低损耗多端直流断路器及其控制方法

1.本发明属于多端直流断路器领域，具体涉及了一种低损耗多端直流断路器及其控制方法。


背景技术：

2.在一些应用场景中，直流电网一条直流母线有多条直流出线。为了有选择地切除故障线路，每条直流线路端口都需要配置一个直流断路器，然而这种配置方案的建造成本过高。利用单个多端直流断路器替代多个直流断路器，使多个端口共用昂贵的开断设备，能够有效降低建造成本，提高线路开断效率。
3.桥式多端直流断路器，其特点在于成本最高的主断路器部分被共用。在直流电网中应用有较强的经济性应用前景。但这种桥式多端直流断路器还存在一些缺陷：第一，冗余低，没有自保护功能，一旦出现正负母线短路或机械开关故障等故障，不仅断路器无法工作，甚至会威胁到直流网络的稳定；第二，现有的桥式多端直流断路器依靠负荷转移开关进行短路电流转移，损耗较高。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中的上述问题，即现有桥式多端直流断路器损耗大、成本高的问题，本发明提供了一种低损耗多端直流断路器，该多端直流断路器包括主断路器、谐振电路以及机械开关组；所述主断路器正极端连接至直流母线，并与所述机械开关组的正端连接，所述主断路器负极端连接至所述谐振电路的正极端；所述机械开关组的负极端连接至所述谐振电路的负极端；所述机械开关组的输出端作为所述低损耗多端直流断路器的输出端，用于为相应的直流线路正极供电。
5.在一些优选的实施例中，所述机械开关组包括n个上机械开关和下机械开关对；其中，n为正整数；所述n个上机械开关和下机械开关对中上机械开关和下机械开关对的连接点为所述机械开关组的输出端；所述n个上机械开关和下机械开关对的上机械开关正极端作为所述机械开关组的正极端；所述n个上机械开关和下机械开关对的下机械开关负极端作为所述机械开关组的负极端。
6.在一些优选的实施例中，所述谐振电路包括谐振电感、谐振电容、谐振开关1、谐振开关2以及与所述n个上机械开关和下机械开关对一一对应的n个上桥臂开关和下桥臂开关对；所述谐振电感的正极作为所述谐振电路的正极端，所述谐振电感的负极连接至所
述谐振开关1的阴极和所述谐振开关2的阳极；所述谐振开关1的阳极连接至所述谐振电容的正极和所述n个上桥臂开关和下桥臂开关对的上桥臂开关的阳极；所述谐振开关2的阴极连接至所述谐振电容的负极和所述n个上桥臂开关和下桥臂开关对的下桥臂开关的阴极；所述n个上桥臂开关和下桥臂开关对中上桥臂开关和下桥臂开关的连接点作为所述谐振电路的负极端。
7.在一些优选的实施例中，所述n个上机械开关和下机械开关对中第n对的下机械开关的负极端连接至所述n个上桥臂开关和下桥臂开关对中相应的第n对的上桥臂开关和下桥臂开关的连接点；其中，1≤n≤n。
8.在一些优选的实施例中，所述谐振开关1、所述谐振开关2以及所述n个上桥臂开关和下桥臂开关对均为全控型电子器件。
9.在一些优选的实施例中，所述全控型电子器件为绝缘栅双极型晶体管、集成门极换流晶闸管、注入增强栅晶体管中的一种。
10.本发明的另一方面，提出了一种低损耗多端直流断路器的外部线路故障阻断控制方法，基于上述的低损耗多端直流断路器，该方法包括：当外部线路发生短路故障时，短路电流流过所有线路的上机械开关，故障线路连接的下机械开关无电弧开断，其他非故障线路的上机械开关带电弧开断；其中，所述电弧为单极性电弧；导通主断路器与故障线路对应的下桥臂开关以及与谐振电感连接的上桥臂开关；非故障线路的上机械开关、预充电的谐振电容、谐振电感和主断路器构成一个高频电流振荡电路；所述高频振荡电路产生的高频电流叠加在非故障线路对应的上机械开关中的单极性电弧上，使得电弧过零熄灭；机械开关完全打开后，故障电流转移至主断路器，主断路器igbt分断电流，并将剩余电流转移至主断路器中的避雷器消耗。
11.本发明的第三方面，提出了一种低损耗多端直流断路器的直流母线故障控制方法，基于上述的低损耗多端直流断路器，该方法包括：当直流母线发生短路故障时，短路电流流过所有线路的上机械开关，所有机械开关带电弧开断；其中，所述电弧为单极性电弧；导通主断路器与下机械开关相连的下桥臂开关以及与谐振电感连接的上桥臂开关；所有的上机械开关、预充电的谐振电容、谐振电感和主断路器构成多个高频电流振荡电路；所述多个高频电流振荡电路产生的高频电流分别叠加在对应的上机械开关中的单极性电弧上，使得电弧过零熄灭；机械开关完全打开后，故障电流转移至主断路器，主断路器分断电流，并将剩余电流转移至主断路器中的避雷器消耗。
