CN114709800B - 一种共享支路的紧凑型直流断路器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种共享支路的紧凑型直流断路器及其控制方法，断路器在正常通流时，电流经由通流回路的主机械开关导通，直流断路器的损耗极低；本发明的直流断路器采用快速操作机构驱动机械开关可在短时间内开断故障电流，并且实现重合闸功能，隔离故障，保护柔性直流***。控制方法可通过共享换流支路和吸能支路，由换流支路产生幅值逐渐增大的振荡电流，叠加在主回路的电流上产生电流过零点，最后由机械开关开断电流。实现一台断路器开断和隔离一条母线上的所有外接线路的故障电流。保证每条直流母线只需配置一台直流断路器，大幅降低了直流电网中直流断路器的成本和体积，为直流电网的建设提供了技术保障。

Description

一种共享支路的紧凑型直流断路器及其控制方法
技术领域
本发明属于电力设备技术领域，具体属于一种共享支路的紧凑型直流断路器及其控制方法。
背景技术
目前，直流断路器主要有机械式直流断路器和混合式直流断路器两种实现方式，其中机械式断路器以其通态损耗小的优势成为直流断路器的优选技术方案。随着新能源的分布式直流供电***需求大幅增加，尤其是在海上风电柔性多端直流***中，电网架设空间资源有限、海上平台承载能力有限、其故障电流大且上升率快，因此对高压直流断路器的体积空间、重量、开断能力、开断速度和成本造价要求极高。如图1所示，传统的直流断路器仅能开断一条进线和出线上的故障电流，若应用传统机械式直流断路器于直流电网，则每条直流母线上所安装的直流断路器台数与直流母线外接线路数相同。直流电网中需配置的直流断路器台数巨大，而直流断路器造价昂贵，体积空间大，进而造成直流电网建设成本的大幅增加，并不能应用于柔性多端直流***中。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种共享支路的紧凑型直流断路器及其控制方法，保证每条直流母线只需配置一台直流断路器，大幅降低了直流电网中直流断路器的成本和体积，为直流电网的建设提供了技术保障。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种共享支路的紧凑型直流断路器，包括接线端、通流支路、隔离支路、开断单元、直流母线、在线监测***和控制***；
所述接线端、通流支路和隔离支路的数量均为多个，并一一对应进行连接；
所述通流支路的一端通过机械开关与所述接线端相连，所述通流支路的另一端连接直流母线；
所述通流支路的一端和所述隔离支路的一端进行连接，多个所述隔离支路的另一端均与开断单元的一端进行连接，开断单元的另一端与出线端母线相连接；
所述通流支路包括主机械开关；所述主机械开关包括一个或多个真空开关串联形成；所述隔离支路包括辅助隔离开关和晶闸管模块；辅助隔离开关和晶闸管模块相串联；
所述在线监测***用于测量流经换流开关模块的电流大小以及电流方向、流经避雷器的电流及方向、避雷器两端电压和温度、流经通流支路主机械开关的电流大小以及电流方向，两端的电压及开关行程、储能电容两端电压；
所述控制***连接在线监测***，控制***用于控制通流支路的主机械开关、隔离支路的晶闸管和辅助隔离开关、换流开关模块和快速机械开关。
优选的，所述的开断单元包括换流开关模块、振荡电容、振荡电感和避雷器；所述的换流开关模块与振荡电容、振荡电感串联形成换流支路，避雷器与换流支路并联。
优选的，所述的开断单元包括换流开关模块、振荡电容、振荡电感和避雷器；换流开关模块与振荡电容串联，避雷器与前述两者串联形成的支路并联，并联形成的支路连接振荡电感的一端，振荡电感的另一端连接出线端母线。
