基于模块串联的高压直流真空断路器自具电源拓扑.pdf

1、(10)申请公布号 CN 104242652 A (43)申请公布日 2014.12.24 CN 104242652 A (21)申请号 201410476116.2 (22)申请日 2014.09.17 H02M 3/16(2006.01) (71)申请人 大连工业大学 地址 116034 辽宁省大连市甘井子区轻工苑 1 号 (72)发明人 邹积岩 张海传 刘晓明 董文亮 (74)专利代理机构 大连智慧专利事务所 21215 代理人 周志舰 (54) 发明名称 基于模块串联的高压直流真空断路器自具电 源拓扑 (57) 摘要 本发明公开了一种基于模块串联的高压直流 真空断路器自具电源拓扑， 属

2、于电力高压开关领 域， 断路器由若干直流真空断路器模块串联组成， 每个模块包括两路联动真空开关和由转移电容器 与回路电感器组成的转移回路， 以及配合使用的 充电回路。充电回路包括每个模块上附加的限流 电阻器 RC、 充电 IGBT 开关、 充电总线 IGBT 开关和 整体电源分压电容器C0、 控制器K。 每个模块涉及 的主要元件为主回路开关 CB1， 转移回路投入开 关CB2， 转移电容器C与电感器L， 由自具电源控制 器 K 对各模块实施分步自具充电， 可实现其电参 数的最佳配合， 解决了串联模块各转移电容器充 电电路成本高、 可靠性差的问题。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说

3、明书 3 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图1页 (10)申请公布号 CN 104242652 A CN 104242652 A 1/1 页 2 1. 一种基于模块串联的高压直流真空断路器自具电源拓扑， 其特征在于， 由 n 个直流 真空断路器模块串联组成， 每一所述模块包括一个模块本体和一个充电回路 ； 所述模块本体由依次串联成回路的主回路开关 CB1、 转移回路投入开关 CB2、 转移电容 器 C 与转移电感器 L 组成 ； 所述充电回路包括一个限流电阻 Rc、 一个充电 IGBT 开关 In1、 一个充电总线 I

4、GBT 开关 In2， n对应取值1、 2、 3至模块数 ； 其中， 每一模块的所述充电IGBT开关In1与所述限流 电阻 Rc 串联后， 一端接于所述模块本体中所述转移回路投入开关 CB2 和 CL 的节点上， 另 一端接于与所述充电 IGBT 开关 In1 对应的所述充电总线 IGBT 开关 In2 的充电节点 ； 控制器K分别连接各个所述充电IGBT开关In1和充电总线IGBT开关In2， 用于启闭控 制 ； 系统供电电源依次由各个所述模块的主回路开关 CB1 串联， 用于负载 Rload供电控制 ； 各个模块所述充电总线 IGBT 开关 In2 依次串联组成充电总线， 其中， 第一个模

5、块的充 电总线IGBT开关I12充电节点和系统地之间连接了断路器分压电容器C0， 用于保持充电总 线的电位。 2. 根据权利要求 1 所述基于模块串联的高压直流真空断路器自具电源拓扑， 其特征在 于， 电源拓扑结构的动作顺序是 ： 在待机状态， 各主回路开关 CB1 处于断开状态、 各转移回路投入开关 CB2 处于闭合状 态， 各模块所述充电 IGBT 开关 In1 和充电总线开关 In2 处于关断状态， 转移电容器 C 处于 充电完毕状态 ； 当断路器接到关合指令时， 各模块所述主回路开关 CB1 闭合、 所述转移回路投入开关 CB2 断开 ； 第一个模块的充电 IGBT 开关 I11 接通

6、， 所述分压电容器 C0 补充到额定电压， 补 充第一个模块中的转移电容器 C， 使之电压波动小于等于设定值 ； 关断第一个模块的充电 IGBT 开关 I11 ； 之后， 接通所述充电总线的所有充电总线 IGBT 开关 In2， 按一定频率依次接通各模块 的所述充电 IGBT 开关 I21， I31，In1， 依次补充各模块中的所述转移电容器 C， 使之电压 波动小于等于设定值之后， 关闭相应的所述充电 IGBT 开关， 直至关闭第 n 个模块的所述充 电 IGBT 开关 In1 ； 循环上述各个模块中所述转移电容器 C 的充电过程。 3. 根据权利要求 1 或 2 所述基于模块串联的高压直流

