CN110460014A - 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 - Google Patents

Abstract

公开了一种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，直流断路器包括主电流回路、开断续流支路、电流转移支路、过电压限制支路、在线监测系统、控制系统、出线端C1和出线端C2，主电流回路、开断续流支路、电流转移支路和过电压限制支路并联且经由出线端C1和出线端C2引出，开断续流支路两端并联在主电流回路两端，所述开断续流支路包括反向并联的半控型功率半导体器件VT1和半控型功率半导体器件VT2，其组成支路再和主电流回路相并联，所述直流断路器具有双向导通、断口绝缘快速恢复和同时快速开断短路大电流和小电流如额定电流的能力，可应用于双向通流且需要快速可靠分断不同大小电流的直流供电系统。

Description

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

技术领域

本发明涉及断路器领域，特别是一种基于电容预充电转移的双向混合式直流断路器及其开断方法。

背景技术

混合式直流断路器具有通流能力强、关断速度快、通态损耗小、可靠性高等优点，近年来一直是业界研究热点。随着直流供配电系统的进一步发展，新型的直流供配电系统中，大多数负载具有负荷和电源双重属性的特点。这一特点造成直流电网中的电流和能量的流向具有不确定的特点。同时为了能在一定的时间段对电路进行检修，需要对正常工作状态下的电网进行投切。这对直流断路器提出了双向分断和快速开断小电流即额定电流的要求。工作于这种直流系统的直流断路器，不像传统的断路器所工作的供电系统电流流向具有确定的特点且其不需要经常停电检修。且传统的断路器无法实现主回路机械开关断口绝缘的快速恢复和针对不同工况即额定工况和短路工况下的快速开断，这大大的降低了开断的成功率和缩减了高速机械开关的使用寿命。在这种应用背景下，应用于双向直流供电系统不同工况的直流断路器必须具备够辨识电流流向和大小，并且在断路器分闸时根据电流流向和大小做出对应的分断动作的能力，且能在分断过程中保证机械开关两端电压较低，加速电流转移过程从而使断口绝缘强度快速恢复以实现可靠分断，从而进一步提高了电力系统的可靠性。

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基于电容预充电转移的双向混合式直流断路器及其开断方法。通过控制主电流回路的高速机械开关HSS关断，转移电流支路的全控型半导体器件IGCT按照一定时序导通和关断，可以使电流快速转移至电流转移支路，再通过控制开断续流支路的半控型半导体功率器件VT1或VT2按时序导通，不仅可以快速分断双向电流，还能使高速机械开关两端电压较低，保证其介质绝缘强度快速恢复同时还可以实现小电流快速可靠分断。因此该混合式直流断路器具有双向导通、不同工况下快速分断和保证断口可靠耐受开断电压的功能。当转移电流电路两端的电压达到过电压限制电路的导通阈值时，过电压限制电路导通，使得主电流回路两端电压被限制在一定范围；控制系统监测主电流回路和转移电流支路以及开断续流支路中电流幅值和电流变化率，并根据监测结果控制高速机械开关HSS、转移电流电路和开断续流支路按照一定时序动作。

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，一种基于电容预充电转移的双向混合式直流断路器，所述直流断路器包括主电流回路、开断续流支路、电流转移支路、过电压限制支路、在线监测系统、控制系统、出线端C1和出线端C2，主电流回路、开断续流支路、电流转移支路和过电压限制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高速机械开关HSS，其中，高速机械开关HSS1两端和出线端C1和出线端C2直接相连；

所述开断续流支路两端并联在主电流回路两端，所述开断续流支路包括反向并联的半控型功率半导体器件VT1和半控型功率半导体器件VT2，其组成支路再和主电流回路相并联，

所述电流转移支路中，振荡支路包括串联的含有一定预充电压的转移电容C和振动电感L，转移电容C一端连接出线端C1，另一端连接振动电感L的一端，振动感L另一端连接电流转移支路，当电流方向为从出线端C1侧流向出线端C2侧时，转移电容C靠近电感L的一侧电容极柱充正电，另一端充负电；当电流方向为从C2侧流向C1侧时，转移电容C靠近电感L的一侧电容极柱充负电，另一端充正电；

不可控型功率半导体器件VD1和不可控型功率半导体器件VD2负极相连接组成支路1，不可控型功率半导体器件VD3和不可控型功率半导体器件VD4正极相连组成支路2，所述支路1两端和支路2两端并联，并与振荡支路相串联，然后并联在高速机械开关HSS两端，从而实现所述电流转移支路和主电流回路的并联，并且：

所述支路1中不可控型功率半导体器件VD1和VD2负极相连接的一端和全控型功率半导体器件IGCT的正极相连；

所述支路2两端和支路1两端并联，并与振荡支路相串联，然后并联在高速机械开关HSS两端，从而实现所述电流转移支路和主电流回路的并联，所述支路2中不可控型功率半导体器件VD3和VD4正极相连接的一端和全控型功率半导体器件IGCT的负极相连，所有功率半导体器件均为单向导通的功率半导体器件；

