一種混合型直流斷路器及其分斷方法與流程
2024-04-10 07:49:05
本發明涉及混合型直流斷路器及其分斷方法，特別是一種通過多個混合式直流斷路器模塊串聯實現高電壓等級領域的應用。
背景技術：
直流輸配電系統相比於傳統的交流輸配電系統具有以下優勢：更窄的輸電走廊，輸電容量大，輸電損耗更低，直流電網相比於交流電網，不存在穩定性問題，沒有諧波，潮流更加容易控制。但是由於直流系統不存在自然過零點，形成斷口之後，電弧無法熄滅，必須人工製造電流過零點，使電弧熄滅。由高速機械開關與大功率半導體器件組成的混合式直流斷路器具有通流容量大、關斷速度快、限流能力強等優點，已經成為直流開斷領域的研究熱點。現階段直流系統從1.8kv到幾十千伏電壓不等，同種拓撲結構無法適應不同電壓等級的直流開斷任務，另一方面隨著電壓等級的增加，單斷口的直流斷路器絕緣設計更加複雜。
在背景技術部分中公開的上述信息僅僅用於增強對本發明背景的理解，因此可能包含不構成在本國中本領域普通技術人員公知的現有技術的信息。
技術實現要素：
針對上述現有技術存在的不足或缺陷，本發明的目的在於提供一種中壓混合式直流斷路器及其控制方法。該斷路器由多個完全相同的斷路器模塊組成，可以根據系統的電壓等級需求，選取組裝串聯多個單級斷路器模塊，可以實現適應不同電壓等級需求的任務。同時，隨著電壓等級的提升，多個單級斷路器模塊的串聯可以解決隨著電壓等級提高，單斷口無法解決的絕緣問題。
本發明的目的是通過以下技術方案予以實現。
本發明的一方面，一種混合型直流斷路器由n個完全相同的單級斷路器模塊串聯組成，其中c1到cn+1為n+1個單級斷路器模塊系統接入端，其中所述單級斷路器模塊包括主電流迴路，電流轉移支路、過電壓限制支路、在線監測系統和單級斷路器模塊的接入端ci、ci+1，其中1≤i≤n，且主電流迴路、轉移電流支路以及過電壓限制支路並聯。
所述主電流迴路由高速機械開關和功率二極體vd1串聯組成，其中：
所述接入端ci+1連接所述功率二極體vd1的正極以便實現所述接入端ci+1與所述主電流迴路的另一端的連接；
所述接入端ci連接所述高速機械開關的一端以便實現所述接入端ci與所述主電流迴路一端的連接。
所述電流轉移支路包括晶閘管組件vt1，振蕩電感l和轉移電容c，其中，晶閘管組件vt1正極和接入端ci相連，晶閘管組件vt1負極和振蕩電感l相連，振蕩電感l另一端和轉移電容c相連，轉移電容c另一端和接入端ci+1相連接，其中與接入端相連接的轉移電容c極柱一端充正電。
在線監測系統包括用於測量流經所述接入端ci、ci+1電流的電流傳感器d0、用於測量流經主電流迴路的電流傳感器d1、用於測量流經電流轉移支路中電路的電流傳感器d2、用於測量流經過電壓限制支路的電流傳感器d3、用於測量斷路器環境溫度傳感器d4、高速機械開關的開關兩端電壓傳感器vhss、用於測量轉移電容兩端電壓狀態的電壓傳感器vc、高速機械開關的開關位移傳感器pd、信號調理電路、高速ad、處理器、人機互動界面和通信模塊，所述處理器完成系統電流、主電流迴路的電流和電流轉移支路電流的幅值及變化率di/dt的計算，所述人機互動界面實時顯示混合型直流斷路器狀態及計算結果。
正常工作狀態下，電流從所述主電流迴路流過，轉移電容c設有預定的預充電壓值，且電壓方向與所述主電流迴路的導通壓降方向相反，所述電流轉移支路中晶閘管vt1處於關斷狀態，當在線監測系統監測到直流系統狀態異常或收到分閘指令時，所述在線監測系統向高速機械開關發出分閘指令，高速機械開關開始動作，觸發晶閘管組件vt1，完成電流過零以實現開斷。
