一种零电压直流断路器及投入分断方法与流程

本发明涉及零电压直流断路器及其投入分断方法，特别通过改变触发转移支路的半控型功率半导体器件的时序，来满足不同分断需求的功能。

背景技术：

混合式直流断路器具有通流能力强、关断速度快、通态损耗小等优点，近年来一直是业界研究热点。现阶段的混合式直流断路器大多通过制造和短路电流相反的振荡电流制造人工过零点，从而实现直流分段的目的。振荡式的直流断路器存在机械开关打开之后断口电压快速增加，造成断口重击穿，从而造成直流开断失败。因此控制断口电压上升速率是增加直流开断稳定性的关键因素。另一方面，直流断路器面临着寿命有限，合闸存在预计穿等问题。通常而言，断路器分断包括正常分断和短路分段两种任务。相比于短路分段，正常分断压力较小，不需要电流快速转移，分断时间要求不高。在这种正常情况下，降低分断速度可以满足分断需求，同时提高断路器分断次数，增加断路器寿命。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的不足或缺陷，本发明的目的在于提供一种新型的零电压型直流断路器。通过在机械断口两端并联功率二极管，有效限制了在开断过程中机械断口两端的电压的快速上升，同时增加了一路电感用于制造更长的电流过零时间，实现正常分断情况下的无弧分断，增加了断路器的正常分断寿命。同时增加了合闸辅助支路，在断路器合闸时，预先导通辅助支路，实现断路器的无弧合闸，同时也避免了断路器则合闸时发生弹跳，对触头寿命造成的影响。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

本发明的一方面，一种零电压直流断路器包括主电流回路、电流转移支路、过电压限制支路、合闸辅助支路、隔离开关v1、在线监测系统、控制系统、出线端a1和a2，并且主电流回路、合闸辅助支路、电流转移支路以及过电压限制支路并联，系统电流从出线端a1流入，从出线端a2流出，所述主电流回路设有快速机械开关s1，其中，所述快速机械开关s1断口一端和二极管d2正极相连，另一端和出线端a1相连，二极管d2负极和出线端a2相连，快速机械开关s1两端并联二极管d1。

所述电流转移支路中，半控型功率半导体器件t1正极和电感相对较大的电感l1相连，负极和隔离开关v1相连；半控型功率半导体器件t2正极和电感相对较小的电感l2相连，负极和隔离开关v1相连；两个电感的另一端和转移电容c的正极相连，电容c的负极和出线端a1相连，功率半导体器件t1和t2均为单向导通的功率半导体器件。

所述隔离开关v1一端与出线端a2相连，另一端与电流转移支路的半控型功率半导体器件t1和t2的公共端相连。

所述合闸辅助支路包括可关断半控型功率半导体组件，其并联在快速机械开关s1两端，其中正极接在出线端a1上，负极接在机械开关s1另一侧。

所述过电压限制支路并联在主电流回路两端，一端口与出线端a1相连，另一端与隔离开关v1和半控型功率半导体的公共端相连。

在线监测系统包括用于测量系统电流状态的电流传感器d0、用于测量主电流回路电流状态的电流传感器d1、用于测量大电感转移支路电流状态的电流传感器d2、用于测量小电感转移支路电流状态的电流传感器d3、用于测量过电压限制电路的电流状态电流传感器d3、用于测量快速机械开关s1的断口电压的电压传感器vhss、用于测量转移电容两端电压状态的电压传感器vc、用于测量快速机械开关的运动状态的位移传感器pd、用于测量断路器环境温度传感器d4、信号调理电路、a/d转换模块和第一通信模块。

所述控制系统包括用于计算主电流回路电流变化率的计算模块、电流滤波处理模块、实时显示断路器状态及计算结果的人机交互模块和第二通信模块，正常工作状态下，系统电流从所述主电流回路流过，电容上有一定的预充电压，电流转移支路的所有的半控型功率半导体器件均未被触发，电流转移支路没有电流，过电压限制电路导通阈值比系统电压低，过电压限制电路没有电流流过；当在线监测系统监测到直流系统状态异常或所述控制系统发出分闸指令时，控制系统向快速机械开关s1发出分闸动作指令，快速机械开关s1开始动作，由于快速机械开关s1的响应特性使得快速机械开关s1仍处于闭合状态，然后依照在线监测系统返回的信息，根据正常分闸或是短路分闸需求，半控型功率半导体器件t1或是半控型功率半导体器件t2导通，强迫电流向电流转移支路转移，随着电流转移支路电压增加，过电压限制支路导通完成直流开断。

