CN106356817A - 一种桥式双向无弧直流断路器 - Google Patents
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Abstract
本公开揭示了一种桥式双向无弧直流断路器，包括主电流电路，转移电流电路以及能量耗散电路；其中，主电流电路用于通过正常工作状态下的电流；能量耗散电路用于在短路故障电流达到阈值、转移电流电路断开时，耗散短路故障电流的能量；转移电流电路采用桥式电路，采用提高电路的耐压水平和使用寿命的导通控件，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；同时，所述转移电流电路采用一组单向具有可关断能力功率半导体器件实现对电流的双向分断，相对于现有设计，最少节省了50％的单向具有可关断能力功率半导体器件，有效降低断路器体积与制造成本。
Description
技术领域
本公开属于中高压断路器领域，具体涉及一种桥式双向无弧直流断路器。
背景技术
直流断路器是电网中重要的组成部分，其主要任务在于在系统发生故障时，能快速将故障部分从电网中切除，保证非故障部分正常运行。直流开断相对于交流开断的主要难点在于直流电流不像交流电流那样有过零点，灭弧更为困难；由直流断路器吸收的能量甚大；过电压比较高，对于线路和设备造成不利的影响。使用具有全控功能的功率半导体器件分断电流的方案相比于其它方案具有分断速度更快，更利于分断额定电流的优点。但通常需要双向全控型功率半导体器件关断电流，控制复杂程度与成本较高，制约了其推广和应用。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足或缺陷，本公开的目的在于提供一种桥式双向无弧直流断路器，所述断路器包括主电流电路、转移电流电路、能量耗散电路，其中：
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；
所述能量耗散电路用于当短路故障电流达到阈值、所述转移电流电路断开时，耗散短路故障电流的能量。
具体地，所述转移电流电路包括电路T1、电路T2、电路T3、电路T4以及电路T5，当所述断路器所在电路系统出现短路故障时，或者形成第一转移电流支路，或者形成第二转移电流支路；
所述第一转移电流支路包括电路T1、电路T5、电路T4；
所述第二转移电流支路包括电路T2、电路T5、电路T3；
所述电路T1、电路T5、电路T4用于控制所述第一转移电流支路的导通与断开；
所述电路T2、电路T5、电路T3用于控制所述第一转移电流支路的导通与断开；
所述电路T5用于在短路故障电路超过阈值时断开。
具体地，所述电路T1和电路T2串联，电路T3和电路T4串联，电路T1和电路T2之间的端点、电路T3和电路T4之间的端点处连接有电路T5；串联后的电路T1和电路T2与主电流电路并联。
具体地，所述能量耗散电路或者与主电流电路并联，或者与电路T5并联。
优选地，所述主电流电路包括第一导通控件、辅助电流转移模块，其中：所述第一导通控件与辅助电流转移模块串联；
所述第一导通控件包括：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；
所述辅助电流转移模块为双向导通、且具有电压建立能力的装置。
优选地，所述辅助电流转移模块包括下述任一或者其任意组合：
液态金属限流器、超导限流器、PTC材料限流器、互感器。
优选地，所述电路T1包括第二导通控件、电路T2包括第三导通控件、电路T3包括第四导通控件、电路T4包括第五导通控件；
所述第二导通控件、第三导通控件、第四导通控件、第五导通控件包括下述一种或多种组合：
真空触发间隙、气体触发间隙、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。
优选地，所述电路T5包括第六导通控件，所述第六导通控件包括一个单向功率半导体器件或任意个并联的单向功率半导体器件。
优选地，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，辅助电流转移模块处于导通状态，此时转移电流电路和能量耗散电路没有电流流过。
优选地，所述能量耗散电路包括金属氧化物压敏电阻(MOV)，所述金属氧化物压敏电阻包括压敏电阻或氧化锌阀片组成的避雷器。
本公开所述断路器通过控制转移电流电路中各电路按照一定时序导通，可以实现高速机械开关触头无弧打开，触头间介质恢复特性好，显著提高开断的可靠性。通过在转移电流支路中的功率半导体器件与隔离开关的串联，极大地提高该支路的耐压水平，同时提高了功率半导体器件的使用寿命。
本公开转移电流电路使用桥式结构，仅用一组单向具有可关断能力功率半导体器件就可以实现对电流的双向分断，相对于现有设计，最少节省了50％的单向具有可关断能力功率半导体器件，有效降低断路器控制复杂程度与制造成本。
附图说明
图1是本公开一个实施例中断路器本体结构示意图；
图2是本公开一个实施例中断路器单向工作时的一种结构示意图；
图3是本公开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是本公开一个实施例的一种具体实施实例图，所示实例中，主电流电路由高速机械开关FCB和液态金属限流器组合串联实现，电路T1-T4为真空触发间隙，电路T5为多组IGBT串并联组合；
图5是本公开一个实施例的一种具体实施实例图，所示实例中，主电流电路由高速机械开关FCB和互感器串联实现，电路T1-T4为高速开关，电路T5为多组IGCT串并联组合；
图6所示的一种具体实例图，在所示实例中，能量耗散电路直接与T5支路并联；
图7是本公开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8是本公开一个实施例中分断电流时，相应于图9、6，各电路中电流变化曲线图；
图9(a)是本公开一个实施例中分断电流时系统正常运行时电流的方向；
图9(b)是本公开一个实施例中分断电流时电流向电路1、电路5和电路4支路转移过程电流的方向；
图9(c)是本公开一个实施例中分断电流时电流完全转移到电路1电路5和电路4支路时的方向；
图9(d)是本公开一个实施例中分断电流时电流向能量耗散电路转移过程电流的方向；
图9(e)是本公开一个实施例中分断电流时电流完全转移到能量耗散支路时的方向；
图10(a)是本公开一个实施例中系统正常运行时电流的方向；
图10(b)是本公开一个实施例中电流向电路T2、电路T5和电路T3支路转移过程电流的方向；
图10(c)是本公开一个实施例中电流完全转移到电路T2、电路T5和电路T3支路时的方向；
图10(d)是本公开一个实施例中电流向能量耗散电路转移过程电流的方向；
图10(e)是本公开一个实施例中电流完全转移到能量耗散支路时的方向。
具体实施方式
在一个基础实施例中，揭示了一种桥式双向无弧直流断路器，所述断路器包括主电流电路、转移电流电路、能量耗散电路；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；所述能量耗散电路用于当短路故障电流达到阈值、所述转移电流电路断开时，耗散短路故障电流的能量。
优选地，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，辅助电流转移模块处于导通状态，此时转移电流电路没有电流流过。并且，所述过能量耗散电路在断路器正常运行情况下处于截止状态，漏电流小于1μA；所述过能量耗散电路的导通电压阈值为所述断路器所处的系统电压的1.5倍
在一个实施例中，转移电流电路具体包括电路T1、电路T2、电路T3、电路T4以及电路T5，当所述断路器所在电路系统出现短路故障时，或者形成第一转移电流支路，或者形成第二转移电流支路；所述第一转移电流支路包括电路T1、电路T5、电路T4；所述第二转移电流支路包括电路T2、电路T5、电路T3；所述电路T1、电路T5、电路T4用于控制所述第一转移电流支路的导通与断开；所述电路T2、电路T5、电路T3用于控制所述第一转移电流支路的导通与断开；所述电路T5用于在短路故障电路超过阈值时断开。在断路器所在电力系统发生短路故障时，通过将各电路按照一定时序导通，可以实现将电流从主电流电路转移到转移电流电路中，根据电流在主电流电路中的流向不同，可以采用不同的转移电流支路导通实现电流转移。
在一个实施例中，提供了转移电流电路的具体连接方式：所述电路T1和电路T2串联，电路T3和电路T4串联，电路T1和电路T2之间的端点、电路T3和电路T4之间的端点处连接有电路T5；串联后的电路T1和电路T2与主电流电路并联。
优选地，所述电路T1包括第二导通控件、电路T2包括第三导通控件、电路T3包括第四导通控件、电路T4包括第五导通控件；所述第二导通控件、第三导通控件、第四导通控件、第五导通控件包括下述一种或多种组合：真空触发间隙、气体触发间隙、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。
优选地，所述电路T5包括第六导通控件，所述第六导通控件包括一个单向功率半导体器件或任意个并联的单向功率半导体器件，所述单向功率半导体器件包括IGBT、IGCT、GTO中的任意一个或者任意多个的组合。
当短路故障电流达到或超过阈值时，将转移电流电路断开，此时产生过电压，可以使用能力耗散电路将短路故障电流的能量耗散。在一个实施例中，将所述能量耗散电路与主电流电路并联。在另一个实施例中将所述能量耗散电路与电路T5并联。优选地，所述能量耗散电路包括金属氧化物压敏电阻(MOV)，所述金属氧化物压敏电阻包括压敏电阻或氧化锌阀片组成的避雷器。
在一个实施例中，所述主电流电路包括第一导通控件、辅助电流转移模块，其中：所述第一导通控件与辅助电流转移模块串联；所述第一导通控件包括：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。采用高速机械开关，触头间介质恢复特性好，可以显著提高开断的可靠性。所述辅助电流转移模块为双向导通、且具有电压建立能力的装置。所述辅助电流转移模块能够接受两个不同方向的系统电流，且在断路器所在电力系统发生短路故障时，能够使得主电流电路电流减小，并向转移电流电路中的支路转移。优选地，所述辅助电流转移模块包括下述任一或者其任意组合：液态金属限流器、超导限流器、PTC材料限流器、互感器。
以下结合附图来说明本公开的具体实施方式。
在一个实施例中，公开了一种桥式双向无弧直流断路器，其结构如图1所示。所述断路器包括主电流电路、转移电流电路、能量耗散电路；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；所述能量耗散电路用于当短路故障电流达到阈值、转移电流电路断开时，耗散短路故障电流的能量。
图1中，主电流电路包括串联的第一导通控件S和辅助电流转移模块T0。转移电流电路包括电路T1、电路T2、电路T3、电路T4以及电路T5，所述电路T1和电路T2串联，电路T3和电路T4串联，电路T1和电路T2之间的端点、电路T3和电路T4之间的端点处连接有电路T5；串联后的电路T1和电路T2与主电流电路并联。能量耗散电路与主电流电路并联。从后面图6中可以看出，能量耗散电路也可以与电路T5并联。
其中，第一导通控件可以是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者是基于爆炸驱动的高速机械开关的高速机械开关。辅助电流转移模块T0为双向导通，且为具有电压建立能力的装置，可以是但不限于液态金属限流器、超导限流器、PTC材料限流器、互感器中的一个或多个组合。所述电路T1、电路T2、电路T3、电路T4可以是一个或多个真空触发间隙、气体触发间隙或者高速机械开关组成。高速机械开关可以是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者是基于爆炸驱动的高速机械开关。电路T5由具有可关断电流能力的单向功率半导体器件组成，可以是但不局限于IGBT、IGCT、GTO中的任意一个或者任意多个的组合。
图2给出了断路器电流从第一导通控件S流向辅助电流转移模块T0的电流转移示意图，在电流转移时，电路T1、电路T5、电路T4构成一个转移电流支路。图3给出电流从辅助电流转移模块T0流向第一导通控件S的电流转移示意图，在电流转移时，电路T2、电路T5、电路T3构成另一个转移电流支路。所述断路器能够接受从两个不同方向的系统电流，即为双向断路器。
图4示意了一种具体结构图，其中，主电流电路由串联的高速机械开关S和液态金属限流器组合串联实现，电路T1、电路T2、电路T3、电路T4为真空触发间隙，电路T5为多组IGBT串并联组合。能量耗散电路由一个或多个金属氧化物压敏电阻(MOV)组成，与主电流电路并联。
图5示意了另一种具体结构图，其中，主电流电路由串联的高速机械开关S和互感器串联实现，电路T1、电路T2、电路T3、电路T4为高速开关，电路T5为多组IGCT串并联组合。能量耗散电路由一个或多个金属氧化物压敏电阻(MOV)组成，与主电流电路并联。
图6示意了第三种具体结构图，其中，主电流电路由串联的高速机械开关S和超导限流器实现，电路T1、电路T2、电路T3、电路T4为空气触发间隙，电路T5为多组IGCT串并联组合。能量耗散电路由一个或多个金属氧化物压敏电阻(MOV)组成，直接与T5支路并联。
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，电压发生器A0处于导通状态，此时转移电流电路和能量耗散电路没有电流流过。但当发生短路故障，需要分断短路电流时：
(1)如果短路电流的方向为从第一导通控件S向辅助电流转移模块T0：
控制电路T1、电路T4导通，保持电路T2、电路T3处于断开状态，电路T5中的第六导通控件按导通方向接入电路。所述主电流电路中辅助电流转移模块T0动作，电流由主电流电路向电路T1、电路T5和电路T4组成的支路1-5-4转移。
(2)如果短路电流的方向为从辅助电流转移模块T0向第一导通控件S：
