CN116013716A - 一种断路器及断路器的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于断路器技术领域，具体涉及一种断路器及断路器的控制方法，该断路器包括并联设置的通流支路和开断支路；所述通流支路上串联设置有第二机械开关；所述开断支路上串联设置有均压装置、第一机械开关、电力电子模块和耦合负压电路；所述电力电子模块包括至少一个电力电子子模块；所述均压装置包括耗能元件，用于消耗该断路器开断过程中的断口恢复电压；耦合负压电路用于在第二机械开关断开后将电流由通流支路转移到开断支路中。由此，本发明解决了现有技术中高压领域断路器中采用很多的电力电子器件导致成本极高的问题。

Description

一种断路器及断路器的控制方法

技术领域

本发明属于断路器技术领域，具体涉及一种断路器及断路器的控制方法。

背景技术

随着大功率电力电子器件的出现，近年来固态开关(Solid State Switch，SSS，也称无触点开关)技术得到较大的发展，并在一定场合得到不同程度的应用。固态开关作为一种新型开关与目前普遍应用的机械开关有着本质的区别。两者最大的区别在于是否有断口或者触点：机械开关存在动静触头，器件存在物理间隙，分段时存在明显的断口；固态开关彻底摒弃了机械特性，不存在机械操作机构和触头，完全基于半导体属性，无触点、无断口、无噪声。

固态开关具有无触点、无弧、通断速度极快(导通时间≤1ms，除了晶闸管自然关断最长10ms意外，其他全控型器件关断时间≤1ms)、寿命长、连续分合频率高等优点，但同样存在通流损耗大、过载能力差、分断后重合闸能力差等缺点。

固态开关和机械开关的优劣互补，所以目前高压固态开关多采用混合式的结构，即：采用机械开关作为常规通流支路以降低通流损耗，采用电力电子器件的串并联电路作为开断支路开断电流，采用避雷器作为开断电流后的能量吸收支路。但是应用于高压领域时，由于需要承受数倍于系统额定电压的雷电和操作耐受电压，开断支路需要更多的电力电子器件串联使用；同时由于通流支路机械开关开断时的弧压远低于开断支路电力电子器件的导通压降，在开断过程中电流无法通过自然换流的方式完成从通流支路到开断支路的电流转换，需要增加强制换流电路，导致电力电子断路器控制难度和成本极高，难以大规模应用。

总之，目前高压领域中的高压交直流断路器中由于更多的使用电力电子器件，导致成本极高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种断路器及断路器的控制方法，用以解决现有技术中高压领域断路器中采用很多的电力电子器件导致成本极高的问题。

为解决上述技术问题，本发明所提供的技术方案以及技术方案对应的有益效果如下：

本发明的一种断路器，该断路器包括并联设置的通流支路和开断支路；所述通流支路上串联设置有第二机械开关；

所述开断支路上串联设置有均压装置、第一机械开关、电力电子模块和耦合负压电路；所述电力电子模块包括至少一个电力电子子模块；所述均压装置包括耗能元件，用于消耗该断路器开断过程中的断口恢复电压；耦合负压电路用于在第二机械开关断开后将电流由通流支路转移到开断支路中。

上述技术方案的有益效果为：本发明断路器通过第一机械开关、均压装置和电力电子模块的串联，实现在断路器开断过程中，由均压装置承担断口恢复电压，由电力电子模块钳制模块电压，由第一机械开关作为开关的绝缘断口，在依靠电力电子模块快速开断电流的同时，减少了电力电子模块的使用量，从而降低高速开断断路器的成本。在正常工作时，第二机械开关闭合，通流支路导通，又可以节约能耗。

进一步地，为了快速实现转换电流，耦合负压电路包括变压器、原边电容器和放电开关，变压器的原边与原边电容、放电开关串联连接，变压器副边串联设置在开断支路上。

进一步地，所述电力电子子模块包括并联设置的第一电力支路、第二电力支路、和第三电力支路，所述第一电力支路上串联设置有电力电子器件，所述第二电力支路上串联设置有RC吸收电路，所述第三电力支路上串联设置有子模块保护避雷器。

进一步地，所述耗能元件为大电阻或避雷器；大电阻取值范围或避雷器的额定残压值依据开断的电流大小、电力电子模块电压耐受值和断口恢复电压峰值的大而确定。

进一步地，若所述电力电子模块包括大于1个电力电子子模块，则各电力电子子模块之间并联设置。

为了解决上述问题，本发明还提供一种断路器的控制方法，包括以下步骤：

正常通流时，控制第二机械开关闭合、第一机械开关闭合和电力电子模块闭合，以使电流通过通流支路；

当断路器接收到系统保护的分闸命令时，控制第二机械开关分闸开始拉弧；

当第二机械开关断口具备绝缘耐受能力时，则控制耦合负压电路工作产生耦合负压，以使开断支路中压降低于通流支路压降；

当第二机械开关断口熄弧，断口恢复电压开始施加在开断支路上，第一机械开关启动分闸；

当第一机械开关具备动态绝缘能力，控制电力电子模块断开；

在断路器中恢复电压施加在均压装置和电力电子子模块上时，均压装置承担恢复电压并消耗开断过程中产生的能量；当开断支路中电力电子子模块上分得的恢复电压超过电力电子子模块的保护动作电压时，电力电子子模块执行保护动作；均压装置完成能量消耗，断路器完成电流开断。

