一种基于换流站的直流转换开关电路与直流输电系统的制作方法

本实用新型涉及直流输电技术领域，尤其涉及一种基于换流站的直流转换开关电路与直流输电系统。

背景技术：

在直流输电系统中，为实现单极大地运行和单极金属运行方式的转换，需设置金属回线转换开关MRTB(metallic return transfer breaker)和大地回线转换开关ERTB(earth return transfer breaker)。金属回线转换开关MRTB装设于接地极线回路中，在不停运的情况下，将直流电流从单极大地回线转换到单极金属回线 (断开大地回线中直流电流)，以保证转换过程中不中断直流功率的输送。大地回线转换开关ERTB装设于接地极线和极线之间，在不停运的情况下，将直流电流从单极金属回线转换到单极大地回线(断开金属回线中直流电流)。

在两端直流输电系统中，一般至少一个换流站设置MRTB和ERTB。在多端直流输电系统中，一般会有多个换流站设置MRTB和ERTB。在大容量高压直流输电系统中，金属回线转换开关中的振荡回路和避雷器吸收能量较大，大功率转换时避雷器吸收能量要求可达几十MJ，一般采用多柱并联结构，外部并联及内部并联总柱数可多达几十至几百柱，但对避雷器阀片质量控制和柱间分流均匀性提出了极高的要求，多柱并联避雷器极易在直流转换中发生避雷器故障导致运行方式转换失败，进而可能引起直流停运，目前国内多个直流工程都曾因直流转换开关多柱并联避雷器故障引发过运行方式转换失败。此外，由于避雷器柱数众多，避雷器占地较大，造价也较高。

直流输电系统在进行大地转金属或者金属转大地转换过程中，当直流转换电流越大时，避雷器吸收能量越大，越不利于系统顺利转换，当直流转换电流越小时，避雷器吸收能量越小，越利于系统顺利转换。故为了让系统在进行大地转金属或者金属转大地转换过程中更加顺利，可通过降低直流转换电流以使得降低避雷器吸收的能量的方式来改善避雷器运行条件和系统转换条件，虽然现有技术方案中可通过降低系统转换时的输送功率的方式实现直流转换电流降低的效果，但该种方式会降低直流输电系统的可用率以及增加直流输电系统的功率损失，无法真正地解决直流输电系统在大功率运行状态进行大地回路转金属回路或者金属回路转大地回路时，避雷器吸收能量过大，导致避雷器容易发生故障这个问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种基于换流站的直流转换开关电路，当直流输电系统在进行大地回路转金属回路或者金属回路转大地回路时，能够有效地降低转换开关中避雷器吸收的能量，使直流输电系统在进行大地回路转金属回路或者金属回路转大地回路时更加顺利。

为解决以上技术问题，本实用新型实施例提供了一种基于换流站的直流转换开关电路，所述直流转换开关电路包括：第一直流转换开关支路和第一大地回线转换开关电路；其中，所述第一直流转换开关支路的输入端通过中性母线与所述第一大地回线转换开关电路的输入端连接，所述第一直流转换开关支路的输出端与接地极线相连接,所述第一大地回线转换开关电路的输出端与金属回线相连接；所述第一直流转换开关支路包括第一金属回线转换开关电路、第一限流电阻和第一旁路开关；其中，所述第一金属回线转换开关电路的输入端与所述第一直流转换开关支路的输入端相连接，所述第一金属回线转换开关电路的输出端与所述第一限流电阻的第一端相连接，所述第一限流电阻的第二端与所述第一直流转换开关支路的输出端相连接，所述第一旁路开关的第一端与所述第一限流电阻的第一端相连接，所述第一旁路开关的第二端与所述第一限流电阻的第二端相连接。

优选地，所述第一旁路开关为隔离开关。

优选地，所述第一旁路开关为断路器。

优选地，所述第一金属回线转换开关电路包括第一转换开关、第一LC振荡回路和第一避雷器；其中,所述第一转换开关的第一端与所述第一金属回线转换开关电路的输入端相连接，所述第一转换开关的第二端与所述第一金属回线转换开关电路的输出端相连接，所述第一LC振荡回路的输入端与所述第一转换开关的第一端相连接，所述第一LC振荡回路的输出端与所述第一转换开关的第二端相连接，所述第一避雷器的第一端与所述第一转换开关的第一端相连接，所述第一避雷器的第二端与所述第一转换开关的第二端相连接。

