CN106786348B - 一种基于桥式感应转移直流断路器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种基于桥式感应转移的直流断路器及其使用方法，包括相互并联的主电流电路，能量耗散电路以及转移电流电路；所述转移电流电路包含电容和电感组成的串联电路、支路电感和桥式支路串联组成的闭合电路，所述电感和支路电感耦合组成一个互感器。本发明并联的桥式放电电容电路和感应电感电路实现对电流的快速分断，可以有效降低断路器控制体积大小与制造成本。利用桥式感应转移模块实现电流快速地双向转移和分断，而且主回路电容不用预充电，实现二次充电电路和主回路的隔离，转移速度快。主回路电容仅需要单向充电，可以降低电容体积和成本，开断可靠性高。

Description

一种基于桥式感应转移直流断路器及其使用方法

技术领域

本发明属于电气设备技术领域，特别涉及一种基于桥式感应转移结构的转移电流电路及其使用方法。

背景技术

由高速机械开关与功率半导体器件组成的混合型断路器具有通流容量大、关断速度快、限流能力强等优点，已经成为大容量系统开断领域的研究热点。使用具有全控功能的功率半导体器件分断电流的混合式直流断路器方案相比于其它混合式方案具有分断速度更快，更利于分断额定电流的优点。但在使用全控型功率半导体器件分断电流时，其电流转移回路通常需要全控型功率半导体器件关断电流，控制复杂程度与成本较高，制约了其推广和应用。

传统的转移电流电路中的电容器充电电路与主回路直接相连，没有隔离，开断过程充电电源和主回路会发生干扰，并且对于主回路充电电源的耐压要求非常高，开断不可靠。

传统的直流断路器不能够处理直流电网中潮流方向不确定情况下双向限制和分断故障电流的需求，或者为了满足双向工作的情况，往往会使得断路器的制造体积和成本大大提升。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于低压桥式感应转移的直流断路器，所述断路器包括相互并联的主电流电路，能量耗散电路以及转移电流电路；所述主电流电路是由机械开关或机械开关和电力电子器件的组合；所述转移电流电路包含电容和第一电感组成的串联电路、支路电感和桥式支路串联组成的闭合电路，所述第一电感和支路电感耦合组成一个互感器。

所述桥式支路由第一功率半导体器件、第二功率半导体器件、第三功率半导体器件、第四功率半导体器件和支路电容组成；所述第一功率半导体器件和第四功率半导体器件串联后与所述第二功率半导体器件和第三功率半导体器件串联组成的电路并列；所述第一功率半导体器件和第四功率半导体器件间具有第一端点，所述第二功率半导体器件和第三功率半导体器件间具有第二端点，所述支路电容接于所述第一端点与第二端点之间。

优选地，所述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。

优选地，所述第一功率半导体器件、第二功率半导体器件、第三功率半导体器件、第四功率半导体器件为不可控或者具有半控功能的功率半导体器件或者其组合；

优选地，所述功率半导体器件包括但不局限于电力二极管、晶闸管、IGCT、IGBT和GTO中的任意一个或者任意多个的组合。

优选地，所述的支路电感、第一电感为空心电感器或含磁芯的电感器，由一个或多个电感串联或并联组成。

优选地，所述能量耗散电路的为压敏电阻或氧化锌阀片组成的避雷器的一个或任意多个的组合。

本发明还提出一种基于桥式感应转移的直流断路器的使用方法，所述方法包括如下步骤：

步骤0，系统正常运行，电流全部从主电流电路流过。

步骤1，系统发生短路故障，主电流电路电流开始上升，当超过系统短路阈值时，控制系统动作，机械开关开始动作。

步骤2，所述机械开关的机械触头间建立起足够的弧压，控制系统导通第一至第四功率半导体器件，感应电感模块电路导通，感应电感模块中的电容开始放电，耦合电感使得转移电流电路中的第一电感两端产生感应电压，第一电感和电容开始放电。

步骤3，机械开关完全打开，主电路电流全部转移至转移电流支路。

步骤4，转移电流支路承受全部短路电流，且短路电流在逐渐上升。

步骤5，当短路电流对电容充电的电压值达到了能量耗散电路的导通阈值，能量耗散电路导通；电流开始向过电压限制电路转移，由于过电压限制电路的电压钳位作用，断路器两端电压上升幅度很小。

