CN112510647B - 一种振荡转移与固态开关相结合的直流断路器 - Google Patents
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Abstract
一种振荡转移与固态开关相结合的直流断路器，由主电流回路、电流转移支路、能量吸收支路和控制系统组成。在小电流开断情况下，控制高速机械开关分闸与相应电力电子器件导通，电流在电弧电压作用下向电流转移支路转移，之后控制电力电子器件关断，电力电子组件两端电压上升，避雷器导通。当发生大电流短路故障时，控制高速机械开关分闸与电力电子器件导通。预充电电容向断口注入反向电流，断口电流过零熄弧，短路电流转移至电流转移支路并向电容充电，当电容电压大于避雷器导通电压时，避雷器导通。所述新型直流断路器具有结构简单，通态损耗小，全电流开断速度快等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种振荡转移与固态开关相结合的直流断路器，特别通过在电流转移支路加入触发开关，使用两种方式针对不同等级的电流进行开断。实现中压直流系统多种电流工况的短路故障快速开断的功能。
背景技术
随着城市建设不断推进，发展高供电密度、大容量、高可靠直流配电系统成为大中城市发展的迫切需求。某些特殊电力系统运行工况复杂。传统的直流断路器，由于其自身开断时间长，限流能力有限，不能同时兼顾不同工况等特点的限制，难以适应直流系统的高电压、大电流的发展需求。
相较于传统交流系统，直流系统短路故障具有：电流上升速率快、短路电流峰值高、没有自然过零点等特点，同时直流断路器还需要吸收储存在系统电感中的能量，直流开断难度大。目前广泛使用的混合式断路器大多通过注入和短路电流相反的电流来制造人工过零点，从而实现直流分段的目的。但当小电流开断时，注入电流可能反向击穿高速机械开关的触头，导致开断时高速机械开关触头间燃弧难以熄灭，延长开断时间，对系统产生不利影响。
本发明的目的在于，提供一种可以同时兼顾短路电流与小电流两种情况的直流断路器，小电流采用电力电子器件完成开断，大电流用电流注入式方法完成开断，缩短短路故障排除时间，提高系统的稳定性。
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振荡转移与固态开关相结合的直流断路器。通过设计新型回路拓扑，在电流转移支路加入触发开关，使用两种方式针对大小两种电流完成开断。所述新型直流断路器具有适应多种断路器复杂工况的功能，并且结构简单，通态损耗小，全电流开断速度快。
具体的，本发明采用如下技术方案：
一种振荡转移与固态开关相结合的直流断路器，由主电流回路、电流转移支路、能量吸收支路组成。其中主电流回路，电流转移支路，能量吸收支路并联之后，通过出线端A1和A2引出。其特征在于：
(1)所述主电流回路高速机械开关断口一端和断路器出线端A1相连，高速机械开关断口另一端和断路器出线端A2直接相连；
(2)所述电流转移支路中：电感L与电容C，晶闸管串联连接，其中电容C预充电，极性为左负右正；之后整体并联一个触发开关，再与电力电子组件串联。电感的一端连接到断路器出线端子A1，最后一个电力电子器件负端与断路器出线端子A2连接。实现所述电流转移支路和主电流回路的并联；
(3)所述能量吸收支路由避雷器组成。避雷器分为两组，一组并联于触发开关两端，另一组并联于电力电子组件两端，实现与主电流回路以及电流转移支路并联。当避雷器两端电压达到其导通电压时，避雷器导通，可迅速耗散系统能量。
该新型直流断路器工作原理如下：
系统正常通流状态下，系统电流从所述主电流回路流过，方向为A1到A2，系统电流流经高速机械开关，系统的通态损耗即为电流在高速机械开关的损耗。此时电流转移支路没有电流流过，能量吸收支路的避雷器两端电压很低，避雷器不会导通。
额定电流或小电流开断时，控制系统对高速机械开关发出分闸指令，同时控制触发开关和电力电子器件导通。高速机械开关收到分闸动作指令，开始动作。高速机械开关的触头拉开后，触头之间开始燃弧。但由于此时电流的等级不高，电流由于电弧电压转移到电流转移支路，之后控制电力电子器件关断，由于关断后，电力电子组件两端的电压大于避雷器的导通电压，避雷器导通。短路电流的能量由避雷器耗散，实现小电流的开断。
当系统发生短路故障时，系统电流快速上升为短路电流。此时短路电流等级高。控制系统对高速机械开关发出分闸指令，同时控制晶闸管和电力电子器件导通。高速机械开关触头拉开燃弧。预充反向电压的电容器对断口注入反向电流，迫使高速机械开关断口电流过零熄弧，短路电流转移至电流转移支路，对电容充电，当电容电压大于避雷器导通电压时，避雷器导通。短路电流的能量由避雷器耗散，实现大电流短路故障的开断。
其中所述的高速机械开关特征包括：所述高速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。
其中所述的高速机械开关以及晶闸管控制系统包括：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；
其中所述的电流转移支路特征包括：电流转移支路为电容与电感以及晶闸管的串联，触发开关以及电力电子器件。电容的耐压值要大于能量吸收支路中避雷器的导通电压，触发开关为光控的真空触发间隙，电力电子器件为大功率半导体器件IGCT，采用多个器件串联保证其耐压值大于系统电压。
其中所述的能量吸收支路特征包括：所述避雷器包括但不限于以下几种：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；
附图说明
图1是断路器本体结构示意图；
图2是本发明断路器开断额定电流或小电流工作原理图；
图3是本发明断路器开断短路电流工作原理图；
