本發(fā)明屬于電氣設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于橋式感應(yīng)轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移電流電路及其使用方法。

背景技術(shù)：

由高速機(jī)械開關(guān)與功率半導(dǎo)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、限流能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為大容量系統(tǒng)開斷領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。使用具有全控功能的功率半導(dǎo)體器件分?jǐn)嚯娏鞯幕旌鲜街绷鲾嗦菲鞣桨赶啾扔谄渌旌鲜椒桨妇哂蟹謹(jǐn)嗨俣雀?，更利于分?jǐn)囝~定電流的優(yōu)點(diǎn)。但在使用全控型功率半導(dǎo)體器件分?jǐn)嚯娏鲿r，其電流轉(zhuǎn)移回路通常需要全控型功率半導(dǎo)體器件關(guān)斷電流，控制復(fù)雜程度與成本較高，制約了其推廣和應(yīng)用。

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)移電流電路中的電容器充電電路與主回路直接相連，沒有隔離，開斷過程充電電源和主回路會發(fā)生干擾，并且對于主回路充電電源的耐壓要求非常高，開斷不可靠。

傳統(tǒng)的直流斷路器不能夠處理直流電網(wǎng)中潮流方向不確定情況下雙向限制和分?jǐn)喙收想娏鞯男枨螅蛘邽榱藵M足雙向工作的情況，往往會使得斷路器的制造體積和成本大大提升。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于低壓橋式感應(yīng)轉(zhuǎn)移的直流斷路器，所述斷路器包括相互并聯(lián)的主電流電路，能量耗散電路以及轉(zhuǎn)移電流電路；所述主電流電路是由機(jī)械開關(guān)或機(jī)械開關(guān)和電力電子器件的組合；所述轉(zhuǎn)移電流電路包含電容和第一電感組成的串聯(lián)電路、支路電感和橋式支路串聯(lián)組成的閉合電路，所述第一電感和支路電感耦合組成一個互感器。

所述橋式支路由第一功率半導(dǎo)體器件、第二功率半導(dǎo)體器件、第三功率半導(dǎo)體器件、第四功率半導(dǎo)體器件和支路電容組成；所述第一功率半導(dǎo)體器件和第四功率半導(dǎo)體器件串聯(lián)后與所述第二功率半導(dǎo)體器件和第三功率半導(dǎo)體器件串聯(lián)組成的電路并列；所述第一功率半導(dǎo)體器件和第四功率半導(dǎo)體器件間具有第一端點(diǎn)，所述第二功率半導(dǎo)體器件和第三功率半導(dǎo)體器件間具有第二端點(diǎn)，所述支路電容接于所述第一端點(diǎn)與第二端點(diǎn)之間。

優(yōu)選地，所述機(jī)械開關(guān)為基于電磁斥力的高速機(jī)械開關(guān)、基于高速電機(jī)驅(qū)動的機(jī)械開關(guān)或基于爆炸驅(qū)動的高速機(jī)械開關(guān)。

優(yōu)選地，所述第一功率半導(dǎo)體器件、第二功率半導(dǎo)體器件、第三功率半導(dǎo)體器件、第四功率半導(dǎo)體器件為不可控或者具有半控功能的功率半導(dǎo)體器件或者其組合；

優(yōu)選地，所述功率半導(dǎo)體器件包括但不局限于電力二極管、晶閘管、IGCT、IGBT和GTO中的任意一個或者任意多個的組合。

優(yōu)選地，所述的支路電感、第一電感為空心電感器或含磁芯的電感器，由一個或多個電感串聯(lián)或并聯(lián)組成。

優(yōu)選地，所述能量耗散電路的為壓敏電阻或氧化鋅閥片組成的避雷器的一個或任意多個的組合。

本發(fā)明還提出一種基于橋式感應(yīng)轉(zhuǎn)移的直流斷路器的使用方法，所述方法包括如下步驟：

步驟0，系統(tǒng)正常運(yùn)行，電流全部從主電流電路流過。

步驟1，系統(tǒng)發(fā)生短路故障，主電流電路電流開始上升，當(dāng)超過系統(tǒng)短路閾值時，控制系統(tǒng)動作，機(jī)械開關(guān)開始動作。

