一种高压直流断路器及试验方法与流程

本发明涉及一种直流断路器及试验方法，尤其是一种高压直流断路器及试验方法，属于电力技术领域。

背景技术：

随着经济的不断发展，由于化石能源枯竭和开采难度增大，同时造成了严重的环境问题。近年来，太阳能发电，燃料电池，风力发电等新能源得到大规模推广应用，于此同时，出现了电动汽车、变频设备、LED 照明灯、信息设备等大量直流负荷。而直流微网，作为分布式电源与直流负荷更高效率的接入形式，具有线路损耗低、传输容量大、传输距离远、电能质量高、以及不存在系统同步运行稳定性问题等优点，成为目前电力系统的发展趋势。而直流断路器是直流微网系统的重要设备，起着故障跳闸和保护系统中电力设备的关键作用，目前缺乏实用的直流断路器。

技术实现要素：

本发明的目的是：针对目前发展直流微网的电力系统发展趋势，提供一种直流断路器方案，该直流断路器包括限流电路和与之串联的四条并联支路。限流电路由限流电感构成；四条并联支路中第一支路为机械开关，该机械开关用来导通正常负载电流；第二支路为固态开关，用来关断双向故障电流；第三支路为缓冲回路，由电阻、电容串联构成；第四支路为吸收回路，由氧化锌避雷器构成，用来缓冲和吸收开断时线路电感能量，降低固态开关电压上升率和保护固态开关器件不受过压威胁。该直流断路器能实现双向快速关断。

本发明的技术方案为：一种高压直流断路器，包括第一限流电抗器、第二限流电抗器和电气支路，所述的第一限流电抗器、电气支路和第二限流电抗器依次组成串联线路。

所述的电气支路包括第一支路、第二支路、第三支路和第四支路，所述的第一支路、第二支路、第三支路和第四支路为并联。

所述的第一支路由快速隔离开关和辅助开关串联。

所述的第二支路包括由至少一个IGBT模块串联组成；每个IGBT模块由两个IGBT反向串联，并在每个IGBT上反向并联二极管。

所述的第三支路由电阻和电容串联组成。

所述的第四支路为氧化锌避雷器构成的能量吸收回路。

所述的辅助开关由两个IGBT反向串联，并在每个IGBT上反向并联二极管。

试验方法，包括以下步骤：

第一步、合闸操作：先触发第二支路的固态开关T使其导通，紧接着闭合第一支路的快速隔离开关K，再导通辅助开关T0,使其在零电压下导通,确认第一支路导通后关断第二支路的固态开关使其退出运行。

第二步：分闸操作：在收到分闸命令或是检测到短路电流超过动作设定值时，立即发出触通第二支路固态开关和关断第一支路辅助开关信号，第一支路辅助开关关断时产生的过电压迫使电流向第二支路固态开关中转移，当电流完全转移至第二支路固态开关后，无弧断开第一支路快速隔离开关；随后向第二支路固态开关T发出关断信号，其所有IGBT阀组均快速关断。

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明中IGBT模块由两个电力电子元件 IGBT反向串联，并在每个IGBT上反向并联二极管，能实现电流双向快速关断。第一支路和第二支路并联，正常的时候由第一支路流过负荷电流，在开关需要开通或关断的时候，利用第二支路在第一支路断开和闭合过程中分流、钳压作用，实现第一支路迅速断开和闭合，可实现双向快速关断，且损耗低。缓冲吸收回路用于缓冲吸收开断时线路电感能量、降低固态开关电压上升率和保护固态开关器件不受过压威胁。限流电抗的功能是降低直流短路电流上升率，从而降低对机械开关速动性的要求。本发明结构简单，制作方便，实用性强。

附图说明

附图1为本发明运用在直流微网中的示意图；

附图2为本发明结构示意图；

图中标识为：1、第一限流电抗器，2、第二限流电抗器，3、快速隔离开关，4、辅助开关，5、IGBT，6、二极管，7、固态开关，8、IGBT，9、二极管，10、电阻，11、电容，12、氧化锌避雷器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明，但不作为对本发明的任何限制。

如附图1所示，本发明 的实施例：一种高压直流断路器，由第一限流电抗器1、第二限流电抗器2、快速隔离开关3、辅助开关4、IGBT 5、8、二极管6、9、固态开关7、电阻10、电容11、氧化锌避雷器12组成，所述的第一限流电抗器（1）、电气支路和第二限流电抗器（2）依次组成串联线路。