步骤6，转移电流支路中的电流全部转移至过能量耗散电路，此时断路器两端的电压达到最高值，为开断过程中断路器两端过电压峰值。此后，能量耗散电路中的电流将开始下降，断路器两端的电压也开始缓慢下降，当系统电流小于能量耗散电路的最小导通电流时。能量耗散电路关闭，能量耗散电路两端电压迅速下降。

步骤7，能量耗散电路中的电流为0，感应转移模块中的电容器重新充电，断路器开断完成，断路器两端的电压降为系统电压。

优选地，所述过能量耗散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；所述能量耗散电路的导通电压阈值为所述断路器所处的系统电压的1.5倍。

优选地，所述能量耗散电路的最小导通电流为1mA。

本发明还提出一种基于桥式感应转移的直流断路器的使用方法，所述方法包括如下步骤：

正常工作状态下，电流从所述主电流电路流过；此时，所述转移电流电路均处于关断状态，所述转移电流电路没有电流通过，所述转移电流电路中的电容上无电压，所述感应转移模块电路中的支路电容保持预充电状态，所述过能量耗散电路没有电流流过。

当系统需要进行开断时，控制所述主电流电路中的所述机械开关进行分闸动作，由于所述机械开关存在机械延时，此时所述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确定所述主电流电路中的开关器件以及转移电流电路中第一功率半导体器件、第二功率半导体器件、第三功率半导体器件、第四功率半导体器件是否动作以及相应的动作时序。

本发明具有如下有益效果：

一、并联的桥式放电电容电路和感应电感电路实现对电流的快速分断，可以有效降低断路器控制体积大小与制造成本。

二、利用桥式感应转移模块实现电流快速地双向转移和分断，而且主回路电容不用预充电，实现二次充电电路和主回路的隔离，转移速度快。

三、主回路电容仅需要单向充电，可以降低电容体积和成本，并且开断可靠性高。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1是断路器本体结构示意图；

图2是本发明断路器工作时的一种结构示意图；

图3是本发明断路器工作在另一种电流方向时的一种示意图；

图4是分断电流时转移电流电路电流标志示意图；

图5(a)-(e)是分断电流时各电路电流流向图；

图6是分断电流时电路中电流变化曲线图；

图7是本发明的一种具体实施实例图；

图8是本发明的一种具体实施实例图；

图9是本发明的一种具体实施实例图；

图10是本发明的一种具体实施实例图；

图11是本发明的一种具体实施实例图；

图12是本发明的一种具体实施实例图；

图13是本发明的一种具体实施实例图；

图14是本发明的一种具体实施实例图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

以下详细描述实际上仅是示例性的而并不意欲限制应用和使用。此外，并不意欲受以上技术领域、背景、简要概述或以下详细描述中呈现的任何明确或暗示的理论约束。除非明确地具有相反的描述，否则词语“包括”及其不同的变型应被理解为隐含包括所述的部件但不排除任意其他部件。

以下结合附图1-14来说明本发明的具体实施方式。

图1为断路器本体结构示意图，包括主电流电路、转移电流电路、以及能量耗散电路。为了更好的说明断路器分断过程，本文给出了断路器电流从系统接入端S1到系统接入端S2的结构示意图，如图2所示。

如图1、2和3，本实施例提出了一种基于低压桥式感应转移的直流断路器，所述断路器包括主电流电路，转移电流电路以及能量耗散电路，且转移电流电路包含有感应转移模块，主电流电路、转移电流电路以及能量耗散电路并联。

所述主电流电路是由机械开关或机械开关和电力电子器件的组合。

所述转移电流电路由电感L1和电容C串联组成，并且电感L1与感应转移模块中的电感L0耦合为一个互感器，所述感应转移模块由感应电感电路和放电电容电路并联组成，其中：

所述放电电容电路包括功率半导体器件B1组成的电路1，功率半导体器件B2组成的电路2，功率半导体器件B3组成的电路3，功率半导体器件B4组成的电路4以及电容组成的电路5，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，所述电路1和所述电路4串联组成放电电容电路支路1-4，且所述支路1-4与所述感应电路并联，并且：

