一种多端直流系统用直流断路器及其控制方法
【专利摘要】本发明公开一种多端直流系统用直流断路器及其控制方法，断路器包括避雷器、主开关支路和辅助开关电路；避雷器与主开关支路并联；主开关支路由两组结构相同的断流单元的串联构成，在每组断流单元两端，并联设置有结构相同的辅助开关电路。辅助开关电路均包括晶闸管-电抗串联支路、二极管、电容和电阻；二极管并联在断流单元两端，晶闸管-电抗串联支路和电容对地并联接于二极管两端，并通过电阻接地。本发明通过注入反向电流的方法使得直流电流过零来将其分断。本发明采用半控型器件晶闸管构成直流断路器拓扑，可应用于高压大电流场合，成本较低，控制简易，扩展性高。
【专利说明】一种多端直流系统用直流断路器及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力电子【技术领域】，具体涉及一种多端直流系统用直流断路器及其控制方法。
【背景技术】
[0002]多端直流输电技术能够实现多电源供电、多落点受电，是一种灵活、快捷、经济的输电方式，满足电力工业的发展需求。直流断路器是多端直流输电工程中一种十分重要的设备，在多端直流系统中采用直流断路器才能充分发挥多端直流系统的特点和优势，然而直流断路器开断直流电流过程承受电压极高，需要吸收的能量特别大，要求开断速度快，可靠性高，而且需要开断双向电流。目前，一些学者正在研究其对应的直流断路器。
【发明内容】
[0003]针对现有技术的不足，本发明提出一种多端直流系统用直流断路器及其控制方法，核心是基于电流转移原理采用叠加反向电流的方式分断直流电流，实现了电流的双向分断，为直流断路器的研制提供了一条崭新的技术路线。
[0004]本发明提供的一种多端直流系统用直流断路器，其特征在于，包括避雷器、主开关支路和辅助开关电路；所述避雷器与所述主开关支路并联；
[0005]所述主开关支路由两组结构相同的第一断流单元和第二断流单元串联构成；所述第一断流单元包括串联的隔离开关BRK11、交流断路器BRK12和第一晶闸管阀段；所述第二断流单元包括串联的隔离开关BRK21、交流断路器BRK22和第二晶闸管阀段；
[0006]在所述第一断流单元两端并联第一辅助开关电路；在所述第二断流单元两端并联第二辅助开关电路；
[0007]所述第一辅助开关电路包括晶闸管T13-电抗LI串联支路、二极管D12、电容Cl和电阻Rl ;所述二极管D12并联在所述第一断流单元两端；所述晶闸管T13-电抗LI串联支路和所述电容Cl对地并联接于所述二极管D12两端，并通过所述电阻Rl接地；
[0008]所述第二辅助开关电路包括晶闸管T23-电抗L2串联支路、二极管D22、电容C2和电阻R2 ;所述二极管D22并联在所述第二断流单元两端；所述晶闸管T23-电抗L2串联支路和所述电容C2对地并联接于所述二极管D22两端，并通过所述电阻R2接地。
[0009]其中，所述第一晶闸管阀段包括晶闸管T11、晶闸管T12、二极管Dll和电阻R3 ;二极管Dll与所述电阻R3串联后分别与所述晶闸管Tll和所述晶闸管T12并联；所述晶闸管Tll和晶闸管T12为反并联结构；所述二极管Dll与所述二极管D12方向相反；
[0010]所述第二晶闸管阀段包括晶闸管T21、晶闸管T22、二极管D21和电阻R4 ;二极管D21与所述电阻R4串联后分别与所述晶闸管T21和所述晶闸管T22并联；所述晶闸管T21和晶闸管T22为反并联结构；所述二极管D21与所述二极管D22方向相反。
[0011]其中，所述第一辅助开关电路中，所述晶闸管T13的阳极与所述二极管D12的负极连接，其阴极与所述电抗LI的一端连接；所述电容Cl 一端与所述二极管D12的正极连接；所述电容Cl另一端与所述电抗LI的另一端连接；所述电抗LI通过所述电阻Rl接地；
