CN110970875A

CN110970875A - 一种用于直流电网的组合限流型直流断路器

Info

Publication number: CN110970875A
Application number: CN201910990997.2A
Authority: CN
Inventors: 王渝红; 凌楠; 曾琦; 曾昊; 傅云涛
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2019-10-17
Filing date: 2019-10-17
Publication date: 2020-04-07

Abstract

本发明公开了一种用于直流电网的组合限流型直流断路器，包括载流转移支路、限流阻断支路；所述载流转移支路由超快速机械开关与负载换流开关串联形成，载流转移支路一端与直流电网的直流母线连接，另一端串联于直流电网的直流输电线路；所述限流阻断支路包括限流支路、主断路器支路、能量吸收支路，所述的主断路器支路、能量吸收支路并联后一端与限流支路一端串联，限流支路另一端连于电位点A1；主断路器支路、能量吸收支路并联后另一端与电位点A2。通过本发明，可以实现将昂贵的断流组件从断路器中分离出来共享，能有效减小投资成本和占地面积。限流阻断支路中的晶闸管可分担对地电压，同时充电电阻及限流电感可有效减小故障电流的增速，减少断路器的开断电流。

Description

一种用于直流电网的组合限流型直流断路器

技术领域

本发明涉及电力***自动化领域，具体是一种用于直流电网的组合限流型直流断路器。

背景技术

随着新能源并网消纳需求的增加，高压直流电网作为新能源并网、大功率远距离输电的有效手段，受到广泛关注，其中基于电压源换相技术的模块化多电平换流器具有PQ解耦控制、谐波水平低、可为无源***供电等优点，无换相失败及无功补偿等问题的困扰，成为构成多端直流电网的首要选择。

但MMC在构建直流电网过程中有许多亟待解决的问题，如在故障保护方面。直流电网发生故障的瞬间，MMC子模块电容向故障点迅速放电，故障电流可在数毫秒内增大至数十千安，电力电子器件的可靠性降低，***稳定性受到较大影响。故障时直流电压迅速降低，故障电流无自然过零点所以清除难，会给直流电网造成严重影响。加之未来可能大规模应用的架空线故障率较高，这对直流故障隔离方案的有效性和经济性提出了更高的要求。混合式直流断路器具有通态损耗小、开断时间短、无弧开断电流等优点，是最具潜力的故障保护元件之一，但经济效益限制了混合式直流断路器的推广应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于直流电网的组合限流型直流断路器，包括载流转移支路、限流阻断支路；

所述载流转移支路由超快速机械开关与负载换流开关串联形成，载流转移支路一端与直流电网的直流母线连接，另一端串联于直流电网的直流输电线路；

所述限流阻断支路包括限流支路、主断路器支路、能量吸收支路，所述的主断路器支路、能量吸收支路并联后一端与限流支路一端串联，限流支路另一端连于电位点A1；主断路器支路、能量吸收支路并联后另一端与电位点A2。

优选的，所述限流阻断支路中的限流支路包括充电电容C、充电电阻R1～R2、限流电抗器CLR、电流换相元件T1～T4；T1为桥臂1，连接在电位点D1与D3之间，T2与R1串联形成桥臂2，桥臂2串联在电位点D1与D4之间，T3为桥臂3，桥臂3连接在电位点D3与D2之间，T4与R2串联形成桥臂4，桥臂4连接在电位点D4与D2之间，充电电容C连接在电位点D3与D4之间；所述的电流换相元件T1～T4由正反向并联的晶闸管组成；所述的电位点D1与直流母线连接，所述的电位点D2与主断路器支路、能量吸收支路并联后的一端连接；所述的电位点D3设置于桥臂T1、T3之间；所述的电位点D4设置于桥臂T2、T4之间。

优选的，所述的电位点A1与一极直流母线相连；所述的电位点A2的连接方式如下所示：若直流电网为两极可独立运行的真双极***，电位点A2与接地极中性母线相连；

若直流电网为伪双极***，若换流阀交流侧接地，单极故障后故障点与交流接地点形成故障电流通路，则电位点A2的连接方式与真双极***相同；若换流阀交流侧不接地，电位点A2与另一极直流母线相连。

