双向直流断路器及其控制方法与流程

发电;变电;配电装置的制造技术1.本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种双向直流断路器及其控制方法。背景技术：2.随着直流输电技术的发展，直流断路器作为系统重要保护设备得到了广泛的关注。3.与交流系统相比，直流系统的电流不存在自然过零点，因此直流开断的实现更加困难。为了兼顾快速性和低损耗，混合式直流断路器和机械式直流断路器是目前应用直流输电系统中直流开断最为有效的技术途径。4.混合式直流断路器采用快速机械开关和全控型电力电子开关相结合的技术，受限制于单个全控器件的耐压能力和电流开断能力，需要大量的器件串并联，可靠性低、价格昂贵。5.机械式直流断路器采用快速机械开关和lc振荡回路相结合的技术，通过晶闸管触发储能电容振放电使得快速机械开关电流过零熄灭。但是，储能电容需要配置大容量充电电源，以满足耐压和快速充电的需求，设备复杂、可靠性低。6.此外，混合式直流断路器和机械式直流断路器开断后，系统故障电流全部流过其两端并联的避雷器进行耗散，对避雷器的容量需求较大。大容量的避雷器需要大量的避雷器阀片串并联，一定程度降低了设备可靠性和安全性。技术实现要素：7.本发明的目的是提出一种双向直流断路器，通过电流转移模块、二极管桥式模块和辅助模块实现双向电流的开断，成本低、可靠性高，无外部预充电电源、可快速重合闸。8.本发明的结构特征和其优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本发明的实践而习得。9.根据本发明的一方面，提出一种双向直流断路器，包括：通流开关、耗能电阻、二极管桥式模块、电流转移模块和辅助模块；所述二极管桥式模块并联于所述通流开关的两端；所述电流转移模块连接于所述二极管桥式模块的上桥臂和下桥臂之间；所述辅助模块连接于所述二极管桥式模块的所述下桥臂和大地之间。10.根据一些实施例，所述耗能电阻并联于所述通流开关的两端；或并联于所述电流转移模块的两端。11.根据一些实施例，所述电流转移模块包括：电容、电感、分闸晶闸管及其反并联二极管、合闸晶闸管；所述电容、所述电感和所述分闸晶闸管串联后再与所述合闸晶闸管并联，所述分闸晶闸管的阴极和所述合闸晶闸管的阳极指向所述二极管桥式模块的所述上桥臂。12.根据一些实施例，所述辅助模块包括：充电电阻；或13.充电电阻和续流二极管，所述充电电阻和续流二极管并联连接，所述续流二极管阴极指向所述二极管桥式模块的所述下桥臂；或14.充电电阻、续流电组和续流二极管，所述充电电阻和所述续流二极管并联连接后再与所述续流电阻串联连接，所述续流二极管阴极指向所述二极管桥式模块的所述下桥臂；或15.充电电阻、续流电阻和续流二极管，所述续流电阻和所述续流二极管串联连接后再与所述充电电阻并联连接，所述续流二极管阴极指向所述二极管桥式模块的所述下桥臂。16.根据一些实施例，所述通流开关包括至少一个相互串联的机械开关；所述机械开关包括电磁斥力快速开关、高弧压快速开关、液态金属开关、超导限流器中的一种或多种。17.根据一些实施例，所述二极管桥式模块的每个桥臂包括至少一个相互串联的二极管。18.根据一些实施例，所述分闸晶闸管及其反并联二极管包括至少一个相互串联的晶闸管及其反并联二极管；所述合闸晶闸管包括至少一个相互串联的晶闸管。19.根据一些实施例，所述续流二极管包括至少一个相互串联的二极管。20.根据本发明的另一方面，提出一种双向直流断路器的控制方法，所述方法包括：前面任意一项所述的双向直流断路器；利用所述双向直流断路器实现跳闸指令与合闸指令。21.当所述双向直流断路器处于合位收到跳闸指令后，所述双向直流断路器的控制方法执行以下操作：22.第一步：分断通流开关；23.第二步：待通流开关达到绝缘位置后，同时触发合闸晶闸管和分闸晶闸管。24.根据一些实施例，当所述双向直流断路器处于分位收到合闸指令后，所述双向直流断路器的控制方法执行以下操作：25.第一步：触发所述合闸晶闸管导通；26.第二步：若未合于故障，则闭合所述通流开关；若合于故障，则触发所述分闸晶闸管导通。27.本发明提供的技术方案具有以下有益效果：28.根据示例实施例，双向直流断路器继承了现有直流断路器的通流损耗小、双向电流开断和分断速度快的优点，lc振荡回路通过系统自取能、无外部预充电电源，且电流开断后电容电压极性保持不变、有利于快速重合闸操作。