一种基于分级限流、多能级LC强迫过零和故障持续性判别的混合式直流断路器及其开断方法

本发明涉及直流配电保护与直流开断，具体涉及一种基于分级限流、多能级lc强迫过零和故障持续性判别的混合式直流断路器及其开断方法，适用于中、高压直流配电系统及双向直流输配电系统中的故障电流限制、快速开断和暂态故障恢复。

背景技术：

1、随着新能源发电、直流配电网、轨道交通、数据中心及船舶综合电力系统的发展，直流系统的电压等级和供电容量不断提高。由于直流故障电流不存在自然过零点，线路发生短路故障后，故障电流通常在较短时间内快速上升，要求直流断路器同时具备快速故障检测、故障电流限制、人工过零建立、恢复电压承受及故障能量吸收能力。

2、现有直流断路器主要包括机械式直流断路器、固态直流断路器和混合式直流断路器。机械式直流断路器正常运行损耗较低，但受机械动作速度及直流电流无自然过零点的限制，通常需要配置辅助换流支路以建立人工过零条件。固态直流断路器动作速度较快，但功率半导体器件长期串联于主回路中，存在通态损耗较大、散热要求较高及器件成本较高等问题。混合式直流断路器通过机械开关与电力电子器件协同工作，能够兼顾正常运行低损耗和故障快速开断，因而得到广泛关注。

3、为限制直流短路电流的上升速度，部分现有技术在主回路中串联限流电感。该方式能够抑制故障电流增长，但限流电感在正常运行期间持续通流，会增加线路压降、功率损耗、设备体积和制造成本。另有部分方案将限流电感设置于故障处理支路中，仅在故障发生后投入，但通常采用单一限流参数，难以同时兼顾弱电流、中等故障电流和大故障电流等不同开断工况。

4、在直流电流开断过程中，常采用预充电电容与振荡电感构成lc换流回路，向机械开关支路注入反向换流电流，使机械开关支路电流降低至零或近零。由于不同故障电流等级对应的反向换流电流峰值、振荡持续时间及换流能量需求不同，采用固定电容、固定预充电压和固定振荡电感的单一lc换流支路时，容易出现弱电流工况下换流能量过大、中大电流工况下换流能力不足的问题，不利于兼顾器件应力、换流可靠性和开断范围。

5、部分现有直流断路器在检测到故障后即执行完整的限流和开断过程。当故障属于持续时间较短的暂态故障、可自恢复故障或检测扰动时，仍触发lc强迫过零支路及机械开关完成全部开断动作，会增加机械开关动作次数、换流电容充放电次数以及电力电子器件的电流和电压应力。现有的故障持续性判别方案通常与限流支路选择、机械开关动作过程和lc换流能级选择相互独立，难以充分利用故障电流受控阶段形成的判别时间窗口。

6、此外，现有混合式直流断路器中的机械开关通常采用单一功能配置，或者多个机械开关缺少明确的分阶段功能划分，难以同时实现前级主通流路径快速隔离和后级故障电流人工过零开断。若辅助换流支路的连接位置及动作顺序设置不当，可能导致前级机械开关仍需承受较大的分闸电流，或者后级机械开关无法获得稳定的人工过零条件。

7、在开断后期，限流电感、线路电感及直流电源中仍可能存储较大能量。部分现有方案主要依靠避雷器直接吸收剩余能量，或者先将能量转移至换相电容后再进行泄放。若换相电容、避雷器及能量转移开关之间缺少协调控制，可能造成换相电容过电压、能量转移回路电流过大以及避雷器吸能不均衡等问题。

8、因此，需要一种混合式直流断路器及其开断方法，在不增加主回路正常运行损耗的前提下，根据故障初期电流选择不同限流状态，在限流状态建立后形成故障持续性判别窗口，并根据实际电流选择相应能级的lc强迫过零换流支路，同时实现前级机械开关近零电流隔离、后级机械开关人工过零开断以及剩余能量的协调缓冲与吸收。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于分级限流、多能级lc强迫过零和故障持续性判别的混合式直流断路器及其开断方法，以解决现有直流断路器中限流电感长期串联导致正常运行损耗较大、单一限流参数和单一lc换流支路难以适应宽范围故障电流、暂态故障易触发不必要完整开断以及剩余能量处理过程不协调等问题。

