一种混合型直流断路器及其分断方法与流程

本发明涉及混合型直流断路器及其分断方法，特别是一种通过多个混合式直流断路器模块串联实现高电压等级领域的应用。

背景技术：

直流输配电系统相比于传统的交流输配电系统具有以下优势：更窄的输电走廊，输电容量大，输电损耗更低，直流电网相比于交流电网，不存在稳定性问题，没有谐波，潮流更加容易控制。但是由于直流系统不存在自然过零点，形成断口之后，电弧无法熄灭，必须人工制造电流过零点，使电弧熄灭。由高速机械开关与大功率半导体器件组成的混合式直流断路器具有通流容量大、关断速度快、限流能力强等优点，已经成为直流开断领域的研究热点。现阶段直流系统从1.8kv到几十千伏电压不等，同种拓扑结构无法适应不同电压等级的直流开断任务，另一方面随着电压等级的增加，单断口的直流断路器绝缘设计更加复杂。

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中压混合式直流断路器及其控制方法。该断路器由多个完全相同的断路器模块组成，可以根据系统的电压等级需求，选取组装串联多个单级断路器模块，可以实现适应不同电压等级需求的任务。同时，随着电压等级的提升，多个单级断路器模块的串联可以解决随着电压等级提高，单断口无法解决的绝缘问题。

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，一种混合型直流断路器由n个完全相同的单级断路器模块串联组成，其中c1到cn+1为n+1个单级断路器模块系统接入端，其中所述单级断路器模块包括主电流回路，电流转移支路、过电压限制支路、在线监测系统和单级断路器模块的接入端ci、ci+1，其中1≤i≤n，且主电流回路、转移电流支路以及过电压限制支路并联。

所述主电流回路由高速机械开关和功率二极管vd1串联组成，其中：

所述接入端ci+1连接所述功率二极管vd1的正极以便实现所述接入端ci+1与所述主电流回路的另一端的连接；

所述接入端ci连接所述高速机械开关的一端以便实现所述接入端ci与所述主电流回路一端的连接。

所述电流转移支路包括晶闸管组件vt1，振荡电感l和转移电容c，其中，晶闸管组件vt1正极和接入端ci相连，晶闸管组件vt1负极和振荡电感l相连，振荡电感l另一端和转移电容c相连，转移电容c另一端和接入端ci+1相连接，其中与接入端相连接的转移电容c极柱一端充正电。

在线监测系统包括用于测量流经所述接入端ci、ci+1电流的电流传感器d0、用于测量流经主电流回路的电流传感器d1、用于测量流经电流转移支路中电路的电流传感器d2、用于测量流经过电压限制支路的电流传感器d3、用于测量断路器环境温度传感器d4、高速机械开关的开关两端电压传感器vhss、用于测量转移电容两端电压状态的电压传感器vc、高速机械开关的开关位移传感器pd、信号调理电路、高速ad、处理器、人机交互界面和通信模块，所述处理器完成系统电流、主电流回路的电流和电流转移支路电流的幅值及变化率di/dt的计算，所述人机交互界面实时显示混合型直流断路器状态及计算结果。

正常工作状态下，电流从所述主电流回路流过，转移电容c设有预定的预充电压值，且电压方向与所述主电流回路的导通压降方向相反，所述电流转移支路中晶闸管vt1处于关断状态，当在线监测系统监测到直流系统状态异常或收到分闸指令时，所述在线监测系统向高速机械开关发出分闸指令，高速机械开关开始动作，触发晶闸管组件vt1，完成电流过零以实现开断。

在所述的混合型直流断路器中，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。

在所述的混合型直流断路器中，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。

在所述的混合型直流断路器中，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0.5μa；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1.75倍。

在所述的混合型直流断路器中，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。

在所述的混合型直流断路器中，过电压限制支路为压敏电阻、氧化锌阀片组成的mov、或者避雷器中的一个或者任意多个的组合。

在所述的混合型直流断路器中，系统电流、所述主电流回路的电流、电流转移支路的电流、所述过电压限制支路电流、高速机械开关电压、转移电容电压、高速机械开关位移的数值经过滤波器放大，进入所述高速ad和所述处理器处理计算，所述处理器计算主电流回路电流、转移电流支路电流的幅值及变化率di/dt，经过处理器的保护算法和延时控制后，进行高速机械开关控制，功率半导体器件控制，所述人机交互界面实时显示混合式直流断路器状态及各类计算结果，故障数据通过通信模块实时传回上位机。

在所述的混合型直流断路器中，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。

在所述的混合型直流断路器中，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。

在本发明的另一方面，一种利用所述的混合型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，发出分闸指令。

