CN216215875U - 一种无弧型直流断路器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的一种无弧型直流断路器，包括：通流支路，其串入电力线路中；辅助支路，其与通流支路并联连接，辅助支路用于在直流断路器开断、合闸和重合闸过程中辅助导通电流；注入支路，其与辅助支路并联连接，注入支路用于在直流断路器开断、合闸和重合闸过程中向辅助支路注入反向电流，辅助辅助支路关断和引导电流向注入支路转移。通过设置辅助支路，在电力线路出现故障时，导通辅助支路，将通流支路电流转移至辅助支路，使得通流支路电流过零，并在过零后分闸通流支路的机械开关，避免通流支路产生电弧，到达无弧开断的目的。

Description

一种无弧型直流断路器

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，具体涉及一种无弧型直流断路器。

背景技术

现今直流输配电技术成为风光等可再生能源大规模送出消纳的有效手段，而高压直流断路器是直流输配电向更为经济灵活的网络化发展的关键设备。采用机械开关和电力电子器件混合连接，兼具了机械低损耗和电力电子高速开关特性，是目前高压直流断路器领域的主流技术路线。但混合式直流断路器中大规模电力电子器件的应用造成其成本高昂，其开断能力受限于电力电子器件的固有水平。

基于有源振荡注入反向电流创造人工零点的直流开断技术开断能力强，具有较高的经济性，但随着断路器电压等级的提升，直流开断中会产生较大的电弧，温度高达数千摄氏度，能烧坏触头，甚至导致触头熔焊，造成多次重燃严重损害触头使用寿命。如果电弧不立即熄灭，就可能烧伤操作人员，烧毁设备，破坏系统绝缘性能，甚至酿成火灾。因此，有效地熄灭电弧或者抑制电弧的产生至关重要。

实用新型内容

因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有高压有弧直流开断技术中直流断路器难以抑制电弧的缺陷，从而提供一种无弧型直流断路器。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

本实用新型实施例提供一种无弧型直流断路器，包括：通流支路、辅助支路及注入支路，其中，通流支路，其串入电力线路中，所述通流支路用于导通直流负荷电流；辅助支路，其与所述通流支路并联连接，所述辅助支路用于在直流断路器开断、合闸和重合闸过程中辅助导通电流；注入支路，其与所述辅助支路并联连接，所述注入支路用于在直流断路器开断、合闸和重合闸过程中向所述辅助支路注入反向电流，辅助所述辅助支路关断和引导电流向所述注入支路转移。

优选地，所述通流支路包括：电流转移单元及机械开关单元，所述电流转移单元与所述机械开关单元串联连接。

优选地，所述辅助支路包括：反并联晶闸管阀组件。

优选地，所述注入支路包括：电压变换电路、振荡电容单元、耗能单元及振荡电感单元，其中，所述电压变换电路、所述振荡电容单元与所述振荡电感单元串联连接，所述耗能单元与所述振荡电容单元并联连接。

优选地，所述电压变换电路为桥式电压变换电路或模块级联电压变换电路。

优选地，所述桥式电压变换电路包括第一桥臂单元、第二桥臂单元、第三桥臂单元、第四桥臂单元及桥电容，其中，所述第一桥臂单元的一端与所述第三桥臂单元的一端连接，所述第一桥臂单元的另一端与所述第二桥臂单元的一端连接，所述第二桥臂单元的另一端与所述第四桥臂单元的另一端连接，所述第三桥臂单元的另一端与所述第四桥臂单元的一端的连接，所述桥电容的一端分别与所述第一桥臂单元的一端及所述第三桥臂单元的一端连接，所述桥电容的另一端分别与所述第二桥臂单元的另一端及所述第四桥臂单元的另一端连接，所述第一桥臂单元与所述第二桥臂单元连接线的中点分别与所述振荡电容单元的一端及所述耗能单元的一端连接，所述第三桥臂单元与所述第四桥臂单元连接线的中点与所述振荡电感单元的一端连接。