12.本发明的第四方面，提出了一种低损耗多端直流断路器的机械开关故障控制方
法，基于上述的低损耗多端直流断路器，该方法包括：当机械开关发生短路故障时，短路电流流过所有线路的上机械开关，故障线路连接的下机械开关无电弧开断，其他非故障线路的上机械开关带电弧开断；其中，所述电弧为单极性电弧；若检测到故障线路对应下机械开关拒动，则继续将故障线路连接的上机械开关带电弧开断，其他非故障线路的下机械开关无电弧开断；导通主断路器与故障线路对应的上桥臂开关以及与谐振电感连接的下桥臂开关；故障线路的上机械开关、预充电的谐振电容、谐振电感和主断路器构成一个高频电流振荡电路；所述高频振荡电路产生的高频电流叠加在故障线路对应的上机械开关中的单极性电弧上，使得电弧过零熄灭；机械开关完全打开后，故障电流转移至主断路器，主断路器igbt分断电流，并将剩余电流转移至主断路器中的避雷器消耗，此时非故障线路对应的上机械开关电弧熄灭。
13.本发明的第五方面，提出了一种低损耗多端直流断路器的电容预充电控制方法，基于上述的低损耗多端直流断路器，该方法包括：在所述低损耗多端直流断路器使用时，先闭合所有的下机械开关以及上桥臂开关和下桥臂开关，然后通过控制上桥臂开关、下桥臂开关交替导通给所述谐振电路中的谐振电容充电至额定值。
14.本发明的有益效果：（1）本发明低损耗多端直流断路器，利用具有灭弧功能的双机械开关作为主回路结构，能够实现多端直流断路器的低损耗以及机械开关的相互备份，设备可靠、安全性高。
15.（2）本发明低损耗多端直流断路器，利用谐振电感、谐振电容、机械开关和桥臂开关产生高频谐振电流，引导机械开关电流过零灭电弧，进一步提高了多端直流断路器的开断可靠性。
16.（3）本发明低损耗多端直流断路器，谐振电路可以被多路复用，进一步减小了多端直流断路器体积，降低成本。
附图说明
17.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1是本发明低损耗多端直流断路器的电路结构示意图；图2是本发明低损耗多端直流断路器一种实施例的仅对系统中负荷转移开关和正负母线进行保护的电路结构示意图。
具体实施方式
18.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
19.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相
互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
20.本发明提供一种低损耗多端直流断路器，当发生线路短路故障时，短路电流流过所有线路的上机械开关，当检测到短路故障后，故障线路连接的上机械开关带电弧开断，其他非故障线路的下机械开关无弧开断，由于直流电网没有过零点，因此电弧将会一直保持且为单极性；此时导通主断路器与故障线路对应的上桥臂开关，此时故障线路的上机械开关、预充电的谐振电容、谐振电感和主断路器构成一个高频电流振荡电路，高频电流叠加在故障线路对应的上机械开关中的单极性电弧，使得电弧过零熄灭，待机械开关完全打开，故障电流转移至主断路器后，主断路器igbt分断电流，剩余电流转移至主断路器中的避雷器消耗。
21.本发明的一种低损耗多端直流断路器，该多端直流断路器包括主断路器、谐振电路以及机械开关组；所述主断路器正极端连接至直流母线，并与所述机械开关组的正端连接，所述主断路器负极端连接至所述谐振电路的正极端；所述机械开关组的负极端连接至所述谐振电路的负极端；所述机械开关组的输出端作为所述低损耗多端直流断路器的输出端，用于为相应的直流线路正极供电。
22.为了更清晰地对本发明低损耗多端直流断路器进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各模块展开详述。
