CN108766830A - 一种耦合式高压直流断路器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带耦合电抗器的新型机械式高压直流断路器，包括：主回路单元、充电换流单元、耗能单元、触发单元和吸能限压单元；吸能限压单元与主回路单元并联连接，充电换流单元与主回路单元并联连接；触发单元用于当系统发生故障后触发所述充电换流单元以及当重合闸时触发所述耗能单元；充电换流单元用于当发生故障时产生高频振荡的电流，与故障电流反向叠加形成过零点开断故障电流，并在第一次开断后对预充电电容充电用于重合闸后故障开断；吸能限压单元在开断结束后吸收电力系统感性元件中储能的能量，限制机械开关两端的电压；耗能单元用于当直流断路器重合闸时消耗换流电容的能量从而使机械开关上的合闸电流快速衰减至零。

Description

一种耦合式高压直流断路器

技术领域

本发明属于高压直流断路器领域，更具体地，涉及一种带耦合电抗器的新型机械式高压直流断路器。

背景技术

近年来，随着对能源需求的不断增长与可再生能源的快速发展，高压直流输电在国内外引起了广泛关注。由于直流输电具有输送能量大，输送距离远，损耗小等优点，因此在国内外电网中得到了大规模应用。传统的直流输电工程多为两端系统，仅能实现两点之间的能量传输，当使用直流输电向多个负荷中心送电或多个交流系统间采用直流互联时，需要建设多条直流输电线路，这将极大地增加投资成本和运行费用。而多端直流输电系统充分开发了高压直流输电技术的经济优点和技术优点，是一种更有吸引力的输电技术，满足我国电力工业的发展需要。除了具备两端直流输电的优点外，多端直流输电还有可实现多电源供电、多落点受电；可靠更高，更加灵活；可以分期建设，提高投资效益等优点。

由于多端直流输电网的直流侧阻抗很小，当直流侧发生短路故障时，故障电流会快速上升，如果不在短时间内及时切除故障，会导致换流侧交流断路器动作，换流阀组闭锁，影响整个系统的正常运行。而高压直流断路器可在短时间内快速切除故障电流及隔离故障点，保证系统的正常运行。因此，高压直流断路器构建可靠多端柔性直流电网的关键设备之一。

目前，国内外主要的直流断路器分类为机械式直流断路器、混合式直流断路器和全固态式直流断路器。全固态式高压直流断路器主要由电力电子器件构成，应用于高压直流电网时，串联器件个数过多导致控制单元复杂、造价昂贵、通态损耗大，因此目前高压直流断路器的研制重点以机械式高压直流断路器和混合式高压直流断路器为主，而对于混合式高压直流断路器，由于其通流、耐压元件为电力电子固态开关，成本高、通态损耗大，对控制要求也很严格；而传统机械式高压直流断路器，若采用高压球隙为换流支路控制开关，其导通时的电火花会对周围油绝缘设备构成威胁，若采用晶闸管作为换流支路控制开关，在开断过程中晶闸管需耐受较高的恢复电压，成本也会较高。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种耦合式高压直流断路器，在满足直流系统对高压直流断路器本身动作迅速、开断大电流、小电流和承受高电压的基础上，解决了现有的高压直流断路器成本高、晶闸管耐受电压高的问题；对于耦合型高压直流断路器，在开断后线路电流将会转移至换流支路，产生小电流续流的问题，而本发明中的耦合式高压直流断路器能够很好的解决此问题，同时所提出的耦合式高压直流断路器具有双向重合闸开断的功能，可满足不同直流系统的需求。

本发明提供了一种耦合式高压直流断路器，包括：主回路单元、充电换流单元、耗能单元、触发单元和吸能限压单元；主回路单元用于串联接入直流系统中，所述吸能限压单元与主回路单元并联连接，所述充电换流单元与所述主回路单元并联连接；所述触发单元的第一输出端与所述充电换流单元连接，所述触发单元的第二输出端与耗能单元连接，所述触发单元用于当系统发生故障后触发所述充电换流单元，以及当重合闸时触发所述耗能单元；所述充电换流单元用于当发生故障时产生高频振荡的电流，与故障电流反向叠加形成过零点开断故障电流，并在第一次开断后对预充电电容充电用于重合闸后故障开断；所述吸能限压单元用于在开断结束后吸收电力系统感性元件中储能的能量，限制机械开关两端的电压；所述耗能单元还与所述充电换流单元连接，所述耗能单元用于当直流断路器重合闸时消耗换流电容的能量从而使机械开关上的合闸电流快速衰减至零。

