CN111478305A - 直流断路器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流断路器，其中：所述主电流回路，设有主电流回路开关；所述控制器件支路，第一端与第一直流电接口连接，第二端与开关支路连接；所述振荡支路，与所述控制器件支路并联；所述开关支路，第一端与控制器件支路连接，第二端与第二直流电接口连接；所述过电压限制支路，与所述开关支路并联，用于限制电压；所述控制系统，用于依时序执行以下步骤：控制所述主电流回路开关关断；控制所述振荡支路、控制器件支路以及所述开关支路导通；控制所述开关支路断开。采用以上技术方案，可以实现无需负载转移开关、通流能力强、低发热、可靠性强、开断时间短。

Description

直流断路器

技术领域

本发明涉及电路装置领域，尤其涉及一种直流断路器。

背景技术

直流供电系统不断发展，人们对于直流供电系统的安全性要求日益增高。

在直流系统之中，大多数负载具有负荷和电源的双重属性，由此造成直流电网中的电流和能量的流向不确定，同时现有技术中采用的直流断路器存在开断时间长、通流能力差、发热严重、需要添加水冷装置、可靠性低等问题。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种直流断路器。

技术方案：本发明实施例中提供一种直流断路器，包括：主电流回路、控制器件支路、振荡支路、开关支路、过电压限制支路和控制系统，其中：

所述主电流回路，第一端与第一直流电接口连接，第二端与第二直流电接口连接，设有主电流回路开关；

所述控制器件支路，第一端与第一直流电接口连接，第二端与开关支路连接；

所述振荡支路，与所述控制器件支路并联；

所述开关支路，第一端与控制器件支路连接，第二端与第二直流电接口连接；

所述过电压限制支路，与所述开关支路并联，用于限制电压；

所述控制系统，用于依时序执行以下步骤：控制所述主电流回路开关关断；控制所述振荡支路、控制器件支路以及所述开关支路导通；控制所述开关支路断开。

具体的，所述主电流回路开关是机械开关。

具体的，所述振荡支路包括：第二控制器件、第四控制器件、电容器件和电感器件，其中第二控制器件，负极与所述控制器件支路的第二端连接，正极与所述电感器件连接，控制极与所述控制系统连接；所述电感器件与所述电容器件连接；所述第四控制器件，负极与所述电容器件连接，正极与第一直流电接口连接，控制极与所述控制系统连接。

具体的，所述控制器件支路包括：第五控制器件，负极与开关支路连接，正极与第一直流电接口连接，控制极与所述控制系统连接。

具体的，所述振荡支路包括：第一控制器件、第二控制器件、第三控制器件、第四控制器件、电容器件和电感器件，其中第一控制器件的负极和第四控制器件的正极均与第一直流电接口连接，第二控制器件的负极和第三控制器件的正极均与所述控制器件支路的第二端连接，电感器件连接于第一控制器件的正极和第二控制器件的正极之间的连接线路上，电容器件连接于第四控制器件的负极和第三控制器件的负极之间的连接线路上，电感器件和电感器件连接；第一控制器件的控制极、第二控制器件的控制极、第三控制器件的控制极、第四控制器件的控制极均与控制系统连接；所述控制系统依据流经主电流回路的电流流向，判定打开第一控制器件和第三控制器件，或者打开第二控制器件和第四控制器件。

具体的，所述控制器件支路包括：第五控制器件和第六控制器件，第五控制器件的正极和第六控制器件的负极的连接交点与第一直流电接口连接，第五控制器件的负极和第六控制器件的正极的连接交点与开关支路连接，第五控制器件的控制极和第六控制器件的控制极均与控制系统连接；所述控制系统依据流经主电流回路的电流流向，判定打开第六控制器，或者第五控制器。

