无电弧混合直流断路器及实现无电弧分合闸的方法
【专利摘要】本发明公开了属于直流断路器技术领域的一种无电弧混合直流断路器及实现无电弧分合闸的方法。该无电弧混合直流断路器CB包括晶闸管SCR、机械开关K、电源侧电容C1、负载侧电容C2、电阻R、二极管D1、D2和限流电感L；其中，晶闸管SCR阳极、阴极并联在机械开关K两端；该无电弧的混合直流断路器在设计时针对产生电弧需同时满足介质击穿的起弧电场强度条件和起弧电压条件；而考虑一定安全裕量；在开断、合闸过程中均无电弧产生，彻底避免了直流电弧产生后难以熄灭的情况，机械触头无任何侵蚀，且不需全控功率器件和额外的辅助机械开关，控制简单，成本低，可靠性高。
【专利说明】
无电弧混合直流断路器及实现无电弧分合闸的方法
技术领域
[0001] 本发明属于直流断路器技术领域，特别涉及一种无电弧混合直流断路器及实现无 电弧分合闸的方法。
【背景技术】
[0002] 低压直流电力系统主要应用于轨道交通、舰船、航空等场合，中高压直流输电系统 主要应用于远距离大功率输电和非同步交流系统的联网，具有线路投资少、不存在系统稳 定问题、调节快速、运行可靠等优点。虽然不同应用场所直流系统运行特性差异明显，但都 需要直流断路器这一核心电力装备。
[0003] 现有直流断路器主要分为机械式、电力电子全固态式以及机械、电力电子结合的 混合式。其中机械式和混合式大多着眼于如何熄灭电弧，但无自然过零点这一特性使直流 电弧的熄灭较交流电弧更加困难，且电弧对触头的侵蚀导致断路器需频繁维修，降低了系 统可靠性。电力电子器件组成的全固态直流断路器能够无弧开断，但受限于功率器件容量， 应用于高压领域时需大量器件串并联，导致结构和控制复杂，可靠性低，同时还存在系统正 常运行时损耗大，成本高昂等缺点。中国发明专利CN103632895A "一种直流断路器"提出了 一种无电弧开断的直流断路器拓扑及其控制方法，但该发明专利没有阐明如何确保开断时 无电弧产生；而且这种直流断路器需要多个辅助机械开关配合，导致控制复杂，可靠性降 低;存在合闸电弧问题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提出一种无电弧的混合直流断路器及实现无电弧分合闸的方法； 其特征在于，该无电弧的混合直流断路器在设计时针对产生电弧需同时满足介质击穿的起 弧电场强度条件和起弧电压条件;而考虑一定安全裕量；
[0005] 该无电弧混合直流断路器CB包括晶闸管SCR、机械开关K、电源侧电容G、负载侧电 容(： 2、电阻R、二极管和限流电感L;其中，晶闸管SCR阳极、阴极并联在机械开关K两端； 机械开关K连接晶闸管SCR阳极的一端连接电源侧电容&正极、电源侧等效电阻R S的一端，其 共同节点即是直流电力系统电源侧正极1 + ;机械开关K连接晶闸管SCR阴极的一端连接电阻 R-端、二极管〇:阴极和限流电感L一端；电阻R另一端连接二极管Di阳极、负载侧电容C2正 极;限流电感L另一端连接二极管D 2阴极、直流电力系统负载正极2+;电源侧电容&负极连接 直流系统电源侧负极1-、负载侧电容C2负极、二极管0 2阳极、直流电力系统负载负极2-。
[0006] 所述直流电力系统负载由负载侧电阻RL和负载侧电感U串联组成。
[0007] 所述直流电力系统电源由电源侧等效电阻Rs、电源侧等效电感Ls和直流电源UDC串 联构成。
[0008] 所述无电弧的混合直流断路器实现无电弧分合闸的方法包括：
