本發(fā)明屬于高壓直流輸電領(lǐng)域，特別涉及一種自適應(yīng)電容限壓式高壓直流斷路器設(shè)計(jì)方案。

背景技術(shù)：

相比高壓交流輸電，高壓直流(HVDC)輸電在遠(yuǎn)距離電能傳輸、非同步電網(wǎng)互聯(lián)、海島送電、海底電纜輸電等方面有明顯優(yōu)勢(shì)。高壓直流斷路器不僅是直流系統(tǒng)安全運(yùn)行和保護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備，也是發(fā)展多端直流輸電的重要前提。然而，直流系統(tǒng)電流沒有自然過零點(diǎn)，其故障電弧難以熄滅，使高壓直流斷路器快速分?jǐn)嗟募夹g(shù)難度大大增加。

相關(guān)學(xué)者針對(duì)高壓直流斷路器提出了很多設(shè)計(jì)方案，大體分為以下三類：

(1)機(jī)械開關(guān)式。這種高壓直流斷路器分?jǐn)鄷r(shí)，反向電流產(chǎn)生支路通過自激振蕩或預(yù)充電震蕩的方式產(chǎn)生高頻反向電流，形成人工過零點(diǎn)，為電弧熄滅創(chuàng)造條件，使斷路器分段電流。但這種高壓直流斷路器形成人工過零點(diǎn)需要幾十毫秒，對(duì)機(jī)械開關(guān)動(dòng)作快速性要求也較高。

(2)全固態(tài)開關(guān)式。這種高壓直流斷路器直接利用電力電子器件實(shí)現(xiàn)開斷。但是電力電子器件在線路正常運(yùn)行時(shí)的通態(tài)損耗很大，而且，單個(gè)電力電子器件承壓能力和載流能力有限，需要大量的串并聯(lián)電力電子器件才能夠使之工作在額定范圍內(nèi)，使這種高壓直流斷路器的造價(jià)昂貴、占地面積大、結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜。

(3)混合式。這種高壓直流斷路器將機(jī)械開關(guān)和電力電子器件相結(jié)合，分?jǐn)鄷r(shí)，將故障電流轉(zhuǎn)移至固態(tài)開關(guān)支路，實(shí)現(xiàn)機(jī)械開關(guān)無弧分?jǐn)唷＿@種高壓直流斷路器有效地規(guī)避了上述兩種斷路器的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了無弧分?jǐn)?。但這種方案亦存在較大的電力電子器件通態(tài)損耗使其維護(hù)費(fèi)用依舊較高，控制流程仍然較復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)以上問題，提出了一種自適應(yīng)電容限壓式高壓直流斷路器。該方案通過在斷路器斷口兩端并聯(lián)接地兩組電容器，在限制短路電流上升幅度的同時(shí)，通過可控地并入新的電容，實(shí)現(xiàn)電弧電壓、電流過零，并在一定時(shí)間內(nèi)將電弧電壓、電流限制在一個(gè)較小的幅值范圍內(nèi)；線路正常運(yùn)行時(shí)電力電子器件無電流通過，使所提斷路器電力電子損耗相對(duì)較小，維護(hù)費(fèi)用低；借助分壓電容和比較電容的汲流和限壓作用，可以在較短時(shí)間內(nèi)成功分?jǐn)嘣竟收想娏鬏^大的情況。

本發(fā)明提出了一種自適應(yīng)電容限壓式高壓直流斷路器，具體內(nèi)容如下：

一般情況下，電容兩端的電壓不能突變。然而，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)電壓初始值不等的電容并聯(lián)接通時(shí)，兩個(gè)電容聯(lián)結(jié)點(diǎn)總電荷不能突變，會(huì)出現(xiàn)電容電壓被迫突變的情況。本發(fā)明通過在快速機(jī)械開關(guān)兩端并聯(lián)接地兩組電容：分壓電容C₀₁、C₀₂及比較電容C₀，并對(duì)電容C₀₁并聯(lián)新的電容：調(diào)壓電容C₁和C₂。并聯(lián)后，斷口并聯(lián)調(diào)壓電容的一端電壓下降幅值如下：

其中，u_L為線路的瞬時(shí)電壓。

當(dāng)斷口并聯(lián)調(diào)壓電容的一端電壓下降幅值Δu_k1大于并聯(lián)調(diào)壓電容前的斷口壓降u_arc時(shí)，便能使斷口壓降過零并反轉(zhuǎn)，從而使另一組電容反向放電，使電流亦發(fā)生反轉(zhuǎn)過零。并通過對(duì)并聯(lián)電容的合理選擇，使電容投入時(shí)，斷口電壓和電流均維持在零點(diǎn)附近，從而實(shí)現(xiàn)成功開斷。

具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1)分?jǐn)嗫焖贆C(jī)械開關(guān)，在斷口處形成電弧。

