磁感应转移和电阻限流相结合的直流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，尤其涉及一种磁感应转移和电阻限流相结合的直流断路器。

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。

传统的直流断路器不能够处理直流电网中潮流方向不确定情况下双向限制和分断故障电流的需求，或者为了满足双向工作的情况，往往会使得断路器的制造体积和成本大大提升。

由于直流电力系统的系统阻抗很小，当发生短路故障来临时，故障电流的上升速度很快，电流幅值很大，因此对直流断路器开断电流能力要求很高，使得直流断路器的制造技术十分困难，制造成本很高昂。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明提出一种磁感应转移和电阻限流相结合的直流断路器，所述断路器包括：主电流电路、限流支路、开断支路和能量耗散支路；所述主电流电路、限流支路、开断支路和能量耗散支路并联；所述限流支路包含第一磁感应转移模块；所述开断支路包含第二磁感应转移模块；所述第一磁感应转移模块中的第一电感与所述限流支路中的支路电感耦合组成一个互感器；所述第二磁感应转移模块中的第三电感与所述转移电流回路中的第二电感耦合组成一个互感器。

优选地，所述主电流电路为机械开关或所述主电流电路为机械开关和电力电子器件的组合；所述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，所述限流支路中所述电感、电阻和可控器件串联连接；所述电阻为碳膜电阻、金属膜电阻、金属氧化膜电阻、线绕电阻、大功率线绕电阻、有机实心电阻、熔断电阻、水泥电阻、超导限流电阻、液态金属电阻、PTC电阻中的一种；所述可控器件为晶闸管或触发间隙中的任意一个或任意多个的组合。

优选地，所述开断支路中第二电感、第一电容和可控器件串联连接；所述可控器件为晶闸管、全控型半导体器件、空气触发间隙、真空触发间隙中的任意一个或者任意多个的组合；

优选地，所述第一磁感应转移模块、第二磁感应转移模块均由感应电感电路和放电电容电路组成；所述放电电容电路包括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以及电容；所述第一功率半导体器件与所述第四功率半导体器件串联组成放电电容电路支路；所述第二功率半导体器件与所述第三功率半导体器件、串联；所述第一功率半导体器件与所述第四功率半导体器件、之间具有第一端点；所述第二功率半导体器件、与所述第三功率半导体器件、之间具有第二端点；所述电容连接于所述第一端点和所述第二端点之间；所述感应电感电路由电感组成；所述放电电容电路与所述感应电感电路并联。

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、真空触发间隙或者空气触发间隙及其组合，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；所述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。

优选地，所述过能量耗散支路中包含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。

本发明还提出一种根据所述的磁感应转移和电阻限流相结合的直流断路器的工作方法，所述方法包括：

正常工作状态下，电流从所述主电流电路流过；所述限流支路、所述开断支路以及所述第一、第二磁感应转模块均处于关断状态，无电流流过；所述开断支路中的第一电容(C)上无电压；所述第一、第二磁感应转模块中的电容均保持预充电状态，在所述第一端点侧为正电压，在所述第二端点侧为负电压，所述能量耗散支路没有电流流过；

当进行开断操作时，控制所述主电流电路中的开关器件(A0)进行动作；由于所述开关器件(A0)中有高速机械开关，存在机械延时，此时所述开关器件(A0)中的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第一和第二磁感应转模块中，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、开断支路中的第一可控器件(A5)以及限流支路中的第二可控器件(A6)是否动作以及相应的动作时序。

本发明还提出一种根据所述磁感应转移和电阻限流相结合的直流断路器的工作方法，其特征在于，所述方法包括：

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，所述主电流电路开关器件(A0)开始动作；

步骤1，所述主电流电路开关器件(A0)中的机械触头间建立起足够的弧压，控制限流支路磁感应模块中的半导体器件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导通，磁感应模块电路导通，第一电容(C)开始放电，耦合电感使得转移电流电路中的支路电感(L0)两端产生感应电压，限流支路开始放电；流经主电流电路的电流向限流支路转移；

