專利名稱：一種混合式直流斷路器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種混合式直流斷路器，特別涉及一種通過控制轉(zhuǎn)移電流電路中功率半導體器件導通時序改變轉(zhuǎn)移電流電路中的電流方向來限制開斷過程中斷路器兩端開斷過電壓上升速率的混合式直流斷路器。
背景技術：
由高速機械開關與大功率半導體器件組成的混合型直流斷路器具有通流容量大、關斷速度快、限流能力強等優(yōu)點，已經(jīng)成為直流開斷領域的研究熱點。混合型直流斷路器為了限制、分斷高上升率短路電流，必須反應迅速、動作可靠，從而能夠在短路故障發(fā)生初期切斷故障電路。一般來說，功率半導體器件的動作速度極快，因而機械開關的反應速度成為制約混合式斷路器開斷性能的瓶頸。同時由于混合型直流斷路器在切斷短路電流時機械開關兩端會出現(xiàn)大于系統(tǒng)電壓的瞬態(tài)過電壓，因此對于混合式斷路器的控制系統(tǒng)設計提出了更高的要求，通過調(diào)整轉(zhuǎn)移電流電路的拓撲結構控制短路情況下兩端的電壓上升速率，使高速機械開關觸頭間隙可以承受開斷過程過產(chǎn)生的電壓，保證可靠分斷。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術存在的不足或缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種混合式直流斷路器及其控制方法。通過控制轉(zhuǎn)移電流電路的功率半導體器件按照一定時序?qū)?，可以有效限制斷路器兩端的過電壓上升速率，并且由于開斷過程中電容電流經(jīng)過了兩次轉(zhuǎn)移，斷路器開斷完成后預充電電容上的電壓方向與動作前的預充電電壓方向一致，省去了電容C的充電過程。當轉(zhuǎn)移電流電路兩端的電壓達到過電壓限制電路的導通閾值時，過電壓限制電路導通，使得主電流電路兩端電壓被限制在一定范圍；控制系統(tǒng)監(jiān)測主電流電路和轉(zhuǎn)移電流電路中電路I的電流幅值和電流變化率，并根據(jù)監(jiān)測結果控制高速機械開關和轉(zhuǎn)移電流電路按照一定時序動作。具體的，本發(fā)明采用如下技術方案一種混合式直流斷路器，所述斷路器包括主電流電路，轉(zhuǎn)移電流電路、過電壓限制電路，控制系統(tǒng)，以及系統(tǒng)的接入端SI和接入端S2，并且主電流電路、轉(zhuǎn)移電流電路以及過電壓限制電路并聯(lián)，其特征在于(I)所述主電流電路由高速機械開關和功率半導體器件AO串聯(lián)組成，其中所述接入端SI連接所述高速機械開關的一端，以便實現(xiàn)所述接入端SI與所述主電流電路一端的連接；所述高速機械開關的另一端與所述功率半導體器件AO的一端相連；所述功率半導體器件AO的另一端則連接所述接入端S2，以便實現(xiàn)所述接入端S2與所述主電流電路的另一端的連接；(2)所述轉(zhuǎn)移電流電路包括功率半導體器件Al組成的電路1，電感L_0和功率半導體器件A2串聯(lián)組成的電路2，電感L_1和功率半導體器件A3串聯(lián)組成的電路3，功率半導體器件A4組成的電路4以及一預先充有一定電壓的預充電電容器C，并且所述電路I與所述電路4串聯(lián)，所述電路2則與所述電路3串聯(lián)，其中(A)所述電路I和所述電路4串聯(lián)組成轉(zhuǎn)移電流電路支路14，且所述支路14與所述主電流電路并聯(lián)，并且所述接入端SI連接所述功率半導體器件Al的一端，以便實現(xiàn)與所述支路14的一端的連接；所述功率半導體器件Al的另一端則與所述功率半導體器件A4的一端連接以便實現(xiàn)所述電路I和所述電路4的串聯(lián)；所述功率半導體器件A4的另一端則與所述接入端S2連接，以便實現(xiàn)所述支路14的另一端與所述接入端S2的連接，從而實現(xiàn)所述支路14與所述主電流電路的并聯(lián)；(B)所述電路2和所述電路3串聯(lián)組成轉(zhuǎn)移電流電路支路23，且所述支路23與所述主電流電路并聯(lián)，并且所述接入端SI連接所述電感L_0的一端，以便實現(xiàn)與所述支路23的一端的連接；所述電感L_0的另一端則連接所述功率半導體器件A2的一端；所述功率半導體器件A2的另一端則連接所述電感L_1的一端，以便實現(xiàn)所述電路2與所述電路3的串聯(lián)；所述電感1^_1的另一端則與所述功率半導體器件A3的一端連接；所述功率半導體器件A3的另一端則與所述接入端S2連接，以便實現(xiàn)所述支路23的另一端與所述接入端S2的連接，從而實現(xiàn)所述支路23與所述主電流電路的并聯(lián)；(C)所述電路I和所述電路4之間的端點，與所述電路2和所述電路3之間的端點，這兩個端點之間則連接所述預充電電容器C ;(3)所述控制系統(tǒng)測量流經(jīng)所述接入端SI或S2的電流、流經(jīng)所述主電流電路的電流、流經(jīng)所述轉(zhuǎn)移電流電路中所述電路I的電流、流經(jīng)所述過電壓限制電路的電流、所述高速機械開關的開關兩端的電壓和所述高速機械開關的開關位移，通過測量所述主電流電路的電流幅值和變化率以及所述轉(zhuǎn)移電流電路中電路I的電流幅值和變化率控制所述高速機械開關和轉(zhuǎn)移電流電路中的功率半導體器件Al至A4動作。其中，正常工作狀態(tài)下，電流從所述主電流電路流過，所述預充電電容器C上充有一定的電壓，且電壓方 向與所述主電流電路的導通壓降方向相反；此時，所述轉(zhuǎn)移電流電路中的電路I至電路4均處于關斷狀態(tài)，所述轉(zhuǎn)移電流電路沒有電流通過，所述過電壓限制電路也沒有電流流過。當系統(tǒng)需要進行開斷時，所述控制系統(tǒng)首先控制所述主電流電路中的所述高速機械開關進行分閘動作，由于所述高速機械開關存在機械延時，此時所述高速機械開關觸頭仍處于閉合狀態(tài)；然后通過測量所述主電流電路的電流幅值和變化率以及所述轉(zhuǎn)移電流電路中所述電路I的電流幅值和電流變化率確定所述轉(zhuǎn)移電流電路中功率半導體器件Al至A4是否動作以及相應的動作時序。其中，所述控制系統(tǒng)包括用于測量流經(jīng)所述接入端SI或S2電流的電流傳感器T0、用于測量流經(jīng)主電流電路的電流的電流傳感器Tl、用于測量流經(jīng)轉(zhuǎn)移電流電路中電路I的電流傳感器T2、用于測量流經(jīng)過電壓限制電路的電流傳感器T3、高速機械開關的開關兩端電壓傳感器V，和高速機械開關的開關位移傳感器P，以及信號調(diào)理電路，高速AD，處理器和人機交互界面，所述處理器完成系統(tǒng)電流、主電流電路的電流和電路I電流的幅值及變化率di/dt計算，所述人機交互界面實時顯示混合式直流斷路器狀態(tài)及計算結果。其中，所述高速機械開關為基于電磁斥力的高速機械開關、基于高速電機驅(qū)動的機械開關或基于爆炸驅(qū)動的高速機械開關。
其中，所述功率半導體器件AO和A2為具有單向?qū)üδ艿墓β拾雽w器件或者其組合；所述功率半導體器件A1、A3和A4為具有單向?qū)üδ芎桶肟毓δ艿墓β拾雽w器件或者其組合，所述具有半控功能的功率半導體器件包括但不局限于晶閘管、IGCT、IGBT和GTO中的任意一個或者任意多個的組合。但是，根據(jù)斷路器開斷方式不同，功率半導體器件A0-A4中的一個或者多個為全控型器件。其中，所述過電壓限制電路在斷路器正常運行情況下處于截止狀態(tài)，漏電流小于I U A ;所述過電壓限制電路的導通電壓閾值為所述斷路器所處的系統(tǒng)電壓的1.5倍。其中，所述過電壓限制電路包括壓敏電阻、氧化鋅閥片組成的MOV或避雷器中的一個或任意多個的組合。其中，所述過電壓限制電路的設計參數(shù)包括:電壓限制電路容量、導通電壓閾值、達到導通電壓時的電流、最高鉗位電壓以及處于最高鉗位電壓時電流。


圖1是斷路器本體結構示意圖；圖2是控制系統(tǒng)傳感器分布示意圖；圖3是過電壓限制電路伏安特性曲線圖；圖4是混合式斷路器投入過程結構示意圖；圖5是分斷電流大于額定電流時轉(zhuǎn)移電流電路電流標志示意圖；圖6是分斷電流大于額定電流時各轉(zhuǎn)移電流電路電流流向圖；圖7是分斷電流大于額定電流時所有電流變化曲線疊加后的圖；圖8是分斷電流大于額定電流時，相應于圖7，轉(zhuǎn)移電流電路中各電流變化曲線圖；圖9是分斷電流大于額定電流時預充電電容器電壓曲線圖；圖10是分斷電流大于額定電流時斷路器兩端電壓曲線圖；圖11是分斷電流小于等于額定電流時轉(zhuǎn)移電流電路電流標志示意圖；圖12是分斷電流小于等于額定電流時各轉(zhuǎn)移電流電路電流流向圖；圖13是分斷電流小于等于額定電流時所有電流變化曲線疊加后的圖；圖14是分斷電流小于等于額定電流時，相應于圖13，轉(zhuǎn)移電流電路中各電流變化曲線圖；圖15是分斷電流小于等于額定電流時斷路器兩端電壓曲線圖；圖16是本發(fā)明的一種具體實施實例圖；圖17是本發(fā)明的一種具體實施實例圖；圖18是本發(fā)明的一種具體實施實例圖；圖19是控制系統(tǒng)框圖。
具體實施例方式以下結合附圖來說明本發(fā)明的具體實施方式
