CN117352343A - 一种小电弧关断型直流断路器及其分断方法 - Google Patents
一种小电弧关断型直流断路器及其分断方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117352343A CN117352343A CN202311470816.6A CN202311470816A CN117352343A CN 117352343 A CN117352343 A CN 117352343A CN 202311470816 A CN202311470816 A CN 202311470816A CN 117352343 A CN117352343 A CN 117352343A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- current
- branch
- mechanical switch
- voltage
- thyristor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 11
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims abstract description 21
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 12
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims description 11
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 6
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 5
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 claims description 3
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 3
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 claims description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 abstract 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 5
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 4
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 241000208340 Araliaceae Species 0.000 description 1
- 235000005035 Panax pseudoginseng ssp. pseudoginseng Nutrition 0.000 description 1
- 235000003140 Panax quinquefolius Nutrition 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 235000008434 ginseng Nutrition 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
- H01H71/00—Details of the protective switches or relays covered by groups H01H73/00 - H01H83/00
- H01H71/10—Operating or release mechanisms
- H01H71/12—Automatic release mechanisms with or without manual release
- H01H71/24—Electromagnetic mechanisms
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)
Abstract
本发明公开了一种小电弧关断型直流断路器，包括主开关支路、感应换流支路、电流转移支路和限压耗能支路，主开关支路包括快速机械开关的动、静触头及其连接导线，其中部分连接导线在结构上绕成环形；感应换流支路包括电容、感应线圈、分闸线圈、续流二极管和晶闸管；电流转移支路包括多个串联的IGBT；限压耗能支路包括压敏电阻。本发明还公开了其分断方法。本发明实现了额定运行工况下的低损耗；短路工况下，故障电流的快速转移和可靠关断。同时可实现快速机械开关触头始终在小电流水平下打开，极大的减少了电弧对触头的烧蚀，增加了断路器的电气寿命，适用于中/高压电力系统的快速故障保护。
Description
技术领域
本发明属于中高压直流电力系统领域，具体涉及一种小电弧关断型直流断路器，以及其分断方法。
背景技术
