一种基于电容换流的固态式直流断路器的制作方法

本发明属于直流断路器技术领域，更具体地，涉及一种基于电容换流的固态式直流断路器。

背景技术：

由于直流输电是解决绿色可再生能源接入电网的有效措施，且具有输电距离远、输电量大等优点，在世界各国得到了广泛的应用。由于直流输电网的直流侧阻抗小，当系统发生短路故障时，故障电流快速上升，如果不在短时间内切除故障，会导致换流侧交流断路器动作，换流阀组闭锁，影响整个系统的正常运行，极大地降低了输电系统的可靠性和灵活性。因此研制能快速切除故障电流、隔离故障点，保证系统的正常运行直流断路器十分必要。但是由于直流系统短路阻抗小，故障电流上升快，使得断路器开断压力大，且直流系统里面存在感性元件，当开断的故障电流过大时，感性元件储能大，存储的能量通过避雷器吸收导致避雷器吸能压力过大，增大了避雷器的制造难度，影响避雷器使用寿命。

因此能实现系统故障电流过零关断的软关断技术十分必要，软关断技术不仅能降低断路器开断压力，还能有效降低系统感性元件储能，降低避雷器吸能压力。为了保护避雷器，减小断路器开断压力，提高系统的安全性，节省投资，开断能力强，避雷器吸能小的断路器研制尤为必要，该方案解决了高压直流断路器运行过程中的许多技术问题，对提高直流输电系统的可靠性和灵活性具有重要意义。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于电容换流的固态式直流断路器，旨在解决现有技术中由于开断大故障电流困难以及开断大故障电流导致避雷器吸能过高的技术问题。

本发明提供了一种基于电容换流的固态式直流断路器，包括：并联连接的scr单元，电容换流单元和吸能单元；scr单元用于在故障时零电流下开断故障电流；电容换流单元用于在故障时为scr单元提供电流过零点并辅助scr单元关断；吸能单元用于当开断故障电流后吸收系统感性元件储能和限制过电压。

更进一步地，低压电容换流单元包括：第一晶闸管t1、第二晶闸管t2、第三晶闸管t3、第四晶闸管t4、预充电电容c、换流电感l、第一避雷器mov1和第一机械开关s0；第一晶闸管t1和第四晶闸管t4串联连接，第二晶闸管t2和第三晶闸管t3串联连接，第一避雷器mov1和第一机械开关s0串联连接在第一晶闸管t1与第四晶闸管t4的串联连接端与第二晶闸管t2与第三晶闸管t3的串联连接端之间；预充电电容c和换流电感l串联连接在第一晶闸管t1与第四晶闸管t4的串联连接端与第二晶闸管t2与第三晶闸管t3的串联连接端之间；第一晶闸管t1的非串联端与第二晶闸管t2的非串联端共同作为电容换流单元的一端；第三晶闸管t3的非串联端与第四晶闸管t4的非串联端共同作为电容换流单元的另一端。

其中，低压电容换流单元在系统正常运行时，第一晶闸管t1、第二晶闸管t2、第三晶闸管t3、第四晶闸管t4均处于关断状态，当系统发生短路故障时，触发导通t1、t3，由于预充电电容电压极性的设置，流向scr单元的电流向晶闸管t1、t3所在的支路转移，使scr单元能在电流过零时关断，换流过程中，预充电电容c和换流电感l振荡，为scr关断提供足够的时间和电流过零点。scr关断成功后，电源阀侧继续向预充电电容c充电，预充电电容c电压极性改变，流向预充电电容c的电流继续减小至零，晶闸管t1、t3自然关断，随后避雷器mov动作吸收系统感性元件储存的能量并限制过电压，最后导通避雷器mov1的控制第一机械开关s0，吸收预充电电容c储能并将预充电电容电压限制到指定值，为下一次重合闸做准备。

更进一步地，高压电容换流单元包括：晶闸管t0、第二机械开关s1、第三机械开关s2、第四机械开关s3、第五机械开关s4、第一机械开关s0、预充电电容c、换流电感l和第一避雷器mov1；第二机械开关s1和第五机械开关s4串联连接，第三机械开关s2和第四机械开关s3串联连接，第一避雷器mov1和第一机械开关s0串联连接在第二机械开关s1与第五机械开关s4的串联连接端与第三机械开关s2与第四机械开关s3的串联连接端之间；预充电电容c和换流电感l串联连接在第二机械开关s1与第五机械开关s4的串联连接端与第三机械开关s2与第四机械开关s3的串联连接端之间；晶闸管t0的一端作为电容换流单元的一端，晶闸管t0的另一端与第二机械开关s1的非串联端和第三机械开关s2的非串联端共同连接；第四机械开关s3的非串联端与第五机械开关s4的非串联端共同作为电容换流单元的另一端。

