CN208753980U - 一种用于分断故障电流的直流断路器及控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于分断故障电流的直流断路器，包括主电流电路和转移电流电路，主电流电路和转移电流电路并联连接。主电流电路包括一个或多个串联连接的高速机械开关，转移电流电路包括磁耦合转移模块和固态开关电路，磁耦合转移模块和固态开关电路串联连接。本实用新型还公开了一种用于分断故障电流的控制系统。本实用新型能够实现对电流的快速分断，有效降低了断路器的体积及制造成本，利用磁耦合转移模块实现了电流的快速转移，并实现了二次充电电路和主回路的隔离，转移速度快，分断可靠性高。同时，采用续流电路与高速机械开关并联，避免了断路器开断完断口因重击穿造成的分断失败，进一步提高了分断的可靠性。

Description

一种用于分断故障电流的直流断路器及控制系统

技术领域

本实用新型属于电气设备技术领域，具体涉及一种用于分断故障电流的直流断路器及控制系统。

背景技术

由高速机械开关与功率半导体器件组成的混合型断路器具有通流容量大、关断速度快、限流能力强等优点，已经成为大容量系统开断领域的研究热点。使用具有全控功能的功率半导体器件分断电流的混合式直流断路器方案相比于其它混合式方案具有分断速度更快，更利于分断额定电流的优点。但在使用全控型功率半导体器件分断电流时，通常需要全控型功率半导体器件与机械开关串联实现电流转移，额定通流损耗高，制约了其推广和应用。

传统直流断路器在分断完成后，机械开关需要耐受关断电压，由于机械断口介质绝缘强度恢复不充分，容易发生重击穿造成分断失败。

传统的转移电流电路中的电容器充电电路与主回路直接相连，没有隔离，开断过程充电电源和主回路会发生干扰，并且对于主回路充电电源的耐压要求非常高，开断不可靠。

实用新型内容

针对上述现有技术存在的不足，本实用新型提出了一种用于分断故障电流的直流断路器及控制系统。

本实用新型为解决上述技术问题，采用如下技术方案：一种用于分断故障电流的直流断路器，所述断路器包括主电流电路和转移电流电路，所述主电流电路和转移电流电路并联连接。所述主电流电路包括一个或多个串联连接的高速机械开关。所述转移电流电路包括磁耦合转移模块和固态开关电路，所述磁耦合转移模块和固态开关电路串联连接，所述固态开关电路包括一个或多个串联连接的桥式固态开关。

本实用新型还提出了一种用于分断故障电流的控制系统，所述系统包括控制器和直流断路器，所述控制器与直流断路器连接，用于确定所述直流断路器分断故障电流的动作时序并控制所述直流断路器进行分断故障电流的动作。

本实用新型采用如上技术方案所带来的有益效果是：本实用新型能够实现对电流的快速分断，主电流电路承担额定电流，无通态损耗，无需散热措施。利用磁耦合转移模块实现电流快速转移，实现二次充电电路和主回路的隔离，转移速度快，分断可靠性高。采用桥式半导体结构实现电流双向分断，全控型功率半导体器件数量少，大大降低了断路器的造价。采用续流电路与高速机械开关并联，避免开断完断口重击穿造成分断失败，提高了分断可靠性。

附图说明

图1是本实用新型直流断路器本体结构示意图；

图2是本实用新型直流断路器工作时的一种结构示意图；

图3是分断电流时转移电流电路电流标志示意图；

图4系统正常运行时主电流电路的电流流向图；

图5是分断电流时转移电流电路t0-t1时刻的电流支路电流流向图；

图6是分断电流时转移电流电路t2时刻的电流支路电流流向图；

图7是分断电流时转移电流电路t3时刻的电流支路电流流向图；

图8是分断电流时转移电流电路t4-t6时刻的电流支路电流流向图；

图9是分断电流时各电流支路电路中的电流变化曲线图；

图10至图18是本实用新型在固态开关电路和磁耦合转移模块中使用具体器件IGBT、IGCT、IEGT、晶闸管、二极管等器件作为功率半导体器件或续流电路、缓冲电路等连接方式的各具体实施结构或组合的示意图；

图19至图21是本实用新型中缓冲电路采用的不同实施结构或组合的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细描述，但不作为对本实用新型的限定。

如图1所示，本实用新型提供的一种用于分断故障电流的直流断路器，包括主电流电路和转移电流电路。为了更好的说明断路器分断过程，本实施例给出了直流断路器电流从左向右流动的结构示意图，如图2所示。

如图1、图2所示，直流断路器包括主电流电路和转移电流电路，主电流电路和转移电流电路并联。

主电流电路包括一个或多个串联连接的高速机械开关。为防止高速机械开关电流转移后发生击穿，主电流电路还包括与所述高速机械开关相并联的续流电路。续流电路用于提供续流，防止高速机械开关电流转移后发生击穿。

转移电流电路包括磁耦合转移模块和固态开关电路，所述磁耦合转移模块和固态开关电路串联连接。固态开关电路包括一个或多个串联连接的桥式固态开关。

其中，桥式固态开关由第一功率半导体器件A1、第二功率半导体器件A2、第三功率半导体器件A3、第四功率半导体器件A4、第五功率半导体器件A5、缓冲电路A6和耗能电路A7组成。桥式固态开关的连接方式为：所述第一功率半导体器件A1与第二功率半导体器件A2串联，所述第三功率半导体器件A3与第四功率半导体器件A4串联，所述第一功率半导体器件A1与第二功率半导体器件A2之间具有第一端点，所述第三功率半导体器件A3与第四功率半导体器件A4之间具有第二端点，所述第一功率半导体器件A1与第三功率半导体器件A3之间具有第三端点，所述第二功率半导体器件A2与第四功率半导体器件A4之间具有第四端点，所述第五功率半导体器件A5连接于第一端点和第二端点之间，所述缓冲电路A6连接于第一端点和第二端点之间，耗能电路A7连接于第三端点和第四端点之间，或者，所述缓冲电路A6连接于第三端点和第四端点之间，耗能电路A7连接于第一端点和第二端点之间。

磁耦合转移模块包括原边电路和副边电路。其中，原边电路由原边电感L1、原边电容C1、第一功率半导体器件B1、第二功率半导体器件B2、第三功率半导体器件B3和第四功率半导体器件B4组成。副边电路由串联在转移电流电路中的副边电感L2构成。所述原边电感和副边电感耦合组成互感器。原边电路的连接方式为：所述第一功率半导体器件B1与第二功率半导体器件B2串联，所述第三功率半导体器件B3与第四功率半导体器件B4串联，所述第一功率半导体器件B1与所述第二功率半导体器件B2之间具有第五端点，所述第三功率半导体器件B3与所述第四功率半导体器件B4之间具有第六端点，所述第一功率半导体器件B1与所述第三功率半导体器件B3之间具有第七端点，所述第二功率半导体器件B2与所述第四功率半导体器件B4之间具有第八端点，所述原边电容C1连接于所述第五端点和所述第六端点之间，所述原边电感L1连接于所述第七端点和所述第八端点之间。

在一个优选实施例中，如图11所示，所述续流电路由两个功率半导体器件反并联连接构成，用于提供续流防止高速机械开关电流转移后发生击穿。

在一个优选实施例中，所述第一功率半导体器件A1、第二功率半导体器件A2、第三功率半导体器件A3、第四功率半导体器件A4为不可控或具有半控功能的单向导通功率半导体器件或其组合，包括但不限于电力二极管、晶闸管、IGCT、IGBT和GTO中的任意一个或任意多个的组合。所述第五功率半导体器件A5为具有电流关断能力的全控型电力电子器件，包括但不限于IGCT、IGBT、IEGT和GTO中的任意一个或者任意多个的组合。

在一个优选实施例中，所述高速机械开关为基于电磁斥力的高速机械开关或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。

在一个优选实施例中，所述原边电感L1由一个或多个电感串联或并联组成，所述电感为空心电感器或含磁芯的电感器。所述副边电感L2由一个或多个电感串联或并联组成，所述电感为空心电感器或含磁芯的电感器。

在一个优选实施例中，如图19至图21所示，所述缓冲电路A6由电容C、电阻R或功率半导体器件D中的一个或多个组合而成，所述功率半导体器件D为不可控或具有半控功能的单向导通功率半导体器件。

在一个优选实施例中，所述耗能电路A7由一个或多个避雷器组合而成，所述避雷器为由压敏电阻或氧化锌阀片组成的避雷器。

本实用新型提供的一种用于分断故障电流的控制系统，包括控制器和直流断路器，所述控制器与直流断路器连接，用于确定所述直流断路器分断故障电流的动作时序并控制所述直流断路器进行分断故障电流的动作。

图3示出了分断电流时转移电流电路各支路电流的标志，其中il为流经主电流电路的电流，i2为流经转移电流电路的电流，i3为流经A5的电流，i4为流经缓冲电路A6的电流，i5为流经耗能电路A7的电流。图4至图8示出了分断电流时转移电流电路中各支路电流方向，具体的为对应从t0到t6各时刻的各支路电流方向。图9示出了分断电流时各支路的电流变化曲线。

具体的，参照图4至图8所示，对本实用新型提供的一种用于分断故障电流的控制系统进行分断故障电流的方法原理详述如下

直流系统正常工作状态下，电流从主电流电路流过，磁耦合转移模块中的原边电容(C1)保持预充电状态，转移电流电路没有电流通过；

当直流系统发生短路故障需要进行分断时，控制器控制所述主电流电路中的高速机械开关进行分闸动作，在分闸动作做出时，高速机械开关和触头仍处于闭合状态，通过控制器测量主电流电路的电流幅值和变化率，并根据预设的时序控制所述转移电流电路中各功率半导体器件是否动作以及相应的动作。具体步骤如下：

t0时刻，直流系统发生短路故障，主电流电路电流开始上升，当超过系统短路阈值时，控制器工作，控制高速机械开关分闸动作，高速机械开关的触头间产生电弧。

t1时刻，控制器控制导通磁耦合转移模块中的第一功率半导体器件B1和第四功率半导体器件B4及固态开关电路中的第五功率半导体器件A5，所述转移电流电路导通，磁耦合转移模块导通，原边电容C1开始放电，耦合电感使得转移电流电路中的副边电感L2两端产生感应电压，流经主电流电路的电流向转移电流电路转移。

t2时刻，主电流电路的电流全部转移至转移电流电路，转移电流电路承受全部短路电流，且短路电流逐渐上升。

t3时刻，当高速机械开关的触头间介质绝缘恢复到足够耐受系统过电压，控制器控制固态开关电路中的第五功率半导体器件A5关断，电流向缓冲电路A6转移。

t4时刻，缓冲电路电压超过耗能电路A7的导通阈值电压，耗能电路导通，电流开始向耗能电路转移。

t5时刻，电流全部转移至耗能电路A7，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的过电压峰值。此后，耗能电路中的电流开始下降，断路器两端的电压也开始缓慢下降，当系统电流小于耗能电路的最小导通电流时，耗能电路关闭，耗能电路两端电压迅速下降。

t6时刻，耗能电路A7中的电流为零，断路器开断完成，断路器两端的电压降为系统电压。

其中，所述耗能电路A7在断路器正常运行情况下处于截止状态，漏电流小于1mA，且所述耗能电路A7的导通电压阈值为所述断路器所处的系统电压的1.5倍。

图10至图18是本实用新型在固态开关电路和磁耦合转移模块中使用具体器件IGBT、IGCT、IEGT、晶闸管、二极管等器件作为功率半导体器件或续流电路、缓冲电路等连接方式的各具体实施结构的示意图。

图19至图21是本实用新型中缓冲电路采用的不同实施结构或组合的示意图。

除上述图中所示情形外，本实用新型不要求断路器中的电路完全对称。

本实用新型当断路器需要开断电流时，通过控制主电流电路以及转移电流电路的功率半导体器件按一定时序动作，触发磁耦合转移模块放电，导通转移电流电路，通过隔离断路器主回路和二次充电电路，可以显著提高开断的可靠性。同时，本实用新型采用互感线圈、原边电容(预充电电容)及功率半导体器件组成的磁耦合转移模块，降低了转移电流电路对电容器容量的需求，有效减小了转移电流电路中电容的体积，而且磁耦合转移模块电路中的原边电容预充电电压很低，也保证了二次充电电路与断路器主电流电路和转移电流电路有效的电隔离，提高了开断的可靠性。采用续流电路与高速机械开关并联，避免开断完断口重击穿造成分断失败，提高了分断可靠性。

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所提交的权利要求书所确定的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于分断故障电流的直流断路器，其特征在于，

所述断路器包括主电流电路和转移电流电路；所述主电流电路和转移电流电路并联连接；

所述主电流电路包括一个或多个串联连接的高速机械开关；

所述转移电流电路包括磁耦合转移模块和固态开关电路，所述磁耦合转移模块和固态开关电路串联连接；

所述固态开关电路包括一个或多个串联连接的桥式固态开关。

2.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，

所述桥式固态开关由第一功率半导体器件(A1)、第二功率半导体器件(A2)、第三功率半导体器件(A3)、第四功率半导体器件(A4)、第五功率半导体器件(A5)、缓冲电路(A6)和耗能电路(A7)组成；

所述第一功率半导体器件(A1)与第二功率半导体器件(A2)串联，所述第三功率半导体器件(A3)与第四功率半导体器件(A4)串联；所述第一功率半导体器件(A1)与第二功率半导体器件(A2)之间具有第一端点；所述第三功率半导体器件(A3)与第四功率半导体器件(A4)之间具有第二端点；所述第一功率半导体器件(A1)与第三功率半导体器件(A3)之间具有第三端点；所述第二功率半导体器件(A2)与第四功率半导体器件(A4)之间具有第四端点；所述第五功率半导体器件(A5)连接于第一端点和第二端点之间；所述缓冲电路(A6)连接于第一端点和第二端点之间，耗能电路(A7)连接于第三端点和第四端点之间；或者，所述缓冲电路(A6)连接于第三端点和第四端点之间，耗能电路(A7)连接于第一端点和第二端点之间。

3.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，

所述磁耦合转移模块包括原边电路和副边电路；

所述原边电路由原边电感(L1)、原边电容(C1)、第一功率半导体器件(B1)、第二功率半导体器件(B2)、第三功率半导体器件(B3)和第四功率半导体器件(B4)组成；

所述副边电路由串联在转移电流电路中的副边电感(L2)构成；

所述原边电感和副边电感耦合组成互感器；

所述第一功率半导体器件(B1)与第二功率半导体器件(B2)串联，所述第三功率半导体器件(B3)与第四功率半导体器件(B4)串联；所述第一功率半导体器件(B1)与所述第二功率半导体器件(B2)之间具有第五端点；所述第三功率半导体器件(B3)与所述第四功率半导体器件(B4)之间具有第六端点；所述第一功率半导体器件(B1)与所述第三功率半导体器件(B3)之间具有第七端点；所述第二功率半导体器件(B2)与所述第四功率半导体器件(B4)之间具有第八端点；所述原边电容(C1)连接于所述第五端点和所述第六端点之间；所述原边电感(L1)连接于所述第七端点和所述第八端点之间。

4.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，

所述主电流电路还包括与所述高速机械开关相并联的续流电路；所述续流电路用于提供续流，防止高速机械开关电流转移后发生击穿。

5.根据权利要求2所述的直流断路器，其特征在于，

所述第一功率半导体器件(A1)、第二功率半导体器件(A2)、第三功率半导体器件(A3)、第四功率半导体器件(A4)为不可控或具有半控功能的单向导通功率半导体器件或其组合，包括但不限于电力二极管、晶闸管中的任意一个或任意多个的组合；所述第五功率半导体器件(A5)为具有电流关断能力的全控型电力电子器件，包括但不限于IGCT、IGBT、IEGT和GTO中的任意一个或者任意多个的组合。

6.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，

所述高速机械开关为基于电磁斥力的高速机械开关或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。

7.根据权利要求3所述的直流断路器，其特征在于，

所述原边电感(L1)由一个或多个电感串联或并联组成，所述电感为空心电感器或含磁芯的电感器；所述副边电感(L2)由一个或多个电感串联或并联组成，所述电感为空心电感器或含磁芯的电感器。

8.根据权利要求2所述的直流断路器，其特征在于，

所述缓冲电路(A6)由电容(C)、电阻(R)或功率半导体器件(D)中的一个或多个组合而成，所述功率半导体器件(D)为不可控或具有半控功能的单向导通功率半导体器件。

9.根据权利要求2所述的直流断路器，其特征在于，

所述耗能电路(A7)由一个或多个避雷器组合而成；所述避雷器为由压敏电阻或氧化锌阀片组成的避雷器。

10.一种用于分断故障电流的控制系统，其特征在于，

所述系统包括控制器和权利要求1至9任一所述的直流断路器，所述控制器与直流断路器连接，控制所述直流断路器进行分断故障电流的动作。