CN103219699A - 一种高压混合式直流断路器 - Google Patents

Abstract

一种高压混合式直流断路器，由多个完全相同的断路器模块串联组成，每个断路器模块包括主电流电路，转移电流电路、过电压限制电路以及控制系统。其中，高速机械开关、转移电流电路以及过电压限制电路并联，转移电流电路由电路1-电路4组成。其中：转移电路支路14串联后与主电流电路并联；预充电电容和电路3串联后与电路4并联；电路2一端与主电流电路的左端相连，一端与预充电电容和电路3的连接点处相连。通过多个完全相同的混合式断路器模块的串联，能够提高应用电压等级，实现高电压系统的短路分断，并可通过控制部分断路器模块进行分闸动作实现高电压等级情况下的短路限流功能。

Description

一种高压混合式直流断路器

技术领域

本发明涉及一种高压混合式直流断路器，特别涉及一种通过多个混合式直流断路器模块串联实现高电压等级领域的应用。

背景技术

由高速机械开关与大功率半导体器件组成的混合式直流断路器具有通流容量大、关断速度快、限流能力强等优点，已经成为直流开断领域的研究热点。混合式直流断路器为了限制、分断高上升率短路电流，必须反应迅速、动作可靠，从而能够在短路故障发生初期切断故障电路。一般来说，功率半导体器件的动作速度极快，因而机械开关的反应速度成为制约混合式直流断路器开断性能的瓶颈。同时由于混合型直流断路器在切断短路电流时机械开关两端会出现大于系统电压的瞬态过电压，因此对于混合式直流断路器的转移电流电路提出了更高的要求，通过调整转移电流电路的拓扑结构控制短路情况下两端的电压上升速率，使高速机械开关触头间隙可以承受开断过程过产生的电压，保证可靠分断。

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高压混合式直流断路器及其控制方法。该断路器由多个完全相同的断路器模块组成，通过断路器模块控制转移电流电路的功率半导体器件按照一定时序导通，可以有效限制断路器两端的过电压上升速率，并且由于开断过程中电容电流经过了两次转移，断路器模块开断完成后预充电电容上的电压方向与动作前的预充电电压方向一致，省去了电容C的充电过程。同时，通过控制部分断路器模块分闸可以实现短路限流功能。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高压混合式直流断路器，由多个完全相同的断路器模块串联组成，每个断路器模块包括主电流电路，转移电流电路、过电压限制电路以及控制系统。其中，高速机械开关FCB、转移电流电路以及过电压限制电路并联，转移电流电路由电路1-电路4组成。其中：转移电路支路14串联后与主电流电路并联；预充电电容和电路3串联后与电路4并联；电路2一端与主电流电路的左端相连，一端与预充电电容和电路3的连接点处相连。当所述转移电流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，使得主电流电路两端电压被限制在一定范围；所述控制系统监测主电流电路和转移电流电路中电路1的电流幅值和电流变化率，并根据监测结果控制断路器模块高速机械开关和转移电流电路中的电路1-电路4按照一定时序动作。

通过混合式断路器模块的串联，不仅可以提高应用电压等级，同时各个断路器模块之间连接方便，可以根据实际系统电压要求调整断路器模块串联个数。本发明包含的断路器不仅可以实现高电压等级下的短路分断，而且可以通过控制部分断路器模块进行分闸动作实现高电压等级下的短路限流功能。

具体的，本发明采用如下技术方案：

一种高压混合式直流断路器，所述高压混合式直流断路器由n个完全相同的断路器模块1-断路器模块n串联组成，S1-Sn+1为n+1个断路器模块系统接入端，其中所述断路器模块包括主电流电路，转移电流电路、过电压限制电路、控制系统，以及系统接入端Si、Si+1，其中1≤i≤n，且主电流电路、转移电流电路以及过电压限制电路并联，其特征在于：

(1)所述主电流电路由高速机械开关和功率半导体器件A0串联组成，其中：所述接入端Si连接所述高速机械开关的一端，以便实现所述接入端Si与所述主电流电路一端的连接；所述高速机械开关的另一端与所述功率半导体器件A0的一端相连；所述功率半导体器件A0的另一端则连接所述接入端Si+1，以便实现所述接入端Si+1与所述主电流电路的另一端的连接；

(2)所述转移电流电路包括功率半导体器件A1组成的电路1，电感L_0和功率半导体器件A2串联组成的电路2，电感L_1和功率半导体器件A3串联组成的电路3，功率半导体器件A4组成的电路4以及一预先充有一定电压的预充电电容器C，并且所述电路1与所述电路4串联，所述电路2则与所述电路3串联，其中：

(A)所述电路1和所述电路4串联组成转移电流电路支路14，且所述支路14与所述主电流电路并联，并且：所述接入端Si连接所述功率半导体器件A1的一端，以便实现与所述支路14的一端的连接；所述功率半导体器件A1的另一端则与所述功率半导体器件A4的一端连接以便实现所述电路1和所述电路4的串联；所述功率半导体器件A4的另一端则与所述接入端S2连接，以便实现所述支路14的另一端与所述接入端S2的连接，从而实现所述支路14与所述主电流电路的并联；

