一种机械式直流断路器拓扑结构的制作方法

本发明属于直流断路器技术领域，特别涉及一种机械式直流断路器拓扑结构。

背景技术

随着柔性直流输电的迅猛发展，为了保障直流输电系统的安全运行，迫切需要一套可靠的直流开断方案。在交流输电系统中，交流电流在每个周期里通过两次零点，断路器可利用这两次电流过零点实现开断。但在直流输电系统中，电流并不存在过零点，因此要开断电流就比较困难。

基于人工过零的直流开断方法是高压直流开断技术方案中的一种重要方法。人工过零开断技术已经在低压领域得到研究与应用，在中压和高压方面也有了相应的研究。而能否可靠实现人工过零直接影响是否能够快速可靠地切断直流电流，对于系统运行的安全可靠有着至关重要的作用。

在已有的直流断路器的拓扑结构中，直流断路器的开断可靠性一直备受怀疑。因此，针对提高直流断路器的开断可靠性，设计一种新的直流断路器拓扑结构，可解决基于人工过零技术的直流断路器面临的上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可对直流输电系统中的额定电流和出现的短路电流进行可靠关断的机械式直流断路器拓扑结构。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种机械式直流断路器拓扑结构，包括用于切断剩余电流的辅助断路器及三条并联支路，所述的辅助断路器为机械式直流断路器；第一条支路由用于导通系统正常工作电流的主断路器构成，主断路器采用由电磁斥力机构和永磁机构构成的操动机构，是具有快速开断能力的机械式直流断路器，主断路器出线端与辅助断路器的进线端相连；第二条支路为换流支路用于投入反向电流，包括电感、晶闸管、二极管、电阻、换流充电电容，电感一端接主断路器进线端，电感另一端与晶闸管的正极相连，晶闸管的负极接换流充电电容负极与电阻的一端，电阻的另一端接地，换流充电电容正极与辅助断路器的进线端相连，二极管与晶闸管反并联；第三条支路为能量释放支路，包括zno避雷器，zno避雷器一端与晶闸管的正极相连，zno避雷器另一端与辅助断路器的进线端相连。

优选的，主断路器采用真空断路器。

优选的，避雷器采用系统电压等级相配合的金属氧化物避雷器。

本发明具有如下优点：

1.本发明中的换流充电电容可利用输电线路进行充电，不需要再安装对换流充电电容进行充电的充电机。

2.本发明在直流输电系统发生短路情况时，其将投入的反向电流会产生多次振荡，且衰减较小，从而使输电线路电流出现多次过零点，从而可保证机械式直流断路器能够可靠关断。

附图说明

图1是本发明的机械式直流断路器拓扑结构示意图；

图2是本发明的机械式直流断路器开断过程仿真电路示意图；

图3是本发明的机械式直流断路器开断过程系统电流仿真示意图；

图4是本发明的机械式直流断路器开断过程主断路器电流仿真示意图；

图5是本发明的机械式直流断路器开断过程换流充电电容电流仿真示意图；

图6是本发明的机械式直流断路器开断过程换流支路电流仿真示意图；

图7是本发明的机械式直流断路器开断过程避雷器电流仿真示意图；

图8是本发明的机械式直流断路器开断过程主断路器电压仿真示意图。

具体实施方式

以上仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如附图1所示，一种机械式直流断路器拓扑结构，包括用于切断剩余电流的辅助断路器bcb及三条并联支路，第一条支路由用于导通系统正常工作电流的主断路器vcb构成，主断路器vcb采用由电磁斥力机构和永磁机构构成的操动机构，主断路器vcb出线端与辅助断路器bcb的进线端相连；第二条支路为换流支路，包括电感l1、晶闸管s1、二极管d1、电阻r1、换流充电电容c1，电感l1一端接主断路器vcb进线端，电感l1另一端与晶闸管s1的正极相连，晶闸管s1的负极接换流充电电容c1负极与电阻r1的一端，电阻r1的另一端接地，换流充电电容c1正极与辅助断路器bcb的进线端相连，二极管d1与晶闸管s1反并联；第三条支路为能量释放支路，包括zno避雷器mov，zno避雷器mov一端与晶闸管s1的正极相连，zno避雷器mov另一端与辅助断路器bcb的进线端相连。