29.根据示例实施例，双向直流断路器可通过可靠性更高的续流电阻进行系统故障电流耗散，可靠性高。30.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。附图说明31.通过参照附图详细描述其示例实施例，本发明的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。32.图1示出根据本发明示例实施例的双向直流断路器的第一实施例。33.图2示出根据本发明示例实施例的双向直流断路器的第二实施例。34.图3a示出根据本发明示例实施例的双向直流断路器的辅助模块第一实施例。35.图3b示出根据本发明示例实施例的双向直流断路器的辅助模块第二实施例。36.图3c示出根据本发明示例实施例的双向直流断路器的辅助模块第三实施例。37.图3d示出根据本发明示例实施例的双向直流断路器的辅助模块第四实施例。38.图4示出根据本发明示例实施例的双向直流断路器的控制方法流程图。39.图5示出根据本发明示例实施例的双向直流断路器的电容的取能路径图。40.图6示出根据本发明示例实施例的双向直流断路器及其控制方法在跳闸时的工作方式。41.图7示出根据本发明示例实施例的双向直流断路器及其控制方法在跳闸时的工作方式。42.图8示出根据本发明示例实施例的双向直流断路器及其控制方法在跳闸时的工作方式。43.图9示出根据本发明示例实施例的双向直流断路器及其控制方法在跳闸时的工作方式。44.图10a、10b示出根据本发明示例实施例的双向直流断路器及其控制方法在跳闸时的工作方式。具体实施方式45.现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本发明将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。46.本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的所有对位置关系的描述均为根据电路图设计所描述的电路连接关系，并非物理位置关系。47.具备相同代号的结构可表示为同一型号的结构，也可表示为具有同样功能的不同型号的结构。电路符号相同的结构所具有的不同代号仅起区分位置分布的作用，其型号可相同也可不同。48.一些常规电路器件如电容、二极管等在本文中不另起代称，所述的电容、二极管等仅代表是相同的一类产品，其具体型号、参数等可相同也可不同。本文所述的同向、反向，均为按照晶闸管或二极管的朝向而定义。本文所述相同指电路结构相同，其器件型号可不同。49.以下将结合附图及具体实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。50.快速直流断路器是保证直流输配电系统和直流电网安全稳定可靠运行的关键设备之一。与交流系统不同的是，直流系统的电流不存在自然过零点，形成断口之后电弧无法熄灭。目前对直流断路器的研究所面临的主要问题为如何提升其开断速度与开断能力。51.混合式直流断路器需要大量的器件进行串并联提高开断能力，但该方法价格昂贵；机械式直流断路器采用快速机械开关和lc振荡回路相结合的技术，需要为储能电容配置大容量充电电源，以满足快速充电的需求，此方法设备复杂、可靠性低。52.混合式直流断路器和机械式直流断路器对避雷器的容量需求较大，而大容量的避雷器需要大量的避雷器阀片串并联，一定程度降低了设备可靠性和安全性。53.因此本发明提出一种双向直流断路器及其控制方法，实现通流损耗小、双向电流开断和分断速度快，同时lc振荡回路可通过系统自取能、无需外部预充电电源，电流开断后电容电压极性保持不变，有利于快速重合闸操作。且采用续流电阻，提升可靠性。54.图1示出根据本发明示例实施例的双向直流断路器的第一实施例。55.参见图1，示例实施例的双向直流断路器包括通流开关110、耗能电阻120、二极管桥式模块、电流转移模块140和辅助模块150。56.如图1所示，所述二极管桥式模块并联于所述通流开关110的两端；所述电流转移模块140连接于所述二极管桥式模块的上桥臂和下桥臂之间；所述辅助模块150连接于所述二极管桥式模块的所述下桥臂1304和大地之间。57.根据一些实施例，双向直流断路器可实现对来自不同方向的电流进行开断。即双向电流开断。58.根据一些实施例，所述通流开关110包括至少一个相互串联的机械开关。