控制电路T2、电路T3导通，保持电路T1、电路T4处于断开状态，电路T5中的第六导通控件按按导通方向接入电路。所述主电流电路中辅助电流转移模块T0动作，电流由主电流电路向电路T2、电路T5和电路T3组成的支路2-5-3转移。
图7给出了分断电流时转移电流电路各支路电流标志，其中i为流经接入端S1或者接入端S2的电流，i0为流经主电流电路的电流，i1为流经电路T1的电流，i2为流经电路T2的电流，i3为流经电路T3的电流，i4为流经电路T4的电流，i5为流经电路T5的电流，i6为流经能量耗散电路的电流。图8给出了在分断电流时一条转移电流支路上各电路的电流变化曲线图，电流标识为图7中对应的标识。
图9(a)-9(e)给出了电流的流向为从第一导通控件S流向辅助电流转移模块T0的情况下，分断电流时转移电流电路中各支路电流方向。下面结合图8中的电流变化时刻，讲述各电路控制动作。
S101、系统正常运行，电流全部从主电流电路流过，电流流向如图9(a)所示，其中系统额定电流为i。保持电路T1、电路T2、电路T3、电路T4、电路T5断开。
S102、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，辅助电流转移模块T0由于其两端电压升高开始动作。控制电路T5、电路T1、电路T4导通，形成电流转移支路1-5-4。
S103、t1时刻，由于辅助电流转移模块T0的动作使得主电流电路电流开始减小，流经主电流电路的电流向支路1-5-4转移，电流流向如图9(b)所示。
S104、t2时刻，高速机械开关电流全部转移至电路T1、电路T5和电路T4组成的支路1-5-4，电流流向如图9(c)所示。此时第一导通控件S无弧打开，形成断口。
S105、在t2至t3间，支路1-5-4承受全部短路电流。待短路电流上升至阈值，在t3时刻，控制电路T5关断支路1-5-4中的电流。
S106、t3至t4间，电路T5关断电流时会在电路T1、电路T5和电路T4两端产生过电压，即在断路器两端产生过电压，并且产生的电压达到了能量耗散电路的导通阈值，能量耗散电路导通。电流流向如图9(d)所示，电流开始向能量耗散电路转移。由于能量耗散电路的电压钳位作用，断路器两端电压上升幅度很小。
S107、t4时刻，支路1-5-4中的电流全部转移至能量耗散电路，电流流向如图9(e)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，能量耗散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，当系统电流小于能量耗散电路的最小导通电流1mA时，能量耗散电路关闭，能量耗散电路两端电压迅速下降。
S108、t5时刻，能量耗散电路中的电流为0，断路器开断完成，此时转移电流电路中所有器件均处于断开状态，断路器两端的电压降为系统电压。
图10(a)-10(e)给出了电流的流向为从辅助电流转移模块T0流向第一导通控件S的情况下，分断电流时转移电流电路中各支路电流方向。下面结合图8中的电流变化时刻，讲述各电路控制动作。
S201、系统正常运行，电流全部从主电流电路流过，电流流向如图10(a)所示，其中系统额定电流为i。保持电路T1、电路T2、电路T3、电路T4、电路T5断开。
S202、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，辅助电流转移模块T0由于其两端电压升高开始动作。控制电路T5、电路T2、电路T3导通，形成电流转移支路1-5-4。
S203、t1时刻，由于辅助电流转移模块T0的动作使得主电流电路电流开始减小，流经主电流电路的电流向支路2-5-3转移，电流流向如图10(b)所示。
S204、t2时刻，高速机械开关电流全部转移至电路T2、电路T5和电路T3组成的支路2-5-3，电流流向如图10(c)所示。此时第一导通控件S无弧打开，形成断口。
S205、在t2至t3间，支路2-5-3承受全部短路电流。待短路电流上升至阈值，在t3时刻，控制电路T5关断支路2-5-3中的电流。
S206、t3至t4间，电路T5关断电流时会在电路T2、电路T5和电路T3两端产生过电压，即在断路器两端产生过电压，并且产生的电压达到了能量耗散电路的导通阈值，能量耗散电路导通。电流流向如图10(d)所示，电流开始向能量耗散电路转移。由于能量耗散电路的电压钳位作用，断路器两端电压上升幅度很小。
S207、t4时刻，支路2-5-3中的电流全部转移至能量耗散电路，电流流向如图10(e)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，能量耗散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，当系统电流小于能量耗散电路的最小导通电流1mA时，能量耗散电路关闭，能量耗散电路两端电压迅速下降。
S208、t5时刻，能量耗散电路中的电流为0，断路器开断完成，此时转移电流电路中所有器件均处于断开状态，断路器两端的电压降为系统电压。
综上，本公开涉及的一种桥式双向无弧直流断路器包括主电流电路，转移电流电路以及能量耗散电路。其中，主电流电路用于通过正常工作状态下的电流；能量耗散电路用于在短路故障电流达到阈值、转移电流电路断开时，耗散短路故障电流的能量；转移电流电路由具有单向导通的功率半导体器件组成桥式结构，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，可以实现高速机械开关触头无弧打开，触头间介质恢复特性好，结合能量耗散电路，可以显著提高开断的可靠性。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本公开所作的进一步详细说明，不能认定本公开的具体实施方式仅限于此，对于本公开所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本公开由所提交的权利要求书确定保护范围。
Claims (10)
1.一种桥式双向无弧直流断路器，其特征在于：
所述断路器包括主电流电路、转移电流电路、能量耗散电路；
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；
所述能量耗散电路用于当短路故障电流达到阈值、所述转移电流电路断开时，耗散短路故障电流的能量。
2.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于：
优选的，所述转移电流电路包括电路T1、电路T2、电路T3、电路T4以及电路T5，当所述断路器所在电路系统出现短路故障时，或者形成第一转移电流支路，或者形成第二转移电流支路；
所述第一转移电流支路包括电路T1、电路T5、电路T4；
所述第二转移电流支路包括电路T2、电路T5、电路T3；
所述电路T1、电路T5、电路T4用于控制所述第一转移电流支路的导通与断开；
所述电路T2、电路T5、电路T3用于控制所述第一转移电流支路的导通与断开；
所述电路T5用于在短路故障电路超过阈值时断开。
3.根据权利要求2所述的断路器，其特征在于：
所述电路T1和电路T2串联，电路T3和电路T4串联，电路T1和电路T2之间的端点、电路T3和电路T4之间的端点处连接有电路T5；
串联后的电路T1和电路T2与主电流电路并联。
4.根据权利要求2或3所述的断路器，其特征在于：
所述能量耗散电路或者与主电流电路并联，或者与电路T5并联。
5.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于：
所述主电流电路包括第一导通控件、辅助电流转移模块，其中：所述第一导通控件与辅助电流转移模块串联；
所述第一导通控件包括：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；
所述辅助电流转移模块为双向导通、且具有电压建立能力的装置。
6.根据权利要求5所述的断路器，其特征在于：
所述辅助电流转移模块包括下述任一或者其任意组合：
液态金属限流器、超导限流器、PTC材料限流器、互感器。
7.根据权利要求2或3所述的断路器，其特征在于：
所述电路T1包括第二导通控件、电路T2包括第三导通控件、电路T3包括第四导通控件、电路T4包括第五导通控件；
所述第二导通控件、第三导通控件、第四导通控件、第五导通控件包括下述一种或多种组合：
真空触发间隙、气体触发间隙、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。
8.根据权利要求2或3所述的断路器，其特征在于：
所述电路T5包括第六导通控件，所述第六导通控件包括一个单向功率半导体器件或任意个并联的单向功率半导体器件。
9.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于：
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，辅助电流转移模块处于导通状态，此时转移电流电路和能量耗散电路没有电流流过。
10.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于：
所述能量耗散电路包括金属氧化物压敏电阻(MOV)，所述金属氧化物压敏电阻包括压敏电阻或氧化锌阀片组成的避雷器。
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