一种具有桥式感应转移结构的混合式断路器及其使用方法与流程

本发明属于电气设备技术领域，尤其涉及一种具有桥式感应转移结构的转移电流电路及其使用方法。

背景技术：

由高速机械开关与功率半导体器件组成的混合型断路器具有通流容量大、关断速度快、限流能力强等优点，已经成为大容量系统开断领域的研究热点。使用具有全控功能的功率半导体器件分断电流的混合式直流断路器方案相比于其它混合式方案具有分断速度更快，更利于分断额定电流的优点。但在使用全控型功率半导体器件分断电流时，其电流转移回路通常需要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。

传统的转移电流电路中的电容器充电电路与主回路直接相连，没有隔离，开断过程充电电源和主回路会发生干扰，并且对于主回路充电电源的耐压要求非常高，开断不可靠。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的不足，本发明提出一种具有桥式感应转移结构的转移电流电路，所述断路器包括主电流电路、过电压限制电路和转移电流电路；所述主电流电路、过电压限制电路和转移电流电路并联。所述转移电流电路包含感应转移电路，所述感应转移电路中包含串联连接且组成闭合回路的感应转移电感、感应转移电容和感应转移支路功率半导体器件；所述转移电流电路还包含由第一功率半导体器件、第二功率半导体器件、第三功率半导体器件、第四功率半导体器件、主回路电感和主回路电容组成的桥式电路；所述主回路电感和所述感应转移电感耦合组成互感器。

优选地，所述桥式电路的连接关系为：所述第一功率半导体器件与第三功率半导体器件串联，所述第二功率半导体器件与第四功率半导体器件串联，所述第一功率半导体器件与所述第三功率半导体器件之间具有第一端点；所述第二功率半导体器件与所述第四功率半导体器件之间具有第二端点；所述主回路电感和主回路电容串联并连接于所述第一端点和所述第二端点之间。

优选地，所述第一功率半导体器件、第二功率半导体器件、第三功率半导体器件、第四功率半导体器件为单向导通功率半导体器件；所述转移支路功率半导体器件为双向导通功率半导体器件。

优选地，所述主电流电路由高速机械开关组成；所述高速机械开关为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，所述主回路电容、感应转移电容为空心电感器或含磁芯的电感器；由一个或多个电感串联或并联组成；所述的转移电流电路中的主回路的电感和感应转移电感耦合为相互耦合的互感线圈。

优选地，所述第一功率半导体器件、第二功率半导体器件、第三功率半导体器件、第四功率半导体器件为不可控或具有半控功能的功率半导体器件或其组合，包括但不限于电力二极管、晶闸管、IGCT、IGBT和GTO中的任意一个或者任意多个的组合。

优选地，所述过电压限制电路的为压敏电阻或氧化锌阀片组成的避雷器的一个或任意多个的组合。

优选地，所述过电压限制电路为压敏电阻或氧化锌阀片组成的避雷器的一个或任意多个的组合。

优选地，所述过电压限制电路的设计参数包括：电压限制电路容量、导通电压阈值、达到导通电压时的电流、最高钳位电压以及处于最高钳位电压时电流。

本发明还提出一种具有桥式感应转移结构的混合式断路器的使用方法，包括：

正常工作状态下，电流从所述主电流电路流过；此时，由第一功率半导体器件(A1)、第二功率半导体器件(A2)、第三功率半导体器件(A3)、第四功率半导体器件(A4)、主回路电感(L0)和主回路电容(C0)组成的桥式电路和感应转移电路(6)均处于关断状态，所述转移电流电路没有电流通过，所述主回路电容(C0)上无电压，所述感应转移电路(6)中的感应转移电容(C1)保持预充电状态，电压极性，所述过电压限制电路没有电流流过；

当系统需要进行开断时，控制所述主电流电路中的所述高速机械开关进行分闸动作，由于所述高速机械开关存在机械延时，在分闸动作做出时，所述高速机械开关触头仍处于闭合状态；通过测量所述主电流电路的电流幅值和变化率确定所述主电流电路中感应转移支路功率半导体器件以及转移电流电路中第一至第四功率半导体器件是否动作以及相应的动作时序。

本发明还提出一种具有桥式感应转移结构的混合式断路器的使用方法，系统正常运行时，电流全部从主电流电路流过，所述方法包括如下步骤：

步骤0：系统发生短路故障，主电流电路电流开始上升，当超过系统短路阈值时，控制系统动作，机械开关开始动作；

步骤1，机械触头间建立起足够的弧压，控制系统导通第一功率半导体器件、第三功率半导体器件及感应转移支路功率半导体器件，所述电流转移支路导通，感应电感模块电路导通，感应转移电容开始放电，耦合电感使得转移电流电路中的主回路电感两端产生感应电压，主回路电感和主回路电容开始放电；流经主电流电路的电流向转移电流支路转移；主回路电感与主回路电容的串联支路超过短路电流的一部分会从第二功率半导体器件和第四功率半导体器件上流过；