所述过电压限制支路包括两端直接并联在高速机械开关HSS两端并和断路器出线端C1和C2相连的金属氧化物避雷器MOV；

所述在线监测系统测量流经所述出线端C1或C2的电流以及电流方向、流经所述主电流支路的电流、流经开断续流支路的电流、流经所述转移电流支路的电流、流经所述过电压限制支路的电流、所述高速机械开关HSS两端的电压和所述高速机械开关的开关行程、所述流过振荡电路的电流和转移电容C的电压，所述在线监测系统包括用于测量C1端引出线电流状态的电流传感器D0、用于测量主回路电流状态的电流传感器D1、用于测量开断续流支路电流状态的电流传感器D2、用于测量电流转移支路电流状态的电流传感器D3、用于测量过电压限制电路的电流状态电流传感器D4、用于测量高速机械开关的断口电压的电压传感器Vhss、用于测量转移电容两端电压状态的电压传感器Vc、用于测量高速机械开关的运动状态的位移传感器Pd以及断路器环境温度传感器D5，以及相应的信号调理电路、A/D转换模块和通信模块；

控制系统，其连接所述在线监测系统，当系统电流方向从C1到C2时，控制系统通过测量的所述主电流支路的电流幅值和变化率以及所述转移电流支路的电流幅值和变化率以及流经开断续流支路的电流控制所述高速机械开关HSS和转移电流支路中的全控型功率半导体器件IGCT以及开断续流支路中的半控型功率半导体器件VT1和VT2依次动作，以实现不同大小和方向的故障电流快速转移、机械开关HSS快速可靠分断和建立介质绝缘恢复的特性；当系统电流方向从C2到C1时，通过测量的所述主电流支路的电流幅值和变化率以及所述转移电流支路的电流幅值和变化率以及流经开断续流支路的电流，控制所述高速机械开关HSS和转移电流支路中的全控型功率半导体器件IGCT以及开断续流支路中的半控型功率半导体器件VT1和VT2依次动作以实现不同大小和方向的故障电流快速转移、机械开关HSS快速可靠分断和建立介质绝缘恢复的特性。

所述的基于电容预充电转移的双向混合式直流断路器中，系统正常通流状态下，系统电流从所述主电流回路流过，转移电容C上有一定的预充电压，此时电流转移支路所有的全控型功率半导体器件和开断续流支路的全部半控型功率半导体器件均未被触发，电流转移支路和开断续流支路没有电流，过电压限制支路导通阈值比系统电压高，因此没有电流流过，

当发生短路故障时或控制系统收到分闸指令时，控制系统根据主电流回路的电流方向和大小，向高速机械开关HSS发出分闸动作指令，高速机械开关开始动作，由于高速机械开关的响应特性所致，此时机械开关仍处于闭合状态，待机械开关HSS分闸燃弧后，立即导通转移支路全控型功率半导体器件IGCT，此时电流将快速转移至电流转移支路，同时按照在线监测系统返回的信息，控制系统按照预定的时序触发半控型功率半导体器件VT1或VT2，由于此时高速机械开关两端有燃弧电压，根据弧压的方向即电流方向可以确定续流支路中一个半控型功率半导体器件被钳位，当主电流回路电流被强制过零后，电流转移支路的电容极性还未改变，此时其将通过电流转移支路和续流支路的该触发半控型功率半导体器件续流，有利于弧后断口介质绝缘强度的快速恢复，保证断口可靠耐受开断电压，当电容极性改变且其两端电压大于MOV阈值电压时，电流将转移到过电压限制支路，电流转移支路电流过零并将IGCT关断，从而实现开断，若开断额定电流小于预定值无法达到阈值触发MOV导通，当电流全部转移至转移支路时立即触发IGCT关断，从而减少电容能量损失，实现小电流快速开断，若开断电流大于预定值以能使MOV达到阈值导通，通过导通续流支路的半控型功率半导体器件VT1或VT2可以加速电容极性反向，从而实现快速可靠开断。

所述的基于电容预充电转移的双向混合式直流断路器中，所述控制系统特征包括人机交互模块、电压电流滤波处理模块、主回路电流di/dt计算模块、通信模块和位移传感器校准模块。

所述的基于电容预充电转移的双向混合式直流断路器中，所述高速机械开关HSS为基于电磁斥力的高速机械开关、基于高速电机驱动的机械开关或基于爆炸驱动的高速机械开关。

所述的基于电容预充电转移的双向混合式直流断路器中，所述半控型功率半导体器件VT1和VT2为单向导通的半控型器件，单向导通的半控型器件是以下器件的单个器件或是组合，GTO、晶闸管、IGBT，所述不可控型功率半导体器件VD1-VD4为单向导通的不可控型器件，单向导通的不可控型器件是快恢复二极管单个器件或其组合，所述全控型功率半导体器件IGCT为单向导通的全控型器件或其组合。

所述的基于电容预充电转移的双向混合式直流断路器中，：所述过电压限制模块包括以下器件的单个或者组合：金属氧化物避雷器、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、全绝缘复合外套金属氧化物避雷器、可卸式避雷器。

根据本发明的另一方面，一种利用基于电容预充电转移的双向混合式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HSS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，触发高速机械开关HSS，高速机械开关HSS在一定延迟后开始分闸并燃弧；

