CN117175496A - 直流断路器 - Google Patents

Abstract

本申请属于断路器领域，具体涉及一种直流断路器，所述直流断路器包括主流通支路、控制器和换流支路，所述主流通支路用于连接用电系统，所述控制器与所述主流通支路连接，能够在用电系统故障时控制所述主流通支路断开所述用电系统提供的系统电流，所述换流支路与所述主流通支路并联，所述换流支路与所述控制器连接，所述换流支路能够在所述控制器的控制下，在所述主流通支路断开所述系统电流时产生反向电流，所述反向电流与所述系统电流方向相反。本申请中，用电系统出现故障系统电流激增时，控制器控制换流支路产生反向电流，系统电流和反向电流会叠加使主流通支路系统电流过零点，从而完成无弧开断，延长直流断路器的寿命。

Description

直流断路器

技术领域

本申请属于断路器领域，具体涉及一种直流断路器。

背景技术

直流断路器作为牵引供电系统保护单元的主保护，是牵引供电系统总体保护的关键器件。目前，牵引供电系统通常采用的直流断路器为空气直流断路器，空气式直流断路器在关断过程中需要靠金属栅片灭弧并靠金属氧化物避雷器(即：MOV)吸能，其燃弧时间较长，对灭弧室的影响比较大，且金属氧化物避雷器多次承受过电压时易损坏，降低了直流断路器的可靠性，缩短了直流断路器的使用寿命。

发明内容

本申请的目的在于提供一种直流断路器，以提高直流断路器的快速分断能力、提高直流断路器的可靠性，延长直流断路器的使用寿命。

为了达到上述目的，本申请提供了一种直流断路器，包括：

主流通支路，用于连接用电系统；

控制器，与所述主流通支路连接，能够在用电系统故障时控制所述主流通支路断开所述用电系统提供的系统电流；

换流支路，与所述主流通支路并联，所述换流支路与所述控制器连接，所述换流支路能够在所述控制器的控制下，在所述主流通支路断开所述系统电流时产生反向电流，所述反向电流与所述系统电流方向相反。

可选的，所述直流断路器还包括耗能支路，所述耗能支路与所述换流支路并联，所述耗能支路能够在所述控制器的控制下消耗所述换流支路的能量。

可选的，所述换流支路包括串联的电感、晶闸管单元和电容，所述晶闸管单元具有第一状态和第二状态，在所述第一状态，所述电容放电产生所述反向电流通过所述晶闸管单元，在所述第二状态，所述系统电流通过所述晶闸管单元；

所述耗能支路与所述电容并联。

可选的，所述晶闸管单元包括反向并联的第一晶闸管和第二晶闸管，在所述第一状态，所述第一晶闸管导通且所述第二晶闸管断开，在所述第二状态，所述第二晶闸管导通且所述第一晶闸管断开。

可选的，所述耗能支路包括串联的耗能电阻和控制开关。

可选的，所述控制开关包括集成门极换流晶闸管。

可选的，所述直流断路器还包括比较支路，所述比较支路与所述电容并联，所述比较支路用于检测所述电容两端的电压，所述比较支路和所述控制开关均与所述控制器连接；

当所述比较支路检测到所述电容两端电压大于第一预设值时，所述控制器控制所述控制开关导通；

当所述比较支路检测到所述电容两端电压小于第二预设值时，所述控制器控制所述控制开关断开，所述第二预设值小于所述第一预设值。

可选的，所述主流通支路包括真空开关，所述控制器与所述真空开关连接。

可选的，所述直流断路器还包括测试支路，所述测试支路与所述主流通支路并联，所述测试支路与所述控制器连接，所述测试支路能够检测所述用电系统的故障，所述控制器在所述测试支路检测到所述用电系统的故障消除后，控制所述主流通支路导通。

可选的，所述测试支路包括串联的测试接触器、测试电阻和第一电流检测元件。

本申请公开的直流断路器具有以下有益效果：

本申请中，换流支路与主流通支路并联，用电系统出现故障系统电流激增时，控制器控制主流通支路断开系统电流，同时控制换流支路产生反向电流，反向电流与系统电流方向相反，系统电流和反向电流会叠加使主流通支路系统电流过零点，从而实现无弧开断，延长直流断路器的寿命，采用大功率电力半导体器件，结合电力电子过电压逻辑比较支路以及过电压控制支路，有效的实现过电压的控制。

本申请的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本申请的实践而习得。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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。

