CN115528644A - 一种自充电和限流相结合的混合式直流断路器及控制方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种自充电和限流相结合的混合式直流断路器及控制方法，混合式直流断路器中，其包括有并联连接的主通流支路、转移支路以及耗能支路，所述主通流支路包括有串联的快速机械开关S和限流电感L以及并联所述限流电感L的自充电电路，所述自充电电路包括串联的二极管D以及电容C，所述限流电感L与所述二极管D的阳极之间具有第一端点，所述限流电感L与所述电容C之间具有第二端点；所述二极管D的阴极与所述电容C之间具有第三端点。

Description

一种自充电和限流相结合的混合式直流断路器及控制方法

技术领域

本发明涉及断路器领域，特别是一种自充电和限流相结合的混合式直流断路器及其控制方法及控制方法。

背景技术

结合高速机械开关低通态损耗和功率半导体组件大电流关断能力的混合式直流断路器是目前中高压直流系统的关键设备。但混合式直流开断技术中能够实现主通流支路中电流转移至转移支路中开断的电流转移技术是混合式直流断路器可靠开断电流的核心之一，也是目前混合式直流开断技术的研究热点之一。随着直流系统的快速发展，其容量不断增大，用电负荷种类复杂多样，使得直流系统故障时电流上升率不断增大，传统的电流转移技术难以满足大容量系统故障电流的可靠开断，对传统混合式直流开断技术带来了挑战。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足或缺陷，提供了一种自充电和限流相结合的混合式直流断路器及其控制方法，其具有导通损耗低的优点，还可以实现故障电流的限制，同时利用限流电感上感应出的电压对快速机械开关的机构电容进行快速充电，有效降低成本。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

一种自充电和限流相结合的混合式直流断路器及其控制方法包括有并联连接的主通流支路、转移支路以及耗能支路，所述主通流支路包括有串联的快速机械开关S和限流电感L以及并联所述限流电感L的自充电电路，所述自充电电路包括串联的二极管D以及电容C，所述限流电感L与所述二极管D的阳极之间具有第一端点，所述限流电感L与所述电容C之间具有第二端点；所述二极管D的阴极与所述电容C之间具有第三端点。

所述的集成自充电和限流的混合式直流断路器中，所述转移支路包括串联的全控型电力电子器件A1。

所述的集成自充电和限流的混合式直流断路器中，所述全控型电力电子器件A1包括MOSFET、IGCT、IGBT、IEGT和GTO中的任意一个或者任意多个的组合。

所述的集成自充电和限流的混合式直流断路器中，所述快速机械开关是基于电磁斥力的真空高速机械开关、基于高速电机驱动的真空机械开关或基于爆炸驱动的真空高速机械开关。

所述的集成自充电和限流的混合式直流断路器中，所述电容C包括薄膜电容、有机介质电容、无机介质电容、电解电容、电热电容和空气介质电容中的任意一个或者多个的组合；所述电感L包括绕线电感、多层片状电感和薄膜电感中的任意一个或者多个的组合；二极管D为不可控的单向导通功率半导体器件或其组合。

所述的集成自充电和限流的混合式直流断路器中，二极管D包括电力二极管、肖特基二极管中的任意一个或者任意多个的组合。

所述的集成自充电和限流的混合式直流断路器中，耗能支路包括能量吸收模块A2，其包括金属氧化物压敏电阻。

根据所述的集成自充电和限流的混合式直流断路器的控制方法包括如下步骤，

步骤1：当电流上升时，所述限流电感L两端出现感应电压，部分电流通过所述二极管D向所述电容C充电，同时所述电感L上感应出的电压起到限流作用；

步骤2：当所述电容C完成充电后，利用所述电容C控制所述快速机械开关S分闸，所述快速机械开关中触头开始燃弧；

步骤3：间隔Δt1时间后，所述快速机械开关S中的触头分闸至开距以耐受暂态恢复电压，控制所述转移支路中的所述全控型电力电子器件导通，此时电流从所述主通流支路向所述转移支路转移，电流继续上升；

步骤4：间隔Δt2时间后，电流完全转移至所述转移支路，此时控制所述转移支路中的所述全控型电力电子器件关断，电流开始减小，电压开始建立；

步骤5：间隔Δt3时间后，电压上升至所述耗能支路动作电压，所述耗能支路导通，电流开始向耗能支路转移，之后电流减小至零，完成电流关断器中，所述熔断器为高压限流熔断器，其额定通流能力要求大于系统的额定电流。

有益效果

本发明当断路器需要开断电流时，通过限流电感来抑制故障电流上升，同时给机构电容充电，有效提高断路器工作效率，可以降低断路器成本，提高断路器开断能力。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的集成自充电和限流的混合式直流断路器的拓扑示意图；

