CN103646805B - 一种直流断路器拓扑 - Google Patents

Abstract

一种直流断路器拓扑，由第一电流通路（1）、第二电流通路（2）、第三电流通路（3）和第四通路（4）组成。第四电流通路（4）的第一引出端子，第三电流通路（3）的第一引出端子，第二电流通路（2）的第一引出端子和第一电流通路（1）的第一引出端子连接在一起，作为直流断路器的第一引出端子（5）与直流输电线的一端连接；第四电流通路（4）的第二引出端子，第三电流通路（3）的第二引出端子，第二电流通路（2）的第二引出端子和第一电流通路（1）的第二引出端子连接在一起，作为直流断路器的第二引出端子（6）与直流输电线的另一端连接。系统正常运行时，该直流断路器损耗小，在高压直流输电线路出现故障时，可快速开断故障输电线路。

Description

一种直流断路器拓扑

技术领域

本发明涉及一种断路器，具体涉及一种直流断路器。

背景技术

快速直流断路器是保证直流输配电系统和直流电网系统稳定安全可靠运行的关键设备之一。与交流系统所不同的是，直流系统的电流并不存在自然过零点，因此直流系统中无法像交流系统一样利用电流的自然过零点关断，因此直流电流的开断问题一直是一个值得研究的课题。

目前开断直流电流通常有两种方式，第一种是纯电力电子断路器，如ABB申请的专利CN102870181A，利用大功率可关断电力电子器件，直接分断直流电流。利用这种原理制造的固态断路器，在时间上虽然可以满足多端柔性直流系统的要求，但在正常导通时的损耗过大，经济性较差。

第二种是混合断路器技术，即在传统的交流机械断路器的基础上，通过增加辅助的电力电子电路，投入限流电阻以降低短路电流或在开断弧间隙的直流电流上叠加振荡电流，利用电流过零时开断电路。利用这种原理制造的混合式断路器，其对机械开关有特殊要求，在分断时间上较难满足直流输电系统的要求。

西门子专利WO2013/093066A1提出的一种混合断路器，在主通路上串联机械开关和电力电子全控器件，另一条旁路由电容组成，当检测到故障电流时，主通路上电力电子全控器件断开，机械开关也开始开断，故障电流向旁路电容充电，这种电路的旁路电容不能取值过小，否则机械开关尚未完全打开，若旁路电容在故障电流充电下电压上升过快会超过机械开关和电力电子器件承受电压等级。然而电容值取值大时，开断速度就会受到影响。

ABB公司的专利WO2011141054A1提出的一种混合断路器，在主通路上串联机械开关和电力电子全控器件，另一条旁路由避雷器和压接IGBT并联组成，当检测到故障电流时，旁路上的压接IGBT全部导通，之后主通路上的电力电子全控器件断开，机械开关也开始关断，等到机械开关完全关断后，压接IGBT关断，避雷器接入电路抑制短路电流，这种断路器开断速度较快，但是整个旁路的压接IGBT承受电压之和必须要大于直流输电线路初始电压，这需要大量压接IGBT串联，造成整个直流断路器的成本较高。

并且上述两种专利主回路都必须采用全控开关器件与机械开关串联，导致正常时仍然会有较大的导通损耗。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种混合式直流断路器。本发明具有整体成本低，稳态运行时损耗小，出现短路故障时无电弧切断，响应迅速等特点。

本发明所述的直流断路器由第一电流通路、第二电流通路、第三电流通路和第四电流通路组成。第四电流通路的第一引出端子，第三电流通路的第一引出端子，第二电流通路的第一引出端子，第一电流通路的第一引出端子连接在一起，作为直流断路器的第一引出端子与直流输电线的一端连接；第四电流通路的第二引出端子，第三电流通路第二引出端子，第二电流通路的第二引出端子，第一电流通路的第二引出端子连接在一起，作为直流断路器的第二引出端子与直流输电线的另一端连接。

所述的直流断路器另一种连接方式为：第四电流通路的第一引出端子，第三电流通路的第一引出端子，第二电流通路的第一引出端子，第一电流通路的第一引出端子连接在一起后，可以与电感一端连接，电感的另一端作为直流断路器的第一引出端子与直流输电线路连接，