[0009] (1)无电弧混合直流断路器CB参数设计，根据给定的直流电力系统参数和开断要 求，基于抑制起弧条件原则的无电弧混合直流断路器CB参数设计如下：
[0010] 1)为避免短路电流过大，除通过提高机械开关K动作速度来缩短短路电流上升时 间外，还需要限制短路电流上升率，则据此建立触头分离时刻直流电源电流方程。
[0011] 2)为避免直流电源产生振荡，需使触头分离后的电源侧RLC二阶系统过阻尼，则据 此建立过阻尼方程。
[0012] 3)根据抑制起弧原理，建立触头分离后机械开关Κ电压上升率最大时刻的电压方 程。
[0013] 4)联立求解电流方程、过阻尼方程和电压方程，得到电源侧电容Q、负载侧电容C2 和限流电感L参数。
[0014] 5)为快速释放负载侧能量，结束开断过程，电阻R应使限流电感L电流反向后负载 侦拫LC二阶系统临界阻尼。
[0015] (2)无电弧混合直流断路器CB运行过程，无电弧混合直流断路器开断额定电流前， 直流电力系统正常运行，二极管〇:处于阻断状态，忽略机械开关K上压降，电源侧电容&电压 等于负载侧电容(： 2电压。机械开关Κ触头分离后，其两端电位差有二极管Di导通压降的跳变， 开断短路电流时由于触头分离前二极管〇:已经导通，所以不存在该电压跳变。开断额定电 流时，负载侧电容C 2电压比开断短路电流时下降更慢，起弧电场强度不满足，但为了抑制起 弧电压条件，二极管〇:导通压降不得大于门槛电压，限制了二极管0:最多能串联的单管个 数，无电弧混合直流断路器CB最高电压等级为单管耐压乘以极限串联个数;具体过程包括：
[0016] 合闸过程:无电弧混合直流断路器CB接到合闸命令后，先导通晶闸管SCR，然后闭 合机械开关K触头；由于机械开关K两端电位差保持为小于门槛电压的晶闸管SCR导通压降， 起弧电压条件不满足，合闸过程中不会产生电弧；晶闸管SCR导通后，电源侧电容Q从初始 状态的直流电源Udc空载电压开始放电，负载侧电容C 2通过电阻R从零电压开始充电;机械开 关K触头完全接触后压降小于晶闸管SCR导通压降，晶闸管SCR关断。
[0017] 稳定运行状态:无电弧混合直流断路器CB合闸结束后进入稳定运行状态，电流从 闭合的机械开关K流过，晶闸管SCR处于阻断状态；电源侧电容&无充放电，电压保持在电源 电压U DC;负载侧电容(：2无充放电，忽略机械开关K上压降，电压保持在电源电压UDC;电阻R无 电流流过;二极管Di处于阻断状态，反向耐压均为一半的系统额定电压;限流电感L相当于 短路。稳定运行时，无电弧混合直流断路器CB可等效为一段导线，导通损耗低。
[0018] 开断短路电流过程:无电弧混合直流断路器CB出线端短路后，电源侧电容&、负载 侧电容C 2和限流电感L组成等效二阶电路，限制短路电流上升;接到分闸命令后，机械开关Κ 开始动作，当触头分离后，直流电源UDC、电源侧等效电感Ls、电源侧等效电阻Rs和电源侧电 容&组成二阶回路，负载侧电容C 2、二极管Di、限流电感L组成另一个二阶回路；电源侧电容 &和负载侧电容C2分别为电源侧电流和负载侧电流提供了续流通路，并维持机械开关K两端 电位差缓慢变化。机械开关K触头分离后，其两端电位差从一个小于门槛电压的初始值开始 缓慢上升，在极小的触头间距时，电场强度仍然较大，起弧电场强度条件满足，但起弧电压 条件不满足，因此不会产生电弧；随着触头间距的增大，虽然起弧电压条件已经达到，但电 场强度条件不再满足，也不会产生电弧；当限流电感L电流反向后，二极管0:关断，负载侧电 容(： 2、电阻R、限流电感L组成二阶回路，直到负载侧电容C2储存能量耗散完毕，机械开关K两 端电位差下降到直流电源电压。
