CN214380098U - 一种直流断路器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种直流断路器，包括：多个通流单元，分别设置在多条直流线路上；多个第一桥臂开关单元的输入端分别与多条直流线路一一对应连接，输出端与限流单元的输入端连接，限流单元的输出端分别和所述开断单元的输入端及能量吸收单元的输入端连接，开断单元的输出端及能量吸收单元的输出端连接阻断单元的第一端，多个第二桥臂开关单元的输入端分别与多条直流线路一一对应连接，输出端连接阻断单元的第一端，阻断单元的第二端与直流线路的直流母线连接。通过实施本实用新型，所有直流系统共用直流断路器限流单元、开断单元和能量吸收单元，减低了多直流出线换流站中直流断路器总体积，有利于换流站整体布置与设计。

Description

一种直流断路器

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，具体涉及一种直流断路器。

背景技术

高压直流断路器是多端及直流电网构建的核心设备之一，同时也是是直流输电系统灵活转换运行方式和开断故障电流的重要设备。其技术经济性直接影响了直流电网应用的灵活性与广泛性。

目前，高压直流断路器主要有两种技术路线，一种为混合式直流断路器，该断路器正常运行由机械开关通流，故障时利用辅助换流支路等将电流转移至并联连接的电力电子器件支路中，然后由电力电子器件分断电流。该类型断路器通态损耗低，分断速度快，但是需要使用大量的全控器件串联，成本较高。另一种是机械式直流断路器，通过预充电电容反向注入电流实现机械开关熄弧，最终完成直流开断，然而该类型断路器所需要电容容量大、电压高，且面临高压触发开关的经济性和可靠性设计问题。

由此可见，现有的混合式直流断路器或机械式直流断路器难以同时满足大规模直流电网建设对直流断路器技术性与经济性双重要求，限制了高压直流断路器在多端及直流电网中规模化应用。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提供一种直流断路器，以解决现有混合式直流断路器或机械式直流断路器难以同时满足大规模直流电网建设对直流断路器技术性与经济性双重要求的技术问题。

本实用新型实施例提供的技术方案如下：

本实用新型实施例第一方面提供一种直流断路器，包括：多个通流单元、多个第一桥臂开关单元、限流单元、开断单元、能量吸收单元及多个第二桥臂开关单元以及阻断单元，所述多个通流单元分别设置在多条直流线路上；多个第一桥臂开关单元的输入端分别与多条直流线路一一对应连接，输出端与所述限流单元的输入端连接，所述限流单元的输出端分别和所述开断单元的输入端及能量吸收单元的输入端连接，所述开断单元的输出端及能量吸收单元的输出端连接所述阻断单元的第一端，多个第二桥臂开关单元的输入端分别与多条直流线路一一对应连接，输出端连接所述阻断单元的第一端，所述阻断单元的第二端与直流线路的直流母线连接；所述通流单元用于导通系统负荷电流；所述第一桥臂开关单元和第二桥臂开关单元用于隔离故障线路和保护健全线路的正常运行；所述限流单元用于限制系统故障电流；所述开断单元用于分断系统故障电流；所述能量吸收单元用于抑制分断过电压和吸收系统故障电流；所述阻断单元用于隔离系统母线与直流断路器中其他单元。

可选地，所述通流单元包括：串联连接的机械开关单元和电力电子开关单元。

可选地，所述电力电子开关单元包括：全控器件单元、IGBT器件单元、IGBT器件和二极管组合单元中的任意一种。

可选地，所述第一桥臂开关单元包括：串联连接的二极管和机械开关；和/或，所述第二桥臂开关单元包括：串联连接的二极管和机械开关。

可选地，所述限流单元包括：容性限流模块或感性限流模块。

可选地，所述容性限流模块包括：非线性电容，所述感性限流模块包括：晶闸管投切电抗的电感。

可选地，所述开断单元包括：多个开断模块，每个开断模块包括：串联连接的晶闸管和IGBT器件。

可选地，所述能量吸收单元包括：非线性电阻或避雷器。

可选地，所述阻断单元包括：串联连接的二极管和机械开关。

本实用新型实施例第二方面提供一种直流断路器的应用方法，应用于如本实用新型实施例第一方面及第一方面任一项所述的直流断路器，包括：当监测到所述直流断路器发生线路故障时，控制发生故障的直流线路中的通流单元闭锁，并触发开断单元、断开阻断单元，故障电流通过未发生故障的直流线路、连接未发生故障直流线路的第一桥臂开关单元转移至限流单元和开关单元；当通流单元中的机械开关达到足够开距耐受暂态分断电压后，闭锁开断单元，故障电流转移至能量吸收单元中，故障电流被能量吸收单元消耗。

