一种高压直流断路器拓扑的制作方法
【专利摘要】一种高压直流断路器拓扑，由第一电流通路（1）和第二电流通路（2）组成。第一电流通路（1）由至少一个电力电子开关模块（3）和机械开关（4）串联组成，第二电流通路（2）由电容组（C）和级联型电容子单元投切模块（5）组成。级联型电容子单元投切模块（5）由多个子单元（6）串联组成。电力电子开关模块（3）与模块化子单元串联部分（5）的子单元（6）有多种构成方式。第一电流通路（1）的第一引出端子与第二电流通路（2）的第一引出端子连接作为直流断路器的第一引出端子与直流输电线路连接，第一电流通路（1）的第二引出端子与第二电流通路（2）的第二引出端子作为直流断路器的第二引出端子与直流输电线的另一端连接。
【专利说明】一种高压直流断路器拓扑
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种断路器，具体涉及一种直流断路拓扑。
【背景技术】
[0002]快速直流断路器是保证直流输配电系统和直流电网系统稳定安全可靠运行的关键设备之一。与交流系统所不同的是，直流系统的电流并不存在自然过零点，因此直流系统中无法像交流系统一样利用电流的自然过零点关断，因此直流电流的开断问题一直是一个值得研究的课题。
[0003]目前开断直流电流通常有两种方式，第一种是纯电力电子断路器，如专利CN102870181A，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。
[0004]第二种是混合断路器技术，即在传统的交流机械断路器的基础上，通过增加辅助的电力电子电路，投入限流电阻以降低短路电流或在开断弧间隙的直流电流上叠加振荡电流，利用电流过零时开断电路。利用这种原理制造的混合式断路器，其对机械开关有特殊要求，在分断时间上较难满足直流输电系统的要求。
[0005]西门子公司的专利(W02013/093066A1)提出的一种混合断路器技术，在主通路上串联机械开关和电力电子全控器件，另一条旁路由电容组成，当检测到故障电流时，主通路上电力电子全控器件断开，机械开关也开始开断，故障电流向旁路旁路电容充电，这种电路的旁路电容不能取值过小，否则机械开关尚未完全打开，若旁路电容在故障电流充电下电压上升过快会超过机械开关和电力电子器件承受电压等级。然而电容值取值大时，开断速度就会受到影响。
[0006]ABB公司的专利(W02011141054A1)提出的一种混合断路器技术，在主通路上串联机械开关和电力电子全控器件，另一条旁路由避雷器和压接IGBT并联组成，当检测到故障电流时，旁路上的压接IGBT全部导通，之后主通路上的电力电子全控器件断开，机械开关也开始关断，等到机械开关完全关断后，压接IGBT关断，避雷器接入电路抑制短路电流，这种断路器开断速度较快，但是整个旁路的压接IGBT承受电压之和必须要大于直流输电线路初始电压，这需要大量压接IGBT串联，造成整个直流断路器的成本较高。
[0007]并且上述两种专利主回路都必须采用全控开关器件与机械开关串联，导致正常时仍然会有较大的导通损耗。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种混合式直流断路器。本发明具有整体成本低，稳态运行时损耗小的特点，必要时可用半控器件代替初始电流通路上的全控器件，降低正常运行损耗。出现短路故障时本发明无电弧切断，响应迅速。
[0009]本发明采用的技术方案为:[0010]一种混合直流断路器，其特征在于:所述的直流断路器由第一电流通路和第二电流通路组成。第一电流通路的第一引出端子与第二电流通路的第一引出端子连接作为直流断路器的第一引出端子与直流输电线路连接，第一电流通路I的第二引出端子与第二电流通路的第二引出端子连接，作为直流断路器的第二引出端子与直流输电线的另一端连接。
[0011]所述的直流断路器另一种连接方式为:第一电流通路的第一引出端子与第二电流通路的第一引出端子连接后可以与电感一端连接，电感的另一端作为直流断路器的第一引出端子与直流输电线路连接，
[0012]第一电流通路I的第二引出端子与第二电流通路的第二引出端子连接后也可以与电感一端连接，电感的另一端作为直流断路器的第二引出端子与直流输电线的另一端连接。
[0013]第一电流通路由电力电子开关模块和机械开关串联组成。所述的机械开关模块包括至少一个机械开关串联组件，所述的电力电子开关模块包括至少一个的电力电子器件串联组件。机械开关模块的一端与电力电子开关模块的一端连接，机械开关模块的另一端作为第一电流通路的第一引出端子，与直流输电线路连接；电力电子开关模块的另一端作为第一电流通路的第二引出端子，与第二电流阻断通路的第二引出端子连接作为直流断路器的第二引出端子。
