一种直流断路器及其控制方法与流程

本发明涉及一种断路器及其控制方法，具体讲涉及一种低成本的高压大电流双向直流断路器及其控制方法。

背景技术：

多端直流输电技术能够实现多端电源供电以及多落点受电，是一种灵活快捷的输电方式，能够满足电力工业的发展需求。直流断路器是直流输、配电网中承载稳态电流、关断故障电流、关断负荷电流的关键设备，能够限制故障范围扩大并有效清除故障。

随着多端直流输电技术、智能电网与直流配网技术、分布式电源与直流微网技术的迅速发展，直流断路器对电网的可靠、优质、经济运行具有重要意义。然而，直流电流没有自然过零点、开断过电压和能量吸收等问题也成为直流断路器研究难点，另外就目前而言，在高电压等级的直流输配电应用中，短路电流上升速度极快，而且需要双向关断，这对直流断路器的耐压能力、关断容量以及关断时间也提出了极高的要求。

目前具有国际领先技术水平的直流断路器为2013年ABB公司提出的采用机械开关和全控器件串联的混合型直流断路器，如图1所示。该直流断路器由负荷通路，断流支路和断路器支路并联而成。负荷通路包括隔离开关1、限流电感2、快速机械开关3和负荷转移开关4；断流支路包括IGBT阀组5；断路器支路包括金属氧化物避雷器6。假设电路中电流从左端流向右端，在零时刻右端发生故障，则先导通断流支路上的IGBT阀组5，而后关断负荷转移开关4上的IGBT，使得电流从负荷通路转移到断流支路，待电流完全转移后，关断负荷通路上的快速机械开关3、使得负荷转移开关4上的IGBT阀组与主电路隔离。接下来，关断断流支路上的IGBT阀组5，产生的电流过冲能导通金属氧化物避雷器6，使得电路中的能量通过避雷器消耗完毕，完成关断过程。

该直流断路器最大能关断9kA的短路电流，但此直流断路器为关断双向短路电流采用了大量的电力电子器件，提高了设备成本，控制复杂度也相应增加。

因此需要提供一种新的拓扑结构的直流断路器，该直流断路器能在保证现有断路器关断性能不变，实现双向电流关断的同时，降低器件数量，节省断路器制造成本，降低断路器控制复杂度。

技术实现要素：

为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种可降低设备成本和控制复杂度的高压大电流双向直流断路器。

本发明提供的技术方案是一种直流断路器，其改进之处在于：所述直流断路器包括依次连接的第一断流单元、第二断流单元和直流负荷开关、以及一端接于第一断流单元和第二断流单元之间、另一端接地的主断流单元。

优选的，所述第一断流单元、所述第二断流单元和所述直流负荷开关均提供正常负荷电流流过的通路；

所述第一断流单元用于断开从直流负荷开关侧流向第一断流单元侧的故障电流，使得故障电流由直流负荷开关经第二断流单元流向主断流单元；

所述第二断流单元用于断开从第一断流单元侧流向直流负荷开关侧的故障电流，使得故障电流由第一断流单元流向主断流单元；

所述直流负荷开关用于分断负荷电流；

所述主断流单元用于承担故障电流的通流、关断、缓冲和消耗短路能量。

优选的，所述第一断流单元包括限流电感L1、快速机械开关FBRK1、晶闸管D1、隔离开关BRK2和绝缘栅双极型晶体管IGBT1；

所述晶闸管D1与所述绝缘栅双极型晶体管IGBT1反并联后与串联的限流电感L1和快速机械开关FBRK1串联；所述隔离开关BRK2与所述晶闸管D1并联；所述限流电感L1的另一端与隔离开关BRK1的一端连接，所述晶闸管D1的阴极与第二断流单元连接。

优选的，所述第二断流单元包括晶闸管D2、隔离开关BRK3、绝缘栅双极型晶体管IGBT2和快速机械开关FBRK2；

所述晶闸管D2与所述绝缘栅双极型晶体管IGBT2反并联后与所述快速机械开关FBRK2串联，所述隔离开关BRK3与所述晶闸管D2并联；所述晶闸管D2的阴极与第一断流单元连接，所述快速机械开关FBRK2的另一端与直流负荷开关连 接。

优选的，所述直流负荷开关包括金属氧化物避雷器MOV2、交流断路器BRK5、电容C1、电抗L3和限流电感L2；

所述金属氧化物避雷器MOV2与所述交流断路器BRK5并联后与所述限流电感L2串联，所述电容C1与所述电抗L3串联后与所述金属氧化物避雷器MOV2并联；

所述金属氧化物避雷器MOV2的一端与第二断流单元连接，另一端与限流电感L2的一端连接，所述限流电感L2的另一端连接隔离开关BRK4。

优选的，所述主断流单元包括金属氧化物避雷器MOV1、电力电阻阀支路和缓冲支路；所述金属氧化物避雷器MOV1、所述电力电阻阀支路和所述缓冲支路并联后一端与第一断流单元和第二断流单元的连接点连接，另一端接地；

