CN111224383A - 一种具有快速重合闸功能的直流断路器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有快速重合闸功能的直流断路器，包括主电流支路、电流转移支路和过电压限制支路；电流转移支路包括含有电容和电感的振荡支路；振荡支路并联有一个用于在开断过程完成后触发的半控型功率半导体器件。本发明通过在振荡支路的两端并联一个半控型功率半导体器件，在直流断路器开断完成后，通过触发该半控型功率半导体器件导通，使振荡支路产生自激振荡，振荡支路中的电容电压发生反转，从而无需另外提供为电容充电的电源且所需时间较短，可实现直流断路器在短时间内的重合闸功能。

Description

一种具有快速重合闸功能的直流断路器

技术领域

本发明涉及一种具有快速重合闸功能的直流断路器，属于高压直流断路器技术领域。

背景技术

随着直流供电系统的进一步发展，新型的直流系统对于供电可靠性提出了更高的要求。因此直流系统需要在故障切除后快速恢复供电，特别是对于架空线直流系统，这对直流断路器提出了能够开断双向短路电流并快速重合闸的要求。而现阶段的基于预充电电容的直流断路器大多通过制造和短路电流相反的振荡电流制造人工过零点，从而实现直流分断的目的。在这种应用背景下，应用于高可靠性直流供电系统的直流断路器必须具备能够在不同电流流向下做出相应的分断动作，并能快速重合闸的能力。

目前，现有的直流断路器通过LC振荡电流来产生和短路电流相反的振荡电流，以使得主电流支路电流过零。例如申请公布号为CN107069654A的中国发明专利申请文件公开了一种用于中压配网的双向混合式直流断路器及开断方法，通过并联LC振荡支路产生振荡电流，强迫主电流回路中的电流过零，从而实现断路器的开断。

但是，在直流断路器关断完成后，电容C的电容电压与其初始电容电压方向相反，为了能够重合闸，需要实现电容C的(反向)充电。在现有技术中，通常需要提供外加的电源对电容C进行充电，其结构复杂而且耗时较长，会影响直流断路器的短时重合闸过程。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有快速重合闸功能的直流断路器，用于解决断路器如何能够在短时间内实现重合闸功能的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种具有快速重合闸功能的直流断路器，包括主电流支路、电流转移支路和过电压限制支路；所述电流转移支路包括含有电容和电感的振荡支路；所述振荡支路并联有一个用于在开断过程完成后触发的半控型功率半导体器件。

本发明的有益效果是：通过在振荡支路的两端并联一个半控型功率半导体器件，在直流断路器开断完成后，通过触发该半控型功率半导体器件导通，使振荡支路产生自激振荡，振荡支路中的电容电压发生反转，从而无需另外提供为电容充电的电源且所需时间较短，可实现直流断路器在短时间内的重合闸功能。

进一步的，为了实现可靠续流，所述主电流支路包括机械开关以及与所述机械开关并联连接的两个反并联半控型功率半导体器件。

进一步的，为了可靠实现电流转移，所述电流转移支路还包括用于与所述振荡支路串联连接的两个反并联半控型功率半导体器件。

进一步的，为了提高控制可靠性，所述半控型功率半导体器件为晶闸管。

附图说明

图1是本发明适用于电流从左到右的直流系统的具有快速重合闸功能的直流断路器的电路原理图；

图2(a)-图2(g)是本发明适用于电流从左到右的直流系统的具有快速重合闸功能的直流断路器的开断过程示意图；

图3是本发明适用于电流从右到左的直流系统的具有快速重合闸功能的直流断路器的电路原理图；

图4(a)-图4(g)是本发明适用于电流从右到左的直流系统的具有快速重合闸功能的直流断路器的开断过程示意图；

图5是本发明适用于双向输电直流系统的具有快速重合闸功能的直流断路器的电路原理图。

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。

具有快速重合闸功能的直流断路器实施例1：

本实施例提供了一种可应用于直流配电网或交直流配电网系统的具有快速重合闸功能的直流断路器，该直流断路器通过在振荡支路上并联一个半控功率器件，由于开断过程中电容电压经过了两次转移，断路器开断完成后电容上的电压方向与动作前的预充电电压方向一致，因此使断路器具备快速重合闸的能力。

