一种使线路电流分断的装置及其控制方法
【专利摘要】本发明公开一种使线路电流分断的装置，包括单向直流断路器；还包括桥式支路，所述桥式支路包括由4条完全相同的换向支路构成的两条桥臂，所述4条换向支路两两一组同向串联，所形成的两条桥臂再进行并联，所述各换向支路均包括至少一个第一功率半导体器件的同向串联连接；所述桥式支路的两条桥臂均与单向直流断路器并联，且线路的两端分别连接桥式支路两桥臂的桥臂中点。此装置能够在保证足够快的分断速度和低损耗的前提下，大大降低装置的成本，减小装置器件布局、安装及布线的难度。本发明还公开一种使线路电流分断的装置的控制方法。
【专利说明】一种使线路电流分断的装置及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种使流经线路的电流分断的装置，以及一种控制该装置的方法。
【背景技术】
[0002]在多端直流输电系统中，高压直流断路器是至关重要的设备之一。多端高压直流输电系统由于电压等级高、线路阻抗小，一旦发生线路短路故障，将很快影响到直流输电网络和交流网络，必须迅速切除故障。因此，高压直流断路器需要动作速度快，能够最大限度地减小故障持续时间或抑制故障电流，减小故障对交/直流输电网络的冲击。由于高压直流断路器串联于输电线路，输电线路中潮流方向不确定，电流可能存在两个方向，因此要求断路器能够分断两个方向的直流电流。
[0003]中国专利申请CN 102780200A采用传统高压直流断路器分断直流电流，传统高压直流断路器的结构由3部分构成:交流断路器、LC振荡回路和耗能元件。交流断路器分开后产生电弧，电弧电压与LC振荡回路发生谐振，当振荡电流峰值达到直流电流幅值时可完全抵消直流电流，使断路器端口出现过零点，促使电弧熄灭，实现关断直流电流的目的。这种分断方式不包括功率半导体器件，没有方向性，因此，可以分断两个方向的电流，且正常工作时损耗很小。但是，传统高压直流断路器灭弧时间较长，约几十毫秒，无法满足快速隔离多端直流输电系统故障的需求。
[0004]为满足快速隔离直流故障电流并且保持较高的输电效率，中国专利申请CN102687221A公开了一种使输电线路或配电线路的电流短路的装置和方法以及限流布置，包括主断路器、高速开关、辅助断路器和非线性电阻耗能元件。正常工作模式下，线路电流流过辅助回路，通态损耗小；故障模式下，电流换至主断路器，最终由耗能元件吸收分断能力。
[0005]该高压直流断路装置关断故障电流后主断路器承受数百kV电压，仅在一个电流方向上功率半导体器件串联数目就已达到数百只。由于功率半导体器件只能单方向导通，为了实现在两个电流方向上都能够关断故障电流，该高压直流断路装置中的主断路器基本串联单元采用了两个功率半导体器件反串联或反并联结构，主断路器的功率半导体器件数量增加了一倍，在第一电流方向分断时，第二电流方向的功率半导体器件对分断电流或承受电压没有有益作用，相当于主断路器功率半导体器件的利用率只有50%。由于功率半导体器件的成本在该装置总成本中占有很大的比例，因此为了实现双向电流的分断功能，大大增加了装置的成本。主断路器中第二电流方向的功率半导体器件的增加不但不会产生有益作用，第二电流方向的功率半导体器件反而会受到在第一电流方向关断时产生的过压和过流的不利影响。如果第二电流方向的功率半导体器件与第一电流方向的功率半导体器件采用反向并联的方式连接，在第一电流方向关断时的过电压将施加在第二电流方向的功率半导体器件上，该电压对于第二电流方向的功率半导体器件来说是反向电压，会对器件造成损伤；如果采用第二电流方向的带反并联二极管的功率半导体器件与第一电流方向的带反并联二极管的功率半导体器件采用反向串联的方式连接，在第一电流方向关断过程中产生的很高的突变电流将流过第二电流方向的功率半导体器件中的续流二极管，会对器件的寿命造成不利影响。
[0006]增加的第二电流方向的功率半导体器件也会对主断路器的结构设计及电气设计造成不利的影响，第一电流方向的功率半导体器件的布置方向是一致的，使得电气设计及结构设计具有一致性。第二电流方向的功率半导体器件的增加破坏了原有布置方向的一致性，导致对器件布局，安装，布线的难度增加。
【发明内容】