。圖1為斷路器本體結構示意圖，包括主電流電路、轉(zhuǎn)移電流電路以及過電壓限制電路。圖2為控制系統(tǒng)傳感器在混合式斷路器中的分布。圖3給出了過電壓限制電路的伏安特性曲線，圖19是控制系統(tǒng)框圖。參見圖1，公開了一種混合式直流斷路器，所述斷路器包括主電流電路，轉(zhuǎn)移電流電路、過電壓限制電路，和控制系統(tǒng)，以及系統(tǒng)接入端S1、系統(tǒng)接入端S2，且主電流電路、轉(zhuǎn)移電流電路以及過電壓限制電路并聯(lián)。所述主電流電路由高速機械開關和功率半導體器件AO串聯(lián)組成，其中:接入端SI連接高速機械開關的一端，以便實現(xiàn)接入端SI與主電流電路一端的連接；高速機械開關的另一端則與功率半導體器件AO的一端相連；功率半導體器件AO的另一端則連接所述接入端S2，以便實現(xiàn)接入端S2與所述主電流電路的另一端的連接。所述轉(zhuǎn)移電流電路包括功率半導體器件Al組成的電路1，電感L_0和功率半導體器件A2串聯(lián)組成的電路2，電感L_1和功率半導體器件A3串聯(lián)組成的電路3，功率半導體器件A4組成的電路4以及一預先充有一定電壓的預充電電容器C，并且所述電路I與所述電路4串聯(lián)，所述電路2則與所述電路3串聯(lián)。其中:所述電路1和所述電路4串聯(lián)組成轉(zhuǎn)移電流電路支路14，且所述支路14與所述主電流電路并聯(lián)，并且:所述接入端SI連接所述功率半導體器件Al的一端，以便實現(xiàn)與所述支路14的一端的連接；所述功率半導體器件Al的另一端則與所述功率半導體器件A4的一端連接以便實現(xiàn)所述電路I和所述電路4的串聯(lián)；所述功率半導體器件A4的另一端則與所述接入端S2連接，以便實現(xiàn)所述支路14的另一端與所述接入端S2的連接，從而實現(xiàn)所述支路14與所述主電流電路的并聯(lián)。所述電路2和所述電路 3串聯(lián)組成轉(zhuǎn)移電流電路支路23，且所述支路23與所述主電流電路并聯(lián)，并且:所述接入端SI連接所述電感L_0的一端，以便實現(xiàn)與所述支路23的一端的連接；所述電感L_0的另一端則連接所述功率半導體器件A2的一端；所述功率半導體器件A2的另一端則連接所述電感L_1的一端，以便實現(xiàn)所述電路2與所述電路3的串聯(lián)；所述電感1^_1的另一端則與所述功率半導體器件A3的一端連接；所述功率半導體器件A3的另一端則與所述接入端S2連接，以便實現(xiàn)所述支路23的另一端與所述接入端S2的連接，從而實現(xiàn)所述支路23與所述主電流電路的并聯(lián)。所述電路I和所述電路4之間的端點，與所述電路2和所述電路3之間的端點，這兩個端點之間則連接所述預充電電容器C ；所述控制系統(tǒng)測量流經(jīng)所述接入端SI或S2的電流、流經(jīng)所述主電流電路的電流、流經(jīng)所述轉(zhuǎn)移電流電路中所述電路I的電流、流經(jīng)所述過電壓限制電路的電流、所述高速機械開關的開關兩端的電壓和所述高速機械開關的開關位移，通過測量所述主電流電路的電流幅值和變化率以及所述轉(zhuǎn)移電流電路中電路I的電流幅值和變化率控制所述高速機械開關和轉(zhuǎn)移電流電路中的功率半導體器件Al至A4動作。其中，所述功率半導體器件AO和A2為具有單向?qū)üδ艿墓β拾雽w器件或者其組合；所述功率半導體器件A1、A3和A4為具有單向?qū)üδ芎桶肟毓δ艿墓β拾雽w器件或者其組合。所述具有半控功能的功率半導體器件包括晶閘管、IGCT、IGBT和GTO中的任意一個或者任意多個的組合。應當知道，不僅半控器件具有半控功能，全控器件也具有半控功能。其中，根據(jù)斷路器開斷方式不同，功率半導體器件A0-A4中的一個或者多個為全控型器件。其中，所述高速機械開關為可以為基于電磁斥力的高速機械開關、基于高速電機驅(qū)動的機械開關或基于爆炸驅(qū)動的高速機械開關中的任意一種。所述過電壓限制電路為包括壓敏電阻、氧化鋅閥片組成的MOV、或者避雷器中的一個或者任意多個的組合。參見圖2，以及圖19，所述控制系統(tǒng)包括:用于測量流經(jīng)所述接入端SI或S2電流的電流傳感器T0、用于測量流經(jīng)主電流電路的電流傳感器Tl、用于測量流經(jīng)轉(zhuǎn)移電流電路中電路I的電流傳感器T2、用于測量流經(jīng)過電壓限制電路的電流傳感器T3、高速機械開關的開關兩端電壓傳感器V，和高速機械開關的開關位移傳感器P，以及:信號調(diào)理電路，高速AD，處理器和人機交互界面，所述處理器完成系統(tǒng)電流、主電流電路的電流和電路I電流的幅值及變化率di/dt計算，所述人機交互界面實時顯示混合式直流斷路器狀態(tài)及計算結果。