更进一步地，所述主回路单元为可燃弧且在电流过零时可熄弧的机械式开关。

更进一步地，所述充电换流单元包括：预充电电容C11、晶闸管SCR1、储能电容C12、充电电阻R1、耦合电抗器、换流电容C2、机械开关CB2和避雷器MOV2；所述预充电电容C11的一端与所述耦合电抗器原边L1的一端连接，所述预充电电容C11的另一端与所述晶闸管SCR1的一端连接；所述晶闸管SCR1的另一端与所述耦合电抗器原边L1的另一端连接，所述储能电容C12与所述充电电阻R1串联后与所述预充电电容C11并联；所述换流电容C2的一端与所述耦合电抗器副边L2的一端连接，所述换流电容C2的另一端连接至所述机械开关CB2的一端，所述避雷器MOV2与所述机械开关CB2并联，所述耦合电抗器副边L2的另一端和所述机械开关CB2的另一端分别连接至所述主回路单元的两端。

更进一步地，所述耗能单元包括：串联连接的耗能电阻R2和晶闸管SCR2，耗能电阻R2的非串联连接端接地，晶闸管SCR2的非串联连接端分别与所述充电换流单元和所述触发单元连接。

更进一步地，所述吸能限压单元包括：氧化锌避雷器，其两端分别连接在所述主回路单元的两端。

其中，当系统正常工作时，机械开关CB闭合，系统电流通过所述机械开关CB流向负载，其通态损耗较小；当系统发生短路故障时，由于所采用的开断单元只具备电流过零开断的能力，因此开断故障电流时，所述机械开关CB触头打开并燃弧，在所述机械开关CB的触头开距达到额定开距，能够耐受开断后的恢复电压后，所述触发单元触发所述晶闸管SCR1，导通所述充电换流单元，所述预充电电容C11与所述耦合电抗器原边电感L1振荡，通过所述耦合电抗器使所述耦合电抗器副边电感L2与所述换流电容C2产生反向振荡电流，且振荡电流幅值超过系统最大故障电流幅值，从而使所述机械开关CB产生过零点熄弧，开断故障电流；在所述机械开关CB过零熄弧后，线路电流转移至所述耦合电抗器副边电感L2与所述换流电容C2串联构成的换流支路，从而所述换流电容C2的电压逐渐上升，并施加在所述机械开关CB两端，在电压幅值上升至所述吸能限压单元的动作电压时，所述吸能限压单元避雷动作，吸收线路中的感性能量，对所述机械开关限压保护，同时线路电流开始下降。

若线路故障为接地故障，故障电流幅值较大，则在开断后线路电流通过所述耦合电抗器副边电感L2、换流电容C2振荡，衰减速度较慢；若线路故障为高电阻接地故障，故障电流幅值较小，则在开断后换流支路处于过阻尼状态，线路电流下降过程中会有一个较长的拖尾，这将难以满足系统要求。因此在开断结束，线路电流下降至零附近时，所述触发单元再一次触发所述晶闸管SCR1，使换流支路产生振荡电流，从而所述机械开关CB2在过零点时断开换流支路电流，而所述避雷器MOV2起到限制所述机械开关CB2两端电压的作用。

在第一次开断结束后，所述预充电电容C11两端的电压会有较多衰减，所述储能电容C12通过所述充电电阻R1向所述预充电电容充电，使其能够满足第二次开断。

由于在第一次开断后，所述换流电容C2电压与系统电压一致，重合闸时所述换流电容C2与所述耦合电抗器副边L2振荡产生频率和幅值较高的振荡电流，影响第二次开断故障电流；因此，在进行重合闸操作时，首先导通所述晶闸管SCR2，使所述机械开关上产生的高频振荡电流通过所述耗能电阻R2释放，从而所述机械开关电流快速衰减至零。