[0007]本发明的目的，在于提供一种使线路电流分断的装置及其控制方法，在保证足够快的分断速度和低损耗的前提下，大大降低装置的成本，减小装置器件布局、安装及布线的难度。
[0008]为了达成上述目的，本发明采用的解决方案是:
[0009]一种使线路电流分断的装置，包括单向直流断路器；还包括桥式支路，所述桥式支路包括由4条完全相同的换向支路构成的两条桥臂，所述4条换向支路两两一组同向串联，所形成的两条桥臂再进行并联，所述各换向支路均包括至少一个第一功率半导体器件的同向串联连接；所述桥式支路的两条桥臂均与单向直流断路器并联，且线路的两端分别连接桥式支路两桥臂的桥臂中点。
[0010]上述各换向支路还包含至少一个高速隔离开关，所述高速隔离开关串联在换向支路的干路中。
[0011]上述各换向支路中的各第一功率半导体器件均并联有与其相同的第三功率半导体器件。
[0012]上述各换向支路中的各第一功率半导体器件均反向并联有一具有开通关断能力的第四功率半导体器件。
[0013]上述各换向支路均包括与前述第一功率半导体器件数量及型号相同的第五功率半导体器件，所述第五功率半导体器件同向串联后，与前述串联后的第一功率半导体器件进行同向并联。
[0014]上述单向直流断路器包括相互并联连接的主断路器和非线性电阻，所述主断路器包括至少一个同向串联的第二功率半导体器件，并使所述第二功率半导体开关的开通方向与线路电流由桥臂中点进入并流经任一换向支路后的流向一致。
[0015]上述主断路器中的各第二功率半导体器件均并联有与其相同的第六功率半导体器件。
[0016]上述主断路器还包括与前述第二功率半导体器件数量及型号相同的第七功率半导体器件，所述第七功率半导体器件同向串联后，与前述串联后的第二功率半导体器件进行同向并联。
[0017]上述单向直流断路器还包括一条与前述主断路器、非线性电阻均并联连接的支路，该支路包括相互串联连接的高速开关和辅助断路器，其中，高速开关包括至少一个相互串联的高速隔离开关，辅助断路器包括至少一个同向串联的第八功率半导体器件，且该第八功率半导体器件的方向与第二功率半导体器件的方向相同。
[0018]一种使线路电流分断的装置的控制方法，所述装置以桥式支路中两桥臂的桥臂中点串联连接到线路的电流通路；闭合装置中的单向直流断路器，闭合桥式支路中的高速隔离开关和第一功率半导体器件，所述方法包括如下步骤:
[0019]-如果接收到所述单向直流断路器的断开信号，确定与电流输入端所连接的桥臂上与该电流输入端直接或间接连接的阴极的第一功率半导体器件，断开该第一功率半导体器件所在换向支路的高速隔离开关；确定与电流输出端所连接的桥臂上与该电流输出端直接或间接连接的阳极的第一功率半导体器件，断开该第一功率半导体器件所在换向支路的闻速隔尚开关；
[0020]一此后，断开所述单向直流断路器；
[0021]一将处于闭合状态的高速隔离开关断开，完成整个分断过程。
[0022]采用上述方案后，本发明具有以下特点:
[0023]一与传统高压直流断路器相比，本发明分断速度较快，采用功率半导体器件作为分断电流执行单元，速度很快，通常功率半导体器件的分断速度仅需几十微秒，可以忽略不计，装置的总分断时间主要在于高速隔离开关的分断时间，目前，高速隔离开关的分断速度可达I 一 3ms，可以预测，本发明的总分断时间在3 — 5ms左右，比传统高压直流断路器的分断速度快得多；
[0024]一仅需较小的成本即可实现双向电流的分断:本发明中的单向直流断路器可使用同一个电流方向的功率开关器件串联组成，通过电流换向支路使得线路中的双向电流流过单向直流断路器为同一方向。当线路电流为第一电流方向时，电流换向支路(A，D)与第一电流方向一致，电流换向支路(B, C)中的功率半导体器件与第一电流方向相反,处于反向截止状态，流过单向直流断路器的方向为从节点(I)到节点(2);当线路电流为第二电流方向时，电流换向支路(B，C)与第二电流方向一致，电流换向支路(A，D)中的功率半导体器件与第二电流方向相反，处于反向截止状态。流过单向直流断路器的方向始终为从节点(I)到节点(2)。
