CN106207953B - 大功率混合式直流断路器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率混合式直流断路器，包括有机械断路器、固态断路器、爆炸开关和耗能电阻，机械断路器包括有快速分断断路器和快速隔离开关，固态断路器包括有低压固态断路器和高压固态断路器；快速隔离开关与低压固态断路器串联构成第一级电流转移支路，高压固态断路器构成第二级电流转移支路，快速分断断路器分别与第一、二级电流转移支路并联构成主保护开关单元，然后与由爆炸开关构成的后备保护单元串联，最后与由耗能电阻单元构成的能量耗散支路并联。本发明具有大功率、大容量的直流开断能力，其控制简单，系统可靠性高，可应用于超导磁体系统的失超保护开关或直流输配电网络中的直流断路器等领域。

Description

大功率混合式直流断路器

技术领域

本发明涉及直流断路器领域，具体是一种大功率混合式直流断路器。

背景技术

随着国民经济和科技的快速发展，对大功率直流电源系统的参数和容量要求越来越高，如快速发展的直流输电系统、轨道交通、超导储能磁体等领域。这些直流电源系统及其特殊的负载，一旦出现故障而不能及时保护将会带来不可估量的经济损失和社会影响，而本发明的大功率新型混合直流断路器系统是实现上述直流电源系统及其特殊负载保护的关键设备。

传统机械式直流断路器具有通态阻抗低、损耗小，耐压能力强等的优点，同时也存在动作时间长和分断电流能力有限的缺点。此外，每次分断电流过程中都有电弧的产生，降低了机械断路器的使用寿命。由于大功率半导体器件的飞速发展，固态断路器具有无触点、无噪声、寿命长、维护方便和快速的优良分断性能，但较大的导通损耗制约其发展。

混合式直流断路器结合了传统机械式断路器低通态损耗和固态断路器快速分断的优点，但随着直流分断电流及反向恢复电压的提高，如本发明应用于开断开断电压达20kV，额定导通电流达70 kA的大功率直流断路器场合，目前的混合式直流断路器主要面临以下几个问题：

1、分断大电流情况下，机械断路器由于大电流灭弧问题具有较长的绝缘恢复时间同时也使得可靠动作次数减少，较快的绝缘恢复时间是电源系统保护的重要指标，而可靠动作次数减少降低了其使用寿命。

2、固态断路器由于反向恢复电压的提高，使得必须提高电力电子器件的串联数，而机械断路器换流时的较低弧电压不足以使得电力电子器件串联支路有效的导通。

3、当机械断路器与固态断路器在大电流关断时失效，必须有后备保护措施来实现可靠的换流与分断，以避免系统故障扩大。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足，提供一种大功率混合式直流断路器，可应用于大功率直流电源系统所需系统保护的直流断路器等领域，如大型聚变装置的超导磁体系统失超保护开关系统、国防、轨道交通和直流输配电网络等。

本发明的技术方案如下：

一种大功率混合式直流断路器，包括有机械断路器、固态断路器、爆炸开关和耗能电阻，其特征在于：所述的机械断路器包括有快速分断断路器和快速隔离开关，所述的固态断路器包括有低压固态断路器和高压固态断路器；所述的快速隔离开关与所述低压固态断路器串联构成第一级电流转移支路，所述的高压固态断路器构成第二级电流转移支路，所述的快速分断断路器分别与所述第一、二级电流转移支路并联构成主保护开关单元，然后与由所述爆炸开关构成的后备保护单元串联，最后与由所述耗能电阻单元构成的能量耗散支路并联。

进一步的，快速隔离开关是在零电流下无弧快速断开，并可迅速恢复高压阻断能力。

进一步的，低压固态断路器由若干个电力电子器件并联组成，低压固态断路器可短时承受大电流且开断产生的电压使高压固态断路器可靠导通，每个电力电子器件的两端分别并联有吸收电路和过电压限制器，来防止器件过电压而损坏，可以根据导通的电流等级来确定电力电子器件的并联数量。

进一步的，高压固态断路器由若干个电力电子器件支路并联组成，可以承受换流时的瞬间大电流，每个电力电子器件支路分别由若干个电力电子器件串联组成，可以承受换流到耗能电阻时的反向恢复电压，可以根据实现的电压与电流等级来确定电力电子器件的串并联数量，每个电力电子器件支路中分别串联有均流电感，来实现每个电力电子器件支路的动静态均流，每个电力电子器件的两端分别并联有吸收电路、均压电阻和过电压限制器，来防止器件过电压而损坏。

进一步的，爆炸开关是在机械断路器和高、低压固态断路器失效情况下，通过引爆雷管和炸药，使爆炸开关开断迅速将电流转移至耗能电阻单元支路上，以避免机械断路器、固态断路器损坏和系统故障扩大。

