一种复合谐振型机械式直流断路器及其使用方法

1.本发明涉及断路器技术领域，特别是涉及一种复合谐振型机械式直流断路器及其使用方法。


背景技术：

2.随着二氧化碳排放量不断增加，温室气体猛增，气候变化已是人类所共同面临的全球性问题。光伏发电、风力发电等可再生能源发电方式不断发展壮大，促进电力系统向能源互联网方向升级。而常见的分布式发电方式通常为直流电或经整流变为直流电的形式，针对于现有交流系统的传输方式，将直流电通过逆变器并网之后会产生谐波，降低工作效率，影响继电保护装置动作的正确性，威胁系统的安全运行。柔性直流输电技术凭借其线路损耗小、成本低、可控性强、可靠性强等优点而具备更广阔的发展前景。同时，随着电力电子技术的飞速发展，直流负荷数量激增，这使得柔性直流配电技术凭借其供电效率高和可靠性高等方面的优势，在“源-网-荷”协调控制领域发挥了重大作用，引发了广泛的关注。
3.而柔性直流系统阻抗低，故障发生后故障电流上升率高，故障电流扩散速度快，实现故障的快速、可靠隔离是保证直流系统安全、稳定运行的前提条件。而直流系统不存在像交流系统那样的自然电流过零点，直流故障电流开断困难，直流断路器的诞生为这一问题提供了解决方案。
4.现有的直流断路器在应用于高压、大容量场合时仍存在造价高、占地面积大等共性问题。依靠电容电压不断上升从而迫使振荡电流幅值增加使得机械开关可以过零熄弧的方式可以为机械开关提供多个过零点，增加可靠性，同时也使得成本大幅降低。但目前强迫谐振方案的直流断路器仍需要预充电电容、预充电装置或者电力电子器件需要高频、多次关断故障电流值，制约其进一步向更高的电压、电流等级发展。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种复合谐振型机械式直流断路器及其使用方法，降低电力电子器件开通、关断损耗，降低对电力电子器件连续硬关断能力的需求，延长电力电子器件的使用寿命，减少电力电子器件的使用数量，进一步节约成本。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种复合谐振型机械式直流断路器，包括主支路、振荡支路及耗能支路，且所述主支路、所述振荡支路及所述耗能支路三者并联；
8.所述主支路上设置串联的主开关及辅助振荡开关；所述辅助振荡开关包括并联的四个辅助振荡支路，分别为第一辅助振荡支路、第二辅助振荡支路、第三辅助振荡支路和第四辅助振荡支路；
9.所述第一辅助振荡支路上设置第一避雷器；
10.所述第二辅助振荡支路上设置辅助开关；
11.所述第三辅助振荡支路上设置二极管、电感及电力电子器件；所述二极管的阴极
与所述电力电子器件的阳极连接，所述二极管的阳极与所述电力电子器件的阴极连接；所述电力电子器件还与所述电感串联；
12.所述第四辅助振荡支路上设置电容；
13.所述振荡支路上设置振荡元件，所述耗能支路上设置耗能元件。
14.可选地，所述振荡元件包括串联的振荡电感和振荡电容。
15.可选地，所述耗能元件为第二避雷器。
16.可选地，所述电力电子器件为igbt或者iegt。
17.可选地，所述第一避雷器的动作电压与所述第二避雷器的动作电压不相同。
18.为达上述目的，本发明还提供了如下技术方案：
19.一种复合谐振型机械式直流断路器的使用方法，包括：
20.将复合谐振型机械式直流断路器，设置在直流系统中；所述复合谐振型机械式直流断路器内，主开关和辅助开关处于合闸状态，电力电子器件处于关断状态，第一避雷器和耗能元件未动作；
21.当所述直流系统发生故障时，所述主开关和所述辅助开关动作分闸，所述电力电子器件接收到第一导通指令控制导通，以使得所述直流系统中的故障电流向所述电力电子器件转移；
22.当所述电力电子器件接收到关断指令进行关断时，所述故障电流向电容充电，并当辅助振荡支路的电压到达所述第一避雷器的动作电压时，所述第一避雷器动作，所述第一避雷器与振荡支路进行振荡，产生振荡电流直至所述振荡电流为零；
