本發(fā)明屬于高壓斷路器領(lǐng)域，具體涉及一種雙向高壓直流混合式斷路器。

背景技術(shù)：

由高速機械開關(guān)與功率半導體器件組成的混合型斷路器具有通流容量大、關(guān)斷速度快等優(yōu)點，已經(jīng)成為大容量系統(tǒng)開斷領(lǐng)域的研究熱點。使用具有全控功能的功率半導體器件分斷電流的混合式直流斷路器方案相比于其它混合式方案具有分斷速度更快，更利于分斷額定電流的優(yōu)點。但在使用全控型功率半導體器件分斷雙向電流時，其電流轉(zhuǎn)移回路通常需要雙向全控型功率半導體器件關(guān)斷電流，控制復雜程度與成本較高，制約了其推廣和應用。尤其是隨著直流輸電電壓等級的提高，斷路器在分斷短路電流時，當系統(tǒng)過電壓超過功率半導體器件的耐壓范圍，功率半導體器件會有擊穿的可能，造成設(shè)備的損壞，降低斷路器的使用壽命。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足或缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種雙向高耐壓的直流混合式斷路器；

所述斷路器包括主電流電路、轉(zhuǎn)移電流電路、能量耗散電路、第一接入端和第二接入端；

所述主電流電路用于通過正常工作狀態(tài)下的電流；

所述轉(zhuǎn)移電流電路用于當出現(xiàn)短路故障電流時，實現(xiàn)短路故障電流從主電流電路的轉(zhuǎn)移；

所述能量耗散電路用于耗散短路故障電流的能量；

所述第一接入端和第二接入端用于流入或者流出電流。

本發(fā)明所述斷路器通過控制轉(zhuǎn)移電流電路的功率半導體器件按照一定時序?qū)?，可以實現(xiàn)高速機械開關(guān)觸頭無弧打開，觸頭間介質(zhì)恢復特性好，顯著提高開斷的可靠性。通過在轉(zhuǎn)移電流支路中的功率半導體器件與隔離開關(guān)的串聯(lián)，極大地提高該支路的耐壓水平，同時提高了功率半導體器件的使用壽命。本發(fā)明轉(zhuǎn)移電流電路使用橋式結(jié)構(gòu)，僅用一組單向具有可關(guān)斷能力功率半導體器件就可以實現(xiàn)對電流的雙向分斷，相對于現(xiàn)有設(shè)計，最少節(jié)省了50％的單向具有可關(guān)斷能力功率半導體器件，有效降低斷路器控制復雜程度與制造成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一個實施例中斷路器本體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一個實施例中斷路器單向工作時的一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明一個實施例中斷路器單向工作時的另一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明一個實施例中能量耗散電路伏安特性曲線圖；

圖5是本發(fā)明一個實施例中混合式斷路器投入過程結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明一個實施例中分斷電流時轉(zhuǎn)移電流電路電流標志示意圖；

圖7(a)是本發(fā)明一個實施例中分斷電流時系統(tǒng)正常運行時電流的方向；圖7(b)是本發(fā)明一個實施例中分斷電流時電流向第一功率半導體器件A1，第三功率半導體器件A3，第五功率半導體器件A5支路轉(zhuǎn)移過程電流的方向；圖7(c)是本發(fā)明一個實施例中分斷電流時電流完全轉(zhuǎn)移到第一功率半導體器件A1，第三功率半導體器件A3，第五功率半導體器件A5支路時的方向；圖7(d)是本發(fā)明一個實施例中分斷電流時電流向能量耗散電路轉(zhuǎn)移過程電流的方向；圖7(e)是本發(fā)明一個實施例中分斷電流時電流完全轉(zhuǎn)移到能量耗散支路時的方向；

圖8(a)是本發(fā)明一個實施例中系統(tǒng)正常運行時電流的方向；圖8(b)是本發(fā)明一個實施例中電流向第一功率半導體器件A1，第三功率半導體器件A3，第五功率半導體器件A5支路轉(zhuǎn)移過程電流的方向；圖8(c)是本發(fā)明一個實施例中電流完全轉(zhuǎn)移到第一功率半導體器件A1，第三功率半導體器件A3，第五功率半導體器件A5支路時的方向；圖8(d)是本發(fā)明一個實施例中電流向能量耗散電路轉(zhuǎn)移過程電流的方向；圖8(e)是本發(fā)明一個實施例中電流完全轉(zhuǎn)移到能量耗散支路時的方向；