步骤2，机械开关完全打开，主电路电流全部转移至转移电流支路；转移电流支路承受全部短路电流，且短路电流逐渐上升。

步骤3，当短路电流对主回路电容充电的电压值达到了过电压限制电路的导通阈值，过电压限制电路导通；电流开始向过电压限制电路转移；由于过电压限制电路的电压钳位作用，所述断路器两端电压上升幅度很小；

步骤4，转移电流支路中的电流全部转移至过电压限制电路，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，过电压限制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，当系统电流小于过电压限制电路的最小导通电流时；过电压限制电路关闭，过电压限制电路两端电压迅速下降；

步骤5，过电压限制电路中的电流为0，感应转移电路中的感应转移电容重新充电，断路器开断完成，断路器两端的电压降为系统电压。

优选地，所述过电压限制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；所述过电压限制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。

本发明具有如下有益效果：转移电流电路使用桥式结构，用串联的电容和电感支路实现对电流的快速分断，可以有效降低断路器控制体积大小与制造成本。利用感应转移模块实现电流快速转移，主回路电容不用预充电，实现二次充电电路和主回路的隔离，转移速度快；同时，主回路电容仅需要单向充电，可以降低电容体积和成本，并且开断可靠性高。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：

图1是断路器本体结构示意图；

图2是本发明断路器工作时的一种结构示意图；

图3是分断电流时转移电流电路电流标志示意图；

图4(a)-4(e)是分断电流时各电路电流流向图；

图5是分断电流时各电路中电流变化曲线图；

图6是本发明的一个具体实施例的结构示意图；

图7是本发明的一个具体实施例的结构示意图；

图8是本发明的一个具体实施例的结构示意图；

图9是本发明的一个具体实施例的结构示意图；

图10是本发明的一个具体实施例的结构示意图；

图11是本发明的一个具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图1-11，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

以下详细描述实际上仅是示例性的而并不意欲限制应用和使用。此外，并不意欲受以上技术领域、背景、简要概述或以下详细描述中呈现的任何明确或暗示的理论约束。除非明确地具有相反的描述，否则词语“包括”及其不同的变型应被理解为隐含包括所述的部件但不排除任意其他部件。

以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。

本实施例提供一种具有桥式感应转移结构的混合式断路器，如图1所示，包括主电流电路、转移电流电路、以及过电压限制电路。为了更好的说明断路器分断过程，本实施例给出了断路器电流从系统接入端S1到系统接入端S2的结构示意图，如图2所示。图2中功率半导体器件的电流方向与图中第一至第四功率半导体器件A0-A4的箭头方向一致。

参照图1、2可知，断路器包括主电流电路，转移电流电路以及过电压限制，且转移电流电路包含有感应转移模块，主电流电路、转移电流电路以及过电压限制电路并联。

所述主电流电路由高速机械开关组成。

所述转移电流电路包括功率半导体器件A1组成的电路1，功率半导体器件A2组成的电路2，功率半导体器件A3组成的电路3，功率半导体器件A4组成的电路4以及电感L0和电容C0串联组成的电路5，由电感L1，电容C1及功率半导体器件A0串联构成的感应转移模块组成电路6，并且所述电路1与所述电路4串联，所述电路2则与所述电路3串联。

其中：所述电路1和所述电路4串联组成转移电流电路支路1-4，且所述支路1-4与所述主电流电路并联，并且：所述主电流电路的一端连接所述功率半导体器件A1的一端，以便实现与所述支路1-4的一端的连接；所述功率半导体器件A1的另一端则与所述功率半导体器件A4的一端连接以便实现所述电路1和所述电路4的串联；所述功率半导体器件A4的另一端则与所述主电路的另一端连接，以便实现所述支路1-4的另一端与所述主电流电路一端的连接，从而实现所述支路1-4与所述主电流电路的并联。

所述电路2和所述电路3串联组成转移电流电路支路2-3，且所述支路2-3与所述主电流电路并联，并且：所述主电流电路的一端连接所述功率半导体器件A2的一端，以便实现与所述支路2-3的一端的连接；所述功率半导体器件A2的另一端则与所述功率半导体器件A3的一端连接以便实现所述电路2和所述电路3的串联；所述功率半导体器件A3的另一端则与主电流电路的另一端连接，以便实现所述支路2-3的另一端与所述主电流电路另一端的连接，从而实现所述支路2-3与所述主电流电路的并联。

所述电路1和所述电路4之间的端点，与所述电路2和所述电路3之间的端点，这两个端点之间则连接所述串联的电感L0和所述的电容C0支路。

其中，所述功率半导体器件A0至A4为不可控或者具有半控功能的功率半导体器件或者其组合，所述功率半导体器件包括但不局限于电力二极管、晶闸管、IGCT、IGBT和GTO中的任意一个或者任意多个的组合。应当知道，不仅半控器件具有半控功能，全控器件也具有半控功能。

