CN109713651A - 一种双向分断的直流断路器及其开断方法 - Google Patents
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Abstract
一种双向分断直流断路器及开断方法，包括主电流回路、固态开关支路、振荡转移支路、控制系统、出线端C1和出线端C2，主电流回路、固态开关支路和振荡转移支路并联且经由出线端C1、C2引出，固态开关组件中二极管D1反并联在全控型功率半导体器件T1两端，电容C和电阻R串联后与MOV并联，后并联在T1两端，二极管D2反并联在全控型功率半导体器件T2两端，电容C和电阻R串联后与MOV并联，后并联在T2两端，T1和T2反向串联，半控型功率半导体T1和T2正负极反向并联，电感一端与T1正极相连接，电感另一端与电容另一端相连，电容另一端与出线端C1相连，出线端C2与T1负极相连，使振荡转移支路与主电流回路并联。
Description
技术领域
本发明涉及双向分断的直流断路器及其开断方法，特别涉及过电弧电压强迫电流转移，改变触发固态开关支路和振荡转移支路的功率半导体器件的时序，来实现关断不同通流方向的电流的功能。
背景技术
直流断路器是保障直流配电网安全可靠运行的核心设备之一，目前基于固态开关转移开断方案的固态直流断路器电流转移后断口恢复特性好，全电流范围开断速度快，但由于大功率电力电子器件串联在额定通流回路中，额定通流损耗高，且开断能力有限；基于预充电电容转移方案的机械式直流断路器额定通流损耗低，开断能力强，但小电流开断时间长，并且断口绝缘恢复差。针对上述两种开断放的不足，本文提出了一种结合固态开关转移和预充电电容转移的直流断路器方案，具有额定通流损耗低，断口绝缘恢复好、开断可靠性高，开断能力强、全电流范围开断速度快等优势，能够满足目前直流配电网安全、可靠、经济的要求。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足或缺陷，本发明的目的在于提供一种双向分断的直流断路器及其开断方法。通过控制高速机械开关S1和S2同时动作，建立电弧电压，然后根据回路电流的大小按照特定时序触发固态开关支路及振荡开关支路的全控型功率半导体器件导通，完成电流分断。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。
本发明的一方面，一种双向分断的直流断路器包括主电流回路、固态开关支路、振荡转移支路、控制系统、出线端C1和出线端C2，主电流回路、固态开关支路和振荡转移支路并联且经由出线端C1和出线端C2引出，
所述主电流回路包括串联的高速机械开关S1和高速机械开关S2，其中，高速机械开关S1的左端断口与出线端C1直接相连，高速机械开关S2的右端端口与出线端C2直接相连；
所述固态开关支路两端并联在主电流回路两端，固态开关支路包括一个或多个串联的固态开关组件，所述固态开关组件中，二极管D1反并联在全控型功率半导体器件T1两端，电容C和电阻R串联后与MOV并联，之后并联在T1两端，二极管D2反并联在全控型功率半导体器件T2两端，电容C和电阻R串联后与MOV并联，之后并联在T2两端，T1和T2反向串联，
所述振荡转移支路中，半控型功率半导体T1和T2的正负极反向并联，电感一端与T1的正极相连接，电感另一端与电容的另一端相连，电容另一端与出线端C1相连，出线端C2与T1的负极相连，使得所述振荡转移支路与主电流回路的并联；
控制系统，其测量流经所述出线端C1或C2的电流以及电流方向、流经所述主电流电路的电流、流经所述固态开关支路的电流、流经所述振荡转移支路的电流、所述高速机械开关S1和S2的开关两端的电压和高速机械开关的开关位移，所述控制系统包括用于测量系统电流状态的电流传感器GO、用于测量主电流回路的电流状态电流传感器G1、用于测量固态开关支路的电流状态的电流传感器G2、用于测量振荡转移支路的电流状态的电流传感器G3、分别用于测量高速机械开关S1和S2的断口电压的电压传感器Vhss1和Vhss2、用于测量振荡转移支路电压状态的电压传感器Vc、分别用于测量高速机械开关S1和S2的运动状态的位移传感器P1和P2、及断路器环境温度传感器E1、以及信号调理电路的、A/D转换模块和通信模块；
控制系统通过测量所述主电流电路的电流幅值和变化率以及所述转移电流电路中电流幅值和变化率控制所述高速机械开关S1和S2和振荡转移支路和固态开关支路中的功率半导体器件动作。
所述的双向分断的直流断路器中，系统正常通流状态下，系统电流从所述主电流回路流过，振荡转移支路所有的半控型功率半导体器件均未被触发，振荡转移支路没有电流，当关断额定电流时，控制系统向高速机械开关S1和S2发出分闸动作指令，高速机械开关S1和S2同时动作，基于电流的流向，控制系统按照特定的时序触发固态开关支路，关断电流完成电路开断，当发生短路故障时，控制系统发出分闸指令，控制系统向高速机械开关S1和S2发出分闸动作指令，高速机械开关S1和S2同时动作，基于电流的流向，控制系统按照特定的时序触发固态开关支路和振荡转移支路导通，完成电流强制过零，实现开断。