步驟2，所述機(jī)械開關(guān)的機(jī)械觸頭間建立起足夠的弧壓，控制系統(tǒng)導(dǎo)通第一至第四功率半導(dǎo)體器件，感應(yīng)電感模塊電路導(dǎo)通，感應(yīng)電感模塊中的電容開始放電，耦合電感使得轉(zhuǎn)移電流電路中的第一電感兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓，第一電感和電容開始放電。

步驟3，機(jī)械開關(guān)完全打開，主電路電流全部轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)移電流支路。

步驟4，轉(zhuǎn)移電流支路承受全部短路電流，且短路電流在逐漸上升。

步驟5，當(dāng)短路電流對電容充電的電壓值達(dá)到了能量耗散電路的導(dǎo)通閾值，能量耗散電路導(dǎo)通；電流開始向過電壓限制電路轉(zhuǎn)移，由于過電壓限制電路的電壓鉗位作用，斷路器兩端電壓上升幅度很小。

步驟6，轉(zhuǎn)移電流支路中的電流全部轉(zhuǎn)移至過能量耗散電路，此時斷路器兩端的電壓達(dá)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(dāng)系統(tǒng)電流小于能量耗散電路的最小導(dǎo)通電流時。能量耗散電路關(guān)閉，能量耗散電路兩端電壓迅速下降。

步驟7，能量耗散電路中的電流為0，感應(yīng)轉(zhuǎn)移模塊中的電容器重新充電，斷路器開斷完成，斷路器兩端的電壓降為系統(tǒng)電壓。

優(yōu)選地，所述過能量耗散電路在斷路器正常運(yùn)行情況下處于截止?fàn)顟B(tài)，漏電流小于1μA；所述能量耗散電路的導(dǎo)通電壓閾值為所述斷路器所處的系統(tǒng)電壓的1.5倍。

優(yōu)選地，所述能量耗散電路的最小導(dǎo)通電流為1mA。

本發(fā)明還提出一種基于橋式感應(yīng)轉(zhuǎn)移的直流斷路器的使用方法，所述方法包括如下步驟：

正常工作狀態(tài)下，電流從所述主電流電路流過；此時，所述轉(zhuǎn)移電流電路均處于關(guān)斷狀態(tài)，所述轉(zhuǎn)移電流電路沒有電流通過，所述轉(zhuǎn)移電流電路中的電容上無電壓，所述感應(yīng)轉(zhuǎn)移模塊電路中的支路電容保持預(yù)充電狀態(tài)，所述過能量耗散電路沒有電流流過。

當(dāng)系統(tǒng)需要進(jìn)行開斷時，控制所述主電流電路中的所述機(jī)械開關(guān)進(jìn)行分閘動作，由于所述機(jī)械開關(guān)存在機(jī)械延時，此時所述機(jī)械開關(guān)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確定所述主電流電路中的開關(guān)器件以及轉(zhuǎn)移電流電路中第一功率半導(dǎo)體器件、第二功率半導(dǎo)體器件、第三功率半導(dǎo)體器件、第四功率半導(dǎo)體器件是否動作以及相應(yīng)的動作時序。

本發(fā)明具有如下有益效果：

一、并聯(lián)的橋式放電電容電路和感應(yīng)電感電路實(shí)現(xiàn)對電流的快速分?jǐn)?，可以有效降低斷路器控制體積大小與制造成本。

二、利用橋式感應(yīng)轉(zhuǎn)移模塊實(shí)現(xiàn)電流快速地雙向轉(zhuǎn)移和分?jǐn)?，而且主回路電容不用預(yù)充電，實(shí)現(xiàn)二次充電電路和主回路的隔離，轉(zhuǎn)移速度快。

三、主回路電容僅需要單向充電，可以降低電容體積和成本，并且開斷可靠性高。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的說明；

圖1是斷路器本體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明斷路器工作時的一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明斷路器工作在另一種電流方向時的一種示意圖；

