一種電容充電型雙向直流斷路器及其應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電容充電型雙向直流斷路器，包括并聯(lián)的輔助支路和主支路，其中輔助支路由第一機(jī)械開關(guān)和電力電子器件閥組串聯(lián)而成，主支路由單相不可控整流橋和電容?機(jī)械開關(guān)電容串聯(lián)支路組合而成。本發(fā)明還公開了一種直流斷路器，主支路由兩個結(jié)構(gòu)相同的電容串聯(lián)支路反向并聯(lián)聯(lián)接而成，其中一個電容串聯(lián)支路由機(jī)械開關(guān)、直流電容和二極管閥組串聯(lián)而成，另一個電容串聯(lián)支路結(jié)構(gòu)與第一電容串聯(lián)支路元件相同，接線方式相反。本發(fā)明還公開了對上述直流斷路器進(jìn)行故障隔離以及快速重合閘的控制方法。本發(fā)明可避免目前直流斷路器的直流電容與線路電感容易形成電感?電容振蕩的缺陷，而且其開斷直流故障電流穩(wěn)定可靠，可實現(xiàn)快速重合閘。
【專利說明】
一種電容充電型雙向直流斷路器及其應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)輸配電技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種電容充電型雙向直流斷路器及其在進(jìn)行直流故障隔離中的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著模塊化多電平換流器的發(fā)展，利用模塊化多電平換流器構(gòu)成直流電網(wǎng)是電力工業(yè)界近年來備受關(guān)注的一個熱點。直流電網(wǎng)需要在直流側(cè)對直流輸電線路進(jìn)行互聯(lián)，發(fā)生直流故障時，需要快速隔離故障線路以避免直流電網(wǎng)電壓崩潰，為此，直流斷路器是大型直流電網(wǎng)不可或缺的裝置。
[0003]固態(tài)開關(guān)直流斷路器是一種典型的直流斷路器，其由數(shù)量眾多的全控型電力電子器件串聯(lián)而成，這種直流斷路器其開斷直流故障電流的速度很快，可以快至數(shù)百微妙，但是該方案存在的主要缺陷在于由于需要數(shù)量眾多的全控型電力電子器件，其成本高，導(dǎo)通損耗高，并且多個全控型電力電子器件串/并聯(lián)帶來了均壓/均流困難的缺陷。
[0004]為克服固態(tài)開關(guān)直流斷路器存在的損耗高缺陷，現(xiàn)有技術(shù)中存在一種混合型高壓直流斷路器，其主要由輔助支路和固態(tài)開關(guān)支路并聯(lián)而成，其中輔助支路由全控型電力電子器件和快速機(jī)械開關(guān)串聯(lián)而成，而固態(tài)開關(guān)支路與固態(tài)開關(guān)直流斷路器基本一致，由數(shù)量眾多的全控型電力電子器件串聯(lián)而成。正常工作時，輔助支路和固態(tài)開關(guān)支路同時處于導(dǎo)通狀態(tài)，由于固態(tài)開關(guān)支路的導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)高于輔助支路，直流電流主要經(jīng)過輔助支路流通，固態(tài)開關(guān)支路上的電流幾乎為零，從而使得混合型高壓直流斷路器克服了固態(tài)開關(guān)直流斷路器損耗高的缺陷。開斷直流故障電流時，將先關(guān)斷輔助直流的全控型電力電子器件從而將直流電流轉(zhuǎn)移到固態(tài)開關(guān)支路，而后由固態(tài)開關(guān)支路及其并聯(lián)的避雷器隔離直流故障電流。這種混合型高壓直流斷路器具有損耗低的優(yōu)點，但由于仍包含固態(tài)開關(guān)支路，其成本比固態(tài)開關(guān)直流斷路器還要高，同時在關(guān)斷期間其固態(tài)開關(guān)支路吸收了大量的能量，使得固態(tài)開關(guān)支路無法短時間內(nèi)進(jìn)行連續(xù)關(guān)斷操作，從而混合型高壓直流斷路器不具備快速重合閘的能力，導(dǎo)致故障恢復(fù)后的供電速度緩慢。
[0005]專利文獻(xiàn)W02013/093066A中公開了一種混合型高壓直流斷路器，如圖1所示，其包括主支路24和輔助支路28，其中主支路24包括相互串聯(lián)的機(jī)械開關(guān)3和電力電子器件閥組4，輔助支路28與主支路24并聯(lián)，其包括電容器5。該型直流斷路器通過直流故障時將故障電流轉(zhuǎn)移到電容器5的方式，實現(xiàn)隔離直流故障，其可以克服常規(guī)的混合型高壓直流斷路器主支路成本高昂的缺陷等缺陷，但是，其因為限流電感2和電容器5構(gòu)成串聯(lián)回路，一方面其在開斷故障電流期間存在電感-電容諧振，需要經(jīng)較長時間才能關(guān)斷直流故障電流，同時其完成一次關(guān)斷后，其電容器5的電壓被充電至高壓狀態(tài)，需要對電容5放電后才能實現(xiàn)重合閘，而對電容5放電需要一定的時間，為此上述方案無法實現(xiàn)快速重合閘，而且其電力電子器件閥組4全部由全控型電力電子器件構(gòu)成，電力電子器件閥組4成本較高。
