过程简单，实际工程中便于实现。

采用电容预充电方式，为主电子开关中晶闸管提供关断所需的反向电压。预充电回路断开过程中为无电流操作，可实现充电回路快速切除；主电子开关的关断时间非常小，保证了断路器的断开时间；采用晶闸管作为主电子开关，直流断路器正常运行过程中损耗非常小；断流支路中电容等形成的充电回路，能迅速减小断路器中的故障电流。关断过程中在断路器上形成过电压，由于避雷器的保护作用断路器两端电压被限制在绝缘要求的全完范围，同时断路器关断过程中能量由避雷器来泄放掉。

附图说明

图1是实施例1的直流断路器拓扑结构；

图2是直流断路器关断过程中的控制逻辑；

图3是正常运行时直流断路器的工作状态；

图4是直流断路器换流过程；

图5是主电子开关支路关断过程中断路器的工作状态；

图6是断开过程中主电子开关支路的电流波形；

图7是断开过程中断流支路的电流波形。

具体实施方式

直流断路器实施例

在附图1-5中，标号1是指固态开关，标号2是指主电子开关支路，标号3是指断流支路，标号4是指充电开关，标号5是指限流电感L，标号6是指避雷器，标号A是指充电开关，标号B是指断流开关，标号D是指主电子开关。

如图1所示的预充电型全固态高速直流断路器，包括并联的断流支路、主电子开关支路和避雷器支路。主电子开关支路用于流通正常运行时的电流；断流支路包括串联的断流开关、电容C和限流电感L，电容两端通过充电开关连接充电电源Uc；主电子开关支路包括至少一个电子开关单元，多个电子开关单元串联，电子开关单元由大功率开关器件构成。避雷器与所述断流支路、主电子开关支路并联。

本实施例中的没有机械开关，全部采用固态开关，固态开关中的电力电子器件全部采用晶闸管。即，断流开关的最小单元，以及主电子开关的最小单元都是一对反向并联的晶闸管。晶闸管属于半控型器件，只有触发导通过程是可控的，但是关断过程只能依靠电路特性。

控制方法为：正常状态时，控制充电电源为电容充电；需要断路器断开时，首先关断电容的充电回路，然后触发导通断流支路，使得一段时间后主电子开关支路在电流为零后关断。

结合附图来看，本实施例的直流断路器控制逻辑中，只有两个操作步骤：切除断流电容的预充电回路；触发导通断流开关。正常运行时，主电子开关处于导通状态，电路中的直流电流从断路器的主电子开关支路中流过。断流支路中，断流开关处于关断状态，电容通过预充电回路进行充电。

当故障发生后即t₀时刻，首先关断短路电容的预充电电路，此时电容已经充电完成，然后触发导通断流开关，两组开关的动作过程中留出一定的时延，如图2中的t₀～t₁。

断流开关触发后，断流电容、限流器等组成放电回路，断流支路中的电流逐渐上升，主电子开关支路两端的电压反向，主电子开关中的电流迅速下降到零后，需要再为晶闸管留出足够的关断时间(熄弧角)，主电子开关中所有的晶闸管处于关断状态。如2图中所述的t₁～t₂。

在主电子开关中电流下降到零后，故障电流全部从断流支路中流过，并通过限流器等形成电容反向充电回路，电流逐渐减小，当断流支路中的电流减小到零后，断路器完成断开任务。

图3所示为正常运行时预充电型全固态高速直流断路器的工作状态。

正常运行时，断流支路中断流电容预充电回路处于导通状态，断流开关中晶闸管处于关断状态，断流支路中没有电流流过。

正常运行时，主电子开关支路所有晶闸管都处于导通状态，电路的直流电流从主电子开关支路流过。

图4所示为预充电型全固态高速直流断路器主电子开关支路关断过程。

当直流电路出现故障，需要断路器断开时，首先关断断流支路中断流电容的预充电回路，此时电容已经预先完成充电，然后触发导通断流开关中全部晶闸管。

断流开关触发导通后，断流电容、限流器、断流开关等组成放电回路，断流支路中的电流I_d1开始增加。

断流开关触发导通后，晶闸管两端的电压U_T2<0，即此时晶闸管两端是反向电压，主电子开关支路上的电流I_d2开始迅速减小到零；在I_d2减小到零后，再给主电子开关支路中的晶闸管留出足够的关断时间(熄弧角)后，主电子开关支路关断。