圖4是分?jǐn)嚯娏鲿r轉(zhuǎn)移電流電路電流標(biāo)志示意圖；

圖5(a)-(e)是分?jǐn)嚯娏鲿r各電路電流流向圖；

圖6是分?jǐn)嚯娏鲿r電路中電流變化曲線圖；

圖7是本發(fā)明的一種具體實(shí)施實(shí)例圖；

圖8是本發(fā)明的一種具體實(shí)施實(shí)例圖；

圖9是本發(fā)明的一種具體實(shí)施實(shí)例圖；

圖10是本發(fā)明的一種具體實(shí)施實(shí)例圖；

圖11是本發(fā)明的一種具體實(shí)施實(shí)例圖；

圖12是本發(fā)明的一種具體實(shí)施實(shí)例圖；

圖13是本發(fā)明的一種具體實(shí)施實(shí)例圖；

圖14是本發(fā)明的一種具體實(shí)施實(shí)例圖。

具體實(shí)施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分的實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

以下詳細(xì)描述實(shí)際上僅是示例性的而并不意欲限制應(yīng)用和使用。此外，并不意欲受以上技術(shù)領(lǐng)域、背景、簡要概述或以下詳細(xì)描述中呈現(xiàn)的任何明確或暗示的理論約束。除非明確地具有相反的描述，否則詞語“包括”及其不同的變型應(yīng)被理解為隱含包括所述的部件但不排除任意其他部件。

以下結(jié)合附圖1-14來說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

圖1為斷路器本體結(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?jǐn)噙^程，本文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，如圖2所示。

如圖1、2和3，本實(shí)施例提出了一種基于低壓橋式感應(yīng)轉(zhuǎn)移的直流斷路器，所述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，且轉(zhuǎn)移電流電路包含有感應(yīng)轉(zhuǎn)移模塊，主電流電路、轉(zhuǎn)移電流電路以及能量耗散電路并聯(lián)。

所述主電流電路是由機(jī)械開關(guān)或機(jī)械開關(guān)和電力電子器件的組合。

所述轉(zhuǎn)移電流電路由電感L1和電容C串聯(lián)組成，并且電感L1與感應(yīng)轉(zhuǎn)移模塊中的電感L0耦合為一個互感器，所述感應(yīng)轉(zhuǎn)移模塊由感應(yīng)電感電路和放電電容電路并聯(lián)組成，其中：

所述放電電容電路包括功率半導(dǎo)體器件B1組成的電路1，功率半導(dǎo)體器件B2組成的電路2，功率半導(dǎo)體器件B3組成的電路3，功率半導(dǎo)體器件B4組成的電路4以及電容組成的電路5，并且所述電路1與所述電路4串聯(lián)，所述電路2則與所述電路3串聯(lián)，所述電路1和所述電路4串聯(lián)組成放電電容電路支路1-4，且所述支路1-4與所述感應(yīng)電路并聯(lián)，并且：

所述感應(yīng)電感電路的一端連接所述功率半導(dǎo)體器件B1的一端，以便實(shí)現(xiàn)與所述支路1-4的一端的連接；所述功率半導(dǎo)體器件B1的另一端則與所述功率半導(dǎo)體器件B4的一端連接以便實(shí)現(xiàn)所述電路1和所述電路4的串聯(lián)；所述功率半導(dǎo)體器件B4的另一端則與所述感應(yīng)電感電路的另一端連接，以便實(shí)現(xiàn)所述支路1-4的另一端與所述感應(yīng)電感電路一端的連接，從而實(shí)現(xiàn)所述支路1-4與所述感應(yīng)電感電路的并聯(lián)；