当系统正常运行时，电源系统通过大功率爆炸开关与快速分断断路器给负载提供稳态直流电流。当系统故障时，断开快速分断断路器和开通低压固态断路器，电流向第一级电流转移支路换流。当第一级电流转移支路换流完成后，发出高压固态断路器导通信号，当快速分断断路器恢复电压阻断能力时，关断低压固态断路器，使得第一级电流转移支路的电压上升，进而使得高压固态断路器迅速导通，从而使得电流向第二级电流转移支路换流。当快速隔离开关满足承受高电压阻断能力时，关断高压固态断路器产生高电压向耗能电阻换流，实现直流电源系统故障的保护。如果当机械断路器或固态断路器失效时，断开爆炸开关，使得电流可靠向耗能电阻换流。

本发明的有益效果：

本发明在分断直流大电流下，机械断路器关断时不需要提供较高的弧压来实现固态断路器可靠导通，且快速隔离开关可实现无弧快速断开，使其具有较快的绝缘恢复时间；本发明采用多次的换流过程，降低了机械断路器的设计要求同时实现固态断路器换流时的可靠导通，是实现大功率直流开断和能量快速转移的有效途径。

附图说明

图1为本发明的电路结构示意图。

图2为本发明中低压固态断路器的电路结构示意图。

图3为本发明中高压固态断路器的电路结构示意图。

图4为本发明的时序图及各支路电流波形图。

具体实施方式

参见图1、2、3，一种大功率混合式直流断路器，包括有机械断路器、固态断路器、爆炸开关和耗能电阻，机械断路器包括有快速分断断路器和快速隔离开关，固态断路器包括有低压固态断路器和高压固态断路器；快速隔离开关与低压固态断路器串联构成第一级电流转移支路，高压固态断路器构成第二级电流转移支路，快速分断断路器分别与第一、二级电流转移支路并联构成主保护开关单元，然后与由爆炸开关构成的后备保护单元串联，最后与由耗能电阻单元构成的能量耗散支路并联。

本发明中，快速分断断路器在系统正常工作时具有通态阻抗低、损耗小等优点，而系统故障时，快速分断及产生20V左右的弧压以满足第一级电流转移支路的低压固态断路器导通条件，使得电流向第一级电流转移支路转移。

快速隔离开关在第一级电流转移支路换流完成后关断，此时电流为零，具有关断时无电弧产生，提高了触头的可靠性；同时关断后承受换流完成后的高开断电压。

低压固态断路器由若干个电力电子器件并联组成，低压固态断路器可短时承受大电流且开断产生的电压使高压固态断路器可靠导通，每个电力电子器件的两端分别并联有吸收电路和过电压限制器，来防止器件过电压而损坏，可以根据导通的电流等级来确定电力电子器件的并联数量。

低压固态断路器的吸收电路因关断时产生高压，使得高压固态断路器有效导通，迫使电流向第二级电流转移支路转移。

高压固态断路器由若干个电力电子器件支路并联组成，可以承受换流时的瞬间大电流，每个电力电子器件支路分别由若干个电力电子器件串联组成，可以承受换流到耗能电阻时的反向恢复电压，可以根据实现的电压与电流等级来确定电力电子器件的串并联数量，每个电力电子器件支路中分别串联有匀流电感，来实现每个电力电子器件支路的动静态均流，由于电力电子器件自身的参数不一致性、驱动控制板信号的不一致性以及每个电力电子器件串联支路寄生参数的不一致性，每个电力电子器件的两端分别并联有吸收电路、均压电阻和过电压限制器，来防止器件过电压而损坏。

电力电子器件可采用IGBT、IGCT、IEGT之中的任一种大功率器件电力电子器件，电压限制器采用氧化锌MOV或避雷器。

爆炸开关不仅要满足正常工作条件下的额定大电流通流能力，还要满足在机械旁路断路器或固态断路器失效情况下，迅速可靠的开断大电流并产生高电压，将能量转移至耗能电阻。

本发明实现三次换流过程，正常直流开断和能量快速转移的工作原理和动作时序如图4所示，其中In为系统工作电流。

1、系统正常运行时，系统工作电流由快速分断机械断路器和与之串联提供后备保护的爆炸开关向负载供电，此时快速隔离开关也处于闭合状态；

2、若t1时刻检测到故障发生，立刻发出快速分断断路器的分断命令与低压固态断路器导通命令，经过机械触头固有动作延时后，在t2时刻，触头打开并产生电弧电压，迫使电流从快速分断断路器支路开始换流到第一级电流转移支路中；

3、在t3时刻，快速分断断路器触头完全断开电流换向结束，这时电流完全转移到第一级换流单元支路；此时发出高压固态断路器导通命令，同时等待快速分断断路器触头恢复高电压阻断能力（t3~t4时刻）；

4、在t4时刻，此时快速分断断路器触头具有恢复高电压阻断能力，发出低压固态断路器关断命令，低压固态断路器的吸收电路因关断时产生高压，使得高压固态断路器有效导通，迫使电流从第一级电流转移支路向第二级电流转移支路转移；

5、在t5时刻，当电流完全从第一级电流转移支路转移到第二级电流转移支路时，此时发出快速隔离开关的分断命令，快速隔离开关在零电流的情况下断开，并迅速具有高压阻断能力；

