一种直流限流断路器制造技术

一种直流限流断路器，包括限流器(23)、机械断路器(24)、换流器(21)、线路短路阻抗(22)、负载(28)和A相交流电源(25)、B相交流电源(26)和C相交流电源(27)。所述的线路短路阻抗(22)、限流器(23)、机械断路器(24)和负载(28)依次串联。通过限流器与电容器的配合放电，在无需外加振荡回路和吸能回路的情况下，实现机械断路器在直流工况下的快速直流故障电流断开。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种直流限流断路器，特别涉及一种柔性直流输电系统的高压直流限流断路器。
技术介绍
随着风电、太阳能等新能源的开发与应用，基于电压源型换流器的多端柔性直流输电技术(MTDC)，在直流输电领域占据越来越重要的位置。风能、太阳能发电等新能源接入电网的最大障碍是其间歇性和不确定性，而柔性直流输电技术可以有效地控制电能，隔离电网故障的扩散，而且还能根据电网需求，快速、灵活、可调地发出或者吸收一部分能量，从而优化电网的潮流分布、增强电网稳定性、提升电网的智能化和可控性。MTDC的直流侧线路上一旦发生短路故障，相当于换流器直流侧的电容直接放电，其短路电流会在几个毫秒到达峰值，最大值一般有几千安到几十千安。较大的电流上升率将带来热量集中、电弧火花、电磁应力等问题，同时，因为换流器一般采用IGBT或IGCT，其反并联二极管会形成不控整流桥，所以单纯控制换流器无法切断故障电流，短路电流甚至会损坏换流站。直流短路电流没有过零点，且其峰值和上升速率都要远远高于交流电网，因此，给直流短路故障断开提出了更高的要求。故障电流的开断还受到直流断路器等技术发展的制约。文献“直流断路器技术发展综述”(南方电网技术，2015年02期)给机械断路器增加并联谐振电路实现和吸能支路，实现直流开断。但是，存在开断和灭弧时间较长的问题。如果采用给并联谐振电路预充电的方式来提高断路器的灭弧速度，不但实现难度大，而且开断速度也难以满足直流电网的需求。国网智能电网研究院以舟山五端直流网络的仿真结果为例，得出高压直流断路器需分断15KA的电流(柔性直流输电网用新型高压直流断路器设计方案，电力系统自动化,2013,37(15):95-102.)，ABB于2012年完成的320KV/2KA的混合型高压直流断路器(TheHybridHVDCBreakerAninnovationbreakthroughenablingreliableHVDCgrids.ABBGridSystems,TechnicalPaperNov’2012)，可分断9KA的故障电流，但因造价太高而未投入商用，并且增加开断容量只能依赖更多IGBT单元的串并联，这会大幅度增加断路器成本，降低可靠性。总之，短路故障电流开断问题成为柔性直流输电网发展的一个瓶颈。
技术实现思路
为了克服已有技术的不足，本专利技术提出一种用于柔性直流输电系统的直流限流断路器，它结构简单、成本低，能够有效限制直流电网故障电流。本专利技术采用的技术方案为：本专利技术为用于柔性直流输电系统的直流限流断路器。该直流限流断路器包括限流器、机械断路器、换流器、线路短路阻抗、负载、A相交流电源、B相交流电源和C相交流电源。所述的线路短路阻抗、限流器、机械断路器和负载依次串联，连接在换流器的第一输出端和第二输出端之间。A相交流电源的一端、B相交流电源的一端和C相交流电源的一端并联，A相交流电源的另一端与换流器的第一输入端、B相交流电源的另一端和与换流器的第二输入端相连，C相交流电源的另一端与换流器的第三输入端相连。所述的换流器由第一IGBT开关管、第二IGBT开关管、第三IGBT开关管、第四IGBT开关管、第五IGBT开关管、第六IGBT开关管和电容器组成。第一IGBT开关管和第二IGBT开关管串联、第三IGBT开关管和第四IGBT开关管串联、第五IGBT开关管和第六IGBT开关管串联、三个串联支路与电容器并联组成换流器。