CN109687404B - 一种直流断路器及其控制方法、装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流断路器及其控制方法、装置，该方法包括：当系统发生短路故障后，控制主电流电路中的机械开关分断，控制零电流电路导通；当机械开关S的电流减小为零时控制零电压电路导通，使得：零电压电路和零电流电路形成回路进行续流，机械开关两端电压钳位为零以防止电弧复燃；续流结束后，系统电压对零电流电路中的预充电电容反向充电，完成分断。本发明通过先导通零电流电路制造电流过零点使机械开关过零熄弧，保证了短路电流完全转移至零电流电路；然后导通零电压电路钳制机械开关熄弧后的恢复电压，防止电弧复燃，使机械开关可靠熄弧。

Description

一种直流断路器及其控制方法、装置

技术领域

本发明涉及一种直流断路器及其控制方法、装置，属于直流断路器技术领域。

背景技术

相比于交流电网，直流电网可以使分布式能源更加方便地接入，并且越来越多的直流用电器的接入也使得直流电网的研究和发展变得尤为重要。直流断路器作为直流电网中的关键设备，不仅能够在正常运行情况下，根据运行的需要投入或切除部分电力设备或线路，起到控制作用，而且在电流设备或线路发生故障时，可以将故障部分从电网中迅速切除，起到保护作用。

传统机械式直流断路器的开断时间一般在几十毫秒，这远远不能满足直流电网对于速断性的要求。这是由于直流电网不存在电抗，短路电流的增长速度比交流电网迅速得多，要求直流断路器的开断时间最好在几十到几百微秒，显然传统机械式直流断路器是无法满足要求的。

通过在机械开关中串联电力电子全控器件(GTO或IGBT)，构成了一种新型的直流断路器—混合式直流断路器。混合式直流断路器利用全控器件来切断电流，速动性到了大幅提高，基本可以满足直流电网的要求。例如，授权公告号为CN105281289B的中国发明专利文件公开了一种双向混合式直流断路器及其控制方法，具有长期通流损耗小、分断动作迅速和工作可靠性高等优点。其中，双向混合式直流断路器的结构示意图如图1所示，包括并联连接的主电流电路、零电压电路、零电流电路和能量吸收电路，主电流电路包括机械开关S，零电压电路包括反向并联以实现双向通流功能的晶闸管T1和T2，零电流电路包括由预充电电容C、电感L和晶闸管桥构成的双向脉冲电流电路，预充电电容C和电感L串联构成LC振荡支路跨接在晶闸管桥的直流侧，能量吸收电路包括压敏电阻MOV。以正常运行情况下主电流电路中的电流由左向右为例，当系统发生短路故障后，该双向混合式直流断路器的控制过程为：

(1)机械开关S分断，控制导通零电压电路，短路电流由主电流电路转移至零电压电路；

(2)当机械开关S的触头分开到足够开距时，控制导通零电流电路，预充电电容C通过电感L放电产生脉冲电流，迫使零电压电路中的电流减小为零；

(3)当零电压电路中的电流过零关断后，系统母线对预充电电容C反向充电，断路器两端电压不断地从反压向正压增加，使能量吸收电路导通以吸收短路电流。

上述控制方法在断开机械开关短路电流的时候，是先导通反向并联两晶闸管具有双向流通功能的零电压电路，目的是将流过机械开关的电流转移到该零电压电路上，然后导通零电流电路，LC振荡支路使主电流电路的电流减小为零。那么，如果在断开机械开关触头产生电弧后导通与机械开关并联的零电压电路，此时机械开关加电弧组成的主电流电路和零电压电路的晶闸管通路都是电阻很小的通路，那么短路电流很可能不能够很好的转移到零电压电路上去，也很可能不能够使机械开关电流过零。

发明内容

本发明的目的是提供一种直流断路器及其控制方法、装置，用于解决机械开关的短路电流在转移过程中无法出现零点而不能可靠转移，导致开断不可靠的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种直流断路器的控制方法，步骤如下：

