CN107834526B - 一种混合式直流固态断路器及其控制方法 - Google Patents

一种混合式直流固态断路器及其控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107834526B
CN107834526B CN201711378918.XA CN201711378918A CN107834526B CN 107834526 B CN107834526 B CN 107834526B CN 201711378918 A CN201711378918 A CN 201711378918A CN 107834526 B CN107834526 B CN 107834526B
Authority
CN
China
Prior art keywords
absorption capacitance
absorption
semiconductor devices
control system
voltage stabilizing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201711378918.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN107834526A (zh
Inventor
刘念洲
许晓晖
槐博超
陈雪亮
赵晓宇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion China Shipbuilding Industry Corp No 712 Institute CSIC
Original Assignee
Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion China Shipbuilding Industry Corp No 712 Institute CSIC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion China Shipbuilding Industry Corp No 712 Institute CSIC filed Critical Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion China Shipbuilding Industry Corp No 712 Institute CSIC
Priority to CN201711378918.XA priority Critical patent/CN107834526B/zh
Publication of CN107834526A publication Critical patent/CN107834526A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107834526B publication Critical patent/CN107834526B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/26—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured
    • H02H7/268—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured for dc systems
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/02—Details
    • H02H3/025—Disconnection after limiting, e.g. when limiting is not sufficient or for facilitating disconnection

Landscapes

  • Direct Current Feeding And Distribution (AREA)

Abstract

本发明公开了一种混合式直流固态断路器，包括隔离开关SW、线路电抗L、主开关电路T、吸收电路及控制系统；所述的隔离开关SW一端连接外部直流电源，一端与线路电抗L连接；所述的主开关电路T由半导体器件T1构成，所述半导体器件T1的正端与线路电抗L连接，负端与外部负载连接；所述的吸收电路由二极管D、吸收电容C、吸收电容电压稳定装置CH及泄能电阻R组成；所述的控制系统包括电流检测单元和信号处理单元；本发明还公开了其控制方法；本发明采用吸收电容电压稳定装置预置吸收电容电压，有效的限制半导体器件关断时由吸收回路产生的附加短路电流及吸收电容上的电压尖峰；当吸收电容电压稳定装置停止工作后，系统能实现自放电保证安全。