1.混合式斷路器投入過程如圖4給出了斷路器投入過程結構示意圖。其中S1、S2和S3均為系統(tǒng)接入端，隔離開關為斷路器接入系統(tǒng)時需要的設備，所述系統(tǒng)可以是任何所需要用到的斷路器的系統(tǒng)，不屬于本發(fā)明范圍。本發(fā)明包含的混合式斷路器投入過程分為以下幾個部分:I)在隔離開關I和隔離開關2斷開的情況下將混合式斷路器連入系統(tǒng)接入點端SI和S2，接入時，高速機械開關觸頭處于斷開狀態(tài)。2)合上隔離開關I和隔離開關2。此時，混合式斷路器所有功率半導體器件處于關閉狀態(tài)，系統(tǒng)電壓在混合式斷路器兩端。3)控制圖1中的功率半導體器件Al和A4導通，則混合式斷路器兩端的電壓被功率半導體器件導通壓降限制，此時混合式斷路器中的電流全部從轉(zhuǎn)移電流電路支路14流過。4)控制高速機械開關合閘，由于高速開關兩端的電壓功率為半導體器件的導通壓降，電壓較低，合閘過程不會出現(xiàn)電弧。5)合閘完成后，由于主電流電路兩端的電壓小于轉(zhuǎn)移電流電路支路14兩端的電壓，因此Al和A4中流過的電流迅速轉(zhuǎn)移至主電流電路。當電流全部轉(zhuǎn)移至主電流電路后功率半導體器件Al和A4自動關斷。至此，混合式斷路器投入過程完成，開始正常運行。2.過電壓限制電路導通以及關斷過程如圖3給出了過電壓限制電路的伏安特性曲線。其中Ul為過電壓限制電路的導通閾值電壓，U2為過電壓限制電路具有電壓鉗位作用的最高電壓。當過電壓限制電路兩端的電壓小于Ul時，過電壓限制電路截止，其漏電流遠小于1mA，即處于關閉狀態(tài)。當電壓限制電路兩端的電壓達到其導通閾值后，隨著電流的急劇增加，過電壓限制電路兩端的電壓變化很小。過電壓限制電路設計參數(shù)包括:電壓限制電路容量(吸收的能量)、導通電壓閾值、達到導通電壓時的電流、最高鉗位電壓以及處于最高鉗位電壓時電流。當電流大于最高鉗位電壓的電流時，過電壓限制電路會失去電壓鉗位作用，及過電壓限制作用失敗。通常，過電壓限制電路導通閾值為正常運行狀態(tài)的1.5倍，即過電壓限制電路導通后由于其電壓鉗位作用，當其內(nèi)部有電流存在(大于ImA)時兩端電壓高于系統(tǒng)電壓，直至系統(tǒng)電流小于ImA時過電壓限制電路截止關斷。3.混合式斷路器分斷過程(I)分斷電流大于額定電流情況圖5給出了分斷電流大于額定電流時轉(zhuǎn)移電流電路各支路電流標志，其中i0為流經(jīng)接入端SI或者接入端S2的電流，il為流經(jīng)主電流電路的電流，12為流經(jīng)電路I的電流，i3為流經(jīng)電路2的電流，i4為流經(jīng)預充電電容器C的電流，i5為流經(jīng)電路3的電流，i6為流經(jīng)電路4的電流，i7為流經(jīng)過電壓限制電路的電流。圖6給出了分斷電流大于額定電流時轉(zhuǎn)移電流電路中各支路電流方向，具體的為對應從tO到t9各時刻的各支路電流方向。圖7給出了分斷電流大于額定電流時所有電流變化曲線疊加后的圖。圖8給出了分斷電流大于額定電流時，相應于圖7，轉(zhuǎn)移電流電路各個支路電流變化曲線圖，具體的分別為iO到i7各支路電流變化曲線圖。圖9給出了分斷電流大于額定電流時預充電電容器電壓曲線圖。圖10給出了分斷電流大于額定電流時斷路器兩端電壓曲線圖；其具體的操作步驟包括以下幾個方面:I)如圖7，圖8(a)所示，在時間tO之前，系統(tǒng)正常運行，電流全部從主電流電路流過，如圖6(a)所示，其中系統(tǒng)額定電壓為UO，額定電流為第一額定電流10。2) tO時刻，系統(tǒng)發(fā)生短路故障，主電流電路電流開始上升，在tO和tl間，當超過系統(tǒng)短路閾值時，控制系統(tǒng)動作，由于高速機械開關延遲時間比功率半導體器件的響應時間長，首先控制高速機械開關進行分閘動作。3)tl時刻，如圖6(b)所示，控制功率半導體器件Al和A3導通，由于預充電電容器兩端的電壓方向與主電流電路兩端電壓方向相反，即功率半導體器件Al、電容C，電感L_1和功率半導體器件A3組成的支路兩端壓降比主電流電路兩端壓降低。流經(jīng)主電流電路的電流開始向下轉(zhuǎn)移，即il開始下降，i2開始上升，如圖8(b)和(c)所示。4)t2時刻，如圖6(c)所示，高速開關電流全部轉(zhuǎn)移至功率半導體器件Al、電容C，電感L_1和功率半導體器件A3組成的支路。如圖9所示，此時電容C兩端的電壓方向沒有改變。5) t3時刻，高速機械開關觸頭無弧打開，混合式斷路器兩端開始建立電壓，由于此時電容C上的方向依舊沒有改變，因此混合式斷路器兩端壓降為負。在t3到t4時刻間，由于電感LI的存在，因此斷路器兩端的電壓U比電容C上的電壓Uc要高，即混合式斷路器兩端電壓U的方向先與電容C電壓改變。6)t4時刻，電容電壓開始反向，則電路2兩端的電壓為功率半導體器件Al和電容C上壓降之和，由于該電壓值為正，功率半導體器件A2導通，如圖6(d)所示，電流開始從電路I向電路2轉(zhuǎn)移。圖8 (c)和(d)給出了 i2和i3電流變化曲線。此后，斷路器兩端電壓