当系统发生短路故障后，控制主电流电路中的机械开关分断，控制零电流电路导通；

当机械开关S的电流减小为零时控制零电压电路导通，使得：首先零电压电路和零电流电路形成回路进行续流，机械开关两端电压钳位为零，零电压电路中的电流逐渐减小至过零关断；续流结束后，系统电压对零电流电路中的预充电电容反向充电。

本发明的有益效果是：通过先导通零电流电路，制造电流过零点使机械开关过零熄弧，有效保证了短路电流完全转移至零电流电路；然后导通零电压电路钳制机械开关熄弧后的恢复电压，防止电弧复燃，使机械开关可靠熄弧，有效提高了直流断路器的开断可靠性。

进一步的，为了使零电流电路可靠投入，控制主电流电路中的机械开关分断达到设定时间后，控制零电流电路导通，所述设定时间根据主电流电路的电流过零时刻计算得到。

进一步的，为了精确计算零电流电路投入的时间以提高控制可靠性，令主电流电路的电流等于零，求取使时间t最小所对应的投入零电流电路的时间t₁作为所述设定时间，主电流电路的电流的计算公式为：

其中，i₁₂为主电流电路的电流，U为零电流电路中的预充电电容两端的电压，R₁₁、R′₁₁分别为短路前后主电流电路的等效电路的电阻值，τ为短路电流的衰减时间常数，U₀为预充电电容的预充电压，

L₁为零电流电路中的电感的电感值，C₁为零电流电路中的预充电电容的电容值，R₁为机械开关电弧的等效电阻值。

本发明还提供了一种直流断路器的控制装置，包括处理器和存储器，所述处理器用于处理存储在存储器中的指令以实现如下方法：

当系统发生短路故障后，控制主电流电路中的机械开关分断，控制零电流电路导通；

当机械开关S的电流减小为零时控制零电压电路导通，使得：首先零电压电路和零电流电路形成回路进行续流，机械开关两端电压钳位为零，零电压电路中的电流逐渐减小至过零关断；续流结束后，系统电压对零电流电路中的预充电电容反向充电。

本发明的有益效果是：通过先导通零电流电路，制造电流过零点使机械开关过零熄弧，有效保证了短路电流完全转移至零电流电路；然后导通零电压电路钳制机械开关熄弧后的恢复电压，防止电弧复燃，使机械开关可靠熄弧，有效提高了直流断路器的开断可靠性。

进一步的，为了使零电流电路可靠投入，控制主电流电路中的机械开关分断达到设定时间后，控制零电流电路导通，所述设定时间根据主电流电路的电流过零时刻计算得到。

进一步的，为了精确计算零电流电路投入的时间以提高控制可靠性，令主电流电路的电流等于零，求取使时间t最小所对应的投入零电流电路的时间t₁作为所述设定时间，主电流电路的电流的计算公式为：

其中，i₁₂为主电流电路的电流，U为零电流电路中的预充电电容两端的电压，R₁₁、R′₁₁分别为短路前后主电流电路的等效电路的电阻值，τ为短路电流的衰减时间常数，U₀为预充电电容的预充电压，L₁为零电流电路中的电感的电感值，C₁为零电流电路中的预充电电容的电容值，R₁为机械开关电弧的等效电阻值。

本发明还提供了一种直流断路器，包括直流断路器本体和控制装置，所述控制装置包括处理器和存储器，所述处理器用于处理存储在存储器中的指令以实现如下方法：

当系统发生短路故障后，控制主电流电路中的机械开关分断，控制零电流电路导通；

当机械开关S的电流减小为零时控制零电压电路导通，使得：首先零电压电路和零电流电路形成回路进行续流，机械开关两端电压钳位为零，零电压电路中的电流逐渐减小至过零关断；续流结束后，系统电压对零电流电路中的预充电电容反向充电。