7、真空断路器自具电源拓扑， 其特 征在于， 所述转移电容器C为100F到300F， 所述分压电容器C0的容量为所述转移电容 器 C 的 n 分之一， 范围在 10F 到 50F， n 为串联模块数， 取值为 3 30 ； 所述转移电感器 L 为 0.1mH 到 300mH， 充电电阻为 30k 到 300k ； 直流真空断路器模 块的工作电压在 3kV 到 30kV ； 充电 IGBT 开关、 充电总线 IGBT 开关参数为 ： 10kV 到 30kV， 可由额定电压为 3.3kV 的 IGBT 阀片串联。 权 利 要 求 书 CN 104242652 A 2 1/3 页 3 基于模块串联的高压

8、直流真空断路器自具电源拓扑 技术领域 0001 本发明涉及电力高压开关领域， 更具体地说， 涉及一种基于模块串联的高压直流 真空断路器自具电源拓扑结构。 背景技术 0002 在高压直流 (HVDC) 输电工程中， 直流断路器是保证系统安全运行的重要设备之 一， 它具有关合和开断电路、 改变系统的连接方式和拓扑结构以及分断故障电流的功能， 承 担着控制和保护的双重任务。 而到目前为止， 对于高压直流系统， 基于电流转移原理的直流 真空断路器是最可行的方案之一， 即利用预充电电容器向主回路真空开关提供反向放电， 构造电流零点为断口熄弧创造条件。 直流真空断路器向高电压等级发展必须依靠模块串联 来解

9、决， 其技术瓶颈是串联模块中的转移电容器充电代价极高， 原模块的转移电容器独立 充电系统， 有结构复杂， 成本高， 可靠性差等缺陷， 限制了这种断路器向高电压等级发展。 发明内容 0003 本发明的目的是提出一种基于模块串联的高压直流真空断路器自具电源拓扑， 用 于断路器运行中为各串联模块中的电容器补充能量， 使之保持一定的电压值， 以便断路器 分断操作时为主开关提供反向电流， 从而解决现有技术的瓶颈。 0004 为了达到上述目的， 本发明提供了一种基于模块串联的高压直流真空断路器自具 电源拓扑， 由 n 个直流真空断路器模块串联组成， 每一所述模块包括一个模块本体和一个 充电回路。所述模块本

10、体由依次串联成回路的主回路开关 CB1、 转移回路投入开关 CB2、 转 移电容器 C 与转移电感器 L 组成。所述充电回路包括一个限流电阻 Rc、 一个充电 IGBT 开关 In1、 一个充电总线IGBT开关In2， n对应取值1、 2、 3至模块数 ； 其中， 每一模块的所述充 电 IGBT 开关 In1 与所述限流电阻 Rc 串联后， 一端接于所述模块本体中所述转移回路投入 开关CB2和CL的节点上， 另一端接于与所述充电IGBT开关In1对应的所述充电总线IGBT 开关 In2 的充电节点。控制器 K 分别连接各个所述充电 IGBT 开关 In1 和充电总线 IGBT 开 关 In2，

11、 用于启闭控制。系统供电电源依次由各个所述模块的主回路开关 CB1 串联， 用于负 载 Rload供电控制。各个模块所述充电总线 IGBT 开关 In2 依次串联组成充电总线， 其中， 第 一个模块的充电总线IGBT开关I12充电节点和系统地之间连接了断路器分压电容器C0， 用 于保持充电总线的电位。 0005 上述电源拓扑结构的动作顺序是 ： 在待机状态， 各主回路开关 CB1 处于断开状态、 各转移回路投入开关 CB2 处于闭合状态， 各模块所述充电 IGBT 开关 In1 和充电总线开关 In2 处于关断状态， 转移电容器 C 处于充电完毕状态。当断路器接到关合指令时， 各模块所 述主回

