一种基于真空触发开关和超导限流的高压直流断路器及工作方法与流程

1.本发明涉及超导应用与直流开断技术领域，具体涉及一种基于真空触发开关和超导限流的高压直流断路器及其工作方法。


背景技术：

2.直流输电功率调配灵活、供电量大、线路损耗小，发展直流电网对大规模电能的远距离输送、可再生分布式能源接入、提高电能稳定性具有重要意义。然而，直流开断技术是高压直流系统应用推广的关键难题。首先，交流电流存在自然零点，电流过零时刻电路向开关断口注入的能量几乎为零，易于电路分断。不同于交流电流，直流电流无自然过零点，无法借助电流自然零点分断电路。其次，高压直流系统中短路故障电流上升率高，可达几千安每毫秒，高压直流断路器需要在几个毫秒内可靠开断十余千安的直流短路电流。最后，在直流系统开断过程中，高压直流断路器还需要吸收系统存储在电感中的能量，总量在几个兆焦到几十兆焦不等。
3.目前高压直流断路器可分为混合式断路器和机械式断路器两类。机械式直流断路器通过辅助支路制造人工过零点实现电路开断，结构简单，但开断时间长，难以满足系统重合闸需求，开断额定电流等小电流十分困难。混合式断路器利用机械开关导通正常负荷电流，以全控型功率半导体器件作为主开关元件来实现回路的接通和分断，混合式断路器故障电流分断速度极快，可实现全范围电流开断。但受半导体开关器件遮断容量、耐压的限制，在高电压、大电流场合往往需要大量器件串、并联使用，器件散热、均压均流系统等辅助系统十分复杂，造价及其高昂，500kv混合式高压直流断路器单台造价可达1亿。此外，混合式高压直流断路器中故障电流由主支路向开断支路迅速转移换流技术是其关键技术之一，主要分为强迫换流和自然换流两种。强迫环流中主支路串联电力电子器件，利用电力电子器件快速关断主支路电流，实现电流快速转移，换流速度可靠迅速，但是正常通流时存在较大的导通损耗；自然换流利用主支路机械开关较高的电弧电压实现故障电流的自然转移，换流速度较慢但无通态损耗，长期运行损耗小，目前尚缺乏兼具低导通损耗与高换流速度的换流技术。
4.中国专利申请一种超导限流混合式直流断路器及工作过程，公开号：cn109617007a。该专利中主电流支路由超导限流器和快速隔离开关组成，超导限流器起电流转移作用，故障时将电流转移至电流转移支路，即电感和半导体器件所在支路，吸能支路由避雷器组成。上述专利中超导限流器只是起到快速电流转移的作用，限流作用由串联在半导体支路上的电感完成。该电感只能限制短路电流上升率而不能限制短路电流幅值，同时对快速电流转移起阻碍作用。因此，上述专利主要存在一下问题：首先，电力电子器件需要承受系统电压，在高电压等级应用场景中需要众多器件串联。其次，超导限流器仅仅起到电流转移的作用，在电力电子器件支路上并无实际限流作用，在大容量开断场景下需要众多的电力电子器件并联以承受较高的短路电流。最后，吸能支路仍然采用传统的避雷器，避
雷器阀片并联成组工艺复杂，匹配精度要求要求高，增加了设备制造难度，降低了设备可靠性。。
5.中国专利申请一种高压超导限流直流断路器的开断方法，公开号：cn103633631a。该专利中保护了一种利用超导限流器限制高压直流系统短路电流幅值的方法，超导限流器所起作用仅仅是限制故障电流幅值。吸能支路仍然采用传统避雷器阀组，并联成组工艺复杂，匹配精度要求要求高，增加了设备制造难度，降低了设备可靠性。


