[发明专利]一种自然换流型混合式高压直流断路器

说明书

技术领域

本发明属于直流输配电网络应用的直流断路器领域，涉及一种基于快速机械开关和电力电子固态开关的自然换流混合直流断路器，主要考虑快速机械开关和电力电子固态开关的配合问题，涉及到机械开关断口的设计和电力电子固态开关的设计，以及开断过程原理和能量吸收过程。

背景技术

面对经济社会的快速发展，用户对电力系统提出了更加环境友好、安全可靠、优质经济并支持用户与电网双向互动等要求。随着城市规模的迅速增长、分布式能源的不断发展，以及电力负荷种类的增加，电压等级为±20kV(高压直流配电等级)以下的直流配电系统在较大容量的电力传输、分布式能源接入、提供交流系统的无功补偿等方面显示出明显的优势，成为现阶段直流系统，尤其是柔性直流系统，在城市电网供用电应用方面的重要领域。除此之外，基于直流的配电网还可以快速独立地控制有功、无功，隔离交流电网故障的传播，改善传统交流配电网容易产生的谐波污染、电压间断、波形闪变等电能质量问题。因此，研究具有安全可靠、经济稳定的直流配电网具有巨大的市场价值和经济价值，对于整个电力系统稳定性、灵活性和智能性也有重要的意义，未来直流配电系统的前景十分广阔。

目前，在直流输电系统中，主要通过闭锁换流器或开断交流断路器来切除直流故障电流。若采用现有方法应用到直流配电网中，整个直流配电系统将短时停运，并对并联运行的交流系统造成巨大冲击，严重降低系统供电的可靠性；而对于高压输电线路，由于切除故障的局限性，通常只能采用点对点的方式。如能在直流配电系统中应用ms极大电流开断能力的直流断路器，快速切除直流设备或直流支路的故障，则可以保证直流配电系统非故障部分的稳定运行，极大的提高可靠性；点对点直流输电线路也可扩展为直流输电网，为分布式能源的大规模接入提供便利。

目前部分的高压直流断路器其结构如图1所示，其中共有n个断路器模块串联，相邻两个断路器模块之间通过隔离开关相连，隔离开关是为了便于模块连接、模块调试和检修。隔离开关可以包含常规的真空断路器等，属于串联所需设备，通过模块化设计和串联，可以根据直流系统的电压等级来调整断路器模块串联个数。

直流系统中的故障电流开断主要有以下困难：

一、由于直流系统中电流不存在自然过零点，若采用传统的交流断路器开断直流，灭弧十分困难；

二、开断直流电流后，会产生很大的过电压，同时直流系统中存储的大量能量需要被吸收；

三、直流系统中故障电流将在几毫秒内迅速上升，故直流断路器需要在毫秒级迅速动作，在电流到达峰值前切断故障，以防止故障扩散、设备损坏甚至直流系统解列。

传统的机械式断路器，一般采用交流断路器叠加振荡电流和能量吸收装置，强迫电流过零点，实现开断直流电流的功能。但交流断路器分合闸时间为几十至上百ms，开断时间长，不能满足快速开断直流故障电流的需求。传统机械式的断路器已经不能满足现有直流系统开断故障电流的要求。

随着电力电子技术和快速机械开关技术的发展，现有满足直流系统开断要求的断路器主要有三种方案：基于快速机械开关的人工过零点断路器、基于电力电子技术的固态断路器、基于电力电子技术和快速机械开关技术的自然换流型混合式断路器。将三种方案同之前所述的传统机械式断路器作比较，如下表1所示：

表1四种直流断路器优缺点比较

现有人工过零点型断路器，需要较大的有源电容器，与电感器构成人工振荡过零回路，体积庞大、控制复杂、可靠性较低，如果开断失败难以补救。

现有ABB等提出的混合式直流断路器方案，主电流支路采用机械开关和辅助开关串联。其中辅助开关为电力电子开关，正常运行时有较大的导通损耗。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处,提出一种自然换流型混合式高压直流断路器，本发明的断路器不需要有源器件如充电电容器辅助过零，具有固态断路器的优点。同时正常导通状态下由机械开关作为主电流支路，通态损耗很小，不需要复杂可靠的冷却设备。使控制简单，可靠性较高。

本发明提出的一种自然换流型混合式高压直流断路器，由多个完全相同的高压直流断路器模块通过隔离开关串联而成，其特征在于，所述高压直流断路器模块是基于自然换流式混合直流断路器，所述每个断路器模块由主电流支路、主断路器支路和过电压保护及能量吸收支路及测量控制系统组成,该三条支路相互并联,该测量控制系统分别与三条支路相连,用以控制三条支路的工作时序。

所述主电流支路可由多个串联的高速机械开关FCB组成；