步骤2，所述主电流电路的开关器件(A0)中完全打开，主电路电流全部转移至所述限流支路，此时，故障电流已经达到稳定值，限流支路承受全部短路电流；

步骤3，通过控制系统导通半导体器件(A5)，同时控制开断支路磁感应模块中的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按一定时序导通，磁感应模块电路导通，第一电容(C)开始放电，第二电感(L2)两端感应出电压，短路电流开始从限流支路向开断支路转移；

步骤4，短路电流转移到开断支路，控制限流支路中的第二可控器件(A6)关闭，限流支路关断；

步骤5，短路电流对第一电容器(C)充电的电压值达到了能量耗散电路的导通阈值，能量耗散电路导通；电流开始向能量耗散电路转移；由于能量耗散电路的电压钳位作用，断路器两端电压上升幅度很小；

步骤6，开断支路中的电流全部转移至能量耗散电路，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，能量耗散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，当系统电流小于能量耗散电路的最小导通电流时；能量耗散电路关闭，能量耗散电路两端电压迅速下降；

步骤7，能量耗散电路中的电流为0，磁感应转移模块中的第一电容(C)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。

本发明的有益效果：

一、本发明的限流支路和开断支路并联，通过控制器件在不同时刻关合和开断，实现了限制电流上升速度和幅值和完全开断短路电流的功能，可以有效降低断路器控制体积大小与制造成本。

二、利用磁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，而且磁感应转移模块的放电电容采用桥式结构，可以双向限制和开断故障电流，大大减小体积和成本。

三、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是本法明断路器的结构原理示意图；

图2是本发明断路器工作的一种结构示意图；

图3是本发明断路器工作时的另一种结构示意图；

图4是分断电流时限流支路电流标志示意图；

图5(a)-5(g)是分断电流时各电路电流流向图；

图6是分断电流时各电路中电流变化曲线图；

图7是本发明的一种具体实施实例图；

图8是本发明的一种具体实施实例图；

图9是本发明的一种具体实施实例图；

图10是本发明的一种具体实施实例图；

图11是本发明的一种具体实施实例图；

图12是本发明的一种具体实施实例图；

图13是本发明的一种具体实施实例图；

图14是本发明的一种具体实施实例图；

图15是本发明作为双向电阻型限流器使用时的具体实施实例图。

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1-15，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。

实施例一：

本实施例提供一种断路器本体结构示意图，以图1为例，所述断路器包括主电流电路、限流支路、开断支路和能量耗散支路。

为了更好的说明断路器分断过程，如图2所示，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3所示，本实施例还给出了断路器电流另一个方向从系统接入端S1到系统接入端S2的结构示意图。

如图1-3所示，本发明提出的磁感应转移和电阻限流相结合的直流断路器包括主电流电路、限流支路、开断支路和能量耗散支路。其中，限流支路和开断支路分别包含一个磁感应转移模块，并且主电流电路、限流支路、开断支路和能量耗散支路并联，限流支路的磁感应转移模块中的电感L1与限流支路中的电感L0耦合组成一个互感器，开断支路的磁感应转移模块中的电感L3与转移电流回路中的电感L2耦合组成一个互感器。

所述主电流电路是由机械开关或机械开关和电力电子器件的组合。

所述限流支路由电感L0、电阻R和可控器件A6串联组成，所述开断支路由电感L2、电容C和可控器件A5串联组成，并且电感L0与磁感应转移模块中的电感L1耦合为一个互感器，电感L2与磁感应转移模块中的电感L3耦合为一个互感器，所述磁感应转移模块由感应电感电路和放电电容电路并联组成，其中：

所述放电电容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以及电容组成的电路5，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，所述电路1和所述电路4串联组成放电电容电路支路1-4，且所述支路1-4与所述感应电路并联。

并且，所述感应电感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的另一端则与所述感应电感电路的另一端连接，以便实现所述支路1-4的另一端与所述感应电感电路一端的连接，从而实现所述支路1-4与所述感应电感电路的并联；所述电路2和所述电路3串联组成放电电容电路支路2-3，且所述支路2-3与所述感应电感电路并联。

并且，所述感应电感电路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A3的另一端则与所述功率半导体器件A2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的另一端则与所述感应电感电路另一端连接，以便实现所述支路2-3的另一端与感应电感电路一端的连接，从而实现所述支路2-3与所述感应电感电路的并联。

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电容组成的电路5；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。