[0019] 开断负载电流过程:机械开关K触头分离后，电源侧工作情况和开断短路电流时相 同，但负载侧为负载侧电容c2、限流电感L、负载电感U和负载电阻Rl组成的RLC二阶系统。由 于负载的不确定性，该二阶系统可能过阻尼、临界阻尼或者欠阻尼。若系统过阻尼或者临界 阻尼，则在负载侧电容C2电压下降到零，限流电感L和负载电感U电流下降到零时，开断过程 结束。若系统因欠阻尼而振荡，则在负载电压反向后，二极管出导通，保护负载电感U和负载 电阻Rl不承受反向电压和电流，限流电感L和电容C 2、电阻R组成负载侧RLC二阶系统，直到负 载侧能量释放完毕，开断过程结束。
[0020] 本发明的有益效果是针对产生电弧需同时满足介质击穿场强条件(起弧电场强度 条件)和起弧电压条件;而考虑一定安全裕量，取一个低于最低起弧电压的门槛电压和一个 低于最低起弧电场强度的门槛电场强度，使开断过程中不同时出现机械开关K两端电位差 高于门槛电压和触头间电场强度高于门槛电场强度的情况得到克服;在开断、合闸过程中 均无电弧产生，彻底避免了直流电弧产生后难以熄灭的情况，机械触头无任何侵蚀，且不需 全控功率器件和额外的辅助机械开关，控制简单，成本低，可靠性高。
【附图说明】
[0021] 图1为起弧条件示意图；
[0022]图2为起弧电压概率密度分布图；
[0023] 图3为开断过程抑制起弧原理图；
[0024]图4为电路原理图；
[0025]图5为合闸过程的等效电路原理图；
[0026]图6为系统正常运行的等效电路原理图；
[0027] 图7为触头分离前短路电流上升阶段等效电路原理图；
[0028] 图8为开断短路电流第一阶段的等效电路原理图；
[0029]图9为开断短路电流第二阶段等的效电路原理图。
【具体实施方式】
[0030] 本发明提出一种无电弧的混合直流断路器及实现无电弧分合闸的方法;下面结合 附图和实施例对本发明进一步说明。
[0031] 如图4所示的电路原理图，该无电弧的混合直流断路器在设计时针对产生电弧需 同时满足介质击穿的起弧电场强度条件和起弧电压条件;而考虑一定安全裕量。该无电弧 混合直流断路器CB包括晶闸管SCR、机械开关K、电源侧电容&、负载侧电容C 2、电阻R、二极管 Di、D2和限流电感L;其中，晶闸管SCR阳极、阴极并联在机械开关K两端;机械开关K连接晶闸 管SCR阳极的一端连接电源侧电容&正极、电源侧等效电阻Rs的一端，其共同节点即是直流 电力系统电源侧正极1 +;机械开关K连接晶闸管SCR阴极的一端连接电阻R-端、二极管0:阴 极和限流电感L一端;电阻R另一端连接二极管m阳极、负载侧电容C 2正极;限流电感L另一端 连接二极管D2阴极、直流电力系统负载正极2+;电源侧电容&负极连接直流系统电源侧负极 1 -、负载侧电容C 2负极、二极管D 2阳极、直流电力系统负载负极2 -。其中，直流电力系统负载 由负载侧电阻Rl和负载侧电感Ll串联组成。直流电力系统电源由电源侧等效电阻Rs、电源侧 等效电感Ls和直流电源U DC串联构成。
[0032] 抑制起弧原理
