CN109361202B - 一种电流注入式断路器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电流注入式断路器，包括并联设置的主流通支路和转移支路，主流通支路上串设有机械开关，机械开关并联设置有辅助旁路支路，辅助旁路支路上串设有旁路控制开关，转移支路上串设有转移电感和转移模块，转移模块包括两条并联设置的桥臂，第一桥臂上串设有第一控制开关和第二控制开关，第二桥臂上串设有第三控制开关和第四控制开关，第一控制开关和第二控制开关的连接点通过转移电容连接第三控制开关和第四控制开关的连接点。当发生故障时，机械开关开始分断，并通过转移电容、相应的控制开关以及转移电感进行分断控制，能够有效限制断路器两端的过电压，防止过电压导致的机械断口重击穿，因此，该断路器能够大幅度提升分断可靠性。

Description

一种电流注入式断路器

技术领域

本发明涉及一种电流注入式断路器，属于直流断路器技术领域。

背景技术

图1是直流断路器的基本结构示意图，支路I为主流通支路，支路II为转移支路，支路III为耗能支路。

作为一种具体的直流断路器的种类，电流注入式直流断路器具有通态损耗小、可靠性高、开断容量大、成本小等优点，但是传统的电流注入式直流断路器在开断过程中过电压高，一般高速机械开关难以满足断口介质绝缘恢复的要求，机械断口容易在恢复电压的作用下发生重击穿，大大增加了机械开关的设计难度及成本，也降低了直流断路器的可靠性。此外，传统电流注入式直流断路器很难具有潮流可逆条件下的双向开断功能，不能满足中压直流配网的发展形势。在这种应用背景下，应用于直流配电系统的直流断路器必须具备可靠、高效的双向通流及分断能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种电流注入式断路器，用以解决传统的电流注入式断路器的分断可靠性较低的问题。

为实现上述目的，本发明包括以下技术方案：

一种电流注入式断路器，包括并联设置的主流通支路和转移支路，所述主流通支路上串设有机械开关，所述断路器还包括与所述机械开关并联设置的辅助旁路支路，所述辅助旁路支路上串设有旁路控制开关，所述转移支路上依次串设有转移电感和转移模块，所述转移模块为桥式转移电路，所述桥式转移电路包括两条并联设置的桥臂，第一桥臂上串设有第一控制开关和第二控制开关，第二桥臂上串设有第三控制开关和第四控制开关，所述第一控制开关和第二控制开关的连接点通过转移电容连接所述第三控制开关和第四控制开关的连接点。

正常工作状态下，系统电流全部流经主流通支路，相对于主流通支路的电流流动方向，转移电容上反向预充有一定的电压。当发生故障时，机械开关开始分断，并根据电流流向，触发转移模块中相应的控制开关，转移电容与转移电感之间形成通路，转移电容向转移电感放电，形成高频振荡电流，电流快速转移至转移支路；然后，控制旁路控制开关导通，转移电容通过辅助旁路支路继续放电，旁路控制开关将机械开关两端电压钳位为旁路控制开关的导通电压，机械开关两端的电压很小，为机械开关灭弧室提供了必要的介质强度恢复时间；随着转移电容的能量不断耗散，高频振荡电流逐渐降低，当下降至与系统电流相等时，流过旁路控制开关的电流下降至零，续流过程结束，机械开关两端电压突变，等于转移支路两端的电压；然后，开始向转移电容反向充电，电容电压极性发生反转且迅速升高，系统电流上升率逐渐降低，当转移支路电压增大至与系统电压相同时，系统电流达到峰值，此后开始减小，当电流下降为零时，完成分断。通过在主流通支路两端并联转移支路和辅助旁路支路，能够有效限制断路器两端的过电压，防止过电压导致的机械断口重击穿，因此，该电流注入式断路器能够大幅度提升分断可靠性。

进一步地，所述第一控制开关为第一晶闸管，所述第二控制开关为第二晶闸管，第三控制开关为第三晶闸管，第四控制开关为第四晶闸管，所述第一晶闸管的负极与第二晶闸管的负极相连接构成所述第一桥臂，所述第三晶闸管的正极与第四晶闸管的正极相连接构成所述第二桥臂。根据电流流向控制相应的晶闸管导通，实现转移电容向转移电感放电。