本发明的有益效果是：通过先导通零电流电路，制造电流过零点使机械开关过零熄弧，有效保证了短路电流完全转移至零电流电路；然后导通零电压电路钳制机械开关熄弧后的恢复电压，防止电弧复燃，使机械开关可靠熄弧，有效提高了直流断路器的开断可靠性。

进一步的，为了使零电流电路可靠投入，控制主电流电路中的机械开关分断达到设定时间后，控制零电流电路导通，所述设定时间根据主电流电路的电流过零时刻计算得到。

进一步的，为了精确计算零电流电路投入的时间以提高控制可靠性，令主电流电路的电流等于零，求取使时间t最小所对应的投入零电流电路的时间t₁作为所述设定时间，主电流电路的电流的计算公式为：

其中，i₁₂为主电流电路的电流，U为零电流电路中的预充电电容两端的电压，R₁₁、R′₁₁分别为短路前后主电流电路的等效电路的电阻值，τ为短路电流的衰减时间常数，U₀为预充电电容的预充电压，

L₁为零电流电路中的电感的电感值，C₁为零电流电路中的预充电电容的电容值，R₁为机械开关电弧的等效电阻值。

附图说明

图1是现有技术双向混合式直流断路器的结构示意图；

图2是本发明直流断路器的控制方法的流程图；

图3是本发明主电流电路和零电流电路的等效电路图；

图4是本发明压敏电阻MOV的伏安特性曲线；

图5是本发明直流断路器的仿真电路图；

图6是本发明主电流电路的电流变化示意图；

图7是本发明零电流电路的电流变化示意图；

图8是本发明零电压电路的电流变化示意图；

图9是本发明机械开关的电压变化示意图。

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。

直流断路器的控制方法实施例：

基于图1中的双向混合式直流断路器，本实施例提出了一种直流断路器的控制方法，其步骤流程图如图2所示，具体包括以下步骤：

(1)正常工况下，系统电流全部从主电流电路流过。

为了分析和描述方便，下面均以在正常工况下，流经直流断路器的电流方向如图1中所示电流i的方向为例进行说明。在正常工况下，系统电流i全部流过机械开关S所在的主电流电路，即此时主电流电路的电流i_HSS等于系统电流i。断路器电流检测单元实时监测机械开关的电流i_HSS大小，并控制系统电源对零电流电路中的预充电电容C进行预充电，预充电电压的极性如图1中标注所示。

(2)当系统发生短路故障后，控制主电流电路中的机械开关分断，控制零电流电路导通，短路电流由主电流电路转移至零电流电路，零电流电路产生振荡电流使机械开关的电流减小为零以熄灭电弧。

当发生短路故障，流经机械开关S的电流超过设定阈值时，断路器电流检测单元向系统控制单元发送短路保护信号，系统控制单元接收到短路保护信号后，立即向机械开关S发送分断指令，机械开关S的动静触头打开。当机械开关S的动静触头分断达到设定时间后，断路器控制单元根据电流方向控制零电流电路中相应晶闸管导通，以投入零电流电路。当电流的方向与图1中所示系统电流i的方向相同时，断路器控制单元控制晶闸管T5、晶闸管T4同时导通，预充电电容C通过T5-L-C-T4-S-T5回路放电，形成高频震荡电流，短路电流由主电流电路向零电流电路中T5-L-C-T4所在支路转移，此时零电流电路中的电流为图1中的电流i₁。主电流电路的电流迅速全部转移至零电流电路，流经机械开关S的电流变为零，电弧熄灭。通过预先给零电流电路中的预充电电容充电，并在恰当的时机投入零电流电路，一方面可使短路电流的转移更加顺利，另一方面加快了接机械开关反向电流的增长速度，使机械开关S的电流过零点更快出现，有利于提高整个直流断路器的速动性。

在发生短路故障后，要在恰当的时机投入零电流电路，其原理和重要性在于：如果投入过晚，系统短路电流会迅速增大，断路器的开断难度会加大，相应的要使机械开关S的电流出现过零点，机械开关的反向电流的峰值也要提高，因此对零电流电路的预充电电容和电感将会是一个很大的考验；如果投入过早，则不能保证机械开关的动静触头间距达到可靠开断的要求范围，从而造成开断失败。

