CN112786327A - 一种新型复合能量耗散装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种新型复合能量耗散装置，涉及直流断路器中能量耗散领域，所述装置包括液态金属耗能装置，第二电阻，第一电阻，全桥IGBT模块组件，其中液态金属耗能装置包括绝缘外壳，绝缘顶盖、两侧装有与内部连接的可拆卸电极，腔体内部装有可拆卸绝缘隔板以及液态金属。通过液态金属耗能装置与第二电阻配合使用实现直流断路开断时的能量耗散，本发明的有益效果为，开断断路器时的能量转移至该装置，通过液态金属放电所产生的相变和燃弧来消耗大部分能量，再由第二电阻通过温升散能来吸收剩余的能量，该发明能够提升断路器能量耗散功率密度，缩小直流断路器的体积，减少电力电子器件数量，提高经济性。

Description

一种新型复合能量耗散装置

技术领域

本发明涉及直流断路器中能量耗散领域，具体涉及一种新型复合能量耗散装置。

背景技术

高压断路器是构建直流电网的关键设备，对直流输电系统和直流电网的安全可靠运行有着极其重要的作用。一直以来，高压直流断路器因为直流电流无自然过零点而难以开断，因此在开断高压直流断路器的故障电流时，在断口处会产生很大的电弧能量，现有的混合式直流断路器会通过关断转移支路电力电子器件建立反向电压导通第二电阻，实现能量耗散并最终开断电流，但面向更高电压等级，利用电力电子器件串联承受开断电压，所需器件串联数量特别大，成本很高。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种新型复合能量耗散装置，通过下述技术方案实现：

一种新型复合能量耗散装置，包括：并联连接的主支路和转移支路；

所述主支路包括串联连接的全桥IGBT模块组件和断路器开关(13)；

所述转移支路包括依次串联的液态金属耗能装置和多个基本耗能模块单元以及并联于所述液态金属耗能装置上的第一电阻(11)；

所述基本耗能模块单元包括多个串联连接的全桥IGBT模块组件及与多个所述全桥IGBT模块组件组成的串联结构并联的第二电阻(12)。

所述第二电阻(12)采用氧化锌电阻。

上述方案的有益效果是，液态金属耗能装置内部，当电流流过整个装置时，其内部电流密度大小由于通孔面积限制而产生影响，电流在经过内部液态金属时电流大小是逐渐增大的，会产生沿液态金属纵切面旋转方向的磁场，该磁场会对液态金属造成安培力的影响，会导致液态金属向内部收缩。

进一步的，所述液态金属耗能装置包括电极、绝缘外壳(10)、绝缘顶盖(4)，所述绝缘外壳(10)与所述绝缘顶盖(4)形成密闭腔体，所述密闭腔体内设置多个可拆卸的绝缘隔板(5)；

所述电极包括阳极电极(1)、阴极电极(2)和触发电极(3)；所述阳极电极(1)和阴极电极(2)分别设置于绝缘外壳(10)两侧；所述触发电极(3)穿过所述绝缘顶盖(4)至所述密闭腔体内；

所述绝缘隔板上设置有水平贯穿所述绝缘隔板的通孔(6)。

上述进一步方案的有益效果是，液态金属耗能装置通过上述部件形成一个密封的整体，防止内部液态金属因外界环境而氧化污染，其结构设计简单，由于电弧是从绝缘隔板通孔中产生，对其产生的烧蚀影响是最大的，采用可拆卸的插入结构能够定期对其进行更换，避免长期烧蚀引起绝缘隔板的损害；同时通孔处通流面积小，导通电流密度大，产生沿液态金属纵切面旋转方向的磁场，其安培力使液态金属收缩，产生气体间隙促使电弧产生。

进一步的，所述触发电极(3)从所述顶盖(4)外部贯穿，并垂直插入所述绝缘隔板(5)中，所述触发电极(3)的下端贯穿至所述通孔(6)处，上端置于所述顶盖(4)外部。