在所述的混合型直流斷路器中，所述高速機械開關為基於電磁斥力的高速機械開關、基於高速電機驅動的機械開關或基於爆炸驅動的高速機械開關。
在所述的混合型直流斷路器中，所述過電壓限制支路的設計參數包括電壓限制電路容量、導通電壓閾值、達到導通電壓時的電流、最高限位電壓以及處於最高限位電壓時的電流。
在所述的混合型直流斷路器中，所述過電壓限制支路在斷路器正常運行情況下處於截止狀態，漏電流小於0.5μa；所述過電壓限制支路的導通電壓閾值為所述斷路器所處的系統電壓的1.75倍。
在所述的混合型直流斷路器中，所述過電壓限制支路包括線路型金屬氧化物避雷器、無間隙線路型金屬氧化物避雷器、全絕緣複合外套金屬氧化物避雷器或可卸式避雷器中的任意一個或多個的組合。
在所述的混合型直流斷路器中，過電壓限制支路為壓敏電阻、氧化鋅閥片組成的mov、或者避雷器中的一個或者任意多個的組合。
在所述的混合型直流斷路器中，系統電流、所述主電流迴路的電流、電流轉移支路的電流、所述過電壓限制支路電流、高速機械開關電壓、轉移電容電壓、高速機械開關位移的數值經過濾波器放大，進入所述高速ad和所述處理器處理計算，所述處理器計算主電流迴路電流、轉移電流支路電流的幅值及變化率di/dt，經過處理器的保護算法和延時控制後，進行高速機械開關控制，功率半導體器件控制，所述人機互動界面實時顯示混合式直流斷路器狀態及各類計算結果，故障數據通過通信模塊實時傳回上位機。
在所述的混合型直流斷路器中，所述處理器為通用處理器、數位訊號處理器、專用集成電路asic或現場可編程門陣列fpga。
在所述的混合型直流斷路器中，所述處理器包括存儲器，所述存儲器可以包括一個或多個只讀存儲器rom、隨機存取存儲器ram、快閃記憶體或電子可擦除可編程只讀存儲器eeprom。
在本發明的另一方面，一種利用所述的混合型直流斷路器的短路狀態下的分斷方法包括以下步驟：
在第一步驟中，在線檢測系統檢測到系統電流達到設定閾值或者電流上升率達到設定閾值時，發出分閘指令。
在第二步驟中，高速機械開關存在響應延遲，電流轉移支路晶閘管組件vt1導通，主電流迴路電流開始向電流轉移支路轉移。
在第三步驟中，功率二極體vd1在主電流迴路電流過零後反向截止，使得主電流迴路電流保持在零，此時高速機械開關打開，實現無弧分斷，電流轉移支路中的轉移電容反向充電。
在第四步驟中，隨著轉移電容兩端電壓不斷增加，當電流轉移支路電壓超過過電壓限制支路的閾值，過電壓限制支路導通，電流轉移支路電流開始向過電壓限制支路轉移。
在第五步驟中，隨著轉移支路電流減小至零，電流轉移支路的晶閘管組件vt1截止，此時系統電壓小於過電壓限制支路的導通閾值，過電壓限制支路電流迅速減小至零，完成開斷。
上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠使得本發明的技術手段更加清楚明白，達到本領域技術人員可依照說明書的內容予以實施的程度，並且為了能夠讓本發明的上述和其它目的、特徵和優點能夠更明顯易懂，下面以本發明的具體實施方式進行舉例說明。
附圖說明
通過閱讀下文優選的具體實施方式中的詳細描述，本發明各種其他的優點和益處對於本領域普通技術人員將變得清楚明了。說明書附圖僅用於示出優選實施方式的目的，而並不認為是對本發明的限制。顯而易見地，下面描述的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。而且在整個附圖中，用相同的附圖標記表示相同的部件。
在附圖中：