[0006]專利文獻(xiàn)CN105656019A公開了一種電容充電型直流斷路器，其包括并聯(lián)的輔助支路和主支路，其中輔助支路由第一機(jī)械開關(guān)和電力電子器件閥組串聯(lián)而成，主支路由直流電容和二極管閥組串聯(lián)而成，通過直流故障期間直流電流對直流電容的充電效應(yīng)隔離直流故障電流。重合閘時，檢測到直流斷路器線路側(cè)直流電壓高于某一閾值時才發(fā)出重合閘指令。本發(fā)明可避免目前直流斷路器的直流電容與線路電感容易形成電感-電容振蕩的缺陷，而且其開斷直流故障電流穩(wěn)定可靠，可實現(xiàn)快速重合閘。
[0007]但是，該方案中，由于直流故障電流僅能單向地給直流充電，其只能隔離直流斷路器線路側(cè)直流故障，存在無法隔離直流母線側(cè)直流故障的問題，也無法對聯(lián)接于相同直流母線的其他直流線路提供后備保護(hù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種電容充電型雙向直流斷路器，通過改進(jìn)混合型高壓直流斷路器的結(jié)構(gòu)，使得隔離直流故障時，可避免目前直流斷路器的電容器與線路電感容易形成電感-電容振蕩的缺陷，而且其可以隔離直流母線側(cè)直流故障，其開斷直流故障電流穩(wěn)定可靠，同時也可對聯(lián)接于相同直流母線的其他直流線路提供后備保護(hù)。
[0009]為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種電容充電型雙向直流斷路器，其包括并聯(lián)的輔助支路和主支路，其中，所述輔助支路包括電力電子器件閥組，以作為直流斷路器正常導(dǎo)通時的直流電流流經(jīng)支路;所述主支路由單相不可控整流橋和由直流電容與機(jī)械開關(guān)串聯(lián)組成的電容-機(jī)械開關(guān)支路組合而成，其中所述不控整流橋的輸入端口分別與輔助支路的兩個端口相聯(lián)接，所述不控整流橋的高、低壓直流端口間串聯(lián)聯(lián)接所述電容-機(jī)械開關(guān)串聯(lián)支路。
[0010]本方案中，輔助支路具備雙向地隔離直流故障電流的功能，所述主支路的不控整流橋的輸入端口分別與輔助支路的兩個端口相聯(lián)接，不控整流橋的高、低壓直流端口間串聯(lián)聯(lián)接直流電容，從而使得線路側(cè)或母線側(cè)發(fā)生直流故障時，直流電容均能被充電；正常閉合狀態(tài)時，輔助支路處于閉合狀態(tài)，直流電流經(jīng)過輔助支路流通，隔離直流故障電流時，電力電子器件閥組將首先被關(guān)斷從而將直流電流轉(zhuǎn)移至主支路，直流電流將對直流電容進(jìn)行充電，當(dāng)直流電容電壓高于非故障側(cè)直流電壓時，直流電流將開始下降并最終降為零。該方案用于在需要開斷直流故障電流時將故障電流轉(zhuǎn)移到該支路上。在所述電容器兩側(cè)電壓高于直流斷路器母線側(cè)直流電壓時使直流電流開始下降并最終降為零。單相不可控整流橋可以實現(xiàn)主支路的雙向通流能力，并且可以防止直流電流降為零后進(jìn)一步變?yōu)樨?fù)的值從而引起電容器與線路電感形成電感-電容振蕩。
[0011]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述主支路的電容器兩側(cè)還并聯(lián)有放電支路，用于在直流斷路器重合閘前對該電容器放電。
[0012]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述放電支路包括相互串聯(lián)的機(jī)械開關(guān)和電阻。
[0013]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述放電支路為相互并聯(lián)的多個。
[0014]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述輔助支路的電力電子器件閥組由反并聯(lián)的全控型電力電子器件和反并聯(lián)的晶閘管串聯(lián)而成。
[0015]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述直流斷路器的輔助支路和主支路上還并聯(lián)了第三支路，該第三支路由一個避雷器或由多個避雷器串聯(lián)和/或并聯(lián)組合而成。
[0016]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述直流斷路器的主支路以及輔助支路構(gòu)成的并聯(lián)回路的外部還串聯(lián)了直流限流電感，以限制直流故障電流的上升速率。
[0017]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，在直流斷路器的線路側(cè)額外并聯(lián)有電容器，以可靠判斷直流故障是否清除，從而用于重合閘。
[0018]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述輔助支路還包括第一機(jī)械開關(guān)，該第一機(jī)械開關(guān)和電力電子器件閥組串聯(lián)形成所述輔助支路。
