一种直流断路器及其控制方法与流程

本发明涉及一种直流断路器，属于高压直流输电领域。

背景技术：

直流断路器是直流输电工程所需的核心部件之一，其拓扑结构直接影响直流断路器的性能和成本，直流断路器拓扑结构的研究对直流电路器的设计和生产具有重要意义。

2012年ABB公司研制出的混合式高压直流断路器原理拓扑，如图1，该电路由一条通流支路和一条开断支路并联构成，其中的固态开关全部由阀组串联构成，还包括并联的耗能元件，即避雷器等。

目前，ABB公司的混合式直流断路器研发最具代表性，据公布的技术文件，针对高压直流输电系统ABB公司研制了由多个IGBT阀组串并联组成的混合式直流断路器，其开断能力为8KA，可运用于320KV的高压直流输电系统之中。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种新的直流断路器拓扑结构，用于解决桥式拓扑的开关管数量多的问题。

为了实现上述目的，本发明的方案包括：

一种直流断路器，包括并联的三条通流支路和两条开断支路，以及与两条开断支路分别并联的耗能支路；并联的三条通流支路，即两侧的通流支路和中央的通流支路，每个通流支路均包含两端的高速机械开关和它们之间的辅助断流模块，所述辅助断流模块包括两个反向串联的功率开关管；两个功率开关管的连接点为对应通流支路的电流转移节点，相邻两个通流支路的电流转移节点之间分别设置所述开断支路，当辅助断流模块断开电流时，两侧通流支路的电流经过电流移节点由开断支路流向中央通流支路；所述开断支路由若干功率模块串联构成。

所述功率开关管为IGBT，每个IGBT并联一个反向的二极管；两个反向串联的IGBT的二极管阴极相连构成所述电流转移节点。

所述功率模块为至少一个IGBT，IGBT并联一个反向的二极管。

所述耗能支路的耗能元件为避雷器。

所述两侧的通流支路的电流转移节点均连接一个分流支路，每个分流支路包括串联的一个充电开关与一个电容。

所述电容并联一条放电支路，放电支路包括串联的放电开关和电阻。

所述充电开关为晶闸管及其它能够实现分流电路适时导通的功率开关。

本发明还提供了一种直流断路器的控制方法，

直流电路正常工作时：两侧的通流支路和中央的通流支路均导通，两条开断支路的所有功率模块均断开；

需要断开直流断路器时：首先导通开断支路的所有功率模块，然后关断两侧通流支路和中央通流支路的辅助断流模块，当两侧通流支路和中央通流支路的电流为0时，断开两侧通流支路中电流流向的下游一端的高速机械开关，以及中央通流支路中，电流流向的上游一端的高速机械开关，然后同时断开开断支路的所有功率模块；最后断开其余的高速机械开关。

本发明又提供了一种直流断路器的控制方法，

直流电路正常工作时：两侧的通流支路和中央的通流支路均导通，两条开断支路的所有功率模块均断开，连接两条分流支路的充电开关均断开；

直流电路出现故障需断开时：首先导通开断支路的所有功率模块，然后关断两侧通流支路和中央通流支路的辅助断流模块，当两侧通流支路和中央通流支路的电流为0时，断开两侧通流支路中，电流流向的下游一端的高速机械开关，以及中央通流支路中，电流流向的上游一端的高速机械开关，当所有断开的高速机械开关具有足够的绝缘能力时，打开连接分流支路的充电开关，然后同时断开开断支路的所有功率模块，最后断开其余的高速机械开关。

本发明提供了一种不同于背景技术中常规并联式结构的直流断路器，其开断支路包括两条，分别将两侧的通流支路的电流导入到中央的通流支路，然后控制关闭开断支路中的功率模块，从而断开电流，实现直流断路器的关断。而且采用三条通流支路，可以将额定电流提升3倍，与桥式拓扑结构相比，大大节省了器件数量。

附图说明

图1混合式高压直流断路器原理拓扑；

图2直流断路器的实施例一的断流原理(电流从1到2)；

图3直流断路器的实施例一的断流原理(电流从2到1)；

图4直流断路器的实施例二的断流原理(电流从1到2)；

图5直流断路器的实施例二的断流原理(电流从2到1)；

S1、S2、S3、S4、S5、S6为高速机械开关；S7为普通开关设备；I1、I2、I3为辅助断路模块；ZI1、ZI2为开断支路；I为充电开关；R1为电阻器件；C1为电容器组件；G1为隔离开关；H为电抗器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：

实施例一：

参见图2、图3，本专利涉及到的一种直流断路器，包括并联的三条通流支路和两条开断支路；

每个通流支路均包含两端的高速机械开关和它们之间的辅助断流模块：即上侧的通路支路由S1、I1、S2构成，中央的通路支路由S3、I2、S4构成，下侧的通路支路由S5、I3、S6构成。

本实施例中，辅助断流模块I1、I2和I3分别采用一对反向串联的IGBT，每个IGBT并联一个反向的二极管。并且，为了保证辅助断路模块的电流能够流向ZI1和ZI2，应当使两个反并联的二极管阴极相连。作为其他实施方式，辅助断流模块也可为其它可实现上述功能的拓扑结构。