所述器件A1至A4不可控或者具有半控功能的功率半导体器件、真空触发间隙或者空气触发间隙及其组合，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。所述可控器件A5为晶闸管、全控型半导体器件、空气触发间隙、真空触发间隙中的任意一个或者任意多个的组合；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；所述电阻器包括碳膜电阻、金属膜电阻、金属氧化膜电阻、线绕电阻、大功率线绕电阻、有机实心电阻、熔断电阻、水泥电阻、超导限流电阻、液态金属电阻、PTC电阻中的一种。

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。

图4给出了限制电流时各支路电流标志，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为流经限流支路的电流，i3为流经开断支路的电流，i4为流经能量耗散电路的电流。

图4给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t7时刻的各支路电流方向。图5给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(a)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，器件A0开始动作。

t1时刻，机械触头间建立起足够的弧压，控制限流支路磁感应模块中的半导体器件A1-A4按一定时序导通，磁感应模块电路导通，电容C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，限流支路开始放电。流经主电流电路的电流向限流支路转移，如图5(b)所示。

t2时刻，主电流电路机械开关完全打开，主电路电流全部转移至限流支路，此时，故障电流已经达到稳定值，在t2至t3间，限流支路承受全部短路电流，如图5(c)所示。

t3时刻，通过控制系统导通半导体器件A5，同时制开断支路磁感应模块中的半导体器件A1-A4按一定时序导通，磁感应模块电路导通，电容C开始放电，电感L2两端感应出电压，短路电流开始从限流支路向开断支路转移，如图5(d)所示。

t4时刻，短路电流转移到开断支路，此时关断限流支路中的可控器件A6以关断限流支路，如图5(e)所示。

t5时刻，短路电流对电容器C充电的电压值达到了能量耗散电路的导通阈值，能量耗散电路导通。电流开始向过能量耗散电路转移，如图5(f)所示。由于能量耗散电路的电压钳位作用，断路器两端电压上升幅度很小。

t6时刻，开断支路中的电流全部转移至能量耗散电路，如图5(g)所示。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，能量耗散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，当系统电流小于能量耗散电路的最小导通电流1mA时。能量耗散电路关闭，能量耗散电路两端电压迅速下降。

t7时刻，能量耗散电路中的电流为0，磁感应转移模块中的电容C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。

所述器件A1至A4为不可控或者具有半控功能的功率半导体器件、真空触发间隙或者空气触发间隙及其组合，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。所述可控器件A5为晶闸管、全控型半导体器件、空气触发间隙、真空触发间隙中的任意一个或者任意多个的组合；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；所述能量耗散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。所述电阻器包括碳膜电阻、金属膜电阻、金属氧化膜电阻、线绕电阻、大功率线绕电阻、有机实心电阻、熔断电阻、水泥电阻、超导限流电阻、液态金属电阻、PTC电阻中的一种。

若将能量耗散电路和开断支路中除去，则该电路结构可以用作混合式限流器，即在短路故障来临时，限制短路电流的上升速度和幅值，减小对断路器开端电流容量的需求，如图15所示。

此外，本发明不要求断路器中的电路完全的对称。

本发明公开了一种磁感应转移和电阻限流相结合的直流断路器，所述断路器包括主电流电路、限流支路、开断支路和能量耗散支路，其中限流支路和开断支路分别包含一个磁感应转移模块，并且主电流电路、限流支路、开断支路和能量耗散支路并联。当断路器需要开断电流时，通过控制主电流电路的器件动作，触发磁感应转移模块放电，依次导通限流支路和开断支路。通过限流支路来限制短路电流的上升率和幅值，可以将电流限制到较小范围再开断，降低电容容量，减小成本。通过限流支路与开断支路并联，可以满足断路器选择性保护的需求，让断路器在不同的时间点开断。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，本发明采用感应电感支路和放电电容支路并联组成的磁感应转移模块，降低了开断支路对电容器容量的需求，有效减小开断支路中电容的体积，而且磁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回路有效的电隔离，提高开断的可靠性。通过在限流支路和开断支路的磁感应转移模块用桥式电路实现电流的双向转移和开断，大大降低成本和体积。

如图7-15所示，本发明还具有多种可替代的实施方式。

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。