图2根据本发明一个实施例的集成自充电和限流的混合式直流断路器的工作结构示意图；

图3根据本发明一个实施例的集成自充电和限流的混合式直流断路器的电流标志示意图；

图4(a)至图4(d)是根据本发明一个实施例的集成自充电和限流的混合式直流断路器的分断电流时断路器各支路电流流向图；

图5是根据本发明一个实施例的集成自充电和限流的混合式直流断路器的分断电流时全控型电力电子器件支路中电流变化曲线图；

图6是根据本发明一个实施例的集成自充电和限流的混合式直流断路器的拓扑示意图；

图7是根据本发明一个实施例的集成自充电和限流的混合式直流断路器的拓扑示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至图7更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

如图1、图2所示，一种自充电和限流相结合的混合式直流断路器及其控制方法包括有并联连接的主通流支路、转移支路以及耗能支路，所述主通流支路包括有串联的快速机械开关S和限流电感L以及并联所述限流电感L的自充电电路，所述自充电电路包括串联的二极管D以及电容C，所述限流电感L与所述二极管D的阳极之间具有第一端点，所述限流电感L与所述电容C之间具有第二端点；所述二极管D的阴极与所述电容C之间具有第三端点。

所述的集成自充电和限流的混合式直流断路器的优选实施例中，所述转移支路包括串联的全控型电力电子器件A1。

所述的集成自充电和限流的混合式直流断路器的优选实施例中，所述全控型电力电子器件A1包括MOSFET、IGCT、IGBT、IEGT和GTO中的任意一个或者任意多个的组合。

所述的集成自充电和限流的混合式直流断路器的优选实施例中，所述快速机械开关是基于电磁斥力的真空高速机械开关、基于高速电机驱动的真空机械开关或基于爆炸驱动的真空高速机械开关。

所述的集成自充电和限流的混合式直流断路器的优选实施例中，所述电容C包括薄膜电容、有机介质电容、无机介质电容、电解电容、电热电容和空气介质电容中的任意一个或者多个的组合；所述电感L包括绕线电感、多层片状电感和薄膜电感中的任意一个或者多个的组合；二极管D为不可控的单向导通功率半导体器件或其组合。

所述的集成自充电和限流的混合式直流断路器的优选实施例中，二极管D包括电力二极管、肖特基二极管中的任意一个或者任意多个的组合。

所述的集成自充电和限流的混合式直流断路器的优选实施例中，耗能支路包括能量吸收模块A2，其包括金属氧化物压敏电阻。

在一个实施例中，混合式直流断路器包括主通流支路、转移支路以及耗能支路，主通流支路、转移支路以及耗能支路并联。所述主通流支路由高速机械开关S和限流电感L串联组成。所述限流电感L与所述自充电支路并联。所述自充电支路包括有二极管D以及电容C。

优选的，所述自充电支路的连接关系为：所述限流电感L与所述二极管D阳极之间具有第一端点，所述限流电感L与所述电容C之间具有第二端点；所述二极管D阴极与所述电容C之间具有第三端点。

优选地，所述电容C包括但不限于薄膜电容、有机介质电容、无机介质电容、电热电容和空气介质电容中的任意一个或者多个的组合；所述电感L包括但不限于绕线电感、多层片状电感和薄膜电感中的任意一个或者多个的组合；所述二极管D为不可控的单向导通功率半导体器件或其组合，包括但不限于电力二极管、肖特基二极管中的任意一个或者任意多个的组合；所述全控型电力电子器件A1可以为具有电流关断能力的全控型电力电子器件，包括但不限于MOSFET、IGCT、IGBT、IEGT和GTO中的任意一个或者任意多个的组合。

根据集成自充电和限流的混合式直流断路器的控制方法包括如下步骤，

步骤1：当电流上升时，所述限流电感L两端出现感应电压，部分电流通过所述二极管D向所述电容C充电，同时所述电感L上感应出的电压起到限流作用；

步骤2：当所述电容C完成充电后，利用所述电容C控制所述快速机械开关S分闸，所述快速机械开关中触头开始燃弧；

步骤3：间隔Δt1时间后，所述快速机械开关S中的触头分闸至开距以耐受暂态恢复电压，控制所述转移支路中的所述全控型电力电子器件导通，此时电流从所述主通流支路向所述转移支路转移，电流继续上升；