23.本发明第一实施例的低损耗多端直流断路器，包括主断路器、谐振电路以及机械开关组，各模块详细描述如下：所述主断路器正极端连接至直流母线，并与所述机械开关组的正端连接，所述主断路器负极端连接至所述谐振电路的正极端。
24.所述机械开关组的负极端连接至所述谐振电路的负极端。
25.机械开关组包括n个上机械开关和下机械开关对；其中，n为正整数；所述n个上机械开关和下机械开关对中上机械开关和下机械开关对的连接点为所述机械开关组的输出端；所述n个上机械开关和下机械开关对的上机械开关正极端作为所述机械开关组的正极端；所述n个上机械开关和下机械开关对的下机械开关负极端作为所述机械开关组的负极端。
26.谐振电路包括谐振电感、谐振电容、谐振开关1、谐振开关2以及与所述n个上机械开关和下机械开关对一一对应的n个上桥臂开关和下桥臂开关对；所述谐振电感的正极作为所述谐振电路的正极端，所述谐振电感的负极连接至所述谐振开关1的阴极和所述谐振开关2的阳极；所述谐振开关1的阳极连接至所述谐振电容的正极和所述n个上桥臂开关和下桥臂开关对的上桥臂开关的阳极；所述谐振开关2的阴极连接至所述谐振电容的负极和所述n个上桥臂开关和下桥臂开关对的下桥臂开关的阴极；所述n个上桥臂开关和下桥臂开关对中上桥臂开关和下桥臂开关的连接点作为所
述谐振电路的负极端。
27.n个上机械开关和下机械开关对中第n对的下机械开关的负极端连接至n个上桥臂开关和下桥臂开关对中相应的第n对的上桥臂开关和下桥臂开关的连接点；其中，1≤n≤n。
28.所述机械开关组的输出端作为所述低损耗多端直流断路器的输出端，用于为相应的直流线路正极供电。
29.谐振开关1、所述谐振开关2以及所述n个上桥臂开关和下桥臂开关对均为全控型电子器件。
30.本发明一个实施例中，全控型电子器件选用igbt晶体管（绝缘栅双极型晶体管），在其他应用场景，可以根据电流、电压等级选择不同的全控型电子器件，比如igct晶闸管（集成门极换流晶闸管）或iegt晶体管（注入增强栅晶体管）等等。
31.如图2所示，为本发明低损耗多端直流断路器一种实施例的仅对系统中负荷转移开关和正负母线进行保护的电路结构示意图，在实际的使用过程中，可以在一定程度上平衡成本与功能，如不考虑机械开关的后备，只考虑对负荷转移开关以及正负母线的保护，可以将保护开关中的下桥臂开关换成二极管，并取消谐振开关，同样也可以达到以上效果。
32.本发明第二实施例的低损耗多端直流断路器的外部线路故障阻断控制方法，基于上述的低损耗多端直流断路器，该方法包括：当外部线路发生短路故障时，短路电流流过所有线路的上机械开关，当检测到短路故障后，故障线路连接的下机械开关无电弧开断，其他非故障线路的上机械开关带电弧开断；其中，由于直流电网没有过零点，因此所述电弧会一直保持且为单极性电弧；此时，导通主断路器与故障线路对应的下桥臂开关以及与谐振电感连接的上桥臂开关；在上述相应开关导通、关闭的条件下，非故障线路的上机械开关、预充电的谐振电容、谐振电感和主断路器构成一个高频电流振荡电路；所述高频振荡电路产生的高频电流叠加在非故障线路对应的上机械开关中的单极性电弧上，使得电弧过零熄灭；待机械开关完全打开后，故障电流转移至主断路器，主断路器分断电流，并将剩余电流转移至主断路器中的避雷器消耗。主断路器分断电流也是采用全控型电子器件，同样地，可以根据电流、电压等级选择不同的全控型电子器件，比如igbt晶体管（绝缘栅双极型晶体管）、igct晶闸管（集成门极换流晶闸管）或iegt晶体管（注入增强栅晶体管）等等。
33.本发明第三实施例的低损耗多端直流断路器的直流母线故障控制方法，基于上述的低损耗多端直流断路器，该方法包括：当直流母线发生短路故障时，短路电流流过所有线路的上机械开关，当检测到短路故障后，所有机械开关带电弧开断；其中，由于直流电网没有过零点，因此所述电弧会一直保持且为单极性电弧；此时，导通主断路器与下机械开关相连的下桥臂开关以及与谐振电感连接的上桥臂开关；在上述相应开关导通、关闭的条件下，所有的上机械开关、预充电的谐振电容、谐振电感和主断路器构成多个高频电流振荡电路；所述多个高频电流振荡电路产生的高频电流分别叠加在对应的上机械开关中的