Description

一种混合式直流固态断路器及其控制方法
技术领域
本发明属于电力电子设备及直流配电系统故障保护技术领域，尤其涉及一种利用电力电子器件实现的混合式直流固态断路器，以及其控制方法。
背景技术
在直流配电系统中，系统一旦发生短路故障，电源或挂网的其它容性设备将向故障点馈电，当保护装置动作时间较长时将会产生较大的短路电流，同时容性设备的快速放电将会导致直流电压迅速降低而发生故障保护，导致设备无法工作。
传统的直流配电系统中常采用机械断路器进行保护，但其动作时间较长，往往需要数十甚至数百毫秒的时间才能分断，因此采用电力电子器件进行故障切除的直流固态断路器成为研究的重点。电力电子器件承受的尖峰电压能力有限，而线路中电抗器及杂散电抗中存储的能量需要有合适的能量转移通道，因此需要增加相应的吸收回路，通常采用RCD型吸收回路进行吸收。
直流固态断路器中的电力电子器件正常工作时为导通状态，RCD吸收电路中电容无初始能量，短路时电力电子器件关断，RCD电路提供了额外的短路通道，会导致短路电流增加；该短路电流同时会造成吸收电容上产生较高的电压尖峰，因此通常采用RCD吸收的直流固态断路器还需在吸收回路上并联压敏电阻进行保护，其实现电路参见图1所示。
发明内容
本发明的目的在于根据现有技术的不足，设计一种利用电力电子器件实现的混合式直流固态断路器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种混合式直流固态断路器，包括隔离开关SW、线路电抗L、主开关电路T、吸收电路及控制系统；所述的隔离开关SW一端连接外部直流电源，一端与线路电抗L连接；所述的主开关电路T由半导体器件T1构成，所述半导体器件T1的正端与线路电抗L连接，负端与外部负载连接；所述的吸收电路由二极管D、吸收电容C、吸收电容电压稳定装置CH及泄能电阻R组成，所述二极管D与吸收电容C串接后并联于主开关器件T1两端，其中二极管D正极连接于半导体器件T1的正极，所述的吸收电容电压稳定装置CH及泄能电阻R均并联于吸收电容C两端，所述的吸收电容电压稳定装置CH为一套电容器充电装置，实现吸收电容C电压的建立及稳定功能，所述泄能电阻R为一个大阻值的电阻，在吸收电容电压稳定装置CH停止工作后通过自然放电的形式将吸收电容C上存储的电荷泄放；所述的控制系统包括电流检测单元和信号处理单元，所述的电流检测单元通过电流传感器测量系统中流过的电流，所述的信号处理单元根据指令控制隔离开关SW、半导体器件T1的导通及关断，并根据指令控制吸收电容电压稳定装置CH的工作投入及停止。
所述的一种混合式直流固态断路器，其隔离开关SW为机械开关。
所述的一种混合式直流固态断路器，其半导体器件T1为全控型半导体器件。可以是IGBT、IGCT或IEGT。
所述的一种混合式直流固态断路器，其吸收电容电压稳定装置CH为具备隔离功能的电容充电装置，按控制系统指令工作或切除，吸收电容电压稳定装置CH通过辅助电源向吸收电容C充电。可以是带隔离变压器的不控整流或开关电源。
所述的一种混合式直流固态断路器，其线路电抗L可以为线路中自然存在的杂散电感也可以是接入线路中的限流电感或杂散电感与限流电感的集中体现。
本发明还公开了一种混合式直流固态断路器的控制方法，包括合闸及分闸两种操作步骤，所述的合闸步骤为：控制系统发出吸收电容电压稳定装置CH工作信号，吸收电容电压稳定装置CH开始工作，通过控制电源对吸收电路上的吸收电容C进行充电至吸收电容上电压达到预设值；当吸收电容电压达到预设值后，控制系统发出隔离开关SW接通指令，控制隔离开关SW导通；当隔离开关SW导通后，控制系统发出半导体器件T1导通指令，系统接通；所述的分闸步骤为：控制系统发出半导体器件T1关断指令，半导体器件T1关断，线路电抗L中存储能量向吸收电容C转移；当控制系统检测到线路电流达到设定阈值时，控制系统发出隔离开关SW分断指令，控制隔离开关SW分断；当隔离开关SW分断后，控制系统发出吸收电容电压稳定装置CH停机信号，吸收电容电压稳定装置CH停止工作不再向吸收电容C充电；吸收电容C与泄能电阻R工作自放电至电容上电压为零。
本发明的有益效果是：断路器工作时通过吸收电容稳定装置CH在吸收电容C建立一个预置电压，预置电压的方向与直流电源反向，并通过所述二极管D阻断吸收电容C与半导体器件T1之间放电回路，形成稳定的预置电压。
