技术领域
[0001] 本
发明涉及一种高压直流断路器及其供能装置，属于高压直流断路器技术领域。
背景技术
[0002] 高压直流断路器是保障直流输电系统安全运行的主要设备，与机械式直流断路器相比动作速度快，通常在3个毫秒内切断
故障电流。高压直流断路器的快速动作是靠电
力电子器件即IGBT
串联的快速
开关功能和高速机械
隔离开关快速动作共同实现的。由于高压直流断路器闭合时端
电压非常低，所以高压直流断路器无法实现自取能的方法提供供电电源。但是IGBT和高速机械隔离开关可靠工作需要高可靠性的供电电源。
[0003] 目前，高压直流断路器的供能都是采用单电源供电方式。公告号为CN103647537A的中国
专利文件公开了一种取能送能装置，该取能送能装置采用多级级联耦合的低压
变压器为多级串联的IGBT供电，多级变压器结构保证了多个IGBT之间的级间绝缘但是一旦供电电源或者变压器线圈出现损坏时，高压直流断路器就失去工作电源而停止工作，这种单电源供电方式可靠性低，无法满足高压直流断路器的高可靠性要求。
[0004] 而当直接采用两套独立的供能变压器作为冗余备用时，则无法满足对高压直流断路器安装占地面积，绝缘距离的要求；而且高压供能变压器随着电压等级升高，其制造成本几乎递增。当高压直流断路器分层布置时，无法灵活的解决隔离供能变压器为不同层间供能的绝缘要求。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种高压直流断路器及其供能装置，用于解决采用两套独立的供能变压器作为冗余备用时体积大、占地面积大的问题。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种高压直流断路器的供能装置，包括n个级联的供能变压器，各级供能变压器包括一套
铁芯、互为冗余的两套一次绕组以及互为冗余的两套二次绕组；第一级供能变压器的两套一次绕组分别用于与两个互为冗余的供能电源耦合；各级供能变压器的两套二次绕组均设置有为直流断路器的
阀塔中的对应阀层供能的输出
端子。
[0007] 进一步的，第一级供能变压器通过m个级联的隔离变压器分别用于与两个互为冗余的供能电源耦合，各级隔离变压器包括一套铁芯、互为冗余的两套一次绕组以及互为冗余的两套二次绕组；第一级隔离变压器的两套一次绕组分别用于与两个互为冗余的供能电源直接连接；最后一级隔离变压器的两套二次绕组对应连接第一级供能变压器的两套一次绕组。
[0008] 进一步的，所述各级隔离变压器、各级供能变压器由下到上依次叠放设置。
[0009] 进一步的，所述供能变压器或隔离变压器还包括圆柱形的绝缘套筒以及绝缘套筒两端密封设置的
法兰式盖板，所述绝缘套筒内充有绝缘气体；所述绝缘套筒顶端设置有高压侧出线端，所述绝缘套筒底端设置有低压侧出线端。
[0010] 进一步的，所述法兰式盖板上设有用于与相邻的隔离变压器或者供能变压器的法兰式盖板紧固装配的
螺栓孔。
[0011] 进一步的，所述绝缘套筒外壁上设有绝缘伞裙或者绝缘槽。
[0012] 进一步的，所述法兰式盖板上装配有用于匹配电压等级的均压环。
[0013] 本发明还提供了一种高压直流断路器，包括阀塔，以及用于为阀塔中的对应阀层供能的供能装置，所述供能装置包括n个级联的供能变压器，各级供能变压器包括一套铁芯、互为冗余的两套一次绕组以及互为冗余的两套二次绕组；第一级供能变压器的两套一次绕组分别用于与两个互为冗余的供能电源耦合；各级供能变压器的两套二次绕组均设置有为直流断路器的阀塔中的对应阀层供能的输出端子。
[0014] 进一步的，第一级供能变压器通过m个级联的隔离变压器分别用于与两个互为冗余的供能电源耦合，各级隔离变压器包括一套铁芯、互为冗余的两套一次绕组以及互为冗余的两套二次绕组；第一级隔离变压器的两套一次绕组分别用于与两个互为冗余的供能电源直接连接；最后一级隔离变压器的两套二次绕组对应连接第一级供能变压器的两套一次绕组。
[0015] 进一步的，所述各级隔离变压器、各级供能变压器由下到上依次叠放设置。
[0016] 进一步的，所述供能变压器或隔离变压器还包括圆柱形的绝缘套筒以及绝缘套筒两端密封设置的法兰式盖板，所述绝缘套筒内充有绝缘气体；所述绝缘套筒顶端设置有高压侧出线端，所述绝缘套筒底端设置有低压侧出线端。
[0017] 进一步的，所述法兰式盖板上设有用于与相邻的隔离变压器或者供能变压器的法兰式盖板紧固装配的螺栓孔。
[0018] 进一步的，所述绝缘套筒外壁上设有绝缘伞裙或者绝缘槽。
[0019] 进一步的，所述法兰式盖板上装配有用于匹配电压等级的均压环。
[0020] 进一步的，所述绝缘套筒的高度与所述阀塔中的阀层高度相同。
