一種直流配電網(wǎng)全固態(tài)直流斷路器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種直流配電網(wǎng)新型全固態(tài)直流斷路器，其特征在于，直流斷路器由輔助斷路器回路、主斷路器回路和能量吸收回路三者并聯(lián)組成。其中，輔助斷路器回路包括串聯(lián)的晶閘管開關(guān)單元和模塊化全控器件開關(guān)單元；主斷路器回路包括多個壓裝全控器件開關(guān)單元、避雷器和熔斷器，采用二極管橋式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)雙向通流；能量吸收回路包括至少一個避雷器。本發(fā)明構(gòu)成的全固態(tài)直流斷路器拓撲結(jié)構(gòu)新穎，功能全面，正常運行時通態(tài)損耗較低，可迅速檢測電流狀態(tài)并有效識別故障，故障時可實現(xiàn)開斷雙向電流，關(guān)斷電流等級高，故障清除速度快，關(guān)斷過程中的過電壓和能量吸收效果好，有效限制故障電流上升率，對主斷路器回路串聯(lián)閥組和輔助斷路器回路全控器件進行可靠保護。
【專利說明】一種直流配電網(wǎng)全固態(tài)直流斷路器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種直流配電網(wǎng)全固態(tài)直流斷路器，屬于電力電子【技術(shù)領(lǐng)域】，應(yīng)用于1kV上下電壓等級的直流配電網(wǎng)。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著多端直流輸配電技術(shù)、直流微網(wǎng)和智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，直流斷路器作為在規(guī)定時間內(nèi)承載、開斷直流運行支路正常電流以及各種故障電流的開關(guān)設(shè)備，是提高直流配電系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性與靈活性的重要手段，是直流輸、配電網(wǎng)運行、控制和保護的基礎(chǔ)，成為系統(tǒng)安全運行和保護的關(guān)鍵設(shè)備，對防止故障范圍擴大有著重大意義。直流電流沒有過零點帶來的滅弧問題、關(guān)斷過程產(chǎn)生的過電壓問題和能量吸收問題給研制高壓大容量直流斷路器帶來巨大困難，直流斷路器成為制約直流電網(wǎng)研究與應(yīng)用的技術(shù)瓶頸之一。
[0003]傳統(tǒng)的機械式直流斷路器，動作時間達幾十毫秒，不能滿足直流系統(tǒng)快速清理故障的要求，且由于滅弧問題造成機械開關(guān)磨損，大大降低使用壽命；普通的全固態(tài)直流斷路器動作速度快，但通態(tài)損耗較高；機械開關(guān)和固態(tài)開關(guān)構(gòu)成的混合型直流斷路器可靠性高，但對高速機械開關(guān)的制造提出了更高的要求；由振蕩電路產(chǎn)生電流過零點的直流斷路器，動作時間和關(guān)斷電流等級較低，不能滿足可靠、迅速清理故障的要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種通態(tài)損耗低、關(guān)斷速度快、串聯(lián)電力電子器件一致性和均壓效果好、關(guān)斷過電壓和能量可靠吸收的新型全固態(tài)直流斷路器。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0006]直流配電網(wǎng)全固態(tài)直流斷路器，所述直流斷路器包括輔助斷路器支路、主斷路器支路和能量吸收支路，三者為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其創(chuàng)新之處在于:
[0007]所述輔助斷路器支路包括晶閘管開關(guān)單元和模塊化全控器件開關(guān)單元，兩者為串聯(lián)結(jié)構(gòu)。
[0008]其中，所述晶閘管開關(guān)單元由多組晶閘管單元串聯(lián)構(gòu)成，每組晶閘管單元中有兩支晶閘管反并聯(lián)，采用熱管自冷散熱方式。
