一种电容充电型双向直流断路器及其应用
【专利摘要】本发明公开了一种电容充电型双向直流断路器，包括并联的辅助支路和主支路，其中辅助支路由第一机械开关和电力电子器件阀组串联而成，主支路由单相不可控整流桥和电容?机械开关电容串联支路组合而成。本发明还公开了一种直流断路器，主支路由两个结构相同的电容串联支路反向并联联接而成，其中一个电容串联支路由机械开关、直流电容和二极管阀组串联而成，另一个电容串联支路结构与第一电容串联支路元件相同，接线方式相反。本发明还公开了对上述直流断路器进行故障隔离以及快速重合闸的控制方法。本发明可避免目前直流断路器的直流电容与线路电感容易形成电感?电容振荡的缺陷，而且其开断直流故障电流稳定可靠，可实现快速重合闸。
【专利说明】
一种电容充电型双向直流断路器及其应用
技术领域
[0001]本发明属于电力系统输配电技术领域，更具体地，涉及一种电容充电型双向直流断路器及其在进行直流故障隔离中的应用。
【背景技术】
[0002]随着模块化多电平换流器的发展，利用模块化多电平换流器构成直流电网是电力工业界近年来备受关注的一个热点。直流电网需要在直流侧对直流输电线路进行互联，发生直流故障时，需要快速隔离故障线路以避免直流电网电压崩溃，为此，直流断路器是大型直流电网不可或缺的装置。
[0003]固态开关直流断路器是一种典型的直流断路器，其由数量众多的全控型电力电子器件串联而成，这种直流断路器其开断直流故障电流的速度很快，可以快至数百微妙，但是该方案存在的主要缺陷在于由于需要数量众多的全控型电力电子器件，其成本高，导通损耗高，并且多个全控型电力电子器件串/并联带来了均压/均流困难的缺陷。
[0004]为克服固态开关直流断路器存在的损耗高缺陷，现有技术中存在一种混合型高压直流断路器，其主要由辅助支路和固态开关支路并联而成，其中辅助支路由全控型电力电子器件和快速机械开关串联而成，而固态开关支路与固态开关直流断路器基本一致，由数量众多的全控型电力电子器件串联而成。正常工作时，辅助支路和固态开关支路同时处于导通状态，由于固态开关支路的导通电阻远高于辅助支路，直流电流主要经过辅助支路流通，固态开关支路上的电流几乎为零，从而使得混合型高压直流断路器克服了固态开关直流断路器损耗高的缺陷。开断直流故障电流时，将先关断辅助直流的全控型电力电子器件从而将直流电流转移到固态开关支路，而后由固态开关支路及其并联的避雷器隔离直流故障电流。这种混合型高压直流断路器具有损耗低的优点，但由于仍包含固态开关支路，其成本比固态开关直流断路器还要高，同时在关断期间其固态开关支路吸收了大量的能量，使得固态开关支路无法短时间内进行连续关断操作，从而混合型高压直流断路器不具备快速重合闸的能力，导致故障恢复后的供电速度缓慢。
[0005]专利文献W02013/093066A中公开了一种混合型高压直流断路器，如图1所示，其包括主支路24和辅助支路28，其中主支路24包括相互串联的机械开关3和电力电子器件阀组4，辅助支路28与主支路24并联，其包括电容器5。该型直流断路器通过直流故障时将故障电流转移到电容器5的方式，实现隔离直流故障，其可以克服常规的混合型高压直流断路器主支路成本高昂的缺陷等缺陷，但是，其因为限流电感2和电容器5构成串联回路，一方面其在开断故障电流期间存在电感-电容谐振，需要经较长时间才能关断直流故障电流，同时其完成一次关断后，其电容器5的电压被充电至高压状态，需要对电容5放电后才能实现重合闸，而对电容5放电需要一定的时间，为此上述方案无法实现快速重合闸，而且其电力电子器件阀组4全部由全控型电力电子器件构成，电力电子器件阀组4成本较高。
