一种新型大电流强迫换流分断的换流回路拓扑结构的制作方法

1.本发明涉及电力系统故障保护技术领域，尤其涉及到一种直流断路器的新型大电流强迫换流分断的换流回路拓扑结构。


背景技术：

2.近些年来，随着直流输电技术的兴起，直流断路器作为电力系统重要保护器件备受瞩目。与传统交流配电网相比，直流配电网因具有供电容量大、供电半径长、线路损耗小、电能质量高、无须无功补偿等方面都有较为明显的优势。然而直流输电网的直流侧阻抗小，在直流侧发生短路故障时，故障电流会快速上升。因此快速切断故障电流，成为维护直流输电网稳定运行的关键。与交流系统相比，直流系统中的故障电流缺少自然过零点，要实现安全可靠开断需要创造人工零点，同时还需要将直流系统中感性元件所储存的能量快速吸收。直流断路器作为作为直流输配电系统中的控制和保护元件，在中高压大电流下它的分断可靠性成为了一个大难题，已成为国内外研究的热点。
3.因为直流故障电流不存在自然过零点，因此需要创造人工零点。即人为创造反向振荡电流使直流故障电流过零。直流断路器可分为机械式直流断路器（mcb）、固态式直流断路器（sscb）和混合式直流断路器（hcb）。机械式直流断路器利用传统交流机械开关，人工制造电流过零点来熄灭电弧，具有通态损耗低和开断故障电流能力强的优点，但故障处理时间较长；固态式直流断路器利用电力电子开关器件（绝缘栅双极型晶体管（igbt）、集成门极换流晶闸管（igct）等）串联来实现大电流的关断，可以迅速处理故障，但电压等级较低、功耗大、价格昂贵。混合式直流断路器结合了机械式断路器和固态式断路器的优点，利用快速机械开关导通正常运行电流，固态电力电子器件来分断短路电流，既具备较低的通态损耗，又有迅速的分断能力。但对于用电力电子开关器件串联来实现大电流的关断，成本高不利于产品的推广。机械式直流断路器又有故障处理时间较长的缺陷。因此混合式直流断路器的研究就具有重大意义。
4.根据直流断路器的换流回路反向振荡电流的不同产生方式可以分为自激振荡换流法与强迫振荡换流法。然而直流断路器可靠分断通常使用强迫换流技术，即采用有源lc振荡回路，预储能电容器c放电提供的反向高频电流，使真空断路器vcb中的直流短路电流产生过零点，并最终熄弧分断。其分断能力较高、并且电路结构相对简单、相关技术较为成熟，是解决中高压直流大电流分断的有效技术途径。基本的主电路方案如图1所示。
5.针对图1所示的直流断路器主电路，换流回路的储能电容在断路器每次开断前都需额外的提供预充电回路给储能电容充电，使得断路器整体的成本体积受到限制。为了解决电容预充电问题，现有学者提出了利用电网电压给电容充电的方法，如图2所示。ce为纵向分压电容；r
01
为充电电阻；r
02
为耐压电阻；ra和rb为分压电阻；rf为横向分压电阻；tr为变压器；l为电感；c为电容；t为晶闸管；各元件对应的下标数字表示元件序号（下文同）。其采用多个短间距真空机械开关串联构成主断口，正常运行时真空断路器cb处于常闭状态，串联两电极结构的多级串联间隙各断口s1~sn处于断开状态，换流电容c0经充电电阻r
01
充电至
预设电压u0后sd打开。多级串联间隙分压保证耐压水平，发生故障时，频率变化使得间隙分压改变，有利于间隙逐级快速击穿。当发生故障时，在触发装置作用下s1~sn逐一导通，换流电容c0开始放电产生高频反向电流，cb所在主回路电流与该高频反向电流叠加后迅速减小至过零点，cb中电弧熄灭。这种辅助电路的不足之处在于：为实现电容的自充电增加了变压器以及多个级联开关，增加了成本，此外振荡回路的参数匹配以及分压间隙的电容匹配不易确定，并且随着电压等级的升高，电容的充电难度也逐渐增大。因此该拓扑不具有普遍适用性。
6.直流断路器的换流过程主要由预储能电容、预充电压和限流电感决定，三者参数可以影响断路器的分断能力。当直流系统发生短路故障时，图1断路器vcb中的短路电流上升速度较快，为了迅速转移vcb中上升的短路故障电流，使得换流回路工作在高频振荡状态下，其中vcb 熄弧过程中的电流下降率会高达数百a/μs，燃弧电流峰值可以达到数十 ka ，此时弧后真空间隙的剩余等离子体浓度将显著增大，同时触头表面的温度相对较高。因此，vcb 在弧后较高的暂态恢复电压作用下，很容易发生电弧重燃，并可能最终导致分断失败。
7.对于现有的技术方案来说主要分别从降低真空断路器弧前电流下降率和弧后恢复电压方面提升直流真空断路器的分断能力及可靠性。如图3所示，通过在直流真空断路器vcb支路串联饱和电抗器lst，利用电抗器lst退饱和后的电感显著增大效应，在vcb熄弧前附近产生一段电流下降率较低的区间，从而改善vcb的大电流分断性能。通过降低弧后恢复电压的电路方案是利用反并联在真空断路器vcb两端的二极管d，当vcb电流过零熄弧后，二极管d导通续流，并将vb两端的恢复电压钳位在较低的水平，如图4所示。还可以利用阻容缓冲电路r
