专利名称：一种具有选择性保护功能的混合式断路器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有选择性保护功能的混合式断路器，特别涉及一种通过控制混合式断路器固态开关电路中的电力电子门极可关断器件轮流导通和关断系统实现选择性保护功能的断路器。
背景技术：
由于高压直流输电系统短路电流上升非常快，其峰值在4ms内就会达到约IOOkA,传统的机械开关已远远不能满足开断要求。随着电力电子技术的不断发展，近年来，基于高速机械开关和电力电子器件固态开关的混合式断路器成为直流开断的研究热点。由于高压直流开断要求在很短时间内完成整个开断过程，一般短路电流转移至转移支路后断路器两端电压迅速上升，当能量吸收电路全部导通时，高速开关两端电压约为系统电压的1. 5倍。但是，目前混合式开断在高速机械开关方面依旧存在缺陷，其高速机构运动速度存在限制，无法在很短时间内打开足够开距，承受系统过电压，因此高压应用场合并不满足要求。如何在电流转移至固态开关电路后在混合式断路器两端建立一定的压降限制短路电流上升，同时又要兼顾高速机械开关的击穿特性已经成为制约混合式断路器发展的一个重要因素。同时，建立多端直流系统，通过直流联网，实现多电源供电、多落点受电已经成为高压直流输电技术的必然趋势。多端直流输电工程采用的控制和保护技术与传统的交流输电以及点对点直流输电存在很大的不同，由于其电压等级高，短路电流上升速率高，系统安全要求各级断路器分断过程有必要的延时保护，即在限制短路电流上升的同时不开断电流，因此固态开关电路两端需维持一定电压。而固态开关电路一般由电力电子门极可关断器件以及功率半导体器件组成，其持续通流时间及通流能力有限。
发明内容
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具有选择性保护功能的混合式断路器，在开断过程中限制短路电流上升，实现短路延时保护。为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是一种具有选择性保护功能的混合式断路器，包括高速真空开关，所述高速真空开关用于快速分断电路，并且建立一定的击穿强度承受开断过程中的系统过电压；固态开关电路；能量吸收电路；缓冲电路，所述缓冲电路延缓电流从所述固态开关电路向所述能量吸收电路的转移；以及控制电路，所述控制电路分别控制闻速真空开关和固态开关电路的导通与断开；闻速真空开关、固态开关电路、缓冲电路、能量吸收电路通过并联形式连接。这样通过在混合式断路器开断过程中在能量吸收电路两端建立一定电压，抑制系统短路电流上升实现混合式断路器的选择性保护功倉泛。
图1是本发明整体结构示意图； 图2是根据本发明的一个示例性的电流从高速真空开关(FVB)向固态开关电路转移示意 图3是根据本发明的一个示例性的实现选择性保护的原理 图4是电力电子门极可关断器件流导通过程中电压下降延迟时间示意 图5是根据本发明的一个示例性的选择性保护过程中断路器的电压和电流波形 图6是根据本发明的一个示例性的控制电路的框图。
具体实施例方式参见图1，根据本发明的一种具有选择性保护功能的混合式断路器包括高速真空开关FVB(Fast-opening Vacuum Break)、固态开关电路、缓冲电路、能量吸收电路以及控制电路，高速真空开关、固态开关电路、缓冲电路、能量吸收电路通过并联形式连接。其中固态开关电路包括通过串并联形式组合或者与晶闸管组合使用的多个电力电子门极可关断器件，其中电力电子门极可关断器件可以为IGCT、IGBT或者GT0。缓冲电路可以使得电流从固态开关电路向能量吸收电路的转移过程存在一定的延迟时间，从而限制转移过程过电压，作为一个示例，缓冲电路可以为电容。