具备可靠快速重合闸保护能力的直流断路器及其控制方法

1.本发明属于直流断路器制造领域，具体涉及一种基于晶闸管的具备可靠快速重合闸保护能力的直流断路器及其控制方法。


背景技术：

2.最近几年，中高压直流配电网、柔性直流系统在各国都在迅速发展，但是由于电压源型直流系统的线路阻抗非常小，因此相比交流故障电流，直流故障电流上升非常迅速且没有自然过零点，因此针对直流系统的保护成为直流系统发展的瓶颈问题。直流断路器可以在极短的几毫秒时间内切除大电流，能够有选择地快速切除故障线路从而保护健康线路，进而规避换流站闭锁带来的系统整体性可靠性风险，已经被业内公认为最有希望的保护方案。
3.现存的直流断路器拓扑主要可以分成三类：机械式，固态式，混合式。（1）机械式断路器主支路采用机械开关，利用并联于机械开关的lc振荡转移电流创造机械开关的电流过零点，实现机械开关的零电流开断，但由于机械式断路器仍存在灭弧需求，随之而来的灭弧成本和维护成本较高。（2）典型的固态式断路器的主支路由全控电力电子器件串联，相较机械式方案，固态式方案可以更快地切除故障电流，但是导通损耗很大，且随着电压电流等级提升成本会显著增加。（3）典型的应用于中高压系统的混合式断路器主支路由机械开关和辅助换流开关构成，并联支路由串联的全控电力电子器件构成。该断路器导通损耗比固态式断路器低，但同样大量使用全控器件导致成本同样巨大且操作复杂。成本和损耗是设计直流断路器时非常重要的两个考量角度，晶闸管的导通损耗和成本都只有同样特性的全控器件的1/10，因此基于晶闸管设计的直流断路器越来越受欢迎。由于晶闸管为电力电子半控器件，业内提出了一系列被动式方案，即利用故障发生为条件启动保护，但由于故障地点未知进而线路阻抗未知从而无法保证断路器可靠动作。此外，基于晶闸管的方案还面临着反向恢复过程导致的过压问题，双向电流切除难题。
4.此外，中高压直流系统一般通过架空线路传输电能，为了保证系统的可靠运行，一般需要直流断路器具备快速重合闸能力和相应的保护措施。当故障为暂时性故障时，直流断路器快速重合闸后可以保证系统恢复正常运行状态；而当故障为永久性故障时，直流断路器再次进行保护。业内提出的大多数基于晶闸管设计的直流断路器方案没有考虑快速重合闸能力，还有部分方案利用外部电压源对方案中电容进行再次充电，虽然可以实现快速重合闸保护功能，但操作复杂度、成本都会提高。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术中的不足，本发明提供了一种基于晶闸管的具备可靠快速重合闸保护能力的直流断路器及其控制方法，利用辅助晶闸管进行主动控制，解决了现有技术中成本高、电流无法双向切除、操作复杂、可靠性低、缺乏快速重合闸保护和晶闸管反向恢复过压的问题。
6.一种具备可靠快速重合闸保护能力的直流断路器，包括主支路、并联支路、逆向回路和充电支路；所述主支路包括串联的超快速机械开关ufd和辅助换流开关lcs；所述并联支路并联于主支路，包含晶闸管t
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和四个二极管d
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、d
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，所述晶闸管t
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和四个二极管形成桥式电路，其连接方式为：二极管d
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和d
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的阴极连接于晶闸管t
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阳极，二极管d
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的阳极连接于晶闸管t
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阴极，二极管d
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的阳极和二极管d
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的阴极连接于并联支路一端，二极管d
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的阳极和二极管d
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的阴极连接于并联支路另一端；所述逆向回路包括晶闸管tc、二极管dc、电容c、电感lc和避雷器mov，所述晶闸管tc的阳极和所述二极管dc的阴极同时连接于晶闸管t
