Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
APPARATUS FOR BREAKING CURRENT OF CIRCUIT AND CONTROL METHOD THEREOF
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2014/117608
Kind Code:
A1
Abstract:
An apparatus (20) for breaking a current of a circuit (44) and a control method thereof. The apparatus (20) for breaking a current of a circuit (44) comprises a unidirectional direct current breaker (10) and a bridge branch circuit. The bridge branch circuit comprises two bridge arms formed by four identical commutating branch circuits (A, B, C, D), two groups comprising two commutating branch circuits each in the four commutating branch circuits are connected in series in the same direction, two formed bridge arms are connected in parallel, and each commutating branch circuit comprises a same-direction serial connection of at least one first power semiconductor device (7). Two bridge arms of the bridge branch circuit are both connected in parallel to the unidirectional direct current breaker (10), and two ends of the circuit (44) are separately connected to bridge arm middle points (3,4) of the two bridge arms. On the premise of enough high breaking speed and low loss, the apparatus (20) for breaking a current of a circuit (44) can greatly reduce the cost of the apparatus, and reduce the layout, mounting and wiring difficult of the apparatus and the device.

Inventors:
FANG TAIXUN (CN)
CAO DONGMING (CN)
WANG YU (CN)
YANG HAO (CN)
YANG BING (CN)
SHI WEI (CN)
LV WEI (CN)
Application Number:
CN2013/090484
Publication Date:
August 07, 2014
Filing Date:
December 26, 2013
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
NR ELECTRIC CO LTD (CN)
NR ENGINEERING CO LTD (CN)
International Classes:
H02H3/08; H02H9/00
Foreign References:
CN201868842U2011-06-15
CN1058821C2000-11-22
CN102687221A2012-09-19
CN101789589A2010-07-28
Attorney, Agent or Firm:
NANJING JINGWEI PATENT & TRADEMARK AGENCY CO., LTD (CN)
南京经纬专利商标代理有限公司 (CN)
Download PDF:
Claims:
权利要求书

1、 一种使线路电流分断的装置, 包括单向直流断路器; 其特征在于:

还包括桥式支路, 所述桥式支路包括由 4 条完全相同的换向支路构成的两条桥臂, 所述 4 条换向支路两两一组同向串联, 所形成的两条桥臂再进行并联, 所述各换向支路 均包括至少一个第一功率半导体器件的同向串联连接; 所述桥式支路的两条桥臂均与单 向直流断路器并联, 且线路的两端分别连接桥式支路两桥臂的桥臂中点。

2、 如权利要求 1 所述的一种使线路电流分断的装置, 其特征在于: 所述各换向支路 还包含至少一个高速隔离开关, 所述高速隔离开关串联在换向支路的干路中。

3、 如权利要求 1或 2所述的一种使线路电流分断的装置, 其特征在于: 所述各换向 支路中的各第一功率半导体器件均并联有与其相同的第三功率半导体器件。

4、 如权利要求 1或 2所述的一种使线路电流分断的装置, 其特征在于: 所述各换向 支路中的各第一功率半导体器件均反向并联有一具有开通关断能力的第四功率半导体器 件。

5、 如权利要求 1或 2所述的一种使线路电流分断的装置, 其特征在于: 所述各换向 支路均包括与前述第一功率半导体器件数量及型号相同的第五功率半导体器件, 所述第 五功率半导体器件同向串联后, 与前述串联后的第一功率半导体器件进行同向并联。

6、 如权利要求 1 所述的一种使线路电流分断的装置, 其特征在于: 所述单向直流断 路器包括相互并联连接的主断路器和非线性电阻, 所述主断路器包括至少一个同向串联 的第二功率半导体器件, 并使所述第二功率半导体开关的开通方向与线路电流由桥臂中 点进入并流经任一换向支路后的流向一致。

7、 如权利要求 6 所述的一种使线路电流分断的装置, 其特征在于: 所述主断路器中 的各第二功率半导体器件均并联有与其相同的第六功率半导体器件。

8、 如权利要求 6 所述的一种使线路电流分断的装置, 其特征在于: 所述主断路器还 包括与前述第二功率半导体器件数量及型号相同的第七功率半导体器件, 所述第七功率 半导体器件同向串联后, 与前述串联后的第二功率半导体器件进行同向并联。