上述进一步方案的有益效果是，触发电极从绝缘隔板内部贯通，一端连接至外部触发电路，另一端位于通孔处，沿触发电路传来的冲击电流能够使该处迅速起弧，缩短装置反应时间。

进一步的，所述阳极电极(1)、阴极电极(2)和触发电极(3)采用铜钨合金。

上述进一步方案的有益效果是，所述电极采用钨铜合金材料具有耐高温耐电弧烧蚀的性能，经过上百次电弧烧蚀后仍能够保持基本功能。

进一步的，所述触发电极(3)通过触发电路与阴极电极(2)相连接，所述触发电路包括串联连接的充电电容(14)、电感和晶闸管。

上述进一步方案的有益效果是，触发电路的电容充满电荷，当出现故障电流后，提供晶闸管导通的信号，电容上的电荷通过触发电路立即转移到触发电极，使绝缘隔板孔隙处迅速起弧，缩短装置的反应时间。

进一步的，所述绝缘顶盖(4)上设置两个可关闭的导气孔(9)，所述导气孔(9)用于通入抗氧化性气体。

上述进一步方案的有益效果是，导气孔能够通入流出气体，能够利用气瓶向内部充气对内部电弧烧蚀产生的杂质气体从另一端导气孔进行排放；同时还可以利用导气孔来放置其他传感器探头，例如测量内部压强、温度等。

进一步的，所述腔体内部填充液态金属(7)，所述液态金属(7)高度高于所述通孔(6)但不填充满整个密闭腔体，所述液态金属上部为抗氧化气体(8)。

上述进一步方案的有益效果是，液态金属淹没隔板通孔保证基本的通流能力，液态金属能够沿着通孔进行流动，液态金属不充满整个腔体能够保证腔体内部电弧的顺利产生，同时保证电弧蒸发的液态金属微粒还能有回流的空间。

进一步的，所述液态金属(7)采用镓铟锡液态金。

上述进一步方案的有益效果是，此配比的液态金属合金其熔点较低，能够保证在正常情况下液态金属能够表现为流动的液态结构，同时该合金配比沸点也较低，能够在电弧温度的影响下迅速蒸发吸收能量。

进一步的，所述全桥IGBT模块组件由大功率绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT3和IGBT4；二极管D1、D2、D3和D4，以及电容C组成；

所述大功率绝缘栅极晶体管采用全桥的方式进行连接；

所述二极管分别与大功率绝缘栅极晶体管并联；

其中，D1的阳极与IGBT1的源极相连接，D1的阴极与IGBT1的漏极相连接；

D2的阳极与IGBT2的源极相连接，D2的阴极与IGBT2的漏极相连接，

D3的阳极与IGBT3的源极相连接，D3的阴极与IGBT3的漏极相连接，

D4的阳极与IGBT4的源极相连接，D4的阴极与IGBT4的漏极相连接，

所述电容C的一端与IGBT1的漏极相连接，另一端与IGBT2的漏极相连接；

所述全桥IGBT模块组件导通时，电流一路经过D1、IGBT4，另一路从IGBT2、D3流过；当全桥模块组件闭锁时，电流从D1、C、D3流过。

上述进一步方案的有益效果是，通过液态金属耗能装置先对转移电流进行第一阶段的能量耗散，该阶段的能量耗散反应迅速，耗散能量密度大，能在转移电流上升阶段耗散能量并限制电流，同时其阻值迅速上升，通过与其并联电阻能够保证电流能够顺利流通至基本耗能模块单元，并进行下一阶段的电流能量耗散，如此在不影响直流断路器开断时间的情况下实现开断和能量耗散。由于液态金属能量耗散装置会耗散部分能量，降低转移电流幅值，电力电子开关全桥IGBT模块组件所需数量将会大幅减少，第二电阻所需数量也会减少，能有效减小直流断路器的体积和减少设备造价。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明新型复合能量耗散装置电路结构示意图。