[0025]由此可见，当线路电流方向不同时，流过单向直流断路器的电流方向是一致的。电流换向支路一共包括少量的功率半导体器件和四组高速隔离开关，功率半导体器件数量很少，成本很低，高速隔离开关只是在无电流状态下分开，无需灭弧，仅起到隔断电压的作用，成本较低。总体成本与专利CN 102687221A相比成本大大减小，提高了装置中的功率半导体器件的利用效率，同时避免了专利CN 102687221A实现双向功能的缺陷。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是本发明装置的连接示意图；
[0027]图2是第一电流方向与功率半导体器件的方向对应关系图；
[0028]图3是第二电流方向与功率半导体器件的方向对应关系图；
[0029]图4是本发明中电流换向支路的第一实施结构连接图；
[0030]图5是本发明中电流换向支路的第二实施结构连接图；
[0031]图6是本发明中电流换向支路的第三实施结构连接图。
【具体实施方式】
[0032]如图1所示，本发明一种使线路44电流分断的装置20，包括相互并联的单向直流断路器10和桥式支路，两个并接点分别是节点I和节点2，下面分别介绍。[0033]单向直流断路器10包括相互并联连接的主断路器9和非线性电阻13，其中，主断路器9包括至少一个同向串联的功率半导体器件5，并使所述功率半导体器件5的方向与从节点I流向节点2的电流方向一致；所述单向直流断路器10还包括一条与前述主断路器9、非线性电阻13均并联连接的支路，该支路包括相互串联连接的高速开关11和辅助断路器12，其中，高速开关11包括至少一个相互串联的高速隔离开关，辅助断路器12包括至少一个相互同向串联的功率半导体器件，且该功率半导体器件的方向与从节点I流向节点2的电流方向一致，所述辅助断路器12的导通电阻比主断路器9小。
[0034]桥式支路包括由4条完全相同的换向支路A、B、C、D所构成的两条桥臂，具体连接关系是:换向支路A、B同向串联，组成一条桥臂，换向支路C、D同向串联，组成另一条桥臂，所述两条桥臂再进行并联；线路44的一端连接换向支路A、B构成的桥臂中点3，所述线路44的另一端连接换向支路C、D构成的桥臂中点4。
[0035]各换向支路均包括有同向串联的至少一个功率半导体器件7，如图6所示，此种结构不需使用高速隔离开关，但功率半导体器件7的串联连接要求能够承受很高的电压，需要很多数量的器件串联。
[0036]所述换向支路还可串联至少一个高速隔离开关6，如图4所示，所述高速隔离开关6的作用是隔断电压。在单向直流断路器10分断后，会在节点I和节点2之间产生很高的分断电压，该电压施加到桥式支路，高速隔离开关6可承受很高的分断电压，使换向支路A、
B、C、D中的功率半导体器件7承受很小的分断电压即可，只需很少数量器件串联，这种方式更节省装置成本。
[0037]如图5所示，是换向支路的再一种实施结构，在图4所示结构的基础上，各功率半导体器件7均反向并联一个具有开通关断能力的功率半导体器件8。
[0038]需要说明的是，所述单向直流断路器10中的主断路器9，其结构除了由多个功率半导体器件5同向串联外，还可采用以下两种连接结构:(I)包括偶数个功率半导体器件，所述功率半导体器件两个一组同向并联，然后再同向串联；(2)包括偶数个功率半导体器件，均分为两组，每一组均同向串联，这两组再进行同向并联。采用以上连接结构，可将单向直流断路器10的承受电流能力提高一倍。
[0039]所述各换向支路中的功率半导体器件7除了前述的同向串联外，还可采用以下两种连接结构:(I)包括偶数个功率半导体器件，所述功率半导体器件两个一组同向并联，然后再同向串联；(2)包括偶数个功率半导体器件，均分为两组，每一组均同向串联，这两组再进行同向并联。采用以上连接结构，可将单向直流断路器10的承受电流能力提高一倍。
[0040]本发明还提供一种针对前述装置20的控制方法，所述的装置20串联连接到线路44的电流通路，其中所述装置20中的单向直流断路器10闭合，电流换向支路A、B、C、D的高速隔离开关6 (如果没有可省略其控制，下同)和功率半导体器件7闭合，所述控制方法包括下列步骤:
[0041]一如果接收到所述单向直流断路器10的断开信号，判断线路44的电流方向，如果为第一电流方向14，同时断开换向支路B、C的高速隔离开关6 ；
