一种基于机械开关串联的直流断路器及直流开断方法

1.本发明属于直流电网的关键设备之一——直流断路器领域，特别涉及一种基于机械开关串联的直流断路器及直流开断方法。


背景技术：

2.柔性直流电网因其系统主接线结构、运行方式更加复杂多样，进而导致直流系统故障方式多、故障发展快、影响范围广。因此，迫切需要柔性直流电网的有效故障隔离技术，以保障柔性直流电网的安全可靠运行。直流断路器是直流输配电系统中实现直流故障隔离最为理想的选择。由于兼具固态式直流断路器的快速开断特性和机械式直流断路器的低损耗特性，混合式直流断路器成为高压直流断路器的主要发展方向之一。但当前中压大电流直流断路器具有体积大、损耗高、可靠性差等亟需解决的问题。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明提供一种基于机械开关串联的直流断路器。
4.本发明的基于机械开关串联的直流断路器，包括主通流支路、转移支路和能量吸收支路，
5.其中，
6.所述主通流支路、转移支路和能量吸收支路并联连接；
7.所述主通流支路由真空灭弧室快速机械开关和栅片灭弧室快速机械开关串联组成。
8.进一步，
9.所述能量吸收支路由金属氧化物压敏电阻构成。
10.进一步，
11.所述转移支路由双向固态开关串联构成。
12.进一步，
13.所述双向固态开关由全控电力电子器件构成。
14.进一步，
15.所述全控电力电子器件选自下列器件：绝缘栅双极型晶体管、集成门极换流晶闸管、栅极注入增强晶体管。
16.进一步，
17.所述双向固态开关的双向拓扑结构选自下列结构：反串联结构、全桥结构和二极管桥结构。
18.进一步，
19.所述真空灭弧室快速机械开关中的真空灭弧室和所述栅片灭弧室快速机械开关中的栅片灭弧室分别并联有rc均压电路。
20.进一步，
21.所述rc均压电路包括均压电容c、均压电阻r1和限流电阻r2，
22.其中，
23.所述均压电容c与所述限流电阻r2构成均压串联结构c-r2；
24.所述均压串联结构c-r2与所述均压电阻r1并联。
25.本发明还提供一种直流开断方法，所述直流开断方法采用上述的基于机械开关串联的直流断路器开断电流，当所述直流系统发生障碍后，向所述直流断路器发出分闸指令，控制所述真空灭弧室快速机械开关和栅片灭弧室快速机械开关分闸。
26.进一步，通过所述真空灭弧室快速机械开关和栅片灭弧室快速机械开关的分闸动作，使得：1、所述真空灭弧室快速机械开关和栅片灭弧室快速机械开关的分闸动作产生较高弧压，使得故障电流转移至转移支路；2、所述真空灭弧室快速机械开关和栅片灭弧室快速机械开关触头熄弧后，所述真空灭弧室快速机械开关和栅片灭弧室快速机械开关的触头间隙承受所述直流系统的瞬态恢复电压，然后向所述直流断路器发出关断指令，控制所述转移支路中双向固态开关关断。
27.与强迫换流型混合式直流断路器相比，本发明的基于机械开关串联的直流断路器，减少了强迫换流装置，进而可以减小直流断路器的体积，降低直流断路器的成本，由于利用自然换流实现直流开断，因此具有开断速度快、可靠性高的特点。
28.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
29.为了更清楚地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。
30.图1示出了根据本发明实施例的基于机械开关串联的直流断路器原理图；
31.图2示出了根据本发明实施例的栅片灭弧室典型结构示意图；
32.图3示出了根据本发明实施例的rc均压电路拓扑结构示意图；
33.图4示出了根据本发明实施例的电磁斥力操动机构的原理示意图；
34.图5示出了根据本发明实施例的电磁斥力操动机构的等效电路图。
具体实施方式
35.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.图1示出了根据本发明的基于机械开关串联的直流断路器原理图。由图1可知，本发明的基于机械开关串联的直流断路器包括并联的主通流支路、转移支路和能量吸收支路。其中，主通流支路由真空灭弧室快速机械开关和栅片灭弧室快速机械开关串联组成；转
