CN103021739B - 混合式直流断路器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无弧开断的混合式直流断路器，包括高速真空开关、带有电力电子门极可关断器件的LC强制转移电路、均压电容、过电压限制电路以及控制系统，其中，高速真空开关VB、LC强制转移电路以及过电压限制电路并联。通过控制LC转移电路的可关断器件导通和关断，不仅可以实现高速真空开关的无弧打开，并且可以实现高速真空开关中的电流在过零前一小段时间内将di/dt限制在较小范围内，既解决了触头开断过程中电弧对开关触头的烧蚀问题，同时无弧分断情况下触头间介质恢复特性好，低di/dt下分断过程过电压小，分断时间短。

Description

混合式直流断路器

技术领域

本发明涉及一种混合式直流断路器，特别涉及一种通过电力电子门极可关断器件单元控制强制转移电路LC放电，实现无弧分断，并且将过零电流变化率限制在较低范围的断路器。

背景技术

近年来，随着电力系统容量的持续增长和用电负荷的不断增加，电网中的短路电流水平日益提高，尤其对于某些特定的用电场合，例如大型舰船上的供电系统、轨道交通供电系统等等，短路电流峰值可达到100kA 以上，且短路电流上升速率极高(超过20A/μs)。传统机械式断路器受其自身物理机构的限制，当其动、静触头分开时会产生电弧，延长了故障电流的切除时间，通常需要几十乃至上百毫秒才能完成分断，难以在短路电流上升期间将其分断。由于直流系统短路电流上升速度很快，如果用传统的机械式断路器进行分断，短路电流峰值往往已经超过了断路器本身的极限分断能力，使得断路器无法分断。同时，由于短路电流峰值极高，可能对运行在系统中的各个电力设备造成不可恢复的损害。

近年来，随着半导体技术不断发展，出现了基于电力电子门极可关断器件的固态开关，其主要特点是分断时间短，分断过程无电弧。但是，与机械开关相比，固态开关正常通流情况下损耗较大，发热严重，需要复杂的冷却系统，因此其额定承载能力有限。同时，在抗涌流能力，抗系统过电压方面，固态开关也有很大局限性。另一方面，在高压直流断路器分断过程中，由于分断电流峰值较大，电流过零时通常有很高的变化率di/dt，如图1中所示的曲线AB，不仅难以精确预测电流过零点，无法控制高速机构带动触头在电流过零点时打开，而且高的di/dt分断会产生很高的过电压，导致触头间介质击穿，进而造成开断失败。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足或缺陷，本发明的目的在于提供一种混合式直流断路器及其控制方法。采用基于高速真空开关和电力电子门极可关断器件控制LC放电技术，兼备了机械开关良好的静态特性以及电力电子门极可关断器件良好的动态特性。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种无弧开断的混合式直流断路器，包括高速真空开关VB、LC强制转移电路、过电压限制电路以及控制系统，其中，

高速真空开关VB、LC强制转移电路以及过电压限制电路并联，

所述LC强制转移电路由预充电电容C、电感L和电力电子门极可关断器件串联组成，

当所述LC强制转移电路两端的电压达到过电压限制电路的导通阈值时，过电压限制电路导通，使得高速真空开关两端电压被限制在一定范围；

所述控制系统监测系统电流和高速真空开关VB电流二者的电流值及变化率di/dt，并根据监测结果向高速真空开关VB和电力电子门极可关断器件发出相应的控制命令。

另外，提出了一种用于所述断路器的控制方法，包括以下步骤：

（1）当系统短路故障发生后，如果检测到系统电流超过阈值，则所述控制系统首先控制高速真空开关中的盘式斥力线圈放电回路导通，使得高速真空开关实现分闸动作，再控制电力电子门极可关断器件导通，此时LC强制转移电路中的预充电电容C放电，其放电电流与高速真空开关中的电流方向相反，起到抵制高速真空开关中的电流的作用，使得流过高速真空开关中的电流开始下降；

（2）当高速真空开关中电流降至阈值i ₂以下时，控制系统控制电力电子门极可关断器件关断，高速真空开关中电流上升，但不超过所述阈值i ₂，控制系统根据高速真空开关打开需要的延迟时间确定高 速真空开关中电流上升时间，该上升时间完成后，控制电力电子门极可关断器件导通，高速真空开关电流下降；其中，重复导通和关断电力电子门极可关断器件，控制高速真空开关电流值始终处于所述阈值i ₂以下，并且电流整体呈下降趋势，从而降低高速真空开关电流过零点附近的变化率，实现平稳过零；

（3）在电流过零时，高速真空开关无弧打开；当LC强制转移电路两端电压达到系统过电压阈值时，过电压限制电路导通，使得高速真空开关两端电压被限制在一定范围；由于过电压限制电路两端电压高于系统电压，混合式直流断路器中流过的电流迅速下降至0，从而完成整个开断过程。

附图说明

图1是高速真空开关电流i _M变化曲线图；

图2是电路整体拓扑结构图；

图3是高速真空开关原理示意图；

图4是控制系统框图。

具体实施方式

以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。

在一个实施例中，如图2所示，混合式直流断路器包括高速真空开关VB、LC强制转移电路、过电压限制电路以及控制系统，其中，高速真空开关VB、LC强制转移电路以及过电压限制电路并联。

仍然参考图2，LC强制转移电路由预充电电容C、电感L和电力电子门极可关断器件串联组成。正常工作状态下，电流从高速真空开关VB流过，预充电电容C上充有一定的电压，且电压方向与电力电子门极可关断器件的开关导通压降方向相反，电力电子门极可关断器件处于关断状态，LC强制转移电路没有电流通过；当系统发生短路时，如果检测到系统电流超过所设阈值，则控制系统首先控制高速真空开关VB中的盘式斥力线圈放电回路导通，使得高速真空开关实现分闸动作，再控制电力电子门极可关断器件打开，LC强制转移电路中的预充电电容C通过电力电子门极可关断器件、电感L和高速真空开关VB形成回路放电，放电电流方向与高速真空开关中电流方向相反。

参见图3，高速真空开关VB由高速斥力机构和真空灭弧室组成。其中，高速斥力机构由盘式斥力线圈、斥力盘、开关触头、缓冲装置和盘式斥力线圈放电回路组成；真空灭弧室触头为单点触头，所述斥力盘位于开关触头下方，通过中心主轴与开关动触头相连。进一步地，在高速斥力机构中，盘式斥力线圈放电回路由直流电源U、预充电电容C1和晶闸管VT1组成，预充电电容C1由直流电源U充电后通过控制晶闸管VT1导通驱动斥力盘运动，改变盘式斥力线圈放电回路中预充电电容C1的预充电电压可以改变高速斥力机构的运动速度。高速真空开关属于现有技术，不再赘述。

优选地，本发明的混合式直流断路器还包括均压电容（图中未示出），并联在电力电子门极可关断器件两端，实现多个电力电子门极可关断器件串联均压。此外，作为示例，电力电子门极可关断器件可以由IGCT，和/或IGBT，和/或GTO通过串并联形式进行组合；过电压限制电路可以由氧化锌阀片或者正温度系数材料PTC通过串并联形式组成。

作为示例，如图4所示，控制系统可以包括系统电流传感器S1、高速真空开关电流传感器S2、LC强制转移电路电流传感器S3、过电压限制电路电流传感器S4、高速真空开关电压传感器S5和高速真空开关位移传感器S6，信号调理电路，高速AD，处理器和人机交互界面，其中，处理器完成系统电流和高速真空开关VB电流二者的幅值及变化率di/dt计算，人机交互界面实时显示混合式直流断路器状态及计算结果。

本发明的混合式直流断路器在接入系统后，控制系统实时监测系统电流和高速真空开关VB电流二者的电流值及变化率di/dt。如图2所示，其中，S1测量主回路电流i _G，S2测量高速真空开关VB电流i _M，S3测量强制转移支路电流i _S，S4测量过电压限制电路电流i _V，S5测量高速真空开关VB两端电压，S6测量高速真空开关VB触头的位移变化量。

正常通流情况下，电流从开关高速真空开关VB流过，断路器损耗非常小。当系统发生短路故障后，整个开断过程如下：

由于斥力机构机械延迟约为220μs，远高于电力电子器件的导通和关断时间，因此，控制系统监测到系统电流值超过系统阈值后，控制系统首先控制高速真空开关VB中的盘式斥力线圈放电回路导通，使得高速真空开关实现分闸动作。

再控制LC强制转移电路中的电力电子门极可关断器件导通，LC强制转移电路中的电感L、预充电电容C与高速真空开关VB形成放电回路，电容电流i _S上升，由于电容电流方向与高速真空开关中的电流方向相反，所以高速真空开关VB中的电流i _M减小，i _M变化曲线如图1所示。

当电流i _M下降至图1中所示的阈值i ₂ 时，控制电力电子门极可关断器件关断使高速真空开关电流有所上升，但不得超过所设阈值i ₂ ，其中，阈值i ₂ 可根据断路性能要求，通过多次试验确定。控制系统根据高速真空开关打开需要的延迟时间确定高速真空开关中电流上升时间，该上升时间完成后，控制电力电子门极可关断器件导通，高速真空开关电流下降。在此阶段重复导通和关断电力电子门极可关断器件，保证高速真空开关中的电流i _M整体呈下降趋势，控制i _M变化率在较小范围内。

通过控制i _M减小速率，使高速真空开关在电流过零时刻无弧打开，高速真空开关支路处于断开状态。电流i _G全部从高速真空开关转向至强制转移电路，系统开始给强制转移电路的预充电电容C充电，电流方向同i _s。由于高速真空开关中的电流过零时较平缓，其两端过电压较低，并且触头无弧打开介质恢复特性好，因此高速真空开关触头间不易发生击穿。

当转移电路两端的电压达到过电压限制电路的导通阈值时，过电压限制电路动作，高速真空开关两端电压被限制在一定范围，由于过电压限制电路两端电压高于系统电压，因此混合式直流断路器中流过的电流迅速下降至0，完成整个开断过程。