[0006]专利文献CN105656019A公开了一种电容充电型直流断路器，其包括并联的辅助支路和主支路，其中辅助支路由第一机械开关和电力电子器件阀组串联而成，主支路由直流电容和二极管阀组串联而成，通过直流故障期间直流电流对直流电容的充电效应隔离直流故障电流。重合闸时，检测到直流断路器线路侧直流电压高于某一阈值时才发出重合闸指令。本发明可避免目前直流断路器的直流电容与线路电感容易形成电感-电容振荡的缺陷，而且其开断直流故障电流稳定可靠，可实现快速重合闸。
[0007]但是，该方案中，由于直流故障电流仅能单向地给直流充电，其只能隔离直流断路器线路侧直流故障，存在无法隔离直流母线侧直流故障的问题，也无法对联接于相同直流母线的其他直流线路提供后备保护。
【发明内容】
[0008]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电容充电型双向直流断路器，通过改进混合型高压直流断路器的结构，使得隔离直流故障时，可避免目前直流断路器的电容器与线路电感容易形成电感-电容振荡的缺陷，而且其可以隔离直流母线侧直流故障，其开断直流故障电流稳定可靠，同时也可对联接于相同直流母线的其他直流线路提供后备保护。
[0009]为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种电容充电型双向直流断路器，其包括并联的辅助支路和主支路，其中，所述辅助支路包括电力电子器件阀组，以作为直流断路器正常导通时的直流电流流经支路;所述主支路由单相不可控整流桥和由直流电容与机械开关串联组成的电容-机械开关支路组合而成，其中所述不控整流桥的输入端口分别与辅助支路的两个端口相联接，所述不控整流桥的高、低压直流端口间串联联接所述电容-机械开关串联支路。
[0010]本方案中，辅助支路具备双向地隔离直流故障电流的功能，所述主支路的不控整流桥的输入端口分别与辅助支路的两个端口相联接，不控整流桥的高、低压直流端口间串联联接直流电容，从而使得线路侧或母线侧发生直流故障时，直流电容均能被充电；正常闭合状态时，辅助支路处于闭合状态，直流电流经过辅助支路流通，隔离直流故障电流时，电力电子器件阀组将首先被关断从而将直流电流转移至主支路，直流电流将对直流电容进行充电，当直流电容电压高于非故障侧直流电压时，直流电流将开始下降并最终降为零。该方案用于在需要开断直流故障电流时将故障电流转移到该支路上。在所述电容器两侧电压高于直流断路器母线侧直流电压时使直流电流开始下降并最终降为零。单相不可控整流桥可以实现主支路的双向通流能力，并且可以防止直流电流降为零后进一步变为负的值从而引起电容器与线路电感形成电感-电容振荡。
[0011]作为本发明的进一步优选，所述主支路的电容器两侧还并联有放电支路，用于在直流断路器重合闸前对该电容器放电。
[0012]作为本发明的进一步优选，所述放电支路包括相互串联的机械开关和电阻。
[0013]作为本发明的进一步优选，所述放电支路为相互并联的多个。
[0014]作为本发明的进一步优选，所述辅助支路的电力电子器件阀组由反并联的全控型电力电子器件和反并联的晶闸管串联而成。
[0015]作为本发明的进一步优选，所述直流断路器的辅助支路和主支路上还并联了第三支路，该第三支路由一个避雷器或由多个避雷器串联和/或并联组合而成。
[0016]作为本发明的进一步优选，所述直流断路器的主支路以及辅助支路构成的并联回路的外部还串联了直流限流电感，以限制直流故障电流的上升速率。
[0017]作为本发明的进一步优选，在直流断路器的线路侧额外并联有电容器，以可靠判断直流故障是否清除，从而用于重合闸。
[0018]作为本发明的进一步优选，所述辅助支路还包括第一机械开关，该第一机械开关和电力电子器件阀组串联形成所述辅助支路。
[0019]作为本发明的进一步优选，所述直流断路器的的主支路以及辅助支路构成的并联回路的外部还串联联接了第二机械开关，用于开断直流电流后在直流电源和直流断路器之间建立可靠的绝缘间隙从而防止母线侧直流电压持续施加在第三支路的避雷器上。
