一种晶闸管型直流断路器及故障清除方法

1.本发明涉及电力系统直流输电领域，具体的说，涉及了一种晶闸管型直流断路器及故障清除方法。


背景技术：

2.直流断路器能够迅速开断直流短路故障电流，是直流电网的重要组成设备。直流断路器按开断方式可以分为三类：机械式、固态式和混合式。机械式直流断路器是通过电容和电感组成的振荡回路来产生反向电流，从而抵消流过主支路的短路故障电流，其运行过程中损耗小，但是无法可靠开断小电流，并且清除时间相对较长，无法满足直流电网保护的快速性要求；固态式直流断路器通过电力电子器件的可控性来控制电流的关断，其开断速度较快，但是成本较高，运行过程中损耗较大；混合式直流断路器由超快机械开关和电力电子器件组成，其兼具机械式和固态式损耗小和开断速度快的优点，是目前高压直流断路器的主流路线。
3.在直流电网中应用基于igbt的混合式直流断路器时，直流断路器需要很多数量串联，用来分担故障时的电压，这导致混合式直流断路器的成本非常高。为了降低成本，近年来国内外学者们提出了基于晶闸管的混合式直流断路器，通过lc谐振来转移短路故障电流。derakhshanfar r，jonsson t u，steiger u.hybrid hvdc breaker-a solution for future hvdc system[c]//cigre 2014session，paris：b4～304[简称文献1]所提直流断路器采用了价格昂贵的igbt，一般直流电网对直流断路器数目要求较多，使得成本投资较大，且技术难度高。周万迪，魏晓光，高冲，等.基于晶闸管的混合型无弧高压直流断路器[j].中国电机工程学报，2014，34(18)：2990～2996.[简称文献2]采用了成熟的晶闸管能够双向、快速、无弧分断出直流系统中出现的短路电流，通态损耗低，且极大程度降低了电力电子器件的成本，但是需要辅助电源用来给电容预充电，辅助电源不仅占地体积大，不仅技术难度高，而且也会增加初始成本投资。
[0004]
为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供了一种晶闸管型直流断路器及故障清除方法，利用极少数晶闸管在实现短路故障电流的快速清除的同时，还实现了利用系统电源给电容进行预充电。
[0006]
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种晶闸管型直流断路器，包括主支路、转移支路和耗能支路；
[0007]
所述主支路包括超快机械开关和电力电子串，用来承担正常运行时的负荷电流；
[0008]
所述耗能支路，与所述主支路并联设置，包括mov，用来吸收故障能量；
[0009]
所述转移支路，与所述主支路并联设置，包括二极管d1、lc振荡支路、晶闸管t2、二极管d2以及预充电电路；所述lc振荡支路和所述晶闸管t2并联后，再串联至二极管d1和二极
管d2之间，用来短时间承受短路故障电流，并为耗能支路的mov提供电压；
[0010]
所述lc振荡支路包括晶闸管t3、晶闸管t4、电感l和电容c，所述晶闸管t3和所述晶闸管t4反向并联，所述晶闸管t3的一端与所述晶闸管t2的阴极连接，所述晶闸管t3的另一端依次通过所述电感l和所述电容c与所述晶闸管t2的阳极连接，以产生lc谐振；
[0011]
所述预充电电路包括晶闸管t1和电阻r，所述晶闸管t1的阳极连接所述lc振荡支路，所述晶闸管t1的阴极通过所述电阻r接地，以为所述所述lc振荡支路提供初始电压。
[0012]
本发明第二方面提供一种基于权利要求1所述的晶闸管型直流断路器的故障清除方法，包括如下步骤：
[0013]
正常运行阶段，闭合所述超快机械开关，断开所述晶闸管t2、所述晶闸管t3和所述晶闸管t4，负荷电流流过所述主支路；控制所述晶闸管t1导通，向所述lc振荡支路进行预充电，充电完成后，所述预充电支路电流为0，所述晶闸管t1的电流小于维持电流而自然关断；
[0014]