[0019]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述直流斷路器的的主支路以及輔助支路構(gòu)成的并聯(lián)回路的外部還串聯(lián)聯(lián)接了第二機(jī)械開關(guān)，用于開斷直流電流后在直流電源和直流斷路器之間建立可靠的絕緣間隙從而防止母線側(cè)直流電壓持續(xù)施加在第三支路的避雷器上。
[0020]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述輔助支路的電力電子器件閥組由可以快速關(guān)斷的全控型電力電子器件(如絕緣柵雙極型晶體管)和較慢速度的其他電力電子器件如晶閘管、可關(guān)斷晶閘管等串聯(lián)而成，上述方案可大大降低輔助支路的成本。
[0021]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述額外并聯(lián)的電容器上還串聯(lián)聯(lián)接有電阻。
[0022]按照本發(fā)明的另一方面，提供一種利用所述直流斷路器進(jìn)行直流故障隔離的方法，其中，該方法包括在發(fā)生直流故障時，關(guān)斷輔助支路的電力電子閥組，從而將故障電流轉(zhuǎn)移至主支路給所述直流電容充電，待該直流電容電壓高于直流斷路器母線側(cè)直流電壓時，故障電流被熄滅，實現(xiàn)直流故障隔離?；蛘咴诎l(fā)生直流故障時，先關(guān)斷所述輔助支路中的電力電子器件閥組，而后打開所述輔助支路上的第一機(jī)械開關(guān)。
[0023]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，打開所述輔助支路上的第一機(jī)械開關(guān)并待直流電流降為零后，打開外部串聯(lián)聯(lián)接的第二機(jī)械開關(guān)。
[0024]按照本發(fā)明的另一方面，提供一種利用上述直流斷路器進(jìn)行直流故障隔離后的重合閘方法，其中，該方法包括在接收到重合閘指令后，先閉合輔助支路上的第一機(jī)械開關(guān)，再開通所述電力電子器件閥組;或者，在接收到重合閘指令后，先閉合輔助支路外部串聯(lián)聯(lián)接的第二機(jī)械開關(guān)，然后閉合輔助支路上的第一機(jī)械開關(guān)，最后開通所述電力電子器件閥組。
[0025]按照本發(fā)明的又一方面，提供一種電容充電型雙向直流斷路器，其包括并聯(lián)的輔助支路和主支路，其中，所述輔助支路包括電力電子器件閥組，以作為直流斷路器正常導(dǎo)通時直流電流流經(jīng)支路；
[0026]其特征在于，所述主支路由兩個結(jié)構(gòu)相同的電容串聯(lián)支路反向并聯(lián)聯(lián)接而成，其中一個電容串聯(lián)支路由機(jī)械開關(guān)、直流電容和二極管閥組串聯(lián)而成，另一個電容串聯(lián)支路結(jié)構(gòu)與第一電容串聯(lián)支路元件相同，接線方式相
[0027]按照本發(fā)明的再一方面，提供一種可快速重合閘的電容充電式雙向直流斷路器，用于隔離直流故障后，無需等待已充電電容放電即可進(jìn)行快速重合閘操作，其特征在于，該直流斷路器由輔助支路和主支路并聯(lián)而成，其中，
[0028]所述輔助支路由第一機(jī)械開關(guān)和雙向電力電子閥組串聯(lián)而成，以作為正常導(dǎo)通時直流電流流過的支路；
[0029]所述主支路由單相不可控整流橋和多個電容串聯(lián)支路組合而成，其中每組電容串聯(lián)支路由第四機(jī)械開關(guān)和電容器串聯(lián)形成。該主支路用于在關(guān)斷輔助支路后為故障電流提供故障通路，使得故障電流對主支路的直流電容充電，當(dāng)電容電壓高于直流斷路器非故障側(cè)的直流電壓時，直流電流開始下降并最終降為零而實現(xiàn)直流故障隔離。單相不可控整流橋可以實現(xiàn)主支路的雙向通流能力，使得直流斷路器任意一側(cè)發(fā)生直流故障時，直流斷路器均能隔離該直流故障，并且可以在直流電流降為零后阻止該直流電流進(jìn)一步變?yōu)樨?fù)值從而防止電容器與線路電感形成電感-電容振蕩，
[0030]正常工作時，所述多組電容串聯(lián)支路僅一組電容串聯(lián)支路的第四機(jī)械開關(guān)處于閉合狀態(tài)，其余電容串聯(lián)支路的機(jī)械開關(guān)均處于開斷狀態(tài)，完成第一次開斷直流故障電流后，原先處于閉合狀態(tài)的第四機(jī)械開關(guān)將被打開，原先處于開斷狀態(tài)的一個第四機(jī)械開關(guān)將被閉合，從而無需等待已充電電容放電結(jié)束即可進(jìn)行快速重合閘操作。
[0031]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，每個電容串聯(lián)支路中的電容器上并聯(lián)有放電回路，對該電容器放電前先斷開與該電容器串聯(lián)的第四機(jī)械開關(guān)。
[0032]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述與電容器并聯(lián)的放電回路由第三機(jī)械開關(guān)與放電電阻串聯(lián)而成。