步骤4：间隔Δt2时间后，电流完全转移至所述转移支路，此时控制所述转移支路中的所述全控型电力电子器件关断，电流开始减小，电压开始建立；

步骤5：间隔Δt3时间后，电压上升至所述耗能支路动作电压，所述耗能支路导通，电流开始向耗能支路转移，之后电流减小至零，完成电流关断。

在一个实施例中，图3同时示出了分断电流时断路器电流标志，其中i0为总电流，i1为流经主通流支路的电流，i2为流经转移支路的电流，i3为流经耗能支路的电流。

图4(a)至图4(d)示出了分断电流时混合式直流断路器中电流方向，具体的为对应从t0到t3各阶段的各支路电流方向。图5示出了分断电流时转移支路的电流变化曲线。

其具体的操作步骤包括以下几个方面：

t0时刻，当电流开始上升时，限流电感感应出电压，电流分流通过二极管向电容充电；

t1至t2，当电容充完电后，控制高速机械开关分闸，其触头在电容驱动下分离，触头开始燃弧；高速机械开关的触头分离至额定开距，足够耐受暂态恢复电压，此时控制转移支路中的全控型电力电子器件导通，在弧压的作用下，电流开始向转移支路换流；

t3至t4，回路电流完全换流至转移支路，高速机械开关中触头熄弧并恢复耐压，此时控制转移支路中全控型电力电子器件关断，电流开始下降，电压开始上升，当达到耗能支路的动作电压时导通，电流流至耗能支路；

t5时刻，电流过零，系统能量通过耗能支路完成清除，电流由混合式直流断路器完成关断。

所述全控型电力电子器件可以为具有电流关断能力的全控型电力电子器件，包括但不限于MOSFET、IGCT、IGBT、IEGT和GTO中的任意一个或者任意多个的组合。

图6、图7示出了使用具体器件IGBT、IEGT、IGCT器件作为功率半导体器件作为全控型电力电子器件的具体实施例。

在一个实施例中，所述转移支路包括多个串联的IGCT。

除图中所示的情形外，本发明不要求组件中的电路完全的对称。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (8)

1.一种自充电和限流相结合的混合式直流断路器及控制方法，其特征在于：其包括有并联连接的主通流支路、转移支路以及耗能支路，所述主通流支路包括有串联的快速机械开关S和限流电感L以及并联所述限流电感L的自充电电路，所述自充电电路包括串联的二极管D以及电容C，所述限流电感L与所述二极管D的阳极之间具有第一端点，所述限流电感L与所述电容C之间具有第二端点；所述二极管D的阴极与所述电容C之间具有第三端点。

2.根据权利要求1所述的集成自充电和限流的混合式直流断路器，其特征在于：优选的，所述转移支路包括串联的全控型电力电子器件A1。

3.根据权利要求2所述的集成自充电和限流的混合式直流断路器，其特征在于：所述全控型电力电子器件A1包括MOSFET、IGCT、IGBT、IEGT和GTO中的任意一个或者任意多个的组合。

4.根据权利要求1所述的集成自充电和限流的混合式直流断路器，其特征在于：所述快速机械开关是基于电磁斥力的真空高速机械开关、基于高速电机驱动的真空机械开关或基于爆炸驱动的真空高速机械开关。

5.根据权利要求1所述的集成自充电和限流的混合式直流断路器，其特征在于：所述电容C包括薄膜电容、有机介质电容、无机介质电容、电解电容、电热电容和空气介质电容中的任意一个或者多个的组合；所述电感L包括绕线电感、多层片状电感和薄膜电感中的任意一个或者多个的组合；二极管D为不可控的单向导通功率半导体器件或其组合。

6.根据权利要求1所述的集成自充电和限流的混合式直流断路器，其特征在于：二极管D包括电力二极管、肖特基二极管中的任意一个或者任意多个的组合。

7.根据权利要求1所述的集成自充电和限流的混合式直流断路器，其特征在于：耗能支路包括能量吸收模块A2，其包括金属氧化物压敏电阻。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的集成自充电和限流的混合式直流断路器的控制方法，其特征在于，其包括如下步骤，

步骤1：当电流上升时，所述限流电感L两端出现感应电压，部分电流通过所述二极管D向所述电容C充电，同时所述电感L上感应出的电压起到限流作用；

步骤2：当所述电容C完成充电后，利用所述电容C控制所述快速机械开关S分闸，所述快速机械开关中触头开始燃弧；

步骤3：间隔Δt1时间后，所述快速机械开关S中的触头分闸至开距以耐受暂态恢复电压，控制所述转移支路中的所述全控型电力电子器件导通，此时电流从所述主通流支路向所述转移支路转移，电流继续上升；

步骤4：间隔Δt2时间后，电流完全转移至所述转移支路，此时控制所述转移支路中的所述全控型电力电子器件关断，电流开始减小，电压开始建立；

步骤5：间隔Δt3时间后，电压上升至所述耗能支路动作电压，所述耗能支路导通，电流开始向耗能支路转移，之后电流减小至零，完成电流关断。

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