圖1是根據本發明一個實施例的混合型直流斷路器的單級斷路器模塊的結構示意圖；
圖2是根據本發明一個實施例的混合型直流斷路器的斷路器模塊在線監測系統傳感器分布示意圖；
圖3(a)-圖3(e)是根據本發明一個實施例的混合型直流斷路器的斷路器模塊過電壓限制電路伏安特性曲線圖；
圖4是根據本發明一個實施例的混合型直流斷路器的斷路器模塊串聯結構示意圖；
圖5是根據本發明一個實施例的混合型直流斷路器的斷路器總控制框圖；
圖6是根據本發明一個實施例的利用混合型直流斷路器的短路下的分斷方法的步驟示意圖。
以下結合附圖和實施例對本發明作進一步的解釋。
具體實施方式
下面將參照附圖更詳細地描述本發明的具體實施例。雖然附圖中顯示了本發明的具體實施例，然而應當理解，可以以各種形式實現本發明而不應被這裡闡述的實施例所限制。相反，提供這些實施例是為了能夠更透徹地理解本發明，並且能夠將本發明的範圍完整的傳達給本領域的技術人員。
需要說明的是，在說明書及權利要求當中使用了某些詞彙來指稱特定組件。本領域技術人員應可以理解，技術人員可能會用不同名詞來稱呼同一個組件。本說明書及權利要求並不以名詞的差異來作為區分組件的方式，而是以組件在功能上的差異來作為區分的準則。如在通篇說明書及權利要求當中所提及的「包含」或「包括」為一開放式用語，故應解釋成「包含但不限定於」。說明書後續描述為實施本發明的較佳實施方式，然所述描述乃以說明書的一般原則為目的，並非用以限定本發明的範圍。本發明的保護範圍當視所附權利要求所界定者為準。
為便於對本發明實施例的理解，下面將結合附圖以幾個具體實施例為例做進一步的解釋說明，且各個附圖並不構成對本發明實施例的限定。
圖1為本發明的一個實施例的混合型直流斷路器的單級斷路器模塊的結構示意圖，本發明實施例將結合圖1進行具體說明。
如圖1所示，本發明的一個實施例提供了一種混合型直流斷路器，所述混合型直流斷路器由n個完全相同的單級斷路器模塊串聯組成，其中c1到cn+1為n+1個單級斷路器模塊系統接入端，其中所述單級斷路器模塊包括主電流迴路，電流轉移支路、過電壓限制支路、在線監測系統和單級斷路器模塊的接入端ci、ci+1，其中1≤i≤n，且主電流迴路、轉移電流支路以及過電壓限制支路並聯。
所述主電流迴路由高速機械開關和功率二極體vd1串聯組成，其中：
所述接入端ci+1連接所述功率二極體vd1的正極以便實現所述接入端ci+1與所述主電流迴路的另一端的連接；
所述接入端ci連接所述高速機械開關的一端以便實現所述接入端ci與所述主電流迴路一端的連接。
所述電流轉移支路包括晶閘管組件vt1，振蕩電感l和轉移電容c，其中，晶閘管組件vt1正極和接入端ci相連，晶閘管組件vt1負極和振蕩電感l相連，振蕩電感l另一端和轉移電容c相連，轉移電容c另一端和接入端ci+1相連接，其中與接入端相連接的轉移電容c極柱一端充正電。
圖2是根據本發明一個實施例的混合型直流斷路器的斷路器模塊在線監測系統傳感器分布示意圖，參見圖2，在線監測系統包括用於測量流經所述接入端ci、ci+1電流的電流傳感器d0、用於測量流經主電流迴路的電流傳感器d1、用於測量流經電流轉移支路中電路的電流傳感器d2、用於測量流經過電壓限制支路的電流傳感器d3、用於測量斷路器環境溫度傳感器d4、高速機械開關的開關兩端電壓傳感器vhss、用於測量轉移電容兩端電壓狀態的電壓傳感器vc、高速機械開關的開關位移傳感器pd、信號調理電路、高速ad、處理器、人機互動界面和通信模塊，所述處理器完成系統電流、主電流迴路的電流和電流轉移支路電流的幅值及變化率di/dt的計算，所述人機互動界面實時顯示混合型直流斷路器狀態及計算結果。
