CN108233330B - 一种直流断路器用开关组件及直流断路器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流断路器用开关组件及直流断路器，开关组件包括开关功率模块，开关功率模块包括并联的第一桥臂、第二桥臂、电容阀组以及至少两个全控器件阀组；第一、二桥臂均由两个不控器件阀组同向串联而成；该开关组件还包括沿前后方向依次间隔分布的前列不控器件阀段、全控器件阀段和后列不控器件阀段，各开关功率模块对应第一、二桥臂上桥臂中的不控器件阀组压接在前列不控器件阀段中、下桥臂中的不控器件阀组压接在后列不控器件阀段中、全控器件阀组压接在全控器件阀段中。本发明通过将前列不控器件阀段和后列不控器件阀段对称分居在全控器件阀段的两侧，不仅结构紧凑、模块化程度高，并且装配便捷，便于接线。

Description

一种直流断路器用开关组件及直流断路器

技术领域

本发明涉及一种直流断路器用开关组件及直流断路器，属于高压直流断路器技术领域。

背景技术

目前，直流断路器的技术方案主要有三种类型，分别是基于常规开关的传统机械式直流断路器、基于纯电力电子器件的固态直流断路器以及基于二者结合的混合式直流断路器。随着可控功率器件制造工艺技术水平的不断提升，混合式直流断路器得到快速发展。

其中，混合式直流断路器大量采用的拓扑结构为：并联连接的通流主支路和转移支路。通流主支路由一组辅助开关功率模块和机械开关串联而成，转移支路由大量转移模块串联而成。所谓辅助开关功率模块和转移模块均为开关管或者特定开关管构成的如H桥、半桥结构。公布号为CN106786349A的中国专利文件公开了一种辅助换流模块，该辅助换流模块为H桥模块，具有并联的第一桥臂、第二桥臂和全控器件支路，第一桥臂由两个不控器件阀组同向串联而成，第二桥臂由另外两个不控器件阀组同向串联而成。与传统H桥结构的开关功率模块相比，该辅助换流模块减少了全控器件的数量，降低了高压直流断路器的制造成本，同时确保了高压直流断路器的电流双向切断能力。

在实际工程应用中，针对每一种直流断路器拓扑结构，需要设计专门的设备结构布局。对于上述的辅助换流模块结构，现有的设备结构布局不再适用，因此需要设计出合适的设备结构布局，以推动其实际工程应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种直流断路器用开关组件及直流断路器，用于解决针对特定的直流断路器拓扑结构，现有的设备结构布局不再适用的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种直流断路器用开关组件，包括以下方案：

组件方案一：包括串联连接的至少两个开关功率模块，所述开关功率模块包括H桥模块，所述H桥模块包括并联的第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂均由两个不控器件阀组同向串联而成；所述第一桥臂的两个不控器件阀组的串联点为所述开关功率模块的输入/输出端，所述第二桥臂的两个不控器件阀组的串联点为所述开关功率模块的输出/输入端；所述开关功率模块还包括电容阀组以及同向并联连接的至少两个全控器件阀组，所述电容阀组、全控器件阀组与所述第一桥臂、第二桥臂并联；

该开关组件还包括组件框架，所述组件框架上设置至少一个子模块压接单元，所述子模块压接单元包括沿左右方向并行延伸并沿前后方向依次间隔分布的前列不控器件阀段、全控器件阀段和后列不控器件阀段，每列不控器件阀段包括由对应压接装配的不控器件组成的所述不控器件阀组，所述全控器件阀段包括由对应压接装配的全控器件组成的所述全控器件阀组，所述前列不控器件阀段上的不控器件阀组和后列不控器件阀段上的不控器件阀组在前后方向上对应布置且相应导电连接以形成所述的H桥模块；所述全控器件阀段上的全控器件阀组在前后方向上与对应H桥模块中的不控器件阀组导电连接，以使得全控器件阀组与相应H桥模块中的两桥臂并联。

组件方案二：在组件方案一的基础上，所述电容阀组中串设有电容以及用于在电容充电时导通、在电容放电时截止的防反二极管，所述电容的两端并联有放电电阻；电容阀组中对应各开关功率模块的电容设置在组件框架上且在前后方向上位于所述子模块压接单元的一侧。

