一種雙向混合式直流斷路器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)故障保護技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種雙向混合式直流斷路器，以及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]直流電力系統(tǒng)因其顯著的優(yōu)點，近年來在船舶、礦山、軌道交通以及新能源發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。隨著直流電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展以及用戶日益嚴格的電能質(zhì)量要求，傳統(tǒng)的機械斷路器難以滿足現(xiàn)代大容量直流電網(wǎng)保護的特殊需求，迫切需要能夠快速可靠分斷直流電路的新型保護設(shè)備。
[0003]采用純半導(dǎo)體開關(guān)實現(xiàn)的直流固態(tài)斷路器，如圖1所示，利用全控型半導(dǎo)體器件實現(xiàn)系統(tǒng)長期通流以及故障電流分斷，具有無弧快速分斷直流電流的優(yōu)點，然而其分斷能力較低，且系統(tǒng)長期運行損耗過大。
[0004]混合式斷路器同時包含機械開關(guān)和半導(dǎo)體開關(guān)，兼?zhèn)錂C械開關(guān)良好的靜態(tài)性能和半導(dǎo)體開關(guān)優(yōu)良的動態(tài)特性。
[0005]由快速機械開關(guān)和LC強迫換流電路構(gòu)成的零電流開關(guān)，如圖2所示，在系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，通過預(yù)充電電容放電將故障電流轉(zhuǎn)移至LC換流電路，實現(xiàn)機械開關(guān)電流過零分斷。由于大電流分斷過程中機械開關(guān)電流過零時的di/dt很高，導(dǎo)致弧后介質(zhì)難以快速恢復(fù)，因此零電流開關(guān)大電流分斷可靠性較低。
[0006]由快速機械開關(guān)和可關(guān)斷半導(dǎo)體器件(IGBT等)構(gòu)成的零電壓開關(guān)，如圖3所示，利用機械開關(guān)分斷時產(chǎn)生的電弧，迫使電流向半導(dǎo)體器件中轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)機械開關(guān)電流過零分斷。由于電弧電壓較低、可關(guān)斷半導(dǎo)體器件通態(tài)壓降較大，通常要求轉(zhuǎn)移回路之間緊密耦合以減小雜散電感，實現(xiàn)故障電流的快速轉(zhuǎn)移。當因電路設(shè)計不合理使電流轉(zhuǎn)移時間過長時，最終轉(zhuǎn)移至半導(dǎo)體器件中的短路電流很大，可能超過半導(dǎo)體器件的關(guān)斷能力，導(dǎo)致斷路器分斷失敗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足，本發(fā)明的目的之一是提供一種結(jié)合快速機械開關(guān)和晶閘管、同時包含零電壓和零電流混合式分斷思想的雙向混合式直流斷路器。
[0008]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種雙向混合式直流斷路器，包括主電流電路、零電壓電路、零電流電路、能量吸收電路、系統(tǒng)接線端J1和J2，所述的主電流電路、零電壓電路、零電流電路和能量吸收電路并聯(lián)，并聯(lián)電路的第一聯(lián)結(jié)端與所述的系統(tǒng)接線端J1連接，并聯(lián)電路的第二聯(lián)結(jié)端與所述的系統(tǒng)接線端J2連接；所述的主電流電路包括機械開關(guān)S，所述的機械開關(guān)S是基于電磁斥力原理實現(xiàn)的快速機械開關(guān)；所述的零電壓電路包括反向并聯(lián)以實現(xiàn)雙向通流功能的晶閘管T1和T2 ;所述的零電流電路包括由預(yù)充電電容C、電感L和晶閘管橋構(gòu)成的雙向脈沖電流電路；所述的晶閘管橋是由晶閘管T3、T4、T5和T6構(gòu)成的橋式電路，所述的晶閘管T5和T6的聯(lián)結(jié)端作為橋式電路的直流側(cè)正極，所述的晶閘管T3和T4的聯(lián)結(jié)端作為橋式電路的直流側(cè)負極，所述的晶閘管T3和T5的聯(lián)結(jié)端作為橋式電路的第一交流端，所述的晶閘管T4和T6的聯(lián)結(jié)端作為橋式電路的第二交流端；所述的電容c和電感L串聯(lián)形成的串聯(lián)電路跨接在晶丨?管橋的直流側(cè)，所述的電容C的一端與所述的橋式電路的直流側(cè)負極相連，作為預(yù)充電電壓的正極，所述的電感L的一端與所述的橋式電路的直流側(cè)正極相連；所述的橋式電路的第一交流端與所述的并聯(lián)電路的第一聯(lián)結(jié)端連接，所述的橋式電路的第二交流端與所述的并聯(lián)電路的第二聯(lián)結(jié)端連接；所述的能量吸收電路包括金屬氧化物壓敏電阻MOV。
[0009]本發(fā)明的目的之二是提供一種雙向混合式直流斷路器的控制方法。