[0014]第二电流通路由电容单元和级联型电容子单元投切模块串联组成。所述的第二电流通路的电容单元的一端与级联型电容子单元投切模块的第一引出端子连接，第二电流通路的电容单元的另一端作为第二电流通路的第一引出端子与电感一端连接，第二电流通路的级联型电容子单元投切模块的另一端作为第二电流通路的第二引出端子与第一电流通路的第二引出端子连接。
[0015]所述的第一电流通路的电力电子开关模块可以由一个或多个全控型器件组成。也可以由两组全控型器件反向串联组成，每组全控型器件由一个或多个全控型器件串联组成。所述的第一电流通路的电力电子开关模块也可以由一个或多个半控型器件组成。所述的第二电流通路的电容单元由一个或多个电容器串联并联组成。也可以由电力电子全控器件，二极管和一个和多个电容组成，从而具备双向预充电和双向接入电流通路放电的能力。
[0016]当第一电流通路的电力电子模块采用一个或多个半控型器件串联时，所述的第二电流通路的电容单元两端也可以并联预充电装置，从而能够在故障时放电，使第一电流通路上的电流迅速转移至第二电流通路。从而给第一电流通路的半控型器件串联型电力电子模块创造过零关断条件。
[0017]所述的级联型电容子单元投切模块中的子单元有多种结构组成方式，第一类型子单元由电容组，二极管组和全控型器件组组成。电容组的一端与二极管组的阴极连接，电容组的另一端与全控型器件组的发射极连接，作为第一类型子单元的第二引出端子引出，二极管组的阳极与全控型器件组的集电极连接，作为第一类型子单元的第一引出端子。所述的二极管组由一个或多个二极管串联组成，所述的全控型器件组由一个或多个全控型器件串联组成，所述的电容组由一个或多个电容串并联组成。
[0018]第二类型子单元由电容组，第一二极管组，第二二极管组，第一全控型器件组，以及第二全控型器件组组成。第一二极管组的阴极与第二二极管组的阴极连接然后与电容组的一端连接，第一全控型器件组的发射极与第二全控型器件组连接然后与电容组的另一端连接，第一二极管组的阳极与第一全控型器件组的集电极连接作为第二类型子单元的第一引出端子，第二二极管组的阳极与第二全控型器件组的集电极连接作为第二类型子单元的第二引出端子。所述的二极管组由一个或多个二极管串联组成，所述的全控型器件组由一个或多个全控型器件串联组成，所述的电容组由一个或多个电容串并联组成。所述的第二类型第一二极管组与第一全控型器件组位置可以调换，第二二极管组与第一全控型器件组的位置也可以调换。
[0019]第三类型子单元由电容组，第一全控型器件组，第二全控型器件组77，反向串联全控型器件组。第一全控型器件组的集电极与电容组的一端连接，电容组的另一端与第二全控型器件组的集电极连接，第二全控型器件组的发射极与反向串联全控型器件组的一端集电极连接，作为第三类型子单元的第二引出端子，第一全控型器件组的发射极与反向串联全控型器件组78的另一端发射极连接，作为第三类型子单元的第一引出端子81。所述的全控型器件组由一个或多个全控型器件串联组成，所述的电容组由一个或多个电容串并联组成，采用的电容类型为不分正负极性的电容类型，所述的反向串联全控型器件组由第一正向全控型器件组和第二正向全控型器件组反向串联组成。
[0020]第四类型子单元由电容组，全控型器件组，第一二极管组，第二二极管组，第三二极管组，第四二极管组，以及第五二极管组组成。电容组的一端与第一二极管组的阳极连接，第一二极管的阴极与全控型器件组的集电极连接，电容组的另一端与全控型器件组的发射极连接，第二二极管组的阳极与第三二极管组的阴极连接作为第四类型子单元的第一引出端子，第二二极管组的阴极与全控型器件组的集电极连接，第三二极管组的阳极与全控型器件组的发射极连接，第四二极管组的阳极与第五二极管组的阴极连接作为第三类型子单元的第二引出端子，第四二极管组的阴极与全控型器件组的集电极连接，第五二极管组的阳极与全控型器件组的发射极连接。
[0021]所述的第一二极管组，第二二极管组，第三二极管组，第四二极管组，第五二极管组都由一个或多个二极管串联组成，所述的全控型器件组由一个或多个全控型器件串联组成，所述的电容组由一个或多个电容串并联组成。
[0022]第五类型子单元由二极管不控整流桥，电容组和反并联全控型器件组组成。
[0023]各种类型子单元中的二极管均可用带反并联二极管的全控型器件代替。