[0012]所述第二辅助开关电路中，所述晶闸管T23的阳极与所述二极管D22的负极连接，其阴极与所述电抗L2的一端连接；所述电容C2—端与所述二极管D22的正极连接；所述电容C2另一端与所述电抗L2的另一端连接；所述电抗L2通过所述电阻R2接地。
[0013]其中，所述第一辅助开关电路中的所述二极管D12和所述晶闸管T13的个数均为两个以上；
[0014]所述第二辅助开关电路中的所述二极管D22和所述晶闸管T23的个数均为两个以上。
[0015]其中，所述第一辅助开关电路中的二极管Dl和所述第二辅助开关电路中的二极管D2负极相接，正极与线路中的限流电抗器连接。
[0016]本发明基于另一目的提供的一种多端直流系统用直流断路器的控制方法，其改进之处在于，所述控制方法包括如下步骤:
[0017]开通过程:
[0018](I)将直流断路器接入线路中，并保持晶闸管Tl 1、晶闸管T12、晶闸管T21、晶闸管T22、晶闸管T13和晶闸管T23为闭锁状态，隔离开关BRK11、隔离开关BRK21、交流断路器BRK12和交流断路器BRK22为断开状态；
[0019](2)闭合第二断流单元中的隔离开关BRK21，然后闭合交流断路器BRK22 ；
[0020](3)触发导通第二断流单元的晶闸管T21 ；
[0021](4)闭合第一断流单元中的隔离开关BRK11，然后闭合交流断路器BRK12，并导通其中的晶闸管Tll ；
[0022]关断过程:
[0023]①触发导通第二辅助开关电路中的晶闸管T23 ；
[0024]②断开所述隔离开关BRK21 ；
[0025]③避雷器吸收能量；
[0026]④断开所述交流断路器BRK22、隔离开关BRKll和交流断路器BRK12。
[0027]本发明基于另一目的提供的一种多端直流系统用直流断路器的控制方法，其改进之处在于，所述控制方法包括如下步骤:
[0028]开通过程:
[0029](I)将直流断路器接入线路中，并保持晶闸管T11、晶闸管T12、晶闸管T21、晶闸管T22、晶闸管T13和晶闸管T23为闭锁状态，隔离开关BRKl1、隔离开关BRK21交流断路器BRK12和交流断路器BRK22为断开状态；
[0030](2)闭合第一断流单元中的隔离开关BRK11，然后闭合交流断路器BRK12 ；
[0031](3)触发导通第一断流单元的晶闸管T12 ；
[0032](4)闭合第二断流单元中的隔离开关BRK21，然后闭合交流断路器BRK22，并导通其中的晶闸管T22 ；
[0033]关断过程:
[0034]①触发导通第一辅助开关电路中的晶闸管T13 ；
[0035]②断开所述隔离开关BRKll ；
[0036]③避雷器吸收能量；[0037]④断开所述交流断路器BRK12、隔离开关BRK21和交流断路器BRK22。
[0038]与现有技术比，本发明的有益效果为:
[0039]本发明结合了强迫换流思想和电流转移分断思想，实现了大容量系统直流电流的分断。
[0040]本发明采用半控型器件晶闸管构成直流断路器拓扑，利用半控型器件代替昂贵的全控型器件，通态损耗低，制造成本和散热要求较低，技术成熟。
[0041]本发明可应用于高压大电流场合，拓扑结构简单紧凑，控制简易，可扩展性高。
[0042]本发明应用快速隔离开关，实现了多工况双向直流电流分断，分断过程无弧快速。
[0043]本发明利用辅助开关电路实现了直流断路器的软开通，减小了功率器件开通过程所承受的应力。
[0044]本发明属于混合型高压直流断路器，结合了机械式直流断路器和固态直流断路器二者的优势，研发难度相对较小，适用于各种多端直流系统。
[0045]本发明利用线路为辅助开关电路中电容器充电，不需额外增加充电设备，从而降低设备间电气隔离难度，减少占地面积和成本，易于工程化实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0046]图1为本发明提供的直流断路器结构图。
