CN206272216U - 一种无弧直流断路器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种无弧直流断路器，所述断路器采用磁感应转移和电阻限流相结合的方式，断路器包括主电流电路和转移电流电路。转移电流电路具有桥式结构，利用一组单向具有分断功能的组件实现电流的双向分断，相比于现有结构可关断器件的使用量可以减少一半。通过控制触发间隙、高速开关以及功率半导体的动作时序，实现主电流电路的快速开关无弧分闸，同时显著提高断路器分断能力。本实用新型利用转移电流电路内部的限流模块电路快速限制短路故障电流，进而降低开断模块电路的全控型器件的并联组数。与现有的断路器结构相比，大大减少可关断器件使用量，显著减小断路器成本。

Description

一种无弧直流断路器

技术领域

本实用新型属于高压断路器领域，具体涉及一种磁感应转移和电阻限流相结合的无弧直流断路器。

背景技术

目前，高压直流电流开断仅能满足“点对点”式直流输电换流站中负荷电流转换的需求，尚不能开断系统电压下的短路故障电流，其开断速度也受到一定限制。已有研究表明，基于自激振荡过零、强迫振荡过零和混合式开断方法的高压直流短路开断存在着诸多的难点没有解决，导致人们对影响高压直流开断能力和开断速度的主要理论基础尚不清晰。同时，由于对短路电流高压直流开断技术的关注不够，相关的实验数据和经验积累也不足，行业研究人员不得不依靠反复的试验来进行产品的研发，这就大大滞缓了研发进度并增加了成本，限制了产品的优化设计和性能的提高。由此可见，开展高压直流开断技术相关研究的任务十分迫切。

典型的混合式断路器利用全控型电力电子器件实现电流的快速转移和分断，成本昂贵并且需要复杂的水冷系统，难以在未来中高压直流系统中推广。为了减少全控型电力电子器件的使用量，提出了一种一种磁感应转移和电阻限流相结合的无弧直流断路器。利用感应模块利用感应模块快速将电流转移至电容和电阻，一方面可以实现快速开关无弧分闸，提高断口耐压能力；另一方面通过电阻限流可以将电流限制在一定的水平以下，然后利用IGBT器件实现电流的关断。这种断路器IGBT器件的使用量可以显著减小到现有断路器的25％，并且不需要复杂的冷却系统，具备转移速度快、耐压能力强、可靠性高等优点，具有较高的可行性。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本实用新型提出一种磁感应转移和电阻限流相结合的无弧直流断路器，所述断路器包括主电流电路和转移电流电路；所述主电流电路用于通过正常工作状态下的电流；所述转移电流电路用于当出现短路故障电流时，实现短路故障电流从主电流电路的转移，并且限制和分断短路故障电流。

所述转移电流电路是由第一电路、第二电路、第三电路、第四电路、感应模块、过压保护模块、电容器和电阻器组成的桥式电路。所述第一电路和第二电路串联后与所述第三电路和第四电路串联形成的电路并联；所述第一电路和第二电路之间具有第一端点；所述第三电路和第四电路之间具有第二端点；所述感应模块中的副边电感器、所述电阻器与电容器并联形成的电路、所述过压保护模块形成串联电路，并连接于所述第一端点与所述第二端点之间形成所述桥式电路。

优选地，所述主电流电路包括高速机械开关和与所述高速机械开关串联的可控器件。

优选地，所述第一电路、第二电路、第三电路、第四电路为真空、气体触发间隙或者高速机械开关及其串并联组合。

优选地，所述感应模块包括：副边电感器、原边电感器、第一互感模块、第二互感模块；所述副边电感器、原边电感器组成互感器，所述原边电感器与第一互感模块、第二互感模块串联形成闭合回路；所述第一互感模块由预充电电容或超导电感组成，所述第二互感模块由具有半控功能的功率半导体器件、气体触发间隙或者真空触发间隙中的一个或多个串并联而成。