当收到保护动作命令，控制所述超快机械开关发出分断信号，控制所述晶闸管t2和所述晶闸管t3导通，短路故障电流从所述主支路迅速转移到所述转移支路；同时，所述lc振荡支路和晶闸管t2组成第一次谐振回路，第一次谐振完成后，所述电容c的电压极性反向，谐振电流衰减为0，晶闸管t3的电流小于维持电流而自然关断短路；
[0015]
当电流全部转移至所述转移支路时，所述超快机械开关分断成功；控制所述晶闸管t4导通，所述电容c迅速放电，放电电流ic迅速增大，当放电电流等于短路故障电流时，流过晶闸管t2的电流降为0，晶闸管t2自然关断；
[0016]
当短路故障电流完全转移至所述所述lc振荡支路时，所述电容c再次充电，直至所述电容c的电压极性反向并增大到耗能支路的导通电压时，mov导通，短路故障电流从所述lc振荡支路全部转移至所述耗能支路，流过晶闸管t2的电流降为0而自然关断，流过mov的电流逐渐增大；当mov的电流达到i0时，mov的电压开始下降，当电压降到动作电压以下时，流过耗能支路的电流就降为0，完成耗能。
[0017]
本发明还提供一种基于前述的晶闸管型直流断路器的直流输电系统。
[0018]
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说：
[0019]
本发明无需采用昂贵的igbt，只采用了4个成熟的晶闸管，其中通过3个晶闸管和lc配合，即可在极短时间内清除直流故障，保证了直流电网在发生故障时的安全；通过剩下一个晶闸管和电阻r组成预充电支路，无需额外配置给电容预充电的辅助电源，可以直接利用系统电源给电容进行预充电，节约了占地面积和投资成本，极大程度地降低了投资成本和技术难度。
附图说明
[0020]
图1为本发明基于晶闸管型直流断路器的故障清除方案的拓扑图；
[0021]
图2为本发明正常运行阶段的拓扑图；
[0022]
图3为本发明故障检测阶段的拓扑图；
[0023]
图4为本发明故障阻断阶段(t1～t2)的拓扑图；
[0024]
图5为本发明第一次谐振等效电路的示意图；
[0025]
图6为本发明故障阻断阶段(t2～t3)的拓扑图；
[0026]
图7为本发明故障阻断阶段(t3～t4的拓扑图；
和所述晶闸管t3导通，短路故障电流从所述主支路迅速转移到所述转移支路；同时，所述lc振荡支路和晶闸管t2组成第一次谐振回路，第一次谐振完成后，所述电容c的电压极性反向，谐振电流衰减为0，晶闸管t3的电流小于维持电流而自然关断短路；
[0051]
当电流全部转移至所述转移支路时，所述超快机械开关分断成功；控制所述晶闸管t4导通，所述电容c迅速放电，放电电流ic迅速增大，当放电电流等于短路故障电流时，流过晶闸管t2的电流降为0，晶闸管t2自然关断；
[0052]
当短路故障电流完全转移至所述所述lc振荡支路时，所述电容c再次充电，直至所述电容c的电压极性反向并增大到耗能支路的导通电压时，mov导通，短路故障电流从所述lc振荡支路全部转移至所述耗能支路，流过晶闸管t2的电流降为0而自然关断，流过mov的电流逐渐增大；当mov的电流达到i0时，mov的电压开始下降，当电压降到动作电压以下时，流过耗能支路的电流就降为0，完成耗能。
[0053]
为方便理解，将基于晶闸管的混合式直流断路器工作过程分为四个阶段：正常运行(第一阶段)、故障检测(第二阶段)、短路故障电流分断(第三阶段)和耗能(第四阶段)。具体工作原理如下：
[0054]
(1)正常运行阶段
[0055]
在正常运行时，闭合所述超快机械开关，断开所述晶闸管t2、所述晶闸管t3和所述晶闸管t4，负荷电流流过所述主支路，如图2所示。此时控制所述晶闸管t1导通，系统电源电流流过所述预充电支路向所述电容c预充电。当预充电完成后，预充电支路电流为0，所述晶闸管t1的电流小于维持电流而自然关断，电容电压极性在图中标注。
[0056]
假设u
dc0
是系统额定电压，ls是系统的电感，rs是系统的电阻，rd为负载电阻，因此正常运行时的主支路电流i
