基于真空磁吹转移的直流断路器及其开断方法与流程

本发明涉及直流断路器技术领域，特别是利用磁吹电路调控电弧，实现或辅助电流转移的直流断路器及其开断方法。

背景技术：

由于直流供电系统所具有的独特优越性，直流电网技术在输、配电领域有广阔的应用前景，是我国未来电力技术发展的重要方向。目前我国的城市无轨电车、地铁、冶炼、化工、太阳能发电、轧材、船电、矿山等许多重要的行业中均采用了直流供电系统。作为直流电网技术的关键组成部分，直流分断技术是电力系统安全运行的保证。直流断路器具有切断回路故障电流的保护功能，是直流系统中最为重要的保护元件。

由于直流系统缺乏自然过零点，在高电压、大容量分断中无法用传统的交流思路来实现电流分断，解决这一问题的有效途径是基于电流转移的新型分断方式。在这类断路器开断过程中，机械开关首先分闸，电流在多条支路内相互转移，使得断口电流过零，并最终建立开断电压，实现系统电流分断。实现电流转移的途径多种多样，最有效的一种则是利用已有的断口电弧电压迫使电流从一条支路转移至另一条支路。然而，直流断路器中常用的真空断口电弧电压较低，通常不超过50v，存在转移速度慢，转移可靠性低的问题，难以满足直流系统短路分断的工程应用要求。

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基于真空磁吹转移的直流断路器及其开断方法。通过磁吹电路产生外加磁场，大幅度提高真空电弧电压。在绝缘介质灭弧性能不变的情况下，加强电流转移效果。

具体的，本发明采用如下技术方案：

一种基于真空磁吹转移的直流断路器包括，

第一接入端，其配置成直流断路器的进线，

第二接入端，其配置成直流断路器的出线，

主电流支路，其连接在所述第一接入端和第二接入端之间，直流断路器电流通流时，所述主电流支路通过电流，

转移支路，其连接在所述第一接入端和第二接入端之间且并联所述主电流支路，

耗能支路，其连接在所述第一接入端和第二接入端之间且并联所述主电流支路和转移支路，

吹弧单元，其设置在主电流支路和转移支路之间，吹弧单元包括吹弧电路和吹弧线圈，当直流断路器电流分断时，所述吹弧电路激励吹弧线圈产生磁吹以提高电弧电压，基于所述电弧电压，电流从主电流支路向转移支路转移。

所述的直流断路器中，吹弧线圈包括横磁吹弧线圈和/或纵磁吹弧线圈，吹弧电路为独立的外电路。

所述的直流断路器中，电流从主电流支路向转移支路完全转移后，关断转移支路，电流转移至耗能支路中以实现直流分断。

所述的直流断路器中，包括真空断口、空气绝缘断口、高压气体绝缘断口、电力电子元件及其组合，转移支路包括电力电子元件、电容器、电抗器及其串、并联组合，其中，电力电子元件包括晶闸管、二极管、igbt、igct及其组合。

所述的直流断路器中，转移支路包括串联的电容和磁耦合电流转移模块，所述磁耦合电流转移模块包括多个并联的磁感应单元。

所述的直流断路器中，吹弧单元包括串联的吹弧电路、电容和晶闸管。

所述的直流断路器中，直流断路器是单向直流断路器或双向直流断路器。

所述的直流断路器中，转移支路包括第一支路、并联第一支路的第二支路以及连接第一支路和第二支路的第三支路，第一支路包括第一二极管和第二二极管，第二支路包括第三二极管和第四二极管，第三支路包括电容和电感，所述第一二极管正极串联第二二极管的正极，第三二极管的负极串联第四二极管的负极，第三二极管的正极连接第一二极管的负极，第四二极管的正极连接第二二极管的负极，所述电容一端连接在第一二极管正极和第二二极管的正极之间，电容另一端串联所述电感，所述电感另一端连接在第三二极管的负极和第四二极管的负极之间。

所述的直流断路器中，所述第三支路由多个串联的igbt和/或igct代替。

根据本发明的另一方面，一种所述直流断路器的开断方法包括以下步骤，

第一步骤，直流断路器电流通流，电流通过所述主电流支路，

第二步骤，直流断路器电流分断，所述吹弧电路激励吹弧线圈产生磁吹以提高电弧电压，基于所述电弧电压，电流从主电流支路向转移支路转移，

第三步骤，电流从主电流支路向转移支路完全转移后，关断转移支路，电流转移至耗能支路中以实现直流分断。

有益效果

本发明通过外加吹弧磁场，极大地提高了电弧电压，改变了真空电弧电压低，难以实现自然电流转移的现状。本发明实现简单、部件少，不影响原有的真空机械开关结构，可靠性高、吹弧磁场可以根据需要自由调节，是实现电流转移的有效途径。本发明成可靠性高，具有很高的工程应用价值，大大提高了电弧电压，加快了电流转移过程，在快速交流断路器、限流器等领域内均有应用价值，甚至在低压直流领域可以直接分断电流。

附图说明

参照附图，上述以及其他本发明的目的、特征和优点，通过本发明实施例的以下说明性且非限制性详细描述将被更好地理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的直流断路器拓扑结构电路示意图；

