CN110739167B - 一种直流开关设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流开关设备，属于电开关技术领域，包括主流通支路，用于转移主流通支路中电流的第一转移支路，以及用于吸收第一转移支路中能量的第一能量吸收支路，主流通支路上设置有至少两个机械开关，其中一个机械开关并联有第二转移支路，该第二转移支路中设置有半导体功率模块。本发明的直流开关设备通过两个阶段转移主流通支路上的电流，先通过第二转移支路旁路与其并联的机械开关，实现第一阶段的电流转移，再通过第一转移支路旁路主流通支路，使主流通之路中的电流快速转移至第一转移支路，实现第二阶段的电流转移。由于主流通支路上不存在大功率电力电子器件，因此主流通支路上的输电损失较小、输电成本较低。

Description

一种直流开关设备

技术领域

本发明属于电开关技术领域，具体涉及一种直流开关设备。

背景技术

目前，混合式(电流转移式)断路器得到充分的验证，可靠性较高，但存在主回路串联大功率电力电子器件，导致输电损耗较大(损耗大概为30％)，需要水冷系统，导致输电成本较高。例如，公布号为CN109066611A的中国发明专利申请公开了一种直流断路器，包括第一支路，其上设置有机械开关和大功率电力电子器件；第二支路，其上设置有电容和机械开关；第三支路，其上设置有避雷器。由于该直流断路器的第一支路为主回路，且存在大功率电力电子器件，导致输电损失较大、输电成本较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种直流开关设备，用于解决现有混合式断路器的主回路存在大功率电力电子器件导致输电电损失较大、输电成本较高的问题。

基于上述目的，本发明提出一种直流开关设备的技术方案如下：

主流通支路，用于转移主流通支路中电流的第一转移支路，以及用于吸收第一转移支路中能量的第一能量吸收支路，所述主流通支路上设置有至少两个机械开关，其中一个机械开关并联有第二转移支路，该第二转移支路中设置有半导体功率模块。

上述技术方案的有益效果为：

本发明的直流开关设备通过两个阶段转移主流通支路上的电流，先通过第二转移支路旁路与其并联的机械开关，实现第一阶段的电流转移，再通过第一转移支路旁路主流通支路，使主流通之路中的电流快速转移至第一转移支路，实现第二阶段的电流转移。由于整个过程中主流通支路上不存在大功率电力电子器件、仅有机械开关，因此主流通支路上的输电损失较小、输电成本较低。

进一步，为了实现第二转移支路中半导体功率模块的通断功能，该半导体功率模块包括一个以上的全控型半导体器件。

进一步，为了实现第一转移支路的电流转移和通断功能，该第一转移支路包括串联的电容和半导体功率单元，该半导体功率单元包括一个以上的全控型半导体器件或者半控型半导体器件。作为其他实施方式，第一转移支路上设置有串联的电容和机械开关；作为其他实施方式，第一转移支路上除了设置有串联的电容、机械开关，还设置有一个以上的全控型半导体器件或者半控型半导体器件。

进一步，为了保护第二转移支路上的半导体功率模块，该半导体功率模块并联有第二能量吸收支路。

进一步，所述主流通支路中的机械开关为高速隔离开关或真空开关，起到耐电弧作用。

进一步，所述电容并联有放电支路，放电支路包括串联的电阻和接触器，使电容通过电阻放电。

附图说明

图1是本发明的开关实施例一的直流开关设备示意图；

图2是本发明的开关实施例二的直流开关设备示意图；

图3是本发明的开关实施例三的直流开关设备示意图；

图4是本发明的开关实施例四的直流开关设备示意图；

图5是本发明的开关实施例五的直流开关设备示意图；

标号说明如下：

1——第一机械开关，2——第二机械开关，3——半导体功率模块，4——半导体功率单元，5、9、10——避雷器，6——电阻，7——电容，8——接触器，11——第三机械开关，12——第四机械开关。

具体实施方式

本发明的直流开关设备的目的是串联应用于高压直流输电线路或中、低压直流配电线路中，且作为断路器或负荷开关使用，起到保护线路及隔离故障的作用。下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

开关实施例一：

本实施例提出一种直流开关设备，包括主流通支路、第一转移支路、第二转移支路、第一能量吸收支路和第二能量吸收支路。如图1所示，主流通支路上设置有第一机械开关1和第二机械开关2，两个机械开关均为高速隔离开关或真空开关，具有耐电弧能力，且该主流通支路不配置大功率电力电子器件。