第四电流通路的第二引出端子，第三电流通路第二引出端子，第二电流通路的第二引出端子，第一电流通路的第二引出端子连接在一起后也可以与电感一端连接，电感的另一端作为所述的直流断路器的第二引出端子与直流输电线的另一端连接。

所述的第一电流通路由电力电子开关模块和机械开关模块组成。电力电子开关模块的一端与机械开关的一端连接，电力电子开关模块的另一端作为第一电流通路的第一引出端子。

所述的第二电流通路包括半控型器件模块和全控型器件模块，半控型器件模块的阳极作为第二电流通路的第一引出端子，半控型器件模块的阴极与全控型器件模块的一端连接；全控型器件模块另一端作为第二电流通路的第二引出端子。

所述的第三电流通路由电容模块组成，所述的电容模块由至少一个电容单元串联或并联组成。

所述的第四电流通路由限压器件模块组成，所述的限压器件模块由至少一个的限压器件串联组成。

在直流输电线路正常运行时，第一电流通路的机械开关模块为闭合状态，第一电流通路的电力电子开关模块为导通状态；当检测到线路短路故障时，所述的第二电流通路的半控型器件模块和所述的第二电流通路的全控型器件模块收到导通信号，同时第一电流通路的电力电子开关模块迅速关断，阻断第一电流通路的故障电流，机械开关模块开始开断，故障电流迅速转移至第二电流通路；当第一电流通路机械开关模块两端触头开断到一定距离后，第二电流通路的全控型器件模块迅速关断，阻断流经第二电流通路的故障电流，第二电流通路的半控型器件模块电流过零自然关断，故障电流转移至第三电流通路，对第三电流通路的电容模块充电，当第三电流通路的电容模块两端电压上升至第四电流通路限压器件模块限定值时，电流从第三电流通路切换至第四电流通路，此时由于电容模块两端电压处于比直流输电变流站高的值，使故障电流迅速下降至零。

可以在所述的直流断路器第一引出端子与地之间并联限压器件，所述的直流断路器第二引出端子与地之间并联限压器件。

第二电流通路的半控型器件模块中串联半控型器件数量和第二电流通路中的全控型器件模块中全控型器件的数量可以灵活协调配置，并在第二电流通路半控型器件模块和第二电流通路全控型器件模块两端分别并联不同限值的限压器件，使电压尽可能由半控型器件模块承担。也可以在各种需要保护的器件模块两端并联限压器件。

所述的第二电流通路半控型器件模块由至少一个半控型器件串联组成，全控型器件模块由至少一个全控型器件串联组成，这种配置方法可以使直流断路器具备单向电流阻断能力。

所述的第二电流通路半控型器件模块由至少一个反并联半控器件单元串联组成，所述的第二电流通路全控型器件模块由第一组全控型器件和第二组全控型器件反向串联组成；同时，第一电流通路全控型器件模块也由第一组全控型器件和第二组全控型器件组成，每组均由至少一个的全控型器件同向串联组成。这种配置方法可以使整个直流断路器具备双向电流阻断能力。

