一种高压直流断路器及用于高压直流断路器的通流支路

技术领域

本发明涉及一种高压直流断路器及用于高压直流断路器的通流支路，属于直流输电技术领域。

背景技术

目前，直流断路器的技术方案主要有三种类型，分别是基于常规开关的传统机械式直流断路器、基于纯电力电子器件的固态直流断路器和基于二者结合的混合式直流断路器。其中，传统机械式直流断路器的分断时间较长，固态直流断路器的损耗较大。随着高压大容量半导体器件的发展，结合常规机械开关和电力电子器件特点的混合式直流断路器技术得到快速发展。

现有的直流断路器结构均为：并联连接的通流支路、断流支路和耗能支路。通流支路由一组(如2-3个)辅助换流模块和一组(如2-3个)机械开关串联而成；断流支路由大量断流模块串联而成；耗能支路为避雷器或非线性电阻器，用于吸收过电压。所谓辅助换流模块、断流模块均为开关管或者特定开关管拓扑(如H桥、半桥等)。另外，有些直流断路器还包括并联的缓冲支路，用于在闭锁断流支路时起到缓冲作用。

但是，目前的混合式直流断路器存在以下缺陷：一、在直流断路器分闸过程中，如果机械开关分闸不到位，在闭锁断流支路过程中有可能引起直流断路器的过压击穿；二、在配置多台直流断路器的多端直流输电电网中，发生单点直流故障后，控制保护系统在几个毫秒后才能完成故障定位，直流故障电流在故障定位过程中有可能已经超过多个直流断路器的主动保护阈值。如果直流断路器在控制保护系统的故障定位前进行主动保护跳闸操作，则会增加直流断路器误动作的几率，进而扩大直流系统故障点的范围；而直流断路器在控制保护系统的故障定位后进行被动保护跳闸操作，又会延长直流系统故障点的切除时间，增加换流阀的过电流风险；三、由于直流断路器的通流支路仅有一组机械开关和一种辅助换流模块串联构成，直流断路器过负荷能力较差。

因此，如何降低直流断路器的过压击穿风险，在保证直流断路器跳闸精度的同时，提高直流断路器的跳闸速度以及过负荷能力成为混合式直流断路器研究中的重要内容。

发明内容

本发明的目的是提供一种高压直流断路器及用于高压直流断路器的通流支路，用于解决现有直流断路器过负荷能力低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高压直流断路器，包括以下方案：

直流断路器方案一：包括一个或至少两个串联连接的直流断路器单元；所述直流断路器单元包括并联的通流支路、断流支路和耗能支路；所述通流支路由一个辅助换流模块单元与并联的两个或两个以上的机械开关单元串联构成；所述辅助换流模块单元由一个或至少两个串联连接的辅助换流模块构成，所述机械开关单元由一个或至少两个串联连接的机械开关构成；

或者：所述通流支路由并联的两个或两个以上的支路单元构成，每个所述支路单元由一个辅助换流模块单元与一个机械开关单元串联而成；所述辅助换流模块单元由一个或至少两个串联连接的辅助换流模块构成，所述机械开关单元由一个或至少两个串联连接的机械开关构成；

或者：所述通流支路由并联的两个或两个以上的辅助换流模块单元与并联的两个或两个以上的机械开关单元串联构成；所述辅助换流模块单元由一个或至少两个串联连接的辅助换流模块构成，所述机械开关单元由一个或至少两个串联连接的机械开关构成。

直流断路器方案二：在直流断路器方案一的基础上，所述辅助换流模块为H桥模块，具有并联的第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂由两个阀组同向串联而成，所述第二桥臂由另外两个阀组同向串联而成；第一桥臂的两个阀组的串联点为所述辅助换流模块的输入/输出端，第二桥臂的两个阀组的串联点为所述辅助换流模块的输出/输入端；所述辅助换流模块还包括电容支路，所述电容支路与所述第一桥臂、第二桥臂并联。