其中，所述高速机械开关为可以为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中的任意一种。

所述的电感为空心电感器或含磁芯的电感器，由一个或多个电感串联或并联组成，所述的转移电流电路中的主回路的电感L0和感应转移电感L1耦合组成一对互感线圈；

所述过电压限制电路的为压敏电阻或氧化锌阀片组成的避雷器的一个或任意多个的组合。

1.过电压限制电路导通以及关断过程

图3示出了过电压限制电路的伏安特性曲线，其中U1为过电压限制电路的导通阈值电压，U2为过电压限制电路具有电压钳位作用的最高电压。当过电压限制电路两端的电压小于U1时，过电压限制电路截止，其漏电流小于1μA，即处于关闭状态。当电压限制电路两端的电压达到其导通阈值后，随着电流的急剧增加，过电压限制电电路两端的电压变化很小。过电压限制电路设计参数包括：电压限制电路容量(吸收的能量)、导通电压阈值、达到导通电压时的电流、最高钳位电压以及处于最高钳位电压时电流。当电流大于最高钳位电压的电流时，过电压限制电路会失去电压钳位作用，及过电压限制作用失败。通常，过电压限制电路导通阈值为正常运行状态的1.5倍，即过电压限制电路导通后由于其电压钳位作用，当其内部有电流存在(大于1mA)时两端电压高于系统电压，直至系统电流小于1mA时过电压限制电路截止关断。

2.混合式断路器分断过程

图3同时示出了分断电流时转移电流电路各支路电流标志，其中i0为流入断路器的电流，i1为流经主电流电路的电流，i2为流经电路1的电流，i3为流经电路2的电流，i4为流经电路3的电流，i5为流经电路4的电流，i6为流经电路5的电流，i7为流经过电压限制电路的电流，i0为感应转移模块中的电流。

图4(a)-图4(e)示出了分断电流时转移电流电路中各支路电流方向，具体的为对应从t0到t5各时刻的各支路电流方向，为方便描述将转移电流电路中的电感L0和电容C0串联支路记为A5模块。图5示出了分断电流时各支路的电流变化曲线。

其具体的操作步骤包括以下几个方面：

系统正常运行，电流全部从主电流电路流过，如图5所示，其中系统额定电流为I0。

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，控制系统动作，机械开关开始动作。

t1时刻，机械触头间建立起足够的弧压，控制系统导通A1、A3及A0，电流转移支路导通，感应电感模块电路导通，电容C1开始放电，耦合电感使得转移电流电路中的电感L0两端产生感应电压，电感L0和电容C0开始放电。流经主电流电路的电流向转移电流支路转移，电感电容串联支路超过短路电流的一部分会从功率半导体器件A2和A4上流过，如图5所示。

t2时刻，机械开关完全打开，主电路电流全部转移至转移电流支路，如图5所示。

在t2至t3间，转移电流支路承受全部短路电流，且短路电流在逐渐上升。

t3时刻，当短路电流对电容器C0充电的电压值达到了过电压限制电路的导通阈值，过电压限制电路导通。如图5所示，电流开始向过电压限制电路转移。由于过电压限制电路的电压钳位作用，断路器两端电压上升幅度很小。

t4时刻，转移电流支路中的电流全部转移至过电压限制电路，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，过电压限制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，当系统电流小于过电压限制电路的最小导通电流1mA时。过电压限制电路关闭，过电压限制电路两端电压迅速下降。

t5时刻，过电压限制电路中的电流为0，感应转移模块中的电容器C1重新充电，断路器开断完成，断路器两端的电压降为系统电压。

应当知道：所述高速机械开关为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。

所述具有半控功能的功率半导体器件包括晶闸管、IGCT、IGBT和GTO中的任意一个或者任意多个的组合。

所述具有全控功能的功率半导体器件包括IGBT和GTO中的任意一个或者任意多个的组合。

图6至图9示出了使用具体器件IGBT、晶闸管等器件作为功率半导体器件的具体实施例。

所述过电压限制电路的为压敏电阻或氧化锌阀片组成的避雷器的一个或任意多个的组合。需要说明的是，所述电压限制电路可以并在电路1和电路4(即高速开关与A0之间)两端，也可以并在电路5两端，如图8所示。

图10和图11示出了所述感应转移模块可以是一个或多个的组合的情形，所述的电感为空心电感器或含磁芯的电感器，由一个或多个电感串联或并联组成。

除图中所示的情形外，本发明不要求断路器中的电路完全的对称。

本发明公开了一种桥式感应转移结构的混合式断路器，包括主电流电路，转移电流电路以及过电压限制电路。转移电流电路由电感和电容串联支路和四个功率半导体器件组成桥式结构，并包含有一个感应转移模块。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，触发感应转移模块放电，导通转移电流电路，通过隔离断路器主回路和二次充电电路，可以显著提高开断的可靠性。同时，本发明采用互感线圈、预充电电容及功率半导体器件串联组成的感应转移模块，降低了转移电流电路对电容器容量的需求，有效减小转移电流电路中电容的体积，而且感应转移模块电路中的电容预充电电压很低，也保证了二次充电电路与断路器主电流电路、转移电流电路和限制电压电路有效的电隔离，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发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。