CN205212404U - 一种高压混合式直流断路器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高压混合式直流断路器，包括主电流电路、电流转移电路、能量吸收电路、系统接线端J1和J2，本实用新型能显著减小断路器长期通流损耗，加速分断过程中的电流转移速度，提高断路器的分断能力及工作可靠性，适用于高压直流电力系统，当系统出现故障时，断路器能够快速分断，实现系统护保和故障隔离。
Description
技术领域
本实用新型属于电力系统故障保护技术领域，具体涉及一种高压混合式直流断路器。
背景技术
随着直流电力系统不断地向高压、大容量方向发展，传统的机械断路器越来越不能满足系统故障保护的需求，混合式直流断路器是直流电力系统故障保护技术发展的新方向。尤其是在高压直流输电领域，由于真正具有短路分断能力高压直流断路器技术的落后，阻碍了高压直流输电系统向多端系统的发展。随着柔性直流输电技术的不断发展，迫切需要能够实现短路电流分断的高压直流断路器。
混合式直流断路器的两种基本结构分别是零电流开关和零电压开关。
如图1所示，零电流开关通过LC强迫换流电路实现机械开关S电流过零分断，机械开关S电流过零时di/dt很高，导致大电流分断可靠性较低。
如图2所示，零电压开关通过机械开关S分断时的电弧电压，实现电流向全控型半导体器件IGBT的转移，然后通过IGBT将电流关断；在高压系统中，机械开关S和IGBT之间回路的杂散电感很大，机械开关S较低的电弧电压难以实现短路电流的快速转移，致使分断失败。
西门子公司的混合式断路器专利(W02013/093066A1)和ABB公司的混合式断路器专利(W02011141054A1)均采用机械开关和全控型半导体开关串联作为主电流通路，分断过程中全控型半导体开关关断迫使电流向旁路电容或半导体开关中转移，实现机械开关电流过零分断。由于主电流通路中全控型半导体开关通态压降较大，导致断路器长期导通损耗较大，半导体开关需要额外配置散热设备。
实用新型内容
为了克服现有技术的缺点和不足，本实用新型的目的是提供一种高压混合式直流断路器，能显著减小断路器长期通流损耗，加快分断过程中的电流转移速度，提高断路器的分断能力及工作可靠性。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高压混合式直流断路器，包括主电流电路、电流转移电路、能量吸收电路、系统接线端J1和J2，所述的主电流电路、电流转移电路和能量吸收电路并联，并联电路的第一联结端与所述的系统接线端J1连接，并联电路的第二联结端与所述的系统接线端J2连接；所述的主电流电路包括真空开关模块VB和磁场发生电路，所述真空开关模块VB是至少由一个真空开关构成的串并联组件，所述真空开关是基于电磁斥力原理构成的快速真空开关；所述的磁场发生电路是由预充电电容C1、线圈L1和控制开关S1依次串联构成的脉冲磁场回路，所述的真空开关模块VB和磁场发生电路之间没有电气连接关系，所述的线圈L1与所述的真空开关模块VB尽量靠近，线圈L1的法向与真空开关模块VB中电流方向垂直；所述的电流转移电路包括至少由一个半导体开关串并联构成的半导体开关组件T；所述的能量吸收电路是由多个压敏电阻单元串并联构成的压敏电阻组件MOV。
所述的一种高压混合式直流断路器，其磁场发生电路中的控制开关S1接通时，所述的预充电电容C1通过所述的线圈L1放电，所述的线圈L1产生与所述的真空开关模块VB中电流方向垂直的横向磁场B。
所述的一种高压混合式直流断路器，其半导体开关组件T由至少一个全控型半导体器件串并联构成，所述的全控型半导体器件为GTO、IGCT或IGBT。
所述的一种高压混合式直流断路器，其半导体开关组件T由至少一个半控型半导体器件串并联构成，所述的半控型半导体器件采用晶闸管时，晶闸管两端需要并联强迫关断电路；所述的强迫关断电路由预充电电容C2、电感L2和控制开关S2依次串联构成，所述的控制开关S2为至少由一个晶闸管或真空触发开关串并联构成的开关组件；所述的控制开关S2接通时，所述的预充电电容C2通过所述的电感L2放电产生脉冲大电流，迫使所述的半导体开关组件T电流过零关断。