能量吸收电路能够吸收短路电流的能量，并在固态开关电路建立起一定的电压，作为一个示例，能量吸收电路由氧化锌阀片组成的金属氧化物避雷器MOV或者具有正温度系数的PTC材料组成。控制电路能够监测系统中的电流幅值和电流变化率，并能够分别控制高速真空开关和固态开关电路导通与断开。本发明的工作原理为在断路器开断过程中，高速真空开关首先分断，当短路电流全部转移至固态开关电路后，控制电路将控制固态开关电路的部分电力电子门极可关断器件轮流断开，进而实现能量吸收电路的部分导通，使高速真空开关两端建立起一定的电压，限制短路电流上升。例如，固态电路整体有N (N>=2)个电力电子门极可关断器件，首先控制其中的m (m〈N)个断开，对应的m个电力电子门极可关断器件两端的MOV (以MOV为例)导通，从而在固态开关电路建立起一定的电压，该电压用以抵制系统电压，限制短路电流上升。该m个电力电子门极可关断器件断开一定时间后，控制其导通，MOV中的电流又转移至电力电子门极可关断器件，建立起电压跌落。紧接着控制剩余的N-m中的m个电力电子门极可关断器件关断，固态开关电路两端电压又重新上升，进入限流状态。由于该过程中存在固态开关电路两端电压先下降后上升的过程，因此限流过程中存在At的时间，在该时间内固态开关两端电压较低，系统电流有所上升。如图4所示，轮流导通延迟时间At与电力电子门极可关断器件本身固有的导通时间tgt、关断时间t,以及控制系统精度造成的延迟时间td有关，其大小约为三者之和。如此重复控制固态开关电路的部分电力电子门极可关断器件轮流导通和关断，在不开断短路电流的情况下限制短路电流上升，实现系统选择性保护。由于短路情况下固态开关中流过的电流较大，为了避免电力电子门极可关断器件以及能量吸收电路因长时间通流发热导致损坏，固态开关电路所有电力电子门极可关断器件以及能量吸收电路中的所有过电压限制器件轮流过程中应满足其总的通流时间之和不超过该电流等级下允许的通流时间上限值。当限流延迟时间满足多极系统选择性保护要求或者能量吸收电路和电力电子门极可关断器件达到极限导通时间时，固态开关电路的全部电力电子门极可关断器件断开，能量吸收电路全部投入，固态开关电路两端电压高于系统电压，电流迅速将为O，断路器完成分断。在以下实施例中，本发明公开了
一种具有选择性保护功能的混合式断路器，包括高速真空开关，所述高速真空开关用于快速分断电路，并且建立一定的击穿强度承受开断过程中的系统过电压；固态开关电路；能量吸收电路；缓冲电路，所述缓冲电路延缓电流从所述固态开关电路向所述能量吸收电路的转移；以及控制电路，所述控制电路分别控制所述高速真空开关和所述固态开关电路的导通与断开；所述高速真空开关、所述固态开关电路、所述缓冲电路、所述能量吸收电路通过并联形式连接。进一步的所述高速真空开关由高速机构和真空灭弧室组成，所述高速机构的开距要求大于等于10mm，平均运动速度要求高于8m/s。进一步的所述固态开关电路包括通过串并联形式组合或者与晶闸管组合使用的多个电力电子门极可关断器件，所述电力电子门极可关断器件为IGCT、IGBT或者GT0。所述能量吸收电路为多个由氧化锌阀片组成的金属氧化物避雷器MOV或者多个具有正温度系数的PTC材料。一个或多个MOV或者PTC并联在每个电力电子门极可关断器件两端，所述一个或多个MOV或者PTC的总的导通电压小于其两端的电力电子门极可关断器件最高耐压值。所述缓冲电路为多个串联或者并联的电容。进一步的所述控制电路，采集流过混合式断路器的电流的上升率和电流幅值，根据系统预先设定的阈值确定是否输出控制命令，控制所述高速真空开关和所述固态开关电路动作。在所述高速真空开关断开一定时间后，控制电路轮流断开固态开关电路的部分电力电子门极可关断器件。进一步的所述的控制电路轮流断开固态开关电路的部分电力电子门极可关断器件为所述控制电路先将已经断开的电力电子门极可关断器件导通，再断开其它导通的电力电子门极可关断器件。