本发明具有以下优点：

(1)采用晶闸管触发单元，无弧触发，不对周围油绝缘设备构成威胁，保障了系统运行安全；同时将晶闸管置于低压侧，显著降低了触发单元的电压等级以及驱动控制的难度；预充电电容C11位于低压侧，预充电电压等级较低，对地无绝缘要求，从而对带电部分的绝缘耐压要求较低，并解决了高电位、多电位充电的难题；高压侧换流电容C2在正常运行状态下不带电，无长期通流耐压的需求，因此使电容器的成本及体积有较大降低，提升了其开断可靠性，降低了直流断路器的成本。

(2)本发明中高压直流断路器的换流支路串联换流支路机械开关，并在其两端并联避雷器。对比传统耦合型机械直流断路器，该拓扑在开断结束之后可再次触发晶闸管使换流支路机械开关产生过零点，从而开断换流支路电流，使线路电流快速衰减至零。同时，通过在换流支路机械开关两端并联避雷器，限制其两端电压，进一步降低其成本。

(3)该耦合式高压直流断路器拓扑，通过在耦合电抗器原边两端并联耗能电阻，可以在重合闸时使机械开关上的电流快速衰减至零，避免重合闸电流对第二次开断造成负面影响。

(4)在预充电电容两端并联储能电容，并串联充电电阻控制充电时间。当该拓扑应用于电压等级较高的场合时，第一次开断后预充电电容会损失较多能量，而在要求的时间内进行第二次开断时，若采用变压器对预充电电容充电，则要求变压器的功率极大，这对设备的安全性提出了较高的要求。而通过在预充电电容两端并联储能电容，可以保证安全、快速地充电至要求值，完成第二次开断。

附图说明

图1为本发明提供的一种耦合式高压直流断路器的原理框图；

图2为本发明提供的一种耦合式高压直流断路器的具体结构框图；

图3为本发明提供的耦合式高压直流断路器重合闸开断故障电流时的波形图；

图4为本发明提供的耦合式高压直流断路器开断小电流时的波形图；

图5为本发明提供的耦合式高压直流断路器重合闸开断过程中预充电电容的电压波形图。

其中，1为主回路单元，2为充电换流单元，3为耗能单元，4为触发单元，5为吸能限压单元；CB为机械开关，C11为预充电电容，C12为储能电容，R1为充电电阻，SCR1、SCR2为可触发晶闸管，L1为耦合电抗器原边，L2为耦合电抗器副边，C2为换流回路电容，CB2为换流支路机械开关，MOV1、MOV2为避雷器。图3、图4中x轴为时间t，单位s；y轴为电流幅值，单位kA；虚线代表机械开关CB断口电流，实线代表线路电流。图5中x轴为时间t，单位s；y轴为电压幅值，单位kV；实线代表预充电电容C11的电压，虚线代表储能电容C12的电压。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的目的是提供一种耦合式高压直流断路器，在满足直流系统对高压直流断路器本身动作迅速、开断大电流和承受高电压的基础上，通过耦合电抗器将触发晶闸管、预充电电容置于低压侧，降低了设备成本，提高了开断的可靠性。同时，本发明还具有双向重合闸开断的功能，并且在开断结束后限制线路电流的幅值，满足不同系统的需求。