可选地，该直流断路器的应用方法还包括：当接收到重合闸命令时，触发开断单元，若故障仍存在，闭锁开断单元，退出发生故障的直流线路；若故障已清除，则触发发生故障的直流线路中通流单元电力电子开关单元，并闭合快速机械开关，闭锁开断单元，恢复稳态运行状态。

可选地，该直流断路器的应用方法还包括：当监测到直流母线侧的换流站发生接地故障时，闭锁所有直流线路中的通流单元，触发开断单元，故障电流通过多个第一桥臂开关单元转移至限流单元和开断单元；当通流单元中的机械开关达到足够开距耐受暂态分断电压后，闭锁开断单元，故障电流转移至能量吸收单元中，故障电流被能量吸收单元消耗。

本实用新型技术方案，具有如下优点：

本实用新型实施例提供的直流断路器及其应用方法，适用于换流站直流母线具有2条及以上出线的直流系统中，同时，所有直流系统共用直流断路器限流单元、开断单元和能量吸收单元，实现了随着直流线路增加，可以灵活、简单、低成本扩展相应功能，并且还大幅减低了多直流出线换流站中直流断路器总体积，有利于换流站整体布置与设计。此外，本实用新型实施例提供的直流断路器，能够快速隔离所应用直流系统发生的线路、母线、换流站等故障，保障直流输电系统的安全、可靠和经济运行。

本实用新型实施例提供的直流断路器及其应用方法，具备限流功能；采用晶闸管和IGBT串联构成开断单元中的开断模块，可以降低成本；同时，该直流断路器具有低损耗、快速、双向、强电流分断、扩展性强等优点，且能够实现快速重合闸，技术性能良好，能够满足直流电网不同运行需求；此外，该直流断路器，对于多直流出线换流站，相较于布置于每条直流线路上的独立混合式直流断路器，显著降低了直流断路器在高压大容量直流电网中应用的设备成本，具备高技术经济性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体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，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例中直流断路器的结构框图；

图2(a)至图2(f)为本实用新型实施例中电力电子开关单元的结构原理图；

图3(a)与图3(b)为本实用新型实施例中限流单元的结构原理图；

图4为本实用新型实施例中开断单元的结构原理图；

图5为本实用新型实施例中直流断路器稳态运行的原理图；

图6(a)至图6(c)为本实用新型实施例中发生线路故障时直流断路器的工作原理图；

图7为本实用新型实施例中发生换流站时直流断路器的工作原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本实用新型实施例提供一种直流断路器，如图1所示，该直流断路器包括：多个通流单元、多个第一桥臂开关单元、限流单元、开关单元、能量吸收单元及多个第二桥臂开关单元以及阻断单元，多个通流单元，分别设置在多条直流线路上；多个第一桥臂开关单元的输入端分别与多条直流线路一一对应连接，输出端与限流单元的输入端连接，限流单元的输出端分别和所述开断单元的输入端及能量吸收单元的输入端连接，开断单元的输出端及能量吸收单元的输出端连接阻断单元的第一端，多个第二桥臂开关单元的输入端分别与多条直流线路一一对应连接，输出端连接阻断单元的第一端，阻断单元的第二端与直流母线连接；通流单元用于导通系统负荷电流；第一桥臂开关单元和第二桥臂开关单元用于隔离故障线路和保护健全线路的正常运行；限流单元用于限制系统故障电流；开断单元用于分断系统故障电流；能量吸收单元用于抑制分断过电压和吸收系统故障电流；阻断单元用于隔离系统母线与直流断路器中其他单元。