所述的双向分断的直流断路器中，所述固态开关组件包括支路1和支路2，支路1中二极管D1与二极管D2阴极相连串联，所述支路2中二极管D3与二极管D4阳极相连串联，支路1与支路2两端并联，全控型功率半导体器件T1两端分别与支路1中共阴极端和支路2中共阳极端相连，电容C和电阻R串联后与MOV并联，之后并联在T1两端。
所述的双向分断的直流断路器中，所述固态开关组件包括支路1和支路2，支路1中二极管D1与二极管D2阴极相连串联，所述支路2中二极管D3与二极管D4阳极相连串联，支路1与支路2两端并联，全控型功率半导体器件T1两端分别与支路1中共阴极端和支路2中共阳极端相连，电容C和电阻R串联后与MOV并联，之后并联在D1与D4阳极端。
所述的双向分断的直流断路器中，振荡转移支路包括支路1、支路2和所述LC支路，支路1中半控型功率半导体T1与半控型功率半导体T2阴极相连串联，所述支路2中半控型功率半导体T3与半控型功率半导体T4阳极相连串联，支路1与支路2两端并联，所述LC支路中电感L和电容C串联，LC支路两端分别与支路1中共阴极端和支路2中共阳极端相连，与T1阳极相连的一端和主电流支路一端相连，与T2阳极相连的一端和主电流支路另一端相连，从而实现振荡转移支路与主电流支路的并联。
所述的双向分断的直流断路器中，电容C在靠近主电流回路的一端预充负极性电压。
所述的双向分断的直流断路器中，高速机械开关S1为真空或SF6高速机械开关的单个或多个串并联组合，高速机械开关S2为空气或N2或H2高速机械开关的单个或多个串并联组合。
所述的双向分断的直流断路器中，全控型功率半导体器件是以下单个器件或组合：IGBT、IGCT或者IEGT，半控型功率半导体器件可以是晶闸管的单个器件或是组合。
所述的双向分断的直流断路器中，控制系统特征还包括人机交互模块、电流滤波处理模块、主回路电流di/dt计算模块和通信模块。
根据本发明另一方面，一种利用所述的双向分断的直流断路器的电流从C1流向C2时的开断方法包括以下步骤：
在第一步骤中，系统电流从出线端C1流入，经过高速机械开关S1和S2后从出线端C2流出；
在第二步骤中，当在线监测系统检测到系统发生短路故障时，通知控制系统，控制系统发出分闸指令，高速机械开关S1和S2同时打开，开始燃弧；
在第三步骤中，控制系统经过延时后，触发固态开关支路导通，在高速机械开关S1和S2电弧电压作用下，电流迅速转移到固态开关支路，主电流回路熄弧，建立断口绝缘；
在第四步骤中，在电流转移到固态开关支路后，控制系统触发振荡转移支路导通，电流转移到振荡转移支路，固态开关支路完成关断；
在第五步骤中，短路电流持续给振荡转移支路充电，当振荡转移支路电压高于电源电压时，系统电流逐渐下降至零，完成短路电流开断。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1是根据本发明一个实施例的双向分断的直流断路器的结构示意图；
图2根据本发明一个实施例的双向分断的直流断路器的结构示意图；
图3是根据本发明一个实施例的控制系统传感器在断路器内部分布示意图；
图4是根据本发明一个实施例的双向分断的直流断路器的结构示意图；
图5根据本发明一个实施例的双向分断的直流断路器的结构示意图；
图6根据本发明一个实施例的双向分断的直流断路器的结构示意图；
图7根据本发明一个实施例的双向分断的直流断路器的结构示意图；
图8根据本发明一个实施例的双向分断的直流断路器的结构示意图；
图9根据本发明一个实施例的双向分断的直流断路器的结构示意图；
图10是根据本发明一个实施例的利用双向分断的直流断路器的开断方法的步骤示意图；
图11(a)至图11(e)是根据本发明一个实施例的利用双向分断的直流断路器的开断方法的工作示意图；
图12(a)至图12(d)是根据本发明一个实施例的利用双向分断的直流断路器的工作示意图。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面将参照附图1至图12(d)更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
图1为本发明的一个实施例的双向分断的直流断路器的结构示意图，本发明实施例将结合图1进行具体说明。
如图1所示，一种双向分断的直流断路器包括主电流回路、固态开关支路、振荡转移支路、控制系统、出线端C1和出线端C2，主电流回路、固态开关支路和振荡转移支路并联且经由出线端C1和出线端C2引出。
所述主电流回路包括串联的高速机械开关S1和高速机械开关S2，其中，高速机械开关S1的左端断口与出线端C1直接相连，高速机械开关S2的右端端口与出线端C2直接相连。