优选的，所述载流转移支路中负载换流开关由绝缘栅双极型晶体管反向串并联构成，限流阻断支路中主断路器支路由绝缘栅双极型晶体管反向串并联组成，反向串并联的绝缘栅双极型晶体管个数由计算的额定电压、额定电流及绝缘栅双极型晶体管额定电压、电流及方向系数确定，其计算公式为：

以上公式中n_LCS、n_MB分别表示负载换流开关与主断路器支路的绝缘栅双极型晶体管个数，I_{N_LCS}、U_{N_LCS}为负载换流开关开断时的电压与电流，U_N、I_N为直流断路器最大承受电压及最大开断电流，I_C、V_CES为绝缘栅双极型晶体管的额定电压、额定电流，k_d1为2，k_d2为1。

优选的，该组合限流型直流断路器的参数设定值为：

(1)主断路器支路的额定电压为线路额定电压，主断路器支路额定电流为母线双极短路故障后迅速切除流入母线的故障电流；

(2)负载换流开关过电压初值为负载换流开关动作时刻故障电流变化率与限流电抗限流电抗器的乘积，额定电流为故障线路稳态运行状况下的额定电流的 1.1～1.5倍；

(3)电流换相元件T₁～T₄额定电压为限流电抗器在电流减小瞬间产生的最大电压值的1/2，额定电流与主断路器支路额定电流相同；

(4)限流电抗器取值与串联于输电线路的电抗值相同；限流阻断支路中充电电阻R₁与R₂的电阻值相同，其值为限流电抗器在电流减小时产生的最大电压值与***稳定运行工况下的额定电流比值的1/2；充电电容C取值为1/4000R₁；避雷器额定电压设为输电线路稳态运行时的额定电压。

进一步的，该组合限流型直流断路器隔离直流线路故障并进行重合闸的控制方法为：

(1)t₀时刻，直流线路发生故障，t₁时刻***检测到故障电流，经过延时，t₂时刻导通主断路器支路中的绝缘栅双极型晶体管，并触发T₁、T₃，关断串联于故障线路的负载换流开关，并给超快速机械开关施加分闸信号，电流转移至限流阻断支路；

(2)t₃时刻，触发T₄，充电电容开始放电，放电电流方向与故障电流相反，则流通T₂的电流降为0，故障电流转移至T₄支路，充电电阻R₂两侧电压增大，直至故障电流转移至T₄支路，充电电容电压反向；

(3)t₄时刻，触发晶闸管T₂，此时充电电容放电方向与上述过程相反，故障电流从T₁转移至T₂，充电电阻R₁两侧电压增大，直至故障电流完全转移至T₂支路；

(4)t₅时刻，超快速机械开关打开至额定开距，对主断路器支路中的绝缘栅双极型晶体管施加关断信号，故障电流转移至避雷器金属氧化物避雷器， t₆时刻故障电流降为0。

(5)t₇时刻，导通距离故障较远一侧的组合限流型直流断路器的限流阻断支路，若在Δt内监测到故障电流，则判断故障类型为永久故障，t₈时刻后再次关断检流侧的限流阻断支路，隔离故障线路，并对线路进行检修停运；在2～5 倍Δt时间内仍未监测到故障电流，则判断为瞬时故障，t₉时刻导通故障线路两端的载流转移支路，重合闸结束。

进一步的，限流阻断支路串联充电电阻，充电电阻两端的电压降用于抵消限流电抗器因故障电流下降而产生的负电压。

进一步的，在限流阻断支路导通瞬间与主断路器支路断开期间，充电电阻在被短路和串联于限流阻断支路两种状态中转换，转换过程如下：限流阻断支路导通瞬间，充电电阻短路减小负载换流开关分段瞬间负载换流开关两端的过电压初值；在主断路器支路断开之前，通过充电电容的预充电和反向充电控制电流换相元件T₁～T₄的导通与关断，充电电阻串联于限流阻断支路。

