CN118017448B - 一种变感抗机械式直流断路器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变感抗机械式直流断路器，涉及直流断路器技术领域，由主支路、暂态支路和耗能支路并联组成，暂态支路由预充电电容器、变感抗设备和触发开关串联构成，变感抗设备可由电抗器与感抗变换开关组成，通过导通/截止感抗变化开关使电抗器联接拓扑为并联/串联；也可由一对高耦合分裂电抗器与感抗变换开关组成，通过导通/截止感抗变化开关使高耦合分裂电抗器双臂/单臂导通。本发明所提出的机械式直流断路器暂态支路能够在开断电流过程中变化感抗实现其产生的振荡电流频率、幅值变化，降低小电流开断工况下机械开关电流过零时的电流变化率di/dt,降低di/dt过大引起电弧重燃的概率，同时保证额定故障电流开断性能。

Description

一种变感抗机械式直流断路器

技术领域

本发明涉及直流断路器技术领域，尤其涉及一种变感抗机械式直流断路器。

背景技术

在直流电网中，直流断路器负责快速隔离故障线路，以确保系统其余部分继续安全运行。由于受故障点位置、故障类型等因素影响，直流电网故障电流大小会因此不同。所以，直流断路器必须具备开断所有可能出现的短路故障电流的能力。此外，直流断路器不仅需要开断短路故障电流，也存在开断负载电流的工况。然而，传统机械式直流断路器在小电流开断工况时由于电流过零时电流变化率di/dt过大易发生机械开关电弧重燃，延长电流开断时间、加剧触头烧蚀。因此，提出一种利于小电流开断的机械式直流断路器具有工程意义。

传统机械式直流断路器，由主支路、暂态支路和耗能支路三条支路并联组成。机械式直流断路器利用暂态支路上预充电电容与电抗器产生高频谐振电流注入到主支路，机械开关出现人工过零点，实现电流从机械断口向暂态支路转移，电流从机械断口转移到暂态支路后，系统向暂态支路预充电电容器反向充电，导致暂态支路建立起与电源电压相反的电压，直至避雷器动作电流又从该支路转移到避雷器支路，最终系统储存的电磁能被避雷器消耗完后，实现直流开断。由于需要保证随时具备开断额定短路故障电流能力, 机械式直流断路器暂态支路所提供的高频反向谐振电流频率、幅值被设计得很大。然而在开断小电流时，大幅值、高频率的反向电流导致断口电流在注入高频电流作用下过零时的电流变化率di/dt非常大，同时预充电电容器剩余电压大，机械开关将耐受较大的初始暂态开断电压（ITIV），机械开关断口更容易发生重燃，对快速机械开关性能及寿命有影响。如图1所示为主支路快速机械开关耐受电流/电压波形示意图，小电流开断时机械开关电流过零点di/dt显著高于额定故障电流开断，同时耐受更大的ITIV。

发明内容

为了解决传统机械式直流断路器因需随时具备开断额定故障电流能力，而造成开断小电流时快速机械开关耐受大di/dt与大的ITIV造成电弧重燃的问题，本发明提出一种变感抗机械式直流断路器，利用变感抗设备改变暂态支路等效感抗大小，目的是产生变幅值、变频率的振荡电流，在保证额定故障电流开断的同时，使小电流开断时快速机械式开关电流过零时电流变化率更小，降低机械断口电弧重燃的机率，降低对快速机械开关的灭弧要求。

本申请公开了一种变感抗机械式直流断路器，由主支路、暂态支路和耗能支路并联构成；所述主支路由机械开关构成，以低阻正常通流；所述耗能支路由避雷器构成，以限压、吸收能量；所述暂态支路由预充电电容器、变感抗设备和触发开关串联构成。

所述暂态支路在开断过程中通过截止/导通感抗变换开关使得变感抗设备在高感抗/低感抗状态切换，改变暂态支路所产生高频谐振电流的频率、幅值，降低小电流开断工况下机械开关电流过零时的电流变化率di/dt, 从而降低机械式直流断路器在小电流开断工况下，由于电流过零时di/dt过大引起电弧重燃的概率，同时保证额定故障电流开断性能。