图2为本发明的一个实施例的双向分断的直流断路器的结构示意图，参见图2，所述固态开关支路两端并联在主电流回路两端，固态开关支路包括一个或多个串联的固态开关组件，所述固态开关组件中，二极管D1反并联在全控型功率半导体器件T1两端，电容C和电阻R串联后与MOV并联，之后并联在T1两端，二极管D2反并联在全控型功率半导体器件T2两端，电容C和电阻R串联后与MOV并联，之后并联在T2两端，T1和T2反向串联。
所述振荡转移支路中，半控型功率半导体T1和T2的正负极反向并联，电感一端与T1的正极相连接，电感另一端与电容的另一端相连，电容另一端与出线端C1相连，出线端C2与T1的负极相连，使得所述振荡转移支路与主电流回路的并联。
图3是根据本发明一个实施例的控制系统传感器在断路器内部分布示意图，测量流经所述出线端C1或C2的电流以及电流方向、流经所述主电流电路的电流、流经所述固态开关支路的电流、流经所述振荡转移支路的电流、所述高速机械开关S1和S2的开关两端的电压和高速机械开关的开关位移的控制系统包括用于测量系统电流状态的电流传感器G0、用于测量主电流回路的电流状态电流传感器G1，用于测量固态开关支路的电流状态的电流传感器G2，用于测量振荡转移支路的电流状态的电流传感器G3，分别用于测量高速机械开关S1和S2的断口电压的电压传感器Vhss1和Vhss2，用于测量振荡转移支路电压状态的电压传感器Vc，分别用于测量高速机械开关S1和S2的运动状态的位移传感器P1和P2，及断路器环境温度传感器E1，以及信号调理电路的、A/D转换模块、通信模块；
控制系统通过测量所述主电流电路的电流幅值和变化率以及所述转移电流电路中电流幅值和变化率控制所述高速机械开关S1和S2和振荡转移支路和固态开关支路中的功率半导体器件动作。
所述的双向分断的直流断路器中，系统正常通流状态下，系统电流从所述主电流回路流过，振荡转移支路所有的半控型功率半导体器件均未被触发，振荡转移支路没有电流，当关断额定电流时，控制系统向高速机械开关S1和S2发出分闸动作指令，高速机械开关S1和S2同时动作，基于电流的流向，控制系统按照特定的时序触发固态开关支路，关断电流完成电路开断，当发生短路故障时，控制系统发出分闸指令，控制系统向高速机械开关S1和S2发出分闸动作指令，高速机械开关S1和S2同时动作，基于电流的流向，控制系统按照特定的时序触发固态开关支路和振荡转移支路导通，完成电流强制过零，实现开断。
所述的双向分断的直流断路器的一个实施例中，图4为本发明的一个实施例的双向分断的直流断路器的结构示意图，参见图4，所述固态开关组件包括支路1和支路2，支路1中二极管D1与二极管D2阴极相连串联，所述支路2中二极管D3与二极管D4阳极相连串联，支路1与支路2两端并联，全控型功率半导体器件T1两端分别与支路1中共阴极端和支路2中共阳极端相连，电容C和电阻R串联后与MOV并联，之后并联在T1两端。
所述的双向分断的直流断路器的一个实施例中，图5为本发明的一个实施例的双向分断的直流断路器的结构示意图，参见图5，所述固态开关组件包括支路1和支路2，支路1中二极管D1与二极管D2阴极相连串联，所述支路2中二极管D3与二极管D4阳极相连串联，支路1与支路2两端并联，全控型功率半导体器件T1两端分别与支路1中共阴极端和支路2中共阳极端相连，电容C和电阻R串联后与MOV并联，之后并联在D1与D4阳极端。
所述的双向分断的直流断路器的一个实施例中，图6为本发明的一个实施例的双向分断的直流断路器的结构示意图，参见图6，振荡转移支路包括支路1、支路2和所述LC支路，支路1中半控型功率半导体T1与半控型功率半导体T2阴极相连串联，所述支路2中半控型功率半导体T3与半控型功率半导体T4阳极相连串联，支路1与支路2两端并联，所述LC支路中电感L和电容C串联，LC支路两端分别与支路1中共阴极端和支路2中共阳极端相连，与T1阳极相连的一端和主电流支路一端相连，与T2阳极相连的一端和主电流支路另一端相连，从而实现振荡转移支路与主电流支路的并联。
所述的双向分断的直流断路器的一个实施例中，电容C在靠近主电流回路的一端预充负极性电压。
所述的双向分断的直流断路器的一个实施例中，高速机械开关S1为真空或SF6高速机械开关的单个或多个串并联组合，高速机械开关S2为空气或N2或H2高速机械开关的单个或多个串并联组合。
所述的双向分断的直流断路器的一个实施例中，全控型功率半导体器件是以下单个器件或组合：IGBT、IGCT或者IEGT，半控型功率半导体器件可以是晶闸管的单个器件或是组合。
所述的双向分断的直流断路器的一个实施例中，控制系统特征还包括人机交互模块、电流滤波处理模块、主回路电流di/dt计算模块和通信模块。
为了进一步理解本发明，图7-9是根据本发明一个实施例的双向分断的直流断路器的结构示意图，参见图7-9在一个实施例中，所述主电流回路中：高速机械开关S1和高速机械开关S2串联，S1左端断口与S2右端断口和断路器出线端C1和C2直接相连；
