一种无源型高压直流断路器及其实现方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种直流断路器，具体涉及一种无源型高压直流断路器及其实现方法。
【背景技术】
[0002]随着基于电压源换流器(VSC)的多端柔性直流和直流电网技术的开始应用，快速直流断路器成为保证系统稳定安全可靠运行的关键设备之一。在交流系统中，交流电流在一个周期内存在两个自然过零点，交流断路器正是利用电流的自然过零点关断电流，而在直流系统中，直流电流不存在自然过零点，因此直流电流的开断远比交流电流的开断困难。
[0003]开断直流电流通常有三种方式，一种是在常规交流机械断路器的基础上，通过增加辅助电路，在开断弧间隙的直流电流上迭加增幅的振荡电流，利用电流过零时开断电路，利用这种原理制造的机械式断路器，在分断时间上无法满足多端柔性直流输电系统的要求；一种是利用大功率可关断电力电子器件，直接分断直流电流，利用这种原理制造的固态断路器，在时间上虽然可以满足多端柔性直流系统的要求，但在正常导通时的损耗过大，经济性较差；最后一种是采用机械开关和电力电子器件混合的方式，正常运行由机械开关通流，故障时分断机械开关，利用产生的电弧电压将电流转移至并联连接的电力电子器件支路中，然后由电力电子器件分断电流。基于该原理断路器既减低了通态损耗，又提高了分断速度，但是需要使用大量的全控器件串联，技术难度大，制造成本高，而且当短路电流超过单个全控器件所能耐受电流峰值时，其成本将接近翻倍。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种无源型高压直流断路器，另一目的是提供一种无源型高压直流断路器的实现方法，本发明断路器由高速机械开关和少量电力电子器件流通，通态损耗小，通流能力强；主要采用半控型器件晶闸管，耐压能力高，易于串联，成本低，分断电流能力强，不需要配备辅助高压隔离电源，可靠性高。
[0005]本发明的目的是采用下述技术方案实现的:
[0006]本发明提供一种无源型高压直流断路器，所述高压直流断路器包括并联的能量吸收支路、主支路和电流转移支路，所述电流转移支路包括第一电流转移支路和第二电流转移支路；所述能量吸收支路由非线性电阻器构成；所述高压直流断路器串联连接于直流系统中，其改进之处在于，所述主支路包括串联的至少两组高速机械开关和至少两组全控器件模块。
[0007]进一步地，所述全控器件模块由反向串联的全控器件构成，每个全控器件两端均反并联有续流二极管；两组高速机械开关表示为高速机械开关Kl和K2，两组全控器件分别表示为第一全控器件、第二全控器件、第三全控器件和第四全控器件。
[0008]进一步地，所述全控器件模块由两组全控器件反向并联构成；两组全控器件分别表示为第五全控器件、第六全控器件、第七全控器件和第八全控器件。
[0009]进一步地，所述全控器件模块采用四个全控器件和电容器Cl组成的全桥结构，分别表示为第九全控器件模块和第十全控器件模块；全桥结构包括两个桥臂，每个桥臂由2个全控器件串联组成，每个全控器件两端均反并联有续流二极管；所述电容器Cl连接于两桥臂中点之间。进一步地，所述全控器件包括IGCT器件、IGBT器件和GTO器件。
[0010]进一步地，所述第一电流转移支路和第二电流转移支路均由2组反方向晶闸管阀串联构成；串联的电容器C和电感L连接在第一电流转移支路和第二电流转移支路的中点处,经电组接地。
[0011]进一步地，所述晶闸管阀分别为晶闸管阀Tl、晶闸管阀T2、晶闸管阀T3和晶闸管阀T4 ;其中晶闸管阀Tl和晶闸管阀T2反向串联组成第一电流转移支路，晶闸管阀T3和晶闸管阀T4反向串联组成第二电流转移支路。
[0012]进一步地，所述非线性电阻器为避雷器。
