一种具备选断功能的直流断路器的制作方法

本发明涉及断路器领域，尤其涉及一种具备选断功能的直流断路器。

背景技术：

近年来，随着我国新能源技术不断发展，以风力发电为主的新能源发电方式得到了大力推广。然而，我国现有电网受自身技术所限，难以消纳大规模新能源，出现了较为严重的“弃风，弃光”现象。基于电压源型换流器的高压直流输电hvdc技术具有消纳大规模新能源、向无源地区供电、易于组网的优点，有助于提高现有电网消纳新能源的能力。在vsc-hvdc众多换流器拓扑结构中，模块化多电平换流器mmc开关损耗小、扩展性好、谐波水平低，更适用于未来直流电网中。模块化多电平换流器mmc无法通过自身控制来限制直流侧的故障电流，需借助直流断路器实现电流的快速清除。直流断路器具有在系统正常运行时改变系统运行方式，在系统故障时迅速切除故障电流的作用，对直流电网的发展起到重要的作用。

传统的高压直流断路器种类繁多，其中混合式直流断路器具有正常运行时通态损耗小、故障时切除速度快的优点，是现有直流断路器的研究热点。但是混合式直流断路器转移支路需采用大量电力电子器件，其应用于多线路直流电网时建设成本过高，经济性差。虽然现有的技术方案在直流系统的每条母线上使用一个由大量绝缘栅双极型晶体管igbt串并联组成的主断部分，经济性良好。但是，将组合式直流断路器应用于限流电抗器混合配置的柔性直流输电系统中，组合式直流断路器在系统故障后的动作过程中，存在母线接地的过程，不能充分发挥线路限流电抗器的限流作用，同时还需闭锁母线保护。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种具备选断功能的直流断路器，使断路器在分闸过程中不存在母线接地情况，无需进行闭锁母线保护以及在线路发生故障时可以为故障线路提供电流转移支路，降低电能的损耗，实现线路快速导通，缩短直流断路器断开故障电流的总时间。

本发明实施例提供了一种具备选断功能的直流断路器，包括主断支路、若干条分断支路、若干条选断支路和吸能支路；所述主断支路的输入端用于与直流母线的输出端连接；所述主断支路的输出端分别与若干条所述选断支路的输入端连接；若干条所述分断支路的输入端用于与所述直流母线的若干条出线端一一对应连接，若干条所述分断支路的输出端与若干条所述选断支路的输出端一一对应连接；所述吸能支路的输入端与所述主断支路的输入端连接，所述吸能支路的输出端与所述主断支路的输出端连接；所述主断支路包括桥式子模块电路，所述桥式子模块电路的输入端与所述主断支路的输入端连接，所述桥式子模块电路的输出端与所述主断支路的输出端连接；所述分断支路包括快速机械开关和电流转移开关；所述快速机械开关的输入端与所述分断支路的输入端连接，所述快速机械开关的输出端与所述电流转移开关的输入端连接，所述电流转移开关的输出端与所述分断支路的输出端连接；所述选断支路包括隔离开关和晶闸管电路，所述隔离开关的输入端与所述选断支路的输入端连接，所述隔离开关的输出端与所述晶闸管电路的输入端连接，所述晶闸管电路的输出端与所述选断支路的输出端连接。

优选地，所述桥式子模块电路包括若干个桥式子模块串；任意一个所述桥式子模块串的输入端与所述桥式子模块电路的输入端连接；任意一个所述桥式子模块串的输出端与所述桥式子模块电路的输出端连接；其中，单个所述桥式子模块串由q个桥式子模块串联组成。

优选地，所述桥式子模块包括所述第一极管、第二极管、第三极管、第四极管和绝缘栅双极型晶体管，所述第一极管的负极与所述第二极管的正极连接，所述第二极管的负极与所述绝缘栅双极型晶体管的集电极连接，所述第一极管的正极与所述绝缘栅双极型晶体管的发射极连接，所述第三极管的正极与所述第四极管的负极连接，所述第三极管的负极与所述绝缘栅双极型晶体管的集电极连接，所述第四极管的正极与所述绝缘栅双极型晶体管的发射极连接。