本发明的有益效果是：1)通过共用限流阻断支路，根据故障切除线路的需求选择性投入，极大得节约了投资成本与占地面积；

2)组合限流型直流断路器限流效果明显。限流支路使用晶闸管投切充电电阻，操作简单，经济效益明显。

附图说明

图1为一种用于直流电网的组合限流型直流断路器的拓扑图；

图2为开断故障电流时直流断路器控制时序示意图；

图3为限流支路故障电流流通路径示意图；

图4为开断正常电流时直流断路器控制时序示意图；

图5为重合闸流程图；

图6为MMC直流侧电路等效示意图；

图7为开断故障电流时直流断路器电流电压动态响应示意图；

图8为开断正常电流时直流断路器电流电压动态响应示意图；

图9为多线断路器拓扑图；

图10为多线断路器的开断流程示意图；

图11为多线断路器电压电流动态响应示意图；

图12为四端直流电网故障***动态响应图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

本发明在已有研究的基础上，提出一种用于直流电网的组合限流型直流断路器，该直流断路器的基本拓扑结构如图1所示。

该直流断路器主要由载流转移支路、限流阻断支路CLB两部分组成。载流转移支路由超快速机械开关UFD与负载换流开关LCS串联组成，LCS由多个反向串联的IGBT串联形成。限流阻断支路由限流支路、主断路器支路MB、能量吸收支路组成，限流支路由充电电容C、充电电阻R1、R2、限流电抗器CLR及四个相同的分元件T1～T4串并联的晶闸管组成。多个反向串并联的IGBT构成MB，用于开断故障电流。能量吸收支路则由金属氧化物避雷器MOV构成，用于吸收剩余能量。

组合限流型直流断路器配置于换流站出口处，节点A1与直流母线相连，节点A2的连接方式与直流换流阀拓扑及交流阀侧接地方式相关。若直流电网为两极可独立运行的真双极***，节点A2与接地极中性母线相连，换流站直流母线出口处正负极各连接一个直流断路器。

若直流电网为伪双极***(对称单极结构)，节点A2的连接点与***换流站阀交流侧的接地方式相关。若换流阀交流侧接地，单极故障后故障点可与交流接地点形成故障电流通路，则与真双极情形相同，节点A2与接地极中性母线相连，换流站直流出口处两极各配置一个断路器。若换流阀交流侧不接地，单极故障点无法通过交流接地形成电流通路，无短路电流，仅使直流***零电位点偏移，正常极电压升高，***仍能维持正常运行，所以***仅会在双极故障后出现短路电流，A2与另一极直流母线相连，即换流站出口处仅配置一个直流断路器，直流断路器只响应双极短路故障。

直流断路器各支路的具体功能如下所述：

1)载流转移支路串联于直流线路两端，可双向开断。***正常运行时，用于流通正常工作电流；断路器检测到线路故障后，断开LCS辅助开关并对UFD 施加关断信号，UFD可零电流开断线路，在开始动作后延时Tmtd＝2ms完成无弧分断。

2)限流阻断支路是组合限流型直流断路器的核心部件。节点A1与A2间有较大的电压差，考虑到晶闸管具有大容量、造价便宜等优点，利用较少数量的晶闸管即可分担正常运行条件时的电压，以增加断路器运行的可靠性。

限流阻断支路中CLR及充电电阻可增加支路阻抗值，降低故障电流变化率。但在LCS开断瞬间，支路阻抗值越大，LCS两侧过电压初值UN_LCS越大。为降低LCS开断瞬间时限流阻断支路的阻抗值，在LCS开断前将充电电阻短路，在 MB开断前将充电电阻投入支路，因此充电电阻需要在短路和串联于电路的两种状态中转换。

可利用晶闸管完成充电电阻的投切转换过程，但由于晶闸管无法双向开断，需使用外部电源放电强迫使其换相。此处采用简单的外电路预充电，通过充电电容C的放电及反向放电实现四个分元件的导通及关断，达到充电电阻分步投入限流阻断支路的目的，逐渐恢复直流母线的电压，缩短母线电压下降的时间。充点电阻与CLR可在MB支路断开后，耗散一部分剩余能量。

