[发明专利]一种高压直流断路器

说明书

技术领域

本发明涉及一种高压直流断路器。

背景技术

高压直流断路器是HVDC（高压直流输电）系统中的一种非常重要的器件。当电源系统发生故障或者需要维护时，高压直流断路器被用于改变供电结构，以保持整个系统在正常状态下运行。

在传统的交流输电领域中，每个周期存在2个零电流点，选择零电流点进行分断即可方便地实现灭弧。然而，高压直流输电系统中，电流是恒定的且没有零电流点可被利用。如果直接分断，将导致电弧难以消灭，进而导致断路器损坏。所以高压直流输电技术中，需要找到合适的方案来实现直流电流的分断。

目前，已存在多种高压直流断路器的设计方案，它们大都聚焦于获得电流零点以进行分断。其中一种方法是基于自激振荡的电流叠加获得电流零点，进而实现电流分断。图1示出了该方案的电路示意图。其中，I是需要分断的直流电流，K1是主开关（该主开关可以是AC断路器），在正常运行状态下，主开关K1保持闭合且全部直流电流从主开关K1通过。当直流电流I需要分断时，先断开主开关K1。在断开主开关K1的过程中，由于负阻抗特性和不稳定的电弧，电容C1和电感L1之间会产生自激振荡，并且这种振荡会逐渐增大。这种振荡电流叠加于直流电流I，使得通过主开关K1的电流在直流电流I的基础上上下振荡且振幅不断增大，直至获得瞬时电流值为零的点，当通过主开关K1的瞬时电流降至零时，电弧被消灭，此时主开关K1被完全地分断。另一方面，此时仍然有大量的能量存储在线路电感中，该能量会造成电容C1的电压上升，当容C1的电压超过能量耗散元件MOV1的阈值时，能量耗散元件MOV1开始工作，耗散此处多余的能量。最终主电流变为0，分断过程结束。这种设计方案的优点是电路简单且易于控制。然而它也存在电路的自己振荡高度依赖断路器和LC参数的设置，导致对元件的精度要求极高。并且该方案的电流分断能力有限，最高电流分断能力一般在4kA以下。

另一种方法是用外部激励产生振荡形成电流叠加获得电流零点，进而实现电流分断。不同于前一方案，该方案中的振荡电容器使用外部电源预充电。图2示出了该方案的电路示意图。在分断主电路前，开关K4闭合，电容C2受控地充电至合适的电压。然后将开关K4断开。再将主开关K2断开，同时将开关K3导通，受电容C2电压的激励，电容C2和电感L2之间产生振荡，振荡电流被叠加到直流电流I上。随着叠加电流的振幅的增大，叠加电流的瞬时值将穿过零点，这样电弧将被消灭，主开关K2被完全分断。在此之后，存储在线路电感的剩余能量将被转移至电容C2，直至电容C2的电压高于能量耗散元件MOV2的阈值。此后，当能量耗散元件MOV2开始工作耗散剩余能量。剩余能量耗散后，开关K3断开，开关K4闭合。电容C2通过电容充放电装置放电。这样，整个电流分断过程结束。该方案的优势是分断速度快且电流分断能力强。然而它需要增加额外的充放电装置，考虑隔离、耐压等问题，额外的充放电装置将显著增加系统复杂性及器件数量，降低导致系统可靠性降低。

第三种方案是基于串联的高压有源电子组件实现直流分断，图3示出了该方案的电路示意图。在该方案中，K5是主开关（主开关可以是AC断路器），K6是辅助有源电子开关。有源电子开关组K7由多个有源电子开关串联构成，其中每个有源电子开关各自并联能量耗散元件。在正常运行状态，全部电流流过主开关K5和辅助有源电子开关K6，同时有源电子开关组K7保持断开。当需要分断电流时，辅助有源电子开关K6断开且有源电子开关组K7导通。电流将转移至有源电子开关组K7支路，当流过主开关K5的电流接近0时，将主开关K5断开，此时K5处不会产生电弧。此后，控制有源电子开关组K7断开。这个过程中，能量存储在线路电感中(通常在直流断路器装置的前端总会存在线路感抗，这种线路感抗可以等效成电感)，使得施加在有源电子开关组K7两端的电压快速增加，当K7中各有源电子开关两端的电压高于所对应的并联能量耗散元件的阈值电压时，能量耗散元件工作并耗散多余能量直至电流降至0。此时整个分断过程结束。该方案的主要优势是分断速度快，然而多个有源电子开关的精确同步控制实现困难，并且该方案需要将存在导通压降的辅助有源电子开关K6设置在主线路中，这会导致持续的能量消耗，造成电能浪费。

发明内容

本发明旨在提供一种电流分断能力强且控制简单、可靠性高的高压直流电流分断解决方案。