本实用新型实施例提供的直流断路器，适用于换流站直流母线具有2条及以上出线的直流系统中，同时，所有直流系统共用直流断路器限流单元、开断单元和能量吸收单元，实现了随着直流线路增加，可以灵活、简单、低成本扩展相应功能，并且还大幅减低了多直流出线换流站中直流断路器总体积，有利于换流站整体布置与设计。此外，本实用新型实施例提供的直流断路器，能够快速隔离所应用直流系统发生的线路、母线、换流站等故障，保障直流输电系统的安全、可靠和经济运行。

在一实施例中，通流单元包括：串联连接的机械开关单元和电力电子开关单元。其中，机械开关单元可以由快速机械开关构成，快速机械开关需耐受系统负荷电流以及短时过电流，同时还需要耐受直流断路器分断产生的暂态过电压，保护与其串联的电力电子开关不受损坏，依据上述电气应力，快速机械开关可采用多端口的串联、多支路并联及多端口串并联接方式。

在一实施例中，电力电子开关单元包括：全控器件单元、IGBT器件单元、IGBT器件和二极管组合单元中的任意一种。在一具体实施方式中，如图2(a)所示，电力电子开关单元包括反向串联的全控器件；如图2(b)所示，电力电子开关单元包括反向并联的全控器件；如图2(c)所示，电力电子开关单元包括IGBT器件、电容及电阻构成的全桥模块单元；如图2(d)所示，电力电子开关单元包括IGBT器件、二极管、电容及电阻构成的改进全桥模块单元；如图2(e)所示，电力电子开关单元包括二极管、IGBT器件及电容构成的二极管桥式单元；如图2(f)所示，电力电子开关单元包括IGBT器件、二极管、电容及电阻构成的二极管与IGBT桥式单元。

在一实施例中，限流单元包括：容性限流模块或感性限流模块。其中，容性限流模块包括：非线性电容，如图3(a)所示，容性限流模块包括非线性电容与电阻串联连接。感性限流模块包括：晶闸管投切电抗的电感。如图3(b)所示，感性限流模块由电容、电感以及晶闸管构成。

在一实施例中，第一桥臂开关单元包括：串联连接的二极管和机械开关；和/或，第二桥臂开关单元包括：串联连接的二极管和机械开关。阻断单元包括：串联连接的二极管和机械开关。

在一实施例中，如图4所示，开断单元包括：多个开断模块，每个开断模块包括：串联连接的晶闸管和IGBT器件。此外，每个开断模块还包括二极管D、电容C以及电阻Rd和Rc。

在一实施例中，能量吸收单元包括：非线性电阻或避雷器。

在一实施例中，以直流断路器在各换流站有2条出线的4端直流电网中的应用为例，对该直流断路器的工作过程进行说明。具体地，如图5所示，通流单元包括串联连接的快速机械开关与改进全桥模块单元，限流单元采用感性限流模块。在一具体实施方式中，当直流断路器所在的高压直流输电系统稳态运行时，设置在直流线路1和直流线路2中的通流单元1和通流单元2处于导通状态，即两个通流单元中的快速机械开关处于合闸状态，改进全桥模块单元处于触发状态，直流功率经两条直流线路向其他换流站传输；开断单元中各开断模块包含的IGBT和晶闸管处于闭锁状态。

在一实施例中，当直流线路1发生接地故障时，如图6(a)所示，直流断路器接受分断命令后闭锁通流单元1中的改进全桥模块单元，同时触发开断单元中的IGBT及晶闸管，由于通流单元1中的改进全桥模块单元闭锁，换流站1中的电流无法从直流线路1中流出，由此，故障电流从直流线路2流出，并通过连接直流线路2的第一桥臂开关单元转移至限流单元和开断单元，同时经过连接直流线路1的第二桥臂开关单元回到故障点。如图6(b)所示，在故障电流转移的过程中，分断通流单元1中的快速机械开关，当所分断快速机械开关达到足够开距耐受暂态分断电压后，闭锁开断单元IGBT与晶闸管，故障电流转移至能量吸收单元中；如图6(c)所示，故障电流被能量吸收单元消耗吸收直至过零，系统恢复正常运行。

