CN114759532A - 一种自充电开断的直流断路器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自充电开断的直流断路器及其控制方法，包括主电流回路、电流转移支路和能量吸收支路；所述主电流回路包括串联的第一开关S1和第二开关S2，所述电流转移支路包括第一电容C1和第二电容C2、电感L和晶闸管Tr，所述能量吸收支路包括并联于所述第二开关S2两端的避雷器；主电流回路通过出线端A1和A2引出，本发明通过设计新型回路拓扑，利用电弧电压给电容充电，触发晶闸管后实现电流转移，使用两种容值的电容针对大小两种电流完成开断，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。

Description

一种自充电开断的直流断路器及其控制方法

技术领域

本发明属于直流断路器技术领域，具体涉及一种自充电开断的直流断路器及其控制方法。

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。

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自充电开断的直流断路器及其控制方法，通过设计新型回路拓扑，利用电弧电压给电容充电，触发晶闸管后实现电流转移，使用两种容值的电容针对大小两种电流完成开断，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。可同时兼顾短路电流与小电流两种情况，同时不使用全控型电力电子器件的新型直流断路器，小电流采用容值较小的电容转移电流，大电流用双电容并联方法完成电流转移和开断，缩短短路故障排除时间，提高系统的稳定性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是，一种自充电开断的直流断路器，包括主电流回路、电流转移支路和能量吸收支路；所述主电流回路包括串联的第一开关S1和第二开关S2，所述电流转移支路包括第一电容C1和第二电容C2、电感L和晶闸管Tr，所述能量吸收支路包括并联于所述第二开关S2两端的避雷器；主电流回路通过出线端A1和A2引出，其中；

断路器出线端A1、第一开关S1、第二开关S2和断路器出线端A2依次串联；

所述电流转移支路中：电感L与晶闸管Tr串联连接；第一电容C1并联在第一开关S1两端，且第一开关S1与第一电容C1之间连接有二极管D；第二电容C2串联第三开关S3构成的支路与第一电容C1并联，第二电容C2串联第三开关S3构成的支路与电感L串联；二极管D阳极连接出线端子A1，晶闸管Tr阴极连接出线端子A2。

进一步的，所述第一开关S1为空气开关或者SF6开关，所述第二开关S2为真空开关，所述第三开关S3为空气开关。

进一步的，还包括用于向开关提供分闸控制指令的控制系统。

所述控制系统包括：人机交互模块、电流滤波处理模块、主回路电流di/dt计算模块和通信模块；其中，人机交互模块用来接收用户指令并反馈电参数信息；电流滤波处理模块用来处理电流检测信号并反馈数据给通信模块；主回路电流di/dt计算模块用来计算主回路电流变化率，并反馈数据给通信模块；通信模块用来接收处理检测到的电流信号和电流变化率信号，并发出控制命令。

进一步的，所述第一电容C1的容值小于第二电容C2，且第一电容C1和第二电容C2的耐压值大于能量吸收支路中避雷器的导通电压。

进一步的，所述避雷器为金属氧化物避雷器、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或可卸式避雷器。

进一步的，所述二极管D上反并联有一二极管；

第二电容C2串联第三开关S3构成的支路与电感L之间串联有二极管D1，且电感L连接二极管D1的阴极，晶闸管Tr阴极与出线端子A2之间串联有二极管D2，且晶闸管Tr阴极与二极管D2的阳极连接；

出线端子A2与电感L之间串联有二极管D3，所述出线端子A2连接二极管D3的阳极，且二极管D3的阴极与二极管D1的阴极对接；第二电容C2串联第三开关S3构成的支路与晶闸管Tr之间串联有二极管D4，且晶闸管Tr阴极连接二极管D4的阳极。

作为本发明的另一目的，本发明还公开了一种自充电开断的直流断路器的控制方法，当需要开断系统额定电流或者额定电流以下的电流时，第三开关S3处于断开状态；控制系统对第一开关S1、第二开关S2发出分闸指令，两者收到分闸动作指令开始动作，开关的触头拉开后，触头之间开始燃弧；由于第一开关S1两端电弧电压作用，第一电容C1被充电，电压逐渐上升至触发导通晶闸管Tr，放电通路形成，第一电容C1开始放电，第二开关S2电流过零熄弧；第一电容C1在此过程中被反向充电，当反向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，实现开断。

作为本发明的另一目的，本发明还公开了一种自充电开断的直流断路器的控制方法，当系统发生短路故障时，系统短路电流等级高，第三开关S3处于导通状态，控制系统对第一开关S1、第二开关S2发出分闸指令，两者收到分闸动作指令开始动作，开关的触头拉开后，触头之间开始燃弧；由于第一开关S1两端电弧电压作用，第一电容C1以及第二电容C2被充电，两端电压逐渐上升，电容电压上升至一定程度后，触发导通晶闸管Tr，放电通路形成，第一电容C1和第二电容C2开始放电，第二开关S2电流过零熄弧；第一电容C1和第二电容C2在此过程中被反向充电，当反向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，实现开断。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果，本发明通过在电流转移支路中设计大小两个并联电容，利用电弧电压给电容充电，随后触发晶闸管转移电流，使用两种方式针对不同等级的电流进行开断，小电流采用容值较小的电容转移电流，大电流用双电容并联方法完成电流转移和开断，缩短短路故障排除时间，提高系统的稳定性；本发明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。

