CN105281289A - 一种双向混合式直流断路器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向混合式直流断路器，由主电流电路、零电压电路、零电流电路和能量吸收电路并联组成，主电流电路采用机械开关，零电压电路是由反向并联晶闸管构成的双向半导体开关，零电流电路是包括预充电电容、电感和晶闸管桥构成的双向脉冲电流电路，能量吸收电路采用金属氧化物压敏电阻，还公开了其控制方法。本发明零电压电路采用晶闸管，通态压降小，电流转移速度快，机械开关具有充分的介质恢复时间，弧后介质恢复可靠；采用零电流电路实现晶闸管的快速关断，断路器分断能力强；方便实现两种工作模式，断路器的工作性能易于改善。本发明适用于双向直流电力***故障保护，具有长期通流损耗小、分断动作迅速和工作可靠性高等优点。

Description

一种双向混合式直流断路器及其控制方法

技术领域

本发明属于电力***故障保护技术领域，具体涉及一种双向混合式直流断路器，以及其控制方法。

背景技术

直流电力***因其显著的优点，近年来在船舶、矿山、轨道交通以及新能源发电领域的应用越来越广泛。随着直流电力***的不断发展以及用户日益严格的电能质量要求，传统的机械断路器难以满足现代大容量直流电网保护的特殊需求，迫切需要能够快速可靠分断直流电路的新型保护设备。

采用纯半导体开关实现的直流固态断路器，如图1所示，利用全控型半导体器件实现***长期通流以及故障电流分断，具有无弧快速分断直流电流的优点，然而其分断能力较低，且***长期运行损耗过大。

混合式断路器同时包含机械开关和半导体开关，兼备机械开关良好的静态性能和半导体开关优良的动态特性。

由快速机械开关和LC强迫换流电路构成的零电流开关，如图2所示，在***发生短路故障后，通过预充电电容放电将故障电流转移至LC换流电路，实现机械开关电流过零分断。由于大电流分断过程中机械开关电流过零时的di/dt很高，导致弧后介质难以快速恢复，因此零电流开关大电流分断可靠性较低。

由快速机械开关和可关断半导体器件(IGBT等)构成的零电压开关，如图3所示，利用机械开关分断时产生的电弧，迫使电流向半导体器件中转移，实现机械开关电流过零分断。由于电弧电压较低、可关断半导体器件通态压降较大，通常要求转移回路之间紧密耦合以减小杂散电感，实现故障电流的快速转移。当因电路设计不合理使电流转移时间过长时，最终转移至半导体器件中的短路电流很大，可能超过半导体器件的关断能力，导致断路器分断失败。

发明内容

为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的之一是提供一种结合快速机械开关和晶闸管、同时包含零电压和零电流混合式分断思想的双向混合式直流断路器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种双向混合式直流断路器，包括主电流电路、零电压电路、零电流电路、能量吸收电路、***接线端J1和J2，所述的主电流电路、零电压电路、零电流电路和能量吸收电路并联，并联电路的第一联结端与所述的***接线端J1连接，并联电路的第二联结端与所述的***接线端J2连接；所述的主电流电路包括机械开关S，所述的机械开关S是基于电磁斥力原理实现的快速机械开关；所述的零电压电路包括反向并联以实现双向通流功能的晶闸管T1和T2；所述的零电流电路包括由预充电电容C、电感L和晶闸管桥构成的双向脉冲电流电路；所述的晶闸管桥是由晶闸管T3、T4、T5和T6构成的桥式电路，所述的晶闸管T5和T6的联结端作为桥式电路的直流侧正极，所述的晶闸管T3和T4的联结端作为桥式电路的直流侧负极，所述的晶闸管T3和T5的联结端作为桥式电路的第一交流端，所述的晶闸管T4和T6的联结端作为桥式电路的第二交流端；所述的电容C和电感L串联形成的串联电路跨接在晶闸管桥的直流侧，所述的电容C的一端与所述的桥式电路的直流侧负极相连，作为预充电电压的正极，所述的电感L的一端与所述的桥式电路的直流侧正极相连；所述的桥式电路的第一交流端与所述的并联电路的第一联结端连接，所述的桥式电路的第二交流端与所述的并联电路的第二联结端连接；所述的能量吸收电路包括金属氧化物压敏电阻MOV。

本发明的目的之二是提供一种双向混合式直流断路器的控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种双向混合式直流断路器的控制方法，步骤如下：

a)、***正常运行时，直流电流完全由机械开关S承担，晶闸管T1或T2关断；

b)、当***发生短路故障后，机械开关S分断，根据短路电流流向，晶闸管T1或T2导通，在机械开关S分断电弧的作用下，短路电流被迫从机械开关S向晶闸管T1或T2中迅速转移；

c)、当短路电流完全转移至晶闸管T1或T2之后，延时至机械开关S的触头分开到足够开距时，根据电流流向，晶闸管桥中T4—T5或T3—T6桥臂导通，电容C通过电感L放电产生脉冲电流，迫使T1或T2中的电流减小为零；

d)、当晶闸管T1或T2电流过零关断后，***母线对电容C反向充电，导致断路器两端电压不断地从反压向正压增加，短路电流等于电容充电电流；

e)、当断路器两端电压增加到压敏电阻MOV的开通值后，压敏电阻MOV导通吸收***能量并限制过电压，实现对故障电流的限制并最终使其减小为零。

所述的一种双向混合式直流断路器的控制方法，还包括以下步骤：当***电流从***接线端J1流向***接线端J2时，分断过程中，晶闸管T1导通，致使晶闸管桥中T4—T5桥臂导通；当***电流从***接线端J2流向***接线端J1时，分断过程中，晶闸管T2导通，致使晶闸管桥中T3—T6桥臂导通。

所述的一种双向混合式直流断路器的控制方法，还包括以下步骤：从短路电流完全转移至晶闸管T1或T2，到晶闸管T1或T2电流过零时刻之前，机械开关S两端电压为晶闸管极小的通态压降，机械开关S弧后具有充分的介质恢复时间。

所述的一种双向混合式直流断路器的控制方法，还包括以下步骤：晶闸管T1或T2电流过零后首先承受较大的反向电压，然后逐渐变为正向电压。

一种双向混合式直流断路器的控制方法，步骤如下：

A)、在晶闸管桥中T4—T5或T3—T6桥臂导通时，晶闸管T2或T1导通并持续一段时间，当晶闸管T1或T2电流过零后，电容C的脉冲放电电流从T2或T1中续流；

B)、当晶闸管T2或T1续流结束后，***母线对电容C反向充电，导致断路器两端电压不断增加，短路电流等于电容充电电流；

C)、当断路器两端电压增加到压敏电阻MOV的开通值后，压敏电阻MOV导通吸收***能量并限制过电压，实现对故障电流的限制并最终使其减小为零。

所述的一种双向混合式直流断路器的控制方法，还包括以下步骤：分断过程中，当晶闸管桥中T4—T5桥臂导通时，晶闸管T2导通续流；当晶闸管桥中T3—T6桥臂导通时，晶闸管T1导通续流。

所述的一种双向混合式直流断路器的控制方法，还包括以下步骤：从短路电流完全转移至晶闸管T1或T2，到晶闸管T2或T1续流结束时刻之前，机械开关S两端电压为晶闸管极小的通态压降，机械开关S弧后具有更加充分的介质恢复时间。

所述的一种双向混合式直流断路器的控制方法，还包括以下步骤：所述的晶闸管T1或T2电流过零后首先承受电压等于所述的晶闸管T2或T1极小通态压降的反向电压，当所述的晶闸管T2或T1续流结束后，所述的机械开关S两端电压变为正向，避免较大反向电压对***产生不利影响。

