一种混合式高压直流断路器及其实现方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种断路器及其实现方法，具体涉及一种混合式高压直流断路器及其实现方法。
【背景技术】
[0002]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，快速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。在交流系统中，交流电流在一个周期内存在两个自然过零点，交流断路器正是利用电流的自然过零点关断电流，而在直流系统中，直流电流不存在自然过零点，因此直流电流的开断远比交流电流的开断困难。
[0003]开断直流电流通常有三种方式，一种是在常规交流机械断路器的基础上，通过增加辅助电路，在开断弧间隙的直流电流上迭加增幅的振荡电流，利用电流过零时开断电路，利用这种原理制造的机械式断路器，在分断时间上无法满足多端柔性直流输电系统的要求；一种是利用大功率可关断电力电子器件，直接分断直流电流，利用这种原理制造的固态断路器，在时间上虽然可以满足多端柔性直流系统的要求，但在正常导通时的损耗过大，经济性较差；最后一种是采用机械开关和电力电子器件混合的方式，正常运行由机械开关通流，故障时分断机械开关，利用产生的电弧电压将电流转移至并联连接的电力电子器件支路中，然后由电力电子器件分断电流。基于该原理断路器既减低了通态损耗，又提高了分断速度，但是需要使用大量的全控器件串联，技术难度大，制造成本高，而且当短路电流超过单个全控器件所能耐受电流峰值时，其成本将接近翻倍。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种混合式高压直流断路器，另一目的是提供一种混合式高压直流断路器的实现方法，本发明断路器的电路拓扑结构简单，控制简便，且使用的电力电子器件主要为半控器件晶闸管，技术成熟，易于实现，分断电流能力大，耐受电压等级高，扩展能力强，极大程度上降低了成本。
[0005]本发明的目的是采用下述技术方案实现的:
[0006]本发明提供一种混合式高压直流断路器，所述直流断路器包括并联的主支路、电流转移支路和能量吸收支路，所述直流断路器串联连接于直流系统中，其改进之处在于，所述主支路包括串联连接的至少一个高速机械开关K和至少一个包含全控器件的电流转移模块；所述电流转移支路包括第一电流转移支路和第二电流转移支路；所述能量吸收支路由非线性电阻器构成。
[0007]进一步地，所述电流转移模块采用由四个IGBT模块和电容器Cl组成的全桥结构；每个IGBT模块均由IGBT器件以及与其反并联的续流二极管组成。
[0008]进一步地，所述电流转移模块采用由四个二极管和并联连接的电容器C2、IGBT模块组成的桥式电路结构，所述IGBT模块由IGBT器件以及与其反并联的续流二极管组成。
[0009]进一步地，所述电流转移模块由反向串联连接的IGBT模块构成，电容器C3并联在反向串联连接的IGBT模块支路的两端；所述IGBT模块由IGBT器件以及与其反并联的续流二极管组成。
[0010]进一步地，所述第一电流转移支路由两组反并联的晶闸管阀构成；两组晶闸管阀分别用Tl和T2表示；
[0011]所述第二电流转移支路包括串联连接的电感L和晶闸管阀-电容模块；所述晶闸管阀-电容模块由并联的两组晶闸管阀-电容串联支路构成；两组晶闸管阀-电容串联支路均由串联的晶闸管阀和电容器组成，两组晶闸管阀通流方向相反；每组电容都被预充电至设定值；两组晶闸管阀分别用T3和T4表示；电容器分别用C和C’表示。
[0012]进一步地，所述非线性电阻器为避雷器。
[0013]本发明基于另一目的提供的一种混合式高压直流断路器的实现方法，其改进之处在于，当电流转移模块采用由四个IGBT模块和电容器组成的全桥结构时，所述实现方法包括:
[0014]一)当直流系统正常运行时，高速机械开关K闭合，电流转移模块中四个IGBT器件处于触发状态；稳态电流流经主支路中串联连接的高速机械开关K和电流转移模块，稳态电流在电流转移模块两条并联连接的IGBT和续流二极管组成的串联支路中被均分；在直流系统正常运行期间，第二电流转移支路中的电容C被充电至设定值；