其中，S1为真空或SF6高速机械开关的单个或多个串并联组合，S2为空气或N2或H2高速机械开关的单个或多个串并联组合；
2所述固态开关支路中，其中：固态开关支路拓扑结构可以是以下任意一种：
A二极管D1反并联在全控型功率半导体器件T1两端，电容C和电阻R串联后与MOV并联，之后并联在T1两端，二极管D2反并联在全控型功率半导体器件T2两端，C和电阻R串联后与MOV并联，之后并联在T1两端，T1和T2反向串联构成固态开关组件，一个或多个固态开关组件串联构成固态开关支路，固态开关支路两端并联在主电流回路两端；
B所述支路1中二极管D1与二极管D2阴极相连串联，所述支路2中二极管D3与二极管D4阳极相连串联，支路1与支路2两端并联，全控型功率半导体器件T1两端分别与支路1中共阴极端和支路2中共阳极端相连，C和电阻R串联后与MOV并联，之后并联在T1两端，从而构成固态开关组件，一个或多个固态开关组件串联构成固态开关支路，固态开关支路两端并联在主电流回路两端；
C所述支路1中二极管D1与二极管D2阴极相连串联，所述支路2中二极管D3与二极管D4阳极相连串联，支路1与支路2两端并联，全控型功率半导体器件T1两端分别与支路1中共阴极端和支路2中共阳极端相连，C和电阻R串联后与MOV并联，之后并联在D1与D4阳极端，从而构成固态开关组件，一个或多个固态开关组件串联构成固态开关支路，固态开关支路两端并联在主电流回路两端；
并且，上述全控型功率半导体器件可以是以下单个器件或组合：IGBT、IGCT或者IEGT；
3所述振荡转移支路中，其中：振荡转移支路拓扑结构可以是以下任意一种：
A所述支路1中两个半控型功率半导体T1和T2的正负极反向并联，与T1的正极相连接的一端和电感一端相连，电感另一端与电容相连，电容另一端与主电流一端相连，与T1的负极相连的一端与主电流支路的另一端相连，从而实现所述振荡转移支路与主电流回路的并联；
B所述支路1中半控型功率半导体T1与半控型功率半导体T2阴极相连串联，所述支路2中半控型功率半导体T3与半控型功率半导体T4阳极相连串联，支路1与支路2两端并联，所述LC支路中电感L和电容C串联，LC支路两端分别与支路1中共阴极端和支路2中共阳极端相连，从而构成振荡转移支路，与T1阳极相连的一端和主电流支路一端相连，与T2阳极相连的一端和主电流支路另一端相连，从而实现振荡转移支路与主电流支路的并联；
其所述支路中电容均在靠近主电流回路的一端预充负极性电压；其所述半控型功率半导体器件可以是晶闸管的单个器件或是组合；
4所述控制系统测量流经所述出线端C1或C2的电流以及电流方向、流经所述主电流电路的电流、流经所述固态开关支路的电流、流经所述振荡转移支路的电流、所述高速机械开关S1和S2的开关两端的电压和所述高速机械开关的开关位移，当系统电流方向从C1到C2时，通过测量所述主电流电路的电流幅值和变化率以及所述转移电流电路中电路1的电流幅值和变化率控制所述高速机械开关S1和S2和振荡转移支路和固态开关支路中的功率半导体器件动作，当系统电流方向从C2到C1时，通过测量所述主电流电路的电流幅值和变化率以及所述转移电流电路中电流幅值和变化率控制所述高速机械开关S1和S2和振荡转移电路和固态开关支路中的功率半导体器件动作。
系统正常通流状态下，系统电流从所述主电流回路流过，电容上有一定的预充电压，预充电压方向参见权利要求1所述，此时转移回路所有的半控型功率半导体器件均未被触发，转移支路没有电流。
当关断额定电流时，控制系统向高速机械开关S1和S2发出分闸动作指令，高速机械开关S1和S2同时动作。然后依照传感器返回的信息，依照断路器电流的流向，控制系统按照特定的时序触发固态开关支路，关断电流完成电路开断。当发生短路故障时，控制系统发出分闸指令，控制系统向高速机械开关S1和S2发出分闸动作指令，高速机械开关S1和S2同时动作。然后根据传感器上传的信息，依照断路器电流的流向，控制系统按照特定的时序触发固态开关支路和振荡转移支路导通，完成电流强制过零，实现开断。
其所述控制系统包括：用于测量系统电流状态的电流传感器G0、用于测量主电流回路的电流状态电流传感器G1，用于测量固态开关支路的电流状态的电流传感器G2，用于测量振荡转移支路的电流状态的电流传感器G3，分别用于测量高速机械开关S1和S2的断口电压的电压传感器Vhssl和Vhss2，用于测量振荡转移支路电压状态的电压传感器Vc，分别用于测量高速机械开关S1和S2的运动状态的位移传感器P1和P2，及断路器环境温度传感器F1，以及相应的信号调理电路的、A/D转换模块、通信模块；所述控制系统还包括：人机交互模块，电流滤波处理模块，主回路电流di/dt计算模块，通信模块。
图10是根据本发明一个实施例的利用双向分断的直流断路器的电流从C1流向C2时的开断方法的步骤示意图，一种利用所述的双向分断的直流断路器的电流从C1流向C2时的开断方法包括以下步骤：