本发明显著不同于其它直流固态断路器的特征在于通过一套附加装置及吸收二极管按所述控制方法在吸收电容上建立稳定的与直流电源电压反向的电压，从而在断路器关断时限制吸收回路产生的附加电流和尖峰。
采用吸收电容电压稳定装置预置吸收电容电压，有效的限制半导体器件关断时由吸收回路产生的附加短路电流及吸收电容上的电压尖峰；当吸收电容电压稳定装置停止工作后，系统能实现自放电保证安全。
附图说明
图1为现有的直流固态断路器电气方案；
图2为本发明的直流固态断路器方案；
图3为本发明正常工作时电流流向图；
图4为本发明故障时电流流向图；
图5为本发明吸收电容无预置电压时吸收回路中电容的电流和电压示意波形；
图6为本发明中吸收回路中电容的电流和电压示意波形。
各附图标记为：SW—隔离开关，L—线路电抗，T—主开关电路，T1—半导体器件，D—二极管，C—吸收电容，CH—吸收电容电压稳定装置，R—泄能电阻。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
为了克服现有直流固态断路器的不足，本发明的目的有两点：
1，限制直流固态断路器中电力电子器件关断时由吸收回路造成的附加短路电流及其产生的电压尖峰。
2，通过直流固态断路器中的控制系统按本发明的控制方法开通及关断内部的半导体器件、吸收电容电压稳定装置完成故障电流的分断、设备的安全隔离及吸收电容的停机泄能。
本发明公开的一种混合式直流固态断路器，包括隔离开关SW、限流电抗L、主开关器件T、吸收二极管D、吸收电容C、吸收电容电压稳定装置CH、吸收电容泄能电阻R。本发明所示混合式直流固态断路器内各器件连接如图2所示。
图3所示为所述混合式直流固态断路器正常工作时的电流流向图，线路中电流流向为外部电源→隔离开关SW→限流电抗L→主开关器件T→负载。
图4所示为负载侧短路时，所述固态断路器中主开关器件T关断后的电流流向图，线路中电流流向为外部电源→隔离开关SW→限流电抗L→吸收二极管D→吸收电容C→短路点。
参照图5电路列写方程可解得所述吸收回路中电容电压及回路电流如以下公式所示。
（1）
（2）
式中：VCsp为电容上电压峰值；Vdc为电源电压；VCs（0）为电容上初始电压；I0为主开关器件T关断时刻线路中电流；Lσ为线路中电感；Cs为吸收电容C容值；i为短路时流经吸收回路的电流。
公式（1）和（2）表明所述吸收电容C上产生的最高电压与半导体器件T1关断时刻线路电抗L中电流及吸收电容C上初始电压值有关，通过预置吸收电容C电压的方式即可有效的限制流过短路回路的电流及吸收电容C的尖峰电压。
所述吸收电容电压稳定装置CH并接在吸收电容两端，通过辅助电源在吸收电容上产生如图3所示的方向的预置电压。
所述吸收二极管D与吸收电容C按图示方向串联，阻断吸收电容C与主开关器件T之间的放电回路，保证吸收电容C上的预置电压稳定。
所述泄能电阻R并联在吸收电容C两端，当系统停机后，与吸收电容C组成RC放电回路将吸收电容上存储的能量泄放，保证设备操作人员的安全。
所述控制系统包括电流检测单元及信号处理单元。
所述电流检测单元通过传感器检测线路中电流，所述信号处理单元依据外部合闸操作命令依次控制隔离开关SW及半导体器件T1导通，并控制吸收电容电压稳定装置CH向吸收电容C充电并维持其电压；当电流检测单元检测到短路故障后，依次控制半导体器件T1关断，当回路续流完成后控制隔离开关SW分断以隔离故障点，当隔离开关SW分断后控制电容电压稳定装置CH停止工作，吸收电容C与泄能电阻R进行泄能，将吸收电容C上电压泄放至零。
图5所示为吸收电容上未预置电压时的吸收电容上的电压电流波形示意。图6所示为吸收电容上预置初始值与直流电压相等的电压后吸收电容上的电压电流波形示意。
参照图5和图6可以看出，吸收电容C上无预置电压时，其电流跳变为关断时刻线路电流后继续上升，同时吸收电容电压由零开始上升，产生较高的附加短路电流和尖峰电压；当吸收电容C上存在预置电压时，其电流跳变为关断时刻线路电流后即开始下降，吸收电容电压由初始值上升，产生的尖峰电压远低于吸收电容C无预置电压的情况。本发明的混合式直流固态断路器通过采用吸收电容电压稳定装置CH预置吸收电容电压的方法使吸收回路变为电压为非零状态的电路，有效的抑制了混合式固态断路器主开关器件中流过吸收回路的电流及其电压尖峰。
本文中所述实施例仅是对本发明的原理及功效的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做的修改或补充或采用类似的方式替代，并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种混合式直流固态断路器，其特征在于：包括隔离开关（SW）、线路电抗（L）、主开关电路（T）、吸收电路及控制系统；