在第二步骤中，高速机械开关存在响应延迟，电流转移支路晶闸管组件vt1导通，主电流回路电流开始向电流转移支路转移。

在第三步骤中，功率二极管vd1在主电流回路电流过零后反向截止，使得主电流回路电流保持在零，此时高速机械开关打开，实现无弧分断，电流转移支路中的转移电容反向充电。

在第四步骤中，随着转移电容两端电压不断增加，当电流转移支路电压超过过电压限制支路的阈值，过电压限制支路导通，电流转移支路电流开始向过电压限制支路转移。

在第五步骤中，随着转移支路电流减小至零，电流转移支路的晶闸管组件vt1截止，此时系统电压小于过电压限制支路的导通阈值，过电压限制支路电流迅速减小至零，完成开断。

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混合型直流断路器的单级断路器模块的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的混合型直流断路器的断路器模块在线监测系统传感器分布示意图；

图3(a)-图3(e)是根据本发明一个实施例的混合型直流断路器的断路器模块过电压限制电路伏安特性曲线图；

图4是根据本发明一个实施例的混合型直流断路器的断路器模块串联结构示意图；

图5是根据本发明一个实施例的混合型直流断路器的断路器总控制框图；

图6是根据本发明一个实施例的利用混合型直流断路器的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混合型直流断路器的单级断路器模块的结构示意图，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混合型直流断路器，所述混合型直流断路器由n个完全相同的单级断路器模块串联组成，其中c1到cn+1为n+1个单级断路器模块系统接入端，其中所述单级断路器模块包括主电流回路，电流转移支路、过电压限制支路、在线监测系统和单级断路器模块的接入端ci、ci+1，其中1≤i≤n，且主电流回路、转移电流支路以及过电压限制支路并联。

所述主电流回路由高速机械开关和功率二极管vd1串联组成，其中：

所述接入端ci+1连接所述功率二极管vd1的正极以便实现所述接入端ci+1与所述主电流回路的另一端的连接；

所述接入端ci连接所述高速机械开关的一端以便实现所述接入端ci与所述主电流回路一端的连接。

所述电流转移支路包括晶闸管组件vt1，振荡电感l和转移电容c，其中，晶闸管组件vt1正极和接入端ci相连，晶闸管组件vt1负极和振荡电感l相连，振荡电感l另一端和转移电容c相连，转移电容c另一端和接入端ci+1相连接，其中与接入端相连接的转移电容c极柱一端充正电。

图2是根据本发明一个实施例的混合型直流断路器的断路器模块在线监测系统传感器分布示意图，参见图2，在线监测系统包括用于测量流经所述接入端ci、ci+1电流的电流传感器d0、用于测量流经主电流回路的电流传感器d1、用于测量流经电流转移支路中电路的电流传感器d2、用于测量流经过电压限制支路的电流传感器d3、用于测量断路器环境温度传感器d4、高速机械开关的开关两端电压传感器vhss、用于测量转移电容两端电压状态的电压传感器vc、高速机械开关的开关位移传感器pd、信号调理电路、高速ad、处理器、人机交互界面和通信模块，所述处理器完成系统电流、主电流回路的电流和电流转移支路电流的幅值及变化率di/dt的计算，所述人机交互界面实时显示混合型直流断路器状态及计算结果。

正常工作状态下，电流从所述主电流回路流过，转移电容c设有预定的预充电压值，且电压方向与所述主电流回路的导通压降方向相反，所述电流转移支路中晶闸管vt1处于关断状态，当在线监测系统监测到直流系统状态异常或收到分闸指令时，所述在线监测系统向高速机械开关发出分闸指令，高速机械开关开始动作，触发晶闸管组件vt1，完成电流过零以实现开断。

本发明的所述的混合型直流断路器的优选实施例中，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。

本发明的所述的混合型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。

本发明的所述的混合型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0.5μa；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1.75倍。

本发明的所述的混合型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。

本发明的所述的混合型直流断路器的优选实施例中，过电压限制支路为压敏电阻、氧化锌阀片组成的mov、或者避雷器中的一个或者任意多个的组合。

本发明的所述的混合型直流断路器的优选实施例中，系统电流、所述主电流回路的电流、电流转移支路的电流、所述过电压限制支路电流、高速机械开关电压、转移电容电压、高速机械开关位移的数值经过滤波器放大，进入所述高速ad和所述处理器处理计算，所述处理器计算主电流回路电流、转移电流支路电流的幅值及变化率di/dt，经过处理器的保护算法和延时控制后，进行高速机械开关控制，功率半导体器件控制，所述人机交互界面实时显示混合式直流断路器状态及各类计算结果，故障数据通过通信模块实时传回上位机。

