高压直流断路器的制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明总体上涉及一种高压直流断路器(high-voltage DC circuit breaker),并且更具体地讲，涉及在直流线路(DC line)的一侧发生故障时切断(break)在用于电力传输或分配的直流线路中流动的故障电流的高压直流断路器。
【背景技术】
[0002]一般来讲，高压直流断路器是可以切断流过50kV或大于50kV的高压输电线路(例如，高压直流(HVDC)输电系统)的电流的开关设备。这种高压直流断路器用于在直流线路中发生故障时切断故障电流。当然，它也可以应用于范围约为IkV至50kV的直流电压水平的中间电压直流配电系统。
[0003]当系统中出现故障电流时，高压直流断路器断开(open)主开关(main switch)，以便切断出现故障的电路，由此中断故障电流。然而，因为直流线路中没有零电流点，当主开关断开时在主开关的端子之间产生的电弧不会熄灭。因此，故障电流通过电弧继续流动，并且因此无法中断故障电流。
[0004]为了通过熄灭在断开高压直流断路器的主开关CB时产生的电弧来切断故障电流，日本专利申请公开N0.1984-068128，如图1所示，提供了一种通过主开关CB处的零电流熄灭电弧的技术，通过将LC电路产生的谐振电流(resonance current)Ip叠加在直流线路中流动的电流Idc上来形成零电流(Idc = IDC+Ip)。具体地讲，如果在主开关CB断开并且产生电弧时闭合辅助开关S，那么施加正(+ )谐振电流(Ιρ>0)以叠加在直流电流Idc上。然后，谐振电流Ip由于L与C之间的谐振而在正(+ )与负(-)之间振荡，并且其大小(magnitude)随着振荡沿着主开关CB重复而增大。因此，当负(-)谐振电流(Ιρ〈0)的大小变得与Idc相同时，电流Idc变成零电流，并且主开关CB的电弧熄灭。然而，根据此常规技术，因为要叠加等于或大于直流电流Idc的正(+ )谐振电流Ip，所以电路额定值应当大于额定电流的额定值的两倍。另外，为了实现这种大的谐振电流Ip，需要多个谐振周期，并且因此降低了切断速度。另外，常规的直流断路器存在无法中断双向故障电流的问题。
【发明内容】
[0005]技术问题
[0006]因此，本发明的目的是提供一种高压直流断路器，该高压直流断路器可以完全切断主开关中的故障电流，即使高压直流断路器不对主开关施加谐振电流。
[0007]本发明的另一个目的是提供一种高压直流断路器，该高压直流断路器通过使用单个电路(single circuit)来切断双向故障电流。
[0008]本发明的另外的目的是提供一种高压直流断路器，该高压直流断路器通过应用少量半导体器件来切断故障电流。
[0009]本发明的又另一个目的是提供一种高压直流断路器，该高压直流断路器实施为以便能够通过使用主开关来进行重合闸(reclosing)操作。
[0010]技术方案
[0011 ]为了实现上述目的，根据本发明的高压直流断路器包括:主开关，所述主开关安装在直流线路上，用于在所述直流线路的一侧或其余侧发生故障时通过断开所述主开关来切断所述直流线路的电流;非线性电阻器(nonlinear resistor)，所述非线性电阻器与所述主开关并联;LC电路，所述LC电路与所述主开关并联，并且包括电容器和电抗器(reactor)，所述电容器和所述电抗器串联以便产生LC谐振;第一双向开关元件，所述第一双向开关元件与所述LC电路串联，用于切换(switching)双向的电流流动(current flow)；以及第二双向开关元件，所述第二双向开关元件与所述LC电路并联，用于切换电流流动以在两个方向引起(induce) LC谐振。
[0012]在本发明中，所述高压直流断路器进一步包括充电电阻器，所述充电电阻器用于在初始启动时使所述电容器充有直流电压(Vc)，其中，所述充电电阻器安装在接地端(ground，GND)与所述LC电路和所述第一双向开关元件的接触点之间。
[0013]在本发明中，所述第一双向开关元件和所述第二双向开关元件均包括导通(turn-on)或者导通 /关断 (turn-on/turn-off)可控的一对功率半导体开关 ，其中 ，所述一对功率半导体开关在相反的方向上并联。
[0014]在本发明中，如果在所述主开关由于所述直流线路的一侧发生故障而断开时产生电弧，在所述第一双向开关元件的功率半导体开关(G1-G2)关断的状态下，通过导通所述第二双向开关元件的功率半导体开关中的一个功率半导体开关(G4)，所述电容器充有由所述LC电路的电抗器和电容器之间的LC谐振引起的电压-Vc;通过关断所述功率半导体开关(G4)并且导通所述第一双向开关元件的功率半导体开关中的一个功率半导体开关(G2)，所述电容器中充有的电压-Vc使电流供应到所述主开关;并且所供应的电流在所述主开关处引起零电流，由此在所述主开关中产生的电弧熄灭。
[0015]在本发明中，通过所述电容器中充有的电压-Vc供应到所述主开关的电流具有比故障电流的大小更大的大小，并且具有与所述故障电流的方向相反的方向，所述故障电流通过所述主开关中的电弧继续流动。
