CN112803356A - 具有电流自转移功能的混合式直流断路器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有电流自转移功能的混合式直流断路器及其控制方法，所述混合式直流断路器并联连接的主电流回路、固态开关支路和能量耗散支路；所述主电流回路包括串联连接的高速机械开关和液态金属单元；所述固态开关支路包括一个固态开关组件或多个串联连接的固态开关组件，所述固态开关组件包括反向串联的两个全控型功率半导体器件，每个全控型功率半导体器件的两端均反并联有二极管，每个全控型功率半导体器件的两端均并联有第一支路，所述第一支路包括串联的电容和电阻；所述能量耗散支路包括避雷器。本发明的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
技术领域
本发明属于直流断路器领域，特别涉及一种具有电流自转移功能的混合式直流断路器及其控制方法。
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和系统安全运行的保证。
现有的直流断路器尚存在一些缺陷，包括：
(1)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；
(2)基于预充电电容转移方案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。
综上，亟需一种新型的混合式直流断路器及其控制方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有电流自转移功能的混合式直流断路器及其控制方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明的混合式直流断路器具有全电流范围开断速度快、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。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种具有电流自转移功能的混合式直流断路器，包括：并联连接的主电流回路、固态开关支路和能量耗散支路；
所述主电流回路包括串联连接的高速机械开关和液态金属单元；
所述固态开关支路包括一个固态开关组件或多个串联连接的固态开关组件，所述固态开关组件包括反向串联的两个全控型功率半导体器件，每个全控型功率半导体器件的两端均反并联有二极管，每个全控型功率半导体器件的两端均并联有第一支路，所述第一支路包括串联的电容和电阻；
所述能量耗散支路包括避雷器。
本发明的进一步改进在于，还包括：
电流传感器G0，用于测量系统的电流状态；
电流传感器G1，用于测量主电流回路的电流状态；
电流传感器G2，用于测量固态开关支路的电流状态；
电流传感器G3，用于测量能量耗散支路的电流状态；
电压传感器Vhss，用于测量高速机械开关的断口电压；
电压传感器Vs，用于测量液态金属单元两端的电压状态；
位移传感器Pd，用于测量高速机械开关的运动状态；
温度传感器D4，用于测量断路器环境温度。
本发明的进一步改进在于，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。
本发明的进一步改进在于，所述全控型功率半导体器件为单向导通的全控型器件。
本发明的进一步改进在于，所述单向导通的全控型器件为IGBT、IGCT、IEGT中的单个器件或多个组合成的器件。
本发明的进一步改进在于，所述能量耗散支路设置的避雷器为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、可卸式避雷器中的一个或多个。
本发明的进一步改进在于，所述混合式直流断路器中，通过控制高速机械开关动作，液态金属单元在短路电流磁场的作用下燃弧；根据回路电流大小按照预定时序触发固态开关支路的全控型功率半导体器件导通，完成电流分断。
本发明的一种具有电流自转移功能的混合式直流断路器的控制方法，包括以下步骤：
系统正常通流状态下，系统电流从主电流回路流过，高速机械开关与液态金属单元承受额定通流；固态开关支路的全控型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；
关断额定电流时，高速机械开关根据接收的分闸动作指令进行动作；根据断路器电流的流向按照预定的时序触发固态开关支路，电流转移至固态开关支路；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；
发生短路故障时，高速机械开关根据接收的分闸动作指令进行动作，液态金属单元在短路电流磁场作用下产生磁致伸缩效应而起弧；根据断路器电流的流向按照预定的时序触发固态开关支路导通，主回路电流在电弧电压的作用下向固态开关支路转移；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。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的具有电流自转移功能的混合式直流断路器，是一种结合机械开关、液态金属单元和固态开关转移的直流断路器方案，具有全电流范围开断速度快，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。具体地，本发明通过液态金属单元燃弧时高电弧电压实现故障电流的快速转移，改变触发固态开关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。
