CN204761002U - 一种模块化电力电子高压直流断路器 - Google Patents

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张波
徐琪
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Abstract

本实用新型公开一种模块化电力电子高压直流断路器，由多个混合开关模块串联组成，每个混合开关模块均各自包括两个机械开关、两个电力电子开关和均压保护电路，其中一个机械开关相应地与一个电力电子开关并联；所有所述机械开关的端口串联。本实用新型正常通态损耗小，在线路正常运行时，电流只流经机械开关，不流经电力电子开关，几乎不产生损耗；本实用新型采用多个机械开关串联，单个机械开关电压应力小；本实用新型利用均压保护电路能够较好的解决当电力电子开关导通不同步的分压问题本实用新型不仅仅适用于高压直流输电的保护，所述模块还可以适用于使用直流电的行业。

Description

一种模块化电力电子高压直流断路器
技术领域
本实用新型涉及电力电子高压直流保护技术，具体涉及一种电力电子高压直流断路器。
背景技术
高压直流断路器目前有混合式直流断路器(如ABB提出的混合式直流断路器），混合式直流断路器开断电流能力及工作电压等级取决于电力电子器件，但由于目前IGBT等全控型电力电子器件单管额定电压、电流均有限，在高压、大电流应用场合下，解决多管串、并联等一系列技术问题难度较大，对IGBT器件的制造一致性和同步驱动控制要求很高，若其中一个IGBT不能与其他IGBT一起导通，它将承受全部高压而损坏，由此导致其他IGBT的因承受高压而连锁损坏。ABB提出的混合式直流断路器，采用了传统的开关技术和半导体器件，既解决了纯机械高压直流断路器开关速度慢的缺点，又解决了基于半导体高压直流断路器传导损耗较大的缺点，但是在其中多个电力电子器件串联，使用避雷器避免过电压，内部的电力电子器件极易因不同步导通而击穿。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，解决电力电子器件的均压问题，提供一种模块化电力电子高压直流断路器。
本实用新型不仅仅适用于高压直流输电的保护，还可以适用于使用直流电的行业。
本实用新型可以通过如下技术方案实现。
一种模块化电力电子高压直流断路器，由多个混合开关模块串联组成，每个混合开关模块均各自包括两个机械开关、两个电力电子开关和均压保护电路，其中一个机械开关相应地与一个电力电子开关并联；所有所述机械开关的端口串联。
进一步优化实施地，第一电力电子开关包括第一IGBT和与第一IGBT反向串联的第一二极管；第二电力电子开关包括第二IGBT和与第二IGBT反向串联的第二二极管。
进一步优化实施地，均压保护电路包括第一电力电容、第一电力电容、第一电阻、第二电阻、第一电力二极管、第二电力二极管；其中第一电力电容负极与第一电力二级管正极连接，第一电力电容正极分别与第一IGBT集电极连接和第二电阻一端连接，第二电阻另一端和第二电力电容的正极连接，第一电力二级管负极和第一IGBT发射极连接；第二电力二级管负极第二电力电容正连接，第二电力电容负极极分别与第二IGBT发射极和第一电阻一端连接，第一电阻另一端和第一电力电容的负极连接，第二电力二级管正极和第二IGBT集电极极连接。
本实用新型利用均压保护电路，在电路开断过程中，IGBT不能同步导通，起到缓冲均压的作用，不致产生过电压，可以改善IGBT的工作条件，延长使用寿命。
与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和技术效果：
本实用新型正常通态损耗小，在线路正常运行时，电流只流经机械开关，不流经电力电子开关，几乎不产生损耗；
本实用新型采用多个机械开关串联，单个机械开关电压应力小；
本实用新型利用均压保护电路能够较好的解决当电力电子开关导通不同步的分压问题；
本实用新型采用模块化结构，维护方便，损坏只需要替换掉响应模块；可以通过改变模块数目灵活改变适用于各种电压等级。
附图说明
图1是实例中所述模块化电力电子高压直流断路器的混合开关模块电路图。
图2是实例中所述模块化电力电子高压直流断路器电路图。
图3是实例中所述的一种模块化电力电子高压直流断路器模的一种应用实例的电路图。
图4是实例中模块化电力电子高压直流断路器故障时关断电路时IGBT电压波形图。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本实用新型的具体实施作进一步说明，但本实用新型的实施和保护范围不限于此。
如图2所示，一种模块化电力电子高压直流断路器，由多个混合开关模块1串联组成。
如图1所示，每个混合开关模块均各自包括两个机械开关（K1、K2）、两个电力电子开关和均压保护电路，其中一个机械开关相应地与一个电力电子开关并联；所有所述机械开关的端口串联。第一电力电子开关包括第一IGBTT1和与第一IGBTT1反向串联的第一二极管D3；第二电力电子开关包括第二IGBTT2和与第二IGBTT2反向串联的第二二极管D4。均压保护电路包括第一电力电容C1、第一电力电容C2、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电力二极管D1、第二电力二极管D2；其中第一电力电容C1负极与第一电力二级管正极连接，第一电力电容C1正极分别与第一IGBTT1集电极连接和第二电阻R2一端连接，第二电阻R2另一端和第二电力电容C2的正极连接，第一电力二级管D1负极和第一IGBTT1发射极连接；第二电力二级管D2负极第二电力电容C2正连接，第二电力电容C2负极极分别与第二IGBTT2发射极和第一电阻R1一端连接，第一电阻R1另一端和第一电力电容C1的负极连接，第二电力二级管D2正极和第二IGBTT2集电极极连接。
如图3所示，应用实例中由多个混合开关模块1串联组成的模块化电力电子高压直流断路器，接在电源两端。另有隔离开关K0，其作用是待电路关断后隔离电压，电路干路接入限流电路，所述限流电路包括限流电感L0和缓冲电路，缓冲电路包括第三二极管D0、第三电阻R0，所述限流电感一端分别与第三电阻R0的一端和电流流出端连接，第三电阻R0另一端与第三二极管D0正极连接，第三二极管D0负极和限流电感的另一端分别和电流流入端相接。
限流电路目的是限制短路电流上升。
以下简述模块化电力电子高压直流断路器的工作原理。
在正常工作期间,混合开关模块的机械开关导通，混合开关模块的电力电子开关关断，此时电流流过机械开关电路接通。
如果模块化电力电子高压直流断路器断路器接收到跳闸信号,机械开关先动作跳闸，其断口产生电弧，继而IGBT相继导通，均压保护电路在此过程中充电，起到了缓冲均压的作用，在IGBT全部导通后，电流由机械开关流向模块内IGBT，机械开关断口电弧熄灭，电弧熄灭，关断短路电流；电弧熄灭后发出关断IGBT信号，此时IGBT相继关断，同理，缓冲均压电路充电，至稳态电压，此时电路完全关断。
对图3的电路进行测试，以验证其其均压效果，本实例得到如图4的IGBT电压波形图。
横坐标为时间轴，纵坐标为IGBT电压。
t1时刻直流回路发生短路；t2时刻机械开关跳闸，但两端口燃起电弧；
t3-t4时刻IGBT相继导通，缓冲均压电路由零状态开始充电，由波形图可见，IGBT电压由零开始增加，不会产生过电压；
t4-t5机械开关熄弧，关断短路电流；
t5-t6时间内IGBT相继关断，均压缓冲电路充电到稳态值。

Claims (3)

1.一种模块化电力电子高压直流断路器，其特征是由多个混合开关模块串联组成，每个混合开关模块均各自包括两个机械开关、两个电力电子开关和均压保护电路，其中一个机械开关相应地与一个电力电子开关并联；所有所述机械开关的端口串联。
2.根据权利要求1所述的模块化电力电子高压直流断路器，其特征是：两个电力电子开关中，第一电力电子开关包括第一IGBT(T1)和与第一IGBT(T1)反向串联的第一二极管（D3）；第二电力电子开关包括第二IGBT(T2)和与第二IGBT(T2)反向串联的第二二极管（D4）。
3.根据权利要求1所述的模块化电力电子高压直流断路器，其特征是：均压保护电路包括第一电力电容（C1）、第一电力电容（C2）、第一电阻（R1）、第二电阻（R2）、第一电力二极管（D1）、第二电力二极管（D2）；其中第一电力电容（C1）负极与第一电力二级管正极连接，第一电力电容（C1）正极分别与第一IGBT(T1)集电极连接和第二电阻(R2)一端连接，第二电阻（R2）另一端和第二电力电容（C2）的正极连接，第一电力二级管(D1)负极和第一IGBT(T1)发射极连接；第二电力二级管(D2)负极第二电力电容(C2)正连接，第二电力电容（C2）负极极分别与第二IGBT(T2)发射极和第一电阻(R1)一端连接，第一电阻（R1）另一端和第一电力电容（C1）的负极连接，第二电力二级管(D2)正极和第二IGBT(T2)集电极极连接。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN104934929A (zh) * 2015-06-23 2015-09-23 华南理工大学 一种模块化电力电子高压直流断路器
CN108597926A (zh) * 2018-01-12 2018-09-28 山东大学 一种混合式直流断路器拓扑结构及其控制方法

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