p
的阳极，所述晶闸管tc的阴极和所述二极管dc的阳极同时连接于所述电感lc和避雷器mov的一端，所述电感lc另一端连接于所述电容c一端，所述电容c另一端和mov另一端同时连接于晶闸管t
p
的阴极；所述充电支路包括电阻rg，所述电阻rg一端连接晶闸管tc阴极，另一端连接系统零电位点。
7.一种具备可靠快速重合闸保护能力的直流断路器的控制方法，包括以下步骤：s1：当需要开通直流电流时，控制主支路的超快速机械开关ufd和辅助换流开关lcs导通；s2：正常运行情况下提供给晶闸管t
p
间歇性导通信号，使电容c通过充电支路中rg接地充电，使电容c电压至源端电压，即电容c充满电；s3：当需要关断直流电时，确定断路器要进行动作，则导通晶闸管t
p
；s4：关断辅助换流开关lcs，待线路电流会从主支路转移进并联支路，且主支路电流达到零后，动作超快速机械开关ufd；s5：超快速机械开关ufd两触点打开至设定机械距离以满足耐压需求；s6：动作逆向回路中的晶闸管tc，产生一个逆向回路电流；随着逆向回路电流增大，当逆向回路电流比线路电流大时，晶闸管t
p
实现二极管电压嵌位关断；s7：电容c实现反向充电，直流断路器电压达到避雷器mov动作电压，避雷器mov启动以耗散系统能量；s8：判断是否存在重合闸需求；若无重合闸需求，则结束，若有重合闸需求，则进入下一步；s9：等待一段时间，待重合闸信号发出，导通晶闸管t
p
，从而电容c完成极性反转，同时晶闸管tc实现二极管电压嵌位关断；s10：判断是否需要进行重合闸保护；若需要进行保护，则进入s6；若不需要进行保护，则进入s11；s11：提供给晶闸管t
p
间歇性导通信号，并且闭合超快速机械开关ufd，待触点完全接触，导通辅助换流开关lcs，然后结束。
8.与现有技术相比，本发明的有益效果为：1、本发明利用半控型电力电子器件晶闸管设计直流断路器，大幅降低了断路器的投资，并且在电流的开断过程和重合闸过程中都不需要外部电源为电容充电，进一步降低成本和设计复杂度。
9.2、本发明的直流断路器能够可靠地、主动地开断双向运行电流或者故障电流。
10.3、本发明的直流断路器中的晶闸管均使用二极管钳位，能够实现晶闸管零电压关断，从而没有晶闸管反向恢复过程中的过压问题。
11.4、本发明利用重合闸时并联支路需要投入的条件，充分使用谐振电路进行电容极性的反转，从而满足快速重合闸保护需求。
12.5、本发明通过发送给两组晶闸管互补导通信号实现了切断电流和可靠重合闸的功能，可以实现两组晶闸管的互相可靠关断，操作步骤简单。
附图说明
13.图1为本发明提出的基于晶闸管的具备可靠快速重合闸保护能力的直流断路器电路图。
14.图2为本发明提出的基于晶闸管的具备可靠快速重合闸保护能力的直流断路器的控制方法流程图。
具体实施方式
15.下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
16.下面结合附图和具体实施方式详细说明本发明的实施例。
17.如图1所示，一种基于晶闸管的具备可靠快速重合闸保护能力的直流断路器，其特征在于，包括主支路、并联支路、逆向回路和充电支路；所述主支路包括超快速机械开关ufd和辅助换流开关lcs，所述超快速机械开关ufd一端连接所述辅助换流开关lcs一端，所述超快速机械开关ufd另一端连接所述直流断路器一端，所述辅助换流开关lcs另一端连接所述直流断路器另一端；所述并联支路并联于主支路，包含晶闸管t
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和四个二极管d
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，所述晶闸管t
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和四个二极管形成桥式电路，其连接方式为：二极管d
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和d
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的阴极连接于晶闸管t
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阳极，二极管d
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和d
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的阳极连接于晶闸管t
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阴极，二极管d
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的阳极和二极管d