优选地，所述电流转移开关包括若干个绝缘栅双极型晶体管串；任意一个所述绝缘栅双极型晶体管串的输入端与所述电流转移开关的输入端连接，任意一个所述绝缘栅双极型晶体管串的输出端与所述电流转移开关的输出端连接；其中，单个所述绝缘栅双极型晶体管串由i个所述绝缘栅双极型晶体管串联组成。

优选地，所述晶闸管电路包括若干个晶闸管串；任意一个所述晶闸管串的输入端与所述晶闸管电路的输入端连接，任意一个所述晶闸管串的输出端与所述晶闸管电路的输出端连接；其中，单个所述晶闸管串由m个晶闸管串联组成。

优选地，所述吸能支路包括金属氧化物避雷器。

相对于现有技术，本发明实施例提供的一种具备选断功能的直流断路器的有益效果在于：所述具备选断功能的直流断路器包括主断支路、若干条分断支路、若干条选断支路和吸能支路；所述主断支路的输入端用于与直流母线的输出端连接；所述主断支路的输出端分别与若干条所述选断支路的输入端连接；若干条所述分断支路的输入端用于与所述直流母线的若干条出线端一一对应连接，若干条所述分断支路的输出端与若干条所述选断支路的输出端一一对应连接；所述吸能支路的输入端与所述主断支路的输入端连接，所述吸能支路的输出端与所述主断支路的输出端连接；所述主断支路包括桥式子模块电路，所述桥式子模块电路的输入端与所述主断支路的输入端连接，所述桥式子模块电路的输出端与所述主断支路的输出端连接；所述分断支路包括快速机械开关和电流转移开关；所述快速机械开关的输入端与所述分断支路的输入端连接，所述快速机械开关的输出端与所述电流转移开关的输入端连接，所述电流转移开关的输出端与所述分断支路的输出端连接；所述选断支路包括隔离开关和晶闸管电路，所述隔离开关的输入端与所述选断支路的输入端连接，所述隔离开关的输出端与所述晶闸管电路的输入端连接，所述晶闸管电路的输出端与所述选断支路的输出端连接。通过几个支路组合的方式使得断路器在分闸过程中不存在母线接地情况，无需闭锁母线保护以及通过设置选断支路，在线路发生故障时，可以有效导通该支路为故障线路提供电流转移支路，降低电能的损耗，实现线路快速导通，缩短直流断路器断开故障电流的总时间。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种具备选断功能的直流断路器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种具备选断功能的直流断路器的主断支路中桥式子模块的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种具备选断功能的直流断路器的分断支路结构示意图。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，其是本发明实施例提供的一种具备选断功能的直流断路器的结构示意图，所述具备选断功能的直流断路器包括主断支路、若干条分断支路、若干条选断支路和吸能支路；所述主断支路的输入端用于与直流母线的输出端连接；所述主断支路的输出端分别与若干条所述选断支路的输入端连接；若干条所述分断支路的输入端用于与所述直流母线的若干条出线端一一对应连接，若干条所述分断支路的输出端与若干条所述选断支路的输出端一一对应连接；所述吸能支路的输入端与所述主断支路的输入端连接，所述吸能支路的输出端与所述主断支路的输出端连接；所述主断支路包括桥式子模块电路，所述桥式子模块电路的输入端与所述主断支路的输入端连接，所述桥式子模块电路的输出端与所述主断支路的输出端连接；所述分断支路包括快速机械开关21和电流转移开关22；所述快速机械开关21的输入端与所述分断支路的输入端连接，所述快速机械开关21的输出端与所述电流转移开关22的输入端连接，所述电流转移开关22的输出端与所述分断支路的输出端连接；所述选断支路包括隔离开关和晶闸管电路，所述隔离开关的输入端与所述选断支路的输入端连接，所述隔离开关的输出端与所述晶闸管电路的输入端连接，所述晶闸管电路的输出端与所述选断支路的输出端连接。

在本实施例中，所述主断支路仅由大量的全桥子模块构成，降低了断路器在多线路的直流电网中应用的成本，同时也为故障电流提供转移支路，且具备断开故障电流的能力；且当直流线路的任意一处发生短路时，断路器在分闸过程中不存在母线接地情况，无需对直流母线进行闭锁保护以及直流母线的换流器内部电容也无需经过母线限流电抗器对地放电，充分发挥线路上限流电抗器的限流作用。同时，通过设置选断支路，在线路发生故障时，可以有效导通该支路为故障线路提供电流转移支路，降低电能的损耗，实现线路快速导通，缩短直流断路器断开故障电流的总时间。