[0047]图2为本发明提供的分断故障电流的波形示意图。
[0048]图3为本发明提供的分断负荷电流的波形示意图。
【具体实施方式】
[0049]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步的详细说明。
[0050]本实施例提出的一种多端直流系统用直流断路器，其通过两端串联限流电抗器后接入电网，其结构如图1所示，包括避雷器、主开关支路和辅助开关电路；其中，避雷器与主开关支路并联。
[0051]图中，主开关支路包括两组结构相同的第一断流单元和第二断流单元。第一断流单元包括串联的快速隔离开关BRK11、高压SF6断路器BRK12和第一晶闸管阀段；第一晶闸管阀段包括晶闸管T11、晶闸管T12、二极管Dll和电阻R3 ;二极管Dll与电阻R3串联后分别与晶闸管Tll和晶闸管T12并联；晶闸管Tll和晶闸管T12为反并联结构；二极管Dll与二极管D12方向相反。第二断流单元包括串联的隔离开关BRK21、高压SF6断路器BRK22和第二晶闸管阀段；第二晶闸管阀段包括晶闸管T21、晶闸管T22、二极管D21和电阻R4 ;二极管D21与电阻R4串联后分别与晶闸管T21和晶闸管T22并联；晶闸管T21和晶闸管T22为反并联结构；二极管D21与二极管D22方向相反。
[0052]本实施例在第一断流单元两端并联第一辅助开关电路，在第二断流单元两端并联第二辅助开关电路。
[0053]如图1所示，第一辅助开关电路包括晶闸管T13-电抗LI串联支路、二极管D12、电容Cl和电阻Rl ;二极管D12并联在第一断流单元两端；晶闸管T13-电抗LI串联支路和电容Cl对地并联接于二极管D12两端，并通过电阻Rl接地。
[0054]第二辅助开关电路包括晶闸管T23-电抗L2串联支路、二极管D22、电容C2和电阻R2 ;所述二极管D22并联在所述第二断流单元两端；所述晶闸管T23-电抗L2串联支路和所述电容C2对地并联接于所述二极管D22两端，并通过所述电阻R2接地。
[0055]在第一辅助开关电路中，二极管D12包括至少两个同向串联的二极管(图中只用一个标示)，其并联在第一断流单元两端，方向与第一晶闸管阀段中的二极管Dll方向相反。晶闸管T13也由至少两个的晶闸管串联构成，晶闸管T13阳极与第一断流单元中的晶闸管T12阳极连接，晶闸管T13的阴极与电抗LI连接；电抗LI的另一端与电容Cl的一端连接，电容Cl的另一端与隔离开关BRKll连接；电抗LI和电容Cl之间通过电阻Rl接地，Rl起限流作用，电抗LI起抑制短路电流作用。
[0056]在第二辅助开关电路中，二极管D22包括至少两个同向串联的二极管(图中只用一个标示)，其并联在第二断流单元两端，方向与第二晶闸管阀段中的二极管D21方向相反。晶闸管T23也由至少两个的晶闸管串联构成，晶闸管T23阳极与隔离开关BRK21连接，晶闸管T23的阴极与电抗L2连接；电抗L2的另一端与电容C2的一端连接，电容C2的另一端与第二断流单元中的晶闸管T22阳极连接；电抗L2和电容C2之间通过电阻R2接地，R2起限流作用，电抗L2起抑制短路电流作用。
[0057]本实施例中，第一辅助开关电路中的二极管Dl和所述第二辅助开关电路中的二极管D2负极相接，正极与线路中的限流电抗器连接。
[0058]对应的，本实施例提出一种多端直流系统用直流断路器的控制方法，由于本断路器结构完全对称并能实现双向分断，故取正向做原理说明，反方向可类比，附图中所示电流方向Id。为电流的正方向。对于切断故障短路电流和切断负荷电流的不同工况，本断路器工作原理相同，故做统一说明。直流断路器分为开通和关断两个过程，如下所述:
[0059]开通过程:
[0060]电容Cl和C2利用线路通过辅助开关电路Cl-R及C2-R充电并保持常带电状态，电压稳定在系统额定电压水平。开通时，先闭合快速隔离开关BRK21，然后闭合SF6断路器BRK22，则电流通过D12-BRK21-BRK22-D21-R2支路流通，待电流稳定后触发导通晶闸管T21，由于D21-R2支路阻抗远大于T21支路，电流会迅速向T21支路转移，之后闭合BRKl I，再闭合BRK12，触发导通晶闸管Tl I，同样由于BRKl 1-BRK12-T11支路阻抗远小于D12支路，电流会迅速向BRK11-BRK12-T11支路转移，稳定后电流流通于BRK11-BRK12-T11-BRK21-BRK22-T21支路，至此断路器完全投入运行，开通过程结束。
[0061]关断过程:
[0062]当直流断路需要动作切断线路电流时，触发导通T23，由于电容电压的作用，电容器C2迅速在T21-BRK21-BRK21-T23-电感L2回路产生一个与线路正向电流反向的脉冲电流，使得晶闸管T21中电流过零，由于D22导通给T21提供反向电压，晶闸管T21关断，此时快速机械隔离开关BRK21在无电流情况动作分闸，待恢复阻断能力后，BRK22分闸；在BRK21恢复阻断能力后，电流转移到BRK11-BRK12-T11-T23-L2-C2支路，同时给电容器C2充电，电容C2电压由上正下负变为上负下正，与图示方向相反。当此支路电压达到避雷器MOV动作电压时，MOV动作，当电容器C2充电电流为零时，全部短路电流都转移到了 MOV支路，晶闸管T23关断，BRKll和BRK12分闸，MOV吸收线路及限流电感中储存的能量，待避雷器支路电流逐渐减小至0，避雷器恢复阻断状态，则流经线路断路器电流完全分断，至此关断过程结束。
[0063]如图2所示，为分断故障电流的波形示意图。通过对本实施例提出的直流断路器的操控，从图中可以看出，经过1.4ms主支路直流电流分断，最终电流转移至避雷器进行能
量耗散。
[0064]如图3所示，为分断负荷电流的波形示意图。通过对本实施例提出的直流断路器的操控，从图中可以看出，经过1.3ms主支路直流电流分断，最终电流转移至避雷器进行能
量耗散。
[0065]最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的【具体实施方式】进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种多端直流系统用直流断路器，其特征在于，包括避雷器、主开关支路和辅助开关电路；所述避雷器与所述主开关支路并联； 所述主开关支路由两组结构相同的第一断流单元和第二断流单元串联构成；所述第一断流单元包括串联的隔离开关BRK11、交流断路器BRK12和第一晶闸管阀段；所述第二断流单元包括串联的隔离开关BRK21、交流断路器BRK22和第二晶闸管阀段； 在所述第一断流单元两端并联第一辅助开关电路；在所述第二断流单元两端并联第二辅助开关电路； 所述第一辅助开关电路包括晶闸管T13-电抗LI串联支路、二极管D12、电容Cl和电阻Rl ;所述二极管D12并联在所述第一断流单元两端；所述晶闸管T13-电抗LI串联支路和所述电容Cl对地并联接于所述二极管D12两端，并通过所述电阻Rl接地； 所述第二辅助开关电路包括晶闸管T23-电抗L2串联支路、二极管D22、电容C2和电阻R2 ;所述二极管D22并联在所述第二断流单元两端；所述晶闸管T23-电抗L2串联支路和所述电容C2对地并联接于所述二极管D22两端，并通过所述电阻R2接地。