优选的，所述开断单元的换流开关模块包括储能电容、充电支路和电力电子功率器件；
所述电力电子功率器件包括全控型电力电子功率器件ES1、全控型电力电子功率器件ES2、全控型电力电子功率器件ES3和全控型电力电子功率器件ES4；
所述全控型电力电子功率器件ES1的负极和全控型电力电子功率器件ES3的正极相连接于N1，N1与隔离支路相连；所述全控型电力电子功率器件ES2的负极和全控型电力电子功率器件ES4的正极相连接于N2，N2连接振荡电容C的一端；
所述全控型电力电子功率器件ES1的正极和全控型电力电子功率器件ES2的正极相连接于N3，所述全控型电力电子功率器件ES3的负极和全控型电力电子功率器件ES4的负极相连接于N4；
N3与储能电容的一端相连，N4与储能电容的另一端相连；储能电容充电方向与主回路电流方向相同或相反；充电支路和储能电容并联。
进一步的，所述电力电子功率器件为以下单个或多个器件的串并联组合，包括GTO、晶闸管、MOSFECT、IGBT、IGCT。
优选的，所述机械开关为基于***驱动的机械开关、基于电磁斥力的机械开关、基于永磁体斥力的机械开关、基于弹簧操动机构的机械开关或基于电机驱动的机械开关。
优选的，所述在线监测***包括电压测量模块、电流测量模块、温度测量模块、声音测量模块、X射线测量模块、磁场测量模块，在线监测***的各测量模块用于监测直流断路器状态，并根据监测的直流断路器状态决定控制***发送指令信号的时间。
一种共享支路的紧凑型直流断路器的控制方法，其特征在于，基于上述任意一项所述的一种共享支路的紧凑型直流断路器，包括以下过程，
在***正常通流状态下，多条所述通流支路的主机械开关和机械开关处于合闸状态；多条所述隔离支路中的晶闸管处于关断状态；所述开断单元处于关断状态；线路电流由部分接线端所在通流支路汇聚到所述直流母线，再由所述直流母线，经其余接线端所在通流支路流出；
故障状态下，当检测到某个接线端故障时，直流断路器给该故障接线端所在通流支路的主机械开关和其余接线端所在隔离支路的辅助隔离开关发分闸命令，触头间开始燃弧，当主机械开关和辅助隔离开关达到预设的开距后，给故障接线端所在隔离支路中的晶闸管和全桥换流器发送导通命令，全桥换流器两桥臂交替导通，预充电的储能电容通过振荡电容和振荡电感放电，产生幅值逐渐增大的振荡电流直至叠加在故障电流上产生电流过零点，故障电流使振荡电容两端电压上升直至达到避雷器的动作电压，故障电流转移到吸能支路，待故障电流下降到0时，电弧熄灭，故障接线端的快速机械开关分闸切断残余电流，实现故障电流的开断。
优选的，对于永久性故障，故障电流开断后等待预设的时间，导通通流支路的主机械开关和与之相连的快速机械开关，再次检测到故障电流，直流断路器重复开断的过程，等待故障电流下降至零后，分闸故障接线端相连的快速机械开关和隔离支路中的辅助隔离开关，合闸其余正常接线端所在隔离支路中的辅助隔离开关，从而隔离故障线路，并使直流断路器复位等待下一次操作；
对于临时性故障，导通开断单元后未检测到故障电流，合闸所有快速机械开关和辅助隔离开关，以使直流断路器复位等待下一次操作。
优选的，所述换流包括阶段1和阶段2；
阶段1为：换流开关模块中的ES1和ES4导通，ES2和ES3关闭，ES1和ES4导通后储能电容通过振荡电容和振荡电感放电，产生正弦振荡电流，当正弦振荡电流完成一个正弦半波的振荡且振荡电流到达过零点时，控制***发出控制信号，执行阶段2：ES1和ES4关闭，ES2和ES3导通，此时的储能电容极性与放电电流方向一致，储能电容继续通过振荡电容和振荡电感放电，产生的正弦振荡电流幅值高于第一个正弦半波，当第二个正弦半波电流到达过零点时，控制***发出控制信号，执行阶段1，随后阶段2与阶段1交替执行。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供了一种共享支路的紧凑型直流断路器，在正常通流时，电流经由通流回路的主机械开关导通，直流断路器的损耗极低；本发明的直流断路器采用快速操作机构驱动机械开关可在短时间内开断故障电流，并且实现重合闸功能，隔离故障，保护柔性直流***。