首先以直流输电线路发生故障为例，介绍组合限流型直流断路器的故障处理策略，其中流经限流支路的故障电流如图3所示。

1)t0时刻，直流线路发生故障，t1时刻***检测到故障电流。经过短暂的延时，t2时刻导通MB支路中的IGBT，触发T1、T3，关断LCS模块，给UFD施加分闸信号，电流转移至限流阻断支路。

2)t3时刻，触发T4，充电电阻R2串联于支路，充电电容开始放电，放电电流方向与故障电流相反。故障电流从T3逐渐转移至T4支路，直至故障电流完全转移至T4支路，充电电容反向充电。

3)t4时刻，触发T2，充电电阻R1串联于支路，此时充电电容放电方向与过程2)的放电方向相反。故障电流逐渐从T1转移至T2，直至故障电流完全转移至T2支路。晶闸管换相过程时长约为2ms，与UFD打开至额定开距的时间相同。

4)t5时刻，对MB支路中的IGBT施加关断信号，故障电流转立刻移至避雷器MOV，避雷器吸收剩余能量，t6时刻故障电流降为0。

5)故障切除后，延迟数十毫秒，对充电电容再次预充电，使其恢复到可以能够换流的原始状态，为下次换流做准备。

组合限流型直流断路器各元件的控制时序如图2所示。在上述操作过程中， t₀～t₁为故障检测时间，一般小于1ms，t₁～t₂间隔为0.05ms，t₂～t₃间隔为0.5ms， t₃～t₄间隔为1ms，t₄～t₅间隔为1ms，t₅～t₆间隔为1.5ms，从发生故障到直流断路器隔离故障总时间约为5ms。

非故障情况下，如线路检修或改变网架结构时，可使用直流断路器对正常直流电流开断，隔离输电线路。此时电流不会像故障短路电流在短时间内迅速增大， LCS承受电压级别较高，具有开断正常电流的能力，因此可简化断开过程：对线路两端直流断路器的T₁、T₃施加触发信号，导通MB支路，对LCS及UFD施加关断信号，电流转移至MB回路。UFD打开至额定开距，断开MB支路，MOV吸收剩余能量，此时断路器的控制时序见图4。

未来直流电网输电线路多为架空线，故障类型为瞬时故障概率较高，所以直流断路器的故障策略需要考虑重合闸。若重合于永久故障可能会使***再次遭受短路电流的冲击，影响断路器的使用寿命，在重合之前需要准确判断故障类型。本文所提策略暂时采用一种较为简单的电流快速检测法，首先设置故障点较远一侧为检流侧，另一侧为合闸侧。当重合检流侧断路器的载流转移支路后，检测到故障电流变化值：h＝didt

1)在断路器因故障断开后，为了保证断路器能够恢复绝缘性能，需等待至少大于100ms的去游离时间，本文将去游离时间设置为200ms。重合于永久故障时，故障电流持续上升，为减小断路器再次动作时的开断电流，缩短故障电流发展的时间，将检测时间为0.5ms。为提高可靠性，瞬时故障的检测时间可设置为2.5ms。t₇时刻启动重合闸程序，若重合检流侧支路0.5ms内，电流变化值h 大于预设阀值H，判断故障为永久故障，t₈时刻断开该断路器的载流转移支路，隔离故障线路，并对线路进行检修停运。若2.5ms内电流变化仍未达到阈值H，则判断故障类型为瞬时故障，t₉时刻重合另一侧断路器的载流转移支路，重合闸结束，***恢复正常运行。重合闸流程图见图5所示。

2)断路器因正常情况下断开后，原则上说无需检测故障类型，在需要时合上两侧UFD及LCS开关即可。但保险起见，仍可按照上述过程检测输电线路有无故障发生，此时检流侧可为任一侧。