2、为实现上述目的，本发明一方面提供一种基于分级限流、多能级lc强迫过零和故障持续性判别的混合式直流断路器，包括主电流通道单元(1)、辅助换流限流支路(2)、多能级lc强迫过零换流单元(3)、能量缓冲与吸收单元(4)以及检测与控制单元(5)。

3、可选地，所述主电流通道单元(1)包括依次串联于直流主回路中的第一超快速机械开关ufd1、负载换流开关lcs和第二超快速机械开关ufd2。正常运行时，直流系统电流经第一超快速机械开关ufd1、负载换流开关lcs和第二超快速机械开关ufd2构成的主电流通道流动。所述辅助换流限流支路(2)的一端连接于第一超快速机械开关ufd1靠近直流电源的一侧，另一端连接于负载换流开关lcs与第二超快速机械开关ufd2之间的节点，使所述辅助换流限流支路(2)跨接于由第一超快速机械开关ufd1和负载换流开关lcs构成的串联段两端，且不旁路第二超快速机械开关ufd2。故障发生后，所述辅助换流限流支路(2)建立辅助电流通道，负载换流开关lcs受控关断，使流经第一超快速机械开关ufd1和负载换流开关lcs的电流转移至辅助换流限流支路(2)，从而为第一超快速机械开关ufd1提供零电流或近零电流分闸条件；经辅助换流限流支路(2)处理后的待开断电流继续流经第二超快速机械开关ufd2，并由多能级lc强迫过零换流单元(3)建立人工过零条件。

4、可选地，所述辅助换流限流支路(2)包括第一换流晶闸管t1、第一换相电容c1、第一辅助晶闸管t2a、第二辅助晶闸管t2b、换流二极管da至dd以及可选限流单元。第一换流晶闸管t1用于在故障发生后建立辅助电流通道，第一辅助晶闸管t2a和第二辅助晶闸管t2b用于使第一换相电容c1形成对第一换流晶闸管t1的反向换相回路，以使第一换流晶闸管t1的电流降低至零并获得反向偏置。

5、可选地，所述辅助换流限流支路(2)还包括第一预充调压电容c4、第一预充调压电阻r1和第一预充调压晶闸管t11。第一预充调压电容c4、第一预充调压电阻r1和第一预充调压晶闸管t11构成第一预充调压支路，用于在开断前调节第一换相电容c1的预充电压。

6、可选地，所述可选限流单元包括第一限流支路和第二限流支路。第一限流支路包括串联连接的第一限流电感l1和第一限流支路选择晶闸管t3a，第二限流支路包括串联连接的第二限流电感l2和第二限流支路选择晶闸管t3b，且第二限流电感l2的电感值大于第一限流电感l1的电感值。

7、可选地，所述可选限流单元具有无附加限流状态、第一限流状态和第二限流状态。当限流支路投入前获得的限流前采样电流ipre小于第一分级阈值时，第一限流支路和第二限流支路均不投入；当限流前采样电流ipre大于或等于第一分级阈值且小于第二分级阈值时，第一限流支路投入；当限流前采样电流ipre大于或等于第二分级阈值时，第二限流支路投入。

8、可选地，所述多能级lc强迫过零换流单元(3)跨接于第二超快速机械开关ufd2的两端，包括第一lc强迫过零换流支路和第二lc强迫过零换流支路。第一lc强迫过零换流支路具有第一可用初始振荡能量，第二lc强迫过零换流支路具有第二可用初始振荡能量，且第二可用初始振荡能量大于第一可用初始振荡能量。

9、可选地，所述多能级lc强迫过零换流单元(3)包括第一振荡电容c2、第二振荡电容c3、lc振荡电感l3、第一lc换流晶闸管t4a、第二lc换流晶闸管t4b以及换流晶闸管t5至t10。第一振荡电容c2、第一lc换流晶闸管t4a、lc振荡电感l3及对应的换流晶闸管构成第一lc强迫过零换流支路；第二振荡电容c3、第二lc换流晶闸管t4b、lc振荡电感l3及对应的换流晶闸管构成第二lc强迫过零换流支路。

10、可选地，第一lc强迫过零换流支路的第一可用初始振荡能量e1和第二lc强迫过零换流支路的第二可用初始振荡能量e2分别满足：

11、

12、其中，uc2为第一振荡电容c2的预充电压，uc3为第二振荡电容c3的预充电压，并且满足e2＞e1。

13、可选地，当限流状态建立后获得的换流选择采样电流ipost小于lc能级选择阈值时，选择第一lc强迫过零换流支路；当换流选择采样电流ipost大于或等于lc能级选择阈值时，选择第二lc强迫过零换流支路。所选择的lc强迫过零换流支路向第二超快速机械开关ufd2支路注入与待开断电流方向相反的换流电流，使第二超快速机械开关ufd2支路的电流产生人工过零。