直流断路器方案三：在直流断路器方案二的基础上，所述第一桥臂的两阀组为全控器件阀组(T1、T3)，所述第二桥臂的两阀组为全控器件阀组(T2、T4)。

直流断路器方案四：在直流断路器方案二的基础上，所述第一桥臂的两阀组为全控器件阀组(T1、T3)，所述第二桥臂的两阀组为不控器件阀组(D2、D4)。

直流断路器方案五：在直流断路器方案二的基础上，所述第一桥臂的两阀组为不控器件阀组(D1、D3)，所述第二桥臂的两阀组为不控器件阀组(D2、D4)；还包括一条全控器件支路，该全控器件支路与第一、第二桥臂并联。

直流断路器方案六：在直流断路器方案二、三、四或五的基础上，所述电容支路中还串联有限流电阻(R0)。

直流断路器方案七：在直流断路器方案六的基础上，所述电容支路还包括与所述限流电阻(R0)串联的二极管(D0)。

本发明还提供了一种用于高压直流断路器的通流支路，包括以下方案：

通流支路方案一：所述通流支路由一个辅助换流模块单元与并联的两个或两个以上的机械开关单元串联构成；所述辅助换流模块单元由一个或至少两个串联连接的辅助换流模块构成，所述机械开关单元由一个或至少两个串联连接的机械开关构成；

或者：所述通流支路由并联的两个或两个以上的支路单元构成，每个所述支路单元由一个辅助换流模块单元与一个机械开关单元串联而成；所述辅助换流模块单元由一个或至少两个串联连接的辅助换流模块构成，所述机械开关单元由一个或至少两个串联连接的机械开关构成；

或者：所述通流支路由并联的两个或两个以上的辅助换流模块单元与并联的两个或两个以上的机械开关单元串联构成；所述辅助换流模块单元由一个或至少两个串联连接的辅助换流模块构成，所述机械开关单元由一个或至少两个串联连接的机械开关构成。

通流支路方案二：在通流支路方案一的基础上，所述辅助换流模块为H桥模块，具有并联的第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂由两个阀组同向串联而成，所述第二桥臂由另外两个阀组同向串联而成；第一桥臂的两个阀组的串联点为所述辅助换流模块的输入/输出端，第二桥臂的两个阀组的串联点为所述辅助换流模块的输出/输入端；所述辅助换流模块还包括电容支路，所述电容支路与所述第一桥臂、第二桥臂并联。

通流支路方案三：在通流支路方案二的基础上，所述第一桥臂的两阀组为全控器件阀组(T1、T3)，所述第二桥臂的两阀组为全控器件阀组(T2、T4)。

通流支路方案四：在通流支路方案二的基础上，所述第一桥臂的两阀组为全控器件阀组(T1、T3)，所述第二桥臂的两阀组为不控器件阀组(D2、D4)。

通流支路方案五：在通流支路方案二的基础上，所述第一桥臂的两阀组为不控器件阀组(D1、D3)，所述第二桥臂的两阀组为不控器件阀组(D2、D4)；还包括一条全控器件支路，该全控器件支路与第一、第二桥臂并联。

通流支路方案六：在通流支路方案二、三、四或五的基础上，所述电容支路中还串联有限流电阻(R0)。

通流支路方案七：在通流支路方案六的基础上，所述电容支路还包括与所述限流电阻(R0)串联的二极管(D0)。

本发明的有益效果是：在直流断路器的通流支路中并联两个机械开关单元，当系统负荷过大的时，通过投入两个机械开关单元，使得系统电流经过两路流过直流断路器，有效提高了直流断路器的通流能力。

