CN208904642U - 基于机械开关电弧电压转移的直流断路器 - Google Patents

Abstract

公开了一种基于机械开关电弧电压转移的直流断路器，直流断路器包括主电流回路、转移电流支路和耗能电路，并且主电流回路、转移电流支路和耗能电路并联，所述主电流回路由隔离用高速机械隔离开关S1和转移用高速机械开关S2串联组成；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；功率半导体器件(A5)连接于第一端点和第二端点之间，缓冲电路(A6)连接在第三端点和第四端点之间，耗能电路由一个或多个MOV串并联组成。

Description

基于机械开关电弧电压转移的直流断路器

技术领域

本实用新型涉及电气设备技术领域，特别涉及基于机械开关电弧电压转移的直流断路器。

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。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本实用新型背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

实用新型内容

针对上述现有技术存在的不足或缺陷，本实用新型的目的是通过以下技术方案予以实现。

一种基于机械开关电弧电压转移的直流断路器包括主电流回路、转移电流支路和耗能电路，并且主电流回路、转移电流支路和耗能电路并联，

所述主电流回路由隔离用高速机械隔离开关S1和转移用高速机械开关S2串联组成；

所述转移电流支路由一个或多个固态开关串联组成，所述固态开关由第一功率半导体器件、第二功率半导体器件、第三功率半导体器件、第四功率半导体器件、第五功率半导体器件和缓冲电路组成，其中：

所述第一功率半导体器件与第二功率半导体器件串联，所述第三功率半导体器件与第四功率半导体器件串联；所述第一功率半导体器件与所述第二功率半导体器件之间具有第一端点；所述第三功率半导体器件与所述第四功率半导体器件之间具有第二端点；所述第一功率半导体器件与所述第三功率半导体器件之间具有第三端点；所述第二功率半导体器件与所述第四功率半导体器件之间具有第四端点；所述功率半导体器件连接于所述第一端点和所述第二端点之间，缓冲电路连接在所述第三端点和所述第四端点之间，

耗能电路由一个或多个MOV串并联组成。

在所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器中，耗能电路连接在所述第三端点和所述第四端点之间。

在所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器中，所述隔离用高速机械隔离开关S1包含一个或者多个高速机械开关串并联，所述转移用高速机械开关S2包含一个或者多个高速机械开关串并联，所述隔离用高速机械开关S1为有弧分断或无弧分断，所述转移用高速机械开关S2的灭弧室介质为空气、 SF6、N2或H2。

在所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器中，所述隔离用高速机械隔离开关S1和/或转移用高速机械开关S2为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，隔离用高速机械开关S1的灭弧室介质为SF6或真空。

在所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器中，所述第一功率半导体器件、第二功率半导体器件、第三功率半导体器件或第四功率半导体器件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，所述第五功率半导体器件为具有电流关断能力的全控型电力电子器件。

在所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器中，缓冲电路连接在所述第一端点和所述第二端点之间，耗能电路连接在所述第一端点和所述第二端点之间。

在所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器中，所述缓冲电路由电容、电阻或功率半导体器件中的一个或多个的组合组成，所述功率半导体器件为不控或半控的单向导通功率半导体器件。

在所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器中，所述缓冲电路包括电容、电阻和功率半导体器件，所述电容与电阻串联，所述功率半导体器件与电阻并联。

在所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器中，所述缓冲电路包括电容和电阻，所述电容与电阻串联。

在所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器中，第一功率半导体器件、第二功率半导体器件、第三功率半导体器件、第四功率半导体器件、第五功率半导体器件为IGBT、IGCT、IEGT、晶闸管或二极管。

实用新型的优点如下：主电流电路只存在机械开关，无电力电子器件通流，无通态损耗，无需散热措施；通过优化拓扑结构设计，采用高速机械开关和高速机械隔离开关分别实现电流的快速转移和耐受分断电压，大大降低了单个机械开关的设计要求，有利于断路器工程实现。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够使得本实用新型的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本实用新型的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本实用新型的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本实用新型各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本实用新型一个实施例的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器的结构示意图；

图2是根据本实用新型一个实施例的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器工作时的结构示意图；

图3是根据本实用新型一个实施例的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器的分断电流时转移电路电流标志示意图；

图4(a)至图4(e)是根据本实用新型一个实施例的断路器分断电流时各电路电流流向图；

图5是根据本实用新型一个实施例的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器的分断电流时各电路中电流变化曲线图；

图6是根据本实用新型一个实施例的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器的结构示意图；

图7是根据本实用新型一个实施例的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器的结构示意图；

图8是根据本实用新型一个实施例的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器的结构示意图；

图9是根据本实用新型一个实施例的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器的结构示意图；

图10是根据本实用新型一个实施例的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器的结构示意图；

图11是根据本实用新型一个实施例的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器的结构示意图；

图12(a)至图12(c)是根据本实用新型一个实施例的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器的缓冲电路的结构示意图。

以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本实用新型的具体实施例。虽然附图中显示了本实用新型的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本实用新型，并且能够将本实用新型的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本实用新型的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本实用新型的范围。本实用新型的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本实用新型实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本实用新型实施例的限定。

图1为本实用新型的一个实施例的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器的结构示意图，本实用新型实施例将结合图1进行具体说明。

如图1所示，一种基于机械开关电弧电压转移的直流断路器包括主电流回路、转移电流支路和耗能电路，并且主电流回路、转移电流支路和耗能电路并联，

所述主电流回路由隔离用高速机械隔离开关S1和转移用高速机械开关S2串联组成；

所述转移电流支路由一个或多个固态开关串联组成，所述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和缓冲电路A6组成，其中：

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与所述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与所述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与所述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与所述第四功率半导体器件A4之间具有第四端点；所述功率半导体器件A5连接于所述第一端点和所述第二端点之间，缓冲电路A6连接在所述第三端点和所述第四端点之间，

耗能电路由一个或多个MOV串并联组成，耗能电路连接在所述第三端点和所述第四端点之间。

为了进一步理解本实用新型，图2是根据本实用新型一个实施例的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器工作时的结构示意图，本实施例的基于机械开关电弧电压转移的混合式直流断路器，为了更好的说明断路器分断过程，本实施例给出了断路器电流从左向右流动的结构示意图，如图2所示。

所述主电流电路由隔离用高速机械隔离开关S1和转移用高速机械开关S2的串联组成，所述隔离用高速机械隔离开关S1和转移用高速机械开关S2由一个或多个并联组成。所述转移电路由一个或多个固态开关串并联组成；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组成。所述耗能电路由一个或多个MOV串并联组成。

所述隔离高速机械开关S1可以为有弧分断或无弧分断，灭弧室介质为SF6或真空；所述转移高速机械开关S2的灭弧室介质为空气、SF6或真空。

所述固态开关电路的连接关系为：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与所述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与所述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与所述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与所述第四功率半导体器件A4之间具有第四端点；所述功率半导体器件A5连接于所述第一端点和所述第二端点之间。所述缓冲电路A6和耗能电路MOV有多种连接实现方式，缓冲电路A6连接在所述第一端点和所述第二端点之间或所述第三端点和所述第四端点之间，耗能电路MOV连接在所述第一端点和所述第二端点之间或所述第三端点和所述第四端点之间。

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者任意多个的组合。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。

所述隔离和转移高速机械开关为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。

所述缓冲电路由电容C、电阻R、功率半导体器件D中的一个或多个的组合组成，所述功率半导体器件D为不控或半控的单向导通功率半导体器件。

所述缓冲电路的连接关系为：所述电容C与电阻R串联，所述功率半导体器件D与电阻R并联或者所述电容C与电阻R串联，无需所述功率半导体器件D。

正常工作状态下，电流从所述主电流电路流过；此时，固态开关电路中的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均处于关断状态，所述转移电路没有电流通过；

当系统需要进行开断时，所述主电流电路中的所述高速机械开关进行分闸动作，由于所述高速机械开关存在机械延时，在分闸动作做出时，所述高速机械开关触头仍处于闭合状态；通过测量所述主电流电路的电流幅值和变化率确定所述转移电路中功率半导体器件是否动作以及相应的动作时序。

本实用新型所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器的优选实施例中，所述隔离用高速机械隔离开关S1包含一个或者多个高速机械开关串并联，所述转移用高速机械开关S2包含一个或者多个高速机械开关串并联，所述隔离用高速机械开关S1为有弧分断或无弧分断，所述转移用高速机械开关S2 的灭弧室介质为空气、SF6、N2或H2。

本实用新型所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器的优选实施例中，所述隔离用高速机械隔离开关S1和/或转移用高速机械开关S2为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，隔离用高速机械开关S1的灭弧室介质为SF6或真空。

本实用新型所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器的优选实施例中，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或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，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。

本实用新型所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器的优选实施例中，缓冲电路A6连接在所述第一端点和所述第二端点之间，耗能电路连接在所述第一端点和所述第二端点之间。

本实用新型所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器的优选实施例中，所述缓冲电路由电容 C、电阻R或功率半导体器件D中的一个或多个的组合组成，所述功率半导体器件D为不控或半控的单向导通功率半导体器件。

本实用新型所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器的优选实施例中，所述缓冲电路包括电容C、电阻R和功率半导体器件D，所述电容C与电阻R串联，所述功率半导体器件D与电阻R并联。

本实用新型所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器的优选实施例中，所述缓冲电路包括电容C和电阻R，所述电容C与电阻R串联。

本实用新型所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器的优选实施例中，正常工作状态下，电流从所述主电流电路流过，固态开关电路中的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均处于关断状态，所述转移电流支路没有电流通过；

当系统需要进行开断时，所述主电流电路中的所述高速机械开关进行分闸动作，由于所述高速机械开关存在机械延时，在分闸动作做出时，所述高速机械开关触头仍处于闭合状态；通过测量所述主电流电路的电流幅值和变化率确定所述转移电流支路中功率半导体器件是否动作以及相应的动作时序。

图3是根据本实用新型一个实施例的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器的分断电流时转移电路电流标志示意图，图3同时示出了分断电流时转移电路各支路电流标志，其中i1为流经主电流电路的电流，i2为流经转移电路的电流，i3为流经电路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(a)至图4(e)示出了分断电流时转移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5示出了分断电流时各支路的电流变化曲线。具体的操作包括以下几个方面：

系统正常运行时，电流全部从主电流电路流过；

t0时刻，系统发生短路故障，主电流电路电流开始上升。当电流超过系统短路阈值时，控制系统动作，高速机械开关开始动作，当由于机械延迟的存在，出头仍处于闭合状态；

t1时刻，机械触头拉开，断口间产生电弧，流经主电流电路的电流向转移电路转移；

t2时刻，主电路电流全部或大部分转移至转移电路；转移电路承受全部短路电流，且短路电流逐渐上升，控制高速机械隔离开关打开；

t3时刻，当高速机械隔离开关的触头间介质绝缘恢复到足够耐受系统过电压，控制固态开关电路中功率半导体器件A5关断，电流向缓冲电路A6转移；

t4时刻，缓冲电路A6电压超过耗能电路导通阈值电压，耗能电路A7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，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，耗能电路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。

所述高速机械转移或隔离开关为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。

所述具有全控功能的功率半导体器件包括IGBT、IGCT、IEGT和GTO中的任意一个或者任意多个的组合。

图6至图11示出了使用具体器件IGBT、IGCT、IEGT、晶闸管、二极管等器件作为功率半导体器件和磁耦合转移模块中的原边电路、缓冲电路等电路的具体连接方式的具体实施例。

图12(a)至图12(c)给出了所述缓冲电路不同组合的情形。

除图中所示的情形外，本实用新型不要求断路器中的电路完全的对称。

本实用新型中，当断路器需要开断电流时，通过控制主电流电路的高速机械开关拉开产生电弧，同时转移电路的功率半导体器件按一定时序动作，导通转移电路，可以显著提高开断的可靠性。主电流电路没有电力电子器件，没有通流损耗，转移电路无需预充电电容等辅助电源，提高分断可靠性。

尽管以上结合附图对本实用新型的实施方案进行了描述，但本实用新型并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本实用新型权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本实用新型保护之列。

Claims (10)

1.一种基于机械开关电弧电压转移的直流断路器，所述直流断路器包括主电流回路、转移电流支路和耗能电路，并且主电流回路、转移电流支路和耗能电路并联，其特征在于：

所述主电流回路由隔离用高速机械隔离开关S1和转移用高速机械开关S2串联组成；

所述转移电流支路由一个或多个固态开关串联组成，所述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)和缓冲电路(A6)组成，其中：

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)与所述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)与所述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)与所述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)与所述第四功率半导体器件(A4)之间具有第四端点；所述功率半导体器件(A5)连接于所述第一端点和所述第二端点之间，缓冲电路(A6)连接在所述第三端点和所述第四端点之间，

耗能电路由一个或多个MOV串并联组成。

2.根据权利要求1所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器，其特征在于：所述隔离用高速机械隔离开关S1包含一个高速机械开关或者多个串并联的高速机械开关，所述转移用高速机械开关S2包含一个高速机械开关或者多个串并联的高速机械开关，所述隔离用高速机械开关S1为有弧分断或无弧分断，所述转移用高速机械开关S2的灭弧室介质为空气、SF6、N2或H2。

3.根据权利要求1所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器，其特征在于：所述隔离用高速机械隔离开关S1和/或转移用高速机械开关S2为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，隔离用高速机械开关S1的灭弧室介质为SF6或真空。

4.根据权利要求1所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器，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)或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，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。

5.根据权利要求1所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器，其特征在于：缓冲电路(A6)连接在所述第一端点和所述第二端点之间，耗能电路连接在所述第一端点和所述第二端点之间。

6.根据权利要求1所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器，其特征在于：所述缓冲电路由电容(C)、电阻(R)或功率半导体器件(D)中的一个或多个的组合组成，所述功率半导体器件(D)为不控或半控的单向导通功率半导体器件。

7.根据权利要求1所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器，其特征在于：所述缓冲电路包括电容(C)、电阻(R)和功率半导体器件(D)，所述电容(C)与电阻(R)串联，所述功率半导体器件(D)与电阻(R)并联。

8.根据权利要求1所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器，其特征在于：所述缓冲电路包括电容(C)和电阻(R)，所述电容(C)与电阻(R)串联。

9.根据权利要求4所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器，其特征在于：全控型电力电子器件包括IGBT、IGCT、IEGT和GTO中的任意一个或者任意多个的组合，耗能电路连接在所述第三端点和所述第四端点之间。

10.根据权利要求1所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器，其特征在于：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)和/或第五功率半导体器件(A5)为IGBT、IGCT、IEGT、晶闸管或二极管。