优选地，所述模块级联电路包括多个子模块单元，多个所述子模块单元级联连接。

本实用新型技术方案，具有如下优点：

本实用新型提供的无弧型直流断路器，包括：通流支路，其串入电力线路中，通流支路用于导通直流负荷电流；辅助支路，其与通流支路并联连接，辅助支路用于在直流断路器开断、合闸和重合闸过程中导通，接收通流支路转移的直流负荷电流，辅助导通电流；注入支路，其与辅助支路并联连接，注入支路用于在直流断路器开断、合闸和重合闸过程中向辅助支路注入反向电流，辅助辅助支路关断和引导电流向注入支路转移。通过设置辅助支路，在电力线路出现故障时，导通辅助支路，将通流支路电流转移至辅助支路，使得通流支路电流过零，并在过零后分闸通流支路的机械开关，避免通流支路产生电弧，到达无弧开断的目的。

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一个具体示例的原理框图；

图2为本实用新型实施例中直流断路器的另一个具体示例的原理框图；

图3(a)为本实用新型实施例中电流转移单元一个拓扑图；

图3(b)为本实用新型实施例中电流转移单元另一个拓扑图；

图3(c)为本实用新型实施例中电流转移单元另一个拓扑图；

图3(d)为本实用新型实施例中电流转移单元另一个拓扑图；

图4为本实用新型实施例中辅助支路拓扑图；

图5为本实用新型实施例中直流断路器的另一个具体示例的原理框图；

图6为本实用新型实施例中电压变换电路一个拓扑图；

图7为本实用新型实施例中电压变换电路另一个拓扑图；

图8为本实用新型实施例中电压变换电路一个子模块拓扑图；

图9为本实用新型实施例中电压变换电路另一个子模块拓扑图；

图10为本实用新型实施例中直流断路器的控制方法的一个具体示例的流程图；

图11为本实用新型实施例提供的负荷电流的一个具体流向图；

图12为本实用新型实施例提供的负荷电流的另一个具体流向图；

图13为本实用新型实施例提供的负荷电流的另一个具体流向图；

图14为本实用新型实施例提供的负荷电流的另一个具体流向图；

图15为本实用新型实施例提供的振荡电流的一个具体流向图；

图16为本实用新型实施例提供的振荡电流的另一个具体流向图；

图17为本实用新型实施例提供的振荡电流的另一个具体流向图；

图18为本实用新型实施例提供的振荡电流的另一个具体流向图.

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无弧型直流断路器，可应用于高压直流系统。如图1所示，该直流断路器包括：通流支路1、辅助支路2及注入支路3，其中，通流支路1，其串入电力线路中，通流支路1用于导通直流负荷电流；辅助支路2，其与通流支路1并联连接，辅助支路2用于在直流断路器开断、合闸和重合闸过程中导通，接收通流支路1转移的直流负荷电流，辅助导通电流；注入支路3，其与辅助支路2并联连接，注入支路3用于在直流断路器开断、合闸和重合闸过程中向辅助支路2注入反向电流，辅助辅助支路2关断和引导电流向注入支路3转移。

在一具体实施例中，如图1所示，通流支路1串入换流侧电力线路及线路侧电力线路之间。在换流侧电力线路、线路侧电力线路均未发生故障时，通流支路1处于导通状态，其实现换流侧电力线路及线路侧电力线路之间的直流负荷电流的传输。在换流侧电力线路或线路侧电力线路发生故障或接到开断命令时，导通辅助支路2，将通流支路1电流转移至辅助支路2；当通流支路1电流过零后，控制通流支路1的机械开关分闸；当机械开关达到足够耐受暂态开断电压的设计开距时，控制注入支路3中子模块单元周期性的开通关断，输出振荡电流，直到电压变换电路上产生与故障电流幅值相等、方向相反的振荡电流，关断辅助支路2，电流转移至注入支路3。当注入支路3中振荡电感的电压上升至预设保护电压阈值时，故障电流转移至耗能避雷器，消耗故障电流能量直至过零，系统恢复正常运行。