混合式分断技术综合了机械开关通态损耗低和半导体开关无弧关断的特性，是直流电力系统理想的故障保护方案。特别是在中/高压领域，传统的空气式断路器已很难通过增大弧压来实现电力系统的故障保护，混合式断路器拥有广阔的应用前景。
故障电流从主开关支路转移到电流转移支路是混合式断路器短路分断的关键环节。然而，随着系统电压等级升高，电流转移支路串联半导体器件数目增多，单独依靠电弧电压，已经无法满足电弧转移需求。
为解决中/高压直流电力系统中故障电流转移问题，目前，一般采用以下两种方案。
1）主开关支路串联全控型半导体IGBT，短路保护过程中首先关断IGBT，产生足够的电压促使故障电流转移，但由于IGBT存在较大的通态损耗，该方案在额定载流工况下的损耗严重，特别是在大电流的场合。
2）清华大学研究人员提出利用“耦合负压”的原理进行故障电流转移，即在电流转移支路中串入互感线圈。短路保护过程当快速机械开关打开到足够的开距后，利用互感线圈产生的负压，实现电流转移。
但是一方面“耦合负压”的实现需要搭建一套脉冲电容充/放电回路，无疑会导致断路器体积及成本的大幅增加；另一方面直流电力系统短路电流上升速度极快，快速机械开关打开时电流通常已经上升到十几kA，再运动到足够的开距会上升的更高，大电流电弧无疑会对快速机械开关的触头造成严重的烧蚀。
发明内容
根据现有技术不足，本发明的目的之一是提出一种小电弧关断型直流断路器，可在基本不增大断路器体积的情况下，一方面实现故障电流的快速转移并可靠关断，另一方面实现快速机械开关的动、静触头在小电流水平下打开，减少电弧的烧蚀，增加断路器的电寿命。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种小电弧关断型直流断路器，包括主开关支路、感应换流支路、电流转移支路和限压耗能支路，其中主开关支路、电流转移支路和限压耗能支路通过节点Q1和Q2并联在一起；还包括快速机械开关S1，所述的快速机械开关S1为包含静触头、动静头、分闸线圈X2、支撑架和斥力盘的电磁斥力快速机械开关；所述的主开关支路包括快速机械开关S1的动、静触头，还包括导线连接的两个节点J1、J2，两个节点之间的连接导线在结构上绕成环形记为电感L1，快速机械开关S1基于电磁斥力原理实现的高速分闸；所述的感应换流支路包括电容C1、感应线圈X1、分闸线圈X2、续流二极管D1、晶闸管T1和晶闸管T2，其连接结构为：电容C1、晶闸管T1、分闸线圈X2与二极管D1并联、感应线圈X1与晶闸管T2并联，再共同串联起来，分闸线圈X2用于快速机械开关S1的高速分闸，互感线圈X1与电感L1形成感应回路，用于故障电流的快速转移；所述的电流转移支路包括多个串联的全控型半导体器件IGBT；所述的限压耗能支路包括金属氧化锌压敏电阻MOV。
本发明的目的之二是提出一种小电弧关断型直流断路器的分断方法，包括以下步骤：
1）在额定运行工况下，快速机械开关S1的动、静触头闭合，承载系统电流；
2）当检测到系统发生短路故障，同时发送晶闸管T1导通指令和IGBT导通指令；晶闸管T1导通后C1-X1-X2-T1回路导通，电感L1在感应线圈X1的作用下，感应出“左正右负”的电动势，迫使故障电流从主开关支路转移到电流转移支路，主开关支路的快速机械开关S1中电流很快降为零，由于快速机械开关S1存在固有延迟时间，此时动、静触头还未实际分离，随后快速机械开关S1中电流反向；
3）延迟几十μs导通晶闸管T2，C1-T2-X2-T1回路导通，感应线圈X1通过晶闸管T2放电，快速机械开关S1中反向电流不再增加；
4）电容C1两端电压降为零后晶闸管T2关断，互感线圈X1开始对电容C1充电，电流变化率反向，感应电动势变为“左负右正”，在该电动势作用下，快速机械开关S1中的反向电流迅速下降为零，定义从分闸线圈X2中产生电流至动静触头开始实际分闸的时间为快速机械开关S1的固有延迟时间，所述电容C1、分闸线圈X2形成的脉冲放电回路的周期T满足T/4＞快速机械开关S1的固有延迟时间，从而在快速机械开关S1中反向电流下降为零时可实现熄弧；
5）电流完全转移至电流转移支路，维持电流转移支路的IGBT导通一段时间，随后发送IGBT关断指令，节点Q1和Q2两端电压迅速上升；
6）当电压上升到压敏电阻MOV开通电压时，压敏电阻MOV开通，消耗系统中的能量，短路电流开始下降直至为零，短路分断保护完成。
与现有技术相比，本发明具备以下有益的技术效果：
本发明利用1套脉冲充/放电回路及合理的控制方式就实现了快速机械开关的快速分闸以及故障电流的快速转移，且所用互感线圈体积较小，感应电感更是直接利用回路连接结构实现，具备体积小，成本低的优势；同时本发明断路器实现了快速机械开关在低电流水平下打开，极大的减小了电弧对触头的烧蚀，增加了断路器大电流开断的寿命。
附图说明
图1本发明直流断路器的主电路拓扑；
图2本发明在短路保护过程中电流及感应电动势波形。
实施方式
以下结合具体实例和附图对本发明的实施方式进行进一步阐述。
参照图1所示，本发明公开的一种小电弧关断型直流断路器，包括主开关支路、感应换流支路、电流转移支路和限压耗能支路；其中主开关支路、电流转移支路和限压耗能支路通过节点Q1和Q2并联在一起；还包括快速机械开关S1，所述的快速机械开关S1为包含静触头、动静头、分闸线圈X2、支撑架和斥力盘的电磁斥力快速机械开关。