[0021] 本发明的有益效果是：
[0022] 供能装置采用多级供能变压器串联构成，各级供能变压器均采用一套变压器铁芯和两套独立的额定容量的一次绕组和二次绕组，各级供能变压器的两套二次绕组作为给直流断路器的阀塔中的对应阀层进行冗余供电的两套电源，在不增加供能变压器体积、占地面积的前提下，实现高压直流断路器供电电源的冗余备用，提高了高压直流断路器的运行可靠性；由于采用多级级联结构，实现了供能变压器电压等级的提升，可以满足不同电压等级的高压直流断路器的供能需求。
[0023] 进一步的，通过设置隔离变压器，降低了各级变压器的电压绝缘要求，有效保证了供电安全。
附图说明
[0024] 图1是供能装置的原理示意图；
[0025] 图2是供能装置的结构及安装示意图；
[0026] 图3是单级供能变压器的供能装置的原理示意图；
[0027] 图4是单级供能变压器的供能装置的结构示意图；
[0028] 图5是两级供能变压器的供能装置的接线示意图。
具体实施方式
[0029] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
[0031] 本发明提供的供能装置包括n个级联的供能变压器以及m个级联的隔离变压器，n和m可以根据实际情况进行设定，例如可以设置n＝3，m＝3。对于每一级的供能变压器和隔离变压器，均采用一套变压器铁芯T1、两套独立的额定容量的一次(低压)绕组W1和W2以及与两套一次绕组W1和W2相对应的二次(高压)绕组W3和W4，两组独立的一侧绕组和二次绕组实现冗余备用。其中，一次侧绕组W1和W2的绕组圈数相同，设计额定功率也相同，均为供能系统的全功率；二次侧绕组W3和W4的绕组圈数与一次侧完全相同，即变比为1:1，二次绕组的设计均为额定输送功率。所以实际每组独立的绕组存在三种运行工况：一种工况是按照100％额定功率运行；一种工况是处于热备用状态，随时准备投入运行；最后一种工况是两套独立绕组按照50％额定功率同时运行。另外，供能变压器和隔离变压器的一、二次绕组与变压器壳体间均采用SF6气体进行绝缘。
[0032] 对于第一级隔离变压器，其第一套一次绕组W1用于连接供电电源1，第二套一次绕组W2用于连接供电电源2。对于最后一级隔离变压器，其两套二次绕组对应连接第一级供能变压器的两套一次绕组。对于各级供能变压器，其两套二次绕组均接设有为直流断路器的阀塔中的对应阀层供能的输出端子，用于给直流断路器的阀塔中的对应阀层进行冗余供电。
[0033] 正常情况下，两路供电线路并行运行，每台变压器的两套独立一次绕组以及两套独立二次绕组均按照50％额定功率同时运行，当任一路供电线路的供电电源或者该供电线路中变压器的一组绕组故障时，另一路供电线路则可以提供高压直流断路器所需要的全部功率，发挥其冗余备用的功能，为高压直流断路器正常运行提供高可靠性的供能。
[0034] 本发明所提供的供能变压器的一次侧绕组与二次侧绕组的高压绝缘方式是采用多级
低电压的冗余变压器串接级联方式，将变压器本体一次侧绕组与二次侧绕组的绝缘需求分段串联，解决了高压变压器的制造成本高和绝缘技术难的问题。
[0035] 如图1所示，500kV高压直流断路器的供能装置包括3套级联的供能变压器T2、T3和T4以及3套级联的隔离变压器T1-1、T1-2和T1-3。通过将3台170kV绝缘等级的隔离变压器T1-1、T1-2和T1-3串联连接就可以构成一台500kV耐压的高压变压器T1。隔离变压器T1-1、T1-2和T1-3的一次侧输入电压是工频为50Hz、60Hz或者中高频的380V或其他电压等级的低电压，二次侧的
输出电压与一次侧相同，所以隔离变压器T1-1、T1-2和T1-3一次侧的两个互为冗余的绕组W1和W2之间的绝缘要求很容易实现，但是一次侧绕组和二次侧绕组之间的绝缘电压高，绝缘等级为170kV。已投运的舟山工程的直流断路器为200kV的供能变压器，所以现有的变压器制造技术很容易应用于170kV电压等级的隔离变压器的制造。由于每套隔离变压器的两个一次侧绕组、二次侧绕组之间的绝缘要求低，这种具有冗余绕组的隔离变压器的尺寸和无冗余绕组的隔离变压器的尺寸基本相同。
[0036] 本发明中的一套完整的高压直流断路器的供能装置采取如图2所示的多级变压器级联结构和安装方式，各级隔离变压器、各级供能变压器由下到上依次叠放设置。由于高压直流断路器的供能装置采用多级隔离变压器串联级联的方式构成，以500kV电压等级为例，采用3台170kV的隔离变压器串联级联，在变压器的结构设计中非常容易满足直流断路器应用于500kV电压等级的高压绝缘的要求，即变压器外观要求满足对空气绝缘尺寸和绝缘爬距的技术要求。