第一转移支路与主流通支路并联，该第一转移支路上设置有电容7和半导体功率单元4，用于转移主流通支路中的电流，且该半导体功率单元由反并联的晶闸管构成；电容7两端并联有第一能量吸收支路和放电支路，该第一能量吸收支路包括避雷器5，用于吸收第一转移支路上电容7中的电流(能量)。放电支路包括串联的电阻6和接触器8。

第二转移支路并联在第二机械开关2两端，该第二转移支路上设置有半导体功率模块3，该半导体功率模块包括两个反向串联的全控型电力电子器件，每个全控型电力电子器件均反并联有二极管；这两个全控型电力电子器件的两端并联有第二能量吸收支路，第二能量吸收支路上设置有避雷器9，用于吸收第二转移支路上的电流。

上述直流开关设备的操作过程包括合闸操作、分闸操作、重合闸操作，下面分别阐述其中各操作过程：

合闸操作过程为：

直流开关设备当前处于分闸状态，直流开关设备需要合闸操作时，先关合第二机械开关2，再关合第一机械开关1，使主流通支路导通，完成合闸操作。

分闸操作过程为：

直流开关设备当前处于合闸状态(第一机械开关1、第二机械开关2关合，并承载额定电流)，若需要分闸操作，直流开关设备的控制器发出命令同时使第一机械开关1、第二机械开关2分闸，当第一机械开关1与第二机械开关2的断口具有一定绝缘能力时(可以通过设定时间断定具有一定绝缘能力)，控制器触发半导体功率模块3、半导体功率单元4导通，第二机械开关2的断口之间产生电弧，电弧电压大于半导体功率模块3的门槛电压，使第二机械开关2的电流转移到半导体功率模块3中，实现第一阶段的电流转移。

待第二机械开关2熄弧，关断半导体功率模块3，使主流通支路的电流转移到第一转移支路的电容7中，电流通过半导体功率单元4，实现第二阶段的电流转移。主流通支路的电流完全转移到第一转移支路后，第一机械开关1的断口电弧熄灭，第一转移支路上的电流迅速对电容7充电，电容7的电压迅速升高，触发第一能量吸收支路上的避雷器5动作，避雷器5吸收剩余的能量，当第一转移支路的电容7的端电压与直流开关设备所在的系统电压达到平衡时，第一转移支路中无电流通过，半导体功率单元4关断，完成直流开关设备的分断；分断后，闭合接触器8，使电容7通过并联的电阻6放电，目的是具备短时间内重合闸的条件，为下次重合闸做准备。

作为其他实施方式，上述分闸操作过程中控制各机械开关分闸的时序，还可以为先控制第二机械开关2分闸，再控制第一机械开关1分闸，这种控制时序下的分闸速度比同时控制两个机械开关分闸的速度慢。而触发半导体功率模块3和控制第一机械开关1分闸的时序则可以同时进行，也可以先进行触发半导体功率模块3，再进行控制第一机械开关1分闸。

重合闸操作过程为：

直流开关设备完成分断后，电容7经过短时间的放电，直流开关设备的控制器发出合闸指令使第一机械开关1、第二机械开关2合闸，主流通支路导通，若直流开关设备合闸到故障回路，重复分闸操作过程即可。

本发明的直流开关设备通过两个阶段转移主流通支路上的电流，先通过第二转移支路旁路与其并联的机械开关，实现第一阶段的电流转移，再通过第一转移支路旁路主流通支路，使主流通之路中的电流快速转移至第一转移支路，实现第二阶段的电流转移。由于整个过程中主流通支路上不存在大功率电力电子器件、仅有机械开关，因此主流通支路上的输电损失较小、输电成本较低。本发明的直流开关设备可应用于高、中、低压领域，并具有体积小、经济、可靠的特点。

开关实施例二：

本实施例提出一种直流开关设备，包括主流通支路、第一转移支路、第二转移支路、第一能量吸收支路和第二能量吸收支路。如图2所示，主流通支路上设置有第一机械开关1和第二机械开关2，且该主流通支路不配置大功率电力电子器件。

第一转移支路上设置有电容7和半导体功率单元4，该半导体功率单元包括两个反向串联的全控型电力电子器件，每个全控型电力电子器件均反并联有二极管；这两个全控型电力电子器件的两端并联有避雷器。第一能量吸收支路包括避雷器(5,10)，其中，避雷器5与电容7并联，避雷器10与半导体功率单元4并联。电容7并联有放电支路，其上设置有电阻6。

第二转移支路上设置有半导体功率模块3，且半导体功率模块3的结构与半导体功率单元4的结构相同。第二能量吸收支路与第二转移支路并联，该第二能量吸收支路上设置有避雷器9。