所述机械开关包括电磁斥力快速开关、高弧压快速开关、液态金属开关、超导限流器中的一种或多种。59.根据一些实施例，所述二极管桥式模块的每个桥臂(1301、1302) 包括至少一个相互串联的二极管d1。每个桥臂(1301、1302)内串联的二极管d1的数量与型号可相同也可不同。每个桥臂(1301、1302) 内串联的二极管d1为同向串联，且桥臂1301内串联的二极管d1与桥臂1302内串联的二极管d1朝向相对。多器件串联分压可降低单个器件的损耗。60.根据一些实施例，所述电流转移模块140包括：电容c、电感l、分闸晶闸管q1及其反并联二极管d、合闸晶闸管q2；所述电容c、所述电感l和所述分闸晶闸管q1串联后再与所述合闸晶闸管q2并联，所述分闸晶闸管q1的阴极和所述合闸晶闸管q2的阳极指向所述二极管桥式模块的所述上桥臂1303。61.根据一些实施例，分闸晶闸管q1的反并联二极管d1可起到吸收晶闸管关断时线路产生的反向自感电压的作用。电感l与电容c用于形成谐振电路从而将电流从通流开关110所在支路转入分断支路即二极管桥式模块、电流转移模块140等所在支路。其具体工作流程详见下文对控制方法的描述。62.根据一些实施例，所述分闸晶闸管q1及其反并联二极管d包括至少一个相互串联的晶闸管及其反并联二极管；所述合闸晶闸管q2 包括至少一个相互串联的晶闸管。即图例实施例所示的分闸晶闸管q1及其反并联二极管d为多个反并联二极管与相互串联的晶闸管的集合，其中每个串联的晶闸管均反向并联一个反并联二极管；图例实施例所示的合闸晶闸管q2为多个相互串联的晶闸管的集合。反并联二极管、晶闸管的数量与型号可根据实际工程需求而设计。多器件串联分压可降低单个器件的电压应力。63.图2示出根据本发明示例实施例的双向直流断路器的第二实施例。64.如图1、图2所示，根据一些实施例，所述耗能电阻120并联于所述通流开关110的两端；或并联于所述电流转移模块140的两端。耗能电阻120起消耗能量的作用，其数量与类型可根据实际工程需求而设计。65.图3a示出根据本发明示例实施例的双向直流断路器的辅助模块第一实施例。66.如图3a所示，根据一些实施例，所述辅助模块150可包括：充电电阻r1。67.图3b示出根据本发明示例实施例的双向直流断路器的辅助模块第二实施例。68.如图3b所示，根据一些实施例，所述辅助模块150或可包括：充电电阻r1和续流二极管d2，所述充电电阻r1和续流二极管d2并联连接，所述续流二极管d2阴极指向所述二极管桥式模块的所述下桥臂。69.图3c示出根据本发明示例实施例的双向直流断路器的辅助模块第三实施例。70.如图3c所示，根据一些实施例，所述辅助模块150或可包括：充电电阻r1、续流电组r2和续流二极管d2，所述充电电阻r1和所述续流二极管d2并联连接后再与所述续流电阻r2串联连接，所述续流二极管d2阴极指向所述二极管桥式模块的所述下桥臂。71.图3d示出根据本发明示例实施例的双向直流断路器的辅助模块第四实施例。72.如图3d所示，根据一些实施例，所述辅助模块150或可包括：充电电阻r1、续流电阻r2和续流二极管d2，所述续流电阻r2和所述续流二极管d2串联连接后再与所述充电电阻r1并联连接，所述续流二极管d2阴极指向所述二极管桥式模块的所述下桥臂。73.如图3a、图3b、图3c、图3d所示，根据一些实施例，实际工程实施过程中，充电电阻r1阻值大于续流电阻阻值r2，充电电阻r1 功率小于续流电阻r2功率。充电电阻r1为在后续过程中给电容充电时起到限制充电电流的作用，可相当于电容的内阻。续流电阻r2与续流二极管d2构成续流电路，可起到释放电路中储存的能量，提升可靠性。74.根据一些实施例，所述续流二极管d2包括至少一个相互串联的二极管。即图例实施例所示的续流二极管d2为多个相互串联的二极管的集合。其中二极管的数量与型号可根据实际工程需求而设计。多器件串联分压可降低单个器件的电压应力。75.图4示出根据本发明示例实施例的双向直流断路器的控制方法流程图。76.参见图4，双向直流断路器的控制方法用于控制所述双向直流断路器实现跳闸指令与合闸指令。77.如图4a所示，在s11，当直流断路器处于合位收到跳闸指令后，执行以下操作：78.在s12，第一步：分断通流开关；79.在s13，第二步：待通流开关达到绝缘位置后，同时触发合闸晶闸管和分闸晶闸管。80.