所述电力电子阀支路包括串联的绝缘栅双极型晶体管支路和门极可关断晶闸管支路；所述绝缘栅双极型晶体管支路包括依次串联的绝缘栅双极型晶体管，所述门极可关断晶闸管支路包括依次串联的门极可关断晶闸管；

所述缓冲支路包括晶闸管D3、电阻R1和电容C2；所述晶闸管D3与所述电阻R1并联后与所述电容C2串联；所述电容C2的另一端接地，所述晶闸管D3的阳极与所述绝缘栅双极型晶体管支路连接后接于第一断流单元和第二断流单元之间。

本发明的另一目的在于提供一种直流断路器的控制方法，所述方法包括如下步骤：

S1将直流断路器接入线路中；

S2开通直流断路器；

S3检测线路中的电流类型和流向，并根据检测结果控制所述直流断路器。

优选的，所述步骤S1包括：将隔离开关BRK1和BRK4接入高压直流输电线路中，保持隔离开关BRK1、BRK2、BRK3和BRK4、交流断路器BRK5、快速机械开关FBRK1和FBRK2为断开状态、绝缘栅双极型晶体管IGBT1和IGBT2、主断流单元为闭锁状态。

优选的，所述步骤S2包括

1)闭合隔离开关BRK1、BRK2、BRK3和BRK4、快速机械开关FBRK1和FBRK2；

2)闭合直流负荷开关的交流断路器BRK5；

3)触发导通第一断流单元中的绝缘栅双极型晶体管IGBT1和第二断流单元中的绝缘栅双极型晶体管IGBT2；

4)断开隔离开关BRK2和BRK3。

优选的，所述步骤S3中的电流类型包括故障电流和正常负荷电流；所述电流方向包括电流由隔离开关BRK1流向隔离开关BRK4、以及电流由隔离开关BRK4流向隔离开关BRK1；

当所述电流类型为故障电流，电流由隔离开关BRK1流向隔离开关BRK4时，通过如下步骤断开故障电流：

A1，触发导通主断流单元中的电力电子阀支路，关断第二断流单元中的绝缘栅双极型晶体管IGBT2；

A2，待隔离开关BRK4、交流断路器BRK5、快速机械开关FBRK2自动分闸阻断后，关断主断流单元中的电力电子阀支路；

A3，待金属氧化物避雷器MOV1支路的电流减小到0后，断开隔离开关BRK1；

当所述电流类型为故障电流，电流由隔离开关BRK4流向隔离开关BRK1时，通过如下步骤断开故障电流：

B1，触发导通主断流单元中的电力电子阀支路，关断第一断流单元中的IGBT1；

B2，待隔离开关BRK1、快速机械开关FBRK1自动分闸阻断后，关断主断流单元中的电力电子阀支路；

B3，待金属氧化物避雷器MOV1支路的电流减小到0后，断开隔离开关BRK4；

当所述电流类型为正常负荷电流且需要关断正常负荷电流时，通过断开直流负荷开关中的交流断路器BRK5来关断正常负荷电流。

与最接近的技术方案相比，本发明具有如下显著进步：

1)本发明提供了一种新的拓补结构的直流断路器，该直流断路器结合了强迫换流思想和电流转移分断思想，实现了大容量系统直流电流的快速双向关断。

2)本发明提供的直流断路器在实现双向电流关断的同时，最大程度的降低了器件数量，特别是IGBT的使用数量；降低了直流断路器的制造成本；

3)本发明在保证直流断路器关断性能不变的同时将一部分绝缘栅双极型晶体管IGBT用门极可关断晶闸管GTO代替，减小了直流断路器的控制复杂度。

4)本发明提供的直流断路器可应用于高压大电流场合，拓补结构控制简易，扩展性高，性能突出。

5)本发明提供的直流断路器的主断流单元的一端接入第一断流单元和第二断流单元之间，另一端接地，直流断路器的拓扑结构成T形，减小了设备的体积。

附图说明

图1为现有的采用机械开关和全控器件串联的混合型直流断路器的电路原理图；

图2为本发明提供的直流断路器的电路原理图。

其中1-隔离开关；2-限流电感；3-快速机械开关；4-负荷转移开关；5-IGBT阀组；6-金属氧化物避雷器；7-第一断流单元；8-第二断流单元；9-直流负荷开关；10-主断流单元。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

