一種混合式直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于直流斷路器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種混合式直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，柔性直流配電網(wǎng)在提高供電半徑和容量、降低線路成本、便于分布式電源接 入、提高系統(tǒng)效率等方面與傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)相比具有顯著的技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢。但在實際應(yīng) 用中，由于缺乏實用可靠的直流斷路器，使得柔性直流配電網(wǎng)的直流側(cè)短路故障難以及時 清除，導(dǎo)致其發(fā)展受到很大的限制。
[0003] 現(xiàn)階段，直流斷路器的研制主要面臨以下困難：（1)直流電流沒有自然過零點，直 流電弧熄滅困難；（2)電流切斷后斷路器兩端會產(chǎn)生較高的恢復(fù)過電壓；（3)電流切斷后系 統(tǒng)電感中存儲的能量需要釋放;（4)直流輸配電網(wǎng)等應(yīng)用場合對開斷時間要求短。
[0004] 常用的直流斷路器包括:傳統(tǒng)機械式直流斷路器、全固態(tài)直流斷路器和混合式直 流斷路器;其主要優(yōu)缺點在于:傳統(tǒng)機械式直流斷路器損耗低而開斷速度慢;全固態(tài)直流斷 路器開斷速度快而損耗大;混合式直流斷路器結(jié)合了兩者的優(yōu)點，成為了中高壓直流領(lǐng)域 最有發(fā)展前景的方案。
[0005] 常規(guī)的混合式直流斷路器是利用機械開關(guān)分?jǐn)鄷r觸頭兩端產(chǎn)生的電弧電壓為固 態(tài)開關(guān)建立正向電壓使其導(dǎo)通。然而在高壓系統(tǒng)中大量的全控器件串聯(lián)產(chǎn)生的通態(tài)壓降一 般為幾十伏甚至近百伏，單純依靠電弧電壓不能百分百保證固態(tài)開關(guān)的導(dǎo)通和完全換流。 因此，如何為固態(tài)開關(guān)建立正向電壓使其可靠導(dǎo)通并使短路電流完全轉(zhuǎn)移到固態(tài)開關(guān)支路 是混合式高壓直流斷路器研制方面的關(guān)鍵技術(shù)問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種設(shè)計合理、損耗低、可實現(xiàn)雙向 快速關(guān)斷且能夠確保固態(tài)開關(guān)可靠導(dǎo)通的混合式直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0007] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題是采取以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0008] -種混合式直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括三條并聯(lián)支路，第一支路由第一機械開關(guān) K1、第二機械開關(guān)K2和電容C構(gòu)成，所述第一機械開關(guān)K1和第二機械開關(guān)K2串聯(lián)，該第二機 械開關(guān)K2與電容C并聯(lián)，用于導(dǎo)通系統(tǒng)正常工作電流;第二支路為固態(tài)開關(guān)S，所述固態(tài)開關(guān) S由若干個IGBT模塊串聯(lián)組成，每個IGBT模塊由兩個IGBT反向串聯(lián)構(gòu)成，用于實現(xiàn)雙向關(guān)斷 故障電流;第三支路為由多個ZnO避雷器串并聯(lián)組成的能量釋放支路。
[0009] 而且，所述一種混合式直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，還包括:一個限流電抗器和一個隔離 開關(guān)，所述限流電抗器的一端與隔離開關(guān)的一端相連接，所述隔離開關(guān)的另一端與所述三 條并聯(lián)支路的一端串聯(lián)。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是：
[0011] 1、本發(fā)明在正常導(dǎo)通狀態(tài)下電流流過第一機械開關(guān)Kl和第二機械開關(guān)K2,對混合 式直流斷路器的損耗小。
[0012] 2、混合式直流斷路器開斷時，由于并聯(lián)電容C的存在，電容電壓可使得固態(tài)開關(guān)S 可靠導(dǎo)通。