组件方案三：在组件方案二的基础上，对应各开关功率模块还对应并联设置有旁路开关，所述旁路开关设置在所述组件框架上并在前后方向上与所述电容分置于子模块压接单元两侧。

组件方案四：在组件方案三的基础上，所述全控器件为IGBT，所述组件框架上于所述旁路开关上方还布置有对应IGBT的控制单元，所述控制单元连接有驱动单元，所述驱动单元控制连接对应IGBT，所述驱动单元还连接有磁环单元。

组件方案五：在组件方案四的基础上，所述组件框架包括沿上下方向与所述旁路开关相对布置的绝缘梁，所述绝缘梁沿左右方向延伸，所述磁环单元固设在所述绝缘梁上。

组件方案六：在组件方案一、二、三、四或五的基础上，所述组件框架包括沿前后方向延伸的中间支撑梁及位于中间支撑梁两侧的旁侧支撑梁，所述组件框架上设有两个关于中间支撑梁对称布置的所述子模块压接单元，各子模块压接单元中各阀段的左右两端对应支撑设置在中间支撑梁及相应的旁侧支撑梁上。

本发明还提供了一种高压直流断路器，包括以下方案：

断路器方案一：包括开关组件，所述开关组件包括串联连接的至少两个开关功率模块，所述开关功率模块包括H桥模块，所述H桥模块包括并联的第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂均由两个不控器件阀组同向串联而成；所述第一桥臂的两个不控器件阀组的串联点为所述开关功率模块的输入/输出端，所述第二桥臂的两个不控器件阀组的串联点为所述开关功率模块的输出/输入端；所述开关功率模块还包括电容阀组以及同向并联连接的至少两个全控器件阀组，所述电容阀组、全控器件阀组与所述第一桥臂、第二桥臂并联；

该开关组件还包括组件框架，所述组件框架上设置至少一个子模块压接单元，所述子模块压接单元包括沿左右方向并行延伸并沿前后方向依次间隔分布的前列不控器件阀段、全控器件阀段和后列不控器件阀段，每列不控器件阀段包括由对应压接装配的不控器件组成的所述不控器件阀组，所述全控器件阀段包括由对应压接装配的全控器件组成的所述全控器件阀组，所述前列不控器件阀段上的不控器件阀组和后列不控器件阀段上的不控器件阀组在前后方向上对应布置且相应导电连接以形成所述的H桥模块；所述全控器件阀段上的全控器件阀组在前后方向上与对应H桥模块中的不控器件阀组导电连接，以使得全控器件阀组与相应H桥模块中的两桥臂并联。

断路器方案二：在断路器方案一的基础上，所述电容阀组中串设有电容以及用于在电容充电时导通、在电容放电时截止的防反二极管，所述电容的两端并联有放电电阻；电容阀组中对应各开关功率模块的电容设置在组件框架上且在前后方向上位于所述子模块压接单元的一侧。

断路器方案三：在断路器方案二的基础上，对应各开关功率模块还对应并联设置有旁路开关，所述旁路开关设置在所述组件框架上并在前后方向上与所述电容分置于子模块压接单元两侧。

断路器方案四：在断路器方案三的基础上，所述全控器件为IGBT，组件框架上于所述旁路开关上方还布置有对应IGBT的控制单元，所述控制单元连接有驱动单元，所述驱动单元控制连接对应IGBT，所述驱动单元还连接有磁环单元。

断路器方案五：在断路器方案四的基础上，所述组件框架包括沿上下方向与所述旁路开关相对布置的绝缘梁，所述绝缘梁沿左右方向延伸，所述磁环单元固设在所述绝缘梁上。

断路器方案六：在断路器方案一、二、三、四或五的基础上，所述组件框架包括沿前后方向延伸的中间支撑梁及位于中间支撑梁两侧的旁侧支撑梁，所述组件框架上设有两个关于中间支撑梁对称布置的所述子模块压接单元，各子模块压接单元中各阀段的左右两端对应支撑设置在中间支撑梁及相应的旁侧支撑梁上。

本发明的有益效果是：

在本发明所提供的开关组件中，将各开关功率模块中H桥模块的不控器件布置在前列不控器件阀段和后列不控器件阀段中，将与两桥臂并联的全控器件阀组布置在全控器件阀段中，前列不控器件阀段和后列不控器件阀段对称分居在全控器件阀段的两侧，不仅结构紧凑、模块化程度高，并且装配便捷，便于接线。

