CN112802698A - 一种具有强迫换流功能的混合式直流断路器 - Google Patents

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时珊珊
吴益飞
王皓靖
刘舒
魏新迟
吴翊
杨飞
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Abstract

一种具有强迫换流功能的混合式直流断路器，由主电流回路、电流转移支路、能量耗散支路、续流支路和控制系统组成。正常通流状态下，系统电流从主回路流过，高速机械开关承担额定通流。关断额定电流时，触发高速机械开关和相应电力电子器件导通，预充电电容放电，电流被强迫转移至电流转移支路，由电流转移支路关断额定电流后，避雷器导通完成开断。当发生短路故障时，触发高速机械开关和相应电力电子器件导通，预充电电容放电开始换流，电流首先转移至电流转移支路，由电流转移支路关断短路电流后，避雷器导通完成开断。所述新型电流转移直流断路器具有电流转移速度快，开断能力强、断口恢复特性好等特点。

Description

一种具有强迫换流功能的混合式直流断路器
技术领域
本发明涉及一种具有强迫换流功能的混合式直流断路器，通过预 充电电容放电与主回路电流抵消实现故障电流的快速转移。改变触发 电流转移支路的功率半导体器件的时序，实现关断不同通流方向的电 流的功能。
背景技术
直流断路器作为直流配电系统中至关重要的保护元件，是快速分 断直流故障电流、系统安全运行的保证。基于电力电子器件的固态直 流断路器全电流范围开断速度快，可靠性高，但由于大功率电力电子 器件串联在额定通流回路中，通态损耗大，且造价相对较高，难以实 现工业大规模应用；传统的机械式直流断路器额定通流损耗低，开断 能力强，但小电流开断时间长，且断口绝缘恢复差。针对上述两种开 断方案的不足，本文提出了一种结合机械开关和固态开关转移的直流 断路器方案，具有开断速度快，断口绝缘恢复好、可靠性高等优势， 能够满足目前直流配电网安全、可靠、经济的要求。
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 种新型的混合式断路器及其控制方法。通过控制高速机械开关HSS 动作，然后根据回路电流大小按照特定时序触发电流转移支路的全控 型功率半导体器件导通，完成电流分断。
具体的，本发明采用如下技术方案：
一种具有强迫换流功能的混合式直流断路器，由主电流回路、电 流转移支路、能量耗散支路、续流支路和在线监测系统和控制系统组 成。其中主电流回路，电流转移支路，能量耗散支路，续流并联之后， 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高速开关断口两端和断路器 出线端A1和A2直接相连；
(2)所述电流转移支路中：二极管D1反并联在全控型功率半 导体器件T1两端，电容C和电阻R串联后，并联在T1两端；二极 管D2反并联在全控型功率半导体器件T2两端，电容C和电阻R串 联后，并联在T2两端，氧化锌避雷器分别并联在T1、T2两端。T1 和T2反向串联构成固态开关组件，一个或多个固态开关组件与预充 电电容串联构成电流转移支路，电流转移支路两端并联在主回路两端；
(3)所述能量耗散支路中：由避雷器(MOV)构成能量耗散支路， MOV1并联在T1两端，MOV2并联在T2两端。
(4)所述在线监测系统测量流经所述出线端A1或A2的电流以 及电流方向、流经所述主电流回路的电流、流经所述电流转移支路的 电流、所述高速机械开关两端的电压和所述高速机械开关的开关位移， 当系统电流方向从A1到A2时，通过测量所述主电流回路的电流幅 值和变化率控制所述高速机械开关HSS和电流转移支路的功率半导 体器件动作，当系统电流方向从A2到A1时，通过测量所述主电流 回路的电流幅值和变化率控制所述高速机械开关HSS和电流转移支 路的功率半导体器件动作。
其中所述在线监测系统特征包括：用于测量系统电流状态的电流 传感器G0、用于测量主回路电流状态的电流传感器G1、用于测量电 流转移支路电流状态电流传感器G2，用于测量能量耗散支路电流状 态电流传感器G3，用于测量高速机械开关HSS断口电压的电压传感 器Vhss，用于测量高速机械开关运动状态的位移传感器Pd，用于测 量断路器环境温度的温度传感器D4，以及相应信号调理电路的A/D 转换模块、通信模块；
其中，所述控制系统特征包括：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；
其中所述断路器高速机械开关特征在于：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。
其中所述断路器全控型功率半导体器件的特征在于：所述全控型 功率半导体器件T1-T2，为单向导通的全控型器件，可以是以下器 件的单个器件或是组合，IGBT、IGCT或IEGT。
其中所述断路器半控型功率半导体器件的特征在于：所述半控型 功率半导体器件T3-T5，为单向导通的全半控型器件，如晶闸管。
其中，所述断路器能量耗散支路其特征在于：所述能量耗散支路 包括但不限于以下器件的单个或者组合：有金属氧化物避雷器、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是断路器控制系统传感器分布示意图；
图3是本发明断路器开断额定电流时的工作示意图；
图4是本发明断路器开断短路电流时的工作示意图；
图5给出本发明的单向开断拓扑图；
图6给出本发明的一种双向开断拓扑图；
图7给出本发明的一种双向开断拓扑图。
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，包括主电流回路、电流转移支路、 续流支路以及能量耗散支路。图2为传感器在断路器中的分布。其中 包括：用于测量系统电流状态的电流传感器G0、用于测量主回路电 流状态的电流传感器G1、用于测量电流转移支路电流状态的传感器 G2，用于测量过能量耗散支路电流状态电流传感器G3，用于测量高 速机械开关HSS断口电压的电压传感器Vhss，用于测量高速机械开 关运动状态的位移传感器Pd以及用于测量断路器环境温度的温度传 感器D4。
图3给出了断路器具体开断额定电流过程中，电流转移的过程：
(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，经过机械开关HSS后从出线端A2流出；
(2)如图3(b)所示，当控制系统接收到额定开断信号时，控 制系统发出分闸指令，高速机械开关HSS打开，开始燃弧。
(3)如图3(c)所示，控制系统经过一段时间延时后，触发电 流转移支路导通，预充电电容放电，主回路电流被强迫换流至电流转 移支路，主回路电流过零后，触发续流支路导通进行续流。
(4)如图3(d)所示，在电流转移到电流转移支路后，由电流 转移支路直接关断电流，完成额定电流开断；
(5)如图3(e)所示，系统能量最终在MOV中耗散；
(6)当电流流向相反时，电流转移过程与正向电流开断过程中 电流转移的方式和时序相同；
图4给出了断路器具体开断短路电流过程中，电流转移的过程：
(1)如图4(a)所示，正常通流状态下，系统电流从出线端 A1流入，经过机械开关HSS后从出线端A2流出；
(2)如图4(b)所示，当检测系统检测到系统发生短路故障时， 通知控制系统，控制系统发出分闸指令，高速机械开关HSS打开， 开始燃弧。
(3)如图4(c)所示，控制系统经过一段时间延时后，触发电 流转移支路导通，预充电电容放电，主回路电流被强迫换流至电流转 移支路，主回路电流过零后，触发续流支路导通进行续流。
(4)如图4(d)所示，在电流转移到电流转移支路后，由电流 转移支路直接关断电流，完成短路电流开断；
(5)如图4(e)所示，系统能量最终在MOV中耗散；
(6)当电流流向相反时，电流转移过程与正向电流开断过程中 电流转移的方式和时序相同；
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，例如推演出基于单向电流转移支路和 单向振荡支路的单向直流断路器等，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 (7)