所述的一种高压混合式直流断路器，采用以下任一方式实现双向分断功能：
半导体开关组件T采用全控型半导体器件反向串联组件T1或二极管桥式电路与单相全控型半导体器件构成的组件T2；
半导体开关组件T采用晶闸管反向并联组件T3、二极管桥式电路与单相晶闸管构成的组件T4实现断路器的双向分断功能，所述的半导体开关组件T3或T4通过预充电电容、电感与晶闸管桥构成的桥式强迫关断电路T5进行关断。
本实用新型的有益效果是：
1、长期额定通流损耗小，带负载能力强。
2、分断过程电弧电压高，电流转移速度快。
3、断路器分断能力强，工作可靠性高。
4、断路器容易实现双向分断功能。
附图说明
图1为现有的零电流开关方案的示意图；
图2为现有的零电压开关方案的示意图；
图3为本实用新型的高压混合式直流断路器方案的示意图；
图4为本实用新型具体实施例1中方案的示意图；
图5为本实用新型具体实施例1中的预期分断波形；
图6为本实用新型具体实施例2中方案的示意图；
图7为本实用新型具体实施例2中的预期分断波形；
图8为本实用新型双向半导体开关组件T1的结构示意图；
图9为本实用新型双向半导体开关组件T2的结构示意图；
图10为本实用新型双向半导体开关组件T3的结构示意图；
图11为本实用新型双向半导体开关组件T4的结构示意图；
图12为本实用新型桥式强迫关断电路T5的结构示意图。
各附图标记为：1—主电流电路，2—电流转移电路，3—能量吸收电路，4磁场发生电路，5—强迫关断电路，J1—系统接线端，J2—系统接线端，S1—控制开关，S2—控制开关。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
参照图3所示，本实用新型公开了一种高压混合式直流断路器，包括主电流电路1、电流转移电路2、能量吸收电路3、系统接线端J1和系统接线端J2，其中：
所述的主电流电路1、电流转移电路2和能量吸收电路3并联，并联电路的第一联结端与所述的系统接线端J1连接，并联电路的第二联结端与所述的系统接线端J2连接；
所述的主电流电路1包括真空开关模块VB和磁场发生电路4，所述真空开关模块VB是至少由一个真空开关构成的串并联组件，所述真空开关是基于电磁斥力原理构成的快速真空开关；
所述的磁场发生电路4是由预充电电容C1、线圈L1和控制开关S1依次串联构成的脉冲磁场回路，所述的真空开关模块VB和磁场发生电路4之间没有电气连接关系，所述的线圈L1与所述的真空开关模块VB尽量靠近，线圈L1的法向与真空开关模块VB中电流方向垂直；
所述的电流转移电路2包括至少由一个半导体开关串并联构成的半导体开关组件T；
所述的能量吸收电路3是由多个压敏电阻单元串并联构成的压敏电阻组件MOV。
所述的磁场发生电路4中的控制开关S1接通时，所述的预充电电容C1通过所述的线圈L1放电，所述的线圈L1产生与所述的真空开关模块VB中电流方向垂直的横向磁场B。
所述的半导体开关组件T由至少一个全控型半导体器件串并联构成，所述的全控型半导体器件为GTO、IGCT或IGBT。
所述的半导体开关组件T由至少一个半控型半导体器件串并联构成，所述的半控型半导体器件采用晶闸管时，晶闸管两端需要并联强迫关断电路5；所述的强迫关断电路5由预充电电容C2、电感L2和控制开关S2依次串联构成，所述的控制开关S2为至少由一个晶闸管或真空触发开关串并联构成的开关组件；所述的控制开关S2接通时，所述的预充电电容C2通过所述的电感L2放电产生脉冲大电流，迫使所述的半导体开关组件T电流过零关断。
高压混合式直流断路器采用以下任一方式实现双向分断功能:
(a)所述半导体开关组件T采用全控型半导体器件反向串联组件T1或二极管桥式电路与单相全控型半导体器件构成的组件T2；
(b)所述的半导体开关组件T采用晶闸管反向并联组件T3、二极管桥式电路与单相晶闸管构成的组件T4实现断路器的双向分断功能，所述的半导体开关组件T3或T4通过预充电电容、电感与晶闸管桥构成的桥式强迫关断电路T5进行关断。
一种高压混合式直流断路器短路故障分断过程的的控制方法，包括如下步骤：a)、在高压直流电力系统正常工作阶段，主电流电路1中的真空开关模块VB处于闭合状态，导通负载电流；b)、当系统出现短路故障后，真空开关模块VB分断，磁场发生电路4导通，产生能显著提高VB分断电弧电压的横向磁场B，横向磁场B能显著提高真空开关模块VB分断过程中的电弧电压；c)、在真空开关模块VB分断的同时，电流转移电路中的半导体开关组件T导通，在真空开关模块VB电弧电压的作用下，电流迅速从真空开关模块VB向半导体开关组件T中转移；d)、电流完全转移至半导体开关组件T之后，延时至真空开关模块VB的触头分开到足够开距时，半导体开关组件T关断；e)、当半导体开关组件T两端电压增加到压敏电阻组件MOV的开通值后，压敏电阻组件MOV导通吸收系统能量并限制过电压，实现对故障电流的限制并最终使其减小为零。
实施例1
参见图4所示，电流转移电路2半导体开关组件T采用单相IGBT(作为全控型半导体器件典型)组件，构成单向通流的高压混合式直流断路器，断路器通过系统接入端J1和系统接入端J2接入直流电力系统。
断路器故障分断过程如下：
参见图5所示，在t<t 0阶段，真空开关模块VB处于闭合状态，负载电流从真空开关模块VB中流过，在t=t 0时刻，系统发生短路故障，真空开关模块VB电流i VB随着短路电流i 0的增加开始上升；
在t=t 1时刻，真空开关模块VB分断、IGBT开通，同时L1-C1磁场发生电路导通产生横向磁场B，将真空开关模块VB分断时的电弧电压提高到上千伏，在电弧电压的作用下，电流被迫从真空开关模块VB向IGBT中转移，结果i VB减小，i IGBT增加；
在t=t 2时刻，电流完全转移至IGBT中，真空开关模块VB电流为零，此后短路电流完全由IGBT承担，i 0逐渐增加；
在t=t 3时刻，真空开关模块VB触头达到足够的开距，IGBT关断，由于IGBT关断速度很快，断路器电压u 0瞬间增加到压敏电阻组件MOV的开通值，压敏电阻组件MOV开通吸能并限制系统过电压，结果i MOV增加，短路电流i 0到达峰值；
在t=t 4时刻，IGBT关断结束，电流减小为零，压敏电阻组件MOV电流达到峰值，断路器电压u 0增加到最大值，此后短路电流完全由压敏电阻组件MOV承担；
随着直流系统能量不断被压敏电阻组件MOV吸收，短路电流i 0随着电流i MOV逐渐减小，最终在t=t 5时刻能量吸收完毕，电流减小为零，分断过程结束，断路器电压u 0降至系统电源电压。
实施例2
参见图6所示，电流转移电路2半导体开关组件T采用单相晶闸管组件，采用强迫关断电路5对晶闸管进行关断，强迫关断电路5中的控制开关S2采用晶闸管，构成单向通流的高压混合式直流断路器，断路器通过系统接入端J1和系统接入端J2接入直流电力系统。
断路器故障分断过程如下：
参见图7所示，在t<t 0阶段，真空开关模块VB处于闭合状态，负载电流从真空开关模块VB中流过，在t=t 0时刻，系统发生短路故障，真空开关模块VB电流i VB随着短路电流i 0的增加开始上升；
在t=t1时刻，真空开关模块VB分断、晶闸管开通，同时L1-C1磁场发生电路导通产生横向磁场B，将真空开关模块VB分断时的电弧电压提高到上千伏，在电弧电压的作用下，电流被迫从真空开关模块VB向晶闸管中转移，结果i VB减小，i T增加；
在t=t 2时刻，电流完全转移至晶闸管中，真空开关模块VB电流为零，此后短路电流完全由晶闸管承担，i 0逐渐增加；
在t=t 3时刻，真空开关模块VB触头达到足够的开距，L2-C2强迫关断电路导通，电容C2放电产生脉冲大电流，迫使晶闸管的电流逐渐向L2-C2电路中转移，结果i T减小，i C2增加；
在t=t 4时刻，晶闸管电流减小为零而自然关断，此后短路电流完全由L2-C2电路承担，i 0随着电容C2的反向充电电流i C2逐渐增加，电容C2电压u C2和断路器电压u 0从反向逐渐向正向增加；
在t=t 5时刻，由于电容C2的反向充电过程使断路器电压u 0达到系统电源电压，结果短路电流i 0达到峰值，此后随着电压u 0的不断增加，短路电流i 0开始减小；
在t=t 6时刻，断路器电压u 0增加到压敏电阻组件MOV的开通值，压敏电阻组件MOV开通吸能并限制系统过电压，电流从L2-C2电路向压敏电阻组件MOV中转移，结果i MOV增加，i C2减小；