本发明的一种共享支路的紧凑型直流断路器的控制方法，可以通过共享换流支路和吸能支路，由换流支路产生幅值逐渐增大的振荡电流，叠加在主回路的电流上产生电流过零点，最后由机械开关开断电流。实现一台断路器开断和隔离一条母线上的所有外接线路的故障电流，其占地面积小，建设成本低，有利于多端柔性直流***的建设。
附图说明
图1示出四端工程中传统直流断路器的配置图；
图2示出本发明紧凑型断路器的一个具体实施例的结构示意图；
图3示出本发明紧凑型断路器的的传感器安装位置示意图；
图4示出本发明紧凑型断路器中开断单元的一个具体实施例的结构示意图；
图5示出本发明紧凑型断路器中开断单元的另一个具体实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例
如图2所示，本发明公开了一种共享支路的紧凑型直流断路器，包括n个接线端，n条通流支路，n条隔离支路，一个开断单元，一条直流母线，一套在线监测***和一套控制***。
每条通流支路和每条隔离支路的一端分别相对应的连接，并通过快速机械开关RCB与接线端相连，通流支路的另一端连接直流母线，每条隔离支路的另一端与开断单元的一端相接于N1，开断单元的另一端与出线端母线相连。通流支路包括主机械开关CB，主机械开关CB由一个真空开关或多个真空开关串联组成。隔离支路包括辅助隔离开关S，晶闸管模块T。
如图4所示，开断单元包括换流开关模块、振荡电容CP、振荡电感LP、避雷器SA。换流开关模块与振荡电容Cp串联，避雷器SA与前述两者串联形成的支路并联，并联形成的支路连接振荡电感Lp的一端，振荡电感Lp的另一端连接出线端母线。或，如图5所示，换流开关模块与振荡电容CP、振荡电感LP串联形成换流支路，避雷器与换流支路并联。
换流开关模块包括储能电容CDC、充电支路、电力电子功率器件；充电支路包括直流电源VDC、充电电阻RCH、充电开关SCH；电力电子功率器件包括全控型电力电子功率器件ES1、全控型电力电子功率ES2、全控型电力电子功率器件ES3和全控型电力电子功率器件ES4。
全控型电力电子功率器件ES1的负极和全控型电力电子功率器件ES3的正极相连接于N1，N1与隔离支路相连；全控型电力电子功率器件ES2的负极和全控型电力电子功率器件ES4的正极相连接于N2，N2连接振荡电容Cp的一端；
全控型电力电子功率器件ES1的正极和全控型电力电子功率器件ES2的正极相连接于N3，全控型电力电子功率器件ES3的负极和全控型电力电子功率器件ES4的负极相连接于N4；
N3与储能电容CDC的一端相连，N4与储能电容CDC的另一端相连；储能电容CDC充电方向与主回路电流方向相同或相反；充电支路和储能电容CDC并联。
线路电流由某个或某些接线端相连的通流支路汇聚到直流母线，再由直流母线，经其余接线端相连的通流支路流出。
如图3所示，在线检测***包括用于测量接线端引出线电流状态的电流传感器组D11～D1n、用于测量通流支路电流状态的电流传感器组D21～D2n、用于测量换流开关模块的电流传感器D3、用于测避雷器电流状态的电流传感器D4、用于测量通流支路的主机械开关CB两端电压状态的电压传感器组V11～V1n、用于测量避雷器两端电压状态的电压传感器V2、用于测量储能电容CDC两端电压状态的电压传感器V3、用于测量通流之路的主机械开关CB的运动状态的位移传感器组W11～W1n、用于测量避雷器SA温度状态的温度传感器M1，以及必要的信号处理电路、A/D转换模块和通信模块。