所述暂态支路变频率振荡电流预期波形分为两个阶段，无论开断电流大小，将产生第一阶段高频率、高幅值的电流注入主支路，此时所述感抗变换开关导通；一定时延后，所述感抗变换开关截止，低感抗的暂态支路将产生低频率、低幅值的第二阶段振荡电流。其目的是，开断大电流时，第一阶段高频率、高幅值振荡电流注入主支路，机械开关断口快速出现人工电流过零，完成电流由主支路向暂态之路转移；在开断小电流时，第一阶段高频率、高幅值振荡电流在主支路机械开关断口产生di/dt过大，机械断口可能无法直流开断，此情况下第二阶段低频率、低幅值的振荡电流将使机械开关断口随后的电流过零点di/dt降低而易于开断。

优选的，所述变感抗设备由2n+1个电抗器L₀~L_2n与2n个感抗变换开关RS₁~RS_2n组成，所述2n+1个电抗器并联组成2n个网孔，每个网孔包含一个感抗变换开关，感抗变换开关在网孔左右交替分布，通过控制感抗变换开关RS₁~RS_2n实现电抗器L₀~L_2n串联-并联拓扑转换，以改变谐振频率及幅值。当变感抗设备处于高感抗状态时，感抗变换开关RS₁~RS_2n截止，电抗器L₀~L_2n串联；当变感抗设备处于低感抗状态时，感抗变换开关RS₁~RS_2n导通，电抗器L₀~L_2n并联。

优选的，所述变感抗设备由感抗变换开关RS与一对高耦合分裂电抗器组成，所述感抗变换开关RS/>与高耦合分裂电抗器L₁/>串联后与高耦合分裂电抗器L₂/>并联，通过控制感抗变换开关RS/>实现一对高耦合分裂电抗器单臂-双臂接通，以改变谐振频率及幅值。当变感抗设备处于高感抗状态时，感抗变换开关RS/>截止，等效感抗为L₁/>；当变感抗设备处于低感抗状态时，感抗变换开关RS/>导通，高耦合分裂电抗器并联，等效感抗为/>，其中/>为耦合系数，高耦合分裂电抗器的耦合系数大，则该等效感抗值小。

优选的，所述变感抗设备由电抗器L₀ 、n对高耦合分裂电抗器L₁/>~L_2n/>与2n个感抗变换开关RS₁/>~RS_2n/>组成，所述n对高耦合分裂电抗器L₁/>~L_2n/>并联后再与电抗器L₀/>并联，组成2n个网孔，每个网孔包含一个感抗变换开关，感抗变换开关在网孔左右交替分布，通过控制感抗变换开关RS₁/>~RS_2n/>实现电抗器L₀/>、高耦合分裂电抗器L₁/>~L_2n/>串联-并联拓扑转换，以改变谐振频率及幅值。当变感抗设备处于高感抗状态时，感抗变换开关RS₁/>~RS_2n/>截止，所有高耦合分裂电抗器同名端同向串联，并与电抗器L₀/>串联，等效电抗大小为；当变感抗设备处于低感抗状态时，感抗变换开关RS₁/>~RS_2n/>导通，高耦合分裂电抗器L₁/>~L_2n/>和电抗器L₀/>均并联，等效电感导纳为/>，其中/>为耦合系数。

优选的，所述触发开关为具有快合功能的开关设备，包括但不限于触发球隙开关、快速关合功能机械开关、晶闸管开关、全控型功率半导体器件。

优选的，所述感抗变换开关为具有快分功能并能承受所述电抗器或所述高耦合分裂电抗器电压的固态开关设备，包括但不限于全控型功率半导体器件并联电容、晶闸管并联电容、反串联的带反向二极管IGBT。

优选的，所述感抗变换开关为具有快分功能并能耐受所述高耦合分裂电抗器电压的开关设备，包括但不限于机械开关、全控型功率半导体器件。

本发明的有益效果：

（1）本发明所提出的机械式直流断路器能够降低小电流开断工况下快速机械开关发生电弧重燃概率，缓解触头烧蚀，增加快速机械开关使用寿命；

（2）本发明的变感抗设备在高感抗状态利于小电流开断，低感抗状态保证额定故障电流开断，既降低了小电流开断电弧重燃概率，又保证了最大电流开断性能；

（3）本发明所提出的机械式直流断路器无论额定故障电流开断或是小电流开断，快速机械开关耐受相对较低的di/dt与ITIV，降低了对直流断路器用快速机械开关灭弧性能的要求。