在一实施例中，当直流断路器接收到重合闸命令时，再次触发开断单元中的IGBT及晶闸管，若此时还有电流流过开断单元，则说明故障依然存在，即发生的故障可能是永久性故障，此时可以断开开断单元，退出发生故障的直流线路。若没有电流流过，则故障已经清除，即直流线路1可以正常工作，此时，可以闭锁开断单元，触发通流单元1中的改进全桥模块单元并闭合快速机械开关，直流系统恢复稳态运行状态。

在一实施例中，当换流站1出口发生接地故障时，如图7所示，直流断路器接受分断命令后闭锁通流单元1和通流单元2，同时触发开断单元中的IGBT及晶闸管，由于换流站1发生故障，则故障电流会从与直流线路1连接的换流站4流出，通过和直流线路1连接的第一桥臂开关单元转移至限流单元和开断单元，并经过阻断单元回到故障点；同时，故障电流会还从与直流线路2连接的换流站2流出，通过和直流线路2连接的第一桥臂开关单元转移至限流单元和开断单元，并经过阻断单元回到故障点。当所分断快速机械开关达到足够开距耐受暂态分断电压后，闭锁开断单元IGBT与晶闸管，故障电流转移至能量吸收单元中，直至故障电流被能量吸收单元消耗吸收直至过零，系统恢复正常运行。

本实用新型实施例提供的直流断路器，具备限流功能，采用晶闸管和IGBT串联构成开断单元中的开断模块，可以降低成本；同时，该直流断路器具有低损耗、快速、双向、强电流分断、扩展性强等优点，且能够实现快速重合闸，技术性能良好，能够满足直流电网不同运行需求；此外，该直流断路器，对于多直流出线换流站，相较于布置于每条直流线路上的独立混合式直流断路器，显著降低了直流断路器在高压大容量直流电网中应用的设备成本，具备高技术经济性。

本实用新型实施例还提供一种直流断路器的应用方法，该应用方法应用于如上述实施例所述的直流断路器，该应用方法包括如下步骤：

步骤S101：当监测到直流断路器发生线路故障时，控制发生故障的直流线路中的通流单元闭锁，并触发开断单元、断开阻断单元，故障电流通过未发生故障的直流线路、连接未发生故障直流线路的第一桥臂开关单元转移至限流单元和开关单元。

在一实施例中，以直流断路器在各换流站有2条出线的4端直流电网中的应用为例，当直流线路1发生接地故障时，如图6(a)所示，直流断路器接受分断命令后闭锁通流单元1中的改进全桥模块单元，同时触发开断单元中的IGBT及晶闸管，由于通流单元1中的改进全桥模块单元闭锁，换流站1中的电流无法从直流线路1中流出，由此，故障电流从直流线路2流出，并通过连接直流线路2的第一桥臂开关单元转移至限流单元和开断单元，同时经过连接直流线路1的第二桥臂开关单元回到故障点。

步骤S102：当通流单元中的机械开关达到足够开距耐受暂态分断电压后，闭锁开断单元，故障电流转移至能量吸收单元中，故障电流被能量吸收单元消耗。

在一实施例中，如图6(b)所示，在故障电流转移的过程中，分断通流单元1中的快速机械开关，当所分断快速机械开关达到足够开距耐受暂态分断电压后，闭锁开断单元IGBT与晶闸管，故障电流转移至能量吸收单元中；如图6(c)所示，故障电流被能量吸收单元消耗吸收直至过零，系统恢复正常运行。

在一实施例中，该直流断路器的应用方法还包括如下步骤：

步骤S201：当接收到重合闸命令时，触发开断单元，若故障仍存在，闭锁开断单元，退出发生故障的直流线路；在一实施例中，当直流断路器接收到重合闸命令时，再次触发开断单元中的IGBT及晶闸管，若此时还有电流流过开断单元，则说明故障依然存在，即发生的故障可能是永久性故障，此时可以断开开断单元，退出发生故障的直流线路。

步骤S202：若故障已清除，则触发通流单元1全桥模块和闭合快速机械开关，闭锁开断单元，恢复稳态运行状态。具体地，若没有电流流过，则故障已经清除，即直流线路1可以正常工作，此时，可以闭锁开断单元，触发通流单元1中的改进全桥模块单元并闭合快速机械开关，直流系统恢复稳态运行状态。