的控制***与的在线检测***相连，通过在线检测***测量通流支路的电流幅值、电流过零点、电流变化率以及换流开关模块的电流幅值、电流过零点、电流变化率控制主机械开关CB、快速机械开关RCB、换流开关模块、辅助隔离开关S和晶闸管T，实现不同幅值的故障电流的快速可靠关断。
在***正常通流状态下，n条通流支路的主机械开关CB和与之相连的快速机械开关RCB处于合闸状态；n条隔离支路中的晶闸管T处于关断状态；开断单元处于关断状态；此时线路电流由某个或某些接线端连接的通流支路汇聚到直流母线，再由直流母线，经其余接线端所在通流支路流出，开断单元没有电流流过。
故障状态下，当在线检测***检测到某个接线端故障时，控制***给该故障接线端所连接的通流支路的主机械开关CB1和其余接线端所连接的隔离支路的辅助隔离开关S发分闸命令，在一定的延迟后机械开关CB1的电极触头开始分离，电极触头间燃弧，当主机械开关CB1和辅助隔离开关S1达到一定开距后，给故障接线端连接的隔离支路中的晶闸管T1和全桥换流器发送导通命令，全桥换流器两桥臂交替导通，导通时序包括：阶段一，换流开关模块中的ES1和ES4导通，ES2和ES3关闭，ES1和ES4导通后储能电容CDC通过振荡电容Cp和振荡电感Lp放电，产生正弦振荡电流，当正弦振荡电流完成一个正弦半波的振荡且振荡电流到达过零点时，控制***发出控制信号，执行阶段2，ES1和ES4关闭，ES2和ES3导通，此时的储能电容CDC极性与放电电流方向一致，储能电容CDC继续通过振荡电容Cp和振荡电感Lp放电，产生的正弦振荡电流幅值高于第一个正弦半波，当第二个正弦半波电流到达过零点时，控制***发出控制信号，执行阶段1，随后阶段2与阶段1交替执行。预充电的储能电容CDC通过电容C和电感L放电，产生幅值逐渐增大的振荡电流直至叠加在故障电流上产生电流过零点，电弧熄灭，故障电流转移到换流开关所在支路，使电容C两端电压上升直至达到避雷器SA的动作电压，由于避雷器SA的非线性电阻特性，避雷器SA由高阻状态转换为低阻状态，故障电流转移到避雷器SA所在支路，***的电磁能转化为避雷器SA的热能，故障电流逐渐减小，待故障电流下降到接近0时，故障接线端的快速机械开关RCB分闸切断残余电流，以实现故障电流的快速可靠开断。
在线监测***包括电压测量模块、电流测量模块、温度测量模块、声音测量模块、X射线测量模块、磁场测量模块。
机械开关为基于***驱动的机械开关、基于电磁斥力的机械开关、基于永磁体斥力的机械开关、基于弹簧操动机构的机械开关、基于电机驱动的机械开关。
全控型功率电力电子器件时以下期间的单个器件或是多个器件串并联组合，GTO、晶闸管、MOSFECT、IGBT、IGCT。
避雷器SA包括以下单个器件或多个器件串并联组合，金属氧化物避雷器、气体绝缘金属氧化物避雷器、瓷壳绝缘金属氧化物避雷器、无间隙金属氧化物避雷器。
为了实现上述目的，本发明的一方面的实施例公开了一种共享支路的紧凑型直流断路器的开断方法，包括上述基一种共享支路的紧凑型直流断路器，还包括以下步骤：
在第一步骤中，***电流从接线端1经过机械开关RCB1和CB1后流入直流母线，再由直流母线，经其余接线端所在电缆流出；
在第二步骤中，当在线监测***检测到***发生故障时，发送触发信号给控制***，控制***收到信号后立即发出分闸指令，故障接线端所连接的通流支路的主机械开关CB1和其余接线端所连接的隔离支路的辅助隔离开关S收到分闸指令在一定延迟后开始分闸并燃弧；