图4是基于此开断原理的双向断路器结构；
图5是基于此开断原理的双向断路器结构，电容器采用桥式电路连接。
具体实施方式
以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。
图1为断路器本体结构示意图，包括主电流电路、转移电流电路以及能量吸收电路。
图2给出了断路器在系统额定通流工况或小电流工况下的开断过程。下文将结合图2说明此开断过程。
(1)、如图2(a)所示正常通流状态下，系统电流从出线端A1流入，经过高速机械开关后从出线端A2流出；
(2)、如图2(b)所示，当需要开断时，触发高速机械开关分闸，触发开关导通，以及触发电力电子组件导通，触头间燃弧，电流向电流转移支路转移；
(3)、如图2(c)所示，高速机械开关触头间熄弧，电流全部转移到电流转移支路；
(4)、如图2(d)所示，关断电力电子组件，由于电力电子组件两端电压大于避雷器导通电压，避雷器导通，耗散系统能量，完成开断；
图3给出了断路器在系统短路工况下，电流转移的过程，下文将结合图3说明当系统短路故障发生时的开断过程。
(1)、如图3(a)所示正常通流状态下，系统电流从出线端A1流入，经过高速机械开关后从出线端A2流出；
(2)、如图3(b)所示，当系统发生短路故障时，主电流回路的电流迅速上升，此时触发高速机械开关分闸，同时触发晶闸管，电力电子组件导通。此时预充电电容器对主电流回路反向注入电流；
(3)、如图3(c)所示，主电流回路高速机械开关断口电流过零，触头熄弧，此时短路电流开始向电流转移支路转移，给电容器充电，电容电压升高，此时电容的极性为左正右负；
(4)、如图3(d)所示，当电容的电压超过能量吸收支路中避雷器的导通电压时，避雷器被导通，主电流回路的电流开始向避雷器转移，避雷器吸收短路电流能量并转化为热能耗散，完成系统短路故障的开断；
图4给出了基于此开断原理的双向断路器结构，将电力电子器件反向串联，再每个IGCT上反并联二极管。预充电电容正反方向分别设置一个，用反向的晶闸管控制导通。当电流为正向时，开断时控制正向晶闸管和电力电子器件导通，当电流为反向时，开断时控制反向晶闸管和电力电子器件导通。实现双向电流均可完成开断的功能。
图5给出了基于此开断原理的另一种双向断路器结构，采用桥式结构连接预充反向电压的电容器，这样两种方向的电流均可用同一电容器完成开断。此结构只需一个电容器，减小了断路器体积。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。
Claims (4)
1.一种振荡转移与固态开关相结合的直流断路器，由主电流回路、电流转移支路、能量吸收支路组成，其中：
主电流回路包括高速机械开关；
电流转移支路包括触发开关，电容C、电感L和晶闸管以及电力电子器件，其中，电感L与电容C，晶闸管串联连接，再与一个触发开关并联，然后整体与电力电子组件串联；
能量吸收支路由避雷器组成；
主电流回路、电流转移支路、能量吸收支路为并联连接，之后通过出线端A1和A2引出，其特征在于：
（1）所述主电流回路中：高速机械开关断口一端和断路器出线端A1相连，高速机械开关断口另一端断路器出线端A2直接相连；
（2）所述电流转移支路中：电容C预充电，极性为左负右正，电感一端与电力电子组件的一端分别连接到断路器出线端子A1、A2，实现所述电流转移支路和主电流回路的并联；
（3）所述能量吸收支路中：避雷器两端连接于断路器出线端子A1、A2，与主电流回路以及电流转移支路并联，当避雷器两端电压达到其导通电压时，避雷器导通，以迅速耗散系统能量；
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，方向为A1到A2，系统电流流经高速机械开关，系统的通态损耗即为电流在主电流回路的损耗，此时电流转移支路没有电流流过，能量吸收支路的避雷器两端电压很低，避雷器不会导通；
当需要开断系统额定电流或者额定电流以下的电流时，控制系统对高速机械开关发出分闸指令，同时控制触发开关和电力电子器件导通，高速机械开关收到分闸动作指令，开始动作，高速机械开关的触头拉开后，触头之间开始燃弧，但由于此时电流的等级不高，电流由于电弧电压转移到电流转移支路，之后控制电力电子器件关断，由于关断后，电力电子组件两端的电压大于避雷器的导通电压，避雷器导通，短路电流的能量由避雷器耗散，实现小电流的开断；
当系统发生短路故障时，系统短路电流等级高，直接向电流转移支路转移，高速机械开关无法熄弧，所以控制高速机械开关分闸的同时要触发晶闸管以及电力电子器件导通，由于电容预充反向电压，对断口注入反向电流，迫使高速机械开关断口电流过零熄弧，短路电流转移至电流转移支路，对电容充电，当电容电压大于避雷器导通电压时，避雷器导通，短路电流的能量由避雷器耗散，实现大电流短路故障的开断。
2.根据权利要求1所述的断路器,其特征在于：
所述高速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。
3.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于：
所述高速机械开关，晶闸管以及触发开关的控制系统包括：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。
4.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于：
所述电流转移支路中：
电容的耐压值要大于能量吸收支路中避雷器的导通电压；
电力电子器件为大功率半导体器件IGCT，采用多个器件串联保证其耐压值大于系统电压；
触发开关为光控的真空触发间隙。
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