CN101515710B - 基于反向电流注入法的直流限流断路装置 - Google Patents

Abstract

一种基于反向电流注入法的直流限流断路装置，包括：断路器、预充电电路、反向电流产生电路、吸收电路以及自充电电路，所述反向电流产生电路包括由第一电感和电容串联组成，两端分别连有第一和第二晶闸管的LC电路，第一晶闸管的阴极和第二晶闸管的阳极分别与LC电路中的第一电感和电容连接，第一晶闸管的阳极与断路器的a端连接，第二晶闸管的阴极与断路器的b端连接；所述自充电电路与LC电路并联；所述吸收电路与LC电路中的电容并联；所述第一晶闸管的阴极还与预充电电路的一端连接，预充电电路的另一端接地；在第一第二晶闸管之间设有第一二极管，且第二晶闸管阳极与第一二极管的阴极连接，第一晶闸管的阳极与第一二极管的阳极连接。

Description

基于反向电流注入法的直流限流断路装置

技术领域

本发明涉及一种基于反向电流注入法的直流限流断路装置，属于电力输配电装置领域。

背景技术

交流电流由于每个周期都有自然过零点，因而可以利用过零点时实现熄弧，完成开断动作。而直流电流没有过零点，为了熄弧必须添加额外的灭弧装置，使电流强迫过零来实现开断。

目前常用的直流开断方法主要有：反向电压发生法、振荡电流迭加法、以及反向电流注入法等。具体如下：

①反向电压发生法

反向电压发生法原理是在直流断路器两端并联一个固态开关，其电路原理见图2所示。

在开断直流电流时，首先把固态开关回路T1导通，然后打开直流主开关CB，此时主开关触点间产生的反向电弧电压将电流换流到T1回路，当CB触点达到一定的绝缘强度后，再由T1最终关断电流完成整个开断动作。

由图2所示的工作原理可知，换流时间的长短取决于电弧电压Uarc及杂散电感Lδ的大小，其中电弧电压受材料限制，杂散电感则取决于固态开关回路与主开关CB间的耦合程度，如果要求直流开关在最短时间内开断，则电弧电压Uarc要尽量大而杂散电感Lδ则要尽量小。

这种反向电压发生法具有结构简单，易实现等优点，但因电弧电压的限制，在高电压场合不适用。

②振荡电流迭加法

振荡电流迭加法是利用电容C和电感L串联组成谐振电路与主开关CB相并联，其结构见图3所示。

在CB打开时在触点间产生电弧，此时由C、L、CB共同构成一个振荡电路，产生的高频振荡电流12与CB的电流I1迭加，从而在CB断口中产生电流零点使电弧熄灭。

振荡电流迭加法具有结构简单，易控制的优点，是目前常用的开断方法，但从电路的分析中可知，振荡电流迭加法的开断容量较小，主要取决于电弧负阻特性造成的振荡电流I2的大小，因而不适合短路电流较大的场合。

③反向电流注入法

反向电流注入法的原理是其原理是对换流电路中的一个预充电电容放电，从而产生一个与系统电流方向相反的电流来制造“人工电流零点”，为熄灭电弧提供机会。

与以上两种直流开断法相比较，反向电流注入法采用的器件较多，控制相对复杂，但可以开断更大的电流，且开断时间极短，尤其适合一些对限流反应时间有较高要求的场合。由于换流时间在很短时间内完成，如果开断较大电流时，会产生很大的di/dt，此时只采用ZnO避雷器是不够的，需要对吸收电路进行必要的设计。

发明内容

本发明是提供一种完全符合重合闸200mS时间间隔要求的低成本的基于反向电流注入法的直流限流断路装置。

本发明采用如下技术方案：

一种基于反向电流注入法的直流限流断路装置，包括：

用于接收到外部命令跳闸合闸的断路器、用于电容直接在母线上接通的预充电电路、靠电容上充的电压产生反向电流的反向电流产生电路、防止反向电流电路工作时电容上的电压过高的吸收电路以及使电容尽快将极板上电压反向达到重合闸要求的自充电电路，所述的反向电流产生电路包括由第一电感和电容串联组成的LC电路，在LC电路的两端分别连接有第一晶闸管和第二晶闸管，且第一晶闸管的阴极与LC电路中的第一电感连接，第二晶闸管的阳极与LC电路中的电容连接，第一晶闸管的阳极与断路器的一端连接，第二晶闸管的阴极与断路器的另一端连接；所述自充电电路与LC电路并联；所述吸收电路与LC电路中的电容并联；所述第一晶闸管的阴极还与预充电电路的一端连接，预充电电路的另一端接地；在第二晶闸管与第一晶闸管之间设有第一二极管，且第二晶闸管阳极与第一二极管的阴极连接，第一晶闸管的阳极与第一二极管的阳极连接。

本发明在传统反向电流注入法的基础上，针对以下几点：1)为产生反向电流，电容上必须加上初始电压VC；2)开断过程中必须采取一定措施来消除系统电感的影响，避免过电压；3)需要满足限流断路器重合闸的要求，设计出一种改进装置。

本发明的主电路结构见图5所示，其工作过程大体分为三部分：1)电容电压的初始化；2)直流限流开断；3)重合闸。

本发明主要在于电容预充电不需通过电池，而是不管断路器是否工作，直接能通过母线充电，断路器过流开断后，电容能通过一个振荡电路即自充电电路迅速将其上的电压反向，快速充完电，等待重合闸，时间上完全能满足重合闸要求。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

电容充电成本低，无需外接电池等充电，结构较简单，断路器开断后，电容能通过自充电电路实现快速自充电，满足重合闸的要求。

附图说明

图1是基于反向电流注入法的直流限流断路装置原理框图。图中，(1)断路器；(2)电容预充电电路；(3)反向电流产生电路；(4)吸收电路；(5)自充电电路，a、b为断路器的两端，其中a接高压直流电源端，b接负载端。

图2是反向电压发生法原理图。

图3是振荡电流迭加法原理图。

图4是反向电流注入法原理图。

图5为主电路结构原理图。

图6是换流过程原理图，其中，(a)为电容电压的初始化图，(b)为直流限流开断时反向电流注入图，(c)为电容放电回路，(d)为电容自充电回路。

图7是电容电压初始化仿真波形。Vc以上正下负为正，Vc＜0表示电容电压为下正上负。

图8为换流过程中主要电流电压仿真图，其中，(a)为断路器上的电流i1波形；(b)为电容上的电压Vc变换波形，Vc以上正下负为正，Vc＜0表示电容电压为下正上负；(c)为电容放电回路上的电流波形i3；(d)为电容自充电回路的电流波形i4。

具体实施方式

一种基于反向电流注入法的直流限流断路装置，包括：

用于接收到外部命令跳闸合闸的断路器1、用于电容直接在母线上接通的预充电电路2、靠电容上充的电压产生反向电流的反向电流产生电路3、防止反向电流电路工作时电容上的电压过高的吸收电路4以及使电容尽快将极板上电压反向达到重合闸要求的自充电电路5，所述的反向电流产生电路3包括由第一电感L1和电容C串联组成的LC电路，在LC电路的两端分别连接有第一晶闸管T1和第二晶闸管T2，且第一晶闸管T1的阴极与LC电路中的第一电感L1连接，第二晶闸管T2的阳极与LC电路中的电容C连接，第一晶闸管T1的阳极与断路器1的一端连接，第二晶闸管T2的阴极与断路器1的另一端连接；所述自充电电路5与LC电路并联；所述吸收电路4与LC电路中的电容C并联；所述第一晶闸管T1的阴极还与预充电电路2的一端连接，预充电电路2的另一端接地；在第二晶闸管T2与第一晶闸管T1之间设有第一二极管D1，且第二晶闸管T2阳极与第一二极管D1的阴极连接，第一晶闸管T1的阳极与第一二极管D1的阳极连接。

所述自充电电路5由第二电感L2及第三晶闸管T3组成，第二电感L2的一端与第三晶闸管T3的阳极连接。

所述吸收电路由绝缘栅双极晶体管T4、第二二极管D2、第三二极管D3及第二电阻R2组成，绝缘栅双极晶体管T4的阴极与第二二极管D2的阳极连接，第二二极管D2的阴极与第二电阻R2的一端连接，第二电阻R2的另一端作为吸收电路的一端与第二晶闸管T2的阳极连接，所述绝缘栅双极晶体管T4的阳极作为吸收电路的另一端，第三二极管D3与绝缘栅双极晶体管T4并联，且第三二极管D3的阴极和阳极分别与绝缘栅双极晶体管T4的阳极和阴极连接。

所述预充电电路由第一电阻R1及开关S2串联组成。

下面对本发明的工作原理和工作过程作一详细描述：

1)电容电压的初始化

为了产生直流开断的反向注入电流，电容C必须事先充上如图所示极性的电压，本设计在S1隔离开关断开的状态下，外接控制电路可通过检测电容上的电压大小，如图6(a)所示，将S2开关导通，构成D1、C、L1、R1、S2回路，完成充电动作后，外接控制电路将S2断开。值得注意的是，即使是CB处于导通状态时，为了补充因漏电造成的电容电压下降，在晶闸管T1、T2不导通的情况下，可以通过检测电容上的电压大小，在需要时导通S2以维持电容电压在一个合适工作范围内，电阻R1起限流作用。本设计可以省略大容量的直流电源，降低了断路器造价。