进一步地，所述旁路控制开关由两个反向并联的晶闸管构成。这两个反向并联的晶闸管构成了双向导通开关，根据电流流向控制相应的晶闸管导通，实现续流。

进一步地，所述机械开关为基于电磁斥力机构的机械开关、基于电机驱动的机械开关或基于永磁机构的机械开关。这些机械开关能够保证分断可靠性。

进一步地，所述断路器还包括与所述主流通支路并联设置的耗能支路。当机械开关两端的电压持续上升，并达到耗能支路的导通电压时，耗能支路导通，系统电流全部转移至耗能支路。

进一步地，所述耗能支路上设置有线路型金属氧化物避雷器、无间隙线路型金属氧化物避雷器和全绝缘复合外套金属氧化物避雷器中的至少一种。这些避雷器能够有效吸收多余能量。

进一步地，所述转移支路上，转移电感的一端连接断路器的电流输入端，转移电感的另一端连接转移模块的一端，所述转移模块的另一端连接断路器的电流输出端。

附图说明

图1是现有直流断路器的结构示意图；

图2是本发明提供的电流注入式断路器的电路结构图；

图3-a是本发明提供的电流注入式断路器开断过程中的第一个状态示意图；

图3-b是本发明提供的电流注入式断路器开断过程中的第二个状态示意图；

图3-c是本发明提供的电流注入式断路器开断过程中的第三个状态示意图；

图3-d是本发明提供的电流注入式断路器开断过程中的第四个状态示意图；

图3-e是本发明提供的电流注入式断路器开断过程中的第五个状态示意图；

图3-f是本发明提供的电流注入式断路器开断过程中的第六个状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本实施例提供的电流注入式断路器为一种直流断路器。该电流注入式断路器具有双向导通和分断的能力，可应用于有单向或双向导通及分断要求的中压直流系统中。

如图2所示，该电流注入式断路器包括并联设置的主流通支路(也称为机械开关支路)、转移支路和耗能支路(也称为MOV支路)。其中，主流通支路、转移支路和耗能支路并联后，通过出线端C1和C2引出。

主流通支路上串设有机械开关HSS，机械开关HSS断口两端和断路器出线端C1和C2直接相连，这里，机械开关HSS为高速机械开关，可以为基于电磁斥力机构的机械开关、基于电机驱动的机械开关或基于永磁机构的机械开关。

机械开关HSS的两端并联有辅助旁路支路，辅助旁路支路上串设有旁路控制开关，作为一个具体的实施方式，旁路控制开关由反向并联的晶闸管VT5和晶闸管VT6构成，实现双向导通。当然，旁路控制开关还可以由更多个晶闸管串并联连接组成，以达到相应的电压、电流等级。

转移支路上依次串设有转移电感L和转移模块，该转移模块为桥式转移电路，桥式转移电路包括两条并联设置的桥臂，第一桥臂上串设有第一控制开关和第二控制开关，第二桥臂上串设有第三控制开关和第四控制开关，第一控制开关和第二控制开关的连接点通过转移电容C连接第三控制开关和第四控制开关的连接点。作为一个具体的实施方式，上述四个控制开关均为晶闸管，当然，上述四个控制开关还可以是其他种类的电控开关。那么，如图2所示，晶闸管VT1的负极与晶闸管VT2的负极相连接构成第一桥臂，晶闸管VT3的正极与晶闸管VT4的正极相连接构成第二桥臂，即晶闸管VT1与晶闸管VT2共阴极连接，晶闸管VT3与晶闸管VT4共阳极连接。

为了描述方便，假设电流从出线端C1流入，从出线端C2流出，即出线端C1为断路器的电流输入端，出线端C2为断路器的电流输出端，当电流方向相反时，控制时序与上述情况相同，只需控制其他方向的晶闸管即可。那么，如图2所示，转移电感L的一端与断路器出线端C1相连，另一端与晶闸管VT1的正极相连，晶闸管VT2的正极与断路器出线端C2相连；晶闸管VT3的负极与转移电感L相连，晶闸管VT4的负极与断路器出线端C2相连。当然，除了上述位置关系之外，转移电感L与整个转移模块的位置关系还可以调换。

转移电容C中预充有一定的电压，如图2所示，预充电压的正极对应晶闸管VT3的正极。

另外，耗能支路上设置的避雷器至少为线路型金属氧化物避雷器、无间隙线路型金属氧化物避雷器和全绝缘复合外套金属氧化物避雷器中的至少一种，即耗能支路上设置的避雷器包括但不限于上述几种器件的单个或者组合。

该电流注入式断路器的具体开断过程如下：

如图3-a所示，在系统正常工作状态下，系统电流全部从主流通支路流过，转移电容C预充有一定的电压，电压方向如图3-a所示。所有的晶闸管处于截止状态，耗能支路的导通阈值高于系统电压，耗能支路不导通。