其中，高压电容换流单元在系统正常运行时，晶闸管t0、机械开关s2、s4、s均处于关断状态，机械开关s1、s3处于导通状态，当系统发生短路故障时，触发导通晶闸管t0，随后关断scr单元，换流过程中，预充电电容c和换流电感l振荡，为scr关断提供足够的时间和过零点。scr关断成功后，电源阀侧继续向预充电电容充电，预充电电容电压极性改变，流向预充电电容c的电流继续减小至零，晶闸管t0自然关断，随后避雷器mov动作吸收系统感性元件储存的能量并限制过电压，然后导通避雷器mov1的控制开关s，吸收预充电电容c储能并将预充电电容电压限制到指定值，随后向机械开关s1、s3发出分闸指令，此时s1、s3在零电流零电压下分闸，最后再向机械开关s2、s4发出合闸指令，为系统重合闸做准备。

更进一步地，电容换流单元包括：第一晶闸管t1、第二晶闸管t2、第三晶闸管t3、第四晶闸管t4、预充电电容c、换流电感l、第一避雷器mov1、第一机械开关s0、第一反向晶闸管t11、第二反向晶闸管t22、第三反向晶闸管t33和第四反向晶闸管t44；第一晶闸管t1和第四晶闸管t4串联连接，第二晶闸管t2和第三晶闸管t3串联连接，第一避雷器mov1和第一机械开关s0串联连接在第一晶闸管t1与第四晶闸管t4的串联连接端与第二晶闸管t2与第三晶闸管t3的串联连接端之间；预充电电容c和换流电感l串联连接在第一晶闸管t1与第四晶闸管t4的串联连接端与第二晶闸管t2与第三晶闸管t3的串联连接端之间；第一晶闸管t1的非串联端与第二晶闸管t2的非串联端共同作为电容换流单元的一端；第三晶闸管t3的非串联端与第四晶闸管t4的非串联端共同作为电容换流单元的另一端；第一反向晶闸管t11与第一晶闸管t1并联连接，第二反向晶闸管t22与第二晶闸管t2并联连接，第三反向晶闸管t33与第三晶闸管t3并联连接，第四反向晶闸管t44第四晶闸管t4并联连接。

在本发明实施例中，由于电容换流单元中包括了预充电电容c，无需为预充电电容提供充电回路，因为电容换流单元运行一次，预充电电容c电压极性改变一次，由于电容换流单元的晶闸管存在对称结构，无论电容电压极性如何改变，均能为故障电流换流，因此预充电电容电压极性改变不会对断路器再次开断故障电流产生影响。

在本发明实施例中，避雷器mov用于吸收系统感性元件储能并限制过电压，第一避雷器mov1用于故障后吸收预充电电容c的储能并将预充电电容电压限制为指定值，为断路器再次切断故障电流做准备。

在本发明实施例中，当断路器成功切断故障电流后，只需将预充电电容c的电压限制到设定值，无需将预充电电容c电压的能量全部泄放，有效降低了预充电电容c的泄能时间，为断路器下一次重合闸提供了保障，而且有效降低了第一避雷器mov1吸能。

本发明还提供了一种基于上述的固态式直流断路器实现的直流输电系统。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明中可以显著减小避雷器的吸能压力和断路器开断压力。故障时由换流单元为scr单元换流，主支路无需采用全控型半导体器件开断故障电流，显著降低了主支路开断器件的造价；由于断路器实现了故障电流的软关断，故障电流逐步减小至过零关断，因此系统感性元件储能大大减小，避雷器吸能压力降低。

(2)在本发明中，由于换流单元具有对称结构，因此无需为电容换流单元的预充电电容提供充电回路，且电容换流单元动作迅速，恢复时间短，为系统重合闸后再次切断故障电流提供了有效保障。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于电容换流的固态式直流断路器的原理框图；