根据一些实施例，电容和电感组成振荡回路，强迫电流向分断支路即二极管桥式模块、电流转移模块等所在支路转移。电容放电，放电电流方向与通流支路即通流开关所在支路中的电流的方向相反，从而使通流开关的电流快速减少直到电流过零，从而达到分断的目的。81.如图4b所示，在s21，当所述双向直流断路器处于分位收到合闸指令后，所述双向直流断路器的控制方法执行以下操作：82.在s22，第一步：触发所述合闸晶闸管导通；83.在s23，第二步：若未合于故障，则闭合所述通流开关；若合于故障，则触发所述分闸晶闸管导通。84.合闸步骤简单且有安全保障，同理可实现快速重合闸。85.图5示出根据本发明示例实施例的双向直流断路器的电容的取能路径图。86.如图4a、图5所示，在步骤s11之前，电容c初始从系统取能，电压为正压，取能路径为：二极管桥式模块上桥臂1303二极管d1、分闸晶闸管q1的反并联二极管d、电容c、电感l、充电电阻r1。其中电流i的方向与电容c的正负极如图5所示。电容c从电路取能，无外部预充电电源。87.图6示出根据本发明示例实施例的双向直流断路器及其控制方法在跳闸时的工作方式。88.如图4a、图6所示，在步骤s13之后，即当合闸晶闸管q2和分闸晶闸管q1触发后，电容c首先通过电感l、合闸晶闸管q2和分闸晶闸管q1放电。其中电流i的方向与电容c的正负极如图6所示。89.图7a、7b示出根据本发明示例实施例的双向直流断路器及其控制方法在跳闸时的工作方式。90.如图7a、7b所示，在上述步骤之后，电容c继续放电使得其电压极性由正压变为负压。电容c在通流开关110弧压的钳位下,电容 c通过分闸晶闸管q1的反并联二极管d、电感l和二极管桥式模块向通流开关110注入反向电流i。其中电流i的方向与电容c的正负极如图7所示。91.图8示出根据本发明示例实施例的双向直流断路器及其控制方法在跳闸时的工作方式。92.如图8所示，在上述步骤之后，通流开关110电流过零熄灭后，电容的电压极性为负压，电容c继续通过电感l、分闸晶闸管q1的反并联二极管d和二极管桥式模块放电。其中电流i的方向与电容c 的正负极如图8所示。93.图9示出根据本发明示例实施例的双向直流断路器及其控制方法在跳闸时的工作方式。94.如图9所示，在上述步骤之后，当电容c的电压极性再次变为正压后系统电流i通过电感l、分闸晶闸管q1的反并联二极管d和二极管桥式模块向电容c充电。其中电流i的方向与电容c的正负极如图9所示。95.图10a、10b示出根据本发明示例实施例的双向直流断路器及其控制方法在跳闸时的工作方式。96.如图10a、10b所示，在上述步骤之后，当电容c电压超过耗能电阻120的动作电压时，系统电流i转移至耗能电阻120进行耗散、系统电流i逐渐降为零，分闸结束。其中电流i的方向与电容c的正负极如图10a、10b所示。整个分闸过程结束后电容仍为正压，有利于快速重合闸操作。97.如前述图4b、图6-图10所示，根据一些实施例，在步骤s23，若未合于故障，则闭合通流开关，合闸结束；若合于故障，则触发分闸晶闸管导通进行再次分闸。再次分闸过程中，重复进行上述图6‑ꢀ图10所涉及的步骤，即电容首先通过电感、合闸晶闸管和分闸晶闸管放电、并将电压极性由正压变为负压；然后电容负压通过分闸晶闸管的反并联二极管、电感向合闸晶闸管注入反向电流；当合闸晶闸管电流过零关断后，电容负压继续通过电感、分闸晶闸管的反并联二极管和二极管桥式模块放电，当电容电压极性再次变为正压后系统电流通过电感、分闸晶闸管的反并联二极管和二极管桥式模块向电容充电，当电容电压超过耗能电阻动作电压时，系统电流转移至耗能电阻进行耗散、系统电流逐渐降为零，再次分闸结束。98.整个合于故障再次分闸过程结束后电容仍为正压，有利于多次连续快速重合闸操作。99.应注意，图例实施例只是提出设计的一部分可能性，即电路结构不限于此。图例实施例仅为根据各电路器件的原理而设计的电路结构，以上所涉及的电路器件的参数、型号等为根据实际工程情况而设计。100.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技术后，参照上述实施例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。









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