一种混合式快速直流断路器制造技术

本发明专利技术提供一种混合式快速直流断路器，所述断路器包括并联连接的主通流支路、电流转移支路和耗能支路；所述主通流支路包括串联的快速机械开关单元和主支路子模块单元；所述电流转移支路包括依次级联的阀模块单元，每个阀模块单元由若干个半导体模块串联组成；所述耗能支路包括依次级联的耗能组件。本发明专利技术提供的断路器在结构设计上采用电气拓扑对应模块化设计，可根据不同电压等级应用需求，在结构上实现不同电压等级的结构扩展，断路器采用单一平台支撑结构，所有功能单元都集成在同一平台上，实现了设备的高度集成，结构体积小，抗震性能强，经济性好，可靠性高，结构灵活，具有更好的电气兼容性；可在直流系统发生故障时，快速切断故障电流。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种断路器，具体讲涉及一种用于高压直流输电系统电流开断的混合式快速直流断路器。
技术介绍
直流电的电流特性使电流开断明显区别于交流电流开断，由于直流不存在电流过零点，因此依靠传统的机械式开关开断直流电流时有很多的问题，例如灭弧、绝缘和机械结构设计等问题，为此，需要用于开断直流电流的断路器。按照灭弧方式，一般有机械式直流断路器、固态半导体直流断路器和混合式直流断路器。机械式断路器是采用自激振荡方式来实现电流过零点，同时借助非线性耗能原件来实现能量的耗散和转移，但此类型断路器开断电流的时间较长，通常为数十个毫秒，相比于直流系统的故障电流的扩散速度，这样开断时间难以满足直流系统故障隔离的需要，一般只是用作转换开关，用于负荷电流转移，而不切断故障电流。对于固态半导体直流断路器，该类型断路器是基于大量的全控半导体组件组成的断路器，该断路器可以在很短时间内开断直流系统的故障电流，但该类断路器由于有大量半导体器件组成，导致了具有很高的成本，且在大电流下具有很高的损耗，而只能应用于中低压场合，而在高压直流输电领域则很难应用此类断路器。对于上百千伏的直流输电工程而言，固态半导体直流断路器需要更多的半导体器件串联，数量可达到数百级，使得控制保护系统复杂，设备的可靠性也随之降低。由于众多的半导体器件串联，该类型断路器在运行寿命周期内的损耗成本也成为了明显的制约因素。以上诸多不利因素，导致该类型开关难以在高压直流输电系统扩展应用。针对高压直流输电系统的需求，结合机械式直流断路器和固态半导体断路器的优缺点，相关研究人员提出了结合二者优点的混合式直流断路器，该类型断路器既包括了机械式开关，也包含了半导体开关，以求达到在开断时间、电流损耗和成本方面达到一个最优设计。CN102687221A公布了这样类型一种断路器，该断路器包括主断路器支路、非线性电阻器支路和高速开关与辅助断路器串联支路，三个支路采用并联连接，主断路器包括某一电流方向的至少一个功率半导体开关。该断路器可以应用于高压直流输电领域，且具有较低的通态损耗，并可以在5ms内开断直流系统故障电流。该断路器的半导体开关采用半桥电路设计，即单级半导体组件由两个全控器件组成，决定了断路器的短路电流耐受能力直接决定于单个全控半导体器件，同时该断路器在电气模块化设计与结构设计没有有机的结合，该专利所表述的高速开关没有采用模块化组件设计，高速开关的电压等级直接对应应用直流系统的极线电压，也就意味着该断路器无法针对不同电压等级进行模块化设计，不同电压等级直流工程需要设计不同断路器结构。由ALSTOM公司申请的国际专利WO2013/127463A1也表述了一种由半导体开关、充电电容支路和非线性保护耗能支路组成的混合式断路器，这种断路器充电电容器支路作为断路器开断故障电流的关键部件，具有较大的容值和结构体积，整体设备结构设计复杂且需要较大的结构空间，且在直流电流过零设计上具有明显的实现难度，因此在几百千伏电压等级直流工程应用中具有明显的缺陷。SIEMENS公司申请的国际专利WO2013/045238A1，该专利所述设备由众多的半导体组件开关、阻容器件、非线性耗能部件和机械开关组成的混合式断路器，电气设计复杂，控制保护系统也非常繁杂，该设计从工程实际应用角度分析，仅仅停留在概念设计阶段，因此在高电压等级的直流工程应用中，不具备功臣实施的价值。
