[发明专利]电感耦合型高压直流限流断路器拓扑结构

权利要求书

1.一种电感耦合型高压直流限流断路器拓扑结构，其特征在于：电感耦合型高压直流限流断路器由引流限流器和故障隔离限流器组成，引流限流器采用主动短路的方式进行引流，同时故障隔离限流器交替投入耦合电感，迫使故障电流流入引流支路，极大限度降低流入故障点的电流；故障隔离限流器负责抑制故障点注入电流并隔离故障点，引流限流器负责将故障点注入电流引入引流支路，并降低故障电流增长速率；

引流限流器结构由超快速机械开关、IGBT、反并联二极管、泄能避雷器及耦合电感组成引流限流器；

故障隔离限流器结构采用超快速机械开关、IGBT、反并联二极管、泄能避雷器及耦合电感和电力电子开关群组构成故障隔离限流器。

2.根据权利要求1所述的电感耦合型高压直流限流断路器拓扑结构，其特征在于：所述的引流限流器结构由超快速机械开关、IGBT、反并联二极管、泄能避雷器及耦合电感组成，T₁、T₂、T₃分别为三个电力电子开关群组，L_L即直流线路平波电抗器，L₀为L_L异名端相连接的耦合电感；正常运行时，超快速机械开关为S₁开路状态，T₃开关群组为关断状态，T₁、T₂两个开关群组的IGBT处于导通状态，电感L₀被旁路，电流经过平波电抗器L_L可以在T₁、T₂支路自由流通。

3.根据权利要求1所述的电感耦合型高压直流限流断路器拓扑结构，其特征在于：所述的故障隔离限流器由超快速机械开关、IGBT、反并联二极管、泄能避雷器及耦合电感L₁、L₂组成，T₄、T₅、T₆分别为三个电力电子开关群组，T₅、T₆接在的L₁、L₂的异名端上；故障隔离限流器是通过T₅、T₆两个开关群组的IGBT交替导通，实现耦合电感的正接和反接，与引流限流器相配合，迫使故障电流流入引流支路，断开超快速机械开关，实现与故障点的物理隔离；正常运行时，超快速机械开关闭合，T₄开关群组的各个IGBT处于导通状态，T₅、T₆两个开关群组的IGBT处于关断状态；由于引流限流器的作用，故障发生后，流过故障隔离限流器的电流很小，IGBT关断时需要泄放的能量较小；故T₄、T₅、T₆无需串流过多的IGBT器件。

4.一种利用权利要求1至3任一项所述的电感耦合型高压直流限流断路器实现故障限流的方法，其特征在于：包括：

(1)故障发生至L₀投入时段(t₀～t₁)

故障发生至L₀投入时段控保装置负责检测直流线路电流，若发生电流上升率越限现象则下发投入L₀指令，该时段延时1ms；

在故障发生至L₀投入时间段内断路器状态与正常状态相同，T₃、T₅、T₆的IGBT处于关断状态，无电流流过，故障电流流经L_L、T₁的IGBT、T₂的二极管、故障隔离限流器的超快速机械开关以及T₄的IGBT流入故障点；

(2)限流时段(t₁～t₂)

控保装置下发投入L₀命令后，继续执行故障定位判断逻辑，确定故障线路和故障位置，t₁～t₂时段延时2ms；

在限流时段，故障线路和非故障线路的引流限流器已经全部关断T₁、T₂的IGBT，故障电流被迫流入耦合电感L₀，达到初步限流的效果，同时闭合超快速机械开关S₁，为下一时段引流支路投入使用做准备；t₁时刻故障电流将突变为：

式中i_(t1-)为L₀投入前故障电流，i_(t1+)为L₀投入后故障电流，故障电流在t₁时刻存在阶跃性降低，T₁、T₂避雷器用来泄放电流阶跃所产生的过电压；

(3)引流时段(t₂～t₃)

t₂时刻控保装置确定故障线路，断路器职能部分开始启用；

a)故障线路的引流限流器：t₂时刻迅速触发T₂、T₃各个IGBT，相当于故障电流经过串联的耦合电感通过引流支路直接接地，接地阻抗极小；此时换流器放电电流以及非故障线路馈入电流将流入引流支路和故障点，但由于故障隔离限流器的作用，流入故障点的电流可以忽略；

b)非故障线路的引流限流器：继续维持限流时段的状态，同时跳开机械开关S₁，通过串联的耦合电感L_L、L₀进行限流，降低向故障线路的馈入电流；

c)故障隔离限流器：t₂时刻迅速关断T₄的IGBT，同时交替导通T₅、T₆的IGBT，保持耦合电感L₁、L₂交替接入，极大程度地降低流入故障点的电流，迫使故障电流流入阻抗极小的引流支路；

(4)限流时段(t₃～t₄)

a)故障隔离限流器：t₃时刻注入故障点电流几乎为0，同时对T₅、T₆的IGBT进行关断，实现与故障点的初步隔离，T₅、T₆小部分的能量通过并联避雷器进行泄放，此时故障电流完全转移至引流支路；t₄时刻超快速机械开关S₂完全断开，建立起故障点和直流母线的物理隔离；

b)故障线路的引流限流器：继续保持引流时段工作状态；

c)非故障线路的引流限流器：继续保持限流时段工作状态；

(5)清除故障电流时段(t₄～t₅)

a)故障隔离限流器：限流时段结束后，限流器已经完成其限流及隔离故障点的职能任务，继续保持S₂开断状态，T₄、T₅、T₆关断状态；

b)故障线路的引流限流器：t₄时刻S₂跳开后，引流任务完成，迅速对T₂、T₃的IGBT施加关断信号，剩余能量通过T₂、T₃的避雷器进行泄放，跳开机械开关S₁；

c)非故障线路的引流限流器：为保证故障线路的引流限流器顺利开断，限流器继续保持限流时段工作状态；

(6)准备重合闸时段(t₅～t₆)

准备重合闸时间段为故障电流清除后各个避雷器去游离等待时间，通常为100ms；期间内各个设备将采取如下动作：

a)故障隔离限流器：闭合超快速机械开关S₂，等待重合闸时导通T₄的IGBT命令；

b)故障线路的引流限流器：闭合超快速机械开关S₁，T₁、T₂、T₃保持关断状态为重合闸失败后引流支路快速投入使用做准备；

c)非故障线路的引流限流器：继续保持限流时段工作状态，防止重合闸失败后过流；

(7)重合闸时段(t₆～t₇)

a)故障隔离限流器：闭合T₄的IGBT器件，直流线路正式连通；若电流平缓增长，则表明为顺时故障，重合闸成功；

b)引流限流器：若重合闸成功，则同时导通故障线路和非故障线路T₁、T₂的IGBT，将电感L₀旁路，降低直流线路电抗值，保证直流电网的动态特性，以更快速地响应有功变化，同时开断故障线路的超快速机械开关S₁；

若闭合T₄的IGBT器件后，电流增长迅速，则表明为永久故障，重合闸失败，整套装置将再次进入引流时段、故障隔离时段、清除故障电流时段的工作；

清除故障电流后，非故障线路的引流限流器，同时导通T₁、T₂的IGBT，恢复正常运行状态；等待永久故障排除后，故障线路的两种限流器再度投入正常运行。