CN104810807A - 一种10kV配电网混合式高压直流断路器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种10kV配电网混合式高压直流断路器，属于10kV直流配电网络应用的直流断路器领域，该所述直流断路器由主电流支路、主断路器支路和过电压保护及能量吸收支路及测量控制系统组成,该三条支路相互并联,该测量控制系统分别与三条支路相连,用以控制三条支路的工作时序。本发明的断路器不需要有源器件如充电电容器辅助过零，控制简单，可靠性较高,以满足我国直流输电网和直流配电网对直流断路器的需求。

Description

一种10kV配电网混合式高压直流断路器

技术领域

本发明属于10kV直流配电网络应用的直流断路器领域，涉及一种基于快速机械开关和电力电子固态开关的混合直流断路器，主要考虑快速机械开关和电力电子固态开关的配合问题，涉及到机械开关断口的设计和电力电子固态开关的设计，以及开断过程原理和能量吸收过程。

背景技术

面对经济社会的快速发展，用户对电力系统提出了更加环境友好、安全可靠、优质经济并支持用户与电网双向互动等要求。随着城市规模的迅速增长、分布式能源的不断发展，以及电力负荷种类的增加，电压等级为10kV的直流配电系统在较大容量的电力传输、分布式能源接入、提供交流系统的无功补偿等方面显示出明显的优势，成为现阶段直流系统，尤其是柔性直流系统，在城市电网供用电应用方面的重要领域。除此之外，基于直流的配电网还可以快速独立地控制有功、无功，隔离交流电网故障的传播，改善传统交流配电网容易产生的谐波污染、电压间断、波形闪变等电能质量问题。因此，研究具有安全可靠、经济稳定的直流配电网具有巨大的市场价值和经济价值，对于整个电力系统稳定性、灵活性和智能性也有重要的意义，未来直流配电系统的前景十分广阔。

目前，在10kV直流配电系统中，主要通过闭锁换流器或开断交流断路器来切除直流故障电流。若采用现有方法应用到直流配电网中，整个直流配电系统将短时停运，并对并联运行的交流系统造成巨大冲击，严重降低系统供电的可靠性；而对于高压输电线路，由于切除故障的局限性，通常只能采用点对点的方式。如能在直流配电系统中应用ms极大电流开断能力的直流断路器，快速切除直流设备或直流支路的故障，则可以保证直流配电系统非故障部分的稳定运行，极大的提高可靠性；点对点直流输电线路也可扩展为直流输电网，为分布式能源的大规模接入提供便利。

10kV直流配电系统中的故障电流开断主要有以下困难：

一、由于直流系统中电流不存在自然过零点，若采用传统的交流断路器开断直流，灭弧十分困难；

二、开断直流电流后，会产生很大的过电压，同时直流系统中存储的大量能量需要被吸收；

三、直流系统中故障电流将在几毫秒内迅速上升，故直流断路器需要在毫秒级迅速动作，在电流到达峰值前切断故障，以防止故障扩散、设备损坏甚至直流系统解列。

传统的机械式交流断路器分合闸时间为几十至上百ms，开断时间长，不能满足快速开断直流故障电流的需求。传统机械式的断路器已经不能满足现有直流系统开断故障电流的要求。

随着电力电子技术和快速机械开关技术的发展，现有满足直流系统开断要求的断路器主要有三种方案：基于快速机械开关的人工过零点断路器、基于电力电子技术的固态断路器、基于电力电子技术和快速机械开关技术的自然换流型混合式断路器。将三种方案同之前所述的传统机械式断路器性能作比较，如下表1所示：

表1 四种直流断路器优缺点比较

      

现有人工过零点型断路器，需要较大的有源电容器，与电感器构成人工振荡过零回路，体积庞大、控制复杂、可靠性较低，如果开断失败难以补救。

现有ABB等提出的混合式直流断路器方案，主电流支路采用机械开关和辅助开关串联。其中辅助开关为电力电子开关，正常运行时有较大的导通损耗。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处,提出一种10kV直流配电网络混合式高压直流断路器，本发明的断路器不需要有源器件如充电电容器辅助过零，具有固态断路器的优点。同时正常导通状态下由机械开关作为主电流支路，通态损耗很小，不需要复杂可靠的冷却设备。使控制简单，可靠性较高。由于电压等级在10kV，采用现有的高压电力电子 器件的数量有限，成本不高。