图5中所示为断流支路关断过程中预充电型全固态断路器工作状态。

主电子开关支路在关断后，故障电流全部流过断流支路。此时断流电容、限流器、断流开关等形成充电回路。故障电流通过充电回路对电容进行反向充电，断流支路中的电流I_d1逐渐减小，当断流支路中的电流减小到零后，断路器完成断开直流电路的任务。

在主电子开关支路关断和断流支路关断过程中，在断路器上形成过电压，断路器中避雷器电流上升，将能量吸收。

图6、7所示为本实用新型专利提出预充电型全固态高速直流速断路器在断开过程中主电子开关支路和断流支路中电流波形图。

断路器在1ms时刻开始动作，断流电容预充电回路切除，此时电容预充电过程已经完成。在2ms时刻，触发导通断流开关中所有晶闸管，电容、限流器、断流开关形成放电回路。主电子开关支路两端形成反向电压，主电子开关支路中的电流开始减小，断流支路中的电流开始增加。主电子开关支路中电流在2.05ms时刻电流降为零，故障电流全部从断流支路流过。此时电容放电过程并未完成，主电子开关两端仍处于反向电压状态。断流电容、限流器、断流开关形成电容充电回路，故障电流通过该回路对电容进行反向充电，电容上的电压开始迅速减小，然后开始反向增加。随着断流电容电压的变化，主电子开关支路上的电压逐渐从反向变成正向，晶闸管在电压变成正向之前完成正向阻断能力的恢复。电容反向充电后，断流支路上的电流开始逐渐减小。在5.5ms时刻之前，断路器中的电流下降为零，直流断路器完成关断。断路器整个工作过程持续时间小于5ms。

本实用新型专利提出预充电型全固态高直流速断路器在断开过程中，只有预充电回路断开和断流开关触发导通两个控制步骤。断流开关触发导通后电容等形成放电回路，主电子开关两端形成反向电压，主电子开关支路上的电流迅速下降到零。主电子开关关断后，故障电流全部流过断流支路并通过限流器等对电容进行反向充电。断流支路中的电流开始迅速下降至零，断路器完成断开。断路器中没有采用机械开关，通过对电力电子器件的控制完成电流的转移与关断，保证了断路器的动作时间。固态开关和换流开关中电力电子器件个数少，显著降低了断路器运行中的损耗并具有良好的经济性。

本实施例中固态开关使用的是晶闸管，作为其它实施方式，也可以采用半控型电力电子器件或全控型电力电子器件中的一种或几种的组合，例如，IGBT、GTO等。应注意的是，若采用全控型器件，控制方法的控制过程会有相应变化。

作为其他实施方式，可以根据具体情况有选择性的在断流支路、主电子开关支路的对应元件上加设避雷器。

以上给出了具体的实施方式，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。本实用新型的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本实用新型的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.一种预充电型高速直流断路器，其特征在于，包括并联的断流支路和主电子开关支路，主电子开关支路用于流通正常运行时的电流；

所述断流支路包括串联的断流开关和电容，电容两端用于连接充电电源；

所述主电子开关支路包括至少一个电子开关单元，多个电子开关单元串联，电子开关单元由大功率开关器件构成。

2.根据权利要求1所述的预充电型高速直流断路器，其特征在于，所述断流支路中还设有限流电感，限流电感与所述电容串联。

3.根据权利要求2所述的预充电型高速直流断路器，其特征在于，所述断流开关由至少一对反向并联的晶闸管构成，多对反向并联的晶闸管串联。

4.根据权利要求3所述的预充电型高速直流断路器，其特征在于，所述电子开关单元为一对反向并联的晶闸管。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的预充电型高速直流断路器，其特征在于，所述预充电型高速直流断路器还包括至少一个避雷器，避雷器与所述断流支路和主电子开关支路的对应支路或元件并联。