9、 如权利要求 6至 8中任意一项所述的一种使线路电流分断的装置, 其特征在于: 所述单向直流断路器还包括一条与前述主断路器、 非线性电阻均并联连接的支路, 该支 路包括相互串联连接的高速开关和辅助断路器, 其中, 高速开关包括至少一个相互串联 的高速隔离开关, 辅助断路器包括至少一个同向串联的第八功率半导体器件, 且该第八 功率半导体器件的方向与第二功率半导体器件的方向相同。 10、 如权利要求 2 所述的一种使线路电流分断的装置的控制方法, 所述装置以桥式 支路中两桥臂的桥臂中点串联连接到线路的电流通路; 其特征在于: 闭合装置中的单向 直流断路器, 闭合桥式支路中的高速隔离开关和第一功率半导体器件, 所述方法包括如 下步骤:

一如果接收到所述单向直流断路器的断开信号, 确定与电流输入端所连接的桥臂上 与该电流输入端直接或间接连接的阴极的第一功率半导体器件, 断开该第一功率半导体 器件所在换向支路的高速隔离开关; 确定与电流输出端所连接的桥臂上与该电流输出端 直接或间接连接的阳极的第一功率半导体器件, 断开该第一功率半导体器件所在换向支 路的高速隔离开关;

一此后, 断开所述单向直流断路器;

一将处于闭合状态的高速隔离开关断开, 完成整个分断过程。

Description:
一种使线路电流分断的装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种使流经线路的电流分断的装置 , 以及一种控制该装置的方法。 背景技术

在多端直流输电系统中, 高压直流断路器是至关重要的设备之一。 多端高压直流输 电系统由于电压等级高、 线路阻抗小, 一旦发生线路短路故障, 将很快影响到直流输电 网络和交流网络, 必须迅速切除故障。 因此, 高压直流断路器需要动作速度快, 能够最 大限度地减小故障持续时间或抑制故障电流, 减小故障对交 /直流输电网络的冲击。 由于 高压直流断路器串联于输电线路, 输电线路中潮流方向不确定, 电流可能存在两个方向, 因此要求断路器能够分断两个方向的直流电流 。

中国专利申请 CN 102780200 A采用传统高压直流断路器分断直流电流, 传统高压直 流断路器的结构由 3部分构成: 交流断路器、 LC振荡回路和耗能元件。 交流断路器分开 后产生电弧, 电弧电压与 LC振荡回路发生谐振, 当振荡电流峰值达到直流电流幅值时可 完全抵消直流电流, 使断路器端口出现过零点, 促使电弧熄灭, 实现关断直流电流的目 的。 这种分断方式不包括功率半导体器件, 没有方向性, 因此, 可以分断两个方向的电 流, 且正常工作时损耗很小。 但是, 传统高压直流断路器灭弧时间较长, 约几十毫秒, 无法满足快速隔离多端直流输电系统故障的需 求。

为满足快速隔离直流故障电流并且保持较高的 输电效率, 中国专利申请 CN 102687221A公开了一种使输电线路或配电线路的 流短路的装置和方法以及限流布置, 包括主断路器、 高速开关、 辅助断路器和非线性电阻耗能元件。 正常工作模式下, 线路 电流流过辅助回路, 通态损耗小; 故障模式下, 电流换至主断路器, 最终由耗能元件吸 收分断能力。