[0033]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述直流斷路器的輔助支路和主支路上還并聯(lián)了第三支路，該第三支路由一個避雷器或由多個避雷器串聯(lián)或并聯(lián)而成。
[0034]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述直流斷路器的主支路以及輔助支路構(gòu)成的并聯(lián)回路的外部還串聯(lián)了直流限流電感，以限制直流故障電流的上升速率。
[0035]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述直流斷路器的的主支路以及輔助支路構(gòu)成的并聯(lián)回路的外部還串聯(lián)聯(lián)接了第二機(jī)械開關(guān)，用于開斷直流電流后在直流斷路器和直流系統(tǒng)之間建立可靠的絕緣間隙從而防止母線側(cè)直流電壓持續(xù)施加在避雷器上。
[0036]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述輔助支路的電力電子器件閥組由快速的全控型電力電子器件(如絕緣柵雙極晶體管)和較慢速度的其他電力電子器件如晶閘管、可關(guān)斷晶閘管等串聯(lián)而成，所述每個電力電子器件均采用反并聯(lián)的方式聯(lián)接從而使得所述輔助支路具備隔離雙向電流的能力。
[0037]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，在直流斷路器的線路側(cè)額外并聯(lián)有電容器，以可靠判斷直流故障是否清除，從而用于重合閘。
[0038]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述額外并聯(lián)的電容器上還串聯(lián)聯(lián)接有電阻。
[0039]作為本發(fā)明的又一方面，提供一種電容充電型雙向直流斷路器，其包括并聯(lián)的輔助支路和主支路，其中，
[0040]所述輔助支路由第一機(jī)械開關(guān)和雙向電力電子器件閥組串聯(lián)而成，
[0041]所述主支路由至少兩個結(jié)構(gòu)相同電容串聯(lián)支路方向并聯(lián)聯(lián)接而成，每個電容串聯(lián)支路主要由直流電容和二極管閥組串聯(lián)而成，
[0042]作為上述方案的進(jìn)一步優(yōu)選，所述直流電容的兩端還并聯(lián)有放電支路；
[0043]作為上述方案的進(jìn)一步優(yōu)選，所述直流電容的外部還串聯(lián)有第四機(jī)械開關(guān)。
[0044]按照本發(fā)明的又一方面，提供一種利用所述可快速重合閘的直流斷路器進(jìn)行直流故障隔離的方法，其中，該方法包括在發(fā)生直流故障時，先關(guān)斷電力電子器件閥組，同時給輔助支路上的機(jī)械開關(guān)發(fā)出開斷指令，待直流線路中直流電流降為零后，打開其中一個所述串聯(lián)組合中處于閉合狀態(tài)的機(jī)械開關(guān)，實現(xiàn)直流故障電流隔離。
[0045]按照本發(fā)明的又一方面，提供一種利用所述可快速重合閘的直流斷路器進(jìn)行直流故障隔離后并快速重合閘方法，其中，該方法包括在接收到重合閘指令后，閉合一個初始處于開斷狀態(tài)的第四機(jī)械開關(guān)，而后閉合第一機(jī)械開關(guān)，而后開通電力電子器件閥組，實現(xiàn)快速重合閘，恢復(fù)直流供電。
[0046]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，在確直流故障已經(jīng)清除后才發(fā)出重合閘指令。
[0047]作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，通過檢測直流斷路器線路側(cè)的直流電壓值來判斷直流故障是否已經(jīng)被清除，當(dāng)直流斷路器線路側(cè)直流電壓的絕對值高于一定閾值時，則判斷直流故障已經(jīng)被清除。
[0048]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果:
[0049](I)本發(fā)明的直流斷路器，其主支路采用單相不可控整流橋和機(jī)械開關(guān)-直流電容串聯(lián)組合的方案使得主支路具備雙向通流能力，從而使得本發(fā)明具備雙向的隔離直流故障電流的能力，并且單相不控整流橋消除了開斷直流故障過程中存在的電感-電容諧振問題；
[0050](2)本發(fā)明的直流斷路器，其輔助支路的電力電子閥組采用全控型電力電子器件閥組和半控型電力電子器件閥組串聯(lián)而成從而降低了整個電力電子閥組的成本，大大降低了輔助支路的半導(dǎo)體成本；
[0051](3)本發(fā)明的直流斷路器，其多個“第四機(jī)械開關(guān)-電容器”的并聯(lián)組合替代單個電容器從而使得所設(shè)計的直流斷路器具備快速重合閘能力，大大提高直流系統(tǒng)故障后恢復(fù)供電的速度。
[0052](4)本發(fā)明的直流斷路器相比與常規(guī)的機(jī)械式直流斷路器，隔離直流故障期間不會產(chǎn)生電弧從而大大提高了直流斷路器開斷直流故障電流的可靠性。
【附圖說明】
