一种基于串联电容器的机械开关式直流断路器及其故障处理策略的制作方法

本发明属于电力电子系统技术领域，具体涉及一种基于串联电容器的机械开关式直流断路器及其故障处理策略。

背景技术：

直流电网有两种基本的构网方式：第一种构网方式采用基于半桥子模块的模块化多电平换流器(mmc)加直流断路器方案，这种构网方式适用于端数任意多的直流电网；第二种构网方式采用具有直流故障自清除能力的mmc，例如采用基于全桥子模块的mmc，但无需直流断路器，这种构网方式适用于端数小于10的小规模直流电网。采用半桥子模块mmc加直流断路器的构网方式时，直流线路故障期间通常要求换流站继续运行，不能闭锁，故障线路由直流断路器快速切除，其故障处理原则与交流电网类似。采用无直流断路器的构网方式时，直流线路故障期间网内相关换流器闭锁，闭锁后10ms左右故障电流到零并稳定于零值，再通过隔离开关隔离故障线路，然后相关换流器解锁重新恢复送电，从故障开始到恢复送电的时间一般在20ms左右，通常对交流电网的冲击在可以承受的范围之内。

当采用半桥子模块mmc加直流断路器的构网方式时，直流断路器就成为直流电网的关键性元件。目前高压直流断路器构造方案主要集中于3种类型，分别是基于常规开关的传统机械型断路器、基于纯电力电子器件的固态断路器和基于二者结合的混合型断路器。与交流断路器相比，开发直流断路器的根本难点主要在两个方面：(1)直流电网的故障电流是单极性的，没有过零点，无法套用交流断路器的开断原理；(2)直流电网中的故障电流发展速度大大高于交流电网中的故障电流，直流断路器必须在直流故障电流达到稳态值前开断故障电流，因此对直流断路器的开断速度要求很高。传统机械型断路器的缺点主要在于开断速度较慢且难以开断较大的故障电流；纯电力电子器件的固态断路器的问题则主要在于其较大的运行损耗上。而对于混合型直流断路器来说，虽然目前已开发出技术上可行的高压直流断路器，但其成本高昂，体积巨大，难以像交流断路器那样在电网中广泛使用。因此，直流断路器仍然是发展直流电网的根本性技术瓶颈。

技术实现要素：

鉴于上述，本发明提供了一种基于串联电容器的机械开关式直流断路器及其故障处理策略，该断路器利用电容器改变故障电流性质，进而使得故障电流产生过零点，使得机械开关开断故障电流变为可能，并且投资成本较低，在工程中具有非常强的参考意义与使用价值。

一种基于串联电容器的机械开关式直流断路器，包括隔离开关、通流支路、转移支路和断流支路，上述三条支路并联后一侧与隔离开关的一端相连，另一侧作为直流断路器的b端口与直流线路连接；隔离开关的另一端作为直流断路器的a端口与换流站出口处的平波电抗器相连。

进一步地，所述断流支路包括晶闸管阀组和主电容器，晶闸管阀组的一端与隔离开关的一端相连，晶闸管阀组的另一端与主电容器的一端相连，主电容器的另一端与直流线路连接。

进一步地，所述转移支路包括转移开关、电抗器、充电开关、辅助电源和辅助电容器；其中，转移开关的一端与隔离开关的一端相连，转移开关的另一端与电抗器的一端相连，电抗器的另一端与充电开关的一端以及辅助电容器的一端相连，充电开关的另一端与辅助电源的负极相连，辅助电源的正极与辅助电容器的另一端以及直流线路连接。

进一步地，所述通流支路由主体机械开关构成。

进一步地，所述晶闸管阀组由多个晶闸管串并联组成。

上述机械开关式直流断路器的故障处理策略，包括如下步骤：

(1)启动时首先闭合充电开关，利用辅助电源给辅助电容器充电，待辅助电容器充满电后将充电开关断开；

(2)正常运行时，使转移开关处于开断状态，晶闸管阀处于开断状态，隔离开关和主体机械开关处于闭合状态，直流电流仅从通流支路中流过；

(3)当检测到直流线路发生接地故障后，向主体机械开关发出开断信号，向转移开关发出闭合信号，向晶闸管阀组发出导通信号；

(4)转移开关闭合后，辅助电容器与电抗器构成二阶振荡回路并开始放电，其放电电流从转移支路进入通流支路，方向与故障电流相反，放电电流与故障电流叠加后，流过主体机械开关的电流出现过零点，使得主体机械开关完全断开，故障电流被转移至转移支路和断流支路上；

(5)故障电流转移后，向转移开关发出开断信号，转移开关在转移支路电流过零后断开，使得故障电流完全被转移至断流支路上；

(6)故障电流持续对主电容器充电，主电容器提供的反向电压使得故障电流逐渐减小至零，且由于晶闸管阀组的单向流通能力使得故障电流不再反向，最终断开隔离开关实现故障的物理隔离。

