直流断路器及直流输电系统断路方法与流程

本发明涉及断路器领域，特别涉及一种直流断路器及一种直流输电系统断路方法。

背景技术：

近年来由于直流系统其线路造价低、没有容性电流、没有涡流损耗、潮流更容易控制等优点，直流高压直流输电系统备受关注。特别是某些特定场合，如大型船舶供电系统、城市轨道交通供电系统等直流系统得到了长足的发展。同时伴随着直流系统的容量持续增长和电压等级的不断提高，其短路电流峰值可达到100kA以上，同时其短路电流上升率也在15A/us以上。传统的机械式断路器，由于其自身开断时间长，限流能力有限等特点的限制，难以适应直流系统的高电压、大电流的发展需求。

随着电力电子技术的不断发展，出现了基于门极可关断器件的固态直流断路器，其拥有动作时间短，可以实现无弧分断的特点使其在一定场合得到了应用。但是和传统的机械式断路器相比，其通态损耗大、承载能力有限和抗涌流、过电压能力较弱的缺点使得其在应用中有较大的局限性。

现阶段的直流断路器的主要包括：机械式直流断路器、全固态直流断路器。机械式断路器开断容量有限、开断时间长，难以适应现阶段电力系统的高电压大电流的发展需求。全固态直流断路器的通态损耗大，通流能力有限，同样也难以适应直流系统大电流的需求。

技术实现要素：

为了克服上述问题，本发明提供一种直流断路器及一种直流输电系统断路方法兼顾机械式断路器通态损耗小，全固态断路器动作迅速的优点，能够适应未来直流电网的高电压大电流的发展需求，解决直流输电网络由于断路器的因素而受到发展制约的问题。

为达上述优点，本发明提供一种直流断路器，包括控制系统、保护支路以及通流电路和LC强制转移电路，所述通流电路和所述LC强制转移电路并联；所述通流电路包括串联连接的断路器本体和电力二极管；所述LC强制转移电路包括串联连接的第一预充电电容、第一电感和晶闸管，所述晶闸管的响应时间比所述断路器本体的响应时间短；所述保护支路用于在所述通流电路和/或LC强制转移电路两端的电压大于或等于电压设定值时，进行电压钳位；所述控制系统用于向所述断路器本体发出断开信号，并在所述断路器本体断开前，向所述晶闸管发出导通信号，使所述断路器本体断开时刻通过所述通流电路的电流小于或等于第一电流设定值；所述保护支路和所述LC强制转移电路并联，所述控制系统分别与所述断路器本体和所述晶闸管连接。

在本发明的一个实施例中，所述控制系统用于在通过所述断路器本体的电流上升率大于或等于电流上升率设定值时、或控制系统接收到电路断开指令时、或通过所述断路器本体的电流大于设定第二电路设定值时，所述控制系统向所述断路器本体发出断开信号。

在本发明的一个实施例中，所述通流电路导通、所述LC强制转移电路断开时，所述电力二极管可通过的电流方向与高压直流输电系统的电流方向相同；所述LC强制转移电路导通时，所述晶闸管可通过的电流方向与高压直流输电系统的电流方向相反。

在本发明的一个实施例中，所述第一预充电电容还与串联的电子门极可关断器IGBT、耗能电阻、第二电感并联，所述电子门极可关断器IGBT与所述控制系统电连接。

在本发明的一个实施例中，所述通流电路的电流减小到零后或所述通流电路的电流减小到零时所述通流电路断开。

在本发明的一个实施例中，所述控制系统电连接有分别用于采集高压直流输电系统的电流和电压、通流电路的电流、LC强制转移电路的电流和电压、断路器本体状态、断路器本体的触点位移、断路器本体环境温度的传感器，以及用于处理传感器信号的信号处理系统、通讯系统、显示器、存储系统、用于通过控制系统打开或关闭所述断路器本体的手动按键，所述通讯系统用于与服务器通讯。

在本发明的一个实施例中，所述断路器本体为高速真空开关。

在本发明的一个实施例中，所述电力二极管用于在所述晶闸管导通后，所述通流电路的电流过零之后，使所述通流电路的电流被钳制在零电流。

在本发明的一个实施例中，所述控制系统还用于在向所述晶闸管发出导通信号之前，根据所述断路器本体断开时刻和LC强制转移电路振荡周期计算出通流电路过零时间、根据所述通流电路过零时间和所述晶闸管的响应时间计算出向所述晶闸管发出导通信号的时刻。

本发明还提供一种直流输电系统断路方法，用于控制任一上述的直流断路器，所述方法包括：所述控制系统向所述断路器本体发送断开信号；经过一定时间，所述控制系统向所述晶闸管发出导通信号，使通过所述通流电路的电流减小到小于或等于电流设定值后所述断路器本体断开,所述晶闸管的响应时间比所述断路器本体的响应时间短。