技术实现思路
为了解决现有技术中所存在的上述不足，本专利技术提供一种更优的混合式快速直流断路器通过电气并联连接，该断路器通过电气并联的主通流支路、电流转移支路和耗能支路实现直流输电线路或配电线路的直流电流或者故障电流的快速切断，其切断电流的具体类型包括正常的负荷电流、暂态过电流以及短路故障电流，是一种实现直流系统快速保护的电力装置。本专利技术提供的技术方案是：一种混合式快速直流断路器，其改进之处在于：所述断路器包括并联连接的主通流支路、电流转移支路和耗能支路；所述主通流支路包括串联的快速机械开关单元和主支路子模块单元；所述电流转移支路包括依次级联的阀模块单元，每个阀模块单元由若干个半导体模块串联组成；所述耗能支路包括依次级联的耗能组件。优选的，所述快速机械开关单元包括若干个串联的超高速机械开关，所述主支路子模块单元包括N组并联的半导体模块串联组件，每组半导体模块串联组件由M个半导体模块串联组成。进一步，所述半导体模块为全桥模块，所述全桥模块包括四个桥臂和RC并联单元；所述四个桥臂中的两个桥臂串联后与RC并联单元、以及另外两个串联的桥臂依次并联；所述RC并联单元包括并联的桥臂电容器C和放电电阻R；所述桥臂包括反并联有二极管的绝缘栅双极型晶体管IGBT。优选的，所述阀模块单元的数量以混合式快速直流断路器的电压等级和暂态过电压水平决定；所述耗能组件的数量与所述阀模块单元的数量相对应；所述阀模块单元与所述耗能组件对应并联，以形成依次级联的基本级联单元。优选的，所述主通流支路、所述电流转移支路和所述耗能支路在同一支撑架构内沿水平方向依次分区布置，以形成固定在塔基支撑平台上的主通流支路区、电流转移支路区和耗能支路区；所述主通流支路区、所述电流转移支路区和所述耗能支路区分别在竖直方向上以相同的层高和层数分层布置，层间通过竖直方向的绝缘子支撑固定。进一步，所述主通流支路区的主支路子模块在结构上采用矩阵式布置方式，一层布置M个全桥模块，共布置N层。进一步，所述电流转移支路区的每层设置两个阀模块单元；所述耗能支路区的每层设置有耗能组件；所述两个阀模块单元串联后与同一平层上的耗能组件并联连接，以形成基本级联单元。进一步，所述耗能支路区的每层设置有由三个耗能子单元并联组成的耗能组件，每个耗能子单元内封装有若干个并联的金属氧化物压敏电阻片，所述三个耗能子单元采用品字形布置。进一步，所述M个全桥模块分别封装在屏蔽壳体内，所述屏蔽壳体固定在水平方向的第一支撑框架上；所述第一支撑框架包括第一矩形支撑架和设于所述第一矩形支撑架内的第一绝缘隔离板，所述第一矩形支撑架由两侧相互平行的金属角梁和垂直安装在两侧金属角梁之间的支撑绝缘槽梁组成；所述金属角梁与层间的绝缘子固定；所述屏蔽壳体沿平行于所述金属角梁的方向固定在所述支撑绝缘槽梁上；所述屏蔽壳体内还设置有：第二支撑框架，安装在所述屏蔽壳体底部，用于支撑所述全桥模块；二次控制单元A，安装在所述全桥模块的压装结构上，用于控制和保护所述全桥模块中的绝缘栅双极型晶体管IGBT；水冷散热器，设于两个绝缘栅双极型晶体管IGBT之间，用于给所述绝缘栅双极型晶体管IGBT散热；电气连接母排，与全桥模块的压装结构固定成一体，用于所述全桥模块之间的电气连接、以及全桥模块与超高速机械开关之间的电气连接；所述二次控制单元A通过双冗余供能系统供电，所述双冗余供能系统包括高频电磁供能系统和激光供能系统，所述激光供能系统采用并联设计，保证在一路供能光纤损坏时，其余光纤仍可靠供能。进一步，超高速机械开关包括安装在第三支撑框架上的电磁斥力柜、充放电电源柜、以及垂直设于所述电磁斥力柜顶部的两个串联的真空灭弧室；所述电磁斥力柜内设有两个分合闸电磁斥力单元，分别与两个真空灭弧室相对应，用于控制两个真空灭弧室的开断；所述充放电电源柜内设本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混合式快速直流断路器，其特征在于：所述断路器包括并联连接的主通流支路、电流转移支路和耗能支路；所述主通流支路包括串联的快速机械开关单元和主支路子模块单元；所述电流转移支路包括依次级联的阀模块单元，每个阀模块单元由若干个半导体模块串联组成；所述耗能支路包括依次级联的耗能组件。