本文所提直流故障策略仅针对线路故障，此外，利用直流断路器隔离故障时，为避免换流站桥臂电流过大而导致换流站闭锁，组合限流型直流断路器的开断电流需与换流站协调配合。

在半桥换流站构成的直流电网中，以发生单极金属接地故障为例，求解故障电流i_dc的表达方式，其中电路等效示意图如图6所示。R₀为开关器件和桥臂电抗器的损耗，L₀为桥臂电抗，C₀为子模块电容值，N为子模块数量，R_dc为直流电网架空线等效电阻，L_dc为直流电网架空线阻抗和限流电抗的等效电抗，U_dc与 I₀分别为正常运行时直流侧电压和线路电流。

其中：

一般而言，金属接地时的R_dc小于相同位置非金属接地(小电阻、大电阻接地) 故障时的R_dc。与金属接地时相比，非金属接地故障电流更小，故障点电压值更大。非金属接地对断路器的影响在于：U_{N_LCS}数值更大，限流阻断支路开断的故障电流更小，对其余元件的电压有一定影响，但都在额定范围内。所以本文计算直流断路器设计参数时，以金属接地为例计算直流电网所需断路器最大开断电流 I_N，以大电阻接地为例计算直流电网所需断路器的额定电压U_N。

从理论上讨论，CLR值越大限流效果越好，但在限流阻断支路投入(载流转移支路断开)瞬间，U_{N_LCS}大小与限流阻断支路阻抗值(L_CLR)成正相关，由于CLR并不串联于直流线路，其取值不受***稳定性的约束，但CLR数值越大，存储于其中的能量越多，耗散速度受到影响，影响限流阻断支路的灵活性。但MB支路的电压大于U_{N_LCS}，与降低LCS串联的IGBT个数相比，降低MB并联的IGBT个数的经济效益更高。因此L_CLR不宜过大或过小。本文将值大小设为与输电线路电感值相同：

L_CLR＝L_dc

由前文分析得知，U_{N_LCS}与限流阻断支路阻抗值成正相关。在LCS断开瞬间，充电电阻短路，支路中阻抗由通态损耗很小的IGBT、晶闸管及CLR组成，因此 U_{N_LCS}主要由开断瞬间CLR两侧电压决定：

U_{N_LCS}＝L_CLRdi_dc/dt|t＝t₂

充电电容C的大小决定着放电速度的快慢及充电电阻投入限流阻断支路时间的长短。t₃触发T₄时，流经T₄的电流I₄：

式中I_dc1为t＝t₃时i_dc(t)的数值，U_C为充电电容C的预充电电压，时间常数τ ＝R₂C。组合限流型直流断路器要求电容C在1ms内完成充放电过程，电容可在4个时间周期内完成放电过程，即其值满足以下表达式：

t＝4τ＝4R₂C≤1ms

则C值最大值为：

C＝14000R₂

式中C、R₂的单位分别为F、Ω。

当R₂、C为固定值时，若U_C较小，则放电电流过小，可能导致I₂、I₄无法降为0，从而产生无法正常换流的问题，影响电流限流效果。为确保换流过程正常进行，预充电电容不宜过小：

U_C≥R₂I_dc1

虽然充电电阻值越大，限流效果越明显，由上式可知，R₂越大时，C值越小， U_C越大，则充点电容的耐压值越大，C的价格及体积越大。所以R₂的取值也不能过大，考虑到晶闸管的均压控制，R₁、R₂的大小应相同，此处将其设为：

式中U_CLR为MB断开后CLR两侧的电压最大值。

此处计算组合限流型直流断路器的主要电力电子器件IGBT、晶闸管的个数。提前计算出直流电网所需直流断路器的参数，如故障时刻断路器LCS初值过电压 U_{N_LCS}，LCS开断瞬间电流I_{N_LCS}，MB最大开端电流为I_N，直流断路器额定电压 U_N，晶闸管分担的对地电压U_{N_T}等。已知IGBT额定电压与额定电流分别为V_CES、 I_C，晶闸管额定电压为V_SCR，额定电流为I_TR。则LCS所需IGBT数量为：