进一步的所述固态开关电路的所有电力电子门极可关断器件以及所述能量吸收电路的所有过电压限制器件总的通流时间之和不超过在其所处的电流等级下允许的通流时间上限值。当限流延迟时间满足多极系统选择性保护要求或者所述能量吸收电路和所述电力电子门极可关断器件达到极限导通时间时，断开所述固态开关电路的全部电力电子门极可关断器件。在另外的实施例中，结合图2，图3和图5示例性的说明本发明的选择性保护的实现过程。在该实施例中，固态开关电路为多个串联的IGCT，固态开关电路也可以为串联或者并联的IGBT或者GTO等其它电力电子门极可关断器件，缓冲电路为多个串联的电容，能量吸收电路为多个串联的M0V，能量吸收电路也可以为具有正温度系数的PTC材料，其中固态开关电路、缓冲电路和能量吸收电路以并联形式连接，并且其中对应的元件也并联在一起。以额定10kV-5kA直流系统为例。整个开断过程及选择性保护实现方式如下
I )t0时刻，系统发生短路故障，短路电流迅速上升。控制电路采集到电流幅值i和电流上升率di/dt均超过预先设定值后,控制电路控制高速真空开关FVB (Fast-opening VacuumBreak)和固态开关电路动作。图6为一种示例性的控制电路。其获取AD的采样值，经过FIR滤波后，送入FIFO系统，经过比较和延时控制对高速真空开关和固态开关电路进行控制，同时控制电路能够控制AD的采样。
2) tl时刻，高速真空开关FVB断开，FVB触头间产生电弧，建立起一定的电压。根据高速真空开关机械延迟时间不同，t0至tl时刻延迟略有差异，一般约为200us。此时，固态开关电路导通，如图2所示，由于FVB的电弧电压高于固态开关电路电压，电流迅速从FVB向固态开关电路转移。3) t2时刻，短路电流完全转移至固态开关电路，FVB触头间开关电弧熄灭。由于高速真空开关FVB需要一定的介质恢复时间才能承受系统过电压，因此不能立即断开整个固态开关电路。如图3所示，t3时刻，控制IGCT_1支路和IGCT_3支路首先断开，电流转向缓冲电路，其中，缓冲电路可以实现电流从固态开关电路向限制电路的转移过程存在一定的延迟时间，从而限制转移过程过电压。如图3所示，缓冲电路两端的电压达到MOV击穿电压后，M0V_1和M0V_3导通，电流方向如图中箭头所示。此时FVB两端建立起的电压值约为额定电压，限制短路电流上升。3) t4时刻，由于IGCT和MOV不能长时间处于导通状态，IGCT_1支路导通，紧接着IGCT_2支路断开，完成IGCT器件轮流导通，电流方向如图3中箭头所示，C_2两端的电压达到MOV击穿电压后，M0V_2导通。由于IGCT轮流导通过程中存在IGCT的先导通后断开的过程，因此在选择性保护操作过程中，存在图5中所示的A t的时间，在该时间内，固态开关电路两端电压较低，流过固态开关电路的系统电流有所上升，避免了在IGCT支路轮流导通过程中固态开关电路两端电压引起的高速真空开关触头介质击穿。4) t5时刻，控制IGCT_0支路断开，IGCT_3支路导通，继续限制电流上升，同时为FVB运动提供一定的延迟时间，增加触头间距。5H6时刻，当高速真空开关FVB可以承受系统过电压，在IGCT支路可以承受的导通时间范围以及MOV可以吸收能量阈值以内，控制电路可以根据多极系统短路延时保护要求在不同时刻或者MOV和电力电子门极可关断器件达到导通极限时间时，控制IGCT支路全部断开，能量吸收电路MOV全部导通，电流迅速下降至0，完成整个开断过程。以上的导通轮流的次数和器件的选择仅仅是一个示例。本发明的要点在于控制电路将控制固态开关电路的部分电力电子门极可关断器件轮流断开，进而实现能量吸收电路的部分导通，使高速真空开关两端建立起一定的电压，限制短路电流上升。并为高速真空断路器提供一定的延迟时间，保证触头间隙可以承受系统过电压，同时可以在选择性保护时间内由控制电路根据系统延时保护要求控制能量吸收电路在不同时间点全部导通，完成整个开断过程。同时，通过将固态开关电路电力电子门极可关断器件进行反方向并联即可以应用于同等级的交流系统。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，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。