技术实现要素：

6.为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于真空触发开关和超导限流的高压直流断路器及其工作方法，将真空触发开关和超导限流技术与半导体器件相结合，利用超导限流器的限流特性降低短路电流，减少需要并联的半导体器件个数；利用真空触发开关高耐压能力，减少因高电压场合应用所需串联的半导体器件个数，从而极大降低高压直流断路器的体积和成本。同时借助真空触发开关和超导限流器的快速响应特性，保留混合式断路器快速开断的优势。此外，换流阶段由超导失超电阻帮助机械开关实现快速自然换流，无固态器件串联在主支路，保证快速换流的同时大大降低了通态损耗。
7.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案实现：
8.一种基于真空触发开关和超导限流的高压直流断路器，其特征在于：由主通流支路、开断支路、和新型能量吸收支路组成；所述主通流支路由超导限流组分sfcl1、超导转移组分sfcl2和快速开关s1串联组成，所述开断支路由第一真空触发开关vts1和并联缓冲吸收回路的双向全控型igbt组串联组成，所述新型能量吸收支路由第二真空触发开关vts2和非线性电阻r组成；其中，开断支路与主通流支路的超导转移组分sfcl2和快速开关s1并联，新型能量吸收支路与主通流支路并联。
9.所述超导限流组分sfcl1为电阻型超导限流器、饱和铁芯型超导限流器、变压器型超导限流器或桥路型超导限流器。
10.所述超导转移组分sfcl2为电阻型超导限流器。
11.所述快速开关s1为快速斥力真空、气体开关或液氮开关。
12.所述第一真空触发开关vts1和第二真空触发开关vts2采用激光触发真空开关或脉冲电压触发开关，或在高电压场合由多个触发开关串联使用，以提升耐压能力。
13.所述的一种基于真空触发开关和超导限流的高压直流断路器的工作方法，包括如下步骤：
14.步骤1：正常运行时电流流过主通流支路，超导限流组分sfcl1、超导转移组分sfcl2为零阻态，快速开关s1处于导通状态；第一真空触发开关vts1、第二真空触发开关vts2和并联缓冲吸收回路的双向全控型igbt组未导通；
15.步骤2：发生短路故障时，超导限流组分sfcl1和超导转移组分sfcl2迅速失超，响应并限制故障电流，同时快速开关s1分闸，触头间产生电弧；
16.步骤3：快速开关s1分闸后，触发导通第一真空触发开关vts1和并联缓冲吸收回路的双向全控型igbt组，电流在超导转移组分sfcl2较高的失超电压下自然换流到包含第一真空触发开关vts1的开断支路，超导转移组分sfcl2中的电流与快速开关s1中的电流过零，电弧熄灭，电流完全流至开断支路；
17.步骤4：并有缓冲吸收回路的双向全控型igbt组关断，第一真空触发开关vts1内电流自然过零，电弧自动熄灭，同时产生线路过电压，第一真空触发开关vts1与缓冲吸收回路均压，双向全控型igbt组无需承受系统电压；
18.步骤5：开断瞬间触发导通第二真空触发开关vts2，此时电流流经第二真空触发开关vts2与非线性电阻r，存储在系统电感中的能量泄放在非线性电阻r中，能量泻放完毕后非线性电阻r恢复高阻态，电流过零，第二真空触发开关vts2内电弧自动熄灭，完成整个开断过程。
19.与现有技术比，本发明达到的效果是：
20.相比于专利cn109617007a和cn103633631a，本专利中超导限流器分为主限流组分sfcl1和限流转移组分sfcl2，既起到限制故障电流幅值的作用，也起到快速转移故障电流的作用，并且，在不增加sfcl成本和线圈长度等的前提下，故障电流限流与快速转移可以同时实现。此外，转移支路中电力电子器件与真空触发开关串联均压，电力电子器件无需承担系统电压，电力电子器件串联需求大幅度降低。保留快速开断全范围电流的优势的同时大幅度降低制造成本的同时。最后，本专利的新型吸能支路由真空触发开关与非线性电阻组成，非线性电阻结构简单，制造便捷，无需大量单元串并联，降低了各单元的匹配精度要求，降低了设备制造复杂度，提高了设备可靠性。
附图说明
21.图1为本发明一种基于真空触发开关和超导限流的高压直流断路器的拓扑结构图。
22.图2为本发明一种基于真空触发开关和超导限流的高压直流断路器的工作方法流程图。
23.图3为本发明一种基于真空触发开关和超导限流的高压直流断路器工作方式的状态一示意图。
24.图4为本发明一种基于真空触发开关和超导限流的高压直流断路器工作方式的状态二示意图。
25.图5为本发明一种基于真空触发开关和超导限流的高压直流断路器工作方式的状态三示意图。
26.图6为本发明一种基于真空触发开关和超导限流的高压直流断路器工作方式的状态四示意图。
27.具体实施方法
28.以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
29.如图1所示，一种基于真空触发开关和超导限流的高压直流断路器，由主通流支路、开断支路、和新型能量吸收支路组成。所述主通流支路由超导限流组分sfcl1、超导转移组分sfcl2和快速开关s1串联组成。所述开断支路由第一真空触发开关vts1和并联缓冲吸收回路的双向全控型igbt组串联组成，所述新型能量吸收支路由第二真空触发开关vts2和非线性电阻r组成。其中，开断支路与主通流支路的超导转移组分sfcl2和快速开关s1并联。新型能量吸收支路与主通流支路并联。
30.结合图2对图3、4、5、6说明如下：
31.如图3所示，正常运行时电流流过主通流支路，超导限流组分sfcl1、超导转移组分sfcl2不失超，为超导态，快速开关s1闭合，第一真空触发开关vts1和并有缓冲吸收回路的双向全控型igbt组处于断态。第二真空触发开关vts2不导通。
32.如图4所示，短路电流来临后，超导限流组分sfcl1、超导转移组分sfcl2迅速失超，响应并限制故障电流，限流深度达50％以上，响应速度为百微秒级别。同时快速开关s分闸，触头间产生电弧。
33.随后并联有缓冲吸收回路的双向全控型igbt组导通，第一真空触发开关vts1触发导通。在超导转移组分sfcl2高失超电阻特性下，电流自然换流到含有第一真空触发开关vts1的电流开断支路。如图5所示，由于并联有缓冲吸收回路的双向全控型igbt组导通压降不高，缓冲吸收回路不足以维持快速开关s1中的电弧燃烧，所以快速开关s1电弧熄灭，电流完全转移到含有第一真空触发开关vts1的电流开断支路。
34.此时的短路电流是被超导限流组分sfcl1限制了50％以上的短路电流，所需并联的双向全控型igbt数可减少50％。
35.如图6所示，并有缓冲吸收回路的双向全控型igbt组关断，切断电路。关断后第一真空触发开关vts1中电流过零，电弧熄灭，断口承受绝大部分电压，双向全控型igbt组无需承受过高电压，故所需串联的双向全控型igbt个数大大降低。此时触发吸能吸能支路中的第二真空触发开关vts2，非线性电阻开始吸收线路中的残余能量，存储在系统电感中的能量在超导限流组分sfcl1中和非线性电阻r中释放，能量释放完毕后，非线性电阻r恢复高阻态，电流过零，真空触发开关vts2自动关闭。
36.本发明通过上述工作过程，实现大幅降低高压直流断路器所需串并联半导体器件的个数，反向故障电流来临时，工作过程与以上相同，故具有双向开断功能。