附图说明

图1为传统机械式直流断路器主支路快速机械开关耐受电流/电压波形示意图；

图2为本发明实施的变感抗机械式直流断路器的拓扑结构图；

图3为本发明实施例的变感抗机械式直流断路器主支路机械开关耐受电流/电压波形示意图

图4（a）为本发明实施例一的电抗器串并联变换的变感抗设备结构示意图；

图4（b）为本发明实施例一的高感抗状态时的变感抗设备结构示意图；

图4（c）为本发明实施例一的低感抗状态时的变感抗设备结构示意图；

图5为本发明实施例一中采用电抗器串并联变换的直流断路器结构示意图；

图6（a）为本发明实施例一发生严重故障时直流断路器开断波形及时序示意图；

图6（b）为本发明实施例一发生轻微故障时直流断路器开断波形及时序示意图；

图7（a）为本发明实施例二的采用高耦合分裂电抗器的变感抗设备结构示意图；

图7（b）为本发明实施例二的高感抗状态时的变感抗设备结构示意图；

图7（c）为本发明实施例二的低感抗状态时的变感抗设备结构示意图；

图8为本发明实施例二中采用高耦合分裂电抗器的直流断路器结构示意图；

图9（a）为本发明实施例二发生严重故障时直流断路器开断波形及时序示意图；

图9（b）为本发明实施例二发生轻微故障时直流断路器开断波形及时序示意图；

图10（a）为本发明实施例三的采用高耦合电抗器串并联变换的变感抗设备结构示意图；

图10（b）为本发明实施例三的高感抗状态时的变感抗设备结构示意图；

图10（c）为本发明实施例三的低感抗状态时的变感抗设备结构示意图；

图11为本发明实施例三中采用高耦合电抗器串并联变换的直流断路器结构示意图；

图12为本发明实施例四的采用模块化单元连接的变感抗机械式直流断路器拓扑结构图；

图13为本发明实施例五的采用组合化单元连接的变感抗机械式直流断路器拓扑结构图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例所公开的变感抗机械式直流断路器利用变感抗设备产生变幅值、变周期的谐振电流，在保证额定故障电流开断的同时，使小电流开断时快速机械式开关电流过零时电流变化率更小(这一电流变化率取决于暂态支路LC振荡频率，增大感抗则可以降低暂态支路提供的高频电流的振荡频率，从而降低电流过零时的di/dt，增大的感抗同时耐受更多分压，降低机械开关耐受ITIV)，降低机械断口电弧重燃的几率，能降低对快速机械开关的灭弧要求。

本申请公开了一种变感抗机械式直流断路器，如图2所示，由主支路、暂态支路和耗能支路并联组成，主支路由机械开关构成，以低阻正常通流；耗能支路由避雷器构成，以限压、吸收能量；暂态支路由预充电电容器、变感抗设备和触发开关串联构成，变感抗设备由电抗器组合和感抗变换开关构成，触发开关为具有快合功能的开关设备，包括但不限于触发球隙开关、快速关合功能机械开关、晶闸管开关、全控型功率半导体器件。

暂态支路在开断过程中通过截止/导通感抗变换开关使得变感抗设备在高感抗/低感抗状态切换，改变暂态支路所产生高频谐振电流的频率、幅值，降低小电流开断工况下机械开关电流过零时的电流变化率di/dt, 从而降低机械式直流断路器在小电流开断工况下由于电流过零时di/dt过大引起电弧重燃的概率，同时保证额定故障电流开断性能。如图3所示，暂态支路变频率振荡电流预期波形分为两个阶段，无论开断电流大小，将产生第一阶段高频率、高幅值的电流注入主支路，此时感抗变换开关导通，变感抗设备呈低感抗状态；一定时延后，感抗变换开关截止，变感抗设备切换呈高感抗状态，高感抗的暂态支路将产生低频率、低幅值的第二阶段振荡电流。其目的是，开断大电流时，第一阶段高频率、高幅值振荡电流注入主支路，机械开关断口快速出现人工电流过零，完成电流由主支路向暂态支路转移；在开断小电流时，第一阶段高频率、高幅值振荡电流在主支路机械开关断口产生di/dt过大，机械断口可能无法直流开断，此情况下第二阶段低频率、低幅值的振荡电流将使机械开关断口随后的电流过零点di/dt降低而易于开断。