[0033] 电弧的产生需同时满足介质击穿场强条件(起弧电场强度条件)和起弧电压条件。 根据高电压理论，标准大气压下空气击穿场强约为3X10 6V/m。电弧在整个发展阶段大致分 为三个时期:金属桥阶段、金属相电弧阶段、气体相电弧阶段，其中金属相电压平台起始电 压则为起弧电压。起弧电压主要由两部分组成，其值取决于稳定电弧所需能量:阴极材料中 的电子要成为自由电荷，首先要克服金属原子的束缚，需克服逸出功eUu形成电弧，要求电 子能够电离金属蒸气，需做功el^。不同机械触头材料起弧电压略有不同，电力装备常用有 色金属起弧电压约为12V。
[0034] 图1为根据大量直流开断实验结果统计出的直流电弧起弧条件示意图。图中横轴 直流电源额定电压，纵轴为开断过程中机械触头间最大电场强度，坐标系中任一位置表示 一次直流开断实验特定工作状态。根据起弧概率可将坐标系划分为四个区域：1起弧区、Π 过渡区、m安全裕量区、IV不起弧区。I起弧区直流电源额定电压高于最高起弧电压，机械触 头间最高电场强度高于最高不起弧电场强度，起弧概率为100%; Π 过渡区电源电压高于最 低起弧电压，最高电场强度高于最低起弧电场强度，起弧概率为0~100% 安全裕量区和 IV不起弧区电源电压低于最低起弧电压，或者最高电场强度低于最低起弧电场强度，起弧 概率为〇。考虑一定安全裕量，取一个低于最低起弧电压的门槛电压υ τ和一个低于最低起弧 电场强度的门槛电场强度Ετ，电压低于门槛电压UT，或者电场强度低于门槛电场强度Ετ的区 域则为IV不起弧区。IV不起弧区可分为U〈U T，E>ET的Α区，U〈UT，E〈ET的Β区和υ>υ τ，Ε〈Ετ的C区。 根据实验结果可取门槛电场强度ET = 5X105V/m，此电场强度远低于高电压理论中标准大气 压下空气击穿场强3X106V/m，可确保低于Ετ的电场强度不会击穿触头间隙。如图2所示的直 流电弧起弧电压的概率密度分布，实验所用铬锆铜触头起弧电压为11~17V，且主要集中在 14V附近，所以可取门槛电压U T=10V。
[0035] 图2所示的起弧条件示意图是通过大量直流开断实验的特定工作状态统计得到， 因此可看成单次直流开断可能的工作状态。此时，横轴为开断过程中触头两端电位差，纵轴 为触头间电场强度，坐标系中任一位置表示该时刻直流开断工作状态。无电弧混合直流断 路器动作时希望工作点始终位于IV不起弧区，但在无电弧混合直流断路器刚开断时触头间 距极小，电场强度很难保证低于门槛电场强度Ετ，所以工作点位于B区难以实现，实际开断 时可控制工作点在A、C区，从而保证无弧开断。
[0036]图3为本发明中无电弧混合直流断路器开断过程抑制起弧条件原理图。当机械开 关K触头间距为d时，根据门槛电场强度Ετ确定的不起弧安全电压uT = ETd，机械开关K电压UK =11(；1-1^2，机械开关1(触头分离后，其电压111(从一个小于门滥电压的初始值开始缓慢上升，在 极小的触头间距时，电场强度仍然较大，11 1(>1^，111(〈价，起弧电场强度条件满足，但起弧电压 条件不满足，因此不会产生电弧，工作点位于A区；随着触头间距的增大，UK〈u T，uK>UTjS 起弧电压条件已经达到，但电场强度条件不再满足，也不会产生电弧，工作点位于C区，直到 触头达到额定开距。
[0037] 无电弧混合直流断路器CB工作过程 [0038]合闸过程
[0039] 如图5所示，无电弧混合直流断路器CB接到合闸命令后，先导通晶闸管SCR，然后闭 合机械开关K触头。由于机械开关K两端电位差 UK保持为小于门槛电压UT的晶闸管SCR导通压 降，起弧电压条件不满足，合闸过程中不会产生电弧。机械开关K触头完全接触后压降小于 晶闸管SCR导通压降，晶闸管SCR关断。忽略晶闸管SCR导通压降和机械开关K触头完全接触 后压降，合闸过程等效电路如图5所示。晶闸管SCR导通后，电源侧电容&从初始状态直流电 源UDC空载电压开始放电，负载侧电容&通过电阻R从零电压开始充电。