本实施例的直流开关设备的操作过程包括合闸操作、分闸操作、重合闸操作，具体的操作过程参见开关实施例一，需要说明的是，与开关实施例一相比，第一，本实施例的第一转移支路中的半导体功率单元4更换成了可关断器件，在分闸操作时，第一转移支路具备关断小电流的能力；第二，由于第一能量吸收支路上避雷器10并联至半导体功率单元4两端，该避雷器10能够转移第一转移支路上的一部分电流，起到能量吸收作用；第三，由于本实施例的电阻6直接与电容7并联，电容7可通过电阻6直接放电，除此之外，其他操作时序与开关实施例一中的记载相同，这里不再赘述。

开关实施例三：

本实施例提出一种直流开关设备，如图3所示，包括主流通支路、第一转移支路、第二转移支路、第一能量吸收支路、第二能量吸收支路和放电支路。其中，主流通支路、第二转移支路、第一能量吸收支路、第二能量吸收支路和放电支路与开关实施例一中的记载均相同，此处不再赘述。不同的是，本实施例的第一转移支路包括串联设置的电容7、第三机械开关11、第四机械开关12。下面分别阐述直流开关设备的各操作过程：

合闸操作过程为：

直流开关设备当前处于分闸状态，第一机械开关1、第二机械开关2、第三机械开关11、第四机械开关12、接触器8均处于断开状态，当直流开关设备需要合闸操作，同时关合第一机械开关1、第二机械开关2、第三机械开关11、第四机械开关12(结构分散性不能太大)，主流通支路导通后，第一转移支路的电容7被第一机械开关1、第二机械开关2旁路，完成合闸操作。

分闸操作过程为：

直流开关设备当前处于合闸状态(第三机械开关11、第四机械开关12处于闭合状态，第一机械开关1、第二机械开关2关合)，需要分闸时，控制器发出命令使第一机械开关1、第二机械开关2分闸，当第一机械开关1与第二机械开关2的断口具有一定绝缘能力时，控制器触发半导体功率模块3导通，第二机械开关2断口之间产生电弧，电弧电压使主流通支路的电流转移到第二转移支路中，第二机械开关2熄弧，然后关断半导体功率模块3，使主流通支路的电流转移到第一转移支路的电容7中。

主流通支路电流完全转移到第一转移支路后，第一机械开关1断口电弧熄灭，电流迅速对电容7充电，电容7的端电压迅速升高，触发第二吸收支路的避雷器5动作，避雷器5吸收剩余的能量，当第一转移支路中电容7的端电压与直流开关设备所在的系统电压达到平衡时，第一转移支路无电流通过，第三机械开关11、第四机械开关12分断剩余电流，直流开关设备完成分断。完成分断后，闭合接触器8，使电容7通过并联的电阻6放电，为下次重合闸做准备。

重合闸操作过程为：

直流开关设备完成分断后，电容7经过短时间的放电，控制器发出合闸指令使第一机械开关1、第二机械开关2合闸，主流通支路导通。若直流开关设备合闸到故障回路，重复上述分闸操作过程即可。

开关实施例四：

本实施例提出一种直流开关设备，如图4所示，包括主流通支路、第一转移支路、第二转移支路、第一能量吸收支路、第二能量吸收支路和放电支路。其中，主流通支路、第二转移支路、第一能量吸收支路、第二能量吸收支路和放电支路与开关实施例三中的记载均相同，此处不再赘述。不同的是，本实施例的第一转移支路包括串联设置的电容7、第三机械开关11、第四机械开关12和半导体功率单元4。

本实施例直流开关设备的具体操作过程参见开关实施例三，需要说明的是，与开关实施例三相比，本实施例分闸操作过程需要控制器触发半导体功率模块3、半导体功率单元4导通，目的是为了在实现第一阶段的电流转移后，实现第二阶段的电流转移，最后通过关断半导体功率单元4实现直流开关设备的分断，其他操作时序与开关实施例三中的记载相同，这里不再赘述。

开关实施例五：

本实施例提出一种直流开关设备，如图5所示，包括主流通支路、第一转移支路、第二转移支路、第一能量吸收支路、第二能量吸收支路和放电支路。其中，主流通支路、第一转移支路、第二转移支路、第二能量吸收支路和放电支路与开关实施例一中的记载均相同，此处不再赘述。不同的是，本实施例的第一能量吸收支路的避雷器5并联至第一转移支路上，用于吸收第一转移支路的能量。直流开关设备的具体操作过程参见开关实施例一，这里不再赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。

例如，开关实施例一至实施例五中，主流通支路上设置的机械开关数量可以根据需要设置，还可以为三个或三个以上，至少保证至少其中一个机械开关并联半导体功率模块，实现第一阶段的电流转移即可。