一对反向串联的IGBT的连接点为对应通流支路的电流转移节点，相邻两个通流支路的电流转移节点之间分别设置有开断支路；

两条开断支路分别由若干功率模块串联构成，在本实施例中，功率模块由一个IGBT和二极管并联构成，也可由其它能实现该功能的功率器件构成；在功率模块的两端并联有一个避雷器，避雷器为耗能元件，作为其他实施方式，也可为其它耗能元件。

本实施例的工作原理如下：

电流从1端流向2端时：

当直流电路系统正常工作时：S1、S2、S3、S4、S5、S6、I1、I2、I3均闭合，三个通流支路均有电流；ZI1、ZI2断开，开断支路没有电流流过。

当直流电路系统异常需断电时：

1)给ZI1、ZI2发开通信号，使开断支路处于导通状态；

2)然后给I1、I2、I3发出关闭信号，将电流转移到开断支路ZI1和ZI2；

3)当S2、S3、S6中没有电流时，向高速机械开关发出分闸信号，令开关S2、S3、S6断开，如图2；

4)当S2、S3、S6具备了足够的绝缘能力时给ZI1、ZI2发出关闭信号；

5)通过IGBT器件开断故障电流，电流断开后产生很大的恢复过电压，与开断回路中的IGBT组件并联的避雷器导通，吸收系统的多余的残余能量，断开剩余高速机械开关。

电流从2端流向1端时：

当直流电路系统正常工作时：S1、S2、S3、S4、S5、S6、I1、I2、I3均闭合，三个通流支路均有电流；ZI1、ZI2断开，开断支路没有电流流过。

当直流电路系统异常需断电时：

1)给ZI1、ZI2发开通信号，使开断支路处于导通状态；

2)然后给I1、I2、I3发出关闭信号，将电流转移到开断支路ZI1和ZI2；

3)当S1、S4、S5中没有电流时，向高速机械开关发出分闸信号，令开关S1、S4、S5断开，如图3；

4)当S1、S4、S5具备了足够的绝缘能力时给ZI1、ZI2发出关闭信号；

5)通过IGBT器件开断故障电流，电流断开后产生很大的恢复过电压，与开断回路中的IGBT组件并联的避雷器导通，吸收系统的多余的残余能量，断开剩余高速机械开关。

实施例二：

参见图4、图5，本实施例与实施例一基本相同，不同仅在于，在两侧的通流支路的电流转移节点通过充电开关连接有上、下两条分流支路，两条分流支路结构完全相同，以上侧分流支路为例进行介绍。

上侧分流支路包括充电开关I和一个电容C1，I一端与上侧通流支路的电流转移节点相连，另一端与C1相连，C1的另一端接地。在本实施例中还包括并联在C1两端的由电阻R1和放电开关S7构成的放电支路。

在本实施例中，I采用晶闸管开关，实现分流电路的适时接入两侧通流支路的作用，在其它实施例中，充电开关可为其它能实现上述功能的功率开关；放电支路中，放电开关选用普通开关，控制电容的放电，在其它实施例中，也可为其它能实现上述功能的开关器件。

图4中还示出了与直流断路器配合的隔离开关G1和电感H。

本实施例的工作原理如下：

电流从1端流向2端时：

当直流电路系统正常工作时：S1、S2、S3、S4、S5、S6、I1、I2、I3全闭合，三个通流支路均有电流；ZI1、ZI2断开，开断支路没有电流流过；晶闸管开关I断开，普通开关S7断开，分流支路没有电流流过。

当直流电路系统异常需断电时：

1)给ZI1、ZI2发开通信号，使开断支路处于导通状态；

2)然后给I1、I2、I3发出关闭信号，将电流转移到开断支路ZI1和ZI2；

3)当S2、S3、S6中没有电流时，向高速机械开关发出分闸信号，令开关S2、S3、S6断开，如图4；

4)当S2、S3、S6具备了足够的绝缘能力时，向I发出闭合信号，分流电路打开；

5)I导通后将故障电流有效分流后，给ZI1、ZI2发出关闭信号；

6)通过主IGBT器件开断故障电流，电流断开后产生很大的恢复过电压，与断回路中的IGBT组件并联的避雷器导通，吸收系统的多余的残余能量，断开剩余高速机械开关；

7)断开隔离开关。

电流从2端流向1端时：

当直流电路系统正常工作时：S1、S2、S3、S4、S5、S6、I1、I2、I3全闭合，三个通流支路均有电流；ZI1、ZI2断开，开断支路没有电流流过；晶闸管开关I断开，普通开关S7断开，分流支路没有电流流过。

当直流电路系统异常需断电时：

1)给ZI1、ZI2发开通信号，使开断支路处于导通状态；

2)然后给I1、I2、I3发出关闭信号，将电流转移到开断支路ZI1和ZI2；

3)当S1、S4、S5中没有电流时，向高速机械开关发出分闸信号，令开关S1、S4、S5断开，如图5；

4)当S1、S4、S5具备了足够的绝缘能力时，向I发出闭合信号，分流电路打开；

5)I导通后将故障电流有效分流后，给ZI1、ZI2发出关闭信号；

6)通过主IGBT器件开断故障电流，电流断开后产生很大的恢复过电压，与断回路中的IGBT组件并联的避雷器导通，吸收系统的多余的残余能量，断开剩余高速机械开关。

以上给出了两种具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。