圖9是本發(fā)明一個實施例中分斷電流時，相應于圖7、8，各電路中電流變化曲線圖；

圖10是本發(fā)明一個實施例的一種具體實施實例圖，所示實例中，主電流電路由高速機械開關(guān)FCB和IGBT組合串聯(lián)實現(xiàn)；

圖11是本發(fā)明一個實施例的一種具體實施實例圖，所示實例中，主電流電路由高速機械開關(guān)FCB和電壓發(fā)生器串聯(lián)實現(xiàn)，第五功率半導體器件A5支路由多個IGBT模塊串聯(lián)實現(xiàn)；

圖12是本發(fā)明一個實施例的一種具體實施實例圖，所示實例中，能量耗散電路直接與第五功率半導體器件A5支路并聯(lián)。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖來說明本發(fā)明的具體實施方式。

在一個實施例中，本發(fā)明公開了一種雙向高耐壓的直流混合式斷路器，所述斷路器包括主電流電路、轉(zhuǎn)移電流電路、能量耗散電路、第一接入端和第二接入端；

所述主電流電路用于通過正常工作狀態(tài)下的電流；

所述轉(zhuǎn)移電流電路用于當出現(xiàn)短路故障電流時，實現(xiàn)短路故障電流從主電流電路的轉(zhuǎn)移；

所述能量耗散電路用于耗散短路故障電流的能量；

所述第一接入端和第二接入端流入接入或者流出電流。

在本實施例中，如圖1所示的斷路器本體結(jié)構(gòu)示意圖，包括主電流電路、轉(zhuǎn)移電流電路以及能量耗散電路。為了更好的說明斷路器分斷過程，如圖2所示給出了斷路器電流從系統(tǒng)接入端S1到系統(tǒng)接入端S2的結(jié)構(gòu)示意圖，為體現(xiàn)本實施例包含的混合式斷路器具有雙向功能，圖3給出電流從系統(tǒng)接入端S2到系統(tǒng)接入端S1的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2與圖3中功率半導體器件的電流方向與圖中A0-A5的箭頭方向一致。所述斷路器能夠接受從S1-S2或者S2-S1的系統(tǒng)電流，即為雙向斷路器。

在一個實施例中，所述主電流電路包括高速機械開關(guān)FCB和電壓發(fā)生器A0；

所述高速機械開關(guān)FCB和電壓發(fā)生器A0相連接。

在一個實施例中，所述轉(zhuǎn)移電流電路包括第一電路、第二電路、第三電路、第四電路和第五電路；

所述第一電路與第四電路串聯(lián)，第二電路與第三電路串聯(lián)，第一電路與第四電路之間的端點，與第二電路與第三電路之間的端點之間連接有第五電路。

在本實施例中，所述第一電路與第四電路串聯(lián)組成一四轉(zhuǎn)移電路支路，所述一四支路與主電路電路并聯(lián)；所述第二電路與第三電路串聯(lián)組成二三轉(zhuǎn)移電路支路，所述二三支路與主電路電路并聯(lián)。

在一個實施例中，所述第一電路包括第一功率半導體器件A1和第一高速隔離開關(guān)K1；

第二電路包括第二功率半導體器件A2和第二高速隔離開關(guān)K2；

第三電路包括第三功率半導體器件A3和第三高速隔離開關(guān)K3；

第四電路包括第四功率半導體器件A4和第四高速隔離開關(guān)K4；

第五電路包括具有可關(guān)斷電流能力的功率半導體器件A5；

所述第一支路與第四支路串聯(lián)后與所述主電流電路并聯(lián)；

所述第二支路與第三支路串聯(lián)后與所述主電流電路并聯(lián)。

在本實施例中，如圖1、2、3所示：所述轉(zhuǎn)移電流電路包括功率半導體器件A1和高速隔離開關(guān)K1組成的電路1，功率半導體器件A2和高速隔離開關(guān)K2組成的電路2，功率半導體器件A3和高速隔離開關(guān)K3組成的電路3，功率半導體器件A4和高速隔離開關(guān)K4組成的電路4以及功率半導體器件A5組成的電路5。

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1-4，與所述主電流電路并聯(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2-3，與所述主電流電路并聯(lián)。