具体的，控制器件为单向或双向导通、半控或全控的控制器件。

具体的，所述开关支路设有至少一个固态开关组件，固态开关组件与控制系统连接。

具体的，所述过电压限制支路设有避雷器。

具体的，所述控制系统，还用于计算所述主电流回路的电流幅值和电流变化率，达到对应的预设阈值后，控制所述振荡支路、控制器件支路以及所述开关支路上的控制器件导通。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：无需负载转移开关、通流能力强、低发热、可靠性强、开断时间短。

进一步，可以实现双向开断，解决直流电的流向不确定。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的直流断路器的结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的直流断路器中的传感器的分布示意图；

图3(a)～图3(g)为本发明实施例中提供的直流断路器工作时的电流示意图；

图4(a)～图4(g)为本发明实施例中提供的直流断路器工作时的另一电流示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

参阅图1，其为本发明实施例中提供的直流断路器的结构示意图。

本发明实施例中提供一种直流断路器，包括：主电流回路、控制器件支路、振荡支路、开关支路、过电压限制支路和控制系统，其中：

所述主电流回路，第一端与第一直流电接口S1连接，第二端与第二直流电接口S2连接，设有主电流回路开关；

所述控制器件支路，第一端与第一直流电接口S1连接，第二端与开关支路连接；

所述振荡支路，与所述控制器件支路并联；

所述开关支路，第一端与控制器件支路连接，第二端与第二直流电接口S2连接；

所述过电压限制支路，与所述开关支路并联，用于限制电压；

所述控制系统，用于依时序执行以下步骤：控制所述主电流回路开关关断；控制所述振荡支路、控制器件支路以及所述开关支路导通；控制所述开关支路断开。

在具体实施中，控制器件支路、振荡支路、开关支路和过电压限制支路一起构成电流转移支路，其中振荡支路可以实现产生大小和方向都周期性发生变化的电流，引入振荡支路可以产生反向高频振荡电流强迫主电流回路的电流过零；控制器件支路可以加速将主电流回路的电流转移至电流转移支路，缩短直流断路器的开断时间，提升通流能力；开关支路断开后，电流变化率较大，引起的过电压达到过电压限制支路的导通阈值时，过电压限制支路导通，电压为Vmov，使得主电流回路的两端电压被限制在一定范围，提升直流断路器的可靠性。

在具体实施中，直流电系统正常通流状态下，直流电系统的电流从所述主电流回路流过，电流转移支路所有的控制器件均未被触发，电流转移支路没有电流，过电压限制支路导通阈值比直流电系统电压高，过电压限制支路没有电流流过。

在具体实施中，第一直流电接口S1和第二直流电接口S2分别为直流电系统(直流电网)中的接口，两者分别用于输出直流电和接收直流电。

在具体实施中，控制所述振荡支路、控制器件支路以及所述开关支路导通这一步骤可以包括导通的先后顺序，即先控制所述振荡支路和所述开关支路导通，再控制所述控制器件支路导通，也可以控制三条支路同时导通，使得更快地将主电流回路的电流转移至电流转移支路，缩短直流断路器的开断时间，提升通流能力。

在具体实施中，第一端和第二端，分别指回路、各个支路与其他支路连接的连接点或连接线路。

本发明实施例中，所述主电流回路开关是机械开关。

在具体实施中，机械开关为可以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中的任意一种。

本发明实施例中，所述开关支路为固态开关支路，设有至少一个固态开关组件，固态开关组件与控制系统连接。固态开关组件若为多个，则多个固态开关组件(A1～An)串联或者并联。

在具体实施中，固态开关组件可以是基于固态开关级联型双向开断结构，或基于H型全桥拓扑结构，或二极管带固态开关全桥拓扑结构等等，其缓冲支路可以是RC，或RCD结构等等。

参阅图2，其为本发明实施例中提供的直流断路器中的传感器的分布示意图。

在具体实施中，包括用于测量直流电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、用于测量电流转移支路电流状态的电流传感器D2、用于测量过电压限制支路电流状态的电流传感器D3、用于测量开关支路电流状态的电流传感器D4、用于测量机械开关断口电压的电压传感器Vhss、用于测量转移电容模块(电容器件C串联电感器件L的部分)电压状态的电压传感器Vc、用于测量机械开关运动状态的位移传感器P和直流断路器的环境温度传感器T1。

本发明实施例中，所述振荡支路包括：第二控制器件VT2、第四控制器件VT4、电容器件C和电感器件L，其中第二控制器件VT2，负极与所述控制器件支路的第二端连接，正极与所述电感器件L连接，控制极与所述控制系统连接；所述电感器件L与所述电容器件C连接；所述第四控制器件VT4，负极与所述电容器件C连接，正极与第一直流电接口S1连接，控制极与所述控制系统连接。

本发明实施例中，所述控制器件支路包括：第五控制器件VT5，负极与开关支路(固态开关支路)连接，正极与第一直流电接口S1连接，控制极与所述控制系统连接。

本发明实施例中，控制器件为单向或双向导通、半控或全控的控制器件。

在具体实施中，控制器件为单向半控、双向半控、单向全控或者双向全控。

本发明实施例中，所述过电压限制支路设有避雷器。

本发明实施例中，所述控制系统，还用于计算所述主电流回路的电流幅值和电流变化率，达到对应的预设阈值后，控制所述振荡支路、控制器件支路以及所述开关支路上的控制器件导通。

在具体实施中，电容器件C和电感器件L串联的顺序可以发生变化，也即在一种情况下电感器件L可以与第二控制器件VT2直接连接，在另一种情况下电容器件C可以与第二控制器件VT2直接连接。

在具体实施中，过电压限制支路用于实现过高电压的限制，可以采用避雷器或者其他类型的过电压限制器件。

在具体实施中，主电流回路的电流幅值和电流变化率两者对应的预设阈值可以由用户基于实际情况进行设定，可以是两者同时达到阈值后进行控制导通，也可以是其一达到阈值即控制导通。

参阅图3(a)～图3(g)，其为本发明实施例中提供的直流断路器工作时的电流示意图，其中电流从第一直流电接口S1流向第二直流电接口S2。

如图3(a)，正常通流状态下，电流从进线端第一直流电接口S1流入，经过机械开关后从出线端第二直流电接口S2流出。

如图3(b)，当检测到直流电系统发生短路故障时，或者控制系统收到上级指令时，控制系统发出分闸指令，向机械开关发出动作指令，即控制机械开关关断(控制所述主电流回路开关关断)，根据机械开关的响应特性，此时并未直接关断，电流仍从主电流回路流过。

如图3(c)，当机械开关的机械触头间建立起足够的耐压后，控制系统首先判断主电流回路电流的流向，优选的，还可以计算主电流回路的电流幅值和变化率，基于上述信息控制电流转移支路中触发第四控制器件VT4、第二控制器件VT2和第五控制器件VT5导通，以及控制固态开关支路中的固态开关组件导通，进而转移电容模块(电容器件C串联电感器件L的部分)导通，电容器件C开始充电，一段时间后，开始放电，由于电流转移支路向主电流回路注入反相高频振荡电流使得主电流回路电流过零，机械开关由于电流过零熄弧，机械开关完成关断。

如图3(d)，主电流回路的电流全部转移至电流转移支路，电流流经第四控制器件VT4和第二控制器件VT2，并不断向电容器件C充电。

如图3(e)，当电容器件C的电压逐渐减小到零后极性反向，当电容器件C的反向电压达到第五控制器件VT5的导通阈值后，电流迅速向控制器件支路转移，此时电流转移流至第五控制器件VT5，不流经振荡支路，振荡支路的电流迅速下降。

如图3(f)，第五控制器件VT5所在支路的电流不断上升。控制系统给出指令控制固态开关组件关断(即控制所述开关支路断开)，固态开关组件关断时间较短，电流变化率较大，引起的过电压使得过电压限制支路导通，电流迅速向过电压限制支路转移。