图1为本发明提供的一种耦合式高压直流断路器的原理框图，图2为本发明提供的一种耦合式高压直流断路器的具体结构框图。本发明提供的耦合式高压直流断路器包括：主回路单元1、充电换流单元2、耗能单元3、触发单元4和吸能限压单元5；其中，主回路单元1串联接入直流系统中，充电换流单元2和吸能限压单元5与主回路单元1并联，触发单元4分别与充电换流单元2和耗能单元3并联；其中，主回路单元1为机械开关CB，机械开关CB为可燃弧且在电流过零点可熄弧的开断。充电换流单元2包括预充电电容C11、储能电容C12、充电电阻R1、晶闸管SCR1、耦合电抗器、换流电容C2、换流支路机械开关CB2、避雷器MOV2，其中预充电电容C11、晶闸管SCR1和耦合电抗器原边电感L1串联连接，储能电容C12与充电电阻R1串联，两者并联在预充电电容C11两端，用于第一次开断后向预充电电容C11充电；换流电容C2与耦合电抗器副边L2、换流支路机械开关CB2串联，避雷器MOV2并联在换流支路机械开关CB2两端，限制其两端电压。耗能单元3包括晶闸管SCR2和耗能电阻R2，二者与耦合电抗器原边电感L1串联连接，用于直流断路器重合闸时消耗换流电容的能量从而使机械开关上的合闸电流快速衰减至零。触发单元4的输出端与充电换流单元2和耗能单元3的控制端连接，当电力系统出现故障时，触发单元4用于产生触发信号使充电换流单元2触发导通并产生振荡电流与故障电流叠加产生过零点；在重合闸时，触发单元4触发耗能单元3使耗能单元3吸收能量并加快机械开关电流的衰减速度。吸能限压单元5为氧化锌避雷器，用于限制主回路单元机械开关CB两端的电压。

在本发明实例中，主回路单元1的主要功能是由机械开关CB在电流过零点开断故障电流；充电换流单元2的主要功能有三点：①预充电电容C11与耦合电抗器L1产生高频振荡电流，通过耦合电抗器在换流支路产生振荡电流，叠加在机械开关CB上，人工制造过零点使机械开关CB开断；②在开断结束、线路电流下降至零附近时，再次触发晶闸管SCR1，使换流支路产生振荡电流，换流支路机械开关CB2断开，从而开断换流支路电流，使线路电流快速下降至零；③在第一次开断之后，储能电容C12通过充电电阻R1向预充电电容C11充电，使其电压满足第二次开断需求；耗能单元3的作用为，在重合闸操作时，消耗换流电容C2中的能量，使合闸电流快速衰减至零，避免对第二次开断过程的影响；吸能限压单元5的主要功能是用于吸收故障电流被切断后直流系统中感性元件存储的能量来实现对机械开关CB的限压保护；触发单元4的主要功能是用于系统故障后触发充电换流单元使其导通，在重合闸时触发耗能单元吸收能量。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的耦合式高压直流断路器，现详述其工作过程如下：

系统正常工作时，机械开关CB处于合闸状态，系统电流通过机械开关CB流向负载，通态损耗较小。

当系统发生故障时，由于所采用的开断单元为成熟的交流开断单元，只具备电流过零开断能力，因此开断故障电流时，机械开关CB的触头分开并燃弧。

在机械开关CB的触头达到额定开距后，触发单元发出信号，使原边晶闸管SCR1触发导通，预充电电容C11与耦合电抗器原边L1产生高频振荡电流，从而耦合电抗器副边L2与换流电容C2也会产生一个高频振荡的电流，且幅值超过系统故障电流幅值。此电流与故障电流叠加，使机械开关CB产生过零点，是机械开关CB熄弧并开断故障电流。在机械开关CB熄弧后，线路电流转移至耦合电抗器副边L2与换流电容C2构成的换流支路，换流电容C2的恢复电压逐渐上升，在恢复电压幅值达到吸能限压单元避雷器的动作电压时，吸能限压单元避雷器MOV1动作，吸收系统中感性元件的能量，从而对机械开关CB限压保护。

在吸能限压单元5中的避雷器MOV1动作之后，线路电流开始下降。由于线路中阻抗较小，因此电流衰减至零附近时衰减速度会很慢。此时，再一次触发晶闸管SCR1，使换流支路产生较小的振荡电流，从而换流支路机械开关CB2产生过零点，开断换流支路电流，线路电流快速衰减至零，完成第一次的故障开断。换流支路避雷器MOV2用于限制换流支路机械开关CB2两端的电压。

在第一次开断之后，预充电电容C11的能量会有较大的消耗，储能电容C12通过充电电阻R1向预充电电容C11充电，使其能量能够满足第二次开断的需求。

之后，进行重合闸操作。在第一次开断结束前，直流系统会通过换流电容C2、耦合电抗器副边电感L2对换流电容C2进行充电。在重合闸时，换流电容C2的能量会通过耦合电抗器副边L2、机械开关CB释放，产生高频振荡且衰减较慢的电流。因此，在耦合电抗器原边电感L2两端并联耗能电阻R2，在重合闸时导通晶闸管SCR2，通过耗能电阻R2消耗换流电容上的能量，使重合闸电流快速衰减为零。