在第一步骤S1中，系统电流从出线端C1流入，经过高速机械开关S1和S2后从出线端C2流出；
在第二步骤S2中，当在线监测系统检测到系统发生短路故障时，通知控制系统，控制系统发出分闸指令，高速机械开关S1和S2同时打开，开始燃弧；
在第三步骤S3中，控制系统经过延时后，触发固态开关支路导通，在高速机械开关S1和S2电弧电压作用下，电流迅速转移到固态开关支路，主电流回路熄弧，建立断口绝缘；
在第四步骤S4中，在电流转移到固态开关支路后，控制系统触发振荡转移支路导通，电流转移到振荡转移支路，固态开关支路完成关断；
在第五步骤S5中，短路电流持续给振荡转移支路充电，当振荡转移支路电压高于电源电压时，系统电流逐渐下降至零，完成短路电流开断。
图11(a)至图11(e)是本发明断路器开断短路电流时的工作示意图，参见图11(a)至图11(e)，图11(a)至图11(e)给出了断路器具体开断短路电流过程中，电流转移的过程：
1、如图11(a)所示正常通流状态下，系统电流从出线端C1流入，经过机械开关S1和S2后从出线端C2流出；
2、如图11(b)所示，当检测系统检测到系统发生短路故障时，通知控制系统，控制系统发出分闸指令，高速机械开关S1和S2同时打开，开始燃弧；
3、如图11(c)所示，控制系统经过一段延时后，触发固态开关支路导通，在S1和S2电弧电压作用下，电流迅速转移到固态开关支路，主回路熄弧，建立断口绝缘；
4、如图11(d)所示，在电流转移到固态开关支路后，控制系统触发振荡转移支路导通，电流转移到振荡转移支路，固态开关支路完成关断；
5、如图11(e)所示，短路电流持续给转移支路充电，当转移支路电压高于电源电压时，系统电流逐渐下降至零，完成短路电流开断；
6、当电流流向相反时，电流转移过程与正向电流开断过程中电流转移的方式和时序相同。
在一个实施例中，图12(a)至图12(d)是根据本发明一个实施例的利用双向分断的直流断路器的工作示意图。图12(a)至图12(d)给出了断路器具体开断额定电流过程中，电流转移的过程：
1、如图12(a)所示正常通流状态下，系统电流从出线端C1流入，经过机械开关S1和S2后从出线端C2流出；
2、如图12(b)所示，当控制系统接受到额定开断信号时，控制系统发出分闸指令，高速机械开关S1和S2同时打开，开始燃弧；
3、如图12(c)所示，控制系统经过一段延时后，触发固态开关支路导通，在S1和S2电弧电压作用下，电流迅速转移到固态开关支路，主回路熄弧，建立断口绝缘；
4、如图12(d)所示，在电流转移到固态开关支路后，由固态开断支路直接关断电流，完成额定电流开断；
5、当电流流向相反时，电流转移过程与正向电流开断过程中电流转移的方式和时序相同。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。
Claims (10)
1.一种双向分断的直流断路器，所述直流断路器包括主电流回路、固态开关支路、振荡转移支路、控制系统、出线端C1和出线端C2，主电流回路、固态开关支路和振荡转移支路并联且经由出线端C1和出线端C2引出，其特征在于：
所述主电流回路包括串联的高速机械开关S1和高速机械开关S2，其中，高速机械开关S1的左端断口与出线端C1直接相连，高速机械开关S2的右端端口与出线端C2直接相连；
所述固态开关支路两端并联在主电流回路两端，固态开关支路包括一个或多个串联的固态开关组件，所述固态开关组件中，二极管D1反并联在全控型功率半导体器件T1两端，电容C和电阻R串联后与MOV并联，之后并联在T1两端，二极管D2反并联在全控型功率半导体器件T2两端，电容C和电阻R串联后与MOV并联，之后并联在T2两端，T1和T2反向串联，
所述振荡转移支路中，半控型功率半导体T1和T2的正负极反向并联，电感一端与T1的正极相连接，电感另一端与电容的另一端相连，电容另一端与出线端C1相连，出线端C2与T1的负极相连，使得所述振荡转移支路与主电流回路的并联；
控制系统，其测量流经所述出线端C1或C2的电流以及电流方向、流经所述主电流电路的电流、流经所述固态开关支路的电流、流经所述振荡转移支路的电流、所述高速机械开关S1和S2的开关两端的电压和高速机械开关的开关位移，所述控制系统包括用于测量系统电流状态的电流传感器G0、用于测量主电流回路的电流状态电流传感器G1、用于测量固态开关支路的电流状态的电流传感器G2、用于测量振荡转移支路的电流状态的电流传感器G3、分别用于测量高速机械开关S1和S2的断口电压的电压传感器Vhssl和Vhss2、用于测量振荡转移支路电压状态的电压传感器Vc、分别用于测量高速机械开关S1和S2的运动状态的位移传感器P1和P2、及断路器环境温度传感器E1、以及信号调理电路的、A/D转换模块和通信模块；
