一种快速高压交流混合断路器及SVC系统的制作方法

本发明属于无功补偿系统技术领域，具体涉及一种快速高压交流混合断路器及svc系统。

背景技术：

现有的高压交流断路器的分合闸时间较长，少则30ms，多则高达六七十毫秒。而此远远不能满足系统的要求，因此现在的串补为了在系统故障时，能快速旁路保护电容器组使其不过压，增加了mov、火化间隙等故障率高、投资大，维护难等一次设备。同样svc为了满足快速投入电容电抗器的要求，放弃使用断路器，使用晶闸管、igbt等投资大的一次设备。

现有利用可控硅电力器件实现电容电抗器快速投入的方式，需要依靠水冷和风冷等冷却系统来维持svc运行的可靠性，存在投资大、且发热量大的问题。

技术实现要素：

本发明的第一目的在于，提供一种快速高压交流混合断路器，合闸速度快，有效提高系统的响应特性，且发热少、无需冷却系统，使得系统大幅度简化；

本发明的第二目的在于，提供一种快速高压交流混合断路器，采用阀组与断路器结合的混合型快速断路器，避免了水冷系统的使用，大幅度提高了svc的运行可靠性。

为了实现上述第一目的，本发明采用的技术方案为：

一种快速高压交流混合断路器，包括阀组单元，所述阀组单元包括吸收电路和反并联晶闸管，所述吸收电路与所述反并联晶闸管并联连接；

所述快速高压交流混合断路器还包括断路器单元，所述断路器单元与所述阀组单元并联连接，所述断路器单元包括机械断路器。

可选地，

所述阀组单元设置有多个，且依次串联连接，多个所述阀组单元串联连接后与所述通流单元并联连接。

可选地，

所述阀组单元还包括与所述吸收电路并联连接的晶闸管击穿检测电路。

可选地，

在所述机械断路器所在支路设置有电流互感器，或者

在所述阀组单元所在支路、以及所述阀组单元与所述机械断路器并联后的支路上均设置有电流互感器。

可选地，

所述通流单元包括取能电抗器，所述取能电抗器与所述机械断路器串联连接。

可选地，

所述反并联晶闸管中的晶闸管采用gto、igbt、igct、mct和iegt中的任一元件来代替。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明的快速高压交流混合断路器，采用晶闸管与机械断路器的组合方式，晶闸管快速导通的能力，使得合闸时间大幅度提高，有效提高系统的响应特性；

正常通电时，电流是流过机械断路器，晶闸管仅在分闸与合闸时导通，由于晶闸管的导通时间短，发热少，无需复杂的水冷系统、风冷系统，使得系统大幅度简化；

在快速断路器分闸时，由于晶闸管的导通使得机械断路器能等电位断开，无电弧的产生，大幅度降低机械断路器的灭弧要求，大幅度提高其寿命，甚至可采用超快速隔离开关代替。

为了实现上述第二目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于混合型断路器的svc系统，包括第一无功补偿装置,所述第一无功补偿装置设有一个或多个,包括第一电容器组支路和第一电抗器组支路，所述第一电容器组支路和第一电抗器组支路均包括机械断路器；

还包括第二无功补偿装置，所述第二无功补偿装置采用可控硅投切无功补偿装置，所述可控硅投切无功补偿装置设有一个或多个，包括第二电容器组支路和第二电抗器组支路；其特征在于，所述第二电容器组支路和第二电抗器组支路均包括如所述的快速高压交流混合断路器。

一种基于混合型断路器的svc系统，包括第一无功补偿装置和第二无功补偿装置，所述第一无功补偿装置设有一个或多个,包括第一电容器组支路，所述第一电容器组支路包括机械断路器；

还包括第二无功补偿装置，所述第二无功补偿装置采用可控硅投切无功补偿装置，所述可控硅投切无功补偿装置设有一个或多个，包括第二电容器组支路；其特征在于，所述第二电容器组支路包括如所述的快速高压交流混合断路器。

可选地，所述的tsc支路包括电容器组，所述电容器组采用星形连接或三角形连接。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

由于快速断路器的使用，避免了水冷系统的使用，大幅度提高了svc的运行可靠性(现阶段svc的80％以上的缺陷均为水冷系统，如果能够取消水冷系统，则可大幅度提升svc的运行可靠性)；

由于避免了大容量电抗器和电容器组同时投入运行的情况出现，大幅度降低了svc的运行损耗(如南方电网某关键节点变电站的svc，每年svc的损耗高达约一千万度电)；

快速断路器的使用，避免了断路器频繁断开容性负荷，提高了断路器的使用寿命；

由于避免了大容量电抗器的使用，大幅度降低了电抗器的干扰。

附图说明

图1是本发明的快速高压交流混合断路器的电路原理框图；

图2是本发明的另外一种实施方式的快速高压交流混合断路器的电路原理框图；

图3是本发明的基于混合型断路器的svc系统(tsc支路为星形连接)的电路原理框图；

图4是本发明的基于混合型断路器的svc系统(tsc支路为三角形连接)的电路原理框图；

图5是本发明的任意一条tsc支路的三角形连接示意图。

附图标记：110-阀组单元，111-晶闸管击穿检测电路，112-吸收电路，113-反并联晶闸管，210-机械断路器，220-取能电抗器，310-电流互感器。

具体实施方式

名词释义：

机械断路器210，为常规断路器，指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流并能在规定的时间内关合、承载和开断异常回路条件下的电流的开关装置；

晶闸管，也就是指本实施例中所述的反并联晶闸管113，两者代表相同的含义；

阀组，表示多个阀组单元110串联后的整体电路；

fc支路，利用常规断路器组成的电容器组支路；

fr支路，利用常规短路器组成的电抗器组支路；

tsc支路，利用快速高压交流混合断路器组成的电容器组支路；

tsr支路，利用快速高压交流混合断路器组成的电容器组支路。

下面结合具体的实施例，对本发明做详细阐述：

参照图1，本发明的快速高压交流混合断路器，包括阀组单元110和断路器单元，阀组单元110和断路器单元为并联设置。本实施例中，阀组单元110设置有多个，依次串联连接，串联连接后与断路器单元并联连接。

阀组单元110包括吸收电路112和反并联晶闸管113，吸收电路112与反并联晶闸管113并联连接。反并联晶闸管113采用两个可控晶闸管反并联，除了使用可控硅晶闸管，也可以采用igbt等其他可控硅电子电力器件来代替。吸收电路112采用电阻和电容串联连接，也可以单独采用均压电阻或电容器实现。

每个阀组单元110包含有两个可控晶闸管反并联，晶闸管一个重要的参数-断态电压临界上升率du/dt，表明晶闸管在额定结温和门极断路条件下，使晶闸管从断态转入通态的最低电压上升率。若电压上升率过大，超过了晶闸管的上升率，则会在无门极信号的情况下开通，即使此时加于晶闸管的正向电压低于其阳极峰值电压，也可能发生这种情况，因为晶闸管可以看作是由三个pn结组成。

为了限制电路电压上升率过大，确保晶闸管安全运行，在晶闸管两端并联吸收电路112，利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压的上升率。因为电路总是存在电感的，所以与电容c串联电阻r可以起到阻尼作用，它可以防止r、l、c电路在过渡过程中，因为振荡在电容两端出现过电压损坏晶闸管，同时避免电容器通过晶闸管放电电流过大，造成过电流而损坏晶闸管。另外吸收电路112还有取能作用，为晶闸管击穿检测电路111提供工作电压。

晶闸管击穿检测电路111与吸收电路112并联连接，晶闸管击穿检测电路111可以采用现有的电路来实现，本实施例不做过多赘述，相信本领域技术人员也能够去实现。晶闸管击穿检测电路111是检测晶闸管是否正常工作，一般包括监测元件。在晶闸管未导通之前，监测元件开始采集能量，经采样电路达到一定电压值后，即采集能量结束。控制电容给击穿脉冲输出电路供电，监测元件有方脉冲输出，再经过放大送到光纤发射头。如果晶闸管损坏，监测元件两端无电压，光纤发射头无输出，最后通过光纤送到击穿监测单元，击穿监测单元单元根据监测元件有、无信号判断晶闸管的好坏。当此相损坏晶闸管的数量超过给定冗余数时，向控制柜报击穿故障并跳闸，达到保护其它晶闸管的目的。

断路器单元包括机械断路器210和取能电抗器220，机械断路器210做长期通流的作用，也可起到断开故障电流的作用。取能电抗器220主要是起到在晶闸管两端产生一定的电压，使其可有效触发。

正常运行时，机械断路器210处于合闸状态，晶闸管处于截止状态，此时晶闸管没有流过电流，无发热，无需冷却系统。晶闸管两端电压为断路器两端电压除以阀组单元110数量，由于断路器处于合闸状态，两端电压几乎为0，因此晶闸管两端电压等效于取能电抗器220两端电压。