2)根據(jù)并入第一個(gè)調(diào)壓電容組瞬間測(cè)得的斷口壓降u_arc及線路的瞬時(shí)電壓u_L確定第一個(gè)調(diào)壓電容組的值C₁，合理搭配中間電容，快速并入。第一個(gè)調(diào)壓電容組C₁大小的確定方法如下：

3)經(jīng)1ms延時(shí)，檢測(cè)流經(jīng)斷路器的電流i_k，如果i_k為零，則分?jǐn)喑晒?，切除調(diào)壓電容C₁后將其兩端短接，準(zhǔn)備下一次動(dòng)作；i_k不為零，說明并入C₁滅弧失敗，快速并入C₂。第二個(gè)調(diào)壓電容組C₂大小的確定方法如下：

其中u_arc1為并入第二個(gè)調(diào)壓電容組瞬間測(cè)得的斷口壓降。

4)若滅弧成功，則分?jǐn)喑晒?，切除調(diào)壓電容C₁和C₂后將其兩端短接，準(zhǔn)備下一次動(dòng)作；如果滅弧失敗，亦切除調(diào)壓電容C₁和C₂后將其兩端短接，進(jìn)行第二次滅弧。

本發(fā)明使用的機(jī)械開關(guān)為500kV瓷柱式雙斷口斷路器；電容為BA(F)MED20-500-1W，并通過串并聯(lián)使其在額定范圍內(nèi)工作；IGBT采用FZ1200R45KL3_B5，亦通過串并聯(lián)使其工作在額定范圍內(nèi)。

本發(fā)明的特點(diǎn)是：提出了一種自適應(yīng)電容限壓式高壓直流斷路器設(shè)計(jì)方案。該方案摒棄了現(xiàn)有三種方案使用振蕩電路制造過零點(diǎn)和使用旁路電路吸收短路電流的方法，利用電容電壓突變的特例，通過并聯(lián)電容的方式實(shí)現(xiàn)斷口壓降的突變，從而迫使斷口電壓、電流過零并反轉(zhuǎn)，并使其維持在零點(diǎn)附近，從而實(shí)現(xiàn)高壓直流開斷。該方案使得線路正常運(yùn)行時(shí)電力電子器件無電流通過，使所提斷路器電力電子損耗相對(duì)較小，維護(hù)費(fèi)用低。借助分壓電容和比較電容的汲流和限壓作用，可以在較短時(shí)間內(nèi)成功分?jǐn)嘣竟收想娏鬏^大的情況。

附圖說明

圖1為本發(fā)明設(shè)計(jì)方案的電容限壓式高壓直流斷路器的結(jié)構(gòu)圖；

其中，分壓電容C₀₁、C₀₂；比較電容C₀；調(diào)壓電容C₁和C₂；快速機(jī)械開關(guān)K；緩沖電抗器L；絕緣柵雙極型晶體管IGBT；氧化鋅避雷器MOA。

圖2為線路金屬接地故障時(shí)的電弧電壓與電流仿真圖。

圖3為線路200Ω高阻接地故障時(shí)的電弧電壓與電流仿真圖。

圖4為線路兩級(jí)短路故障時(shí)的電弧電壓與電流仿真圖。

圖5為線路正常運(yùn)行時(shí)的電弧電壓與電流仿真圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出了一種自適應(yīng)電容限壓式高壓直流斷路器設(shè)計(jì)方案，具體內(nèi)容如下：

一般情況下，電容兩端的電壓不能突變。然而，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)電壓初始值不等的電容并聯(lián)接通時(shí)，兩個(gè)電容聯(lián)結(jié)點(diǎn)總電荷不能突變，會(huì)出現(xiàn)電容電壓被迫突變的情況。本發(fā)明通過在快速機(jī)械開關(guān)兩端并聯(lián)接地兩組電容：分壓電容C₀₁、C₀₂及比較電容C₀，并對(duì)電容C₀₁并聯(lián)新的電容：調(diào)壓電容C₁和C₂。并聯(lián)后，斷口并聯(lián)調(diào)壓電容的一端電壓下降幅值如下：

其中，u_L為線路的瞬時(shí)電壓。

當(dāng)斷口并聯(lián)調(diào)壓電容的一端電壓下降幅值Δu_k1大于并聯(lián)調(diào)壓電容前的斷口壓降u_arc時(shí)，便能使斷口壓降過零并反轉(zhuǎn)，從而使另一組電容反向放電，使電流亦發(fā)生反轉(zhuǎn)過零。并通過對(duì)并聯(lián)電容的合理選擇，使電容投入時(shí)，斷口電壓和電流均維持在零點(diǎn)附近，從而實(shí)現(xiàn)成功開斷。

