一种用于清除交直流系统故障电流的电路的制作方法

本实用新型涉及交直流电网领域，具体涉及一种用于清除交直流系统故障电流的电路。

背景技术：

现代电力系统是由交流输电系统和直流输电系统构成的复杂网络。当交直流系统中的任意节点发生短路故障，比如常见的输电线路对地短路故障，会产生幅值迅速上升的故障电流，如不及时处理，会导致设备损坏甚至系统崩溃。为维持直流电网安全稳定运行并保护电网中的关键设备，一般切断故障点所在线路限制故障电流发展，达到熄灭故障电流隔离故障的目的。

系统网络结构及故障点位置的不同，故障电流表现形式也不同，根据故障电流是否过零将其分为两类。第一类为过零故障电流，该类故障电流呈振荡上升趋势，每个振荡周期有两个过零点；第二类故障电流为非过零故障电流，该类故障电流有的以振荡形式甚至以指数形式迅速上升。

对于第一类故障电流，一般采用如图1所示的常规机械开关，在电流过零点分断机械开关达到熄灭电流目的；而对于电流不存在电流过零点的第二类故障，采用机械开关灭弧则十分困难，一般需采用改造的规机械开关来实现，如图2所示，增加LC振荡环节，使振荡电流与故障电流叠加形成过零点来辅助机械开关灭弧。

故障电流自然过零或者辅助过零时通过机械开关分断线路切除故障的上述两类开关的优点是设备结构简单，运行稳定及通态损耗小等，但其触头易被开断电弧损坏，开断能力有限，且故障电流的切除时间长，易造成事故扩大化，破坏系统稳定性。

随着电力电子器件容量、可控性及开关动态特性的提升，逐渐用如图3所示的全固态开关电路来切除电力系统的故障电流。该电路由电力电子器件串联构成的电力电子开关回路、检测电路、驱动与控制电路以及缓冲、吸收回路构成。该开关电路串联于线路的系统正常运行时电力电子开关通过运行电流，当故障电流发生时，检测电路判断故障电流的发生及故障电流方向，驱动和控制电路根据检测结果向电力电子开关回路发出关断信号切断故障电流，故障电流切断后形成的高压能量由缓冲和吸收电路加以限制和释放，保护串联电力电子器件。基于电力电子器件的全固态开关电路可以显著提高故障电流切除能力，缩短故障切除时间，而且对故障电流是否过零没有要求。但在正常导通时，由于串联器件导通压降的存在，损耗过大，经济性较差。

为克服上述缺点，近年来出现了如图4所示的基于机械开关和电力电子器件的混合式开关电路，主通路由机械开关K5和电力电子全控型器件K6串联构成，旁路由限压装置和串联电力电子开关并联构成的组件K7构成，当检测到故障电流时，K7中的电力电子开关组全部导通，之后主通路上的电力电子全控型器件关断切除故障电流，故障电流到达零点时附件机械开关也随之关断，等到机械开关完全关断后，K7中的电力电子开关组关断，切断故障电流，限压装置抑制关断形成的高压并吸收能量。这种混合式开关电路既减低了通态损耗，又提高了分断速度，但是将两个方向线路的电流分断，需要大量的全控电力电子开关正向串联后再反向串联，全控型器件数量多，增加了直流断路器设备成本。

因此，需要提供一种技术方案来弥补现有技术的不足。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供一种用于清除交直流系统故障电流的电路，其包括：开关支路，开关支路的两端分别连接两个主支路和两个转移支路；主支路和所述转移支路的另一端互联后，串入交直流系统。

主支路包括：快速开关和与其串联的电力电子开关；电力电子开关包括：全控型器件和与其反并联的不控器件。

转移支路包括：串联的不控器件。全控型器件包括IGBT，不控器件包括二极管。

开关支路包括：串联的全控型器件组成的开关组及与开关组并联的非线性电阻。开关支路包括：至少两组串联的开关组。

全控型器件和缓冲电路并联。缓冲电路包括：电阻、电容和二极管构成的串联回路；二极管的正极分别与电阻的一端及全控型器件的一端相连，二极管的负极设于电阻和电容间，电容的另一端与全控型器件的另一端相连。

与最接近的现有技术相比，本实用新型提供的技术方案具有以下有益效果：

1、本实用新型的全控型器件开关组不需要双向通流，只需同方向串联构成，不需要反并联相同电压电流等级的二极管，也不需要串联方向相反的模块或者组成H桥模块，与相同规格的开关电路相比，所用器件数量降低至少50％-75％，电路装置结构更加紧凑，成本大幅降低；