所述的直流断路器也可以仅包括第二电流通路，第三电流通路和第四电流通路，省略第一电流通路，这样开断速度更快，但是导通损耗更高。

所述的直流断路器第一电流通路可以仅包括机械开关模块，第一电流通路电力电子开关可以用导线代替。

所述的直流断路器第二电流通路可以仅包括全控型器件模块。

所述的直流断路器第一电流通路第一引出端子和第二电流通路的一引出端子之间加入由全控型器件组成的阻断电力电子开关模块。

所述的阻断电力电子模块由半控型器件串联模块和全控型器件串联模块串联组成。

所述的第三电流通路电容模块两端可以增加泄放装置，从而在直流线路短路故障排除之后，能够快速泄放掉电容内多余电压，便于重新合闸。

本发明有以下优点：

a.该直流断路器拓扑开断更为迅速，能够实现零电弧开断；

b.整个换流拓扑可采用常规部件，制造难度相对较小，可靠性高；

c.该直流断路器能够将短路电流控制在较低的水平，从而保护系统安全性；

d.该直流断路器拓扑能够减小短路电流对换流站的影响；

e.更容易与柔性直流输电系统结合，适宜于一体化设计；

f.与纯电力电子开关式直流断路器相比系统正常工作时的损耗更小；

g.当采用半控器件代替初始电流通路上的全控电力电子开关时，其系统正常运行损耗能够降至更低；

h.该断路器电流阻断通路采用多电流通路切换设计方法，在开断速度快的同时，整体实现方案的成本更低；

i.具有多自由度优化设计的可能，所述第四电流通路与所述的第三电流通路有不同成本的配置方法，根据实际工况的开断速度要求灵活配置。

附图说明

下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1为本发明的电路原理图；

图2为本发明的具体实施例1的电路原理图；

图3为本发明的具体实施例2的电路原理图；

图4为本发明的具体实施例3的电路原理图；

图5为本发明的具体实施例4的电路原理图；

图6为本发明的具体实施例5的电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明直流断路器包含第一电流通路1、第二电流通路2、第三电流通路3和第四电流通路4；第四电流通路4的第一引出端子，第三电流通路3的第一引出端子，第二电流通路的第一引出端子和第一电流通路的第一引出端子连接在一起，作为直流断路器的第一引出端子5与直流输电线的一端连接；第四电流通路4的第二引出端子，第三电流通路3第二引出端子，第二电流通路2的第二引出端子和第一电流通路的第二引出端子连接在一起，作为直流断路器的第二引出端子6与直流输电线的另一端连接。

所述的第一电流通路1由电力电子开关模块12和机械开关模块11组成。电力电子开关模块的一端与机械开关的一端13连接，电力电子开关模块的另一端作为第一电流通路的第一引出端子。

所述的第二电流通路2包括半控型器件模块21和全控型器件模块22，半控型器件模块21的阳极作为第二电流通路2的第一引出端子，半控型器件模块22的阴极与全控型器件模块22的一端23连接；全控型器件模块另一端作为第二电流通路2的第二引出端子。

所述的第三电流通路3由电容模块C1组成，所述的电容模块由至少一个电容单元串联或并联组成。

所述的第四电流通路4由限压器件模块组成，所述的限压器件模块由至少一个限压器件串联组成。

实施例1

图2所示为本发明的实施例1。如图2所示，电压源15为换流站，电阻16为模拟短路电阻。本发明直流断路器由第一电流通路1，第二电流通路2，第三电流通路3和第四电流通路4组成；第四电流通路4的第一引出端子，第三电流通路3的第一引出端子，第二电流通路的第一引出端子和第一电流通路的第一引出端子连接在一起，作为直流断路器的第一引出端子5与直流输电线的一端连接；第四电流通路4的第二引出端子，第三电流通路3第二引出端子，第二电流通路2的第二引出端子和第一电流通路的第二引出端子连接在一起，作为直流断路器的第二引出端子6与直流输电线的另一端连接。

所述的第一电流通路1由电力电子开关模块12和机械开关模块11组成。电力电子开关模块的一端与机械开关的一端连接，电力电子开关模块的另一端作为第一电流通路的第一引出端子。

所述的第二电流通路2包括半控型器件模块21和全控型器件模块22，半控型器件模块21的阳极作为第二电流通路2的第一引出端子，半控型器件模块22的阴极与全控型器件模块22的一端23连接；全控型器件模块另一端作为第二电流通路2的第二引出端子。