dc0
为：
[0057][0058]
(2)故障检测阶段
[0059]
如图3所示，在t0＝0.7s时刻发生了双极金属性短路故障，直流线路电流由于子模块电容的放电瞬间增大。在系统发出保护信号之前，短路故障电流依然流过主支路，可得：
[0060][0061]
式中：u
p0
是主支路电力电子串的等效导通压降。
[0062]
(3)短路故障电流阻断阶段
[0063]
1.t1～t2[0064]
如图4所示，系统收到保护动作命令，控制所述超快机械开关发出分断信号，同时控制所述晶闸管t2和所述晶闸管t3导通，短路故障电流从所述主支路迅速转移到所述转移支路，可得：
[0065][0066]
式中：i1是流过主支路的短路故障电流，i
d1
是流过二极管d1的短路故障电流，ud是
二极管d1和二极管d2的导通压降之和，u
t2
是晶闸管t2的导通压降。
[0067]
短路故障电流从主支路转移到转移支路，同时lc振荡支路的lc和晶闸管t2和t3组成第一次谐振回路，如图5所示。由于晶闸管具有单向导通的特点，谐振只能维持一半周期。第一次谐振完成后，电容电压极性反向，谐振电流衰减为0，晶闸管t3的电流小于维持电流而自然关断，可得：
[0068][0069]
式中：uc是电容c的电压，u
t3
是晶闸管t3的导通压降，u
l
是电感l的电压，ic是lc振荡支路的电流。
[0070]
可以理解，在t1～t2期间，晶闸管t2有两个作用：第一，为转移支路提供路径，以便短路故障电流流通；第二，为lc提供振荡回路，以实现电容电压极性反向。
[0071]
2.t2～t3[0072]
如图6所示，直流线路的短路故障电流全部转移至转移支路，主支路的短路故障电流被清除，所述超快机械开关分断成功。
[0073][0074]
式中：i
t2
是流过晶闸管t2的电流。
[0075]
3.t3～t4[0076]
如图7所示，所述电容c的电压为上负下正。此时控制所述晶闸管t4导通，所述电容c迅速放电，放电电流ic迅速增大，当放电电流等于短路故障电流时，流过晶闸管t2的电流降为0，晶闸管t2自然关断，可得：
[0077][0078]
式中：u
t4
为晶闸管t4的导通压降。
[0079]
4.t4～t5[0080]
如图8所示，短路故障电流完全转移至所述lc振荡支路，所述电容c再次充电，直至电容电压极性再次反向，此时又变回最初的上正下负，最后电压增大到耗能支路的导通电压，可得：
[0081][0082]
(4)耗能阶段
[0083]
如图9所示，mov导通，短路故障电流从所述lc振荡支路全部转移至所述耗能支路，流过晶闸管t2的电流降为0而自然关断，流过mov的电流逐渐增大，之后mov的电压上升至避雷器的残压，mov的简化伏安特性曲线如图10所示，其中u
mov-d
是mov的动作电圧。
[0084]
当mov的电流达到i0时，mov的电压开始下降，当电压降到动作电压以下时，流过耗能支路的电流就降为0，mov的耗能过程完成，可得：
[0085][0086]
式中：u
mov
是mov的电压，i
mov
是流过mov的电流。
[0087]
在这个过程中，需要注意的是，合理的参数设计是实现直流故障清除的关键，其中电容c和电感l是核心元件，原因如下：
[0088]
(1)所提方案通过lc振荡支路控制晶闸管的开断来清除直流故障，电容c和电感l的值将直接影响短路故障电流的转移和晶闸管的关断，因此需要合理设计其值以确保可靠换流。
[0089]
(2)如果电流变化率过大有可能导致晶闸管击穿，改变所述电容c和所述电感l的值将影响电流变化率，因此需要合理选取其值以实现最优设计。
[0090]
(3)正常运行时，系统需要给电容预充电，因此电容的预储能电压应接近系统电压，充分利用电容，以实现节约电容造价的目的。
[0091]
随着电容取值越大，所述lc振荡支路的电流和所述晶闸管所耐受的电流也将增大，同时所述电容c的充放电时间也增加。因此所述电容c的取值并不是越大越好。