其中LCS串联于输电线路，可双向开断，所以方向系数k_d＝2；

限流阻断支路晶闸管总数为：

其中为达到电流换流的目的，晶闸管需反向串联，方向系数k_d＝2。

其中直流断路器仅需单向开断的故障电流，则方向系数k_d＝1。

避雷器两端电压最大应力，即避雷器保护水平，一般为避雷器额定电压E_MOV的1.5～2倍。MB支路断开后，为避免避雷器由于电压过高而被击穿，将避雷器的额定电压设为线路额定电压：

U_MOV＝U_N

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种用于直流电网的组合限流型直流断路器，其特征在于，包括载流转移支路、限流阻断支路；

2.根据权利要求1所述的一种用于直流电网的组合限流型直流断路器，其特征在于，所述限流阻断支路中的限流支路包括充电电容C、充电电阻R1～R2、限流电抗器CLR、电流换相元件T1～T4；T1为桥臂1，连接在电位点D1与D3之间，T2与R1串联形成桥臂2，桥臂2串联在电位点D1与D4之间，T3为桥臂3，桥臂3连接在电位点D3与D2之间，T4与R2串联形成桥臂4，桥臂4连接在电位点D4与D2之间，充电电容C连接在电位点D3与D4之间；所述的电流换相元件T1～T4由正反向并联的晶闸管组成；所述的电位点D1与直流母线连接，所述的电位点D2与主断路器支路、能量吸收支路并联后的一端连接；所述的电位点D3设置于桥臂T1、T3之间；所述的电位点D4设置于桥臂T2、T4之间。

3.根据权利要求1所述的一种用于直流电网的组合限流型直流断路器，其特征在于，所述的电位点A1与一极直流母线相连；所述的电位点A2的连接方式如下所示：若直流电网为两极可独立运行的真双极***，电位点A2与接地极中性母线相连；

4.根据权利要求1和2所述的一种用于直流电网的组合限流型直流断路器，其特征在于，所述载流转移支路中负载换流开关由绝缘栅双极型晶体管反向串并联构成，限流阻断支路中主断路器支路由绝缘栅双极型晶体管反向串并联组成，反向串并联的绝缘栅双极型晶体管个数由计算的额定电压、额定电流及绝缘栅双极型晶体管额定电压、电流及方向系数确定，其计算公式为：

5.根据权利要求1所述的一种用于直流电网的组合限流型直流断路器，其特征在于，该组合限流型直流断路器的参数设定值为：

(2)负载换流开关过电压初值为负载换流开关动作时刻故障电流变化率与限流电抗限流电抗器的乘积，额定电流为故障线路稳态运行状况下的额定电流的1.1～1.5倍；

6.根据权利要求1所述的一种用于直流电网的组合限流型直流断路器，其特征在于，该组合限流型直流断路器隔离直流线路故障并进行重合闸的控制方法为：

(4)t₅时刻，超快速机械开关打开至额定开距，对主断路器支路中的绝缘栅双极型晶体管施加关断信号，故障电流转移至避雷器金属氧化物避雷器，t₆时刻故障电流降为0；

(5)t₇时刻，导通距离故障较远一侧的组合限流型直流断路器的限流阻断支路，若在Δt内监测到故障电流，则判断故障类型为永久故障，t₈时刻后再次关断检流侧的限流阻断支路，隔离故障线路，并对线路进行检修停运；在2～5倍Δt时间内仍未监测到故障电流，则判断为瞬时故障，t₉时刻导通故障线路两端的载流转移支路，重合闸结束。

7.根据权利要求1所述的一种用于直流电网的组合限流型直流断路器，其特征在于，限流阻断支路串联充电电阻，充电电阻两端的电压降用于抵消限流电抗器因故障电流下降而产生的负电压。

8.根据权利要求1所述的一种用于直流电网的组合限流型直流断路器，其特征在于，在限流阻断支路导通瞬间与主断路器支路断开期间，充电电阻在被短路和串联于限流阻断支路两种状态中转换，转换过程如下：限流阻断支路导通瞬间，充电电阻短路减小负载换流开关分段瞬间负载换流开关两端的过电压初值；在主断路器支路断开之前，通过充电电容的预充电和反向充电控制电流换相元件T₁～T₄的导通与关断，充电电阻串联于限流阻断支路。