优选地，当直流断路器在正常运行时，所述选断支路中的隔离开关保持闭合状态，在保护判定故障发生在具体哪条线路时，导通对应线路的选断支路中的晶闸管，为故障线路提供故障电流转移支路。

在一种可选的实施例中，所述桥式子模块电路包括若干个桥式子模块串；任意一个所述桥式子模块串的输入端与所述桥式子模块电路的输入端连接；任意一个所述桥式子模块串的输出端与所述桥式子模块电路的输出端连接；其中，单个所述桥式子模块串由q个桥式子模块串联组成。

在本实施例中，由于所述桥式子模块电路包括若干个桥式子模块串，使所述主断支路切断故障电流的能力提升了；而所述单个所述桥式子模块串由q个桥式子模块串联组成主要是为了提升所述主断支路耐受过电压的能力；采用模块化设计，使直流断路器具有良好的扩展性。

其中，可设所述桥式子模块电路包括p个桥式子模块串,p的取值应确保在线路发生故障时所述主断支路能切断系统产生的最大故障电流；q的取值应确保所述主断支路在正常运行及线路发生故障时能耐受住系统最大的暂态过电压而不被击穿。根据应用的电压等级需要，串并联相应数量的桥式子模块满足直流系统要求，可以很好地灵活应用于直流电网中。

请参阅图2，其是本发明实施例提供的一种具备选断功能的直流断路器的主断支路中桥式子模块的结构示意图，所述桥式子模块包括所述第一极管11、第二极管12、第三极管13、第四极管14和绝缘栅双极型晶体管15，所述第一极管11的负极与所述第二极管12的正极连接，所述第二极管12的负极与所述绝缘栅双极型晶体管15的集电极连接，所述第一极管11的正极与所述绝缘栅双极型晶体管15的发射极连接，所述第三极管13的正极与所述第四极管14的负极连接，所述第三极管13的负极与所述绝缘栅双极型晶体管15的集电极连接，所述第四极管14的正极与所述绝缘栅双极型晶体管15的发射极连接。

请参阅图3，其是本发明实施例提供的一种具备选断功能的直流断路器的分断支路结构示意图，所述分断支路包括快速机械开关21和电流转移开关22；所述电流转移开关包括若干个绝缘栅双极型晶体管串；任意一个所述绝缘栅双极型晶体管串的输入端与所述电流转移开关的输入端连接，任意一个所述绝缘栅双极型晶体管串的输出端与所述电流转移开关的输出端连接；其中，单个所述绝缘栅双极型晶体管串由i个所述绝缘栅双极型晶体管串联组成。

在本实施例中，当线路正常运行时，电流流过所述分断支路，所述电流转移开关22所需承受的电压小，器件的运行损耗小；当线路发生故障时，断开所述电流转移开关22将故障电流转移至所述主断支路，以实现快速机械开关21的无弧关断。

其中，可设所述电流转移开关包括j个绝缘栅双极型晶体管串，为确保所述电流转移开关有充足的冗余，j的数值由所规定的冗余度要求以及所述电流转移开关所需断开的最大故障电流决定；i的数值由所规定的冗余度要求以及所述电流转移开关所需承受的最大电压决定。

优选地，所述快速机械开关21采用毫秒级的快速机械开关，使得所述直流断路器能够在毫秒级时间内切断电流,有效避免故障扩大。

在一种可选的实施例中，所述晶闸管电路包括若干个晶闸管串；任意一个所述晶闸管串的输入端与所述晶闸管电路的输入端连接，任意一个所述晶闸管串的输出端与所述晶闸管电路的输出端连接；其中，单个所述晶闸管串由m个晶闸管串联组成。

在本实施例中，由于所述晶闸管电路包括若干个晶闸管串，使所述选断支路的电流流通能力提升了；而所述单个所述晶闸管串由m个晶闸管串联组成主要是提升所述选断支路耐受过电压的能力。