[0024]当各类型子单元中的电容初始电压为零时，即每次开始故障电流阻断过程前将子单元电容电压恢复为零值时，可以省略第一类型子单元中的二极管组，第三类型子单元中的第一全控器件组和第二全控器件组。
[0025]在直流输电线路正常运行时，第一电流通路的机械开关模块为闭合状态，第一电流通路的电力电子开关模块为导通状态；当检测到线路短路故障以后，所述的第二电流通路的级联型电容子单元投切模块的子单元处于电容旁路故障电流直通状态，关断电力电子开关模块，使初始电流通路电流降为零，然后机械开关模块开始打开。故障电流被切换到第二电流通路，对所述的第二电流通路的电容单元充电。延时至机械开关两端触头间隔距离足够承受大电压时，所述的第二电流通路的级联型电容子单元投切模块的各子单元动作至其电容组的电容投入状态，各子单元中的电容被快速顺次投入至第二电流通路中，此时第二电流通路中，第二电流通路电容子单元充电电压与各避雷器电压叠加，对故障电流限流，使故障电流最终降为O。
[0026]当所述的第一电流通路的电力电子开关模块由一个或多个半控型器件组成时，所述第二电流通路的电容单元由于并联了预充电装置具备了初始电压，当检测到线路短路故障以后，所述的第二电流通路的级联型电容子单元投切模块的子单元处于电容旁路故障电流直通状态,第二电流通路电容放电使第二电流通路电流迅速增加,第一电流通路上的电流被迅速转移至第二电流通路，使所述的初始电流通路电力电子开关模块自然关断。然后机械开关模块开始打开。至机械开关两端触头间隔距离足够承受大电压时，所述的第二电流通路的级联型电容子单元投切模块的各子单元动作至子单元电容组中的电容投入状态，各子单元中的电容被快速顺次投入至第二电流通路中，此时第二电流通路中第二电流通路电容单元充电电压与各避雷器电压叠加，对故障电流限流，使电感L上的电流最终降为O。
[0027]所述的级联型电容子单元投切模块中，每种类型子单元内的电容组两端都可以并联限压器，第一电流通路两端并联限压器件，第二电流通路电容单元两端并联限压装置，级联型电容子单元投切模块两端并联限压装置。第一电流通路第一引出端子与地之间并联限压装置，第一电流通路第二引出端子与地之间并联限压装置。
[0028]所述的子单元电容器组两端预加充电电路，使电容投入电流通路前具备一定初始电压，加快故障电流关断速度。
[0029]所述的第二电流通路电容单元和所述的子单元电容器组均可加入泄放装置，从而在直流线路短路故障排除之后，能够快速泄放掉电容内多余电压，便于重新合闸。
[0030]当子单元采用所述的第二类型子单元，第三类型子单元，第四类型子单元，第五类型子单元的结构形式时，并且第一点流通路中的电力电子开关模块采用双向开关模块时，该直流断路器可以能够实现双向故障电流阻断功能。
[0031]本发明的优点:
[0032]a.该直流断路器拓扑开断更为迅速，能够实现零电弧开断；
[0033]b.整个换流拓扑可采用常规部件，制造难度相对较小，可靠性高；
[0034]c.该直流断路器能够将短路电流控制在较低的水平，从而保护系统安全性；
[0035]d.该直流断路器拓扑能够减小短路电流对换流站的影响；
[0036]e.更容易与柔性直流输电系统结合，适宜于一体化设计；
[0037]f.与纯电力电子开关式直流断路器相比系统正常工作时的损耗更小；
[0038]g.当采用半控器件代替初始电流通路上的全控电力电子开关时，其系统正常运行损耗能够降至更低；
[0039]h.该断路器电流阻断通路采用初始电容器与模块化子单元投切模块结合，整体实现方案的成本更低。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]图1为本发明的电路原理图；
[0041]图2为本发明的具体实施例1中的电路原理图；
[0042]图3为本发明的具体实施例2中的电路原理图；
[0043]图4为本发明的具体实施例3中的电路原理图；
[0044]图5为本发明的具体实施例4中的电路原理图；[0045]图6为本发明第一类型子单元电路结构示意图；
[0046]图7为本发明的第二类型子单元电路结构示意图；
[0047]图8为本发明的第三类型子单元电路结构示意图；
[0048]图9为本发明的第四类型子单元电路结构示意图；
[0049]图10为本发明的第五类型子单元电路结构示意图；
[0050]图11为本发明的 第六类型单元电路结构示意图；
[0051]图12为本发明初始电流通路中的电力电子开关模块一种结构示意图；