控制系统通过测量所述主电流电路的电流幅值和变化率以及所述转移电流电路中电流幅值和变化率控制所述高速机械开关S1和S2和振荡转移支路和固态开关支路中的功率半导体器件动作。
2.根据权利要求1所述的双向分断的直流断路器，其特征在于：优选的，系统正常通流状态下，系统电流从所述主电流回路流过，振荡转移支路所有的半控型功率半导体器件均未被触发，振荡转移支路没有电流，当关断额定电流时，控制系统向高速机械开关S1和S2发出分闸动作指令，高速机械开关S1和S2同时动作，基于电流的流向，控制系统按照特定的时序触发固态开关支路，关断电流完成电路开断，当发生短路故障时，控制系统发出分闸指令，控制系统向高速机械开关S1和S2发出分闸动作指令，高速机械开关S1和S2同时动作，基于电流的流向，控制系统按照特定的时序触发固态开关支路和振荡转移支路导通，完成电流强制过零，实现开断。
3.根据权利要求1所述的双向分断的直流断路器，其特征在于：所述固态开关组件包括支路1和支路2，支路1中二极管D1与二极管D2阴极相连串联，所述支路2中二极管D3与二极管D4阳极相连串联，支路1与支路2两端并联，全控型功率半导体器件T1两端分别与支路1中共阴极端和支路2中共阳极端相连，电容C和电阻R串联后与MOV并联，之后并联在T1两端。
4.根据权利要求1所述的双向分断的直流断路器，其特征在于：所述固态开关组件包括支路1和支路2，支路1中二极管D1与二极管D2阴极相连串联，所述支路2中二极管D3与二极管D4阳极相连串联，支路1与支路2两端并联，全控型功率半导体器件T1两端分别与支路1中共阴极端和支路2中共阳极端相连，电容C和电阻R串联后与MOV并联，之后并联在D1与D4阳极端。
5.根据权利要求1所述的双向分断的直流断路器，其特征在于：振荡转移支路包括支路1、支路2和所述LC支路，支路1中半控型功率半导体T1与半控型功率半导体T2阴极相连串联，所述支路2中半控型功率半导体T3与半控型功率半导体T4阳极相连串联，支路1与支路2两端并联，所述LC支路中电感L和电容C串联，LC支路两端分别与支路1中共阴极端和支路2中共阳极端相连，与T1阳极相连的一端和主电流支路一端相连，与T2阳极相连的一端和主电流支路另一端相连，从而实现振荡转移支路与主电流支路的并联。
6.根据权利要求1所述的双向分断的直流断路器，其特征在于：电容C在靠近主电流回路的一端预充负极性电压。
7.根据权利要求1所述的双向分断的直流断路器，其特征在于：高速机械开关S1为真空或SF6高速机械开关的单个或多个串并联组合，高速机械开关S2为空气或N2或H2高速机械开关的单个或多个串并联组合。
8.根据权利要求1所述的双向分断的直流断路器，其特征在于：全控型功率半导体器件是以下单个器件或组合：IGBT、IGCT或者IEGT，半控型功率半导体器件可以是晶闸管的单个器件或是组合。
9.根据权利要求1所述的双向分断的直流断路器，其特征在于：控制系统特征还包括人机交互模块、电流滤波处理模块、主回路电流di/dt计算模块和通信模块。
10.一种利用权利要求1-9任一项所述的双向分断的直流断路器的电流从C1流向C2时的开断方法，其包括以下步骤：
在第一步骤(S1)中，系统电流从出线端C1流入，经过高速机械开关S1和S2后从出线端C2流出；
在第二步骤(S2)中，当在线监测系统检测到系统发生短路故障时，通知控制系统，控制系统发出分闸指令，高速机械开关S1和S2同时打开，开始燃弧；
在第三步骤(S3)中，控制系统经过延时后，触发固态开关支路导通，在高速机械开关S1和S2电弧电压作用下，电流迅速转移到固态开关支路，主电流回路熄弧，建立断口绝缘；
在第四步骤(S4)中，在电流转移到固态开关支路后，控制系统触发振荡转移支路导通，电流转移到振荡转移支路，固态开关支路完成关断；
在第五步骤(S5)中，短路电流持续给振荡转移支路充电，当振荡转移支路电压高于电源电压时，系统电流逐渐下降至零，完成短路电流开断。
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Cited By (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110299700A (zh) * | 2019-06-12 | 2019-10-01 | 哈尔滨理工大学 | 一种机电混合式直流断路器及其控制方法 |
| CN110350491A (zh) * | 2019-06-14 | 2019-10-18 | 华北电力大学 | 适用于直流电网的降压钳位式直流断路器拓扑 |
| CN110445116A (zh) * | 2019-08-13 | 2019-11-12 | 湖南大学 | 泄流控制电路及装置 |
| CN110460023A (zh) * | 2019-08-13 | 2019-11-15 | 湖南大学 | 泄流装置的开关控制方法 |