(B)所述电路2和所述电路3串联组成转移电流电路支路23，且所述支路23与所述主电流电路并联，并且：所述接入端Si连接所述电感L_0的一端，以便实现与所述支路23的一端的连接；所述电感L_0的另一端则连接所述功率半导体器件A2的一端；所述功率半导体器件A2的另一端则连接所述电感L_1的一端，以便实现所述电路2与所述电路3的串联；所述电感L_1的另一端则与所述功率半导体器件A3的一端连接；所述功率半导体器件A3的另一端则与所述接入端S2连接，以便实现所述支路23的另一端与所述接入端Si+1的连接，从而实现所述支路23与所述主电流电路的并联；

(C)所述电路1和所述电路4之间的端点，与所述电路2和所述电路3之间的端点，这两个端点之间则连接所述预充电电容器C；

(3)所述控制系统测量流经所述接入端Si或Si+1的电流、流经所述主电流电路的电流、流经所述转移电流电路中所述电路1的电流、流经所述过电压限制电路的电流、所述高速机械开关的开关两端的电压和所述高速机械开关的开关位移，通过测量所述主电流电路的电流幅值和变化率以及所述转移电流电路中电路1的电流幅值和变化率控制所述高速机械开关和转移电流电路中的功率半导体器件A1至A4动作。

其中，对于所述断路器模块，正常工作状态下，电流从所述主电流电路流过，所述预充电电容器C上充有一定的电压，且电压方向与所述主电流电路的导通压降方向相反；此时，所述转移电流电路中的电路1至电路4均处于关断状态，所述转移电流电路没有电流通过，所述过电压限制电路也没有电流流过；

当系统需要进行开断时，所述控制系统首先控制所述主电流电路中的所述高速机械开关进行分闸动作，由于所述高速机械开关存在机械延时，此时所述高速机械开关触头仍处于闭合状态；然后通过测量所述主电流电路的电流幅值和变化率以及所述转移电流电路中所述电路1的电流幅值和电流变化率确定所述转移电流电路中功率半导体器件A1至A4是否动作以及相应的动作时序。

其中，所述控制系统包括：用于测量流经所述接入端S1或S2电流的电流传感器T0、用于测量流经主电流电路的电流的电流传感器T1、用于测量流经转移电流电路中电路1的电流的电流传感器T2、用于测量流经过电压限制电路的电流的电流传感器T3、高速机械开关的开关两端电压传感器V，和高速机械开关的开关位移传感器P，以及：信号调理电路，高速AD，处理器和人机交互界面，所述处理器完成系统电流、主电流电路的电流和电路1电流的幅值及变化率di/dt计算，所述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。

其中，所述功率半导体器件A0和A2为具有单向导通功能的功率半导体器件或者其组合；所述功率半导体器件A1、A3和A4为具有单向导通功能和半控功能的功率半导体器件或者其组合，所述具有半控功能的功率半导体器件包括但不局限于晶闸管、IGCT、IGBT和GTO中的任意一个或者任意多个的组合。

其中，根据断路器模块开断方式不同，功率半导体器件A0-A4中的一个或者多个为全控型器件。

其中，所述过电压限制电路在断路器正常运行情况下处于截止状态，漏电流小于1μA；过电压限制电路的导通电压阈值为断路器所处的系统电压的1.5倍。

其中，当进行短路限流时，控制m个断路器模块进行短路限流动作，使其中的电流转移至所述断路器模块的所述过电压限制电路，其中0＜m＜n，并且m可变，从而在高压混合式直流断路器两端建立起不同的电压。

其中，在限流中轮流控制不同的所述m个断路器模块进行限流动作。

其中，进行分闸动作时，控制所述高压混合式直流断路器中所有的断路器模块进行分闸动作。

附图说明

图1是断路器模块结构示意图；

图2是断路器模块控制系统传感器分布示意图；

图3是断路器模块过电压限制电路伏安特性曲线图；

图4是断路器模块串联结构示意图；

图5是断路器模块分断电流大于额定电流时转移电流电路电流标志示意图；

图6是断路器模块分断电流大于额定电流时各转移电流电路电流流向图；

图7是分断电流大于额定电流时所有电流变化曲线叠加后的图；

图8是分断电流大于额定电流时，相应于图7，转移电流电路中各电流变化曲线图；

图9是断路器模块分断电流大于额定电流时预充电电容器电压曲线图；

图10是断路器模块分断电流大于额定电流时断路器两端电压曲线图；

图11是断路器模块分断电流小于等于额定电流时转移电流电路电流标志示意图；

图12是断路器模块分断电流小于等于额定电流时各转移电流电路电流流向图；

图13是分断电流小于等于额定电流时所有电流变化曲线叠加后的图；

图14是分断电流小于等于额定电流时，相应于图13，转移电流电路中各电流变化曲线图；

图15是断路器模块分断电流小于等于额定电流时断路器两端电压曲线图；

图16是本发明断路器模块的一种具体实施实例图；

图17是本发明断路器模块的一种具体实施实例图；

图18是本发明断路器模块的一种具体实施实例图；

图19是断路器模块控制系统框图；

图20是高压混合式直流断路器投入结构图；

图21是高压混合式直流断路器短路限流过程示意图；

图22是高压混合式直流断路器短路分断过程示意图。

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。

图1为断路器模块结构示意图，包括主电流电路、转移电流电路以及过电压限制电路。图2为断路器模块控制系统传感器在混合式断路器中的分布。图3给出了过电压限制电路的伏安特性曲线。图19是断路器模块控制系统框图。