[0020]作为本发明的进一步优选，所述辅助支路的电力电子器件阀组由可以快速关断的全控型电力电子器件(如绝缘栅双极型晶体管)和较慢速度的其他电力电子器件如晶闸管、可关断晶闸管等串联而成，上述方案可大大降低辅助支路的成本。
[0021]作为本发明的进一步优选，所述额外并联的电容器上还串联联接有电阻。
[0022]按照本发明的另一方面，提供一种利用所述直流断路器进行直流故障隔离的方法，其中，该方法包括在发生直流故障时，关断辅助支路的电力电子阀组，从而将故障电流转移至主支路给所述直流电容充电，待该直流电容电压高于直流断路器母线侧直流电压时，故障电流被熄灭，实现直流故障隔离。或者在发生直流故障时，先关断所述辅助支路中的电力电子器件阀组，而后打开所述辅助支路上的第一机械开关。
[0023]作为本发明的进一步优选，打开所述辅助支路上的第一机械开关并待直流电流降为零后，打开外部串联联接的第二机械开关。
[0024]按照本发明的另一方面，提供一种利用上述直流断路器进行直流故障隔离后的重合闸方法，其中，该方法包括在接收到重合闸指令后，先闭合辅助支路上的第一机械开关，再开通所述电力电子器件阀组;或者，在接收到重合闸指令后，先闭合辅助支路外部串联联接的第二机械开关，然后闭合辅助支路上的第一机械开关，最后开通所述电力电子器件阀组。
[0025]按照本发明的又一方面，提供一种电容充电型双向直流断路器，其包括并联的辅助支路和主支路，其中，所述辅助支路包括电力电子器件阀组，以作为直流断路器正常导通时直流电流流经支路；
[0026]其特征在于，所述主支路由两个结构相同的电容串联支路反向并联联接而成，其中一个电容串联支路由机械开关、直流电容和二极管阀组串联而成，另一个电容串联支路结构与第一电容串联支路元件相同，接线方式相
[0027]按照本发明的再一方面，提供一种可快速重合闸的电容充电式双向直流断路器，用于隔离直流故障后，无需等待已充电电容放电即可进行快速重合闸操作，其特征在于，该直流断路器由辅助支路和主支路并联而成，其中，
[0028]所述辅助支路由第一机械开关和双向电力电子阀组串联而成，以作为正常导通时直流电流流过的支路；
[0029]所述主支路由单相不可控整流桥和多个电容串联支路组合而成，其中每组电容串联支路由第四机械开关和电容器串联形成。该主支路用于在关断辅助支路后为故障电流提供故障通路，使得故障电流对主支路的直流电容充电，当电容电压高于直流断路器非故障侧的直流电压时，直流电流开始下降并最终降为零而实现直流故障隔离。单相不可控整流桥可以实现主支路的双向通流能力，使得直流断路器任意一侧发生直流故障时，直流断路器均能隔离该直流故障，并且可以在直流电流降为零后阻止该直流电流进一步变为负值从而防止电容器与线路电感形成电感-电容振荡，
[0030]正常工作时，所述多组电容串联支路仅一组电容串联支路的第四机械开关处于闭合状态，其余电容串联支路的机械开关均处于开断状态，完成第一次开断直流故障电流后，原先处于闭合状态的第四机械开关将被打开，原先处于开断状态的一个第四机械开关将被闭合，从而无需等待已充电电容放电结束即可进行快速重合闸操作。
[0031]作为本发明的进一步优选，每个电容串联支路中的电容器上并联有放电回路，对该电容器放电前先断开与该电容器串联的第四机械开关。
[0032]作为本发明的进一步优选，所述与电容器并联的放电回路由第三机械开关与放电电阻串联而成。
[0033]作为本发明的进一步优选，所述直流断路器的辅助支路和主支路上还并联了第三支路，该第三支路由一个避雷器或由多个避雷器串联或并联而成。
[0034]作为本发明的进一步优选，所述直流断路器的主支路以及辅助支路构成的并联回路的外部还串联了直流限流电感，以限制直流故障电流的上升速率。
[0035]作为本发明的进一步优选，所述直流断路器的的主支路以及辅助支路构成的并联回路的外部还串联联接了第二机械开关，用于开断直流电流后在直流断路器和直流系统之间建立可靠的绝缘间隙从而防止母线侧直流电压持续施加在避雷器上。