12、路开关CB1闭合、 所述转移回路投入开关CB2断开 ； 第一个模块的充电IGBT开关I11 接通， 所述分压电容器 C0 补充到额定电压， 补充第一个模块中的转移电容器 C， 使之电压波 动小于等于设定值 ； 关断第一个模块的充电 IGBT 开关 I11。之后， 接通所述充电总线的所 有充电总线 IGBT 开关 In2， 按一定频率依次接通各模块的所述充电 IGBT 开关 I21， I31， 说 明 书 CN 104242652 A 3 2/3 页 4 In1， 依次补充各模块中的所述转移电容器 C， 使之电压波动小于等于设定值之后， 关闭相应 的所述充电 IGBT 开关， 直至关闭第 n 个

13、模块的所述充电 IGBT 开关 In1。循环上述各个模块 中所述转移电容器 C 的充电过程。 0006 优选方式下， 所述转移电容器 C 为 100F 到 300F， 所述分压电容器 C0 的容量 为所述转移电容器 C 的 n 分之一， 范围在 10F 到 50F， n 为串联模块数， 取值为 3 30。 所述转移电感器 L 为 0.1mH 到 300mH， 充电电阻为 30k 到 300k ； 直流真空断路器模块的 工作电压在 3kV 到 30kV。充电 IGBT 开关、 充电总线 IGBT 开关参数为 ： 10kV 到 30kV， 可由 额定电压为 3.3kV 的 IGBT 阀片串联。 0

14、007 本发明基于模块串联的高压直流真空断路器自具电源拓扑， 属于电力高压开关领 域， 由每个模块上附加的一个电阻器 RC、 二个 IGBT 开关 In1、 In2 和整体一个电容器 C0、 一 个控制器 K 组成。每个模块涉及元件为主回路开关 CB1， 转移回路投入开关 CB2， 转移电容 器 C 与电感器 L。由控制器 K 对各模块实施分步自具充电， 可实现其电参数的最佳配合， 解 决了串联模块各转移电容器充电电路成本高、 可靠性差的问题。 0008 本发明的有益效果是解决了串联高压直流真空断路器模块各转移电容器充电电 路成本高、 可靠性差的问题， 实现了转移电容器的自具充电， 各模块分步

15、充电， 实现其电参 数的最佳配合。 该技术涉及的串联高压直流断路器模块的自具电源拓扑， 结构简单、 运行可 靠、 成本低， 且有益于实现高压直流真空开关智能化控制。 附图说明 0009 图 1 为本发明的基于模块串联的高压直流真空断路器自具电源的电路框图。 0010 图 2 为本发明拓扑在断路器关合状态下的等效电路图。 0011 图 3 为本发明拓扑在断路器分断状态下的等效电路图。 0012 图中， CB1， CB2， 为每个模块中的两路联动真空开关， 第一联动开关 CB1 为主回路 开关， 是常闭开关 ； 第二联动开关 CB2 为转移回路投入开关 ； 转移电容器 C 和转移电感器 L 组成转

16、移回路， Rc 为限流电阻器 ； C0 为断路器分压电容器， In1 为模块充电 IGBT 开关， In2 为充电总线开关， K 为系统控制器， Rload为负载等效电阻。 具体实施方式 0013 本发明的模块串联的高压直流真空断路器自具电源拓扑结构， 断路器由若干直流 真空断路器模块串联组成， 每个模块有两路联动真空开关， 转移电容器与回路电感器组成 的转移回路以及由限流电阻器、 充电 IGBT 开关、 充电总线 IGBT 开关组成的充电回路 ； 每个 模块还附加了一个电阻器 Rc， 以及整个电源拓扑结构设置的一个电容器 C0、 一个控制器 K 组成。每个模块本体涉及的主要元件为主回路开关

17、CB1， 转移回路投入开关 CB2， 转移电容 器 C 与电感器 L。由控制器 K 对模块实施分步充电， 并完成各模块及 IGBT 的通讯与控制， 从而使各模块中的电参数达到最佳配合， 经系统分压电容器和模块分步充电控制器完成串 联模块的自具电源功能。具体说， 连接到转移回路上的模块充电开关 (IGBT)In1 与充电电 阻 RC 串联后接于由开关 In2 组成的充电总线相应节点上， 由控制器给各 IGBT 指令完成各 模块依次分步充电， 并完成到各模块及 IGBT 的通讯与控制。 0014 下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步阐述。 说 明 书 CN 104242652 A 4 3/3