进一步地，耦合负压电路采用以下方法控制：控制原边电容预充电；控制放电开关闭合对变压器原边进行放电，以在变压器副边感应出一个耦合负压。

附图说明

图1是本发明的断路器拓扑结构示意图；

图2是本发明的断路器开断控制时序图。

具体实施方式

本发明用以解决高压领域中高压交直流断路器成本高的问题，提供一种断路器及断路器的控制方法，该断路器包括开断支路，一个快速机械开关断口、一组电力电子子模块的并联组合电路、均压装置以及强制换流的耦合负压电路。开断过程中，首先通过耦合负压电路将通流支路的电流强制换流到开断支路，随后采用电力电子模块组合开断电流并依靠电力电子模块中的避雷器钳制模块电压，保护电力电子器件，后快速机械开关分闸，最后由均压装置进行开断能量的消耗，并承受大部分的断口恢复电压，从而实现减少电力电子器件使用量的目的，同时采用快速机械开关和电力电子子模块，可以降低断路器的开断时间，在半个周波时间完成电流开断。为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

断路器实施例：

本发明的一种断路器实施例，该断路器适用于高压交直流领域的高速开断断路器，如图1所示，该断路器包括并联的通流支路A和开断支路B，通流支路A由快速机械开关S1(第二机械开关)组成，快速机械开关具备拉弧能力。开断支路由均压装置R1、快速机械开关S2(第一机械开关)、电力电子模块以及耦合负压电路L组成。本实施例中通过并联电力电子模块的方法，增大开断电流的能力，电力电子模块包括并联设置的两个电力电子子模块SM，其他实施例中根据需要开断的电流大小，设置电力电子器件中的二极管桥模块并联数量。电力电子子模块包括并联设置的第一电力支路、第二电力支路、和第三电力支路，第一电力支路上串联设置有电力电子器件，第二电力支路上串联设置有RC吸收电路(包括：电阻R2和电容C)，第三电力支路上串联设置有子模块保护避雷器。耦合负压电路由变压器、原边电容器、放电开关组成，其中，变压器的原边与原边电容、放电开关串联连接，变压器的副边串联连接在开断支路上；工作时，原边电容预充电，通过放电开关对变压器原边进行放电，在变压器副边感应出一个耦合电压(耦合负压)，抵消开断支路中的压降，使得开断支路压降低于通流支路快速机械开关S1(第二机械开关)的弧压，将电流由通流支路转移到开断支路中；均压装置由大电阻或避雷器构成，主要用于开断过程中的承压，大电阻取值范围或避雷器的额定残压值应满足在断路器开关最大电流时，产生的断口恢复电压(TRV)峰值后，施加在电力电子模块上的最大电压不超过电力电子模块的设计电压耐受值，需要根据开断的电流大小、电力电子模块电压耐受值、断口恢复电压峰值的大小进行计算，并通过仿真验证。本发明中的混合式高速开断断路器由电力电子子模块完成电流开断，电流开断后，在断口恢复电压建立的过程中，由均压装置承担断口恢复电压并消耗开断过程中产生的能量，可以减少电力电子器件的使用量，降低断路器的成本。

如图2所示，为本发明的断路器的动作时序图，该断路器的控制方法包括如下：

正常通流时，快速机械开关S1闭合通流，降低通流损耗，快速机械开关S2和电力电子模块均闭合。当t0时刻系统发生故障，系统保护开始检测故障，t1时刻该断路器接收到系统保护的分闸命令，控制快速机械开关S1分闸开始拉弧；在t2时刻，S1具备绝缘耐受能力时，此时开断支路中的快速机械开关S2与SM电路均处于合闸状态，控制耦合负压电路L动作，在开断支路上形成耦合负压，使得开断支路的压降低于快速机械开关S1开断过程中产生的弧压，流过快速机械开关S1的电流强制换流到开断支路上；在t3时刻，完成开断电流的转移，S1熄弧，电流完全转移到开断支路上，控制快速机械开关S2启动分闸；在t4时刻快速机械开关S2具备动态绝缘能力，控制电力电子模块SM断开；t5时刻完成电流开断，断口恢复电压开始施加在断路器上，具体地，断口恢复电压施加在断路器输入和输出两端，即断口恢复电压开始施加在通流支路A和开断支路B上。此过程中当电力电子子模块SM上分得的恢复电压超过保护避雷器MOV动作电压时，避雷器MOV动作，限制施加在电力电子子模块上的恢复电压，保护电力电子器件，其余电压施加在均压装置上，均压装置承受大部分恢复电压并消耗开断过程中产生的能量；t6时刻，均压装置完成能量消耗，断路器完成电流开断。