在零电流电路投入时，主电流电路和零电流电路的等效电路图如图3所示，其中K为机械开关动静触头，R为机械开关电弧等效的一个阻值变化的电阻元件，电阻元件R的电阻值为R₁。假设在短路后的t₁时刻投入零电流电路，根据电路原理有：

其中，U为预充电电容C两端的电压，i₁为主电流电路和零电流电路的等效电路的电流，C₁为预充电电容C的电容值，L₁为电感L的电感值，t为时间。

当时，求解上述关于电压U微分方程的等效方程可得：

其中，r_1,2为一对共轭复数，

根据r_1,2的表达式可以看出，上述主电流电路和零电流电路的等效电路为负阻尼减幅振荡的情况，此时预充电电容C的电压U可以表示为：

其中，c₁、c₂为任意常数。

又因为t＝t₁时，U＝U₀(U₀为预充电电容的预充电压)，

可得：

从而

令

在t≥t₁时，电压U的表达式可以化简为：

在t≥t₁时，可以推出：

可以看出零电流电路的电流是一个高频振荡的电流，电流变化十分迅速，从而在短时间分析时，短路电流的衰减时间常数相对较大，主电流电路的电流为系统短路电流减去零电流电路的高频振荡电流，值的注意的是，在这个过程中虽然主电流电路的电流由于和零电流电路高频震荡电流叠加而迅速减小，但是系统短路电流并没有减小，而是由主电流电路转移至零电流电路，从而使主电流电路的机械开关电流过零关断。主电流电路在零电流电路投入前后的电流可以表示为：

其中，i₁₁、i₁₂分别为主电流电路在零电流电路投入前后的电流，τ为短路电流的衰减时间常数，R₁₁、R′₁₁分别为短路前后主电流电路的等效电路的电阻值。

从i₁₂的表达式可以看出零电流电路的投入时间t₁会影响主电流电路的电流过零的时间点，显然零电流电路投入时间越早，电流过零点出现的时间也就越早，对于切断电流就越有利，电流i₁₂关于时间t的函数关系可以作为零电流电路投入时间点的计算依据。

令i₁₂＝0，求取使时间t最小所对应的投入时间t₁，并将此时的投入时间t₁作为设定时间。当机械开关的动静触头开距达到设定时间后，再控制导通零电流电路。

(3)控制零电压电路导通，零电压电路和零电流电路形成回路进行续流，使机械开关两端电压钳位为零以避免电弧复燃，零电压电路中的电流逐渐减小至过零关断；续流结束后，机械开关两端电压等于零电流电路电压。

当电流的方向与图1中所示系统电流i的方向相同时，断路器控制单元控制晶闸管T2导通，晶闸管T2与零电流电路构成回路，零电流电路中的电流不再流入系统，此时预充电电容C通过T5-L-C-T4-T2-T5继续放电，此乃续流阶段，晶闸管T2中的电流为图1中的电流i₂。在该续流阶段中，晶闸管T2将机械开关S两端电压钳位为晶闸管的导通电压，由于晶闸管的导通电压很小，机械开关S两端的电压很小，接近于零，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动静触头在恢复电压的作用下重击穿，确保电弧不能复燃。随着预充电电容C的能量不断耗散，高频震荡电流下降至与系统电流相等，流过晶闸管T2的电流下降至零，晶闸管T2关断，续流过程结束，机械开关S两端电压突变，等于零电流电路两端的电压。