该高压直流断路装置关断故障电流后主断路器 承受数百 kV电压,仅在一个电流方向 上功率半导体器件串联数目就已达到数百只。 由于功率半导体器件只能单方向导通, 为 了实现在两个电流方向上都能够关断故障电流 , 该高压直流断路装置中的主断路器基本 串联单元采用了两个功率半导体器件反串联或 反并联结构, 主断路器的功率半导体器件 数量增加了一倍, 在第一电流方向分断时, 第二电流方向的功率半导体器件对分断电流 或承受电压没有有益作用, 相当于主断路器功率半导体器件的利用率只有 50 %。 由于功 率半导体器件的成本在该装置总成本中占有很 大的比例, 因此为了实现双向电流的分断 功能, 大大增加了装置的成本。 主断路器中第二电流方向的功率半导体器件的 增加不但 不会产生有益作用, 第二电流方向的功率半导体器件反而会受到在 第一电流方向关断时 产生的过压和过流的不利影响。 如果第二电流方向的功率半导体器件与第一电 流方向的 功率半导体器件采用反向并联的方式连接, 在第一电流方向关断时的过电压将施加在第 二电流方向的功率半导体器件上, 该电压对于第二电流方向的功率半导体器件来 说是反 向电压, 会对器件造成损伤; 如果采用第二电流方向的带反并联二极管的功 率半导体器 件与第一电流方向的带反并联二极管的功率半 导体器件采用反向串联的方式连接, 在第 一电流方向关断过程中产生的很高的突变电流 将流过第二电流方向的功率半导体器件中 的续流二极管, 会对器件的寿命造成不利影响。

增加的第二电流方向的功率半导体器件也会对 主断路器的结构设计及电气设计造成 不利的影响, 第一电流方向的功率半导体器件的布置方向是 一致的, 使得电气设计及结 构设计具有一致性。 第二电流方向的功率半导体器件的增加破坏了 原有布置方向的一致 性, 导致对器件布局, 安装, 布线的难度增加。

发明内容

本发明的目的, 在于提供一种使线路电流分断的装置及其控制 方法, 在保证足够快 的分断速度和低损耗的前提下, 大大降低装置的成本, 减小装置器件布局、 安装及布线 的难度。

为了达成上述目的, 本发明采用的解决方案是:

一种使线路电流分断的装置, 包括单向直流断路器; 还包括桥式支路, 所述桥式支 路包括由 4条完全相同的换向支路构成的两条桥臂, 所述 4条换向支路两两一组同向串 联, 所形成的两条桥臂再进行并联, 所述各换向支路均包括至少一个第一功率半导 体器 件的同向串联连接; 所述桥式支路的两条桥臂均与单向直流断路器 并联, 且线路的两端 分别连接桥式支路两桥臂的桥臂中点。

上述各换向支路还包含至少一个高速隔离开关 , 所述高速隔离开关串联在换向支路 的干路中。

上述各换向支路中的各第一功率半导体器件均 并联有与其相同的第三功率半导体器 件。

上述各换向支路中的各第一功率半导体器件均 反向并联有一具有开通关断能力的第 四功率半导体器件。

上述各换向支路均包括与前述第一功率半导体 器件数量及型号相同的第五功率半导 体器件, 所述第五功率半导体器件同向串联后, 与前述串联后的第一功率半导体器件进 行同向并联。

上述单向直流断路器包括相互并联连接的主断 路器和非线性电阻, 所述主断路器包 括至少一个同向串联的第二功率半导体器件, 并使所述第二功率半导体开关的开通方向 与线路电流由桥臂中点进入并流经任一换向支 路后的流向一致。

上述主断路器中的各第二功率半导体器件均并 联有与其相同的第六功率半导体器 件。

上述主断路器还包括与前述第二功率半导体器 件数量及型号相同的第七功率半导体 器件, 所述第七功率半导体器件同向串联后, 与前述串联后的第二功率半导体器件进行 同向并联。

上述单向直流断路器还包括一条与前述主断路 器、 非线性电阻均并联连接的支路, 该支路包括相互串联连接的高速开关和辅助断 路器, 其中, 高速开关包括至少一个相互 串联的高速隔离开关, 辅助断路器包括至少一个同向串联的第八功率 半导体器件, 且该 第八功率半导体器件的方向与第二功率半导体 器件的方向相同。

一种使线路电流分断的装置的控制方法, 所述装置以桥式支路中两桥臂的桥臂中点 串联连接到线路的电流通路; 闭合装置中的单向直流断路器, 闭合桥式支路中的高速隔 离开关和第一功率半导体器件, 所述方法包括如下步骤:

一如果接收到所述单向直流断路器的断开信号 , 确定与电流输入端所连接的桥臂上 与该电流输入端直接或间接连接的阴极的第一 功率半导体器件, 断开该第一功率半导体 器件所在换向支路的高速隔离开关; 确定与电流输出端所连接的桥臂上与该电流输 出端 直接或间接连接的阳极的第一功率半导体器件 , 断开该第一功率半导体器件所在换向支 路的高速隔离开关;

一此后, 断开所述单向直流断路器;

一将处于闭合状态的高速隔离开关断开, 完成整个分断过程。

采用上述方案后, 本发明具有以下特点:

一与传统高压直流断路器相比, 本发明分断速度较快, 采用功率半导体器件作为分 断电流执行单元, 速度很快, 通常功率半导体器件的分断速度仅需几十微秒 , 可以忽略 不计, 装置的总分断时间主要在于高速隔离开关的分 断时间, 目前, 高速隔离开关的分 断速度可达 1一 3ms, 可以预测, 本发明的总分断时间在 3— 5ms左右, 比传统高压直流断 路器的分断速度快得多;

一仅需较小的成本即可实现双向电流的分断: 本发明中的单向直流断路器可使用同 一个电流方向的功率开关器件串联组成, 通过电流换向支路使得线路中的双向电流流过 单向直流断路器为同一方向。 当线路电流为第一电流方向时, 电流换向支路(A, D)与第 一电流方向一致, 电流换向支路(B, C) 中的功率半导体器件与第一电流方向相反, 处于 反向截止状态, 流过单向直流断路器的方向为从节点 (1 ) 到节点 (2 ) ; 当线路电流为 第二电流方向时, 电流换向支路 (B, C ) 与第二电流方向一致, 电流换向支路 (A, D) 中 的功率半导体器件与第二电流方向相反, 处于反向截止状态。 流过单向直流断路器的方 向始终为从节点 (1 ) 到节点 (2 ) 。

由此可见, 当线路电流方向不同时, 流过单向直流断路器的电流方向是一致的。 电 流换向支路一共包括少量的功率半导体器件和 四组高速隔离开关, 功率半导体器件数量 很少, 成本很低, 高速隔离开关只是在无电流状态下分开, 无需灭弧, 仅起到隔断电压 的作用, 成本较低。 总体成本与专利 CN 102687221A相比成本大大减小, 提高了装置中 的功率半导体器件的利用效率, 同时避免了专利 CN 102687221A实现双向功能的缺陷。 附图说明

图 1是本发明装置的连接示意图;

图 2是第一电流方向与功率半导体器件的方向对 关系图;

图 3是第二电流方向与功率半导体器件的方向对 关系图;

图 4是本发明中电流换向支路的第一实施结构连 图;

图 5是本发明中电流换向支路的第二实施结构连 图;

图 6是本发明中电流换向支路的第三实施结构连 图。 具体实施方式

如图 1所示,本发明一种使线路 44电流分断的装置 20,包括相互并联的单向直流断 路器 10和桥式支路, 两个并接点分别是节点 1和节点 2, 下面分别介绍。

单向直流断路器 10包括相互并联连接的主断路器 9和非线性电阻 13,其中,主断路 器 9包括至少一个同向串联的功率半导体器件 5,并使所述功率半导体器件 5的方向与从 节点 1流向节点 2的电流方向一致;所述单向直流断路器 10还包括一条与前述主断路器 9、 非线性电阻 13均并联连接的支路, 该支路包括相互串联连接的高速开关 11和辅助断 路器 12, 其中, 高速开关 11包括至少一个相互串联的高速隔离开关, 辅助断路器 12包 括至少一个相互同向串联的功率半导体器件, 且该功率半导体器件的方向与从节点 1流 向节点 2的电流方向一致, 所述辅助断路器 12的导通电阻比主断路器 9小。

