一种高压直流断路器及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力系统故障保护技术领域，具体涉及一种高压直流断路器，以及其控制方法。
【背景技术】
[0002]直流断路器是直流电力系统中的关键保护设备，在系统发生短路故障时担负着快速断开电路、实现故障隔离的重要任务。传统的直流开断方式受其自身开断机制的制约，无法满足高压直流电力系统保护的需求。新型快速直流开断技术一直是直流电力系统中研究的热点和难点，目前主要有固态断路器和混合断路器两种方案。
[0003]采用纯半导体开关实现的直流固态断路器如图1所示，具有能够无弧快速分断直流电流的优点，然而其分断能力较低，系统长期运行损耗过大。
[0004]结合快速机械开关和半导体开关构成的混合直流断路器，兼备机械开关良好的静态性能和半导体开关优良的动态特性，分别有零电流开关和零电压开关两种基本类型。
[0005]参照图2所示，零电流开关通过LC强迫换流电路实现机械开关S电流过零分断，机械开关S电流过零时di/dt很高，弧后介质难以快速恢复，导致大电流分断的可靠性较低。
[0006]参照图3所示，零电压开关通过机械开关S分断时产生的电弧电压，实现电流向全控型半导体器件IGBT的转移，然后通过IGBT将电流关断；在高压系统中，机械开关S和IGBT之间回路的杂散电感很大，机械开关S较低的电弧电压难以实现短路电流的快速转移，致使分断失败。因此，电流快速转移技术和机械开关弧后介质可靠恢复技术是阻碍现有混合直流断路器向高压大容量系统发展的根本原因。
【发明内容】
[0007]为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的之一是提供一种同时结合快速机械开关和大功率半导体开关的高压直流断路器。
[0008]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种高压直流断路器，包括主电流电路、第一转移电路、第二转移电路、能量吸收电路、磁场发生电路、系统接线端J1和J2 ；
所述的主电流电路、第二转移电路和能量吸收电路并联，并联电路的第一联结端与所述的系统接线端J1连接，并联电路的第二联结端与所述的系统接线端J2连接；
所述的主电流电路由真空开关模块VB1和真空开关模块VB2串联构成，所述真空开关模块VB1和真空开关模块VB2是至少由一个真空开关构成的串并联组件，所述的真空开关是基于电磁斥力原理构成的快速真空开关；
所述的第一转移电路是至少由一个半导体开关串并联构成的半导体开关组件T，与所述的真空开关模块VB1并联，所述的半导体开关采用二极管或晶闸管；
所述的第二转移电路是由预充电电容C2、电感L2和控制开关S2依次串联构成的脉冲电流电路，所述的电容C2与电感L2连接的一极为预充电电压正极，所述的控制开关S2采用至少由一个晶闸管或真空触发开关串并联构成的开关组件；
所述的能量吸收电路是由多个压敏电阻单元串并联构成的压敏电阻组件MOV ;
所述的磁场发生电路是由预充电电容C1、线圈L1和控制开关S1依次串联构成的脉冲磁场回路，所述的真空开关模块VB1和磁场发生电路之间没有电气连接关系，所述的线圈L1与所述的真空开关模块VB1尽量靠近，线圈L1的法向与真空开关模块VB1中电流方向垂直。
[0009]所述的一种高压直流断路器，其磁场发生电路中的控制开关S1接通时，所述的电容C1通过所述的线圈L1放电，所述的线圈L1产生与所述真空开关模块VB1中电流方向垂直的横向磁场B。
[0010]所述的一种高压直流断路器，其半导体开关组件T采用晶闸管反向并联组件T1或二极管桥式电路与单相晶闸管构成的组件T2，所述的第二转移电路采用预充电电容、电感与晶闸管桥构成的桥式转移电路T3，使高压直流断路器实现双向电流分断功能。
[0011]本发明的目的之二是提供一种高压直流断路器的控制方法。
[0012]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种高压直流断路器的控制方法，包括以下步骤:
a)、在直流电力系统正常工作阶段，主电流电路中的真空开关模块VB1和真空开关模块VB2均处于闭合状态，负载电流由真空开关模块VB1和真空开关模块VB2承担；
b)、当系统出现短路故障后，真空开关模块VB1和真空开关模块VB2同时分断，磁场发生电路(5)导通，产生能显著提高真空开关模块VB1分断电弧电压的横向磁场B ;
c)、在真空开关模块VB1分断的同时，第一转移电路中的半导体开关组件T导通，在真空开关模块VB1电弧电压的作用下，电流迅速从真空开关模块VB1向半导体开关组件T中转移；
d)、当电流完全转移至半导体开关组件T之后，延时至所述真空开关模块VB2的触头分开到足够开距时，第二转移电路中控制开关S2接通，电容C2通过电感L2放电产生脉冲电流，迫使半导体开关组件T和真空开关模块VB2中的电流同时减小为零；
e)、半导体开关组件T电流过零关断后，系统母线对电容C2反向充电，导致断路器两端的电压不断增加，当电压增加到压敏电阻组件MOV的开通值后，压敏电阻组件MOV导通吸收系统能量并限制过电压，实现对故障电流的限制并最终使其减小为零。
[0013]所述的一种高压直流断路器的控制方法，其半导体开关组件T采用二极管组件时还包括以下步骤:
A)、二极管不需要门极控制，在真空开关模块VB1电弧电压开始建立时，即自动进入电流转移过程；
B)、二极管电流过零后，电容C2电压极性相对于二极管为反向，在电容C2电压方向变化之前，二极管反向截止，在此期间，真空开关模块VB2进行弧后介质快速恢复；
C)、二极管首先承受分断过程中断路器两端建立的反向恢复电压，当恢复电压变为正向后，由真空开关申旲块VB2完全承担。
[0014]所述的一种高压直流断路器的控制方法，其半导体开关组件T采用晶闸管组件时还包括以下步骤:
A)、在真空开关模块VB1电弧电压开始建立时，通过门极控制晶闸管导通，实现电流的转移过程；
B)、晶闸管电流过零后，电容C2电压极性相对于晶闸管为反向，晶闸管自然关断，由于晶闸管同时具备正反向阻断功能，真空开关模块VB2能够更加可靠地完成弧后介质恢复；
C)、晶闸管首先承受分断过程中断路器两端建立的反向恢复电压，当恢复电压变为正向后，由晶闸管组件和真空开关模块VB2共同承担。
[0015]本发明的有益效果是:
1、系统正常运行损耗小，带负载能力强。
[0016]2、分断过程电弧电压高，电流转移速度快。
[0017]3、机械开关介质恢复迅速，分断可靠性高。
[0018]4、断路器容易实现双向分断功能。
【附图说明】
[0019]图1为现有的固态断路器方案的不意图；
图2为现有的零电流开关方案的不意图；
图3为现有的零电压开关方案的示意图；
图4为本发明的高压混合式直流断路器方案的示意图；
图5为本发明具体实施例1中方案的示意图；
图6为本发明具体实施例1中的预期分断波形；
图7为本发明具体实施例2中方案的示意图；
图8为本发明具体实施例2中的预期分断波形；
图9为本发明双向半导体开关组件T1的结构示意图；
图10为本发明双向半导体开关组件T2的结构示意图；
图11为本发明双向桥式转移电路T3的结构示意图。
[0020]各附图标记为:1 一主电流电路，2—第一转移电路，3—第二转移电路，4一能量吸收电