附图说明

图1是直流断路器单元的结构图；

图2是高压直流断路器通流支路的第一实施例；

图3是高压直流断路器通流支路的第二实施例；

图4是高压直流断路器通流支路的第三实施例；

图5是辅助换流模块SMC的第一实施例；

图6是辅助换流模块SMC的第二实施例；

图7是辅助换流模块SMC的第三实施例；

图8是辅助换流模块SMC的第四实施例；

图9是辅助换流模块SMC的第五实施例；

图10是辅助换流模块SMC的第六实施例；

图11是断流模块SMB的实施例。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

该高压直流断路器包括多个串联连接直流断路器单元。其中，如图1所示，每个直流断路器单元包括并联连接的通流支路、断流支路和耗能支路。

直流断路器实施例1：

下面以一个直流断路器单元为例，对该直流断路器进行详细介绍。如图2所示，该直流断路器单元的通流支路由第一机械开关单元K1和第二机械开关单元K2并联连接后与一个辅助换流模块单元串联组成，断流支路由一组断流模块SMB串联组成，耗能支路由非线性电阻器Z组成以消耗故障电流。其中，第一机械开关单元K1和第二机械开关单元K2均由若干个机械开关K串联构成，机械开关K的个数至少为1个，辅助换流模块单元由若干个辅助换流模块SMC串联构成，辅助换流模块SMC的个数至少为1个。

正常运行情况下，高压直流断路器通流支路中的第一机械开关单元K1中的所有机械开关闭合，辅助换流模块单元中的所有辅助换流模块SMC解锁，直流电流流经通流支路中的第一机械开关单元K1和辅助换流模块单元。当然，作为备选，也可以选择第二机械开关单元K2闭合。当直流断路器主动保护检测到直流故障，需要切断与其串联的直流故障电流时，直流断路器的分闸控制过程如下：

(1)控制解锁直流断路器断流支路中的全部断流模块SMB，闭锁直流断路器通流支路中的全部辅助换流模块SMC，将故障电流从通流支路转移到断流支路。

(2)当直流故障电流转移到断流支路后，断开直流断路器通流支路中的第一机械开关单元K1。

(3)根据直流断路器在设定时间deltT1内是否接收到第一机械开关单元K1的分闸位置信号，可分为两种情况：

情况1若直流断路器在设定时间deltT1内没有收到第一机械开关单元K1的分闸位置信号，控制闭合直流断路器的通流支路中第二机械开关单元K2，解锁直流断路器通流支路中的全部辅助换流模块SMC，同时向控制保护系统发送不允许分闸告警信号。

情况2若直流断路器在设定时间deltT1内收到第一机械开关单元K1的分闸位置信号，则判定直流断路器在设定时间deltT2内是否接收到控制保护系统的分闸命令，也分为两种情况：

a.若直流断路器在设定时间deltT2内没有收到控制保护系统的分闸命令，控制闭合直流断路器的通流支路中的第二机械开关单元K2，解锁直流断路器通流支路中的全部辅助换流模块SMC，最后闭锁直流断路器断流支路中的全部断流模块SMB。

b.若直流断路器在规定时间deltT2内收到控制保护系统的分闸命令，闭锁直流断路器的断流支路中的全部断流模块SMB，将故障电流转入到与断流支路并联的耗能支路，从而完成直流电流的切除。

其中，直流断路器等待第一机械开关单元K1分闸位置信号的设定时间deltT1以及等待保护系统的分闸命令的设定时间deltT2均由机械开关K的物理特性决定。

本实施例中，将机械开关设计为两个并联的机械开关单元，从而保证安全；同时，在同等机械开关性能的基础上，还可以将第二机械开关单元K2中的机械开关设计为合闸速度快的开关，进一步保证安全。

当直流断路器连接的直流输电电网过负荷运行，超过直流断路器的通流支路中第一机械开关单元K1或者第二机械开关单元K2的通流能力时，闭合直流断路器的通流支路中第一机械开关单元K1和第二机械开关单元K2，解锁直流断路器的通流支路中的所有辅助换流模块SMC，稳态电流流经直流断路器通流支路中的第一机械开关单元K1、第二机械开关单元K2和所有辅助换流模块SMC。

直流断路器实施例2：

如图3所示，与实施例1中的直流断路器不同的是，本实施例中的高压直流断路器的通流支路由两条支路并联构成，其中第一条支路由第一机械开关单元K1和第一辅助换流模块单元SMC1串联构成，第二条支路由第二机械开关单元K2和第二辅助换流模块单元SMC2串联构成。其中，第一机械开关单元K1和第二机械开关单元K2均由若干个机械开关K串联构成，机械开关K的个数至少为1个，第一辅助换流模块单元SMC1和第二辅助换流模块单元SMC2均由若干个辅助换流模块SMC串联构成，辅助换流模块SMC的个数至少为1个。