该具有快速重合闸功能的直流断路器的电路原理图如图1所示，包括主电流支路、电流转移支路和过电压限制支路。其中，该主电流支路包括机械开关S以及与机械开关S并联连接的两个反并联半控型功率半导体器件T1和T2，反并联半控型功率半导体器件T1和T2可以实现电流开断情况下的机械开关断口续流。该电流转移支路包括串联连接的振荡支路和两个反并联半控型功率半导体器件T3和T4，振荡支路中含有电容C和电感L，该振荡支路还并联有一个用于在开断过程完成后触发的半控型功率半导体器件T5。该过电压限制支路中设置有避雷器MOV。

需要说明的是，主电流支路并不局限于上述给出的结构，作为其他实施方式，可以对主电流支路进行调整。例如，可以省去反并联半控型功率半导体器件T1和T2，或者增加更多机械开关，或者仅保留一个机械开关，亦或者与机械开关串联若干功率模块。也就是说，主电流支路可以采用现有技术中的各种拓扑结构。在本实施例中，主电流支路的机械开关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。

其中，所有半控型功率半导体器件均为单向导通的半控型功率半导体器件，在本实施例中，半控型功率半导体器件T1-T5均为晶闸管。当然，这里的半控型功率半导体器件也包含全控型功率半导体器件，如GTO、IGBT等。若采用全控型功率半导体器件，还应当控制其关断，而半控型功率半导体器件则不用控制其关断。每个功率半导体器件可以是单个器件，也可以是多个器件的组合，例如串联组合或者并联组合。

过电压限制支路中设置的避雷器MOV包括但不限于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和可卸式避雷器。

对照图1，在系统正常通流状态下，当系统电流的方向为从出线端C1至出线端C2(从左往右)时，上述具有快速重合闸功能的直流断路器的开断过程如下：

(1)如图2(a)所示，在系统正常通流状态下，机械开关S闭合，系统电流从出线端C1流入，经过机械开关S后从出线端C2流出。此时，电流转移支路中的所有半控型功率半导体器件均未被触发，电流转移支路中没有电流。过电压限制支路的导通阈值比系统电压低，没有电流流过。振荡支路中的电容C上有一定的预充电压，预充电压的方向为左负右正。

(2)如图2(b)所示，当发生短路故障或收到上级控制系统的分闸指令时，依照系统电流方向从左向右触发半控型功率半导体器件T2和T3。机械开关S开始打开，根据机械开关S响应特性，此时并未打开，电流仍从主电流支路流过。

(3)如图2(c)所示，由于振荡支路向主电流支路注入反相高频振荡电流强迫主电流支路电流过零，机械开关S由于电流过零熄弧，主电流支路完成打开动作。

(4)如图2(d)所示，主电流支路不断向电容C充电，当断路器两端电压超过过电压限制支路的导通阈值时，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电流转移支路的通态电阻，电流快速向过电压限制支路转移。

(5)如图2(e)所示，当电流转移支路电流过零时，半控型功率半导体器件T2和T3过零关断，由于系统电压小于过电压限制支路的导通阈值，过电压限制支路恢复高阻抗状态，开断过程完成。

(6)如图2(f)所示，当开断完成后，控制系统发出重合闸指令，触发半控型功率半导体器件T5导通，电容C与电感L发生自激振荡，由于半控型功率半导体器件T5为单向导通器件，振荡只能持续半个周波。

(7)如图2(g)所示，电容C在振荡之前电压极性为左正右负，振荡之后电压极性为左负右正，满足重合闸的要求。

图1中的具有快速重合闸功能的直流断路器适用于电流从左到右的直流系统，为了适用于电流从右到左的直流系统，此时需要调换半控型功率半导体器件T5的设置方向，此时上述具有快速重合闸功能的直流断路器的电路原理图如图3所示。