本发明断路器应用于高压交直流输电电路的保护中，通过快速机械开关、均压装置和电力电子子模块的串联，实现在断路器开断过程中，由均压装置承担断口恢复电压，由电力电子模块的并联避雷器钳制模块电压，电力电子子模块仅完成电流开断，由机械开关作为开关的绝缘断口，在依靠电力电子器件快速开断电流的同时，减少了电力电子器件的使用量，从而降低高速开断断路器的成本。由此，本发明可以很短的时间内完成故障电流的开断，且大大降低了电力电子器件的使用量，提高了经济性，同时可以降低开断过程中机械触头的烧蚀。

一种断路器的控制方法实施例：

本发明的一种断路器的控制方法实施例，包括以下步骤：正常通流时，控制第二机械开关闭合、第一机械开关闭合和电力电子模块闭合，以使电流通过通流支路；

当断路器接收到系统保护的分闸命令时，控制第二机械开关分闸开始拉弧；

当第二机械开关断口具备绝缘耐受能力时，则控制耦合负压电路工作产生耦合负压，以使开断支路中压降低于通流支路压降；

当第二机械开关断口熄弧，断口恢复电压开始施加在开断支路上，第一机械开关启动分闸；

当第一机械开关具备动态绝缘能力，控制电力电子模块SM断开；

在断路器中恢复电压施加在均压装置和电力电子子模块上时，均压装置承担恢复电压并消耗开断过程中产生的能量；当开断支路中电力电子子模块上分得的恢复电压超过电力电子子模块的保护动作电压时，电力电子子模块执行保护动作；均压装置完成能量消耗，断路器完成电流开断。本方法与断路器实施例中的断路器的控制方法一致，实现相同的效果，故此处不再赘述。

Claims (7)

1.一种断路器，其特征在于：该断路器包括并联设置的通流支路和开断支路；所述通流支路上串联设置有第二机械开关；

所述开断支路上串联设置有均压装置、第一机械开关、电力电子模块和耦合负压电路；所述电力电子模块包括至少一个电力电子子模块；所述均压装置包括耗能元件，用于消耗该断路器开断过程中的断口恢复电压；耦合负压电路用于在第二机械开关断开后将电流由通流支路转移到开断支路中。

2.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于：耦合负压电路包括变压器、原边电容器和放电开关，变压器的原边与原边电容、放电开关串联连接，变压器副边串联设置在开断支路上。

3.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于：所述电力电子子模块包括并联设置的第一电力支路、第二电力支路、和第三电力支路，所述第一电力支路上串联设置有电力电子器件，所述第二电力支路上串联设置有RC吸收电路，所述第三电力支路上串联设置有子模块保护避雷器。

4.根据权利要求1至3任一项所述的断路器，其特征在于：所述耗能元件为大电阻或避雷器；大电阻取值范围或避雷器的额定残压值依据开断的电流大小、电力电子模块电压耐受值和断口恢复电压峰值的大而确定。

5.根据权利要求1至3任一项所述的断路器，其特征在于：若所述电力电子模块包括大于1个电力电子子模块，则各电力电子子模块之间并联设置。

6.一种用于权利要求1所述的断路器的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

正常通流时，控制第二机械开关闭合、第一机械开关闭合和电力电子模块闭合，以使电流通过通流支路；

当断路器接收到系统保护的分闸命令时，控制第二机械开关分闸开始拉弧；

当第二机械开关断口具备绝缘耐受能力时，则控制耦合负压电路工作产生耦合负压，以使开断支路中压降低于通流支路压降；

当第二机械开关断口熄弧，断口恢复电压开始施加在开断支路上，第一机械开关启动分闸；

当第一机械开关具备动态绝缘能力，控制电力电子模块断开；

在断路器中恢复电压施加在均压装置和电力电子子模块上时，均压装置承担恢复电压并消耗开断过程中产生的能量；当开断支路中电力电子子模块上分得的恢复电压超过电力电子子模块的保护动作电压时，电力电子子模块执行保护动作；均压装置完成能量消耗，断路器完成电流开断。

7.根据权利要求6所述的断路器的控制方法，其特征在于：耦合负压电路采用以下方法控制：控制原边电容预充电；控制放电开关闭合对变压器原边进行放电，以在变压器副边感应出一个耦合负压。

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