本发明提供一种致力于降低设备成本和控制复杂度的高压大电流双向直流断路器，通过设置T形拓扑结构的直流断路器来降低器件的使用数量，减小设备成本和体积；其拓扑结构如图2所示，包括第一断流单元7、第二断流单元8、直流负荷开关9和主断流单元10。隔离开关BRK1、第一断流单元7、第二断流单元8、直流负荷开关9和隔离开关BRK4依次连接后，形成支路，串联接入高压直流输电线路；主断流单元10一端接于第一断流单元与第二断流单元之间，另一端接地。

第一断流单元用于提供正常负荷电流流过时的通路；当出现从右端支路流向左端支路的故障电流时，第一断流单元断开故障电流，使得故障电流由直流负荷开关经第二断流单元转移到主断流单元中进行分断；

第一断流单元包括限流电感L1、快速机械开关FBRK1、绝缘栅双极型晶体管IGBT1、晶闸管D1和隔离开关BRK2；其中绝缘栅双极型晶体管IGBT1与晶闸管D1反并联后与串联的限流电感L1和快速机械开关FBRK1串联，隔离开关BRK2 并联在闸管D1两端；

在第一断流单元中，限流电感L1的值不应过大，避免储存能量过大从而对电路造成损坏，延长断流电流的上升速度，降低断路器关断时间，从而延长故障切断时间；另一方面，限流电感L1的值也不应过小，避免短路电流上升时间过快，从而对断路器的最大关断电流能力的要求过分苛刻；假设在320kV电压等级的直流输电线路中，将短路电流上升速度控制在1kA/ms，关断时间控制在5ms，本发明中电感取值L1为50mH；

第二断流单元用于提供正常负荷电流流过时的通路；当线路中出现从左端支路流向右端支路的故障电流时，第二断流单元用于断开故障电流，使得故障电流由一端断流单元转移到主断流支路中进行分断；

第二断流单元包括隔离开关BRK3、绝缘栅双极型晶体管IGBT2、晶闸管D2以及快速机械开关FBRK2；其中晶闸管D2与绝缘栅双极型晶体管IGBT2反并联后与快速机械开关FBRK2串联连接，隔离开关BRK3与晶闸管D2并联；

直流负荷开关包括交流断路器BRK5(例如SF6断路器)、电容C1、电抗L3、避雷器MOV2和限流电感L2；电容C1与电抗L3串联后与并联的交流断路器BRK5和避雷器MOV2并联,限流电感L2的一端接交流断路器BRK5，其另一端接隔离开关BRK4。

直流负荷开关中，限流电感L2的值不应过大，避免储存能量过大对电路造成损坏，延长断流电流的上升速度，降低断路器关断时间，从而延长故障切断时间；同时，限流电感L2的值也不应过小，避免短路电流上升时间过快，从而对断路器的最大关断电流能力的要求过分苛刻；假设在320kV电压等级的直流输电线路中，将短路电流上升速度控制在1kA/ms，关断时间控制在5ms，本发明中电感取值L2为50mH；

主断流单元包括并联的电力电子支路、保护单元和缓冲单元；其中电力电子支路由绝缘栅双极型晶体管支路IGBT3和门极可关断晶闸管支路GTO1串联组成，用于切断故障电流，绝缘栅双极型晶体管支路IGBT3由至少两个绝缘栅双极型晶体管IGBT同向串联而成，门极可关断晶闸管支路GTO1由至少两个门极可关断晶闸管GTO同向串联而成；保护单元由金属氧化物避雷器MOV1组成；缓冲单元由电阻R1、电容C2和晶闸管D3组成，其中电阻R1与晶闸管D3并联后与电容C2 串联。

根据图2中的直流断路器的拓扑结构，本发明还提供一种用于控制该直流断路器的控制方法，该控制方法可实现直流断路器的双向直流电流分断功能。

如图2所示，对直流断路器在不同工况下的开通和分断过程进行说明：

开通过程：

闭合隔离开关BRK1，BRK2，BRK3，BRK4，闭合快速机械开关FBRK1，FBRK2，最后合闸SF6断路器BRK5，对于从BRK1流向BRK4的电流通过BRK1-FBRK1-BRK2-BRK3-FBRK2-BRK5-BRK4支路流经直流断路器，对于从BRK4流向K1的电流通过BRK4-BRK5-FBRK2-BRK3-BRK2-FBRK1-BRK1支路流经直流断路器，待电流稳定后，在低Vce(这里Vce为绝缘栅双极型晶闸管的集电极和发射极之间的电压)工况下触发导通绝缘栅双极性晶体管IGBT1和IGBT2，从BRK1流向BRK4的电流会向IGBT2所在支路转移，从BRK4流向BRK1的电流会向IGBT1所在支路转移；待电流稳定后分闸隔离开关BRK2和BRK3，从BRK1流向BRK4的电流流通于BRK1-FBRK1-D1-IGBT2-FBRK2-BRK5-BRK4支路；从BRK4流向BRK1的电流流通于BRK4-BRK5-FBRK2-D2-IGBT1-FBRK1-BRK1支路；至此断路器完全投入运行，开通过程结束。