针对其中的变感抗设备，本申请实施例一至实施例三公开了三种变感抗设备的拓扑结构。

实施例一

如图4（a）所示，变感抗设备采用电抗器串并联变换方案。

变感抗设备由2n+1个电抗器L₀~L_2n与2n个感抗变换开关RS₁~RS_2n组成，2n+1个电抗器并联组成2n个网孔，每个网孔包含一个感抗变换开关，感抗变换开关在网孔左右交替分布，通过控制感抗变换开关RS₁~RS_2n实现电抗器L₀~L_2n串联-并联拓扑转换，以改变谐振频率及幅值。

其中感抗变换开关RS₁~RS_2n为具有快分功能并能承受电抗器或高耦合分裂电抗器电压的固态开关设备，包括但不限于全控型功率半导体器件并联电容、晶闸管并联电容、反串联的带反向二极管IGBT。

如图4（b）所示，当变感抗设备处于高感抗状态时，感抗变换开关RS₁~RS_2n截止，电抗器L₀~L_2n串联；如图4（c）所示，当变感抗设备处于低感抗状态时，感抗变换开关RS₁~RS_2n导通，电抗器L₀~L_2n并联。

如图5所示，在一个变感抗设备采用电抗器串并联变换的具体实施例中，感抗变换开关采用IGBT反串联拓扑，触发开关采用晶闸管反并联二极管。

当系统发生严重故障，产生高幅值故障电流，图5所示的机械式直流断路器开断波形及时序如图6（a）所示。

t₁时刻，断路器收到开断指令，立刻向主支路快速机械开关MS发送分闸信号，经快速机械开关MS固有时延后，触头开始分离；t₂时刻，导通触发开关S，暂态支路开始谐振，并同时触发感抗变换开关IGBT1和IGBT2，三台电抗器L₀、L₁、L₂并联呈低感抗状态，所产生振荡电流频率相对高、幅值相对高，振荡电流注入主支路机械开关MS出现电流过零点，电流由主支路转移至暂态支路，系统开始向预充电电容器C充电，断路器端电压开始上升；t₃时刻，截止感抗变换开关IGBT1和IGBT2，三台电抗器L₀、L₁、L₂变为串联，由于电流已转移至暂态支路，感抗变换开关IGBT1和IGBT2的截止只影响系统对预充电电容器C的充电速度；t₄时刻，断路器端电压被充电至耗能支路避雷器MOV动作电压，电流换流耗能支路，暂态支路与系统形成阻尼谐振；t₅时刻，关断触发开关S；t₆时刻，避雷器MOV消耗完系统剩余能量，完成直流开断。

当系统发生轻微故障，产生较低幅值故障电流或开断负载电流并出现电弧重燃时，图5所示的机械式直流断路器开断波形及时序如图6（b）所示。

t₁时刻，断路器收到开断指令，立刻向主支路快速机械开关MS发送分闸信号，经快速机械开关MS固有时延后，触头开始分离；t₂时刻，导通触发开关S，暂态支路开始谐振，并同时触发感抗变换开关IGBT1和IGBT2，三台电抗器L₀、L₁、L₂并联呈低感抗状态，所产生振荡电流频率相对高、幅值相对高，振荡电流注入主支路机械开关MS出现电流过零点,电流过零点处出现较大的电流下降率di/dt，导致机械开关MS断口电弧重燃，无法直接开断，电流无法转移至暂态支路；t₃时刻，截止感抗变换开关IGBT1和IGBT2，三台电抗器L₀、L₁、L₂变为串联呈高感抗状态，所产生的振荡电流频率及幅值均较低，使机械开关MS在电流过零点耐受较小的di/dt及ITIV，机械开关MS完成开断后，电流开始由主支路向暂态支路转移，并且系统开始向预充电电容器C充电，断路器端电压开始上升；t₄时刻，断路器端电压被充电至耗能支路避雷器MOV动作电压，电流换流耗能支路，暂态支路与系统形成阻尼谐振；t₅时刻，关断触发开关S；t₆时刻，避雷器MOV消耗完系统剩余能量，完成直流开断。

实施例二

如图7（a）所示，变感抗设备采用高耦合分裂电抗器方案。

变感抗设备由感抗变换开关RS与一对高耦合分裂电抗器组成，感抗变换开关RS/>与高耦合分裂电抗器L₁/>串联后与高耦合分裂电抗器L₂/>并联，通过控制感抗变换开关RS/>实现一对高耦合分裂电抗器单臂-双臂接通，以改变谐振频率及幅值。其中感抗变换开关RS/>为具有快分功能并能耐受高耦合分裂电抗器电压的开关设备，包括但不限于机械开关、全控型功率半导体器件。