(4)系统电压对零电流电路中的预充电电容反向充电，导致能量吸收电路导通以吸收短路电流，或者导致短路电流减少。

续流结束后，系统电压持续给预充电电容C反向充电，预充电电容C的电压极性发生反转且不断升高，系统电流上升率变缓。当零电流电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。此过程中机械开关S两端电压持续上升，若机械开关电压达到压敏电阻MOV导通电压，则能量吸收电路导通，系统电流全部转移至能量吸收电路，由压敏电阻MOV对反向充电聚集的能量进行耗散，压敏电阻MOV中的电流为图1中的电流i_MOV，最终电流下降至零，分断全过程完成，确保了断路器断流的可靠性。若过程机械开关S两端电压始终低于压敏电阻MOV的导通电压，则能量吸收电路不导通，系统电流下降为零，完成分断全过程。

压敏电阻MOV的伏安特性曲线如图4所示，沿着电流轴从左到右的方向所分的三个区域分别为低电场区、中电场区和高电场区。由图4可知，在低电场区电流随外电压的增大而增大，在中电场区电流随电压的增大迅速上升，在这个过程中压敏电阻MOV的阻值降低，效果就是将两端电压稳定在一定的数值附近，通过产生的大电流将电能迅速泄放掉，从而保护与其并联的电气元件。值得注意的是，压敏电阻MOV一旦进入高电场区，就会被击穿而失去电压钳制作用，也就失去了对与之并联器件的保护作用。所以应根据断路器应用的电压等级选用合适的压敏电阻MOV，使其工作在低电场区和中电场区。

为了验证上述直流断路器的控制方法的有效性，利用PSCAD搭建直流断路器的仿真电路，如图5所示。在仿真过程中，故障电流由直流电源和电阻来产生，零电流电路中预充电电容设置为10000μF，电感为0.1mH，设置短路电流产生的时间为0.014s，零电流电路投入的时间为0.0203s，零电压电路的投入时间为0.0204s，断流时间大约为100μs左右。在整个仿真过程中，直流断路器中主电流电路、零电流电路、零电压电路的电流变化分别如图6、图7、图8所示，机械开关的电压变化如图9所示。

从图6中可以看出零电流电路投入以后，主电流电路电流下降为零，如图7所示零电流电路电流迅速上升，说明主电流电路的电流转移到了零电流电路，延迟100μs后投入零电压电路，如图8所示零电压电路电流迅速上升，之后在电流过零点处断开，由图9以看出在此过程中机械开关两端的电压为零，体现了零电压电路对机械开关电压的钳位作用，此后零电流电路电流逐渐降低，同时可以看到机械开关两端的电压也逐渐升高，表明机械开关动静触头之间的恢复电压正在逐渐升高，当零电流电路电流下降到零的时候机械开关两端的电压上升到最大值，即机械开关两端的电压恢复到正常开路电压，由主电流电路电流曲线可以看到，电流断开后不存在复燃的迹象，断流过程结束。通过仿真结果，验证了上述直流断路器的控制方法的可行性和优越性。

上述直流断路器的控制方法通过先导通连接有LC振荡支路的零电流电路，制造电流过零点使机械开关过零熄弧，然后导通零电压电路钳制机械开关熄弧后的恢复电压，防止电弧复燃，使机械开关可靠熄弧。即使发生了灭弧之后预充电电容反向充电形成很大电压的极端情况，也可以通过能量吸收电路将能量泄放掉，从而保证快速断流的可靠性。

直流断路器的控制装置实施例：

本实施例提供了一种直流断路器的控制装置，包括处理器和存储器，该处理器用于处理存储在存储器中的指令，以实现上述的直流断路器的控制方法。例如，该指令可以在PC机、通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器上运行。

该直流断路器的控制方法已经在直流断路器的控制方法实施例中进行了详细介绍，对于本领域内的技术人员，可以根据该直流断路器的控制方法生成对应的计算机程序指令，进而得到直流断路器的控制装置，此处不再赘述。

直流断路器实施例：

本实施例提供了一种直流断路器，包括直流断路器本体和控制装置，该控制装置包括处理器和存储器，该处理器用于处理存储在存储器中的指令，以实现上述的直流断路器的控制方法。