[0013] 3、本發(fā)明的固態(tài)開關(guān)S由若干個IGBT模塊串聯(lián)組成，每個IGBT模塊由兩個IGBT反 向串聯(lián)構(gòu)成，可實現(xiàn)雙向關(guān)斷故障電流。
[0014] 4、由固態(tài)開關(guān)S切斷故障電流時，第一機械開關(guān)Kl無需滅弧功能，因此整個混合式 直流斷路器的開斷時間較短。
【附圖說明】
[0015] 圖1是本發(fā)明的混合式直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖2是本發(fā)明的混合式直流斷路器開斷過程示意圖；
[0017] 圖3是本發(fā)明的混合式直流斷路器開斷過程仿真電路示意圖；
[0018] 圖4是本發(fā)明的混合式流斷路器開斷過程仿真波形圖。
【具體實施方式】
[0019] -種混合式直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示，包括一個限流電抗器、一個隔離開 關(guān)和三條并聯(lián)支路;所述限流電抗器的一端與隔離開關(guān)的一端相連接，所述隔離開關(guān)的另 一端與所述三條并聯(lián)支路的一端串聯(lián);所述三條并聯(lián)支路中，第一支路由第一機械開關(guān)KU 第二機械開關(guān)K2和電容C構(gòu)成，所述第一機械開關(guān)Kl和第二機械開關(guān)K2串聯(lián)，該第二機械開 關(guān)K2與電容C并聯(lián)，用于導(dǎo)通系統(tǒng)正常工作電流;上述第一機械開關(guān)Kl和第二機械開關(guān)K2均 為超快速機械開關(guān);第二支路為固態(tài)開關(guān)S，所述固態(tài)開關(guān)S由若干個IGBT模塊串聯(lián)組成，每 個IGBT模塊由兩個IGBT反向串聯(lián)構(gòu)成，用于實現(xiàn)雙向關(guān)斷故障電流;第三支路為由多個ZnO 避雷器串并聯(lián)組成的能量釋放支路。
[0020] 本發(fā)明的工作原理如圖2所示，正常情況下，Kl、K2處于閉合狀態(tài)，固態(tài)開關(guān)S關(guān)斷， 系統(tǒng)工作電流流過1(1、1(2;當(dāng)七時刻系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，故障電流在限流電抗器的限流作 用下以一定斜率上升;t 2時刻保護(hù)系統(tǒng)檢測到短路故障，發(fā)出開斷命令，觸發(fā)固態(tài)開關(guān)S導(dǎo) 通的同時打開第二機械開關(guān)K2，此時在電弧電壓作用下向電容C充電，電弧電流減?。挥捎?電弧的負(fù)阻性，電弧電壓進(jìn)一步增加，電容電流進(jìn)一步增大，很快到t 3時刻故障電流將全部 換流到電容C上，第二機械開關(guān)K2實現(xiàn)關(guān)斷；t3開始隨著電容的充電，電容電壓迅速增加，t4 時刻電容C電壓上升到能夠使固態(tài)開關(guān)S可靠導(dǎo)通，故障電流由電容C支路轉(zhuǎn)移到固態(tài)開關(guān)S 支路;^時刻故障電流轉(zhuǎn)移完畢，電容C電流減小為零;斷開第一機械開關(guān)Kl，由于Kl兩端電 壓幾乎為零，電流也幾乎為零，因此其開斷可非常迅速。當(dāng)?shù)谝粰C械開關(guān)Kl觸頭間達(dá)到額定 開距足以承受恢復(fù)過電壓后，t6時刻關(guān)斷固態(tài)開關(guān)S，由固態(tài)開關(guān)S切斷故障電流;t7時刻由 于固態(tài)開關(guān)S支路上電流的迅速減小，在限流電抗器上產(chǎn)生的過電壓將使ZnO避雷器導(dǎo)通， 故障電流將由固態(tài)開關(guān)S支路換流到ZnO避雷器支路;t 8時刻ZnO避雷器支路釋放掉存儲在 系統(tǒng)中的能量后，兩端電壓恢復(fù)到系統(tǒng)額定電壓，整個故障電流處理過程結(jié)束。
[0021 ] 為驗證上述混合式直流斷路器方案的可行性，利用Matlab軟件對上述混合式直流 斷路器工作過程進(jìn)行仿真，其開斷過程仿真電路如圖3所示，包括一個直流電源、一個電感 L、第一電阻辦、混合式直流斷路器、第二電阻此和斷路器QB，所述直流電源的正極與電感L的 一端相連接，該電感L的另一端與第一電阻R 1、混合式直流斷路器和第二電阻辦依次連接，所 述第二電阻R2另一端與所述直流電源的負(fù)極相連接，所述斷路器QB并聯(lián)在該第二電阻R2的 兩端。
[0022]其中，混合式直流斷路器的第一機械開關(guān)Kl和第二機械開關(guān)K2用Mayr電弧模型代 替;Mayr模型是根據(jù)熱平衡、熱慣性、熱游離三個基本原理推導(dǎo)得出，則單位長度電弧可表 示為：
[0023]
[0024] 式中，g為單位長度電弧電導(dǎo)，dg/dt為單位長度電弧電弧的導(dǎo)數(shù)，e為電弧電位梯 度，i為電弧電流，Θμ為電弧時間常數(shù)，Pi。％為單位長度電弧散熱功率。