在重合闸之后，第二次故障电流的开断过程如前所述，不多做赘述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明涉及一种耦合式高压直流断路器，具备双向开断额定小电流和极间短路大电流以及重合闸的功能，在开断后可使线路电流快速衰减至零，满足不同系统的需求。为了更进一步的说明本发明实施例提供的耦合式高压直流断路器，现结合附图和具体实例详述如下：

图3为耦合式高压直流断路器重合闸开断25kA大电流时的电流波形，

图4为本发明提供的高压直流断路器开断100A小电流时的电流波形图，其中x轴为时间t，单位s；y轴为电流幅值，单位kA；实线代表线路电流，虚线代表机械开关电流。图5为本发明提供的直流断路器在开断过程中预充电电容的波形图，其中x轴为时间t，单位s；y轴为电压幅值，单位kV；实线代表预充电电容C11的电压，虚线代表储能电容C12的电压。

对于图3重合闸开断25kA故障电流时，在t1时晶闸管SCR1动作，开断故障电流，机械开关CB的电流迅速到零；之后电流转移至换流支路，向换流电容C2充电，换流电容C2的电压加在机械开关CB两端，当机械开关CB的电压达到吸能限压单元MOV的动作电压时，避雷器MOV动作吸收系统中感性元件的能量，线路电流缓慢下降至零，并持续振荡；在t2时再一次导通晶闸管SCR1，换流支路产生振荡电流，换流支路机械开关CB2开断换流支路电流，线路电流快速衰减为零；在t3时，断路器进行重合闸操作，此时导通晶闸管SCR2，通过耗能电阻R2使换流电容C2的能量快速消耗，机械开关合闸电流快速衰减至零。之后按照前述的开断原理进行重合闸第二次开断。

图4为开断100A小电流的波形图，在t1时晶闸管SCR1动作，原边振荡电流通过耦合电抗器使换流支路也产生振荡电流，叠加在机械开关CB上产生过零点熄弧，线路电流将通过平波电抗器L0、换流电容C2以及耦合电抗器副边电感L2至负载，由于负载等效阻抗较大，换流支路处于二阶电路的过阻尼状态，线路电流按指数规律缓慢衰减至零，有一个较长的拖尾过程。在t2时再一次触发晶闸管SCR1，换流支路产生振荡电流，换流支路机械开关CB2产生过零点，开断换流支路电流，线路电流迅速下降，快速衰减至零。

图5为开断过程中的预充电电容C11和储能电容C12的电压波形。由图可知，在第一次开断后，预充电电容C11的电压由预充电的150kV迅速降为65kV左右，这将难以满足第二次开断需求。因此，储能电容C12通过充电电阻R2向预充电电容C11充电，最终两者电压相等为100kV，可以满足第二次开断需求。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种耦合式高压直流断路器，其特征在于，包括：主回路单元(1)、充电换流单元(2)、耗能单元(3)、触发单元(4)和吸能限压单元(5)；

所述主回路单元(1)用于串联接入直流系统中，所述吸能限压单元(5)与所述主回路单元(1)并联连接，所述充电换流单元(2)与所述主回路单元(1)并联连接；

所述触发单元(4)的第一输出端与所述充电换流单元(2)连接，所述触发单元(4)的第二输出端与耗能单元(3)连接，所述触发单元(4)用于当系统发生故障后触发所述充电换流单元(2)，以及当重合闸时触发所述耗能单元(3)；