[0036]作为本发明的进一步优选，所述辅助支路的电力电子器件阀组由快速的全控型电力电子器件(如绝缘栅双极晶体管)和较慢速度的其他电力电子器件如晶闸管、可关断晶闸管等串联而成，所述每个电力电子器件均采用反并联的方式联接从而使得所述辅助支路具备隔离双向电流的能力。
[0037]作为本发明的进一步优选，在直流断路器的线路侧额外并联有电容器，以可靠判断直流故障是否清除，从而用于重合闸。
[0038]作为本发明的进一步优选，所述额外并联的电容器上还串联联接有电阻。
[0039]作为本发明的又一方面，提供一种电容充电型双向直流断路器，其包括并联的辅助支路和主支路，其中，
[0040]所述辅助支路由第一机械开关和双向电力电子器件阀组串联而成，
[0041]所述主支路由至少两个结构相同电容串联支路方向并联联接而成，每个电容串联支路主要由直流电容和二极管阀组串联而成，
[0042]作为上述方案的进一步优选，所述直流电容的两端还并联有放电支路；
[0043]作为上述方案的进一步优选，所述直流电容的外部还串联有第四机械开关。
[0044]按照本发明的又一方面，提供一种利用所述可快速重合闸的直流断路器进行直流故障隔离的方法，其中，该方法包括在发生直流故障时，先关断电力电子器件阀组，同时给辅助支路上的机械开关发出开断指令，待直流线路中直流电流降为零后，打开其中一个所述串联组合中处于闭合状态的机械开关，实现直流故障电流隔离。
[0045]按照本发明的又一方面，提供一种利用所述可快速重合闸的直流断路器进行直流故障隔离后并快速重合闸方法，其中，该方法包括在接收到重合闸指令后，闭合一个初始处于开断状态的第四机械开关，而后闭合第一机械开关，而后开通电力电子器件阀组，实现快速重合闸，恢复直流供电。
[0046]作为本发明的进一步优选，在确直流故障已经清除后才发出重合闸指令。
[0047]作为本发明的进一步优选，通过检测直流断路器线路侧的直流电压值来判断直流故障是否已经被清除，当直流断路器线路侧直流电压的绝对值高于一定阈值时，则判断直流故障已经被清除。
[0048]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果:
[0049](I)本发明的直流断路器，其主支路采用单相不可控整流桥和机械开关-直流电容串联组合的方案使得主支路具备双向通流能力，从而使得本发明具备双向的隔离直流故障电流的能力，并且单相不控整流桥消除了开断直流故障过程中存在的电感-电容谐振问题；
[0050](2)本发明的直流断路器，其辅助支路的电力电子阀组采用全控型电力电子器件阀组和半控型电力电子器件阀组串联而成从而降低了整个电力电子阀组的成本，大大降低了辅助支路的半导体成本；
[0051](3)本发明的直流断路器，其多个“第四机械开关-电容器”的并联组合替代单个电容器从而使得所设计的直流断路器具备快速重合闸能力，大大提高直流系统故障后恢复供电的速度。
[0052](4)本发明的直流断路器相比与常规的机械式直流断路器，隔离直流故障期间不会产生电弧从而大大提高了直流断路器开断直流故障电流的可靠性。
【附图说明】
[0053]图1，是现有的一种主支路仅由单一电容器构成的混合型高压直流断路器拓扑；
[0054]图2是现有的另一种主支路仅由单一电容器构成的混合型高压直流断路器拓扑；
[0055]图3是本发明一个实施例的电容充电型双向直流断路器的拓扑；
[0056]图4是本发明另一个实施例的主支路由多个电容串联支路并联后再与单相不可控整流桥组合而成的直流断路器的拓扑。
[0057]图5是本发明又一个实施例的在直流断路器的线路侧额外并联了电容器的直流断路器拓扑；
[0058]图6是本发明再一个实施例的主支路由两个“直流电容-二极管阀组”串联支路反向并联联接的双向电容充电型直流断路器拓扑；