正常运行情况下，高压支路断路器通流支路中的第一机械开关单元K1闭合，第一辅助换流模块单元SMC1解锁，直流电流流经通流支路中的第一机械开关单元K1和第一辅助换流模块单元SMC1。当然，作为备选，也可以选择第二机械开关单元K2闭合，第二辅助换流模块单元SMC2解锁。当直流断路器主动保护检测到直流故障，需要切断与其串联的直流故障电流时，该直流断路器的分闸控制过程如下：

(1)控制解锁直流断路器断流支路中的全部断流模块SMB，闭锁直流断路器通流支路中的第一辅助换流模块单元SMC1，将故障电流从通流支路转移到断流支路。

(2)当直流故障电流转移到断流支路后，断开直流断路器的通流支路中第一机械开关单元K1。

(3)根据直流断路器在设定时间deltT1内是否接收到第一机械开关单元K1的分闸位置信号，可分为两种情况：

情况1若直流断路器在设定时间deltT1内没有收到第一机械开关单元K1的分闸位置信号，控制解锁直流断路器通流支路中的第二辅助换流模块单元SMC2，闭合直流断路器的通流支路中第二机械开关单元K2，同时向控制保护系统发送不允许分闸告警信号。

情况2若直流断路器在设定时间deltT1内收到第一机械开关单元K1的分闸位置信号，则判定直流断路器在设定时间deltT2内是否接收到控制保护系统的分闸命令，也可分为两种情况：

a.若直流断路器在设定时间deltT2内没有收到控制保护系统的分闸命令，闭合直流断路器的通流支路中的第二机械开关单元K2，解锁直流断路器通流支路中的第二辅助换流模块单元SMC2，最后闭锁直流断路器断流支路中的全部断流模块SMB。

b.若直流断路器在规定时间deltT2内收到控制保护系统的分闸命令，闭锁直流断路器的断流支路中的全部断流模块SMB，将故障电流转入到与断流支路并联的耗能支路，从而完成直流电流的切除。

其中，直流断路器等待第一机械开关单元K1分闸位置信号的设定时间deltT1以及等待保护系统的分闸命令的设定时间deltT2均由机械开关K的物理特性决定。

当直流断路器连接的直流输电电网过负荷运行，超过直流断路器的通流支路中第一机械开关单元K1或者第二机械开关单元K2的通流能力时，闭合直流断路器通流支路中的第一机械开关单元K1和第二机械开关单元K2，解锁直流断路器的通流支路中的第一辅助换流模块单元SMC1和第二辅助换流模块单元SMC2的所有辅助换流模块SMC，稳态电流流经直流断路器通流支路中的第一机械开关单元K1和第一辅助换流模块单元SMC1支路以及第二机械开关单元K2和第二辅助换流模块单元SMC2支路。

直流断路器实施例3：

如图4所示，采用了另一种机械开关并联形式，相当于在实施例2的基础上将两个辅助换流模块单元与机械开关单元串联点并联起来。这种方式可以较为灵活地选择相对应成为通路的辅助换流模块单元与机械开关单元，具体控制方法与实施例2类同，在此不再赘述。