[0052]图13为本发明初始电流通路中的电力电子开关模块另一种结构示意图；
[0053]图14为本发明实施例5的结构示意图。
[0054]
[0055]
[0056]【具体实施方式】
[0057]下面结合附图及【具体实施方式】对本发明作进一步说明。
[0058]如图1所示，本发明由第一电流通路I和第二电流通路2组成。第一电流通路I的第一引出端子与第二电流通路2的第一引出端子连接作为直流断路器的第一引出端子与直流输电线路连接，第一电流通路I的第二引出端子与第二电流通路2的第二引出端子连接，作为直流断路器的第二引出端子与直流输电线的另一端连接。
[0059]第一电流通路I由电力电子开关模块3和机械开关4串联组成。所述的机械开关模块4包括至少一个机械开关串联组件，所述的电力电子开关模块3包括至少一个电力电子器件串联组件；机械开关模块4的一端与电力电子开关模块3的一端10连接，机械开关模块4的另一端作为第一电流通路I的第一引出端子；电力电子开关模块3的另一端作为第一电流通路I的第二引出端子，与第二电流阻断通路2的第二引出端子连接作为直流断路器的第二引出端子。
[0060]第二电流通路2由电容单元C和级联型电容子单元投切模块5串联组成。所述的电容单元C的一端与级联型电容子单元投切模块5的第一引出端子连接，电容单元C的另一端作为第二电流通路2的第一引出端子与电感一端7连接，第二电流通路2的级联型电容子单元投切模块5另一端作为第二电流通路2的第二引出端子与第一电流通路的第二引出端子连接。
[0061]所述的级联型电容子单元投切模块5中的子单元的结构组成方式之一为图6所示的第一类型子单元:第一类型子单元由电容组61、二极管组62和全控型器件组63组成。电容组61的一端64与二极管组62的阴极连接，电容组61的另一端65与全控型器件组63的发射极连接，作为第一类型子单元的第二引出端子65引出，二极管组62的阳极与全控型器件组63的集电极连接，作为第一类型子单元的第一引出端子60 ;所述的二极管组62由一个或多个二极管串联组成；所述的全控型器件组63由一个或多个全控型器件串联组成，所述的电容组61)由一个或多个电容串并联组成。
[0062]所述的级联型电容子单元投切模块(5)中的子单元的结构组成方式之二为图7所示的第二类型子单元:第二类型子单元由电容组66、第一二极管组67、第二二极管组68、第一全控型器件组69和第二全控型器件组70组成；第一二极管组67的阴极与第二二极管组68的阴极连接后与电容组66的一端71连接,第一全控型器件组69的发射极与第二全控型器件组70连接然后与电容组66的另一端72连接，第一二极管组67的阳极与第一全控型器件组69的集电极连接，作为第二类型子单元的第一引出端子73，第二二极管组68的阳极与第二全控型器件组的集电极连接作为第二类型子单元的第二引出端子74 ;所述的第一二极管组67、第二二极管组68由一个或多个二极管串联组成；所述的第一全控型器件组69和第二全控型器件组70由一个或多个全控型器件串联组成；所述的电容组66由一个或多个电容串并联组成。所述的第二类型子单元的第一二极管组(67)与第一全控型器件组(69)位置调换，第二二极管组(68)与第一全控型器件组(69)的位置调换。替换之后所述的级联型电容子单元投切模块中的子单元的结构为:所述的第二类型第一二极管组的阴极与第二类型第一全控型器件组的发射极连接，作为第二类型子单元的第一引出端子，第二二极管组的阴极与第二全控型器件组的发射极连接，作为第二类型子单元的第二引出端子。第一二极管组与第二二极管组的阳极连接与电容组的一端连接，第二全控型器件组的集电极与第一全控型器件组的集电极连接与电容的另一端连接。
[0063]所述的级联型电容子单元投切模块5中的子单元的结构组成方式之三为图8所示的第三类型子单元:第三类型子单元由电容组75、第一全控型器件组76、第二全型器件组77和反向串联全控型器件组78组成；第一全控型器件组76的集电极与电容组75的一端83连接，电容组75的另一端84与第二全控型器件组77的集电极连接，第二全控型器件组77的发射极与反向串联全控型器件组78的一端集电极连接，作为第三类型子单元的第二引出端子82，第一全控型器件组76的发射极与反向串联全控型器件组78的另一端发射极连接，作为第三类型子单元的第一引出端子81 ;所述的第一全控型器件组76、第二全控型器件组77由一个或多个全控型器件串联组成；所述的电容组75由一个或多个电容串并联组成，采用的电容类型为不分正负极性的电容类型；所述的反向串联全控型器件组78由第一正向全控型器件组79和第二正向全控型器件组80反向串联组成。
[0064]所述的级联型电容子单元投切模块(5)中的子单元的结构组成方式之四为图9所示的第四类型子单元:第四类子单元由电容组90、全控型器件组91、第一二极管组89、第二二极管组85、第三二极管组86、第四二极管组87，以及第五二极管组88组成；电容组90的一端与第一二极管组89的阳极96连接，第一二极管组96的阴极与全控型器件组91的集电极92连接，电容组90的另一端与全控型器件组91的发射极93连接，第二二极管组85的阳极与第三二极管组86的阴极连接作为第四类型子单元的第一引出端子，第二二极管组85的阴极与全控型器件组91的集电极92连接，第三二极管组86的阳极与全控型器件组的发射极93连接，第四二极管组87的阳极与第五二极管组88的阴极连接作为第三类型子单元的第二引出端子95，第四二极管组87的阴极与全控型器件组91的集电极92连接，第五二极管组88的阳极与全控型器件组91的发射极93连接；
[0065]所述的第一二极管组89，第二二极管组85，第三二极管组86，第四二极管组87，第五二极管组88均由一个或多个二极管串联组成；所述的全控型器件组91由一个或多个全控型器件串联组成；所述的电容组90由一个或多个电容串并联组成。
[0066]所述的级联型电容子单元投切模块5中的子单元的结构组成方式之五为图10中第五类型子单元:第五类型子单元由二极管不控整流桥，电容组97和反串联全控型器件组108组成。图10中的第一二极管98，第二二极管99，第三二极管100，第四二极管101组成二极管不控整流桥结构，二极管不控整流桥的第一端子104与电容组97的一端连接，二极管不控整流桥的第二端子105与电容组97的另一端连接，二极管不控整流桥的第三端子102与反串联全控型器件组108)的一端106连接，二极管不控整流桥的第四端子103与反串联全控型器件组108的另一端107连接。
[0067]反串联全控型器件组的具体实现方式如图13组成，由第一组全控型器件201和第二组全控型器件202反向串联组成。
[0068]所述的级联型电容子单元投切模块中的子单元还可以如图11所示的第六类型子单元:第六类型子单元由电容由双向电力电子开关模块214，电容单元212，第一全控型器件组211，第二全控型器件组213组成。第一全控型器件组的集电极与电容单元一端连接，电容单元另一端与第二全控型器件组的集电极连接，第一全控型器件组的发射极与双向电力电子开关模块214的第一引出端子215连接，作为第六类型子单元的第一引出端子，第二全控型器件组的发射极与双向电力电子开关模块214的第二引出端子216连接，作为第六类型子单元的第二引出端子。
[0069]所述的双向电力电子开关模块214的具体构成方式如图12所示，第一二极管组225，第二二极管组226，第三二极管组227，第四二极管组228成不控整流桥电路，不控整流桥电路的共阴极221与全控型器件组的集电极连接，不控整流桥电路的共阳极与全控型器件组的发射极连接，第一二极管组225的阳极与第三二极管组227的阴极连接作为双向电力电子开关模块的第一引出端子223，第二二极管组226的阴极与第四二极管组228的阳极连接作为双向电力电子开关模块的第二引出端子224。
[0070]实施例1
[0071]图2所示为本发明的实施例1，如图2所示，电压源15为换流站，电阻16为模拟短路电阻。本发明的基本拓扑由第一电流通路I和第二电流通路2组成；第一电流通路I的第一引出端子与第二电流通路2的第一引出端子连接作为直流断路器的第一引出端子与近换流站侧的直流输电线路7连接，第一电流通路I的第二引出端子与第二电流通路2的第二引出端子作为直流断路器的第二引出端子与远换流站侧的直流输电线路连接。电感L可以为换流站本身装置的电感，也可以为直流断路器附加的限流电感。
[0072]第一电流通路I由电力电子开关模块3和机械开关模块4串联组成，第一电流通路I中的机械开关模块4包括至少一个机械开关串联组件，所述的第一电流通路I中的电力电子开关模块3包括至少一个电力电子器件串联组件。机械开关模块4的一端与电力电子开关模块3的一端10连接，机械开关模块4的另一端作为第一电流通路的第一引出端子；电力电子开关模块3的另一端作为第一电流通路的第二引出端子，与第二电流阻断通路2的第二引出端子连接作为直流断路器的第二引出端子。