| CN110460014A (zh) * | 2019-08-07 | 2019-11-15 | 西安交通大学 | 基于电容预充电转移的双向混合式直流断路器及开断方法 |
| CN112653087A (zh) * | 2020-12-15 | 2021-04-13 | 清华大学 | 一种采用复合固态开关的直流断路器及其控制方法 |
| CN112802698A (zh) * | 2020-10-30 | 2021-05-14 | 西安交通大学 | 一种具有强迫换流功能的混合式直流断路器 |
| CN112865516A (zh) * | 2021-02-26 | 2021-05-28 | 华北电力大学 | 一种主动谐振型直流转换开关及其控制方法 |
| CN113299504A (zh) * | 2021-04-22 | 2021-08-24 | 西安交通大学 | 一种多介质断口串联的磁控振荡式直流断路器 |
| CN113299506A (zh) * | 2021-05-27 | 2021-08-24 | 西安交通大学 | 一种直流断路器 |
| CN113437731A (zh) * | 2021-07-14 | 2021-09-24 | 东北林业大学 | 一种基于高速机械开关的限流型混合直流断路器 |
| CN113488970A (zh) * | 2021-06-28 | 2021-10-08 | 清华大学 | 基于逆阻型器件的固态式直流断路器及其动态均流方法 |
| CN113964788A (zh) * | 2021-10-26 | 2022-01-21 | 西安交通大学 | 一种双向直流断路器及开断方法 |
| CN114498546A (zh) * | 2021-12-28 | 2022-05-13 | 清华大学 | 一种混合双重桥式直流断路器拓扑电路及其控制方法 |
| CN114629098A (zh) * | 2022-02-23 | 2022-06-14 | 中国科学院电工研究所 | 基于分段式无间隙避雷器的固态开关及其利用率提升方法 |
| CN114884495A (zh) * | 2022-07-06 | 2022-08-09 | 中国科学院电工研究所 | 基于半导体模块的固态开关及半导体模块利用率提升方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103346531A (zh) * | 2013-02-06 | 2013-10-09 | 西安交通大学 | 一种双向分断的混合式断路器 |
| US20160322809A1 (en) * | 2015-04-28 | 2016-11-03 | General Electric Company | Dc circuit breaker and method of use |
| CN106099878A (zh) * | 2016-08-04 | 2016-11-09 | 华中科技大学 | 一种电容充电型双向直流断路器及其应用 |
| CN108565845A (zh) * | 2018-06-26 | 2018-09-21 | 西安交通大学 | 一种用于分断故障电流的直流断路器、控制系统及方法 |
| CN109038510A (zh) * | 2018-07-25 | 2018-12-18 | 西安交通大学 | 一种直流断路器 |
| CN210224946U (zh) * | 2018-12-24 | 2020-03-31 | 西安交通大学 | 一种双向分断的直流断路器 |
-
2018
- 2018-12-24 CN CN201811579301.9A patent/CN109713651B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103346531A (zh) * | 2013-02-06 | 2013-10-09 | 西安交通大学 | 一种双向分断的混合式断路器 |
| US20160322809A1 (en) * | 2015-04-28 | 2016-11-03 | General Electric Company | Dc circuit breaker and method of use |
| CN106099878A (zh) * | 2016-08-04 | 2016-11-09 | 华中科技大学 | 一种电容充电型双向直流断路器及其应用 |
| CN108565845A (zh) * | 2018-06-26 | 2018-09-21 | 西安交通大学 | 一种用于分断故障电流的直流断路器、控制系统及方法 |
| CN109038510A (zh) * | 2018-07-25 | 2018-12-18 | 西安交通大学 | 一种直流断路器 |