在所述零电压直流断路器中，所述半控型功率半导体器件t1和/或t2包括gto、晶闸管、igbt的任意一个或者多个的组合。

在所述零电压直流断路器中，所述高速机械开关s1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。

在所述零电压直流断路器中，所述过电压限制支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、最高限位电压以及处于最高限位电压时的电流。

在所述零电压直流断路器中，所述过电压限制支路在断路器正常运行情况下处于截止状态，漏电流小于0.4μa；所述过电压限制支路的导通电压阈值为所述断路器所处的系统电压的1.8倍。

在所述零电压直流断路器中，所述过电压限制支路包括线路型金属氧化物避雷器、无间隙线路型金属氧化物避雷器、全绝缘复合外套金属氧化物避雷器或可卸式避雷器中的任意一个或多个的组合。

在所述零电压直流断路器中，所述控制系统包括处理器，所述处理器为通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路asic或现场可编程门阵列fpga，所述处理器包括存储器，所述存储器可以包括一个或多个只读存储器rom、随机存取存储器ram、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器eeprom。

根据本发明的另一方面，一种利用所述的零电压直流断路器的投入方法包括以下步骤：

在第一步骤中，控制系统收到合闸指令并向断路器发出合闸指令。

在第二步骤中，触发可关断半控型功率半导体组件导通，电流从合闸辅助支路流过。

在第三步骤中，高速机械开关s1闭合，由于两端并联可关断半控型功率半导体组件，高速机械开关s1断口两端压降为可关断半控型功率半导体组件压降。

在第四步骤中，当快速机械开关s1稳定闭合之后，控制系统关断可关断半控型功率半导体组件，无弧合闸过程完成。

一种利用所述的零电压直流断路器的正常状态下的分断方法包括以下步骤：

在第一步骤中，控制系统收到分闸指令并向断路器发出分闸指令。

在第二步骤中，触发半控型功率半导体t1导通，快速机械开关s1开始动作，但根据快速机械开关s1响应特性，此时快速机械开关s1并未打开，电流仍从主电流回路流过。

在第三步骤中，由于振荡回路向主电流回路注入反相高频振荡电流强迫主电流回路电流过零，由于电感l1相对较大，主电流回路电流被功率二极管d2钳制在零电流，通过快速机械开关s1和控制系统的匹配，实现在电流过零期间打开快速机械开关s1，实现无弧分断。

在第四步骤中，主电流回路不断向转移电容c充电，当电流转移支路电容和系统电压相等时，电流转移支路电流过零，半控型功率半导体t1截止关断，开断过程完成，隔离开关v1打开。

一种利用所述的零电压直流断路器的短路状态下的分断方法包括以下步骤：

在第一步骤中，在线检测系统检测到系统电流达到设定阈值或者电流上升率达到设定阈值时，控制系统发出分闸指令。

在第二步骤中，触发半控型功率半导体t2导通，快速机械开关s1开始动作，但根据快速机械开关响应特性，此时快速机械开关s1并未打开，电流仍从主电流回路流过。

在第三步骤中，快速机械开关s1打开，开始燃弧，振荡回路向主电流回路注入反相高频振荡电流强迫主电流回路向电流转移支路转移，随着主电流回路电流过零，由于电感l2较小，快速机械开关s1延迟较长，使得快速机械开关s1在主电流回路电流过零之前打开。

在第四步骤中，主电流回路不断向转移电容c充电，当断路器两端电压超过过电压限制支路的导通阈值时，过电压限制支路导通，由于过电压限制支路的通态电阻远小于电流转移支路的通态电阻，电流快速向过电压限制支路转移。

在第五步骤中，当电流转移支路电流过零时，半控型功率半导体t2截止关断，由于系统电压小于过电压限制支路的导通阈值，过电压限制支路恢复高阻抗状态，开断过程完成，隔离开关v1打开。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的零电压直流断路器的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的在线监测系统传感器在断路器内部分布示意图；