图2为本发明液态金属耗能装置结构示意图。

图3为本发明工作原理示意图，其中a为断路器正常工作电路示意图，

b为直流电路发生短路故障后该装置电路工作的第一阶段，

c为直流电路发生短路故障后该装置电路工作的第二阶段，

d为直流电路发生短路故障后该装置电路工作的第三阶段，

e为直流电路发生短路故障后该装置电路工作的第四阶段；

f、g为直流断路器合闸时该装置的电路工作原理示意图。

图4为本发明全桥IGBT模块组件的导通和闭锁示意图，其中a为导通状态，b为闭锁状态。

附图中标记及对应的零部件名称：

1—阳极电极，2—阴极电极，3—触发电极，4—绝缘顶盖，5—绝缘隔板，6—通孔，7—液态金属，8—抗氧化气体，9—导气孔，10—绝缘外壳，11—第一电阻，12—第二电阻、13—断路器开关，14—充电电容。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

一种新型复合能量耗散装置，如图1所示，并联连接的主支路和转移支路；

所述主支路包括串联连接的全桥IGBT模块组件和断路器开关(13)；

所述转移支路包括依次串联的液态金属耗能装置和多个基本耗能模块单元以及并联于所述液态金属耗能装置上的第一电阻(11)；

所述基本耗能模块单元包括多个串联连接的全桥IGBT模块组件及与多个所述全桥IGBT模块组件组成的串联结构并联的第二电阻(12)，作为优选，本实施例中第二电阻(12)可采用氧化锌电阻。

具体而言，如图2所示，所述液态金属耗能装置包括电极、绝缘外壳(10)、绝缘顶盖(4)，所述绝缘外壳(10)与所述绝缘顶盖(4)形成密闭腔体；

所述电极包括阳极电极(1)、阴极电极(2)和触发电极(3)；所述阳极电极(1)和阴极电极(2)分别设置于绝缘外壳(10)两侧；所述触发电极(3)穿过所述绝缘顶盖(4)至所述密闭腔体内；

所述绝缘隔板上设置有水平贯穿所述绝缘隔板的通孔(6)。

优选的，电极材料采用耐电弧烧蚀的铜钨合金，在液态金属耗能装置启动之后，通孔处的电弧会向附近蔓延，蒸发周围的液态金属，电弧过大时会烧蚀电极材料，选取耐烧蚀的钨铜合金可以增加液态金属耗能装置电极的使用寿命。

密闭腔体内部设置有至少一个可拆卸绝缘隔板(5)，绝缘隔板(5)设置有通孔(6)，其通孔允许液态金属(7)流通，绝缘隔板(5)通孔处及附近处粗糙程度较大，触发电极(3)从绝缘隔板内部垂直贯通，一端位于绝缘顶盖(4)的外部，用于连接至外部触发电路，另一端位于通孔(6)处，沿触发电路传来的冲击电流能够使该处迅速起弧。

通孔(6)由于能流通的液态金属(7)面积小，当电流流过时，其电流密度会较大，因此处所产生的磁场也较大，液态金属(7)会到安培力的影响向内部收缩，由于附近粗糙程度较大，黏附在绝缘隔板(5)的液态金属(7)会存在间隙，同时该处由于液态金属(7)收缩，压强降低，造成液态金属(7)内部流动，同时触发电极(3)在该处产生一个冲击电流，电弧能够更加快速形成；

密闭腔体内部装有液态金属(7)，液态金属(7)高度应淹没绝缘隔板通孔(6)但又不填充满整个腔体。

作为优选，本实施例中液态金属(7)采用镓铟锡液态金属，其中镓铟锡配比大致为6:3:1的含量，此配比的液态金属合金其熔点较低，能够保证在正常情况下液态金属能够表现为流动的液态结构，同时该合金配比沸点也较低，能够在电弧温度的影响下迅速蒸发吸收能量。

触发电极(3)通过触发电路与阴极电极(2)相连接，触发电路包括串联连接的充电电容(14)、电感和晶闸管相串联，其中充电电容(14)与一个外电源并联连接充电，保证电容上充满电荷。当故障电流通过液态金属耗能装置时，给与晶闸管触发信号，充电电容上储存的能量使晶闸管导通，产生一个冲击电流，使液态金属耗能装置内部迅速起弧；

绝缘外壳(10)外部壳体材料采用高强度耐压合金材料，外壳内部采用耐烧蚀绝缘复合材料，当液态金属耗能装置内部产生电弧后，巨大的电弧温度会使液态金属蒸发，产生高温液态金属气流，采用高强度耐压外壳材料保证装置的安全性；

