[发明专利]直流固态断路器及断路控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及电力开关技术领域，具体地指一种直流固态断路器及断路控制方法。

背景技术

近年来，直流电力系统在高压直流输电系统(HVDC)、船舶电力系统、轨道交通等领域的应用不断扩展，使得直流输配电系统设备的需求不断增长，直流断路器作为系统的关键保护设备有着广泛地应用前景。

由于直流系统的电流没有自然过零点，用于交流和直流系统断路器的要求有显著不同，以舰船直流系统为例，当直流系统中出现短路故障时，电流上升率可达到20A/μs以上，峰值电流达到110kA以上，传统机械式断路器分断比较困难，需要特殊设计分断、灭弧、触头系统来实现保护，而且线路电感中存储的大量能量需要释放，这将提高系统的耐压水平和绝缘强度，而且不能满足系统快速分断故障的要求。

由于电力电子功率半导体能够快速对电路进行开关，直流断路器引入电力电子功率半导体进行直接或间接分断故障电流。电力电子功率半导体作为电流分断的主开关，即固态开关。

专利CN103578820A“改进的固态开关装置”和Francesco等的论文“1MW Bi-directional DC SSCB based on air Cooled Reverse Blocking-IGCT”(2015-IEEE会议)设计了固态断路器(Solid State Circuit Breaker,SSCB)，其主要优点在于，无电弧断路操作而具有无限电器耐久性；与机电开关的分断时间相比，SSCB分断时间明显更短。但这类设计存在两种明显缺陷：一是采用全控型电力电子器件，这类器件的额定电压、电流和抗过载能力不高，在正常工作时的损耗较大；二是此类开关的操作必须根据非常精确、严格的时序来进行，需要检测、控制配合一致。

将机械式开关的高耐压、低损耗与固态开关的快速性结合，形成所谓的混合开关或混合断路器。

专利US20150002977A1“Mechatronic circuit breaker device and associated tripping method and use thereof in interrupting a high direct current”和专利US20120299393“Device and method to break the current of a power transmission or distribution line and current limiting arrangement”设计了用于HVDC领域的混合断路器，系统发生故障时，换流回路检测到故障，关断负载换流开关，将故障电流转移至主回路，超高速隔离开关打开形成隔离，随后主回路中的IGBT开关断开(同时开关两端电压上升至避雷器动作电压)，故障电流全部由避雷器流过并快速减小。这类设计存在两种明显缺陷：一是因为这类开关采用全控型电力电子器件多级串联结构，对串联均压设计、每个半导体一致性要求较高，技术难度大，成本高昂；二是此类开关的操作也同样必须根据非常精确、严格的时序来进行，需要检测、控制配合一致。

上述技术均在短路故障时，采用检测、判断、控制进行保护，对这几个环节依赖性很大，而这些环节的数据必然出现延迟或者失真，这将影响断路器的可靠动作，给整个系统的保护带来极大隐患；此外，这些技术需要使用大功率全控型电力电子器件(如：IGCT，IGBT等)，使得技术难度大、成本高昂。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种直流固态断路器及断路控制方法，该断路器及断路控制方法可以解决传统断路器分断速度慢，需要检测、判断、控制等进行短路保护而造成延时等问题，保证直流系统在发生故障时可靠关断，增强系统可靠性。

为实现此目的，本发明所设计的直流固态断路器，其特征在于：它包括晶闸管开关模块(SCR)、换流回路、撬棒电路(Crowbar)和控制器，所述换流回路为T源阻抗网络，所述撬棒电路由可控电力电子开关和电阻R串联组成，所述控制器的可控电力电子开关控制信号输出端连接可控电力电子开关的控制信号输入端，控制器的晶闸管控制信号输出端连接晶闸管开关模块的控制信号输入端，所述晶闸管开关模块、换流回路和撬棒电路串联连接。