与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：

1.本发明直流断路器稳态运行时，直流电流流过主体机械开关，由于主体机械开关阻抗很小，因此稳态运行损耗极低。

2.由于本发明直流断路器所用的电力电子器件少，且无需使用昂贵的igbt器件，因此断路器的投资成本得到大幅度降低。

附图说明

图1为本发明直流断路器的拓扑结构示意图。

图2为本发明直流断路器直流故障处理过程中三条支路的电流波形示意图。

图3为本发明直流断路器直流故障处理过程中辅助电容器和主电容器两端的电压波形示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明基于串联电容器的机械开关式直流断路器，包括隔离开关与三条并联支路，三条并联支路分别为通流支路、转移支路和断流支路；其中，隔离开关通过a端口与换流站出口处的平波电抗器相连，b端口则与直流线路相连接。

断流支路包括晶闸管阀组和主电容器，晶闸管阀组的一端与隔离开关的一端相连，晶闸管阀组的另一端与主电容器的一端相连，主电容器的另一端与直流线路连接，晶闸管阀组由多个晶闸管串并联组成。

转移支路包括转移开关、电抗器、充电开关、辅助电源和辅助电容器；其中，转移开关的一端与隔离开关的一端相连，转移开关的另一端与电抗器的一端相连，电抗器的另一端与充电开关的一端以及辅助电容器的一端相连，充电开关的另一端与辅助电源的负极相连，辅助电源的正极与辅助电容器的另一端以及直流线路连接；转移开关采用超高速机械开关，充电开关则采用普通的机械开关。

通流支路由主体机械开关构成，主体机械开关采用真空断路器。

本发明直流断路器的故障处理策略，包括如下步骤：

(1)启动时首先闭合充电开关，利用辅助电源给辅助电容器充电，待辅助电容器充满电后将充电开关断开；

(2)正常运行时，使转移开关处于开断状态，晶闸管阀处于开断状态，隔离开关和主体机械开关处于闭合状态，直流电流仅从通流支路中流过；

(3)当检测到直流线路发生接地故障后，向直流断路器发出开断信号，直流断路器收到开断信号后，向主体机械开关发出开断信号，向转移开关发出闭合信号，向晶闸管阀组发出导通信号；

(4)转移开关闭合后，辅助电容器与电抗器构成二阶振荡回路并开始放电，其放电电流从转移支路进入通流支路，方向与故障电流相反，放电电流与故障电流叠加后，流过主体机械开关的电流出现过零点，使得主体机械开关完全断开，故障电流被转移至转移支路和断流支路上；

(5)故障电流转移后，向转移开关发出开断信号，转移开关在转移支路电流过零后断开，使得故障电流完全被转移至断流支路上；

(6)故障电流持续对主电容器充电，主电容器提供的反向电压使得故障电流逐渐减小至零，且由于晶闸管阀组的单向流通能力使得故障电流不再反向，最终断开隔离开关实现故障的物理隔离。

以下我们采用单端400kv、400mw的测试系统进行仿真验证，直流断路器采用如图1所示的断路器，主电容器的电容值为100μf，电抗器的电感值为0.05h，辅助电容器的电容值为20μf，辅助电源的电压为400kv，其处理直流故障过程如下所示：

(1)设仿真开始时(t＝0ms)测试系统已进入稳态运行，t＝2s时在b端所连接直流线路发生接地短路故障，系统检测到故障后向断路器发出开断指令。

(2)断路器收到开断指令，于t＝2.003s时向主体机械开关发出开断信号，同时向转移开关发出闭合信号，向晶闸管阀发出导通信号。

(3)转移开关闭合后，辅助电容器和电感器构成二阶振荡回路，首先开始放电，其放电电流从转移支路进入通流支路，方向与故障电流相反，与故障电流叠加后，流过主体机械开关的电流于t＝2.004s时降低到零，此时主体机械开关完全断开，故障电流被转移到转移支路和断流支路上，同时辅助电容器开始反向充电。

(4)t＝2.006s时向转移开关发出开断信号，流过转移开关支路的电流与t＝2.007s时减小至零，转移开关完全断开，故障电流完全转移到断流支路上。

(5)t＝2.015s时流过主电容器的电流降低为零，由于晶闸管的单向流通作用，电流不再反向，完成故障电流的清除，隔离开关断开实现故障隔离。

图2给出了流过三条支路的电流波形，图3给出了辅助电容器和主电容器的电压波形，从图中可以看到故障电流最终全部转移到了断流支路上，并最终减小到零，且主电容器的最大过电压为600kv，说明本发明直流断路器能够快速隔断直流电流。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。