优选地，所述副边电感器、原边电感器为空心电感或含磁芯的电感器。

优选地，所述过压保护模块由功率半导体器件与避雷器并联组成，所述功率半导体器件具有关断电流的功能；所述避雷器为压敏电阻或氧化锌阀片组成的避雷器。

优选地，所述电阻器选自碳膜电阻、金属膜电阻、金属氧化膜电阻、线绕电阻、大功率线绕电阻、有机实心电阻、熔断电阻、水泥电阻、超导限流电阻、液态金属电阻、PTC电阻。

优选地，所述主电流电路中快速开关、所述第一电路、第二电路、第三电路、第四电路中的高速机械开关选自基于电磁斥力的高速机械开关、基于高速电机驱动的机械开关或基于爆炸驱动的高速机械开关。

本实用新型具有如下有益效果：

一、转移电流电路采用桥式结构，仅用一组单向具有分断功能的组件就可以实现电流的双向分断，相比于现有结构可关断器件的使用量可以减少50％。

二、通过控制触发间隙、高速开关以及功率半导体的动作时序，可以实现主电流电路的快速开关无弧分闸，显著提高断路器分断能力。

三、利用转移电流电路内部的限流模块电路可以快速限制短路故障电流，进而降低开断模块电路的全控型器件的并联组数。与现有的断路器结构相比，能够大大减少可关断器件使用量，显著减小断路器成本。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明：

图1是本实用新型一个实施例中断路器本体结构示意图；

图2是本实用新型一个实施例中断路器单向工作时的一种结构示意图；

图3是本实用新型一个实施例中断路器单向工作时的另一种结构示意图；

图4是本实用新型一个实施例中分断电流时转移电流电路电流标志示意图；

图5(a)-5(f)给出了分断电流时转移电流电路中各支路电流方向；

图6(a)-6(f)给出了分断电流时转移电流电路中各支路电流方向；

图7是根据本实用新型一个实施例的磁感应转移的限流开断式直流断路器的分断电流时各电路中电流变化曲线图；

图8是本实用新型一个实施例的一种具体实施实例图；

图9是本实用新型一个实施例的另一种具体实施实例图；

图10是本实用新型一个实施例的另一种具体实施实例图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图1-10，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

以下详细描述实际上仅是示例性的而并不意欲限制应用和使用。此外，并不意欲受以上技术领域、背景、简要概述或以下详细描述中呈现的任何明确或暗示的理论约束。除非明确地具有相反的描述，否则词语“包括”及其不同的变型应被理解为隐含包括所述的部件但不排除任意其他部件。

以下结合附图来说明本实用新型的具体实施方式。

在一个实施例中，本实用新型公开了一种磁感应转移和电阻限流相结合的无弧直流断路器，所述断路器包括主电流电路、转移电流电路；

所述主电流电路用于通过正常工作状态下的电流；

所述转移电流电路用于当出现短路故障电流时，实现短路故障电流从主电流电路的转移。

在本实施例中，如图1所示的断路器本体结构示意图，包括主电流电路、转移电流电路以及过电压限制电路。为了更好的说明断路器分断过程，如图2所示给出了断路器电流从左侧向右侧的结构示意图，为体现本实施例包含的混合式断路器具有双向功能，图3给出电流从右侧向左侧的结构示意图。所述断路器能够接受不同方向的系统电流，即为双向断路器。

在一个实施例中，所述主电流电路包括高速机械开关S和相互反并联的晶闸管。

在一个实施例中，所述转移电流电路包括电路1至电路6。

所述电路1与电路2串联，电路3与电路4串联，电路5与电路6串联，电路1与电路2之间的端点、电路3与电路4之间的端点处连接有电路5和电路6。

在本实施例中，所述电路1与电路2串联组成一二转移电路支路，所述一二支路与主电流电路并联；所述电路3与电路4串联组成三四转移电路支路，所述三四支路与主电流电路并联。

在一个实施例中，所述电路1至电路4可以为真空、气体触发间隙或者高速机械开关及其串并联组合；

所述电路5包括原边电感器L0，副边电感器L1，预充电电容或超导电感组成的B1，功率半导体器件或触发间隙组成的B2，电容C以及电阻R，所述原边电感L0和副边电感L1组成互感器，L0和L1可以分别由多个电感串并联组成，所述L0，B1和B2串联，所述电容和电阻并联后与感应模块串联。

所述电路6由具有能够关断电流能力的功率半导体器件与避雷器MOV并联组成。

所述电路1和所述电路2之间的端点，与所述电路3和所述电路4之间的端点，这两个端点之间连接所述电路5与电路6。

在一个实施例中，所述组成互感器的原边电感器和副边电感器为空心电感或含磁芯的电感器。

在一个实施例中，所述电阻器可为碳膜电阻、金属膜电阻、金属氧化膜电阻、线绕电阻、大功率线绕电阻、有机实心电阻、熔断电阻、水泥电阻、超导限流电阻、液态金属电阻、PTC电阻。

在一个实施例中，所述主电流电路中快速开关S或电路1-4中的快速开关包括基于电磁斥力的高速机械开关、基于高速电机驱动的机械开关或基于爆炸驱动的高速机械开关。

在本实施例中，根据权利要求1所述的断路器，其特征在于：所述器件B2为具有半控功能的功率半导体器件、气体触发间隙或者真空触发间隙中的一个或多个串并联而成，其中功率半导体器件包括但不限于晶闸管、IGBT、IGCT、GTO等。

所述电路6中功率半导体器件为全控型功率半导体器件，包括但不限于IGBT、IGCT、GTO中一个或任意多个组合。

在一个实施例中，当所述断路器在正常工作状态下，电流从所述主电流电路流过，此时转移电流电路和过电压限制电路没有电流流过。

在一个实施例中，当发生短路故障，需要分断短路电流时：

如果检测出短路电流的方向为从左向右，控制电路1，电路4导通，电路2，电路3中仍处于断开状态，将电路6中功率半导体器件按导通方向接入电路，电流由主电流电路向电路1、5、6和4组成的1-5-6-4支路转移；

如果检测出短路电流的方向为从右向左，控制电路2，电路3导通，电路1，电路4中仍处于断开状态，将电路6中功率半导体器件按导通方向接入电路，电流由主电流电路向电路2、5、6和3组成的2-5-6-3支路转移。

在本实施例中，图4给出了分断电流时转移电流电路各支路电流标志，其中i为流经断路器的电流，i0为流经主电流电路的电流，i1为流经电路1的电流，i2为流经电路2的电流，i3为流经电路3的电流，i4为流经电路4的电流，i5为流经电路5中B1、B2和L0的电流，i6为流经电路5中L1和电路6的电流，i7为流经过电路6中MOV的电流。

以电流从左向右为例，图5(a)-5(f)、图6(a)-6(f)给出了分断电流时转移电流电路中各支路电流方向，图5(b)是实施例中分断电流时电流向触发间隙或高速开关A1，电路A6，电感器L1，触发间隙或高速开关A4组成的转移支路转移过程电流的方向；图5(c)是实施例中分断电流时电流完全转移到触发间隙或高速开关A1，电路A6，电感器L1，触发间隙或高速开关A4组成的转移支路转移过程电流的方向。具体的为对应从t0到t5各时刻的各支路电流方向。图7是根据图5(a)-5(f)实施例对应的磁感应转移的限流开断式直流断路器的分断电流时各电路中电流变化曲线图。

其具体的操作步骤包括以下几个方面(以电流方向从左向右为例)：

1)系统正常运行，电流全部从主电流电路流过，如图5(a)所示，其中系统额定电流为I。预充电电容或超导电感B1预充电。电路1、2、6均处于断开状态，S1、S2闭合。

2)t0时刻，系统发生短路故障，主电流电路电流开始上升，在t0和t1间，当超过系统短路阈值时，控制系统检测到短路故障发生。

3)t1时刻，导通器件B2，同时控制导通器件A1、A4和功率半导体器件A6。B1、B2和L0形成放电回路，同时在电感L1中感应出电流。主电流回路电流逐渐向转移电流支路1-5-6-4转移，主电流电路电流减小。如图5(b)所示。

