一种混合式直流断路器的制作方法

本实用新型涉及电力电子技术领域，具体涉及一种混合式直流断路器。

背景技术：

随着基于电压源换流器(VSC)的多端柔性直流和直流电网技术的开始应用，高压直流断路器成为保证系统稳定安全可靠运行的关键设备之一。混合采用机械开关和全控型电力电子开关直流断路器技术兼具了机械开关的低损耗特性和电力电子开关的快速分断特性，是目前应用高压输电系统中直流分断最为有效的技术途径。

现有的采用全控器件的混合式直流断路器应用于特高压输电系统中，受限制于单个器件耐受电压能力，需要采用数量庞大的器件串联，可靠性较低且成本高昂；基于晶闸管的混合式直流断路器，能够显著提升直流断路器分断电流能力，且串联应用至高电压场合的技术成熟，但由于晶闸管无法自关断，需要配置额外的辅助电路，增大了直流断路器的设计和集成难度。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本实用新型提出了一种混合式直流断路器，用以解决现有混合式直流断路器分断电流能力受制于单个全控器件关断能力，需要采用数量庞大的器件串联，可靠性较低且成本高昂，以及现有基于晶闸管的混合式直流断路器所用器件多,设计和集成难度高的问题。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型提供一种混合式直流断路器，包括主通流支路、二极管桥式电路、第一电流转移支路及第二电流转移支路；所述二极管桥式电路并联于所述主通流支路的两端，所述第一电流转移支路和第二电流转移支路分别并联于所述二极管桥式电路的上桥臂与下桥臂之间；所述主通流支路向所述第一电流转移支路传输故障电流；所述二极管桥式电路为所述故障电流从所述主通流支路向所述第一电流转移支路和第二电流转移支路的转移提供电流转移路径；所述第一电流转移支路导通所述故障电流，并传输至所述的第二电流转移支路；所述第二电流转移支路向所述第一电流转移支路注入反向电流，使所述第一电流转移支路断开。

在一实施例中，所述第一电流转移支路包括第一晶闸管阀，所述第一晶闸管阀的阳极连接所述二极管桥式电路的上桥臂，所述第一晶闸管阀的阴极连接所述二极管桥式电路的下桥臂。

在一实施例中，所述第二电流转移支路包括第一电容、电抗器、电阻以及晶闸管阀并联电路，所述晶闸管阀并联电路包括反向并联的第二晶闸管阀和第三晶闸管阀，所述晶闸管阀并联电路的第一端连接所述二极管桥式电路的下桥臂，所述晶闸管阀并联电路的第二端通过所述第一电容和电抗器连接所述二极管桥式电路的上桥臂，所述晶闸管阀并联电路的第二端通过所述电阻接地。