如图3(g)，当电流全部转移至过电压限制支路后，过电压限制支路中的电流将开始下降，直流断路器两端的电压也开始缓慢下降，当直流电系统的电流小于过电压限制电路的最小导通电流时，过电压限制支路恢复高阻抗状态，直流断路器的开断过程完成。

本发明实施例中，所述振荡支路包括：第一控制器件VT1、第二控制器件VT2、第三控制器件VT3、第四控制器件VT4、电容器件C和电感器件L，其中第一控制器件VT1的负极和第四控制器件VT4的正极均与第一直流电接口S1连接，第二控制器件VT2的负极和第三控制器件VT3的正极均与所述控制器件支路的第二端连接，电感器件L连接于第一控制器件VT1的正极和第二控制器件VT2的正极之间的连接线路上，电容器件C连接于第四控制器件VT4的负极和第三控制器件VT3的负极之间的连接线路上，电感器件L和电感器件L连接；第一控制器件VT1的控制极、第二控制器件VT2的控制极、第三控制器件VT3的控制极、第四控制器件VT4的控制极均与控制系统连接；所述控制系统依据流经主电流回路的电流流向，判定打开第一控制器件VT1和第三控制器件VT3，或者打开第二控制器件VT2和第四控制器件VT4。

本发明实施例中，所述控制器件支路包括：第五控制器件VT5和第六控制器件VT6，第五控制器件VT5的正极和第六控制器件VT6的负极的连接交点与第一直流电接口S1连接，第五控制器件VT5的负极和第六控制器件VT6的正极的连接交点与开关支路连接，第五控制器件VT5的控制极和第六控制器件VT6的控制极均与控制系统连接；所述控制系统依据流经主电流回路的电流流向，判定打开第六控制器，或者第五控制器。

在具体实施中，相比现有技术中采用的直流断路器无法解决直流电系统中存在电流流向不确定的情况，本发明实施例中提供的直流断路器可以解决，即电流从第一直流电接口S1流向第二直流电接口S2，或电流从第二直流电接口S2流向第一直流电接口S1，均可以予以实现快速的开断。

参阅图4(a)～图4(g)，其为本发明实施例中提供的直流断路器工作时的另一电流示意图，其中电流从第二直流电接口S2流向第一直流电接口S1。

如图4(a)，正常通流状态下，电流从进线端第二直流电接口S2流入，经过机械开关后从出线端第一直流电接口S1流出。

如图4(b),当检测到直流电系统发生短路故障时，或者控制系统收到上级指令时，控制系统发出分闸指令，向机械开关发出动作指令，即控制机械开关关断(控制所述主电流回路开关关断)，根据机械开关的响应特性，此时并未直接关断，电流仍从主电流回路流过。

如图4(c)，当机械开关的机械触头间建立起足够的耐压后，控制系统首先判断主电流回路电流的流向，优选的，还可以计算主电流回路的电流幅值和变化率，基于上述信息控制电流转移支路中触发第一控制器件VT1、第三控制器件VT3和第六控制器件VT6导通，以及控制固态开关支路中的固态开关组件导通，进而转移电容模块(电容器件C串联电感器件L的部分)导通，电容器件C开始充电，一段时间后，开始放电，由于电流转移支路向主电流回路注入反相高频振荡电流使得主电流回路电流过零，机械开关由于电流过零熄弧，机械开关完成关断。

如图4(d)，主电流回路的电流全部转移至电流转移支路，电流流经第三控制器件VT3和第一控制器件VT1，并不断向电容器件C充电。

如图4(e)，当电容器件C的电压逐渐减小到零后极性反向，当电容器件C的反向电压达到第六控制器件VT6的导通阈值后，电流迅速向控制器件支路转移，此时电流转移流至第六控制器件VT6，不流经振荡支路，振荡支路的电流迅速下降。

如图4(f)，第六控制器件VT6所在支路的电流不断上升，控制系统给出指令控制固态开关组件关断(即控制所述开关支路断开)，固态开关组件关断时间较短，电流变化率较大，引起的过电压使得过电压限制支路导通，电流迅速向过电压限制支路转移。