4)t2时刻，快速开关电流全部转移。之后，控制快速开关开始分闸，由于机械延迟的存在，断口并未形成。

5)t3时刻，快速开关无弧分闸，断口形成。如图5(c)所示。

6)t4时刻，转移支路电容器中的电流全部转移至电阻器。如图5(d)所示。

7)t5时刻，感应模块原边电流降低为0。

8)t6时刻，电路6中功率半导体器件关断，避雷器导通。如图5(e)所示，电流开始向避雷器转移。

9)t7时刻，支路1-5-6-4中的电流全部转移至电路6中避雷器，如图5(f)所示，此时断路器两端的电压达到最高值，为开断过程中断路器两端过电压峰值。此后，避雷器中的电流将开始下降，断路器两端的电压也开始缓慢下降，当系统电流小于避雷器的最小导通电流1mA时，避雷器关闭，避雷器两端电压迅速下降。

9)t8时刻，避雷器中的电流为0，断路器开断完成，断路器两端的电压降为系统电压。

类似的，以电流方向从右向左，图6(a)是实施例中分断电流时系统正常运行时电流的方向；图6(b)是本实用新型一个实施例中分断电流时电流向触发间隙或高速开关A2，电感器L1，电路A6，触发间隙或高速开关A4组成的转移支路转移过程电流的方向；图6(c)是实施例中分断电流时电流完全转移到触发间隙或高速开关A2，电感器L1，电路A6，触发间隙或高速开关A3组成的转移支路转移过程电流的方向。

1)系统正常运行，电流全部从主电流电路流过，如图6(a)所示，其中系统额定电流为I。预充电电容或超导电感B1预充电。电路1、2、6均处于断开状态，S1、S2闭合。

2)t0时刻，系统发生短路故障，主电流电路电流开始上升，在t0和t1间，当超过系统短路阈值时，控制系统检测到短路故障发生。

3)t1时刻，导通器件B2，同时控制导通器件A2、A3和功率半导体器件A6。B1、B2和L0形成放电回路，同时在电感L1中感应出电流。主电流回路电流逐渐向转移电流支路2-5-6-3转移，主电流电路电流减小。如图6(b)所示。

4)t2时刻，快速开关电流全部转移。之后，控制快速开关开始分闸，由于机械延迟的存在，断口并未形成。

5)t3时刻，快速开关无弧分闸，断口形成。如图6(c)所示。

6)t4时刻，转移支路电容器中的电流全部转移至电阻器。如图6(d)所示。

7)t5时刻，感应模块原边电流降低为0。

8)t6时刻，电路6中功率半导体器件关断，避雷器导通。如图6(e)所示，电流开始向避雷器转移。

9)t7时刻，支路2-5-6-3中的电流全部转移至电路6中避雷器，如图6(f)所示，此时断路器两端的电压达到最高值，为开断过程中断路器两端过电压峰值。此后，避雷器中的电流将开始下降，断路器两端的电压也开始缓慢下降，当系统电流小于避雷器的最小导通电流1mA时，避雷器关闭，避雷器两端电压迅速下降。

9)t8时刻，避雷器中的电流为0，断路器开断完成，断路器两端的电压降为系统电压。

在一个实施例中，所述主电流电路中快速开关S或电路1-4中的快速开关包括基于电磁斥力的高速机械开关、基于高速电机驱动的机械开关或基于爆炸驱动的高速机械开关。

在一个实施例中，所述电路1至电路4可以为真空、气体触发间隙或者高速机械开关及其串并联组合。

所述电路6中具有关断电流能力的功率半导体器件包括但不限于IGBT、IGCT、GTO中一个或任意多个组合。

所述组成互感器的原边电感器L0和副边电感器L1为空心电感或含磁芯的电感器。

所述B2为具有半控功能的功率半导体器件、气体触发间隙或者真空触发间隙中的一个或多个串并联而成，其中功率半导体器件包括但不限于晶闸管、IGBT、IGCT、GTO等。

在一个实施例中，所述避雷器为压敏电阻或氧化锌阀片组成的避雷器。

在一个实施例中，如图10所示的一种具体的实例图，主电流电路中A0由两组晶闸管反向并联组成。A1、A2、A3、A4为真空触发间隙。A6为多个IGBT串并联组成。B1为预充电电容器，B2为晶闸管。