tct
并联在真空断路器vcb两端，用以减缓vcb熄弧后恢复电压的上升速率，如图5所示。虽然三种电路方案能够提高直流真空断路器的分断可靠性，但仍然具有一定的局限性和缺陷。图3所示方案中，但由于饱和电抗器与真空断路器串联，需要长期导通负载电流，因而会产生额外的发热损耗；当负载电流高达数ka时，必须考虑为电抗器配置水冷散热设备，其增大了装置的体积和成本。在图4所示方案中，当真空断路器燃弧电流较大、电流下降率较高时，真空间隙极有可能在电弧电流过零后无法立即恢复介质强度，导致断路器弧后等效阻抗较小；考虑实际二极管支路等效阻抗的影响，当两者处于相同数量级时，在二极管续流期间，仍可能有一部分较小的反向电弧电流从真空间隙流过，真空间隙无法进行介质恢复，因而二极管的电压钳位作用未能起到实际的作用；图5所示方案改善强迫换流分断特性的作用很有限，尤其在大电流、高电流下降率条件下，通常仅作为某一特定方案的辅助性措施使用。
8.因此，提供一种能够解决上述技术问题的一种直流真空断路器的新型换流回路拓扑，是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

9.本发明所要解决的技术问题是提供一种新型大电流强迫换流分断的换流回路拓扑结构，解决储能电容的预充电问题，避免外部充电，降低了直流断路器的成本和体积；又能够改善弧后真空间隙的介质恢复特性，极大保证了断路器在中高压大电流下分断的可靠性。
10.本发明所采用的技术方案是：
一种新型大电流强迫换流分断的换流回路拓扑结构，其包括主电路回路、换流回路、分流转移支路以及耗能支路，所述主电路回路、换流回路和耗能支路并连接连接，分流转移支路与换流回路中部分支路并联连接，主电流由一个节点经主电路回路流向另一个节点。
11.进一步的，在主电路回路上设有断路器vcb。
12.进一步的，所述换流回路包括串联设置的桥式半导体组件和控制开关s，在桥式半导体组件内设有lc串联回路。
13.进一步的，所述lc串联回路包括串联设置的电容c和电感l。
14.进一步的，所述桥式半导体组件包括晶闸管t1、晶闸管t2、二极管d1以及二极管d2；二极管d1与晶闸管t1串联，晶闸管t2与二极管d2串联，之后并联成桥式整流电路结构，所述桥式半导体组件一端连接主电路一个节点上，另一端与控制开关s 连接。
15.进一步的，所述电容c的一端与电感l一端连接，另一端连接在二极管d1与晶闸管t1之间，电感l的另一端连接在晶闸管t2与二极管d2之间。
16.进一步的，所述分流转移支路包括辅助开关sa，所述辅助开关sa与换流回路中的桥式半导体组件并联，辅助开关sa一端连接在桥式半导体组件的一端，另一端连接在桥式半导体组件与控制开关s之间。
17.进一步的，所述的耗能支路包括避雷器mov。
18.进一步的，所述断路器vcb采用用于分段故障电流的断路器。
19.进一步的，所述断路器vcb采用真空断路器。
20.本发明的积极效果为：本发明继承了传统机械式直流断路器开关通流损耗小和有源lc换流响应快的优点，并且通过辅助开关sa导通分流作用减小有效换流电流，降低了电流过零前 vcb 中的电流下降率和sa-s串联支路等效电压的电压钳位作用提升vcb的熄弧分断能力，并利用桥式整流回路结构的特点和辅助开关sa转移通道将故障清除后储能电容c的电压极性和幅值还原至预充电状态。无需外部提供预充电回路，有效解决了繁琐的充电回路带来控制、成本及体积上的约束。
21.本发明解决了储能电容的预充电问题，避免外部充电，降低了直流断路器的成本和体积；还能够在断路器vcb电流过零附近，通过减小有效换流电流，降低电流过零前附近的电流下降率；并在vcb熄弧后，利用电压钳位作用，显著减小初始暂态恢复电压，从而改善真空间隙的弧后介质恢复特性，以提升直流断路器在大电流场合下的分断可靠性。
附图说明
22.为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为具有基本lc换流回路的直流断路器主电路方案图2 为基于电容预充电的换流电路的直流断路器主电路方案图3为串联饱和电抗器的直流断路器主电路方案
图4为反并联二极管的直流断路器主电路方案图5为并联阻容缓冲的直流断路器主电路方案；图6为本发明拓扑图。
24.图7为本发明拓扑图的具体实施例的工作流程图。
具体实施方式
25.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本技术及其应用或使用的任何限制。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