在一实施例中，本实用新型提供的混合式直流断路器还包括：能量吸收支路，由避雷器组串联构成，并联于所述第二电流转移支路的两端。

在一实施例中，所述主通流支路包括：机械开关和电力电子单元，所述机械开关和电力电子单元串联。

在一实施例中，所述电力电子单元包括：反向串联的两个全控器件以及分别与所述两个全控器件反向并联的二极管，所述两个全控器件的阴极相连。

在一实施例中，所述电力电子单元包括：反向并联的两个全控器件。

在一实施例中，所述电力电子单元包括：由四个全控器件组成的桥式结构、设置于所述桥式结构上桥臂与下桥臂之间的第二电容以及分别与所述四个全控器件反向并联的二极管。

在一实施例中，所述电力电子单元包括：由四个二极管组成的桥式结构、设置于所述桥式结构上桥臂与下桥臂之间的全控器件以及与所述全控器件反向并联的二极管。

在一实施例中，所述全控器件为集成门极换流晶闸管、绝缘栅双极型晶体管或门极可关断晶闸管。

本实用新型技术方案，与现有技术相比，至少具有如下优点：

本实用新型提供一种混合式直流断路器，包括主通流支路、二极管桥式电路、第一电流转移支路及第二电流转移支路；所述二极管桥式电路并联于所述主通流支路的两端，所述第一电流转移支路和第二电流转移支路分别并联于所述二极管桥式电路的上桥臂与下桥臂之间；所述主通流支路向所述第一电流转移支路传输故障电流；所述二极管桥式电路为所述故障电流从所述主通流支路向所述第一电流转移支路和第二电流转移支路的转移提供电流转移路径；所述第一电流转移支路导通所述故障电流，并传输至所述的第二电流转移支路；所述第二电流转移支路向所述第一电流转移支路注入反向电流，使所述第一电流转移支路断开。本实用新型提供的混合式直流断路器解决了现有混合式直流断路器分断电流能力受制于单个全控器件关断能力，需要采用数量庞大的器件串联，可靠性较低且成本高昂，以及现有基于晶闸管的混合式直流断路器所用器件多,设计和集成难度高的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例中混合式直流断路器的一个具体示例的原理图；

图2为本实用新型实施例中混合式直流断路器的另一个具体示例的原理图；

图3A为本实用新型实施例中混合式直流断路器中电力电子单元的一个具体示例的电路图；

图3B为本实用新型实施例中混合式直流断路器中电力电子单元的另一个具体示例的电路图；

图3C为本实用新型实施例中混合式直流断路器中电力电子单元的另一个具体示例的电路图；

图3D为本实用新型实施例中混合式直流断路器中电力电子单元的另一个具体示例的电路图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本实用新型实施例提供了一种混合式直流断路器，如图1所示，该混合式直流断路器包括主通流支路1、第一电流转移支路2、第二电流转移支路3及二极管桥式电路。

二极管桥式电路并联于主通流支路1的两端，第一电流转移支路2和第二电流转移支路3分别并联于二极管桥式电路的上桥臂与下桥臂之间；主通流支路1向第一电流转移支路2传输故障电流；二极管桥式电路为该故障电流从主通流支路1向第一电流转移支路2和第二电流转移支路3的转移提供电流转移路径；第一电流转移电路2导通上述故障电流，并传输至第二电流转移支路3；第二电流转移支路3向第一电流转移支路2注入反向电流，使第一电流转移支路2断开。

本实用新型实施例提供的上述混合式直流断路器，通过上述主通流支路1、第一电流转移支路2、第二电流转移支路3、二极管桥式电路以及它们之间的连接关系，解决了现有混合式直流断路器分断电流能力受制于单个全控器件关断能力，需要采用数量庞大的器件串联，可靠性较低且成本高昂，以及现有基于晶闸管的混合式直流断路器所用器件多,设计和集成难度高的问题。

如图2所示，在一实施例中，上述第一电流转移支路2包括第一晶闸管阀T1，该第一晶闸管阀T1的阳极连接上述二极管桥式电路的上桥臂，该第一晶闸管阀T1的阴极连接上述二极管桥式电路的下桥臂。

如图2所示，在一实施例中，上述第二电流转移支路3包括第一电容 C1、电抗器L、电阻R以及晶闸管阀并联电路，该晶闸管阀并联电路包括反向并联的第二晶闸管阀T2和第三晶闸管阀T3，晶闸管阀并联电路的第一端连接上述二极管桥式电路的下桥臂，晶闸管阀并联电路的第二端通过第一电容C1和电抗器L连接上述二极管桥式电路的上桥臂，晶闸管阀并联电路的第二端通过上述电阻R接地，该电阻R在系统稳态运行时为第二电流转移支路3的第一电容C1提供从直流系统中取能的通路，并限制直流系统对第一电容C1的充电电流。

如图2所示，本实用新型实施例提供的混合式直流断路器还包括：能量吸收支路4，由避雷器组MOV串联构成，并联于所述第二电流转移支路3 的两端，用于消耗直流系统的故障电流，并抑制分断产生的过电压。