优选地，所述第一大地回线转换开关电路包括第二转换开关、第二LC振荡回路和第二避雷器；其中,所述第二转换开关的第一端与所述第一大地回线转换开关电路的输入端相连接，所述第二转换开关的第二端与所述第一大地回线转换开关电路的输出端相连接，所述第二LC振荡回路的输入端与所述第二转换开关的第一端相连接，所述第二LC振荡回路的输出端与所述第二转换开关的第二端相连接，所述第二避雷器的第一端与所述第二转换开关的第一端相连接，所述第二避雷器的第二端与所述第二转换开关的第二端相连接。

本实用新型实施例还提供了一种基于换流站的直流转换开关电路，所述直流转换开关电路包括：第二直流转换开关支路和第二金属回线转换开关电路；其中，所述第二直流转换开关支路的输入端通过中性母线与所述第二金属回线转换开关电路的输入端连接，所述第二直流转换开关支路的输出端与金属回线相连接, 所述第二金属回线转换开关电路的输出端与接地极线相连接；所述第二直流转换开关支路包括第二大地回线转换开关电路、第二限流电阻和第二旁路开关；其中，所述第二大地回线转换开关电路的输入端与所述第二直流转换开关支路的输入端相连接，所述第二大地回线转换开关电路的输出端与所述第二限流电阻的第一端相连接，所述第二限流电阻的第二端与所述第二直流转换开关支路的输出端相连接，所述第二旁路开关的第一端与所述第二限流电阻的第一端相连接，所述第二旁路开关的第二端与所述第二限流电阻的第二端相连接。

优选地，所述第二大地回线转换开关电路包括第三转换开关、第三LC振荡回路和第三避雷器；其中,所述第三转换开关的第一端与所述第二大地回线转换开关电路的输入端相连接，所述第三转换开关的第二端与所述第二大地回线转换开关电路的输出端相连接，所述第三LC振荡回路的输入端与所述第三转换开关的第一端相连接，所述第三LC振荡回路的输出端与所述第三转换开关的第二端相连接，所述第三避雷器的第一端与所述第三转换开关的第一端相连接，所述第三避雷器的第二端与所述第三转换开关的第二端相连接。

优选地，所述第二金属回线转换开关电路包括第四转换开关、第四LC振荡回路和第四避雷器；其中,所述第四转换开关的第一端与所述第二金属回线转换开关电路的输入端相连接，所述第四转换开关的第二端与所述第二金属回线转换开关电路的输出端相连接，所述第四LC振荡回路的输入端与所述第四转换开关的第一端相连接，所述第四LC振荡回路的输出端与所述第四转换开关的第二端相连接，所述第四避雷器的第一端与所述第四转换开关的第一端相连接，所述第四避雷器的第二端与所述第四转换开关的第二端相连接。

本实用新型实施例还提供了一种直流输电系统，所述直流输电系统包括第一换流站、第二换流站和直流线路；其中，所述第一换流站包括如上述的直流转换开关电路；所述直流转换开关电路包括第一直流转换开关支路和第一大地回线转换开关电路；其中，所述第一直流转换开关支路的输入端通过中性母线与所述第一大地回线转换开关电路的输入端连接，所述第一直流转换开关支路的输出端与接地极线相连接,所述第一大地回线转换开关电路的输出端与金属回线相连接；所述第一换流站通过直流线路与所述第二换流站连接。

本实用新型实施例还提供了一种直流输电系统，所述直流输电系统包括第三换流站、第四换流站和直流线路；其中，所述第三换流站包括如上述的直流转换开关电路；所述直流转换开关电路包括第二直流转换开关支路和第二金属回线转换开关电路；其中，所述第二直流转换开关支路的输入端通过中性母线与所述第二金属回线转换开关电路的输入端连接，所述第二直流转换开关支路的输出端与金属回线相连接,所述第二金属回线转换开关电路的输出端与接地极线相连接；所述第三换流站通过直流线路与所述第四换流站连接。

相对于现有技术，本实用新型实施例提供的一种基于换流站的直流转换开关电路的有益效果在于：当直流输电系统在进行大地回路转金属回路时，通过在所述第一直流转换开关支路设置第一限流电阻和第一旁路开关；当直流输电系统在进行金属回路转大地回路时，通过在所述第二直流转换开关支路设置第二限流电阻和第二旁路开关；能够有效地降低转换开关中避雷器吸收的能量，使直流输电系统在进行大地回路转金属回路或者金属回路转大地回路时更加顺利。

附图说明

图1是本实用新型实施例中一种直流输电系统在进行大地回路转金属回路时的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中第一直流转换开关支路的结构示意图；

