CN104701810A - 一种电流源型机电混合式直流断路器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电流源型机电混合式直流断路器，该直流断路器包括电流源型逆变电路(1)，变压电路(2)，机械开关(3)触头；逆变电路(1)与变压电路(2)串接后再并接于机械开关(3)触头两端。该装置中与机械开关(3)触头并接的回路还包括晶闸管回路(4)和非线性电阻(5)回路。本发明在检测到大的直流故障电流时，通过控制电流源型逆变电路，产生人工交流电流，使直流故障电流和人工产生的交流电流叠加，并换流至晶闸管回路，在产生过零点的同时降低了正向叠加电流的幅值，也减小了机械开关上的电弧电压，从而有效地抑制了电弧的产生，提高了断路器容量。
Description
技术领域
本发明涉及一种直流断路器，特别涉及一种机电混合式的直流断路器。
背景技术
直流输电与交流输电相比，具有线损低、不存在***同步运行稳定性问题等一系列优点。近年来，随着电压源型高压变流器等技术的迅速发展，柔性多端高压直流输电***、直流输配电网的关键技术与装备的研究受到了国内外的高度重视。作为规定时间内承载并开断直流电网正常电流以及各种故障电流的开关设备,高压直流断路器是直流输(配)电网络建设的运行、控制与保护基础。
高压直流断路器大体可以分为机械式高压直流断路器、全固态高压直流断路器与混合式高压直流断路器。直流电不存在电流自然过零点,灭弧困难。在低压小电流应用场合,可以通过增大电弧电压、分段串接限流电阻或控制磁场气体发电断流等方法实现强迫直流开断熄弧。但在高压大电流应用场合,上述方法不可行,一般是对常规机械式交流断路器结构做适当改造,并增加能够在开断直流电流过程中自动形成高频振荡电流过零点的振荡换流回路,以解决机械开关切断高压大直流电流时的灭弧问题。机械式高压直流断路器具有运行稳定、带载能力强、通态损耗小等优点,但由于自身结构的制约,断开时会使叠加在直流开关的电流正向幅值至少增大一倍多，也并不能减少电弧两端的电压，增大了分断大电流的难度，造成电弧难以熄灭，易损坏触头,故障电流切除时间较长,无法实时、灵活、快速动作【穆建国等.直流固态断路器拓扑结构的设计与分析[J].中国电机工程学报,2010,30(18):109-114】。全固态高压直流断路器具有开断时间短、无弧光等优点,但存在容易过压过流、通态损耗高等无法克服的缺点,极大的影响了全固态直流断路器的实际应用【Peter G,Ferreira J.Zero volt switching hybrid DC circuit breakers[C]//Proceedings ofIndustry Applications Conference.Rome,Italy:IEEE,2000:2923-2927】。混合式高压直流断路器结合了机械开关良好的静态特性与电力电子器件良好的动态性能,具有通态损耗小、开断时间短无需专用冷却设备等优点,是目前断路器研发的新方向,有着广阔的应用前景【Luca N,Roberto P.Feasibility Study of a Hybrid Mechanical-Static DC CircuitBreaker for Superconducting Magnet Protection[J].IEEE Transactions onAppliedSuperconductivity,2009,19(2):76-83；Piovan E,Performance analysis of a hybrid IGCTs-mechanical DC circuit breakerfor quench protection of superconducting magnets[C]//Proceedings of 22nd Symposium onFusion Engineering(SOFE).Albuquerque,New Mexico:IEEE,2007:1-4】。专利一种减少正向叠加电流的直流断路器(申请号：201210125997.4)中提及的基于电压源逆变器的直流断路器使直流开关上的叠加电流的正向幅值大为减少，适当减轻了开关分断大电流的难度，但是并未钳制直流开关两端的电压，使得断开时开关两端电压升高。由于此专利是基于电压源性逆变器，所以需要有电压波形转换为所需的特定电流波形，使得控制电路难度增加。