本发明的控制方法中，通过控制高速机械开关HSS动作，液态金属单元在短路电流磁场的作用下燃弧，然后根据回路电流大小按照特定时序触发固态开关支路的全控型功率半导体器件导通，能够完成电流分断。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中，断路器本体的结构示意图；
图2是本发明实施例中，断路器控制系统传感器分布示意图；
图3是本发明实施例中，断路器开断额定电流时的工作示意图；其中，图3中的(a)为正常通流状态示意图，图3中的(b)为控制系统接收到额定开断信号示意图，图3中的(c)为固态开关支路导通示意图，图3中的(d)为电流转移到固态开关支路示意图，图3中的(e)为系统能量在MOV中耗散示意图；
图4是本发明实施例中，断路器开断短路电流时的工作示意图；其中，图4中的(a)为正常通流状态示意图；图4中的(b)为系统发生短路故障示意图；图4中的(c)为固态开关支路导通示意图；图4中的(d)为电流转移到固态开关支路示意图；图4中的(e)为系统能量在MOV中耗散示意图；
图5是本发明实施例的一种单向开断拓扑图；
图6是本发明实施例的一种双向开断拓扑图；
图7是本发明实施例的又一种双向开断拓扑图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
请参阅图1、图2、图5、图6、图7，本发明实施例的一种具有电流自转移功能的混合式直流断路器，由主电流回路、液态金属单元、固态开关支路、能量耗散支路、在线监测系统和控制系统组成。
其中，主电流回路、固态开关支路、能量耗散支路并联之后，通过出线端A1和A2引出；
所述主电流回路中：高速机械开关HSS与液态金属单元串联，高速机械开关左端端口、液态金属单元右端口分别与断路器出线端A1、A2直接相连；
所述固态开关支路中：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。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串联构成固态开关支路，固态开关支路两端并联在主回路两端；
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。
本发明实施例中，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、流经所述固态开关支路的电流、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、所述液态金属单元两端的电压；其中，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和固态开关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和固态开关支路的功率半导体器件动作。
本发明实施例中，所述在线监测系统包括：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、用于测量固态开关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，用于测量液态金属单元两端电压状态的电压传感器Vs，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。
本发明实施例中，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计算模块和通信模块。
本发明实施例中，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。
本发明实施例中，所述断路器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。
本发明实施例中，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。
本发明实施例提供一种新型的混合式断路器，通过控制高速机械开关HSS动作，液态金属单元在短路电流磁场的作用下燃弧，然后根据回路电流大小按照特定时序触发固态开关支路的全控型功率半导体器件导通，完成电流分断。
本发明实施例的混合式断路器的控制方法，包括以下步骤：
系统正常通流状态下，系统电流从所述主电流回路流过，高速机械开关与液态金属单元承受额定通流；此时固态开关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固态开关支路，电流转移至固态开关支路。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，液态金属单元在短路电流磁场作用下产生磁致伸缩效应而迅速起弧。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固态开关支路导通，主回路电流在电弧电压的作用下向固态开关支路转移。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。
请参阅图1，图1为本发明实施例中断路器本体结构示意图，包括主电流回路、固态开关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、用于测量固态开关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，用于测量液态金属单元两端电压状态的电压传感器Vs，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。
请参阅图3，图3给出了本发明实施例中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和液态金属单元后从出线端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，触发固态开关支路导通，在高速机械开关电弧电压作用下，电流迅速转移到固态开关支路，主回路熄弧，建立断口绝缘；