[0025] 所述混合式直流斷路器工作過程的仿真電路中各元件的參數(shù)如下表所示:Vref為 避雷器參考電壓即保護(hù)電壓，I ref為避雷器參考電流，η為避雷器并聯(lián)數(shù)目，leu為避雷器各 區(qū)域的參數(shù)。
[0028] 開始時混合式直流斷路器處于閉合狀態(tài)，斷路器QB處于斷開狀態(tài)，0.199s時將斷 路器QB閉合，模擬短路故障。假設(shè)0.1ms后保護(hù)系統(tǒng)檢測到故障發(fā)出開斷信號，0.02s時觸發(fā) 固態(tài)開關(guān)導(dǎo)通，同時斷開開關(guān)K2。則可獲得如圖4所示的仿真結(jié)果。
[0029] 從圖4的仿真波形可看出，0.02s后故障電流在電弧電壓作用下很快由K2轉(zhuǎn)移到電 容C上，電容電壓為固態(tài)開關(guān)S提供正向電壓，故障電流再由電容轉(zhuǎn)移到固態(tài)開關(guān)上。待故障 電流轉(zhuǎn)移完全后，斷開開關(guān)Kl。假設(shè)0.0201s時開關(guān)Kl已經(jīng)完全斷開，向固態(tài)開關(guān)S發(fā)出關(guān)斷 信號，由固態(tài)開關(guān)S切斷故障電流。此后在過電壓作用下ZnO避雷器動作，釋放掉存儲在系統(tǒng) 中的能量，接近0.0207s時能量釋放完畢，電壓恢復(fù)到系統(tǒng)額定電壓，整個關(guān)斷過程結(jié)束。仿 真中整個關(guān)斷過程大概需0.8ms，本實驗結(jié)果證明了上述混合式直流斷路器方案的可行性。
[0030] 需要強調(diào)的是，本發(fā)明所述的實施例是說明性的，而不是限定性的，因此本發(fā)明包 括并不限于【具體實施方式】中所述的實施例，凡是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案 得出的其他實施方式，同樣屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種混合式直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于:包括三條并聯(lián)支路，第一支路由第一 機械開關(guān)K1、第二機械開關(guān)K2和電容C構(gòu)成，所述第一機械開關(guān)K1和第二機械開關(guān)K2串聯(lián)， 該第二機械開關(guān)K2與電容C并聯(lián)，用于導(dǎo)通系統(tǒng)正常工作電流;第二支路為固態(tài)開關(guān)S，所述 固態(tài)開關(guān)S由多個IGBT模塊串聯(lián)組成，每個IGBT模塊由兩個IGBT反向串聯(lián)構(gòu)成，用于實現(xiàn)雙 向關(guān)斷故障電流;第三支路為由多個ZnO避雷器串并聯(lián)組成的能量釋放支路。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種混合式直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于:還包括一個限 流電抗器和一個隔離開關(guān)，所述限流電抗器的一端與隔離開關(guān)的一端相連接，所述隔離開 關(guān)的另一端與所述三條并聯(lián)支路的一端串聯(lián)。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種混合式直流斷路器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其技術(shù)特點是：包括三條并聯(lián)支路，第一支路由第一機械開關(guān)K1、第二機械開關(guān)K2和電容C構(gòu)成，所述第一機械開關(guān)K1和第二機械開關(guān)K2串聯(lián)，該第二機械開關(guān)K2與電容C并聯(lián)，用于導(dǎo)通系統(tǒng)正常工作電流；第二支路為固態(tài)開關(guān)S，所述固態(tài)開關(guān)S由若干個IGBT模塊串聯(lián)組成，每個IGBT模塊由兩個IGBT反向串聯(lián)構(gòu)成，用于實現(xiàn)雙向關(guān)斷故障電流；第三支路為由多個ZnO避雷器串并聯(lián)組成的能量釋放支路。本發(fā)明的混合式直流斷路器的優(yōu)點為損耗低、可實現(xiàn)雙向快速關(guān)斷且能夠確保固態(tài)開關(guān)可靠導(dǎo)通。
【IPC分類】H01H9/54
【公開號】CN105609344
【申請?zhí)枴緾N201610165074
【發(fā)明人】宋光舉, 孫振, 于嘯, 張晶, 趙潤澤, 劉偉
【申請人】國網(wǎng)天津市電力公司, 國家電網(wǎng)公司
【公開日】2016年5月25日
【申請日】2016年3月22日