[0053]圖1，是現(xiàn)有的一種主支路僅由單一電容器構(gòu)成的混合型高壓直流斷路器拓?fù)洌?br>[0054]圖2是現(xiàn)有的另一種主支路僅由單一電容器構(gòu)成的混合型高壓直流斷路器拓?fù)洌?br>[0055]圖3是本發(fā)明一個實施例的電容充電型雙向直流斷路器的拓?fù)洌?br>[0056]圖4是本發(fā)明另一個實施例的主支路由多個電容串聯(lián)支路并聯(lián)后再與單相不可控整流橋組合而成的直流斷路器的拓?fù)洹?br>[0057]圖5是本發(fā)明又一個實施例的在直流斷路器的線路側(cè)額外并聯(lián)了電容器的直流斷路器拓?fù)洌?br>[0058]圖6是本發(fā)明再一個實施例的主支路由兩個“直流電容-二極管閥組”串聯(lián)支路反向并聯(lián)聯(lián)接的雙向電容充電型直流斷路器拓?fù)洌?br>[0059]圖7是本發(fā)明再一個實施例的輔助支路不含第一機(jī)械開關(guān)的雙向電容充電型直流斷路器拓?fù)洹?br>【具體實施方式】
[0060]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0061]圖3所示為本發(fā)明一個實施例的電容充電型雙向直流斷路器I的電路結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，直流斷路器I主要由輔助支路2和主支路3并聯(lián)而成，其中輔助支路2由第一機(jī)械開關(guān)11和電力電子閥組13串聯(lián)而成，主支路由電容器10、第四機(jī)械開關(guān)9以及四個二極管閥組5a、5b、5c、5d組合而成。四個二極管閥組5a、5b、5c、5d構(gòu)成單相不控整流橋，該單相不控整流橋的輸入端分別與輔助支路2的兩個端口相聯(lián)接，單相不控整流橋的高、低壓直流側(cè)跨接直流電容10。
[0062]如圖3所示，為了防止電容器電壓上升過高，在一個優(yōu)選實施例中，輔助支路2和主支路3上還可以并聯(lián)由避雷器4構(gòu)成的第三支路。
[0063]如圖3所示，為了防止直流電壓持續(xù)施加在避雷器4上使得避雷器4因漏電流而過熱，在一個優(yōu)選實施例中，輔助支路2、主支路3所構(gòu)成的并聯(lián)回路的外部還可串聯(lián)第二機(jī)械開關(guān)15。另一個實施例中，輔助支路2、主支路3、以及第三支路4所構(gòu)成的并聯(lián)回路的外部串聯(lián)第二機(jī)械開關(guān)15。
[0064]第二機(jī)械開關(guān)15用于在直流斷路器開斷直流故障電流后阻斷避雷器的漏電流以延長避雷器的使用壽命，并且可以在直流電源與故障點之間建立可靠的絕緣間隙以便于故障清除與故障設(shè)備的檢修。
[0065]如圖3所示，為了給電容器10提供放電通路，在一個優(yōu)選實施例中，電容器10的兩端還并聯(lián)了放電支路6。該放電支路6由第三機(jī)械開關(guān)7和放電電阻8串聯(lián)而成，通過閉合第三機(jī)械開關(guān)7即可使得電容器10經(jīng)過放電支路6放電。
[0066]如圖3所示，為了降低直流故障期間直流故障電流的上升速率，在一個優(yōu)選實施例中，輔助支路2、主支路3所構(gòu)成的并聯(lián)回路的外部還可串聯(lián)直流限流電感16。在另一個優(yōu)選實施例中，輔助支路2、主支路3和第三支路4所構(gòu)成的并聯(lián)回路的外部串聯(lián)直流限流電感16。
[0067]正常閉合狀態(tài)時，直流電流流經(jīng)輔助支路2，而開斷直流故障時，將直流電流轉(zhuǎn)移到主支路3上。如圖3所示，正常閉合狀態(tài)時，第二機(jī)械開關(guān)15、第一機(jī)械開關(guān)11以及電力電子閥組13處于閉合狀態(tài)，第三機(jī)械開關(guān)7處于開斷狀態(tài)。開斷直流故障時，將先關(guān)斷電力電子閥組13，從而將直流故障電流轉(zhuǎn)移到主支路3上，直流故障電流將給電容器10充電，當(dāng)電容器10的電壓高于母線側(cè)直流電壓17時，直流故障電流將開始下降，最后由于避雷器的吸收作用而最終降為零。
[0068]關(guān)斷電力電子閥組13的同時給第一機(jī)械開關(guān)11發(fā)出開斷的指令，第一機(jī)械開關(guān)11的觸頭在接收到開斷指令后開始分閘操作并且經(jīng)過一定的時間，其觸頭間的距離達(dá)到額定行程，在第一機(jī)械開關(guān)11的觸頭分離期間，電容器10的電壓在上升并且該電容器電壓施加在輔助支路2上，輔助支路2上的第一機(jī)械開關(guān)11和電力電子閥組13同時分擔(dān)電容電壓。
[0069]在一個實施例中，電力電子閥組13優(yōu)選地由反并聯(lián)的電力電子器件13a和反并聯(lián)的晶閘管13b串聯(lián)而成。全控型電力電子器件13a具備自關(guān)斷能力而晶閘管13b只有在電流過零且承受反向阻斷電壓時才能被關(guān)斷。關(guān)斷電力電子閥組13時將同時給全控型電力電子器件13a和晶閘管13b施加關(guān)斷信號，全控型電力電子器件13a接收到關(guān)斷信號后可以很快速地關(guān)斷，從而將輔助支路的電流降為零，進(jìn)而為晶閘管13b的關(guān)斷提供了條件，13a和13b都關(guān)斷后，13a和13b將串聯(lián)地分擔(dān)施加在電力電子閥組13上的電壓，由于晶閘管13b的額定電壓通常高于全控型電力電子器件13a且成本低于全控型電力電子器件13a，通過采用全控型電力電子器件13a和晶閘管13b串聯(lián)構(gòu)成電力電子閥組13的方法可以顯著降低電力電子閥組13的成本。