绝缘顶盖(4)采用与绝缘外壳(10)相同材料，绝缘顶盖(4)上设置两个可关闭的导气孔(9)通入抗氧化气体(8)。

作为优选，本实施例中抗氧化气体(8)采用氮气，空气中的氧气会使液态金属表面氧化成为固态，影响装置的性能，利用氮气能够防止液态金属氧化同时也不会对电弧的产生起到抑制作用。

主支路上断路器开关与全桥IGBT模块组件串联，如图1所示，在其转移支路上，液态金属耗能装置与第一电阻并联，然后与多个基本耗能模块单元依次串联，其中，第一电阻的作用是在液态金属装置产生电弧放能后随着电流的密度增大，电阻会呈指数增长上升，为了保护液态金属耗能装置防止电压过高损坏，采用并联第一电阻来进行后续的通流。

具体而言，全桥IGBT模块组件由大功率绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT3和IGBT4；二极管D1、D2、D3和D4，以及电容C组成；

大功率绝缘栅极晶体管采用全桥的方式进行连接；

二极管分别与大功率绝缘栅极晶体管并联；

其中，D1的阳极与IGBT1的源极相连接，D1的阴极与IGBT1的漏极相连接；

D2的阳极与IGBT2的源极相连接，D2的阴极与IGBT2的漏极相连接，

D3的阳极与IGBT3的源极相连接，D3的阴极与IGBT3的漏极相连接，

D4的阳极与IGBT4的源极相连接，D4的阴极与IGBT4的漏极相连接，

电容C的一端与IGBT1的漏极相连接，另一端与IGBT2的漏极相连接；

全桥IGBT模块组件导通时，电流一路顺序流过D1和IGBT4，另一路顺序流过IGBT2和D3；当全桥模块组件闭锁时，电流顺序流过D1、电容C、D3。

由上述液态金属耗能装置与基本耗能模块组件相连接形成一种新型复合能量耗散装置，其工作原理如图3所示，

图3(a)所示，直流线路系统正常运行时，电流从主支路流过，直流开关和主支路全桥IGBT模块流过正常电流，液态金属耗能回路以及基本耗能模块单元回路均不导通。

图3(b)所示，发生短路故障后，电流迅速上升至保护阈值，此时给全桥IGBT模块组件发送分合闸脉冲指令，导通转移支路的全桥IGBT模块组件，闭锁主支路的全桥IGBT模块组件，故障电流换流至转移支路，发送主支路机械开关实现分闸指令，实现分断，故障电流首先经过液态金属耗能装置，转移至路全桥IGBT模块组件进行通流，同时提供液态金属耗能装置触发电路晶闸管导通信号。

图3(c)所示，液态金属耗能装置由于受到大电流的影响，其特有的结构使液态金属收缩，同时触发电极产生冲击电流使其内部迅速起弧，电弧使液态金属温度迅速升高，直至蒸发汽化，根据液态金属的高温度变化、高比热容和高汽化热的特性，短时间将耗散巨大的能量，同时起到限流的作用，由于液态金属耗能装置内部产生了电弧和液态金属蒸发，其电阻将大幅提升，转移支路电流将通过另一条电阻支路流通。

图3(d)所示，在主支路开关实现分闸后，电流转移的同时，闭锁转移支路的IGBT器件，电流会经过全桥IGBT模块组件的电容支路，为电容充电，电容电压升高。

图3(e)所示,当所有电容电压之和达到第二电阻的动作阈值时，第二电阻的阻值降低，电流全部转移至第二电阻支路，直至第二电阻吸收全部能量完成最终的开断。

图3(f)所示，断路器开断后需要对其进行合闸，依次开通全桥模块的IGBT，使转移支路完全处于导通状态，若为永久性故障，依次闭锁IGBT组件至电流为零，对直流电网进行检修与维护；若为瞬时性故障，闭合断路器开关，此时其压降很小，能够在低电压零电流的情况下完成闭合。