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的阴极连接于并联支路一端，二极管d
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的阳极和二极管d
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的阴极连接于并联支路另一端；所述逆向回路包含晶闸管tc，二极管dc，电容c，电感lc和避雷器mov，所述晶闸管tc的阳极和所述二极管dc的阴极连接于所述并联支路中晶闸管t
p
的阳极，所述晶闸管tc的阴极和所述二极管dc的阳极连接于所述电感lc一端和避雷器mov一端的连接处，所述电感lc另一端连接于所述电容c一端，所述电容c另一端和mov另一端连接于所述并联支路中晶闸管t
p
的阴极；所述充电支路包含电阻rg，所述电阻rg一端连接晶闸管tc阴极，另一端连接系统零电位点。
18.本发明的直流断路器基于半控型电力电子器件晶闸管设计，大幅降低了断路器的投资。直流断路器方案中不需要外部充电电源，进一步降低成本和设计复杂度。所有晶闸管都并联了二极管，为晶闸管反向恢复提供了条件。避雷器mov并联在电力电子两端，具有三个作用：一、嵌位断路器电压，保护电力电子器件。二、抑制二极管反向恢复电压。三、耗散系
直流统能量。本实例中电阻rg为大电阻，避免导通晶闸管tc引入新的短路故障。
19.如图2所示，本发明基于晶闸管的具备可靠快速重合闸保护能力的直流断路器的控制方法，包括以下步骤：s1：当需要开通直流电流时，控制主支路的超快速机械开关ufd和辅助换流开关lcs导通，主支路导通损耗低，保证系统运行效率，并进入s2；s2：正常运行情况下提供给晶闸管t
p
间歇性导通信号，在保证导通损耗较低的前提下使电容c通过充电支路中rg接地充电，使电容c电压至源端电压，即电容c充满电，并进入s3；s3：当需要关断直流电时，确定断路器要进行动作，导通晶闸管t
p
，并进入s4；s4：首先关断辅助换流开关lcs，线路电流会从主支路转移进并联支路，等主支路电流达到零后，动作超快速机械开关ufd，并进入s5；s5：等待超快速机械开关ufd两触点打开至一定机械距离以满足耐压需求，一般此步骤需要持续2~3毫秒，并进入s6；s6：动作逆向回路中的晶闸管tc，产生一个逆向谐振回路电流，随着逆向回路电流增大，当逆向回路电流比线路电流大时，晶闸管t
p
实现二极管电压嵌位关断，并进入s7；s7：电容c实现反向充电，直流断路器电压达到避雷器mov动作电压，避雷器mov启动以耗散系统能量，并进入s8；s8：为适应不同场景需求，需要判断是否存在重合闸需求。若无重合闸需求，则结束，若有重合闸需求，则进入s9；s9：等待一段时间，待重合闸信号发出，导通晶闸管t
p
，从而电容c完成极性反转，同时晶闸管tc实现二极管电压嵌位关断，并进入s10；s10：判断是否需要进行重合闸保护。若需要进行保护，则进入s6。若不需要进行保护，则进入s11；s11：提供给晶闸管t
p
间歇性导通信号，并且闭合超快速机械开关ufd，待触点完全接触，导通辅助换流开关lcs，然后结束。
20.本实例中具有以下注意事项：1、如果重合闸时间间隔较长，考虑到电容c自身存在的寄生电阻导致电容泄能，需要选择较小rg以保证晶闸管tc一直导通，进一步地保证电容c一直可以从源端补充能量。
21.2、电容c和电感lc作为互相耦合的参数，需要在谐振频率、谐振峰值电流、成本等多角度权衡。
22.3、本实例应用于中高压直流系统，而非低压直流系统。
23.4、由于晶闸管短时间内电流容量极大且晶闸管tc和t
p
不充当通流开关，一般情况下只需要单组晶闸管串联，而不需要并联结构，从而进一步降低成本。
24.在本实例中，系统能量指断路器所工作的整个直流系统的能量。
25.在本实例中，要保证逆向回路电流大于线路电流的持续时间长于并联支路晶闸管t
p
的反向恢复时间从而保证晶闸管t
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可靠关断。
26.在本实例中，并联支路的二极管具备以下五个优势：一、相对其他电力电子器件更加便宜。二、可以避免线路电流出现谐振问题。三、可以避免电容在重合闸保护启动之前泄能。四、提供电流双向流通能力。五、为晶闸管提供零电位关断条件。
27.本实例针对于高压直流配电网和柔性直流系统，图1的直流断路器利用图2所示的控制方法，可以可靠地、主动地开断双向运行电流和故障电流；能够实现晶闸管的零电压反向恢复，从而没有反向恢复过程的过压问题；利用重合闸过程中并联支路晶闸管投入，实现了辅助晶闸管tc的可靠关断。
28.本实例的控制方法在断路器动作和重合闸期间通过依次发送给两组晶闸管导通信号实现了切断电流和可靠重合闸的功能，可以实现两组晶闸管的互相可靠关断，操作步骤简单。
29.本实例通过避雷器mov实现了系统能量吸收和对断路器本身的保护，保护效果较好。
30.本实例重合闸过程启动之后，电容极性反转所需时间应该短于断路器重新动作的时间以保证重合闸保护的可靠性。