一种高压直流快速断路器及其功率子模块的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高压直流快速断路器及其功率子模块，属于高压直流输电技术领域。
【背景技术】
[0002]目前，高压直流断路器中的功率子模块，拓扑结构主要有正反向串联结构的IGBT模块，以及Η桥结构的IGBT模块。由于直流断路器断开直流电流时，会在断路器两端产生很高的直流暂态电压，因此，直流断路器转移支路中需要串联很多子模块，造成直流断路器的体积庞大，造价尚昂。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种高压直流快速断路器，用于解决现有直流断路器体积大，造价高的问题。同时，本发明还提供了一种功率子模块。
[0004]为实现上述目的，本发明的方案包括:
一种高压直流快速断路器，包括机械隔离开关、主通流支路和电流转移支路，所述机械隔离开关和主通流支路串联形成的电路与所述电流转移支路并联，所述电流转移支路由若干串联的功率子模块构成，所述功率子模块为混合型子模块，包括:一对正反向串联的两个功率开关管，一对正反向并联的功率开关管，两个均压电阻和均压电容;两均压电阻串联，均压电容与两串联的均压电阻并联，其中一个均压电阻与所述一对正反向串联的两个功率开关管并联，另一个均压电阻与所述一对正反向并联的功率开关管并联。
[0005]构成所述主流通支路的功率子模块也是混合型子模块，包括:一对正反向串联的两个功率开关管，一对正反向并联的功率开关管，两个均压电阻和均压电容;两均压电阻串联，均压电容与两串联的均压电阻并联，其中一个均压电阻与所述一对正反向串联的两个功率开关管并联，另一个均压电阻与所述一对正反向并联的功率开关管并联。
[0006]所述一对正反向串联的两个功率开关管为全控器件;一对正反向并联的功率开关管为半控器件。
[0007]所述全控器件为IGBT，所述半控器件为晶闸管。
[0008]所述晶闸管为配置有B0D强制触发的光控晶闸管。
[0009]本发明还提供了一种功率子模块，所述功率子模块为混合型子模块，包括:一对正反向串联的两个功率开关管，一对正反向并联的功率开关管，两个均压电阻和均压电容;两均压电阻串联，均压电容与两串联的均压电阻并联，其中一个均压电阻与所述一对正反向串联的两个功率开关管并联，另一个均压电阻与所述一对正反向并联的功率开关管并联。
[0010]所述一对正反向串联的两个功率开关管为全控器件;一对正反向并联的功率开关管为半控器件。
[0011]所述全控器件为IGBT，所述半控器件为晶闸管。
[0012]所述晶闸管为配置有B0D强制触发的光控晶闸管。
[0013]本发明采用有IGBT和光控晶闸管串联起来的混合型子模块结构，有效减小了直流断路器模块的串联数量，降低了直流断路器的体积和造价，为直流断路器的工程化应用创造了便利条件。
【附图说明】
[0014]图1是本发明的高压直流断路器电路原理图；
图2是本发明混合型子模块原理图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
[0016]直流断路器实施例
如图1、图2所示。高压直流断路器包括:机械隔离开关、主通流支路(与机械隔离开关串联)，电流转移支路，避雷器。机械隔离开关和主流通支路串联，串联后与电流转移支路、避雷器并联。主通流支路和电流转移支路均由混合型子模块串联组成，如图1中，电流转移支路由若干个功率子模块SM1、SM2…SMn串联构成，主流通支路由两个功率子模块串联构成。
[0017]每个混合型子模块(如图2所示)有正反向串联的全控器件IGBT(1Τ1、1Τ2)，正反向并联的光控晶闸管(1T3，1T4)，外加均压电阻(1R1，1R2)，以及均压电容1C1组成。两均压电阻(1R1，1R2)串联，均压电容1C1与两串联的均压电阻并联，其中一个均压电阻1R1与一对正反向串联的IGBT(1T1、1T2)并联，另一个均压电阻1R2与一对正反向并联的光控晶闸管(1T3，1T4)并联。
[0018]其工作原理如下:
主回路中的电流正常情况下从机械隔离开关及主通流支路中流过，转移支路中没有电流流过。
[0019]直流断路器启动时，转移支路所有IGBT均处于断开状态，光控晶闸管关断。主通流支路中的IGBT和光控晶闸管，根据电流的流向选择性开通，如果电流从左往右。需要开通如图所示的第一个模块的IGBT ΖΤ12及光控晶闸管ΖΤ14，以及另一个模块的IGBTZT21和光控晶闸管ΖΤ24。一旦通流主回路有电流流过，光控晶闸管触发脉冲应取消，因为晶闸管如果电流不过零会维持导通，不会关断。
[0020]当高压直流线路短路故障时，通流支路中混合型子模块的IGBT关断，同时启动机械隔离开关分闸。同时根据电流流向控制转移支路中的IGBT和光控晶闸管导通:当电流正向(图1中从左往右)流过时，同时控制所有串联的子模块中正向的IGBT(1Τ2)和光控晶闸管(1Τ4)导通。当电流反向流过时，同时控制所有串联的子模块中反向的IGBT (1Τ1)和光控晶闸管(1Τ3)导通。主通流支路中的直流电流转移到转移支路中。