本发明采用基于高速真空开关和电力电子门极可关断器件控制LC放电技术，兼备了机械开关良好的静态特性以及电力电子门极可关断器件良好的动态特性。

以上利用具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种无弧开断的混合式直流断路器，包括高速真空开关VB、LC强制转移电路、过电压限制电路以及控制系统，其中，

高速真空开关VB、LC强制转移电路以及过电压限制电路并联，

所述LC强制转移电路由预充电电容C、电感L和电力电子门极可关断器件串联组成，

所述LC强制转移电路两端的电压达到过电压限制电路的导通阈值时，过电压限制电路导通，使得高速真空开关两端电压被限制在一定范围；

所述控制系统监测系统电流和高速真空开关VB电流二者的电流值及变化率di/dt，并根据监测结果向高速真空开关VB和电力电子门极可关断器件发出相应的控制命令。

2.根据权利要求1所述的断路器，其中：

正常工作状态下，电流从高速真空开关VB流过，预充电电容C上充有一定的电压，且电压方向与电力电子门极可关断器件的开关导通压降方向相反，电力电子门极可关断器件处于关断状态，LC强制转移电路没有电流通过；

当系统发生短路时，如果检测到系统电流值超过阈值，则控制系统首先控制高速真空开关VB中的盘式斥力线圈放电回路导通，使得高速真空开关VB实现分闸动作，再控制电力电子门极可关断器件导通，LC强制转移电路的预充电电容C通过电力电子门极可关断器件、电感L和高速真空开关VB形成回路放电，放电电流方向与高速真空开关VB中电流方向相反。

3.根据权利要求1所述的断路器，其中，所述控制系统包括：系统电流传感器、高速真空开关电流传感器、LC强制转移电路电流传感器、过电压限制电路电流传感器以及、高速真空开关电压传感器和高速真空开关位移传感器，信号调理电路，高速AD，处理器和人机交互界面，其中，处理器完成系统电流和高速真空开关VB电流二者的幅值及变化率di/dt计算，人机交互界面实时显示混合式直流断路器状态及计算结果。

4.根据权利要求1所述的断路器，其中：所述高速真空开关VB由高速斥力机构和真空灭弧室组成；所述高速斥力机构由盘式斥力线圈、斥力盘、开关触头、缓冲装置和盘式斥力线圈放电回路组成；所述真空灭弧室触头为单点触头，所述斥力盘位于开关触头下方，通过中心主轴与开关触头的动触头相连。

5.根据权利要求4所述的断路器，其中：所述高速斥力机构中，盘式斥力线圈放电回路由直流电源U、预充电电容C1和晶闸管VT1组成，电容C1由直流电源U充电后通过控制晶闸管VT1导通驱动斥力盘运动，改变盘式斥力线圈放电回路中预充电电容C1的预充电电压可以改变高速斥力机构的运动速度。

6. 根据权利要求1-5中任一所述的断路器，其中：所述电力电子门极可关断器件由IGCT，和/或IGBT，和/或GTO通过串并联形式组合而成。

7. 根据权利要求1-5中任一所述的断路器，其中，所述过电压限制电路由氧化锌阀片或者正温度系数材料PTC通过串并联形式组合而成。

8. 根据权利要求1-5中任一所述的断路器，还包括均压电容，所述均压电容并联在电力电子门极可关断器件两端，实现多个电力电子门极可关断器件串联均压。

9. 一种用于权利要求1-8中任一所述的断路器的控制方法，包括以下步骤：

（1）当系统短路故障发生后，如果检测到系统电流超过阈值，则所述控制系统首先控制高速真空开关VB中的盘式斥力线圈放电回路导通，使得高速真空开关实现分闸动作，再控制电力电子门极可关断器件导通，此时LC强制转移电路的预充电电容C放电，其放电电流与高速真空开关VB中的电流方向相反，起到抵制高速真空开关VB中的电流的作用，使得流过高速真空开关VB的电流开始下降；

（2）当高速真空开关VB中电流降至阈值i2以下时，控制系统控制电力电子门极可关断器件关断，高速真空开关VB中电流上升，但不超过所述阈值i2，控制系统根据高速真空开关VB打开需要的延迟时间确定高速真空开关VB中电流上升时间，该上升时间完成后，控制电力电子门极可关断器件导通，高速真空开关VB电流下降；其中，重复导通和关断电力电子门极可关断器件，控制高速真空开关VB电流值始终处于所述阈值i2以下，并且电流整体呈下降趋势，从而降低高速真空开关VB电流过零点附近的变化率，实现平稳过零；

（3）在电流过零时，高速真空开关VB无弧打开；当LC强制转移电路两端电压达到系统过电压阈值时，过电压限制电路导通，使得高速真空开关VB两端电压被限制在一定范围；由于过电压限制电路两端电压高于系统电压，混合式直流断路器中流过的电流迅速下降至0，从而完成整个开断过程。