图3是本实用新型实施例中一种第一金属回线转换开关电路的结构示意图；

图4是本实用新型实施例中第一直流转换开关支路不加入第一限流电阻时避雷器吸收的能量、大地回线电流和金属回线电流的变化示意图；

图5是本实用新型实施例中第一直流转换开关支路加入第一限流电阻的阻值为10Ω时避雷器吸收的能量、大地回线电流和金属回线电流的变化示意图；

图6是本实用新型实施例中第一直流转换开关支路加入第一限流电阻的阻值为20Ω时避雷器吸收的能量、大地回线电流和金属回线电流的变化示意图；

图7是本实用新型实施例中一种直流输电系统在进行金属回路转大地回路时的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1，其是本实用新型实施例提供的一种直流输电系统在进行大地回路转金属回路时的结构示意图，所述直流输电系统包括第一换流站1、第二换流站2和直流线路；其中，所述第一换流站1包括直流转换开关电路3，所述直流转换开关电路3包括第一直流转换开关支路4和第一大地回线转换开关电路5；其中，所述第一直流转换开关支路4的输入端通过中性母线与所述第一大地回线转换开关电路5的输入端连接，所述第一直流转换开关支路4的输出端与接地极线相连接,所述第一大地回线转换开关电路5的输出端与金属回线相连接；所述第一换流站1通过直流线路与所述第二换流站2连接。

在本实施例中，所述直流输电系统为两端直流输电系统或者多端直流输电系统或者柔性直流输电系统，其中，所述两端直流输电系统至少有一个换流站设置第一金属回线转换开关电路41和第一大地回线转换开关电路，而所述多端直流输电系统会有多个换流站设置第一金属回线转换开关电路41和第一大地回线转换开关电路；其中，KN11、KN12、KN21和KN22为中性线隔离开关；K11、K12、K21和 K22用于连接换流站的中性线和运行极对极的极线，实现单极金属回线运行方式； RP为直流极线电阻；RER和REI分别为整流侧和逆变侧的接地极线路电阻；LP为直流极线电感；LER和LEI分别为整流侧和逆变侧的接地极线路电感。

请参阅图2，在一种可选的实施例中，所述第一直流转换开关支路4包括第一金属回线转换开关电路41、第一限流电阻42和第一旁路开关43；其中，所述第一金属回线转换开关电路41的输入端与所述第一直流转换开关支路4的输入端相连接，所述第一金属回线转换开关电路41的输出端与所述第一限流电阻42 的第一端相连接，所述第一限流电阻42的第二端与所述第一直流转换开关支路4 的输出端相连接，所述第一旁路开关43的第一端与所述第一限流电阻42的第一端相连接，所述第一旁路开关43的第二端与所述第一限流电阻42的第二端相连接。

在本实施例中，通过在所述第一直流转换开关支路4设置第一限流电阻42 和第一旁路开关43，在单极大地运行方式转换为单极金属运行方式过程时，投入所述第一直流转换开关支路4，能够有效地降低直流输电系统中的直流转换电流，从而降低第一金属转换开关电路41中的第一避雷器413吸收的能量，使直流输电系统在进行大地回路转金属回路时更加顺利；其中，所述第一金属回线转换开关电路41可以为无源型金属回线转换开关电路或者有源型金属回线转换开关电路。

以所述直流输电系统中的极1运行为例，对直流输电系统中单极大地运行方式转换为单极金属运行方式的过程进行说明，具体步骤如下：

在单极大地运行方式转换为单极金属运行方式过程时，投入所述第一直流转换开关支路4，此时KN11和KN12处于闭合状态，KN21和KN22处于断开状态；

首先，使所述第一金属回线转换开关电路41处于闭合状态，所述第一大地回线转换开关电路处于断开状态，所述第一旁路开关KR43处于闭合状态，K11、K12、 K21和K22处于断开状态；此时所述直流输电系统的直流电流仅流经大地回线；

然后，使所述第一金属回线转换开关电路41处于闭合状态，所述第一大地回线转换开关电路处于闭合状态，所述第一旁路开关KR43处于闭合状态，K12和 K22处于闭合状态，K11和K21处于断开状态；此时所述直流输电系统的直流电流在大地回线和金属回线两个回路中分流；接着断开所述第一旁路开关KR43，投入第一限流电阻42，使流经大地回线的所述直流输电系统的直流电流进一步降低；