关断过程：

工况一：分断从BRK1流向BRK4的故障电流

当直流断路器需要动作切断极线短路电流时，先触发导通主断流单元中的绝绝缘栅双极型晶体管支路IGBT3与门极可关断晶闸管支路GTO1，关断第二断流单元中的绝缘栅双极型晶体管IGBT2，则电流全部转移到BRK1-FBRK1-BRK2-IGBT3-GTO1支路，在无电流状态下BRK4，BRK5，FBRK2动作分闸，经数ms后恢复阻断能力(隔离开关BRK4、交流断路器BRK5和快速机械开关FBRK2均属于机械开关。机械开关在刚断开时，绝缘能力还没有完全恢复，在高电压下会重新导通，经过实验测得机械开关绝缘能力的恢复有ms级别的时间，因此机械开关分闸后得等绝缘能力完全恢复以后，才能起到阻断作用)；

BRK4，BRK5，FBRK2恢复阻断能力之后关断IGBT3与GTO1，由于IGBT3关断时间较GTO1快(ns级别)，因此输电线路电压将加在IGBT3支路两端，此时缓冲单元自动投入工作，故障电流将流入缓冲单元中的电容C2进行充电，从而延 缓IGBT3支路两端电压的上升时间，为GTO1的完全关断提供时间。当IGBT3与GTO1完全关断后，电压达到金属氧化物避雷器MOV1动作电压，金属氧化物避雷器MOV1动作，全部短路电流转移到金属氧化物避雷器MOV1支路，金属氧化物避雷器MOV1吸收线路及限流电感L1中储存的能量，待金属氧化物避雷器MOV1支路电流逐渐减小至0，避雷器恢复阻断状态，分闸隔离开关BRK1，则流经极线断路器电流完全分断，至此关断过程结束。

工况二：分断从BRK4流向BRK1的故障电流

当直流断路器需要动作切断极线短路电流时，先触发导通主断流通路中的绝绝缘栅双极型晶体管支路IGBT3与门极可关断晶闸管支路GTO1，关断第一断流单元中的绝缘栅双极型晶体管IGBT1，则电流全部转移到BRK4-GTR2-IGBT3-GTO1支路，在无电流状态下BRK1，FBRK1动作分闸，经数ms后恢复阻断能力；之后关断绝绝缘栅双极型晶体管支路IGBT3与门极可关断晶闸管支路GTO1，由于绝绝缘栅双极型晶体管支路IGBT3关断时间较门极可关断晶闸管支路GTO1快(ns级别)，因此输电线路电压将加在绝绝缘栅双极型晶体管支路IGBT3阀段两端，此时缓冲单元自动投入工作，故障电流将流入缓冲单元中的电容C2进行充电，从而延缓绝绝缘栅双极型晶体管支路IGBT3两端电压的上升时间，从而为GTO1的完全关断提供时间。当IGBT3与GTO1完全关断后，电压达到金属氧化物避雷器MOV1动作电压，金属氧化物避雷器MOV1动作，全部短路电流转移到金属氧化物避雷器MOV1支路，金属氧化物避雷器MOV1吸收线路及限流电感L2中储存的能量，待金属氧化物避雷器MOV1支路电流逐渐减小至0，避雷器回复阻断状态，分闸第二隔离开关BRK4，则流经极线断路器电流完全分断，至此关断过程结束。

工况三：分断负荷电流

当有调度需求，需要分断系统稳态负荷电流时，分闸交流断路器BRK5；可利用直流负荷开关直接分段负荷电流，具体方法为：交流断路器BRK5的种类包括有源机械断路器和无源机械断路器；当交流断路器BRK5为无源机械断路器时，断开交流断路器BRK5，电流流向由电容C1和电抗L3组成的LC支路，给电容C1充电，此时LC支路将自然起振，幅值迅速增大，直至与短路电路幅值相等，方向相反，从而产生过零点，使得断路器BRK5中电弧熄灭，至此断路器完全关断，断路器两端产生电压过冲，两端电压迅速上升；当电压达到避雷器动作电压时， 第二避雷器动作并吸收线路及限流电感L2中储存的能量，待避雷器中电流逐渐减小至0，避雷器恢复阻断状态，流经极线断路器的电流完全分断，至此关断过程结束。

当交流断路器BRK5为有源机械断路器时，在系统运行前事先给LC支路的电容C1充好电，电容C1通过开关与交流断路器BRK5隔离；当需断开负荷的时候闭合开关，电容C1中储存的能量直接产生大幅值的反向电流，叠加在负荷电流上，致使交流断路器BRK5支路电流出现过零点,后续过程与无源机械断路器相同。

以上仅为本发明的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则内所做的任何修改、同等替换或改进均包含在待审批的本申请的权利要求范围之内。