如图7（b）所示，当变感抗设备处于高感抗状态时，感抗变换开关RS截止，等效感抗为L₁/>；如图7（c）所示，当变感抗设备处于低感抗状态时，感抗变换开关RS/>导通，高耦合分裂电抗器并联，等效感抗为/>，其中/>为耦合系数。高耦合分裂电抗器的耦合系数大，则该等效感抗值小。

如图8所示，在一个变感抗设备采用高耦合分裂电抗器的具体实施例中，感抗变换开关采用机械开关MS₁ ，触发开关S/>采用晶闸管反并联二极管。其工作时序与实施例一中的具体实施例相比，由于感抗变换开关IGBT替换为机械开关MS₁/>，感抗变化开关MS₁/>初始状态保持闭合，当向触发开关S/>发送导通信号时，同时向感抗变换开关MS₁/>发送分闸信号，具体时序如下所述。

当系统发生严重故障，产生高幅值故障电流，图8所示的机械式直流断路器开断波形及时序如图9（a）所示。

t₁时刻，断路器收到开断指令，立刻向主支路快速机械开关MS₂ 发送分闸信号，经快速机械开关MS₂/>固有时延后，触头开始分离；t₂时刻，导通触发开关S/>，暂态支路开始谐振，同时向感抗变换开关MS₁/>发送分闸信号，经感抗变换开关MS₁/>固有时长后，感抗变换开关MS₁/>开始分闸，但此时流通感抗变换开关MS₁/>电流不为零，暂无法完成开断，高耦合分裂电抗器L₁/>与L₂/>并联接入回路，变感抗设备呈低感抗态，振荡频率与幅值相对高，振荡电流注入主支路机械开关MS₂/>出现电流过零点，电流由主支路转移至暂态支路，系统开始向预充电电容器C/>充电，断路器端电压开始上升；t₃时刻，流过高耦合分裂电抗器L₂/>电流衰减为零，感抗变换开关MS₁/>完成开断，高耦合分裂电抗器/>单独接入暂态支路，呈高感抗状态，由于电流已转移至暂态支路，感抗变换开关MS₁/>的开断此时只影响系统对预充电电容器C/>的充电速度；t₄时刻，断路器端电压被充电至耗能支路避雷器/>动作电压，电流换流耗能支路，暂态支路与系统形成阻尼谐振；t₅时刻，关断触发开关/>；t₆时刻，避雷器/>消耗完系统剩余能量，完成直流开断。

当系统发生轻微故障，产生较低幅值故障电流或开断负载电流并出现电弧重燃时，图8所示的机械式直流断路器开断波形及时序如图9（b）所示。

t₁时刻，断路器收到开断指令，立刻向主支路快速机械开关MS₂ 发送分闸信号，经快速机械开关MS₂/>固有时延后，触头开始分离；t₂时刻，导通触发开关S/>，暂态支路开始谐振，同时向感抗变换开关MS₁/>发送分闸信号，经感抗变换开关MS₁/>固有时长后，感抗变换开关MS₁/>开始分闸，但此时流过感抗变换开关MS₁/>电流不为零，暂无法完成开断，高耦合分裂电抗器L₁/>与L₂/>并联接入回路，变感抗设备呈低感抗态，振荡频率与幅值相对高，注入振荡电流将在快速机械开关MS₂/>电流过零点处出现较大的电流下降率di/dt，导致机械开关MS₂/>断口电弧重燃，无法直接开断，电流无法转移至暂态支路；t₃时刻，流过高耦合分裂电抗器L₂ 电流衰减为零，感抗变换开关MS₁/>完成开断，高耦合分裂电抗器L₁/>单独接入暂态支路，呈高感抗状态，所产生的振荡电流频率及幅值均较低，使机械开关MS₂/>在电流过零处耐受较小的di/dt及ITIV，机械开关MS₂/>完成开断，电流开始由主支路向暂态支路转移，并且系统开始向预充电电容器C/>充电，断路器端电压开始上升；t₄时刻，断路器端电压被充电至耗能支路避雷器/>动作电压，电流换流耗能支路，暂态支路与系统形成阻尼谐振；t₅时刻，关断触发开关S/>；t₆时刻，避雷器/>消耗完系统剩余能量，完成直流开断。