发明内容
本发明的目的在于克服现有直流断路器的不足，提供一种电流源型机电混合式直流断路器。该直流断路器在检测到大的直流故障电流时，通过电流源型逆变电路，产生人工交流电流，使直流故障电流和人工产生的两个交流电流叠加，并换流至晶闸管回路，在产生过零点的同时降低了正向叠加电流的幅值，也减小了机械开关上的电弧电压，从而有效地抑制了电弧的产生，提高了断路器容量。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电流源型机电混合式直流断路器，该直流断路器由电流源型逆变电路，变压电路，直流开关触头，晶闸管和非线性电阻组成；电流源型逆变电路由直流电源、逆变器和滤波器构成，逆变器的输入端与直流电源的正向输出端相连，逆变器的输出端与滤波器相连；变压电路由中频变压器和隔直电容构成，中频变压器的输出绕组与隔直电容串接；电流源型逆变电路中的滤波器与变压电路中的变压器串接，变压电路并接于直流开关触头两端；晶闸管和非线性电阻分别并接于直流开关触头的两端。
本发明的另一种方案是：一种电流源型机电混合式直流断路器，该直流断路器由电流源型逆变电路，变压电路，直流开关触头，晶闸管，非线性电阻和电容组成；电流源型逆变电路由直流电源、逆变器和滤波器构成，逆变器的输入端与直流电源的正向输出端相连，逆变器的输出端与滤波器相连；变压电路由中频变压器和隔直电容构成，中频变压器的输出绕组与隔直电容串接；电流源型逆变电路中的滤波器与变压电路中的变压器串接，变压电路并接于直流开关触头两端；晶闸管与电容串联后并接于直流开关触头两端，非线性电阻并接于直流开关触头的两端。
本发明具有以下技术效果：
(1)本发明在应用中，通过控制电流源型逆变电路，使人工产生的交流电流叠加到直流故障电流上，使叠加电流产生过零点，并且使正向叠加电流的幅值较小，若没有本发明所提及的逆变电路，将产生叠加电流。
(2)本发明在应用中，通过电弧电压触发晶闸管导通，使得故障电流和人工交流电流换流至晶闸管回路，钳制电弧电压仅为晶闸管导通电压。
(3)逆变电路人工产生的交流电流是周期性的，并且正负波形对时间轴的面积相等，可以消除直流电流分量，以维持隔直电容两端的电压平衡。本发明可以根据不同的需求，通过控制电流源型逆变电路，使人工产生的交流电流的负半波的周期和幅值均可变。
(5)本发明在应用中，单相逆变电路中的开关管可以采用IGBT/IGCT/GTO等全控器件。
(6)本发明在应用中，直流电流不能通过隔直电容，使变压器不至于饱和，可以有效保护变压器。
(7)本发明在应用中，中频变压器可以使电位隔离，起变压和功率调配的作用。
(8)本发明在应用中，非线性电阻可以吸收剩余线路能量，防止产生过电压。
附图说明
图1为一种电流源型机电混合式直流断路器的结构示意图。
图2为在图1的晶闸管回路中添加串联电容后的结构示意图。
图3为本发明应用于直流母线后的使用示意图。
图4为电流源型逆变电路产生的人工交流电流波形。
图5为直流故障电流与人工交流电流的叠加波形及直流故障电流的波形。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明作进一步的说明。
实施例1