[0070]直流斷路器完成直流故障隔離操作后，電容器10的電壓將被充電至較高電壓值。為了使得直流斷路器完成一次開斷操作后可以進(jìn)行重合閘操作，需要先對電容器10放電。如圖3所示，在一個實施例中，在電容器10的正、負(fù)極并聯(lián)放電支路6。該放電支路6由第三機(jī)械開關(guān)7和電阻8串聯(lián)而成，將第三機(jī)械開關(guān)7閉合即可對電容器10放電。
[0071]給電容器10放電前需要確保直流故障已清除，其判據(jù)為檢測直流斷路器線路側(cè)14的直流電壓，當(dāng)直流斷路器線路側(cè)14的直流電壓的絕對值持續(xù)高于某一最低閾值(例如額定直流電壓的80% )，則判斷直流故障已被清除。
[0072]圖3所示，直流斷路器的重合閘操作時序為:接收到重合閘指令后先閉合第一機(jī)械開關(guān)11，而后開通電力電子閥組13。
[0073]為了防止直流斷路器重合閘于直流故障，重合閘前需要判斷直流故障是否已消除，其判據(jù)為檢測直流斷路器線路側(cè)14的直流電壓，當(dāng)直流斷路器線路側(cè)14的直流電壓的絕對值持續(xù)高于某一大于零的閾值(例如額定直流電壓的80%)，則判斷直流故障已被清除。
[0074]因重合閘前，直流輸電線路一般為空載狀態(tài)，在一個實施例中，為了防止在直流斷路器線路側(cè)14出現(xiàn)過高的操作過電壓，可以在直流斷路器線路側(cè)14安裝避雷器18。
[0075]為了進(jìn)一步提升重合閘的效率，使得等待的延遲縮短，從而加速恢復(fù)供電的時間，可以對直流斷路器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化，具體是在主支路3中增加電容器數(shù)量或同時增加電容器及對應(yīng)的放電支路的數(shù)量，例如增加為兩個或兩個以上的電容器，和/或同時也相應(yīng)匹配增加對應(yīng)的放電支路、串聯(lián)機(jī)械開關(guān)。
[0076]如圖4所示，在一個實施例中，直流斷路器的主支路3中包含了兩組電容器及對應(yīng)的放電支路和串聯(lián)機(jī)械開關(guān)。如圖4所示，其包含兩個電容器1a和10b，1a和1b的兩端分別并聯(lián)了放電支路6a和6b，電容器1a和1b的外部還串聯(lián)了機(jī)械開關(guān)9a和9b。正常導(dǎo)通狀態(tài)時，主支路中的各串聯(lián)組合中僅其中一個機(jī)械開關(guān)處于閉合狀態(tài)，而其他串聯(lián)組合中的機(jī)械開關(guān)處于斷開狀態(tài)。例如，9a閉合從而將電容器1a接入至主回路，9b處于開斷狀態(tài)。
[0077]在發(fā)生直流故障時，先關(guān)斷電力電子器件閥組，同時給輔助支路上的第一機(jī)械開關(guān)發(fā)出開斷指令，待輸電線路中直流電流降為零后，打開其中一個所述串聯(lián)組合中處于閉合狀態(tài)的第四機(jī)械開關(guān)，實現(xiàn)直流故障電流開斷。在一個實施例中有第二機(jī)械開關(guān)，則然后打開輔助支路外部串聯(lián)聯(lián)接的第二機(jī)械開關(guān)，實現(xiàn)直流故障電流開斷。
[0078]當(dāng)直流斷路器完成第一次開斷直流故障電流后，電容器1a將被充電至高電壓，為了方便后續(xù)能快速重合閘，當(dāng)線路直流電流降為零時，機(jī)械開關(guān)9a將被打開。
[0079]在接收到重合閘指令后，閉合主支路內(nèi)部若干串聯(lián)組合中一個初始處于開斷狀態(tài)的第四機(jī)械開關(guān)，然后閉合輔助支路中的第一機(jī)械開關(guān)，最后開通輔助支路電力電子器件閥組，實現(xiàn)快速重合閘并恢復(fù)直流供電。具體地，直流斷路器接收到重合閘指令后，將依次閉合機(jī)械開關(guān)％，第一機(jī)械開關(guān)11和電力電子閥組13。當(dāng)直流斷路器進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)后，將閉合機(jī)械開關(guān)9a，對已經(jīng)充電的電容器1a放電，使得電容器1a可用于下次隔離直流故障電流。
[0080]同樣，該實施例中，直流斷路器重合閘前需確保直流故障已經(jīng)清除，判斷直流故障是否已清除的方法為監(jiān)測直流斷路器線路側(cè)14的電壓，當(dāng)該電壓值的絕對值高于一定閾值(例如額定直流電壓的80%)，則判斷直流故障已經(jīng)清除，可以開始合閘操作。
[0081]當(dāng)直流線路較短時，為了使得直流故障被清除后，直流斷路器的線路側(cè)14具備足夠高的殘壓，本發(fā)明提供了一種在直流斷路器的線路側(cè)14額外并聯(lián)含電容器支路的方案，如圖5所示，在直流斷路器的線路側(cè)14額外并聯(lián)了由電容器19和電阻18構(gòu)成的串聯(lián)回路。