图2为本发明第一实施例提供的基于电容换流的固态式低压直流断路器的具体电路结构图；

图3为本发明第二实施例提供的基于电容换流的固态式高压直流断路器的具体电路结构图；

图4为本发明第三实施例提供的基于电容换流的固态式双向直流断路器的具体电路结构图；

图5为本发明实例提供的基于电容换流的固态式低压直流断路器工作时序图；

图6为本发明实例提供的基于电容换流的固态式高压直流断路器工作时序图。

其中，1为scr(siliconcontrol，可控硅)单元，2为换流单元，3为吸能单元；c为预充电电容，t0、t1、t2、t3、t4、t11、t22、t33、t44为可触发晶闸管，s1、s2、s3、s4、s0为机械开关，l为震荡电感，ls为平波电抗器，mov和mov1为避雷器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的基于电容换流的固态式直流断路器可以保证高压直流断路器本身动作迅速、开断大电流的基础上，可降低断路器的开断压力，减小避雷器吸能，在开断能力范围之内，增加开断的可靠性。

如图1所示，本发明提供的基于电容换流的固态式直流断路器包括：scr单元1，换流单元2和吸能单元3；scr单元1用于在故障时零电流下开断故障电流；换流单元2用于在故障时为scr单元1提供电流过零点并辅助scr单元1关断，吸能单元3用于当开断故障电流后吸收系统感性元件储能和限制过电压。

scr单元1由晶闸管串并联构成，正常工作时通流，系统故障时在零电流下开断故障电流。

电容换流单元2主要用于故障时换流为scr单元1提供电流过零点，辅助scr单元1关断，在电容换流单元动作的过程中，由于电源阀侧持续为预充电电容充电，预充电电容电压极性逐渐反向并继续增大，流过预充电电容的电流逐渐减小至零，使得电容换流单元的晶闸管电流过零自动关断，随后电容换流单元退出运行，即电容换流单元本身具有自关断功能。

如图2所示，第一实施例提供的电容换流单元2包括：第一晶闸管t1、第二晶闸管t2、第三晶闸管t3、第四晶闸管t4、预充电电容c、换流电感l、第一避雷器mov1和第一机械开关s0；第一晶闸管t1和第四晶闸管t4串联连接，第二晶闸管t2和第三晶闸管t3串联连接，第一避雷器mov1和第一机械开关s0串联连接在第一晶闸管t1与第四晶闸管t4的串联连接端与第二晶闸管t2与第三晶闸管t3的串联连接端之间；预充电电容c和换流电感l串联连接在第一晶闸管t1与第四晶闸管t4的串联连接端与第二晶闸管t2与第三晶闸管t3的串联连接端之间；第一晶闸管t1的非串联端与第二晶闸管t2的非串联端共同作为电容换流单元2的一端；第三晶闸管t3的非串联端与第四晶闸管t4的非串联端共同作为电容换流单元2的另一端。

如图5所示，基于电容换流的固态式低压直流断路器工作过程如下：t0～t1阶段，系统正常运行，此时电容换流单元闭锁，第一晶闸管t1、第二晶闸管t2、第三晶闸管t3、第四晶闸管t4、第一机械开关s0均关断，电流由电源阀侧经过scr单元流向负载；t1时刻，系统发生短路故障；t1～t2时间内，系统判定发生短路故障；t2时刻，保护装置向第一晶闸管t1和第三晶闸管t3发出导通指令，由于预充电电容极性设置，电流由scr单元所在支路逐渐转移至第一晶闸管t1和第三晶闸管t3所在支路；t3时刻，scr单元电流过零关断；t2～t4阶段内，电源阀侧向预充电电容c充电，充电电流逐渐降低，预充电电容电压极性反向；t4时刻，预充电电容支路电流归零，第一晶闸管t1和第三晶闸管t3自然关断，避雷器mov电压达到动作电压，开始吸收系统感性元件储能并限制过电压；t5时刻，向第一机械开关s0发出合闸指令；t6时刻，第一机械开关s0合闸成功，第一避雷器mov1开始为预充电电容泄能并将预充电电容的电压限制为设定值；t6～t7阶段内，预充电电容持续向第一避雷器mov1放电；t7时刻第一避雷器mov1吸能完毕，预充电电容电压限制到设定值，此时预充电电容电压变为上正下负；t8时刻，向第一机械开关s0发出分闸指令；t9时刻，第一机械开关s0分闸成功，至此断路器已达到再次分断故障的所有条件，t10时刻，故障再次发生，此时由于预充电电容电压极性反向，根据电容换流单元所具有的对称性，可再次将电容换流单元投入使用，无需为预充电电容提供充电回路。