[0059]图7是本发明再一个实施例的辅助支路不含第一机械开关的双向电容充电型直流断路器拓扑。
【具体实施方式】
[0060]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0061]图3所示为本发明一个实施例的电容充电型双向直流断路器I的电路结构示意图。如图3所示，直流断路器I主要由辅助支路2和主支路3并联而成，其中辅助支路2由第一机械开关11和电力电子阀组13串联而成，主支路由电容器10、第四机械开关9以及四个二极管阀组5a、5b、5c、5d组合而成。四个二极管阀组5a、5b、5c、5d构成单相不控整流桥，该单相不控整流桥的输入端分别与辅助支路2的两个端口相联接，单相不控整流桥的高、低压直流侧跨接直流电容10。
[0062]如图3所示，为了防止电容器电压上升过高，在一个优选实施例中，辅助支路2和主支路3上还可以并联由避雷器4构成的第三支路。
[0063]如图3所示，为了防止直流电压持续施加在避雷器4上使得避雷器4因漏电流而过热，在一个优选实施例中，辅助支路2、主支路3所构成的并联回路的外部还可串联第二机械开关15。另一个实施例中，辅助支路2、主支路3、以及第三支路4所构成的并联回路的外部串联第二机械开关15。
[0064]第二机械开关15用于在直流断路器开断直流故障电流后阻断避雷器的漏电流以延长避雷器的使用寿命，并且可以在直流电源与故障点之间建立可靠的绝缘间隙以便于故障清除与故障设备的检修。
[0065]如图3所示，为了给电容器10提供放电通路，在一个优选实施例中，电容器10的两端还并联了放电支路6。该放电支路6由第三机械开关7和放电电阻8串联而成，通过闭合第三机械开关7即可使得电容器10经过放电支路6放电。
[0066]如图3所示，为了降低直流故障期间直流故障电流的上升速率，在一个优选实施例中，辅助支路2、主支路3所构成的并联回路的外部还可串联直流限流电感16。在另一个优选实施例中，辅助支路2、主支路3和第三支路4所构成的并联回路的外部串联直流限流电感16。
[0067]正常闭合状态时，直流电流流经辅助支路2，而开断直流故障时，将直流电流转移到主支路3上。如图3所示，正常闭合状态时，第二机械开关15、第一机械开关11以及电力电子阀组13处于闭合状态，第三机械开关7处于开断状态。开断直流故障时，将先关断电力电子阀组13，从而将直流故障电流转移到主支路3上，直流故障电流将给电容器10充电，当电容器10的电压高于母线侧直流电压17时，直流故障电流将开始下降，最后由于避雷器的吸收作用而最终降为零。
[0068]关断电力电子阀组13的同时给第一机械开关11发出开断的指令，第一机械开关11的触头在接收到开断指令后开始分闸操作并且经过一定的时间，其触头间的距离达到额定行程，在第一机械开关11的触头分离期间，电容器10的电压在上升并且该电容器电压施加在辅助支路2上，辅助支路2上的第一机械开关11和电力电子阀组13同时分担电容电压。
[0069]在一个实施例中，电力电子阀组13优选地由反并联的电力电子器件13a和反并联的晶闸管13b串联而成。全控型电力电子器件13a具备自关断能力而晶闸管13b只有在电流过零且承受反向阻断电压时才能被关断。关断电力电子阀组13时将同时给全控型电力电子器件13a和晶闸管13b施加关断信号，全控型电力电子器件13a接收到关断信号后可以很快速地关断，从而将辅助支路的电流降为零，进而为晶闸管13b的关断提供了条件，13a和13b都关断后，13a和13b将串联地分担施加在电力电子阀组13上的电压，由于晶闸管13b的额定电压通常高于全控型电力电子器件13a且成本低于全控型电力电子器件13a，通过采用全控型电力电子器件13a和晶闸管13b串联构成电力电子阀组13的方法可以显著降低电力电子阀组13的成本。