在t=t 7时刻，L2-C2电路电流i C2减小为零，开关S2中的晶闸管关断，压敏电阻组件MOV电流i MOV达到峰值，相应的断路器电压u 0和电容电压u C2电压均达到最大；
此后短路电流完全由压敏电阻组件MOV承担，随着直流系统能量不断被压敏电阻组件MOV吸收，短路电流i 0随着电流i MOV逐渐减小，最终在t=t 8时刻能量吸收完毕，电流减小为零，分断过程结束，断路器电压u 0降至系统电源电压。
实施例3
参见图8所示，电流转移电路2半导体开关组件T采用IGBT(作为全控型半导体器件典型)反向串联构成的组件T1。在分断过程中，根据真空开关模块VB中的正、反向工作电流，分别使IGBT1或IGBT2工作，实现高压混合式直流断路器的双向分断功能。
详细的正向或反向分断过程同实施例1。
实施例4
参见图9所示，电流转移电路2半导体开关组件T采用二极管桥式电路与单相IGBT(作为全控型半导体器件典型)构成的组件T2。
在分断过程中，根据真空开关模块VB中不同方向的工作电流，二极管桥臂D1-D4或D2-D3分别自然导通，单相IGBT组件通流，实现高压混合式直流断路器的双向分断功能。详细的正向或反向分断过程同实施例1。
实施例5
参见图10和图12所示，电流转移电路2半导体开关组件T采用晶闸管反向并联构成的组件T3，晶闸管关断电路采用桥式强迫关断电路T5。
在分断过程中，根据真空开关模块VB中的正、反向工作电流，分别使晶闸管组件T31或T32导通。若T31导通，则桥式强迫关断电路T5中晶闸管桥臂T51-T54导通；若T32导通，则桥式强迫关断电路T5中晶闸管桥臂T52-T53导通。实现高压混合式直流断路器的双向分断功能。
详细的正向或反向分断过程同实施例2。
实施例6
参见图11和图12所示，电流转移电路2半导体开关组件T采用二极管桥式电路与单相晶闸管构成的组件T4，晶闸管关断电路采用桥式强迫关断电路T5。
在分断过程中，根据真空开关模块VB中的正、反向工作电流，二极管桥臂D1-D4或D2-D3分别自然导通，单相晶闸管组件通流。若D1-D4导通，则桥式强迫关断电路T5中晶闸管桥臂T51-T54导通；若D2-D3导通，则桥式强迫关断电路T5中晶闸管桥臂T52-T53导通。实现高压混合式直流断路器的双向分断功能。
详细的正向或反向分断过程同实施例2。
本实用新型通过在分断过程中给真空开关模块VB施加横向磁场，能够显著提高真空开关的电弧电压，加速电流从真空开关模块VB向半导体开关的转移过程，提高混合式直流断路器的分断能力和工作可靠性。由于主电流电路只包括真空开关，断路器的长期额定电流损耗很小，并能比较容易地实现双向分断功能。
上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。
Claims (6)
1.一种高压混合式直流断路器，包括主电流电路（1）、电流转移电路（2）、能量吸收电路（3）、系统接线端J1和J2，其特征在于：
所述的主电流电路（1）、电流转移电路（2）和能量吸收电路（3）并联，并联电路的第一联结端与所述的系统接线端J1连接，并联电路的第二联结端与所述的系统接线端J2连接；
所述的主电流电路（1）包括真空开关模块VB和磁场发生电路（4），所述真空开关模块VB是至少由一个真空开关构成的串并联组件，所述真空开关是基于电磁斥力原理构成的快速真空开关；
所述的磁场发生电路（4）是由预充电电容C1、线圈L1和控制开关S1依次串联构成的脉冲磁场回路，所述的真空开关模块VB和磁场发生电路（4）之间没有电气连接关系，所述的线圈L1与所述的真空开关模块VB尽量靠近，线圈L1的法向与真空开关模块VB中电流方向垂直；
所述的电流转移电路（2）包括至少由一个半导体开关串并联构成的半导体开关组件T；
所述的能量吸收电路（3）是由多个压敏电阻单元串并联构成的压敏电阻组件MOV。
2.根据权利要求1所述的一种高压混合式直流断路器，其特征在于，所述的磁场发生电路（4）中的控制开关S1接通时，所述的预充电电容C1通过所述的线圈L1放电，所述的线圈L1产生与所述的真空开关模块VB中电流方向垂直的横向磁场B。
3.根据权利要求1所述的一种高压混合式直流断路器，其特征在于，所述的半导体开关组件T由至少一个全控型半导体器件串并联构成，所述的全控型半导体器件为GTO、IGCT或IGBT。