如图1所示，一种电流源型机电混合式直流断路器由电流源型逆变电路1，变压电路2，直流开关触头3，晶闸管4和非线性电阻5组成。逆变电路1由直流电源1.1、逆变器1.2和滤波器1.3构成，逆变器1.2的输入端与直流电源1.1的正向输出端相连，逆变器1.2的输出端与滤波器1.3相连；变压电路2由中频变压器2.1和隔直电容2.2构成，中频变压器2.1的输出绕组与隔直电容2.2串接；电流源型逆变电路1中的滤波器1.3与变压电路2中的变压器2.1串接，变压电路2并接于直流开关触头3两端；晶闸管4和非线性电阻5分别并接于直流开关触头3的两端。
实施例2
如图2所示，一种电流源型机电混合式直流断路器由电流源型逆变电路1，变压电路2，直流开关触头3，晶闸管4，非线性电阻5和电容6组成。逆变电路1由直流电源1.1、逆变器1.2和滤波器1.3构成，逆变器1.2的输入端与直流电源1.1的正向输出端相连，逆变器1.2的输出端与滤波器1.3相连；变压电路2由中频变压器2.1和隔直电容2.2构成，中频变压器2.1的输出绕组与隔直电容2.2串接；电流源型逆变电路1中的滤波器1.3与变压电路2中的变压器2.1串接，变压电路2并接于直流开关触头3两端；晶闸管4与电容6串联后并接于直流开关触头3两端，非线性电阻5并接于直流开关触头3的两端。电容6起到为晶闸管分压的作用，电容6为可选元件。
在上述实施例中，逆变器以单相H桥结构为例，滤波器以CL滤波器为例。
本发明的工作原理如图3所示，直流母线流经的电流为Idc，当直流母线上出现故障(例如负载短路)，保护测量***检测到直流故障电流后迅速触发电流源型逆变电路1的开关管，使其产生所需的电流波形i如图4所示，与此同时直流开关3分断时产生的电弧电压为晶闸管4(已施加触发脉冲)施加正向电压,使其顺利导通；晶闸管4导通后,由于开关触点间电弧电阻大于晶闸管4的导通电阻,使得电流能够自然地从机械开关3换流至与之并联的晶闸管4，并将电弧电压钳位在其通态压降上，从而保证机械开关3在低压小电流下顺利分断。经过变压电路2后的人工交流电流isw如图5所示叠加到晶闸管回路4中，使叠加电流产生了人工过零点从而实现在电流过零点处附近晶闸管关断。保护测量***检测到故障电流消失后即撤除电流源型逆变电路的触发信号，从而进一步切断电流通路。
Claims (2)
1.一种电流源型机电混合式直流断路器，其特征在于，该直流断路器由电流源型逆变电路(1)，变压电路(2)，直流开关触头(3)，晶闸管(4)和非线性电阻(5)组成；电流源型逆变电路(1)由直流电源(1.1)、逆变器(1.2)和滤波器(1.3)构成，逆变器(1.2)的输入端与直流电源(1.1)的正向输出端相连，逆变器(1.2)的输出端与滤波器(1.3)相连；变压电路(2)由中频变压器(2.1)和隔直电容(2.2)构成，中频变压器(2.1)的输出绕组与隔直电容(2.2)串接；电流源型逆变电路(1)中的滤波器(1.3)与变压电路(2)中的变压器(2.1)串接，变压电路(2)并接于直流开关触头(3)两端；晶闸管(4)和非线性电阻(5)分别并接于直流开关触头(3)的两端。
2.一种电流源型机电混合式直流断路器，其特征在于，该直流断路器由电流源型逆变电路(1)，变压电路(2)，直流开关触头(3)，晶闸管(4)、非线性电阻(5)和电容(6)组成；电流源型逆变电路(1)由直流电源(1.1)、逆变器(1.2)和滤波器(1.3)构成，逆变器(1.2)的输入端与直流电源(1.1)的正向输出端相连，逆变器(1.2)的输出端与滤波器(1.3)相连；变压电路(2)由中频变压器(2.1)和隔直电容(2.2)构成，中频变压器(2.1)的输出绕组与隔直电容(2.2)串接；电流源型逆变电路(1)中的滤波器(1.3)与变压电路(2)中的变压器(2.1)串接，变压电路(2)并接于直流开关触头(3)两端；晶闸管(4)与电容(6)串联后并接于直流开关触头(3)两端，非线性电阻(5)并接于直流开关触头(3)的两端。
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