然后断开所述第一金属回线转换开关电路41，使大地回线中的所述直流输电系统的直流电流被转移至金属回线回路；

所述第一金属回线转换开关电路41断开后，接地极线路回路电流为零，闭合所述第一旁路开关KR43使所述第一限流电阻42旁路。

其中，在进行单极大地运行方式转换为单极金属运行方式过程时，所述第一金属回线转换开关电路41中的直流转换电流IMRTB不但与单极大地回路和单极金属回路中的直流极线电阻Rp、接地极线路电阻RER、REI等系统中固有参数大小有关，还与在转换过程中投入第一限流电阻42有关，所述第一限流电阻42用于调整直流转换电流的大小；根据公式计算投入所述第一限流电阻42后IMRTB的值；其中，Id为所述直流输电系统的直流电流；在未投入所述第一限流电阻42时，直流转换电流根据公式计算得出，由此可见，所述直流转换电流IMRTB由直流极线电阻Rp、接地极线路电阻RER和REI系统中的固有参数决定，无法进行合理的调整，故通过投入所述第一限流电阻42可实现调整直流转换电流大小的功能。

在一种可选的实施例中，所述第一旁路开关43为隔离开关。其中，所述隔离开关结构简单，成本低而且具有较强的耐燃弧能力。

在一种可选的实施例中，所述第一旁路开关43为断路器。其中，所述断路器为弧阻较高的断路器或者真空断路器。

所述第一限流电阻42用于调节所述直流输电系统中的直流转换电流。

请参阅图3，在一种可选的实施例中，所述第一金属回线转换开关电路41 包括第一转换开关411、第一LC振荡回路412和第一避雷器413；其中,所述第一转换开关411的第一端与所述第一金属回线转换开关电路41的输入端相连接，所述第一转换开关411的第二端与所述第一金属回线转换开关电路41的输出端相连接，所述第一LC振荡回路412的输入端与所述第一转换开关411的第一端相连接，所述第一LC振荡回路412的输出端与所述第一转换开关411的第二端相连接，所述第一避雷器413的第一端与所述第一转换开关411的第一端相连接，所述第一避雷器413的第二端与所述第一转换开关411的第二端相连接。

在本实施例中，所述第一转换开关411是由交流断路器改造而成；所述第一 LC振荡回路412的设置是为了让电路中形成电流过零点；而所述第一避雷器为金属氧化物，用于吸收直流回路中存储的能量。

在一种可选的实施例中，所述第一大地回线转换开关电路包括第二转换开关、第二LC振荡回路和第二避雷器；其中,所述第二转换开关的第一端与所述第一大地回线转换开关电路的输入端相连接，所述第二转换开关的第二端与所述第一大地回线转换开关电路的输出端相连接，所述第二LC振荡回路的输入端与所述第二转换开关的第一端相连接，所述第二LC振荡回路的输出端与所述第二转换开关的第二端相连接，所述第二避雷器的第一端与所述第二转换开关的第一端相连接，所述第二避雷器的第二端与所述第二转换开关的第二端相连接。

其中，所述第一大地回线转换开关电路可以为无源型大地回线转换开关电路或者有源型大地回线转换开关电路。

请参阅图4、图5和图6，在一种可选的实施例中，对直流输电系统进行单极大地运行方式转换为单极金属运行方式时避雷器吸收的能量、大地回线电流和金属回线电流进行分析；图4是第一直流转换开关支路4不加入第一限流电阻42 时避雷器吸收的能量、大地回线电流和金属回线电流的变化示意图；图5是第一直流转换开关支路4加入第一限流电阻42的阻值为10Ω时避雷器吸收的能量、大地回线电流和金属回线电流的变化示意图；图6是第一直流转换开关支路4加入第一限流电阻42的阻值为20Ω时避雷器吸收的能量、大地回线电流和金属回线电流的变化示意图。从图中可以分析得出，投入第一限流电阻42后，即第一限流电阻42的阻值从0到10Ω再到20Ω时，随着转换前大地回线回路电流从 2.8kA降低到1.8kA再到1.4kA，所述第一金属回线转换开关电路41中的所述第一避雷器413吸收的能量大大降低，从16MJ降低到6.6MJ再降到3.5MJ；由此可以看出所述第一避雷器413吸收的能量与转换前大地回线回路电流接近平方关系，转换前大地回线回路电流降至原来的一半，所述第一避雷器413吸收的能量将降至约原来的四分之一。由此可见通过设置限流电阻,可以有效地降低所述直流输电系统中的直流转换电流以及避雷器吸收的能量,使直流输电系统在进行回路转换时更加顺利。

