一种磁感应转移的限流开断式直流断路器的制作方法

本实用新型属于高压断路器领域，具体涉及一种磁感应转移的限流开断式直流断路器。

背景技术：

随着电力系统容量的不断提升，直流输变电设备蓬勃发展，同时也对系统稳定和安全提出了更高的要求。在电力系统可能会发生的各种故障里面，对于电网危害最大，发生概率很高的就是短路故障。当电力系统中发生短路故障后，快速上升的短路电流会造成十分严重的后果。

典型的混合式断路器利用全控型电力电子器件实现电流的快速转移和分断，成本昂贵并且需要复杂的水冷系统，难以在未来中高压直流系统中推广。为了减少全控型电力电子器件的使用量，提出了一种限流和开断相结合的直流断路器。利用感应模块将电流转移至电容和电阻，将电流限制在一定的水平以下，然后利用IGBT器件实现电流的关断。这种断路器IGBT器件的使用量可以显著减小到现有断路器的25％，并且不需要复杂的冷却系统，同时具有燃弧时间短、分断速度快等优点，具有较高的可行性。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的不足或缺陷，本实用新型的目的在于提供一种磁感应转移的限流开断式直流断路器；

所述断路器包括主电流电路和转移电流电路；

所述主电流电路用于通过正常工作状态下的电流；

所述转移电流电路用于当出现短路故障电流时，实现短路故障电流从主电流电路的转移，并且限制和分断短路故障电流；

所述转移电流电路包括第一电路至第六电路；

所述第一电路与第二电路串联，第三电路与第四电路串联，第五电路与第六电路串联，第一电路与第二电路之间的端点、第三电路与第四电路之间的端点处连接有第五电路和第六电路；

所述主电流电路包括高速机械开关S；

所述第一电路和第二电路分别包括真空开关、气体触发间隙开关或者高速机械开关中的一种或者多种串并联组合；

所述第三电路包括高速机械开关S1和功率半导体器件A3；

所述高速机械开关S1和功率半导体器件A3相串联；

第四电路包括高速机械开关S2与功率半导体器件A4；

所述高速机械开关S2和功率半导体器件A4相串联；

所述第五电路包括原边电感器L0、副边电感器L1、预充电电容或超导电感组成的B1、功率半导体器件或触发间隙组成的B2、电容C以及电阻R；

所述原边电感器L0和副边电感器L1组成互感器；

所述原边电感器L0，预充电电容或超导电感组成的B1和功率半导体器件或触发间隙组成的B2相串联；

所述电容C和电阻R相并联；

所述第六电路由具有能够关断电流能力的功率半导体器件与避 雷器MOV并联组成。

本实用新型所述断路器通过控制转移电流电路的功率半导体器件按照一定时序导通，可以快速转移、限制并开断短路电流。同时，快速开关燃弧时间短，并且具有弧后恢复时间，触头间介质恢复特性好。转移电流电路使用桥式结构，仅用一组单向具有可关断能力功率半导体器件就可以实现对电流的双向分断，相对于现有设计，最少节省了75％的单向具有可关断能力功率半导体器件，有效降低断路器控制复杂程度与制造成本。通过在转移电流电路中串联互感器，控制互感器与直流系统隔离的原边侧的电容放电产生脉冲电流，在与直流系统连接的互感器副边侧感应出脉冲电流来转移高速机械开关中的电流，产生电流过零点。可以实现电容充电单元与直流系统的隔离，显著减小充电单元的电压等级与体积，提高开断的可靠性。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例中断路器本体结构示意图；

图2是本实用新型一个实施例中断路器单向工作时的一种结构示意图；

图3是本实用新型一个实施例中断路器单向工作时的另一种结构示意图；

图4是本实用新型一个实施例中分断电流时转移电流电路电流标志示意图；

图5(a)是本实用新型一个实施例中分断电流时系统正常运行时电流的方向；

图5(b)是本实用新型一个实施例中分断电流时电流向触发间隙或高速开关A1，电路A6，电感器L1，功率半导体器件A4和高速开关S2组成的转移支路转移过程电流的方向；