本发明提出的一种10kV直流配网混合式高压直流断路器，其特征在于，所述混合式高压直流断路器是基于自然换流式混合直流断路器，该混合式高压直流断路器由主电流支路、主断路器支路和过电压保护及能量吸收支路及测量控制系统组成,该三条支路相互并联,该测量控制系统分别与三条支路相连,用以控制三条支路的工作时序。

所述主电流支路可由具有真空灭弧室的高速机械开关FCB组成。

所述高速机械开关可由操动机构和真空灭弧室构成。

所述主断路器支路可由四组集成门极换流晶闸管(IGCT)串联而成，每个IGCT器件并联有动态均压元件、静态均压元件和过电压保护元件，用来开断电流。

所述IGCT，可以采用任一种市场上出售的电压等级在5kV以上、最大关断电流在3kA以上的IGCT，由IGCT串联组成的主断路器支路需要满足过电压在20kV以上、关断电流在3kA以上；所述动态均压元件用于避免因器件本身和驱动信号的不一致造成的单个电力电子器件过电压过大而受损伤，所述动态均压元件采用RC动态均压元器件；所述静态均压元件，主要用于平衡串联器件间在关断状态下漏电流不均匀，采用电阻值远小于所述电力电子器件阻断电阻的功率电阻；所述过电压保护元件采用避雷器构成。

所述过电压限制和能量吸收支路可由避雷器组成，用于吸收开关关断后线路中的剩余能量和限制开关承受的过电压。

所述测量控制系统可包括多个电流传感器,电压传感器，多个位移传感器以及由信号调理电路、AD采样电路、处理器和人机交互界面组成的测量信号处理单元；其中，电流传感器分别串联系在断路的信号输入端及各支路的信号输入端；电压传感器分别高速机械开关FCB、每个电力电器件并联，以及与过电压限制和能量吸收支路并联。

所述位移传感器安装在每个FCB处，用于测量每个FCB的断口分断距离。

所述信号处理单元通过信号线与各传感器相连，接收传感器信号的信号线，信号处理单元的信号调理电路、高速AD、处理器和人机交互界面依次相连；所述处理器根据经过调理、AD转换得到的电流数据，计算电路电流幅值和变化率di/dt，判断故障电流是否发生，从而控制断路器动作。

本发明提出的10kV直流配电网混合式高压直流断路器，其优点是：

1、所述的自然换流型混合式高压直流断路器，主电流支路没有固态开关作为辅助开关，因此通态损耗可以忽略不计，正常运行下不需要复杂的冷却系统。开断时电流是在电弧作用下从机械开关转移到电力电子支路，完成开断。

2、所述自然换流型混合式高压直流断路器，不需要有源器件如充电电容器辅助过零，控制简单，可靠性较高。

3.本发明可以满足我国10kV直流配电网对直流断路器的需求。

附图说明

图1为本发明的10kV配电网的混合式高压直流断路器结构示意图。

图2为本发明的断路器的测量系统组成及电压、电流测量点示意图。

图3为本发明的断路器分断时的电流流向示意图。

图4为本发明的断路器关断过程的电流波形示意图。

具体实施方式

本发明提出的10kV配电网混合式高压直流断路器，是基于自然换流式混合直流断路器，其结构如图1所示。主要包括主电流支路，主断路器支路，过电压限制和能量吸收支路三条支路及测量控制系统；该三条支路相互并联,该测量控制系统分别与三条支路相连,用以控制三条支路的工作时序。