下面具体介绍用于上述直流断路器单元中的辅助换流模块SMC和断流模块SMB。

辅助换流模块SMC第一实施例：

如图5所示，辅助换流模块SMC为H桥模块，包括并联的第一桥臂和第二桥臂，其中第一桥臂由全控器件阀组T1和全控器件阀组T3同向串联构成，第二桥臂由全控器件阀组T2和全控器件阀组T4同向串联构成。全控器件阀组T1和T3通过电节点a同向串联，全控器件阀组T2和T4通过电节点b同向串联。全控器件阀组T1通过电节点c与全控器件阀组T2连接，全控器件阀组T3通过电节点d与全控器件阀组T4连接，第一桥臂和第二桥臂中的电流流向相反。电节点c和电节点d之间连接有电容支路，该电容支路包括串联连接的限流电阻R0与充电电容C0，该电容支路与第一桥臂和第二桥臂并联连接。全控器件阀组T1、T2、T3和T4均包括同向串联连接的若干个全控器件IGBT。从电节点a和电节点b分别引出一个连接线，当电流方向为由a到b时，即电流经过全控器件阀组T3中的全控器件和全控器件阀组T4中的反并联二极管时，电节点a作为辅助换流模块SMC的输入端，b作为辅助换流模块SMC的输出端；当电流方向为由b到a时，即电流经过全控器件阀组T1中的全控器件和全控器件阀组T2中的反并联二极管时，电节点b作为辅助换流模块SMC的输入端，a作为辅助换流模块SMC的输出端。

当然，为简化结构，辅助换流模块SMC的全控器件阀组T1、T2、T3和T4也可均由一个全控器件构成。另外，该电容支路可以仅由电容构成，也可含有多个串联连接的电容和电阻器。

辅助换流模块SMC第二实施例：

如图6所示，在辅助换流模块SMC第一实施例的基础上，电容支路中电阻器R0的两端还并联有一个二极管D0。当对充电电容C0进行充电时，二极管D0的存在避免了充电电流流经限流电阻R0。由于已对辅助换流模块SMC第一实施例进行了详细介绍，因此对辅助换流模块SMC第二实施例不再赘述。

辅助换流模块SMC第三实施例：

如图7所示，辅助换流模块SMC为H桥模块，包括并联的第一桥臂和第二桥臂，其中第一桥臂由全控器件阀组T1和全控器件阀组T3同向串联构成，第二桥臂由不控器件阀组D2和不控器件阀组D4同向串联构成。全控器件阀组T1和T3通过电节点a同向串联，不控器件阀组D2和D4通过电节点b同向串联。全控器件阀组T1通过电节点c与不控器件阀组D2连接，全控器件阀组T3通过电节点d与不控器件阀组D4连接，第一桥臂和第二桥臂中的电流流向相反。电节点c和电节点d之间连接有电容支路，该电容支路包括串联连接的限流电阻R0与充电电容C0，该电容支路与第一桥臂和第二桥臂并联连接。全控器件阀组T1和T3均由同向串联连接的若干个全控器件IGBT组成，不控器件阀组D2和D4均由同向串联连接的若干个二极管组成。从电节点a和电节点b分别引出一个连接线，当电流方向为由a到b时，即电流经过全控器件阀组T3中的全控器件和不控器件阀组D4中的二极管时，电节点a作为辅助换流模块SMC的输入端，b作为辅助换流模块SMC的输出端；当电流方向为由b到a时，即电流经过全控器件阀组T1中的全控器件和不控器件阀组D2中的二极管时，电节点b作为辅助换流模块SMC的输入端，a作为辅助换流模块SMC的输出端。

当然，为简化结构，辅助换流模块SMC的全控器件阀组T1和T3也可均由一个全控器件构成，不控器件阀组D2和D4也可均由一个二极管构成。另外，该电容支路可以仅由电容构成，也可含有多个串联连接的电容和电阻器。

辅助换流模块SMC第四实施例：

如图8所示，在辅助换流模块SMC第三实施例的基础上，电容支路中电阻器R0的两端还并联有一个二极管D0。当对充电电容C0进行充电时，二极管D0的存在避免了充电电流流经限流电阻R0。由于已对辅助换流模块SMC第三实施例进行了详细介绍，因此对辅助换流模块SMC第四实施例不再赘述。