所述的第三电流通路3由电容模块C1组成，所述的电容模块由至少一个电容单元串联或并联组成。

所述的第四电流通路4由限压器件模块组成，所述的限压器件模块由至少一个的限压器件串联组成。

在直流输电线路正常运行时，第一电流通路1的机械开关模块11为闭合状态，第一电流通路1的电力电子开关模块12为导通状态；当检测到线路短路故障时，所述的第二电流通路2的半控型器件模块21和所述的第二电流通路2的全控型器件模块22收到导通信号，同时第一电流通路1的电力电子开关模块12迅速关断，阻断第一电流通路1的故障电流，机械开关模,11开始开断，故障电流迅速转移至第二电流通路2；当第一电流通路1的机械开关模块11两端触头开断到一定距离后，第二电流通路2的全控型器件模块22迅速关断，阻断流经第二电流通路2的故障电流，第二电流通路2的半控型器件模块21电流过零自然关断，故障电流转移至第三电流通路3，对第三电流通,3的电容模块C1充电，当第三电流通路3的电容模块C1两端电压上升至第四电流通路4的限压器件模块限定值时，电流从第三电流通路3切换至第四电流通路4，此时由于电容模块C1两端电压处于比直流输电变流站高的值，使故障电流迅速下降至零。

第一电流通路1的第一引出端子与地之间，第一电流通路1的第二引出端子与地之间，用以对整个直流断路器的各个部分进行过电压保护。也可以选择性的在需要保护的地方两端增加限压器件。

实施例2

图3所示为本发明的实施例2。如图3所示，所述的第二电流通路2的半控型器件模块21由至少一个反并联半控器件单元24串联组成。所述的第二电流通路2的全控型器件模块22由第二电流通路第一组全控型器件25和第二电流通路第二组全控型器件26反向串联组成，第一组全控型器件25和第二组全控型器件26均由至少一个全控型器件同向串联组成。第一电流通路1的全控型器件模块由第一电流通路第一组全控型器件15和第一电流通路第二组全控型器件16组成；

实施例3

图4所示为本发明的实施例3。如图4所示，该实施例省略了第一电流通路1，整个直流断路器仅由第二电流通路2，第三电流通路3和第四电流通路4组成，对故障电流的关断速度更快，但是同时也增加了系统正常运行时的导通损耗。

实施例4

图5所示为本发明的实施例4。如图5所示，第一电流通路第一引出端子与第二电流通路第一引出端子之间加入了阻断电力电子开关模块100。阻断电力电子开关模块100由全控型器件和避雷器并联组成，第一电流通路1的电力电子开关模块12采用半控型器件，第三电流通路3仅包括电容模块C1，当直流输电线路出现短路故障时，阻断电力电子开关模块100导通，第二电流通路半控型器件模块21也收到导通信号，之后第三电流通路电容模块C1放电，第一电流通路1被迅速转换至第三电流通路3，第一电流通路电力电子开关模块12电流过零自然关断，当第三电流通路电容模块C1进入反向充电过程时，第二电流通路半控型器件模块21满足导通条件导通，电流流经阻断电力电子模块100和第二电流通路2，延时至第一电流通路1的机械开关模块11开断后，阻断电力电子开关模块100内的全控型器件组收到关断信号，故障电流转换至阻断电力电子开关模块100的避雷器通路，并迅速降低至零。

在本实施例中，所述的阻断电力电子开关模块100也可以采用全控型器件和半控型器件串联的方式，第一电流通路电力电子开关模块12可以采用全控型器件或全控型器件与半控型器件串联的方式，第二电流通路2可以只包括半控型器件模块，也可只包括全控型器件模块，也可由两者串联组成。上述各种组成方式可自由组合，控制方法略微不同。

实施例5

图6作为本发明的另一适用于双极性柔性直流输电场合的实施例。如图6所示，第一断路器60的第一引出端子61与双极输电线路的正极连接，第一断路器60的第二引出端子62与模拟短路电阻一端连接。第二断路器65的第一引出端子63与双极输电线路的负极连接，第二断路器65的第二引出端子64与模拟短路电阻的另一端连接。

Claims (10)

1.一种直流断路器拓扑电路，其特征在于：所述的直流断路器由第一电流通路(1)、第二电流通路(2)、第三电流通路(3)和第四电流通路(4)组成；第四电流通路(4)的第一引出端子，第三电流通路(3)的第一引出端子，第二电流通路(2)的第一引出端子和第一电流通路(1)的第一引出端子连接在一起，作为直流断路器的第一引出端子(5)与直流输电线的一端连接；第四电流通路(4)的第二引出端子，第三电流通路(3)的第二引出端子，第二电流通路(2)的第二引出端子和第一电流通路(1)的第二引出端子连接在一起，作为直流断路器的第二引出端子(6)与直流输电线的另一端连接；