图1是本申请实施例中直流断路器各支路连接示意图；

图2是本申请实施例中直流断路器的原理结构示意图。

附图标记说明：

100、主流通支路；110、第二电流检测元件；120、真空开关；

200、换流支路；210、电感；220、晶闸管单元；221、第一晶闸管；222、第二晶闸管；230、电容；

300、控制器；

400、耗能支路；410、耗能电阻；420、控制开关；

500、测试支路；510、测试接触器；520、测试电阻；530、第一电流检测元件；

600、隔离开关；

11、正母线；12负母线。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本申请将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本申请的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本申请的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本申请的各方面。

下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详述。在此需要说明的是，下面所描述的本申请各个实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

图1是本申请实施例中直流断路器各支路连接示意图，图2是本申请实施例中直流断路器的原理结构示意图，参见图1和图2所示，直流断路器包括：主流通支路100、换流支路200和控制器300。主流通支路100用于连接用电系统，直流断路器正常工作时，用电系统的系统电流可通过主流通支路100，在用电系统故障后，控制器300可控制主流通支路100断开用电系统的系统电流。换流支路200与主流通支路100并联，换流支路200与控制器300连接，换流支路200能够在控制器300的控制下，在主流通支路100断开系统电流时产生反向电流，反向电流与系统电流方向相反。系统电流和反向电流叠加，可使主流通支路100在故障时激增的系统电流过零点。

本申请中，换流支路200与主流通支路100并联，用电系统出现故障系统电流激增时，控制器300控制主流通支路100断开系统电流，同时控制换流支路200产生反向电流，反向电流与系统电流方向相反，系统电流和反向电流会叠加使主流通支路100系统电流过零点，实现无弧开断，延长直流断路器的寿命。

参见图1和图2所示，直流断路器还包括耗能支路400，耗能支路400与换流支路200并联，耗能支路400能够在控制器300的控制下消耗换流支路200的能量。

需要说明书的是，耗能支路400与换流支路200并联时，可耗能支路400可与整个换流支路200并联，也可与换流支路200中的部分元件并联，具体可视情况而定。

主流通支路100断开，换流支路200产生反向电流，使主流通支路100系统电流过零点，主流通支路100的电流转移到换流支路200上，耗能支路400与换流支路200并联，可消耗掉换流支路200上的残余的能量，从而保护直流断路器。

参见图1和图2所示，主流通支路100可包括第二电流检测元件110和真空开关120，第二电流检测元件110用于检测主流通支路100上的电流，真空开关120用于断开主流通支路100。

需要说明的是，主流通支路100可包括真空开关120，但不限于此，主流通支路100也可采用其它类型的开关，具体可视情况而定。第二电流检测元件110可包括电流传感器，但不限于此，第二电流检测元件110也可包括电流表，具体可视情况而定。

真空开关120可在用电系统故障时迅速断开系统电流，同时换流支路200产生反向电流，系统电流和反向电流叠加，使真空开关120的真空灭弧室的电弧快速熄灭，从而保护了真空开关120，延长了真空开关120的寿命，也就延长了直流断路器的寿命。

参见图1和图2所示，换流支路200包括串联的电感210、晶闸管单元220和电容230。晶闸管单元220具有第一状态和第二状态，在第一状态，电容230放电产生反向电流通过晶闸管单元220，在第二状态，系统电流通过晶闸管单元220。耗能支路400与电容230并联，即耗能支路400与换流支路200中的部分元件并联。

需要说明的是，换流支路200可包括晶闸管单元220，但不限于此，晶闸管单元220用于控制电流的方向，换流支路200也可通过其它开关电路控制电流的方向，具体可视情况而定。

主流通支路100断开系统电流后，控制器300控制晶闸管单元220处于第一状态，电容230为预充电电容230，预充电电容230放电产生反向电流，该反向电流为反向谐振电流，反向谐振电流与系统电流叠加，使主流通支路100电流过零点，真空开关120的真空灭弧室的电弧在电流过零点时快速熄灭；

真空开关120的真空灭弧室的电弧熄灭后，系统电流转移到换流支路200上，控制器300再控制晶闸管单元220处于第二状态，对电容230进行充电，再通过与电容230并联的耗能支路400消耗掉电能。

电容230和电感210可作为储能元件储能，电容230为预充电电容230，在主流通支路100断开系统电流后，预充电电容230放电产生反向电流，使真空开关120的真空灭弧室的电弧快速熄灭，延长了真空开关120的寿命，主流通支路100电流过零点后，系统电流转移到换流支路200上，为电容230充电，耗能支路400消耗掉电容230多余的电能，可防止电容230损坏，延长了直流断路器的寿命。