[0009]其中，所述的模塊化全控器件開關(guān)單元包括兩支模塊全控型器件反向串聯(lián)構(gòu)成，采用熱管自冷散熱方式。
[0010]所述主斷路器支路包括串聯(lián)壓裝全控器件開關(guān)單元、di/dt抑制和閥組保護單元。
[0011]其中，所述的全控器件串聯(lián)開關(guān)單元采用壓裝結(jié)構(gòu)，串聯(lián)個數(shù)為N+1個，其中一個為冗余模塊；由四支二極管構(gòu)成橋式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)雙向通流。
[0012]其中，所述的di/dt抑制和閥組保護單元由避雷器和熔斷器串聯(lián)構(gòu)成，避雷器與熔斷器各自的并聯(lián)個數(shù)由開斷能量決定。
[0013]所述能量吸收支路，采用的避雷器為無串聯(lián)間隙的金屬氧化物避雷器，由至少一個避雷器串聯(lián)構(gòu)成，串聯(lián)個數(shù)由系統(tǒng)參數(shù)和保護電壓等級決定。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點是:
[0015]I)本發(fā)明提供的全固態(tài)直流斷路器電路拓撲，由輔助斷路器支路承擔(dān)正常工作電流，串聯(lián)器件個數(shù)少，通態(tài)損耗低；采用熱管散熱方式，長期通流散熱性能好。
[0016]2)本發(fā)明提供的全固態(tài)直流斷路器電路拓撲，由晶閘管開關(guān)單元承擔(dān)關(guān)斷耐壓，可靠保護模塊化全控器件開關(guān)單元，顯著提高關(guān)斷速度。
[0017]3)本發(fā)明提供的全固態(tài)直流斷路器電路拓撲，輔助斷路器和主斷路器支路均由電力電子器件構(gòu)成，顯著提高開斷速度。
[0018]4)本發(fā)明提供的全固態(tài)直流斷路器電路拓撲，主斷路器支路壓裝全控器件串聯(lián)開關(guān)單元采用可靠驅(qū)動電路和吸收電路，器件動作一致性高，動態(tài)均壓效果好。
[0019]5)本發(fā)明提供的全固態(tài)直流斷路器電路拓撲，主斷路器支路壓裝全控器件串聯(lián)開關(guān)單元采用N+1個冗余結(jié)構(gòu)，可靠性高。
[0020]5)本發(fā)明提供的全固態(tài)直流斷路器電路拓撲，主斷路器支路采用避雷器，在故障發(fā)生時可降低故障電流上升率，有效應(yīng)對近端及遠端故障。
[0021]6)本發(fā)明提供的全固態(tài)直流斷路器電路拓撲，主斷路器支路采用熔斷器，在最嚴(yán)重故障情況下確保串聯(lián)閥組不受損壞。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明提供的直流斷路器拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2是本發(fā)明提供的直流斷路器電路原理圖；
[0024]圖3是本發(fā)明提供的直流斷路器輔助支路電路原理圖；
[0025]圖4是本發(fā)明提供的直流斷路器主支路閥串電路原理圖；
[0026]圖5是本發(fā)明提供的直流斷路器主支路閥串吸收電路原理圖；
[0027]圖6是本發(fā)明提供的直流斷路器主支路di/dt抑制和閥組保護電路原理圖；
[0028]圖7是本發(fā)明提供的直流斷路器關(guān)斷時序圖；
[0029]圖8是本發(fā)明提供的直流斷路器控制保護系統(tǒng)示意圖；
[0030]圖中，1-晶閘管2-模塊化全控器件3-閥串二極管4-壓裝全控器件5-主支路避雷器6-主支路熔斷器7-能量吸收支路避雷器8-吸收電路二極管9-吸收電路電阻10-吸收電路電容11-直流線路電流檢測12-輔助支路電流檢測13-主支路電流檢測14-能量吸收支路電流檢測15-主支路閥串信號16-輔助支路晶閘管開關(guān)單元信號17-輔助支路全控器件開關(guān)單元信號18-系統(tǒng)控制器信號19-斷路器控制器反饋信號20-系統(tǒng)其他檢測信號

【具體實施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容作進一步詳細說明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
