一种共享支路的紧凑型直流断路器及其控制方法技术

本发明专利技术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；本发明专利技术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，保护柔性直流系统。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。的建设提供了技术保障。的建设提供了技术保障。

A compact DC circuit breaker with shared branches and its control method

【技术实现步骤摘要】
一种共享支路的紧凑型直流断路器及其控制方法


[0001]本专利技术属于电力设备
，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。

技术介绍

[0002]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系统需求大幅增加，尤其是在海上风电柔性多端直流系统中，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系统中。

技术实现思路

[0003]为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术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。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0005]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、在线监测系统和控制系统；
[0006]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；
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]所述在线监测系统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；
[0011]所述控制系统连接在线监测系统，控制系统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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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；
[0015]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；
[0016]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；
[0017]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；
[0018]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。
[0019]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。
[0020]优选的，所述机械开关为基于爆炸驱动的机械开关、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。
[0021]优选的，所述在线监测系统包括电压测量模块、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，在线监测系统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系统发送指令信号的时间。
[0022]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，
[0023]在系统正常通流状态下，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；
[0024]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。
[0025]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；
[0026]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。
[0027]优选的，所述换流包括阶段1和阶段2；
[0028]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，控制系统发出控制信号，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，控制系统发出控本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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、在线监测系统和控制系统；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；所述在线监测系统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；所述控制系统连接在线监测系统，控制系统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。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。5.根据权利要求4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。6.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爆炸驱动的机械开关、基于电磁斥力的机械开...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘思远，陈金超，金敬勇，刘志远，耿英三，王建华，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：