[發(fā)明專利]一種基于高速機械開關(guān)的限流型混合直流斷路器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110792255.6
• 申請日: 2021-07-14
• 公開（公告）號: CN113437731B
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉一琦;李炳坤;段昭宇;夏天
• 申請（專利權(quán)）人: 東北林業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H02H7/26
• 分類號: H02H7/26;H02H3/087
• 代理公司: 哈爾濱奧博專利代理事務(wù)所(普通合伙) 23220
• 代理人: 葉以方

本發(fā)明中公開了一種基于高速機械開關(guān)的限流型混合直流斷路器，屬于電力高壓大容量直流斷路器領(lǐng)域。基于高速機械開關(guān)的限流型混合直流斷路器拓?fù)?主要包括IGBT閥組11、耗能回路12和高速機械開關(guān)13。IGBT閥組包括數(shù)個串聯(lián)的IGBT和由四個二極管組成的二極管整流橋，該結(jié)構(gòu)的功能是切斷故障電流；限流電感(L₁、L₂、L₃)負(fù)責(zé)限制短路電流的上升速率；能量耗散電阻(R_d)和反向二極管(D)與電感并聯(lián)，在斷路器切斷故障電流后消耗電感中剩余的能量；高速機械開關(guān)的作用是在發(fā)生短路故障后改變電路結(jié)構(gòu)，將原來并聯(lián)支路轉(zhuǎn)變?yōu)榇?lián)支路，由于電感電流不能突變，短路電流將降低為單個支路電流。因此，提出的斷路器可以大大降低成本和短路電流幅值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電力高壓大容量直流斷路器領(lǐng)域，具體涉及一種基于高速機械開關(guān)的限流型混合直流斷路器。

背景技術(shù)

直流斷路器作為電力高壓大容量輸電系統(tǒng)控制和保護的重要設(shè)備,保障供電系統(tǒng)安全可靠運行,目前直流牽引供電系統(tǒng)短路電流可達(dá)數(shù)十千安,電流上升率快。由于直流輸電網(wǎng)的直流側(cè)阻抗小,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時,故障電流快速上升,如果不在短時間內(nèi)切除故障,會導(dǎo)致?lián)Q流側(cè)交流斷路器動作,換流閥組閉鎖,影響整個系統(tǒng)的正常運行,極大地降低了輸電系統(tǒng)的可靠性和靈活性。

目前，為了解決混合直流斷路器造價昂貴和性能提高的問題，已有多篇學(xué)術(shù)論文和專利進行研究并提出相應(yīng)的解決辦法，例如：

1、H.Ye等人發(fā)表的“A Novel Hybrid DC Circuit Breaker Based onPrecharged Capacitors”2018 IEEE International Power Electronics andApplication Conference and Exposition(PEAC),2018，該文章提出一種Z源直流斷路器，該斷路器的拓?fù)溆梢粋€半導(dǎo)體元件、一對電感電容橋臂、二極管和電阻組成。發(fā)生故障時，Z源直流斷路器可以利用電路中并聯(lián)電容產(chǎn)生的反向電流切斷可控硅，實現(xiàn)無電弧切斷電路。Z源斷路器的缺點是不能切斷高阻故障，并且橋臂電感、電容參數(shù)不能隨時調(diào)整，導(dǎo)致斷路器適應(yīng)性差。

2、郭彥勛等人發(fā)表的“機械式直流斷路器自適應(yīng)重合閘策略”高電壓技術(shù):1-9[2021-02-25]，該文章的機械式直流斷路器帶載能力強、開斷容量大、通態(tài)損耗小，然而其動作速度較慢，其分合閘需要幾十毫秒，這將導(dǎo)致故障電流峰值難以被抑制，從而影響電網(wǎng)的安全運行。此外由于直流電流不存在過零點，機械式直流斷路器在分?jǐn)喽搪冯娏鲿r極易產(chǎn)生電弧，這將減少設(shè)備壽命,并造成安全隱患。

3、申請?zhí)枮镃N201610044842.6，名稱為“一種限流式高壓直流斷路器”的專利中，提出了一種帶有限流功能的高壓直流斷路器拓?fù)洹Ｔ撏負(fù)洳捎媒^緣柵雙極晶體管(IGBT)作為主開關(guān)器件，具有斷路、限流等功能，并具有通態(tài)損耗小、關(guān)斷電流大、電壓等級高的優(yōu)點；可靈活配置支路數(shù)量以調(diào)節(jié)每個支路的工作電流及故障下的限流效果，進而避免或減少大容量場合下IGBT的直接并聯(lián)。但同樣需要較多的IGBT來實現(xiàn)此性能，導(dǎo)致總體造價昂貴。

綜上，目前已有的方法仍存在斷路器性能不佳，造價昂貴等不足。為此，亟需一種可以提高混合直流斷路器性能和降低成本的拓?fù)洹?/p>

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的是針對目前大多數(shù)固態(tài)直流斷路器采用大量的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)串聯(lián)和并聯(lián)斷開故障電流的問題，提出一種改進的低成本限流型混合直流斷路器。當(dāng)短路故障發(fā)生后，采用控制高速機械開關(guān)串聯(lián)斷路器中并聯(lián)支路，使IGBT閥組共享阻斷電壓，減少IGBT數(shù)量。由于電感電流不能突變，短路電流將降低為單個支路電流。因此，提出的斷路器可以大大降低成本和短路電流幅值。

所述IGBT閥組包括數(shù)個串聯(lián)的IGBT和由四個二極管組成的二極管整流橋，串聯(lián)IGBT的個數(shù)由拓?fù)洳⒙?lián)的支路數(shù)、開斷電壓的大小以及IGBT的型號來決定，該結(jié)構(gòu)的功能是實現(xiàn)電流雙相傳導(dǎo)和切斷故障電流；