进一步的，各开关功率模块分别并联一个旁路开关，实现了冗余设计，当某开关功率模块出现故障时，通过闭合其两端的旁路开关将其短接，以保证其他开关功率模块的正常运行。

附图说明

图1是本发明直流断路器用开关组件的电气原理图；

图2是本发明直流断路器用开关组件的初步总装配图；

图3是本发明直流断路器用开关组件的最终总装配图；

图4是本发明直流断路器用开关组件框架的装配图；

图5是本发明全控器件阀段的装配图；

图6是本发明不控器件阀段的装配图；

图7是本发明防反二极管的结构图；

图8是本发明控制单元、驱动单元和磁环单元的电路结构图；

图9是本发明控制单元、驱动单元和磁环单元的装配图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

本发明所提供的直流断路器用开关组件的电气原理图如图1所示，该开关组件包括串联连接的两个以上的开关功率模块，其中，任一开关功率模块包括并联的第一桥臂、第二桥臂、第一全控器件阀组、第二全控器件阀组和吸收回路，第一桥臂和第二桥臂同向并联构成了H桥模块。以图1中左边的开关功率模块为例，第一桥臂由上桥臂二极管1D1组成的不控器件阀组和下桥臂二极管1D2组成的不控器件阀组同向串联构成，第二桥臂由上桥臂二极管1D3组成的不控器件阀组和下桥臂二极管1D4组成的不控器件阀组同向串联构成；第一全控器件阀组由第一功率器件IGBT(1T1)组成，第二全控器件阀组由第二功率器件IGBT(1T2)组成；吸收回路中串设有由电容1C组成的电容阀组和防反二极管1D5，电容1C的两端并联有电阻1R。图1中虚线框100内的二极管为开关功率模块H桥结构的上桥臂不控器件阀组，虚线框200内的二极管为开关功率模块H桥结构的下桥臂不控器件阀组。

本发明所提供的直流断路器用开关组件的硬件结构图如图2所示，开关组件包括组件框架，该组件框架上布置有左右两个子模块压接单元，左边的子模块压接单元包括8个开关功率模块，右边的子模块压接单元包括7个开关功率模块，共包括15个开关功率模块，工程中可根据实际情况予以增减。每个开关功率模块分别对应连接电连接以构成H桥结构的二极管以及与H桥结构中与两桥臂并联的功率器件，此处的功率器件为IGBT，两个子模块压接单元的开关功率模块依次串联。

具体的，在本实施例中，每个子模块压接单元包括沿左右方向并行延伸并沿前后方向依次间隔分布的前列不控器件阀段33、全控器件阀段44和后列不控器件阀段55。其中，两个子模块压接单元中各开关功率模块中的上桥臂的二极管布置在前列不控器件阀段33中，下桥臂的二极管布置在后列不控器件阀段55中，与两桥臂并联的全控器件阀组中的全控功率器件布置在全控器件阀段44中。并且，各开关功率模块中的布置在同一不控器件阀段中的二极管相邻，各开关功率模块中的布置在前列不控器件阀段中的二极管与布置在后列不控器件阀段中的二极管在前后方向一一对应。

如图4所示，组件框架包括沿前后方向布置的前后两根槽型绝缘梁1以及固设在两根槽型绝缘梁上的沿左右方向布置的三根阀段支撑梁(方钢)2，每根绝缘梁沿左右方向延伸，每根支撑梁沿前后方向延伸，位于中间位置的支撑称作中间支撑梁，位于中间支撑梁两侧的称作旁侧支撑梁。每根阀段支撑梁2沿前后方向依次间隔布置有前列不控器件阀段支撑3、全控器件阀段支撑4和后列不控器件阀段支撑5，每个子模块压接单元中的前列不控器件阀段33、全控器件阀段44和后列不控器件阀段55的左右两端分别固定在中间支撑梁及相应的旁侧支撑梁的前列不控器件阀段支撑3、全控器件阀段支撑4和后列不控器件阀段支撑5上。

具体的，槽型绝缘梁1、阀段支撑梁2、前列不控器件阀段支撑3、全控器件阀段支撑4和后列不控器件阀段支撑5均通过螺栓固定在一起。

如图5所示，全控器件阀段包括沿左右方向依次压装固定间隔布置的多个散热器7、IGBT 21和绝缘块8。全控器件阀段还包括全控器件阀段框架，该全控器件阀段框架由绝缘拉杆6、端板9、压紧装置10和碟簧单元11依次安装组成，将散热器7、IGBT 21和绝缘块8依次安装在全控器件阀段框架内，其中各开关功率模块之间加装绝缘块8。通过液压工具对碟簧单元施加规定压力，然后锁紧压紧装置，确保IGBT表面的压力正常工作范围之内。由于该全控器件阀段中的各个部件的结构以及组装方式与现有技术中现有的全控器件阀段类似，此处不再赘述。