进一步的，本发明采用桥式结构连接电感以及晶闸管，可实现双向电流均转移开断，减小断路器的体积，扩展了使用场景。

进一步的，本发明具有适应多种断路器复杂工况的功能，同时不使用全控型电力电子器件的新型直流断路器，结构简单，通态损耗小，全电流开断速度快。

附图说明

图1是断路器电路结构示意图；

图2是本发明断路器开断额定电流或小电流工作原理图；其中，图2(a)为正常通流状态示意图，图2(b)为触发开关分闸状态示意图，图2(c)为电容放电转移电流状态示意图，图2(d)为避雷器导通状态示意图。

图3是本发明断路器开断短路电流工作原理图；图3(a)为正常通流状态示意图，图3(b)为触发开关分闸状态示意图，图3(c)为电容放电转移电流状态示意图，图3(d)为避雷器导通状态示意图。

图4是本发明断路器的双向开断拓扑结构的推演。

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。

如图1所示，一种自充电开断的直流断路器，包括主电流回路、电流转移支路和能量吸收支路；所述主电流回路包括串联的第一开关S1和第二开关S2，所述电流转移支路包括第一电容C1和第二电容C2、电感L和晶闸管Tr，其中，第一电容C1的容值小于第二电容C2，且第一电容C1和第二电容C2的耐压值均大于能量吸收支路中避雷器的导通电压。所述能量吸收支路包括并联于所述第二开关S2两端的避雷器；主电流回路通过出线端A1和A2引出，其中；

断路器出线端A1、第一开关S1、第二开关S2和断路器出线端A2依次串联；

所述电流转移支路中：电感L与晶闸管Tr串联连接；第一电容C1并联在第一开关S1两端，且第一开关S1与第一电容C1之间连接有二极管D；第二电容C2串联第三开关S3构成的支路与第一电容C1并联，第二电容C2串联第三开关S3构成的支路与电感L串联；二极管D阳极连接出线端子A1，晶闸管Tr阴极连接出线端子A2。

在本发明的某一具体实施例中，第二电容C2的容值根据开断电流等级来选择，通常在几百微法，第一电容C1的容值选择在几十微法。

在本发明的具体实施例中，第一开关S1为空气开关或者SF6开关，所述第二开关S2为真空开关，所述第三开关S3为空气开关。

在本发明的某一实施例中，还包括用于向开关提供分闸控制指令的控制系统。

在本发明某一实施例中，所述避雷器为金属氧化物避雷器、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或可卸式避雷器。

如图2所示，本发明的断路器在系统额定通流工况或小电流工况下的开断过程，具体如下：

(1)、如图2(a)所示正常通流状态下，系统电流从所述主电流回路流过，方向为断路器出线端A1到断路器出线端A2，系统电流流经第一开关S1和第二开关S2，系统的通态损耗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，避雷器不导通。

(2)、如图2(b)所示，当需要开断时，第三开关S3处于断开状态；控制系统对第一开关S1、第二开关S2发出分闸指令，两者收到分闸动作指令开始动作，开关的触头拉开后，触头之间开始燃弧；由于第一开关S1两端电弧电压作用，第一电容C1被充电，电容电压升高，极性为左正右负；

(3)、如图2(c)所示，第一电容C1的电压逐渐上升至触发导通晶闸管Tr，放电通路形成，第一电容C1开始放电，第二开关S2电流过零熄弧，第一电容C1在此过程中被反向充电；

触发晶闸管，电容C1开始放电转移电流，真空开关S2处电流过零熄弧；

(4)、如图2(d)所示，在转移电流过程中，电容C1被反向充电，极性为左负右正，当第一电容C1的反向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，完成小电流的开断。

如图3所示，本发明的断路器在系统短路工况下电流转移的过程。

(1)、如图3(a)所示正常通流状态下，系统电流从所述主电流回路流过，方向为断路器出线端A1到断路器出线端A2，系统电流流经第一开关S1和第二开关S2，系统的通态损耗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，避雷器不导通；

(2)、如图3(b)所示，当系统发生短路故障时，系统短路电流等级高，主电流回路的电流迅速上升，第三开关S3处于导通状态，此时触发第一开关S1、第二开关S2分闸，开关的触头拉开后，触头之间开始燃弧；由于第一开关S1两端电弧电压作用，第一电容C1以及第二电容C2被充电，两端电压逐渐上升，极性为左正右负；