其中，第一IGBT开关管的一端和第二IGBT开关管的一端与第三输入端相连；第三IGBT开关管的一端和第四IGBT开关管的一端与第二输入端相连；第五IGBT开关管的一端和第六IGBT开关管的一端与第一输入端相连；第一IGBT开关管的另一端、第三IGBT开关管的另一端和第五IGBT开关管的另一端与第一输出端相连；第二IGBT开关管的另一端、第四IGBT开关管的另一端和第六IGBT开关管的另一端与第二输出端相连；电容器连接在第一输出端和第二输出端之间。所述的线路短路阻抗由短路电阻和短路电感组成，短路电阻和短路电感串联，连接在第一连接点和第二连接点之间。所述的限流器是电感型限流器，或是电阻型限流器，或是混合型限流器。其等效电路由限流电阻和限流电感组成，限流电阻和限流电感串联，连接在第二连接点和第三连接点之间。其中，在电网稳态时，限流电阻近似为零电阻，对电网不产生影响。电网稳态时，机械断路器处于闭合状态，换流器的第一IGBT开关管、第二IGBT开关管、第三IGBT开关管、第四IGBT开关管、第五IGBT开关管和第六IGBT开关管受控而处于导通状态，给电容器预充电。直流电流通过线路短路阻抗、限流器、机械断路器和负载而导通。限流器处于零电阻状态，对电路不产生影响。电网发生短路故障时，电网电流迅速增大，当检测到电网线路短路阻抗的电流超过阈值时，第一IGBT开关管、第二IGBT开关管、第三IGBT开关管、第四IGBT开关管、第五IGBT开关管、第六IGBT开关管和机械断路器受控关断。在机械断路器完全断开之前，由电容器、短路电阻、短路电感、限流电阻和限流电感经过机械断路器组成振荡回路，对电容器放电。当振荡过程为欠阻尼振荡时，振荡电流过零时，即满足机械断路器的开断条件而完成故障电流的开断。通过限流器与电容器的配合放电，在无需外加振荡回路和吸能回路的情况下，实现了机械断路器在直流工况下的快速直流故障电流断开。本专利技术直流限流断路器参数设计方法如下：电容器放电过程表示为： ( L + L f ) C d 2 u d c dt 2 + ( R + R f ) C du d c d t + u d c = 0 - - - 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直流限流断路器，其特征是：所述的直流限流断路器包括限流器(23)、机械断路器(24)、换流器(21)、线路短路阻抗(22)、负载(28)和A相交流电源(25)、B相交流电源(26)和C相交流电源(27)；线路短路阻抗(22)、限流器(23)、机械断路器(24)和负载(28)依次串联，连接在换流器(21)第一输出端(4)和第二输出端(8)之间；A相交流电源(25)、B相交流电源(26)和C相交流电源(27)的一端并联，A相交流电源(25)、B相交流电源(26)和C相交流电源(27)的另一端分别与换流器(21)的第一输入端(1)、第二输入端(2)和第三输入端(3)相连，组成直流限流断路器。

【技术特征摘要】
1.一种直流限流断路器，其特征是：所述的直流限流断路器包括限流器(23)、机械断
路器(24)、换流器(21)、线路短路阻抗(22)、负载(28)和A相交流电源(25)、B相交
流电源(26)和C相交流电源(27)；线路短路阻抗(22)、限流器(23)、机械断路器(24)
和负载(28)依次串联，连接在换流器(21)第一输出端(4)和第二输出端(8)之间；A
相交流电源(25)、B相交流电源(26)和C相交流电源(27)的一端并联，A相交流电源
(25)、B相交流电源(26)和C相交流电源(27)的另一端分别与换流器(21)的第一输
入端(1)、第二输入端(2)和第三输入端(3)相连，组成直流限流断路器。
2.按照权利要求1所述的直流限流断路器，其特征在于：所述的换流器(21)由第一
IGBT开关管(31)、第二IGBT开关管(32)、第三IGBT开关管(33)、第四IGBT开关管
(34)、第五IGBT开关管(35)、第六IGBT开关管(36)和电容器(37)组成；第一IGBT
