一种低压直流断路器及试验方法与流程

本发明涉及一种直流断路器及试验方法，尤其是一种低压直流断路器及试验方法，属于电力技术领域。

背景技术：

随着经济的不断发展，由于化石能源枯竭和开采难度增大，同时造成了严重的环境问题。近年来，太阳能发电，燃料电池，风力发电等新能源得到大规模推广应用，于此同时，出现了电动汽车、变频设备、LED 照明灯、信息设备等大量直流负荷。而直流微网，作为分布式电源与直流负荷更高效率的接入形式，具有线路损耗低、传输容量大、传输距离远、电能质量高、以及不存在系统同步运行稳定性问题等优点，成为目前电力系统的发展趋势。而直流断路器是直流微网系统的重要设备，起着故障跳闸和保护系统中电力设备的关键作用，目前缺乏实用的直流断路器。

技术实现要素：

本发明的目的是：针对目前发展直流微网的电力系统发展趋势，提供一种直流断路器方案，该直流断路器包括限流电路和与之串联的四条并联支路。限流电路由限流电感构成；四条并联支路中第一支路为机械开关，该机械开关用来导通正常负载电流；第二支路为固态开关，用来关断双向故障电流；第三支路为缓冲回路，由电阻、电容串联构成；第四支路为吸收回路，由氧化锌避雷器构成，用来吸收开断时线路电感能量，降低固态开关电压上升率和保护固态开关器件不受过压威胁。该直流断路器能实现双向快速关断。

本发明的技术方案为：一种低压直流断路器，包括第一限流电抗器、第二限流电抗器和电气支路，所述的第一限流电抗器、电气支路和第二限流电抗器依次组成串联线路。

所述的电气支路包括第一支路、第二支路、第三支路和第四支路，所述的第一支路、第二支路、第三支路和第四支路为并联。

所述的第一支路由机械开关组成。

所述的第二支路由至少一个IGBT模块串联组成；每个IGBT模块由两个IGBT反向串联，并在每个IGBT上反向并联二极管。

所述的第三支路由电阻和电容串联组成。

所述的第四支路为氧化锌避雷器构成的能量吸收回路。

试验方法，包括以下步骤：

第一步、合闸操作：先触发固态开关T使其导通，紧接着闭合机械开关K,使其在零电压下导通,确认机械开关导通后关断固态开关使其退出运行；

第二步、分闸操作：包括正常分闸与短路分闸，在收到分闸命令或是检测到短路电流超过动作设定值时，立即发出分断机械开关与触通固态开关信号，此后机械开关经一段时间延时后开始分闸起弧，待电流被迫转移至固态开关中后，向固态开关发出关断信号，将其快速关断。

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明中IGBT模块由两个电力电子元件 IGBT反向串联，并在每个IGBT上反向并联二极管，能实现电流双向快速关断。电力电子开关与机械开关并联一起，正常的时候由机械开关流过负荷电流，在开关需要开通或关断的时候，利用IGBT在机械开关断开和闭合过程中分流、钳压作用，实现机械开关迅速断开和闭合，可实现双向快速关断，且损耗低。缓冲吸收回路用于缓冲吸收开断时线路电感能量、降低固态开关电压上升率和保护固态开关器件不受过压威胁。限流电抗的功能是降低直流短路电流上升率，从而降低对机械开关速动性的要求。本发明结构简单，制作方便，实用性强。

附图说明

附图1为本发明运用在直流微网中的示意图；

附图2为本发明结构示意图；

图中标识为：1、第一限流电抗器，2、第二限流电抗器，3、机械开关，4、二极管，5、IGBT，6、IGBT模块，7、电容，8、电阻，氧化锌避雷器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明，但不作为对本发明的任何限制。

本发明的实施例：一种低压直流断路器，如附图1所示，风力发电、光伏发电、蓄电池、交、直流负荷等经过换流器变为低压等级的直流电压，通过直流断路器连接到低压直流母线上，某些直流负荷可以直接连接到低压直流母线上。低压直流母线电压经过直流变压器升压，通过直流断路器连接到中压直流母线上。同时，燃料电池、微型燃气轮机、中压交、直流负荷等经过换流器变为中压等级的直流电压，通过直流断路器连接到中压直流母线上。中压直流母线再经过DC/AC换流器，通过交流断路器连接到交流系统。

其中所述的直流断路器结构如附图2所示，第一限流电抗器1、第二限流电抗器2为限流电抗器，电抗器在直流系统中并不体现其电抗特性，因此电抗的接入对直流系统的正常运行无影响，而故障时可起到明显的限流作用，可降低直流短路电流上升率，从而降低对机械开关速动性的要求，第一限流电抗器1、第二限流电抗器2位于固态开关的两端可限制双向故障电流。与两个限流电抗器串联的是四条并联支路，第一支路为主支路，由机械开关K组成，用来导通正常负载电流；第二支路为转移支路，由固态开关T组成，该固态开关由若干个IGBT模块串联组成，IGBT模块个数根据所使用直流电压等级确定，每个IGBT模块由两个IGBT反向串联，并在每个IGBT上反向并联二极管，该支路用来开通正常运行电流和关断双向故障电流；第三支路是由电阻和电容串联组成的缓冲回路，用来缓冲开断时线路电感能量，降低固态开关电压上升率；第四支路为由氧化锌避雷器构成的能量吸收回路，用来吸收开断时线路电感能量，保护固态开关器件不受过电压威胁。

按照本发明的技术方案，将所需的设备及元器件进行连接，即可进行试验，试验时按照下述方法进行：

合闸操作：先触发固态开关T使其导通，紧接着闭合机械开关K,使其在零电压下导通,确认机械开关导通后关断固态开关使其退出运行。固态开关T闭合后在限流电感的作用下，直流电流逐渐从零上升到稳态值，亦即限流电感在合闸初期阶段具有抑制直流电流上升率的作用，相当于对合闸过程起到了缓冲作用。合闸过程结束后，直流电源经机械开关向负载供电，限流电感只对直流纹波具有平抑作用，因此装置通态压降与损耗均很小。

分闸操作：包括正常分闸与短路分闸，两者操作过程基本相同，区别只是前者分断正常工作电流，而后者分断短路电流，限流电抗均起到抑制初期短路电流上升率的作用。在收到分闸命令或是检测到短路电流超过动作设定值时，立即发出分断机械开关与触通固态开关信号，此后机械开关经一段时间延时后开始分闸起弧，触头间的电弧电压逐渐升高，触头间的电阻逐渐增大，电流被迫转移至固态开关T当中，由于导通的固态开关压降很小，此阶段称为“零电压”阶段，即为“零电压”换流，同时将电弧电压钳位在固态开关通态压降上，此后机械开关在低电压小电流情况下顺利分断。随后向固态开关T发出关断信号，其所有IGBT阀组均快速关断，此期间电阻、电容和避雷器缓冲吸收回路自动投入工作，能够有效减缓开断电压上升速度，以确保阀组所承担的开断电压在其安全工作区范围内。