(4)如图3(d)所示，在电流转移到固态开关支路后，由固态开关支路直接关断电流，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；
请参阅图4，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和液态金属单元后从出线端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，液态金属单元在短路电流磁场的作用下迅速起弧。
(3)如图4(c)所示，控制系统经过一段延时后，触发固态开关支路导通，在HSS和液态金属单元电弧电压作用下，电流迅速转移到固态开关支路，主回路熄弧，建立断口绝缘；
(4)如图3(d)所示，在电流转移到固态开关支路后，由固态开关支路直接关断电流，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。
本实施例公开了一种具有电流自转移功能的混合式直流断路器，由主电流回路、固态开关支路、能量耗散支路、在线监测系统和控制系统组成，其中主电流回路，固态开关支路，能量耗散支路并联组成。正常通流状态下，系统电流从主回路流过，由高速机械开关和液态金属单元承担额定通流。关断额定电流时，触发高速机械开关和对应流向的功率半导体器件导通，高速机械开关起弧后，在电弧电压的作用下，电流转移至固态开关支路，由固态开关支路关断额定电流后，电流转移至能量耗散支路，最终完成额定电流开断。当发生短路故障时，触发高速机械开关动作，液态金属单元在短路电流磁场作用下产生磁致伸缩效应而起弧，液态金属单元电弧电压迅速提升。在HSS和液态金属单元电弧电压的作用下，电流首先转移至固态开关支路，由固态开关支路关断额定电流后，电流转移至能量耗散支路，最终完成短路电流开断。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。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (8)
1.一种具有电流自转移功能的混合式直流断路器，其特征在于，包括：并联连接的主电流回路、固态开关支路和能量耗散支路；
所述主电流回路包括串联连接的高速机械开关和液态金属单元；
所述固态开关支路包括一个固态开关组件或多个串联连接的固态开关组件，所述固态开关组件包括反向串联的两个全控型功率半导体器件，每个全控型功率半导体器件的两端均反并联有二极管，每个全控型功率半导体器件的两端均并联有第一支路，所述第一支路包括串联的电容和电阻；
所述能量耗散支路包括避雷器。
2.根据权利要求1所述的一种具有电流自转移功能的混合式直流断路器，其特征在于，还包括：
电流传感器G0，用于测量系统的电流状态；
电流传感器G1，用于测量主电流回路的电流状态；
电流传感器G2，用于测量固态开关支路的电流状态；
电流传感器G3，用于测量能量耗散支路的电流状态；
电压传感器Vhss，用于测量高速机械开关的断口电压；
电压传感器Vs，用于测量液态金属单元两端的电压状态；
位移传感器Pd，用于测量高速机械开关的运动状态；
温度传感器D4，用于测量断路器环境温度。
3.根据权利要求1所述的一种具有电流自转移功能的混合式直流断路器，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。
4.根据权利要求1所述的一种具有电流自转移功能的混合式直流断路器，其特征在于，所述全控型功率半导体器件为单向导通的全控型器件。
5.根据权利要求4所述的一种具有电流自转移功能的混合式直流断路器，其特征在于，所述单向导通的全控型器件为IGBT、IGCT、IEGT中的单个器件或多个组合成的器件。
6.根据权利要求1所述的一种具有电流自转移功能的混合式直流断路器，其特征在于，所述能量耗散支路设置的避雷器为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、可卸式避雷器中的一个或多个。
7.根据权利要求1所述的一种具有电流自转移功能的混合式直流断路器，其特征在于，所述混合式直流断路器中，通过控制高速机械开关动作，液态金属单元在短路电流磁场的作用下燃弧；根据回路电流大小按照预定时序触发固态开关支路的全控型功率半导体器件导通，完成电流分断。
8.权利要求1所述的一种具有电流自转移功能的混合式直流断路器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
系统正常通流状态下，系统电流从主电流回路流过，高速机械开关与液态金属单元承受额定通流；固态开关支路的全控型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；
关断额定电流时，高速机械开关根据接收的分闸动作指令进行动作；根据断路器电流的流向按照预定的时序触发固态开关支路，电流转移至固态开关支路；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；
发生短路故障时，高速机械开关根据接收的分闸动作指令进行动作，液态金属单元在短路电流磁场作用下产生磁致伸缩效应而起弧；根据断路器电流的流向按照预定的时序触发固态开关支路导通，主回路电流在电弧电压的作用下向固态开关支路转移；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。
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