所述的隔离开关（SW）一端连接外部直流电源，一端与线路电抗（L）连接；
所述的主开关电路（T）由半导体器件（T1）构成，所述半导体器件（T1）的正端与线路电抗（L）连接，负端与外部负载连接；
所述的吸收电路由二极管（D）、吸收电容（C）、吸收电容电压稳定装置（CH）及泄能电阻（R）组成，所述二极管（D）与吸收电容（C）串接后并联于主开关器件（T1）两端，其中二极管（D）正极连接于半导体器件（T1）的正极，所述的吸收电容电压稳定装置（CH）及泄能电阻（R）均并联于吸收电容（C）两端，所述的吸收电容电压稳定装置（CH）为一套电容器充电装置，实现吸收电容（C）电压的建立及稳定功能，所述泄能电阻（R）为一个大阻值的电阻，在吸收电容电压稳定装置（CH）停止工作后通过自然放电的形式将吸收电容（C）上存储的电荷泄放；
所述的控制系统包括电流检测单元和信号处理单元，所述的电流检测单元通过电流传感器测量系统中流过的电流，所述的信号处理单元根据指令控制隔离开关（SW）、半导体器件（T1）的导通及关断，并根据指令控制吸收电容电压稳定装置（CH）的工作投入及停止。
2.根据权利要求1所述的一种混合式直流固态断路器，其特征在于，所述的隔离开关（SW）为机械开关。
3.根据权利要求1所述的一种混合式直流固态断路器，其特征在于，所述的半导体器件（T1）为全控型半导体器件。
4.根据权利要求3所述的一种混合式直流固态断路器，其特征在于，所述的半导体器件（T1）为IGBT、IGCT或IEGT。
5.根据权利要求1所述的一种混合式直流固态断路器，其特征在于，所述的吸收电容电压稳定装置（CH）为具备隔离功能的电容充电装置，按控制系统指令工作或切除，吸收电容电压稳定装置（CH）通过辅助电源向吸收电容（C）充电。
6.根据权利要求5所述的一种混合式直流固态断路器，其特征在于，所述的吸收电容电压稳定装置（CH）为带隔离变压器的不控整流或开关电源。
7.根据权利要求1所述的一种混合式直流固态断路器，其特征在于，所述的线路电抗（L）为线路中自然存在的杂散电感或接入线路中的限流电感，或两者的结合。
8.一种如权利要求1所述的混合式直流固态断路器的控制方法，其特征在于，包括合闸及分闸两种操作步骤：
合闸步骤为：控制系统发出吸收电容电压稳定装置（CH）工作信号，吸收电容电压稳定装置（CH）开始工作，通过控制电源对吸收电路上的吸收电容（C）进行充电至吸收电容上电压达到预设值；当吸收电容电压达到预设值后，控制系统发出隔离开关（SW）接通指令，控制隔离开关（SW）导通；当隔离开关（SW）导通后，控制系统发出半导体器件（T1）导通指令，系统接通；
分闸步骤为：控制系统发出半导体器件（T1）关断指令，半导体器件（T1）关断，线路电抗（L）中存储能量向吸收电容（C）转移；当控制系统检测到线路电流达到设定阈值时，控制系统发出隔离开关（SW）分断指令，控制隔离开关（SW）分断；当隔离开关（SW）分断后，控制系统发出吸收电容电压稳定装置（CH）停机信号，吸收电容电压稳定装置（CH）停止工作不再向吸收电容（C）充电；吸收电容（C）与泄能电阻（R）工作自放电至电容上电压为零。
CN201711378918.XA 2017-12-19 2017-12-19 一种混合式直流固态断路器及其控制方法 Active CN107834526B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711378918.XA CN107834526B (zh) 2017-12-19 2017-12-19 一种混合式直流固态断路器及其控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711378918.XA CN107834526B (zh) 2017-12-19 2017-12-19 一种混合式直流固态断路器及其控制方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107834526A CN107834526A (zh) 2018-03-23
CN107834526B true CN107834526B (zh) 2019-03-19