本發(fā)明使用的機(jī)械開關(guān)為500kV瓷柱式雙斷口斷路器；電容為BA(F)MED20-500-1W，并通過串并聯(lián)使其在額定范圍內(nèi)工作；IGBT采用FZ1200R45KL3_B5，亦通過串并聯(lián)使其工作在額定范圍內(nèi)。

具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1)分?jǐn)嗫焖贆C(jī)械開關(guān)，在斷口處形成電弧。

2)根據(jù)并入第一個(gè)調(diào)壓電容組瞬間測(cè)得的斷口壓降u_arc及線路的瞬時(shí)電壓u_L確定第一個(gè)調(diào)壓電容組的值C₁，合理搭配中間電容，快速并入。第一個(gè)調(diào)壓電容組C₁大小的確定方法如下：

3)經(jīng)1ms延時(shí)，檢測(cè)流經(jīng)斷路器的電流i_k，如果i_k為零，則分?jǐn)喑晒?，切除調(diào)壓電容C₁后將其兩端短接，準(zhǔn)備下一次動(dòng)作；i_k不為零，說明并入C₁滅弧失敗，快速并入C₂。第二個(gè)調(diào)壓電容組C₂大小的確定方法如下：

其中u_arc1為并入第二個(gè)調(diào)壓電容組瞬間測(cè)得的斷口壓降。

4)若滅弧成功，則分?jǐn)喑晒?，切除調(diào)壓電容C₁和C₂后將其兩端短接，準(zhǔn)備下一次動(dòng)作；如果滅弧失敗，亦切除調(diào)壓電容C₁和C₂后將其兩端短接，進(jìn)行第二次滅弧。

針對(duì)圖1所示電容限壓式高壓直流斷路器設(shè)計(jì)方案，實(shí)施詳細(xì)說明如下：

將該高壓直流斷路器接入電壓等級(jí)為±500kV，線路長(zhǎng)度為1000km，輸送功率1000MW的高壓直流輸電線路中，針對(duì)線路金屬接地故障、200Ω高阻接地故障、兩極短路故障及正常運(yùn)行四種情況下進(jìn)行斷路器開斷。

1)線路金屬接地故障時(shí)斷路器分?jǐn)?/p>

線路中點(diǎn)3s時(shí)發(fā)生金屬接地故障，3.02s時(shí)快速機(jī)械開關(guān)斷開，產(chǎn)生電弧。1ms后投入調(diào)壓電容C₁；若滅弧失敗，投入調(diào)壓電容C₁后1ms時(shí)投入調(diào)壓電容C₂。

測(cè)得3.02s時(shí)線路電壓為466.85kV，電弧電壓為6.01kV，根據(jù)公式：

得，投入調(diào)壓電容C₁的大小為567.60μF，取為550μF。為體現(xiàn)投入調(diào)壓電容C₂的效果，令投入調(diào)壓電容C₁滅弧失敗，測(cè)得3.021s時(shí)電弧電壓為0.95kV，根據(jù)公式：

得，投入調(diào)壓電容C₂的大小為328.67μF，取為350μF。通過仿真得，本發(fā)明直流斷路器在線路發(fā)生金屬接地故障時(shí)可成功分?jǐn)唷?/p>

2)線路200Ω高阻接地故障時(shí)斷路器分?jǐn)?/p>

線路中點(diǎn)3s時(shí)發(fā)生200Ω高阻接地故障，斷路器動(dòng)作，各元件動(dòng)作時(shí)序同上。同上方法得到調(diào)壓電容C₁的大小為474.59μF，取為450μF；算得調(diào)壓電容C₂的大小為262.84μF，取為250μF。通過仿真得，本發(fā)明直流斷路器在線路發(fā)生200Ω高阻接地故障時(shí)亦可成功分?jǐn)唷?/p>

3)線路兩極短路故障時(shí)斷路器分?jǐn)?/p>

線路中點(diǎn)3s時(shí)發(fā)生兩極短路故障，斷路器動(dòng)作，各元件動(dòng)作時(shí)序同上。同上方法得到調(diào)壓電容C₁的大小為1171.78μF，取為1200μF；算得調(diào)壓電容C₂的大小為1255.89μF，取為1300μF。通過仿真得，本發(fā)明直流斷路器在線路發(fā)生兩極短路故障時(shí)亦可成功分?jǐn)唷?/p>

4)線路正常運(yùn)行時(shí)斷路器分?jǐn)?/p>

線路正常運(yùn)行，斷路器動(dòng)作，各元件動(dòng)作時(shí)序同上。同上方法得到調(diào)壓電容C₁的大小為424.71μF，取為400μF；算得調(diào)壓電容C₂的大小為227.64μF，取為250μF。通過仿真得，本發(fā)明直流斷路器在線路正常運(yùn)行時(shí)亦可成功分?jǐn)唷?/p>

以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其進(jìn)行限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，依然可以對(duì)前述實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明所要求保護(hù)的技術(shù)方案的精神和范圍。