[发明专利]一种基于串联电容器的机械开关式直流断路器及其故障处理策略

说明书

本发明公开了一种基于串联电容器的机械开关式直流断路器及其故障处理策略，断路器包括隔离开关与三条并联支路，三条支路分别为通流支路、转移支路和断流支路。本发明直流断路器利用电容器改变故障电流性质，进而使得故障电流产生过零点，使得机械开关开断故障电流变为可能，并且无需使用昂贵的IGBT器件，因此断路器的投资成本得到大幅度降低，在工程中具有非常强的参考意义与使用价值。

技术领域

本发明属于电力电子系统技术领域，具体涉及一种基于串联电容器的机械开关式直流断路器及其故障处理策略。

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。与交流断路器相比，开发直流断路器的根本难点主要在两个方面：(1)直流电网的故障电流是单极性的，没有过零点，无法套用交流断路器的开断原理；(2)直流电网中的故障电流发展速度大大高于交流电网中的故障电流，直流断路器必须在直流故障电流达到稳态值前开断故障电流，因此对直流断路器的开断速度要求很高。传统机械型断路器的缺点主要在于开断速度较慢且难以开断较大的故障电流；纯电力电子器件的固态断路器的问题则主要在于其较大的运行损耗上。而对于混合型直流断路器来说，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。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，本发明提供了一种基于串联电容器的机械开关式直流断路器及其故障处理策略，该断路器利用电容器改变故障电流性质，进而使得故障电流产生过零点，使得机械开关开断故障电流变为可能，并且投资成本较低，在工程中具有非常强的参考意义与使用价值。

一种基于串联电容器的机械开关式直流断路器，包括隔离开关、通流支路、转移支路和断流支路，上述三条支路并联后一侧与隔离开关的一端相连，另一侧作为直流断路器的B端口与直流线路连接；隔离开关的另一端作为直流断路器的A端口与换流站出口处的平波电抗器相连。

进一步地，所述断流支路包括晶闸管阀组和主电容器，晶闸管阀组的一端与隔离开关的一端相连，晶闸管阀组的另一端与主电容器的一端相连，主电容器的另一端与直流线路连接。

进一步地，所述转移支路包括转移开关、电抗器、充电开关、辅助电源和辅助电容器；其中，转移开关的一端与隔离开关的一端相连，转移开关的另一端与电抗器的一端相连，电抗器的另一端与充电开关的一端以及辅助电容器的一端相连，充电开关的另一端与辅助电源的负极相连，辅助电源的正极与辅助电容器的另一端以及直流线路连接。

进一步地，所述通流支路由主体机械开关构成。

进一步地，所述晶闸管阀组由多个晶闸管串并联组成。

上述机械开关式直流断路器的故障处理策略，包括如下步骤：

(1)启动时首先闭合充电开关，利用辅助电源给辅助电容器充电，待辅助电容器充满电后将充电开关断开；