如图2所示，在一实施例中，上述主通流支路1包括：机械开关K和电力电子单元11，该机械开关K和该电力电子单元11串联。以下列出了主通流支路1的电力电子单元11的四种实施方式，本实用新型可选用其中的任意一种实施方式，且不以此为限。

方式一：如图3A所示，主通流支路1的电力电子单元11包括：反向串联的两个全控器件以及分别与两个全控器件反向并联的二极管，两个全控器件的阴极相连，图3A中以全控器件为集成门极换流晶闸管(IGCT)为例进行示意。

方式二：如图3B所示，主通流支路1的电力电子单元11包括：反向并联的两个全控器件，图3B中以全控器件为集成门极换流晶闸管(IGCT) 为例进行示意。

方式三：如图3C所示，主通流支路1的电力电子单元11包括：由四个全控器件组成的桥式结构、设置于所述桥式结构上桥臂与下桥臂之间的第二电容C2以及分别与所述四个全控器件反向并联的二极管，图3C中以全控器件为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)为例进行示意。

方式四：如图3D所示，主通流支路1的电力电子单元11包括：由四个二极管组成的桥式结构、设置于所述桥式结构上桥臂与下桥臂之间的全控器件以及与所述全控器件反向并联的二极管，图3D中以全控器件为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)为例进行示意。

上述四种电力电子单元11的实施方式中，全控器件可以是集成门极换流晶闸管(IGCT)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或门极可关断晶闸管 (GTO)，但本实用新型不以此为限。

本实用新型实施例提供的混合式直流断路器正、反向关断过程相同，下面以线路侧发生故障为例，阐述该混合式直流断路器的实现方法。

当直流系统正常运行时，直流系统经过接地电阻R对第二电流转移支路电容C1充电至额定电压，不需要配置额外的辅助设备对电容C1充电；

当直流系统发生故障，主通流支路1接收分断电流的控制信号，闭锁主通流支路1的电力电子单元11的全控器件，触发第一电流转移支路2的第一晶闸管阀T1和第二电流转移支路3的第二晶闸管阀T2，通过二极管桥式电路将故障电流传输至第一电流转移支路2，同时第二电流转移支路3第一电容C1通过第一电流转移支路2快速放电完成第一电容C1电压反向。而由于主通流支路1的耐受电压超过第一电流转移支路2中第一晶闸管阀 T1的通态压降就能够保证故障电流从主通流支路1向第一电流转移支路2 的可靠转移，主通流支路1包含的全控器件数量较少，因此本实用新型实施例提供的混合式直流断路器的通态损耗较低。第一电流转移支路2一方面为主通流支路1的机械开关K创造零电压、零电流分断条件，另一方面为第二电流转移支路3提供放电通路。当主通流支路1的故障电流全部转移至第一电流转移支路2后，分断主通流支路1的机械开关K，直至其产生足够耐受断路器暂态分断电压的开距后，触发第二电流转移支路3的第三晶闸管阀T3，第二电流转移支路3的第一电容C1通过电抗器L进行放电，第二电流转移支路3向第一电流转移支路2注入反向电流，第一电流转移支路2的第一晶闸管阀T1关断，直流系统故障电流换相至第二电流转移支路3，能量吸收支路4将第二电流转移支路3的能量吸收，完成直流断路器的关断。

本实用新型实施例提供的混合式直流断路器主要采用半控型电力电子器件，单个器件耐受电压等级高，串联技术成熟，应用至高电压等级场合具有显著优势；能够实现直流系统故障电流的双向、快速和无弧分断，具备强短路电流过载能力，且能够达到30kA以上的分断电流能力；无需使用独立电源设备经过系统进行充电，不需要配备高压隔离辅助电源，简化了设备结构，提高了可靠性；采用二极管桥式电路，减少了半控型器件的使用数量，设备在成本方面优势显著。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。