桥式支路包括由 4条完全相同的换向支路八、 B、 C, D所构成的两条桥臂, 具体连接 关系是: 换向支路八、 B同向串联, 组成一条桥臂, 换向支路 (:、 D同向串联, 组成另一 条桥臂,所述两条桥臂再进行并联;线路 44的一端连接换向支路 A、 B构成的桥臂中点 3, 所述线路 44的另一端连接换向支路 (:、 D构成的桥臂中点 4。

各换向支路均包括有同向串联的至少一个功率 半导体器件 7,如图 6所示,此种结构 不需使用高速隔离开关, 但功率半导体器件 7的串联连接要求能够承受很高的电压, 需 要很多数量的器件串联。

所述换向支路还可串联至少一个高速隔离开关 6, 如图 4所示, 所述高速隔离开关 6 的作用是隔断电压。在单向直流断路器 10分断后, 会在节点 1和节点 2之间产生很高的 分断电压, 该电压施加到桥式支路, 高速隔离开关 6可承受很高的分断电压, 使换向支 路八、 B、 C, D中的功率半导体器件 7承受很小的分断电压即可, 只需很少数量器件串联, 这种方式更节省装置成本。

如图 5所示, 是换向支路的再一种实施结构, 在图 4所示结构的基础上, 各功率半 导体器件 7均反向并联一个具有开通关断能力的功率半 体器件 8。

需要说明的是, 所述单向直流断路器 10中的主断路器 9, 其结构除了由多个功率半 导体器件 5同向串联外, 还可采用以下两种连接结构: (1 )包括偶数个功率半导体器件, 所述功率半导体器件两个一组同向并联, 然后再同向串联; (2 )包括偶数个功率半导体 器件, 均分为两组, 每一组均同向串联, 这两组再进行同向并联。 采用以上连接结构, 可将单向直流断路器 10的承受电流能力提高一倍。

所述各换向支路中的功率半导体器件 7除了前述的同向串联外, 还可采用以下两种 连接结构: (1 ) 包括偶数个功率半导体器件, 所述功率半导体器件两个一组同向并联, 然后再同向串联; (2 ) 包括偶数个功率半导体器件, 均分为两组, 每一组均同向串联, 这两组再进行同向并联。采用以上连接结构, 可将单向直流断路器 10的承受电流能力提 高一倍。

本发明还提供一种针对前述装置 20的控制方法, 所述的装置 20串联连接到线路 44 的电流通路, 其中所述装置 20中的单向直流断路器 10闭合, 电流换向支路 A、 B、 C, D 的高速隔离开关 6 (如果没有可省略其控制, 下同)和功率半导体器件 7闭合, 所述控制 方法包括下列步骤:

一如果接收到所述单向直流断路器 10的断开信号, 判断线路 44的电流方向, 如果 为第一电流方向 14, 同时断开换向支路 B、 C的高速隔离开关 6;

当为第一电流方向 14时, 如图 2所示, 换向支路8、 C会承受单向直流断路器 10分 断产生的高分断电压, 因此, 单向直流断路器 10分断之前, 务必将换向支路13、 C的高 速隔离开关 6分开, 以防止上述支路的功率半导体器件 7承受高分断电压而损坏; 而换 向支路 A、 D与单向直流断路器 10是串联连接关系, 有分断电流流过, 但不会承受高分 断电压, 应保持闭合状态。

如果为第二电流方向 15, 同时断开换向支路 A、 D的高速隔离开关 6;

当为第二电流方向 15时, 如图 3所示, 换向支路八、 D会承受单向直流断路器 10分 断产生的高分断电压, 因此, 单向直流断路器 10分断之前, 务必将换向支路八、 D的高 速隔离开关 6分开, 以防止上述支路的功率半导体器件 7承受高分断电压而损坏; 而换 向支路 B、 C与单向直流断路器 10是串联连接关系, 有分断电流流过, 但不会承受高分 断电压, 应保持闭合状态。