U繼續(xù)上升。7)t5時刻，電路I中的電路全部轉(zhuǎn)移至電路2，如圖6(e)所示。電路I中的功率半導體器件Al截止。此時，電容C上流過的電流為0，電容C上建立的電壓方向與初始預充電電壓方向相反。當電路I電流截止時，斷路器兩端的電壓將從電路1、電容C和電路3三者電壓之和變?yōu)檗D(zhuǎn)移電流電路支路23兩者電壓之和，因此t5時刻之后斷路器兩端電壓存在一個突變Au1存在。由于Al徹底截止需要一定的時間，t5-t6時間為功率半導體器件Al的截止預留時間。圖8中的(d)、(e)和(f)給出了 i3、i4和i5電流變化曲線。8) t6時刻，電路4中的功率半導體器件A4打開，如圖6(f)所示，電容C和電路4兩端的電壓之和為負，因此電路3中的電流開始向電容C和電路4轉(zhuǎn)移。電路4導通時，斷路器兩端的電壓將從轉(zhuǎn)移電流電路支路23兩者電壓之和變?yōu)殡娐?、電容C和電路4三者電壓之和，因此存在電壓跳變Au2。由于電容C上流過的電流方向相反，因此電容上的電壓開始正向上升。圖8的(d)、(e)、(f)和(g)給出了 i3、i4、i5和i6電流變化曲線。9)t7時刻，電路3中的電流全部轉(zhuǎn)移至電容C和電路4，如圖6(g)所示。此后，電路4無電流截止關斷，電容C由于電流充電作用電壓繼續(xù)正向上升，在t7時刻以后一定時間內(nèi)，電壓方向發(fā)生改變。隨著電容充電電壓的上升，當斷路器兩端的電壓達到系統(tǒng)電壓UO時，開斷過程電流達到峰值Ip。此后，由于斷路器兩端的電壓高于系統(tǒng)電壓，系統(tǒng)電流開始下降。10)t8時刻，電路2、電容C以及電路4三者電壓之和(斷路器兩端的電壓)達到了過電壓限制電路的導通閾值，過電壓限制電路導通。如圖6(h)所示，電流開始向過電壓限制電路轉(zhuǎn)移。此時電容C上電流減小，但是依舊處于充電狀態(tài)，因此電容C上的電壓和斷路器兩端的電壓依舊上升，但是由于過電壓限制電路的電壓鉗位作用，上升幅度很小。圖8的(g)和(h)給出了 i6和i7電流變化曲線。ll)t9時刻，電路2、電容C以及電路4中的電流全部轉(zhuǎn)移至過電壓限制電路，此時電容C上的電壓和斷路器兩端的電壓達到最高值，其中Up為開斷過程中斷路器兩端過電壓峰值。由于電路2和電路4上的電壓主要取決于電感L_0上的電壓，在電流下降過程中電感L_0和電容C電壓Uc上的電流相反，因此電容電壓Uc的峰值要高于斷路器兩端的電壓峰值Up。另外，由于系統(tǒng)電流處于下降過程，過電壓限制電路中的電流將開始下降，斷路器兩端的電壓也開始緩慢下降，當系統(tǒng)電流小于過電壓限制電路的最小導通電流ImA時。過電壓限制電路關閉，過電壓限制電路兩端電壓迅速下降。12)tl0時刻，過電壓限制電路中的電流為0，斷路器開斷完成，斷路器兩端的電壓降為系統(tǒng)電壓。圖8(a)給出了整個開斷過程中系統(tǒng)電流的變化曲線。從以上開斷過程可以看出，本發(fā)明通過高速機械開關串聯(lián)功率半導體器件實現(xiàn)機械觸頭的無弧打開，觸頭間介質(zhì)恢復特性好，斷路器承受開斷過電壓能力強。同時，斷路器主要通過電容C的充電電壓使過電壓限制電路導通來實現(xiàn)開斷，并且通過控制電容C上的電流方向可以實現(xiàn)開斷過程中電壓上升速率的限制。圖9和圖10分別給出了分斷電流大于額定電流時預充電電容器電壓曲線圖和斷路器兩端的電壓曲線圖。從圖9和圖10可知，斷路器兩端電壓存在Au1和Au2兩個下降過程，限制了斷路器兩端電壓的上升，為高速機械開關觸頭提供一定的運動時間，防止機械開關重擊穿。由于開斷過程中電容C上的電壓方向改變了兩次，因此最終開斷完成后電容C上的電壓方向與預充電電壓方向一致，避免了下次開斷給電容C的充電過程。(2)分斷電流小于等于額定電流情況。圖11給出了分斷電流小于等于額定電流時轉(zhuǎn)移電流電路各支路電流標志，其中，iO為流經(jīng)接入端SI或者接入端S2的電流，il為流經(jīng)主電流電路的電流，12為流經(jīng)電路I的電流，i7為流經(jīng)過電壓限制電路的電流。