[0040] 合闸结束后稳定运行状态
[0041] 如图6所示，无电弧混合直流断路器CB合闸结束后稳定运行时，电流从闭合的机械 开关K流过，晶闸管SCR处于阻断状态；电源侧电容(^无充放电，电压保持在电源电压；负载 侧电容C 2无充放电，忽略机械开关K上压降，电压保持在系统电源电压；电阻R无电流流过； 二极管Di处于阻断状态，反向耐压均为一半的系统额定电压；限流电感L相当于短路。稳定 运行时，无电弧混合直流断路器CB可等效为一段导线，导通损耗低。
[0042] 开断短路电流过程
[0043] 图7为无电弧混合直流断路器CB出线端短路后，机械开关K触头分离前短路电流上 升阶段等效电路图。忽略机械开关K压降和二极管Di压降，电源侧电容&、负载侧电容C 2可看 成并联的容值为C的大电容，忽略远小于限流电感L的电源侧等效电感Ls，无电弧直流断路 器CB可等效为二阶电路，限制短路电流上升。负载电感Ldl过负载电阻Rl放电，直到所储存 能量耗散完毕。
[0044] 图8为无电弧混合直流断路器CB开断出线端短路电流第一阶段的等效电路图。无 电弧混合直流断路器CB接到分闸命令后，机械开关K开始动作，当触头分离后，直流电源U DC、 电源侧等效电感Ls、电源侧等效电阻Rs和电源侧电容Ci组成RLC二阶电路，负载侧电容C2、二 极管Di、限流电感L组成LC二阶电路。机械开关K两端电位差u k = uq-uC2，机械开关K触头分离 后，其两端电位差uk从一个小于门槛电压的初始值开始缓慢上升，在极小的触头间距时，电 场强度仍然较大，11 1(>1^，1!1(〈价，起弧电场强度条件满足，但起弧电压条件不满足，因此不会 产生电弧工作点位于A区；随着触头间距的增大，1 11(〈1^，111(>识，虽然起弧电压条件已经达到， 但电场强度条件不再满足，也不会产生电弧，工作点位于C区。
[0045] 图9为无电弧混合直流断路器CB开断出线端短路电流第二阶段的等效电路图。当 限流电感L电流反向后，二极管0:关断，负载侧电容C 2、电阻R、限流电感L组成二阶回路，直到 负载侧电容C2储存能量耗散完毕，机械开关K两端电位差下降到直流电源电压。
[0046] 开断负载电流过程
[0047] 机械开关K触头分离后，电源侧工作情况和开断短路电流时相同，但负载侧为负载 侦_容&、限流电感L、负载电感Ll和负载电阻Rl组成的RLC二阶系统。由于负载的不确定性， 该二阶系统可能过阻尼、临界阻尼或者欠阻尼。若系统过阻尼或者临界阻尼，则在负载侧电 容&电压下降到零，限流电感L和负载电感U电流下降到零时，开断过程结束。若系统因欠阻 尼而振荡，则在负载电压反向后，二极管〇 2导通，保护负载电感U和负载电阻Rl不承受反向 电压和电流，限流电感L和电容C2、电阻R组成负载侧RLC二阶系统，直到负载侧能量释放完 毕，开断过程结束。
[0048] 无电弧混合直流断路器CB参数设计方法
[0049]已知直流电力系统参数：直流电源空载电压UDC、系统额定电压Un、系统额定电流 In、电源侧等效电感Ls、电源侧等效电阻Rs。为了实现无弧开断，需要根据抑制起弧原理合理 设计电源侧电容Ci、负载侧电容C 2、限流电感L和电阻R参数，方法如下：