6、在t6时刻，高压固态断路器关断产生高开断电压，负载工作电流开始迅速转移到耗能电阻单元上；

7、在t7时刻，负载工作电流完全转移到耗能电阻，磁体电流快速衰减，使得磁体能量迅速转移并消耗在耗能电阻上。

本发明具有大功率、大容量的直流开断能力，其控制简单，系统可靠性高。

Claims (1)

1.一种大功率混合式直流断路器，包括有机械断路器、固态断路器、爆炸开关和耗能电阻单元，其特征在于：所述的机械断路器包括有快速分断断路器和快速隔离开关，所述的固态断路器包括有低压固态断路器和高压固态断路器；所述的快速隔离开关与所述低压固态断路器串联构成第一级电流转移支路，所述的高压固态断路器构成第二级电流转移支路，所述的快速分断断路器分别与所述第一、二级电流转移支路并联构成主保护开关单元，然后与由所述爆炸开关构成的后备保护单元串联，最后与由所述耗能电阻单元构成的能量耗散支路并联；

所述的低压固态断路器由若干个电力电子器件并联组成，每个电力电子器件的两端分别并联有吸收电路和过电压限制器；

所述的高压固态断路器由若干个电力电子器件支路并联组成，每个电力电子器件支路分别由若干个电力电子器件串联组成，每个电力电子器件支路中分别串联有均流电感，每个电力电子器件的两端分别并联有吸收电路、均压电阻和过电压限制器；

快速隔离开关是在零电流下无弧快速断开，并可迅速恢复高压阻断能力；

低压固态断路器由若干个电力电子器件并联组成，低压固态断路器可短时承受大电流且开断产生的电压使高压固态断路器可靠导通，每个电力电子器件的两端分别并联有吸收电路和过电压限制器，来防止器件过电压而损坏，根据导通的电流等级来确定电力电子器件的并联数量；

高压固态断路器由若干个电力电子器件支路并联组成，承受换流时的瞬间大电流，每个电力电子器件支路分别由若干个电力电子器件串联组成，承受换流到耗能电阻单元时的反向恢复电压，根据实现的电压与电流等级来确定电力电子器件的串并联数量，每个电力电子器件支路中分别串联有均流电感，来实现每个电力电子器件支路的动静态均流，每个电力电子器件的两端分别并联有吸收电路、均压电阻和过电压限制器，来防止器件过电压而损坏；

爆炸开关是在机械断路器和高、低压固态断路器失效情况下，通过引爆雷管和炸药，使爆炸开关开断迅速将电流转移至耗能电阻单元支路上，以避免机械断路器、固态断路器损坏和系统故障扩大；

当系统正常运行时，电源系统通过大功率爆炸开关与快速分断断路器给负载提供稳态直流电流；当系统故障时，断开快速分断断路器和开通低压固态断路器，电流向第一级电流转移支路换流；当第一级电流转移支路换流完成后，发出高压固态断路器导通信号，当快速分断断路器恢复电压阻断能力时，关断低压固态断路器，使得第一级电流转移支路的电压上升，进而使得高压固态断路器迅速导通，从而使得电流向第二级电流转移支路换流；当快速隔离开关满足承受高电压阻断能力时，关断高压固态断路器产生高电压向耗能电阻单元换流，实现直流电源系统故障的保护；如果当机械断路器或固态断路器失效时，断开爆炸开关，使得电流可靠向耗能电阻单元换流；

该大功率混合式直流断路器实现三次换流过程：

1、系统正常运行时，系统工作电流由快速分断机械断路器和与之串联提供后备保护的爆炸开关向负载供电，此时快速隔离开关也处于闭合状态；

2、若t1时刻检测到故障发生，立刻发出快速分断断路器的分断命令与低压固态断路器导通命令，经过机械触头固有动作延时后，在t2时刻，触头打开并产生电弧电压，迫使电流从快速分断断路器支路开始换流到第一级电流转移支路中；

3、在t3时刻，快速分断断路器触头完全断开电流换向结束，这时电流完全转移到第一级换流单元支路；此时发出高压固态断路器导通命令，t3~t4时刻等待快速分断断路器触头恢复高电压阻断能力；

4、在t4时刻，此时快速分断断路器触头具有恢复高电压阻断能力，发出低压固态断路器关断命令，低压固态断路器的吸收电路因关断时产生高压，使得高压固态断路器有效导通，迫使电流从第一级电流转移支路向第二级电流转移支路转移；

5、在t5时刻，当电流完全从第一级电流转移支路转移到第二级电流转移支路时，此时发出快速隔离开关的分断命令，快速隔离开关在零电流的情况下断开，并迅速具有高压阻断能力；

6、在t6时刻，高压固态断路器关断产生高开断电压，负载工作电流开始迅速转移到耗能电阻单元上；

7、在t7时刻，负载工作电流完全转移到耗能电阻单元，磁体电流快速衰减，使得磁体能量迅速转移并消耗在耗能电阻单元上。

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