[0070]直流断路器完成直流故障隔离操作后，电容器10的电压将被充电至较高电压值。为了使得直流断路器完成一次开断操作后可以进行重合闸操作，需要先对电容器10放电。如图3所示，在一个实施例中，在电容器10的正、负极并联放电支路6。该放电支路6由第三机械开关7和电阻8串联而成，将第三机械开关7闭合即可对电容器10放电。
[0071]给电容器10放电前需要确保直流故障已清除，其判据为检测直流断路器线路侧14的直流电压，当直流断路器线路侧14的直流电压的绝对值持续高于某一最低阈值(例如额定直流电压的80% )，则判断直流故障已被清除。
[0072]图3所示，直流断路器的重合闸操作时序为:接收到重合闸指令后先闭合第一机械开关11，而后开通电力电子阀组13。
[0073]为了防止直流断路器重合闸于直流故障，重合闸前需要判断直流故障是否已消除，其判据为检测直流断路器线路侧14的直流电压，当直流断路器线路侧14的直流电压的绝对值持续高于某一大于零的阈值(例如额定直流电压的80%)，则判断直流故障已被清除。
[0074]因重合闸前，直流输电线路一般为空载状态，在一个实施例中，为了防止在直流断路器线路侧14出现过高的操作过电压，可以在直流断路器线路侧14安装避雷器18。
[0075]为了进一步提升重合闸的效率，使得等待的延迟缩短，从而加速恢复供电的时间，可以对直流断路器结构进行了进一步的优化，具体是在主支路3中增加电容器数量或同时增加电容器及对应的放电支路的数量，例如增加为两个或两个以上的电容器，和/或同时也相应匹配增加对应的放电支路、串联机械开关。
[0076]如图4所示，在一个实施例中，直流断路器的主支路3中包含了两组电容器及对应的放电支路和串联机械开关。如图4所示，其包含两个电容器1a和10b，1a和1b的两端分别并联了放电支路6a和6b，电容器1a和1b的外部还串联了机械开关9a和9b。正常导通状态时，主支路中的各串联组合中仅其中一个机械开关处于闭合状态，而其他串联组合中的机械开关处于断开状态。例如，9a闭合从而将电容器1a接入至主回路，9b处于开断状态。
[0077]在发生直流故障时，先关断电力电子器件阀组，同时给辅助支路上的第一机械开关发出开断指令，待输电线路中直流电流降为零后，打开其中一个所述串联组合中处于闭合状态的第四机械开关，实现直流故障电流开断。在一个实施例中有第二机械开关，则然后打开辅助支路外部串联联接的第二机械开关，实现直流故障电流开断。
[0078]当直流断路器完成第一次开断直流故障电流后，电容器1a将被充电至高电压，为了方便后续能快速重合闸，当线路直流电流降为零时，机械开关9a将被打开。
[0079]在接收到重合闸指令后，闭合主支路内部若干串联组合中一个初始处于开断状态的第四机械开关，然后闭合辅助支路中的第一机械开关，最后开通辅助支路电力电子器件阀组，实现快速重合闸并恢复直流供电。具体地，直流断路器接收到重合闸指令后，将依次闭合机械开关％，第一机械开关11和电力电子阀组13。当直流断路器进入稳定运行状态后，将闭合机械开关9a，对已经充电的电容器1a放电，使得电容器1a可用于下次隔离直流故障电流。
[0080]同样，该实施例中，直流断路器重合闸前需确保直流故障已经清除，判断直流故障是否已清除的方法为监测直流断路器线路侧14的电压，当该电压值的绝对值高于一定阈值(例如额定直流电压的80%)，则判断直流故障已经清除，可以开始合闸操作。
[0081]当直流线路较短时，为了使得直流故障被清除后，直流断路器的线路侧14具备足够高的残压，本发明提供了一种在直流断路器的线路侧14额外并联含电容器支路的方案，如图5所示，在直流断路器的线路侧14额外并联了由电容器19和电阻18构成的串联回路。