权利要求
1.一种具有选择性保护功能的混合式断路器，包括高速真空开关，所述高速真空开关用于快速分断电路，并且建立一定的击穿强度承受开断过程中的系统过电压；固态开关电路；能量吸收电路；缓冲电路，所述缓冲电路延缓电流从所述固态开关电路向所述能量吸收电路的转移；以及控制电路，所述控制电路分别控制所述高速真空开关和所述固态开关电路的导通与断开；其特征在于所述高速真空开关、所述固态开关电路、所述缓冲电路、所述能量吸收电路通过并联形式连接。
2.根据权利要求1所述的混合式断路器，其特征在于所述高速真空开关由高速机构和真空灭弧室组成，所述高速机构的开距要求大于等于 10mm，平均运动速度要求高于8m/s。
3.根据权利要求1或2所述的混合式断路器，其特征在于所述固态开关电路包括通过串并联形式组合或者与晶闸管组合使用的多个电力电子门极可关断器件，所述电力电子门极可关断器件为IGCT、IGBT或者GTO ;所述能量吸收电路为多个由氧化锌阀片组成的金属氧化物避雷器MOV或者多个具有正温度系数的PTC材料。
4.根据权利要求3所述的混合式断路器，其特征在于一个或多个MOV或者PTC并联在每个电力电子门极可关断器件两端，所述一个或多个 MOV或者PTC的总的导通电压小于其两端的电力电子门极可关断器件最高耐压值。
5.根据权利要求1、2或4所述的混合式断路器，其特征在于所述缓冲电路为多个串联或者并联的电容。
6.根据权利要求1所述的混合式断路器，其特征在于所述控制电路，采集流过混合式断路器的电流的上升率和电流幅值，根据系统预先设定的阈值确定是否输出控制命令，控制所述高速真空开关和所述固态开关电路动作。
7.根据权利要求1、5或6所述的混合式断路器，其特征在于在所述高速真空开关断开一定时间后，控制电路轮流断开固态开关电路的部分电力电子门极可关断器件。
8.根据权利要求7所述的混合式断路器，其特征在于所述的控制电路轮流断开固态开关电路的部分电力电子门极可关断器件为所述控制电路先将已经断开的电力电子门极可关断器件导通，再断开其它导通的电力电子门极可关断器件。
9.根据权利要求8所述的混合式断路器，其特征在于所述固态开关电路的所有电力电子门极可关断器件以及所述能量吸收电路的所有过电压限制器件总的通流时间之和不超过在其所处的电流等级下允许的通流时间上限值。
10.根据权利要求9所述的混合式断路器，其特征在于当限流延迟时间满足多极系统选择性保护要求或者所述能量吸收电路和所述电力电子 门极可关断器件达到极限导通时间时，断开所述固态开关电路的全部电力电子门极可关断器件。
全文摘要
一种具有选择性保护功能的混合式断路器，包括高速真空开关，所述高速真空开关用于快速分断电路，并且建立一定的击穿强度承受开断过程中的系统过电压；固态开关电路；能量吸收电路；缓冲电路，所述缓冲电路延缓电流从所述固态开关电路向所述能量吸收电路的转移；以及控制电路，所述控制电路分别控制高速真空开关和固态开关电路的导通与断开；高速真空开关、固态开关电路、缓冲电路、能量吸收电路通过并联形式连接。通过在混合式断路器开断过程中在能量吸收电路两端建立一定电压，抑制系统短路电流上升实现混合式断路器的选择性保护功能。
文档编号H03K17/08GK103001614SQ201210498249
公开日2013年3月27日 申请日期2012年11月30日 优先权日2012年11月30日
发明者纽春萍, 孙昊, 杨飞, 荣命哲, 吴翊, 吴益飞 申请人:西安交通大学