一種自然換流型混合式高壓直流斷路器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于直流輸配電網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的直流斷路器領(lǐng)域，涉及一種基于快速機械 開關(guān)和電力電子固態(tài)開關(guān)的自然換流混合直流斷路器，主要考慮快速機械開關(guān)和電力電子 固態(tài)開關(guān)的配合問題，涉及到機械開關(guān)斷口的設(shè)計和電力電子固態(tài)開關(guān)的設(shè)計，以及開斷 過程原理和能量吸收過程。
【背景技術(shù)】
[0002] 面對經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，用戶對電力系統(tǒng)提出了更加環(huán)境友好、安全可靠、優(yōu)質(zhì) 經(jīng)濟并支持用戶與電網(wǎng)雙向互動等要求。隨著城市規(guī)模的迅速增長、分布式能源的不斷發(fā) 展，以及電力負(fù)荷種類的增加，電壓等級為±20kV(高壓直流配電等級）以下的直流配電系 統(tǒng)在較大容量的電力傳輸、分布式能源接入、提供交流系統(tǒng)的無功補償?shù)确矫骘@示出明顯 的優(yōu)勢，成為現(xiàn)階段直流系統(tǒng)，尤其是柔性直流系統(tǒng)，在城市電網(wǎng)供用電應(yīng)用方面的重要領(lǐng) 域。除此之外，基于直流的配電網(wǎng)還可以快速獨立地控制有功、無功，隔離交流電網(wǎng)故障的 傳播，改善傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)容易產(chǎn)生的諧波污染、電壓間斷、波形閃變等電能質(zhì)量問題。因 此，研宄具有安全可靠、經(jīng)濟穩(wěn)定的直流配電網(wǎng)具有巨大的市場價值和經(jīng)濟價值，對于整個 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、靈活性和智能性也有重要的意義，未來直流配電系統(tǒng)的前景十分廣闊。
[0003] 目前，在直流輸電系統(tǒng)中，主要通過閉鎖換流器或開斷交流斷路器來切除直流故 障電流。若采用現(xiàn)有方法應(yīng)用到直流配電網(wǎng)中，整個直流配電系統(tǒng)將短時停運，并對并聯(lián)運 行的交流系統(tǒng)造成巨大沖擊，嚴(yán)重降低系統(tǒng)供電的可靠性；而對于高壓輸電線路，由于切除 故障的局限性，通常只能采用點對點的方式。如能在直流配電系統(tǒng)中應(yīng)用ms極大電流開斷 能力的直流斷路器，快速切除直流設(shè)備或直流支路的故障，則可以保證直流配電系統(tǒng)非故 障部分的穩(wěn)定運行，極大的提高可靠性；點對點直流輸電線路也可擴展為直流輸電網(wǎng)，為分 布式能源的大規(guī)模接入提供便利。
[0004] 目前部分的高壓直流斷路器其結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中共有n個斷路器模塊串聯(lián)，相 鄰兩個斷路器模塊之間通過隔離開關(guān)相連，隔離開關(guān)是為了便于模塊連接、模塊調(diào)試和檢 修。隔離開關(guān)可以包含常規(guī)的真空斷路器等，屬于串聯(lián)所需設(shè)備，通過模塊化設(shè)計和串聯(lián)， 可以根據(jù)直流系統(tǒng)的電壓等級來調(diào)整斷路器模塊串聯(lián)個數(shù)。
[0005] 直流系統(tǒng)中的故障電流開斷主要有以下困難：
[0006] 一、由于直流系統(tǒng)中電流不存在自然過零點，若采用傳統(tǒng)的交流斷路器開斷直流， 滅弧十分困難；
[0007] 二、開斷直流電流后，會產(chǎn)生很大的過電壓，同時直流系統(tǒng)中存儲的大量能量需要 被吸收；
[0008] 三、直流系統(tǒng)中故障電流將在幾毫秒內(nèi)迅速上升，故直流斷路器需要在毫秒級迅 速動作，在電流到達(dá)峰值前切斷故障，以防止故障擴散、設(shè)備損壞甚至直流系統(tǒng)解列。
[0009] 傳統(tǒng)的機械式斷路器，一般采用交流斷路器疊加振蕩電流和能量吸收裝置，強迫 電流過零點，實現(xiàn)開斷直流電流的功能。但交流斷路器分合閘時間為幾十至上百ms，開斷時 間長，不能滿足快速開斷直流故障電流的需求。傳統(tǒng)機械式的斷路器已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有直 流系統(tǒng)開斷故障電流的要求。