图5(c)是本实用新型一个实施例中功率半导体器件A3和高速开关S1组成支路续流过程电流的方向；

图5(d)是本实用新型一个实施例中分断电流时电流完全转移到触发间隙或高速开关A1，电路A6，电感器L1，功率半导体器件A4和高速开关S2组成的转移支路转移过程电流的方向；

图5(e)是本实用新型一个实施例中分断电流时电路A6中的电流由可关断器件向MOV转移时的电流方向示意图；

图5(f)是本实用新型一个实施例中分断电流时电路A6中的电流全部转移到MOV时的电流方向示意图；

图6(a)是本实用新型一个实施例中分断电流时系统正常运行时电流的方向；

图6(b)是本实用新型一个实施例中分断电流时电流向触发间隙或高速开关A2，电感器L1，电路A6，功率半导体器件A3和高速开关S1组成的转移支路转移过程电流的方向；

图6(c)是本实用新型一个实施例中功率半导体器件A4和高速开关S2组成支路续流过程电流的方向；

图6(d)是本实用新型一个实施例中分断电流时电流完全转移到触发间隙或高速开关A2，电感器L1，电路A6，功率半导体器件A3和高速开关S1组成的转移支路转移过程电流的方向；

图6(e)是本实用新型一个实施例中分断电流时电路A6中的电流由可关断器件向MOV转移时的电流方向示意图；

图6(f)是本实用新型一个实施例中分断电流时电路A6中的电流全部转移到MOV时的电流方向示意图；

图7是根据本实用新型一个实施例的磁感应转移的限流开断式直流断路器的相应于图5的分断电流时各电路中电流变化曲线图；

图8是本实用新型一个实施例的一种具体实施实例图；

图9是本实用新型另一种具体实施实例图；

其中，A1、A2为真空或者空气触发间隙，A3、A4为二极管，A6为IGBT，B1由预充电电容或超导电感组成、B2为晶闸管，L0为原边电感器，L1为副边电感器，C是电容，R是电阻，S为快速开关，S1、S2为高速机械开关，i为主电流电路，i0至i8为支路电流电路。

具体实施方式

以下结合附图1-9来说明本实用新型的具体实施方式。

在一个实施例中，本实用新型公开了一种磁感应转移的限流开断式直流断路器，所述断路器包括主电流电路、转移电流电路；

所述主电流电路用于通过正常工作状态下的电流；

所述转移电流电路用于当出现短路故障电流时，实现短路故障电流从主电流电路的转移。

在本实施例中，如图1所示的断路器本体结构示意图，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，如图2所示给出了断路器电流从左侧向右侧的结构示意 图，为体现本实施例包含的混合式断路器具有双向功能，图3给出电流从右侧向左侧的结构示意图。所述断路器能够接受不同方向的系统电流，即为双向断路器。

在一个实施例中，所述转移电流电路包括第一电路至第六电路；

所述第一电路与第二电路串联，第三电路与第四电路串联，第五电路与第六电路串联，第一电路与第二电路之间的端点、第三电路与第四电路之间的端点处连接有第五电路和第六电路。

在一个实施例中，所述主电流电路包括高速机械开关S；

所述第一电路和第二电路分别包括真空开关、气体触发间隙开关或者高速机械开关中的一种或者多种串并联组合；

所述第三电路包括高速机械开关S1和功率半导体器件A3；

所述高速机械开关S1和功率半导体器件A3相串联；

第四电路包括高速机械开关S2与功率半导体器件A4；

所述高速机械开关S2和功率半导体器件A4相串联；

所述第五电路包括原边电感器L0、副边电感器L1、预充电电容或超导电感组成的B1、功率半导体器件或触发间隙组成的B2、电容C以及电阻R；

所述原边电感器L0和副边电感器L1组成互感器；

所述原边电感器L0，预充电电容或超导电感组成的B1和功率半导体器件或触发间隙组成的B2相串联；

所述电容C和电阻R相并联；

所述第六电路由具有能够关断电流能力的功率半导体器件与避 雷器MOV并联组成。

在本实施例中，所述第一电路与第二电路串联组成一二转移电路支路，所述一二支路与主电流电路并联；所述第三电路与第四电路串联组成三四转移电路支路，所述三四支路与主电流电路并联。

