一种持续过零式直流断路器及故障解决方法

1.本发明涉及直流断路器领域，具体涉及一种持续过零式直流断路器及故障解决方法。


背景技术：

2.直流配网因其“低惯量、低阻抗”特性，当发生接地短路等较为严重的故障时，系统故障电流迅速上升，这将对直流电网造成严重危害，往往接入直流断路器对直流电进行监测和管控；
3.根据拓扑结构和开断原理，直流断路器可分为机械式直流断路器、固态式直流断路器和混合式直流断路器；其中，机械式直流断路器通过lc振荡向机械开关注入反向高频电流以形成人工电流过零点，其导通损耗低，但存在小电流开断无法可靠熄弧和开断速度慢，进而提出了固态式直流断路器；固态式直流断路器利用电力电子器件的高可控性关断电流，开断速度快，但其成本较高并且在运行过程中通态损耗较大；混合式直流断路器应用于高压场合时需要大量组件串联以耐受暂态分断电压，这使得断路器造价昂贵；
4.为降低断路器整体造价，国内外专家学者提出了基于反向电流注入的混合式直流断路器，通过lc谐振配合晶闸管使故障电流在各支路间快速转移，但该技术路线面临电容预充电电压高，机械开关电流零点“唯一”，在故障时往往采取直接跳闸的手段，缺乏对故障的判断以及相应的故障解决方案；同时，预充电长期保持在一个较高的电压水平，该电压会对其连接的各个组件带来绝缘劣化以及关断损耗大，在保持电容高电压的情况下，故障时产生的故障电流对负载损害大。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种持续过零式直流断路器及故障解决方法，其目的在于解决直流断路器出现电流故障时，故障电流对负载伤害大、关断损耗大、缺乏故障判断以及缺乏相应的故障解决方案的问题，从而实现故障电流对负载伤害小、关断损耗小、补充对故障的判断及相应的故障解决方案。
6.为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
7.一种持续过零式直流断路器，包括机械开关、电力电子开关组、避雷器、过零电路及处理器模块，所述过零电路包括限流模块及导流模块；所述机械开关串联所述电力电子开关组形成供电电路，所述避雷器并联于所述供电电路并与接地端连接，所述过零电路并联于所述电力电子开关组上，所述限流模块被配置为限制故障电流并将其转换为高频交流电流，所述导流模块被配置为导流所述高频交流电流并可捕捉电流过零点；所述处理器模块被配置为控制所述机械开关、所述电力电子开关组及所述导流模块的启动及断开。
8.所述限流模块包括第一电感及第一电容，所述第一电感的第一端连接所述电力电子开关组的第一端，所述第一电感的第二端连接所述第一电容的第一端，所述第一电容的第二端连接所述导流模块。
9.所述导流模块包括第一二极管组、第二二极管组、第三二极管组、第四二极管组以及晶闸管组；所述第一二极管组、所述第二二极管组、所述第三二极管组以及所述第四二极管组均由若干个二极管同向串联组成，所述晶闸管组由若干个晶闸管同向串联组成；所述第一二极管组的输入端连接所述第一电容的第二端，所述第一二极管组的输出端连接所述晶闸管组的输入端，所述晶闸管组的输出端连接所述第二二极管组的输入端及第三二极管组的输入端，所述第二二极管组的输出端连接所述第一二极管组的输入端，所述第三二极管组的输出端连接所述第四二极管端的输入端及所述电力电子开关组的第二端，所述第四二极管组的输出端连接所述晶闸管组的输入端，所述晶闸管组的控制端连接所述处理器模块。
10.所述处理器模块的第一端连接所述电力电子开关组的控制端，所述处理器模块的第二端连接所述机械开关的控制端，所述处理器模块的第三端连接所述晶闸管组的控制端。
11.所述电力电子开关组包括第一开关管及第二开关管，所述第一开关管的集电极连接所述第一电感的第一端，所述第一开关管的发射极连接所述第二开关管的发射极，所述第二开关管的集电极连接所述负载电路，所述第一开关管的基极及所述第二开关管的基极连接所述处理器模块的第一端。