本发明的混合式高压直流断路器适用于10kV配电网中，可取代传统的机械式断路器，以及其它类型的断路器。

本发明的断路器的各组成部件的具体实施方式说明如下：

所述主电流支路由高速机械开关FCB组成，为直流系统安全运行情况下的电流通路，如图2上部虚线框所示。本发明的高速机械开关由操动机构和灭弧室组成,操动机构为基于电磁斥力的高速开关。灭弧室可采用真空灭弧室

所述主断路器支路由多个IGCT串联组成，每个IGCT并联有动态均压元件、静态均压元件和过电压保护元件，用来开断电流，如图1中部虚线框所示。所述IGCT，串联后能够承受静态的直流系统电压和关断时短时的过电压。与每个电力电子器件并联的动态均压元件用于避免因器件本身和驱动信号的不一致造成的单个电力电子器件过电压过大而受损伤，所述动态均压元件采用电阻和电容串联构成的RC均压元件。与每个电力电子器件并联的静态均压元件，主要用于平衡串联器件间在关断状态下漏电流不均匀，采用电阻值远小于所述电力电子器件阻断电阻的功率电阻来作为静态均压元件。与每个电力电子器件并联的过电压保护元件采用避雷器构成。主断路器支路串联的电力电子器件数量根据单个电力电子器件的额定电压与需要承受的总过电压决定；主断路器支路中的电力电子器件并联元件数量由单个电力电子器件的额定电流和需要开断的最大电流决定。

所述过电压限制和能量吸收支路由避雷器组成，用于吸收开关关断后线路中的剩余能量和限制开关承受的过电压，如图1下部虚线框所示。

断路器的测量控制系统包括四个电流传感器A0、A1、A2、A3,电压传感器V1～Vn，U0～Un， 位移传感器L1～Ln以及由信号调理电路、AD采样电路、处理器和人机交互界面组成的测量信号处理单元。如图2所示：其中， 

1、电流传感器A0、A1、A2、A3：分别串联系在断路器模块的信号输入端及各支路的信号输入端，即A0用于测量流经所述断路器模块整体电流I₀、A1测量主电流支路电流I₁、A2测量主断路器支路电流I₂、A3测量过电压限制电路的电流I₃。

2、电压传感器V1和U0～Un：V1与高速机械开关FCB并联，用于测量高速机械开关断口电压V1、U1～Un分别与每个电力电器件并联，用于测量每个电力电子器件两端的电压、U0与过电压限制和能量吸收支路并联。

3、位移传感器L1～Ln：安装在每个FCB处，用于测量每个FCB的断口分断距离。

4、所述信号处理单元通过信号线与各传感器相连，接收传感器信号的信号线，信号处理单元的信号调理电路、高速AD、处理器和人机交互界面依次相连。所述处理器根据经过调理、AD转换得到的电流数据，计算电路电流幅值和变化率di/dt，判断故障电流是否发生，从而控制断路器动作。因此本发明所述直流断路器既提供外部控制的接口，也可以主动控制起到限流器的作用。

下面以单个模块具有两个断口的直流混合开关为例，具体阐述所述的自然换流型混合式直流断路器模块的分断过程和合闸过程，如图3所示：

1、10kV配电网过混合式高压直流断路器分断过程。

1)在t0时刻前，系统正常运行电流全部从主电流支路通过，即机械开关闭合，IGCT也处于闭合状态。系统额定电压为U0，电流通路如图3(a)。

2)在时刻t1开始，测量控制系统检测到故障电流，发出断路器动作指令，电力电子器件均打开，高速机械开关动作，断口产生电弧，主断路器支路所串联的电力电子器件两端电压等于断口的电弧电压。由于电弧电压高于IGCT的导通压降之和，因此电弧电流开始向主断路器支路转移。如图3(b)

3)在t2时刻，电流全部转移到主断路器支路，电弧熄灭。此时，控制保持电力电子器件为导通状态，直到FCB断口的绝缘强度恢复到可以承受关断时的过电压和直流电压。如图3(c)

4)在t3时刻，FCB断口绝缘强度恢复到可以承受关断时的过电压和直流电压，主断路器支路的IGCT全部关断，在关断过程中，单组IGCT的动态均压电路和限压电路限制单个器件关断时的过电压不超过器件安全工作区。

5)主断路器关断后，电流流过电压限制和能量吸收支路，逐渐减小至泄露电流的水平，分断结束，如图3(d)。

以上为断路器的分断过程，开断过程流过断路器模块各支路的电流波形如图4所示， t1～t2为电流从主电流支路转移到主断路器支路的过程，t2～t3为电力电子器件保持开通以使得FCB断口绝缘强度恢复的过程，t3～t4为开断过电压限制支路的能量吸收过程。

2、自然换流型混合式直流断路器模块合闸过程

合闸过程与分断过程相反，先保持机械开关分断，打开电力电子器件，此时电流流过主断路器支路；闭合FCB，关断电力电子器件，电流全部转移至主电流支路。参考分断过程，合闸过程较为简单，再次不予以图文赘述。

本发明的10kV配电网混合式高压直流断路器，基于自然换流的原理，主电流支路没有固态开关作为辅助开关，因此通态损耗可以忽略不计，正常运行下不需要复杂的冷却系统。开断时电流是在电弧作用下从机械开关转移到电力电子支路，完成开断。如果需要提高电压等级，需要通过增加电力电子器件的串联数量，并保证FCB灭弧室的在拉弧时的电弧电压大于电力电子器件通态压降之和。所述的10kV配电网混合式高压直流断路器，不需要有源器件如充电电容器辅助过零，控制简单，可靠性较高。

Claims (8)

1.一种适10kV配电网混合式高压直流断路器，其特征在于，所述混合式高压直流断路器是基于自然换流式混合直流断路器，所述混合式高压直流断路器由主电流支路、主断路器支路和过电压保护及能量吸收支路及测量控制系统组成,该三条支路相互并联,该测量控制系统分别与三条支路相连,用以控制三条支路的工作时序。

2.如权利要求1所述的混合式高压直流断路器，其特征在于，所述主电流支路由高速机械开关FCB组成。

3.如权利要求2所述的混合式高压直流断路器，其特征在于，所述高速机械开关由操动机构和真空灭弧室构成。

4.如权利要求1所述的混合式高压直流断路器，其特征在于，所述主断路器支路由多个电力电子器件串联，每个电力电子器件并联有动态均压元件、静态均压元件和过电压保护元件，用来开断电流。

5.如权利要求4所述的混合式高压直流断路器，其特征在于，所述电力电子器件采用IGCT、IEGT、IGBT之中的任一种大功率电力电子器件；所述动态均压元件用于避免因器件本身和驱动信号的不一致造成的单个电力电子器件过电压过大而受损伤，所述动态均压元件采用RC、RCD电力电子技术中常用的动态均压元器件；所述静态均压元件，主要用于平衡串联器件间在关断状态下漏电流不均匀，采用电阻值远小于所述电力电子器件阻断电阻的功率电阻；所述过电压保护元件采用避雷器构成。

6.如权利要求1所述的混合式高压直流断路器，其特征在于，所述过电压限制和能量吸收支路由避雷器组成，用于吸收开关关断后线路中的剩余能量和限制开关承受的过电压。

7.如权利要求2所述的混合式高压直流断路器，其特征在于，所述测量控制系统包括多个电流传感器,多个电压传感器，多个位移传感器以及由信号调理电路、AD采样电路、处理器和人机交互界面组成的测量信号处理单元；其中，电流传感器分别串联系在断路器模块的信号输入端及各支路的信号输入端；电压传感器分别与主电流支路的高速机械开关FCB、每个电力电器件并联，以及与过电压限制和能量吸收支路并联；所述位移传感器安装在FCB处，用于测量FCB的断口分断距离。

8.如权利要求7所述的混合式高压直流断路器，其特征在于，所述信号处理单元通过信号线与各传感器相连，接收传感器信号的信号线，信号处理单元的信号调理电路、高速AD、处理器和人机交互界面依次相连；所述处理器根据经过调理、AD转换得到的电流数据，计算电路电流幅值和变化率di/dt，判断故障电流是否发生，从而控制断路器动作。