[0050] 1)为避免短路电流过大，除通过提高机械开关K动作速度来缩短短路电流上升时 间外，还需要限制短路电流上升率，则据此建立触头分离时刻直流电源电流方程。
[0051] 2)为避免直流电源产生振荡，需使触头分离后的电源侧RLC二阶系统过阻尼，则据 此建立过阻尼方程。
[0052] 3)根据抑制起弧原理，建立触头分离后机械开关K电压上升率最大时刻的电压方 程。
[0053] 4)联立求解电流方程、过阻尼方程和电压方程，得到电源侧电容Q、负载侧电容C2 和限流电感L参数。
[0054] 5)为快速释放负载侧能量，结束开断过程，电阻R应使限流电感L电流反向后负载 侦拫LC二阶系统临界阻尼。
[0055] 触头分离前:0<t〈td
[0056] 图7所示为断路器出线端短路后，机械开关K触头分离前，短路电流上升阶段的等 效电路图。忽略机械开关K和二极管0:压降，电源侧电容&、负载侧电容C 2可并联等效为电容 C，同时忽略远小于限流电感L的电源侧等效电感Ls，无弧直流断路器可等效为RLC二阶电 路，其初始状态为：
[0057] uc(0)=Un，iL(0) = In (1)
[0058] 触头分离前，等效并联电容C电压为：
[0062]触头分离前，限流电感L电流为：
[0067]触头分离前，直流电源UDC电流为：
[0068] idc= (Udc-uc)/Rs (4)
[0069] 限制直流电源短路电流平均上升率为r，则根据触头分离时刻的直流电源电流，建 立以电源侧电容&、负载侧电容C2和限流电感L为未知量的电流方程：
[0070] =4+rtd (s.)
[0071] 触头分离后:td彡t彡tb
[0072] 如图8所示，机械开关K触头分离后，直流电源UDC、电源侧等效电感Ls、等效电阻Rs 和电源侧电容&组成电源侧RLC二阶系统，其初始状态为：
[0073] ?π)=?c({d) , ^ ) = (?d) (6)
[0074] 触头分离后，电源侧电容&电压为：
[0079]为避免直流电源振荡，电源侧电容Q应使电源侧RLC二阶系统过阻尼，即衰减常数 αι应大于自然振荡角频率ω :，所以：
[0081] 取10%裕量，得到过阻尼方程为：
[0083] 如图4所示，忽略二极管Di和极小的短路阻抗，机械开关K触头分离后，限流电感L 电流反向前，负载侧电容C2和限流电感L组成负载侧LC二阶系统，其初始状态为：
[0084] u7 C2(td) =uc(td), i7 L(td) = iL(td) (10)
[0085] 触头分离后，负载侧电容C2电压为：
[0088] 触头分离后，机械开关K电压为：
[0089] uk = u7 ci-u7 C2 (12)
[0090] 机械开关K触头在分离后以速度VK匀速断开，根据门槛电场强度Ετ确定的不起弧电 压UT为：
[0091] ut=EtcI = EtVk (t~ td) (13)
[0092] t = tb时刻，负载侧电容C2电压降为零，但此时负载侧电容&放电电流达到最大值， 导致机械开关K电压上升率达到最大值，电场强度达到起弧电压条件满足以后的最高值，因 此只要保证此时电场强度不高于门槛电场强度，起弧电场强度和电压条件便不能同时满 足。由此得到电压方程：
[0094] 联立求解电流方程(6)、过阻尼方程（10)和电压方程（15)，得到电源侧电容&、负 载侧电容&和限流电感L参数。
[0095] 限流电感L电流反向后:t>tb