12.一种持续过零式直流断路器的故障解决方法，该方法采用所述的过零式直流断路器，该方法包括：设置有故障持续时间参数；当判断故障持续时间小于所述故障持续时间参数时，所述处理器模块确定所述断路器故障为瞬时故障，并控制所述断路器进行故障穿越操作；当判断故障持续时间大于所述故障持续时间参数时，所述处理器模块确定所述断路器故障为永久故障，并控制所述断路器进行断路操作；其中，所述故障穿越操作依次执行故障限流步骤、电流阻断步骤以及故障恢复步骤。
13.在故障限流步骤中，所述处理器模块发送第一关断信号至所述电力电子开关组，使得所述供电电路处于关断状态；所述处理器模块发送第二导通信号至所述导流模块，使得所述过零电路处于导通状态；所述限流模块对故障电流进行限流，将所述故障电流转换为高频交流电流电，并持续产生电流过零点。
14.在电流阻断步骤中，所述处理器模块发送第二关断信号至所述导流模块，所述晶闸管组捕捉所述电流过零点并自动关断，所述处理器模块发送第三关断信号至所述机械开关，使得所述避雷器两端的电压升高并导通所述避雷器与接地端。
15.在故障恢复步骤中，所述处理器模块发送第一导通信号至所述电力电子开关组，使得所述零点电路处于导通状态；在零点电路处于导通状态时，所述限流模块通过所述零点电路进行电流耗能，当所述处理器模块检测所述零点电路的电流值低于设定的电流阈值时，确定所述断路器具备重启运行的条件。
16.故障解决方法还执行有，设置有误判参数，当所述处理器模块检测到所述误判参数时，确定断路器故障为系统误判并控制所述断路器重新启动运行。
17.相比现有技术，本发明的有益效果在于：所述断路器通过所述限流模块对故障电流进行限流，降低故障电流对负载端的损伤；同时，所述限流模块将故障电流转换为高频交流电流，并通过所述导流模块实时捕捉过零点，所述处理器模块在过零点时控制所述机械开关关断，降低了关断损耗；故障解决方法通过所述故障持续时间参数，当判断故障为瞬时
故障时执行故障穿越操作，当判断故障为永久故障并执行断路操作，补充了断路器对故障的判断及提供了相应的故障解决方案。
18.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明
19.为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例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公开的一些实施例，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它的附图。
20.图1为本发明的实施例的一种持续过零式直流断路器的电路结构框图；
21.图2为本发明的实施例的一种持续过零式直流断路器的电路原理结构示意图；
22.图3为本发明的实施例的断路器在正常运行时的电流导向图；
23.图4为本发明的实施例的断路器在执行故障限流步骤时的电流导向图；
24.图5为本发明的实施例的断路器在执行电流阻断步骤时的电流导向图；
25.图6为本发明的实施例的断路器在执行故障恢复步骤时的电流导向图；
26.图7为本发明的实施例的断路器在检测到误判参数时的电流导向图；
27.图8为本发明的实施例的输出侧电容放电等效电路图；
28.图9为本发明的实施例的输出侧电容放电简化等效电路图；
29.图10为本发明的实施例的断路器在不同k值下的电流参数图；
30.图11为本发明的实施例的断路器在不同限流电容下的额定耐压值参数图。
具体实施方式
31.下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
32.以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各,细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，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，都属于本公开保护的范围。
33.一种持续过零式直流断路器，如图1所示，包括机械开关1、电力电子开关组2、避雷器3、过零电路4及处理器模块5，过零电路4包括限流模块40及导流模块41；机械开关1串联电力电子开关组2形成供电电路6，避雷器3并联于供电电路6并与接地端连接，过零电路4并联于电力电子开关组2上，限流模块40被配置为限制故障电流并将其转换为高频交流电流，导流模块41被配置为导流高频交流电流并可捕捉电流过零点；处理器模块5被配置为控制机械开关1、电力电子开关组2及导流模块41的启动及断开。