[0037] 采用本发明的设计方法，高压直流断路器供能装置中各变压器的串联接线短，而且无高压放电。各级供能变压器或隔离变压器的外部结构均采用一个圆柱形的绝缘套筒，绝缘套筒内充有SF6绝缘气体，其中绝缘套筒的高度要满足对绝缘电压的最小空气距离的要求。将具有绝缘套筒结构的变压器叠放在另一台变压器上，通过在绝缘套筒外壁上设有绝缘伞裙或者绝缘槽来增加变压器的外绝缘爬距，绝缘套筒的两端采用金属法兰式盖板作为变压器的密封断面，两台相邻的变压器之间通过变压器绝缘套筒上法兰式盖板上的螺栓孔进行连接和紧固，并在法兰式盖板上安装匹配电压等级的均压环。该安装方式使供能变压器之间的级联接线简单方便，既满足高压变压器的绝缘要求，又减少了占地面积。供能装置中各变压器的低压侧绕组即一次侧绕组的接线端可以放在靠近底部金属法兰的
位置，而高压侧绕组即二次侧绕组的接线端可以放在靠近变压器顶部金属法兰的位置。本发明中供能变压器和隔离变压器的金属法兰有两个主要作用，一是两台变压器叠放安装时，方便把上下两个变压器通过法兰盘的通孔可靠的固定在一起。二是通过金属法兰盘可以把变压器工作时产生的热量散到空气中，保证变压器可靠运行。
[0038] 特别的，当本发明所提供的高压直流断路器的供能装置为单级供能变压器时，其原理示意图如图3所示。该供能变压器的一次绕组W1连接供能电源1，另一组一次绕组W2连接供能电源2，二次绕组W3和W4均接设有用于供电连接直流断路器对应层功率模
块的输出端子，用于充当高压直流断路器的冗余电源，与高压直流断路器的阀塔中的对应阀层供电连接。图4给出了高压直流断路器的供能装置为单级供能变压器时的结构示意图，变压器两个一次侧冗余绕组的接线端设置在靠近变压器法兰式端盖的底部位置，变压器两个二次侧冗余绕组的接线端设置在靠近变压器法兰式端盖的顶部位置。类似的，图5给出了高压直流断路器的供能装置为两级供能变压器时的结构示意图，两级供能变压器之间的接线非常简洁，特别适合高压变压器。
[0039] 本发明的具有冗余供电功能的供能装置可以广泛应用于不同的电压等级的直流断路器。对于200kV及其以下电压等级的直流断路器，可以直接采用图3所示的具有单级供能变压器的供能装置供电。500kV高压直流断路器大都采用多层设计结构，即直流断路器包括由各个阀层组成的阀塔，例如阀塔的阀层数可以设计为4层或者5层，采用为阀层分层供电的方案降低了高压直流断路器供能装置的设计难度。假设高压直流断路器的阀塔的阀层数是n层，需要的供能变压器的数量为n-1。例如，对于阀层数为4层的高压直流断路器，所需的供能变压器的数量为4-1＝3个；对于阀层数为5层的高压直流断路器，所需的供能隔离变压器的数量为4个。如图1所示的是一个500kV的4层结构的高压直流断路器的供能装置。供能变压器的高度设计与高压直流断路器的阀塔中的阀间高度相同，方便供能变压器和直流断路器的供电连接。
[0040] 本发明的高压直流断路器的供能装置具有以下的技术优点和使用价值：
[0041] 1)在不增加变压器体积、占地面积的前提下，实现供能装置的冗余备用，提高了高压直流断路器的运行可靠性。
[0042] 2)在不增加变压器体积，设计难度和制造
费用的条件下，实现了变压器的电压等级的提升，可以满足不同电压等级的高压直流断路器的供能需求。
[0043] 3)通过采用冗余供能变压器二次侧(高压)的分层供能的方式，实现了与高压直流断路器实际安装结构的相匹配绝缘设计需求。
[0044] 4)由于快速开断直流电流的技术优势，高压直流断路器将广泛用于高压和特高压直流工程，使得本发明的供能装置将具有很高的应用价值。
[0045] 高压直流断路器的实施例：
[0046] 本发明还提供了一种高压直流断路器，该高压直流断路器包括阀塔，以及用于为阀塔中的对应阀层供能的供能装置。其中，一个高压直流断路器阀塔是由M个功率模块层层垂直堆叠而成，每个功率模块有N个IGBT子模块组成，设单个IGBT子模块的电压是u，每2个功率模块构成一个阀层，阀层的数目为L，则每一阀层的电位差可表示为2Nu，一个阀塔的电位差是2LNu＝MNu。因此，一个直流断路器根据电压等级的不同，可以是一组直流断路器阀塔，也可以是X个阀塔组成一个高压直流断路器(其电压是2XLNu)。供能装置为直流断路器阀塔中对应阀层中的功率模块进行供电，由于该供能装置已经在上述供能装置的实施例中进行了详细介绍，此处不再赘述。
[0047] 以上给出了本发明涉及的具体实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、
修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。