[0032]見圖1、圖2，直流配電網(wǎng)全固態(tài)直流斷路器，由輔助斷路器支路、主斷路器支路和能量吸收支路并聯(lián)構(gòu)成。其中，輔助斷路器支路在正常運行時流過額定負載電流，包括串聯(lián)的晶閘管開關(guān)單元和模塊化全控器件開關(guān)單元，且能實現(xiàn)雙向通流；主斷路器支路在故障時關(guān)斷故障電流，包括串聯(lián)壓裝全控器件開關(guān)單元、di/dt抑制和閥組保護單元，采用二極管橋式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)雙向切斷電流；能量吸收支路吸收關(guān)斷過程中產(chǎn)生的能量，并將關(guān)斷過電壓限制在合理的水平，由多個避雷器串聯(lián)構(gòu)成。
[0033]見圖3，直流斷路器輔助支路，晶閘管開關(guān)單元由多組晶閘管單元串聯(lián)構(gòu)成，每組晶閘管單元中有兩支晶閘管I反并聯(lián)；模塊化全控器件開關(guān)單元包括兩支模塊全控器件2反向串聯(lián)構(gòu)成。均采用熱管自冷散熱方式。
[0034]見圖4，直流斷路器主支路閥串，包括串聯(lián)壓裝全控器件開關(guān)單元和用于雙向通流的二極管，閥串串聯(lián)個數(shù)為N+1個，包含I個冗余模塊；由四支二極管構(gòu)成橋式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)雙向通流。
[0035]見圖5，本實施例提出的電力電子器件吸收電路為RCD電路，所含電阻、電容和二極管依據(jù)系統(tǒng)運行參數(shù)和均壓要求選擇，可有效實現(xiàn)串聯(lián)均壓。
[0036]見圖6，直流斷路器主支路di/dt抑制和閥組保護單元，由避雷器5和熔斷器6串聯(lián)構(gòu)成。本實施例提出的di/dt抑制單元，在故障發(fā)生時，閉合主斷路器支路，避雷器在輔助斷路器支路斷開后產(chǎn)生的過壓下動作，將電壓限制在殘壓水平，此時故障支路電感上的電壓下降，短路電流上升率隨之降低。本實施例提出的di/dt抑制策略可有效應(yīng)對近端及遠端故障，最小化支路中的限流電抗器，減小長期運行成本；本實施例提出的閥組保護單元，熔斷器在最嚴(yán)重故障情況下最先熔斷，確保串聯(lián)閥組不受損壞，其設(shè)計耐受能量閾值應(yīng)低于被保護閥組。避雷器和熔斷器的并聯(lián)個數(shù)由關(guān)斷能量決定。
[0037]見圖7，本實施例提出的全固態(tài)直流斷路器在發(fā)生故障時開斷步驟為:
[0038](I)O^1階段，系統(tǒng)正常運行，輔助斷路器支路流過額定電流In ；
[0039](2)ti時刻發(fā)生短路故障，故障電流迅速上升。t2時刻，當(dāng)檢測電路檢測到故障電流超過限值Ilim時，主支路全控器件開關(guān)單元觸發(fā)導(dǎo)通，輔助支路全控器件開關(guān)單元關(guān)斷，故障電流迅速向主斷路器支路轉(zhuǎn)移；
[0040](3)ts時刻，晶閘管充分恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能力，可靠關(guān)斷；
[0041]⑷t4時刻，當(dāng)檢測電路檢測到故障電流超過限值Ibreak時，串聯(lián)壓裝全控器件開關(guān)單元關(guān)斷，故障電流迅速向能量吸收支路轉(zhuǎn)移；
[0042](5) t4-t6階段，故障電流在能力吸收支路中迅速衰減為零，完成關(guān)斷；
[0043]其中，電力電子開關(guān)器件關(guān)斷延時為微秒級，未在圖中標(biāo)出；從故障發(fā)生到完全關(guān)斷，將故障清除總時間限制在5ms之內(nèi)；圖中t5表示最遲關(guān)斷時刻，該時刻對應(yīng)的電流IBmax表示直流斷路器最大關(guān)斷電流，表征直流斷路器開斷能力。
[0044]本實施例提出的全固態(tài)直流斷路器恢復(fù)正常運行時的閉合步驟為:
[0045](I)主支路全控器件開關(guān)單元觸發(fā)導(dǎo)通；
[0046](2)輔助支路全控器件開關(guān)單元觸發(fā)導(dǎo)通；
[0047](3)晶閘管單元觸發(fā)導(dǎo)通；
[0048](4)主支路全控器件開關(guān)單元關(guān)斷。