34.如图2所示，限流模块40包括第一电感400及第一电容401，第一电感400的第一端连接电力电子开关组2的第一端，第一电感400的第二端连接第一电容401的第一端，第一电容401的第二端连接导流模块41；电力电子开关组2包括两个反向连接的第一开关管20及第二开关管21；
35.优选地，第一开关管20及第二开关管21采用npn三极管；第一开关管20的集电极连接第一电感400的第一端，第一开关管20的发射极连接第二开关管21的发射极，第二开关管21的集电极连接负载电路，第一开关管20的基极及第二开关管21的基极连接处理器模块5的第一端。
36.导流模块41包括第一二极管组410、第二二极管组411、第三二极管组412、第四二极管组413以及晶闸管组414；第一二极管组410、第二二极管组411、第三二极管组412以及第四二极管组413均由若干个二极管同向串联组成，晶闸管组414由若干个晶闸管同向串联组成。
37.优选地，第一二极管组410、第二二极管组411、第三二极管组412以及第四二极管组413均由两个二极管同向串联组成，晶闸管组414由两个晶闸管同向串联组成。
38.第一二极管组410的输入端连接第一电容401的第二端，第一二极管组410的输出端连接晶闸管组414的输入端，晶闸管组414的输出端连接第二二极管组411的输入端及第三二极管组412的输入端，第二二极管组411的输出端连接第一二极管组410的输入端，第三二极管组412的输出端连接第四二极管端的输入端及电力电子开关组2的第二端，第四二极管组413的输出端连接晶闸管组414的输入端，处理器模块5的第二端连接机械开关1的控制端，晶闸管组414的控制端连接处理器模块5的第三端。
39.一种持续过零式直流断路器的故障解决方法，该方法采用的过零式直流断路器，该方法包括：
40.设置有故障持续时间参数。
41.如图3所示，当断路器在正常运行时，供电电流通过机械开关1及电力电子开关组2向负载电路提供直流电流。
42.当断路器出现电流故障时，处理器模块5判断故障持续时间是否大于故障持续时间参数，并依据判断结果执行故障穿越操作或断路操作。
43.其中，当判断结果为故障持续时间小于故障持续时间参数时，处理器模块5确定断路器故障为瞬时故障，并控制断路器进行故障穿越操作；当判断结果为故障持续时间大于故障持续时间参数时，处理器模块5确定断路器故障为永久故障，并控制断路器进行断路操作。
44.具体的，故障穿越操作依次执行故障限流步骤、电流阻断步骤以及故障恢复步骤。
45.如图4所示，在故障限流步骤中，处理器模块5发送第一关断信号至电力电子开关组2，第一开关管20的基极及第二开关管21的基极接收第一关断信号，使得供电电路6处于关断状态；处理器模块5发送第二导通信号至导流模块41，晶闸管组414的控制端接收第二导通信号，过零电路4处于导通状态；限流模块40对故障电流进行限流，将故障电流转换为高频交流电流，并持续产生电流过零点；其中，第一二极管组410、晶闸管组414及第三二极管组412用于导通正电流，第二二极管组411、晶闸管组414及第四二极管组413用于导通负电流。
46.如图5所示，在电流阻断步骤中，处理器模块5发送第二关断信号至导流模块41，晶闸管组414捕捉电流过零点并自动关断，处理器模块5发送第三关断信号至机械开关1，使得机械开关1在过零点时无电弧关闭；机械开关1关闭后，故障电流流经避雷器3，使得避雷器3两端电压抬升，从而导通避雷器3与接地端的回路，降低故障电流的影响。
47.如图6所示，在故障恢复步骤中，机械开关1处于关断状态，处理器模块5发送第一导通信号至电力电子开关组2，第一开关管20的基极及第二开关管21的基极接收第一导通信号；处理器模块5发送第二导通信号至导流模块41，晶闸管组414的控制端接收第二导通信号，零点电路处于导通状态；第一电感400及第一电容401通过导流模块41及电力电子开关组2进行电流耗能，当处理器模块5检测零点电路的电流值低于设定的电流阈值时，确定断路器具备重启运行的条件。