本实用新型提供的无弧型直流断路器，包括：通流支路，其串入电力线路中，通流支路用于导通直流负荷电流；辅助支路，其与通流支路并联连接，辅助支路用于在直流断路器开断、合闸和重合闸过程中导通，接收通流支路转移的直流负荷电流，辅助导通电流；注入支路，其与辅助支路并联连接，注入支路用于在直流断路器开断、合闸和重合闸过程中向辅助支路注入反向电流，辅助辅助支路关断和引导电流向注入支路转移。通过设置辅助支路，在电力线路出现故障时，导通辅助支路，将通流支路电流转移至辅助支路，使得通流支路电流过零，并在过零后分闸通流支路的机械开关，避免通流支路产生电弧，到达无弧开断的目的。

在一实施例中，如图2所示，通流支路1包括：电流转移单元12及机械开关单元11，电流转移单元12与机械开关单元11串联连接。

在一具体实施例中，电流转移单元12由双向开关单元串、并联组成，具备双向导通和关断电流能力，在断路器开关过程中闭锁后强迫电流转移至辅助支路2。双向开关单元由IGBT/IGCT等全控型器件构成。如图3(a)-3(d)所示，电流转移单元12包含反向串联单元、逆阻并联单元、全桥单元等拓扑结构。

进一步地，机械开关单元11由快速机械开关UFD串联组成。该机械开关UFD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。依据上述电气应力，通流支路1中的快速机械开关UFD可采用多断口的串联、多支路并联及多断口串并联接方式。本实用新型实施例中，直流断路器能够实现直流电流的双向、无弧、快速开断，开断电流可达到数十kA，满足直流输配电系统应用需求。

在一实施例中，辅助支路2包括：反并联晶闸管阀组件。

在一具体实施例中，反并联晶闸管阀组件拓扑结构如图4所示。多个晶闸管串联连接构成晶闸管阀T1，多个晶闸管串联连接构成晶闸管阀T2，晶闸管阀T1与晶闸管阀T2反并联连接。

在一实施例中，如图5所示，注入支路3包括：电压变换电路31、振荡电容单元32、耗能单元33及振荡电感单元34，其中，电压变换电路31、振荡电容单元32与振荡电感单元34串联连接，耗能单元33与振荡电容单元32并联连接。

在一具体实施例中，振荡电容单元32包括振荡电容C。耗能单元33包括耗能避雷器MOV。振荡电感单元34包括振荡电感L。其中，电压变换电路31、振荡电容C与振荡电感L串联连接，耗能避雷器MOV与振荡电容C并联连接。

在本实用新型实施例中，电压变换电路31可采用如图6所示的桥式电压变换电路，也可采用如图7所示的模块级联电压变换电路。具体地，桥式电压变换电路包括第一桥臂单元、第二桥臂单元、第三桥臂单元、第四桥臂单元及桥电容C1，其中，第一桥臂单元的一端与第三桥臂单元的一端连接，第一桥臂单元的另一端与第二桥臂单元的一端连接，第二桥臂单元的另一端与第四桥臂单元的另一端连接，第三桥臂单元的另一端与第四桥臂单元的一端的连接，桥电容C1的一端分别与第一桥臂单元的一端及第三桥臂单元的一端连接，桥电容C1的另一端分别与第二桥臂单元的另一端及第四桥臂单元的另一端连接，第一桥臂单元与第二桥臂单元连接线的中点分别与振荡电容C的一端及耗能避雷器MOV的一端连接，第三桥臂单元与第四桥臂单元连接线的中点与振荡电感L的一端连接。在本实用新型实施例中，第一桥臂单元、第二桥臂单元、第三桥臂单元、第四桥臂单元均由n个子单元串联组成，此处子单元可以是如图8所示的基于IGBT模块和Diode-HB模块。