23.当所述电力电子器件接收到第二导通指令控制导通时，所述振荡电流反向振荡，同时所述电容、电感及所述电力电子器件形成振荡回路进行振荡，产生辅助振荡电流；
24.当所述振荡电流再次过零时，所述辅助振荡电流与所述故障电流抵消，二极管导通，使得所述电力电子器件在电压、电流均为0时关断；
25.当前时刻下，若所述振荡电流未与所述故障电流抵消，则返回所述电力电子器件接收到关断指令进行关断的步骤；
26.当前时刻下，若所述振荡电流与所述故障电流抵消，则所述主开关过零熄弧，所述故障电流转移至所述振荡支路，向所述电容充电，直至所述耗能元件动作，以将所述故障电流转移至耗能支路。
27.可选地，所述电力电力电子器件的门极用于接收所述第一导通指令、所述第二导通指令及所述关断指令。
28.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
29.本发明公开一种复合谐振型机械式直流断路器及其使用方法，包括并联的主支路、振荡支路及耗能支路，振荡支路上设置振荡元件，耗能支路上设置耗能元件，主支路上设置串联的主开关及辅助振荡开关。辅助振荡开关包括并联的四个辅助振荡支路，第一辅助振荡支路上设置第一避雷器，由于直流系统中的故障电流可被认为恒定值，第一避雷器导通后可被认为是恒压源，即辅助振荡开关对外表现为恒压源；第二辅助振荡支路上设置辅助开关，在直流系统正常运行时由辅助开关通流，导通损耗低，无需大量水冷设备；第三辅助振荡支路上设置二极管、电感及电力电子器件，由于电感与电容的引入使得电力电子器件开通过程中可认为是零电流开通，开通损耗极低，关断过程中可以实现零电压、零电流
的关断，关断损耗可以忽略不计，即该模块降低了对电力电子器件连续硬关断能力的需求，大大减少电力电子器件的使用数量，延长电力电子器件的使用寿命，进一步节约了成本，同时使得直流断路器的关断能力不受器件关断能力的制约；另外，电力电子器件全程由第一避雷器钳压，仅耐受很小的电压，降低了对器件的要求，节约成本，无需器件串联耐压；第四辅助振荡支路上设置电容。
30.综上，本发明相比于原有的谐振方案的直流断路器在无需预充电电容与预充电装置的同时，所采用的的电力电子器件可以实现零电压、电流状态的关断，开通损耗与关断损耗可以忽略不计，大大增加了电力电子器件的使用寿命。同时使得直流断路器的关断能力不受电力电子器件关断能力的制约，大幅提升了直流断路器的开断能力。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为本发明复合谐振型机械式直流断路器的结构示意图；
33.图2为本发明复合谐振型机械式直流断路器使用过程中的电流示意图；
34.图3为本发明直流断路器开断故障电流的时序图一；
35.图4为本发明直流断路器开断故障电流的时序图二。
36.符号说明：
37.1-第一避雷器，2-主支路，3-主开关，4-辅助开关，5-二极管，6-电感，7-电力电子器件，8-电容，9-振荡支路，10-耗能支路。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.本发明提出一种复合谐振型机械式直流断路器及其使用方法，综合了机械式直流断路器成本低、损耗低的优势，同时不需要预充电装置，且其中所采用的电力电子器件可以实现在零电压、零电流下的开通与关断，使得电力电子器件的损耗较小，降低了对电力电子器件连续硬关断能力的需求，大大减少电力电子器件的使用数量，延长电力电子器件的使用寿命，进一步节约了成本，且直流断路器的关断能力不受器件关断能力的制约，使得其适用于柔性直流系统的各个电压等级。同时，该方案降低了对电力电子器件应力以及结温的要求，可以根据实际需求灵活选择不同形式的器件，在确保可靠性的前提下进一步降低了经济成本，有利于其进一步推广应用。