14、可选地，所述多能级lc强迫过零换流单元(3)还包括第二预充调压电容c5、第二预充调压电阻r2、第二预充调压晶闸管t12、第一预充导通晶闸管t4c和第二预充导通晶闸管t4d。第二预充调压电容c5、第二预充调压电阻r2和第二预充调压晶闸管t12构成第二预充调压支路；第一预充导通晶闸管t4c用于建立第一振荡电容c2的预充电路径，第二预充导通晶闸管t4d用于建立第二振荡电容c3的预充电路径。

15、可选地，换流二极管da至dd以及换流晶闸管t5至t10按照正向故障电流和反向故障电流的导通方向设置，以形成相应的双向换相和强迫过零换流通路，使所述混合式直流断路器适用于双向直流系统。

16、可选地，所述能量缓冲与吸收单元(4)包括能量转移晶闸管t13、避雷器mov和能量泄放开关s。第一换相电容c1同时作为第一换流晶闸管t1的换相电容和第一限流状态、第二限流状态下的暂态能量缓冲电容。当处于第一限流状态或第二限流状态时，在第二超快速机械开关ufd2支路的电流产生人工过零、第一换流晶闸管t1完成关断且lc振荡支路电流衰减至零或低于预设阈值后，能量转移晶闸管t13导通，使已投入限流支路中的限流电感储能以及直流系统中的剩余能量向第一换相电容c1转移；当第一换相电容c1的电压达到预设接入阈值时，能量泄放开关s导通以接入避雷器mov。无附加限流状态下，能量转移晶闸管t13和能量泄放开关s保持未触发，辅助支路电流自然衰减。

17、可选地，所述检测与控制单元(5)分别与负载换流开关lcs、第一超快速机械开关ufd1、第二超快速机械开关ufd2、第一换流晶闸管t1、第一辅助晶闸管t2a、第二辅助晶闸管t2b、第一限流支路选择晶闸管t3a、第二限流支路选择晶闸管t3b、第一lc换流晶闸管t4a、第二lc换流晶闸管t4b、第一预充导通晶闸管t4c、第二预充导通晶闸管t4d、换流晶闸管t5至t10、第一预充调压晶闸管t11、第二预充调压晶闸管t12、能量转移晶闸管t13及能量泄放开关s连接，用于采集直流主回路和相应支路的电流、电压及开关状态，并按照预设控制时序控制各开关器件动作。

18、可选地，所述检测与控制单元(5)被配置为：在检测到故障后建立辅助电流通道并退出主电流通道；根据限流前采样电流ipre选择无附加限流状态、第一限流状态或第二限流状态；在所选择的电流处理状态建立后且lc强迫过零换流支路触发前，设置故障持续性判别窗口并判别故障是否持续。当判定故障为非持续故障时，检测与控制单元(5)停止多能级lc强迫过零换流单元(3)的触发，使第一超快速机械开关ufd1和第二超快速机械开关ufd2恢复至满足主通流要求的状态，随后控制负载换流开关lcs恢复导通，使辅助换流限流支路(2)中的电流转移回主电流通道。当判定故障为持续故障时，检测与控制单元(5)获取换流选择采样电流ipost，根据换流选择采样电流ipost选择第一lc强迫过零换流支路或第二lc强迫过零换流支路，并在第二超快速机械开关ufd2的触头间隙达到预设耐压开距后触发所选择的lc强迫过零换流支路。

19、可选地，在一次故障处理周期内，第一限流支路或第二限流支路被选定后，保持所选择的限流状态，直至相应限流支路的电流降低至零或低于预设退出阈值。第一分级阈值、第二分级阈值及lc能级选择阈值中的至少一个设置有回差区间，以避免电流在对应阈值附近波动造成支路重复选择。

20、本发明另一方面提供一种利用上述混合式直流断路器的开断方法，包括以下步骤：

21、在开断前对第一换相电容c1、第一振荡电容c2和第二振荡电容c3进行预充，并检测直流主回路中的电流参数和电压参数。

22、检测到故障后，触发第一换流晶闸管t1建立辅助电流通道，控制负载换流开关lcs关断，并向第一超快速机械开关ufd1和第二超快速机械开关ufd2下达分闸指令，使主电流由主电流通道转移至辅助换流限流支路(2)。