[0073]第二电流通路2由电容单元C和级联型电容子单元投切模块5串联组成。所述的电容单元C的一端与级联型电容子单元投切模块5的第一引出端子连接，电容单元C的另一端作为第二电流通路2的第一引出端子与电感一端7连接，第二电流通路2的级联型电容子单元投切模块5的另一端作为第二电流通路2的第二引出端子与第一电流通路的第二引出端子连接。
[0074]级联型电容子单元投切模块5的有多种结构形式。第一类型子单元由电容组61，二极管组62和全控型器件组63组成。电容组64的一端与二极管组62的阴极连接，电容组的另一端65与全控型器件组的发射极连接，作为第一类型子单元的第二引出端子65引出，二极管组62的阳极与全控型器件组的集电极连接，作为第一类型子单元的第一引出端子60。所述的二极管组62由一个或多个二极管串联组成，所述的全控型器件组63由一个或多个全控型器件串联组成，所述的电容组64由一个或多个电容串并联组成。当全控器件组导通时，电容组64的电容不接入第二电流通路，当全控器件组关断时，电容组64的电容接入第二电流通路。
[0075]在直流输电线路正常运行时，第一电流通路I的机械开关模块4为闭合状态，第一电流通路I的电力电子开关模块3为导通状态；当检测到线路短路故障以后，所述的第二电流通路2的级联型电容子单元投切模块5的子单元处于电容旁路故障电流直通状态，关断电力电子开关模块3，使初始电流通路I的电流降为零，然后机械开关模块4开始打开。故障电流被切换到第二电流通路2，对所述的第二电流通2的电容单元充电。延时至机械开关两端触头间隔距离足够承受大电压时，所述的第二电流通路的级联型电容子单元投切模块的各子单元动作至电容投入状态，各子单元中的电容被快速顺次投入至第二电流通路2中，此时第二电流通路2中的电容值由刚开始的电容子单元电容值变为电容单元与各子单元中的电容串联之后的电容值，由于电容值迅速减小，故障电流对第二电流通路总电容值充电导致电压上升的速度加快，使故障电流阻断速度增快，迅速降为O。
[0076]实施例2
[0077]图3所示为本发明的实施例2。图3中的第一电流通路两端，第二电流通路的电容器模块两端和级联型电容子单元投切模块两端均并联了限压器。第一电流通路I的第一引出端子与地之间，第一电流通路I的第二引出端子与地之间并联限压装置，用以对整个直流断路器的各个部分进行过电压保护。也可以选择性的在需要保护的地方两端增加限压器件。
[0078]实施例3
[0079]图4所示为本发明的实施例3。图4中第一电流通路I的电力电子开关模块3采用了半控型器件晶闸管。电力电子开关模块3也可以由多个晶闸管串联组成。这样可以使得整个直流断路器在直流电网正常运行时，其导通损耗更低，但是由于晶闸管没有自关断能力，需要创造电流过零点将其关断。因此，本实施例在第二电流通路的电容单元C两端添加了预充电电路，充电电压近换流站侧为负，远换流站侧为正。当检测到线路短路故障以后，所述的第二电流通路2的级联型电容子单元投切模块5的各子单元全控器件组导通，第二电流通路2的电容单元C放电，由于电感L上的电流不能突变，而第二电流通路2由于电容单元C放电导致电流迅速增大，因此第一电流通路I的电流迅速转移至第二电流通路2，使所述的第一电流通路I的电流迅速降低至零，晶闸管自然关断。其后的故障电流阻断过程与实施例3类似。
[0080]实施例4
[0081]图5所示为本发明的实施例4。图5中第一电流通路I的电力电子开关模块3采用了如图13所示的反向串联结构，由两组同向串联的IGBT反向串联组成，每组同向串联的IGBT包括一个或多个IGBT ;电力电子开关模块3或者米用一个或多个如图12所不开关模块串联组成。第二电流通路2的级联型电容子单元投切模块5的各子单元采用图7、图8、图9、图10、图11中任意一种子单元结构。从而使整个拓扑结构具备双向电流阻断能力。
[0082]实施例5
[0083]图11为本发明的另一种应用方式与双极性柔性直流输电时的实施例。如图11所示，第一断路器60的第一引出端子61与双极输电线路的正极连接，第一断路器60的第二引出端子62与模拟短路电阻一端连接。第二断路器65的第一引出端子63与双极输电线路的负极连接，第二断路器65的第二引出端子64与模拟短路电阻的另一端连接。
【权利要求】