[0082]图6给出了双向电容充电型直流断路器的另一实施例，其原理与图3图5类似，区别在于，主支路由两个结构相同的电容串联支路反向并联联接而成，其中第一个电容串联支路由第四机械开关9a，直流电容1a和二极管阀组5a串联而成，直流电容1a两端同时并联了由第三机械开关7a和放电电阻8a串联而成的放电支路，第二电容串联支路结构与第一电容串联支路相同，接线方式相反，也即是第二电容串联支路由二极管阀组5a、直流电容1a和第四机械开关9a串联而成，且第一电容串联支路的第四机械开关9a与第二电容串联支路的二极管阀组5a负极联接，而第一电容串联支路的负极与第二电容串联支路的第四机械开关9a—端联接。
[0083]图7给出了一种用于直流配电网的双向电容充电型直流断路器拓扑，其原理与图3-图6类似，区别在于所述辅助支路仅包含电力电子阀组13，不包含第一机械开关11。直流断路器处于闭合状态时，电力电子阀组13被开通，开断直流断路器时，电力电子阀组13将被关断，直流故障电流将被转移至主支路3，由于电力电子阀组13被关断时，直流故障电流仍可经过主支路3流通，因此，电力电子阀组13关断时不会产生过高的暂态电压或暂态电流，从而降低对电力电子阀组13的额定直流电压、直流电流的要求。为了提高关断速度，实际使用时，还可删去直流限流电感16。
[0084]本发明提供的电容充电型双向直流断路器可用于开断直流故障电流，其显著特点在于主支路由单相不可控整流桥和电容-机械开关电容串联支路组合而成，从而利用直流故障电流单向地给电容器充电，消除了开断直流故障后存在的电感-电容谐振问题，并且该支路具备双向通流能力。另外，辅助支路的电力电子阀组采用全控型电力电子器件阀组和半控型电力电子器件阀组串联而成从而降低了辅助支路电力电子阀组的成本。而且，本发明进一步提供的由多个“机械开关-电容器”的并联组合替代单个组合从而使得所设计的直流断路器具备快速重合闸能力，大大提高直流故障后系统恢复供电的速度。
[0085]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种电容充电型双向直流断路器，其包括并联的辅助支路和主支路，其中，所述辅助支路包括电力电子器件阀组，以作为直流断路器正常导通时的直流电流流经支路； 其特征在于，所述主支路由单相不可控整流桥和由直流电容与机械开关串联组成的电容-机械开关支路组合而成，其中所述不控整流桥的输入端口分别与辅助支路的两个端口相联接，所述不控整流桥的高、低压直流端口间串联联接所述电容-机械开关串联支路。2.根据权利要求1所述的电容充电型双向直流断路器，其中，所述主支路的电容器两侧还并联有放电支路，用于在直流断路器重合闸前对该电容器放电。3.根据权利要求2所述的电容充电型双向直流断路器，其中，所述放电支路包括相互串联的机械开关和电阻。4.根据权利要求2或3所述的电容充电型双向直流断路器，其中，所述放电支路为相互并联的多个。5.根据权利要1-4中任一项所述的电容充电型双向直流断路器，其中，所述辅助支路的电力电子器件阀组由反并联的全控型电力电子器件和反并联的晶闸管串联而成。6.根据权利要求1-5中任一项所述的电容充电型双向直流断路器，其中，还包括与所述辅助支路和主支路并联的第三支路，该第三支路由一个避雷器或由多个避雷器串并联而成。7.根据权利要求1-6中任一项所述的电容充电型双向直流断路器，其中，所述主支路以及辅助支路构成的并联回路的外部还串联了直流限流电感，以限制直流故障电流的上升速率。8.根据权利要求1-7中任一项所述的电容充电型双向直流断路器，其中，所述直流断路器的线路侧额外并联有电容器，用于判断直流故障是否清除，以作为是否重合闸的条件。9.根据权利要1-8中任一项所述的电容充电型双向直流断路器，其中，所述辅助支路还包括第一机械开关，该第一机械开关和电力电子器件阀组串联形成所述辅助支路;和/或，所述主支路以及辅助支路构成的并联回路的外部还串联有第二机械开关。10.