40.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
41.如图1所示，本发明提供一种复合谐振型机械式直流断路器，包括主支路2、振荡支
路9及耗能支路10，且所述主支路2、所述振荡支路9及所述耗能支路10三者并联。具体如图1中所示，主支路2的输入端分别与振荡支路9的输入端、耗能支路10的输入端相连，主支路2的输出端与振荡支路9的输出端、耗能支路10的输出端、辅助振荡开关的输出端连接；辅助振荡开关的输入端与主开关3、辅助开关4的输入端连接。
42.所述主支路2上设置串联的主开关3及辅助振荡开关；所述辅助振荡开关包括并联的四个辅助振荡支路，分别为第一辅助振荡支路、第二辅助振荡支路、第三辅助振荡支路和第四辅助振荡支路。
43.所述第一辅助振荡支路上设置第一避雷器(mov1)1；由于故障电流可被认为恒定值，第一避雷器(mov1)1导通后可被认为是恒压源，即辅助振荡开关模块对外表现为恒压源。所述第二辅助振荡支路上设置辅助开关4；在直流系统正常运行时由辅助开关4通流，导通损耗低，无需大量水冷设备。所述第三辅助振荡支路上设置二极管(d)5、电感(l1)6及电力电子器件(t)7；所述二极管(d)5的阴极与所述电力电子器件(t)7的阳极连接，所述二极管(d)5的阳极与所述电力电子器件(t)7的阴极连接；所述电力电子器件(t)7还与所述电感(l1)6串联；电感l1包括电抗器与杂散电感。所述第四辅助振荡支路上设置电容(c1)8。
44.由于电感(l1)6与电容(c1)8的引入使得电力电子器件(t)7开通过程中可认为是零电流开通，开通损耗极低，关断过程中可以实现零电压、零电流的关断，关断损耗可以忽略不计，即该支路设置实现了电力电子器件的无损开通与关断，降低了对电力电子器件连续硬关断能力的需求，大大减少电力电子器件的使用数量，延长电力电子器件的使用寿命，进一步节约了成本，同时使得直流断路器的关断能力不受器件关断能力的制约。
45.其中，电力电子器件7为igbt或者iegt，无需多次、高频关断故障电流，大幅降低了成本。电力电力电子器件7的门极均连接驱动信号。
46.所述振荡支路上设置振荡元件，所述振荡元件包括串联的振荡电感l
osc
和振荡电容c
osc
。振荡电感l
osc
包括电抗器与杂散电感。所述耗能支路上设置耗能元件，所述耗能元件为第二避雷器mov2。
47.所述第一避雷器的动作电压与所述第二避雷器的动作电压不相同。
48.基于上述复合谐振型机械式直流断路器，本发明还提供一种复合谐振型机械式直流断路器的使用方法，包括：
49.步骤100，将复合谐振型机械式直流断路器，设置在直流系统中；此时，直流系统处于正常运行中，为导通状态，所述复合谐振型机械式直流断路器内，主开关和辅助开关处于合闸状态，电力电子器件处于关断状态，第一避雷器和耗能元件未动作。
50.步骤200，当所述直流系统发生故障时，直流断路器收到系统命令或达到开断电流阈值，启动开断过程，具体如下：所述主开关和所述辅助开关动作分闸，所述电力电子器件接收到第一导通指令控制导通，直至辅助开关达到足够绝缘开距，所述直流系统中的故障电流向所述电力电子器件转移，如图2所示。
51.步骤300，当所述电力电子器件接收到关断指令进行关断时，所述故障电流i
fault
向电容充电，并当辅助振荡支路的电压到达所述第一避雷器的动作电压时，所述第一避雷器动作，所述第一避雷器作为恒压源与振荡支路进行振荡，产生振荡电流i
osc
直至所述振荡电流为零。
52.步骤400，当所述电力电子器件接收到第二导通指令控制导通时，所述振荡电流反
向振荡，同时所述电容、电感及所述电力电子器件形成振荡回路进行振荡，产生辅助振荡电流i1。
53.步骤500，当所述振荡支电流i
osc