当需要断路器分闸时，系统在瞬间发出晶闸管导通命令和断路器分闸命令。由于晶闸管导通速度远大于机械断路器210，因此晶闸管先行导通，电流由机械断路器210转到阀组单元110，此时阀组电流和机械断路器210都同时有电流流过，具体比例需要看机械断路器210的电阻和阀组的等效电阻比例关系。此时机械断路器210等电位断开电弧，无电弧产生，有效避免机械断路器210灭弧产生的各种问题。机械断路器210在完全断开后，再考虑一定的延时(可根据断路器的分合闸时间进行确认，如可设置为100ms)，再发出晶闸管关断命令。由于晶闸管导通时间短，发热量较小，因此无需水冷、风冷等故障率高，投资大的冷却设备，大幅度提高阀组的运行可靠性。当机械断路器210分闸失败时，晶闸管也会在设定延时后关断，此时由断路器失灵保护动作隔离。

为了加快分闸速度，机械断路器210换成超快速机械开关，可在2ms内断开。为了进一步加快分闸速度，可将取能电抗器220换成晶闸管、igbt等可控电子元器件。但此时由于其长期通流，发热量较大，此时电子元器件需要配置水冷、风冷等冷却设备。

为了降低阀组单元110断开时产生的过电压，可根据阀组单元110两端电压值判断阀组单元110的关断时间，使其电流刚好在过零点时刻关断。阀组单元110两端电压可取自监测元件，也可取自外部电压。

参照图2，为了进一步确保机械断路器210、超快速机械开关等电位拉开，无电弧产生，可在断路器单元增加电流互感器310取得断路器单元电流(或者采用整个支路上设置电流互感器310和阀组单元110所在支路上设置电流互感器310，整个支路的电流减去阀组单元110电流即求得)，当断路器单元电流变为0后，并经一定的延时，再发出阀组截止命令。

在发出机械断路器210分闸命令后，假如断路器单元电流大于设定值i1，且持续时间大于设定值t1(i1、t1，根据断路器分闸时间、阀组的耐受电流和抗干扰的需求确定，如设置为500a，50ms)时，则判断为机械断路器210分闸失灵，此时根据系统的需求发出告警或者隔离命令。

当需要断路器合闸时，系统在瞬间发出晶闸管导通命令和断路器合闸命令。由于晶闸管导通速度远大于机械断路器210，因此晶闸管先行导通，电流从阀组流过。当机械断路器210完全合上，此时阀组电流和机械断路器210都同时有电流流过，具体比例需要看机械断路器210的电阻和阀组的等效电阻比例关系。经一定的延时(可根据断路器的分合闸时间进行确认，如可设置为100ms)，再发出晶闸管关断命令。

如果要想提高断路器关断速度，降低阀组单元110流通时间，降低阀组单元110的发热，可通过电流互感器310检测通流电流，当机械断路器210电流大于设定值时，并经一定的延时(如设置为5ms)，则发出晶闸管关断命令，从而能够实现断路器的快速关断。

在发出机械断路器210合闸命令后，假如断路器单元电流小于设定值i2，且持续时间大于设定值t2(i2、t2，根据断路器合闸时间、阀组的耐受电流和抗干扰的需求确定，如设置为500a，100ms)时，则判断为机械断路器210合闸失灵，此时根据系统的需求发出告警或者隔离命令。

当检测到阀组电流大于设定值i3，且持续时间大于设定值t3(i3、t3，根据阀组的耐受电流和抗干扰的需求确定，如设置为300a，150ms)时，而此时阀组又无导通命令，则判断为阀组自行导通，此时发出机械断路器210合闸命令，保护阀组不长期流过电流。

在阀组的一端增加电流互感器310，当检测到阀组电流大于设定值i4，且持续时间大于设定值t4(i4、t4，根据阀组的耐受电流和机械断路器210的导通时间确定，如设置为300a，200ms)时，则判断为阀组长期导通，闭锁命令。

当检测到阀组电流大于设定值i5，且持续时间大于设定值t5(i5、t5，根据阀组的耐受电流和机械断路器210的导通时间确定，如设置为3000a，20ms)时，则判断为阀组过流，此时发出闭锁命令。

当阀组监测单元检测到阀组发生击穿，当阀组击穿数目大于设定值n1时，则报阀组击穿告警，并报出击穿单元。当阀组击穿数目大于设定值n2时，则报阀组击穿跳闸，此时发出闭锁命令。

为了避免阀组合闸开时产生的过电流，或者合闸瞬间对系统的冲击，造成设备过电压等问题出现，可根据阀组两端电压值判断阀组的关断时间，使其电压刚好在过零点时刻合闸。阀组两端电压可取自监测元件，也可取自外部电压。