| CN210224946U (zh) * | 2018-12-24 | 2020-03-31 | 西安交通大学 | 一种双向分断的直流断路器 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 封磊;苟锐锋;杨晓平;王江涛;李超;卓放;: "基于串联晶闸管强迫过零关断技术的混合式高压直流断路器", 高电压技术, no. 02 * |
Cited By (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110299700A (zh) * | 2019-06-12 | 2019-10-01 | 哈尔滨理工大学 | 一种机电混合式直流断路器及其控制方法 |
| CN110350491A (zh) * | 2019-06-14 | 2019-10-18 | 华北电力大学 | 适用于直流电网的降压钳位式直流断路器拓扑 |
| CN110460014A (zh) * | 2019-08-07 | 2019-11-15 | 西安交通大学 | 基于电容预充电转移的双向混合式直流断路器及开断方法 |
| CN110445116A (zh) * | 2019-08-13 | 2019-11-12 | 湖南大学 | 泄流控制电路及装置 |
| CN110460023A (zh) * | 2019-08-13 | 2019-11-15 | 湖南大学 | 泄流装置的开关控制方法 |
| CN110460023B (zh) * | 2019-08-13 | 2020-11-06 | 湖南大学 | 泄流装置的开关控制方法 |
| CN112802698A (zh) * | 2020-10-30 | 2021-05-14 | 西安交通大学 | 一种具有强迫换流功能的混合式直流断路器 |
| CN112653087A (zh) * | 2020-12-15 | 2021-04-13 | 清华大学 | 一种采用复合固态开关的直流断路器及其控制方法 |
| CN112865516A (zh) * | 2021-02-26 | 2021-05-28 | 华北电力大学 | 一种主动谐振型直流转换开关及其控制方法 |
| CN113299504A (zh) * | 2021-04-22 | 2021-08-24 | 西安交通大学 | 一种多介质断口串联的磁控振荡式直流断路器 |
| CN113299506A (zh) * | 2021-05-27 | 2021-08-24 | 西安交通大学 | 一种直流断路器 |
| CN113488970A (zh) * | 2021-06-28 | 2021-10-08 | 清华大学 | 基于逆阻型器件的固态式直流断路器及其动态均流方法 |
| CN113488970B (zh) * | 2021-06-28 | 2022-09-06 | 清华大学 | 基于逆阻型器件的固态式直流断路器及其动态均流方法 |
| CN113437731A (zh) * | 2021-07-14 | 2021-09-24 | 东北林业大学 | 一种基于高速机械开关的限流型混合直流断路器 |
| CN113437731B (zh) * | 2021-07-14 | 2023-03-14 | 东北林业大学 | 一种基于高速机械开关的限流型混合直流断路器 |
| CN113964788A (zh) * | 2021-10-26 | 2022-01-21 | 西安交通大学 | 一种双向直流断路器及开断方法 |
| CN114498546A (zh) * | 2021-12-28 | 2022-05-13 | 清华大学 | 一种混合双重桥式直流断路器拓扑电路及其控制方法 |
| CN114629098A (zh) * | 2022-02-23 | 2022-06-14 | 中国科学院电工研究所 | 基于分段式无间隙避雷器的固态开关及其利用率提升方法 |
| CN114629098B (zh) * | 2022-02-23 | 2022-11-11 | 中国科学院电工研究所 | 基于分段式无间隙避雷器的固态开关及其利用率提升方法 |
| CN114884495A (zh) * | 2022-07-06 | 2022-08-09 | 中国科学院电工研究所 | 基于半导体模块的固态开关及半导体模块利用率提升方法 |
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| Publication number | Publication date |
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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