[发明专利]一种基于高速机械开关的限流型混合直流断路器

说明书

本发明中公开了一种基于高速机械开关的限流型混合直流断路器，属于电力高压大容量直流断路器领域。基于高速机械开关的限流型混合直流断路器拓扑1主要包括IGBT阀组11、耗能回路12和高速机械开关13。IGBT阀组包括数个串联的IGBT和由四个二极管组成的二极管整流桥，该结构的功能是切断故障电流；限流电感(L₁、L₂、L₃)负责限制短路电流的上升速率；能量耗散电阻(R_d)和反向二极管(D)与电感并联，在断路器切断故障电流后消耗电感中剩余的能量；高速机械开关的作用是在发生短路故障后改变电路结构，将原来并联支路转变为串联支路，由于电感电流不能突变，短路电流将降低为单个支路电流。因此，提出的断路器可以大大降低成本和短路电流幅值。

技术领域

本发明涉及电力高压大容量直流断路器领域，具体涉及一种基于高速机械开关的限流型混合直流断路器。

背景技术

直流断路器作为电力高压大容量输电系统控制和保护的重要设备,保障供电系统安全可靠运行,目前直流牵引供电系统短路电流可达数十千安,电流上升率快。由于直流输电网的直流侧阻抗小,当系统发生短路故障时,故障电流快速上升,如果不在短时间内切除故障,会导致换流侧交流断路器动作,换流阀组闭锁,影响整个系统的正常运行,极大地降低了输电系统的可靠性和灵活性。

目前，为了解决混合直流断路器造价昂贵和性能提高的问题，已有多篇学术论文和专利进行研究并提出相应的解决办法，例如：

1、H.Ye等人发表的“A Novel Hybrid DC Circuit Breaker Based onPrecharged Capacitors”2018 IEEE International Power Electronics andApplication Conference and Exposition(PEAC),2018，该文章提出一种Z源直流断路器，该断路器的拓扑由一个半导体元件、一对电感电容桥臂、二极管和电阻组成。发生故障时，Z源直流断路器可以利用电路中并联电容产生的反向电流切断可控硅，实现无电弧切断电路。Z源断路器的缺点是不能切断高阻故障，并且桥臂电感、电容参数不能随时调整，导致断路器适应性差。

2、郭彦勋等人发表的“机械式直流断路器自适应重合闸策略”高电压技术:1-9[2021-02-25]，该文章的机械式直流断路器带载能力强、开断容量大、通态损耗小，然而其动作速度较慢，其分合闸需要几十毫秒，这将导致故障电流峰值难以被抑制，从而影响电网的安全运行。此外由于直流电流不存在过零点，机械式直流断路器在分断短路电流时极易产生电弧，这将减少设备寿命,并造成安全隐患。

3、申请号为CN201610044842.6，名称为“一种限流式高压直流断路器”的专利中，提出了一种带有限流功能的高压直流断路器拓扑。该拓扑采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为主开关器件，具有断路、限流等功能，并具有通态损耗小、关断电流大、电压等级高的优点；可灵活配置支路数量以调节每个支路的工作电流及故障下的限流效果，进而避免或减少大容量场合下IGBT的直接并联。但同样需要较多的IGBT来实现此性能，导致总体造价昂贵。

综上，目前已有的方法仍存在断路器性能不佳，造价昂贵等不足。为此，亟需一种可以提高混合直流断路器性能和降低成本的拓扑。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是针对目前大多数固态直流断路器采用大量的绝缘栅双极晶体管(IGBT)串联和并联断开故障电流的问题，提出一种改进的低成本限流型混合直流断路器。当短路故障发生后，采用控制高速机械开关串联断路器中并联支路，使IGBT阀组共享阻断电压，减少IGBT数量。由于电感电流不能突变，短路电流将降低为单个支路电流。因此，提出的断路器可以大大降低成本和短路电流幅值。

所述IGBT阀组包括数个串联的IGBT和由四个二极管组成的二极管整流桥，串联IGBT的个数由拓扑并联的支路数、开断电压的大小以及IGBT的型号来决定，该结构的功能是实现电流双相传导和切断故障电流；