图3是根据本发明一个实施例的零电压直流断路器在线监测系统和控制系统配合框图；

图4(a)-图4(d)是根据本发明一个实施例的零电压直流断路器正常分断时过程示意图；

图5(a)-图5(e)是根据本发明一个实施例的零电压直流断路器短路分断时过程示意图；

图6(a)-图6(c)是根据本发明一个实施例的零电压直流断路器投入过程示意图；

图7是根据本发明一个实施例的零电压直流断路器投入方法的步骤示意图；

图8是根据本发明一个实施例的零电压直流断路器在正常状态下的分断方法的步骤示意图；

图9是根据本发明一个实施例的零电压直流断路器在短路下的分断方法的步骤示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

图1为本发明的一个实施例的零电压直流断路器的结构示意图，本发明实施例将结合图1进行具体说明。

如图1所示，本发明的一个实施例提供了一种零电压直流断路器，零电压直流断路器包括主电流回路、电流转移支路、过电压限制支路、合闸辅助支路、隔离开关v1、在线监测系统、控制系统、出线端a1和a2，并且主电流回路、合闸辅助支路、电流转移支路以及过电压限制支路并联，系统电流从出线端a1流入，从出线端a2流出。

所述主电流回路设有快速机械开关s1，其中，所述快速机械开关s1断口一端和二极管d2正极相连，另一端和出线端a1相连，二极管d2负极和出线端a2相连，快速机械开关s1两端并联二极管d1。

所述电流转移支路中，半控型功率半导体器件t1正极和电感相对较大的电感l1相连，负极和隔离开关v1相连；半控型功率半导体器件t2正极和电感相对较小的电感l2相连，负极和隔离开关v1相连；两个电感的另一端和转移电容c的正极相连，电容c的负极和出线端a1相连，功率半导体器件t1和t2均为单向导通的功率半导体器件。

所述隔离开关v1一端与出线端a2相连，另一端与电流转移支路的半控型功率半导体器件t1和t2的公共端相连。

所述合闸辅助支路包括可关断半控型功率半导体组件，其并联在快速机械开关s1两端，其中正极接在出线端a1上，负极接在机械开关s1另一侧。

所述过电压限制支路并联在主电流回路两端，一端口与出线端a1相连，另一端与隔离开关v1和半控型功率半导体的公共端相连。

图2是根据本发明一个实施例的在线监测系统传感器在断路器内部分布示意图，参见图2，在线监测系统包括用于测量系统电流状态的电流传感器d0、用于测量主电流回路电流状态的电流传感器d1、用于测量大电感转移支路电流状态的电流传感器d2、用于测量小电感转移支路电流状态的电流传感器d3、用于测量过电压限制电路的电流状态电流传感器d3、用于测量快速机械开关s1的断口电压的电压传感器vhss、用于测量转移电容两端电压状态的电压传感器vc、用于测量快速机械开关的运动状态的位移传感器pd、用于测量断路器环境温度传感器d4、信号调理电路、a/d转换模块和第一通信模块。

图3是根据本发明一个实施例的零电压直流断路器在线监测系统和控制系统配合框图，参见图3，所述控制系统包括用于计算主电流回路电流变化率的计算模块、电流滤波处理模块、实时显示断路器状态及计算结果的人机交互模块和第二通信模块，正常工作状态下，系统电流从所述主电流回路流过，电容上有一定的预充电压，电流转移支路的所有的半控型功率半导体器件均未被触发，电流转移支路没有电流，过电压限制电路导通阈值比系统电压低，过电压限制电路没有电流流过；当在线监测系统监测到直流系统状态异常或所述控制系统发出分闸指令时，控制系统向快速机械开关s1发出分闸动作指令，快速机械开关s1开始动作，由于快速机械开关s1的响应特性使得快速机械开关s1仍处于闭合状态，然后依照在线监测系统返回的信息，根据正常分闸或是短路分闸需求，半控型功率半导体器件t1或是半控型功率半导体器件t2导通，强迫电流向电流转移支路转移，随着电流转移支路电压增加，过电压限制支路导通完成直流开断。