【技术特征摘要】
1.一种混合式快速直流断路器，其特征在于：所述断路器包括并联连接的主通流支路、电流转移支路和耗能支路；所述主通流支路包括串联的快速机械开关单元和主支路子模块单元；所述电流转移支路包括依次级联的阀模块单元，每个阀模块单元由若干个半导体模块串联组成；所述耗能支路包括依次级联的耗能组件。2.根据权利要求1所述的一种混合式快速直流断路器，其特征在于：所述快速机械开关单元包括若干个串联的超高速机械开关，所述主支路子模块单元包括N组并联的半导体模块串联组件，每组半导体模块串联组件由M个半导体模块串联组成。3.根据权利要求1或2所述的一种混合式快速直流断路器，其特征在于：所述半导体模块为全桥模块，所述全桥模块包括四个桥臂和RC并联单元；所述四个桥臂中的两个桥臂串联后与RC并联单元、以及另外两个串联的桥臂依次并联；所述RC并联单元包括并联的桥臂电容器C和放电电阻R；所述桥臂包括反并联有二极管的绝缘栅双极型晶体管IGBT。4.根据权利要求1所述的一种混合式快速直流断路器，其特征在于：所述阀模块单元的数量以混合式快速直流断路器的电压等级和暂态过电压水平决定；所述耗能组件的数量与所述阀模块单元的数量相对应；所述阀模块单元与所述耗能组件对应并联，以形成依次级联的基本级联单元。5.根据权利要求1所述的一种混合式快速直流断路器，其特征在于：所述主通流支路、所述电流转移支路和所述耗能支路在同一支撑架构内沿水平方向依次分区布置，以形成固定在塔基支撑平台上的主通流支路区、电流转移支路区和耗能支路区；所述主通流支路区、所述电流转移支路区和所述耗能支路区分别在竖直方向上以相同的层高和层数分层布置，层间通过竖直方向的绝缘子支撑固定。6.根据权利要求5所述的一种混合式快速直流断路器，其特征在于：所述主通流支路区的主支路子模块在结构上采用矩阵式布置方式，一层布置M个全桥模块，共布置N层。7.根据权利要求5所述的一种混合式快速直流断路器，其特征在于：所述电流转移支路区的每层设置两个阀模块单元；所述耗能支路区的每层设置有耗能组件；所述两个阀模块单元串联后与同一平层上的耗能组件并联连接，以形成基本级联单元。8.根据权利要求5所述的一种混合式快速直流断路器，其特征在于：所述耗能支路区的每层设置有由三个耗能子单元并联组成的耗能组件，每个耗能子单元内封装有若干个并联的金属氧化物压敏电阻片，所述三个耗能子单元采用品字形布置。9.根据权利要求6所述的一种混合式快速直流断路器，其特征在于：所述M个全桥模块分别封装在屏蔽壳体内，所述屏蔽壳体固定在水平方向的第一支撑框架上；所述第一支撑框架包括第一矩形支撑架和设于所述第一矩形支撑架内的第一绝缘隔离板，所述第一矩形支撑架由两侧相互平行的金属角梁和垂直安装在两侧金属角梁之间的支撑绝缘槽梁组成；所述金属角梁与层间的绝缘子固定；所述屏蔽壳体沿平行于所述金属角梁的方向固定在所述支撑绝缘槽梁上；所述屏蔽壳体内还设置有：第二支撑框架，安装在所述屏蔽壳体底部，用于支撑所述全桥模块；二次控制单元A，安装在所述全桥模块的压装结构上，用于控制和保护所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张升，魏晓光，王成昊，刘远，周万迪，张宁，王新颖，
申请(专利权)人：国网智能电网研究院，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：北京;11