再次过零时，所述辅助振荡电流与所述故障电流抵消，二极管导通，使得所述电力电子器件在电压、电流均为0时关断。
54.步骤600，当前时刻下，若所述振荡电流未与所述故障电流抵消，则返回所述电力电子器件接收到关断指令进行关断的步骤，即重复上述步骤直至振荡电流i
osc
可与故障电流i
fault
相抵消。
55.步骤700，当前时刻下，若所述振荡电流与所述故障电流抵消，则所述主开关过零熄弧，所述故障电流转移至所述振荡支路，向所述电容充电，直至所述耗能元件动作，即第二避雷器动作，以将所述故障电流转移至耗能支路，由第二避雷器消散系统剩余能量。
56.最终，当直流系统电流逐渐衰减至数十毫安，直流断路器完成系统直流侧故障的清除与隔离。此时，直流系统电压将按照预定目标分配在振荡支路上。
57.所述电力电力电子器件的门极用于接收所述第一导通指令、所述第二导通指令及所述关断指令。
58.如图3和图4所示，本发明还给出了一个具体的直流断路器开断故障电流的过程，如下：
59.0-t0：主开关3与辅助开关4处于闭合状态，导通系统电流，电力电子器件7处于关断状态。
60.t
0-t1：直流系统发生故障，直流断路器启动开断过程。
61.t
1-t2：主开关3与辅助开关4动作分断，电力电子器件7动作导通。
62.t
2-t3：辅助开关4达到足够绝缘开距，故障电流由辅助开关4向电力电子器件7转移。
63.t
3-t4：电力电子器件7动作关断，故障电流向电容8进行充电，达到第一避雷器1动作电压，电流转移向第一避雷器转移，辅助振荡开关电压被钳制在第一避雷器的参考电压，作为恒压源与振荡支路9进行振荡，直至振荡电流i
osc
过零，第一个振荡半波结束。
64.t
4-t5：电力电子器件7动作导通，电感6限制电流增长速度，开通过程中的开通损耗很小，t开通后，振荡电流i
osc
反向，且电容8与电感6、电力电子器件7形成振荡回路进行振荡产生振荡电流i1。即有3个电流同时流经电力电子器件7，分别是故障电流i
fault
、振荡电流i
osc
和辅助振荡电流i1。
65.t
5-t7：t5时刻，辅助振荡电流i1振荡过零，电容8电压振荡反向。i1进入负半波振荡过程，此时i1对i
osc
、i
fault
起反向抵消作用，电流均以从左至右流过电力电子器件7的方向为正方向时，当i1+i
fault
+i
osc
＜0时，二极管5导通。当i1+i
fault
+i
osc
≥0时，电力电子器件7再次导通。t6时刻辅助振荡电流i1过零，电容8电压再次反向。
66.t
7-t8：t7时刻，辅助振荡电流i1再次进入负半波的振荡过程中，当i1+i
fault
+i
osc
＜0时，二极管5再次导通，当二极管5处于反向导通最大值时，即i1处于反向最大值时，控制t关断，由于此时二极管5处于导通状态，电力电子器件7未流有电流，且关断之后，电力电子器件7仅耐受二极管通态压降，这是一个很小的数值，因此电力电子器件7的关断损耗是可以忽略的。其中i1的振荡周期可以灵活改变。
67.t
8-t9：按照固定的频率重复电力电子器件7的导通与关断，直至t9时刻，在电力电
子器件7关断期间，主开关1电流过零熄弧，故障电流转移至振荡支路9，对电容c
osc
进行充电，直至达到第2避雷器10动作电压，电流转移至耗能支路，由第2避雷器10消耗系统剩余能量。
68.本发明可在复合谐振型机械式直流断路器的设计过程中在进行参数设计时已完成了振荡频率的匹配，在实际振荡过程中仅需按照固定的频率向电力电子器件7发送导通、关断信号，控制逻辑方便、简单。
69.综上，本发明具备通态损耗低、主支路无需配备水冷设备、成本低、占地面积小、可为机械开关创造多个过零点、开断可靠性高等优点。
70.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