开关管(31)和第二IGBT开关管(32)串联、第三IGBT开关管(33)和第四IGBT开关
管(34)串联、第五IGBT开关管(35)和第六IGBT开关管(36)串联、三个串联支路与
电容器(37)并联组成换流器(21)；其中，第一IGBT开关管(31)的一端和第二IGBT开
关管(32)一端与第三输入端(3)相连；第三IGBT开关管(33)的一端和第四IGBT开关
管(34)的一端与第二输入端(2)相连；第五IGBT开关管(35)的一端和第六IGBT开关
管(36)的一端与第一输入端(1)相连；第一IGBT开关管(31)的另一端、第三IGBT开
关管(33)的另一端和第五IGBT开关管(35)的另一端与第一输出端(4)相连；第二IGBT
开关管(32)的另一端、第四IGBT开关管(34)的另一端和第六IGBT开关管(36)的另
一端与第二输出端(8)相连；电容器(37)连接在第一输出端(4)和第二输出端(8)之
间。
3.按照权利要求1所述的直流限流断路器，其特征在于：所述的线路短路阻抗(22)由
短路电阻(41)和短路电感(42)组成，短路电阻(41)和短路电感(42)串联，连接在第
一连接点(4)和第二连接点(5)之间。
4.按照权利要求1所述的直流限流断路器，其特征在于：所述的限流器(23)是电感型
限流器，或是电阻型限流器，或是混合型限流器；其等效电路由限流电阻(51)和限流电感
(52)组成，限流电阻(51)和限流电感(52)串联，连接在第二连接点(5)和第三连接
点(6)之间。
5.按照权利要求1所述的直流限流断路器，其特征在于：电网稳态时，机械断路器(24)

\t处于闭合状态，换流器(21)的第一IGBT开关管(31)、第二IGBT开关管(32)、第三IGBT
开关管(33)、第四IGBT开关管(34)、第五IGBT开关管(35)和第六IGBT开关管(36)
受控而处于导通状态，给电容器(37)预充电；直流电流通过线路短路阻抗(22)、限流器
(23)、机械断路器(24)和负载(28)而导通；限流器(23)处于零电阻状态，对电路不
产生影响。
6.按照权利要求1至5任一项所述的直流限流断路器，其特征在于：电网发生短路故障
时，电网电流迅速增大，当检测到电网线路短路阻抗(22)的电流超过阈值时，第一IGBT
开关管(31)、第二IGBT开关管(32)、第三IGBT开关管(33)、第四IGBT开关管(34)、
第五IGBT开关管(35)、第六IGBT开关管(36)和机械断路器(24)受控关断；在机械断
路器(24)断开之前，由电容器(37)、短路电阻(41)、短路电感(42)、限流电阻(51)
和限流电感(52)经过机械断路器(24)组成振荡回路，对电容器(37)放电；当振荡过程
为欠阻尼振荡时，振荡电流过零时，即满足机械断路器(24)的开断条件而完成故障电流的
开断；通过限流器与电容器的配合放电，在无需外加振荡回路和吸能回路的情况下，实现机
械断路器在直流工况下的快速直流故障电流断开。
7.按照权利要求6所述的直流限流断路器，其特征在于：所述的直流限流断路器的参数
设计方法如下；
电容器(37)放电过程表示为：
( L + L f ) C d 2 u d c dt 2 + ( R + R f ) C du d c d t + u d c = 0 - - - ( 1 ) ]]>对于欠阻尼振荡，满足的条件：
R f + R < 2 ( L + L f ) / C - - - ( 2 ) ]]>放电过程呈欠阻尼振荡过程，由式(1)可得：
u d c = U 0 ω 0 ω 1 e - δ 1 t s i n ( ω 1 t + β 1 ) i = U 0 ω 1 ( L + L f ) e - δ t sin ( ω 1 t ) - - - ...

【专利技术属性】
技术研发人员：张志丰，郭腾炫，杨嘉彬，邱清泉，肖立业，张国民，刘怡，许熙，靖立伟，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11