所述的主开关支路包括快速机械开关S1的动、静触头，还包括导线连接的两个节点J1、J2，两个节点之间的连接导线在结构上绕成环形记为电感L1，快速机械开关S1基于电磁斥力原理实现的高速分闸。
所述的感应换流支路包括电容C1、感应线圈X1、分闸线圈X2、续流二极管D1、晶闸管T1和晶闸管T2，其连接结构为：电容C1、晶闸管T1、分闸线圈X2与二极管D1并联、感应线圈X1与晶闸管T2并联，再共同串联起来，分闸线圈X2用于快速机械开关S1的高速分闸，互感线圈X1与电感L1形成感应回路，用于故障电流的快速转移。
所述电流转移支路包括多个串联的全控型半导体器件IGBT。
所述限压耗能支路包括金属氧化锌压敏电阻MOV。
参照图2所示，本发明公开的一种小电弧关断型直流断路器的分断方法，包括以下步骤。
t 0～t 1阶段，系统正常运行，主开关支路中快速机械开关S1的动、静触头闭合，承载系统电流i 0。快速机械开关S1合闸状态下接触电阻很小，一般在μΩ级。额定运行状态下断路器通态损耗极低，接近于无损耗。
t 1时刻系统发生短路故障，系统电流迅速上升。
t 2时刻系统检测到短路故障，并同时发送晶闸管T1导通指令和IGBT导通指令。晶闸管T1和IGBT接收到信号后，立刻导通。电容C1开始放电，C1-X1-X2-T1回路导通。参照图2所示L1两端感应电压，在脉冲电流上升阶段，电感L1在感应线圈X1作用下，感应出“左正右负”的电动势，该感应电动势很容易达到数百伏以上。在电感L1两端感应电动势作用下，快速机械开关S1中电流迅速下降，IGBT中电流迅速上升。
t 3时刻，快速机械开关S1中电流第一次降为零。此时，由于分闸固有延时的原因，快速机械开关S1的动、静触头仍处于闭合状态。电感L1两端电压仍为“左正右负”，快速机械开关S1中将流过反向的电流。
延迟几十μs，在t 4时刻，导通晶闸管T2，C1-T2-X2-T1回路导通，感应线圈X1通过晶闸管T2放电，电流变化率极低，可以看出电感L1两端感应电动势基本为零，快速机械开关S1中反向电流不再增加。
t 5时刻，电容C1两端电压降为零后，晶闸管T2关断。互感线圈X1开始对电容C1充电，电流变化率反向，从而电感L1中感应电动势也反向，参照图2所示电感L1两端感应电压变为“左负右正”，在该电动势作用下，快速机械开关S1中的反向电流迅速下降，并在t 6时刻降为零。控制所述电容C1、分闸线圈X2形成的脉冲放电回路的周期T满足：T/4大于快速机械开关S1的固有延迟时间，动、静触头在t 4～t 6阶段打开，从而在电流过零的t 6时刻实现熄弧。明显可以看出，动、静触头打开时刻，快速机械开关支路中电流极低，可控制在几十安培水平，极大的减小了电弧对触头的烧蚀。
t 6～t 7阶段，电流转移支路的IGBT承载故障电流，快速机械开关S1两端电压近似为零，可以快速恢复介质阻断能力。
t 7时刻，快速机械开关S1的动触头运动到足够的开距。关闭IGBT，节点Q1和Q2两端电压迅速上升至压敏电阻MOV的开启电压，压敏电阻开通，消耗系统中的能量，短路电流开始下降直至为零，短路分断保护完成。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理功效及具体实施方法，在本领域技术范畴，在不脱离本发明构思的前提下，对本发明拓扑做出的若干变形及改进都属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种小电弧关断型直流断路器，包括主开关支路、感应换流支路、电流转移支路和限压耗能支路，其中主开关支路、电流转移支路和限压耗能支路通过节点Q1和Q2并联在一起；还包括快速机械开关S1，所述的快速机械开关S1为包含静触头、动静头、分闸线圈X2、支撑架和斥力盘的电磁斥力快速机械开关；其特征在于：
所述的主开关支路包括快速机械开关S1的动、静触头，还包括导线连接的两个节点J1、J2，连接导线绕成环形记为电感L1，快速机械开关S1基于电磁斥力实现高速分闸；
所述的感应换流支路包括电容C1、感应线圈X1、分闸线圈X2、续流二极管D1、晶闸管T1和晶闸管T2，电容C1、晶闸管T1、分闸线圈X2与二极管D1并联、感应线圈X1与晶闸管T2并联，再共同串联起来，互感线圈X1与电感L1形成感应回路，用于故障电流的快速转移；
所述的电流转移支路包括多个串联的IGBT；
所述的限压耗能支路包括金属氧化锌压敏电阻MOV。
2.一种如权利要求1所述小电弧关断型直流断路器的分断方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）在额定运行工况下，快速机械开关S1的动、静触头闭合，承载系统电流；
2）当检测到系统发生短路故障，同时发送晶闸管T1导通指令和IGBT导通指令；晶闸管T1导通后C1-X1-X2-T1回路导通，电感L1在感应线圈X1的作用下，迫使故障电流从主开关支路转移到电流转移支路，快速机械开关S1中电流降为零，并反向；
3）导通晶闸管T2，C1-T2-X2-T1回路导通，感应线圈X1通过晶闸管T2放电，快速机械开关S1中反向电流不再增加；