圖12給出了分斷電流小于等于額定電流時轉(zhuǎn)移電流電路中各支路電流方向，具體的為各時刻的各支路電流方向。圖13給出了分斷電流小于等于額定電流時所有電流變化曲線疊加后的圖；圖14則是分斷電流小于等于額定電流時，相應于圖13，轉(zhuǎn)移電流電路中各電流變化曲線圖，具體的為iO、il、i2、i7各支路電流變化曲線圖。圖15給出了分斷電流小于等于額定電流時斷路器兩端的電壓變化。在該情況下，斷路器可以按照大于額定電流情況分斷，但是小電流情況下電容充放電的時間較長，因此整個開斷時間較長。本發(fā)明又提供了另外一種開斷方式。其具體的操作步驟包括以下幾個方面:l)tO時刻前，系統(tǒng)正常運行電流全部從主電流電路流過，如圖12(a)所示，系統(tǒng)額定電壓為UO，系統(tǒng)電流為第二額定電流II (第二額定電流II <=第一額定電流10)。當需要進行開斷時，首先控制高速機械開關進行分閘動作。2) tO時刻，高速機械開關觸頭開始拉開產(chǎn)生電弧?？刂妻D(zhuǎn)移電流電路支路14中的功率半導體器件打開，電流開始向下轉(zhuǎn)移，如圖12(b)所示。隨著高速機械開關觸頭打開，斷路器兩端的電壓為電弧電壓，由于電弧電壓高于轉(zhuǎn)移電流電路支路14兩端的電壓之和，高速機械開關中的電流迅速轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)移電流電路支路14。圖14(b)和(c)給出了 il和i2的變化曲線。3)tl時刻，高速機械開關中的電流全部轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)移電流電路支路14。如圖12(c)所示。此后，高速機械開關觸頭繼續(xù)運動，以達到足夠開距可以承受開斷過程中產(chǎn)生的過電壓。4)t2時刻，高速機械開關觸頭開距可以承受開斷過程過電壓，控制電路4中的全控型器件A4關斷，斷路器兩端的電壓急劇上升，達到過電壓限制電路的導通閾值，轉(zhuǎn)移電流電路支路14中的電流開始向過電壓限制電路轉(zhuǎn)移。如圖12(c)所示，開斷過程中斷路器兩端過電壓峰值為Up。此后，系統(tǒng)電流開始下降，隨著過電壓限制電路中的電流下降，斷路器兩端電壓有所下降。圖14(c)和⑷給出了 i2和i7的變化曲線，當系統(tǒng)電流小于過電壓限制電路的最小導通電流ImA時，過電壓限制電路兩端電壓迅速下降。5)t3時刻，過電壓限制電路電流降為0，斷路器兩端電壓降為系統(tǒng)電壓，整個開斷過程完成。以上僅為本發(fā)明包含的但不局限于這兩種開斷方式。圖16，圖17和圖18分別給出了本發(fā)明的更多的具體實例。圖16中轉(zhuǎn)移電流電路中沒有全控型器件，成本較低，器件可靠性高，但是小電流分斷時間較長。圖17中電路2中A2采用了半控型器件，分斷過程中控制Al的導通時刻，可以改變電流從電路I向電路2的轉(zhuǎn)移時間，由于沒有全控型器件，成本低，小電流分斷時間較長。圖18中電路4中的A4采用了全控型器件，分斷過程中當電路4中的電流小于A4的關斷電流時，即可以控制A4關斷，進而縮短斷路器分斷時間。因此，應當知道，在本發(fā)明中，所有功率半導體器件可以采用全控器件，但是不同開斷方式A0-A4可能需要為半控或者全控型器件。圖19給出了本發(fā)明控制系統(tǒng)的結構。所述控制系統(tǒng)包括:用于測量流經(jīng)所述接入端SI或S2電流的電流傳感器TO、用于測量流經(jīng)主電流電路的電流的電流傳感器Tl、轉(zhuǎn)移電流電路中電路I的電流傳感器T2、過電壓限制電路的電流傳感器T3、高速機械開關的開關兩端電壓傳感器V，和高速機械開關的開關位移傳感器P，以及:信號調(diào)理電路，高速AD，處理器和人機交互界面。所述系統(tǒng)電流、所述主電流電路的電流，電路I的電流，所述過電壓限制電路電流、高速機械開關電壓、高速機械開關位移的數(shù)值經(jīng)過濾波放大，進入AD處理計算，所述計算包括但不限于主電流電路電流，電路I的電流的幅值及變化率di/dt的計算，經(jīng)過處理器的保護算法和延時控制后，進行高速機械開關控制，功率半導體器件控制，所述人機交互界面實時顯示混合式直流斷路器狀態(tài)及各類計算結果。應當知道:所述高速機械開關為基于電磁斥力的高速機械開關、基于高速電機驅(qū)動的機械開關或基于爆炸驅(qū)動的高速機械開關。所述具有半控功能的功率半導體器件包括晶閘管、IGCT、IGBT和GTO中的任意一個或者任意多個的組合。所述過電壓限制電路包括壓敏電阻及其輔助電路。