在一实施例中，该直流断路器的应用方法还包括如下步骤：

步骤S101：当监测到直流母线侧的换流站发生接地故障时，闭锁所有直流线路中的通流单元，触发开断单元，故障电流通过多个第一桥臂开关单元转移至限流单元和开断单元；在一实施例中，当换流站1出口发生接地故障时，如图7所示，直流断路器接受分断命令后闭锁通流单元1和通流单元2，同时触发开断单元中的IGBT及晶闸管，由于换流站1发生故障，则故障电流会从与直流线路1连接的换流站4流出，通过和直流线路1连接的第一桥臂开关单元转移至限流单元和开断单元，并经过阻断单元回到故障点；同时，故障电流会还从与直流线路2连接的换流站2流出，通过和直流线路2连接的第一桥臂开关单元转移至限流单元和开断单元，并经过阻断单元回到故障点。

步骤S102：当通流单元中的机械开关达到足够开距耐受暂态分断电压后，闭锁开断单元，故障电流转移至能量吸收单元中，故障电流被能量吸收单元消耗。具体地，如图7所示，当所分断快速机械开关达到足够开距耐受暂态分断电压后，闭锁开断单元IGBT与晶闸管，故障电流转移至能量吸收单元中，直至故障电流被能量吸收单元消耗吸收直至过零，系统恢复正常运行。

本实用新型实施例提供的直流断路器的应用方法，适用于换流站直流母线具有2条及以上出线的直流系统中，同时，所有直流系统共用直流断路器限流单元、开断单元和能量吸收单元，实现了随着直流线路增加，可以灵活、简单、低成本扩展相应功能，并且还大幅减低了多直流出线换流站中直流断路器总体积，有利于换流站整体布置与设计。此外，本实用新型实施例提供的直流断路器的应用方法，能够快速隔离所应用直流系统发生的线路、母线、换流站等故障，保障直流输电系统的安全、可靠和经济运行。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，但是本领域技术人员可以在不脱离本实用新型的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下对这些实施例进行各种变化、替换和修改，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本实用新型保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

此外，本实用新型的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本实用新型的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本实用新型描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本实用新型可以对它们进行应用。因此，本实用新型所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (9)

1.一种直流断路器，其特征在于，包括：多个通流单元、多个第一桥臂开关单元、限流单元、开断单元、能量吸收单元及多个第二桥臂开关单元以及阻断单元，

所述多个通流单元分别设置在多条直流线路上；多个第一桥臂开关单元的输入端分别与多条直流线路一一对应连接，输出端与所述限流单元的输入端连接，所述限流单元的输出端分别和所述开断单元的输入端及能量吸收单元的输入端连接，所述开断单元的输出端及能量吸收单元的输出端连接所述阻断单元的第一端，多个第二桥臂开关单元的输入端分别与多条直流线路一一对应连接，输出端连接所述阻断单元的第一端，所述阻断单元的第二端与直流线路的直流母线连接；

所述通流单元用于导通系统负荷电流；所述第一桥臂开关单元和第二桥臂开关单元用于隔离故障线路和保护健全线路的正常运行；所述限流单元用于限制系统故障电流；所述开断单元用于分断系统故障电流；所述能量吸收单元用于抑制分断过电压和吸收系统故障电流；所述阻断单元用于隔离系统母线与直流断路器中其他单元。

2.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述通流单元包括：串联连接的机械开关单元和电力电子开关单元。

3.根据权利要求2所述的直流断路器，其特征在于，所述电力电子开关单元包括：全控器件单元、IGBT器件单元、IGBT器件和二极管组合单元中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述第一桥臂开关单元包括：串联连接的二极管和机械开关；和/或，所述第二桥臂开关单元包括：串联连接的二极管和机械开关。

5.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述限流单元包括：容性限流模块或感性限流模块。

6.根据权利要求5所述的直流断路器，其特征在于，所述容性限流模块包括：非线性电容，所述感性限流模块包括：晶闸管投切电抗的电感。

7.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述开断单元包括：多个开断模块，每个开断模块包括：串联连接的晶闸管和IGBT器件。

8.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述能量吸收单元包括：非线性电阻或避雷器。

9.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述阻断单元包括：串联连接的二极管和机械开关。

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