1.一种高压直流断路器拓扑，其特征在于:所述的直流断路器由第一电流通路(I)和第二电流通路(2)组成；第一电流通路(I)的第一引出端子与第二电流通路(2)的第一引出端子连接，作为直流断路器的第一引出端子与直流输电线路连接；第一电流通路(I)的第二引出端子与第二电流通路(2)的第二引出端子连接，作为直流断路器的第二引出端子与直流输电线的另一端连接； 所述的第一电流通路(I)由电力电子开关模块(3)和机械开关(4)串联组成；所述的机械开关模块(3)包括至少一个机械开关串联组件；所述的电力电子开关模块(3)包括至少一个电力电子器件串联组件；机械开关模块(4)的一端与电力电子开关模块(3)的一端(10)连接，机械开关模块(4)的另一端作为第一电流通路(I)的第一引出端子与直流输电线路连接；电力电子开关模块(3)的另一端作为第一电流通路(I)的第二引出端子，与第二电流阻断通路(2)的第二引出端子连接作为直流断路器的第二引出端子； 第二电流通路(2 )由电容单元(C)和级联型电容子单元投切模块(5)串联组成；所述的电容单元(C)的一端与级联型电容子单元投切模块(5)的第一引出端子连接，电容单元(C)的另一端作为第二电流通路(2)的第一引出端子与电感(L)的一端(7)连接，第二电流通路(2)的级联型电容子单元投切模块(5)的另一端作为第二电流通路(2)的第二引出端子与第一电流通路 (I)的第二引出端子连接； 所述的第一电流通路的电力电子开关模块(3)由一个或多个全控型器件串联组成； 所述的第二电流通路(2)的电容单元(C)由至少一个的电容串联或并联组成。
2.按照权利要求1所述的高压直流断路器拓扑，其特征在于:所述的电力电子开关模块(3 )由两组全控型器件反向串联组成，每组全控型器件由一个或多个全控型器件串联组成。
3.按照权利要求1所述的高压直流断路器拓扑，其特征在于:所述的电力电子开关模块(3)由一个或多个半控型器件组成。
4.按照权利要求1所述的高压直流断路器拓扑，其特征在于:所述的第二电流通路(2)的电容单元(C)由至少一个的电容串并联组成。
5.按照权利要求1所述的高压直流断路器拓扑，其特征在于:所述的级联型电容子单元投切模块(5)中的子单元的结构组成方式之一为:第一类型子单元由电容组(61)、二极管组(62)和全控型器件组(63)组成，电容组(61)的一端(64)与二极管组(62)的阴极连接，电容组(61)的另一端(65)与全控型器件组(63)的发射极连接，作为第一类型子单元的第二引出端子(65)引出，二极管组(62)的阳极与全控型器件组(63)的集电极连接，作为第一类型子单元的第一引出端子(60);所述的二极管组(62)由一个或多个二极管串联组成；所述的全控型器件组(63)由一个或多个全控型器件串联组成，所述的电容组(61)由一个或多个电容串并联组成。
6.按照权利要求1所述的高压直流断路器拓扑，其特征在于:所述的级联型电容子单元投切模块(5)中的子单元的结构组成方式之二为:第二类型子单元由电容组(66)、第一二极管组(67)、第二二极管组(68)、第一全控型器件组(69)和第二全控型器件组(70)组成；第一二极管组(67)的阴极与第二二极管组(68)的阴极连接后与电容组(66)的一端(71)连接，第一全控型器件组(69)的发射极与第二全控型器件组(70)连接然后与电容组(66)的另一端(72)连接，第一二极管组(67)的阳极与第一全控型器件组(69)的集电极连接作为第二类型子单元的第一引出端子(73)，第二二极管组(68)的阳极与第二全控型器件组的集电极连接作为第二类型子单元的第二引出端子(74);所述的第一二极管组(67)、第二二极管组(68)由一个或多个二极管串联组成；所述的第一全控型器件组(69)和第二全控型器件组(70)由一个或多个全控型器件串联组成；所述的电容组(66)由一个或多个电容串并联组成。
7.按照权利要求1所述的高压直流断路器拓扑，其特征在于:所述的级联型电容子单元投切模块(5)中的子单元的结构组成方式之三为:第三类型子单元由电容组(75)、第一全控型器件组(76 )、第二全型器件组(77 )和反向串联全控型器件组(78 )组成；第一全控型器件组(76)的集电极与电容组(75)的一端(83)连接，电容组(75)的另一端(84)与第二全控型器件组(77)的集电极连接，第二全控型器件组(77)的发射极与反向串联全控型器件组(78)的一端集电极连接，作为第三类型子单元的第二引出端子(82)，第一全控型器件组(76)的发射极与反向串联全控型器件组(78)的另一端发射极连接，作为第三类型子单元的第一引出端子(81);所述的第一全控型器件组(76)、第二全控型器件组(77)由一个或多个全控型器件串联组成；所述的电容组(75)由一个或多个电容串并联组成，采用的电容类型为不分正负极性的电容类型；所述的反向串联全控型器件组(78)由第一正向全控型器件组(79)和第二正向全控型器件组(80)反向串联组成。