所述過電壓限制電路包括由氧化鋅閥片組成的MOV、或避雷器。本發(fā)明公開了一種混合式直流斷路器，包括主電流電路，轉(zhuǎn)移電流電路、過電壓限制電路以及控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)移電流電路包括預充電電容器，電感以及功率半導體器件。當斷路器的開斷電流大于等于其額定電流時，通過控制轉(zhuǎn)移電流電路的功率半導體器件按一定時序動作，不僅可以實現(xiàn)高速機械開關觸頭無弧打開，而且可以改變預充電電容器電流方向，進而改變預充電電容器兩端的電壓方向?qū)崿F(xiàn)對斷路器兩端開斷過電壓上升速率的限制。由于高速機械開關是無弧打開，觸頭間介質(zhì)恢復特性好，結合轉(zhuǎn)移電流電路對開斷過電壓的限制，可以顯著提高開斷的可靠性。當斷路器分斷電流小于其額定電流時，本發(fā)明也可以按照如上電流大于等于其額定電流時進行開斷，但是由于小電流情況下電容充放電時間較長，因此本發(fā)明可以提供另外一種開斷方式:首先控制轉(zhuǎn)移電流電路中的功率半導體器件導通，使開關打開后電流迅速轉(zhuǎn)移至功率半導體器件中，當高速機械開關觸頭間開距可以承受恢復過電壓時，依靠具有門極可關斷功能的功率半導體器件切斷轉(zhuǎn)移電流電路中的電流實現(xiàn)分斷。由于斷路器分斷完成后預充電電容上電壓方向沒有改變，首次給預充電電容器充電后就可以重復進行開斷，省去了電容器的充電裝置。以上內(nèi)容是結合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施方式
僅限于此，對于本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應當視為屬于本發(fā)明由所提交的權利要求書確定保護范圍。
權利要求
1.一種混合式直流斷路器，所述斷路器包括主電流電路，轉(zhuǎn)移電流電路、過電壓限制電路，控制系統(tǒng)，以及系統(tǒng)的接入端SI和接入端S2，并且主電流電路、轉(zhuǎn)移電流電路以及過電壓限制電路并聯(lián)，其特征在于 (1)所述主電流電路由高速機械開關和功率半導體器件AO串聯(lián)組成，其中 所述接入端SI連接所述高速機械開關的一端，以便實現(xiàn)所述接入端SI與所述主電流電路一端的連接； 所述高速機械開關的另一端與所述功率半導體器件AO的一端相連； 所述功率半導體器件AO的另一端則連接所述接入端S2，以便實現(xiàn)所述接入端S2與所述主電流電路的另一端的連接； (2)所述轉(zhuǎn)移電流電路包括功率半導體器件Al組成的電路1，電感L_0和功率半導體器件A2串聯(lián)組成的電路2，電感L_1和功率半導體器件A3串聯(lián)組成的電路3，功率半導體器件A4組成的電路4以及一預先充有一定電壓的預充電電容器C，并且所述電路I與所述電路4串聯(lián),所述電路2則與所述電路3串聯(lián)，其中 (A)所述電路I和所述電路4串聯(lián)組成轉(zhuǎn)移電流電路支路14，且所述支路14與所述主電流電路并聯(lián)，并且 所述接入端SI連接所述功率半導體器件Al的一端，以便實現(xiàn)與所述支路14的一端的連接； 所述功率半導體器件Al的另一端則與所述功率半導體器件A4的一端連接以便實現(xiàn)所述電路I和所述電路4的串聯(lián)； 所述功率半導體器件A4的另一端則與所述接入端S2連接，以便實現(xiàn)所述支路14的另一端與所述接入端S2的連接，從而實現(xiàn)所述支路14與所述主電流電路的并聯(lián)； (B)所述電路2和所述電路3串聯(lián)組成轉(zhuǎn)移電流電路支路23，且所述支路23與所述主電流電路并聯(lián)，并且 所述接入端SI連接所述電感L_0的一端，以便實現(xiàn)與所述支路23的一端的連接； 所述電感L_0的另一端則連接所述功率半導體器件A2的一端； 所述功率半導體器件A2的另一端則連接所述電感L_1的一端，以便實現(xiàn)所述電路2與所述電路3的串聯(lián)； 所述電感1^_1的另一端則與所述功率半導體器件A3的一端連接； 所述功率半導體器件A3的另一端則與所述接入端S2連接，以便實現(xiàn)所述支路23的另一端與所述接入端S2的連接，從而實現(xiàn)所述支路23與所述主電流電路的并聯(lián)； (C)所述電路I和所述電路4之間的端點，與所述電路2和所述電路3之間的端點，這兩個端點之間則連接所述預充電電容器C ； (3)所述控制系統(tǒng)測量流經(jīng)所述接入端SI或S2的電流、流經(jīng)所述主電流電路的電流、流經(jīng)所述轉(zhuǎn)移電流電路中所述電路I的電流、流經(jīng)所述過電壓限制電路的電流、所述高速機械開關的開關兩端的電壓和所述高速機械開關的開關位移，通過測量所述主電流電路的電流幅值和變化率以及所述轉(zhuǎn)移電流電路中電路I的電流幅值和變化率控制所述高速機械開關和轉(zhuǎn)移電流電路中的功率半導體器件Al至A4動作。