23、获取限流支路投入前的限流前采样电流ipre，并根据所述限流前采样电流ipre选择无附加限流状态、第一限流状态或第二限流状态。当选择无附加限流状态时，第一限流支路和第二限流支路均不投入，第一辅助晶闸管t2a和第二辅助晶闸管t2b保持未触发状态，第一换流晶闸管t1保持导通；当选择第一限流状态或第二限流状态时，建立相应限流支路，并在第一超快速机械开关ufd1的触头间隙达到预设耐压开距后，触发第一辅助晶闸管t2a和第二辅助晶闸管t2b，使第一换相电容c1对第一换流晶闸管t1实施反向换相，使电流转移至所选择的限流支路。

24、在所选择的电流处理状态建立后且lc强迫过零换流支路触发前，设置故障持续性判别窗口，获取故障电流幅值、故障电流变化率、故障持续时间和母线电压恢复状态中的至少两项参数，以判别故障是否持续。

25、当判定故障为非持续故障时，停止后续lc强迫过零换流动作，并恢复主电流通道；当判定故障为持续故障时，获取换流选择采样电流ipost，根据换流选择采样电流ipost选择第一lc强迫过零换流支路或第二lc强迫过零换流支路，使第二超快速机械开关ufd2支路的电流产生人工过零。

26、在第二超快速机械开关ufd2支路的电流产生人工过零后，当处于无附加限流状态时，保持第一辅助晶闸管t2a、第二辅助晶闸管t2b、能量转移晶闸管t13和能量泄放开关s处于未触发状态，使第一换流晶闸管t1及lc振荡支路中的电流在回路等效阻尼作用下自然衰减；当第一换流晶闸管t1的电流降低至其维持电流以下并持续不小于预设关断时间，且lc振荡支路电流降低至零或低于预设阈值时，判定开断完成。当处于第一限流状态或第二限流状态时，在第一换流晶闸管t1完成关断且lc振荡支路电流衰减至零或低于预设阈值后，触发能量转移晶闸管t13，使线路等效电感及直流系统中的剩余能量以及所投入的限流电感储能向第一换相电容c1转移；当第一换相电容c1的电压达到预设接入阈值时，控制能量泄放开关s导通以接入避雷器mov。

27、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

28、本发明将限流电感设置于辅助换流限流支路(2)中，正常运行时第一限流支路和第二限流支路均不投入主电流通道，能够避免限流电感长期串联所引起的附加压降和功率损耗。

29、本发明根据限流支路投入前的限流前采样电流ipre选择无附加限流状态、第一限流状态或第二限流状态，使不同电感值的限流支路分别适应不同故障电流等级，有利于兼顾弱电流工况下的快速动作和大故障电流工况下的电流上升率限制。

30、本发明通过辅助换流限流支路(2)跨接第一超快速机械开关ufd1和负载换流开关lcs组成的串联段，使第一超快速机械开关ufd1在零电流或近零电流条件下完成隔离，同时保留第二超快速机械开关ufd2作为后级人工过零开断开关，实现两个机械开关的分阶段协同动作。

31、本发明在限流状态建立后且lc强迫过零换流支路触发前设置故障持续性判别窗口。对于非持续故障，可避免后续lc强迫过零换流及完整能量吸收过程，减少lc换流支路触发次数及电力电子器件应力；对于允许中途撤销分闸的机械机构，还可减少机械开关完成全行程分闸及再次合闸的次数。

32、本发明根据换流选择采样电流ipost选择不同可用初始振荡能量的lc强迫过零换流支路，使反向换流电流与实际待开断电流相匹配，能够降低弱电流工况下的换流能量过剩，并提高中、大故障电流工况下的人工过零可靠性。

33、本发明利用第一换相电容c1兼具第一换流晶闸管t1反向换相和在第一限流状态、第二限流状态下暂态缓冲剩余能量的功能，并在第一换相电容c1电压达到预设接入阈值时接入避雷器mov，使第一换相电容c1与避雷器mov协同处理相应工况下的开断后期剩余能量，有利于限制能量转移回路过电压并降低单一吸能器件的能量应力。

34、本发明能够形成适用于正向和反向故障电流的换相与强迫过零通路，可扩展应用于直流配电网、新能源直流汇集系统、轨道交通直流供电系统、船舶直流系统以及其他双向直流输配电场合。