[0096] 图9为无电弧混合直流断路器CB开断出线端短路电流第二阶段的等效电路图。当 限流电感L电流反向后，二极管0:关断，负载侧电容C 2、电阻R、限流电感L组成RLC二阶回路， 为快速释放负载侧能量，结束开断过程，电阻R应使该RLC二阶系统临界阻尼，即：
[0098] 无电弧混合直流断路器CB最高电压等级
[0099] 无电弧直流断路器CB开断额定电流前，直流电力系统正常运行，二极管0:处于阻 断状态，忽略机械开关K上压降，电源侧电容Ci电压等于负载侧电容C2电压。机械开关K触头 分离后，其电压有二极管〇:导通压降U D的跳变，开断短路电流时由于触头分离前二极管DiB 经导通，所以不存在该电压跳变。开断额定电流时，负载侧电容C2电压比开断短路电流时下 降更慢，起弧电场强度不满足，但为了抑制起弧电压条件，二极管〇:导通压降U D不得大于门 丰监电压Ut，艮P :
[0100] Ud^Ut (16)
[0101] 二极管Di单管的反向耐压为UR，正向导通压降为UF，则二极管0:串联单管数最大值 为：
[0103] 系统最高额定电压Unmax为：
[0104] U_x=nmaxUR (18)。
【主权项】
1. 一种无电弧混合直流断路器；其特征在于，该无电弧的混合直流断路器在设计时针 对产生电弧需同时满足介质击穿的起弧电场强度条件和起弧电压条件;而考虑一定安全裕 量； 该无电弧混合直流断路器CB包括晶闸管SCR、机械开关K、电源侧电容α、负载侧电容C2、 电阻R、二极管和限流电感L;其中，晶闸管SCR阳极、阴极并联在机械开关K两端;机械开 关K连接晶闸管SCR阳极的一端连接电源侧电容&正极、电源侧等效电阻Rs的一端，其共同节 点即是直流电力系统电源侧正极1 + ;机械开关K连接晶闸管SCR阴极的一端连接电阻R-端、 二极管〇:阴极和限流电感L一端；电阻R另一端连接二极管Di阳极、负载侧电容C 2正极;限流 电感L另一端连接二极管D2阴极、直流电力系统负载正极2+;电源侧电容(^负极连接直流系 统电源侧负极1-、负载侧电容C 2负极、二极管02阳极、直流电力系统负载负极2-。2. 根据权利要求1所述一种无电弧混合直流断路器;其特征在于，所述直流电力系统负 载由负载侧电阻Rl和负载侧电感U串联组成。3. 根据权利要求1所述一种无电弧混合直流断路器;其特征在于，所述直流电力系统电 源由电源侧等效电阻Rs、电源侧等效电感Ls和直流电源Udc串联构成。4. 一种权利要求1所述无电弧混合直流断路器实现无电弧分合闸的方法，其特征在于， 包括： (1) 无电弧混合直流断路器CB参数设计，根据给定的直流电力系统参数和开断要求，基 于抑制起弧条件原则的无电弧混合直流断路器CB参数设计如下： 1) 为避免短路电流过大，除通过提高机械开关K动作速度来缩短短路电流上升时间外， 还需要限制短路电流上升率，则据此建立触头分离时刻直流电源电流方程； 2) 为避免直流电源产生振荡，需使触头分离后的电源侧RLC二阶系统过阻尼，则据此建 立过阻尼方程； 3) 根据抑制起弧原理，建立触头分离后机械开关K电压上升率最大时刻的电压方程； 4) 联立求解电流方程、过阻尼方程和电压方程，得到电源侧电容Q、负载侧电容C2和限 流电感L参数； 5) 为快速释放负载侧能量，结束开断过程，电阻R应使限流电感L电流反向后负载侧RLC 二阶系统临界阻尼； (2) 无电弧混合直流断路器CB运行过程，无电弧混合直流断路器开断额定电流前，直流 电力系统正常运行，二极管〇:处于阻断状态，忽略机械开关K上压降，电源侧电容&电压等于 