(3)、如图3(c)所示，当第一电容C1以及第二电容C2的电容电压上升至一定程度后，触发导通晶闸管Tr，放电通路形成，第一电容C1和第二电容C2开始放电，第二开关S2电流过零熄弧；

(4)、如图3(d)所示，在转移电流过程中，第一电容C1和第二电容C2被反向充电，极性为左负右正，当反向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，完成大电流短路故障的开断。

如图4所示，二极管D上反并联有一二极管；第二电容C2串联第三开关S3构成的支路与电感L之间串联有二极管D1，且电感L连接二极管D1的阴极，晶闸管Tr阴极与出线端子A2之间串联有二极管D2，且晶闸管Tr阴极与二极管D2的阳极连接；出线端子A2与电感L之间串联有二极管D3，所述出线端子A2连接二极管D3的阳极，且二极管D3的阴极与二极管D1的阴极对接；第二电容C2串联第三开关S3构成的支路与晶闸管Tr之间串联有二极管D4，且晶闸管Tr阴极连接二极管D4的阳极。图4中结构为基于本发明开断原理的双向断路器结构，在二极管D处反并联另一二极管，开断双向电流时，电容均可在电弧电压作用下实现充电。采用桥式结构连接电感以及晶闸管，两种方向的电流均可实现转移开断，减小断路器的体积。

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 (8)

1.一种自充电开断的直流断路器，其特征在于，包括主电流回路、电流转移支路和能量吸收支路；所述主电流回路包括串联的第一开关S1和第二开关S2，所述电流转移支路包括第一电容C1和第二电容C2、电感L和晶闸管Tr，所述能量吸收支路包括并联于所述第二开关S2两端的避雷器；主电流回路通过出线端A1和A2引出，其中；

断路器出线端A1、第一开关S1、第二开关S2和断路器出线端A2依次串联；

所述电流转移支路中：电感L与晶闸管Tr串联连接；第一电容C1并联在第一开关S1两端，且第一开关S1与第一电容C1之间连接有二极管D；第二电容C2串联第三开关S3构成的支路与第一电容C1并联，第二电容C2串联第三开关S3构成的支路与电感L串联；二极管D阳极连接出线端子A1，晶闸管Tr阴极连接出线端子A2。

2.根据权利要求1所述的自充电开断的直流断路器，其特征在于：所述第一开关S1为空气开关或者SF6开关，所述第二开关S2为真空开关，所述第三开关S3为空气开关。

3.根据权利要求1所述的自充电开断的直流断路器，其特征在于：还包括用于向开关提供分闸控制指令的控制系统。

4.根据权利要求1所述的自充电开断的直流断路器，其特征在于：所述第一电容C1的容值小于第二电容C2，且第一电容C1和第二电容C2的耐压值大于能量吸收支路中避雷器的导通电压。

5.根据权利要求1所述的自充电开断的直流断路器，其特征在于：所述避雷器为金属氧化物避雷器、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或可卸式避雷器。

6.根据权利要求1所述的自充电开断的直流断路器，其特征在于：所述二极管D上反并联有一二极管；

第二电容C2串联第三开关S3构成的支路与电感L之间串联有二极管D1，且电感L连接二极管D1的阴极，晶闸管Tr阴极与出线端子A2之间串联有二极管D2，且晶闸管Tr阴极与二极管D2的阳极连接；

出线端子A2与电感L之间串联有二极管D3，所述出线端子A2连接二极管D3的阳极，且二极管D3的阴极与二极管D1的阴极对接；第二电容C2串联第三开关S3构成的支路与晶闸管Tr之间串联有二极管D4，且晶闸管Tr阴极连接二极管D4的阳极。

7.一种自充电开断的直流断路器的控制方法，其特征在于，基于权利要求1所述的自充电开断的直流断路器，当需要开断系统额定电流或者额定电流以下的电流时，第三开关S3处于断开状态；控制系统对第一开关S1、第二开关S2发出分闸指令，两者收到分闸动作指令开始动作，开关的触头拉开后，触头之间开始燃弧；由于第一开关S1两端电弧电压作用，第一电容C1被充电，电压逐渐上升至触发导通晶闸管Tr，放电通路形成，第一电容C1开始放电，第二开关S2电流过零熄弧；第一电容C1在此过程中被反向充电，当反向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，实现开断。

8.一种自充电开断的直流断路器的控制方法，其特征在于，基于权利要求1所述的自充电开断的直流断路器，当系统发生短路故障时，系统短路电流等级高，第三开关S3处于导通状态，控制系统对第一开关S1、第二开关S2发出分闸指令，两者收到分闸动作指令开始动作，开关的触头拉开后，触头之间开始燃弧；由于第一开关S1两端电弧电压作用，第一电容C1以及第二电容C2被充电，两端电压逐渐上升，电容电压上升至一定程度后，触发导通晶闸管Tr，放电通路形成，第一电容C1和第二电容C2开始放电，第二开关S2电流过零熄弧；第一电容C1和第二电容C2在此过程中被反向充电，当反向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，实现开断。

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