参见图1和图2所示，晶闸管单元220包括反向并联的第一晶闸管221和第二晶闸管222，在第一状态，控制器300控制第一晶闸管221导通且第二晶闸管222断开，在第二状态，控制器300控制第二晶闸管222导通且第一晶闸管221断开。

晶闸管单元220包括反向并联的第一晶闸管221和第二晶闸管222，通过两个晶闸管控制电流方向结构简单，且晶闸管能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程控制方便。

参见图1和图2所示，耗能支路400包括串联的耗能电阻410和控制开关420。控制器300与控制开关420连接，控制器300可控制控制开关420多次断开或导通，逐渐将电容230和电感210储存的能量消耗掉。

需要说明的是，耗能支路400可包括耗能电阻410，但不限于此，耗能支路400也可采用其它耗能元件，具体可视情况而定。

耗能支路400包括串联的耗能电阻410和控制开关420，控制器300可控制控制开关420多次断开或导通，逐渐将电容230和电感210储存的能量消耗掉，以避免电容230两端电压过高，导致电容230损坏，延长了直流断路器的寿命。

参见图1和图2所示，控制开关420包括集成门极换流晶闸管(即：IGCT)，控制器300与集成门极换流晶闸管连接，控制集成门极换流晶闸管断开或导通，从而控制耗能支路400断开或导通。

需要说明的是，控制开关420可包括集成门极换流晶闸管，但不限于此，控制开关420也可以是其它类型的开关元件，例如绝缘栅双极型晶体管(即：IGBT)和可关断晶闸管(即：GTO)等，具体可视情况而定。

控制开关420包括集成门极换流晶闸管，集成门极换流晶闸管将绝缘栅双极型晶体管与可关断晶闸管的优点结合起来，其容量与可关断晶闸管相当，但开关速度比可关断晶闸管快，而且可以省去可关断晶闸管的庞大而复杂的缓冲电路。

参见图1和图2所示，直流断路器还包括比较支路，比较支路与电容230并联，比较支路用于检测电容230两端的电压，比较支路和控制开关420均与控制器300连接。用电系统具有正母线11和负母线12，主流通支路100两端连接正母线11和负母线12，从而接入用电系统。比较支路检测电容230两端的电压，可间接检测到正母线11和负母线12两端电压。

当比较支路检测到电容230两端电压大于第一预设值时，控制器300控制控制开关420导通；

当比较支路检测到电容230两端电压小于第二预设值时，控制器300控制控制开关420断开，第二预设值小于第一预设值。

需要说明的是，直流断路器可包括比较支路，但不限于此，比较支路用于检测电容230两端的电压，比较支路也可用其它电压检测元件替换，例如电压表或电压传感器等，具体可视情况而定。比较支路可与电容230并联，但不限于此，比较支路两端也可与正母线11和负母线12连接，直接检测正母线11和负母线12两端电压，具体可视情况而定。

现有的直流断路器中，耗能支路400通过金属氧化物避雷器吸能，金属氧化物避雷器多次承受过电压时易损坏，降低了直流断路器的使用寿命。本申请中，耗能支路400包括耗能电阻410和控制开关420，当比较支路检测到电容230两端电压大于第一预设值时，即正母线11和负母线12两端电压超过一定阈值，控制器300控制控制开关420导通，电流通过耗能电阻410，耗能电阻410消耗掉换流支路200的能量；当比较支路检测到电容230两端电压小于第二预设值时，即正母线11和负母线12两端电压降低到一定阈值，控制器300控制控制开关420断开，电容230两端的电压由于系统电流的充电再次升高，通过多次开关控制开关420逐渐将换流支路200的能量消耗掉，与通过金属氧化物避雷器吸能的方案相比，耗能电阻410寿命长，延长了直流断路器的寿命。

本申请中直流断路器的工作原理如下：

阶段I：用电系统发生故障后，故障电流呈指数型迅速上升，控制器300检测到用电系统发生故障，向真空开关120发出分闸信号；

阶段Ⅱ：真空开关120接收控制器300发出的分闸信号，完成分闸断开主流通支路100；

阶段Ⅲ：控制器300控制第一晶闸管221导通且第二晶闸管222断开，预充电电容230放电，在换流支路200产生反向电流，反向电流与系统电流叠加，主流通支路100电流过零点，真空开关120的真空灭弧室的电弧在电流过零点时快速熄灭；

阶段Ⅳ：主流通支路100电流过零点后，控制器300控制第一晶闸管221断开且第二晶闸管222导通，系统电流转移换流支路200上，对电容230进行充电，电容230两端电压升高；