本发明的快速高压交流混合断路器采用晶闸管与机械断路器210的组合方式，晶闸管快速导通的能力，使得合闸时间大幅度提高，有效提高系统的响应特性。正常通电时，电流是流过机械断路器210，晶闸管仅在分闸与合闸时导通，由于晶闸管的导通时间短，发热少，无需复杂的水冷系统、风冷系统，使得系统大幅度简化。在快速断路器分闸时，由于晶闸管的导通使得机械断路器210能等电位断开，无电弧的产生，大幅度降低机械断路器210的灭弧要求，大幅度提高其寿命，甚至可采用超快速隔离开关代替。

参照图3-5，本发明的基于混合型断路器的svc系统，包括固定电容器组无功补偿装置和可控硅投切无功补偿装置，固定电容器组无功补偿装置包括一个或多个fc支路(即fc1、fc2...fcn支路,n为大于或等于2的正整数)，可控硅投切无功补偿装置包括一个或多个tsc支路(即tsc1、tsc2...tscn支路,n为大于或等于2的正整数)，tsc支路包括快速高压交流混合断路器。tsc支路的电容器组可以采用星型连接，也可以采用三角形连接。

当系统电压缓慢变化，属于系统正常的无功缺乏，此时利用fc支路进行投退调节系统电压。在系统电压低于设定值s1时，自动投入fc1、fc2...fcn支路。

电压暂降，一般由系统的各种故障引起，此时需要快速投入无功。此时依靠tsc支路和fc支路协调进行。当系统检测到电压暂降，且暂降值大于设定值s2(一般s2远小于s1)，则快速投入tsc支路，迅速抬升电压。如果电压依然低于设定值s1，则再投入fc支路。当电压高于设定值s1，且持续时间大于设定值t1时，则退出tsc支路。

当系统检测到电压暂降，且暂降值大于设定值s3(一般s3小于s2)，则快速投入tsc1、tsc2...tscn支路，迅速抬升电压。如果电压依然低于设定值s1，则再投入fc支路。当电压高于设定值s1，且持续时间大于设定值t1时，则退出tsc1、tsc2...tscn支路。

由于晶闸管无配置有水冷系统，因此tsc支路的晶闸管不能频繁多次投退，因此t1延时应大于晶闸管冷却延时。同时在退出tsc支路后，该支路在晶闸管冷却延时内不能再次投入运行。晶闸管冷却延时，可根据最大负荷电流，持续流过晶闸管最长时间进行确认。也可根据实际测量到的负荷电流产生的热量，然后利用散热系数进行计算得出。

进一步，在阀组单元110配多个电流互感器310、在机械断路器210的断路器单元配多个电流互感器310、在整个tsc支路配多个电流互感器310，以上三组电流互感器310电流呈固定的关系，也可以根据需要配置其中两组。

在发出机械断路器210分闸命令后，假如断路器单元电流大于设定值i1，且持续时间大于设定值t1(i1、t1，根据断路器分闸时间、阀组的耐受电流和抗干扰的需求确定，如设置为500a，50ms)时，则判断为机械断路器210分闸失灵。如果tsc支路采用星形连接，则此时断开母线上所有断路器；如果tsc支路采用三角形连接，则只需断开相应tsc支路的断路器即可。

在发出机械断路器210合闸命令后，假如断路器单元电流小于设定值i2，且持续时间大于设定值t2(i2、t2，根据断路器合闸时间、阀组的耐受电流和抗干扰的需求确定，如设置为500a，100ms)时，则判断为机械断路器210合闸失灵，此时发出告警。

当检测到阀组电流大于设定值i3，且持续时间大于设定值t3(i3、t3，根据阀组的耐受电流和抗干扰的需求确定，如设置为300a，150ms)时，而此时阀组又无导通命令，则判断为阀组自行导通，此时发出机械断路器210合闸命令，保护阀组不长期流过电流。

当检测到阀组电流大于设定值i4，且持续时间大于设定值t4(i4、t4，根据阀组的耐受电流和机械断路器210的导通时间确定，如设置为300a，200ms)时，则判断为阀组长期导通，如果tsc支路采用星形连接，则此时断开母线上所有断路器；如果tsc支路采用三角形连接，则只需断开相应tsc支路的断路器即可。

当检测到阀组电流大于设定值i5，且持续时间大于设定值t5(i5、t5，根据阀组的耐受电流和机械断路器210的导通时间确定，如设置为3000a，20ms)时，则判断为阀组过流，此时发出闭锁命令。如果tsc支路采用三角形连接，则断开相应tsc支路的断路器即可。

当阀组监测单元检测到阀组发生击穿，当阀组击穿数目大于设定值n1时，则报阀组击穿告警，并报出击穿单元。当当阀组击穿数目大于设定值n2时，则报阀组击穿跳闸，此时发出闭锁命令。如果tsc支路采用星形连接，则此时断开母线上所有断路器；如果tsc支路采用三角形连接，则只需断开相应tsc支路的断路器即可。

在某些特殊区域，存在系统异常需要快速吸收电网内多余的无功时，则可根据需求将tsc支路、fc支路的电容器组换成电抗器，也就将tsc支路换成tcr支路，fc支路换成fr支路。也可两者共存。

基于混合型断路器的svc系统，包括常规无功补偿装置和可控硅投切无功补偿装置。所述常规无功补偿装置包括一个或多个用常规断路器控制的无功补偿装置，包括电容器组(fc)和电抗器组(fr)；所述可控硅投切无功补偿装置包括一个或多个利用快速高压交流混合断路器控制的无功补偿装置，包括电容器(tsc)和电抗器组(tsr)。所述的tsc、tsr支路包括快速高压交流混合断路器。

基于混合型断路器的svc系统的控制方法，包括：

当系统电压变化，且系统电压低于设定值s1时，则依次退出fr1、fr2、...frn支路，投入fc1、fc2...fcn支路，n为大于或等于2的正整数，每投退一个支路，间隔一定的延时后再根据当前系统电压判据是否继续操作；

当系统电压暂降，且暂降值大于设定值s2,则退出tsr1、tsr2...tsrn支路，投入tsc1、tsc2...tscn支路，退出fr1、fr2、...frn支路,其中s2小于s1；如果系统电压依然低于设定值s1,则再投入fc1、fc2...fcn支路；当系统电压高于设定值s1，且持续时间大于设定值t1时，则退出tsc1、tsc2...tscn支路；

当系统电压变化，且系统电压高于设定值s3时，则依次退出fc1、fc2、...fcn支路，投入fr1、fr2...frn支路，n为大于或等于2的正整数，每投退一个支路，间隔一定的延时后再根据当前系统电压判据是否继续操作；

当系统电压暂降，且暂降值大于设定值s4,则退出tsc1、tsc2...tscn支路，投入tsr1、tsr2...tsrn支路，退出fc1、fc2、...fcn支路,其中s4大于s3；如果系统电压依然高于设定值s3,则再投入fr1、fr2...frn支路；当系统电压低于设定值s3，且持续时间大于设定值t1时，则退出tsr1、tsr2...tsrn支路。

以上技术方案都是提高系统的暂态电压。但现电容器组断路器(也就是fc支路所在的断路器)需要断开电容负荷，故障率较高，且多个电容器支路(也就是fc支路)中有一个投切顺序要求，也就是某个电容器支路存在频繁多次投退的问题，断路器分合闸次数明细高于其他支路断路器，故障率明细提高。因为晶闸管的关断次数远高于常规断路器的开断负荷电流、故障电流的次数。为了降低电容器组支路的断路器故障率，提升断路器的运行可靠性，也可采取如下控制策略：挑选需要频繁投退的电容器组支路安装快速断路器，此时控制策略如下(仅以两个tsc支路，两个fc支路作为例子)：

当tsc1支路退出，且系统电压低于设定值s1时，则投入tsc1支路，当系统电压高于设定值s1时，退出tsc1支路；

当tsc1支路投入，且系统电压低于设定值s1时，则投入tsc2支路，当系统电压高于设定值s1时，退出tsc2支路；

当tsc2支路投入，且系统电压低于设定值s1时，则投入fc1支路，当系统电压高于设定值s1时，退出fc1支路；

当fc1支路投入，且系统电压低于设定值s1时，则投入fc2支路，当系统电压高于于设定值s1时，退出fc2支路；

其他延时闭锁、快速断路器异常闭锁等和前面所述方案的控制策略描述类似，此处不再重复。

本发明由于快速断路器的使用，避免了水冷系统的使用，大幅度提高了svc的运行可靠性(现阶段svc的80％以上的缺陷均为水冷系统，如果能够取消水冷系统，则可大幅度提升svc的运行可靠性)。

由于避免了大容量电抗器和电容器组同时投入运行的情况出现，大幅度降低了svc的运行损耗(如南方电网某关键节点变电站的svc，每年svc的损耗高达约一千万度电)。

快速断路器的使用，避免了断路器频繁断开容性负荷，提高了断路器的使用寿命。

由于避免了大容量电抗器的使用，大幅度降低了电抗器的干扰。