实施例三

如图10（a）所示，变感抗设备采用高耦合电抗器串并联变换方案。

变感抗设备由电抗器L₀ 、n对高耦合分裂电抗器L₁/>~L_2n/>与2n个感抗变换开关RS₁ ~RS_2n/>组成，n对高耦合分裂电抗器L₁/>~L_2n/>并联后再与电抗器L₀/>并联，组成2n个网孔，每个网孔包含一个感抗变换开关，感抗变换开关在网孔左右交替分布，通过控制感抗变换开关RS₁/>~RS_2n/>实现电抗器L₀/>、高耦合分裂电抗器L₁/>~L_2n/>串联-并联拓扑转换，以改变谐振频率及幅值。其中感抗变换开关RS₁/>~RS_2n/>为具有快分功能并能承受电抗器或高耦合分裂电抗器电压的固态开关设备，包括但不限于全控型功率半导体器件并联电容、晶闸管并联电容、反串联的带反向二极管IGBT。

如图10（b）所示，当变感抗设备处于高感抗状态时，感抗变换开关RS₁ ~RS_2n/>截止，所有高耦合分裂电抗器同名端同向串联，并与电抗器L₀/>串联，等效电抗大小为；如图10（c）所示，当变感抗设备处于低感抗状态时，感抗变换开关RS₁/>~RS_2n/>导通，高耦合分裂电抗器L₁/>~L_2n/>和电抗器L₀/>均并联，等效电感导纳为，其中/>为耦合系数。

如图11所示，在一个变感抗设备采用高耦合电抗器串并联变换的具体实施例中，感抗变换开关RS₁ ~RS_2n/>采用机械开关IGBT反串联拓扑，触发开关S/>采用晶闸管反并联二极管。本实施例与实施例一中的具体实施例相比，其开断波形与时序基本一致。区别在于，实施例三中，当系统发生严重故障和轻微故障，t₂时刻，导通触发开关S/>，暂态支路开始谐振，并同时触发感抗变换开关/>和/>，高耦合分裂电抗器L₁/>、L_2n/>与电抗器L₀/>并联呈低感抗状态；t₃时刻，截止感抗变换开关/>和/>，高耦合分裂电抗器L₁/>、L_2n/>同名端同向串联并与电抗器L₀/>串联。

当系统发生严重故障，产生高幅值故障电流，图12所示的机械式直流断路器开断波形及时序如图6（a）所示。

当系统发生轻微故障，开断较低幅值故障电流或负载电流时，图12所示的机械式直流断路器开断波形及时序如图6（b）所示。

实施例一至实施例三中的触发开关为具有快合功能的开关设备，包括但不限于触发球隙开关、快速关合功能机械开关、晶闸管开关、全控型功率半导体器件。

上述实施例一至实施例三公开的方案都能够改变感抗参数，从而改变暂态支路的LC振荡电流，感抗变换开关能使电抗器由低感抗变为高感抗，不仅保证额定故障电流，又降低开断小电流开断时机械开关电流过零点di/dt（基本与额定故障电流开断时一致）；在小电流开断时，较大的电抗能分走更多电压，使机械开关耐受更小ITIV；综合减小机械开关耐受电气应力，不易产生机械开关电弧重燃。

下述实施例四和实施例五在实施例一至实施例三公开的变感抗机械式直流断路器基础上进行改进，以适用于更高电压等级的应用场景。

实施例四

如图12所示，变感抗机械式直流断路器采用模块化单元连接，包括n个串联的直流断路器模块，每个直流断路器模块由主支路、暂态支路和耗能支路并联组成。

每条主支路由一个机械开关构成，则共有n个机械开关：；每条暂态支路由预充电电容器、变感抗设备和触发开关串联构成，则共有n个预充电电容：，n个变感抗设备：/>，n个触发开关：/>；每条耗能支路由一个避雷器构成，则共有n个避雷器：。

实施例五

如图13所示，变感抗机械式直流断路器采用组合化单元连接，由主支路、暂态支路和耗能支路并联组成。

主支路由n个机械开关串联组成；暂态支路由n个预充电电容：/>、n个变感抗设备：/>、和n个触发开关：/>串联组成；耗能支路由n个避雷器串联组成，每个避雷器均与主支路中的一个机械开关并联。