1.一种具有强迫换流功能的混合式直流断路器，由主电流回路、电流转移支路、能量耗散支路、续流支路和在线监测系统控制系统组成，其中主电流回路，电流转移支路，能量耗散支路，续流支路并联之后，通过线端A1和A2引出，其特征在于：
(1)所述主电流回路高速机械开关高速开关断口两端和断路器出线端A1和A2直接相连；
(2)所述电流转移支路中：二极管D1反并联在全控型功率半导体器件T1两端，电容C和电阻R串联后，并联在T1两端；二极管D2反并联在全控型功率半导体器件T2两端，电容C和电阻R串联后，并联在T2两端，氧化锌避雷器分别并联在T1、T2两端，T1和T2反向串联构成固态开关组件，一个或多个固态开关组件与预充电电容串联构成电流转移支路，电流转移支路两端并联在主回路两端；
(3)所述能量耗散支路中：由避雷器(MOV)构成能量耗散支路，MOV1并联在T1两端，MOV2并联在T2两端；
(4)所述续流支路中：由半控型功率半导体器件T3和T4反并联构成续流支路，续流支路并联在主电流回路两端；
(5)所述在线监测系统测量流经所述出线端A1或A2的电流以及电流方向、流经所述主电流回路的电流、流经所述电流转移支路的电流、流经所述能量耗散支路的电流、所述高速机械开关两端的电压和所述高速机械开关的开关位移，当系统电流方向从A1到A2时，通过测量所述主电流回路的电流幅值和变化率控制所述高速机械开关HSS和电流转移支路的功率半导体器件动作，当系统电流方向从A2到A1时，通过测量所述主电流回路的电流幅值和变化率控制所述高速机械开关HSS和电流转移支路的功率半导体器件动作。
2.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于：
系统正常通流状态下，系统电流从所述主电流回路流过，高速机械开关承受额定通流，此时电流转移支路所有的功率半导体器件均未被触发，能量耗散支路导通阈值比系统电压低，没有电流流过；
当关断额定电流时，控制系统向高速机械开关HSS发出分闸动作指令，高速机械开关动作，然后依照传感器返回的信息，依照断路器电流的流向，控制系统按照特定的时序触发功率半导体器件，预充电电容放电，电流被强迫转移至电流转移支路，主回路电流过零后，触发续流支路导通进行续流，最后按照时序关断固态开关，电流转移至能量耗散支路，完成额定电流开断；
当发生短路故障时，控制系统发出分闸指令，控制系统向高速机械开关HSS发出分闸动作指令，高速机械开关动作，依照传感器返回的信息，依照断路器电流的流向，控制系统按照特定的时序触发电流转移支路的功率半导体器件导通，预充电电容放电，主回路电流被强迫换流至电流转移支路，主回路电流过零后，触发续流支路导通进行续流，之后按照时序关断固态开关，电流最终转移至能量耗散支路，完成电流强制过零，实现开断。
3.根据权利要求1所述的断路器，其所述在线监测系统特征包括：用于测量系统电流状态的电流传感器G0、用于测量主回路电流状态的电流传感器G1、用于测量电流转移支路电流状态电流传感器G2，用于测量过能量耗散支路电流状态电流传感器G3，用于测量高速机械开关HSS断口电压的电压传感器Vhss，用于测量高速机械开关运动状态的位移传感器Pd，以及相应信号调理电路的A/D转换模块、通信模块。
4.根据权利要求1所述的断路器，所述控制系统特征包括：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。
5.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。
6.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于：所述全控型功率半导体器件T1-T2，为单向导通的全控型器件，可以是以下器件的单个器件或是组合，IGBT、IGCT或IEGT，所述半控型功率半导体器件T3-T5，为单向导通的全半控型器件，如晶闸管。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的断路器，其特征在于：所述能量耗散支路包括但不限于以下器件的单个或者组合：有金属氧化物避雷器、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。
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