本发明中，所述系统电流大小、所述主电流回路的电流，电流转移支路电路的电流、过电压限制支路的电流、快速机械开关断口电压、转移电容电压幅值、快速机械开关位移的数值，经过滤波放大，进入ad处理计算，所述计算包括但不限于主电流回路电流和电流转移支路的电流的幅值及变化率di/dt的计算，经过处理器的保护算法和延时控制后，进行快速机械开关控制，功率半导体器件控制，所述人机交互界面实时显示混合式断路器状态及各类计算结果，通信模块向上级系统发送故障波形，接收上级控制系统的控制命令。

在本发明所述的零电压直流断路器的优选实施例中，所述半控型功率半导体器件t1和/或t2包括gto、晶闸管、igbt的任意一个或者多个的组合。

在本发明所述的零电压直流断路器的优选实施例中，所述高速机械开关s1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。

在本发明所述的零电压直流断路器的优选实施例中，所述过电压限制支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、最高限位电压以及处于最高限位电压时的电流。

在本发明所述的零电压直流断路器的优选实施例中，所述过电压限制支路在断路器正常运行情况下处于截止状态，漏电流小于0.4μa；所述过电压限制支路的导通电压阈值为所述断路器所处的系统电压的1.8倍。

在本发明所述的零电压直流断路器的优选实施例中，所述过电压限制支路包括线路型金属氧化物避雷器、无间隙线路型金属氧化物避雷器、全绝缘复合外套金属氧化物避雷器或可卸式避雷器中的任意一个或多个的组合。

在本发明所述的零电压直流断路器的优选实施例中，所述控制系统包括处理器，所述处理器为通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路asic或现场可编程门阵列fpga，所述处理器包括存储器，所述存储器可以包括一个或多个只读存储器rom、随机存取存储器ram、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器eeprom。

图4(a)-图4(d)是根据本发明一个实施例的零电压直流断路器正常分断时过程示意图，结合图4(a)-图(4)d说明正常分断时过程。

1、如图4(a)所示正常同流状态下，系统电流从出线端a1流入，经过快速机械开关和功率二极管d2后从出线端a2流出。

2、如图4(b)所示，当系统受到人机交互界面的分闸指令或是上位机的分闸指令时，控制系统发出分闸指令，触发半控型功率半导体t1导通。快速机械开关开始动作，但根据快速机械开关响应特性，此时并未打开，电流仍从主电流回路流过。

3、如图4(c)所示，由于振荡回路向主电流回路注入反相高频振荡电流强迫主电流回路电流过零，由于是电感l1相对较大，主电流回路电流被功率二极管d2钳制在零电流，通过快速机械开关和控制系统的匹配，可以实现在电流过零期间打开，实现无弧分断。

4、如图4(d)所示，主电流回路不断向转移电容充电，当转移支路电容和系统电压相等时，当转移支路电流过零，半控型功率半导体t1截止关断，开断过程完成，隔离开关v1打开。

图5(a)-图5(e)是根据本发明一个实施例的零电压直流断路器短路分断时过程示意图，结合图5(a)-图(5e)说明短路分断时过程。

1、如图5(a)所示正常同流状态下，系统电流从出线端a1流入，经过快速机械开关和功率二极管d2后从出线端a2流出。

2、如图5(b)所示,当系统检测到主回路电流上升率或是电流值达到设定短路阈值，发出短路分闸指令，触发半控型功率半导体t2导通。快速机械开关开始动作，但根据快速机械开关响应特性，此时并未打开，电流仍从主电流回路流过。

3、如图5(c)所示，快速机械开关打开，开始燃弧，振荡回路向主电流回路注入反相高频振荡电流强迫主电流回路向电流转移支路转移，随着主电流回路电流过零，由于是电感l2较小，快速开关机械延迟较长，必须使得快速机械开关在主电流回路电流过零之前打开。

4、如图5(d)所示，主电流回路不断向转移电容充电，当断路器两端电压超过过电压限制支路的导通阈值时，过电压限制支路导通。由于过电压限制支路的通态电阻远小于转移支路的通态电阻，电流快速向过电压限制支路转移。

5、如图5(e)所示，当电流转移支路电流过零时，半控型功率半导体t2截止关断，由于系统电压小于过电压限制支路的导通阈值，过电压限制支路恢复高阻抗状态，开断过程完成，隔离开关v1打开。