[0021]当控制装置检测到机械隔离开关断开时，关断转移支路中所有子模块的IGBT，光控晶闸管因为电流为零自然关断。转移支路中的直流电流立即转移到所有串联子模块中的电容中，并给电容充电，电容器端电压升高，转移支路两端电压随之升高。一旦转移支路两端的电压超过避雷器的保护电压，避雷器导通限压，电流转移到避雷器中。直流电流剩余的能量被避雷器吸收完毕后，整个直流断路器具有了完全阻断高压直流电压的能力，达到快速分断直流线路的目的。
[0022]具体的，其中均压电阻，根据I光控GBT和晶闸管的额定工作电压设计，具体为如果IGBT的额定工作电压为2000V，晶闸管的额定工作电压为8000V，那么两个直流均压电阻的电阻比就是2000:8000=4。晶闸管上承受的断态电压是IGBT承受电压的4倍。也就是说，一个有IGBT组成的Η桥，其额定电压是2000V，那么采用本发明的混合型子模块，其额定工作电压可达10000V，因此，整个转移支路串联的子模块的数量不到原来的1半左右。极大降低了直流断路器的体积和造价。需要说明的是，这里的均压电阻(1R1，1R2)均是阻值百ΚΩ级的大阻值电阻。
[0023]为了保护晶闸管，所有混合型子模块中的光控晶闸管内配置B0D强制触发。保证晶闸管的安全运行。
[0024]以上实施例中，主流通支路和电流转移支路均由混合子模块构成，作为其他实施方式，主流通支路由于涉及的功率子模块较少，也可以采用现有技术的子模块拓扑，如Η桥，半桥等。
[0025]另外，以上实施例中的IGBT还可以由其他类型的全控器件替代；晶闸管可以由其他类型的半控器件或者全控器件替代。
[0026]关于功率子模块实施例，由于已经在以上实施例中进行了详细的说明，因此不再赘述。
[0027]以上给出一种具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动，如子模块中的光控晶闸管改为电控晶闸管等。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。
【主权项】
1.一种高压直流快速断路器，包括机械隔离开关、主通流支路和电流转移支路，所述机械隔离开关和主通流支路串联形成的电路与所述电流转移支路并联，所述电流转移支路由若干串联的功率子模块构成，其特征在于，所述功率子模块为混合型子模块，包括:一对正反向串联的两个功率开关管，一对正反向并联的功率开关管，两个均压电阻和均压电容;两均压电阻串联，均压电容与两串联的均压电阻并联，其中一个均压电阻与所述一对正反向串联的两个功率开关管并联，另一个均压电阻与所述一对正反向并联的功率开关管并联。2.根据权利要求1所述的一种高压直流快速断路器，其特征在于，构成所述主流通支路的功率子模块也是混合型子模块，包括:一对正反向串联的两个功率开关管，一对正反向并联的功率开关管，两个均压电阻和均压电容;两均压电阻串联，均压电容与两串联的均压电阻并联，其中一个均压电阻与所述一对正反向串联的两个功率开关管并联，另一个均压电阻与所述一对正反向并联的功率开关管并联。3.根据权利要求1或2所述的一种高压直流快速断路器，其特征在于，所述一对正反向串联的两个功率开关管为全控器件;一对正反向并联的功率开关管为半控器件。4.根据权利要求3所述的一种高压直流快速断路器，其特征在于，所述全控器件为IGBT，所述半控器件为晶闸管。5.根据权利要求4所述的一种高压直流快速断路器，其特征在于，所述晶闸管为配置有BOD强制触发的光控晶闸管。6.一种功率子模块，其特征在于，所述功率子模块为混合型子模块，包括:一对正反向串联的两个功率开关管，一对正反向并联的功率开关管，两个均压电阻和均压电容;两均压电阻串联，均压电容与两串联的均压电阻并联，其中一个均压电阻与所述一对正反向串联的两个功率开关管并联，另一个均压电阻与所述一对正反向并联的功率开关管并联。7.根据权利要求6所述的一种功率子模块，其特征在于，所述一对正反向串联的两个功率开关管为全控器件;一对正反向并联的功率开关管为半控器件。8.根据权利要求7所述的一种功率子模块，其特征在于，所述全控器件为IGBT，所述半控器件为晶闸管。9.根据权利要求8所述的一种功率子模块，其特征在于，所述晶闸管为配置有BOD强制触发的光控晶闸管。
【专利摘要】本发明涉及一种高压直流快速断路器及其功率子模块，高压直流快速断路器，包括机械隔离开关、主通流支路和电流转移支路，所述机械隔离开关和主通流支路串联形成的电路与所述电流转移支路并联，所述电流转移支路由若干串联的功率子模块构成，所述功率子模块为混合型子模块，包括：一对正反向串联的两个功率开关管，一对正反向并联的功率开关管，两个均压电阻和均压电容。与采用全控器件的或H桥的直流断路器相比，本直流断路器转移支路使用的串联模块数量是前者的1/3~1/2的模块数量，极大的减小了直流断路器的体积，降低了成本。
【IPC分类】H02H9/02, H02H3/087
【公开号】CN105429099
【申请号】CN201610000895
【发明人】范彩云, 何青连, 高仕龙, 夏克鹏, 焦中原, 孙亚冰, 邱文龙
【申请人】许继集团有限公司, 许继电气股份有限公司, 国家电网公司
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2016年1月4日