其中，可设所述晶闸管电路包括n个晶闸管串,n的取值应确保在线路发生故障时所述选断支路能通过最大故障电流而不被击穿；m的取值应确保所述选断支路在正常运行及线路发生故障时能耐受住系统最大的暂态过电压而不被击穿。

优选地，所述选断支路采用较为便宜的晶闸管电力电子器件，一方面可以节省断路器成本，另一方面可以实现线路快速导通，缩短直流断路器断开故障电流的总时间。

在一种可选的实施例中，所述吸能支路包括金属氧化物避雷器，用于在直流断路器断开后吸收线路电感和线路限流电抗器上的残余能量。

一种具备选断功能的直流断路器的工作原理如下：

正常工作时合闸：直流断路器在正常运行时，所述主断支路的全桥子模块和所述选断支路的晶闸管串断开，电流流经所述分断支路以实现功率传输。当系统在正常运行时进行合闸，先导通所述主断支路和所需合闸的线路对应的选断支路的晶闸管串，然后闭合对应线路上的所述快速机械开关21，再令所述电流转移开关22在零电压差状态下导通，最后断开所述主断支路中全桥子模块的绝缘栅双极型晶体管15，待电流下降至一定水平，所述选断支路的晶闸管串自然关断，完成直流断路器的合闸。

正常工作时分闸：直流断路器在正常运行时，有时需对直流断路器内部进行检查维修或者改变系统运行方式时，需利用直流断路器的分闸功能。当系统在正常运行时进行分闸，先导通所述主断支路和所需合闸的线路对应的选断支路的晶闸管串，然后断开所述电流转移开关22，再无弧断开需分闸线路上的所述快速机械开关21，最后断开所述主断支路中全桥子模块的绝缘栅双极型晶体管15，待电流下降至一定水平，所述选断支路的晶闸管串自然关断，完成直流断路器的分闸。

线路发生短路故障时分闸：在线路发生短路故障时，线路电流急剧上升，直流母线电压逐渐下降，在保护判定故障线路后，同时导通对应故障线路对应的选断支路的晶闸管串以及所述主断支路中全桥子模块的绝缘栅双极型晶体管15，为故障电流提供转移支路，然后在零电压差条件下断开所述电流转移开关22，再令所述快速机械开关21在2ms以内无弧断开，最后断开所述主断支路中全桥子模块的绝缘栅双极型晶体管15，此后，线路电感和线路限流电抗器内的剩余能量会由吸能支路的避雷器所吸收，故障电流完全清除。

相对于现有技术，本发明实施例提供的一种具备选断功能的直流断路器的有益效果在于：所述具备选断功能的直流断路器包括主断支路、若干条分断支路、若干条选断支路和吸能支路；所述主断支路的输入端用于与直流母线的输出端连接；所述主断支路的输出端分别与若干条所述选断支路的输入端连接；若干条所述分断支路的输入端用于与所述直流母线的若干条出线端一一对应连接，若干条所述分断支路的输出端与若干条所述选断支路的输出端一一对应连接；所述吸能支路的输入端与所述主断支路的输入端连接，所述吸能支路的输出端与所述主断支路的输出端连接；所述主断支路包括桥式子模块电路，所述桥式子模块电路的输入端与所述主断支路的输入端连接，所述桥式子模块电路的输出端与所述主断支路的输出端连接；所述分断支路包括快速机械开关和电流转移开关；所述快速机械开关的输入端与所述分断支路的输入端连接，所述快速机械开关的输出端与所述电流转移开关的输入端连接，所述电流转移开关的输出端与所述分断支路的输出端连接；所述选断支路包括隔离开关和晶闸管电路，所述隔离开关的输入端与所述选断支路的输入端连接，所述隔离开关的输出端与所述晶闸管电路的输入端连接，所述晶闸管电路的输出端与所述选断支路的输出端连接。通过几个支路组合的方式使得断路器在分闸过程中不存在母线接地情况，无需闭锁母线保护以及通过设置选断支路，在线路发生故障时，可以有效导通该支路为故障线路提供电流转移支路，降低电能的损耗，实现线路快速导通，缩短直流断路器断开故障电流的总时间。

以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。