负载侧电容C 2电压，机械开关K触头分离后，其两端电位差有二极管0:导通压降的跳变，开断 短路电流时由于触头分离前二极管DiB经导通，所以不存在该电压跳变，开断额定电流时， 负载侧电容C 2电压比开断短路电流时下降更慢，起弧电场强度不满足，但为了抑制起弧电 压条件，二极管〇:导通压降不得大于门槛电压，限制了二极管0:最多能串联的单管个数，无 电弧混合直流断路器CB最高电压等级为单管耐压乘以极限串联个数;具体过程包括： 合闸过程:无电弧混合直流断路器CB接到合闸命令后，先导通晶闸管SCR，然后闭合机 械开关K触头；由于机械开关K两端电位差保持为小于门槛电压的晶闸管SCR导通压降，起弧 电压条件不满足，合闸过程中不会产生电弧；晶闸管SCR导通后，电源侧电容Q从初始状态 的直流电源Udc空载电压开始放电，负载侧电容C 2通过电阻R从零电压开始充电；机械开关K 触头完全接触后压降小于晶闸管SCR导通压降，晶闸管SCR关断； 稳定运行状态:无电弧混合直流断路器CB合闸结束后进入稳定运行状态，电流从闭合 的机械开关K流过，晶闸管SCR处于阻断状态；电源侧电容&无充放电，电压保持在电源电压 Udc;负载侧电容(：2无充放电，忽略机械开关K上压降，电压保持在电源电压UDC;电阻R无电流 流过;二极管Di处于阻断状态，反向耐压均为一半的系统额定电压;限流电感L相当于短路， 稳定运行时，无电弧混合直流断路器CB可等效为一段导线，导通损耗低； 开断短路电流过程:无电弧混合直流断路器CB出线端短路后，电源侧电容Q、负载侧电 容(：2和限流电感L组成等效二阶电路，限制短路电流上升;接到分闸命令后，机械开关K开始 动作，当触头分离后，直流电源U DC、电源侧等效电感Ls、电源侧等效电阻Rs和电源侧电容&组 成二阶回路，负载侧电容C2、二极管Di、限流电感L组成另一个二阶回路；电源侧电容&和负 载侧电容(： 2分别为电源侧电流和负载侧电流提供了续流通路，并维持机械开关Κ两端电位 差缓慢变化，机械开关Κ触头分离后，其两端电位差从一个小于门槛电压的初始值开始缓慢 上升，在极小的触头间距时，电场强度仍然较大，起弧电场强度条件满足，但起弧电压条件 不满足，因此不会产生电弧；随着触头间距的增大，虽然起弧电压条件已经达到，但电场强 度条件不再满足，也不会产生电弧；当限流电感L电流反向后，二极管以关断，负载侧电容C 2、 电阻R、限流电感L组成二阶回路，直到负载侧电容C2储存能量耗散完毕，机械开关K两端电 位差下降到直流电源电压； 开断负载电流过程:机械开关K触头分离后，电源侧工作情况和开断短路电流时相同， 但负载侧为负载侧电容C2、限流电感L、负载电感U和负载电阻Rl组成的RLC二阶系统，由于 负载的不确定性，该二阶系统可能过阻尼、临界阻尼或者欠阻尼，若系统过阻尼或者临界阻 尼，则在负载侧电容C 2电压下降到零，限流电感L和负载电感U电流下降到零时，开断过程结 束，若系统因欠阻尼而振荡，则在负载电压反向后，二极管出导通，保护负载电感U和负载电 阻Rl不承受反向电压和电流，限流电感L和电容C 2、电阻R组成负载侧RLC二阶系统，直到负载 侧能量释放完毕，开断过程结束。
【文档编号】H01H9/54GK106024455SQ201610412444
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月14日
【发明人】向学位, 柴建云, 肖曦
【申请人】清华大学