8.按照权利要求1所述的高压直流断路器拓扑，其特征在于:所述的级联型电容子单元投切模块(5)中的子单元的结构组成方式之四为:第四类子单元由电容组(90)、全控型器件组(91)、第一二极管组(89)、第二二极管组(85)、第三二极管组(86)、第四二极管组(87)，以及第五二极管组(88)组成；电容组(90)的一端与第一二极管组(89)的阳极(96)连接，第一二极管组(96)的阴极与全控型器件组(91)的集电极(92)连接，电容组(90)的另一端与全控型器件组(91)的发射极(93)连接，第二二极管组(85)的阳极与第三二极管组(86)的阴极连接作为第四类型子单元的第一引出端子，第二二极管组(85)的阴极与全控型器件组(91)的集电极(92)连接，第三二极管组(86)的阳极与全控型器件组的发射极(93)连接，第四二极管组(87)的阳极与第五二极管组(88)的阴极连接作为第三类型子单元的第二引出端子(95)，第四二极管组(87)的阴极与全控型器件组(91)的集电极(92)连接，第五二极管组(88)的阳极与全控`型器件组(91)的发射极(93)连接； 所述的第一二极管组(89)，第二二极管组(85)，第三二极管组(86)，第四二极管组(87)，第五二极管组(88)均由一个或多个二极管串联组成；所述的全控型器件组(91)由一个或多个全控型器件串联组成；所述的电容组(90)由一个或多个电容串并联组成。
9.按照权利要求1所述的高压直流断路器拓扑，其特征在于:在直流输电线路正常运行时，第一电流通路(I)的机械开关模块为闭合状态，第一电流通路(I)的电力电子开关模块为导通状态；当检测到线路短路故障以后，所述的第二电流通路(2)的级联型电容子单元投切模块(5)的子单元处于电容旁路故障电流直通状态，关断电力电子开关模块(3)，使初始电流通路的电流降为零，然后机械开关模块开始打开；故障电流被切换到第二电流通路(2)对所述的第二电流通路(2)的电容子单元充电；延时至机械开关两端触头间隔距离足够承受大电压时，所述的第二电流通路的级联型电容子单元投切模块(5)的各子单元动作至其电容投入状态，各子单元中的电容被快速顺次投入至第二电流通路(2)中，此时第二电流通路(2)中的第二电流通路电容子单元充电电压与各避雷器电压叠加，对故障电流限流，使故障电流最终降为O。
10.按照权利要求1所述的高压直流断路器拓扑，其特征在于:所述的第一电流通路的电力电子开关模块由一个或多个半控型器件组成；所述第二电流通路(2)的电容单元(C)由于并联了预充电装置具备了初始电压，当检测到线路短路故障以后，所述的第二电流通路的级联型电容子单元投切模块(5)的子单元处于电容旁路故障电流直通状态，第二电流通路的电容单元(C)放电使第二电流通路(2)的电流迅速增加，第一电流通路(1)上的电流被迅速转移至第二电流通路(2)，使所述的初始电流通路的电力电子开关模块(3)自然关断，然后机械开关模块(4)开始打开；至机械开关两端触头间隔距离足够承受大电压时，所述的第二电流通路(2)的级联型电容子单元投切模块(5)的各子单元动作至各子单元电容组中的电容投入状态，各子单元电容组中的电容被快速顺次投入至第二电流通路(2)中，此时第二电流通路(2 )中的电容子单元充电电压与各避雷器电压叠加，对故障电流限流，使故障电流最终降为O。
11.按照权利要求1所述的高压直流断路器拓扑，其特征在于:所述的级联型电容子单元投切模块(5)中子单元内的电容组两端均并联限压器，第一电流通路(1)的两端并联限压器件，第二电流通路(2)的电容单元(C)的两端并联限压装置，级联型电容子单元投切模块(5)的两端并联限压装置；第一电流通路(1)的第一引出端子与地之间并联限压装置，第一电流通路(1)的第二引出端子与地之间并联限压装置。
12.按照权利要求5、6、7、8中的任一项所述的高压直流断路器拓扑，其特征在于:所述的第一类型子单元中的二极管组(62)，第四类型子单元中的二极管组(89)用导线代替；所述的第一类型子单元，第二类型子单元，第三类型子单元，第四类型子单元，第五类型子单元中的二极管组均由带反并联二极管的全控性器件组代替。
【文档编号】H01H9/54GK103681039SQ201310646962
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月4日 优先权日:2013年12月4日
【发明者】朱晋, 韦统振, 肖立业 申请人:中国科学院电工研究所