其中断路器本体的结构采用现有技术中的双向混合式直流断路器的结构，例如图1中的断路器结构。另外，由于该控制装置已经在直流断路器的控制装置实施例中进行了详细介绍，此处不再赘述。

需要说明的是，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 (3)

1.一种直流断路器的控制方法，其特征在于，步骤如下：

当系统发生短路故障后，控制主电流电路中的机械开关分断，控制零电流电路导通；

当机械开关S的电流减小为零时控制零电压电路导通，使得：首先零电压电路和零电流电路形成回路进行续流，机械开关两端电压钳位为零，零电压电路中的电流逐渐减小至过零关断；续流结束后，系统电压对零电流电路中的预充电电容反向充电；

控制主电流电路中的机械开关分断达到设定时间后，控制零电流电路导通，所述设定时间根据主电流电路的电流过零时刻计算得到；

令主电流电路的电流等于零，求取使时间t最小所对应的投入零电流电路的时间t₁作为所述设定时间，主电流电路的电流的计算公式为：

其中，i₁₂为主电流电路的电流，U为零电流电路中的预充电电容两端的电压，R₁₁、R′₁₁分别为短路前后主电流电路的等效电路的电阻值，τ为短路电流的衰减时间常数，U₀为预充电电容的预充电压，α＝R₁/2L₁，L₁为零电流电路中的电感的电感值，C₁为零电流电路中的预充电电容的电容值，R₁为机械开关电弧的等效电阻值。

2.一种直流断路器的控制装置，其特征在于，包括处理器和存储器，所述处理器用于处理存储在存储器中的指令以实现如下方法：

当系统发生短路故障后，控制主电流电路中的机械开关分断，控制零电流电路导通；

当机械开关S的电流减小为零时控制零电压电路导通，使得：首先零电压电路和零电流电路形成回路进行续流，机械开关两端电压钳位为零，零电压电路中的电流逐渐减小至过零关断；续流结束后，系统电压对零电流电路中的预充电电容反向充电；

控制主电流电路中的机械开关分断达到设定时间后，控制零电流电路导通，所述设定时间根据主电流电路的电流过零时刻计算得到；

令主电流电路的电流等于零，求取使时间t最小所对应的投入零电流电路的时间t₁作为所述设定时间，主电流电路的电流的计算公式为：

其中，i₁₂为主电流电路的电流，U为零电流电路中的预充电电容两端的电压，R₁₁、R′₁₁分别为短路前后主电流电路的等效电路的电阻值，τ为短路电流的衰减时间常数，U₀为预充电电容的预充电压，

α＝R₁/2L₁，L₁为零电流电路中的电感的电感值，C₁为零电流电路中的预充电电容的电容值，R₁为机械开关电弧的等效电阻值。

3.一种直流断路器，包括直流断路器本体和控制装置，其特征在于，所述控制装置包括处理器和存储器，所述处理器用于处理存储在存储器中的指令以实现如下方法：

当系统发生短路故障后，控制主电流电路中的机械开关分断，控制零电流电路导通；

当机械开关S的电流减小为零时控制零电压电路导通，使得：首先零电压电路和零电流电路形成回路进行续流，机械开关两端电压钳位为零，零电压电路中的电流逐渐减小至过零关断；续流结束后，系统电压对零电流电路中的预充电电容反向充电；

控制主电流电路中的机械开关分断达到设定时间后，控制零电流电路导通，所述设定时间根据主电流电路的电流过零时刻计算得到；

令主电流电路的电流等于零，求取使时间t最小所对应的投入零电流电路的时间t₁作为所述设定时间，主电流电路的电流的计算公式为：

其中，i₁₂为主电流电路的电流，U为零电流电路中的预充电电容两端的电压，R₁₁、R′₁₁分别为短路前后主电流电路的等效电路的电阻值，τ为短路电流的衰减时间常数，U₀为预充电电容的预充电压，

α＝R₁/2L₁，L₁为零电流电路中的电感的电感值，C₁为零电流电路中的预充电电容的电容值，R₁为机械开关电弧的等效电阻值。

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