[0082]圖6給出了雙向電容充電型直流斷路器的另一實施例，其原理與圖3圖5類似，區(qū)別在于，主支路由兩個結(jié)構(gòu)相同的電容串聯(lián)支路反向并聯(lián)聯(lián)接而成，其中第一個電容串聯(lián)支路由第四機(jī)械開關(guān)9a，直流電容1a和二極管閥組5a串聯(lián)而成，直流電容1a兩端同時并聯(lián)了由第三機(jī)械開關(guān)7a和放電電阻8a串聯(lián)而成的放電支路，第二電容串聯(lián)支路結(jié)構(gòu)與第一電容串聯(lián)支路相同，接線方式相反，也即是第二電容串聯(lián)支路由二極管閥組5a、直流電容1a和第四機(jī)械開關(guān)9a串聯(lián)而成，且第一電容串聯(lián)支路的第四機(jī)械開關(guān)9a與第二電容串聯(lián)支路的二極管閥組5a負(fù)極聯(lián)接，而第一電容串聯(lián)支路的負(fù)極與第二電容串聯(lián)支路的第四機(jī)械開關(guān)9a—端聯(lián)接。
[0083]圖7給出了一種用于直流配電網(wǎng)的雙向電容充電型直流斷路器拓?fù)?，其原理與圖3-圖6類似，區(qū)別在于所述輔助支路僅包含電力電子閥組13，不包含第一機(jī)械開關(guān)11。直流斷路器處于閉合狀態(tài)時，電力電子閥組13被開通，開斷直流斷路器時，電力電子閥組13將被關(guān)斷，直流故障電流將被轉(zhuǎn)移至主支路3，由于電力電子閥組13被關(guān)斷時，直流故障電流仍可經(jīng)過主支路3流通，因此，電力電子閥組13關(guān)斷時不會產(chǎn)生過高的暫態(tài)電壓或暫態(tài)電流，從而降低對電力電子閥組13的額定直流電壓、直流電流的要求。為了提高關(guān)斷速度，實際使用時，還可刪去直流限流電感16。
[0084]本發(fā)明提供的電容充電型雙向直流斷路器可用于開斷直流故障電流，其顯著特點在于主支路由單相不可控整流橋和電容-機(jī)械開關(guān)電容串聯(lián)支路組合而成，從而利用直流故障電流單向地給電容器充電，消除了開斷直流故障后存在的電感-電容諧振問題，并且該支路具備雙向通流能力。另外，輔助支路的電力電子閥組采用全控型電力電子器件閥組和半控型電力電子器件閥組串聯(lián)而成從而降低了輔助支路電力電子閥組的成本。而且，本發(fā)明進(jìn)一步提供的由多個“機(jī)械開關(guān)-電容器”的并聯(lián)組合替代單個組合從而使得所設(shè)計的直流斷路器具備快速重合閘能力，大大提高直流故障后系統(tǒng)恢復(fù)供電的速度。
[0085]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種電容充電型雙向直流斷路器，其包括并聯(lián)的輔助支路和主支路，其中，所述輔助支路包括電力電子器件閥組，以作為直流斷路器正常導(dǎo)通時的直流電流流經(jīng)支路； 其特征在于，所述主支路由單相不可控整流橋和由直流電容與機(jī)械開關(guān)串聯(lián)組成的電容-機(jī)械開關(guān)支路組合而成，其中所述不控整流橋的輸入端口分別與輔助支路的兩個端口相聯(lián)接，所述不控整流橋的高、低壓直流端口間串聯(lián)聯(lián)接所述電容-機(jī)械開關(guān)串聯(lián)支路。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容充電型雙向直流斷路器，其中，所述主支路的電容器兩側(cè)還并聯(lián)有放電支路，用于在直流斷路器重合閘前對該電容器放電。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電容充電型雙向直流斷路器，其中，所述放電支路包括相互串聯(lián)的機(jī)械開關(guān)和電阻。4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的電容充電型雙向直流斷路器，其中，所述放電支路為相互并聯(lián)的多個。5.根據(jù)權(quán)利要1-4中任一項所述的電容充電型雙向直流斷路器，其中，所述輔助支路的電力電子器件閥組由反并聯(lián)的全控型電力電子器件和反并聯(lián)的晶閘管串聯(lián)而成。6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的電容充電型雙向直流斷路器，其中，還包括與所述輔助支路和主支路并聯(lián)的第三支路，該第三支路由一個避雷器或由多個避雷器串并聯(lián)而成。7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的電容充電型雙向直流斷路器，其中，所述主支路以及輔助支路構(gòu)成的并聯(lián)回路的外部還串聯(lián)了直流限流電感，以限制直流故障電流的上升速率。8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的電容充電型雙向直流斷路器，其中，所述直流斷路器的線路側(cè)額外并聯(lián)有電容器，用于判斷直流故障是否清除，以作為是否重合閘的條件。9.根據(jù)權(quán)利要1-8中任一項所述的電容充電型雙向直流斷路器，其中，所述輔助支路還包括第一機(jī)械開關(guān)，該第一機(jī)械開關(guān)和電力電子器件閥組串聯(lián)形成所述輔助支路;和/或，所述主支路以及輔助支路構(gòu)成的并聯(lián)回路的外部還串聯(lián)有第二機(jī)械開關(guān)。