如图6所示，前列不控器件阀段33和后列不控器件阀段55均包括沿左右方向依次压装固定间隔布置的多个散热器13和二极管22。每列不控器件阀段还包括不控器件阀段框架，与全控器件阀段框架相同，该不控器件阀段框架由绝缘拉杆12、端板14、压紧装置15和碟簧单元16依次安装组成，将散热器13和二极管22依次安装在不控器件阀段框架内，通过液压工具对碟簧单元施加规定压力，然后锁紧压紧装置，确保二极管表面的压力正常工作范围之内。由于不控器件阀段中各个部件的结构以及组装方式与现有技术中现有的二极管阀段类似，此处不再赘述。

将图5中的全控器件阀段以及图6中的不控器件阀段装配到图4中的组件框架上。另外，如图2所示，组件框架上对应各开关功率模块分别设有一个旁路开关23，该旁路开关23置于组件侧面，该旁路开关沿上下方向与组件框架的绝缘梁相对布置，底部有绝缘型材支撑，安装牢靠、分和操作方便。组件框架上对应各开关功率模块，还分别设有一个电容阀组，该电容阀组中的电容24置于旁路开关对侧，通过叠层母排连接在回路当中，接线端子朝上，大大方便了叠排的安装及维护。组件框架上对应各开关功率模块，还分别设有一个防反二极管25，防反二极管25单独压接，其截图如图7所示，通过两根绝缘梁支撑于电容侧二极管模块上方，充分利用了二极管模块上方空间。

在图2的基础上，将各开关功率模块对应的磁环电源单元17、控制单元18、驱动单元19安装在组件内，并通过母排连接各电器元件，最终得到如图3所示的阀组件总装配。其中，如图8所示，在电路结构上，控制单元(中控板)18连接驱动单元(IGBT驱动)19，驱动单元19控制连接对应的IGBT，控制单元18由磁环电源单元17即连接有磁环单元20的电源模块供电。在实际安装时，如图9所示，控制单元18置于旁路开关侧二极管模块上方，一端与散热器连接，另一端通过绝缘梁支撑，使中控单元距离驱动、磁环电源、旁路开关距离最短，各电器元件间导线方便连接，磁环单元20固设在组件框架绝缘梁上。驱动单元与IGBT接口相连后通过两侧固定板固定在散热器上，驱动外壳电位与IGBT的E级相连，减少电磁干扰，安装维护方便。

本发明还提供了一种直流断路器，该直流断路器并联连接的主支路和转移支路，该转移支路或主支路中串设有至少一个上述的开关组件，由于已对该开关组件进行了详细介绍，此处不再赘述。

本发明的开关组件采用框架式结构，模块化设计和装配，每个开关组件可以压装不同数量开关功率模块，可以根据工程需要灵活设计和装配，在工程运用当中，装配便捷、维护方便；本组件采用开关功率模块之间串联压接，结构紧凑，模块化程度高，装配、转运方便；本组件可以在阀塔上对任何电气元器件进行更换，现场维护十分方便；本组件采用模块化对称设计，两个全控器件IGBT阀段对称分居阀组件中央两侧，四个二极管组件对称分居全控器件IGBT阀段两侧；全控器件阀段、不控器件阀段和框架可以分别进行装配，便于大规模生产线装配；本组件将磁环及电源安装到一个绝缘型材上，形成独立的安装单元，此单元安装在旁路开关上方，大大节省了组件内部安装空间，安装方便、走线美观。

Claims (10)

1.一种直流断路器用开关组件，其特征在于，包括串联连接的至少两个开关功率模块，所述开关功率模块包括H桥模块，所述H桥模块包括并联的第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂均由两个不控器件阀组同向串联而成；所述第一桥臂的两个不控器件阀组的串联点为所述开关功率模块的输入/输出端，所述第二桥臂的两个不控器件阀组的串联点为所述开关功率模块的输出/输入端；所述开关功率模块还包括电容阀组以及同向并联连接的至少两个全控器件阀组，所述电容阀组、全控器件阀组与所述第一桥臂、第二桥臂并联；