4.根据权利要求1所述的一种高压混合式直流断路器，其特征在于，所述的半导体开关组件T由至少一个半控型半导体器件串并联构成，所述的半控型半导体器件采用晶闸管时，晶闸管两端需要并联强迫关断电路(5)；所述的强迫关断电路（5）由预充电电容C2、电感L2和控制开关S2依次串联构成，所述的控制开关S2为至少由一个晶闸管或真空触发开关串并联构成的开关组件；所述的控制开关S2接通时，所述的预充电电容C2通过所述的电感L2放电产生脉冲大电流，迫使所述的半导体开关组件T电流过零关断。
5.根据权利要求1或3或4所述的一种高压混合式直流断路器，其特征在于，所述的半导体开关组件T采用全控型半导体器件反向串联组件T1或二极管桥式电路与单相全控型半导体器件构成的组件T2实现断路器的双向分断功能。
6.根据权利要求1或3或4所述的一种高压混合式直流断路器，其特征在于，所述的半导体开关组件T采用晶闸管反向并联组件T3、二极管桥式电路与单相晶闸管构成的组件T4实现断路器的双向分断功能，所述的半导体开关组件T3或T4通过预充电电容、电感与晶闸管桥构成的桥式强迫关断电路T5进行关断。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201520934639.7U CN205212404U (zh) | 2015-11-20 | 2015-11-20 | 一种高压混合式直流断路器 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN201520934639.7U CN205212404U (zh) | 2015-11-20 | 2015-11-20 | 一种高压混合式直流断路器 |
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| CN205212404U true CN205212404U (zh) | 2016-05-04 |
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| CN201520934639.7U Withdrawn - After Issue CN205212404U (zh) | 2015-11-20 | 2015-11-20 | 一种高压混合式直流断路器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN205212404U (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105305366A (zh) * | 2015-11-20 | 2016-02-03 | 中国船舶重工集团公司第七一二研究所 | 一种高压混合式直流断路器及其控制方法 |
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| EP3745440B1 (en) * | 2019-04-23 | 2023-02-08 | Xi'an Jiaotong University | Oscillating dc circuit breaker based on vacuum interupter with magnetic blow integrated and breaking method thereof |
-
2015
- 2015-11-20 CN CN201520934639.7U patent/CN205212404U/zh not_active Withdrawn - After Issue
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20160504 Effective date of abandoning: 20180504 |
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| AV01 | Patent right actively abandoned |