所述的电气支路包括第一支路、第二支路、第三支路和第四支路，所述的第一支路、第二支路、第三支路和第四支路为并联。

所述的第一支路由快速隔离开关3和辅助开关4串联。

所述的第二支路由至少一个固态开关7串联组成；每个固态开关7由两个IGBT 8反向串联，并在每个IGBT 8上反向并联二极管9。

所述的第三支路由电阻10和电容11串联组成。

所述的第四支路为氧化锌避雷器12构成的能量吸收回路。

所述的辅助开关4由两个IGBT 5反向串联，并在每个IGBT 5上反向并联二极管6。

本发明的一种高压直流断路器，由四条并联支路两端串联两个限流电抗器组成，这四条并联支路第一支路为主支路，由快速隔离开关K和辅助快关T0串联组成，用来导通正常负载电流；第二支路为转移支路，由固态开关组成，该固态开关由若干个IGBT模块串联组成，每个IGBT模块由两个IGBT反向串联，并在每个IGBT上反向并联二极管，IGBT模块个数根据所使用直流电压等级确定，该支路用来开通正常运行电流和关断双向故障电流；第三支路是由电阻和电容串联组成的缓冲回路，用来缓冲开断时线路电感能量，降低固态开关电压上升率；第四支路为由氧化锌避雷器构成的能量吸收回路，用来吸收开断时线路电感能量，保护固态开关器件不受过电压威胁。本发明能实现双向快速关断，且结构简单，制作方便，实用性强。

风力发电、光伏发电、蓄电池、交、直流负荷等经过换流器变为低压等级的直流电压，通过直流断路器连接到低压直流母线上，某些直流负荷可以直接连接到低压直流母线上。低压直流母线电压经过直流变压器升压，通过直流断路器连接到中压直流母线上。同时，燃料电池、微型燃气轮机、中压交、直流负荷等经过换流器变为中压等级的直流电压，通过直流断路器连接到中压直流母线上。中压直流母线再经过DC/AC换流器，通过交流断路器连接到交流系统。

其中所述的直流断路器结构如附图2所示，第一限流电抗器1、第二限流电抗器2为限流电抗器，电抗器在直流系统中并不体现其电抗特性，因此电抗的接入对直流系统的正常运行无影响，而故障时可起到明显的限流作用，可降低直流短路电流上升率，从而降低对机械开关速动性的要求，第一限流电抗器1、第二限流电抗器2位于固态开关的两端可限制双向故障电流。与两个限流电抗器串联的是四条并联支路，第一支路为主支路，由快速隔离开关K和辅助开关T0串联组成，用来导通正常负载电流；第二支路为转移支路，由固态开关T组成，该固态开关由若干个IGBT模块串联组成，IGBT模块个数根据所使用直流电压等级确定，每个IGBT模块由两个IGBT反向串联，并在每个IGBT上反向并联二极管，该支路用来开通正常运行电流和关断双向故障电流；第三支路是由电阻和电容串联组成的缓冲回路，用来缓冲开断时线路电感能量，降低固态开关电压上升率；第四支路为由氧化锌避雷器构成的能量吸收回路，用来吸收开断时线路电感能量，保护固态开关器件不受过电压威胁。

按照本发明的技术方案，将所需的设备及元器件进行连接，即可进行试验，试验时按照下述方法进行试验：

合闸操作：先触发第二支路的固态开关T使其导通，紧接着闭合第一支路的快速隔离开关K，再导通辅助开关T0,使其在零电压下导通,确认第一支路导通后关断第二支路的固态开关使其退出运行。第二支路的固态开关T闭合后在限流电感的作用下，直流电流逐渐从零上升到稳态值，亦即限流电感在合闸初期阶段具有抑制直流电流上升率的作用，相当于对合闸过程起到了缓冲作用。合闸过程结束后，直流电源经第一支路的向负载供电，限流电感只对直流纹波具有平抑作用，因此装置通态压降与损耗均很小。

分闸操作：包括正常分闸与短路分闸，两者操作过程基本相同，区别只是前者分断正常工作电流，而后者分断短路电流，限流电抗均起到抑制初期短路电流上升率的作用。在收到分闸命令或是检测到短路电流超过动作设定值时，立即发出触通第二支路固态开关和关断第一支路辅助开关信号。第一支路辅助开关关断时产生的过电压迫使电流向第二支路固态开关中转移，当电流完全转移至第二支路固态开关后，无弧断开第一支路快速隔离开关；随后向第二支路固态开关T发出关断信号，其所有IGBT阀组均快速关断，此期间电阻、电容和避雷器缓冲吸收回路自动投入工作，能够有效减缓开断电压上升速度，以确保阀组所承担的开断电压在其安全工作区范围内。