[0013]本发明还提供一种无源型高压直流断路器的实现方法，其改进之处在于，当全控器件模块由反向串联的全控器件构成，所述实现方法包括:
[0014]一)当直流系统正常运行时，两组高速机械开关均闭合，全控器件模块中的全控器件均处于触发状态，主支路电流经高速机械开关和与电流同向的全控器件流通；直流系统正常运行期间，经过电阻对连接于第一电流转移支路和第二点流支路中点处的电容器C进行充电；
[0015]二)直流系统发生单侧短路故障，①当直流系统在断路器右侧端口发生接地短路故障时，对第一电流转移支路中的晶闸管阀Tl施加长触发脉冲，同时闭锁与第一、三全控器件，当正向电压高于晶闸管阀Tl触发所需的最低电压时，晶闸管阀Tl导通，主支路中流经高速机械开关Kl电流开始向晶闸管阀Tl转移直至过零，发出高速机械开关Kl分断信号；短路电流经晶闸管阀Tl-高速机械开关K2-第二全控器件流通，维持晶闸管阀Tl导通不低于2ms的时间，保证高速机械开关Kl产生足够开距耐受直流系统恢复过电压，同时等待来自于直流系统或自身的的分闸命令；
[0016]②若直流系统判定或者达到断路器自身分断电流极限值需要高压直流断路器动作时，则触发第二电流转移支路中的晶闸管阀T3，电容器C经电感L向晶闸管阀Tl注入反向电流，短路电流开始从晶闸管阀Tl向晶闸管阀T3转移，晶闸管阀Tl电流降为零时关断；晶闸管阀Tl关断后，短路电流经晶闸管阀T3-电容器C-电感L-高速机械开关K2-第二全控器件对电容器C进行反向充电，电容器C极性反转，直至达到避雷器动作阈值避雷器动作，短路电流转移至避雷器中，晶闸管阀T3关断，直流系统能量被避雷器所消耗吸收，断路器完成分断；在晶闸管阀T3关断后，电容器C储存能量通过第四全控器件经接地电阻释放，能量释放完成后闭锁第二、四全控器件，分断高速机械开关K2 ；
[0017]③若系统判定不需要高压直流断器动作时，则重新闭合主支路高速机械开关K1，触发第一、三全控器件，电流将转移到主支路，由于主支路通态压降低，无法使晶闸管阀Tl正常导通，晶闸管阀Tl关断，高压直流断路器转入稳态运行状态。
[0018]进一步地，当全控器件模块由全控器件反向并联构成时，所述实现方法包括:
[0019]一)当直流系统正常运行时，两组高速机械开关均闭合，全控器件模块中的全控器件均处于触发状态，主支路电流经高速机械开关和与电流同向的全控器件流通；直流系统正常运行期间，经过电阻对连接于第一电流转移支路和第二点流支路中点处的电容器C进行充电；
[0020]二)直流系统发生单侧短路故障，①当直流系统在断路器右侧端口发生接地短路故障时，对第一电流转移支路中的晶闸管阀Tl施加长触发脉冲，同时闭锁与第五、七全控器件，当正向电压高于晶闸管阀Tl触发所需的最低电压时，晶闸管阀Tl导通，主支路中流经高速机械开关Kl电流开始向晶闸管阀Tl转移直至过零，发出高速机械开关Kl分断信号；短路电流经晶闸管阀Tl-高速机械开关K2-第六全控器件流通，维持晶闸管阀Tl导通不低于2ms的时间，保证高速机械开关Kl产生足够开距耐受直流系统恢复过电压，同时等待来自于直流系统或自身的分闸命令；
[0021]②若直流系统判定或者达到断路器自身分断电流极限值需要高压直流断路器动作时，则触发第二电流转移支路中的晶闸管阀T3，电容器C经电感L向晶闸管阀Tl注入反向电流，短路电流开始从晶闸管阀Tl向晶闸管阀T3转移，晶闸管阀Tl电流降为零时关断；晶闸管阀Tl关断后，短路电流经晶闸管阀T3-电容器C-电感L-高速机械开关K2-第六全控器件对电容器C进行反向充电，电容器C极性反转，直至达到避雷器动作阈值避雷器动作，短路电流转移至避雷器中，晶闸管阀T3关断，直流系统能量被避雷器所消耗吸收，断路器完成分断；在晶闸管阀T3关断后，电容器C储存能量通过第八全控器件经接地电阻释放，能量释放完成后闭锁第六、八全控器件，分断高速机械开关K2 ；
[0022]③若系统判定不需