所述的第一电流通路(1)由电力电子开关模块(12)和机械开关模块(11)组成；电力电子开关模块(12)的一端与机械开关模块(11)的一端连接，电力电子开关模块(12)的另一端作为第一电流通路(1)的第二引出端子；

所述的第二电流通路(2)包括半控型器件模块(21)和全控型器件模块(22)，半控型器件模块(21)的阳极作为第二电流通路(2)的第一引出端子，半控型器件模块(21)的阴极与全控型器件模块(22)的一端(23)连接；全控型器件模块(22)另一端作为第二电流通路(2)的第二引出端子；

所述的第三电流通路(3)由电容模块(C1)组成，所述的电容模块(C1)由至少一个电容单元串联或并联组成；

所述的第四电流通路(4)由限压器件模块组成，所述的限压器件模块由至少一个的限压器件串联组成。

2.按照权利要求1所述的直流断路器拓扑电路，其特征在于：在直流输电线路正常运行时，第一电流通路的机械开关模块(11)为闭合状态，第一电流通路的电力电子开关模块(12)为导通状态；当检测到线路短路故障时，所述的第二电流通路半控型器件模块(21)和所述的第二电流通路全控型器件模块(22)收到导通信号，同时第一电流通路电力电子开关模块(12)迅速关断，阻断第一电流通路(1)的故障电流，机械开关模块(11)开始开断，故障电流迅速转移至第二电流通路(2)；当第一电流通路机械开关模块(1)两端触头开断到一定距离后，第二电流通路(2)的全控型器件模块(22)迅速关断，阻断流经第二电流通路(2)的故障电流，第二电流通路(2)的半控型器件模块(21)电流过零自然关断，故障电流转移至第三电流通路(3)，对第三电流通路的电容模块(C1)充电，当第三电流通路(3)的电容模块(C1)两端电压上升至第四电流通路限压器件模块限定值时，电流从第三电流通路(3)切换至第四电流通路(4)，此时由于电容模块(C1)两端电压处于比直流输电变流站高的值，使故障电流迅速下降至零。

3.按照权利要求1所述的直流断路器拓扑电路，其特征在于：所述的直流断路器第一引出端子与地之间并联限压器件(7)，所述的直流断路器第二引出端子与地之间并联限压器件(8)。

4.按照权利要求1所述的直流断路器拓扑电路，其特征在于：所述的第二电流通路半控型器件模块(21)由至少一个半控型器件串联组成，第二电流通路全控型器件模块(22)由至少一个全控型器件串联组成。

5.按照权利要求1所述的直流断路器拓扑电路，其特征在于：所述的第二电流通路半控型器件模块(21)由至少一个的反并联半控器件单元(24)串联组成，所述的第二电流通路全控型器件模块(22)由第二电流通路第一组全控型器件(25)和第二电流通路第二组全控型器件(26)反向串联组成；第一组全控型器件(25)和第二组全控型器件(26)均由至少一个的全控型器件同向串联组成；第一电流通路全控型器件模块由第一电流通路第一组全控型器件(15)和第一电流通路第二组全控型器件(16)组成。

6.按照权利要求1所述的直流断路器拓扑电路，其特征在于：所述的直流断路器仅包括第二电流通路(2)，第三电流通路(3)和第四电流通路(4)。

7.按照权利要求1所述的直流断路器拓扑电路，其特征在于：所述的第一电流通路仅包括机械开关模块(11)，第一电流通路电力电子开关(12)用导线代替。

8.按照权利要求1所述的直流断路器拓扑电路，其特征在于：所述的第二电流通路(2)仅包括全控型器件模块(22)。

9.按照权利要求1所述的直流断路器拓扑电路，其特征在于：所述的第二电流通路(2)仅包括半控型器件模块(21)；所述的第一电流通路第一引出端子和第二电流通路第一引出端子之间加入由全控型器件组成的阻断电力电子开关模块(100)。

10.按照权利要求9所述的直流断路器拓扑电路，其特征在于：所述的阻断电力电子模块(100)由半控型器件串联模块和全控型器件串联模块串联组成。