图6(a)-图6(c)是根据本发明一个实施例的零电压直流断路器投入过程示意图，结合图6(a)-图6(c)说明投入过程。

1、如图6(a)所示，控制系统发出合闸指令之后，首先触发gto组件导通，电流从合闸辅助支路流过。

2、如图6(b)所示，此时快速机械开关闭合，由于两端并联gto组件，机械断口两端压降为gto管压降，不会发生预计穿，同时即使发生弹跳也不会发生燃弧。

3、如图6(c)所示，当快速机械开关稳定闭合之后，控制系统关断gto组件，无弧合闸过程完成。

图7是根据本发明一个实施例的零电压直流断路器投入方法的步骤示意图，一种利用所述的零电压直流断路器的投入方法包括以下步骤：

在第一步骤s1中，控制系统收到合闸指令并向断路器发出合闸指令。

在第二步骤s2中，触发可关断半控型功率半导体组件导通，电流从合闸辅助支路流过。

在第三步骤s3中，高速机械开关s1闭合，由于两端并联可关断半控型功率半导体组件，高速机械开关s1断口两端压降为可关断半控型功率半导体组件压降。

在第四步骤s4中，当快速机械开关s1稳定闭合之后，控制系统关断可关断半控型功率半导体组件，无弧合闸过程完成。

图8是根据本发明一个实施例的零电压直流断路器正常状态下的分断方法的步骤示意图，一种利用所述的零电压直流断路器的正常状态下的分断方法包括以下步骤：

在第一步骤s1中，控制系统收到分闸指令并向断路器发出分闸指令。

在第二步骤s2中，触发半控型功率半导体t1导通，快速机械开关s1开始动作，但根据快速机械开关s1响应特性，此时快速机械开关s1并未打开，电流仍从主电流回路流过。

在第三步骤s3中，由于振荡回路向主电流回路注入反相高频振荡电流强迫主电流回路电流过零，由于电感l1相对较大，主电流回路电流被功率二极管d2钳制在零电流，通过快速机械开关s1和控制系统的匹配，实现在电流过零期间打开快速机械开关s1，实现无弧分断。

在第四步骤s4中，主电流回路不断向转移电容c充电，当电流转移支路电容和系统电压相等时，电流转移支路电流过零，半控型功率半导体t1截止关断，开断过程完成，隔离开关v1打开。

图9是根据本发明一个实施例的零电压直流断路器短路状态下的分断方法的步骤示意图，一种利用所述的零电压直流断路器的短路状态下的分断方法包括以下步骤：

在第一步骤s1中，在线检测系统检测到系统电流达到设定阈值或者电流上升率达到设定阈值时，控制系统发出分闸指令。

在第二步骤s2中，触发半控型功率半导体t2导通，快速机械开关s1开始动作，但根据快速机械开关响应特性，此时快速机械开关s1并未打开，电流仍从主电流回路流过。

在第三步骤s3中，快速机械开关s1打开，开始燃弧，振荡回路向主电流回路注入反相高频振荡电流强迫主电流回路向电流转移支路转移，随着主电流回路电流过零，由于电感l2较小，快速机械开关s1延迟较长，使得快速机械开关s1在主电流回路电流过零之前打开。

在第四步骤s4中，主电流回路不断向转移电容c充电，当断路器两端电压超过过电压限制支路的导通阈值时，过电压限制支路导通，由于过电压限制支路的通态电阻远小于电流转移支路的通态电阻，电流快速向过电压限制支路转移。

在第五步骤s5中，当电流转移支路电流过零时，半控型功率半导体t2截止关断，由于系统电压小于过电压限制支路的导通阈值，过电压限制支路恢复高阻抗状态，开断过程完成，隔离开关v1打开。

本发明通过在机械断口两端并联功率二极管，有效限制了在开断过程中机械断口两端的电压的快速上升，同时增加了一路电感用于制造更长的电流过零时间，实现正常分断情况下的无弧分断，增加了断路器的正常分断寿命，同时增加了合闸辅助支路，在断路器合闸时，预先导通辅助支路，实现断路器的无弧合闸，同时也避免了断路器则合闸时发生弹跳，对触头寿命造成的影响。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。