移支路由双向固态开关组成，所述双向固态开关可采用绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)、集成门极换流晶闸管(integrated gate commutated thyristors，igct)和栅极注入增强晶体管(injection enhanced gate transistor，iegt)等全控电力电子器件构成，所述双向固态开关的双向拓扑结构可采用反串联结构、全桥结构和二极管桥结构；能量吸收支路由金属氧化物压敏电阻(metal oxide varistors，mov)组成。
37.本发明的基于机械开关串联的直流断路器利用栅片灭弧室的高弧压特性，大幅提高了换流速度。栅片灭弧室的一种典型结构如图2所示，栅片灭弧室包括灭弧栅片1和触头2，触头2之间可放电形成电弧3，图2中箭头所示为电磁力及方向。
38.分别在真空灭弧室和栅片灭弧室两端并联合理配置的rc均压电路，使得真空灭弧室承受主要的弧后恢复电压，解决了栅片灭弧室耐压低的缺陷，使断路器适于10kv以上的中压直流系统。rc均压电路的拓扑如图3所示，包括均压电容c、均压电阻r1和限流电阻r2。均压电容c与限流电阻r2构成均压串联结构c-r2，均压串联结构c-r2与均压电阻r1并联。
39.本发明的基于机械开关串联的直流断路器利用电磁斥力操动机构驱动真空灭弧室快速机械开关和栅片灭弧室快速机械开关的动触头，提高了机械开关的动作速度，使之适用于高电流上升率的直流开断。所述电磁斥力操动机构的一种典型结构如图4所示，包括绝缘拉杆及绝缘拉杆上的两个线圈支架：第一线圈支架和第二线圈支架，第一线圈支架里设有分闸线圈，第二线圈支架里设有合闸线圈，第二线圈支架朝向第一线圈支架设有金属盘。图4中示意性地给出了金属盘在电磁斥力操动机构中的合闸位置和分闸位置。图5示出了所述电磁斥力操动机构的等效电路图。由图5可知，电磁斥力操动机构中，金属盘临近线圈(即图4中分闸线圈及合闸线圈)设置，且所述线圈与开关s串联构成线圈-开关串联结构，线圈-开关串联结构分别与电容c和二极管d并联，二极管d阳极与所述线圈的一端连接，二极管d阴极与开关s的一端连接，开关s的另一端连接至线圈的另一端。
40.本发明还提供一种基于上述直流断路器的直流开断方法，所述直流开断方法包括：当采用本发明的基于机械开关串联的直流断路器的直流系统发生故障(所述故障形式有很多种如：直流系统侧单极对地故障、极间短路故障等)后，分闸指令由直流系统控制保护系统发出，所述直流断路器收到分闸指令后同时分闸真空灭弧室快速机械开关和栅片灭弧室快速机械开关，形成较高弧压；待真空灭弧室快速机械开关和栅片灭弧室快速机械开关的触头开距达到一定距离时，导通转移支路中双向固态开关模块，较高的弧压将使故障电流(即直流系统发生故障后，流经直流系统内直流线路的电流)自然地从主通流支路转移至转移支路，当快速机械开关电流过零后，触头熄弧。随后，真空灭弧室快速机械开关和栅片灭弧室快速机械开关的触头继续做分闸运动，待触头间隙能够承受系统瞬态恢复电压后，直流系统控制保护系统发出关断指令，关断转移支路中双向固态开关，使得故障电流转移至能量吸收支路，直流断路器端间电压被能量吸收支路限制，同时故障电流逐渐下降至零。
41.本发明的基于机械开关串联的直流断路器，与现有的强迫换流型混合式直流断路器相比，由于采用了自然换流的方式，减少了强迫换流装置，进而可以减小直流断路器的体积，降低直流断路器的成本，由于利用自然换流实现直流开断，因此具有开断速度快、可靠性高的特点。
42.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：其依然可以对前述各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各实施例技术方案的精神和范围。