图2是根据本发明另一个实施例的直流断路器拓扑结构电路示意图，该实施例以igbt串联组件构成转移支路；

图3是根据本发明另一个实施例的直流断路器拓扑结构电路示意图，该实施例以电容和电感构成转移支路；

图4是根据本发明另一个实施例的直流断路器拓扑结构电路示意图，该实施例以真空开关和sf6开关共同构成主电流支路；

图5是根据本发明一个实施例的双向直流断路器拓扑结构电路示意图；

图6是根据本发明另一个实施例的双向直流断路器拓扑结构电路示意图；

图7是根据本发明另一个实施例的双向直流断路器拓扑结构电路示意图；

图8是根据本发明一个实施例，利用磁吹辅助电流转移的直流断路器拓扑结构电路示意图；

图9是根据本发明另一个实施例的直流断路器拓扑结构电路示意图，采用与主体拓扑独立的吹弧电路；

图10是根据本发明另一个实施例的直流断路器拓扑结构电路示意图，采用与主体拓扑非独立的吹弧电路；

其中：b1是主电流支路、b2是转移支路、b3是耗能支路、m是吹弧单元、m1是吹弧电路、m2是吹弧线圈、s1是第一接入端、s2是第二接入端、miccm是磁耦合电流转移模块。

所有附图都是示意性的，不是必须完全一致的。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

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1至图10来说明本发明的具体实施方式。

图1为断路器本体结构示意图，一种基于真空磁吹转移的直流断路器包括，

第一接入端s1，其配置成直流断路器的进线，

第二接入端s2，其配置成直流断路器的出线，

主电流支路b1，其连接在所述第一接入端s1和第二接入端s2之间，直流断路器电流通流时，所述主电流支路b1通过电流，

转移支路b2，其连接在所述第一接入端s1和第二接入端s2之间且并联所述主电流支路b1，

耗能支路b3，其连接在所述第一接入端s1和第二接入端s2之间且并联所述主电流支路b1和转移支路b2，

吹弧单元m，其设置在主电流支路b1和转移支路b2之间，吹弧单元m包括吹弧电路m1和吹弧线圈m2，当直流断路器电流分断时，所述吹弧电路m1激励吹弧线圈m2产生磁吹以提高电弧电压，基于所述电弧电压，电流从主电流支路b1向转移支路b2转移。

本发明的所述主电流支路、转移支路和耗能支路并联，在进行电流分断时，会在这三条并联支路中进行电流转移；通过吹弧电路激励吹弧线圈产生磁吹，并在该磁吹的作用下实现或辅助电流转移；所述两个接入端作为直流断路器的进线和出线，起到实现断路器和外部线路连接的功能，本发明在进行电流分断时，通过专门的吹弧单元产生外部磁吹，实现或辅助电流转移过程。

所述的直流断路器的一个实施例中，吹弧线圈m2包括横磁吹弧线圈和/或纵磁吹弧线圈，吹弧电路m1为独立的外电路。

所述的直流断路器的另一个实施例中，电流从主电流支路b1向转移支路b2完全转移后，关断转移支路b2，电流转移至耗能支路b3中以实现直流分断。

所述的直流断路器的另一个实施例中，主电流支路b1包括真空断口、空气绝缘断口、高压气体绝缘断口、电力电子元件及其组合，转移支路b2包括电力电子元件、电容器、电抗器及其串、并联组合，其中，电力电子元件包括晶闸管、二极管、igbt、igct及其组合。

所述的直流断路器的另一个实施例中，转移支路b2包括串联的电容和磁耦合电流转移模块，所述磁耦合电流转移模块包括多个并联的磁感应单元。

所述的直流断路器的另一个实施例中，吹弧单元m包括串联的吹弧电路m1、电容和晶闸管。

所述的直流断路器的另一个实施例中，直流断路器是单向直流断路器或双向直流断路器。

所述的直流断路器的另一个实施例中，转移支路b2包括第一支路、并联第一支路的第二支路以及连接第一支路和第二支路的第三支路，第一支路包括第一二极管和第二二极管，第二支路包括第三二极管和第四二极管，第三支路包括电容和电感，所述第一二极管正极串联第二二极管的正极，第三二极管的负极串联第四二极管的负极，第三二极管的正极连接第一二极管的负极，第四二极管的正极连接第二二极管的负极，所述电容一端连接在第一二极管正极和第二二极管的正极之间，电容另一端串联所述电感，所述电感另一端连接在第三二极管的负极和第四二极管的负极之间。