[0049]見圖8，本實施例提出的全固態(tài)直流斷路器采用分層分級控制保護方案。11-14為各支路電流信號檢測裝置?？刂票Ｗo策略如下:
[0050]當(dāng)11檢測到線路電流超過第一個電流限值時，直流斷路器控制器產(chǎn)生并發(fā)送主支路全控器件開關(guān)單元導(dǎo)通信號15和輔助支路全控器件開關(guān)單元關(guān)斷信號17 ;當(dāng)12檢測到輔助支路電流已完全換流，且13檢測到故障電流超過第二個電流限值時，由系統(tǒng)控制器發(fā)出關(guān)斷電流指令信號18，直流斷路器控制器產(chǎn)生并發(fā)送主支路全控器件開關(guān)單元關(guān)斷信號15 ;當(dāng)14檢測到能量吸收支路電流降為零時，由系統(tǒng)控制器發(fā)出直流線路隔離開關(guān)信號，將故障線路完全隔離。
[0051]為可靠檢測故障電流狀態(tài)，控制保護策略采用過流速斷保護、電流上升率保護和電流增量保護。若故障電流是暫時的或者緩慢發(fā)展的，當(dāng)11檢測到線路電流下降到第一個電流限值以下時，由斷路器控制器向系統(tǒng)控制器發(fā)送反饋信號19，系統(tǒng)控制器暫不發(fā)出關(guān)斷電流指令18，直到11檢測到的故障電流滿足保護動作條件。
[0052]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明了，以上所示僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的方法及技術(shù)內(nèi)容作出些許的更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
[0053]以上對本發(fā)明所提供的直流斷路器，進行了詳細介紹，本文中應(yīng)用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明的思想，在【具體實施方式】及應(yīng)用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。
【權(quán)利要求】
1.直流配電網(wǎng)全固態(tài)直流斷路器，由輔助斷路器支路、主斷路器支路和能量吸收支路三者并聯(lián)組成；其特征在于，所述的輔助斷路器支路包括串聯(lián)的晶閘管開關(guān)單元和模塊化全控器件開關(guān)單元；所述的主斷路器支路包括串聯(lián)連接的壓裝全控器件開關(guān)單元、di/dt抑制和閥組保護單元，主斷路器支路采用二極管橋式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)雙向通流；能量吸收支路包括至少一個避雷器，所述的di/dt抑制和閥組保護單元由避雷器和熔斷器串聯(lián)構(gòu)成，避雷器與熔斷器各自的并聯(lián)個數(shù)由開斷能量決定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流配電網(wǎng)全固態(tài)直流斷路器，其特征在于，所述的輔助斷路器支路中，晶閘管開關(guān)單元由多組晶閘管單元串聯(lián)構(gòu)成，每組晶閘管單元中有兩支晶閘管反并聯(lián)，采用熱管自冷散熱方式；模塊化全控器件開關(guān)單元包括兩支模塊全控型器件反向串聯(lián)構(gòu)成，采用熱管自冷散熱方式。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的直流配電網(wǎng)全固態(tài)直流斷路器，其特征在于，所述的每個模塊化全控器件開關(guān)單元均設(shè)有可實現(xiàn)串聯(lián)均壓的吸收電路，所述的吸收電路為RCD電路，有電阻、電容和二極管構(gòu)成，依據(jù)系統(tǒng)運行參數(shù)和均壓要求選擇。