在一实施例中，如图7所示模块级联电路包括多个子模块单元，多个子模块单元级联连接。此处子模块可以是如图9所示的IGBT-FB、IGBT-MB子模块。

在一具体实施例中，注入支路中电压变换电路电压等级远低于直流断路器额定电压等级约为断路器额定电压的2％-5％，结合辅助晶闸管阀，其成本约为同等参数混合式直流断路器的50％以下，显著提升直流断路器经济性。并且，该断路器的开断电流不再受限于传统混合式直流断路器中的全控器件自身的关断能力，开关电流可通过辅助晶闸管阀浪涌能力以及注入支路的设计注入能力大幅提高，其开断电流可达30kA以上。

本实用新型实施例还提供一种无弧型直流断路器的控制方法，基于上述无弧型直流断路器，如图10所示，控制方法包括如下步骤：

步骤S1：实时监测通流支路的两端所连接的电力线路是否故障。

在一具体实施例中，以图6所示的基于IGBT的Diode子模块的桥式电压变换电路为例的断路器进行说明。当电力线路未发生故障时，断路器投入运行。如图11所示，断路器投入运行前，所有支路均保持断开状态，首先导通晶闸管阀T1，通流支路机械开关UFD保持分闸，负荷电流经T1流通。进一步地，当满足合闸条件后，闭合快速机械开关UFD，导通电流转移单元，电路转移至如图12所示。UFD导通后，负荷电流由辅助支路转移至通流支路，如图12所示，断路器投入运行。

步骤S2：当通流支路的至少一端所连接的电力线路出现故障时，导通辅助支路，将通流支路电流转移至辅助支路。

在一具体实施例中，直流断路器收到开断命令或过流保护动作，辅助支路T1阀导通，通流支路电流转移单元闭锁，电流向辅助支路转移，如图13所示。

步骤S3：当通流支路电流过零后，控制通流支路的机械开关分闸。

在一具体实施例中，如图14所示，通流支路电流过零后，机械开关UFD分闸。

步骤S4：当机械开关达到足够耐受暂态开断电压的设计开距时，控制电压变换电路中子模块单元周期性的开通关断，输出振荡电流，直到电压变换电路上产生与故障电流幅值相等、方向相反的振荡电流，关断辅助支路，电流转移至注入支路。

在一具体实施例中，待机械开关分闸至足够开距后，触发电压变换电路，控制桥臂单元周期性的开通关断，桥电容C1向振荡电容C、电感L及T1阀所构成的回路放电。如图15所示时，桥臂Arm1、桥臂Arm 3中的IGBT开通，桥臂Arm2、桥臂Arm 4中的IGBT保持关断，桥电容C1电压激励回路中产生顺时针方向的振荡电流。

下一控制周期，桥臂Arm2、桥臂Arm 4中IGBT开通，桥臂Arm 1、桥臂Arm 3中IGBT保持关断，回路中产生的振荡电流方向转变为逆时针方向，且在桥电容C1电压激励下幅值增大为二倍值，如图16所示。

在电压变换电路周期性输出电压过程中，振荡电流幅值每个周期一次增大一倍值，待其幅值增大至等于故障电流且方向与故障电流相反时，辅助支路电流过零关断，电流转移至注入支路，对注入支路振荡电容C充电，如图17所示。

在一实施例中，无弧型直流断路器的控制方法还包括：当振荡电感的电压达到预设电压阈值时，故障电流转移至耗能避雷器，消耗故障电流能量。

在一具体实施例中，电流转移至注入支路后，对振荡电容C充电，当振荡电容C电压升高至MOV动作电压后，故障电流换流至耗能MOV，MOV吸收故障电流能量，并完成故障电流分断，如图18所示。