在第三步骤中，当短路电流开始转移到电流转移支路后，控制系统触发续流支路半控型功率半导体器件VT2，由于高速机械开关HSS上电流还没完全转移到转移电流支路中，其两端有弧压，方向与电流方向一致为左正右负，半控型功率半导体器件VT2被钳位，当电流完全转移到转移电流支路时，由于转移电容极性还未改变，其将通过半控型功率半导体器件VT2续流；

在第四步骤中，电流转移支路电流不断向转移电容C充电，当MOV两端电压超过其导通阈值时，过电压限制支路导通，由于过电压限制支路的通态电阻远小于转移支路的通态电阻，且此时转移电容电压高于系统电压，电流快速向过电压限制支路转移；

在第五步骤中，当电流转移支路电流过零时，控制系统控制全控型功率半导体器件IGCT关断，由于系统电压小于过电压限制支路的导通阈值，待系统电感中的能量耗散完后，过电压限制支路恢复高阻抗状态，开断过程完成。

根据本发明又有一方面，利用所述的基于电容预充电转移的双向混合式直流断路器的电流从C2流向C1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C2流入，经过高速机械开关HSS后从出线端C1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，触发高速机械开关HSS，高速机械开关HSS在一定延迟后开始分闸并燃弧；

在第三步骤中，当短路电流开始转移到电流转移支路后，控制系统触发续流支路半控型功率半导体器件VT1，由于高速机械开关HSS上电流还没完全转移到转移电流支路中，其两端有弧压，方向与电流方向一致为左负右正，半控型功率半导体器件VT1被钳位，当电流完全转移到转移电流支路时，由于转移电容极性还未改变，其将通过半控型功率半导体器件VT1续流；

在第四步骤中，电流转移支路电流不断向转移电容C充电，当MOV两端电压超过其导通阈值时，过电压限制支路导通，由于过电压限制支路的通态电阻远小于转移支路的通态电阻，且此时转移电容电压高于系统电压，电流快速向过电压限制支路转移；

在第五步骤中，当电流转移支路电流过零时，控制系统控制全控型功率半导体器件IGCT关断，由于系统电压小于过电压限制支路的导通阈值，待系统电感中的能量耗散完后，过电压限制支路恢复高阻抗状态，开断过程完成。

混合式直流断路器具有双向导通、断口绝缘快速恢复和同时快速开断短路大电流和小电流(额定电流)的能力，可应用于双向通流且需要快速可靠分断不同大小电流的直流供电系统中。本发明故障电流转移能力强，可快速开断小电流或者短路大电流，并且保证断口介质绝缘强度快速恢复的混合式直流断路器，通过改变转移电容极性和触发高速机械开关HSS、开断续流支路的半控型功率半导体器件以及电流转移支路的全控型功率半导体器件IGCT的时序，来实现快速开断不同通流方向和不同大小的电流的功能，如额定和短路两种工况。特别通过触发开断续流支路的半控型功率半导体器件VT1或VT2以实现续流过程，进而保证断口可靠耐受开断电压，防止发生重击穿。

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基于电容预充电转移的双向混合式直流断路器的结构示意图；

图2根据本发明一个实施例的基于电容预充电转移的双向混合式直流断路器的传感器分布示意图；

图3(a)至图3(e)是根据本发明一个实施例的基于电容预充电转移的双向混合式直流断路器的单向工作时的结构示意图；

图4(a)至图4(e)根据本发明一个实施例的基于电容预充电转移的双向混合式直流断路器的单向工作时的结构示意图。

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基于电容预充电转移的双向混合式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。

基于电容预充电转移的双向混合式直流断路器包括主电流回路、开断续流支路、电流转移支路、过电压限制支路、在线监测系统、控制系统、出线端C1和出线端C2，主电流回路、开断续流支路、电流转移支路和过电压限制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高速机械开关HSS，其中，高速机械开关HSS1两端和出线端C1和出线端C2直接相连；

所述开断续流支路两端并联在主电流回路两端，所述开断续流支路包括反向并联的半控型功率半导体器件VT1和半控型功率半导体器件VT2，其组成支路再和主电流回路相并联，

所述电流转移支路中，振荡支路包括串联的含有一定预充电压的转移电容C和振动电感L，转移电容C一端连接出线端C1，另一端连接振动电感L的一端，振动感L另一端连接电流转移支路，当电流方向为从出线端C1侧流向出线端C2侧时，转移电容C靠近电感L的一侧电容极柱充正电，另一端充负电；当电流方向为从C2侧流向C1侧时，转移电容C靠近电感L的一侧电容极柱充负电，另一端充正电；

不可控型功率半导体器件VD1和不可控型功率半导体器件VD2负极相连接组成支路1，不可控型功率半导体器件VD3和不可控型功率半导体器件VD4正极相连组成支路2，所述支路1两端和支路2两端并联，并与振荡支路相串联，然后并联在高速机械开关HSS两端，从而实现所述电流转移支路和主电流回路的并联，并且：

所述支路1中不可控型功率半导体器件VD1和VD2负极相连接的一端和全控型功率半导体器件IGCT的正极相连；

所述支路2两端和支路1两端并联，并与振荡支路相串联，然后并联在高速机械开关HSS两端，从而实现所述电流转移支路和主电流回路的并联，所述支路2中不可控型功率半导体器件VD3和VD4正极相连接的一端和全控型功率半导体器件IGCT的负极相连，所有功率半导体器件均为单向导通的功率半导体器件；