[0010]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
一種雙向混合式直流斷路器的控制方法，步驟如下:
a)、系統(tǒng)正常運行時，直流電流完全由機械開關(guān)S承擔，晶閘管T1或T2關(guān)斷；
b)、當系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，機械開關(guān)S分斷，根據(jù)短路電流流向，晶閘管T1或T2導(dǎo)通，在機械開關(guān)S分斷電弧的作用下，短路電流被迫從機械開關(guān)S向晶閘管T1或T2中迅速轉(zhuǎn)移；
c)、當短路電流完全轉(zhuǎn)移至晶閘管T1或T2之后，延時至機械開關(guān)S的觸頭分開到足夠開距時，根據(jù)電流流向，晶閘管橋中T4一T5或T3—T6橋臂導(dǎo)通，電容C通過電感L放電產(chǎn)生脈沖電流，迫使T1或T2中的電流減小為零；
d)、當晶閘管T1或T2電流過零關(guān)斷后，系統(tǒng)母線對電容C反向充電，導(dǎo)致斷路器兩端電壓不斷地從反壓向正壓增加，短路電流等于電容充電電流；
e)、當斷路器兩端電壓增加到壓敏電阻MOV的開通值后，壓敏電阻MOV導(dǎo)通吸收系統(tǒng)能量并限制過電壓，實現(xiàn)對故障電流的限制并最終使其減小為零。
[0011 ] 所述的一種雙向混合式直流斷路器的控制方法，還包括以下步驟:當系統(tǒng)電流從系統(tǒng)接線端J1流向系統(tǒng)接線端J2時，分斷過程中，晶閘管T1導(dǎo)通，致使晶閘管橋中T4一T5橋臂導(dǎo)通；當系統(tǒng)電流從系統(tǒng)接線端J2流向系統(tǒng)接線端J1時，分斷過程中，晶閘管T2導(dǎo)通，致使晶閘管橋中T3—T6橋臂導(dǎo)通。
[0012]所述的一種雙向混合式直流斷路器的控制方法，還包括以下步驟:從短路電流完全轉(zhuǎn)移至晶閘管T1或T2，到晶閘管T1或T2電流過零時刻之前，機械開關(guān)S兩端電壓為晶閘管極小的通態(tài)壓降，機械開關(guān)S弧后具有充分的介質(zhì)恢復(fù)時間。
[0013]所述的一種雙向混合式直流斷路器的控制方法，還包括以下步驟:晶閘管T1或T2電流過零后首先承受較大的反向電壓，然后逐漸變?yōu)檎螂妷骸?br>[0014]—種雙向混合式直流斷路器的控制方法，步驟如下:
A)、在晶閘管橋中T4一T5或T3— T6橋臂導(dǎo)通時，晶閘管T2或T1導(dǎo)通并持續(xù)一段時間，當晶閘管T1或T2電流過零后，電容C的脈沖放電電流從T2或T1中續(xù)流；
B)、當晶閘管T2或T1續(xù)流結(jié)束后，系統(tǒng)母線對電容C反向充電，導(dǎo)致斷路器兩端電壓不斷增加，短路電流等于電容充電電流；
C)、當斷路器兩端電壓增加到壓敏電阻MOV的開通值后，壓敏電阻MOV導(dǎo)通吸收系統(tǒng)能量并限制過電壓，實現(xiàn)對故障電流的限制并最終使其減小為零。
[0015]所述的一種雙向混合式直流斷路器的控制方法，還包括以下步驟:分斷過程中，當晶閘管橋中T4一T5橋臂導(dǎo)通時，晶閘管T2導(dǎo)通續(xù)流；當晶閘管橋中T3 — T6橋臂導(dǎo)通時，晶閘管T1導(dǎo)通續(xù)流。
[0016]所述的一種雙向混合式直流斷路器的控制方法，還包括以下步驟:從短路電流完全轉(zhuǎn)移至晶閘管Τ1或Τ2，到晶閘管Τ2或Τ1續(xù)流結(jié)束時刻之前，機械開關(guān)S兩端電壓為晶閘管極小的通態(tài)壓降，機械開關(guān)S弧后具有更加充分的介質(zhì)恢復(fù)時間。
[0017]所述的一種雙向混合式直流斷路器的控制方法，還包括以下步驟:所述的晶閘管Τ1或Τ2電流過零后首先承受電壓等于所述的晶閘管Τ2或Τ1極小通態(tài)壓降的反向電壓，當所述的晶閘管Τ2或Τ1續(xù)流結(jié)束后，所述的機械開關(guān)S兩端電壓變?yōu)檎?，避免較大反向電壓對系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。
[0018]本發(fā)明的有益效果是:
1、零電壓電路采用晶閘管，通態(tài)壓降小，電流轉(zhuǎn)移速度快；
2、機械開關(guān)具有充分的介質(zhì)恢復(fù)時間，弧后介質(zhì)恢復(fù)可靠；
3、采用零電流電路實現(xiàn)晶閘管的快速關(guān)斷，斷路器分斷能力強；
4、方便實現(xiàn)兩種工作模式，斷路器的工作性能易于改善。
【附圖說明】
[0019]圖1為現(xiàn)有的固態(tài)斷路器方案的不意圖；
圖2為現(xiàn)有的零電流開關(guān)方案的不意圖；
圖3為現(xiàn)有的零電壓開關(guān)方案的示意圖；
圖4為本發(fā)明的雙向混合式直流斷路器方案的示意圖；
圖5為本發(fā)明具體實施例1中方案的示意圖；
圖6為本發(fā)明具體實施例1中的預(yù)期分斷波形；
圖7為本發(fā)明具體實施例2中方案的示意圖；
圖8為本發(fā)明具體實施例2中的預(yù)期分斷波形。
[0020]各附圖標記為:1 一主電流電路，2—零電壓電路，3—零電流電路，4一能量吸收電路，J1一系統(tǒng)接線端，J2一系統(tǒng)接線端，S一控制開關(guān)。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對本