26.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
27.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本技术的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
28.图6是本发明实施例提供的一种直流断路器的新型大电流强迫换流分断的换流回路拓扑图，包括直流断路器主电路回路、换流回路、分流转移支路以及耗能支路。
29.所述的直流断路器主电路回路、换流回路与耗能支路三者并联连接；所述的分流转移支路与换流回路中部分支路并联连接；主电流由节点i经主电路回路流向节点o。
30.在直流断路器主电路回路上设有断路器vcb，主电路回路连接在系统母线节点i、o两端之间。断路器vcb采用用于分段故障电流的断路器，优选采用真空断路器。
31.换流回路与耗能支路并联在主电路回路上，换流回路包括由储能电容c、调波电感l 串联组成的lc串联振荡回路、桥式半导体组件器件以及控制开关s。半导体组件包括晶闸管t1、晶闸管t2和二极管d1、二极管d2，二极管d1与晶闸管t1串联连接，晶闸管t2与二极管d2串联连接，然后并联成桥式整流电路结构，并且其一端连接主电路节点i上，另一端与控制开关s 连接，控制开关s的另一端连接在节点o上。
32.电容c的一端与电感l一端连接，另一端连接在二极管d1与晶闸管t1之间，电感l的另一端连接在晶闸管t2与二极管d2之间。
33.所述的分流转移支路由辅助开关sa构成，其并联在桥式半导体组件两端。所述的耗能支路由避雷器mov构成，依据系统电压及电流等级决定阀片数及串并联方式。
34.在一个具体实施例中，新型大电流强迫换流分断的直流断路器工作过程如下：当
直流线路正常运行时，直流电流从断路器vcb上通过，晶闸管t1和晶闸管t2处于关断状态，预充电电容c充有一定电压。控制开关s和辅助开关sa处于关断状态。
35.当直流系统发生故障时，直流断路器收到分闸指令，分别给断路器vcb和晶闸管t1、晶闸管t2分别发送分闸和导通命令，待vcb触头分离燃弧后的某一时刻时，两触头分离到一定的安全距离，晶闸管t1、t2导通，控制开关s闭合， 预充电电容c与调波电感l开始形成振荡放电ic,lc换流回路投入使用，使得vcb开始进入初始换流过程。此时，主电路电流i
vb
开始转移，有效换流电流等于电容c的电流ic。
36.当vcb中电流i
vb
减小到电流过零附近前某一较小值时，辅助开关 sa导通分流，产生分流电流 i
sa
，使有效换流电流大幅减小，显著降低了vcb电流过零前的电流下降率。当换流回路振荡电流上升到与故障电流相等时vcb熄弧关断，此时控制开关s和辅助开关sa处于导通状态，vcb的暂态恢复电压u
vb
受s-sa串联支路的等效导通压降的钳制。因为控制开关 s 和辅助开关 sa上的电压降 us、u
sa 极性方向相反大小相等，故 u
vb
主要由杂散电感 l
sc 和 l
sa 上的感应电压决定。该感应电压值很小，使得vcb弧后恢复电压很小，有效保证了vcb弧后介质可靠恢复，极大提升了断路器vcb的分断能力。
37.当换流回路振荡电流再次下降到与故障电流相等时，此后系统及调波电感l储存的能量开始向储能电容c反向充电。当储能电容c反向电压达到峰值，换流回路正向电流过零，晶闸管t1、晶闸管t2截止，同时二极管d1、二极管d2在正向电压下导通并与系统回路形成放电路径。
38.随后通过辅助开关sa, 换流回路形成自激振荡放电。储能电容c极性再次翻转至故障前状态,随着辅助开关sa中的电流自然过零而关断。系统开始通过二极管d1、二极管d2继续给储能电容c正向充电，当储能电容c两端电压增大至耗能支路的避雷器mov开通电压后，避雷器mov开通吸收系统及换流回路能量。
39.当换流回路反向电流过零，二极管d1、二极管d2截止关断，控制开关s在其电流自然过零后关断,耗能支路继续吸收系统多余能量。直到避雷器吸能完成，故障电流完全清除。其具体实施例工作流程图如图7所示。
40.从本发明实施例的直流断路器工作过程可以看出，该型直流断路器保留了传统直流开断的稳态损耗小及大功率开断容量优点外，通过改进换流回路拓扑结构，解决了储能电容的预充电问题，并且通过辅助开关的导通分流，在相对较长的时间内将熄弧前后的电流变化率维持在较低的水平，控制开关和辅助开关s-sa的钳位电压，降低了vcb弧后恢复电压，从而改善弧后真空间隙的介质恢复特性；因此本发明拓扑图极大保证了断路器在中高压大电流下分断的可靠性，又有效的节约了装置的成本和体积。
41.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。