所述電路1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功率半導體A5組成的電路5。

在一個實施例中，所述電壓發(fā)生器A0為雙向?qū)?，且為具有電壓建立能力的裝置，第一、第二、第三、第四、第五功率半導體器件A1-A5為單向?qū)üβ拾雽w器件。

在本實施例中，所述電壓發(fā)生器A0為雙向?qū)ㄇ揖哂须妷航⒛芰Φ目申P(guān)斷功率半導體器件或其組合，或為超導限流器、熔斷器、爆炸限流器等具有雙向電壓建立能力的器件或裝置?？申P(guān)斷功率半導體器件包括但不局限于IGBT、IGCT、GTO中的任意一個或者任意多個的組合。

所述功率半導體器件A1至A4為具有單向?qū)芰Φ碾娏﹄娮悠骷?，包括但不局限于電力二極管、晶閘管中的任意一個或者任意多個的組合。

在一個實施例中，當所述斷路器在正常工作狀態(tài)下，電流從所述主電流電路流過，電壓發(fā)生器A0處于導通狀態(tài)，此時轉(zhuǎn)移電流電路和能量耗散電路沒有電流流過。

在一個實施例中，當發(fā)生短路故障，需要分斷短路電流時：

如果檢測出短路電流的方向為第一接入端S1處流入，第二接入端S2處流出時，將所述第二高速隔離開關(guān)K2和第四高速隔離開關(guān)K4打開，所述第二功率半導體器件A2和第四功率半導體器件A4與導電回路隔離；所述第一高速隔離開關(guān)K1和第三高速隔離開關(guān)K3仍舊處于閉合狀態(tài)；控制第一、第三、第五功率半導體器件導通，將第一、第三、第五功率半導體器件按導通方向接入電路，所述主電流電路中電壓發(fā)生器A0動作，電流由主電流電路向第一電路、第五電路和第三電路組成的支路轉(zhuǎn)移；

如果檢測出短路電流的方向為第二接入端S2處流入，第一接入端S1處流出時，將所述第一高速隔離開關(guān)K1和第三高速隔離開關(guān)K3打開，所述第一和第三功率半導體器件與導電回路隔離；所述第二高速隔離開關(guān)K2和第四高速隔離開關(guān)K4仍舊處于閉合狀態(tài)，控制第二、第四、第五功率半導體器件導通，將第二、第四、第五功率半導體器件按導通方向接入電路，電流由主電流電路向第二電路、第五電路和第四電路組成的支路轉(zhuǎn)移。

在本實施例中，圖6給出了分斷電流時轉(zhuǎn)移電流電路各支路電流標志，其中i為流經(jīng)接入端S1或者接入端S2的電流，i0為流經(jīng)主電流電路的電流，i1為流經(jīng)電路1的電流，i2為流經(jīng)電路2的電流，i3為流經(jīng)電路3的電流，i4為流經(jīng)電路4的電流，i5為流經(jīng)電路5的電流，i6為流經(jīng)能量耗散電路的電流。

以電流從S1流向S2為例，圖7(a)-7(d)給出了分斷電流時轉(zhuǎn)移電流電路中各支路電流方向，具體的為對應從t0到t5各時刻的各支路電流方向。圖9給出了分斷電流時各支路的電流變化曲線。

其具體的操作步驟包括以下幾個方面(以電流方向從S1向S2為例)：

1)系統(tǒng)正常運行，電流全部從主電流電路流過，如圖7(a)所示，其中系統(tǒng)額定電流為I。

2)t0時刻，系統(tǒng)發(fā)生短路故障，主電流電路電流開始上升，在t0和t1間，當超過系統(tǒng)短路閾值時，控制系統(tǒng)動作，A0動作，同時控制導通功率半導體器件A5，斷開高速隔離開關(guān)K2和K4。

3)t1時刻，A0的動作使得主電流電路電流開始減小，流經(jīng)主電流電路的電流向支路1-5-3轉(zhuǎn)移，如圖7(b)所示。

4)t2時刻，高速機械開關(guān)電流全部轉(zhuǎn)移至第一電路、第五電路和第三電路組成的支路1-5-3，如圖7(c)所示。此時控制高速機械開關(guān)無弧打開，形成斷口。

5)在t2至t3間，支路1-5-3承受全部短路電流。待短路電流上升至閾值，在t3時刻，控制具有可關(guān)斷電流能力的功率半導體器件A5關(guān)斷支路1-5-3中的電流。