所述过电压限制支路包括两端直接并联在高速机械开关HSS两端并和断路器出线端C1和C2相连的金属氧化物避雷器MOV；

所述在线监测系统测量流经所述出线端C1或C2的电流以及电流方向、流经所述主电流支路的电流、流经开断续流支路的电流、流经所述转移电流支路的电流、流经所述过电压限制支路的电流、所述高速机械开关HSS两端的电压和所述高速机械开关的开关行程、所述流过振荡电路的电流和转移电容C的电压，所述在线监测系统包括用于测量C1端引出线电流状态的电流传感器D0、用于测量主回路电流状态的电流传感器D1、用于测量开断续流支路电流状态的电流传感器D2、用于测量电流转移支路电流状态的电流传感器D3、用于测量过电压限制电路的电流状态电流传感器D4、用于测量高速机械开关的断口电压的电压传感器Vhss、用于测量转移电容两端电压状态的电压传感器Vc、用于测量高速机械开关的运动状态的位移传感器Pd以及断路器环境温度传感器D5，以及相应的信号调理电路、A/D转换模块和通信模块；

控制系统，其连接所述在线监测系统，当系统电流方向从C1到C2时，控制系统通过测量的所述主电流支路的电流幅值和变化率以及所述转移电流支路的电流幅值和变化率以及流经开断续流支路的电流控制所述高速机械开关HSS和转移电流支路中的全控型功率半导体器件IGCT以及开断续流支路中的半控型功率半导体器件VT1和VT2依次动作，以实现不同大小和方向的故障电流快速转移、机械开关HSS快速可靠分断和建立介质绝缘恢复的特性；当系统电流方向从C2到C1时，通过测量的所述主电流支路的电流幅值和变化率以及所述转移电流支路的电流幅值和变化率以及流经开断续流支路的电流，控制所述高速机械开关HSS和转移电流支路中的全控型功率半导体器件IGCT以及开断续流支路中的半控型功率半导体器件VT1和VT2依次动作以实现不同大小和方向的故障电流快速转移、机械开关HSS快速可靠分断和建立介质绝缘恢复的特性。

为了进一步理解本发明，在一个实施例中，基于电容预充电转移的双向混合式直流断路器由主电流回路、开断续流支路、电流转移支路、过电压限制支路、在线监测系统和控制系统组成。其中主电流回路，开断续流支路，电流转移支路，过电压限制支路并联之后，通过出线端C1和C2引出。

(1)所述主电流回路，其中：高速机械开关HSS两端和断路器出线端C1和C2直接相连；

(2)所述开断续流支路，其中半控型功率半导体器件VT1和半控型功率半导体器件VT2反向并联，其组成支路再和主电流回路相并联；

(3)所述电流转移支路，其中：不可控型功率半导体器件VD1和不可控型功率半导体器件VD2负极相连接组成支路1，不可控型功率半导体器件VD3和不可控型功率半导体器件VD4正极相连组成支路2，含有一定预充电压的转移电容和振荡电感共同组成振荡支路。其中：

(A)所述支路1两端和支路2两端并联，并与振荡支路相串联，然后并联在高速机械开关HSS两端，从而实现所述电流转移支路和主电流回路的并联，并且：

所述支路1中不可控型功率半导体器件VD1和VD2负极相连接的一端和全控型功率半导体器件IGCT的正极相连；

(B)所述支路2两端和支路1两端并联，并与振荡支路相串联，然后并联在高速机械开关HSS两端，从而实现所述电流转移支路和主电流回路的并联，并且：

所述支路2中不可控型功率半导体器件VD3和VD4正极相连接的一端和全控型功率半导体器件IGCT的负极相连；

(C)所述振荡支路中，当电流方向为从C1侧流向C2侧时，转移电容C靠近电感L的一侧电容极柱充正电，另一端充负电；当电流方向为从C2侧流向C1侧时，转移电容C靠近电感L的一侧电容极柱充负电，另一端充正电；

(D)所有功率半导体器件均为单向导通的功率半导体器件；

(4)所述过电压限制支路，其中金属氧化物避雷器MOV两端直接并联在高速机械开关HSS两端并和断路器出线端C1和C2相连；

(5)所述在线监测系统测量流经所述出线端C1或C2的电流以及电流方向、流经所述主电流支路的电流、流经开断续流支路的电流、流经所述转移电流支路的电流、流经所述过电压限制支路的电流、所述高速机械开关HSS两端的电压和所述高速机械开关的开关行程、所述流过振荡电路的电流和转移电容C的电压，当系统电流方向从C1到C2时，通过测量所述主电流支路的电流幅值和变化率以及所述转移电流支路的电流幅值和变化率以及流经开断续流支路的电流控制所述高速机械开关HSS和转移电流支路中的全控型功率半导体器件IGCT以及开断续流支路中的半控型功率半导体器件VT1和VT2依次动作，以实现不同大小和方向的故障电流快速转移、机械开关HSS快速可靠分断和建立介质绝缘恢复的特性。当系统电流方向从C2到C1时，通过测量所述主电流支路的电流幅值和变化率以及所述转移电流支路的电流幅值和变化率以及流经开断续流支路的电流，控制所述高速机械开关HSS和转移电流支路中的全控型功率半导体器件IGCT以及开断续流支路中的半控型功率半导体器件VT1和VT2依次动作。以实现不同大小和方向的故障电流快速转移、机械开关HSS快速可靠分断和建立介质绝缘恢复的特性。其中，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，此时转移支路所有的全控型功率半导体器件和开断续流支路的全部半控型功率半导体器件均未被触发，转移支路和开断续流支路没有电流。过电压限制支路导通阈值比系统电压高，因此没有电流流过。

如图2所示，传感器在混合式断路器中的分布包括：用于测量系统电流状态的电流传感器D0、用于测量主电流回路电流状态的电流传感器D1、用于测量续流支路的电流状态电流传感器D2，用于测量电流转移支路电流状态的电流传感器D3，用于测量过电压限制支路的电流状态电流传感器D4，用于测量高速机械开关HSS断口电压的，电压传感器Vhss，用于测量转移电容两端电压状态的电压传感器Vc，用于测量高速机械开关的运动状态的位移传感器P0以及断路器环境温度传感器T。

所述的基于电容预充电转移的双向混合式直流断路器的优选实施例中，系统正常通流状态下，系统电流从所述主电流回路流过，转移电容C上有一定的预充电压，此时电流转移支路所有的全控型功率半导体器件和开断续流支路的全部半控型功率半导体器件均未被触发，电流转移支路和开断续流支路没有电流，过电压限制支路导通阈值比系统电压高，因此没有电流流过，

当发生短路故障时或控制系统收到分闸指令时，控制系统根据主电流回路的电流方向和大小，向高速机械开关HSS发出分闸动作指令，高速机械开关开始动作，由于高速机械开关的响应特性所致，此时机械开关仍处于闭合状态，待机械开关HSS分闸燃弧后，立即导通转移支路全控型功率半导体器件IGCT，此时电流将快速转移至电流转移支路，同时按照在线监测系统返回的信息，控制系统按照预定的时序触发半控型功率半导体器件VT1或VT2，由于此时高速机械开关两端有燃弧电压，根据弧压的方向即电流方向可以确定续流支路中一个半控型功率半导体器件被钳位，当主电流回路电流被强制过零后，电流转移支路的电容极性还未改变，此时其将通过电流转移支路和续流支路的该触发半控型功率半导体器件续流，有利于弧后断口介质绝缘强度的快速恢复，保证断口可靠耐受开断电压，当电容极性改变且其两端电压大于MOV阈值电压时，电流将转移到过电压限制支路，电流转移支路电流过零并将IGCT关断，从而实现开断，若开断额定电流小于预定值无法达到阈值触发MOV导通，当电流全部转移至转移支路时立即触发IGCT关断，从而减少电容能量损失，实现小电流快速开断，若开断电流大于预定值以能使MOV达到阈值导通，通过导通续流支路的半控型功率半导体器件VT1或VT2可以加速电容极性反向，从而实现快速可靠开断。

所述的基于电容预充电转移的双向混合式直流断路器的优选实施例中，所述控制系统特征包括人机交互模块、电压电流滤波处理模块、主回路电流di/dt计算模块、通信模块和位移传感器校准模块。

所述的基于电容预充电转移的双向混合式直流断路器的优选实施例中，所述高速机械开关HSS为基于电磁斥力的高速机械开关、基于高速电机驱动的机械开关或基于爆炸驱动的高速机械开关。

所述的基于电容预充电转移的双向混合式直流断路器的优选实施例中，所述半控型功率半导体器件VT1和VT2为单向导通的半控型器件，单向导通的半控型器件是以下器件的单个器件或是组合，GTO、晶闸管、IGBT，所述不可控型功率半导体器件VD1-VD4为单向导通的不可控型器件，单向导通的不可控型器件是快恢复二极管单个器件或其组合，所述全控型功率半导体器件IGCT为单向导通的全控型器件或其组合。

所述的基于电容预充电转移的双向混合式直流断路器的优选实施例中，所述过电压限制模块包括以下器件的单个或者组合：金属氧化物避雷器、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、全绝缘复合外套金属氧化物避雷器、可卸式避雷器。

图3(a)至图3(e)所示，一种利用所述的基于电容预充电转移的双向混合式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HSS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，触发高速机械开关HSS，高速机械开关HSS在一定延迟后开始分闸并燃弧；

在第三步骤S3中，当短路电流开始转移到电流转移支路后，控制系统触发续流支路半控型功率半导体器件VT2，由于高速机械开关HSS上电流还没完全转移到转移电流支路中，其两端有弧压，方向与电流方向一致为左正右负，半控型功率半导体器件VT2被钳位，当电流完全转移到转移电流支路时，由于转移电容极性还未改变，其将通过半控型功率半导体器件VT2续流；

在第四步骤S4中，电流转移支路电流不断向转移电容C充电，当MOV两端电压超过其导通阈值时，过电压限制支路导通，由于过电压限制支路的通态电阻远小于转移支路的通态电阻，且此时转移电容电压高于系统电压，电流快速向过电压限制支路转移；

在第五步骤S5中，当电流转移支路电流过零时，控制系统控制全控型功率半导体器件IGCT关断，由于系统电压小于过电压限制支路的导通阈值，待系统电感中的能量耗散完后，过电压限制支路恢复高阻抗状态，开断过程完成。

图3(a)至图3(e)给出了断路器具体开断过程中，电流转移的过程，下文将结合图3(a)至图3(e)说明当电流流向向右的开断过程。

(1)、如图3(a)所示正常通流状态下，系统电流从出线端C1流入，经过高速机械开关HSS后从出线端C2流出；

(2)、如图3(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，触发高速机械开关HSS。高速机械开关HSS在一定延迟后开始分闸并燃弧，此时，控制系统控制电流转移支路的全控型功率半导体器件IGCT导通，LC振荡回路向主电流回路注入反相高频振荡电流强迫通过高速机械开关HSS电流过零。若系统未检测到短路故障，但是要进行停电检修等，需要关断额定电流，由于额定电流很小，其会很快完全转移到电流转移支路，此时转移电容的极性不变且电容电压降低很小，可以控制IGCT立即关断，从而实现额定开断。当系统电流很小时，利用IGCT关断电流可以大大减少开断时间，确保断路器快速可靠分断；

(3)、如图3(c)所示，当短路电流开始转移到电流转移支路后，控制系统触发续流支路半控型功率半导体器件VT2，由于高速机械开关HSS上电流还没完全转移到转移电流支路中，其两端有弧压，方向与电流方向一致为左正右负，续流支路半控型功率半导体器件VT2被钳位，当电流完全转移到转移电流支路时，由于转移电容极性还未改变，其将通过VT2续流，此时，不仅可以加快电容极性改变，还能保证高速机械开关HSS两端电压钳位为管压降，加速介质绝缘强度恢复，保证断路器可靠开断；

(4)、如图3(d)所示，转移支路电流不断向电容充电，当MOV两端电压超过其导通阈值时，过电压限制支路导通。由于过电压限制支路的通态电阻远小于转移支路的通态电阻，且此时转移电容电压高于系统电压，电流快速向过电压限制支路转移；

(5)、如图3(e)所示，当转移支路电流过零时，控制系统控制全控型功率半导体器件IGCT关断，由于系统电压小于过电压限制支路的导通阈值，待系统电感中的能量耗散完后，过电压限制支路恢复高阻抗状态，开断过程完成。

如图4(a)至图4(e)所示，一种利用所述的基于电容预充电转移的双向混合式直流断路器的电流从C2流向C1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C2流入，经过高速机械开关HSS后从出线端C1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，触发高速机械开关HSS，高速机械开关HSS在一定延迟后开始分闸并燃弧；

在第三步骤S3中，当短路电流开始转移到电流转移支路后，控制系统触发续流支路半控型功率半导体器件VT1，由于高速机械开关HSS上电流还没完全转移到转移电流支路中，其两端有弧压，方向与电流方向一致为左负右正，半控型功率半导体器件VT1被钳位，当电流完全转移到转移电流支路时，由于转移电容极性还未改变，其将通过半控型功率半导体器件VT1续流；

在第四步骤S4中，电流转移支路电流不断向转移电容C充电，当MOV两端电压超过其导通阈值时，过电压限制支路导通，由于过电压限制支路的通态电阻远小于转移支路的通态电阻，且此时转移电容电压高于系统电压，电流快速向过电压限制支路转移；

在第五步骤S5中，当电流转移支路电流过零时，控制系统控制全控型功率半导体器件IGCT关断，由于系统电压小于过电压限制支路的导通阈值，待系统电感中的能量耗散完后，过电压限制支路恢复高阻抗状态，开断过程完成.

如图4(a)至图4(e)所示，图4(a)至图4(e)给出了断路器具体开断过程中，电流转移的过程，下文将结合图4(a)至图4(e)说明当电流流向向左的开断过程。(1)、如图4(a)所示正常通流状态下，系统电流从出线端C2流入，经过高速机械开关HSS后从出线端C1流出；

(2)、如图4(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，触发高速机械开关HSS。高速机械开关HSS在一定延迟后开始分闸并燃弧，此时，控制系统控制电流转移支路的全控型功率半导体器件IGCT导通，LC振荡回路向主电流回路注入反相高频振荡电流强迫通过高速机械开关HSS电流过零。若系统未检测到短路故障，但是要进行停电检修等，需要关断额定电流，由于额定电流很小，其会很快完全转移到电流转移支路，此时转移电容的极性不变且电容电压降低很小，可以控制IGCT立即关断，从而实现额定开断。当系统电流很小时，利用IGCT关断电流可以大大减少开断时间，确保断路器快速可靠分断；

(3)、如图4(c)所示，当短路电流开始转移到电流转移支路后，控制系统触发续流支路半控型功率半导体器件VT1，由于高速机械开关HSS上电流还没完全转移到转移电流支路中，其两端有弧压，方向与电流方向一致为左负右正，续流支路半控型功率半导体器件VT1被钳位，当电流完全转移到转移电流支路时，由于转移电容极性还未改变，其将通过VT1续流，此时，不仅可以加快电容极性改变，还能保证高速机械开关HSS两端电压钳位为管压降，加速介质绝缘强度恢复，保证断路器可靠开断；

(4)、如图4(d)所示，转移支路电流不断向电容充电，当MOV两端电压超过其导通阈值时，过电压限制支路导通。由于过电压限制支路的通态电阻远小于转移支路的通态电阻，且此时转移电容电压高于系统电压，电流快速向过电压限制支路转移；

(5)、如图4(e)所示，当转移支路电流过零时，控制系统控制全控型功率半导体器件IGCT关断，由于系统电压小于过电压限制支路的导通阈值，待系统电感中的能量耗散完后，过电压限制支路恢复高阻抗状态，开断过程完成。

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 (8)

1.一种基于电容预充电转移的双向混合式直流断路器，所述直流断路器包括主电流回路、开断续流支路、电流转移支路、过电压限制支路、在线监测系统、控制系统、出线端C1和出线端C2，主电流回路、开断续流支路、电流转移支路和过电压限制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高速机械开关HSS，其中，高速机械开关HSS1两端和出线端C1和出线端C2直接相连；

所述开断续流支路两端并联在主电流回路两端，所述开断续流支路包括反向并联的半控型功率半导体器件VT1和半控型功率半导体器件VT2，其组成支路再和主电流回路相并联，

所述电流转移支路中，振荡支路包括串联的含有一定预充电压的转移电容C和振动电感L，转移电容C一端连接出线端C1，另一端连接振动电感L的一端，振动感L另一端连接电流转移支路，当电流方向为从出线端C1侧流向出线端C2侧时，转移电容C靠近电感L的一侧电容极柱充正电，另一端充负电；当电流方向为从C2侧流向C1侧时，转移电容C靠近电感L的一侧电容极柱充负电，另一端充正电；

不可控型功率半导体器件VD1和不可控型功率半导体器件VD2负极相连接组成支路1，不可控型功率半导体器件VD3和不可控型功率半导体器件VD4正极相连组成支路2，所述支路1两端和支路2两端并联，并与振荡支路相串联，然后并联在高速机械开关HSS两端，从而实现所述电流转移支路和主电流回路的并联，并且：

所述支路1中不可控型功率半导体器件VD1和VD2负极相连接的一端和全控型功率半导体器件IGCT的正极相连；

所述支路2两端和支路1两端并联，并与振荡支路相串联，然后并联在高速机械开关HSS两端，从而实现所述电流转移支路和主电流回路的并联，所述支路2中不可控型功率半导体器件VD3和VD4正极相连接的一端和全控型功率半导体器件IGCT的负极相连，所有功率半导体器件均为单向导通的功率半导体器件；

所述过电压限制支路包括两端直接并联在高速机械开关HSS两端并和断路器出线端C1和C2相连的金属氧化物避雷器MOV；

所述在线监测系统测量流经所述出线端C1或C2的电流以及电流方向、流经所述主电流支路的电流、流经开断续流支路的电流、流经所述转移电流支路的电流、流经所述过电压限制支路的电流、所述高速机械开关HSS两端的电压和所述高速机械开关的开关行程、所述流过振荡电路的电流和转移电容C的电压，所述在线监测系统包括用于测量C1端引出线电流状态的电流传感器D0、用于测量主回路电流状态的电流传感器D1、用于测量开断续流支路电流状态的电流传感器D2、用于测量电流转移支路电流状态的电流传感器D3、用于测量过电压限制电路的电流状态电流传感器D4、用于测量高速机械开关的断口电压的电压传感器Vhss、用于测量转移电容两端电压状态的电压传感器Vc、用于测量高速机械开关的运动状态的位移传感器Pd以及断路器环境温度传感器D5，以及相应的信号调理电路、A/D转换模块和通信模块；

控制系统，其连接所述在线监测系统，当系统电流方向从C1到C2时，控制系统通过测量的所述主电流支路的电流幅值和变化率以及所述转移电流支路的电流幅值和变化率以及流经开断续流支路的电流控制所述高速机械开关HSS和转移电流支路中的全控型功率半导体器件IGCT以及开断续流支路中的半控型功率半导体器件VT1和VT2依次动作，以实现不同大小和方向的故障电流快速转移、机械开关HSS快速可靠分断和建立介质绝缘恢复的特性；当系统电流方向从C2到C1时，通过测量的所述主电流支路的电流幅值和变化率以及所述转移电流支路的电流幅值和变化率以及流经开断续流支路的电流，控制所述高速机械开关HSS和转移电流支路中的全控型功率半导体器件IGCT以及开断续流支路中的半控型功率半导体器件VT1和VT2依次动作以实现不同大小和方向的故障电流快速转移、机械开关HSS快速可靠分断和建立介质绝缘恢复的特性。

2.根据权利要求1所述的基于电容预充电转移的双向混合式直流断路器，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，转移电容C上有一定的预充电压，此时电流转移支路所有的全控型功率半导体器件和开断续流支路的全部半控型功率半导体器件均未被触发，电流转移支路和开断续流支路没有电流，过电压限制支路导通阈值比系统电压高，因此没有电流流过，

当发生短路故障时或控制系统收到分闸指令时，控制系统根据主电流回路的电流方向和大小，向高速机械开关HSS发出分闸动作指令，高速机械开关开始动作，由于高速机械开关的响应特性所致，此时机械开关仍处于闭合状态，待机械开关HSS分闸燃弧后，立即导通转移支路全控型功率半导体器件IGCT，此时电流将快速转移至电流转移支路，同时按照在线监测系统返回的信息，控制系统按照预定的时序触发半控型功率半导体器件VT1或VT2，由于此时高速机械开关两端有燃弧电压，根据弧压的方向即电流方向可以确定续流支路中一个半控型功率半导体器件被钳位，当主电流回路电流被强制过零后，电流转移支路的电容极性还未改变，此时其将通过电流转移支路和续流支路的该触发半控型功率半导体器件续流，有利于弧后断口介质绝缘强度的快速恢复，保证断口可靠耐受开断电压，当电容极性改变且其两端电压大于MOV阈值电压时，电流将转移到过电压限制支路，电流转移支路电流过零并将IGCT关断，从而实现开断，若开断额定电流小于预定值无法达到阈值触发MOV导通，当电流全部转移至转移支路时立即触发IGCT关断，从而减少电容能量损失，实现小电流快速开断，若开断电流大于预定值以能使MOV达到阈值导通，通过导通续流支路的半控型功率半导体器件VT1或VT2可以加速电容极性反向，从而实现快速可靠开断。

3.根据权利要求1所述的基于电容预充电转移的双向混合式直流断路器，其特征在于：所述控制系统特征包括人机交互模块、电压电流滤波处理模块、主回路电流di/dt计算模块、通信模块和位移传感器校准模块。

4.根据权利要求1所述的基于电容预充电转移的双向混合式直流断路器，其特征在于：所述高速机械开关HSS为基于电磁斥力的高速机械开关、基于高速电机驱动的机械开关或基于爆炸驱动的高速机械开关。

5.根据权利要求1所述的基于电容预充电转移的双向混合式直流断路器，其特征在于：所述半控型功率半导体器件VT1和VT2为单向导通的半控型器件，单向导通的半控型器件是以下器件的单个器件或是组合，GTO、晶闸管、IGBT，所述不可控型功率半导体器件VD1-VD4为单向导通的不可控型器件，单向导通的不可控型器件是快恢复二极管单个器件或其组合，所述全控型功率半导体器件IGCT为单向导通的全控型器件或其组合。

6.根据权利要求1所述的基于电容预充电转移的双向混合式直流断路器，其特征在于：所述过电压限制模块包括以下器件的单个或者组合：金属氧化物避雷器、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、全绝缘复合外套金属氧化物避雷器、可卸式避雷器。

7.一种利用权利要求1-6任一项所述的基于电容预充电转移的双向混合式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HSS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，触发高速机械开关HSS，高速机械开关HSS在一定延迟后开始分闸并燃弧；

在第三步骤(S3)中，当短路电流开始转移到电流转移支路后，控制系统触发续流支路半控型功率半导体器件VT2，由于高速机械开关HSS上电流还没完全转移到转移电流支路中，其两端有弧压，方向与电流方向一致为左正右负，半控型功率半导体器件VT2被钳位，当电流完全转移到转移电流支路时，由于转移电容极性还未改变，其将通过半控型功率半导体器件VT2续流；

在第四步骤(S4)中，电流转移支路电流不断向转移电容C充电，当MOV两端电压超过其导通阈值时，过电压限制支路导通，由于过电压限制支路的通态电阻远小于转移支路的通态电阻，且此时转移电容电压高于系统电压，电流快速向过电压限制支路转移；

在第五步骤(S5)中，当电流转移支路电流过零时，控制系统控制全控型功率半导体器件IGCT关断，由于系统电压小于过电压限制支路的导通阈值，待系统电感中的能量耗散完后，过电压限制支路恢复高阻抗状态，开断过程完成。

8.一种利用权利要求1-6任一项所述的基于电容预充电转移的双向混合式直流断路器的电流从C2流向C1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C2流入，经过高速机械开关HSS后从出线端C1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，触发高速机械开关HSS，高速机械开关HSS在一定延迟后开始分闸并燃弧；

在第三步骤(S3)中，当短路电流开始转移到电流转移支路后，控制系统触发续流支路半控型功率半导体器件VT1，由于高速机械开关HSS上电流还没完全转移到转移电流支路中，其两端有弧压，方向与电流方向一致为左负右正，半控型功率半导体器件VT1被钳位，当电流完全转移到转移电流支路时，由于转移电容极性还未改变，其将通过半控型功率半导体器件VT1续流；

在第四步骤(S4)中，电流转移支路电流不断向转移电容C充电，当MOV两端电压超过其导通阈值时，过电压限制支路导通，由于过电压限制支路的通态电阻远小于转移支路的通态电阻，且此时转移电容电压高于系统电压，电流快速向过电压限制支路转移；

在第五步骤(S5)中，当电流转移支路电流过零时，控制系统控制全控型功率半导体器件IGCT关断，由于系统电压小于过电压限制支路的导通阈值，待系统电感中的能量耗散完后，过电压限制支路恢复高阻抗状态，开断过程完成。