该开关组件还包括组件框架，所述组件框架上设置至少一个子模块压接单元，所述子模块压接单元包括沿左右方向并行延伸并沿前后方向依次间隔分布的前列不控器件阀段、全控器件阀段和后列不控器件阀段，每列不控器件阀段包括由对应压接装配的不控器件组成的所述不控器件阀组，所述全控器件阀段包括由对应压接装配的全控器件组成的所述全控器件阀组，所述前列不控器件阀段上的不控器件阀组和后列不控器件阀段上的不控器件阀组在前后方向上对应布置且相应导电连接以形成所述的H桥模块；所述全控器件阀段上的全控器件阀组在前后方向上与对应H桥模块中的不控器件阀组导电连接，以使得全控器件阀组与相应H桥模块中的两桥臂并联。

2.根据权利要求1所述的直流断路器用开关组件，其特征在于，所述电容阀组中串设有电容以及用于在电容充电时导通、在电容放电时截止的防反二极管，所述电容的两端并联有放电电阻；电容阀组中对应各开关功率模块的电容设置在组件框架上且在前后方向上位于所述子模块压接单元的一侧。

3.根据权利要求2所述的直流断路器用开关组件，其特征在于，对应各开关功率模块还对应并联设置有旁路开关，所述旁路开关设置在所述组件框架上并在前后方向上与所述电容分置于子模块压接单元两侧。

4.根据权利要求3所述的直流断路器用开关组件，其特征在于，所述全控器件为IGBT，所述组件框架上于所述旁路开关侧二极管模块上方还布置有对应IGBT的控制单元，所述控制单元连接有驱动单元，所述驱动单元控制连接对应IGBT，所述驱动单元还连接有磁环单元。

5.根据权利要求4所述的直流断路器用开关组件，其特征在于，所述组件框架包括沿上下方向与所述旁路开关相对布置的绝缘梁，所述绝缘梁沿左右方向延伸，所述磁环单元固设在所述绝缘梁上。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的直流断路器用开关组件，其特征在于，所述组件框架包括沿前后方向延伸的中间支撑梁及位于中间支撑梁两侧的旁侧支撑梁，所述组件框架上设有两个关于中间支撑梁对称布置的所述子模块压接单元，各子模块压接单元中各阀段的左右两端对应支撑设置在中间支撑梁及相应的旁侧支撑梁上。

7.一种高压直流断路器，包括开关组件，其特征在于，所述开关组件包括串联连接的至少两个开关功率模块，所述开关功率模块包括H桥模块，所述H桥模块包括并联的第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂均由两个不控器件阀组同向串联而成；所述第一桥臂的两个不控器件阀组的串联点为所述开关功率模块的输入/输出端，所述第二桥臂的两个不控器件阀组的串联点为所述开关功率模块的输出/输入端；所述开关功率模块还包括电容阀组以及同向并联连接的至少两个全控器件阀组，所述电容阀组、全控器件阀组与所述第一桥臂、第二桥臂并联；

该开关组件还包括组件框架，所述组件框架上设置至少一个子模块压接单元，所述子模块压接单元包括沿左右方向并行延伸并沿前后方向依次间隔分布的前列不控器件阀段、全控器件阀段和后列不控器件阀段，每列不控器件阀段包括由对应压接装配的不控器件组成的所述不控器件阀组，所述全控器件阀段包括由对应压接装配的全控器件组成的所述全控器件阀组，所述前列不控器件阀段上的不控器件阀组和后列不控器件阀段上的不控器件阀组在前后方向上对应布置且相应导电连接以形成所述的H桥模块；所述全控器件阀段上的全控器件阀组在前后方向上与对应H桥模块中的不控器件阀组导电连接，以使得全控器件阀组与相应H桥模块中的两桥臂并联。

8.根据权利要求7所述的高压直流断路器，其特征在于，所述电容阀组中串设有电容以及用于在电容充电时导通、在电容放电时截止的防反二极管，所述电容的两端并联有放电电阻；电容阀组中对应各开关功率模块的电容设置在组件框架上且在前后方向上位于所述子模块压接单元的一侧。

9.根据权利要求8所述的高压直流断路器，其特征在于，对应各开关功率模块还对应并联设置有旁路开关，所述旁路开关设置在所述组件框架上并在前后方向上与所述电容分置于子模块压接单元两侧。

10.根据权利要求9所述的高压直流断路器，其特征在于，所述全控器件为IGBT，组件框架上于所述旁路开关侧二极管模块上方还布置有对应IGBT的控制单元，所述控制单元连接有驱动单元，所述驱动单元控制连接对应IGBT，所述驱动单元还连接有磁环单元。