CN106024455A - 无电弧混合直流断路器及实现无电弧分合闸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于直流断路器技术领域的一种无电弧混合直流断路器及实现无电弧分合闸的方法。该无电弧混合直流断路器CB包括晶闸管SCR、机械开关K、电源侧电容C₁、负载侧电容C₂、电阻R、二极管D₁、D₂和限流电感L；其中，晶闸管SCR阳极、阴极并联在机械开关K两端；该无电弧的混合直流断路器在设计时针对产生电弧需同时满足介质击穿的起弧电场强度条件和起弧电压条件；而考虑一定安全裕量；在开断、合闸过程中均无电弧产生，彻底避免了直流电弧产生后难以熄灭的情况，机械触头无任何侵蚀，且不需全控功率器件和额外的辅助机械开关，控制简单，成本低，可靠性高。

Description

无电弧混合直流断路器及实现无电弧分合闸的方法

技术领域

本发明属于直流断路器技术领域，特别涉及一种无电弧混合直流断路器及实现无电弧分合闸的方法。

背景技术

低压直流电力***主要应用于轨道交通、舰船、航空等场合，中高压直流输电***主要应用于远距离大功率输电和非同步交流***的联网，具有线路投资少、不存在***稳定问题、调节快速、运行可靠等优点。虽然不同应用场所直流***运行特性差异明显，但都需要直流断路器这一核心电力装备。

现有直流断路器主要分为机械式、电力电子全固态式以及机械、电力电子结合的混合式。其中机械式和混合式大多着眼于如何熄灭电弧，但无自然过零点这一特性使直流电弧的熄灭较交流电弧更加困难，且电弧对触头的侵蚀导致断路器需频繁维修，降低了***可靠性。电力电子器件组成的全固态直流断路器能够无弧开断，但受限于功率器件容量，应用于高压领域时需大量器件串并联，导致结构和控制复杂，可靠性低，同时还存在***正常运行时损耗大，成本高昂等缺点。中国发明专利CN103632895A“一种直流断路器”提出了一种无电弧开断的直流断路器拓扑及其控制方法，但该发明专利没有阐明如何确保开断时无电弧产生；而且这种直流断路器需要多个辅助机械开关配合，导致控制复杂，可靠性降低；存在合闸电弧问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种无电弧的混合直流断路器及实现无电弧分合闸的方法；其特征在于，该无电弧的混合直流断路器在设计时针对产生电弧需同时满足介质击穿的起弧电场强度条件和起弧电压条件；而考虑一定安全裕量；

该无电弧混合直流断路器CB包括晶闸管SCR、机械开关K、电源侧电容C₁、负载侧电容C₂、电阻R、二极管D₁、D₂和限流电感L；其中，晶闸管SCR阳极、阴极并联在机械开关K两端；机械开关K连接晶闸管SCR阳极的一端连接电源侧电容C₁正极、电源侧等效电阻R_S的一端，其共同节点即是直流电力***电源侧正极1₊；机械开关K连接晶闸管SCR阴极的一端连接电阻R一端、二极管D₁阴极和限流电感L一端；电阻R另一端连接二极管D₁阳极、负载侧电容C₂正极；限流电感L另一端连接二极管D₂阴极、直流电力***负载正极2₊；电源侧电容C₁负极连接直流***电源侧负极1_‐、负载侧电容C₂负极、二极管D₂阳极、直流电力***负载负极2_-。

所述直流电力***负载由负载侧电阻R_L和负载侧电感L_L串联组成。

所述直流电力***电源由电源侧等效电阻R_S、电源侧等效电感L_S和直流电源U_DC串联构成。

所述无电弧的混合直流断路器实现无电弧分合闸的方法包括：

(1)无电弧混合直流断路器CB参数设计，根据给定的直流电力***参数和开断要求，基于抑制起弧条件原则的无电弧混合直流断路器CB参数设计如下：

1)为避免短路电流过大，除通过提高机械开关K动作速度来缩短短路电流上升时间外，还需要限制短路电流上升率，则据此建立触头分离时刻直流电源电流方程。

2)为避免直流电源产生振荡，需使触头分离后的电源侧RLC二阶***过阻尼，则据此建立过阻尼方程。

3)根据抑制起弧原理，建立触头分离后机械开关K电压上升率最大时刻的电压方程。

4)联立求解电流方程、过阻尼方程和电压方程，得到电源侧电容C₁、负载侧电容C₂和限流电感L参数。

5)为快速释放负载侧能量，结束开断过程，电阻R应使限流电感L电流反向后负载侧RLC二阶***临界阻尼。

(2)无电弧混合直流断路器CB运行过程，无电弧混合直流断路器开断额定电流前，直流电力***正常运行，二极管D₁处于阻断状态，忽略机械开关K上压降，电源侧电容C₁电压等于负载侧电容C₂电压。机械开关K触头分离后，其两端电位差有二极管D₁导通压降的跳变，开断短路电流时由于触头分离前二极管D₁已经导通，所以不存在该电压跳变。开断额定电流时，负载侧电容C₂电压比开断短路电流时下降更慢，起弧电场强度不满足，但为了抑制起弧电压条件，二极管D₁导通压降不得大于门槛电压，限制了二极管D₁最多能串联的单管个数，无电弧混合直流断路器CB最高电压等级为单管耐压乘以极限串联个数；具体过程包括：

合闸过程：无电弧混合直流断路器CB接到合闸命令后，先导通晶闸管SCR，然后闭合机械开关K触头；由于机械开关K两端电位差保持为小于门槛电压的晶闸管SCR导通压降，起弧电压条件不满足，合闸过程中不会产生电弧；晶闸管SCR导通后，电源侧电容C₁从初始状态的直流电源U_DC空载电压开始放电，负载侧电容C₂通过电阻R从零电压开始充电；机械开关K触头完全接触后压降小于晶闸管SCR导通压降，晶闸管SCR关断。

稳定运行状态：无电弧混合直流断路器CB合闸结束后进入稳定运行状态，电流从闭合的机械开关K流过，晶闸管SCR处于阻断状态；电源侧电容C₁无充放电，电压保持在电源电压U_DC；负载侧电容C₂无充放电，忽略机械开关K上压降，电压保持在电源电压U_DC；电阻R无电流流过；二极管D₁处于阻断状态，反向耐压均为一半的***额定电压；限流电感L相当于短路。稳定运行时，无电弧混合直流断路器CB可等效为一段导线，导通损耗低。

开断短路电流过程：无电弧混合直流断路器CB出线端短路后，电源侧电容C₁、负载侧电容C₂和限流电感L组成等效二阶电路，限制短路电流上升；接到分闸命令后，机械开关K开始动作，当触头分离后，直流电源U_DC、电源侧等效电感L_S、电源侧等效电阻R_S和电源侧电容C₁组成二阶回路，负载侧电容C₂、二极管D₁、限流电感L组成另一个二阶回路；电源侧电容C₁和负载侧电容C₂分别为电源侧电流和负载侧电流提供了续流通路，并维持机械开关K两端电位差缓慢变化。机械开关K触头分离后，其两端电位差从一个小于门槛电压的初始值开始缓慢上升，在极小的触头间距时，电场强度仍然较大，起弧电场强度条件满足，但起弧电压条件不满足，因此不会产生电弧；随着触头间距的增大,虽然起弧电压条件已经达到，但电场强度条件不再满足，也不会产生电弧；当限流电感L电流反向后，二极管D₁关断，负载侧电容C₂、电阻R、限流电感L组成二阶回路，直到负载侧电容C₂储存能量耗散完毕，机械开关K两端电位差下降到直流电源电压。

开断负载电流过程：机械开关K触头分离后，电源侧工作情况和开断短路电流时相同，但负载侧为负载侧电容C₂、限流电感L、负载电感L_L和负载电阻R_L组成的RLC二阶***。由于负载的不确定性，该二阶***可能过阻尼、临界阻尼或者欠阻尼。若***过阻尼或者临界阻尼，则在负载侧电容C₂电压下降到零，限流电感L和负载电感L_L电流下降到零时，开断过程结束。若***因欠阻尼而振荡，则在负载电压反向后，二极管D₂导通，保护负载电感L_L和负载电阻R_L不承受反向电压和电流，限流电感L和电容C₂、电阻R组成负载侧RLC二阶***，直到负载侧能量释放完毕，开断过程结束。

本发明的有益效果是针对产生电弧需同时满足介质击穿场强条件(起弧电场强度条件)和起弧电压条件；而考虑一定安全裕量，取一个低于最低起弧电压的门槛电压和一个低于最低起弧电场强度的门槛电场强度，使开断过程中不同时出现机械开关K两端电位差高于门槛电压和触头间电场强度高于门槛电场强度的情况得到克服；在开断、合闸过程中均无电弧产生，彻底避免了直流电弧产生后难以熄灭的情况，机械触头无任何侵蚀，且不需全控功率器件和额外的辅助机械开关，控制简单，成本低，可靠性高。

附图说明

图1为起弧条件示意图；

图2为起弧电压概率密度分布图；

图3为开断过程抑制起弧原理图；

图4为电路原理图；

图5为合闸过程的等效电路原理图；

图6为***正常运行的等效电路原理图；

图7为触头分离前短路电流上升阶段等效电路原理图；

图8为开断短路电流第一阶段的等效电路原理图；

图9为开断短路电流第二阶段等的效电路原理图。

具体实施方式

本发明提出一种无电弧的混合直流断路器及实现无电弧分合闸的方法；下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图4所示的电路原理图，该无电弧的混合直流断路器在设计时针对产生电弧需同时满足介质击穿的起弧电场强度条件和起弧电压条件；而考虑一定安全裕量。该无电弧混合直流断路器CB包括晶闸管SCR、机械开关K、电源侧电容C₁、负载侧电容C₂、电阻R、二极管D₁、D₂和限流电感L；其中，晶闸管SCR阳极、阴极并联在机械开关K两端；机械开关K连接晶闸管SCR阳极的一端连接电源侧电容C₁正极、电源侧等效电阻R_S的一端，其共同节点即是直流电力***电源侧正极1₊；机械开关K连接晶闸管SCR阴极的一端连接电阻R一端、二极管D₁阴极和限流电感L一端；电阻R另一端连接二极管D₁阳极、负载侧电容C₂正极；限流电感L另一端连接二极管D₂阴极、直流电力***负载正极2₊；电源侧电容C₁负极连接直流***电源侧负极1_‐、负载侧电容C₂负极、二极管D₂阳极、直流电力***负载负极2_‐。其中，直流电力***负载由负载侧电阻R_L和负载侧电感L_L串联组成。直流电力***电源由电源侧等效电阻R_S、电源侧等效电感L_S和直流电源U_DC串联构成。

抑制起弧原理

电弧的产生需同时满足介质击穿场强条件(起弧电场强度条件)和起弧电压条件。根据高电压理论，标准大气压下空气击穿场强约为3×10⁶V/m。电弧在整个发展阶段大致分为三个时期：金属桥阶段、金属相电弧阶段、气体相电弧阶段，其中金属相电压平台起始电压则为起弧电压。起弧电压主要由两部分组成，其值取决于稳定电弧所需能量：阴极材料中的电子要成为自由电荷，首先要克服金属原子的束缚，需克服逸出功eU_e；形成电弧，要求电子能够电离金属蒸气，需做功eU_i。不同机械触头材料起弧电压略有不同，电力装备常用有色金属起弧电压约为12V。

图1为根据大量直流开断实验结果统计出的直流电弧起弧条件示意图。图中横轴直流电源额定电压，纵轴为开断过程中机械触头间最大电场强度，坐标系中任一位置表示一次直流开断实验特定工作状态。根据起弧概率可将坐标系划分为四个区域：Ⅰ起弧区、Ⅱ过渡区、Ⅲ安全裕量区、Ⅳ不起弧区。Ⅰ起弧区直流电源额定电压高于最高起弧电压，机械触头间最高电场强度高于最高不起弧电场强度，起弧概率为100％；Ⅱ过渡区电源电压高于最低起弧电压，最高电场强度高于最低起弧电场强度，起弧概率为0～100％；Ⅲ安全裕量区和Ⅳ不起弧区电源电压低于最低起弧电压，或者最高电场强度低于最低起弧电场强度，起弧概率为0。考虑一定安全裕量，取一个低于最低起弧电压的门槛电压U_T和一个低于最低起弧电场强度的门槛电场强度E_T，电压低于门槛电压U_T，或者电场强度低于门槛电场强度E_T的区域则为Ⅳ不起弧区。Ⅳ不起弧区可分为U<U_T，E>E_T的A区，U<U_T，E<E_T的B区和U>U_T，E<E_T的C区。根据实验结果可取门槛电场强度E_T＝5×10⁵V/m，此电场强度远低于高电压理论中标准大气压下空气击穿场强3×10⁶V/m，可确保低于E_T的电场强度不会击穿触头间隙。如图2所示的直流电弧起弧电压的概率密度分布，实验所用铬锆铜触头起弧电压为11～17V，且主要集中在14V附近，所以可取门槛电压U_T＝10V。

图2所示的起弧条件示意图是通过大量直流开断实验的特定工作状态统计得到，因此可看成单次直流开断可能的工作状态。此时，横轴为开断过程中触头两端电位差，纵轴为触头间电场强度，坐标系中任一位置表示该时刻直流开断工作状态。无电弧混合直流断路器动作时希望工作点始终位于Ⅳ不起弧区，但在无电弧混合直流断路器刚开断时触头间距极小，电场强度很难保证低于门槛电场强度E_T，所以工作点位于B区难以实现，实际开断时可控制工作点在A、C区，从而保证无弧开断。

图3为本发明中无电弧混合直流断路器开断过程抑制起弧条件原理图。当机械开关K触头间距为d时，根据门槛电场强度E_T确定的不起弧安全电压u_T＝E_Td，机械开关K电压u_K＝u_C1‐u_C2，机械开关K触头分离后，其电压u_K从一个小于门槛电压的初始值开始缓慢上升，在极小的触头间距时，电场强度仍然较大，u_K>u_T，u_K<U_T，起弧电场强度条件满足，但起弧电压条件不满足，因此不会产生电弧，工作点位于A区；随着触头间距的增大，u_K<u_T，u_K>U_T，虽然起弧电压条件已经达到，但电场强度条件不再满足，也不会产生电弧，工作点位于C区，直到触头达到额定开距。

无电弧混合直流断路器CB工作过程

合闸过程

如图5所示,无电弧混合直流断路器CB接到合闸命令后，先导通晶闸管SCR，然后闭合机械开关K触头。由于机械开关K两端电位差u_K保持为小于门槛电压U_T的晶闸管SCR导通压降，起弧电压条件不满足，合闸过程中不会产生电弧。机械开关K触头完全接触后压降小于晶闸管SCR导通压降，晶闸管SCR关断。忽略晶闸管SCR导通压降和机械开关K触头完全接触后压降，合闸过程等效电路如图5所示。晶闸管SCR导通后，电源侧电容C₁从初始状态直流电源U_DC空载电压开始放电，负载侧电容C₂通过电阻R从零电压开始充电。

合闸结束后稳定运行状态

如图6所示，无电弧混合直流断路器CB合闸结束后稳定运行时，电流从闭合的机械开关K流过，晶闸管SCR处于阻断状态；电源侧电容C₁无充放电，电压保持在电源电压；负载侧电容C₂无充放电，忽略机械开关K上压降，电压保持在***电源电压；电阻R无电流流过；二极管D₁处于阻断状态，反向耐压均为一半的***额定电压；限流电感L相当于短路。稳定运行时，无电弧混合直流断路器CB可等效为一段导线，导通损耗低。

开断短路电流过程

图7为无电弧混合直流断路器CB出线端短路后，机械开关K触头分离前短路电流上升阶段等效电路图。忽略机械开关K压降和二极管D₁压降，电源侧电容C₁、负载侧电容C₂可看成并联的容值为C的大电容，忽略远小于限流电感L的电源侧等效电感L_S，无电弧直流断路器CB可等效为二阶电路，限制短路电流上升。负载电感L_L通过负载电阻R_L放电，直到所储存能量耗散完毕。

图8为无电弧混合直流断路器CB开断出线端短路电流第一阶段的等效电路图。无电弧混合直流断路器CB接到分闸命令后，机械开关K开始动作，当触头分离后，直流电源U_DC、电源侧等效电感L_S、电源侧等效电阻R_S和电源侧电容C₁组成RLC二阶电路，负载侧电容C₂、二极管D₁、限流电感L组成LC二阶电路。机械开关K两端电位差u_K＝u_C1‐u_C2，机械开关K触头分离后，其两端电位差u_K从一个小于门槛电压的初始值开始缓慢上升，在极小的触头间距时，电场强度仍然较大，u_K>u_T，u_K<U_T，起弧电场强度条件满足，但起弧电压条件不满足，因此不会产生电弧工作点位于A区；随着触头间距的增大，u_K<u_T，u_K>U_T，虽然起弧电压条件已经达到，但电场强度条件不再满足，也不会产生电弧，工作点位于C区。

图9为无电弧混合直流断路器CB开断出线端短路电流第二阶段的等效电路图。当限流电感L电流反向后，二极管D₁关断，负载侧电容C₂、电阻R、限流电感L组成二阶回路，直到负载侧电容C₂储存能量耗散完毕，机械开关K两端电位差下降到直流电源电压。

开断负载电流过程

机械开关K触头分离后，电源侧工作情况和开断短路电流时相同，但负载侧为负载侧电容C₂、限流电感L、负载电感L_L和负载电阻R_L组成的RLC二阶***。由于负载的不确定性，该二阶***可能过阻尼、临界阻尼或者欠阻尼。若***过阻尼或者临界阻尼，则在负载侧电容C₂电压下降到零，限流电感L和负载电感L_L电流下降到零时，开断过程结束。若***因欠阻尼而振荡，则在负载电压反向后，二极管D₂导通，保护负载电感L_L和负载电阻R_L不承受反向电压和电流，限流电感L和电容C₂、电阻R组成负载侧RLC二阶***，直到负载侧能量释放完毕，开断过程结束。

无电弧混合直流断路器CB参数设计方法

已知直流电力***参数：直流电源空载电压U_DC、***额定电压U_n、***额定电流I_n、电源侧等效电感L_S、电源侧等效电阻R_S。为了实现无弧开断，需要根据抑制起弧原理合理设计电源侧电容C₁、负载侧电容C₂、限流电感L和电阻R参数，方法如下：

1)为避免短路电流过大，除通过提高机械开关K动作速度来缩短短路电流上升时间外，还需要限制短路电流上升率，则据此建立触头分离时刻直流电源电流方程。

2)为避免直流电源产生振荡，需使触头分离后的电源侧RLC二阶***过阻尼，则据此建立过阻尼方程。

3)根据抑制起弧原理，建立触头分离后机械开关K电压上升率最大时刻的电压方程。

4)联立求解电流方程、过阻尼方程和电压方程，得到电源侧电容C₁、负载侧电容C₂和限流电感L参数。

5)为快速释放负载侧能量，结束开断过程，电阻R应使限流电感L电流反向后负载侧RLC二阶***临界阻尼。

触头分离前：0≤t<t_d

图7所示为断路器出线端短路后，机械开关K触头分离前，短路电流上升阶段的等效电路图。忽略机械开关K和二极管D₁压降，电源侧电容C₁、负载侧电容C₂可并联等效为电容C，同时忽略远小于限流电感L的电源侧等效电感L_S，无弧直流断路器可等效为RLC二阶电路，其初始状态为：

u_C(0)＝U_n，i_L(0)＝I_n (1)

触头分离前，等效并联电容C电压为：

$u_C=A_1{e}^{-(\mathrm{\&alpha;}+\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}^2-{\mathrm{\&omega;}}^2})t}+A_2{e}^{-(\mathrm{\&alpha;}-\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}^2-{\mathrm{\&omega;}}^2})t}---\left(2\right)$

其中：C＝C₁+C₂，α＝1/2R_SC，

$A_1=\frac{(\sqrt{L^2-4{\mathrm{LCR}}_S^2}+L)U_n}{2\sqrt{L^2-4{\mathrm{LCR}}_S^2}},A_2=\frac{(\sqrt{L^2-4{\mathrm{LCR}}_S^2}-L)U_n}{2\sqrt{L^2-4{\mathrm{LCR}}_S^2}}$

触头分离前，限流电感L电流为：

$i_L=\frac{U_{DC}}{R_S}+A_3{e}^{-(\mathrm{\&alpha;}+\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}^2-{\mathrm{\&omega;}}^2})t}+A_4{e}^{-(\mathrm{\&alpha;}-\sqrt{{\mathrm{\&alpha;}}^2-{\mathrm{\&omega;}}^2})t}---\left(3\right)$

其中：

$A_3=\frac{(\sqrt{L^2-4{\mathrm{LCR}}_S^2}-L)U_{DC}}{2R_S\sqrt{L^2-4{\mathrm{LCR}}_S^2}}+\frac{(L-\sqrt{L^2-4{\mathrm{LCR}}_S^2}){\mathrm{RI}}_n+2R_S{\mathrm{CU}}_n}{2R_S\sqrt{L^2-4{\mathrm{LCR}}_S^2}}$

$A_4=\frac{(-\sqrt{L^2-4{\mathrm{LCR}}_S^2}-L)U_{DC}}{2R_S\sqrt{L^2-4{\mathrm{LCR}}_S^2}}+\frac{(L+\sqrt{L^2-4{\mathrm{LCR}}_S^2}){\mathrm{RI}}_n+2R_S{\mathrm{CU}}_n}{2R_S\sqrt{L^2-4{\mathrm{LCR}}_S^2}}$

触头分离前，直流电源U_DC电流为：

i_DC＝(U_DC-u_C)/R_S (4)

限制直流电源短路电流平均上升率为r，则根据触头分离时刻的直流电源电流，建立以电源侧电容C₁、负载侧电容C₂和限流电感L为未知量的电流方程：

$i_{DC}(C_1,C_2,L,t){|}_{t=t_d}=I_n+{\mathrm{rt}}_d---\left(5\right)$

触头分离后：t_d≤t≤t_b

如图8所示，机械开关K触头分离后，直流电源U_DC、电源侧等效电感L_S、等效电阻R_S和电源侧电容C₁组成电源侧RLC二阶***，其初始状态为：

$u_{C1}^{\&prime;}\left(t_d\right)=u_C\left(t_d\right),i_{L_S}^{\&prime;}\left(t_d\right)=i_{DC}\left(t_d\right)---\left(6\right)$

触头分离后，电源侧电容C₁电压为：

$\begin{array}{c}{u}_{C1}^{\&prime;}=U_{DC}+A_5{e}^{-({\mathrm{\&alpha;}}_1+\sqrt{{{\mathrm{\&alpha;}}_1}^2-{{\mathrm{\&omega;}}_1}^2})(t-t_d)}+\\ A_6{e}^{-({\mathrm{\&alpha;}}_1-\sqrt{{{\mathrm{\&alpha;}}_1}^2-{{\mathrm{\&omega;}}_1}^2})(t-t_d)}\end{array}---\left(7\right)$

其中：α₁＝R_S/2L_S，

$A_5=\frac{(R_S{C}_1-\sqrt{R_S^2{C}_1^2-4L_S{C}_1})U_{DC}}{2\sqrt{R_S^2{C}_1^2-4L_S{C}_1}}+\frac{(\sqrt{R_S^2{C}_1^2-4L_S{C}_1}-R_S{C}_1)u_C\left(t_d\right)-2L_S{i}_{DC}\left(t_d\right)}{2\sqrt{R_S^2{C}_1^2-4L_S{C}_1}}$

$A_6=\frac{(-R_S{C}_1-\sqrt{R_S^2{C}_1^2-4L_S{C}_1})U_{DC}}{2\sqrt{R_S^2{C}_1^2-4L_S{C}_1}}+\frac{(\sqrt{R_S^2{C}_1^2-4L_S{C}_1}+R_S{C}_1)u_C\left(t_d\right)+2L_S{i}_{DC}\left(t_d\right)}{2\sqrt{R_S^2{C}_1^2-4L_S{C}_1}}$

为避免直流电源振荡，电源侧电容C₁应使电源侧RLC二阶***过阻尼，即衰减常数α₁应大于自然振荡角频率ω₁，所以：

$C_1>4L_S/R_S^2---\left(8\right)$

取10％裕量，得到过阻尼方程为：

$C_1=4.4L_S/R_S^2---\left(9\right)$

如图4所示，忽略二极管D₁和极小的短路阻抗，机械开关K触头分离后，限流电感L电流反向前，负载侧电容C₂和限流电感L组成负载侧LC二阶***，其初始状态为：

u′_C2(t_d)＝u_C(t_d)，i′_L(t_d)＝i_L(t_d) (10)

触头分离后，负载侧电容C₂电压为：

$\begin{array}{c}{u}_{C2}^{\&prime;}={\mathrm{\&omega;}}_2^2{u}_C\left(t_d\right)cos\&lsqb;{\mathrm{\&omega;}}_2(t-t_d)\&rsqb;-\\ \frac{{\mathrm{\&omega;}}_2}{C_2}{i}_L\left(t_d\right)\sin \&lsqb;{\mathrm{\&omega;}}_2(t-t_d)\&rsqb;\end{array}---\left(11\right)$

其中：

触头分离后，机械开关K电压为：

u_K＝u′_C1-u′_C2 (12)

机械开关K触头在分离后以速度V_K匀速断开，根据门槛电场强度E_T确定的不起弧电压u_T为：

u_T＝E_Td＝E_TV_K(t-t_d) (13)

t＝t_b时刻，负载侧电容C₂电压降为零，但此时负载侧电容C₂放电电流达到最大值，导致机械开关K电压上升率达到最大值，电场强度达到起弧电压条件满足以后的最高值，因此只要保证此时电场强度不高于门槛电场强度，起弧电场强度和电压条件便不能同时满足。由此得到电压方程：

$u_K(C_1,C_2,L,t){|}_{t=t_b}=u_T(C_1,C_2,L,t){|}_{t=t_b}---\left(14\right)$

联立求解电流方程(6)、过阻尼方程(10)和电压方程(15)，得到电源侧电容C₁、负载侧电容C₂和限流电感L参数。

限流电感L电流反向后：t>t_b

图9为无电弧混合直流断路器CB开断出线端短路电流第二阶段的等效电路图。当限流电感L电流反向后，二极管D₁关断，负载侧电容C₂、电阻R、限流电感L组成RLC二阶回路，为快速释放负载侧能量，结束开断过程，电阻R应使该RLC二阶***临界阻尼，即：

$R=2\sqrt{L/C_2}---\left(15\right)$

无电弧混合直流断路器CB最高电压等级

无电弧直流断路器CB开断额定电流前，直流电力***正常运行，二极管D₁处于阻断状态，忽略机械开关K上压降，电源侧电容C₁电压等于负载侧电容C₂电压。机械开关K触头分离后，其电压有二极管D₁导通压降U_D的跳变，开断短路电流时由于触头分离前二极管D₁已经导通，所以不存在该电压跳变。开断额定电流时，负载侧电容C₂电压比开断短路电流时下降更慢，起弧电场强度不满足，但为了抑制起弧电压条件，二极管D₁导通压降U_D不得大于门槛电压U_T，即：

U_D≤U_T (16)

二极管D₁单管的反向耐压为U_R，正向导通压降为U_F，则二极管D₁串联单管数最大值为：

$n_{max}=\frac{U_T}{U_F}---\left(17\right)$

***最高额定电压U_nmax为：

U_nmax＝n_maxU_R (18)。

Claims (4)

1.一种无电弧混合直流断路器；其特征在于，该无电弧的混合直流断路器在设计时针对产生电弧需同时满足介质击穿的起弧电场强度条件和起弧电压条件；而考虑一定安全裕量；

该无电弧混合直流断路器CB包括晶闸管SCR、机械开关K、电源侧电容C₁、负载侧电容C₂、电阻R、二极管D₁、D₂和限流电感L；其中，晶闸管SCR阳极、阴极并联在机械开关K两端；机械开关K连接晶闸管SCR阳极的一端连接电源侧电容C₁正极、电源侧等效电阻R_S的一端，其共同节点即是直流电力***电源侧正极1₊；机械开关K连接晶闸管SCR阴极的一端连接电阻R一端、二极管D₁阴极和限流电感L一端；电阻R另一端连接二极管D₁阳极、负载侧电容C₂正极；限流电感L另一端连接二极管D₂阴极、直流电力***负载正极2₊；电源侧电容C₁负极连接直流***电源侧负极1_-、负载侧电容C₂负极、二极管D₂阳极、直流电力***负载负极2_-。

2.根据权利要求1所述一种无电弧混合直流断路器；其特征在于，所述直流电力***负载由负载侧电阻R_L和负载侧电感L_L串联组成。

3.根据权利要求1所述一种无电弧混合直流断路器；其特征在于，所述直流电力***电源由电源侧等效电阻R_S、电源侧等效电感L_S和直流电源U_DC串联构成。

4.一种权利要求1所述无电弧混合直流断路器实现无电弧分合闸的方法，其特征在于，包括：

(1)无电弧混合直流断路器CB参数设计，根据给定的直流电力***参数和开断要求，基于抑制起弧条件原则的无电弧混合直流断路器CB参数设计如下：

1)为避免短路电流过大，除通过提高机械开关K动作速度来缩短短路电流上升时间外，还需要限制短路电流上升率，则据此建立触头分离时刻直流电源电流方程；

2)为避免直流电源产生振荡，需使触头分离后的电源侧RLC二阶***过阻尼，则据此建立过阻尼方程；

3)根据抑制起弧原理，建立触头分离后机械开关K电压上升率最大时刻的电压方程；

4)联立求解电流方程、过阻尼方程和电压方程，得到电源侧电容C₁、负载侧电容C₂和限流电感L参数；

5)为快速释放负载侧能量，结束开断过程，电阻R应使限流电感L电流反向后负载侧RLC二阶***临界阻尼；

(2)无电弧混合直流断路器CB运行过程，无电弧混合直流断路器开断额定电流前，直流电力***正常运行，二极管D₁处于阻断状态，忽略机械开关K上压降，电源侧电容C₁电压等于负载侧电容C₂电压，机械开关K触头分离后，其两端电位差有二极管D₁导通压降的跳变，开断短路电流时由于触头分离前二极管D₁已经导通，所以不存在该电压跳变，开断额定电流时，负载侧电容C₂电压比开断短路电流时下降更慢，起弧电场强度不满足，但为了抑制起弧电压条件，二极管D₁导通压降不得大于门槛电压，限制了二极管D₁最多能串联的单管个数，无电弧混合直流断路器CB最高电压等级为单管耐压乘以极限串联个数；具体过程包括：

合闸过程：无电弧混合直流断路器CB接到合闸命令后，先导通晶闸管SCR，然后闭合机械开关K触头；由于机械开关K两端电位差保持为小于门槛电压的晶闸管SCR导通压降，起弧电压条件不满足，合闸过程中不会产生电弧；晶闸管SCR导通后，电源侧电容C₁从初始状态的直流电源U_DC空载电压开始放电，负载侧电容C₂通过电阻R从零电压开始充电；机械开关K触头完全接触后压降小于晶闸管SCR导通压降，晶闸管SCR关断；

稳定运行状态：无电弧混合直流断路器CB合闸结束后进入稳定运行状态，电流从闭合的机械开关K流过，晶闸管SCR处于阻断状态；电源侧电容C₁无充放电，电压保持在电源电压U_DC；负载侧电容C₂无充放电，忽略机械开关K上压降，电压保持在电源电压U_DC；电阻R无电流流过；二极管D₁处于阻断状态，反向耐压均为一半的***额定电压；限流电感L相当于短路，稳定运行时，无电弧混合直流断路器CB可等效为一段导线，导通损耗低；

开断短路电流过程：无电弧混合直流断路器CB出线端短路后，电源侧电容C₁、负载侧电容C₂和限流电感L组成等效二阶电路，限制短路电流上升；接到分闸命令后，机械开关K开始动作，当触头分离后，直流电源U_DC、电源侧等效电感L_S、电源侧等效电阻R_S和电源侧电容C₁组成二阶回路，负载侧电容C₂、二极管D₁、限流电感L组成另一个二阶回路；电源侧电容C₁和负载侧电容C₂分别为电源侧电流和负载侧电流提供了续流通路，并维持机械开关K两端电位差缓慢变化，机械开关K触头分离后，其两端电位差从一个小于门槛电压的初始值开始缓慢上升，在极小的触头间距时，电场强度仍然较大，起弧电场强度条件满足，但起弧电压条件不满足，因此不会产生电弧；随着触头间距的增大,虽然起弧电压条件已经达到，但电场强度条件不再满足，也不会产生电弧；当限流电感L电流反向后，二极管D₁关断，负载侧电容C₂、电阻R、限流电感L组成二阶回路，直到负载侧电容C₂储存能量耗散完毕，机械开关K两端电位差下降到直流电源电压；

开断负载电流过程：机械开关K触头分离后，电源侧工作情况和开断短路电流时相同，但负载侧为负载侧电容C₂、限流电感L、负载电感L_L和负载电阻R_L组成的RLC二阶***，由于负载的不确定性，该二阶***可能过阻尼、临界阻尼或者欠阻尼，若***过阻尼或者临界阻尼，则在负载侧电容C₂电压下降到零，限流电感L和负载电感L_L电流下降到零时，开断过程结束，若***因欠阻尼而振荡，则在负载电压反向后，二极管D₂导通，保护负载电感L_L和负载电阻R_L不承受反向电压和电流，限流电感L和电容C₂、电阻R组成负载侧RLC二阶***，直到负载侧能量释放完毕，开断过程结束。