一此后, 断开所述单向直流断路器 10。

一确认线路电流降为零时, 将换向支路 A、 B、 C, D中处于闭合状态的高速隔离开关 6断开, 完成整个分断过程。

以下将结合具体实施例说明本发明的技术方案 。

设计装置 20能够分断 ± 200kV高压直流输电线路的双向电流, 电流分断能力为 2kA。 如图 1所示, 分断该线路双向电流的装置 20包括单向直流断路器 10及电流换向支 路八、 B、 C, D, 其中单向直流断路器 10包括相互并联连接的主断路器 9和非线性电阻 13, 其中主断路器 9在一个方向上至少包括一个功率半导体器件 5。对于本实施例, 其中 主断路器 9应至少能够承受 400kV的分断电压, 考虑一定裕量, 按照分断 600kV设计, 选择两个 4. 5kV/l. 6kA的 IGBT并联作为一个单元器件,考虑在关断时刻 能出现的电压 不均, 对器件的耐压设计要留有一定裕量, 共需要 200个单元器件串联, 构成一个 IGBT 阀组, 总器件数量为 400。 所有 IGBT布置方向一致。

单向直流断路器 10还包括相串联连接的高速开关 11和辅助断路器 12,高速开关 11 至少包括一个高速隔离开关, 辅助断路器 12的导通电阻比主断路器 9小, 并且在一个方 向上至少包括一个功率半导体器件。 对于本实施例, 高速隔离开关要求具有较快的分断 速度, 分断后断口能够耐受 600kV电压。 辅助断路器 12选择两个 4. 5kV/l. 6kA的 IGBT 并联作为一个单元器件, 共需要 3个器件串联后构成一个阀组, 共需要 6个单元器件, 总器件数量为 12。

装置 20还包括电流换向支路 A、 B、 C, D, 其中, 换向支路八、 B构成中点与桥臂中 点 3连接的第一桥臂, 换向支路 (:、 D构成中点与桥臂中点 4连接的第二桥臂, 两桥臂均 与单向直流断路器 10并联连接。

装置 20共需要 4个换向支路, 每个支路的器件相同。每个支路包括功率半导 体器件 7和高速隔离开关 6。

功率半导体器件 7承受很小的分断电压即可,需很少的数量串 。功率半导体器件 7 选择为 4. 5kV/1. 6kA的二极管, 共需要 3个二极管串联后再并联, 构成一个二极管组, 每个支路需要二极管 6个, 4组电流换向支路共需要 24个二极管。 二极管的布置方向如 图 2和图 3所示。

控制方法包括下列步骤:

正常情况下, 所述装置 20中的高速开关 11与辅助断路器 12闭合, 换向支路八、 B、 C D中的高速隔离开关 6和功率半导体器件 7闭合, 主断路器 9中的功率半导体器件 5 闭合, 由于辅助断路器 12仅包括 3个 IGBT串联, 而主断路器 9包括 200个 IGBT串联, 辅助断路器 12具有相对极小的导通电阻,正常线路电流流 辅助断路器 12。换向支路八、 B、 C, D的作用是: 使线路电流方向不同时, 流过主断路器 9的电流方向相同。 如果为第 一电流方向 14, 电流流经换向支路 A、 D和辅助断路器 12所在支路, 如图 2所示; 如果 为第二电流方向 15, 电流流经换向支路 B、 C和辅助断路器 12所在支路, 如图 3所示。

一如果接收到所述单向直流断路器 10的断开信号,首先分断辅助断路器 12, 电流将 换至主断路器 9;

判断线路 44电流方向, 如果为第一电流方向 14, 同时断开换向支路 B、 C的高速隔 离开关 6和辅助支路的高速开关 11 ; 如果为第二电流方向 15, 同时断开换向支路 A、 D 的高速隔离开关 6和辅助支路的高速开关 11 ;

一此后, 断开所述单向直流断路器 10的主断路器 9, 电流将换至非线性电阻 13。 一将处于闭合状态的高速隔离开关 6断开, 完成整个分断过程。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非 对其限制, 尽管本领域的技术人员阅 读本申请后, 参照上述实施例本本发明进行种种修改或变更 , 但这些修改或变更均在申 请待批本发明的权利申请要求保护范围之内。