6)t3至t4間，A5關(guān)斷電流時會在電路1、電路5和電路3兩端(斷路器兩端)產(chǎn)生過電壓，達到了能量耗散電路的導通閾值，能量耗散電路導通。如圖7(d)所示，電流開始向能量耗散電路轉(zhuǎn)移。由于能量耗散電路的電壓鉗位作用，斷路器兩端電壓上升幅度很小。

7)t4時刻，支路1-5-3中的電流全部轉(zhuǎn)移至能量耗散電路，如圖7(e)所示，此時斷路器兩端的電壓達到最高值，為開斷過程中斷路器兩端過電壓峰值。此后，能量耗散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)電流小于能量耗散電路的最小導通電流1mA時，能量耗散電路關(guān)閉，能量耗散電路兩端電壓迅速下降。

8)t5時刻，能量耗散電路中的電流為0，斷路器開斷完成，系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)移電流電路中，電路2和電路4中的高速隔離開關(guān)K2和高速隔離開關(guān)K4閉合，此時轉(zhuǎn)移電流電路中所有高速隔離開關(guān)均閉合，斷路器兩端的電壓降為系統(tǒng)電壓。

類似的，當電流方向為從S2向S1，開斷過程如下：

1)系統(tǒng)正常運行，電流全部從主電流電路流過，如圖8(a)所示其中系統(tǒng)額定電流為I。

2)t0時刻，系統(tǒng)發(fā)生短路故障，主電流電路電流開始上升，在t0和t1間，當超過系統(tǒng)短路閾值時，控制系統(tǒng)動作，A0動作，同時控制導通功率半導體器件A5，斷開高速隔離開關(guān)K1和K3，保護所述功率半導體器件A1和A3不被過電壓擊穿，電流轉(zhuǎn)移支路4-5-2導通。

3)t1時刻，由于A0的動作使得主電流電路電流開始減小，流經(jīng)主電流電路的電流向支路4-5-2轉(zhuǎn)移，如圖8(b)所示。

4)t2時刻，高速機械開關(guān)電流全部轉(zhuǎn)移至第四電路、第五電路和第二電路組成的支路4-5-2，如圖8(c)所示。此時控制高速機械開關(guān)無弧打開，形成斷口。

5)在t2至t3間，支路4-5-2承受全部短路電流。待短路電流上升至閾值，在t3時刻，控制具有可關(guān)斷電流能力的功率半導體器件A5關(guān)斷支路4-5-2中的電流。

6)t3至t4間，A5關(guān)斷電流時會在電路4、電路5和電路2兩端(斷路器兩端)產(chǎn)生過電壓，達到了能量耗散電路的導通閾值，能量耗散電路導通。如圖8(d)所示，電流開始向能量耗散電路轉(zhuǎn)移。由于能量耗散電路的電壓鉗位作用，斷路器兩端電壓上升幅度很小。

7)t4時刻，支路4-5-2中的電流全部轉(zhuǎn)移至能量耗散電路，如圖8(e)所示，此時斷路器兩端的電壓達到最高值，為開斷過程中斷路器兩端過電壓峰值。此后，能量耗散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)電流小于能量耗散電路的最小導通電流1mA時，能量耗散電路關(guān)閉，能量耗散電路兩端電壓迅速下降。

8)t5時刻，能量耗散電路中的電流為0，斷路器開斷完成，系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)移電流電路中，電路1和電路3中的高速隔離開關(guān)K1和K3閉合，此時轉(zhuǎn)移電流電路中所有隔離開關(guān)均閉合，斷路器兩端的電壓降為系統(tǒng)電壓。

在一個實施例中，所述高速機械開關(guān)FCB或第一、第二、第三、第四、第五高速隔離開關(guān)K1-K5包括基于電磁斥力的高速機械開關(guān)、基于高速電機驅(qū)動的機械開關(guān)或基于爆炸驅(qū)動的高速機械開關(guān)。