—种利用权利要求1-8中任一项所述的直流断路器进行直流故障隔离的方法，其中，该方法包括在发生直流故障时，关断辅助支路的电力电子阀组，从而将故障电流转移至主支路给所述直流电容充电，待该直流电容电压高于直流断路器母线侧直流电压时，故障电流被熄灭，实现直流故障隔离。11.一种利用权利要求9所述的直流断路器进行直流故障隔离的方法，其中，该方法包括在发生直流故障时，先关断所述辅助支路中的电力电子器件阀组，而后打开所述辅助支路上的第一机械开关;或先关断所述辅助支路中的电力电子器件阀组，而后打开所述辅助支路上的第一机械开关，并待线路直流电流降为零后，打开辅助支路外部串联联接的第二机械开关，从而实现对直流故障的隔离。12.—种利用权利要求9所述的直流断路器进行直流故障隔离后的重合闸方法，其中，该方法包括在接收到重合闸指令后，先闭合辅助支路上的第一机械开关，再开通所述电力电子器件阀组;或者，在接收到重合闸指令后，先闭合辅助支路外部串联联接的第二机械开关，然后闭合辅助支路上的第一机械开关，最后开通所述电力电子器件阀组。13.—种电容充电型双向直流断路器，其包括并联的辅助支路和主支路，其中，所述辅助支路包括电力电子器件阀组，以作为直流断路器正常导通时直流电流流经支路； 其特征在于，所述主支路由两个结构相同的电容串联支路反向并联联接而成，其中一个电容串联支路由机械开关、直流电容和二极管阀组串联而成，另一个电容串联支路与所述一个电容串联支路的元件相同且各元件接线的极性与所述一个电容串联支路中各元件的接线极性相反。14.根据权利要求13所述的电容充电型双向直流断路器，其中，所述所述主支路的电容器两侧还并联有放电支路，用于在直流断路器重合闸前对该电容器放电。15.根据权利要求14所述的电容充电型双向直流断路器，其中，所述放电支路包括相互串联的机械开关和电阻。16.根据权利要求14或15所述的电容充电型双向直流断路器，其中，所述放电支路为相互并联的多个。17.根据权利要13-16中任一项所述的电容充电型双向直流断路器，其中，所述辅助支路的电力电子器件阀组由反并联的全控型电力电子器件和反并联的晶闸管串联而成。18.根据权利要求13-17中任一项所述的电容充电型双向直流断路器，其中，还包括与所述辅助支路和主支路并联的第三支路，该第三支路由一个避雷器或由多个避雷器串并联ntjD19.根据权利要求13-18中任一项所述的电容充电型双向直流断路器，其中，所述主支路以及辅助支路构成的并联回路的外部还串联了直流限流电感，以限制直流故障电流的上升速率。20.根据权利要求13-19中任一项所述的电容充电型双向直流断路器，其中，所述直流断路器的线路侧额外并联有电容器，用于判断直流故障是否清除，以作为是否重合闸的条件。21.根据权利要求20所述的电容充电型双向直流断路器，其中，通过检测直流断路器线路侧的直流电压值来判断直流故障是否已经被清除，当直流断路器线路侧直流电压高于一定阈值且保持一段时间时，则判断直流故障已经被清除。22.根据权利要13-21中任一项所述的电容充电型双向直流断路器，其中，所述辅助支路还包括第一机械开关，该第一机械开关和电力电子器件阀组串联形成所述辅助支路;和/或，所述主支路以及辅助支路构成的并联回路的外部还串联有第二机械开关。
【文档编号】H02H7/26GK106099878SQ201610630952
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月4日 公开号201610630952.0, CN 106099878 A, CN 106099878A, CN 201610630952, CN-A-106099878, CN106099878 A, CN106099878A, CN201610630952, CN201610630952.0
【发明人】周猛, 林卫星, 文劲宇
【申请人】华中科技大学