[發明專利]一種可降低開斷電流的直流斷路器及其直流故障處理策略

在審

• 申請號: 201711294056.2
• 申請日: 2017-12-08
• 公開（公告）號: CN107785867A
• 公開（公告）日: 2018-03-09
• 發明（設計）人: 徐政;唐英杰;肖晃慶;徐雨哲;李繼紅;陸翌
• 申請（專利權）人: 浙江大學;國家電網公司;國網浙江省電力公司;國網浙江省電力公司電力科學研究院
• 主分類號: H02H3/087
• 分類號: H02H3/087;H02H9/02
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司33224
• 代理人: 王琛

技術領域

本發明屬于電力電子系統技術領域，具體涉及一種可降低開斷電流的直流斷路器及其直流故障處理策略。

背景技術

直流電網有兩種基本的構網方式：第一種構網方式采用基于半橋子模塊的模塊化多電平換流器(MMC)加直流斷路器方案，這種構網方式適用于端數任意多的直流電網；第二種構網方式采用具有直流故障自清除能力的MMC，例如采用基于全橋子模塊的MMC，但無需直流斷路器，這種構網方式適用于端數小于10的小規模直流電網。采用半橋子模塊MMC加直流斷路器的構網方式時，直流線路故障期間通常要求換流站繼續運行，不能閉鎖，故障線路由直流斷路器快速切除，其故障處理原則與交流電網類似。采用無直流斷路器的構網方式時，直流線路故障期間網內相關換流器閉鎖，閉鎖后10ms左右故障電流到零并穩定于零值，再通過隔離開關隔離故障線路，然后相關換流器解鎖重新恢復送電，從故障開始到恢復送電的時間一般在20ms左右，通常對交流電網的沖擊在可以承受的范圍之內。

當采用半橋子模塊MMC加直流斷路器的構網方式時，直流斷路器就成為直流電網的關鍵性元件。目前高壓直流斷路器構造方案主要集中于3種類型，分別是基于常規開關的傳統機械型斷路器、基于純電力電子器件的固態斷路器和基于二者結合的混合型斷路器。雖然目前已開發出技術上可行的高壓直流斷路器，但其成本高昂，體積巨大，難以像交流斷路器那樣在電網中廣泛使用。另外，高壓大容量直流電網系統的故障電流通?？蛇_數萬安培，遠遠超過當前直流斷路器的開斷能力。因此，直流斷路器仍然是發展直流電網的根本性技術瓶頸。

發明內容

鑒于上述，本發明提供了一種可降低開斷電流的直流斷路器及其直流故障處理策略，該斷路器利用超導限流器在直流故障時的高阻抗特性，能夠抑制故障電流的增長速度，降低斷路器的開斷電流，進而在保證安全運行情況下使得主轉移支路上構成主斷路器的子模塊數目減少，能夠大大降低對直流斷路器的性能要求并降低工程造價，在工程中具有非常強的參考意義與使用價值。

一種可降低開斷電流的直流斷路器，包括正常通流支路、斷流支路、耗能支路、超導限流器、電抗器以及隔離開關，正常通流支路與斷流支路并聯后一端與超導限流器的一端相連，另一端與耗能支路的一端以及直流輸電線路相連；超導限流器的另一端與隔離開關的一端以及耗能支路的另一端相連，隔離開關的另一端與電抗器的一端相連，電抗器的另一端與換流站相連；

所述正常通流支路由超快速機械開關和負載轉移開關串聯組成，所述斷流支路由主斷路器構成，所述耗能支路由避雷器構成，所述主斷路器由多個子模塊串并聯組成，所述負載轉移開關由多個具有雙向通流能力的子模塊串并聯組成。

進一步地，所述主斷路器的子模塊采用增強型半橋子模塊結構。

進一步地，所述增強型半橋子模塊結構包括兩個帶反并聯二極管的IGBT管T1～T2、兩個二極管D1～D2以及一個電容C1；其中，IGBT管T1的發射極與二極管D1的陰極相連并作為子模塊的一端，IGBT管T1的集電極與IGBT管T2的集電極以及電容C1的一端相連，IGBT管T2的發射極與二極管D2的陰極相連并作為子模塊的另一端，二極管D1的陽極與二極管D2的陽極以及電容C1的另一端相連，IGBT管T1～T2的基極均接外部控制電路提供的開關控制信號。

進一步地，所述負載轉移開關的子模塊由兩個帶反并聯二極管的IGBT管T3～T4組成；其中，IGBT管T3的集電極作為子模塊的一端，IGBT管T3的發射極與IGBT管T4的發射極相連，IGBT管T4的集電極作為子模塊的另一端，IGBT管T3～T4的基極均接外部控制電路提供的開關控制信號。

所述直流斷路器的直流故障處理策略，包括如下步驟：

(1)正常運行時，使隔離開關和超快速機械開關閉合，負載轉移開關內所有子模塊處于開通狀態，主斷路器內所有子模塊處于關斷狀態；

(2)直流輸電線路發生短路故障情況下，當檢測到故障電流后，首先對主斷路器內所有子模塊施加開通信號，經一小段延時后，再對負載轉移開關內所有子模塊施加關斷信號；

(3)經過一小段延時，斷開超快速機械開關；待超快速機械開關完全處于關斷狀態后，將主斷路器內所有子模塊設置為關斷狀態，阻斷故障電流通路，則剩余能量將通過耗能支路進行釋放。

與現有技術相比，本發明具有以下有益技術效果：

1.穩態運行時，直流電流流過正常通流支路，由于本發明的負載轉移開關子模塊數量很少，因此穩態運行損耗低。