阶段Ⅴ：比较支路实时监控正母线11和负母线12两端的电压，当正母线11和负母线12两端的电压超过一定阈值时，控制器300控制控制开关420导通，电流通过耗能电阻410，耗能电阻410消耗掉换流支路200的能量，当正母线11和负母线12两端电压降低到一定阈值，控制器300控制控制开关420断开，电容230两端的电压由于系统电流的充电再次升高，通过多次开关控制开关420逐渐将换流支路200的能量消耗掉，直至最后将电感210和电容230储存的能量释放完，直流断路器完成一次电流开断操作。

参见图1和图2所示，直流断路器还包括测试支路500，测试支路500与主流通支路100并联，测试支路500与控制器300连接，测试支路500能够检测用电系统的故障，控制器300在测试支路500检测到用电系统的故障消除后，控制主流通支路100导通。直流断路器还可包括隔离开关600，隔离开关600连接正负母线和主流通支路100，即正母线11通过隔离开关600连接主流通支路100一端，负母线12通过另一隔离开关600连接主流通支路100另一端。

用电系统发生故障后，隔离开关600会断开，用电系统的故障消除后，隔离开关600合闸后，需先通过测试支路500对用电系统的线路进行测试，测试合格后才允许真空开关120合闸，这样可防止直流断路器连通故障的用电系统，导致用电系统的元器件损坏。

示例的，测试支路500包括串联的测试接触器510、测试电阻520和第一电流检测元件530。

需要说明的是，第一电流检测元件530可包括电流传感器，但不限于此，第一电流检测元件530也可包括电流表，具体可视情况而定。

测试电阻520作为测试支路500的负载，可防止测试电流过大；第一电流检测元件530用于检测测试电流，通过测试电流可间接判断用电系统的故障是否消除，当用电系统的故障消除，控制器300控制真空开关120合闸；测试接触器510用于快速导通或断开，避免合闸于故障线路。

术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“装配”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一些实施例”、“示例地”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，故但凡依本申请的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本申请专利涵盖的范围之内。

Claims (10)

1.一种直流断路器，其特征在于，包括：

主流通支路，用于连接用电系统；

控制器，与所述主流通支路连接，能够在用电系统故障时控制所述主流通支路断开所述用电系统提供的系统电流；

换流支路，与所述主流通支路并联，所述换流支路与所述控制器连接，所述换流支路能够在所述控制器的控制下，在所述主流通支路断开所述系统电流时产生反向电流，所述反向电流与所述系统电流方向相反。

2.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述直流断路器还包括耗能支路，所述耗能支路与所述换流支路并联，所述耗能支路能够在所述控制器的控制下消耗所述换流支路的能量。

3.根据权利要求2所述的直流断路器，其特征在于，所述换流支路包括串联的电感、晶闸管单元和电容，所述晶闸管单元具有第一状态和第二状态，在所述第一状态，所述电容放电产生所述反向电流通过所述晶闸管单元，在所述第二状态，所述系统电流通过所述晶闸管单元；

所述耗能支路与所述电容并联。

4.根据权利要求3所述的直流断路器，其特征在于，所述晶闸管单元包括反向并联的第一晶闸管和第二晶闸管，在所述第一状态，所述第一晶闸管导通且所述第二晶闸管断开，在所述第二状态，所述第二晶闸管导通且所述第一晶闸管断开。

5.根据权利要求3所述的直流断路器，其特征在于，所述耗能支路包括串联的耗能电阻和控制开关。

6.根据权利要求5所述的直流断路器，其特征在于，所述控制开关包括集成门极换流晶闸管。

7.根据权利要求5所述的直流断路器，其特征在于，所述直流断路器还包括比较支路，所述比较支路与所述电容并联，所述比较支路用于检测所述电容两端的电压，所述比较支路和所述控制开关均与所述控制器连接；

当所述比较支路检测到所述电容两端电压大于第一预设值时，所述控制器控制所述控制开关导通；

当所述比较支路检测到所述电容两端电压小于第二预设值时，所述控制器控制所述控制开关断开，所述第二预设值小于所述第一预设值。

8.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述主流通支路包括真空开关，所述控制器与所述真空开关连接。

9.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述直流断路器还包括测试支路，所述测试支路与所述主流通支路并联，所述测试支路与所述控制器连接，所述测试支路能够检测所述用电系统的故障，所述控制器在所述测试支路检测到所述用电系统的故障消除后，控制所述主流通支路导通。

10.根据权利要求9所述的直流断路器，其特征在于，所述测试支路包括串联的测试接触器、测试电阻和第一电流检测元件。