2)直流限流开断

一旦系统检测到短路电流，发出开断命令，CB接到外接控制电路命令首先打开，同时外接控制电路给T1、T2发脉冲使它们导通，电容通过T1、L1、C、T2、CB构成的回路放电，产生的反向电流与CB中的电弧电流进行迭加，当CB的开距达到额定开距时，迭加电流产生电流零点，电弧熄灭，其过程如图6(b)。此时电容电压随着换流过程的发展，将被充上与图5中所示相反极性的电压，而且越来越大，为了防止电压过高，采用了如图6(c)中由IGBT管T4、D3、R2构成电容放电回路。当外接控制电路检测到电容上反向电压快超出额定范围时，发脉冲使IGBT管导通，只要放电电流较大，如i3＞i时，电容电压将下降，从而避免电容电压过大的情况出现。

3)重合闸

重合闸要求时间在200mS内，电容充电速度要求较高，当电弧熄灭后，电容上的电压将被充上与图5中所示相反极性的电压，外接控制电路此时给T3发脉冲开通，如图6(d)中，由电容、L1、L2、T3构成一个振荡电路，使电容电压在短时间内变为下正上负，即充电完毕等待重合闸，这个回路调整电感大小可以调整充电时间，满足重合闸时间要求。

本发明的仿真波形如下：

以下仿真中将电源电压设为2.5kV，开关上电流设为达到10kA时跳闸。

①电容电压的初始化

从上图7可以看出，当外接控制电路检测电容电压使开关S2合上时，电容充下正上负的电压，而由于电容上的电压又会由于漏电而下降，在线路正常工作无跳闸与开启时，S2会根据电容上的电压(如低于2.3kV时)不时地开启，确保电容上的电压维持在正常范围内。

②直流限流开断

电路短路开断时的仿真波形如图8：当线路出现短路时，开关上的电流迅速增加到10kA，此时外接控制电路发命令使断路器CB打开，并发脉冲使T1，T2开通，图8(b)电容上的电压波形可以从图中看出，同时图8(c)外接控制电路发脉冲开通IGBT，R2所在的放电回路的开通使电容上的电压不再增大，而当图8(a)开关上电流变为0之后，电弧熄灭，电容上就变成下负上正的电压，通过外接控制电路发脉冲打开T3，通过此LC振荡回路可以使电容上的电压变为下正上负如图8(d)，而不用再通过电源充电，等电容电压漏电低于一定值时，再通过S2充电。

③重合闸

图8(d)为L2上自充电电流的波形，从图8(d)图和8(b)上可以看出，此电路能在10mS左右将电容电压反向，完全符合重合闸200mS时间间隔的要求。而且没有能量损耗。

Claims (4)

1.一种基于反向电流注入法的直流限流断路装置，其特征在于，包括：

用于接收到外部命令跳闸合闸的断路器(1)、用于电容直接在母线上接通的预充电电路(2)、靠电容上充的电压产生反向电流的反向电流产生电路(3)、防止反向电流电路工作时电容上的电压过高的吸收电路(4)以及使电容尽快将极板上电压反向达到重合闸要求的自充电电路(5)，所述的反向电流产生电路(3)包括由第一电感(L1)和电容(C)串联组成的LC电路，在LC电路的两端分别连接有第一晶闸管(T1)和第二晶闸管(T2)，且第一晶闸管(T1)的阴极与LC电路中的第一电感(L1)连接，第二晶闸管(T2)的阳极与LC电路中的电容(C)连接，第一晶闸管(T1)的阳极与断路器(1)的a端连接，第二晶闸管(T2)的阴极与断路器(1)的b端连接；所述自充电电路(5)与LC电路并联；所述吸收电路(4)与LC电路中的电容(C)并联；所述第一晶闸管(T1)的阴极还与预充电电路(2)的一端连接，预充电电路(2)的另一端接地；在第二晶闸管(T2)与第一晶闸管(T1)之间设有第一二极管(D1)，且第二晶闸管(T2)阳极与第一二极管(D1)的阴极连接，第一晶闸管(T1)的阳极与第一二极管(D1)的阳极连接。

2.根据权利要求1的所述的基于反向电流注入法的直流限流断路装置，其特征在于：自充电电路(5)由第二电感(L2)及第三晶闸管(T3)组成，第二电感(L2)的一端与第三晶闸管(T3)的阳极连接。

3.根据权利要求1的所述的基于反向电流注入法的直流限流断路装置，其特征在于：吸收电路(4)由绝缘栅双极晶体管(T4)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)及第二电阻(R2)组成，绝缘栅双极晶体管(T4)的发射极与第二二极管(D2)的阳极连接，第二二极管(D2)的阴极与第二电阻(R2)的一端连接，第二电阻(R2)的另一端作为吸收电路(4)的一端与第二晶闸管(T2)阳极连接，所述绝缘栅双极晶体管(T4)的集电极作为吸收电路(4)的另一端，第三二极管(D3)与绝缘栅双极晶体管(T4)并联，且第三二极管(D3)的阴极和阳极分别与绝缘栅双极晶体管(T4)的集电极和发射极连接。

4.根据权利要求1的所述的基于反向电流注入法的直流限流断路装置，其特征在于：预充电电路(2)由第一电阻(R1)及开关(S2)串联组成。

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