参见图1，公开了一种混合式断路器模块，所述断路器模块包括主电流电路，转移电流电路、过电压限制电路，和控制系统，以及系统接入端S1、系统接入端S2，且主电流电路、转移电流电路以及过电压限制电路并联。

所述主电流电路由高速机械开关和功率半导体器件A0串联组成，其中：接入端S1连接高速机械开关的一端，以便实现接入端S1与主电流电路一端的连接；高速机械开关的另一端则与功率半导体器件A0的一端相连；功率半导体器件A0的另一端则连接所述接入端S2，以便实现接入端S2与所述主电流电路的另一端的连接。

所述转移电流电路包括功率半导体器件A1组成的电路1，电感L_0和功率半导体器件A2串联组成的电路2，电感L_1和功率半导体器件A3串联组成的电路3，功率半导体器件A4组成的电路4以及一预先充有一定电压的预充电电容器C，并且所述电路1与所述电路4串联，所述电路2则与所述电路3串联。

其中：所述电路1和所述电路4串联组成转移电流电路支路14，且所述支路14与所述主电流电路并联，并且：所述接入端S1连接所述功率半导体器件A1的一端，以便实现与所述支路14的一端的连接；所述功率半导体器件A1的另一端则与所述功率半导体器件A4的一端连接以便实现所述电路1和所述电路4的串联；所述功率半导体器件A4的另一端则与所述接入端S2连接，以便实现所述支路14的另一端与所述接入端S2的连接，从而实现所述支路14与所述主电流电路的并联。

所述电路2和所述电路3串联组成转移电流电路支路23，且所述支路23与所述主电流电路并联，并且：所述接入端S1连接所述电感L_0的一端，以便实现与所述支路23的一端的连接；所述电感L_0的另一端则连接所述功率半导体器件A2的一端；所述功率半导体器件A2的另一端则连接所述电感L_1的一端，以便实现所述电路2与所述电路3的串联；所述电感L_1的另一端则与所述功率半导体器件A3的一端连接；所述功率半导体器件A3的另一端则与所述接入端S2连接，以便实现所述支路23的另一端与所述接入端S2的连接，从而实现所述支路23与所述主电流电路的并联。

所述电路1和所述电路4之间的端点，与所述电路2和所述电路3之间的端点，这两个端点之间则连接所述预充电电容器C；

所述控制系统测量流经所述接入端S1或S2的电流、流经所述主电流电路的电流、流经所述转移电流电路中所述电路1的电流、流经所述过电压限制电路的电流、所述高速机械开关的开关两端的电压和所述高速机械开关的开关位移，通过测量所述主电流电路的电流幅值和变化率以及所述转移电流电路中电路1的电流幅值和变化率控制所述高速机械开关和转移电流电路中的功率半导体器件A1至A4动作。

其中，所述功率半导体器件A0和A2为具有单向导通功能的功率半导体器件或者其组合；所述功率半导体器件A1、A3和A4为具有单向导通功能和半控功能的功率半导体器件或者其组合。所述具有半控功能的功率半导体器件包括晶闸管、IGCT、IGBT和GTO中的任意一个或者任意多个的组合。应当知道，不仅半控器件具有半控功能，全控器件也具有半控功能。

但是，根据断路器开断方式不同，功率半导体器件A0-A4中的一个或者多个为全控型器件。

其中，所述高速机械开关为可以为基于电磁斥力的高速机械开关、基于高速电机驱动的机械开关或基于爆炸驱动的高速机械开关中的任意一种。

所述过电压限制电路为包括压敏电阻、氧化锌阀片组成的MOV、或者避雷器中的一个或者任意多个的组合。

参见图2，以及图19，断路器模块的控制系统包括：用于测量流经所述接入端S1或S2电流的电流传感器T0、用于测量流经主电流电路的电流传感器T1、用于测量流经转移电流电路中电路1的电流传感器T2、用于测量流经过电压限制电路的电流传感器T3、高速机械开关的开关两端电压传感器V，和高速机械开关的开关位移传感器P，以及：信号调理电路，高速AD，处理器和人机交互界面，所述处理器完成系统电流、主电流电路的电流和电路1电流的幅值及变化率di/dt计算，所述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。

1.断路器模块串联过程

如图4给出了断路器模块串联结构示意图。其中S1-Sn+1为n+1个断路器模块的系统接入端。为了便于断路器模块的连接，断路器模块之间均通过连接开关连接，连接开关可以包含但不局限于为隔离开关、真空开关等。连接为串联过程需要的设备，不属于本发明范畴。通过断路器模块串联可以提高混合式直流断路器的应用电压等级，同时各个断路器模块之间连接方便，可以根据实际系统电压要求调整断路器模块串联个数。