所述充电换流单元(2)用于当发生故障时产生高频振荡的电流，与故障电流反向叠加形成过零点开断故障电流，并在第一次开断后对预充电电容充电用于重合闸后故障开断；

所述吸能限压单元(5)用于在开断结束后吸收电力系统感性元件中储能的能量，限制机械开关两端的电压；

所述耗能单元(3)还与所述充电换流单元(2)连接，所述耗能单元(3)用于当直流断路器重合闸时消耗换流电容的能量从而使机械开关上的合闸电流快速衰减至零。

2.如权利要求1所述的耦合式高压直流断路器，其特征在于，所述主回路单元(1)为可燃弧且在电流过零时可熄弧的机械式开关。

3.如权利要求1或2所述的耦合式高压直流断路器，其特征在于，所述充电换流单元(2)包括：预充电电容C11、晶闸管SCR1、储能电容C12、充电电阻R1、耦合电抗器、换流电容C2、机械开关CB2和避雷器MOV2；

所述预充电电容C11的一端与所述耦合电抗器原边L1的一端连接，所述预充电电容C11的另一端与所述晶闸管SCR1的一端连接；所述晶闸管SCR1的另一端与所述耦合电抗器原边L1的另一端连接，所述储能电容C12与所述充电电阻R1串联后与所述预充电电容C11并联；

所述换流电容C2的一端与所述耦合电抗器副边L2的一端连接，所述换流电容C2的另一端连接至所述机械开关CB2的一端，所述避雷器MOV2与所述机械开关CB2并联，所述耦合电抗器副边L2的另一端和所述机械开关CB2的另一端分别连接至所述主回路单元(1)的两端。

4.如权利要求1-3任一项所述的耦合式高压直流断路器，其特征在于，所述耗能单元(3)包括：串联连接的耗能电阻R2和晶闸管SCR2，耗能电阻R2的非串联连接端接地，晶闸管SCR2的非串联连接端分别与所述充电换流单元(2)和所述触发单元(4)连接。

5.如权利要求1-4任一项所述的耦合式高压直流断路器，其特征在于，所述吸能限压单元(5)包括：氧化锌避雷器，其两端分别连接在所述主回路单元(1)的两端。

6.如权利要求1-5任一项所述的耦合式高压直流断路器，其特征在于，当系统正常工作时，机械开关CB闭合，系统电流通过所述机械开关CB流向负载，其通态损耗较小；

当系统发生短路故障时，机械开关CB触头打开并燃弧，在所述机械开关CB的触头开距达到额定开距，能够耐受开断后的恢复电压后，所述触发单元触发所述晶闸管SCR1，导通所述充电换流单元，所述预充电电容C11与所述耦合电抗器原边电感L1振荡，通过所述耦合电抗器使所述耦合电抗器副边电感L2与所述换流电容C2产生反向振荡电流，且振荡电流幅值超过系统最大故障电流幅值，从而使所述机械开关CB产生过零点熄弧，开断故障电流；

在所述机械开关CB过零熄弧后，线路电流转移至所述耦合电抗器副边电感L2与所述换流电容C2串联构成的换流支路，从而所述换流电容C2的电压逐渐上升，并施加在所述机械开关CB两端，在电压幅值上升至所述吸能限压单元的动作电压时，所述吸能限压单元避雷动作，吸收线路中的感性能量，对所述机械开关限压保护，同时线路电流开始下降。

7.如权利要求1-6任一项所述的耦合式高压直流断路器，其特征在于，当线路故障为接地故障时，开断后线路电流通过所述耦合电抗器副边电感L2、换流电容C2振荡，衰减速度较慢；

当线路故障为高电阻接地故障时，开断后换流支路处于过阻尼状态，线路电流下降过程中会有一个较长的拖尾，当线路电流下降至零附近时，所述触发单元再一次触发所述晶闸管SCR1，使换流支路产生振荡电流，使得所述机械开关CB2在过零点时断开换流支路电流。

8.如权利要求1-7任一项所述的耦合式高压直流断路器，其特征在于，在第一次开断结束后，所述预充电电容C11两端的电压会衰减，所述储能电容C12通过所述充电电阻R1向所述预充电电容充电使其能够满足第二次开断。

9.如权利要求1-8任一项所述的耦合式高压直流断路器，其特征在于，在进行重合闸操作时，导通所述晶闸管SCR2，使所述机械开关上产生的高频振荡电流通过所述耗能电阻R2释放，从而使得所述机械开关电流快速衰减至零。