如图3-b所示，当系统发生短路故障时，电流超过设定阈值，断路器上设置的断路器电流检测单元能够将检测得到的电流值输出给系统控制单元，系统控制单元接收到电流值之后，立即向机械开关HSS发送分断指令，机械开关HSS开始分断，动静触头打开，然后(比如当动静触头开距达到一定距离后)，系统控制单元根据电流方向控制相应的晶闸管导通，就本实施例给出的电流流向而言，控制晶闸管VT1和VT4同时导通，转移电容C和转移电感L之间形成通路，转移电容C通过L-VT1-C-VT4-HSS-VT1回路进行放电，形成高频振荡电流，电流向转移支路中的L-VT1-C-VT4进行转移。

如图3-c所示，主流通支路的电流迅速全部转移至转移支路，流经机械开关HSS的电流变为零，电弧熄灭，主流通支路完成打开。此时，系统控制单元根据电流方向控制晶闸管VT5或晶闸管VT6导通，这里控制晶闸管VT5导通，那么，转移电容C通过辅助旁路支路继续放电，即转移电容C通过L-VT1-C-VT4-VT5-VT1继续放电，此乃续流阶段。晶闸管VT5将机械开关HSS两端电压钳位为晶闸管的导通电压，机械开关HSS两端的电压接近零，为机械开关灭弧室提供了必要的介质强度恢复时间，可有效防止机械开关HSS动静触头间在恢复电压的作用下重击穿。

如图3-d所示，转移电容C在放电过程中能量逐渐降低，随着转移电容C的能量不断耗散，高频振荡电流下降至与系统电流相等，流过晶闸管VT5的电流下降至零，晶闸管VT5关断，续流过程结束，机械开关HSS两端电压突变，等于转移支路两端的电压。

如图3-e所示，系统电源开始给转移电容C反向充电，随着系统电源持续给转移电容C反向充电，转移电容C电压极性发生反转且不断升高，系统电流上升率变缓。

如图3-f所示，当转移支路电压增大至与系统电源电压相同时，系统电流达到峰值，此后开始减小。此过程机械开关HSS两端电压持续上升，若该电压始终低于耗能支路的导通电压，则耗能支路不导通，电流下降为零，完成分断全过程，这种情况下，耗能支路原则上可以不设置；若在此期间机械开关HSS电压达到耗能支路的导通电压，则耗能支路导通，系统电流全部转移至耗能支路，最终电流下降至零，分断全过程完成。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种电流注入式断路器，包括并联设置的主流通支路和转移支路，所述主流通支路上串设有机械开关，其特征在于，所述断路器还包括与所述机械开关并联设置的辅助旁路支路，所述辅助旁路支路上串设有旁路控制开关，所述转移支路上依次串设有转移电感和转移模块，所述转移模块为桥式转移电路，所述桥式转移电路包括两条并联设置的桥臂，第一桥臂上串设有第一控制开关和第二控制开关，第二桥臂上串设有第三控制开关和第四控制开关，所述第一控制开关和第二控制开关的连接点通过转移电容连接所述第三控制开关和第四控制开关的连接点；所述转移支路上，转移电感的一端连接断路器的电流输入端，转移电感的另一端连接转移模块的一端，所述转移模块的另一端连接断路器的电流输出端。

2.根据权利要求1所述的电流注入式断路器，其特征在于，所述第一控制开关为第一晶闸管，所述第二控制开关为第二晶闸管，第三控制开关为第三晶闸管，第四控制开关为第四晶闸管，所述第一晶闸管的负极与第二晶闸管的负极相连接构成所述第一桥臂，所述第三晶闸管的正极与第四晶闸管的正极相连接构成所述第二桥臂。

3.根据权利要求1或2所述的电流注入式断路器，其特征在于，所述旁路控制开关由两个反向并联的晶闸管构成。

4.根据权利要求1或2所述的电流注入式断路器，其特征在于，所述机械开关为基于电磁斥力机构的机械开关、基于电机驱动的机械开关或基于永磁机构的机械开关。

5.根据权利要求1或2所述的电流注入式断路器，其特征在于，所述断路器还包括与所述主流通支路并联设置的耗能支路。

6.根据权利要求5所述的电流注入式断路器，其特征在于，所述耗能支路上设置有线路型金属氧化物避雷器、无间隙线路型金属氧化物避雷器和全绝缘复合外套金属氧化物避雷器中的至少一种。

Images