2.断路器模块过电压限制电路导通以及关断过程

如图3给出了过电压限制电路的伏安特性曲线。其中U1为过电压限制电路的导通阈值电压，U2为过电压限制电路具有电压钳位作用的最高电压。当过电压限制电路两端的电压小于U1时，过电压限制电路截止，其漏电流小于1uA，即处于关闭状态。当电压限制电路两端的电压达到其导通阈值后，随着电流的急剧增加，过电压限制电电路两端的电压变化很小。过电压限制电路设计参数包括：电压限制电路容量(吸收的能量)、导通电压阈值、达到导通电压时的电流、最高钳位电压以及处于最高钳位电压时电流。当电流大于最高钳位电压的电流时，过电压限制电路会失去电压钳位作用，即过电压限制作用失败。通常，过电压限制电路导通阈值为正常运行状态的1.5倍，即过电压限制电路导通后由于其电压钳位作用，当其内部有电流存在(大于1mA)时两端电压高于系统电压，直至系统电流小于1mA时过电压限制电路截止关断。

3.断路器模块分断过程

(1)分断电流大于额定电流情况

图5给出了断路器模块分断电流大于额定电流时转移电流电路各支路电流标志，其中i0为流经接入端S1或者接入端S2的电流，i1为流经主电流电路的电流，i2为流经电路1的电流，i3为流经电路2的电流，i4为流经预充电电容器C的电流，i5为流经电路3的电流，i6为流经电路4的电流，i7为流经过电压限制电路的电流。

图6给出了断路器模块分断电流大于额定电流时转移电流电路中各支路电流方向具体的为对应从t0到t9各时刻的各支路电流方向。图7给出了分断电流大于额定电流时所有电流变化曲线叠加后的图。图8给出了分断电流大于额定电流时，相应于图7，转移电流电路各个支路电流变化曲线图，其具体的操作步骤包括以下几个方面：

1)如图7，图8(a)所示，在时间t0之前，系统正常运行，电流全部从主电流电路流过，如图6(a)所示，系统额定电压为U0，额定电流为第一额定电流I0。

2)t0时刻，系统发生短路故障，主电流电路电流开始上升，在t0和t1间，当超过系统短路阈值时，控制系统动作，由于高速机械开关延迟时间比功率半导体器件的响应时间长，首先控制高速机械开关进行分闸动作。

3)t1时刻，如图6(b)所示，控制功率半导体器件A1和A3导通，由于预充电电容器两端的电压方向与主电流电路两端电压方向相反，即功率半导体器件A1、电容C，电感L_1和功率半导体器件A3组成的支路两端压降比主电流电路两端压降低。主电流电路中的电流开始向下转移，即i1开始下降，i2开始上升，如图8(b)和(c)所示。

4)t2时刻，如图6(c)所示，高速机械开关电流全部转移至功率半导体器件A1、电容C，电感L_1和功率半导体器件A3组成的支路。如图9所示，此时电容C两端的电压方向没有改变。

5)t3时刻，高速机械开关触头无弧打开，混合式断路器模块两端开始建立电压，由于此时电容C上的方向依旧没有改变，因此断路器模块两端压降为负。在t3到t4时刻间，由于电感L_1的存在，因此断路器模块两端的电压U比电容C上的电压Uc要高，即断路器模块两端电压U的方向先与电容C电压改变。

6)t4时刻，电容电压开始反向，则电路2两端的电压为功率半导体器件A1和电容C上压降之和，由于该电压值为正，功率半导体器件A2导通，如图6(d)电流开始从电路1向电路2转移。图8(c)和(d)给出了i2和i3电流变化曲线。此后，断路器模块两端电压U继续上升。

7)t5时刻，电路1中的电路全部转移至电路2，如图6(e)所示。电路1中的功率半导体器件A1截止。此时，电容C上流过的电流为0，电容C上建立的电压方向与初始预充电电压方向相反。当电路1电流截止时，断路器模块两端的电压将从电路1、电容C和电路3三者电压之和变为转移电流电路支路23两者电压之和，因此t5时刻之后断路器模块两端电压存在一个突变Δu₁存在。由于A1彻底截止需要一定的时间，t5-t6时间为功率半导体器件A1截止预留时间。图8中的(d)、(e)和(f)给出了i3、i4和i5电流变化曲线。

8)t6时刻，电路4中的功率半导体器件A4打开，如图6(f)所示，电容C和电路4两端的电压之和为负，因此电路3中的电流开始向电容C和电路4转移。电路4导通时，断路器模块的电压将从转移电流电路支路23两者电压之和变为电路2、电容C和电路4三者电压之和，因此存在电压跳变Δu₂。由于电容C上流过的电流方向相反，因此电容上的电压开始正想上升。图8的(d)、(e)、(f)和(g)给出了i3、i4i5和i6电流变化曲线。

9)t7时刻，电路3中的电流全部转移至电容C和电路4，如图6(g)所示。此后，电路4无电流截止关断，电容C由于电流充电作用电压继续正向上升，在t7时刻以后一定时间内，电压方向发生改变。随着电容充电电压的上升，当断路器模块两端的电压达到系统电压U0时，开断过程电流达到峰值Ip。此后，由于断路器模块两端的电压高于系统电压，系统电流开始下降。