需要说明的是，上述方法及附图仅以线路侧的电力线路出现短路故障、以电流从换流侧电力线路流向线路侧电力线路为例进行说明，若电流从线路侧电力线路流向换流侧电力线路的情况，直流断路器的工作原理与上述相同。

进一步地，本实用新型实施例提供的提断路器具备灵活的重合闸能力，注入单元可实现连续多次注入从而支撑断路器满足多次重合闸要求。具体地，其重合闸过程同断路器投入运行过程，如图11-图13所示，在此不再赘述。若重合闸于故障后开断，其操作过程同断路器断开过程，如图14-图18所示，在此不再赘述。

本实用新型提供的无弧型直流断路器的控制方法，包括：实时监测通流支路的两端所连接的电力线路是否故障；当通流支路的至少一端所连接的电力线路出现故障时，导通辅助支路，将通流支路电流转移至辅助支路；当通流支路电流过零后，控制通流支路的机械开关分闸；当机械开关达到足够耐受暂态开断电压的设计开距时，控制电压变换电路中子模块单元周期性的开通关断，输出振荡电流，直到电压变换电路上产生与故障电流幅值相等、方向相反的振荡电流，关断辅助支路，电流转移至注入支路。通过设置辅助支路，在电力线路出现故障时，导通辅助支路，将通流支路电流转移至辅助支路，使得通流支路电流过零，并在过零后分闸通流支路的机械开关，避免通流支路产生电弧，到达无弧开断的目的。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种无弧型直流断路器，其特征在于，包括：通流支路、辅助支路及注入支路，其中，

通流支路，其串入电力线路中，所述通流支路用于导通直流负荷电流；

辅助支路，其与所述通流支路并联连接，所述辅助支路用于在直流断路器开断、合闸和重合闸过程中导通辅助导通电流；

注入支路，其与所述辅助支路并联连接，所述注入支路用于在直流断路器开断、合闸和重合闸过程中向所述辅助支路注入反向电流，辅助所述辅助支路关断和引导电流向所述注入支路转移。

2.根据权利要求1所述的无弧型直流断路器，其特征在于，所述通流支路包括：电流转移单元及机械开关单元，所述电流转移单元与所述机械开关单元串联连接。

3.根据权利要求1所述的无弧型直流断路器，其特征在于，所述辅助支路包括：反并联晶闸管阀组件。

4.根据权利要求1所述的无弧型直流断路器，其特征在于，所述注入支路包括：电压变换电路、振荡电容单元、耗能单元及振荡电感单元，其中，所述电压变换电路、所述振荡电容单元与所述振荡电感单元串联连接，所述耗能单元与所述振荡电容单元并联连接。

5.根据权利要求4所述的无弧型直流断路器，其特征在于，所述电压变换电路为桥式电压变换电路或模块级联电压变换电路。

6.根据权利要求5所述的无弧型直流断路器，其特征在于，所述桥式电压变换电路包括第一桥臂单元、第二桥臂单元、第三桥臂单元、第四桥臂单元及桥电容，其中，

所述第一桥臂单元的一端与所述第三桥臂单元的一端连接，所述第一桥臂单元的另一端与所述第二桥臂单元的一端连接，所述第二桥臂单元的另一端与所述第四桥臂单元的另一端连接，所述第三桥臂单元的另一端与所述第四桥臂单元的一端的连接，所述桥电容的一端分别与所述第一桥臂单元的一端及所述第三桥臂单元的一端连接，所述桥电容的另一端分别与所述第二桥臂单元的另一端及所述第四桥臂单元的另一端连接，所述第一桥臂单元与所述第二桥臂单元连接线的中点分别与所述振荡电容单元的一端及所述耗能单元的一端连接，所述第三桥臂单元与所述第四桥臂单元连接线的中点与所述振荡电感单元的一端连接。

7.根据权利要求5所述的无弧型直流断路器，其特征在于，所述模块级联电压变换电路包括多个子模块单元，多个所述子模块单元级联连接。

Images