正常工作狀態下，電流從所述主電流迴路流過，轉移電容c設有預定的預充電壓值，且電壓方向與所述主電流迴路的導通壓降方向相反，所述電流轉移支路中晶閘管vt1處於關斷狀態，當在線監測系統監測到直流系統狀態異常或收到分閘指令時，所述在線監測系統向高速機械開關發出分閘指令，高速機械開關開始動作，觸發晶閘管組件vt1，完成電流過零以實現開斷。
本發明的所述的混合型直流斷路器的優選實施例中，所述高速機械開關為基於電磁斥力的高速機械開關、基於高速電機驅動的機械開關或基於爆炸驅動的高速機械開關。
本發明的所述的混合型直流斷路器的優選實施例中，所述過電壓限制支路的設計參數包括電壓限制電路容量、導通電壓閾值、達到導通電壓時的電流、最高限位電壓以及處於最高限位電壓時的電流。
本發明的所述的混合型直流斷路器的優選實施例中，所述過電壓限制支路在斷路器正常運行情況下處於截止狀態，漏電流小於0.5μa；所述過電壓限制支路的導通電壓閾值為所述斷路器所處的系統電壓的1.75倍。
本發明的所述的混合型直流斷路器的優選實施例中，所述過電壓限制支路包括線路型金屬氧化物避雷器、無間隙線路型金屬氧化物避雷器、全絕緣複合外套金屬氧化物避雷器或可卸式避雷器中的任意一個或多個的組合。
本發明的所述的混合型直流斷路器的優選實施例中，過電壓限制支路為壓敏電阻、氧化鋅閥片組成的mov、或者避雷器中的一個或者任意多個的組合。
本發明的所述的混合型直流斷路器的優選實施例中，系統電流、所述主電流迴路的電流、電流轉移支路的電流、所述過電壓限制支路電流、高速機械開關電壓、轉移電容電壓、高速機械開關位移的數值經過濾波器放大，進入所述高速ad和所述處理器處理計算，所述處理器計算主電流迴路電流、轉移電流支路電流的幅值及變化率di/dt，經過處理器的保護算法和延時控制後，進行高速機械開關控制，功率半導體器件控制，所述人機互動界面實時顯示混合式直流斷路器狀態及各類計算結果，故障數據通過通信模塊實時傳回上位機。
本發明的所述的混合型直流斷路器的優選實施例中，所述處理器為通用處理器、數位訊號處理器、專用集成電路asic或現場可編程門陣列fpga。
本發明的所述的混合型直流斷路器的優選實施例中，所述處理器包括存儲器，所述存儲器可以包括一個或多個只讀存儲器rom、隨機存取存儲器ram、快閃記憶體或電子可擦除可編程只讀存儲器eeprom。
圖3(a)-圖3(e)是根據本發明一個實施例的混合型直流斷路器的斷路器模塊過電壓限制電路伏安特性曲線圖，如圖3(a)-圖3(e)所示，斷路器模塊分斷短路電流過程如下。
1)如圖3(a)主迴路通流階段。正常工作狀態下，主電流迴路電流從機械開關部分流過，通態損耗小。當主電流迴路短路，高速機構存在一定的機械延遲，大約300μs，加上機械動作存在一定的分散性，大約50μs，故高速機構應該在控制器發出動作信號250μs～350μs左右完成分斷；
2)如圖3(b)所示，當主迴路短路，控制系統發出分閘指令，高速機械開關開始動作，由於高速機械開關存在一定的機械延遲，大約300μs，加上機械動作存在一定的分散性，大約50μs，故高速機械開關並沒有立即打開。同時，控制系統觸發電流轉移支路晶閘管組件導通，主電流迴路電流開始向電流轉移支路轉移；
3)如圖3(c)功率二極體vd1在主迴路電流過零後反向截止，使得主迴路電流保持在零，此時高速機械開關打開，實現無弧分斷，電流轉移支路中的轉移電容反向充電；