10)t8时刻，电路2、电容C以及电路4三者电压之和(断路器模块两端的电压)达到了过电压限制电路的导通阈值，过电压限制电路导通。如图6(h)所示，电流开始向过电压限制电路转移。此时电容C上电流减小，但是依旧处于充电状态，因此电容C上的电压和断路器两端的电压依旧上升，但是由于过电压限制电路的电压钳位作用，上升幅度很小。图8的(g)和(h)给出了i6和i7电流变化曲线。

11)t9时刻，电路2、电容C以及电路4中的电流全部转移至过电压限制电路，此时电容C上的电压和断路器模块两端的电压达到最高值，其中Up为开断过程中断路器模块两端过电压峰值。由于电路2和电路4上的电压主要取决于电感L_0上的电压，在电流下降过程中电感L_0和电容C电压Uc上的电流相反，因此电容电压Uc的峰值要高于断路器模块两端的电压峰值Up。另外，由于系统电流处于下降过程，过电压限制电路中的电流将开始下降，断路器模块两端的电压也开始缓慢下降，当系统电流小于过电压限制电路的最小导通电流1mA时。过电压限制电路关闭，过电压限制电路两端电压迅速下降。

12)t10时刻，过电压限制电路中的电流为0，断路器模块开断完成，断路器模块两端的电压降为系统电压。图8(a)给出了整个断路器模块开断过程中系统电流的变化曲线。

从以上开断过程可以看出，本发明通过高速机械开关串联功率半导体器件实现机械触头的无弧打开，触头间介质恢复特性好，断路器模块承受开断过电压能力强。同时，断路器模块主要通过电容C的充电电压使过电压限制电路导通来实现开断，并且通过控制电容C上的电流方向可以实现开断过程中电压上升速率的限制。图9和图10分别给出了断路器模块分断电流大于额定电流时预充电电容器电压曲线图和断路器模块两端的电压曲线图。从图9和图10可知，断路器模块两端电压存在Δu₁和Δu₂两个下降过程，限制了断路器模块两端电压的上升，为高速机械开关触头提供一定的运动时间，防止机械开关重击穿。由于开断过程中电容C上的电压方向改变了两次，因此最终开断完成后电容C上的电压方向与预充电电压方向一致，避免了下次开断给电容C的充电过程。

(2)分断电流小于等于额定电流情况。

图11给出了断路器模块分断电流小于等于额定电流时转移电流电路各支路电流标志，其中，i0为流经接入端S1或者接入端S2的电流，i1为流经主电流电路的电流，i2为流经电路1的电流，i7为流经过电压限制电路的电流。

图12给出了断路器模块分断电流小于等于额定电流时转移电流电路中各支路电流方向，具体的为各时刻的各支路电流方向。图13给出了分断电流小于等于额定电流时所有电流变化曲线叠加后的图；图14则是分断电流小于等于额定电流时，相应于图13，转移电流电路中各电流变化曲线图，具体的为i0、i1、i2、i7各支路电流变化曲线图。图15给出了断路器模块分断电流小于等于额定电流时两端的电压变化。

在该情况下，断路器模块可以按照大于额定电流情况分断，但是小电流情况下电容充放电的时间较长，因此整个开断时间较长。本发明提供了断路器模块另外一种开断方式。其具体的操作步骤包括以下几个方面：

1)t0时刻前，系统正常运行电流全部从主电流电路流过，如图12(a)所示，系统额定电压为U0，系统电流为第二额定电流I1(第二额定电流I1＜＝第一额定电流I0)。当需要进行开断时，首先控制高速机械开关进行分闸动作。

2)t0时刻，高速机械开关触头开始拉开产生电弧。控制转移电流电路支路14中的功率半导体器件打开，电流开始向下转移，如图12(b)所示。随着高速机械开关触头打开，断路器模块两端的电压为电弧电压，由于电弧电压高于转移电流电路支路14两端的电压之和，高速机械开关中的电流迅速转移至转移电流电路支路14。图14(b)和(c)给出了i1和i2的变化曲线。

3)t1时刻，高速机械开关中的电流全部转移至转移电流电路支路14。如图12(c)所示。此后，高速机械开关触头继续运动，以达到足够开距可以承受开断过程中产生的过电压。

4)t2时刻，高速机械开关触头开距可以承受开断过程过电压，控制电路4中的全控型器件A4关断，断路器模块两端的电压急剧上升，达到过电压限制电路的导通阈值，转移电流电路支路14中的电流开始向过电压限制电路转移。如图12(c)所示，开断过程中断路器模块两端过电压峰值为Up。此后，系统电流开始下降，随着过电压限制电路中的电流下降，断路器模块两端电压有所下降。图14(c)和(d)给出了i2和i7的变化曲线，当系统电流小于过电压限制电路的最小导通电流1mA时，过电压限制电路两端电压迅速下降。

5)t3时刻，过电压限制电路电流降为0，断路器模块两端电压降为系统电压，整个开断过程完成。

以上仅为本发明包含的但不局限于这两种开断方式。图16，图17和图18分别给出了本发明的断路器模块一种具体实例。图16中转移电流电路中没有全控型器件，成本较低，器件可靠性高，但是小电流分断时间较长。图17中电路2中A2采用了半控型器件，分断过程中控制A1的导通时刻，可以改变电流从电路1向电路2的转移时间，由于没有全控型器件，成本低，小电流分断时间较长。图18中电路4中的A4采用了全控型器件，分断过程中当电路4中的电流小于A4的关断电流时，即可以控制A4关断，进而缩短断路器分断时间。

因此，应当知道，在本发明中，所有功率半导体器件可以采用全控器件，但是不同开断方式A0-A4可能需要为半控或者全控型器件。

图19给出了本发明断路器模块控制系统的设计结构。

用于测量流经所述接入端S1或S2电流的电流传感器T0、用于测量流经主电流电路的电流的电流传感器T1、转移电流电路中电路1的电流传感器T2、过电压限制电路的电流传感器T3、高速机械开关的开关两端电压传感器V，和高速机械开关的开关位移传感器P，以及：信号调理电路，高速AD，处理器和人机交互界面。所述系统电流、所述主电流电路的电流，电路1的电流，所述过电压限制电路电流、高速机械开关电压、高速机械开关位移的数值经过滤波放大，进入AD处理计算，所述计算包括但不限于主电流电路电流，电路1的电流的幅值及变化率di/dt的计算，经过处理器的保护算法和延时控制后，进行高速机械开关控制，功率半导体器件控制，所述人机交互界面实时显示混合式直流断路器状态及各类计算结果。

应当知道：

所述高速机械开关为基于电磁斥力的高速机械开关、基于高速电机驱动的机械开关或基于爆炸驱动的高速机械开关。

所述具有半控功能的功率半导体器件包括晶闸管、IGCT、IGBT和GTO中的任意一个或者任意多个的组合。

所述过电压限制电路包括压敏电阻及其辅助电路。

所述过电压限制电路包括由氧化锌阀片组成的MOV、或避雷器。

4.高压混合式直流断路器投入过程

图20给出了高压混合式直流断路器投入结构图，其中X1-X4为系统接入端，隔离开关1和隔离开关2为投入过程需要的设备，不属于本发明范畴。其具体过程分为以下几个部分：

1)在隔离开关1和隔离开关2断开的情况下将高压混合式直流断路器连入系统接入点端X2和X3，接入时，所有断路器模块高速机械开关触头处于断开状态。

2)合上隔离开关1和隔离开关2。此时，所有断路器模块功率半导体器件处于关闭状态，系统电压在断路器模块两端。

3)控制断路器模块中的A1和A4功率半导体器件导通，则断路器模块的电压被功率半导体器件导通压降限制，此时断路器模块的电流全部从转移电流电路支路14流过。

4)控制断路器模块高速机械开关合闸，由于高速机械开关两端的电压功率为半导体器件的导通压降，合闸过程不会出现电弧。

5)断路器模块合闸完成后，由于主电流电路两端的电压小于转移电流电路支路14两端的电压，因此断路器模块A1和A4中流过的电流迅速转移至主电流电路。当断路器模块电流全部转移至主电流电路后功率半导体器件A1和A4自动关断。

6)高压混合式直流断路器中的电流全部从断路器模块的主电流电路电流，断路器投入过程完成，开始正常运行。

5.高压混合式直流断路器短路限流过程

本发明包含多个断路器模块串联，正常情况下，系统电流全部从断路器模块的主电流电路流过，断路器两端的压降很小。当系统发生短路故障情况时，可以控制其中的一个或者多个断路器模块进行限流动作，使其中的电流转移至断路器模块的过电压限制电路，这样，就在相应的断路器模块两端建立起一定的电压，即在高压混合式直流断路器两端建立起一定电压，限制短路电流的上升。

同时，根据短路限流要求，本发明可以控制不同数量的断路器模块进行限流动作，从而在高压混合式直流断路器两端建立起不同电压，实现不同程度的短路限流功能。由于过电压限制电路吸收能量有一定限制，即在一定的电流导通情况下，过电压限制电路有一定的导通时间上限，其吸收的能量计算方法为：在过电压限制电路导通时间内对过电压限制电路两端的电压和过电压限制电路中流过的电流乘积进行积分。当过电压限制电路吸收能量达到其上限时，需要控制相应的断路器模块转移电流电路中的功率半导体器件导通，断路器模块中的电流从过电压限制电路转移至转移电流电路，进而控制高速机械开关合闸，电流又全部转移至主电流电路。同时控制其他处于合闸状态的断路器模块进行限流动作，继续维持限流功能。当限流过程完成后，控制所有处于限流状态的断路器模块中转移电流电路中的功率半导体器件导通，电流从过电压限制电路转移至转移电流电路，最后控制高速机械开关合闸，所有电流全部从断路器模块的主电流电路流过，高压混合式直流断路器两端压降很小，恢复正常运行状态。

例如，在进行短路限流时，控制m个断路器模块进行短路限流动作，使其中的电流转移至所述断路器模块的所述过电压限制电路，其中0＜m＜n，并且m可变，从而在高压混合式直流断路器两端建立起不同的电压，即所需的电压。