[0092]
为了保证短路故障电流可靠地从转移支路换流到lc振荡支路，lc谐振回路的电流应大于短路故障电流的最大值。若忽略晶闸管的导通压降，由公式(6)可得lc谐振回路的电流最大值i
c-max
为：
[0093][0094]
当u
dc
是确定不变的值时，改变电容c和电感l的大小可以改变谐振回路的电流最大值。同时，为了避免晶闸管承受较大的电流变化率，lc谐振回路的电流最大值在保证大于短路故障电流最大值的前提下也不适合设定太大。不同电容c和电感l时的振荡电流峰值如图11所示。
[0095]
为了保证能够成功关断转移支路的晶闸管t2，t2的反向偏置时间tr应大于t2的固有关断时间。若忽略晶闸管的导通压降，反向偏置时间tr表达式为：
[0096][0097]
式中：i0是t2开始导通时系统电流的恒定值，u
c0
是电容初始电压。
[0098]
利用式(10)可得，不同电容c和电感l时的反向偏置时间tr如图12所示。当电容c大小不变时，tr随着电感l的增大而增大；当电感l大小不变时，tr随着电容c的增大而增大。
[0099]
由图11和12可得，若以能可靠开断20ka左右的短路故障电流为例，综合考虑后，电容c可取4μf，电感l可取0.6mh。
[0100]
一般情况下，mov的分断电压取1.5倍的系统额定电压，所以mov的分断电压可取480kv。
[0101]
为了验证本实施例所提方案的可行性，基于pscad/emtdc仿真平台搭建了如图13所述的四端直流电网模型。系统参数如表1所示。所提直流断路器主要参数如表2所示，其额定工作电压为320kv，额定工作电流为1.1ka，lc振荡支路电容c和电感l分别为4μf和0.6mh，预充电支路电阻r为200ω。
[0102]
表1四端直流电网模型参数
[0103][0104]
表2所提直流断路器具体参数
[0105][0106][0107]
假设t＝0.7s时，在直流线路上发生最严重的短路故障，即直流线路出口处发生双极金属性短路。主支路电流如图14所示，0.7s时刻之前，系统处于正常运行，主支路电流的大小是负荷电流。故障发生后直流线路由于子模块电容放电快速增大，主支路的短路故障电流迅速上升。大约2ms后系统发出保护动作的信号，直流断路器接收到分断信号，并立即闭锁mmc，同时导通转移支路的晶闸管，短路故障电流迅速从主支路转移至转移支路，约3ms主支路电流降为零。
[0108]
晶闸管t2电流如图15所示，在转移支路的晶闸管导通后，该支路的晶闸管t2的电流迅速增大，在放电电流等于短路故障电流时，流过晶闸管t2的电流降为0而自然关断。同时lc振荡支路发生第一次lc谐振，因为晶闸管具有单向导通的特点，谐振只能维持一半周期。第一次谐振完成后，电容电压极性反向，谐振电流衰减为0，所以晶闸管t3的电流小于维持电流而自然关断。
[0109]
lc振荡支路电流如图16所示，短路故障电流清除期间lc振荡支路发生了两次谐振：第一次是通过转移支路的晶闸管把电容电压极性反向；第二次是由于电容放电，导致lc振荡支路的电流增大，从而短路故障电流可以从转移支路流入lc振荡支路。
[0110]
电容c电压如图17所示，正常运行时预充电支路电容c充电达到320kv左右。第一次谐振电容电压极性反向，第二次振荡反向极性的电容电压会发生放电，电压逐渐减小。当短路故障电流完全流到lc振荡支路后，短路故障电流对电容c第二次进行充电，直至电容电压极性再次反向，变为最初的上正下负，并且达到mov的分断电压。
[0111]
耗能支路电流如图18所示，mov的分断电压取480kv，当短路故障电流对电容再次充电直至达到mov的动作电压时，耗能支路的mov导通，短路故障电流从lc振荡支路流入耗能支路。耗能支路的短路故障电流大约过15ms吸收完，至此就完成了短路故障电流清除全过程。
[0112]
进一步的，为了突出本实施例所提方案的优势，本本实施例将所提方案与文献1和文献2进行对比分析。其中，以所用的电力电子器件数目和类型作为衡量经济性的标准。
