[发明专利]一种自动充电型强制过零高压直流断路器

说明书

技术领域

本发明属于高压直流断路器领域，更具体地，涉及一种自动充电型强制过零高压直流断路器。

背景技术

与交流输电相比，高压直流输电具有线路费用经济、两端系统无需稳定运行、功率调节简单易行等优点，特别适合于超高压、大容量、远距离输电。目前，世界上投入运行的HVDC工程有90多个，总容量超过70000MW。但世界上运行的高压直流输电系统均为点对点连接，出现故障时只能断开交流侧断路器，从而导致整个换流站停运，极大影响直流输电系统的可靠性，原因就在于没有可供使用的高压直流断路器。这一缺陷不仅限制了高压直流输电优越性的发挥，也制约着多端直流电网的建立和发展。

当发生短路故障时，直流系统的低阻抗导致短路电流迅速上升，因此必须保证直流断路器在尽可能短的时间内可靠地切除短路故障。同时，由于直流断路器在开断电流期间需要承受较高的暂态恢复电压，必须保证主开关支路满足绝缘要求。

高压直流断路器领域备受关注的方案之一就是预充电强制过零高压直流断路器，即利用常规交流机械断路器电流过零熄弧的特点，通过预充电电容与电感产生的反向高频振荡电流与快速开关中直流故障电流叠加以产生“人工电流零点”，从而熄灭电弧，开断电流。但是该种方案，对换流支路触发开关的快速可靠导通要求非常高，难以满足双向故障电流开断以及故障重合闸开断等功能，以及需要的预充电设备体积庞大，设备繁多，控制复杂。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的是提供一种自动充电型强制过零高压直流断路器，旨在解决现有技术中预充电强制过零高压直流断路器预充电设备体积庞大、换流支路触发开关速度要求高、控制复杂和仅开断单向故障电流的技术问题。

本发明提供了一种自动充电型强制过零高压直流断路器，包括快速开关单元、吸能单元、耦合电抗器单元、换流电容单元、第一隔离开关和第二隔离开关；耦合电抗器单元包括原边绕组和副边绕组；第一隔离开关、所述快速开关单元、所述原边绕组和所述第二隔离开关依次串联连接；所述吸能单元与所述快速开关单元并联连接；换流电容单元与副边绕组串联后再与所述吸能单元并联连接。吸能单元用于吸收故障电流被切断后电力系统中感性元件存储的能量来实现对所述快速开关的限压保护；耦合电抗器用于发生故障时耦合故障电流流通线路与所述换流电容单元所在支路；第一隔离开关和所述第二隔离开关用于在电流完全切除后断开以保护直流断路器。本发明能够快速可靠切断任意方向的故障电流。

更进一步地，换流电容单元包括换流电容、预充电模块和充电开关；充电开关与所述换流电容串联连接，换流电容的非串联连接端用于与所述副边绕组连接，所述换流电容用于与所述副边绕组发生振荡；充电开关的非串联连接端用于与第一隔离开关和快速开关单元的连接端连接；充电开关用于当所述吸能单元耗散系统能量后打开以切断残存振荡电流，并在切断额定电流之前控制所述换流电容的充电过程；预充电模块连接在换流电容的充电端，用于在开断额定电流时给所述换流电容预充电。

更进一步地，快速开关单元包括快速开关以及与所述快速开关的供电端连接的快速开关供能模块；快速开关用于承担电流开断后的系统电压，快速开关供能模块用于给所述快速开关中的操动机构提供电源。

更进一步地，当任一方向发生短路故障时，所述快速开关立刻分断并发生燃弧，所述原边绕组中的故障电流逐渐上升并产生变化磁场，所述副边绕组中产生感应电流，感应电流与故障电流同方向以实现对所述换流电容的自动充电，所述换流电容充电完成后通过所述副边绕组放电，放电电流与故障电流反向并叠加产生电流零点，所述快速开关熄弧，电流全部转移至所述换流电容和所述副边绕组支路，当所述快速开关两端电压达到所述吸能单元的动作值时，所述吸能单元导通并耗散系统能量，打开所述充电开关以切断残存振荡电流。

更进一步地，当切断额定电流时，断开所述充电开关，所述预充电模块给所述换流电容预充电，闭合所述充电开关后，所述换流电容与所述副边绕组形成高频振荡电流与所述快速开关中的额定电流叠加以产生电流零点，电流转移至所述换流电容，当所述换流电容的电压上升到所述吸能单元的动作值时，所述吸能单元导通并耗散系统能量。

更进一步地，切断故障电流时无需对所述换流电容预充电，通过所述耦合电抗器实现换流电容的自动充电；仅切断额定电流时需要预充电设备，降低预充电设备的体积和成本。

更进一步地，耦合电抗器为铁芯耦合电抗器、空心耦合电抗器或者平波电抗器加耦合线圈的形式。