在本发明中，断路器本体断开前控制器向晶闸管发出导通信号，通过LC强制转移电路产生振荡电流减小通流电路的电流，制造人工电流过零点。通过精确控制断路器本体断开时间，使断路器本体断开时刻通过所述通流电路的电流小于或等于第一电流设定值。通流电路在电流过零后打开，实现无弧分断，从而有效地解决了电路分断过程中触头的烧蚀问题。同时相较于传统的机械式开关，动作时间短，能够有效的限制直流系统的短路电流。

附图说明

图1所示为本发明第一实施例的拓扑结构图。

图2所示为本发明第一实施例的放电电路的结构图。

图3所示为本发明第一实施例的高速真空开关的原理示意图。

图4所示为本发明第一实施例的控制系统框图。

图5所示为本发明第一实施例的高速真空开关断开过程中，高压直流输电系统的电流、通流电路的电流、LC强制转移电路的电流、高速真空开关两端的变化图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

图1所示为本发明第一实施例的拓扑结构图。请参见图1，本实施例的直流断路器，用于控制高压直流输电系统的通断，包括控制系统以及并联的通流电路、LC强制转移电路、保护支路；

控制系统用于控制通流电路、LC强制转移电路通断，通流电路由断路器本体HSS和电力二极管VD1串联组成；LC强制转移电路由第一预充电电容C1、第一电感L1和晶闸管VT1串联组成，晶闸管VT1、断路器本体HSS都与控制系统电连接。保护支路用于在通流电路和/或LC强制转移电路两端的电压大于或等于电压设定值时，进行电压钳位。通流电路导通、LC强制转移电路断开时，电力二极管VD1可通过的电流方向与高压直流输电系统的电流方向相同；LC强制转移电路导通时晶闸管VT1可通过的电流方向与高压直流输电系统的电流方向相反。经过高压直流输电系统的电流为i，经过通流电路的电流为i1，经过LC强制转移电路的电流i2,高速真空开关HSS两端的电压为Uhss。

请参见图4，控制系统连接有分别用于采集高压直流输电系统的电流、电压、通流电路的电流、LC强制转移电路的电流、第一预充电电容电压、断路器本体状态、断路器本体的触点位移、断路器本体环境温度的传感器，以及用于处理传感器信号的信号处理系统、通讯系统、显示器、存储系统、用于通过控制系统打开或关闭断路器本体的手动按键，通讯系统用于与服务器通讯。显示器具有人机交互界面，信号处理系统，负责将信号采集系统采集到的电信号进行信号调理，包括但不限于：滤波、放大和A/D转换。

控制系统的功能包括但不限于以下内容：将信号处理系统的处理过后的信号进行信号分析，该信号分析包括分析系统电流上升率、控制高速真空开关HSS和晶闸管VT1、IGBT通断的时间、将传感器采集的信息通过显示器实时显示、故障录播、根据服务器或者人机交互界面的命令完成控制高速真空开关HSS的分、合闸操作。

通讯系统功能包括但不限于以下内容：将高压直流输电系统电流、电压信息、断路器本体状态、断路器本体的触点位移信息、故障波形等信息传递给服务器，接收服务器命令完成分合闸操作。

控制系统向断路器本体发出断开信号后经过一定时间，控制系统向晶闸管VT1发出导通信号，晶闸管VT1的接收到导通信号至完成导通的响应时间比断路器本体接收断开信号到完成断开的响应时间短，使通过通流电路的电流减小到小于或等于电流设定值后断路器本体断开。优选的通流电路的电流减小到零后或通流电路的电流减小到零时通流电路断开。

请参见图2，第一预充电电容C1还与串联的电子门极可关断器IGBT，耗能电阻R2、第二电感L2并联成放电回路，也可称为合闸准备回路，电子门极可关断器IGBT与控制系统电连接。

请参见图3，高速真空开关HSS，具有从接收控制系统指令到完成断开动作的响应时间，响应时间大约200us。高速真空开关HSS包括高速机构和真空灭弧室。其中，高速机构由盘式斥力线圈、斥力盘A,B、开关触头、缓冲装置和盘式斥力线圈放电回路组成；真空灭弧室触头为单点触头，斥力盘位于开关触头下方，通过中心主轴与开关动触头相连。共有两组斥力盘A,B，分别位于金属盘的上方和下方，供高速真空开关分合闸使用。在高速机构中，分闸用盘式斥力线圈放电回路由直流电源U、第二预充电电容C2和晶闸管VT2组成，第二预充电电容C2由直流电源U充电后通过控制晶闸管VT2导通驱动斥力盘运动，改变盘式斥力线圈放电回路中第二预充电电容C2的预充电电压可以改变高速机构的分闸运动速度。合闸用盘式斥力线圈放电回路由直流电源U、第三预充电电容C3和晶闸管VT3组成，第三预充电电容C3由直流电源U充电后通过控制晶闸管VT3导通驱动斥力盘运动，改变盘式斥力线圈放电回路中第三预充电电容C3的预充电电压可以改变高速机构的合闸运动速度。高速真空开关属于现有技术，不再赘述。

电力二极管用于i1过零之后，使i1被钳制在零电流。

在本发明的其他实施例中，高速机构包括，盘式斥力线圈、斥力盘、四稳弹簧机构，油缓冲器、止位装置；真空灭弧室为横向磁场触头，斥力机构通过主轴与真空灭弧室连接，位于真空灭弧室正下方。