2.如权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述第一晶闸管阀段包括晶闸管T11、晶闸管T12、二极管Dll和电阻R3;二极管Dll与所述电阻R3串联后分别与所述晶闸管Tll和所述晶闸管T12并联；所述晶闸管Tll和晶闸管T12为反并联结构；所述二极管Dll与所述二极管D12方向相反； 所述第二晶闸管阀段包括晶闸管T21、晶闸管T22、二极管D21和电阻R4 ; 二极管D21与所述电阻R4串联后分别与所述晶闸管T21和所述晶闸管T22并联；所述晶闸管T21和晶闸管T22为反并联结构；所述二极管D21与所述二极管D22方向相反。
3.如权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述第一辅助开关电路中，所述晶闸管T13的阳极与所述二极管D12的负极连接，其阴极与所述电抗LI的一端连接；所述电容Cl 一端与所述二极管D12的正`极连接；所述电容Cl另一端与所述电抗LI的另一端连接；所述电抗LI通过所述电阻Rl接地； 所述第二辅助开关电路中，所述晶闸管T23的阳极与所述二极管D22的负极连接，其阴极与所述电抗L2的一端连接；所述电容C2 —端与所述二极管D22的正极连接；所述电容C2另一端与所述电抗L2的另一端连接；所述电抗L2通过所述电阻R2接地。
4.如权利要求3所述的直流断路器，其特征在于，所述第一辅助开关电路中的所述二极管D12和所述晶闸管T13的个数均为两个以上； 所述第二辅助开关电路中的所述二极管D22和所述晶闸管T23的个数均为两个以上。
5.如权利要求1-4任一所述的直流断路器，其特征在于，所述第一辅助开关电路中的二极管Dl和所述第二辅助开关电路中的二极管D2负极相接，正极与线路中的限流电抗器连接。
6.一种多端直流系统用直流断路器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤: 开通过程: (I)将直流断路器接入线路中，并保持晶闸管Tl 1、晶闸管T12、晶闸管T21、晶闸管T22、晶闸管T13和晶闸管T23为闭锁状态，隔离开关BRKl1、隔离开关BRK21、交流断路器BRK12和交流断路器BRK22为断开状态；(2)闭合第二断流单元中的隔离开关BRK21，然后闭合交流断路器BRK22； (3)触发导通第二断流单元的晶闸管T21； (4)闭合第一断流单元中的隔离开关BRK11，然后闭合交流断路器BRK12，并导通其中的晶闸管Tll ； 关断过程: ①触发导通第二辅助开关电路中的晶闸管T23； ②断开所述隔离开关BRK21； ③避雷器吸收能量； ④断开所述交流断路器BRK22、隔离开关BRKll和交流断路器BRK12。
7.一种多端直流系统用直流断路器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤: 开通过程: (1)将直流断路器接入线路中，并保持晶闸管Tl1、晶闸管T12、晶闸管T21、晶闸管T22、晶闸管T13和晶闸管T23为闭锁状态，隔离开关BRKl1、隔离开关BRK21交流断路器BRK12和交流断路器BRK22为断开状态； (2)闭合第一断流单元中的隔离开关BRK11，然后闭合交流断路器BRK12； (3)触发导通第一断流单 元的晶闸管T12； (4)闭合第二断流单元中的隔离开关BRK21，然后闭合交流断路器BRK22，并导通其中的晶闸管T22 ； 关断过程: ①触发导通第一辅助开关电路中的晶闸管T13； ②断开所述隔离开关BRKll； ③避雷器吸收能量； ④断开所述交流断路器BRK12、隔离开关BRK21和交流断路器BRK22。
【文档编号】H02J1/00GK103441490SQ201310359389
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月16日 优先权日:2013年8月16日
【发明者】温家良, 邱宇峰, 药韬, 郭高朋, 杨杰 申请人:国家电网公司, 国网智能电网研究院