在第三步骤中，机械开关CB1分闸时间达到一定时长或电极触头分闸距离达到一定距离，故障接线端连接的隔离支路中的晶闸管T1和换流开关模块被触发导通，预充电的储能电容CDC通过振荡电容Cp、振荡电感Lp放电产生振荡电流，
在线监测***检测振荡电流过零点，控制***在每一个振荡电流过零点控制换流开关模块交替执行阶段1和阶段2，振荡电流幅值每半个正弦振荡周期增大一次，直至与通流支路主机械开关CB1中电流电弧叠加产生过零点，主机械开关CB1中的电弧熄灭。
第四步骤中，主机械开关CB1中的电弧熄灭并停止导通，***电流转移到换流开关模块所在支路，并对振荡电容Cp充电，振荡电容Cp两端电压迅速上升，直至振荡电容Cp电压达到与之并联的避雷器的动作电压，避雷器SA动作，开始导通电流，***电流转移到避雷器SA所在吸能支路。避雷器SA吸收***中残余能量，随着能量被逐渐吸收，避雷器SA电流逐渐下降，直至下降到0，完成电流开断，并隔离故障线路。
实现快速重合闸，具体包括：对于永久性故障，故障电流开断后等待一定的时间，导通通流支路的主机械开关CB1和与之相连的快速机械开关RCB1，再次检测到故障电流，直流断路器重复开断的过程，等待故障电流下降至零后，分闸故障接线端的快速机械开关RCB1和隔离支路中的辅助隔离开关S1，合闸其余正常接线端所在隔离支路中的辅助隔离开关S，从而隔离故障线路，并使直流断路器复位等待下一次操作；对于临时性故障，导通开端单元后未检测到故障电流，合闸所有快速机械开关RCB和辅助隔离开关S，以使直流断路器复位等待下一次操作。
本发明提供了一种共享支路的紧凑型直流断路器，在正常通流时，电流经由通流支路的机械开关导通，直流断路器的损耗极低；本发明的直流断路器采用快速操作机构驱动机械开关可在短时间内开断故障电流，并且实现重合闸功能，隔离故障，保护柔性直流***；本发明可以通过共享换流支路和吸能支路，实现一台断路器开断和隔离一条母线上的所有外接线路的故障电流，其占地面积小，建设成本低，有利于多端柔性直流***的建设。

Claims (5)

1.一种共享支路的紧凑型直流断路器，其特征在于，包括接线端、通流支路、隔离支路、开断单元、直流母线、在线监测***和控制***；
所述接线端、通流支路和隔离支路的数量均为多个，并一一对应进行连接；
所述通流支路的一端通过机械开关与所述接线端相连，所述通流支路的另一端连接直流母线；
所述通流支路的一端和所述隔离支路的一端进行连接，多个所述隔离支路的另一端均与开断单元的一端进行连接，开断单元的另一端与出线端母线相连接；
所述通流支路包括主机械开关；所述主机械开关包括一个或多个真空开关串联形成；所述隔离支路包括辅助隔离开关和晶闸管模块；辅助隔离开关和晶闸管模块相串联；
所述在线监测***用于测量流经换流开关模块的电流大小以及电流方向、流经避雷器的电流及方向、避雷器两端电压和温度、流经通流支路主机械开关的电流大小以及电流方向，两端的电压及开关行程、储能电容两端电压；
所述控制***连接在线监测***，控制***用于控制通流支路的主机械开关、隔离支路的晶闸管和辅助隔离开关、换流开关模块和快速机械开关；
所述开断单元的换流开关模块包括储能电容、充电支路和电力电子功率器件；
所述电力电子功率器件包括全控型电力电子功率器件ES1、全控型电力电子功率器件ES2、全控型电力电子功率器件ES3和全控型电力电子功率器件ES4；
所述全控型电力电子功率器件ES1的负极和全控型电力电子功率器件ES3的正极相连接于N1，N1与隔离支路相连；所述全控型电力电子功率器件ES2的负极和全控型电力电子功率器件ES4的正极相连接于N2，N2连接振荡电容C的一端；
所述全控型电力电子功率器件ES1的正极和全控型电力电子功率器件ES2的正极相连接于N3，所述全控型电力电子功率器件ES3的负极和全控型电力电子功率器件ES4的负极相连接于N4；