上述机械式直流断路器拓扑结构适用于10kv直流输电系统中。

本发明的工作原理是，在正常情况下，主断路器vcb和辅助断路器bcb处于闭合状态，晶闸管s1处于关断状态，系统工作电流流过主断路器vcb和辅助断路器bcb。当系统发生短路故障时，系统工作电流开始迅速上升。控制单元监测到短路故障，立即给主断路器vcb的电磁斥力机构发送分闸命令，主断路器vcb触头开始打开。当短路电流上升至10ka时(10kv直流输电系统中的额定电流是2ka。从发生短路故障的那一刻起，经过2.4ms电流会上升到10ka。这2.4ms的时间是必须的，因为只有经过2.4ms动触头和静触头之间才会达到合适的开距，时间如果短了，虽然电流不会升高到10ka这么大的电流，但是动触头和静触头还没达到合适的开距，也就是说动触头和静触头离得太近了，即使投入反向电流，也会立刻重燃。)，此时主断路器vcb触头间隙达到能够承受瞬态开断电压(transientinterruptionvoltage,tiv)的合适开距，控制单元给晶闸管s1发送触发导通信号，晶闸管s1触发导通，换流充电电容c1开始放电。电流逐渐从主断路器vcb转移至换流支路中，在这个阶段，换流充电电容c1持续放电，其电压不断降低，这是第一个换流过程。第一个换流过程结束后电流完全转移至换流支路中，主断路器vcb中的电弧在电流过零点熄灭，主断路器vcb两端tiv将迅速增加至第一个负向峰值。换流充电电容c1持续放电，其两端电压逐渐减小至零。此后，换流充电电容c1继续充电，换流充电电容c1的电压开始正向增加，同时，主断路器vcb两端tiv也伴随着换流充电电容c1两端电压的增加而增加。另外，由于断路器杂散换流充电电容的原因，主断路器vcb两端电压会发生振荡，振荡幅值会逐渐减小。换流充电电容c1两端电压达到避雷器mov参考电压，避雷器mov开始动作，系统电流开始从换流充电电容c1转移至避雷器mov。电流逐渐从换流充电电容c1和晶闸管s1中转移至避雷器mov中，这是第二个换流过程。电流完全转移至避雷器mov支路，这时流过换流充电电容c1和晶闸管s1中的电流过零。避雷器mov中的电流逐渐衰减，此后避雷器mov因电流过零而关断。辅助断路器bcb开始动作，当系统电流过零时，辅助断路器bcb触头间隙达到一定的开距从而可以承受其两端的恢复电压，最终关断电路，完成整个开断过程。其中控制单元给主断路器发送分闸命令、给晶闸管发送导通信号均是现有技术。

为验证上述机械式直流断路器方案的可行性，利用matlab软件对上述机械式直流断路器工作过程进行仿真，其开断过程仿真电路如图2所示，包括一个直流电源dc、一个电感l0、电阻r0、隔离开关sd、机械式直流断路器拓扑结构、负载电阻r2，所述直流电源dc的正极与电感l0的一端相连接，电感l0的另一端与电阻r0、隔离开关sd、机械式直流断路器和负载电阻r2的一端依次连接，负载电阻r2的另一端接地。

在t1时刻，系统短路故障发生，约200μs后，控制单元监测到短路故障，立即给主断路器vcb的电磁斥力机构发送分闸命令，主断路器vcb触头开始打开，同时主断路器vcb中电弧开始燃烧。

在t2时刻，短路电流上升至10ka，此时主断路器vcb触头间隙达到能够承受瞬态开断电压(transientinterruptionvoltage,tiv)的合适开距，控制单元给晶闸管s1发送触发导通信号，晶闸管s1触发导通，换流充电电容c1开始放电。

在t2～t3时刻，电流逐渐从主断路器vcb转移至换流支路中，在这个阶段，换流充电电容c1持续放电，其电压不断降低，这是第一个换流过程。

在t3时刻，第一个换流过程结束，电流完全转移至换流支路中，主断路器vcb中的电弧在电流过零点熄灭，主断路器vcb两端tiv将迅速增加至第一个负向峰值。

在t3～t4时刻，换流充电电容c1持续放电，其两端电压逐渐减小至零。此后，换流充电电容c1继续充电，换流充电电容c1的电压开始正向增加，同时，主断路器vcb两端tiv也伴随着换流充电电容c1两端电压的增加而增加。另外，由于断路器杂散换流充电电容的原因，主断路器vcb两端电压会发生振荡，振荡幅值会逐渐减小。

在t4时刻，换流充电电容c1两端电压达到避雷器mov参考电压，避雷器mov开始动作，系统电流开始从换流充电电容c1转移至避雷器mov。

在t4～t5时刻，电流逐渐从换流充电电容c1和晶闸管s1中转移至避雷器mov中，这是第二个换流过程。

在t5时刻，电流完全转移至避雷器mov支路，这时流过换流充电电容c1和晶闸管s1中的电流过零。

在t5～t6时刻，避雷器mov中的电流逐渐衰减。

在t6时刻，避雷器mov因电流过零而关断。

辅助断路器bcb在t6时刻之前动作，当t6时刻系统电流过零时，辅助断路器bcb触头间隙达到一定的开距从而可以承受其两端的恢复电压，最终关断电路，完成整个开断过程。

本发明用于10kv直流输电线路的直流断路器用在以下两个方面：

1.对10kv直流输电线路的额定电流进行关断，以实现相关设备的投切。

2.对10kv直流输电线路出现的短路电流进行关断，以保护系统不受到进一步的损害。

以上所述，仅是本发明的较佳实例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。