[0113]
三种直流断路器对比分析如表3所示。
[0114]
表3对比分析
[0115][0116]
实施例4
[0117]
本发明还提供一种基于前述的晶闸管型直流断路器的直流输电系统。
[0118]
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

技术特征：
1.一种晶闸管型直流断路器，其特征在于：包括主支路、转移支路和耗能支路；所述主支路包括超快机械开关和电力电子串，用来承担正常运行时的负荷电流；所述耗能支路，与所述主支路并联设置，包括mov，用来吸收故障能量；所述转移支路，与所述主支路并联设置，包括二极管d1、lc振荡支路、晶闸管t2、二极管d2以及预充电电路；所述lc振荡支路和所述晶闸管t2并联后，再串联至二极管d1和二极管d2之间，用来短时间承受短路故障电流，并为耗能支路的mov提供电压；所述lc振荡支路包括晶闸管t3、晶闸管t4、电感l和电容c，所述晶闸管t3和所述晶闸管t4反向并联，所述晶闸管t3的一端与所述晶闸管t2的阴极连接，所述晶闸管t3的另一端依次通过所述电感l和所述电容c与所述晶闸管t2的阳极连接，以产生lc谐振；所述预充电电路包括晶闸管t1和电阻r，所述晶闸管t1的阳极连接所述lc振荡支路，所述晶闸管t1的阴极通过所述电阻r接地，以为所述所述lc振荡支路提供初始电压。2.一种基于权利要求1所述的晶闸管型直流断路器的故障清除方法，其特征在于， 包括如下步骤：正常运行阶段，闭合所述超快机械开关，断开所述晶闸管t2、所述晶闸管t3和所述晶闸管t4，负荷电流流过所述主支路；控制所述晶闸管t1导通，向所述lc振荡支路进行预充电，充电完成后，所述预充电支路电流为0，所述晶闸管t1的电流小于维持电流而自然关断；当收到保护动作命令，控制所述超快机械开关发出分断信号，控制所述晶闸管t2和所述晶闸管t3导通，短路故障电流从所述主支路迅速转移到所述转移支路；同时，所述lc振荡支路和晶闸管t2组成第一次谐振回路，第一次谐振完成后，所述电容c的电压极性反向，谐振电流衰减为0，晶闸管t3的电流小于维持电流而自然关断短路；当电流全部转移至所述转移支路时，所述超快机械开关分断成功；控制所述晶闸管t4导通，所述电容c迅速放电，放电电流i
c
迅速增大，当放电电流等于短路故障电流时，流过晶闸管t2的电流降为0，晶闸管t2自然关断；当短路故障电流完全转移至所述所述lc振荡支路时，所述电容c再次充电，直至所述电容c的电压极性反向并增大到耗能支路的导通电压时，mov导通，短路故障电流从所述lc振荡支路全部转移至所述耗能支路，流过晶闸管t2的电流降为0而自然关断，流过mov的电流逐渐增大；当mov的电流达到i0时，mov的电压开始下降，当电压降到动作电压以下时，流过耗能支路的电流就降为0，完成耗能。3.一种基于权利要求1所述的晶闸管型直流断路器的直流输电系统。

技术总结
本发明提供一种晶闸管型直流断路器及故障清除方法，具体包括主支路、转移支路和耗能支路；所述主支路包括超快机械开关和电力电子串，用来承担正常运行时的负荷电流；所述耗能支路，与所述主支路并联设置，包括MOV，用来吸收故障能量；所述转移支路，与所述主支路并联设置，包括二极管D1、LC振荡支路、晶闸管T2、二极管D2以及预充电电路；所述LC振荡支路和所述晶闸管T2并联后，再串联至二极管D1和二极管D2之间，用来短时间承受短路故障电流，并为耗能支路的MOV提供电压。本发明通过系统电源给电容进行预充电，通过电力电子器件控制LC振荡电路来实现短路故障电流的快速清除。路来实现短路故障电流的快速清除。路来实现短路故障电流的快速清除。


技术研发人员：王要强 孙如茵 郭彦勋 黄永峰 王明东 王克文 梁军
受保护的技术使用者：郑州大学
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/8/13