所述感应电感电路的一端连接所述功率半导体器件B1的一端，以便实现与所述支路1-4的一端的连接；所述功率半导体器件B1的另一端则与所述功率半导体器件B4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B4的另一端则与所述感应电感电路的另一端连接，以便实现所述支路1-4的另一端与所述感应电感电路一端的连接，从而实现所述支路1-4与所述感应电感电路的并联；

所述电路2和所述电路3串联组成放电电容电路支路2-3，且所述支路2-3与所述感应电感电路并联，并且：

所述感应电感电路一端连接所述功率半导体器件B2的一端，以便实现与所述支路2-3的一端的连接；所述功率半导体器件B3的另一端则与所述功率半导体器件B2的一端连接以便实现所述电路2和所述电路3的串联；所述功率半导体器件B3的另一端则与所述感应电感电路另一端连接，以便实现所述支路2-3的另一端与感应电感电路一端的连接，从而实现所述支路2-3与所述感应电感电路的并联；

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电容组成的电路5；

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。

其中，所述功率半导体器件B1至B4为不可控或者具有半控功能的功率半导体器件或者其组合，所述功率半导体器件包括但不局限于电力二极管、晶闸管、IGCT、IGBT和GTO中的任意一个或者任意多个的组合。所述的电感为空心电感器或含磁芯的电感器，由一个或多个电感串联或并联组成；

所述能量耗散电路的为压敏电阻或氧化锌阀片组成的避雷器的一个或任意多个的组合。

2.混合式断路器分断过程

图4给出了分断电流时断路器各电路电流标志，其中i0为流入断路器的电流，i1为流经主电流电路的电流，i2为流经转移电流电路的电流，i3为流经能量耗散电路的电流。

图5(a)-(e)给出了分断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t5各时刻的各支路电流方向。图6给出了分断电流时各支路的电流变化曲线。

其具体的操作步骤包括以下几个方面：

系统正常运行，电流全部从主电流电路流过，如图5(a)所示，其中系统额定电流为I0。

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，机械开关开始动作。

t1时刻，机械触头间建立起足够的弧压，控制系统导通功率半导体器件，感应电感模块电路导通，感应电感模块中的电容开始放电，耦合电感使得转移电流电路中的电感L1两端产生感应电压，电感L1和电容C开始放电。

t2时刻，机械开关完全打开，主电路电流全部转移至转移电流支路，如图5(c)所示。

在t2至t3间，转移电流支路承受全部短路电流，且短路电流在逐渐上升。

t3时刻，当短路电流对电容器C充电的电压值达到了能量耗散电路的导通阈值，能量耗散电路导通。如图5(d)所示，电流开始向过电压限制电路转移。由于过电压限制电路的电压钳位作用，断路器两端电压上升幅度很小。

t4时刻，转移电流支路中的电流全部转移至过能量耗散电路，此时断路器两端的电压达到最高值，为开断过程中断路器两端过电压峰值。此后，能量耗散电路中的电流将开始下降，断路器两端的电压也开始缓慢下降，当系统电流小于能量耗散电路的最小导通电流1mA时。能量耗散电路关闭，能量耗散电路两端电压迅速下降。

t5时刻，能量耗散电路中的电流为0，感应转移模块中的电容器重新充电，断路器开断完成，断路器两端的电压降为系统电压。

应当知道：所述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。

所述功率半导体器件B1至B4为不可控或者具有半控功能的功率半导体器件或者其组合，所述功率半导体器件包括但不局限于电力二极管、晶闸管、IGCT、IGBT和GTO中的任意一个或者任意多个的组合。所述的电感为空心电感器或含磁芯的电感器，由一个或多个电感串联或并联组成。需要说明的是，所述感应转移模块可以是一个或多个的组合，如图13和图14；