所述的直流断路器的另一个实施例中，所述第三支路由多个串联的igbt和/或igct代替。

为了进一步理解本发明，通过以下多个示例进行说明。图1示出了本发明一个实施例的直流断路器拓扑结构电路示意图，其包括主电流支路b1、转移支路b2、耗能支路b3，以及吹弧单元m、第一接入端s1、第二接入端s2。其中吹弧单元包含吹弧电路m1和吹弧线圈m2，两个接入端s1、s2作为直流断路器的进线和出线，起到实现断路器和外部线路连接的功能。在本实施例中：三条支路b1、b2、b3并联，在断路器正常通流时，由主电流支路b1承担所有的额定电流，而在断路器进行电流分断时，电流将逐级转移并最终被开断。由于主电流支路b1由单个真空机械开关构成，通常真空电弧电压很低，电弧电压转移的方式速度慢、可靠性低，难以满足直流分断的时效性和可靠性要求。本发明通过在传统直流断路器方案中增加外部吹弧单元m，在电流分断时利用吹弧电路m1激励吹弧线圈m2产生磁吹，在该磁吹的作用下提高电弧电压，让电弧电压直接来转移电流成为可能，实现了电流从支路b1向支路b2的转移，大大提高了电流转移的速度和可靠性。

根据本发明的基于真空磁吹转移的直流断路器，转移支路的构成元件包括但不限于电力电子元件晶闸管、二极管、igbt、igct及其串、并联组合、电容器、电抗器及其串、并联组合。图2示出了本发明另一个实施例的直流断路器拓扑结构电路示意图，该实施例以igbt串联组件构成转移支路，分断过程为：首先，主电流支路b1的真空机械开关打开并起弧，同时触发导通转移支路b2的igbt组件。此时吹弧电路m1激励吹弧线圈m2，产生外部磁吹。然后，在磁吹的作用下，电流从主电路支路向转移支路快速转移。电流完全转移后，真空开关熄弧。最后，通过关断igbt组件，将电流转移至耗能支路b3中，由避雷器耗散系统能量并最终实现直流分断。在该实施例中，igbt串联组件也可以等效替换为igct串联组件。

图3示出了本发明另一个实施例的直流断路器拓扑结构电路示意图，在该实施例中，以电容和电感构成转移支路。

有利的，本发明所述的主电流支路b1除了可以是单个真空机械开关构成，还可以在真空开关的基础上，串、并联空气绝缘开关、高压气体绝缘开关、电力电子元件构成。图4示出了根据本发明另一个实施例的直流断路器拓扑结构电路示意图，在该拓扑中，主电流支路b1由真空机械开关和sf6开关共同构成，在功能上仍然依靠吹弧单元m的磁吹作用将电流从主电流支路b1向转移支路b2转移。

有利的，根据本发明的基于真空磁吹转移的直流断路器，不仅可以用于上述的单向直流断路器，也可以应用于双向的直流断路器。图5、图6和图7示出了三种可能实施的基于本发明的双向直流断路器方案。

根据本发明的基于真空磁吹转移的直流断路器，通过本发明的磁吹不仅能完全依赖吹弧单元产生的磁吹实现电流转移，也可以作为电流转移的辅助手段，通过吹弧单元产生的磁吹加快、增强电流转移过程。图8是根据本发明，利用磁吹辅助电流转移过程的的直流断路器拓扑结构。该实施例在原有的磁耦合电流转移模块miccm基础上实施本发明，以达到增强电流转移效果的目的。

根据本发明的基于真空磁吹转移的直流断路器，所述吹弧电路m1可以是独立的外电路，也可以是与触头相关联的内部电路，图9和图10分别示出了独立的电容供电方式和与触头串联的非独立供电方式的本发明实施例。

本发明通过提高电弧电压，解决了电流转移慢、转移不可靠的难题。具有实现简单、调节简便、可以不影响原有的触头结构、也不影响触头的绝缘特性的优点，有很高的工程应用价值。

在一个实施例中，在直流断路器正常工作时承担系统电流，主电流支路中包含真空断口；

所述主电流支路还可以包括但不限于空气绝缘断口、高压气体绝缘断口、电力电子元件及其组合。

在一个实施例中，所述的转移支路构成元件包括但不限于电力电子元件、电容器、电抗器及其串、并联组合；

在一个实施例中，所述的电力电子元件包括但不限于晶闸管、二极管、igbt、igct及其组合，也包括单种或多种电力电子元件的串、并联组合。

在一个实施例中，所述吹弧线圈可以是横磁吹弧线圈，也可以是纵磁吹弧线圈，还可以是多个、多种线圈同时吹弧。

在一个实施例中，所述的吹弧电路可以是独立的外电路，也可以是与触头相关联的内部电路。

在一个实施例中，所述的耗能支路包括但不限于避雷器组件。

在一个实施例中，所述通过磁吹实现或辅助电流转移，具体指可以是完全依赖吹弧单元产生的磁吹实现电流转移，也可以是通过吹弧单元产生的磁吹加快、增强电流转移过程；所述的直流断路器可以是单向直流断路器，也可以是双向直流断路器。

根据本发明另一方面，一种所述直流断路器的开断方法包括以下步骤，

第一步骤，直流断路器电流通流，电流通过所述主电流支路b1，

第二步骤，直流断路器电流分断，所述吹弧电路m1激励吹弧线圈m2产生磁吹以提高电弧电压，基于所述电弧电压，电流从主电流支路b1向转移支路b2转移，

第三步骤，电流从主电流支路b1向转移支路b2完全转移后，关断转移支路b2，电流转移至耗能支路b3中以实现直流分断。

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，例如推演出基于单向固态开关支路和单向振荡支路的单向直流断路器等，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。