CN102593809B - 一种具有过电压抑制功能的固态断路器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有过电压抑制功能的固态断路器，包括主导通回路、续流限压支路，所述的主导通回路的输出端与续流限压支路的一端连接，所述的续流限压支路的另一端接地，主导通回路关断前先导通续流限压支路，延迟设定时间后再关断主导通回路。与现有技术相比，本发明具有过电压抑制功能，动作速度快，可控性强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种断路器，尤其是涉及一种具有过电压抑制功能的固态断路器。
背景技术
由于微型电网所接入与管理的发电设备常常是与环境、气候条件密切相关的风能、太阳能发电，发电量相对不稳定，为了保持微电网面向用户能够提供稳定的电压，除了增设一系列的储能设备，微型电网内部还需要对新能源发电进行灵活地调节控制，需要装设动作速度迅速的开关设备，而由于基于机械动作的开关(如：油断路器、SF6断路器、真空断路器)动作速度慢，难以实现***的智能化灵活控制。为了维护微型电网的稳定运行，对断路器提出了更高的要求，希望其动作速度更快、控制精度更高，而这样的性能，常规的断路器目前难以达到。
固态断路器是基于电力电子器件的新型无断口开关设备，因而具备了远快于传统机械式断路器动作速度，其动作时间在微秒级，能够准确地实现电路在电压或电流的指定相位断开或闭合，可以满足微电网对开关设备的严格要求。配合故障限流器使用，固态断路器能够在短路电流还未显著升高时就将故障线路切断，大大提高了电网的稳定性。由于固态断路器没有断口，一方面，在开关过程中不会产生电弧，提高了断路器的使用寿命，但另一方面也会导致开断过程中产生过高的截流过电压。过电压是开关元件损坏的主要原因，也是固态断路器开发的难点所在，在固态断路器的开发中，为了提高开关的耐压水平，不得不采用更高耐压水平的开关器件。本发明在固态断路器中增加续流支路，为故障电流提供能量释放的通道，显著抑制故障电流开断所引起的过电压，为高电压等级的固态断路器研制提供了全新的方法。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有过电压抑制功能的固态断路器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种具有过电压抑制功能的固态断路器，其特征在于，包括主导通回路、续流限压支路，所述的主导通回路的输出端与续流限压支路的一端连接，所述的续流限压支路的另一端接地，主导通回路关断前先导通续流限压支路，延迟设定时间后再关断主导通回路。
所述的主导通回路由多个导通单元串并联而成，所述的导通单元的数量根据使用环境的额定电压和故障电流的容量决定。
所述的导通单元包括2个IGBT模块、1个ZnO避雷器，所述的2个IGBT模块反向串联后与ZnO避雷器并联。
所述的IGBT模块由IGBT与二极管反向并联而成。
所述的续流限压支路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、GTO、电阻，所述的二极管D1的负极与二极管D2的正极连接，所述的二极管D2的负极与二极管D3的负极连接，所述的二极管D3的正极与二极管D4的负极连接，所述的二极管D4的正极与二极管D1的正极连接，所述的GTO的阳极接在二极管D2的负极与二极管D3的负极之间，所述的GTO的阴极通过电阻接在二极管D4的正极与二极管D1的正极之间，所述的主导通回路的输出端接在二极管D1的负极与二极管D2的正极之间，所述的二极管D3的正极与二极管D4的负极之间接地。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、与传统固态断路器相比，其过电压抑制性能显著提高，能够在各种条件下将开断过电压限制到1.3倍额定电压以下，而传统固态断路器的过电压往往在3～6倍左右。
2、与传统固态断路器相比，开发相同电压等级的固态断路器，所选用的IGBT元件额定电压可以显著降低。
3、与传统机械式断路器相比，其动作速度快100倍到1000倍左右，从毫秒级到微妙级，动作速度显著提高，可控性增强；
4、可减少固态断路器为防止过电压击穿而增设的辅助单元，降低固态断路器的成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明正常工作状态下的控制示意图；
图3为本发明续流限压支路打开时的控制示意图；
图4为本发明的续流耗能过程控制示意图；
图5为无续流限压支路的断路器在电流峰值处截流的过电压波形图；
图6为带续流限压支路的固态断路器在电流峰值处截流的过电压波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种具有过电压抑制功能的固态断路器，包括主导通回路1、续流限压支路2，所述的主导通回路1的输出端与续流限压支路2的一端连接，所述的续流限压支路2的另一端接地，主导通回路1关断前先导通续流限压支路2，延迟设定时间后再关断主导通回路1。
所述的主导通回路1由多个导通单元串并联而成，所述的导通单元的数量根据使用环境的额定电压和故障电流的容量决定。所述的导通单元包括2个IGBT模块、1个ZnO避雷器，所述的2个IGBT模块反向串联后与ZnO避雷器并联。所述的IGBT模块由IGBT与二极管D5反向并联而成。
所述的续流限压支路2包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、GTO、电阻R，所述的二极管D1的负极与二极管D2的正极连接，所述的二极管D2的负极与二极管D3的负极连接，所述的二极管D3的正极与二极管D4的负极连接，所述的二极管D4的正极与二极管D1的正极连接，所述的GTO的阳极接在二极管D2的负极与二极管D3的负极之间，所述的GTO的阴极通过电阻R接在二极管D4的正极与二极管D1的正极之间，所述的主导通回路1的输出端接在二极管D1的负极与二极管D2的正极之间，所述的二极管D3的正极与二极管D4的负极之间接地。
其中续流限压支路2在主导通回路1关断之前开通，通过续流限压支路2的电阻来消耗电路电感中所储存的电磁能量，从而降低固态断路器主导通回路1在开断过程中产生的暂态过电压幅值。
控制过程如下：在固态断路器主导通回路1断开的同时，使固态断路器的续流限压支路2导通。由于动作速度过快以及信号的迟滞等因素，实际上很难做到主导通回路1的关断和续流限压支路2的导通完全同步。为此，实际操作中，固态断路器关断时，先导通续流限压支路2，延迟几微秒再关断固态断路器的主导通回路1，断路器的整个关断过程将分解成两个阶段。
固态断路器的主导通回路1的关断时间和续流限压支路2的导通时间控制可以通过控制可关断晶闸管GTO和IGBT的触发信号发生顺序来实现。如附图3所示，在主导通回路1电流被关断前，续流限压支路2的晶闸管GTO先打开，经过1微秒左右的短延时后，固态断路器中主导通回路1的IGBT驱动电路得到动作信号，串并联的各个导通单元同时截止。由于IGBT具有一定的瞬时过流抑制能力，固态断路器能够在此阶段安全工作。
整个关断过程具体过程分(a)正常工作、(b)旁路打开、(c)续流耗能三个过程，如图2、3、4所示。正常工作时，续流限压支路2处于关断状态，***不受限压支路的影响；当固态断路器接到动作信号开始关断时，续流限压支路2接通，主导通回路1关断，续流限压支路2降低了被关断线路的电流变化率di/dt，从而起到限制过电压的作用。在MATLAB/simulink环境，对10kV线路的开断过程，进行了仿真分析。图5为无续流限压支路情况下关断峰值电流时产生的暂态过电压波形，大概产生了3.52p.u.的过电压；图6为带续流限压支路情况下关断峰值电流时产生的暂态过电压波形，大概只产生了1.32p.u.的过电压。
Claims (2)
1.一种具有过电压抑制功能的固态断路器，其特征在于，包括主导通回路、续流限压支路，所述的主导通回路的输出端与续流限压支路的一端连接，所述的续流限压支路的另一端接地，主导通回路关断前先导通续流限压支路，延迟设定时间后再关断主导通回路；
所述的主导通回路由多个导通单元串并联而成，所述的导通单元数量根据使用环境的额定电压和故障电流的容量决定；
所述的导通单元包括2个IGBT模块、1个ZnO避雷器，所述的2个IGBT模块反向串联后与ZnO避雷器并联；
所述的续流限压支路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、GTO、电阻，所述的二极管D1的负极与二极管D2的正极连接，所述的二极管D2的负极与二极管D3的负极连接，所述的二极管D3的正极与二极管D4的负极连接，所述的二极管D4的正极与二极管D1的正极连接，所述的GTO的阳极接在二极管D2的负极与二极管D3的负极之间，所述的GTO的阴极通过电阻接在二极管D4的正极与二极管D1的正极之间，所述的主导通回路的输出端接在二极管D1的负极与二极管D2的正极之间，所述的二极管D3的正极与二极管D4的负极之间接地；
断路器的整个关断过程将分解成两个阶段，在主导通回路电流被关断前，续流限压支路的晶闸管GTO先打开，经过1微秒左右的短延时后，固态断路器中主导通回路的IGBT驱动电路得到动作信号，串并联的各个导通单元同时截止；
整个关断过程具体过程分(a)正常工作、(b)旁路打开、(c)续流耗能三个过程；正常工作时，续流限压支路处于关断状态，***不受限压支路的影响；当固态断路器接到动作信号开始关断时，续流限压支路接通，主导通回路关断，续流限压支路降低了被关断线路的电流变化率di/dt，从而起到限制过电压的作用。
2.根据权利要求1所述的一种具有过电压抑制功能的固态断路器，其特征在于，所述的IGBT模块由IGBT与二极管反向并联而成。
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