所述能量耗散电路的为压敏电阻或氧化锌阀片组成的避雷器的一个或任意多个的组合。

此外，本发明不要求断路器中的电路完全的对称。

图7-图14所对应的实施例描述了直流断路器电路中采用各种器件时的具体实施过程。

本发明公开了一种基于低压桥式感应转移的直流断路器，包括主电流电路，转移电流电路以及能量耗散电路。转移电流电路由电感L1和电容C串联组成，，并包含有一个桥式感应转移模块。当断路器需要开断电流时，通过控制主电流电路以及转移电流电路的功率半导体器件按一定时序动作，触发感应转移模块放电，导通转移电流电路，通过隔离断路器主回路和二次充电电路，可以显著提高开断的可靠性。同时，本发明采用感应电感支路和放电电容支路并联组成的感应转移模块，不仅可以实现电流的双向转移和分断，而且降低了转移电流电路对电容器容量的需求，有效减小转移电流电路中电容的体积，而且感应转移模块电路中的电容预充电电压很低，也保证了二次充电电路与断路器主电流电路、转移电流电路和限制电压电路有效的电隔离，提高开断的可靠性。

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 (7)

1.一种基于桥式感应转移的直流断路器，其特征在于，所述断路器包括主电流电路、能量耗散电路、转移电流电路；所述主电流电路、能量耗散电路以及转移电流电路并联连接；

所述主电流电路是机械开关或机械开关和电力电子器件的组合；

所述转移电流电路包含电容(C)和第一电感(L1)组成的串联电路、支路电感(L0)和桥式支路串联组成的闭合电路，所述第一电感(L1)和支路电感(L0)耦合组成一个互感器；

所述桥式支路由第一功率半导体器件(B1)、第二功率半导体器件(B2)、第三功率半导体器件(B3)、第四功率半导体器件(B4)和支路电容组成；所述第一功率半导体器件(B1)和第四功率半导体器件(B4)串联后与所述第二功率半导体器件(B2)和第三功率半导体器件(B3)串联组成的电路并联；所述第一功率半导体器件(B1)和第四功率半导体器件(B4)间具有第一端点，所述第二功率半导体器件(B2)和第三功率半导体器件(B3)间具有第二端点，所述支路电容接于所述第一端点与第二端点之间。

2.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于，所述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。

3.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于：所述第一功率半导体器件(B1)、第二功率半导体器件(B2)、第三功率半导体器件(B3)、第四功率半导体器件(B4)为不可控或者具有半控功能的功率半导体器件或者其组合。

4.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于：所述功率半导体器件包括但不局限于电力二极管、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所述的断路器，其特征在于：所述的支路电感(L0)、第一电感(L1)为空心电感器或含磁芯的电感器，由一个或多个电感串联或并联组成。

6.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于：所述能量耗散电路为压敏电阻或氧化锌阀片组成的避雷器的一个或任意多个的组合。

7.一种根据权利要求1-6之一所述的基于桥式感应转移的直流断路器的使用方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤0，系统正常运行，电流全部从主电流电路流过；

步骤1，系统发生短路故障，主电流电路电流开始上升，当超过系统短路阈值时，控制系统动作，机械开关开始动作；

步骤2，所述机械开关的机械触头间建立起足够的弧压，控制系统导通第一至第四功率半导体器件(B1，B2，B3，B4)，感应电感模块电路导通，感应电感模块中的电容开始放电，耦合电感使得转移电流电路中的第一电感(L1)两端产生感应电压，第一电感(L1)和电容(C)开始放电；

步骤3，机械开关完全打开，主电路电流全部转移至转移电流电路；

步骤4，转移电流电路承受全部短路电流，且短路电流在逐渐上升；

步骤5，当短路电流对电容(C)充电的电压值达到了能量耗散电路的导通阈值，能量耗散电路导通；电流开始向过电压限制电路转移，由于过电压限制电路的电压钳位作用，断路器两端电压上升幅度很小；

步骤6，转移电流电路中的电流全部转移至能量耗散电路，此时断路器两端的电压达到最高值，为开断过程中断路器两端过电压峰值；此后，能量耗散电路中的电流将开始下降，断路器两端的电压也开始缓慢下降，当系统电流小于能量耗散电路的最小导通电流时；能量耗散电路关闭，能量耗散电路两端电压迅速下降；

步骤7，能量耗散电路中的电流为0，感应转移模块中的电容器重新充电，断路器开断完成，断路器两端的电压降为系统电压。