48.具体的，执行断路操作中，处理器模块5发送第一关断信号至电力电子开关组2，处理器模块5发送第二导通信号至导流模块41，从而关断电力电子开关组2及导通晶闸管组414，限流模块40对故障电流进行限流，将故障电流转换为高频交流电流，并持续产生电流过零点，导流模块41捕捉电流过零点，处理器模块5在过零点时发送第三关断信号关断机械开关1。
49.进一步地，如图7所示，故障解决方法还执行有，设置有误判参数，当处理器模块5检测到误判参数时，确定断路器故障为系统误判并控制断路器重新启动运行，处理器模块5发送第一导通信号至电力电子开关组2，使得电力电子开关组2重新导通，供电电路6处于导通状态；处理器模块5发送第二关断信号至导流模块41，使得导流模块41处于关断状态，零点电路处于关断状态；供电电流通过供电电路6为负载电路提供电能。
50.进一步地，对断路器还进行参数分析，包括等效阻抗参数分析、限流电感参数分析以及限流电容参数分析；
51.具体的，如图8所示，在等效阻抗参数分析中，系统输出侧发生双极短路故障时，系统输出侧电容因与系统仍存在能量交互，为简化理论分析，暂不考虑换流站电容放电的动态特性，以直流源udc替代；考虑到极端情况，故障发生在系统输出端附近，则假设线路电感极小，线路电阻为零。
52.其中l
l
为线路阻抗，i
trip
为lcs关断时线路电流，因此在限流时lcs用大电阻r
eqlcs
等效表示。
53.如图9所示，理想状况下r
eqlcs
可等效为断路，对等效电路进行进一步简化，并得到公式(1)：
[0054][0055]
其中，l＝l
l
l
fcl
，
[0056]
对i(s)进行拉普拉斯逆变换可以得到i
dcf
(t)，得到公式(2)：
[0057][0058][0059]
其中，
[0060]
由公式(2)可得所提直流断路器限流状态的等效阻抗，得到公式(3)：
[0061][0062]
其中，
[0063]
如图10所示，具体的，在限流电感参数分析中，根据阻抗参数分析，当故障电流切换到过零电路4时，线路电感初始值为电感电流初始值在很大程度上决定振荡电流峰值；限流电感参数设计需要考虑两个方面因素，一是防止振荡电流峰值过大；二是在系统输出侧发生短路故障时，需要输出合适大小的故障电流为保护提供判据，便于后续的故障清除和故障定位；因此，限流电感应大于区段内线路电感总和的k倍，如此，故障电流切换至过零电路4时限流电感与线路电感电流初始值为并得出公式(4)：
[0064]
l
fcl
≥kl
l (4)
[0065]
其中k为安全裕度系数(k≥5)。
[0066]
如图11所示，具体的，在限流电容参数分析中，电容参数设计需要考虑两个方面因素，第一点：限流电容大小直接影响谐振频率，极大影响断路器断开时间，电容过大，谐振频率降低，断路器断开时间增大；第二点：限流电容影响lcs耐压，在限流电感确定时，电容过小，谐振电压增大，增加lcs耐压成本。
[0067]
因此，限流电容取值应满足公式(5)：
[0068][0069]
其中t
cb
为断路器断开时间(一般为1～2ms)，u
lcs
为lcs额定耐压，k
lcs
为安全裕度(k
lcs
≤1)，求解不等式即可以获得限流电容范围。
[0070]
随着电容增加，谐振电压峰值降低，另外，在自然过零支路投入瞬时，由于限流电感电流突变，导致出现了过电压脉冲，实际工程中这种影响可以由避雷器应对。
[0071]
在本发明中，断路器通过限流模块对故障电流进行限流，降低故障电流对换流器及负载端的损伤；同时，限流模块将故障电流转换为高频交流电流，并通过导流模块实时捕捉过零点，处理器模块在过零点时控制机械开关关断，降低了断路器及避雷器损耗；故障解决方法通过故障持续时间参数，当判断故障为瞬时故障时执行故障穿越操作，当判断故障为永久故障并执行断路操作，补充了断路器对故障的判断及提供了相应的故障解决方案；同时，通过设置断路器的等效阻抗、等效电感及等效电容，防止断路器内部过压，减少断路器级联。
[0072]
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。