Family

ID=61645035

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711378918.XA Active CN107834526B (zh) 2017-12-19 2017-12-19 一种混合式直流固态断路器及其控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107834526B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107834526B (zh) * 2017-12-19 2019-03-19 武汉船用电力推进装置研究所（中国船舶重工集团公司第七一二研究所） 一种混合式直流固态断路器及其控制方法
TWI650939B (zh) * 2018-05-25 2019-02-11 旭隼科技股份有限公司 一種新型吸收電路
US11245255B2 (en) 2018-06-11 2022-02-08 Siemens Aktiengesellschaft Solid-state circuit breaker and breaking method for solid-state circuit breaker
CN111092410A (zh) * 2019-11-26 2020-05-01 武汉船用电力推进装置研究所（中国船舶重工集团公司第七一二研究所） 一种混合式固态断路器及其控制方法
EP4205249B1 (en) 2021-08-06 2024-07-03 Experience Knowledge Strategy, S.L. A dc solid state circuit breaker and dc circuit breaker system

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5031607B2 (ja) * 2008-01-31 2012-09-19 東芝三菱電機産業システム株式会社 直流高速真空遮断装置
CN103117528A (zh) * 2013-01-17 2013-05-22 国网智能电网研究院 一种串入电容式高压直流断路器及其控制方法
CN103337851A (zh) * 2013-07-04 2013-10-02 国家电网公司 一种半控型有源注入电流式高压直流断路器及其实现方法
CN105656019A (zh) * 2016-01-26 2016-06-08 华中科技大学 一种电容充电型直流断路器及其应用
WO2017000925A1 (zh) * 2015-07-01 2017-01-05 南京南瑞继保电气有限公司 故障电流抑制阻尼器拓扑电路及其控制方法及换流器
CN107834526A (zh) * 2017-12-19 2018-03-23 武汉船用电力推进装置研究所（中国船舶重工集团公司第七二研究所） 一种混合式直流固态断路器及其控制方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104753044B (zh) * 2015-03-27 2016-11-09 中国西电电气股份有限公司 一种混合式全固态高压直流断路器拓扑结构
CN206585317U (zh) * 2017-03-27 2017-10-24 厦门理工学院 一种全固态中低压直流断路器

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5031607B2 (ja) * 2008-01-31 2012-09-19 東芝三菱電機産業システム株式会社 直流高速真空遮断装置
CN103117528A (zh) * 2013-01-17 2013-05-22 国网智能电网研究院 一种串入电容式高压直流断路器及其控制方法
CN103337851A (zh) * 2013-07-04 2013-10-02 国家电网公司 一种半控型有源注入电流式高压直流断路器及其实现方法
WO2017000925A1 (zh) * 2015-07-01 2017-01-05 南京南瑞继保电气有限公司 故障电流抑制阻尼器拓扑电路及其控制方法及换流器
CN105656019A (zh) * 2016-01-26 2016-06-08 华中科技大学 一种电容充电型直流断路器及其应用
CN107834526A (zh) * 2017-12-19 2018-03-23 武汉船用电力推进装置研究所（中国船舶重工集团公司第七二研究所） 一种混合式直流固态断路器及其控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN107834526A (zh) 2018-03-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107834526B (zh) 一种混合式直流固态断路器及其控制方法
KR101483084B1 (ko) 직류 전류 차단 장치 및 방법
EP2768102B1 (en) Circuit interruption device
US10229794B2 (en) Circuit breaker for interrupting DC current using magnetic field
CN103066804B (zh) 一种mmc阀子模块的旁路开关接口电路及实现方法
CN103872658B (zh) 多功能自复式过、欠电压保护器
CN104756338A (zh) 电路中断设备
WO2020233180A1 (zh) 限流型可控避雷器、换流器、输电系统以及控制方法
CN111630620A (zh) 开关设备
CN103972871B (zh) 一种低功耗过流过压保护的直流馈线无弧开关及实现方法
CN112147394A (zh) 残余电压的检测装置
CN203660492U (zh) 一种具有有源无源自动切换功能的微机综合保护装置
JP2018195565A (ja) 直流遮断装置
TW201328118A (zh) 不間斷電源系統
CN105827105B (zh) 一种利用开关方式实现交流输入限压的电路
CN116581720A (zh) 一种晶闸管型直流断路器及其控制方法
CN207572949U (zh) 一种双向无弧型混合直流断路器
CN106026066A (zh) 一种直流源保护装置与方法
CN110829360B (zh) 一种硬件集成电路控制高压直流断路器的方法
CN209389778U (zh) 一种旁路式双路供电切换系统
CN111308300B (zh) 一种直流断路器半导体器件在线监测装置及其控制方法
CN111092410A (zh) 一种混合式固态断路器及其控制方法
CN109067207B (zh) 一种用于反激电源变换器的自给供电电路
CN109412130B (zh) 一种机械式直流断路器及其充电回路
CN202949208U (zh) 失压保护器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant