CN108011349A - 一种双向无电弧混合断路器及其工作方法 - Google Patents

一种双向无电弧混合断路器及其工作方法 Download PDF

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Abstract

一种双向无电弧混合断路器及其工作方法，属于直流断路器技术领域，涉及一种断路器及其工作方法；本发明为了解决直流输电***存在电流难以切断的问题；本发明包括主电流电路、电容强迫换流电路、二极管辅助换流电路和过电压限制电路，利用电容强迫换流原理实现了双向切除故障电流，在开、合闸过程中均无电弧产生；本发明控制简单、成本低、电容预充电方便、关断速度快、可靠性高。

Description

一种双向无电弧混合断路器及其工作方法
技术领域
本发明属于直流断路器技术领域，主要涉及一种双向无电弧混合断路器及其工作方法。
背景技术
随着风电等新能源的快速发展，大规模风电等新能源的并网已经成为了迫切需要解决的问题，直流输电技术为新能源大规模并网提供了有效地解决方案；与交流输配电不同，直流输配电具有损耗低、谐波小、不产生无功功率等优点，然而新能源发电***直接并网会给传统的交流电网带来冲击并严重影响电网安全和稳定运行，而解决的有效措施是接入一个直流输电***，将传统交流***与新能源发电***隔离开；由于直流***存在潮流双向流动情况，要求***中直流断路器具有双向分断能力。
与交流***不同，直流输电***存在着电流难以切断的难题，直流***由于缺乏自然过零点，因此相比于交流电弧，直流电弧的熄灭更加困难，半控型固态直流断路器或全控型固态直流断路器虽然具有无弧快速分断直流电流的特点，但其通流能力一般，且***长期运行损耗过大，而且成本高。
六种直流断路器优缺点比较。
发明内容
为了克服现有技术的缺点和不足，本发明设计了一种双向无电弧混合断路器及其使用方法。利用电容强迫换流原理，实现了电路分断时高速开关的无弧打开、低电压应力下的“软开通”和“软关断”，加快了高速开关的关断速度，提高了分断的可靠性，同时满足了直流供电***的双向分断的要求，且成本低。
本发明的目的是这样实现的：
一种双向无电弧混合断路器，包括
主电流电路，包括依次串联连接的第一电感、两个串联连接的高速开关和第二电感，用于通过正常工作状态下的电流；
电容强迫换流电路，包括电容器，电容强迫换流电路两端分别接在主电流电路的两个高速开关之间和二极管辅助换流电路上，所述电容强迫换流电路通过对电容的充放电实现双向切除故障电流,可实现高速开关在开通或关断过程中低电压应力下的“软开通”和“软关断”，能加快高速开关的断开速度，并保证可靠性；
所述二极管辅助换流电路，包括分别并联在两个高速开关两端的第一二极管桥和第三二极管桥和并联在两个高速开关两端的第二二极管桥，用于辅助电容强迫换流电路形成电容充放电电流流通路径；
过电压限制电路，并联在电容强迫换流电路的两端，用于消耗***故障电流，并抑制分断过电压。
所述第一二极管桥包括第一二极管，第二二极管桥包括串联连接的第二二极管和第四二极管，第三二极管桥包括第三二极管，所述电容强迫换流电路的一端接在两个高速开关之间中点上，另一端接在第二二极管和第四二极管之间。
所述电容强迫换流电路包括串联连接的第三电感和开关桥，开关桥包括并联连接的两个开关桥臂，电容器的两端分别连接两个开关桥臂的中点处，用于消耗***故障电流，并抑制分断过电压；所述过电压限制电路由避雷器MOV组成；
所述开关桥臂包括串联连接的两个晶闸管。
所述过电压限制电路包括避雷器MOV。
一种双向无电弧混合断路器的工作方法，具体包括以下过程：
预充电过程，先闭合其中一个高速开关，对电容器进行预充电；在此过程中，电容器C可以实现双向充电，且预充电方便，其电压极性不影响***电流的转移，断路器断开电路后，电容器C无须重新充电，省去了复杂的外部充电电路；
合闸过程，双向无电弧混合断路器接到合闸命令，闭合其中一个高速开关，由于此时没有形成电流流通路径，因此不会产生电弧，控制相应一侧的开关桥臂导通，当电流在开关桥臂支路稳定流通时，闭合另一高速开关，在此过程中，由于高速开关两端电位差保持为小于门槛电压的晶闸管导通压降，起弧电压条件不满足，合闸过程中不会产生电弧，从而实现高速开关低电压应力下的“软开通”；
稳定运行过程，合闸过程结束后进入稳定运行状态，电流依次从两个高速开关流通，开关桥臂、第一二极管桥、第二二极管桥和第三二极管桥处于阻断状态，电容器无充放电工作，第一电感和第二电感处于短路，此时双向无电弧混合断路器可等效为一段导线，导通损耗低；
开断短路电流过程，切断故障电流，对其中一个高速开关发出分闸命令，同时控制位于电容器两端的相应晶闸管导通，此时电容器进行放电，同时控制相应的二极管桥导通，实现电流从主电流电路向电容强迫换流电路转移，在此过程中，由于高速开关K2(或K1)延时动作，电容器放电电流反向流过高速开关，加速其电流过零，实现零电流无弧断开，同时在高速开关断开过程中，电容器放电电流继续流过与高速开关并联的二极管，实现了高速开关低电压应力下的“软断开”，确保断路器可靠关断；
在故障电流的持续作用下，电容器的极性发生变化，对电容器进行反向充电，随着电压的升高，充电电流减小，实现了抑制故障电流的目的，具有较快的断开速度，同时电容器反向充电后可直接用于下次电流转移，电容器电压无需调整；
所述开断短路电流过程中当电容器两端电压高于电压抑制电路两端电压时，电压抑制电路导通，***电流快速下降，直到能量释放完毕，开断过程结束。
正常开断电流过程，当对断路器进行检修或维护时，其开断电流过程与开断短路电流过程相同。
本发明的有益效果是：
1、本发明所提混合断路器可实现直流电流的双向、无弧分断，并可确保断路器可靠关断。
2、本发明所提混合断路器通过电容器放电给高速开关施加反向电流，可加速高速开关电流过零；同时电容器经过一次放电和一次充电过程就能实现断路器断开，具有较快的断开速度。
3、本发明所提混合断路器其电容器预充电方便，而且可以双向充电，其电压极性不影响***电流的转移；断路器断开后，电容器无须重新充电，省去了复杂的外部充电电路。
4、本发明所提混合断路器采用二极管和晶闸管，成本低，易于实现，且维护费用低。
附图说明
图1为本发明的双向无电弧混合断路器的电路原理图；
图2为电容器预充电电路原理图；
图3为合闸过程中的电流转移电路原理图；
图4为稳定状态下的电流流通图；
图5为开断短路电流过程中的电容强迫换流电路原理图；
图6为过电压限制电路原理图；
图7为合闸过程电路波形图，图7a为第二高速开关K2电压uK2变化波形图，图7b为第二高速开关K2电流iK2变化波形图，图7c为晶闸管T3电流iT3变化波形图；
图8为开断短路电流过程的电路波形图，图8a为第二高速开关K2的电压uK2和电容器电压uc变化波形图；图8b为第二高速开关K2的电流iK2变化波形图；图8c为晶闸管T3iK2变化波形图iT3变化波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。
本实施例的一种双向无电弧混合断路器，如图1所示，包括
主电流电路，包括依次串联连接的第一电感L1、第一高速开关K1、第二高速开关K2和第二电感L2，用于通过正常工作状态下的电流；
电容强迫换流电路，包括电容器C、串联连接的第三电感L3和开关桥，开关桥包括晶闸管T1、T2、T3和T4构成的两个并联连接开关桥臂，电容器C的两端分别连接两个开关桥臂的中点处，用于实现双向切除故障电流；
所述二极管辅助换流电路，包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4，第一二极管D1并联在第一高速开关K1两端，第三开关管D3并联在第二高速开关K2两端，串联的第二二极管D2和第四二极管D4并联在两个高速开关两端，且第一二极管D1的正极、第二二极管D2的负极与第一电感L1相连，第三二极管D3的正极、第四二极管D4的负极与第二电感L2相连，用于辅助电容强迫换流电路形成电容充放电电流流通路径；
过电压限制电路，由避雷器MOV组成，并联在电容强迫换流电路的两端，用于消耗***故障电流，并抑制分断过电压。
一种双向无电弧混合断路器的工作方法，具体包括以下过程：
预充电过程，如图2所示，所述断路器接到合闸命令后，先闭合第一高速开关K1，然后触发晶闸管T1、T4导通，对电容器C进行预充电，在此过程中，电容器C可以实现双向充电，且预充电方便，其电压极性不影响***电流的转移，断路器断开电路后，电容器C无须重新充电，省去了复杂的外部充电电路，此时电流流向如图2所示。
合闸过程，如图3所示，先闭合第一高速开关K1，由于此时没有形成电流流通路径，因此不会产生电弧，然后同时触发晶闸管T3、T4(或T1、T2)导通，当电流从晶闸管T3、T4(或T1、T2)支路稳定流通时，可闭合第二高速开关K2(或第一高速开关K1)；在此过程中，由于第二高速开关K2两端电位差保持为小于门槛电压的晶闸管导通压降，起弧电压条件不满足，合闸过程中不会产生电弧，从而实现高速开关低电压应力下的“软开通”。
具体如图7所示的合闸过程电路波形图所示，在t＝T0时刻闭合第一高速开关K1，同时触发晶闸管T3、T4导通，此时第二高速开关K2电压由***电压变为电流流通路径两端电压，因此第二高速开关K2电压uK2迅速下降，晶闸管T3电流iT3迅速上升；在t＝Ta时刻，电流从晶闸管T3、T4支路稳定流通，晶闸管T3电流iT3、高速开关K2电压uK2保持不变；在t＝Tb时刻，对第二高速开关K2发出合闸命令，此时电流由晶闸管T3、T4支路向主电流支路转移，晶闸管T3电流iT3开始下降，高速开关K2电流iK2开始上升，第二高速开关K2电压uK2下降；在t＝Tc时刻，第二高速开关K2闭合，合闸过程结束，此时晶闸管T3、T4关断，晶闸管T3电流iT3为0，第二高速开关K2电压uK2为0，第二高速开关K2电流iK2为***电流。
由以上合闸过程可以看出，在Tb至Tc时刻高速开关K2闭合过程中，第二高速开关K2两端电位差保持为小于门槛电压的晶闸管导通压降，起弧电压条件不满足，合闸过程中不会产生电弧，从而实现高速开关低电压应力下的“软开通”。
稳定运行过程，合闸过程结束后进入稳定运行状态，如图4所示，电流依次从第一高速开关K1、第二高速开关K2支路流通，晶闸管T1、T2、T3、T4和二极管D1、D2、D3、D4处于阻断状态；电容器C无充放电，电感L1、L2相当于短路，稳定运行状态下，此时双向无电弧混合断路器可等效为一段导线，导通损耗低；
开断短路电流过程，如图5所示，切断故障电流时，对第二高速开关K2发出分闸命令，同时触发晶闸管T2、T3导通，此时电容器C进行放电，第三二极管D3、第四二极管D4导通，电流从主电流电路向电容强迫换流电路转移；在此过程中，由于高速开关K2(或K1)延时动作，电容器放电电流反向流过高速开关，加速其电流过零，实现零电流无弧断开，同时在高速开关断开过程中，电容器放电电流继续流过与高速开关并联的二极管，实现了高速开关低电压应力下的“软断开”，确保断路器可靠关断。
具体如图8开断短路电流过程的电路波形图所示，在t＝Td时刻，对高速开关K2发出分闸命令，同时触发晶闸管T2、T3导通，此时电容器进行放电，因此晶闸管T3电流iT3上升，高速开关K2电流iK2下降，电容器C电压uC减小，高速开关K2电压uK2为0；在t＝Te时刻，高速开关K2完全断开，此时高速开关K2电流iK2为0，高速开关K2电压uK2为其并联二极管D3上的导通压降，晶闸管T3电流iT3为***电流与反向流过二极管D3的电流之和；在t＝Tf时刻，电容器C的极性发生变化，对电容器C进行反向充电，此时二极管D3无电流通过，晶闸管T3电流iT3开始下降，电容器C电压uC开始上升，高速开关K2电压uK2为电容器C上电压uC与电感L3的两端感应电压之和；在t＝Tg时刻，电容器C两端电压高于避雷器MOV导通电压，避雷器MOV导通，晶闸管T2、T3关断，高速开关K2电压uK2为***电压。
如图6所示，在故障电流的持续作用下，电容器C的极性发生变化，对电容器C进行反向充电，电容器C两端电压的升高，当电容器C两端电压高于避雷器MOV导通电压时，避雷器MOV导通，***电流快速下降，此时电流流向如图6所示，直到能量释放完毕，开断过程结束。
正常开断电流过程，当对断路器进行检修或维护时，其开断电流过程与开断短路电流过程相同。
由以上开断短路电流过程可以看出，在Te至Tf时刻第二高速开关K2分闸过程中，电容器C放电电流反向流过第二高速开关K2，加速其电流过零，实现零电流无弧断开，同时在高速开关K2断开过程中，第二高速开关K2电压uK2为并联二极管D3上的导通压降，实现了高速开关低电压应力下的“软断开”，确保断路器可靠关断。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种双向无电弧混合断路器，其特征在于：包括
主电流电路，包括依次串联连接的第一电感、两个串联连接的高速开关和第二电感，用于通过正常工作状态下的电流；
电容强迫换流电路，包括电容器，电容强迫换流电路两端分别接在主电流电路的两个高速开关之间和二极管辅助换流电路，用于实现双向切除故障电流；
所述二极管辅助换流电路，包括分别并联在两个高速开关两端的第一二极管桥和第三二极管桥和并联在两个高速开关两端的第二二极管桥，用于辅助电容强迫换流电路形成电容充放电电流流通路径；
过电压限制电路，并联在电容强迫换流电路的两端，用于消耗***故障电流，并抑制分断过电压。
2.根据权利要求1所述一种双向无电弧混合断路器，其特征在于：所述第一二极管桥包括第一二极管，第二二极管桥包括串联连接的第二二极管和第四二极管，第三二极管桥包括第三二极管，所述电容强迫换流电路的一端接在两个高速开关之间中点上，另一端接在第二二极管和第四二极管之间。
3.根据权利要求1所述一种双向无电弧混合断路器，其特征在于：所述电容强迫换流电路包括串联连接的第三电感和开关桥，开关桥包括并联连接的两个开关桥臂，电容器的两端分别连接两个开关桥臂的中点处。
4.根据权利要求3所述一种双向无电弧混合断路器，其特征在于：所述开关桥臂包括串联连接的两个晶闸管。
5.根据权利要求1所述一种双向无电弧混合断路器，其特征在于：所述过电压限制电路包括避雷器MOV。
6.一种双向无电弧混合断路器的工作方法，其特征在于：应用于权利要求1至5任意一项所述的一种双向无电弧混合断路器，具体包括以下过程：
预充电过程，先闭合其中一个高速开关，对电容器进行预充电；
合闸过程，双向无电弧混合断路器接到合闸命令，闭合其中一个高速开关，控制相应一侧的开关桥臂导通，当电流在开关桥臂支路稳定流通时，闭合另一高速开关，实现高速开关低电压应力下的“软开通”；
稳定运行过程，合闸过程结束后进入稳定运行状态，电流依次从两个高速开关流通，开关桥臂、第一二极管桥、第二二极管桥和第三二极管桥处于阻断状态，电容器无充放电工作，第一电感和第二电感处于短路，此时双向无电弧混合断路器可等效为一段导线，导通损耗低；
开断短路电流过程，切断故障电流，对其中一个高速开关发出分闸命令，控制位于电容器两端的相应晶闸管导通，同时控制相应的二极管桥导通，实现电流从主电流电路向电容强迫换流电路转移，***电流快速下降，直到能量释放完毕，开关过程结束。
7.根据权利要求6所述一种双向无电弧混合断路器的工作方法，其特征在于：包括正常开断电流过程，当对断路器进行检修或维护时，其开断电流过程与开断短路电流过程相同。
8.根据权利要求6所述一种双向无电弧混合断路器的工作方法，其特征在于：所述开断短路电流过程包括电容器的放电过程和反向充电过程。
9.根据权利要求6所述一种双向无电弧混合断路器的工作方法，其特征在于：所述开断短路电流过程中当电容器两端电压高于过电压限制电路两端电压时，过电压限制电路导通，***电流快速下降。
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