在本发明的其他实施例中，晶闸管VT1可以是多个，多个晶闸管VT1串联连接，对晶闸管VT1采用了均压措施，即在多个串联的晶闸管两端并联均压电容，避免晶闸管因为个体特性差异造成电压不均，造成晶闸管的击穿。在本发明的一个实施例中，保护支路由氧化性阀片并联组成。

保护支路是一种具有非线性伏安特性的电阻器件MOV，主要用于在电路承受过压时进行电压钳位，吸收多余的电流以保护敏感器件。MOV也叫做VDR，VSR。保护支路器的电阻体材料是半导体，所以它是半导体电阻器的一个品种。现在大量使用的"氧化锌"(ZnO)保护支路器，它的主体材料有二价元素锌(Zn)和六价元素氧(O)所构成。所以从材料的角度来看，氧化锌保护支路器是一种“Ⅱ-Ⅵ族氧化物半导体”。在中国台湾，保护支路器称为"突波吸收器",有时也称为“电冲击(浪涌)抑制器(吸收器)”。

保护支路是一种限压型保护器件。利用保护支路的非线性特性，当过电压出现在保护支路的两极间，保护支路可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。保护支路的主要参数有：压敏电压、通流容量、结电容、响应时间等。

保护支路的响应时间为ns级，比气体放电管快，比TVS管稍慢一些，一般情况下用于电子电路的过电压保护其响应速度可以满足要求。保护支路的结电容一般在几百到几千Pf的数量级范围，很多情况下不宜直接应用在高频信号线路的保护中，应用在交流电路的保护中时，因为其结电容较大会增加漏电流，在设计防护电路时需要充分考虑。保护支路的通流容量较大，但比气体放电管小。保护支路器简称VDR，是一种对电压敏感的非线性过电压保护半导体元件。

在其他实施例中，保护支路为NTC热敏电阻器、PTC热敏电阻器、TVS管电路保护器件中的一种或几种组成。NTC(Negative Temperature Coefficient)热敏电阻器的电阻值随温度的升高而降低。利用这一特性既可制成抑制电路的浪涌电流,这是由于NTC热敏电阻器有一个额定的零功率电阻值，当其串联在电源回路中时，就可以有效地抑制开机浪涌电流。PTC热敏电阻是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻，超过一定的温度(居里温度)时，它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高。TVS管(TRANSIENT VOLTAGE SUPPRESSOR)两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度(最高达1*10-12秒)使其阻抗骤然降低，同时吸收一个大电流，将其两端间的电压箝位在一个预定的数值上，从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。采用PTC热敏电阻器时，PTC热敏电阻器与LC强制转移电路串联。

请参见图5，本发明的原理如下：

正常通流状态时，电流从通流电路即从断路器本体和电力二极管流过，此时预充电电容C1上有一定的预充电压，晶闸管VT1处于截止状态，LC强制转移电路没有电流流过。

当高压直流输电系统发生短路故障之后，电流快速上升，如果i超过第二电流设定值或者电流上升率超过电流上升率设定值时，所述控制系统判定系统发生短路故障，或者服务器或手动按键通过控制系统向断路器本体发出断开信号后，控制系统控制晶闸管VT2导通，使得斥力线圈回路开始放电，高速真空开关开始分闸动作。同时控制系统控制晶闸管VT1导通，LC强制转移电路产生与通流电路电流方向相反的振荡电流，使得通流电路的电流开始下降；由于高速真空开关具有从接收电信号到完成断开动作的响应时间，真空灭弧室中触头分离时，电容和电感产生的电流能够抵消直流输电系统的电流，；触头分离后，即通流电路断开后，系统继续向预充电电容C充电，预充电电容C两端电压超过电压设定值时，保护支路进行电压钳位，此时i2迅速降为零，i2经过晶闸管VT1过零后截止。由于电压设定值高于高压直流输电系统电压，i3迅速下降至0，整个开断过程完成；开断过程完成后，控制系统放电回路导通，耗能电阻R2消耗部分电能，当预充电电容两端电压反向并且达到设定阈值时，控制系统关断IGBT。

综上，本发明的直流断路器至少具有以下的优点:

本发明通过LC强制转移电路产生与通流电路相反的振荡电流，制造人工电流过零点。通过精确控制高速真空开关动作时间，使得通流电路在电流过零后打开，实现无弧分断，从而有效地解决了电路分断过程中触头的烧蚀问题。同时相较于传统的机械式开关，动作时间短，能够有效的限制直流系统的短路电流。

在本发明中，由于电力二极管VD1的存在，通流电路电流过零之后，被钳制在零电流，此时断路器本体在通流电路电流过零后打开，完成无弧分断。

在本发明中，采用基于高速真空开关和电力电子门极可关断器件控制LC放电技术，兼备了机械开关良好的静态特性以及电力电子门极可关断器件良好的动态特性。

在本发明中，正常通流情况下，电流从开关高速真空开关HSS流过，损耗非常小。

以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化和修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。