4)如圖3(d)所示，隨著轉移電容兩端電壓不斷增加，當轉移支路電壓超過過電壓限制支路的閾值，過電壓限制支路導通，轉移支路電流開始向過電壓限制支路轉移；
5)如圖3(e)所示，隨著轉移支路電流減小至零，轉移支路的晶閘管組件vt1截止，此時系統電壓小於過電壓限制支路的導通閾值，過電壓限制支路電流迅速減小至零，開端完成。
圖4是根據本發明一個實施例的混合型直流斷路器的斷路器模塊串聯結構示意圖，如圖4所示，其中c1-cn+1為n+1個斷路器模塊的系統接入端。為了便於斷路器模塊的連接，斷路器模塊之間均通過連接開關連接，連接開關可以包含但不局限於為隔離開關、真空開關等，連接為串聯過程需要的設備，不屬於本發明範疇，通過斷路器模塊串聯可以提高混合式直流斷路器的應用電壓等級，同時各個斷路器模塊之間連接方便，可以根據實際系統電壓要求調整斷路器模塊串聯個數。
圖5是根據本發明一個實施例的混合型直流斷路器的斷路器總控制框圖，圖5給出了本發明斷路器模塊控制系統的設計結構，控制系統處理在線監測系統返回的實時斷路器和系統狀態數據，主要包括信號調理電路，高速ad，處理器和人機互動界面和上位機通信系統。所述系統電流、所述主電流電路的電流，電流轉移支路的電流，所述過電壓限制電路電流、高速機械開關電壓、轉移電容電壓、高速機械開關位移的數值經過濾波放大，進入ad處理計算，所述計算包括但不限於主電流電路電流，轉移電流支路電流的幅值及變化率di/dt的計算，經過處理器的保護算法和延時控制後，進行高速機械開關控制，功率半導體器件控制，所述人機互動界面實時顯示混合式直流斷路器狀態及各類計算結果，故障數據通過通信系統實時傳回上位機。進一步地，所述控制系統可以獨立成單獨組件，也可以集成在所述在線監測系統中。
圖6是根據本發明一個實施例的利用混合型直流斷路器的短路下的分斷方法的步驟示意圖，一種利用所述的混合型直流斷路器的短路狀態下的分斷方法包括以下步驟：
在第一步驟s1中，在線檢測系統檢測到系統電流達到設定閾值或者電流上升率達到設定閾值時，發出分閘指令。
在第二步驟s2中，高速機械開關存在響應延遲，電流轉移支路晶閘管組件vt1導通，主電流迴路電流開始向電流轉移支路轉移。
在第三步驟s3中，功率二極體vd1在主電流迴路電流過零後反向截止，使得主電流迴路電流保持在零，此時高速機械開關打開，實現無弧分斷，電流轉移支路中的轉移電容反向充電。
在第四步驟s4中，隨著轉移電容兩端電壓不斷增加，當電流轉移支路電壓超過過電壓限制支路的閾值，過電壓限制支路導通，電流轉移支路電流開始向過電壓限制支路轉移。
在第五步驟s5中，隨著轉移支路電流減小至零，電流轉移支路的晶閘管組件vt1截止，此時系統電壓小於過電壓限制支路的導通閾值，過電壓限制支路電流迅速減小至零，完成開斷。
本發明公開的高壓混合式直流斷路器包括多個斷路器模塊，所述斷路器模塊包括主電流迴路、電流轉移支路、過電壓限制支路以及在線檢測系統。轉移電流支路包括預充電電容器，電感以及功率半導體器件，通過混合式斷路器模塊的串聯，不僅可以提高應用電壓等級，同時各個斷路器模塊之間連接方便，可以根據實際系統電壓要求調整斷路器模塊串聯個數。本發明包含的斷路器不僅可以實現高電壓等應用下的短路分斷，而且可以通過控制部分斷路器模塊進行分閘動作實現高電壓等級情況下的短路限流功能。
儘管以上結合附圖對本發明的實施方案進行了描述，但本發明並不局限於上述的具體實施方案和應用領域，上述的具體實施方案僅僅是示意性的、指導性的，而不是限制性的。本領域的普通技術人員在本說明書的啟示下和在不脫離本發明權利要求所保護的範圍的情況下，還可以做出很多種的形式，這些均屬於本發明保護之列。