CN210430911U - 一种直流断路器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种直流断路器，包括并联连接的主电流支路和消弧支路，主电流支路上串设有机械开关，消弧支路上串设有双向放电模块和承压电容，双向放电模块包括H桥电路，H桥电路包括并联设置的第一开关线路和第二开关线路，第一开关线路上串联设置有第一控制开关和第三控制开关，第二开关线路上串联设置有第二控制开关和第四控制开关，第一控制开关和第三控制开关的连接点通过充电电容连接第二控制开关和第四控制开关的连接点，充电电容的两端设置有用于连接充电设备的充电端口。本实用新型避免了在H桥电路中串设多个晶闸管，在简化了断路器对应控制电路的同时，降低了直流断路器整体造价，有利于直流断路器的大批量推广。

Description

一种直流断路器

技术领域

本实用新型涉及一种直流断路器，属于直流断路器技术领域。

背景技术

中压经济型直流断路器的拓扑结构以LC谐振型的机械式直流断路器为主，实现的方式有负压耦合、预充电等。但是此类直流断路器都有一个缺陷，就是谐振电流不能根据线路电流也就是系统电流的方向在第一个谐振半波就控制谐振电流与线路电流反向。甚至谐振电流在第一个半波与线路电流同向叠加，流过机械开关的电流幅值加倍，叠加后的电流会对机械开关及系统造成更严重的损害。有些直流断路器尽管能控制谐振电流与系统电流反向，但是由于在断路器分断过程中直流断路器中的H桥电路需要承受较高的电压，这就需要串设多个晶闸管，存在断路器控制回路复杂，直流断路器整体造价较高等缺陷，不宜用于大批推广。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种直流断路器，用于解决现有的直流断路器需要串设多个晶闸管导致直流断路器造价较高的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种直流断路器，包括并联连接的主电流支路和消弧支路，所述主电流支路上串设有机械开关，所述消弧支路上串设有双向放电模块和承压电容，所述双向放电模块包括H桥电路，所述H桥电路包括并联设置的第一开关线路和第二开关线路，所述第一开关线路上串联设置有第一控制开关和第三控制开关，所述第二开关线路上串联设置有第二控制开关和第四控制开关，所述第一控制开关和第三控制开关的连接点通过充电电容连接所述第二控制开关和第四控制开关的连接点，所述充电电容的两端设置有用于连接充电设备的充电端口。

本实用新型的有益效果是：通过在消弧支路中串设一个承压电容，这样在直流断路器分断过程中，当机械开关电流过零关断后，系统对承压电容进行充电，由承压电容承担系统部分高压，这样就减小了H桥电路两端的电压，从而避免了在H桥电路中串设多个晶闸管，在简化了断路器对应控制电路的同时，降低了直流断路器整体造价，有利于直流断路器的大批量推广。

进一步的，为了产生高频振荡电流，所述消弧支路上还串设线路电感。

进一步的，为了在机械开关电流过零关断后，短路掉充电电容，所述充电电容两端并联设置有单向导通器件，且充电电容的电压正极端连接所述单向导通器件的负极端。

进一步的，为了实现可靠控制，所述第一控制开关为第一晶闸管，第二控制开关为第二晶闸管，第三控制开关为第三晶闸管，第四控制开关为第四晶闸管，所述第一晶闸管和第三晶闸管反向串联，所述第二晶闸管和第四晶闸管反向串联。

进一步的，为了对充电电容进行充电，所述直流断路器还包括所述充电设备，所述充电设备包括供能变压器和整流器，所述供能变压器的原边绕组用于连接交流电网，所述供能变压器的副边绕组连接所述整流器的交流侧，所述整流器的直流侧通过充电线路连接所述充电电容的充电端口，所述充电线路上串设有充电控制开关。

进一步的，为了对H桥电路进行保护，所述H桥电路的两端并联设置有第一避雷器。

进一步的，为了对承压电容进行保护，所述承压电容两端并联设置有第二避雷器。

进一步的，为了限制充电电流的大小，所述充电线路上还串设有限流电阻。

附图说明

图1是本实用新型直流断路器的电路原理图；

图2是本实用新型直流断路器流经正向电流时的分断原理图；

图3是本实用新型直流断路器流经反向电流时的分断原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例对本实用新型进行进一步详细说明。

本实施例提供了一种直流断路器，其对应的电路原理图如图1所示，包括并联连接的主电流支路和消弧支路。其中，主电流支路上串设有一个机械开关CB。消弧支路上串设有双向放电模块、承压电容C2和线路电感L，该双向放电模块包括H桥电路，H桥电路包括并联设置的第一开关线路和第二开关线路，第一开关线路上串联设置有晶闸管T1和晶闸管T3，第二开关线路上串联设置有晶闸管T2和晶闸管T4，晶闸管T1和晶闸管T3的连接点通过充电电容C1连接晶闸管T2和晶闸管T4的连接点，充电电容C1的两端设置有用于连接充电设备的充电端口，用于对该充电电容C1进行充电。

需要说明的是，主电流支路并不局限于图1中只串设一个机械开关CB这种结构，作为其他实施方式，可以对主电流支路进行调整。例如，可以串设2个或2个以上等多个机械开关，亦或者与机械开关串联若干功率模块。也就是说，主电流支路可以采用现有技术中的各种拓扑结构。作为其他的实施方式，H桥电路中的各个晶闸管T1-T4还可以替换为IGBT、GTO等其他类型的控制开关，且每个控制开关可以是单个开关，也可以是多个开关的组合，例如串联组合或者并联组合。

通过在消弧支路中串设承压电容C2，这样在直流断路器分断过程中，当机械开关CB电流过零关断后，系统对承压电容C2进行充电，由承压电容C2承担系统部分高压，这样就减小了H桥电路两端的电压，从而避免了在H桥电路中串设多个晶闸管，在简化了断路器对应控制电路的同时，降低了直流断路器整体造价，有利于直流断路器的大批量推广。

通过在消弧支路上串设线路电感L，可以使消弧支路产生能够反向加载在机械开关CB上的高频振荡电流，从而使机械开关CB快速熄弧关断。其中，该线路电感L可以是线路本身的电感，也可以是另外设置的电感。

为了在控制直流断路器开断过程中，使系统电流流过H桥电路时短路掉充电电容C1，不对充电电容C1而只对承压电容C2充电，充电电容C1的两端并联设置有二极管D3，充电电容C1的电压正极端连接该二极管D3的负极端。当然，作为其他的实施方式，该二极管D3也可以替换成IGBT等其他类型的单向导通器件，当为IGBT等可控开关时，需要配置相应的控制电路。

为了对充电电容C1进行充电，该直流断路器还包括用于充电连接充电电容C1两端的充电端口的充电设备。其中，在本实施例中，该充电设备包括供能变压器T11和整流器AC/DC，供能变压器T11的原边绕组用于连接220V交流电网，供能变压器T11的副边绕组连接整流器AC/DC的交流侧，整流器AC/DC的直流侧通过充电线路连接充电电容C1的充电端口。在本实施例中，供能变压器T11的电压等级为10kV，该整流器AC/DC为晶闸管整流桥结构。为了对充电线路的通断情况进行控制，充电线路上串设有充电控制开关K，该充电控制开关K可以是接触器开关或IGBT等控制开关。为了对充电电流的大小进行控制，该充电线路上还串设有限流电阻R。

另外，为了保护H桥电路，H桥电路的两端并联设置有第一避雷器F1。为了卸放掉承压电容C2中的电压，承压电容C2的两端并联设置有第二避雷器F2。

上述直流断路器中的各个器件相互配合，可以实现一种直流断路器的开断方法，在该开断方法中，当机械开关CB断开时，根据系统电流的方向，通过控制H桥电路中的相应控制开关导通，(当系统电流为从左向右的正向电流时，控制晶闸管T2和晶闸管T3导通；当系统电流为从右向左的反向电流时，控制晶闸管T1和晶闸管T4导通)充电电容C1的放电电流反向加载在机械开关CB上，使充电电容C1的放电电流与流过机械开关CB的系统电流方向相反，从而使机械开关CB快速熄弧。以系统电流为从左到右的正向电流为例，该直流断路器的开断方法的具体过程如下：

(1)控制断开主电流支路中的机械开关。

也就是，当需要分断系统故障电流时，主电流支路中的机械开关CB分断，由于机械开关CB没有分断直流电流的能力而拉弧。在控制断开主电流支路中的机械开关CB后，检测机械开关CB的动作状态。

(2)根据流经机械开关的系统电流控制消弧支路中的H桥电路中的相应控制开关导通，消弧支路中的充电电容放电，通过H桥电路导通的控制开关将充电电容的放电电流反向加载在机械开关上，使充电电容的放电电流与流经机械开关的系统电流方向相反，以使机械开关电流过零关断。

具体的，在步骤(2)中，当检测到主电流支路中的机械开关CB开断且达到设定开距(这里的设定开距是指允许机械开关承受电压的开距)时，如图2所示，由于系统电流的方向为从左到右，此时根据系统电流的方向控制晶闸管T2和T3导通，充电电容C1的预充电电压经晶闸管T3、承压电容C2、线路电感L、机械开关CB和晶闸管T2进行放电，形成振荡电流，该振荡电流与流过机械开关CB的系统电流方向刚好相反。此时，系统电流I和振荡电流I1的方向如图2所示。当流经机械开关CB的系统电流I和振荡电流I1的叠加电流过零点时，机械开关CB快速息弧阻断。系统电流经过晶闸管T2、二极管D3和晶闸管T3对承压电容C2充电(充电电容C1被二极管D3短路，不对充电电容C1充电)，承压电容C2的电压方向为左正右负，当承压电容C2的电压超过第二避雷器F2的动作电压时，第二避雷器F2动作，线路电流转移到第二避雷器F2中，由第二避雷器F2吸收系统中的剩余能量，即由第二避雷器F2泄放线路电流的能量。在线路电流的能量泄放完毕后，不再控制晶闸管导通，不会形成振荡电流，短路故障清除的时间大大缩短。

当然，在步骤(2)中，为了能使充电电容C1进行放电，在直流系统正常运行过程中，即在直流断路器分断前，需要通过充电设备为充电电容C1进行预充电。预充电完成后，充电电容C1两端的电压方向如图1所示，为上正下负。

另外，在直流断路器分断完成后，进行重合闸操作。为实现重合闸：在充电电容C1充电情况下，导通相应晶闸管，在线路电压、充电电容C1电压及承压电容C2电压的共同作用下，与线路电感L形成通路，产生振荡电流。如果线路是故障短路状态，则振荡电流幅值会较大，如果线路是正常状态，因为线路有负载，振荡电流就很小。因此如果重合闸时检测到线路电流幅值较大，说明线路故障仍然存在，直接关闭晶闸管触发脉冲，晶闸管在振荡电流过零时关断，机械开关CB不合闸。如果线路震荡电流较小，可以合闸主电流支路机械开关CB，完成重合闸。

当系统电流为从右到左的反向电流时，与上述直流断路器的分断过程的区别仅在于：在步骤(2)中，当检测到机械开关CB开断且达到设定开距时，此时根据系统电流的方向控制晶闸管T1和T4导通，充电电容C1的预充电电压经晶闸管T1、机械开关CB、线路电感L、承压电容C2和晶闸管T4进行放电，形成振荡电流。此时，系统电流I和振荡电流I2的方向如图3所示。

上述的直流断路器采用充电电容C1加H桥电路的方式，可根据线路电流的方向控制H桥电路的放电电流与机械开关CB中的系统电流反方向，使机械开关CB快速息弧。由承压电容C2及第二避雷器F2吸收系统中的剩余能量，实现了剩余能量的快速泄放，同时避免了在H桥电路中串设多个晶闸管或者是在消弧支路中串设多个H桥电路。该直流断路器方案简洁，成本较低，控制方法简单，可广泛应用于10kV及以上的直流配电网中，作为直流断路器或直流负荷开关使用。

最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本实用新型的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在本实用新型的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种直流断路器，其特征在于，包括并联连接的主电流支路和消弧支路，所述主电流支路上串设有机械开关，所述消弧支路上串设有双向放电模块和承压电容，所述双向放电模块包括H桥电路，所述H桥电路包括并联设置的第一开关线路和第二开关线路，所述第一开关线路上串联设置有第一控制开关和第三控制开关，所述第二开关线路上串联设置有第二控制开关和第四控制开关，所述第一控制开关和第三控制开关的连接点通过充电电容连接所述第二控制开关和第四控制开关的连接点，所述充电电容的两端设置有用于连接充电设备的充电端口。

2.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述消弧支路上还串设线路电感。

3.根据权利要求2所述的直流断路器，其特征在于，所述充电电容两端并联设置有单向导通器件，且充电电容的电压正极端连接所述单向导通器件的负极端。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的直流断路器，其特征在于，所述第一控制开关为第一晶闸管，第二控制开关为第二晶闸管，第三控制开关为第三晶闸管，第四控制开关为第四晶闸管，所述第一晶闸管和第三晶闸管反向串联，所述第二晶闸管和第四晶闸管反向串联。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的直流断路器，其特征在于，所述直流断路器还包括所述充电设备，所述充电设备包括供能变压器和整流器，所述供能变压器的原边绕组用于连接交流电网，所述供能变压器的副边绕组连接所述整流器的交流侧，所述整流器的直流侧通过充电线路连接所述充电电容的充电端口，所述充电线路上串设有充电控制开关。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的直流断路器，其特征在于，所述H桥电路的两端并联设置有第一避雷器。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的直流断路器，其特征在于，所述承压电容两端并联设置有第二避雷器。

8.根据权利要求5所述的直流断路器，其特征在于，所述充电线路上还串设有限流电阻。

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