图3(g)所示，在闭合断路器开关之后，开通主支路全桥IGBT组件开关，之后关闭转移支路使电流全部恢复到正常主支路，完成直流断路器的合闸过程。

如图4(a)所示，全桥IGBT模块组件导通时，电流一端D1、IGBT4流通，另一端从IGBT2、D3流通。

如图4(b)所示，全桥IGBT模块组件闭锁时，电流从D1、C、D3导通。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型复合能量耗散装置，其特征在于，包括：并联连接的主支路和转移支路；

所述主支路包括串联连接的全桥IGBT模块组件和断路器开关(13)；

所述转移支路包括依次串联的液态金属耗能装置和多个基本耗能模块单元以及并联于所述液态金属耗能装置上的第一电阻(11)；

所述基本耗能模块单元包括多个串联连接的全桥IGBT模块组件及与多个所述全桥IGBT模块组件组成的串联结构并联的第二电阻(12)。

2.根据权利要求1所述的一种新型复合能量耗散装置，其特征在于，所述第二电阻采用氧化锌电阻。

3.根据权利要求1所述的一种新型复合能量耗散装置，其特征在于，所述液态金属耗能装置包括电极、绝缘外壳(10)、绝缘顶盖(4)，所述绝缘外壳(10)与所述绝缘顶盖(4)形成密闭腔体，所述密闭腔体内设置多个可拆卸的绝缘隔板(5)；

所述电极包括阳极电极(1)、阴极电极(2)和触发电极(3)；所述阳极电极(1)和阴极电极(2)分别设置于绝缘外壳(10)两侧；所述触发电极(3)穿过所述绝缘顶盖(4)至所述密闭腔体内；

所述绝缘隔板上设置有水平贯穿所述绝缘隔板的通孔(6)。

4.根据权利要求3所述的一种新型复合能量耗散装置，其特征在于，所述触发电极(3)从所述绝缘顶盖(4)外部贯穿，并垂直插入所述绝缘隔板(5)中，所述触发电极(3)的下端贯穿至所述通孔(6)处，上端置于所述顶盖(4)外部。

5.根据权利要求4所述的一种新型复合能量耗散装置，其特征在于，所述阳极电极(1)、阴极电极(2)和触发电极(3)采用铜钨合金。

6.根据权利要求5所述的一种新型复合能量耗散装置，其特征在于，所述触发电极(3)通过触发电路与阴极电极(2)相连接，所述触发电路包括串联连接的充电电容(14)、电感和晶闸管。

7.根据权利要求6所述的一种新型复合能量耗散装置，其特征在于，所述绝缘顶盖(4)上设置两个可关闭的导气孔(9)，所述导气孔(9)用于通入抗氧化性气体。

8.根据权利要求7所述的一种新型复合能量耗散装置，其特征在于，所述密闭腔体内部填充液态金属(7)，所述液态金属(7)高度高于所述通孔(6)但不填充满整个密闭腔体，所述液态金属上部为抗氧化气体(8)。

9.根据权利要求8所述的一种新型复合能量耗散装置，其特征在于，所述液态金属(7)采用镓铟锡液态金属。

10.根据权利要求1所述的一种新型复合能量耗散装置，其特征在于，所述全桥IGBT模块组件由大功率绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT3和IGBT4；二极管D1、D2、D3和D4，以及电容C组成；

所述大功率绝缘栅极晶体管采用全桥的方式进行连接；

所述二极管分别与大功率绝缘栅极晶体管并联；

其中，D1的阳极与IGBT1的源极相连接，D1的阴极与IGBT1的漏极相连接；

D2的阳极与IGBT2的源极相连接，D2的阴极与IGBT2的漏极相连接，

D3的阳极与IGBT3的源极相连接，D3的阴极与IGBT3的漏极相连接，

D4的阳极与IGBT4的源极相连接，D4的阴极与IGBT4的漏极相连接，

所述电容C的一端与IGBT1的漏极相连接，另一端与IGBT2的漏极相连接；

所述全桥IGBT模块组件导通时，电流一路顺序流过D1和IGBT4，另一路顺序流过IGBT2和D3；当全桥模块组件闭锁时，电流顺序流过D1、电容C、D3。

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