单极性电弧上，使得电弧过零熄灭；待机械开关完全打开后，故障电流转移至主断路器，主断路器igbt分断电流，并将剩余电流转移至主断路器中的避雷器消耗。
34.本发明第四实施例的低损耗多端直流断路器的机械开关故障控制方法，基于上述的低损耗多端直流断路器，该方法包括：当机械开关发生短路故障时，短路电流流过所有线路的上机械开关，当检测到短路故障后，故障线路连接的下机械开关无电弧开断，其他非故障线路的上机械开关带电弧开断；其中，由于直流电网没有过零点，因此所述电弧会一直保持且为单极性电弧；若检测到故障线路对应下机械开关拒动，则继续将故障线路连接的上机械开关带电弧开断，其他非故障线路的下机械开关无电弧开断；此时，导通主断路器与故障线路对应的上桥臂开关以及与谐振电感连接的下桥臂开关；在上述相应开关导通、关闭的条件下，故障线路的上机械开关、预充电的谐振电容、谐振电感和主断路器构成一个高频电流振荡电路；所述高频振荡电路产生的高频电流叠加在故障线路对应的上机械开关中的单极性电弧上，使得电弧过零熄灭；待机械开关完全打开后，故障电流转移至主断路器，主断路器igbt分断电流，并将剩余电流转移至主断路器中的避雷器消耗，此时非故障线路对应的上机械开关电弧熄灭。
35.本发明第五实施例的低损耗多端直流断路器的电容预充电控制方法，基于上述的低损耗多端直流断路器，该方法包括：在所述低损耗多端直流断路器投入使用前，所有机械开关均处于开断状态；在所述低损耗多端直流断路器使用时，先闭合所有的下机械开关以及上桥臂开关和下桥臂开关，然后通过控制上桥臂开关、下桥臂开关交替导通给所述谐振电路中的谐振电容充电至额定值。
36.所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的具体工作过程及有关说明，可以参考前述系统实施例中的对应过程，在此不再赘述。
37.需要说明的是，上述实施例提供的低损耗多端直流断路器及其控制方法，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
38.术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
39.术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
40.至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本
发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种低损耗多端直流断路器，其特征在于，该多端直流断路器包括主断路器、谐振电路以及机械开关组；所述主断路器正极端连接至直流母线，并与所述机械开关组的正端连接，所述主断路器负极端连接至所述谐振电路的正极端；所述机械开关组的负极端连接至所述谐振电路的负极端；所述机械开关组的输出端作为所述低损耗多端直流断路器的输出端，用于为相应的直流线路正极供电。2.根据权利要求1所述的低损耗多端直流断路器，其特征在于，所述机械开关组包括n个上机械开关和下机械开关对；其中，n为正整数；所述n个上机械开关和下机械开关对中上机械开关和下机械开关对的连接点为所述机械开关组的输出端；所述n个上机械开关和下机械开关对的上机械开关正极端作为所述机械开关组的正极端；所述n个上机械开关和下机械开关对的下机械开关负极端作为所述机械开关组的负极端。3.根据权利要求2所述的低损耗多端直流断路器，其特征在于，所述谐振电路包括谐振电感、谐振电容、谐振开关1、谐振开关2以及与所述n个上机械开关和下机械开关对一一对应的n个上桥臂开关和下桥臂开关对；所述谐振电感的正极作为所述谐振电路的正极端，所述谐振电感的负极连接至所述谐振开关1的阴极和所述谐振开关2的阳极；所述谐振开关1的阳极连接至所述谐振电容的正极和所述n个上桥臂开关和下桥臂开关对的上桥臂开关的阳极；所述谐振开关2的阴极连接至所述谐振电容的负极和所述n个上桥臂开关和下桥臂开关对的下桥臂开关的阴极；所述n个上桥臂开关和下桥臂开关对中上桥臂开关和下桥臂开关的连接点作为所述谐振电路的负极端。4.