请参阅图7，其是本实用新型实施例提供的一种直流输电系统在进行金属回路转大地回路时的结构示意图，所述直流输电系统包括第三换流站6、第四换流站7和直流线路；其中，所述第三换流站6包括直流转换开关电路8；所述直流转换开关电路8包括第二直流转换开关支路9和第二金属回线转换开关电路10；其中，所述第二直流转换开关支路9的输入端通过中性母线与所述第二金属回线转换开关电路10的输入端连接，所述第二直流转换开关支路9的输出端与金属回线相连接,所述第二金属回线转换开关电路10的输出端与接地极线相连接；所述第三换流站6通过直流线路与所述第四换流站7连接。

在本实施例中，所述直流输电系统为两端直流输电系统或者多端直流输电系统或者柔性直流输电系统，其中，所述两端直流输电系统至少有一个换流站设置第二金属回线转换开关电路10和第二大地回线转换开关电路，而所述多端直流输电系统会有多个换流站设置第二金属回线转换开关电路10和第二大地回线转换开关电路；其中，KN11、KN12、KN21和KN22为中性线隔离开关；K11、K12、K21和 K22用于连接换流站的中性线和运行极对极的极线，实现单极金属回线运行方式； RP为直流极线电阻；RER和REI分别为整流侧和逆变侧的接地极线路电阻；LP为直流极线电感；LER和LEI分别为整流侧和逆变侧的接地极线路电感。

在一种可选的实施例中，所述第二直流转换开关支路9包括第二大地回线转换开关电路、第二限流电阻和第二旁路开关；其中，所述第二大地回线转换开关电路的输入端与所述第二直流转换开关支路的输入端相连接，所述第二大地回线转换开关电路的输出端与所述第二限流电阻的第一端相连接，所述第二限流电阻的第二端与所述第二直流转换开关支路的输出端相连接，所述第二旁路开关的第一端与所述第二限流电阻的第一端相连接，所述第二旁路开关的第二端与所述第二限流电阻的第二端相连接。

在本实施例中，通过在所述第二直流转换开关支路9设置第二限流电阻和第二旁路开关，在单极金属运行方式转换为单极大地运行方式过程时，投入所述第二直流转换开关支路，能够有效地降低直流输电系统中的直流转换电流，从而降低第二大地转换开关电路中的第二避雷器吸收的能量，使直流输电系统在进行金属回路转大地回路时更加顺利；其中，所述第二大地回线转换开关电路可以为无源型大地回线转换开关电路或者有源型大地回线转换开关电路。

本实施例在直流输电系统中单极金属运行方式转换为单极大地运行方式的工作原理和过程可参考上述直流输电系统中单极大地运行方式转换为单极金属运行方式的描述，在此不再赘述。

在一种可选的实施例中，所述第二大地回线转换开关电路包括第三转换开关、第三LC振荡回路和第三避雷器；其中,所述第三转换开关的第一端与所述第二大地回线转换开关电路的输入端相连接，所述第三转换开关的第二端与所述第二大地回线转换开关电路的输出端相连接，所述第三LC振荡回路的输入端与所述第三转换开关的第一端相连接，所述第三LC振荡回路的输出端与所述第三转换开关的第二端相连接，所述第三避雷器的第一端与所述第三转换开关的第一端相连接，所述第三避雷器的第二端与所述第三转换开关的第二端相连接。

在本实施例中，所述第三转换开关是由交流断路器改造而成；所述第三LC 振荡回路的设置是为了让电路中形成电流过零点；而所述第三避雷器为金属氧化物，用于吸收直流回路中存储的能量。

在一种可选的实施例中，所述第二金属回线转换开关电路10包括第四转换开关、第四LC振荡回路和第四避雷器；其中,所述第四转换开关的第一端与所述第二金属回线转换开关电路的输入端相连接，所述第四转换开关的第二端与所述第二金属回线转换开关电路的输出端相连接，所述第四LC振荡回路的输入端与所述第四转换开关的第一端相连接，所述第四LC振荡回路的输出端与所述第四转换开关的第二端相连接，所述第四避雷器的第一端与所述第四转换开关的第一端相连接，所述第四避雷器的第二端与所述第四转换开关的第二端相连接。

其中，所述第二金属回线转换开关电路10可以为无源型金属回线转换开关电路或者有源型金属回线转换开关电路。

相对于现有技术，本实用新型实施例提供的一种基于换流站的直流转换开关电路的有益效果在于：当直流输电系统在进行大地回路转金属回路时，通过在所述第一直流转换开关支路设置第一限流电阻和第一旁路开关；当直流输电系统在进行金属回路转大地回路时，通过在所述第二直流转换开关支路设置第二限流电阻和第二旁路开关；能够有效地降低转换开关中避雷器吸收的能量，使直流输电系统在进行大地回路转金属回路或者金属回路转大地回路时更加顺利。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。