在一个实施例中，如图8所示的是一种具体实例图，A1、A2、A3、A4为真空触发间隙，A6为IGBT串并联组成。B1为预充电电容器，B2为晶闸管。

在一个实施例中，如图9所示的一种具体实例图，在所示实例中，A1、A2、A3、A4为空气触发间隙。A6为IGCT串并联组成。B1为超导电感，B2为电力二极管。

根据本实用新型，B2为单向导通的功率半导体器件及其组合，所述电路6的功率半导体器件为具有关断电流的能力的功率半导体器件。

本实用新型公开了一种磁感应转移和电阻限流相结合的无弧直流断路器，包括主电流电路，转移电流电路以及过电压限制电路。转移电流电路由真空、气体或者高速开关组成桥式结构，仅需使用一组单向全控型功率半导体器件就可完成分断双向电流。当断路器需要开断电流时，通过控制触发间隙、高速开关以及功率半导体的动作时序，可实现主电流电路高速开关断口无弧分闸，提高耐压能力。所述转移电流电路采用桥式结构，仅用一组单向具有分断功能的组件就可以实现电流的双向分断，相比于现有结构可关断器件的使用量可以减少50％。同时，转移电路内部包含限流模块电路5以及开断模块电路6，通过将主电路的电流转移至限流模块可以进一步降低开断模块中可关断器件的使用量，因此总的可关断器件使用量变为原来的25％，显著减小断路器成本。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式仅限于此，对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本实用新型由所提交的权利要求书确定保护范围。

Claims (11)

1.一种无弧直流断路器，其特征在于：所述断路器包括主电流电路和转移电流电路；

所述主电流电路用于通过正常工作状态下的电流；

所述转移电流电路用于当出现短路故障电流时，实现短路故障电流从主电流电路的转移，并且限制和分断短路故障电流；

所述转移电流电路是由第一电路(1)、第二电路(2)、第三电路(3)、第四电路(4)、感应模块(5)、过压保护模块(6)、电容器(C)和电阻器(R)组成的桥式电路；

所述第一电路(1)和第二电路(2)串联后与所述第三电路(3)和第四电路(4)串联形成的电路并联；所述第一电路(1)和第二电路(2)之间具有第一端点；所述第三电路(3)和第四电路(4)之间具有第二端点；所述感应模块(5)中的副边电感器(L1)、所述电阻器(R)与电容器(C)并联形成的电路、所述过压保护模块(6)形成串联电路，并连接于所述第一端点与所述第二端点之间形成所述桥式电路。

2.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述主电流电路包括高速机械开关(S)和与所述高速机械开关串联的可控器件(A0)。

3.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述第一电路(1)、第二电路(2)、第三电路(3)、第四电路(4)为真空、气体触发间隙或者高速机械开关及其串并联组合。

4.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述感应模块(5)包括：副边电感器(L1)、原边电感器(L0)、第一互感模块(B1)、第二互感模块(B2)；所述副边电感器(L1)、原边电感器(L0)组成互感器，所述原边电感器(L0)与第一互感模块(B1)、第二互感模块(B2)串联形成闭合回路；所述第一互感模块(B1)由预充电电容或超导电感组成。

5.根据权利要求4所述的直流断路器，其特征在于，所述副边电感器(L1)、原边电感器(L0)为空心电感或含磁芯的电感器。

6.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述过压保护模块(6)由功率半导体器件(A6)与避雷器(MOV)并联组成，所述功率半导体器件(A6)具有关断电流的功能。

7.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述电阻器(R)选自碳膜电阻、金属膜电阻、线绕电阻、有机实心电阻、熔断电阻、水泥电阻、超导限流电阻、液态金属电阻、PTC电阻。

8.根据权利要求3所述的直流断路器，其特征在于，所述主电流电路中快速开关(S)、所述第一电路(1)、第二电路(2)、第三电路(3)、第四电路(4)中的高速机械开关选自基于电磁斥力的高速机械开关、基于高速电机驱动的机械开关或基于爆炸驱动的高速机械开关。

9.根据权利要求6所述的直流断路器，其特征在于，所述避雷器(MOV)为压敏电阻或氧化锌阀片组成的避雷器。

10.根据权利要求4所述的直流断路器，其特征在于，所述第二互感模块(B2)由具有半控功能的功率半导体器件、气体触发间隙或者真空触发间隙中的一个或多个串并联而成。

11.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述电阻器(R)选自金属氧化膜电阻、大功率绕线电阻。