[0010] 隨著電力電子技術(shù)和快速機械開關(guān)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有滿足直流系統(tǒng)開斷要求的斷 路器主要有三種方案：基于快速機械開關(guān)的人工過零點斷路器、基于電力電子技術(shù)的固態(tài) 斷路器、基于電力電子技術(shù)和快速機械開關(guān)技術(shù)的自然換流型混合式斷路器。將三種方案 同之前所述的傳統(tǒng)機械式斷路器作比較，如下表1所示：
[0011] 表1四種直流斷路器優(yōu)缺點比較
[0012]
【主權(quán)項】
1. 一種自然換流型混合式高壓直流斷路器，由多個完全相同的高壓直流斷路器模塊通 過隔離開關(guān)串聯(lián)而成，其特征在于，所述高壓直流斷路器模塊是基于自然換流式混合直流 斷路器，所述每個斷路器模塊由主電流支路、主斷路器支路和過電壓保護(hù)及能量吸收支路 及測量控制系統(tǒng)組成，該三條支路相互并聯(lián)，該測量控制系統(tǒng)分別與三條支路相連。
2. 如權(quán)利要求1所述的高壓直流斷路器，其特征在于，所述主電流支路由多個串聯(lián)的 高速機械開關(guān)FCB組成；
3. 如權(quán)利要求2所述的高壓直流斷路器，其特征在于，所述高速機械開關(guān)由操動機構(gòu) 和滅弧室構(gòu)成。
4. 如權(quán)利要求1所述的高壓直流斷路器，其特征在于，所述主斷路器支路由多個電力 電子器件串聯(lián)，每個電力電子器件并聯(lián)有動態(tài)均壓元件、靜態(tài)均壓元件和過電壓保護(hù)元件。
5. 如權(quán)利要求4所述的高壓直流斷路器，其特征在于，所述電力電子器件采用IGCT、 IEGT、IGBT之中的任一種大功率電力電子器件；所述動態(tài)均壓元件采用RC、RCD電力電子技 術(shù)中常用的動態(tài)均壓元器件；所述靜態(tài)均壓元件采用電阻值遠(yuǎn)小于所述電力電子器件阻斷 電阻的功率電阻；所述過電壓保護(hù)元件采用避雷器構(gòu)成。
6. 如權(quán)利要求1所述的高壓直流斷路器，其特征在于，所述過電壓限制和能量吸收支 路由避雷器組成。
7. 如權(quán)利要求1所述的高壓直流斷路器，其特征在于，所述測量控制系統(tǒng)包括多個電 流傳感器，多個電壓傳感器，多個位移傳感器以及由信號調(diào)理電路、AD采樣電路、處理器 和人機交互界面組成的測量信號處理單元；其中，電流傳感器分別串聯(lián)系在斷路器模塊的 信號輸入端及各支路的信號輸入端；電壓傳感器分別與主電流支路的每個高速機械開關(guān) FCB、每個電力電器件并聯(lián)，以及與過電壓限制和能量吸收支路并聯(lián)；所述位移傳感器安裝 在每個FCB處。
8. 如權(quán)利要求7所述的高壓直流斷路器，其特征在于，所述信號處理單元通過信號線 與各傳感器相連，接收傳感器信號的信號線，信號處理單元的信號調(diào)理電路、高速AD、處理 器和人機交互界面依次相連。
【專利摘要】本實用新型涉及一種自然換流型混合式高壓直流斷路器，屬于直流輸配電網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的直流斷路器領(lǐng)域，該斷路器由多個完全相同的高壓直流斷路器模塊通過隔離開關(guān)串聯(lián)而成，其中，所述高壓直流斷路器模塊是基于自然換流式混合直流斷路器，所述每個斷路器模塊由主電流支路、主斷路器支路和過電壓保護(hù)及能量吸收支路及測量控制系統(tǒng)組成,該三條支路相互并聯(lián),該測量控制系統(tǒng)分別與三條支路相連,用以控制三條支路的工作時序。本實用新型的斷路器不需要有源器件如充電電容器輔助過零，控制簡單，可靠性較高,以滿足我國直流輸電網(wǎng)和直流配電網(wǎng)對直流斷路器的需求。
【IPC分類】H02H7-26, H02H9-08, H02J1-10, H02H9-04
【公開號】CN204349451
【申請?zhí)枴緾N201520038451
【發(fā)明人】曾嶸, 余占清, 呂綱, 陳政宇, 朱童, 張翔宇, 孫為民, 莊池杰, 何金良, 張波, 胡軍
【申請人】清華大學(xué)
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年1月20日