10.—種利用權(quán)利要求1-8中任一項所述的直流斷路器進(jìn)行直流故障隔離的方法，其中，該方法包括在發(fā)生直流故障時，關(guān)斷輔助支路的電力電子閥組，從而將故障電流轉(zhuǎn)移至主支路給所述直流電容充電，待該直流電容電壓高于直流斷路器母線側(cè)直流電壓時，故障電流被熄滅，實現(xiàn)直流故障隔離。11.一種利用權(quán)利要求9所述的直流斷路器進(jìn)行直流故障隔離的方法，其中，該方法包括在發(fā)生直流故障時，先關(guān)斷所述輔助支路中的電力電子器件閥組，而后打開所述輔助支路上的第一機(jī)械開關(guān);或先關(guān)斷所述輔助支路中的電力電子器件閥組，而后打開所述輔助支路上的第一機(jī)械開關(guān)，并待線路直流電流降為零后，打開輔助支路外部串聯(lián)聯(lián)接的第二機(jī)械開關(guān)，從而實現(xiàn)對直流故障的隔離。12.—種利用權(quán)利要求9所述的直流斷路器進(jìn)行直流故障隔離后的重合閘方法，其中，該方法包括在接收到重合閘指令后，先閉合輔助支路上的第一機(jī)械開關(guān)，再開通所述電力電子器件閥組;或者，在接收到重合閘指令后，先閉合輔助支路外部串聯(lián)聯(lián)接的第二機(jī)械開關(guān)，然后閉合輔助支路上的第一機(jī)械開關(guān)，最后開通所述電力電子器件閥組。13.—種電容充電型雙向直流斷路器，其包括并聯(lián)的輔助支路和主支路，其中，所述輔助支路包括電力電子器件閥組，以作為直流斷路器正常導(dǎo)通時直流電流流經(jīng)支路； 其特征在于，所述主支路由兩個結(jié)構(gòu)相同的電容串聯(lián)支路反向并聯(lián)聯(lián)接而成，其中一個電容串聯(lián)支路由機(jī)械開關(guān)、直流電容和二極管閥組串聯(lián)而成，另一個電容串聯(lián)支路與所述一個電容串聯(lián)支路的元件相同且各元件接線的極性與所述一個電容串聯(lián)支路中各元件的接線極性相反。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電容充電型雙向直流斷路器，其中，所述所述主支路的電容器兩側(cè)還并聯(lián)有放電支路，用于在直流斷路器重合閘前對該電容器放電。15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電容充電型雙向直流斷路器，其中，所述放電支路包括相互串聯(lián)的機(jī)械開關(guān)和電阻。16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的電容充電型雙向直流斷路器，其中，所述放電支路為相互并聯(lián)的多個。17.根據(jù)權(quán)利要13-16中任一項所述的電容充電型雙向直流斷路器，其中，所述輔助支路的電力電子器件閥組由反并聯(lián)的全控型電力電子器件和反并聯(lián)的晶閘管串聯(lián)而成。18.根據(jù)權(quán)利要求13-17中任一項所述的電容充電型雙向直流斷路器，其中，還包括與所述輔助支路和主支路并聯(lián)的第三支路，該第三支路由一個避雷器或由多個避雷器串并聯(lián)ntjD19.根據(jù)權(quán)利要求13-18中任一項所述的電容充電型雙向直流斷路器，其中，所述主支路以及輔助支路構(gòu)成的并聯(lián)回路的外部還串聯(lián)了直流限流電感，以限制直流故障電流的上升速率。20.根據(jù)權(quán)利要求13-19中任一項所述的電容充電型雙向直流斷路器，其中，所述直流斷路器的線路側(cè)額外并聯(lián)有電容器，用于判斷直流故障是否清除，以作為是否重合閘的條件。21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的電容充電型雙向直流斷路器，其中，通過檢測直流斷路器線路側(cè)的直流電壓值來判斷直流故障是否已經(jīng)被清除，當(dāng)直流斷路器線路側(cè)直流電壓高于一定閾值且保持一段時間時，則判斷直流故障已經(jīng)被清除。22.根據(jù)權(quán)利要13-21中任一項所述的電容充電型雙向直流斷路器，其中，所述輔助支路還包括第一機(jī)械開關(guān)，該第一機(jī)械開關(guān)和電力電子器件閥組串聯(lián)形成所述輔助支路;和/或，所述主支路以及輔助支路構(gòu)成的并聯(lián)回路的外部還串聯(lián)有第二機(jī)械開關(guān)。
【文檔編號】H02H7/26GK106099878SQ201610630952
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月4日 公開號201610630952.0, CN 106099878 A, CN 106099878A, CN 201610630952, CN-A-106099878, CN106099878 A, CN106099878A, CN201610630952, CN201610630952.0
【發(fā)明人】周猛, 林衛(wèi)星, 文勁宇
【申請人】華中科技大學(xué)