[0042]当为第一电流方向14时，如图2所示，换向支路B、C会承受单向直流断路器10分断产生的高分断电压，因此，单向直流断路器10分断之前，务必将换向支路B、C的高速隔离开关6分开，以防止上述支路的功率半导体器件7承受高分断电压而损坏；而换向支路A、D与单向直流断路器10是串联连接关系，有分断电流流过，但不会承受高分断电压，应保持闭合状态。
[0043]如果为第二电流方向15，同时断开换向支路A、D的高速隔离开关6 ；
[0044]当为第二电流方向15时，如图3所示，换向支路A、D会承受单向直流断路器10分断产生的高分断电压，因此，单向直流断路器10分断之前，务必将换向支路A、D的高速隔离开关6分开，以防止上述支路的功率半导体器件7承受高分断电压而损坏；而换向支路B、C与单向直流断路器10是串联连接关系，有分断电流流过，但不会承受高分断电压，应保持闭合状态。
[0045]一此后，断开所述单向直流断路器10。
[0046]-确认线路电流降为零时，将换向支路A、B、C、D中处于闭合状态的高速隔离开关6断开，完成整个分断过程。
[0047]以下将结合具体实施例说明本发明的技术方案。
[0048]设计装置20能够分断±200kV高压直流输电线路的双向电流，电流分断能力为2kA。
[0049]如图1所示，分断该线路双向电流的装置20包括单向直流断路器10及电流换向支路A、B、C、D，其中单向直流断路器10包括相互并联连接的主断路器9和非线性电阻13，其中主断路器9在一个方向上至少包括一个功率半导体器件5。对于本实施例，其中主断路器9应至少能够承受400kV的分断电压，考虑一定裕量，按照分断600kV设计，选择两个
4.5kV/l.6kA的IGBT并联作为一个单元器件，考虑在关断时刻可能出现的电压不均，对器件的耐压设计要留有一定裕量，共需要200个单元器件串联，构成一个IGBT阀组，总器件数量为400。所有IGBT布置方向一致。
[0050]单向直流断路器10还包括相串联连接的高速开关11和辅助断路器12，高速开关11至少包括一个高速隔离开关，辅助断路器12的导通电阻比主断路器9小，并且在一个方向上至少包括一个功率半导体器件。对于本实施例，高速隔离开关要求具有较快的分断速度，分断后断口能够耐受600kV电压。辅助断路器12选择两个4.5kV/l.6kA的IGBT并联作为一个单元器件，共需要3个器件串联后构成一个阀组，共需要6个单元器件，总器件数量为12。
[0051 ] 装置20还包括电流换向支路A、B、C、D，其中，换向支路A、B构成中点与桥臂中点3连接的第一桥臂，换向支路C、D构成中点与桥臂中点4连接的第二桥臂，两桥臂均与单向直流断路器10并联连接。
[0052]装置20共需要4个换向支路，每个支路的器件相同。每个支路包括功率半导体器件7和闻速隔尚开关6。
[0053]功率半导体器件7承受很小的分断电压即可，需很少的数量串联。功率半导体器件7选择为4.5kV/l.6kA的二极管，共需要3个二极管串联后再并联，构成一个二极管组，每个支路需要二极管6个，4组电流换向支路共需要24个二极管。二极管的布置方向如图2和图3所示。
[0054]控制方法包括下列步骤:
[0055]正常情况下，所述装置20中的高速开关11与辅助断路器12闭合，换向支路A、B、C、D中的高速隔离开关6和功率半导体器件7闭合，主断路器9中的功率半导体器件5闭合，由于辅助断路器12仅包括3个IGBT串联，而主断路器9包括200个IGBT串联，辅助断路器12具有相对极小的导通电阻，正常线路电流流过辅助断路器12。换向支路A、B、C、D的作用是:使线路电流方向不同时，流过主断路器9的电流方向相同。如果为第一电流方向14，电流流经换向支路A、D和辅助断路器12所在支路，如图2所示；如果为第二电流方向15，电流流经换向支路B、C和辅助断路器12所在支路，如图3所示。
[0056]一如果接收到所述单向直流断路器10的断开信号，首先分断辅助断路器12，电流将换至主断路器9 ；
[0057]判断线路44电流方向，如果为第一电流方向14，同时断开换向支路B、C的高速隔离开关6和辅助支路的高速开关11 ;如果为第二电流方向15，同时断开换向支路A、D的高速隔离开关6和辅助支路的高速开关11 ；