本发明的有益效果是：

1、零电压电路采用晶闸管，通态压降小，电流转移速度快；

2、机械开关具有充分的介质恢复时间，弧后介质恢复可靠；

3、采用零电流电路实现晶闸管的快速关断，断路器分断能力强；

4、方便实现两种工作模式，断路器的工作性能易于改善。

附图说明

图1为现有的固态断路器方案的示意图；

图2为现有的零电流开关方案的示意图；

图3为现有的零电压开关方案的示意图；

图4为本发明的双向混合式直流断路器方案的示意图；

图5为本发明具体实施例1中方案的示意图；

图6为本发明具体实施例1中的预期分断波形；

图7为本发明具体实施例2中方案的示意图；

图8为本发明具体实施例2中的预期分断波形。

各附图标记为：1—主电流电路，2—零电压电路，3—零电流电路，4—能量吸收电路，J1—***接线端，J2—***接线端，S—控制开关。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参照图4所示，本发明公开了一种双向混合式直流断路器，包括主电流电路1、零电压电路2、零电流电路3、能量吸收电路4、***接线端J1和***接线端J2，其中：

所述的主电流电路1、零电压电路2、零电流电路3和能量吸收电路4并联，并联电路的第一联结端与所述的***接线端J1连接，并联电路的第二联结端与所述的***接线端J2连接；

所述的主电流电路1包括机械开关S，所述的机械开关S是基于电磁斥力原理实现的快速机械开关；

所述的零电压电路2包括反向并联以实现双向通流功能的晶闸管T1和T2；

所述的零电流电路3包括由预充电电容C、电感L和晶闸管桥构成的双向脉冲电流电路；所述的晶闸管桥是由晶闸管T3、T4、T5和T6构成的桥式电路，所述的晶闸管T5和T6的联结端作为桥式电路的直流侧正极，所述的晶闸管T3和T4的联结端作为桥式电路的直流侧负极，所述的晶闸管T3和T5的联结端作为桥式电路的第一交流端，所述的晶闸管T4和T6的联结端作为桥式电路的第二交流端；所述的电容C和电感L串联形成的串联电路跨接在晶闸管桥的直流侧，所述的电容C的一端与所述的桥式电路的直流侧负极相连，作为预充电电压的正极，所述的电感L的一端与所述的桥式电路的直流侧正极相连；所述的桥式电路的第一交流端与所述的并联电路的第一联结端连接，所述的桥式电路的第二交流端与所述的并联电路的第二联结端连接；所述的能量吸收电路4包括金属氧化物压敏电阻MOV。

一种双向混合式直流断路器的控制方法，步骤如下：a)、***正常运行时，直流电流完全由机械开关S承担，晶闸管T1（或T2）关断；b)、当***发生短路故障后，机械开关S分断，根据短路电流流向，晶闸管T1（或T2）导通，在机械开关S分断电弧的作用下，短路电流被迫从机械开关S向晶闸管T1（或T2）中迅速转移；c)、当短路电流完全转移至晶闸管T1（或T2）之后，延时至机械开关S的触头分开到足够开距时，根据电流流向，晶闸管桥中T4—T5（或T3—T6）桥臂导通，电容C通过电感L放电产生脉冲电流，迫使T1（或T2）中的电流减小为零；d)、当晶闸管T1（或T2）电流过零关断后，***母线对电容C反向充电，导致断路器两端电压不断地从反压向正压增加，短路电流等于电容充电电流；e)、当断路器两端电压增加到压敏电阻MOV的开通值后，压敏电阻MOV导通吸收***能量并限制过电压，实现对故障电流的限制并最终使其减小为零。

当***电流从***接线端J1流向***接线端J2时，分断过程中，晶闸管T1导通，致使晶闸管桥中T4—T5桥臂导通；当***电流从***接线端J2流向***接线端J1时，分断过程中，晶闸管T2导通，致使晶闸管桥中T3—T6桥臂导通。

从短路电流完全转移至晶闸管T1（或T2），到晶闸管T1（或T2）电流过零时刻之前，机械开关S两端电压为晶闸管极小的通态压降，机械开关S弧后具有充分的介质恢复时间。

晶闸管T1（或T2）电流过零后首先承受较大的反向电压，然后逐渐变为正向电压，较大的反向电压有助于减小晶闸管T1(或T2)的关断时间。

实施例1

参见图5所示，为本发明公开的双向混合式直流断路器工作于第一种工作模式、***电流从***接线端J1流向***接线端J2时的等效电路。分断过程如下：

参照图6所示，在t<t ₀阶段，机械开关S处于闭合状态，负载电流从机械开关S中流过，在t=t ₀时刻，***发生短路故障，机械开关S电流i _S随着短路电流i ₀的增加开始上升；

在t=t ₁时刻，机械开关S分断，同时晶闸管T1导通，在电弧电压的作用下，电流被迫从机械开关S向晶闸管T1中转移，结果i _S减小，i _T1增加；

在t=t ₂时刻，电流完全转移至晶闸管T1中，机械开关S电流为零，此后短路电流完全由晶闸管T1承担，i ₀逐渐增加；

在t=t ₃时刻，机械开关S触头达到足够的开距，晶闸管桥中T4—T5桥臂导通，电容C通过电感L放电产生脉冲大电流，迫使晶闸管T1中的电流逐渐向电感L和电容C串联的电路（以下简称L-C电路）中转移，结果i _T1减小，i _C增加；

在t=t ₄时刻，晶闸管T1电流减小为零，此后短路电流完全由L-C电路承担，i ₀随着电容C的反向充电电流i _C逐渐增加，电容C电压u _C和整个断路器电压u ₀从反压逐渐向正压增加；

在t=t ₅时刻，由于电容C的反向充电过程使断路器电压u ₀达到***电源电压，结果短路电流i ₀达到峰值，此后随着电压u ₀的不断增加，短路电流i ₀开始减小；

在t=t ₆时刻，断路器电压u ₀增加到压敏电阻MOV的开通值，压敏电阻MOV开通吸能并限制***过电压，电流从L-C电路向MOV中转移，结果i _MOV增加，i _C减小；

在t=t ₇时刻，L-C电路电流i _C减小为零，晶闸管桥中T4—T5桥臂关断，压敏电阻MOV电流i _MOV达到峰值，相应的断路器电压u ₀和电容电压u _C电压均达到最大；

此后短路电流完全由压敏电阻MOV承担，随着直流***能量不断被压敏电阻MOV吸收，短路电流i ₀随着电流i _MOV逐渐减小，最终在t=t ₈时刻能量吸收完毕，电流减小为零，分断过程结束，断路器电压u ₀降至***电源电压。

上述分断过程中，在时刻t ₂和t ₄期间，机械开关S电流为零，电压为晶闸管T1极小的通态压降，机械开关S弧后具有充分的介质恢复时间；t ₄时刻之后晶闸管T1两端较大的反向电压有助于减小晶闸管T1的关断时间。

当***电流从***接线端J2流向***接线端J1时，按照上述步骤依次控制图4中机械开关S、晶闸管T2和晶闸管桥中T3—T6桥臂动作即可。

一种双向混合式直流断路器的控制方法，步骤如下：A)、在晶闸管桥中T4—T5（或T3—T6）桥臂导通时，晶闸管T2（或T1）导通并持续一段时间，当晶闸管T1（或T2）电流过零后，电容C的脉冲放电电流从T2（或T1）中续流；B)、当晶闸管T2（或T1）续流结束后，***母线对电容C反向充电，导致断路器两端电压不断增加，短路电流等于电容充电电流；C)、当断路器两端电压增加到压敏电阻MOV的开通值后，压敏电阻MOV导通吸收***能量并限制过电压，实现对故障电流的限制并最终使其减小为零。

分断过程中，当晶闸管桥中T4—T5桥臂导通时，晶闸管T2导通续流；当晶闸管桥中T3—T6桥臂导通时，晶闸管T1导通续流。

从短路电流完全转移至晶闸管T1到T2（或T2到T1）续流结束期间，机械开关S两端电压为晶闸管极小的通态压降，机械开关S弧后具有更加充分的介质恢复时间。

晶闸管T1（或T2）电流过零后首先承受电压等于晶闸管T2（或T1）极小通态压降的反向电压，当晶闸管T2（或T1）续流结束后，机械开关S两端电压变为正向，避免较大反向电压对***产生不利影响。

