带限流阀段的单钳位模块型往复限流式高压直流断路器的制作方法

本发明涉及高压直流输配电技术领域，具体涉及一种带限流阀段的单钳位模块型往复限流式高压直流断路器。

技术背景

直流电网中最可靠的故障隔离方式之一是使用直流断路器(directcurrentcircuitbreaker,dccb)。基于直流断路器的保护方案能够实现快速的故障线路清除与系统重启。因此，直流断路器对直流电网的稳定运行具有重要意义。

直流断路器拓扑众多，混合式直流断路器兼具机械式直流断路器的经济性和纯固态直流断路器的反应速度，在直流电网中具有广阔的应用前景。

混合式断路器主要依靠全控型电力电子器件实现电流的切断。目前igbt等全控型器件额定电压、电流小，在高压大容量直流电网的场合，需要大量器件串并联以分压、分流。但igbt的串并联技术尚不完善，存在技术上的问题，其开关动作的一致性难以得到保证，可靠性较差。而且igbt的成本较高，大量使用igbt将增加经济成本。为了减小断路器分断故障电流的压力，有拓扑利用限流电感抑制故障初期电流。直流电网的电压等级通常较高，如果限流电感稳态电阻和电力电子器件的通态电阻较大，则会影响直流电网的稳态性能。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提出一种以单钳位子模块(clampedsinglesubmodule,cssm)为主要工作单元的的带限流阀段的单钳位模块型往复限流式高压直流断路器拓扑，可以在限流模式和正常工作模式间快速切换，实现往复式限流。

本发明具体的构成方式如下。

带限流阀段的单钳位模块型往复限流式高压直流断路器，包括奇数个断路阀段；包括与断路阀段相串联的限流电感；包括连接不同断路阀段支路的限流阀段。

上述带限流阀段的单钳位模块型往复限流式高压直流断路器的断路阀段，由通流支路、转移支路和避雷器支路并联组成。通流支路包含一个快速机械开关s和n1个串联cssm，主要用于流过稳态电流和进行故障限流；转移支路由n2个cssm串联而成，主要用于转移故障电流以及进行故障清除；避雷器支路由若干串联避雷器组成，主要用于故障电流清除时通过避雷器吸收冲击电压能量，保护子模块电容。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1(a)是断路器主拓扑；图1(b)是断路阀段拓扑；图1(c)是cssm拓扑；图1(d)是cssm旁路时电流通路；图1(e)是cssm闭锁时电流通路；

图2是正常运行时断路器等效电路；

图3是直流故障时断路器等效电路；

图4是限流阶段断路器等效电路；

图5是断路阀段电流转移示意图；

图6是分断延时阶段断路器等效电路。

具体实施方式

为进一步阐述本发明的性能与工作原理，以下结合附图对本发明的构成方式与工作原理进行具体说明。但基于该原理的带限流阀段的单钳位模块型往复限流式高压直流断路器不限于图1。

参考图1，带限流阀段的单钳位模块型往复限流式高压直流断路器，包括奇数个(图中为3个)断路阀段；包括与断路阀段相串联的限流电感；包括连接不同断路阀段支路的限流阀段。

断路阀段的通流支路包含一个快速机械开关s和n1个串联cssm，cssm拓扑结构如图1(c)所示，包含三个igbt(t1、t2和t3)，三个反并联二极管(d1、d2和d3)，一个独立二极管d4，以及一个直流电容器(c)，t3的导通方向与t1、t2相反。在本发明所提断路器拓扑中，单钳位子模块有旁路和闭锁工作两种工作状态。该子模块处于旁路状态时，t1关断，t2、t3导通；处于闭锁状态时，t1、t2、t3均关断。两种状态的电流通路分别如图1(d)、(e)所示。

下面将对断路器的正常运行、故障限流以及故障开断过程进行分析。在本发明提出的断路器中，每个断路阀段同一支路中所有cssm的控制方式都相同，为简明起见，以下用“某支路闭锁/旁路”来指代该支路中所有cssm的统一控制状态。

当t1时刻发生直流侧故障时，断路器工作过程分为①稳态运行阶段、②故障检测阶段、③限流阶段、④电流转移和分断延时阶段、⑤故障清除阶段共5个阶段。断路器在阶段③正式介入故障过程，并于阶段⑤完成故障电流的清除。5个阶段的具体分析如下：

①稳态运行阶段(t0～t1)

此阶段下断路器三条支路并联，断路阀段的转移支路闭锁，通流支路旁路，断路器等效电路如图2所示。dccb1中，ron1为通流支路投入电路的电力电子开关器件等效电阻，lp为支路内限流电感，rp为lp的稳态电阻。稳态电流的主要由两端换流站的电压差、线路电阻影响，一般换流站间的电压差很小，稳态电流的数值往往只有几千安。

②故障检测阶段(t1～t2)

发生直流故障后，保护装置尚需要一定时间进行检测，这段时间内断路器不动作，故障电流将经通流支路自由发展。故障状态下的等效电路如图3所示。发生故障后，故障电流以几何指数增长，其时间常数由故障点到换流站直流侧出口的等效电感和等效电阻决定。故障电流电流往往几毫秒内就能增长到很大的数值。

③限流阶段(t2～t3)

保护装置检测到故障后，在t2时刻发出指令，令通流支路闭锁，同时转换限流阀段关断，断路器三条支路从并联结构变为串联，进入限流状态。此时等效电路如图4所示。故障过程中对断路器dccb1无影响的dccb2、r02、l02和电压源u2在图4中略去。

④电流转移和分断延时阶段(t3～t4)

t3时刻前，若故障已清除，故障电流将不再继续发展，可以重新触发cssm使得通流支路旁路，直接恢复正常运行；反之则需要进行断路动作。保护装置判断需要断路动作后，令转移支路旁路，故障电流将从通流支路转移到转移支路。进一步检测通流支路的电流，当其小于快速机械开关的开断允许电流后，给出分闸指令。若检测到通流支路的电流仍大于机械开关允许开断电流，则说明此端断路器拒动，需要调用对端断路器动作以完成故障隔离。电流转移过程如图5所示。

电流转移完成后，机械开关收到分闸指令。一般而言，机械开关的分断需要2ms延时，在延时阶段内，由于转移支路处于旁路状态，故障电流仍然自由上升。

由于机械开关有分断延时，本来已经下降的故障电流重新升高。但凭借断路器的串联结构和平抗、限流电感的作用，这一阶段的故障电流发展速度将低于阶段①。

⑤故障清除阶段(t4～t5)

直到机械开关完全分断后，闭锁转移支路，故障电流为转移支路电容充电，随后通过避雷器放电，故障电流下降。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。

技术特征：

技术总结
本发明提供一种带限流阀段的单钳位模块型往复限流式高压直流断路器(Topology of Clamped Single Module Type Reciprocating High Voltage DC Circuit Breaker With Current‑Limiting Capability)。该高压直流断路器，采用单钳位子模块(clamped single submodule,CSSM)作为主要的限流和故障清除装置，相比电感限流器具有更强的限流能力，相比IGBT具有双向通流能力。该拓扑可通过转换二极管双向桥在串、并联结构中切换，具有稳态低损耗、暂态高阻抗的特性。同时采用模块化设计，能够自由增减支路数、单钳位子模块数量，改变子模块类型，可以广泛适用于不同应用场景。

技术研发人员：许建中;冯谟可;张继元;邓伟成;赵成勇
受保护的技术使用者：华北电力大学
技术研发日：2019.05.28
技术公布日：2019.07.26