[发明专利]一种可降低开断电流的直流断路器及其直流故障处理策略

说明书

技术领域

本发明属于电力电子系统技术领域，具体涉及一种可降低开断电流的直流断路器及其直流故障处理策略。

背景技术

直流电网有两种基本的构网方式：第一种构网方式采用基于半桥子模块的模块化多电平换流器(MMC)加直流断路器方案，这种构网方式适用于端数任意多的直流电网；第二种构网方式采用具有直流故障自清除能力的MMC，例如采用基于全桥子模块的MMC，但无需直流断路器，这种构网方式适用于端数小于10的小规模直流电网。采用半桥子模块MMC加直流断路器的构网方式时，直流线路故障期间通常要求换流站继续运行，不能闭锁，故障线路由直流断路器快速切除，其故障处理原则与交流电网类似。采用无直流断路器的构网方式时，直流线路故障期间网内相关换流器闭锁，闭锁后10ms左右故障电流到零并稳定于零值，再通过隔离开关隔离故障线路，然后相关换流器解锁重新恢复送电，从故障开始到恢复送电的时间一般在20ms左右，通常对交流电网的冲击在可以承受的范围之内。

当采用半桥子模块MMC加直流断路器的构网方式时，直流断路器就成为直流电网的关键性元件。目前高压直流断路器构造方案主要集中于3种类型，分别是基于常规开关的传统机械型断路器、基于纯电力电子器件的固态断路器和基于二者结合的混合型断路器。虽然目前已开发出技术上可行的高压直流断路器，但其成本高昂，体积巨大，难以像交流断路器那样在电网中广泛使用。另外，高压大容量直流电网系统的故障电流通常可达数万安培，远远超过当前直流断路器的开断能力。因此，直流断路器仍然是发展直流电网的根本性技术瓶颈。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种可降低开断电流的直流断路器及其直流故障处理策略，该断路器利用超导限流器在直流故障时的高阻抗特性，能够抑制故障电流的增长速度，降低断路器的开断电流，进而在保证安全运行情况下使得主转移支路上构成主断路器的子模块数目减少，能够大大降低对直流断路器的性能要求并降低工程造价，在工程中具有非常强的参考意义与使用价值。

一种可降低开断电流的直流断路器，包括正常通流支路、断流支路、耗能支路、超导限流器、电抗器以及隔离开关，正常通流支路与断流支路并联后一端与超导限流器的一端相连，另一端与耗能支路的一端以及直流输电线路相连；超导限流器的另一端与隔离开关的一端以及耗能支路的另一端相连，隔离开关的另一端与电抗器的一端相连，电抗器的另一端与换流站相连；

所述正常通流支路由超快速机械开关和负载转移开关串联组成，所述断流支路由主断路器构成，所述耗能支路由避雷器构成，所述主断路器由多个子模块串并联组成，所述负载转移开关由多个具有双向通流能力的子模块串并联组成。

进一步地，所述主断路器的子模块采用增强型半桥子模块结构。

进一步地，所述增强型半桥子模块结构包括两个带反并联二极管的IGBT管T1～T2、两个二极管D1～D2以及一个电容C1；其中，IGBT管T1的发射极与二极管D1的阴极相连并作为子模块的一端，IGBT管T1的集电极与IGBT管T2的集电极以及电容C1的一端相连，IGBT管T2的发射极与二极管D2的阴极相连并作为子模块的另一端，二极管D1的阳极与二极管D2的阳极以及电容C1的另一端相连，IGBT管T1～T2的基极均接外部控制电路提供的开关控制信号。

进一步地，所述负载转移开关的子模块由两个带反并联二极管的IGBT管T3～T4组成；其中，IGBT管T3的集电极作为子模块的一端，IGBT管T3的发射极与IGBT管T4的发射极相连，IGBT管T4的集电极作为子模块的另一端，IGBT管T3～T4的基极均接外部控制电路提供的开关控制信号。

所述直流断路器的直流故障处理策略，包括如下步骤：

(1)正常运行时，使隔离开关和超快速机械开关闭合，负载转移开关内所有子模块处于开通状态，主断路器内所有子模块处于关断状态；

(2)直流输电线路发生短路故障情况下，当检测到故障电流后，首先对主断路器内所有子模块施加开通信号，经一小段延时后，再对负载转移开关内所有子模块施加关断信号；

(3)经过一小段延时，断开超快速机械开关；待超快速机械开关完全处于关断状态后，将主断路器内所有子模块设置为关断状态，阻断故障电流通路，则剩余能量将通过耗能支路进行释放。

与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：

1.稳态运行时，直流电流流过正常通流支路，由于本发明的负载转移开关子模块数量很少，因此稳态运行损耗低。