如图4(g)，当电流全部转移至过电压限制支路后，过电压限制支路中的电流将开始下降，直流断路器两端的电压也开始缓慢下降，当直流电系统的电流小于过电压限制电路的最小导通电流时，过电压限制支路恢复高阻抗状态，直流断路器的开断过程完成。

在具体实施中，通过以上的电流转移支路的设计，可以在短路故障等情况下解决电流流向不确定的问题，并且依靠控制器件支路加速将电流从主电流回路转移至电流转移支路，具备通流能力强，可靠性高，开断时间短的优点。

Claims (10)

1.一种直流断路器，其特征在于，包括：主电流回路、控制器件支路、振荡支路、开关支路、过电压限制支路和控制系统，其中：

所述主电流回路，第一端与第一直流电接口连接，第二端与第二直流电接口连接，设有主电流回路开关；

所述控制器件支路，第一端与第一直流电接口连接，第二端与开关支路连接；

所述振荡支路，与所述控制器件支路并联；

所述开关支路，第一端与控制器件支路连接，第二端与第二直流电接口连接；

所述过电压限制支路，与所述开关支路并联，用于限制电压；

所述控制系统，用于依时序执行以下步骤：控制所述主电流回路开关关断；控制所述振荡支路、控制器件支路以及所述开关支路导通；控制所述开关支路断开。

2.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述主电流回路开关是机械开关。

3.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述振荡支路包括：第二控制器件、第四控制器件、电容器件和电感器件，其中第二控制器件，负极与所述控制器件支路的第二端连接，正极与所述电感器件连接，控制极与所述控制系统连接；所述电感器件与所述电容器件连接；所述第四控制器件，负极与所述电容器件连接，正极与第一直流电接口连接，控制极与所述控制系统连接。

4.根据权利要求3所述的直流断路器，其特征在于，所述控制器件支路包括：第五控制器件，负极与开关支路连接，正极与第一直流电接口连接，控制极与所述控制系统连接。

5.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述振荡支路包括：第一控制器件、第二控制器件、第三控制器件、第四控制器件、电容器件和电感器件，其中第一控制器件的负极和第四控制器件的正极均与第一直流电接口连接，第二控制器件的负极和第三控制器件的正极均与所述控制器件支路的第二端连接，电感器件连接于第一控制器件的正极和第二控制器件的正极之间的连接线路上，电容器件连接于第四控制器件的负极和第三控制器件的负极之间的连接线路上，电感器件和电感器件连接；第一控制器件的控制极、第二控制器件的控制极、第三控制器件的控制极、第四控制器件的控制极均与控制系统连接；所述控制系统依据流经主电流回路的电流流向，判定打开第一控制器件和第三控制器件，或者打开第二控制器件和第四控制器件。

6.根据权利要求5所述的直流断路器，其特征在于，所述控制器件支路包括：第五控制器件和第六控制器件，第五控制器件的正极和第六控制器件的负极的连接交点与第一直流电接口连接，第五控制器件的负极和第六控制器件的正极的连接交点与开关支路连接，第五控制器件的控制极和第六控制器件的控制极均与控制系统连接；所述控制系统依据流经主电流回路的电流流向，判定打开第六控制器，或者第五控制器。

7.根据权利要求4或6所述的直流断路器，其特征在于，控制器件为单向或双向导通、半控或全控的控制器件。

8.根据权利要求7所述的直流断路器，其特征在于，所述开关支路设有至少一个固态开关组件，固态开关组件与控制系统连接。

9.根据权利要求7所述的直流断路器，其特征在于，所述过电压限制支路设有避雷器。

10.根据权利要求7所述的直流断路器，其特征在于，所述控制系统，还用于计算所述主电流回路的电流幅值和电流变化率，达到对应的预设阈值后，控制所述振荡支路、控制器件支路以及所述开关支路上的控制器件导通。

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