在一個實施例中，所述第一、第二、第三、第四功率半導體器件A1-A4包括電力二極管、晶閘管中的一個或多個組合；

所述第五功率半導體器件A5為具有全控功能的功率半導體器件，包括IGBT、IGCT、GTO中的任意一個或者任意多個的組合；

所述電壓發(fā)生器A0為包括關(guān)斷功率半導體器件或其組合、超導限流器、熔斷器、爆炸限流器等具有雙向電壓建立能力的器件或裝置。

在本實施例中，所述功率半導體器件A1至A4為具有單向?qū)芰Φ碾娏﹄娮悠骷?，包括但不局限于電力二極管、晶閘管中的任意一個或者任意多個的組合。

所述器件A0為雙向?qū)ㄇ揖哂须妷航⒛芰Φ目申P(guān)斷功率半導體器件或其組合，或為超導限流器、熔斷器、爆炸限流器等具有雙向電壓建立能力的器件或裝置。可關(guān)斷功率半導體器件包括但不局限于IGBT、IGCT、GTO中的任意一個或者任意多個的組合。

所述功率半導體器件A5為具有全控功能的功率半導體器件或者其組合，全控功能的功率半導體器件包括但不局限于IGBT、IGCT、GTO中的任意一個或者任意多個的組合。

在一個實施例中，所述能量耗散電路為壓敏電阻或氧化鋅閥片組成的避雷器。

在本實施例中，如圖4所示的能量耗散電路的伏安特性曲線，所述過能量耗散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1μA；所述過能量耗散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。

在一個實施例中，如圖5所示的斷路器投入過程結(jié)構(gòu)示意圖，其中S1、S2為系統(tǒng)接入端，所述系統(tǒng)可以是任何所需要用到斷路器的系統(tǒng)，不限于本發(fā)明所記載的范圍。以電流從S1向S2為例，說明本發(fā)明包含的混合式斷路器投入過程。

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：

1)將混合式斷路器連入系統(tǒng)接入點端S1和S2，接入時，高速機械開關(guān)觸頭處于斷開狀態(tài)，高速隔離開關(guān)K1至K4處于閉合狀態(tài)。

2)此時，混合式斷路器所有功率半導體器件處于關(guān)閉狀態(tài)，系統(tǒng)電壓在混合式斷路器兩端。

3)控制圖2中的功率半導體器件A1、A5和A3導通(若電流流向為S2向S1，則控制A4、A5和A2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)移電流電路支路電路5流過。

4)控制導通電壓發(fā)生器A0，同時控制高速機械開關(guān)合閘，由于高速機械開關(guān)兩端的電壓為支路1-5-3中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)移電流電路支路電路1-5-3兩端的電壓，因此A1、A5和A3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A1、A5和A3自動關(guān)斷。

至此，混合式斷路器投入過程完成，開始正常運行。

在一個實施例中，如圖10所示的一種具體的實例圖，在所示實例中，主電流電路由高速機械開關(guān)FCB和IGBT組合串聯(lián)實現(xiàn)。

在一個實施例中，如圖11所示的一種具體的實例圖，在所示實例中，主電流電路由高速機械開關(guān)FCB和電壓發(fā)生器串聯(lián)實現(xiàn)，A5支路由多個IGBT模塊串聯(lián)實現(xiàn)。

在一個實施例中，如圖12所示的一種具體實例圖，在所示實例中，能量耗散電路直接與A5支路并聯(lián)。

根據(jù)本發(fā)明，除A0為可關(guān)斷功率半導體器件或其組合，或為超導限流器、熔斷器、爆炸限流器等具有雙向電壓建立能力的器件或裝置外，其余所有功率半導體器件為單向?qū)ǖ墓β拾雽w器件，其中所述A5為具有關(guān)斷電流的能力的器件。

本發(fā)明使得僅具有一組單向全控型功率半導體器件的混合式斷路器成為雙向混合式斷路器。

本發(fā)明公開了一種雙向分斷的混合式斷路器，包括主電流電路，轉(zhuǎn)移電流電路以及能量耗散電路。轉(zhuǎn)移電流電路由具有單向?qū)ǖ墓β拾雽w器件組成橋式結(jié)構(gòu)，僅需使用一組單向全控型功率半導體器件就可完成分斷雙向電流。當斷路器需要開斷電流時，通過控制主電流電路以及轉(zhuǎn)移電流電路的功率半導體器件按一定時序動作，可以實現(xiàn)高速機械開關(guān)觸頭無弧打開，觸頭間介質(zhì)恢復特性好，結(jié)合能量耗散電路，可以顯著提高開斷的可靠性。

以上內(nèi)容是結(jié)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(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)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(quán)利要求書確定保護范圍。