优选地，在限流中轮流控制不同的所述m个断路器模块进行限流动作，以避免过电压限制电路吸收能量达到其上限。

图21给出了高压混合式直流断路器的短路限流过程示意图，其具体过程包含以下几个部分：

1)正常运行状态下，高压混合式直流断路器中的电流全部从主电流电路流过，如图21(a)所示。

2)当系统发生短路故障后，首先控制n(n＞1)个断路器模块中的m(0＜m＜n)个进行限流动作，电流向转移电流电路的功率半导体器件转移，如图21(b)所示。

3)当m个断路器模块转移电流电路两端的电压达到其两端并联的过电压限制电路的导通电压阈值时，m个断路器模块的过电压限制电路导通，在其两端建立起一定的压降，限制短路电流的上升，如图21(c)所示。

4)由于过电压限制电路吸收能量有一定限制，在其导通一定时间后需要关断以冷却耗散能量。因此，当m个断路器模块的过电压限制电路导通时间达到上限时，控制转移电流电路的功率半导体器件导通，过电压限制电路中的电流迅速转移至转移电流电路。同时，控制剩余的n-m个断路器模块中的m个断路器模块进行分闸动作，其电流开始向转移电流电路转移，如图21(d)所示。

5)当后进行限流动作的的m个混合式断路器转移电流电路两端电压达到过电压限制电路的导通阈值时，该m个断路器模块两端建立起一定的压降，限制短路电流上升，如图21(e)所示。通过如上所述的方式依次控制不同的m个断路器模块进行限流动作，就可以实现持续的短路限流功能，同时可以根据短路限流要求，调整限流动作的断路器模块的个数，即调整m，以实现不同程度的限流功能。

6)当限流过程完成后，控制处于过电压限制电路导通状态的断路器模块的转移电流电路导通，电流转移至转移电流电路的功率半导体器件中，如图21(f)所示。

7)控制所有断路器模块高速机械开关进行合闸，电流全部转移至主电流电路，断路器限流过程完成，如图21(g)所示。

6.高压混合式直流断路器分断过程

当高压混合式直流断路器需要进行分闸动作时，由于单个断路器模块分闸后其过电压限制电路两端的电压小于系统电压，电流继续从断路器模块中流过，无法分断电路。因此，需要控制高压混合式直流断路器中所有的断路器模块进行分闸动作，在断路器两端建立起高于系统电压的压降，这样流过所有断路器模块中的电流才会下降，最终完成分断。

图22给出了高压混合式直流断路器的分断过程示意图，其具体过程包含以下几个部分：

1)正常运行状态下，高压混合式直流断路器中的电流全部从主电流电路流过，如图22(a)所示。

2)当需要进行分闸动作时，首先控制所有断路器模块进行分闸动作，电流向转移电流电路的功率半导体器件转移，如图22(b)所示。

3)当断路器模块转移电流电路两端的电压达到其两端并联的过电压限制电路的导通阈值时，过电压限制电路导通。当所有断路器模块的过电压限制电路导通时，高压混合式直流断路器两端压降高于系统电压，系统电流开始下降，如图22(c)所示。

4)当系统电流降为0时，所有断路器模块过电压限制电路中的电流截止，过电压限制电路关断，高压混合式直流断路器完成短路分断，所有断路器模块处于分断状态，如图22(d)所示

本发明公开了一种高压混合式直流断路器，该断路器包括多个断路器模块，所述断路器模块包括：主电流电路，转移电流电路、过电压限制电路以及控制系统。转移电流电路包括预充电电容器，电感以及功率半导体器件。当断路器模块的开断电流大于等于其额定电流时，通过控制转移电流电路的功率半导体器件按一定时序动作，不仅可以实现高速机械开关触头无弧打开，而且可以改变预充电电容器电流方向，进而改变预充电电容器两端的电压方向实现对断路器模块两端开断过电压上升速率的限制。由于高速机械开关是无弧打开，触头间介质恢复特性好，结合转移电流电路对开断过电压的限制，可以显著提高开断的可靠性。当断路器模块分断电流小于其额定电流时，首先控制转移电流电路中的功率半导体器件导通，使开关打开后电流迅速转移至功率半导体器件中，当高速机械开关触头间开距可以承受恢复过电压时，依靠具有门极可关断功能的功率半导体器件切断转移电流电路中的电流实现分断。由于断路器模块分断完成后预充电电容上电压方向没有改变，首次给预充电电容器充电后就可以重复进行开断，省去了电容器的充电装置。

通过混合式断路器模块的串联，不仅可以提高应用电压等级，同时各个断路器模块之间连接方便，可以根据实际系统电压要求调整断路器模块串联个数。本发明包含的断路器不仅可以实现高电压等应用下的短路分断，而且可以通过控制部分断路器模块进行分闸动作实现高电压等级情况下的短路限流功能。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。

Claims (9)

1.一种高压混合式直流断路器，所述高压混合式直流断路器由n个完全相同的断路器模块1-断路器模块n串联组成，S1-Sn+1为n+1个断路器模块系统接入端，其中所述断路器模块包括主电流电路，转移电流电路、过电压限制电路、控制系统，以及系统接入端Si、Si+1，其中l≤i≤n，且主电流电路、转移电流电路以及过电压限制电路并联，其特征在于： 