实施例2

参见图7所示，为本发明公开的双向混合式直流断路器工作于第二种工作模式、***电流从***接线端J1流向***接线端J2时的等效电路。

参照图8所示，其分断过程在t=t ₃时刻之前与实施例1中的第一工作模式完全相同；

在t=t₃时刻，机械开关S触头达到足够的开距，晶闸管桥中T4—T5桥臂和晶闸管T2同时导通，电容C通过电感L放电产生脉冲大电流，迫使晶闸管T1中的电流逐渐向L-C电路中转移，结果i _T1减小，i _C增加；

由于晶闸管T1一直处于导通状态，导致晶闸管T2两端电压为反向电压，尽管T2有导通信号，但是在T1电流减小为零前没有电流流过；

在t=t ₄时刻，晶闸管T1电流过零关断，由于晶闸管T2的导通信号一直持续到T1电流为零以后，因此在t ₄时刻之后T2承受正向电压导通，电容C的脉冲放电电流从T2中续流；

在晶闸管T2的续流过程中，电容C电压u _C从反压逐渐向正压增加，整个断路器两端电压u ₀被晶闸管T2的通态压降钳制在极低的水平；

在t=t ₅时刻，电容C的脉冲放电电流i _C经过峰值后减小到与***短路电流i ₀相等，导致晶闸管T2电流过零关断，续流过程结束；

此后短路电流完全由L-C电路承担，i ₀随着电容C的反向充电电流i _C逐渐增加，电容C电压u _C和断路器电压u ₀逐渐增加；

在t=t ₆时刻，由于电容C的反向充电过程使断路器电压u ₀达到***电源电压，结果短路电流i ₀达到峰值，此后随着电压u ₀的不断增加，短路电流i ₀开始减小；

在t=t ₇时刻，断路器电压u ₀增加到压敏电阻MOV的开通值，压敏电阻MOV开通吸能并限制***过电压，电流从L-C电路向MOV中转移，结果i _MOV增加，i _C减小；

在t=t ₈时刻，L-C电路电流i _C减小为零，晶闸管桥中T4—T5桥臂关断，压敏电阻MOV电流i _MOV达到峰值，相应的断路器电压u ₀和电容电压u _C电压均达到最大；

此后短路电流完全由压敏电阻MOV承担，随着直流***能量不断被压敏电阻MOV吸收，短路电流i ₀随着电流i _MOV逐渐减小，最终在t=t ₉时刻能量吸收完毕，电流减小为零，分断过程结束，断路器电压u ₀降至***电源电压。

上述过程中，由于晶闸管T2导通续流，在时刻t ₂和t ₅期间，机械开关S电流为零，电压为晶闸管T1极小的通态压降，机械开关S弧后具有更加充分的介质恢复时间；断路器两端不会出现较大的反向电压，避免给***带不利影响。

当***电流从***接线端J2流向***接线端J1时，按照上述步骤依次控制图4中机械开关S、晶闸管T2、晶闸管桥中T3—T6桥臂和晶闸管T1动作即可。

因此本发明通过采用通态压降极小的晶闸管作为零电压换流半导体器件，可实现短路电流的快速转移；为机械开关S提供充分的弧后介质恢复时间，确保介质可靠恢复；通过LC零电流电路对零电压换流晶闸管进行快速关断，提高断路器的分断能力；能比较方便地实现两种工作模式，改善断路器的工作性能。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种双向混合式直流断路器，包括主电流电路（1）、零电压电路（2）、零电流电路（3）、能量吸收电路（4）、***接线端J1和J2，其特征在于：

所述的主电流电路（1）、零电压电路（2）、零电流电路（3）和能量吸收电路（4）并联，并联电路的第一联结端与所述的***接线端J1连接，并联电路的第二联结端与所述的***接线端J2连接；

所述的主电流电路（1）包括机械开关S，所述的机械开关S是基于电磁斥力原理实现的快速机械开关；

所述的零电压电路（2）包括反向并联以实现双向通流功能的晶闸管T1和T2；

所述的零电流电路（3）包括由预充电电容C、电感L和晶闸管桥构成的双向脉冲电流电路；所述的晶闸管桥是由晶闸管T3、T4、T5和T6构成的桥式电路，所述的晶闸管T5和T6的联结端作为桥式电路的直流侧正极，所述的晶闸管T3和T4的联结端作为桥式电路的直流侧负极，所述的晶闸管T3和T5的联结端作为桥式电路的第一交流端，所述的晶闸管T4和T6的联结端作为桥式电路的第二交流端；所述的电容C和电感L串联形成的串联电路跨接在晶闸管桥的直流侧，所述的电容C的一端与所述的桥式电路的直流侧负极相连，作为预充电电压的正极，所述的电感L的一端与所述的桥式电路的直流侧正极相连；所述的桥式电路的第一交流端与所述的并联电路的第一联结端连接，所述的桥式电路的第二交流端与所述的并联电路的第二联结端连接；

所述的能量吸收电路（4）包括金属氧化物压敏电阻MOV。

2.一种如权利要求1所述的双向混合式直流断路器的控制方法，其特征在于，步骤如下：

a)、***正常运行时，直流电流完全由机械开关S承担，晶闸管T1或T2关断；

b)、当***发生短路故障后，机械开关S分断，根据短路电流流向，晶闸管T1或T2导通，在机械开关S分断电弧的作用下，短路电流被迫从机械开关S向晶闸管T1或T2中迅速转移；

c)、当短路电流完全转移至晶闸管T1或T2之后，延时至机械开关S的触头分开到足够开距时，根据电流流向，晶闸管桥中T4—T5或T3—T6桥臂导通，电容C通过电感L放电产生脉冲电流，迫使T1或T2中的电流减小为零；

d)、当晶闸管T1或T2电流过零关断后，***母线对电容C反向充电，导致断路器两端电压不断地从反压向正压增加，短路电流等于电容充电电流；

e)、当断路器两端电压增加到压敏电阻MOV的开通值后，压敏电阻MOV导通吸收***能量并限制过电压，实现对故障电流的限制并最终使其减小为零。

3.根据权利要求2所述的一种双向混合式直流断路器的控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：

当***电流从***接线端J1流向***接线端J2时，分断过程中，晶闸管T1导通，致使晶闸管桥中T4—T5桥臂导通；当***电流从***接线端J2流向***接线端J1时，分断过程中，晶闸管T2导通，致使晶闸管桥中T3—T6桥臂导通。

4.根据权利要求2所述的一种双向混合式直流断路器的控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：

从短路电流完全转移至晶闸管T1或T2，到晶闸管T1或T2电流过零时刻之前，机械开关S两端电压为晶闸管极小的通态压降，机械开关S弧后具有充分的介质恢复时间。

5.根据权利要求2所述的一种双向混合式直流断路器的控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：

晶闸管T1或T2电流过零后首先承受较大的反向电压，然后逐渐变为正向电压。

6.一种如权利要求1所述的双向混合式直流断路器的控制方法，其特征在于，步骤如下：

A)、在晶闸管桥中T4—T5或T3—T6桥臂导通时，晶闸管T2或T1导通并持续一段时间，当晶闸管T1或T2电流过零后，电容C的脉冲放电电流从T2或T1中续流；

B)、当晶闸管T2或T1续流结束后，***母线对电容C反向充电，导致断路器两端电压不断增加，短路电流等于电容充电电流；

C)、当断路器两端电压增加到压敏电阻MOV的开通值后，压敏电阻MOV导通吸收***能量并限制过电压，实现对故障电流的限制并最终使其减小为零。

7.根据权利要求6所述的一种双向混合式直流断路器的控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：

分断过程中，当晶闸管桥中T4—T5桥臂导通时，晶闸管T2导通续流；当晶闸管桥中T3—T6桥臂导通时，晶闸管T1导通续流。

8.根据权利要求6所述的一种双向混合式直流断路器的控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：

从短路电流完全转移至晶闸管T1或T2，到晶闸管T2或T1续流结束时刻之前，机械开关S两端电压为晶闸管极小的通态压降，机械开关S弧后具有更加充分的介质恢复时间。

9.根据权利要求6所述的一种双向混合式直流断路器的控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：

所述的晶闸管T1或T2电流过零后首先承受电压等于所述的晶闸管T2或T1极小通态压降的反向电压，当所述的晶闸管T2或T1续流结束后，所述的机械开关S两端电压变为正向，避免较大反向电压对***产生不利影响。