2、本实用新型由于主电力电子开关为IGBT串联，且采用RCD缓冲电路，回路物理布置上的杂散电感较低，所需缓冲电容值可以大幅降；

3、本实用新型进一步降低了开关电路的损耗，减少全控电力电子开关使用数量，降低成本，提高了经济性和可推广性。

附图说明

图1为常规机械开关图；

图2为辅助分断开关图；

图3为固态开关图；

图4为混合式开关隔离电路图；

图5为本实用新型的交直流系统故障快速隔离电路图；

图6为本实用新型的RCD缓冲电路图；

图7为本实用新型在正常通流状态下的电流路径；

图8为本实用新型在正常通流状态下的另一电流路径；

图9为本实用新型在故障电流下电流转移的流通路径图；

图10为本实用新型在故障电流下电流转移的另一流通路径图；

图11为本实用新型所有电力电子开关导通方向反转后的电路拓扑；

图12为本实用新型的电路动作流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型的技术方案做进一步详细说明。

图5为本实用新型的电路拓扑结构，电路由2个主支路S11和S22、2个转移支路S12和S21、及1个电力电子开关支路S0构成。整个电路由两个端点N1 和N2串入交直流系统线路中。S11和S21支路的一端与N1联结，S12和S22支路的一端与N2联结，S11和S21支路的另一端分别与S12和S22支路的另一端连接，S11支路与S22支路的连接点为M1，S21与S12的连接点为M2，S0支路的两端分别与M1、M2连接。主支路S11、S22由快速开关K_ii(i＝1,2)和一个可双向导通的电力电子开关G_ii(i＝1,2)串联构成，可双向导通的电力电子开关由一个全控型器件(如IGBT)T_ii(i＝1,2)和不控器件(如二极管)D_ii(i＝1,2)反并联构成。S11中的不控器件D₁₁的导通方向为N1指向M1，S22中的不控器件D₂₂的导通方向为N2指向M1。S21和S12支路为不控器件(如二极管)同方向串联构成的组件G21和G12，G21中不控器件导通方向由M2指向N1，G12中不控器件的导通方向由M2指向N2。S0由全控型电力电子器件串联开关组T0与非线性电阻MOV并联构成,也可由多个这样的单元串联构成，T0的导通方向为M1指向M2。

主支路及电力电子开关支路中的所有全控型器件均并联有如图6所示的RCD缓冲电路，RCD缓冲电路由电阻R与二极管D并联后再与电容C串联。

当系统正常运行时，电力电子开关支路S0处于截止状态，主支路中的快速开关(K11,K22)均处于闭合状态，双向导通电力电子开关(G11,G22)中的全控型器件均处于导通状态，可以双向通流。如图7所示，若电流由N1处流入，N2处流出，则其流通路径为N1-K11-D11-M1-T22-N2；如图8所示，若电流由N2处流入，N1处流出，则其流通路径为N2-K22-D22-M1-T11-N2。

当系统发生故障时，电路接收到故障分闸命令时，首先开通主电力电子开关支路S0，然后立即关断主支路S11和S22中的全控型器件。如图9所示，若故障电流从N1端流入，N2端流出，则主支路中的全控型器件全部关断后，电流流过S0支路，主支路S22中的电流全部转移至S12支路，整个电路中的电流流通路径为N1-K11-D11-M1-T0-M2-G12-N2。电流转移完成后，分闸快速开关K22，在快速开关可以耐受恢复电压时刻，关断S0支路中的T0将故障电流切除，同时非线性电阻MOV抑制关断产生的过电压并吸收能量，完成故障快速隔离任务。如图10所示，若故障电流从N2端流入，N1端流出，则主支路中的全控型器件全部关断后，电流流过S0支路，主支路S11中的电流全部转移至S21支路，电流在整个电路中的流通路径为N2-K22-D22-M1-T0-M2-G21-N1。

如图11所示，如果将上述电路结构中主支路S11和S22、电力电子开关支路S0及转移支路S21和S12中所有电力电子开关的导通方向反转，电路同样可以按照上述原理工作，也为本实用新型的一种实施方案。

如图12所示的电路动作步骤，电流转移完成后，分闸快速开关K11，在快速开关可以耐受恢复电压时刻，关断电力电子开关支路S0支路中的T0将故障电流切除，同时非线性电阻MOV抑制关断产生的过电压并吸收能量,完成故障快速隔离任务。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本实用新型的权利要求保护范围之内。