如图3所示，第二实施例提供的电容换流单元2包括：晶闸管t0、第二机械开关s1、第三机械开关s2、第四机械开关s3、第五机械开关s4、第一机械开关s0、预充电电容c、换流电感l和第一避雷器mov1；第二机械开关s1和第五机械开关s4串联连接，第三机械开关s2和第四机械开关s3串联连接，第一避雷器mov1和第一机械开关s0串联连接在第二机械开关s1与第五机械开关s4的串联连接端与第三机械开关s2与第四机械开关s3的串联连接端之间；预充电电容c和换流电感l串联连接在第二机械开关s1与第五机械开关s4的串联连接端与第三机械开关s2与第四机械开关s3的串联连接端之间；晶闸管t0的一端作为电容换流单元2的一端，晶闸管t0的另一端与第二机械开关s1的非串联端和第三机械开关s2的非串联端共同连接；第四机械开关s3的非串联端与第五机械开关s4的非串联端共同作为电容换流单元2的另一端。

如图6所示，基于电容换流的固态式高压直流断路器工作过程如下：t0～t1阶段，系统正常运行，此时电容换流单元闭锁，第二机械开关s1和第四机械开关s3导通，晶闸管t0、第一机械开关s0、第三机械开关s2、第五机械开关s4关断，电流由电源阀侧经过scr单元流向负载；t1时刻，系统发生短路故障；t1～t2时间内，系统判定发生短路故障；t2时刻，保护装置向晶闸管t0发出导通指令，由于预充电电容极性设置，电流由scr单元所在支路逐渐转移至晶闸管t0、第二机械开关s1和第四机械开关s3所在支路；t3时刻，scr单元1电流过零自然关断；t2～t4阶段内，电源阀侧向预充电电容充电，电流持续降低，预充电电容电压极性反向，由下正上负变为上正下负；t4时刻，预充电电容所在支路电流归零，此时晶闸管t0自然关断，避雷器mov电压达到动作电压，开始吸收系统感性元件储能并限制过电压；t5时刻，向第一机械开关s0发出合闸指令；t6时刻第一机械开关s0合闸成功，此时第一避雷器mov1开始为预充电电容c泄能并将预充电电容电压限制为设定值；t6～t7阶段内，预充电电容持续向第一避雷器mov1放电；t7时刻，避雷器第一避雷器mov1吸能完毕，预充电电容电压限制到设定值，预充电电容电压变为下正上负；t8时刻，向第一机械开关s0发出分闸指令，向第二机械开关s1和第四机械开关s3发出分闸指令，此时流过第二机械开关s1和第四机械开关s3的电流为0，预充电电容两端电压加在第三机械开关s2、第五机械开关s4两端，因此第二机械开关s1和第四机械开关s3可开始在零电流零耐压下缓慢分闸；t9时刻，第一机械开关s0、第二机械开关s1和第四机械开关s3分闸成功，向第三机械开关s2、第五机械开关s4发出合闸指令；t10时刻，第三机械开关s2、第五机械开关s4合闸成功；至此断路器已达到再次分断故障的所有条件；t11时刻，故障再次发生，此时由于预充电电容电压反向，根据电容换流单元所具有的对称性，可再次将电容换流单元投入使用，无需为预充电电容提供充电回路。

与第一实施例相比，第二实施例提供的高压电容换流单元采用机械开关s1、s2、s3、s4分别代替了低压电容换流单元中的第一晶闸管t1、第二晶闸管t2、第三晶闸管t3、第四晶闸管t4，由于机械开关均只要求在零电流零耐压下分断故障，且对机械开关的动作速度无太高要求，因此在高压系统中，将第一晶闸管t1、第二晶闸管t2、第三晶闸管t3和第四晶闸管t4用第二机械开关s1、第三机械开关s2、第四机械开关s3和第五机械开关s4代替，能极大的降低所需晶闸管的容量，降低断路器整机造价，所述基于电容换流的固态式低压直流断路器和所述基于电容换流的固态式高压直流断路器只是相对而言的概念，整体来说，考虑到scr单元主要由晶闸管串并联构成，具有一定的通态损耗，因此两类断路器均较为适用于中低压直流系统。