2.根據(jù)權利要求I所述的斷路器，其特征在于 正常工作狀態(tài)下，電流從所述主電流電路流過，所述預充電電容器C上充有一定的電壓，且電壓方向與所述主電流電路的導通壓降方向相反；此時，所述轉(zhuǎn)移電流電路中的電路.1至電路4均處于關斷狀態(tài)，所述轉(zhuǎn)移電流電路沒有電流通過，所述過電壓限制電路也沒有電流流過； 當系統(tǒng)需要進行開斷時，所述控制系統(tǒng)首先控制所述主電流電路中的所述高速機械開關進行分閘動作，由于所述高速機械開關存在機械延時，此時所述高速機械開關觸頭仍處于閉合狀態(tài)；然后通過測量所述主電流電路的電流幅值和變化率以及所述轉(zhuǎn)移電流電路中所述電路I的電流幅值和電流變化率確定所述轉(zhuǎn)移電流電路中功率半導體器件Al至A4是否動作以及相應的動作時序。
3.根據(jù)權利要求I所述的斷路器，其特征在于，所述控制系統(tǒng)包括用于測量流經(jīng)所述接入端SI或S2電流的電流傳感器TO、用于測量流經(jīng)主電流電路的電流的電流傳感器Tl、用于測量流經(jīng)轉(zhuǎn)移電流電路中電路I的電流的電流傳感器T2、用于測量流經(jīng)過電壓限制電路的電流的電流傳感器T3、高速機械開關的開關兩端電壓傳感器V，和高速機械開關的開關位移傳感器P，以及信號調(diào)理電路，高速AD，處理器和人機交互界面，所述處理器完成系統(tǒng)電流、主電流電路的電流和電路I電流的幅值及變化率di/dt計算，所述人機交互界面實時顯示混合式直流斷路器狀態(tài)及計算結果。
4.根據(jù)權利要求I所述的斷路器，其特征在于所述高速機械開關為基于電磁斥力的高速機械開關、基于高速電機驅(qū)動的機械開關或基于爆炸驅(qū)動的高速機械開關。
5.根據(jù)權利要求1-4中任意一項所述的斷路器，其特征在于所述功率半導體器件AO和A2為具有單向?qū)üδ艿墓β拾雽w器件或者其組合；所述功率半導體器件Al、A3和A4為具有單向?qū)? 通功能和半控功能的功率半導體器件或者其組合，所述具有半控功能的功率半導體器件包括但不局限于晶閘管、IGCT、IGBT和GTO中的任意一個或者任意多個的組合ο
6.根據(jù)權利要求1-4中任意一項所述的斷路器，其特征在于根據(jù)斷路器開斷方式不同，功率半導體器件A0-A4中的一個或者多個為全控型器件。
7.根據(jù)權利要求1-6中任一項所述的斷路器，其特征在于 所述過電壓限制電路在斷路器正常運行情況下處于截止狀態(tài)，漏電流小于I μ A ;所述過電壓限制電路的導通電壓閾值為所述斷路器所處的系統(tǒng)電壓的I. 5倍。
8.根據(jù)權利要求7所述的斷路器，其特征在于所述過電壓限制電路包括壓敏電阻、氧化鋅閥片組成的MOV或避雷器中的一個或任意多個的組合。
9.根據(jù)權利要求7所述的斷路器，其特征在于所述過電壓限制電路的設計參數(shù)包括電壓限制電路容量、導通電壓閾值、達到導通電壓時的電流、最高鉗位電壓以及處于最高鉗位電壓時電流。
全文摘要
一種混合式直流斷路器，包括主電流電路，轉(zhuǎn)移電流電路、過電壓限制電路以及控制系統(tǒng)。其中，主電流電路、轉(zhuǎn)移電流電路以及過電壓限制電路并聯(lián)，轉(zhuǎn)移電流電路由電路1-電路4組成。其中電路14串聯(lián)后與主電流電路并聯(lián)；預充電電容和電路3串聯(lián)后與電路4并聯(lián)；電路2一端與主電流電路的左端相連，一端與預充電電容和電路3的連接點處相連。當轉(zhuǎn)移電流電路兩端的電壓達到過電壓限制電路的導通閾值時，過電壓限制電路導通，使得主電流電路兩端電壓被限制在一定范圍；控制系統(tǒng)監(jiān)測主電流電路和轉(zhuǎn)移電流電路中電路1的電流幅值和電流變化率，并根據(jù)監(jiān)測結果控制高速機械開關和轉(zhuǎn)移電流電路按照一定時序動作。
文檔編號H02H9/02GK103219698SQ201310049120
公開日2013年7月24日 申請日期2013年2月6日 優(yōu)先權日2013年2月6日
發(fā)明者吳翊, 榮命哲, 吳益飛, 孫昊, 楊飛, 紐春萍 申請人:西安交通大學