在一个实施例中，所述原边电感器L0和副边电感器L1包括空心电感器或含磁芯的电感器。

在一个实施例中，所述电阻R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。

在一个实施例中，所述主电流电路中高速机械开关S、第一、二电路中的高速机械开关、高速机械开关S1和高速机械开关S2包括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。

在一个实施例中，所述断路器还包括过电压限制电路，所述过电压限制电路和主电流电路并联；

当所述断路器在正常工作状态下，电流从所述主电流电路流过，此时转移电流电路和过电压限制电路没有电流流过。

在一个实施例中，所述功率半导体器件A3、A4包括电力二极管、晶闸管、IGBT、IGCT、GTO中的一种；

由功率半导体器件组成的B2由一个或多个具有半控功能的功率半导体器件串并联而成，包括但不限于晶闸管、IGBT、IGCT、GTO中的一种或多种。

在一个实施例中，所述第六电路中具有能够关断电流能力的功率半导体器件为全控型功率半导体器件，包括但不限于IGBT、IGCT、GTO中一个或多个组合。

在一个实施例中，所述第六电路中的避雷器MOV包括压敏电阻或氧化锌阀片组成的避雷器。

在一个实施例中，当发生短路故障，需要分断短路电流时：

如果检测出短路电流的方向为从左向右，控制第一电路，第四电路导通，第二电路，第三电路中仍处于断开状态，将第六电路中功率半导体器件按导通方向接入电路，电流由主电流电路向第一电路、5、6和4组成的1-5-6-4支路转移；

如果检测出短路电流的方向为从右向左，控制第二电路，第三电路导通，第一电路，第四电路中仍处于断开状态，将第六电路中功率半导体器件按导通方向接入电路，电流由主电流电路向第二电路、5、6和3组成的2-5-6-3支路转移；

在本实施例中，图4给出了分断电流时转移电流电路各支路电流标志，其中i为流经断路器的电流，i0为流经主电流电路的电流，i7为流经第一电路的电流，i2为流经第二电路的电流，i3为流经第三电路的电流，i4为流经第四电路的电流，i5为流经第五电路中B1、B2和L0的电流，i6为流经第五电路中L1和第六电路的电流，i7为流经过第六电路中MOV的电流。

以电流从左向右为例，图5(a)-(f)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t5各时刻的各支路电 流方向。

其具体的操作步骤包括以下几个方面(以电流方向从左向右为例)：

1)系统正常运行，电流全部从主电流电路流过，如图6(a)所示，其中系统额定电流为I。预充电电容或超导电感B1预充电。第一电路、2、6均处于断开状态，S1、S2闭合。

2)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，控制快速开关分闸，触头间形成电弧。

3)t1时刻，导通器件B2，同时控制导通器件A1、A4和功率半导体器件A6。B1、B2和L0形成放电回路，同时在电感L1中感应出电流。主电流回路电流逐渐向转移电流支路1-5-6-4转移，主电流电路电流减小。如图6(b)所示。

4)t2时刻，快速开关电流全部转移，形成断口。同时导通功率半导体器件A4，第四电路续流，如图6(c)所示。

5)t3时刻，半导体器件A4续流结束，主电流电路断口获得足够绝缘强度，打开第四电路中高速开关S2，主电流电路电流完全转移至转移电流支路1-5-6-4，如图6(d)所示。

6)t4时刻，转移支路电容器中的电流全部转移至电阻器。

7)t5时刻，感应模块原边电流降低为0。

8)t6时刻，第六电路中功率半导体器件关断，避雷器导通。如图6(e)所示，电流开始向避雷器转移。

9)t7时刻，支路1-5-6-4中的电流全部转移至第六电路中避雷器，如图6(f)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，避雷器中的电流将开始下降，断路器两端的电压也开始缓慢下降，当系统电流小于避雷器的最小导通电流1mA时，避雷器关闭，避雷器两端电压迅速下降。

9)t8时刻，避雷器中的电流为0，断路器开断完成，断路器两端的电压降为系统电压。

类似的，以电流方向从右向左：

1)系统正常运行，电流全部从主电流电路流过，如图6(a)所示，其中系统额定电流为I。预充电电容或超导电感B1预充电。第一电路、2、6均处于断开状态，S1、S2闭合。

2)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，控制快速开关分闸，触头间形成电弧。

3)t1时刻，导通器件B2，同时控制导通器件A2、A3和功率半导体器件A6。B1、B2和L0形成放电回路，同时在电感L1中感应出电流。主电流回路电流逐渐向转移电流支路2-5-6-3转移，主电流电路电流减小。如图6(b)所示。

4)t2时刻，快速开关电流全部转移，形成断口。同时导通功率半导体器件A4，第四电路续流，如图6(c)所示。

5)t3时刻，半导体器件A4续流结束，主电流电路断口获得足够绝缘强度，打开第四电路中高速开关S2，主电流电路电流完全转 移至转移电流支路2-5-6-3，如图6(d)所示。

6)t4时刻，转移支路电容器中的电流全部转移至电阻器。

7)t5时刻，感应模块原边电流降低为0。

8)t6时刻，第六电路中功率半导体器件关断，避雷器导通。如图6(e)所示，电流开始向避雷器转移。

9)t7时刻，支路2-5-6-3中的电流全部转移至第六电路中避雷器，如图6(f)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，避雷器中的电流将开始下降，断路器两端的电压也开始缓慢下降，当系统电流小于避雷器的最小导通电流1mA时，避雷器关闭，避雷器两端电压迅速下降。

9)t8时刻，避雷器中的电流为0，断路器开断完成，断路器两端的电压降为系统电压。

在一个实施例中，所述主电流电路中快速开关S或第一电路-4中的快速开关包括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。

在一个实施例中，所述第一电路、第二电路可以为真空、气体触发间隙或者高速机械开关及其串并联组合；

所述第六电路中具有关断电流能力的功率半导体器件包括但不限于IGBT、IGCT、GTO中一个或任意多个组合；

所述组成互感器的原边电感器L0和副边电感器L1为空心电感或含磁芯的电感器。

在本实施例中，所述第三电路、第四电路分别为高速机械开关 S1、S2与功率半导体器件A3、A4串联；

所述功率半导体器件A3、A4可以为但不限于电力二极管、晶闸管、IGBT、IGCT、GTO等；B2为具有半控功能的功率半导体器件一个或多个串并联而成，包括但不限于晶闸管、IGBT、IGCT、GTO等。

在一个实施例中，所述避雷器为压敏电阻或氧化锌阀片组成的避雷器。

在一个实施例中，如图8所示的是一种具体实例图，A1、A2为真空触发间隙。A3、A4为电力二极管。A6为IGBT串并联组成。B1为预充电电容器，B2为晶闸管。

在一个实施例中，如图9所示的一种具体实例图，在所示实例中，A1、A2为空气触发间隙。A3、A4为晶闸管。A6为IGCT串并联组成。B1为超导电感，B2为电力二极管。

根据本实用新型，A3、A4、B2为单向导通的功率半导体器件及其组合，所述第六电路的功率半导体器件为具有关断电流的能力的功率半导体器件。

本实用新型公开了一种磁感应转移的限流开断式直流断路器，包括主电流电路，转移电流电路以及过电压限制电路。转移电流电路由真空、气体或者高速开关组成桥式结构，仅需使用一组单向全控型功率半导体器件就可完成分断双向电流。当断路器需要开断电流时，通过控制触发间隙、高速开关以及功率半导体的动作时序，可避免主电流电路高速开关断口反向电流，提高分断能力。所述转移电流电路采用桥式结构，仅用一组单向具有分断功能的组件就可以实现电流的双 向分断，相比于现有结构可关断器件的使用量可以减少50％。同时，转移电路内部包含限流模块第五电路以及开断模块第六电路，通过将主电路的电流转移至限流模块可以进一步降低开断模块中可关断器件的使用量，因此总的可关断器件使用量变为原来的25％，显著减小断路器成本。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式仅限于此，对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本实用新型由所提交的权利要求书确定保护范围。