N3与储能电容的一端相连，N4与储能电容的另一端相连；储能电容充电方向与主回路电流方向相同或相反；充电支路和储能电容并联；
所述在线监测***包括电压测量模块、电流测量模块、温度测量模块、声音测量模块、X射线测量模块、磁场测量模块，在线监测***的各测量模块用于监测直流断路器状态，并根据监测的直流断路器状态决定控制***发送指令信号的时间；
在***正常通流状态下，多条所述通流支路的主机械开关和机械开关处于合闸状态；多条所述隔离支路中的晶闸管处于关断状态；所述开断单元处于关断状态；线路电流由部分接线端所在通流支路汇聚到所述直流母线，再由所述直流母线，经其余接线端所在通流支路流出；
故障状态下，当检测到某个接线端故障时，直流断路器给该故障接线端所在通流支路的主机械开关和其余接线端所在隔离支路的辅助隔离开关发分闸命令，触头间开始燃弧，当主机械开关和辅助隔离开关达到预设的开距后，给故障接线端所在隔离支路中的晶闸管和全桥换流器发送导通命令，全桥换流器两桥臂交替导通，预充电的储能电容通过振荡电容和振荡电感放电，产生幅值逐渐增大的振荡电流直至叠加在故障电流上产生电流过零点，故障电流使振荡电容两端电压上升直至达到避雷器的动作电压，故障电流转移到吸能支路，待故障电流下降到0时，电弧熄灭，故障接线端的快速机械开关分闸切断残余电流，实现故障电流的开断；
对于永久性故障，故障电流开断后等待预设的时间，导通通流支路的主机械开关和与之相连的快速机械开关，再次检测到故障电流，直流断路器重复开断的过程，等待故障电流下降至零后，分闸故障接线端相连的快速机械开关和隔离支路中的辅助隔离开关，合闸其余正常接线端所在隔离支路中的辅助隔离开关，从而隔离故障线路，并使直流断路器复位等待下一次操作；
对于临时性故障，导通开断单元后未检测到故障电流，合闸所有快速机械开关和辅助隔离开关，以使直流断路器复位等待下一次操作；
所述换流包括阶段1和阶段2；
阶段1为：换流开关模块中的ES1和ES4导通，ES2和ES3关闭，ES1和ES4导通后储能电容通过振荡电容和振荡电感放电，产生正弦振荡电流，当正弦振荡电流完成一个正弦半波的振荡且振荡电流到达过零点时，控制***发出控制信号，执行阶段2：ES1和ES4关闭，ES2和ES3导通，此时的储能电容极性与放电电流方向一致，储能电容继续通过振荡电容和振荡电感放电，产生的正弦振荡电流幅值高于第一个正弦半波，当第二个正弦半波电流到达过零点时，控制***发出控制信号，执行阶段1，随后阶段2与阶段1交替执行。
2.根据权利要求1所述的一种共享支路的紧凑型直流断路器，其特征在于，所述的开断单元包括换流开关模块、振荡电容、振荡电感和避雷器；所述的换流开关模块与振荡电容、振荡电感串联形成换流支路，避雷器与换流支路并联。
3.根据权利要求1所述的一种共享支路的紧凑型直流断路器，其特征在于，所述的开断单元包括换流开关模块、振荡电容、振荡电感和避雷器；换流开关模块与振荡电容串联，避雷器与前述两者串联形成的支路并联，并联形成的支路连接振荡电感的一端，振荡电感的另一端连接出线端母线。
4.根据权利要求1所述的一种共享支路的紧凑型直流断路器，其特征在于，所述电力电子功率器件为以下单个或多个器件的串并联组合，包括GTO、晶闸管、MOSFECT、IGBT、IGCT。
5.根据权利要求1所述的一种共享支路的紧凑型直流断路器，其特征在于，所述机械开关为基于***驱动的机械开关、基于电磁斥力的机械开关、基于永磁体斥力的机械开关、基于弹簧操动机构的机械开关或基于电机驱动的机械开关。
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