根据权利要求3所述的低损耗多端直流断路器，其特征在于，所述n个上机械开关和下机械开关对中第n对的下机械开关的负极端连接至所述n个上桥臂开关和下桥臂开关对中相应的第n对的上桥臂开关和下桥臂开关的连接点；其中，1≤n≤n。5.根据权利要求1-4任一项所述的低损耗多端直流断路器，其特征在于，所述谐振开关1、所述谐振开关2以及所述n个上桥臂开关和下桥臂开关对均为全控型电子器件。6.根据权利要求5所述的低损耗多端直流断路器，其特征在于，所述全控型电子器件为绝缘栅双极型晶体管、集成门极换流晶闸管、注入增强栅晶体管中的一种。7.一种低损耗多端直流断路器的外部线路故障阻断控制方法，其特征在于，基于权利要求1-6任一项所述的低损耗多端直流断路器，该方法包括：当外部线路发生短路故障时，短路电流流过所有线路的上机械开关，故障线路连接的下机械开关无电弧开断，其他非故障线路的上机械开关带电弧开断；其中，所述电弧为单极性电弧；导通主断路器与故障线路对应的下桥臂开关以及与谐振电感连接的上桥臂开关；
非故障线路的上机械开关、预充电的谐振电容、谐振电感和主断路器构成一个高频电流振荡电路；所述高频振荡电路产生的高频电流叠加在非故障线路对应的上机械开关中的单极性电弧上，使得电弧过零熄灭；机械开关完全打开后，故障电流转移至主断路器，主断路器分断电流，并将剩余电流转移至主断路器中的避雷器消耗。8.一种低损耗多端直流断路器的直流母线故障控制方法，其特征在于，基于权利要求1-6任一项所述的低损耗多端直流断路器，该方法包括：当直流母线发生短路故障时，短路电流流过所有线路的上机械开关，所有机械开关带电弧开断；其中，所述电弧为单极性电弧；导通主断路器与下机械开关相连的下桥臂开关以及与谐振电感连接的上桥臂开关；所有的上机械开关、预充电的谐振电容、谐振电感和主断路器构成多个高频电流振荡电路；所述多个高频电流振荡电路产生的高频电流分别叠加在对应的上机械开关中的单极性电弧上，使得电弧过零熄灭；机械开关完全打开后，故障电流转移至主断路器，主断路器igbt分断电流，并将剩余电流转移至主断路器中的避雷器消耗。9.一种低损耗多端直流断路器的机械开关故障控制方法，其特征在于，基于权利要求1-6任一项所述的低损耗多端直流断路器，该方法包括：当机械开关发生短路故障时，短路电流流过所有线路的上机械开关，故障线路连接的下机械开关无电弧开断，其他非故障线路的上机械开关带电弧开断；其中，所述电弧为单极性电弧；若检测到故障线路对应下机械开关拒动，则继续将故障线路连接的上机械开关带电弧开断，其他非故障线路的下机械开关无电弧开断；导通主断路器与故障线路对应的上桥臂开关以及与谐振电感连接的下桥臂开关；故障线路的上机械开关、预充电的谐振电容、谐振电感和主断路器构成一个高频电流振荡电路；所述高频振荡电路产生的高频电流叠加在故障线路对应的上机械开关中的单极性电弧上，使得电弧过零熄灭；机械开关完全打开后，故障电流转移至主断路器，主断路器igbt分断电流，并将剩余电流转移至主断路器中的避雷器消耗，此时非故障线路对应的上机械开关电弧熄灭。10.一种低损耗多端直流断路器的电容预充电控制方法，其特征在于，基于权利要求1-6任一项所述的低损耗多端直流断路器，该方法包括：在所述低损耗多端直流断路器使用时，先闭合所有的下机械开关以及上桥臂开关和下桥臂开关，然后通过控制上桥臂开关、下桥臂开关交替导通给所述谐振电路中的谐振电容充电至额定值。

技术总结
本发明属于多端直流断路器领域，具体涉及了一种低损耗多端直流断路器及其控制方法，旨在解决现有桥式多端直流断路器损耗大、成本高的问题。本发明包括：主断路器、谐振电路以及机械开关组，主断路器正极端连接至直流母线，并与机械开关组的正端连接，主断路器负极端连接至谐振电路的正极端，机械开关组的负极端连接至谐振电路的负极端，机械开关组的输出端作为低损耗多端直流断路器的输出端，用于为相应的直流线路正极供电。本发明机械开关相互备份，并利用谐振电感、谐振电容、开关、二极管构成的可多路复用的谐振电路产生高频谐振电流，引导机械开关电流过零灭弧，开断可靠性高，体积小、损耗低、成本低。成本低。成本低。


技术研发人员：朱晋 郭心铭 曾庆鹏 韦统振 霍群海 尹靖元
受保护的技术使用者：中国科学院电工研究所
技术研发日：2021.12.02
技术公布日：2022/3/8