[0016]在本发明中，在所述主开关中产生的电弧熄灭之后，当变得比所述直流线路的一侧的电压更高的所述直流线路的其余侧的电压在所述非线性电阻器处被消耗时，所述电容器通过流过所述LC电路和所述第一双向开关元件的电流而再充有电压+Vc，并且然后所述功率半导体开关(G2)关断。
[0017]在本发明中，如果在所述主开关由于所述直流线路的其余侧发生故障而断开时产生电弧，在所述第二双向开关元件的功率半导体开关(G3-G4)关断的状态下，通过导通所述第一双向开关元件的功率半导体开关中的一个功率半导体开关(Gl)，所述LC电路的电容器中先前充有的+Vc使电流供应到所述主开关，并且所供应的电流在所述主开关(I 10)处引起零电流，由此在所述主开关中产生的电弧熄灭。
[0018]在本发明中，通过所述电容器中先前充有的电压+Vc供应到所述主开关的电流具有比故障电流的大小更大的大小，并且具有与所述故障电流的方向相反的方向，所述故障电流通过所述主开关中的电弧继续流动。
[0019]在本发明中，在所述主开关中产生的电弧熄灭之后，在变得比所述直流线路的其余侧的电压更高的所述直流线路的一侧的电压使所述LC电路的电容器充有-Vc之后，关断所述功率半导体开关(Gl);并且通过导通所述第二双向开关元件的功率半导体开关中的一个功率半导体开关(G3)，所述LC电路的电容器和电抗器之间的LC谐振使所述电容器再充有电压+Vc。
[0020]在本发明中，变得比所述直流线路的其余侧的电压更高的所述直流线路的一侧的电压在所述非线性电阻器处被消耗。
[0021]有益效果
[0022]本发明通过容易且快速地熄灭在高压直流断路器中执行主开关的开关操作时产生的电弧来切断故障电流。
[0023]另外，根据本发明的高压直流断路器可以通过使用单个电路来切断双向故障电流。
[0024]另外，根据本发明，通过使用最小数量的电子元件来实施高压直流断路器，因此减小断路器的大小和成本。
[0025]此外，根据本发明的高压直流断路器可以再次执行电流切断操作，除非在执行重合闸主开关的操作时排除了故障电流。
【附图说明】
[0026]图1是常规的高压直流断路器的框图；
[0027]图2是根据本发明的实施例的高压直流断路器的框图；
[0028]图3是示出了当在高压直流线路的一侧发生故障时根据本发明的高压直流断路器中的切断故障电流的过程的示意图；并且
[0029]图4是示出了当在高压直流线路的另一侧发生故障时根据本发明的高压直流断路器中的切断故障电流的过程的示意图。
【具体实施方式】
[0030]以下将参照附图来详细地描述本发明的优选实施例。另外，以下将省略被视为使本发明的主旨不必要地模糊的已知功能和构造的详细描述。
[0031]图2是根据本发明的实施例的高压直流断路器的框图。
[0032]参见图2，根据本发明的实施例的高压直流断路器100包括安装在连接A和B的直流线路10上的主开关110。当在A或B处发生故障时，主开关110用于阻断直流线路10，以便防止故障电流继续流到发生故障的电路。为此，在正常状态下闭合的主开关110在发生故障时断开。由控制单元(未示出)的控制信号控制主开关110的开关操作。
[0033]在本实施例中，非线性电阻器120与主开关110并联，其中，非线性电阻器120防止等于或大于额定电压的过高电压(excessive voltage)在主开关110被阻断时施加在高压直流断路器100的两端。当等于或大于预设参考电压(reference voltage)的高电压由故障引起并且出现在高压直流断路器100的两端时，线性电阻器120自动导通并且消耗高电压。在本实施例中，非线性电阻器120可以实施为变阻器(varistor)。
[0034]在本实施例中，因为在直流线路10中产生高电压，所以高电流流入主开关110中。因此，当主开关110由于发生故障而断开时，在主开关110的开关接线端子之间产生电弧，并且直流故障电流通过电弧继续在直流线路10中流动。因此，本发明需要通过熄灭电弧来完全切断故障电流的附加元件。
[0035]具体地讲，串联的LC电路130和第一双向开关元件140，LC电路130和第一双向开关元件140然后与主开关110并联。另外，第二双向开关元件150与LC电路130并联。LC电路130被配置为包括串联的电容器131和电抗器132。为了使电流在两个方向流动，双向开关元件150和160以这样一种方式配置:两个功率半导体开关Gl至G4并联并且以相反的方向定向。尽管图未示出，但是功率半导体开关Gl至G4的操作由控制单元(未示出)控制。在本实施例中，功率半导体开关Gl至G4是导通可控元件，并且可以实施为晶体闸流管(thyristors)。可替代地，作为导通/关断可控元件，它们可以实施为GT0、IGCT、IGBT等。
[0036]另外，在本实施例的高压直流断路器100中，充电电阻器160连接在接地端GND与LC电路130和第一双向开关元件140的接触点之间。通过充电电阻器160，LC电路130的电容器131最初充有与直流电压Vc—样高的电压。
[0037]图3是示出了根据本发明的实施例的当在高压直流断路器的一侧B发生故障时切断故障电流的过程的示意图，并且图4是示出了根据本发明的另一个实施例的当在高压直流断路器的另一侧A发生故障时切断故障电流的过程的示意图。