(1)所述主电流电路由高速机械开关和功率半导体器件A0串联组成，其中： 

所述接入端Si连接所述高速机械开关的一端，以便实现所述接入端Si与所述主电流电路一端的连接； 

所述高速机械开关的另一端与所述功率半导体器件A0的一端相连； 

所述功率半导体器件A0的另一端则连接所述接入端Si+1，以便实现所述接入端Si+1与所述主电流电路的另一端的连接； 

(2)所述转移电流电路包括功率半导体器件A1组成的电路1，电感L_0和功率半导体器件A2串联组成的电路2，电感L_1和功率半导体器件A3串联组成的电路3，功率半导体器件A4组成的电路4以及一预先充有一定电压的预充电电容器C，并且所述电路1与所述电路4串联，所述电路2则与所述电路3串联，其中： 

(A)所述电路1和所述电路4串联组成转移电流电路支路14，且所述支路14与所述主电流电路并联，并且： 

所述接入端Si连接所述功率半导体器件A1的一端，以便实现与 所述支路14的一端的连接； 

所述功率半导体器件A1的另一端则与所述功率半导体器件A4的一端连接以便实现所述电路1和所述电路4的串联； 

所述功率半导体器件A4的另一端则与所述接入端S2连接，以便实现所述支路14的另一端与所述接入端S2的连接，从而实现所述支路14与所述主电流电路的并联； 

(B)所述电路2和所述电路3串联组成转移电流电路支路23，且所述支路23与所述主电流电路并联，并且： 

所述接入端Si连接所述电感L_0的一端，以便实现与所述支路23的一端的连接； 

所述电感L_0的另一端则连接所述功率半导体器件A2的一端； 

所述功率半导体器件A2的另一端则连接所述电感L_1的一端，以便实现所述电路2与所述电路3的串联； 

所述电感L_1的另一端则与所述功率半导体器件A3的一端连接； 

所述功率半导体器件A3的另一端则与所述接入端S2连接，以便实现所述支路23的另一端与所述接入端Si+1的连接，从而实现所述支路23与所述主电流电路的并联； 

(C)所述电路1和所述电路4之间的端点，与所述电路2和所述电路3之间的端点，这两个端点之间则连接所述预充电电容器C； 

(3)所述控制系统测量流经所述接入端Si或Si+1的电流、流经所述主电流电路的电流、流经所述转移电流电路中所述电路1的电 流、流经所述过电压限制电路的电流、所述高速机械开关的开关两端的电压和所述高速机械开关的开关位移，通过测量所述主电流电路的电流幅值和变化率以及所述转移电流电路中电路1的电流幅值和变化率控制所述高速机械开关和转移电流电路中的功率半导体器件A1至A4动作。 

2.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于： 

对于所述断路器模块，正常工作状态下，电流从所述主电流电路流过，所述预充电电容器C上充有一定的电压，且电压方向与所述主电流电路的导通压降方向相反；此时，所述转移电流电路中的电路1至电路4均处于关断状态，所述转移电流电路没有电流通过，所述过电压限制电路也没有电流流过； 

当系统需要进行开断时，所述控制系统首先控制所述主电流电路中的所述高速机械开关进行分闸动作，由于所述高速机械开关存在机械延时，此时所述高速机械开关触头仍处于闭合状态；然后通过测量所述主电流电路的电流幅值和变化率以及所述转移电流电路中所述电路1的电流幅值和电流变化率确定所述转移电流电路中功率半导体器件A1至A4是否动作以及相应的动作时序。 

3.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于：所述控制系统包括：用于测量流经所述接入端S1或S2电流的电流传感器T0、用于测量流经主电流电路的电流的电流传感器T1、用于测量流经转移电流电路中电路1的电流的电流传感器T2、用于测量流经过电压限制电路的电流的电流传感器T3、高速机械开关的开关两端电压传感 器V，和高速机械开关的开关位移传感器P，以及：信号调理电路，高速AD，处理器和人机交互界面，所述处理器完成系统电流、主电流电路的电流和电路1电流的幅值及变化率di/dt计算，所述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1-3中任意一项所述的断路器，其特征在于：所述功率半导体器件A0和A2为具有单向导通功能的功率半导体器件或者其组合；所述功率半导体器件A1、A3和A4为具有单向导通功能和半控功能的功率半导体器件或者其组合，所述具有半控功能的功率半导体器件包括但不局限于晶闸管、IGCT、IGBT和GTO中的任意一个或者任意多个的组合。 

5.根据权利要求1-3中任意一项所述的断路器，其特征在于：根据断路器模块开断方式不同，功率半导体器件A0-A4中的一个或者多个为全控型器件。 

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的断路器，其特征在于： 

所述过电压限制电路在断路器模块正常运行情况下处于截止状态，漏电流小于1μA；过电压限制电路的导通电压阈值为断路器模块所处的系统电压的1.5倍。 

7.根据权利要求6所述的断路器，其特征在于：当进行短路限流时，控制m个断路器模块进行短路限流动作，使其中的电流转移至所述断路器模块的所述过电压限制电路，其中0＜m＜n，并且m可变，从而在高压混合式直流断路器两端建立起不同的电压。 

8.根据权利要求7所述的断路器，其特征在于：在限流中轮流 控制不同的所述m个断路器模块进行限流动作。 

9.根据权利要求8所述的断路器，其特征在于： 

进行分闸动作时，控制所述高压混合式直流断路器中所有的断路器模块进行分闸动作。 

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