对照图3，在系统正常通流状态下，当系统电流的方向为从出线端C2至出线端C1(从右往左)时，上述具有快速重合闸功能的直流断路器的开断过程如下：

1)如图4(a)所示，在系统正常通流状态下，机械开关S闭合，系统电流从出线端C2流入，经过机械开关S后从出线端C1流出。此时，电流转移支路中的所有半控型功率半导体器件均未被触发，电流转移支路中没有电流。过电压限制支路的导通阈值比系统电压低，没有电流流过。振荡支路中的电容C上有一定的预充电压，预充电压的方向为左正右负。

2)如图4(b)所示，当发生短路故障或收到上级控制系统的分闸指令时，依照电流方向从右向左触发半控型功率半导体器件T1和T4。机械开关S开始打开，根据机械开关S响应特性，此时并未打开，电流仍从主电流支路流过。

3)如图4(c)所示，由于振荡支路向主电流支路注入反相高频振荡电流强迫主电流支路电流过零，机械开关S由于电流过零熄弧，主电流支路完成打开动作。

4)如图4(d)所示，主电流支路不断向电容C充电，当断路器两端电压超过过电压限制支路的导通阈值时，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电流转移支路的通态电阻，电流快速向过电压限制支路转移。

5)如图4(e)所示，当电流转移支路电流过零时，半控型功率半导体器件T1和T4过零关断，由于系统电压小于过电压限制支路的导通阈值，过电压限制支路恢复高阻抗状态，开断过程完成。

6)如图4(f)所示，当开断完成后，控制系统发出重合闸指令，触发半控型功率半导体器件T5导通，电容C与电感L发生自激振荡，由于半控型功率半导体器件T5为单向导通器件，振荡只能持续半个周波。

7)如图4(g)所示，电容C在振荡之前电压极性为左负右正，振荡之后电压极性为左正负右负，满足重合闸的要求。

在上述具有快速重合闸功能的直流断路器的工作过程中，电容C两端的电压发生了两次反转，电容C上的电压方向与动作前的预充电电压方向一致，因此断路器具备快速重合闸的能力，能够实现单向导通和分断功能。

具有快速重合闸功能的直流断路器实施例2：

为了适用于双向输电直流系统(可以从左往右输电，也可以从右往左输电)，以实现双向导通和分断功能，可以直接在图1中半控型功率半导体器件T5的两端反并联一个半控型功率半导体器件T6，此时具有快速重合闸功能的直流断路器的电路原理图如图5所示。

对于图5中的具有快速重合闸功能的直流断路器，在使用过程中，如果在开断之前发现直流断路器所在线路的电流反向，可以首先导通相应的半控型功率半导体器件，使得电容C的电压反向，然后再进行开断过程。例如，在开断之前，若系统电流的方向变为从左往右，而电容C两端的电压为左正右负，此时可以首先控制半控型功率半导体器件T5导通，使得电容C的电压变为左负右正，然后再进行开断过程。

最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种具有快速重合闸功能的直流断路器，包括主电流支路、电流转移支路和过电压限制支路；所述电流转移支路包括含有电容和电感的振荡支路；其特征在于，所述振荡支路并联有一个用于在开断过程完成后触发的半控型功率半导体器件。

2.根据权利要求1所述的具有快速重合闸功能的直流断路器，其特征在于，所述主电流支路包括机械开关以及与所述机械开关并联连接的两个反并联半控型功率半导体器件。

3.根据权利要求2所述的具有快速重合闸功能的直流断路器，其特征在于，所述电流转移支路还包括用于与所述振荡支路串联连接的两个反并联半控型功率半导体器件。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的具有快速重合闸功能的直流断路器，其特征在于，所述半控型功率半导体器件为晶闸管。

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