[发明专利]一种基于涡流自触发的模块化多电平换流器直流侧断路器

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于涡流自触发的模块化多电平换流器直流侧断路器，属于电力系统输配电技术。

背景技术

柔性直流输电技术为解决大型风电场等可再生能源的并网瓶颈，为城市高压电网的增容改造、电网互联及孤岛供电提供了新手段和技术方案，具有较强的技术优势，是改变大电网发展格局的战略选择，已列入《国家能源科技“十二五”规划》高性能输变电关键设备，是需要重点技术攻关的重大技术装备。

由于柔性直流输电是从常规直流输电的基础上发展起来的，因此除了常规直流输电技术所具有的优点，柔性直流输电较之常规直流输电还具有紧凑化、模块化设计，易于移动、安装、调试和维护，易于扩展和实现多端直流输电等优点。

直流输电中，直流故障限流技术是一大难点，国内外限流技术主要有磁性元件限流、超导限流、固态限流、PTC电阻限流等，但是大部分都是基于交流系统的过零或者工频谐振特性，不适用于直流系统。故直流限流往往采用加装直流断路器的方法，其原理是通过外部检测电路对直流电流进行检测，当电流越限时，驱动电路产生控制信号控制固态电力电子电路实现对直流电路的关断。

上述直流断路技术由检测环节，驱动控制环节和开关环节组成，由于包含环节数较多，并且采用了外部检测方式，以及开关环节电力电子电路自身成本的因素，这种直流断路器普遍存在反应速度不快，造价偏高，维护不方便的问题。

因此，需要设计一种新型直流断路器，提升反应速度，降低制造成本。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于涡流自触发的模块化多电平换流器直流侧断路器，无需外部或内部检测环节，利用桥臂电流在电感中产生变化的磁场，过流时导致梯形双金属片上涡流的热效应导致形变，从而自触发断路器的关断，与现有的直流断路器工作方式截然不同。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于涡流自触发的模块化多电平换流器直流侧断路器，包括换流器上任意一个桥臂电感和感应涡流触发机构，所述感应涡流触发机构包括梯形双层金属片，所述桥臂电感位于梯形双层金属片的正下方；所述梯形双层金属片为上下两层结构，上层为被动层，下层为主动层，主动层的膨胀系数比被动层的膨胀系数大；

梯形双层金属片相互平行的两条底边中，上底边的长度小于下底边的长度，上底边和下底边分别与直流母线一个断口的两端连接：上底边作为固定端，通过金属圆柱固定在直流母线断口的一端；下底边作为活动端，梯形双层金属片正常温度时下底边与直流母线断口的另一端弹性接触，梯形双层金属片温度升高达预警值时下底边向上弯曲与直流母线断口的另一端不接触。

本发明的断路器采用自触发的方式工作，当直流电路发生电流骤然越限，换流器的桥臂电流变化过快会导致直流母线电压过高，电流变化量大使得桥臂电感产生较强磁场，进而导致桥臂电感上方的梯形双层金属片产生涡流，涡流热效应会引发梯形双层金属片变形，最终触发直流电路状态发生改变。

梯形双层金属片的材料可以分为6种：①通用型：适用于多种用途和中等温度范围，有较高的灵敏度和强度；②高温型：适合于在300℃以上工作，有较高强度和良好的抗氧化性能；③低温型：适合于在0℃以下工作；④电阻型：有高低不同的电阻率可供选用，适用于各种小型化、标准化的电器；⑤高灵敏型：具有高灵敏度、高电阻等特性；⑥耐腐蚀型：有良好的耐腐蚀性，适合于在腐蚀性的媒质中作用。

一般来说，要求主动层的膨胀系数比被动层的膨胀系数大8倍以上即可，举例说：主动层的材料为Mn75％、Ni15％和Cu10％的合金材料，或者Ni20％、Mn6％和Fe74％的合金材料，这两种合金材料在20～100℃内的膨胀系数分别为27×10^-6/℃和20×10^-6/℃；被动层的材料为Ni36％和Fe64％的合金材料，或者Ni42％和Fe58％的合金材料，这两种合金材料在20～100℃内的膨胀系数均为(1.8～4.8)×10^-6/℃。

优选的，所述梯形双层金属片的上层为殷钢，下层为高锰合金，殷钢厚度和高锰合金厚度相等，高锰合金的膨胀系数是殷钢的十倍以上，上层殷钢作为被动层，下层高锰合金作为主动层；在正常温度下，下底边与直流母线断口的另一端弹性接触，电路接通；当温度升高达预警值时，下底边向上弯曲与直流母线断口的另一端不接触，电路断开。