[0058]一此后，断开所述单向直流断路器10的主断路器9，电流将换至非线性电阻13。
[0059]一将处于闭合状态的高速隔离开关6断开，完成整个分断过程。
[0060]以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管本领域的技术人员阅读本申请后，参照上述实施例本本发明进行种种修改或变更，但这些修改或变更均在申请待批本发明的权利申请要求保护范围之内。
【权利要求】
1.一种使线路电流分断的装置，包括单向直流断路器；其特征在于: 还包括桥式支路，所述桥式支路包括由4条完全相同的换向支路构成的两条桥臂，所述4条换向支路两两一组同向串联，所形成的两条桥臂再进行并联，所述各换向支路均包括至少一个第一功率半导体器件的同向串联连接；所述桥式支路的两条桥臂均与单向直流断路器并联，且线路的两端分别连接桥式支路两桥臂的桥臂中点。
2.如权利要求1所述的一种使线路电流分断的装置，其特征在于:所述各换向支路还包含至少一个高速隔离开关，所述高速隔离开关串联在换向支路的干路中。
3.如权利要求1或2所述的一种使线路电流分断的装置，其特征在于:所述各换向支路中的各第一功率半导体器件均并联有与其相同的第三功率半导体器件。
4.如权利要求1或2所述的一种使线路电流分断的装置，其特征在于:所述各换向支路中的各第一功率半导体器件均反向并联有一具有开通关断能力的第四功率半导体器件。
5.如权利要求1或2所述的一种使线路电流分断的装置，其特征在于:所述各换向支路均包括与前述第一功率半导体器件数量及型号相同的第五功率半导体器件，所述第五功率半导体器件同向串联后，与前述串联后的第一功率半导体器件进行同向并联。
6.如权利要求1所述的一种使线路电流分断的装置，其特征在于:所述单向直流断路器包括相互并联连接的主断路器和非线性电阻，所述主断路器包括至少一个同向串联的第二功率半导体器件，并使所述第二功率半导体开关的开通方向与线路电流由桥臂中点进入并流经任一换向支路后的流向一致。
7.如权利要求6所述的一种使线路电流分断的装置，其特征在于:所述主断路器中的各第二功率半导体器件均并联有与其相同的第六功率半导体器件。
8.如权利要求6所述的一种使线路电流分断的装置，其特征在于:所述主断路器还包括与前述第二功率半导体器件数量及型号相同的第七功率半导体器件，所述第七功率半导体器件同向串联后，与前述串联后的第二功率半导体器件进行同向并联。
9.如权利要求6至8中任意一项所述的一种使线路电流分断的装置，其特征在于:所述单向直流断路器还包括一条与前述主断路器、非线性电阻均并联连接的支路，该支路包括相互串联连接的高速开关和辅助断路器，其中，高速开关包括至少一个相互串联的高速隔离开关，辅助断路器包括至少一个同向串联的第八功率半导体器件，且该第八功率半导体器件的方向与第二功率半导体器件的方向相同。
10.如权利要求2所述的一种使线路电流分断的装置的控制方法，所述装置以桥式支路中两桥臂的桥臂中点串联连接到线路的电流通路；其特征在于:闭合装置中的单向直流断路器，闭合桥式支路中的高速隔离开关和第一功率半导体器件，所述方法包括如下步骤: 一如果接收到所述单向直流断路器的断开信号，确定与电流输入端所连接的桥臂上与该电流输入端直接或间接连接的阴极的第一功率半导体器件，断开该第一功率半导体器件所在换向支路的高速隔离开关；确定与电流输出端所连接的桥臂上与该电流输出端直接或间接连接的阳极的第一功率半导体器件，断开该第一功率半导体器件所在换向支路的高速隔离开关； 一此后，断开所述单向直流断路器； 一将处于闭合状态的高速隔离开关断开，完成整个分断过程。
【文档编号】H01H9/54GK103971965SQ201310039556
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2013年1月31日 优先权日:2013年1月31日
【发明者】方太勋, 曹冬明, 王宇, 杨浩, 杨兵, 石巍, 吕玮 申请人:南京南瑞继保电气有限公司, 南京南瑞继保工程技术有限公司