本发明的所述的混合型直流断路器的优选实施例中，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。

本发明的所述的混合型直流断路器的优选实施例中，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3(a)-图3(e)是根据本发明一个实施例的混合型直流断路器的断路器模块过电压限制电路伏安特性曲线图，如图3(a)-图3(e)所示，断路器模块分断短路电流过程如下。

1)如图3(a)主回路通流阶段。正常工作状态下，主电流回路电流从机械开关部分流过，通态损耗小。当主电流回路短路，高速机构存在一定的机械延迟，大约300μs，加上机械动作存在一定的分散性，大约50μs，故高速机构应该在控制器发出动作信号250μs～350μs左右完成分断；

2)如图3(b)所示，当主回路短路，控制系统发出分闸指令，高速机械开关开始动作，由于高速机械开关存在一定的机械延迟，大约300μs，加上机械动作存在一定的分散性，大约50μs，故高速机械开关并没有立即打开。同时，控制系统触发电流转移支路晶闸管组件导通，主电流回路电流开始向电流转移支路转移；

3)如图3(c)功率二极管vd1在主回路电流过零后反向截止，使得主回路电流保持在零，此时高速机械开关打开，实现无弧分断，电流转移支路中的转移电容反向充电；

4)如图3(d)所示，随着转移电容两端电压不断增加，当转移支路电压超过过电压限制支路的阈值，过电压限制支路导通，转移支路电流开始向过电压限制支路转移；

5)如图3(e)所示，随着转移支路电流减小至零，转移支路的晶闸管组件vt1截止，此时系统电压小于过电压限制支路的导通阈值，过电压限制支路电流迅速减小至零，开端完成。

图4是根据本发明一个实施例的混合型直流断路器的断路器模块串联结构示意图，如图4所示，其中c1-cn+1为n+1个断路器模块的系统接入端。为了便于断路器模块的连接，断路器模块之间均通过连接开关连接，连接开关可以包含但不局限于为隔离开关、真空开关等，连接为串联过程需要的设备，不属于本发明范畴，通过断路器模块串联可以提高混合式直流断路器的应用电压等级，同时各个断路器模块之间连接方便，可以根据实际系统电压要求调整断路器模块串联个数。

图5是根据本发明一个实施例的混合型直流断路器的断路器总控制框图，图5给出了本发明断路器模块控制系统的设计结构，控制系统处理在线监测系统返回的实时断路器和系统状态数据，主要包括信号调理电路，高速ad，处理器和人机交互界面和上位机通信系统。所述系统电流、所述主电流电路的电流，电流转移支路的电流，所述过电压限制电路电流、高速机械开关电压、转移电容电压、高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电路电流，转移电流支路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，进行高速机械开关控制，功率半导体器件控制，所述人机交互界面实时显示混合式直流断路器状态及各类计算结果，故障数据通过通信系统实时传回上位机。进一步地，所述控制系统可以独立成单独组件，也可以集成在所述在线监测系统中。

图6是根据本发明一个实施例的利用混合型直流断路器的短路下的分断方法的步骤示意图，一种利用所述的混合型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，发出分闸指令。

在第二步骤s2中，高速机械开关存在响应延迟，电流转移支路晶闸管组件vt1导通，主电流回路电流开始向电流转移支路转移。

在第三步骤s3中，功率二极管vd1在主电流回路电流过零后反向截止，使得主电流回路电流保持在零，此时高速机械开关打开，实现无弧分断，电流转移支路中的转移电容反向充电。

在第四步骤s4中，随着转移电容两端电压不断增加，当电流转移支路电压超过过电压限制支路的阈值，过电压限制支路导通，电流转移支路电流开始向过电压限制支路转移。

在第五步骤s5中，随着转移支路电流减小至零，电流转移支路的晶闸管组件vt1截止，此时系统电压小于过电压限制支路的导通阈值，过电压限制支路电流迅速减小至零，完成开断。

本发明公开的高压混合式直流断路器包括多个断路器模块，所述断路器模块包括主电流回路、电流转移支路、过电压限制支路以及在线检测系统。转移电流支路包括预充电电容器，电感以及功率半导体器件，通过混合式断路器模块的串联，不仅可以提高应用电压等级，同时各个断路器模块之间连接方便，可以根据实际系统电压要求调整断路器模块串联个数。本发明包含的断路器不仅可以实现高电压等应用下的短路分断，而且可以通过控制部分断路器模块进行分闸动作实现高电压等级情况下的短路限流功能。

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。