71.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种复合谐振型机械式直流断路器，其特征在于，包括主支路、振荡支路及耗能支路，且所述主支路、所述振荡支路及所述耗能支路三者并联；所述主支路上设置串联的主开关及辅助振荡开关；所述辅助振荡开关包括并联的四个辅助振荡支路，分别为第一辅助振荡支路、第二辅助振荡支路、第三辅助振荡支路和第四辅助振荡支路；所述第一辅助振荡支路上设置第一避雷器；所述第二辅助振荡支路上设置辅助开关；所述第三辅助振荡支路上设置二极管、电感及电力电子器件；所述二极管的阴极与所述电力电子器件的阳极连接，所述二极管的阳极与所述电力电子器件的阴极连接；所述电力电子器件还与所述电感串联；所述第四辅助振荡支路上设置电容；所述振荡支路上设置振荡元件，所述耗能支路上设置耗能元件。2.根据权利要求1所述的复合谐振型机械式直流断路器，其特征在于，所述振荡元件包括串联的振荡电感和振荡电容。3.根据权利要求1所述的复合谐振型机械式直流断路器，其特征在于，所述耗能元件为第二避雷器。4.根据权利要求1所述的复合谐振型机械式直流断路器，其特征在于，所述电力电子器件为igbt或者iegt。5.根据权利要求3所述的复合谐振型机械式直流断路器，其特征在于，所述第一避雷器的动作电压与所述第二避雷器的动作电压不相同。6.一种复合谐振型机械式直流断路器的使用方法，其特征在于，方法包括：将权利要求1-5中任一项所述的复合谐振型机械式直流断路器，设置在直流系统中；所述复合谐振型机械式直流断路器内，主开关和辅助开关处于合闸状态，电力电子器件处于关断状态，第一避雷器和耗能元件未动作；当所述直流系统发生故障时，所述主开关和所述辅助开关动作分闸，所述电力电子器件接收到第一导通指令控制导通，以使得所述直流系统中的故障电流向所述电力电子器件转移；当所述电力电子器件接收到关断指令进行关断时，所述故障电流向电容充电，并当辅助振荡支路的电压到达所述第一避雷器的动作电压时，所述第一避雷器动作，所述第一避雷器与振荡支路进行振荡，产生振荡电流直至所述振荡电流为零；当所述电力电子器件接收到第二导通指令控制导通时，所述振荡电流反向振荡，同时所述电容、电感及所述电力电子器件形成振荡回路进行振荡，产生辅助振荡电流；当所述振荡电流再次过零时，所述辅助振荡电流与所述故障电流抵消，二极管导通，使得所述电力电子器件在电压、电流均为0时关断；当前时刻下，若所述振荡电流未与所述故障电流抵消，则返回所述电力电子器件接收到关断指令进行关断的步骤；当前时刻下，若所述振荡电流与所述故障电流抵消，则所述主开关过零熄弧，所述故障电流转移至所述振荡支路，向所述电容充电，直至所述耗能元件动作，以将所述故障电流转移至耗能支路。
7.根据权利要求6所述的复合谐振型机械式直流断路器的使用方法，其特征在于，所述电力电力电子器件的门极用于接收所述第一导通指令、所述第二导通指令及所述关断指令。

技术总结
本发明公开一种复合谐振型机械式直流断路器及其使用方法，涉及断路器技术领域，包括并联的主支路、振荡支路及耗能支路；主支路上设置串联的主开关及辅助振荡开关；辅助振荡开关包括并联的四个辅助振荡支路，第一辅助振荡支路上设置第一避雷器；第二辅助振荡支路上设置辅助开关；第三辅助振荡支路上设置二极管、电感及电力电子器件；二极管的阴极与电力电子器件的阳极连接，二极管的阳极与电力电子器件的阴极连接；电力电子器件还与电感串联；第四辅助振荡支路上设置电容；振荡支路上设置振荡元件，耗能支路上设置耗能元件。本发明降低了对电力电子器件的连续硬关断能力的要求，减少了器件的使用数量，进一步降低了成本。进一步降低了成本。进一步降低了成本。


技术研发人员：张翔宇 齐磊 张蓓
受保护的技术使用者：华北电力大学
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/9/23