4）电容C1两端电压降为零后晶闸管T2关断，互感线圈X1开始对电容C1充电，电流变化率反向，快速机械开关S1中的反向电流迅速下降为零，定义从分闸线圈X2中产生的电流至动静触头开始实际分闸的时间为快速机械开关S1的固有延迟时间，所述电容C1、分闸线圈X2形成的脉冲放电回路的周期T满足T/4＞快速机械开关S1的固有延迟时间，从而在快速机械开关S1中反向电流下降为零时可实现熄弧；
5）电流完全转移至电流转移支路，维持IGBT导通一段时间，随后发送IGBT关断指令，节点Q1和Q2两端电压迅速上升；
6）当电压上升到压敏电阻MOV开通电压时，压敏电阻MOV开通，短路电流开始下降直至为零，短路分断保护完成。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311470816.6A CN117352343A (zh) | 2023-11-07 | 2023-11-07 | 一种小电弧关断型直流断路器及其分断方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311470816.6A CN117352343A (zh) | 2023-11-07 | 2023-11-07 | 一种小电弧关断型直流断路器及其分断方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117352343A true CN117352343A (zh) | 2024-01-05 |
Family
ID=89366760
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311470816.6A Pending CN117352343A (zh) | 2023-11-07 | 2023-11-07 | 一种小电弧关断型直流断路器及其分断方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117352343A (zh) |
-
2023
- 2023-11-07 CN CN202311470816.6A patent/CN117352343A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103021739B (zh) | 混合式直流断路器 | |
| CN105281289B (zh) | 一种双向混合式直流断路器及其控制方法 | |
| CN113964788B (zh) | 一种双向直流断路器 | |
| US10217585B2 (en) | Control circuit for composite switch with contact protection based on diode and relay control method | |
| CN108448548B (zh) | 一种基于预充电电容的组合式直流断路器及其控制方法 | |
| CN109360764B (zh) | 一种直流真空断路器 | |
| CN102290279A (zh) | 高速真空直流限流断路器 | |
| CN107834505B (zh) | 限流式自充电型人工过零高压直流断路器及其开断方法 | |
| CN113257597A (zh) | 一种基于复合换流方式的混合式直流断路器及其控制方法 | |
| CN112103925A (zh) | 一种多端口混合式直流断路器及控制方法 | |
| CN115833059A (zh) | 一种低压电感耦合型混合式直流断路器拓扑及控制方法 | |
| CN109361202B (zh) | 一种电流注入式断路器 | |
| CN116613712A (zh) | 一种基于晶闸管的低压直流混合式断路器及其控制方法 | |
| CN114709799B (zh) | 一种具有重合闸功能的双向微损耗直流断路器及开断方法 | |
| CN117352343A (zh) | 一种小电弧关断型直流断路器及其分断方法 | |
| CN116705563A (zh) | 自触型低压混合式直流断路器及其开断方法 | |
| CN116505495A (zh) | 基于电容自然充电换向的混合式直流断路器及其工作方法 | |
| CN111030076A (zh) | 一种双向混合式中压直流负荷开关及其控制方法 | |
| CN112821348B (zh) | 一种短路电流自驱动的限流直流断路器 | |
| CN114759532A (zh) | 一种自充电开断的直流断路器及其控制方法 | |
| CN110880745B (zh) | 基于双电容振荡的主动型阻容式直流限流器及控制方法 | |
| CN117856185B (zh) | 一种基于晶闸管的低压混合式直流断路器及其应用方法 | |
| CN219843430U (zh) | 一种可控电压源和机械式直流断路器 | |
| CN114362093B (zh) | 一种基于电容换流的大容量交流断路器及控制方法 | |
| CN113612193B (zh) | 一种基于真空触发开关和超导限流的高压直流断路器及工作方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |