CN107039952A - 一种交直流混合型的断路器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种交直流混合型的断路器，包括：高速机械开关，与主回路连接，用于对主回路进行高速分断；第一二极管，第二二极管，第一晶闸管和第二晶闸管；依次串联的一一电感以及一电容；第一晶闸管和第二晶闸管用于根据主回路的电流方向控制电容的充放电；电容背离电感的一端为高电压，以经过高速机械开关放电，再反向充电；能量吸收支路，用于在接收到的电压高于一设定值时从一第一状态转换为一第二状态以将主回路中的电流降至一安全电流值；以及上述断路器的控制方法；能够减小系统导通损耗，降低固态型断路器热设计难度，大大降低可控器件误触的可能性，提高系统可靠性，降低系统成本，加快断路器动作速度。

Description

一种交直流混合型的断路器及控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种交直流混合型的断路器及控制方法。

背景技术

在直流输配电系统中，当发生短路工况时，由于不存在自然过零点，其短路电流的开断相较于交流系统更加困难，如果仅利用机械开关直接拉弧分断短路电流，一方面，分断时间较长，而短路电流上升速率很快，当分断完成时短路电流已经很大，会对系统中的其他设备造成破坏；另一方面，机械开关分断过程中持续燃弧，对触头损伤大，降低机械寿命。

在分布式微网系统中，当电网侧发生故障，微网系统要能够实现并离网的快速无缝切换，传统的机械开关的分闸时间通常在10ms以上，并不能满足无缝切换需求。

在一些含有对电能质量敏感的关键负荷的场合中，当原有供电系统发生短路故障时，要求负荷能够从中快速脱离，并切换到备用供电系统，为了保证电能质量能够满足要求，整个切换过程的时间要求在 5～10ms以内，而仅靠传统的机械开关无法满足双电源快速切换的需求。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种交直流混合型的断路器，与一主回路连接；包括：

高速机械开关，与所述主回路连接，用于于所述主回路短路或更换供电设备时对所述主回路进行高速分断；

一第一二极管和一第二二极管，所述第一二极管和所述第二二极管反接形成一第一节点，所述第一二极管和所述第二二极管背离所述第一节点的两端并接至所述高速机械开关上；

一第一晶闸管和一第二晶闸管，所述第一晶闸管和所述第二晶闸管对接形成一第二节点，所述第一晶闸管和所述第二晶闸管背离所述第二节点的两端并接至所述高速机械开关上；

串联的一一电感以及一电容，串联于所述第一节点和所述第二节点之间；

所述第一晶闸管和所述第二晶闸管用于根据所述主回路的电流方向控制所述电容的充放电；

所述电容邻近所述第一节点的一端为高电压以经过所述高速机械开关在所述第一二极管或者所述第二二极管所在的回路中放电，再经由所述第一晶闸管或所述第二晶闸管反向充电；

能量吸收支路，与所述高速机械开关并联，用于在接收到的电压高于一设定值时从一第一状态转换为一第二状态以将所述主回路中的电流降至一安全电流值。

上述的断路器，其中，还包括：

一第三晶闸管和一第四晶闸管，所述第三晶闸管和所述第四晶闸管对接形成一第三节点，所述第三晶闸管和所述第四晶闸管背离所述第三节点的两端并接至所述高速机械开关上，用于在所述高速机械开关断开后对所述主回路进行双向快速合闸。

上述的断路器，其中，所述能量吸收支路包括一避雷器。

上述的断路器，其中，所述能量吸收支路包括具有正温度系数的超导材料。

上述的断路器，其中，还包括：

控制模块，分别与所述第一晶闸管，所述第二晶闸管和所述高速机械开关的控制端连接，用于分别控制所述第一晶闸管，所述第二晶闸管和所述高速机械开关的通断。

上述的断路器，其中，还包括：

检测模块，与所述控制模块连接，用于检测所述主回路中的电流并输出至所述控制模块内；

所述控制模块根据所述主回路中的电流分别控制所述第一晶闸管，所述第二晶闸管和所述高速机械开关的通断。

一种交直流混合型的断路器的控制方法，应用于如上任意一项所述的断路器；包括：

步骤S1，于所述主回路短路或更换供电设备时采用所述高速机械开关对所述主回路进行高速分断；

步骤S2，于所述高速机械开关动作的过程中根据所述主回路的电流方向选择将所述第一晶闸管或者所述第二晶闸管导通使得所述电容经过所述高速机械开关进行放电，再经由所述第一晶闸管或所述第二晶闸管反向充电；

步骤S3，保持所述电容的反相充电，直至所述能量吸收支路接收到的电压高于所述设定值时，将所述能量吸收支路从所述第一状态转换为所述第二状态以将所述主回路中的电流降至所述安全电流值。

上述的控制方法，其中，还包括：

步骤S4，所述能量吸收支路持续吸收所述主回路中的电流直至所述主回路中的电流降至0安培。

有益效果：本发明提出的一种交直流混合型的断路器能够在系统正常运行时尽量避免固态器件处于导通状态，减小系统导通损耗，降低固态型断路器热设计难度；通过减少可控性器件的使用数量，大大降低可控器件误触的可能性，提高系统可靠性；能够提高系统可靠性，降低系统成本，加快断路器动作速度。

附图说明

图1为本发明一实施例中交直流混合型的断路器的电路原理图；

图2为本发明一实施例中交直流混合型的断路器的控制时序图；

图3为本发明一实施例中交直流混合型的断路器的控制方法的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

在一个较佳的实施例中，如图1所示，提出了一种交直流混合型的断路器，与一主回路(可以是接在图1中的A，B的端口处，主回路的电流方向可以是从A到B，也可以是从B到A)连接；可以包括：

高速机械开关S，与主回路连接，用于于主回路短路或更换供电设备时对主回路进行高速分断；

一第一二极管D1和一第二二极管D2，第一二极管D1和第二二极管D2反接形成一第一节点，第一二极管D1和第二二极管D2背离第一节点的两端并接至高速机械开关S上；

一第一晶闸管T1和一第二晶闸管T2，第一晶闸管T1和第二晶闸管T2对接形成一第二节点，第一晶闸管T1和第二晶闸管T2背离第二节点的两端并接至高速机械开关S上；

串联的一一电感L以及一电容C，串联于第一节点和第二节点之间；

第一晶闸管T1和第二晶闸管T2用于根据主回路的电流方向控制电容C的充放电；

电容C邻近第一节点的一端为高电压以经过高速机械开关S在第一二极管D1或者第二二极管D2所在的回路中放电，再经由第一晶闸管T1或第二晶闸管T2反向充电；

能量吸收支路MOV，与高速机械开关S并联，用于在接收到的电压高于一设定值时从一第一状态转换为一第二状态以将主回路中的电流降至一安全电流值。

其中，是选择第一晶闸管T1还是第二晶闸管T2导通取决于主回路中的电流方向，例如主回路的电流方向从A流向B，并且高速机械开关S的断开还未完全完成时，则可以打开晶闸管T1使得电容C依次通过第二二极管D2，高速机械开关S和第一晶闸管T1进行放电，放电的同时还起到了一定的对高速机械开关S进行灭弧的效果，若电流方向从B指向A，则应选择打开第二晶闸管T2；设定值可以根据主回路的实际情况进行设定；第一状态可以是能量吸收支路MOV的阻抗较低的状态，这种情况下第二状态为能量吸收支路MOV的阻抗较高的状态；安全电流值可以是降低的电流值，例如只有几十毫安或几毫安的电流。

在一个较佳的实施例中，如图1所示，还可以包括：

一第三晶闸管T3和一第四晶闸管T4，第三晶闸管T3和第四晶闸管T4对接形成一第三节点，第三晶闸管T3和第四晶闸管T4背离第三节点的两端并接至高速机械开关S上，用于在高速机械开关S断开后对主回路进行双向快速合闸。

其中，例如主回路中电流方向从A指向B，则可以将第三晶闸管 T3导通，从而经过第三晶闸管T3以及第二二极管D2将主回路快速合闸接通，若主回路中电流方向从B指向A，则应接通第四晶闸管 T4。

在一个较佳的实施例中，能量吸收支路MOV包括一避雷器。

在一个较佳的实施例中，能量吸收支路包括具有正温度系数的超导材料。

在一个较佳的实施例中，还可以包括：

控制模块(附图中未显示)，分别与第一晶闸管T1，第二晶闸管 T2和高速机械开关S的控制端连接，用于分别控制第一晶闸管T1，第二晶闸管T2和高速机械开关S的通断。

上述实施例中，优选地，还可以包括：

检测模块(附图中未显示)，与控制模块连接，用于检测主回路中的电流并输出至控制模块内；

控制模块根据主回路中的电流分别控制第一晶闸管T1，第二晶闸管T2和高速机械开关S的通断。

具体地，结合图2可见：

(1)当系统正常运行时，固态换流支路中的晶闸管处于关断状态，系统电流只流经高速机械开关S；在系统正常运行期间，固态换流支路中的电容C通过充电回路充电至设定值。

(2)当系统发生短路故障时，结合图1分析其工作过程和控制方法：

a)短路检测阶段td，智能控制单元进行短路检测判断，假设短路电流方向从A到B。当主回路电流超过预设动作值Iset且上升率在设定范围之内一段时间td后，短路检测单元判断短路发生，触发短路保护模式，同时向高速机械开关S下发分闸动作指令信号。

b)机械延时阶段tm，高速机械开关S收到分闸指令后，经过一定时间的机械延时时间tm，高速斥力机构的动静触头开始分离；

c)触头燃弧阶段tn，在触头分离过程中，在动静触头之间会建立起一定的电弧电压，产生电弧电流，经过一定的燃弧时间后由智能控制单元给晶闸管T下发动作指令；

d)固态换流阶段tc，智能控制单元给强迫换流支路晶闸管下发导通指令，电容C依次通过二极管D2、高速斥力开关S、晶闸管T3、电感L所在回路放电，由于高速机械开关动静触头之间的电弧电压依然存在，导致二极管D1反向截止，因此电容放电电流全部通过高速机械开关S，与S中原有的短路电流对冲至零，实现高速机械开关的强迫换流，当高速机械开关S电流降为零时，其两端电压也为零；

e)介质恢复阶段tz，当高速机械开关S完全分断后，电弧电压为零，二极管D1反向截止的条件不复存在，在电容电压的作用下正向导通，电容C继续放电，该阶段为高速机械开关提供介质恢复时间，防止其在电容反向电压作用下重燃弧；

f)LC限流阶段tr，当电容放电完毕后，电容C和电感L串联接入主回路，此时电容C被反向充电，随着开关两端反向电压增大至源电压，电流达到峰值并开始减小，该阶段所用时间为限流时间tr。

g)换流阶段ti，当电容C和电感L两端电压达到压敏电阻或正温度系数超导材料的动作电压时，该支路阻抗瞬间减小，固态强迫换流支路电流逐渐转移到能量吸收支路，导致固态关断电路电流减小，压敏电阻或超导材料电流增大，直至主回路电流完全转移到压敏电阻或超导材料；

h)吸能阶段ta，固态关断电路电流降为零时，电容停止反向充电，电容电压达到峰值，主回路电流全部流经能量吸收支路，限流断路器通过压敏电阻或超导材料吸收剩余能量，最终主回路电流在压敏电阻或超导材料的作用下减小至零，限流断路器完成换流关断全过程。

(3)当系统需要对敏感负荷进行电源切换时，在一些关键负荷对电源质量敏感的场合中，当系统发生短路故障时，需要将负载从原有供电系统中脱离，并无缝切换至备用电源，保证关键用电设备正常运行。因此，当智能控制单元检测到系统发生短路故障且快速断路器已将负载从原有供电系统中快速切除，此时智能控制单元将给晶闸管T1、 T2发出动作指令，如果能量从A到B，则晶闸管T1和二极管D2导通，如果能量从B到A，则晶闸管T2和二极管D1导通，从而完成快速合闸，将负载切换至备用电源；接着导通高速机械开关，由于机械开关导通后电阻低，电流从固态换流支路转移到高速机械开关上。

除了上述的交直流混合型的断路器，在一个较佳的实施例中，本发明还提出了一种交直流混合型的断路器的控制方法，可以应用于上面任意一个实施例中的断路器；如图3所示，可以包括：

步骤S1，于主回路短路或更换供电设备时采用高速机械开关S对主回路进行高速分断；

步骤S2，于高速机械开关动作S的过程中根据主回路的电流方向选择将第一晶闸管T1或者第二晶闸管T2导通使得电容C经过高速机械开关S进行放电，再经由第一晶闸管T1或第二晶闸管T2反向充电；

步骤S3，保持电容C的反相充电，直至能量吸收支路MOV接收到的电压高于设定值时，将能量吸收支路MOV从第一状态转换为第二状态以将主回路中的电流降至安全电流值。

上述的实施例中，优选地，还可以包括：

步骤S4，能量吸收支路MOV持续吸收主回路中的电流直至主回路中的电流降至0安培。

其中，能量吸收支路MOV将主回路中的电流降至0安培不应视为只能是0安培，由于吸收电能的过程是随时间变化的动态过程，主回路中的电流降至0安培也可以是降至接近于0安培，但一般情况下是可以将主回路中的电流完全吸收的。

综上所述，本发明提出的一种交直流混合型的断路器能够在系统正常运行时尽量避免固态器件处于导通状态，减小系统导通损耗，降低固态型断路器热设计难度；通过减少可控性器件的使用数量，大大降低可控器件误触的可能性，提高系统可靠性；能够提高系统可靠性，降低系统成本，加快断路器动作速度。

通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，基于本发明精神，还可作其他的转换。尽管上述发明提出了现有的较佳实施例，然而，这些内容并不作为局限。

对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。

Claims (8)

1.一种交直流混合型的断路器，与一主回路连接；其特征在于，包括：

高速机械开关，与所述主回路连接，用于于所述主回路短路或更换供电设备时对所述主回路进行高速分断；

一第一二极管和一第二二极管，所述第一二极管和所述第二二极管反接形成一第一节点，所述第一二极管和所述第二二极管背离所述第一节点的两端并接至所述高速机械开关上；

一第一晶闸管和一第二晶闸管，所述第一晶闸管和所述第二晶闸管对接形成一第二节点，所述第一晶闸管和所述第二晶闸管背离所述第二节点的两端并接至所述高速机械开关上；

串联的一一电感以及一电容，串联于所述第一节点和所述第二节点之间；

所述第一晶闸管和所述第二晶闸管用于根据所述主回路的电流方向控制所述电容的充放电；

所述电容邻近所述第一节点的一端为高电压以经过所述高速机械开关在所述第一二极管或者所述第二二极管所在的回路中放电，再经由所述第一晶闸管或所述第二晶闸管反向充电；

能量吸收支路，与所述高速机械开关并联，用于在接收到的电压高于一设定值时从一第一状态转换为一第二状态以将所述主回路中的电流降至一安全电流值。

2.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于，还包括：

一第三晶闸管和一第四晶闸管，所述第三晶闸管和所述第四晶闸管对接形成一第三节点，所述第三晶闸管和所述第四晶闸管背离所述第三节点的两端并接至所述高速机械开关上，用于在所述高速机械开关断开后对所述主回路进行双向快速合闸。

3.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于，所述能量吸收支路包括一避雷器。

4.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于，所述能量吸收支路包括具有正温度系数的超导材料。

5.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于，还包括：

控制模块，分别与所述第一晶闸管，所述第二晶闸管和所述高速机械开关的控制端连接，用于分别控制所述第一晶闸管，所述第二晶闸管和所述高速机械开关的通断。

6.根据权利要求5所述的断路器，其特征在于，还包括：

检测模块，与所述控制模块连接，用于检测所述主回路中的电流并输出至所述控制模块内；

所述控制模块根据所述主回路中的电流分别控制所述第一晶闸管，所述第二晶闸管和所述高速机械开关的通断。

7.一种交直流混合型的断路器的控制方法，应用于如权利要求1～6任意一项所述的断路器；其特征在于，包括：

步骤S1，于所述主回路短路或更换供电设备时采用所述高速机械开关对所述主回路进行高速分断；

步骤S2，于所述高速机械开关动作的过程中根据所述主回路的电流方向选择将所述第一晶闸管或者所述第二晶闸管导通使得所述电容经过所述高速机械开关进行放电，再经由所述第一晶闸管或所述第二晶闸管反向充电；

步骤S3，保持所述电容的反相充电，直至所述能量吸收支路接收到的电压高于所述设定值时，将所述能量吸收支路从所述第一状态转换为所述第二状态以将所述主回路中的电流降至所述安全电流值。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，还包括：

步骤S4，所述能量吸收支路持续吸收所述主回路中的电流直至所述主回路中的电流降至0安培。