辅助换流模块SMC第五实施例：

如图9所示，辅助换流模块SMC为H桥模块，包括并联的第一桥臂和第二桥臂，其中第一桥臂由不控器件阀组D1和不控器件阀组D3同向串联构成，第二桥臂由不控器件阀组D2和不控器件阀组D4同向串联构成。不控器件阀组D1和D3通过电节点a同向串联，不控器件阀组D2和D4通过电节点b同向串联。不控器件阀组D1通过电节点c与不控器件阀组D2连接，不控器件阀组D3通过电节点d与不控器件阀组D4连接，第一桥臂和第二桥臂中的电流流向相反。电节点c和电节点d之间连接有电容支路和包含有全控器件阀组T5的全控器件支路，该电容支路包括串联连接的限流电阻R0与充电电容C0，该电容支路、全控器件支路与第一桥臂和第二桥臂并联连接。不控器件阀组D1、D2、D3和D4均由同向串联连接的若干个二极管组成，全控器件阀组T5由同向串联连接的若干个全控器件IGBT组成。从电节点a和电节点b分别引出一个连接线，当电流方向为由a到b时，即电流经过不控器件阀组D1中的二极管、全控器件阀组T5中的全控器件和不控器件阀组D4中的二极管时，电节点a作为辅助换流模块SMC的输入端，b作为辅助换流模块SMC的输出端；当电流方向为由b到a时，即电流经过不控器件阀组D2中的二极管、全控器件阀组T5中的全控器件和不控器件阀组D3中的二极管时，电节点b作为辅助换流模块SMC的输入端，a作为辅助换流模块SMC的输出端。

当然，为简化结构，辅助换流模块SMC的全控器件阀组T5也可由一个全控器件构成，不控器件阀组D1、D2、D3和D4也可均由一个二极管构成。另外，该电容支路可以仅由电容构成，也可含有多个串联连接的电容和电阻器。

辅助换流模块SMC第六实施例：

如图10所示，在辅助换流模块SMC第五实施例的基础上，电容支路中电阻器R0的两端还并联有一个二极管D0。当对充电电容C0进行充电时，二极管D0的存在避免了充电电流流经限流电阻R0。由于已对辅助换流模块SMC第五实施例进行了详细介绍，因此对辅助换流模块SMC第六实施例不再赘述。

断流模块SMB的实施例：

如图11所示，断流模块SMB为H桥模块，包括并联的第一桥臂和第二桥臂，其中第一桥臂由不控器件阀组D1和不控器件阀组D3同向串联构成，第二桥臂由不控器件阀组D6和不控器件阀组D8同向串联构成。不控器件阀组D1和D3通过电节点a′同向串联，不控器件阀组D6和D8通过电节点b′同向串联。不控器件阀组D1通过电节点c′与不控器件阀组D6连接，不控器件阀组D3通过电节点d′与不控器件阀组D8连接，第一桥臂和第二桥臂中的电流流向相反。电节点c′和电节点d′之间连接有包含有全控器件阀组T6的全控器件支路，该全控器件支路与第一桥臂和第二桥臂并联连接。不控器件阀组D1、D3、D6和D8均由同向串联连接的若干个二极管组成，全控器件阀组T6由同向串联连接的若干个全控器件IGBT组成。从电节点a′和电节点b′分别引出一个连接线，当电流方向为由a′到b′时，即电流经过不控器件阀组D1中的二极管、全控器件阀组T6中的全控器件和不控器件阀组D8中的二极管时，电节点a′作为断流模块SMB的输入端，b′作为断流模块SMB的输出端；当电流方向为由b′到a′时，即电流经过不控器件阀组D6中的二极管、全控器件阀组T6中的全控器件和不控器件阀组D3中的二极管时，电节点b′作为断流模块SMB的输入端，a′作为断流模块SMB的输出端。

为简化结构，断流模块SMB的全控器件阀组T6也可由一个全控器件构成，不控器件阀组D1、D3、D6和D8也可均由一个二极管构成。

当然，在上述高压直流断路器的实施例中，所有全控器件IGBT也可替换为IEGT、GTO或MOSFET；非线性电阻器Z也可替换为避雷器等其他耗能器件；断流模块SMB也可采用现有技术中的其他常见桥式结构、半桥结构或者本实施例中的辅助换流模块SMC结构。且在不同的高压直流断路器中，所串联的直流断路器单元的数目不定，可以为一个，也可以为多个。

用于高压直流断路器的通流支路实施例：

由于在高压直流断路器的实施例中已对该通流支路进行了详细介绍，此处不再赘述。