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的直流配電網(wǎng)全固態(tài)直流斷路器，其特征在于，所述的模塊化全控器件開關(guān)單元，應(yīng)包含如IGBT，IGCT, IEGT等所有全控型器件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流配電網(wǎng)全固態(tài)直流斷路器，其特征在于，所述的主斷路器支路中，串聯(lián)連接的全控器件開關(guān)單元采用壓裝結(jié)構(gòu)，串聯(lián)個數(shù)為N+1個，其中一個為冗余模塊；由四支二極管構(gòu)成橋式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)雙向通流。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的直流配電網(wǎng)全固態(tài)直流斷路器，其特征在于，所述的串聯(lián)連接的全控器件開關(guān)單元，應(yīng)包含如IGBT，I GCT, IEGT等所有全控型器件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流配電網(wǎng)全固態(tài)直流斷路器，其特征在于，所述的能量吸收支路包括至少一個避雷器，避雷器串聯(lián)個數(shù)由系統(tǒng)參數(shù)和保護電壓等級決定。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直流配電網(wǎng)全固態(tài)直流斷路器，其特征在于，所述全固態(tài)直流斷路器在發(fā)生故障時開斷步驟為: (1)O-L階段，系統(tǒng)正常運行，輔助斷路器支路流過額定電流In； (2)h時刻發(fā)生短路故障，故障電流迅速上升；t2時刻，當(dāng)檢測電路檢測到故障電流超過限值Ilim時，主回路全控器件開關(guān)單元觸發(fā)導(dǎo)通，輔助回路全控器件開關(guān)單元關(guān)斷，故障電流迅速向主斷路器回路轉(zhuǎn)移； (3)ts時刻，晶閘管充分恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能力，可靠關(guān)斷； ⑷t4時刻，當(dāng)檢測電路檢測到故障電流超過限值Ibreak時，串聯(lián)壓裝全控器件開關(guān)單元關(guān)斷，故障電流迅速向能量吸收回路轉(zhuǎn)移； (5)t4-t6階段，故障電流在能力吸收回路中迅速衰減為零，完成關(guān)斷； 全固態(tài)直流斷路器恢復(fù)正常運行時的閉合步驟為: (1)主回路全控器件開關(guān)單元觸發(fā)導(dǎo)通； (2)輔助回路全控器件開關(guān)單元觸發(fā)導(dǎo)通； (3)晶閘管單元觸發(fā)導(dǎo)通； (4)主回路全控器件開關(guān)單元關(guān)斷。
9.權(quán)利要求1所述的直流配電網(wǎng)全固態(tài)直流斷路器的控制方法，其特征在于，所述的全固態(tài)直流斷路器采用分層分級控制保護方案，具體控制保護策略如下: 當(dāng)檢測到線路電流超過第一個電流限值時，直流斷路器控制器產(chǎn)生并發(fā)送主回路全控器件開關(guān)單元導(dǎo)通信號和輔助回路全控器件開關(guān)單元關(guān)斷信號；當(dāng)檢測到輔助回路電流已完全換流，且檢測到故障電流超過第二個電流限值時，由系統(tǒng)控制器發(fā)出關(guān)斷電流指令信號，直流斷路器控制器產(chǎn)生并發(fā)送主回路全控器件開關(guān)單元關(guān)斷信號；當(dāng)檢測到能量吸收回路電流降為零時，由系統(tǒng)控制器發(fā)出直流線路隔離開關(guān)信號，將故障線路完全隔離； 為可靠檢測故障電流狀態(tài)，控制保護策略采用過流速斷保護、電流上升率保護和電流增量保護；若故障電流是暫時的或者緩慢發(fā)展的，當(dāng)檢測到線路電流下降到第一個電流限值以下時，由斷路器控制器向系統(tǒng)控制器發(fā)送反饋信號，系統(tǒng)控制器暫不發(fā)出關(guān)斷電流指令，直到檢測到的故障電流滿足保護動作條件。
【文檔編號】H02H7/26GK104242265SQ201410441072
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月29日
【發(fā)明者】陳慧鋒, 張海濤, 易榮, 趙宇明, 劉國偉, 姚森敬, 衛(wèi)思明 申請人:榮信電力電子股份有限公司, 深圳供電局有限公司