[0015]二)直流系统发生单侧短路故障:①当直流系统在断路器右侧发生接地短路故障时，对第一电流转移支路中的晶闸管阀T2施加长触发脉冲，再闭锁主支路电流转移模块中的四个IGBT器件；
[0016]②主支路中电流通过续流二极管D1、D2对电流转移模块中电容Cl进行充电，当电容Cl两端电压高于触发晶闸管阀T2所需的最低正向电压时，晶闸管阀T2将被触发开通，流经主支路电流开始向晶闸管阀T2转移直至过零，随后分断高速机械开关K ；
[0017]③维持晶闸管阀T2导通2ms，保障高速机械开关K无弧分断并产生足够耐受直流系统过电压的开距；触发第二电流转移支路中的晶闸管阀T4，与之串联的带有预充电压的电容C’经电感L向晶闸管阀T2反向注入电流，电流从第一电流转移支路向第二电流转移支路转移，晶闸管阀T4在其电流降为零后关断；
[0018]④短路电流经电感L、晶闸管阀T4所在的第二电流转移支路对电容C’进行充电，直至电容C’极性反转，当其幅值达到避雷器动作阈值时，避雷器动作；短路电流转移至避雷器中，直流系统能量将被其所消耗吸收，所述直流断路器完成分断。
[0019]进一步地，当电流转移模块采用由四个二极管、并联的电容器和IGBT模块支路组成的桥式电路结构时，所述实现方法包括:
[0020]一)当直流系统正常运行时，高速机械开关K闭合，电流转移模块中IGBT器件处于触发状态；稳态电流经主支路中串联连接的高速机械开关K和电流转移模块流通；在直流系统正常运行期间，第二电流转移支路中的电容C和C’被充电至设定值；
[0021]二)直流系统发生单侧短路故障:①当直流系统在断路器右侧端口发生接地短路故障时，对第一电流转移支路中的晶闸管阀T2施加长触发脉冲，再闭锁主支路电流转移模块中的IGBT器件；
[0022]②主支路中电流通过续流二极管D1、D2对电流转移模块中电容Cl进行充电，当电容Cl两端电压高于触发晶闸管阀T2所需的最低正向电压时，晶闸管阀T2将被触发开通，流经主支路电流开始向晶闸管阀T2转移直至过零，随后分断高速机械开关K ；
[0023]③维持晶闸管阀T2导通2ms，保障高速机械开关K无弧分断并产生足够耐受直流系统过电压的开距；触发第二电流转移支路中的晶闸管阀T4，与之串联的带有预充电压的电容C’经电感L向晶闸管阀T2反向注入电流，电流从第一电流转移支路向第二电流转移支路转移，晶闸管阀T4在其电流降为零后关断；
[0024]④短路电流经电感L、晶闸管阀T4所在的第二电流转移支路对电容C’进行充电，直至电容C’极性反转，当其幅值达到避雷器动作阈值时，避雷器动作；短路电流转移至避雷器中，直流系统能量将被其所消耗吸收，所述直流断路器完成分断。
[0025]进一步地，当电流转移模块由反向串联连接的IGBT模块构成时，所述实现方法包括:
[0026]一)当直流系统正常运行时，高速机械开关K闭合，电流转移模块中两个IGBT器件处于触发状态；稳态电流流经主支路中串联连接的高速机械开关K和电流转移模块，在直流系统正常运行期间，第二电流转移支路中的电容C和C’被充电至设定值；
[0027]二)直流系统发生单侧短路故障:①当直流系统在断路器右侧端口发生接地短路故障时，对第一电流转移支路中的晶闸管阀T2施加长触发脉冲，再闭锁主支路电流转移模块中的两个IGBT器件；
[0028]②主支路中电流对电流转移模块中电容Cl进行充电，当电容Cl两端电压高于触发晶闸管阀T2所需的最低正向电压时，晶闸管阀T2将被触发开通，流经主支路电流开始向晶闸管阀T2转移直至过零，随后分断高速机械开关K ；
[0029]③维持晶闸管阀T2导通2ms，保障高速机械开关K无弧分断并产生足够耐受直流系统过电压的开距；触发第二电流转移支路中的晶闸管阀T4，与之串联的带有预充电压的电容C’经电感L向晶闸管阀T2反向注入电流，电流从第一电流转移支路向第二电流转移支路转移，晶闸管阀T4在其电流降为零后关断；
[0030]④短路电流经电感L、晶闸管阀T4所在的第二