如图4所示，第三实施例提供的电容换流单元2包括：第一晶闸管t1、第二晶闸管t2、第三晶闸管t3、第四晶闸管t4、预充电电容c、换流电感l、第一避雷器mov1、第一机械开关s0、第一反向晶闸管t11、第二反向晶闸管t22、第三反向晶闸管t33和第四反向晶闸管t44，第一晶闸管t1和第四晶闸管t4串联连接，第二晶闸管t2和第三晶闸管t3串联连接，第一避雷器mov1和第一机械开关s0串联连接在第一晶闸管t1与第四晶闸管t4的串联连接端与第二晶闸管t2与第三晶闸管t3的串联连接端之间；预充电电容c和换流电感l串联连接在第一晶闸管t1与第四晶闸管t4的串联连接端与第二晶闸管t2与第三晶闸管t3的串联连接端之间；第一晶闸管t1的非串联端与第二晶闸管t2的非串联端共同作为电容换流单元2的一端；第三晶闸管t3的非串联端与第四晶闸管t4的非串联端共同作为电容换流单元2的另一端；第一反向晶闸管t11与第一晶闸管t1并联连接，第二反向晶闸管t22与第二晶闸管t2并联连接，第三反向晶闸管t33与第三晶闸管t3并联连接，第四反向晶闸管t44第四晶闸管t4并联连接。

基于电容换流的固态式双向直流断路器工作过程如下：假设在系统正常运行时，工作电流由左侧流向右侧，此时第一晶闸管t1、第二晶闸管t2、第三晶闸管t3、第四晶闸管t4、第一反向晶闸管t11、第二反向晶闸管t22、第三反向晶闸管t33、第四反向晶闸管t44均处于关断状态，当系统发生故障点在断路器右侧，即故障电流由左向右流动，则基于电容换流的固态式双向直流断路器工作过程同基于电容换流的混合式低压直流断路器工作过程。第一晶闸管t1、第二晶闸管t2、第三晶闸管t3、第四晶闸管t4、第一反向晶闸管t11、第二反向晶闸管t22、第三反向晶闸管t33、第四反向晶闸管t44反向并联的主要目的是预充电电容电压极性无论如何改变，均能通过对晶闸管的控制产生一个任意方向的电流对故障电流进行换流，能用单个预充电电容实现双向故障电流的分断和双向故障电流重合闸后再次分断，具备一定的经济优势。

第三实施例与第一实施例相比，低压电容换流单元中第一晶闸管t1、第二晶闸管t2、第三晶闸管t3、第四晶闸管t4分别采用反向并联的晶闸管模块t1、t11、t2、t22、t3、t33、t4、t44代替，通过一个预充电电容c可以实现双向故障电流的开断和双向故障电流重合闸后再次分断故障电流。

吸能单元3由避雷器mov构成，用于断路器开断故障电流后吸收系统感性元件储能和限制过电压。

在正常工况下，scr单元1通过额定电流，其运行损耗较小。当系统发生短路故障时换流单元2为scr单元1换流，保证其正常开断，随后换流单元2利用其自关断功能切断故障电流。吸能单元3用于在直流断路器开断故障后吸收故障电流被切断后电力系统中感性元件存储的能量来实现对断路器的保护。

在本发明实施例中，电容换流单元中预充电电容电压先减小至零，后继续增大，因此流经预充电电容的电流在持续减小，当预充电电容电压达到避雷器动作电压，避雷器动作，此时系统感性元件电流小，感性元件储能小，避雷器mov吸能小。

在本发明实施例中，由于机械式直流断路器和混合式直流断路器切断故障电流相对较慢，应用在故障电流上升率极高的直流系统中将对机械断口提出极高的要求，而基于电容换流的固态式直流断路器切断故障耗时短，对于故障电流上升率很高的中低压直流系统有着很好的应用优势。

在本发明中，传统固态式直流断路器采用全控型半导体器件关断故障电流，出现某个半导体器件最先导通或最后关断故障电流，则容易造成该器件耐受过高的电流电压而损毁，对半导体器件动作的一致性要求极高，而基于电容换流的固态式直流断路器的scr单元和电容换流单元内部晶闸管均在电流过零时关断，对半导体器件动作的一致性要求较低，控制难度下降。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。