18、 页 5 0015 如图1所示， 断路器由n个直流真空断路器模块串联组成， 每一所述模块包括一个 模块本体和一个充电回路。 所述模块本体由依次串联成回路的主回路开关CB1、 转移回路投 入开关 CB2、 转移电容器 C 与转移电感器 L 组成。所述充电回路包括一个限流电阻 Rc、 一个 充电 IGBT 开关 In1、 一个充电总线 IGBT 开关 In2， n 对应取值 1、 2、 3至模块数 ； 其中， 每 一模块的所述充电 IGBT 开关 In1 与所述限流电阻 Rc 串联后， 一端接于所述模块本体中所 述转移回路投入开关 CB2 和 CL 的节点上， 另一端接于与所述充电 IGBT 开关

19、 In1 对应的所 述充电总线 IGBT 开关 In2 的充电节点。控制器 K 分别连接各个所述充电 IGBT 开关 In1 和 充电总线 IGBT 开关 In2， 用于启闭控制。系统供电电源依次由各个所述模块的主回路开关 CB1 串联， 用于负载 Rload供电控制。各个模块所述充电总线 IGBT 开关 In2 依次串联组成充 电总线， 其中， 第一个模块的充电总线 IGBT 开关 I12 充电节点和系统地之间连接了断路器 分压电容器 C0， 用于保持充电总线的电位。 0016 转移电感器L、 转移电容器C、 转移回路投入开关CB2依次串联后与主回路开关CB1 并联， 形成基本直流开断模块

20、； 模块充电开关(IGBT)In1与充电电阻Rc串联后， 一端接于转 移开关 CB2 和转移回路 CL 的节点上， 另一端接于由开关 In2 组成的充电总线相应节点上。 其等效电路， 如图 2 和图 3 所示。 0017 本发明断路器的具体动作机理是 ： 在断路器待机状态(分断状态)， CB2闭合， 所有 充电开关 In1 和充电总线开关 In2 处于关断状态， C 处于充电完毕状态。当断路器接到关 合指令时， 各模块的 CB1 合、 CB2 分， I11 接通， C0 补充到额定电压， 补充模块 1 的 C 中电荷， 使之电压波动不大于设定值 ； 关断 I11, 接通充电总线各开关 I12，

21、 I22,I32,In2 ； 按一定 频率依次接通 I21, 保证模块 2 的 C 上的电压波动不大于设定值， 关闭 I21 ； 接通 I31， 补充 模块 3 的 C 中电荷后关闭 I31,直到关闭 In1 ； 进入下一个各模块的 C 中电荷补充循环。 0018 当断路器接到分断指令时， 关断所有 IGBT， 同时分各模块的 CB1， 延时 1ms 闭合 CB2， 再经主回路开关 CB1 燃弧时间、 电流过零后完成断路器分断过程， 回到待机状态。控制 器 K 由工控机实现并由光纤完成到各模块及 IGBT 的通讯与控制。由于模块实施分步充电， 即简化了断路器分压电容器系统， 还能使各模块中的电

22、参数达到最佳配合。 0019 本发明的实施例是基于模块串联的高压直流真空断路器自具电源的实现， 图 1 所 用系统参数为 ： 系统直流额定电压 110kV， 由 8 个额定电压 15kV 直流真空开关模块串联 实现， 额定故障分断电流 10kA， 转移电容器 C 为 140F/20kV, 电感器 L 为 0.14mH/20kV， 充电电阻 RC 为 30k/50W， 充电电容器 C0:150kV/21F ； 各 IGBT 参数为 ： 20kV(3.3kVX6 串 )/100A。 0020 以上所述， 仅为本发明较佳的具体实施方式， 但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内， 根据本发明的技术方案及其 发明构思加以等同替换或改变， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。 说 明 书 CN 104242652 A 5 1/1 页 6 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 104242652 A 6