以上显示并描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种变感抗机械式直流断路器，由主支路、暂态支路和耗能支路并联组成，其特征在于，所述暂态支路由预充电电容器、变感抗设备和触发开关串联构成，所述变感抗设备由电抗器组合和感抗变换开关构成；

所述暂态支路在开断过程中通过截止/导通感抗变换开关使得变感抗设备在高感抗/低感抗状态切换，改变暂态支路所产生高频谐振电流的频率、幅值，降低小电流开断工况下机械开关电流过零时的电流变化率di/dt, 从而降低机械式直流断路器在小电流开断工况下，由于电流过零时di/dt过大引起电弧重燃的概率，同时保证额定故障电流开断性能；

所述暂态支路变频率振荡电流波形分为两个阶段，无论开断电流大小，将产生第一阶段高频率、高幅值的电流注入主支路，此时感抗变换开关导通，变感抗设备呈低感抗状态；一定时延后，感抗变换开关截止，变感抗设备切换呈高感抗状态，高感抗的暂态支路将产生低频率、低幅值的第二阶段振荡电流，其目的是，开断大电流时，第一阶段高频率、高幅值振荡电流注入主支路，机械开关断口快速出现人工电流过零，完成电流由主支路向暂态支路转移；在开断小电流时，第一阶段高频率、高幅值振荡电流在主支路机械开关断口产生di/dt过大，机械断口可能无法直流开断，此情况下第二阶段低频率、低幅值的振荡电流将使机械开关断口随后的电流过零点di/dt降低而易于开断。

2.根据权利要求1所述的变感抗机械式直流断路器，其特征在于，所述主支路由机械开关构成，以低阻正常通流。

3.根据权利要求2所述的变感抗机械式直流断路器，其特征在于，所述耗能支路由避雷器构成，以限压并吸收能量。

4.根据权利要求3所述的变感抗机械式直流断路器，其特征在于，所述变感抗设备由2n+1个电抗器L₀~L_2n与2n个感抗变换开关RS₁~RS_2n组成，所述2n+1个电抗器并联组成2n个网孔，每个网孔包含一个感抗变换开关，感抗变换开关在网孔左右交替分布，通过控制感抗变换开关RS₁~RS_2n实现电抗器L₀~L_2n串联-并联拓扑转换，以改变谐振频率及幅值。

5.根据权利要求3所述的变感抗机械式直流断路器，其特征在于，所述变感抗设备由感抗变换开关RS与一对高耦合分裂电抗器组成，所述感抗变换开关RS/>与高耦合分裂电抗器L₁/>串联后与高耦合分裂电抗器L₂/>并联，通过控制感抗变换开关RS/>实现一对高耦合分裂电抗器单臂-双臂接通，以改变谐振频率及幅值。

6.根据权利要求3所述的变感抗机械式直流断路器，其特征在于，所述变感抗设备由电抗器L₀ 、n对高耦合分裂电抗器L₁/>~L_2n/>与2n个感抗变换开关RS₁/>~RS_2n/>组成，所述n对高耦合分裂电抗器L₁/>~L_2n/>并联后再与电抗器L₀/>并联，组成2n个网孔，每个网孔包含一个感抗变换开关，感抗变换开关在网孔左右交替分布，通过控制感抗变换开关RS₁/>~RS_2n/>实现电抗器L₀/>、高耦合分裂电抗器L₁/>~L_2n/>串联-并联拓扑转换，以改变谐振频率及幅值。

7.根据权利要求3所述的变感抗机械式直流断路器，其特征在于，所述触发开关为具有快合功能的开关设备，包括但不限于触发球隙开关、快速关合功能机械开关、晶闸管开关、全控型功率半导体器件。

8.根据权利要求4或6所述的变感抗机械式直流断路器，其特征在于，所述感抗变换开关为具有快分功能并能承受电抗器或高耦合分裂电抗器电压的固态开关设备，包括但不限于全控型功率半导体器件并联电容、晶闸管并联电容、反串联的带反向二极管IGBT。

9.根据权利要求5所述的变感抗机械式直流断路器，其特征在于，所述感抗变换开关为具有快分功能并能耐受高耦合分裂电抗器电压的开关设备，包括但不限于机械开关、全控型功率半导体器件。