又如，开关实施例一至实施例五中，第一转移支路中设置的电容可以采用其他结构的储能元件实现，例如电容和电感。

又如，开关实施例一至实施例五中，第一/第二能量吸收支路中避雷器的数量既可以是一个，也可以是两个以上的避雷器进行串联。因此，本发明不对第一能量吸收支路的具体实现形式多做限制，能够实现第一/第二转移支路上的能量吸收即可。

又如，开关实施例一至实施例五中，放电支路可以只包括电阻，还可以设置多个电阻与电容并联，还可以不设置放电支路。

又如，开关实施例一至实施例五中，第二转移支路的半导体功率模块的形式可根据需求进行选择，该半导体功率模块作为电子开关，如需要具有单向通断功能，那么仅通过单个全控型电力电子器件(如IGBT、IEGT、GTO等)就能实现；如需要具有双向导通功能，则需要通过两个反向串联的全控型电力电子器件来实现。当然，作为其他实施方式，第二转移支路的导体功率模块还可以通过两个及以上进行串并联组合的全控型电力电子器件来实现。

又如，开关实施例一至实施例五中，第一转移支路的半导体功率单元的形式也可根据需求进行选择，该半导体功率单元作为电子开关，如需要具有单向通断功能，可通过单个全控型或半控型电力电子器件(如晶闸管)来实现；如需要具有双向导通功能，则需要通过两个反向串联的全控型电力电子器件来实现，或通过两个反向串联的半控型电力电子器件来实现。当然，作为其他实施方式，第一转移支路的半导体功率单元还可以采用以下任一方式实现：两个以上进行串并联组合的全控型电力电子器件，或两个以上进行串并联组合的半控型电力电子器件，或两个及以上进行串并联组合的全控型电力电子器件和半控型电力电子器件。

因此，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种直流开关设备，包括主流通支路，用于转移主流通支路中电流的第一转移支路，以及用于吸收第一转移支路中能量的第一能量吸收支路，其特征在于，所述主流通支路上设置有至少两个机械开关（1，2），其中一个机械开关（2）并联有第二转移支路，该第二转移支路由半导体功率模块（3）组成；所述半导体功率模块（3）包括一个以上的全控型半导体器件；

所述第一转移支路由串联的电容（7）和半导体功率单元（4）组成，或者所述第一转移支路由串联的电容（7）、机械开关（11，12）和半导体功率单元（4）组成；所述半导体功率单元（4）包括一个以上的全控型半导体器件或者半控型半导体器件；

所述直流开关设备用于进行以下控制：当所述第一转移支路由串联的电容（7）和半导体功率单元（4）组成时，需要分闸操作时，直流开关设备的控制器发出命令同时使主流通支路上的两个机械开关（1，2）分闸，当所述主流通支路上的两个机械开关（1，2）的断口具有设定绝缘能力时，控制器触发半导体功率模块（3）、半导体功率单元（4）导通，主流通支路上并联有第二转移支路的机械开关（2）的断口之间产生电弧，电弧电压大于半导体功率模块（3）的门槛电压，使主流通支路上并联有第二转移支路的机械开关（2）的电流转移到半导体功率模块（3）中，实现第一阶段的电流转移；待主流通支路上并联有第二转移支路的机械开关（2）熄 弧，关断半导体功率模块（3），使主流通支路的电流转移到第一转移支路的电容（7）中，电流通过半导体功率单元（4），实现第二阶段的电流转移；

当所述第一转移支路由串联的电容（7）、机械开关（11，12）和半导体功率单元（4）组成时，需要分闸操作时，直流开关设备的控制器发出命令同时使主流通支路上的两个机械开关（1，2）分闸，当所述主流通支路上的两个机械开关（1，2）的断口具有设定绝缘能力时，控制器触发半导体功率模块（3）、半导体功率单元（4）导通，主流通支路上并联有第二转移支路的机械开关（2）的断口之间产生电弧，电弧电压使主流通支路的电流转移到第二转移支路中，主流通支路上并联有第二转移支路的第二机械开关（2）熄弧，然后关断半导体功率模块（3），使主流通支路的电流转移到第一转移支路的电容（7）中。

2.根据权利要求1所述的直流开关设备，其特征在于，所述半导体功率模块并联有第二能量吸收支路。

3.根据权利要求1所述的直流开关设备，其特征在于，所述主流通支路中的机械开关为高速隔离开关或真空开关。

4.根据权利要求1所述的直流开关设备，其特征在于，所述电容并联有放电支路，放电支路包括串联的电阻和接触器。

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