所述電路2和所述電路3串聯(lián)組成放電電容電路支路2-3，且所述支路2-3與所述感應(yīng)電感電路并聯(lián)，并且：

所述感應(yīng)電感電路一端連接所述功率半導(dǎo)體器件B2的一端，以便實(shí)現(xiàn)與所述支路2-3的一端的連接；所述功率半導(dǎo)體器件B3的另一端則與所述功率半導(dǎo)體器件B2的一端連接以便實(shí)現(xiàn)所述電路2和所述電路3的串聯(lián)；所述功率半導(dǎo)體器件B3的另一端則與所述感應(yīng)電感電路另一端連接，以便實(shí)現(xiàn)所述支路2-3的另一端與感應(yīng)電感電路一端的連接，從而實(shí)現(xiàn)所述支路2-3與所述感應(yīng)電感電路的并聯(lián)；

所述電路1和所述電路4之間的端點(diǎn)，與所述電路2和所述電路3之間的端點(diǎn)，這兩個端點(diǎn)之間則連接所述電容組成的電路5；

其中，所述高速機(jī)械開關(guān)為可以為基于電磁斥力的高速機(jī)械開關(guān)、基于高速電機(jī)驅(qū)動的機(jī)械開關(guān)或基于爆炸驅(qū)動的高速機(jī)械開關(guān)中的任意一種。

其中，所述功率半導(dǎo)體器件B1至B4為不可控或者具有半控功能的功率半導(dǎo)體器件或者其組合，所述功率半導(dǎo)體器件包括但不局限于電力二極管、晶閘管、IGCT、IGBT和GTO中的任意一個或者任意多個的組合。所述的電感為空心電感器或含磁芯的電感器，由一個或多個電感串聯(lián)或并聯(lián)組成；

所述能量耗散電路的為壓敏電阻或氧化鋅閥片組成的避雷器的一個或任意多個的組合。

2.混合式斷路器分?jǐn)噙^程

圖4給出了分?jǐn)嚯娏鲿r斷路器各電路電流標(biāo)志，其中i0為流入斷路器的電流，i1為流經(jīng)主電流電路的電流，i2為流經(jīng)轉(zhuǎn)移電流電路的電流，i3為流經(jīng)能量耗散電路的電流。

圖5(a)-(e)給出了分?jǐn)嚯娏鲿r轉(zhuǎn)移電流電路中各支路電流方向，具體的為對應(yīng)從t0到t5各時刻的各支路電流方向。圖6給出了分?jǐn)嚯娏鲿r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：

系統(tǒng)正常運(yùn)行，電流全部從主電流電路流過，如圖5(a)所示，其中系統(tǒng)額定電流為I0。

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(dāng)超過系統(tǒng)短路閾值時，控制系統(tǒng)動作，機(jī)械開關(guān)開始動作。

t1時刻，機(jī)械觸頭間建立起足夠的弧壓，控制系統(tǒng)導(dǎo)通功率半導(dǎo)體器件，感應(yīng)電感模塊電路導(dǎo)通，感應(yīng)電感模塊中的電容開始放電，耦合電感使得轉(zhuǎn)移電流電路中的電感L1兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓，電感L1和電容C開始放電。

t2時刻，機(jī)械開關(guān)完全打開，主電路電流全部轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)移電流支路，如圖5(c)所示。

在t2至t3間，轉(zhuǎn)移電流支路承受全部短路電流，且短路電流在逐漸上升。

t3時刻，當(dāng)短路電流對電容器C充電的電壓值達(dá)到了能量耗散電路的導(dǎo)通閾值，能量耗散電路導(dǎo)通。如圖5(d)所示，電流開始向過電壓限制電路轉(zhuǎn)移。由于過電壓限制電路的電壓鉗位作用，斷路器兩端電壓上升幅度很小。

t4時刻，轉(zhuǎn)移電流支路中的電流全部轉(zhuǎn)移至過能量耗散電路，此時斷路器兩端的電壓達(dá)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(dāng)系統(tǒng)電流小于能量耗散電路的最小導(dǎo)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。

t5時刻，能量耗散電路中的電流為0，感應(yīng)轉(zhuǎn)移模塊中的電容器重新充電，斷路器開斷完成，斷路器兩端的電壓降為系統(tǒng)電壓。

應(yīng)當(dāng)知道：所述機(jī)械開關(guān)為基于電磁斥力的高速機(jī)械開關(guān)、基于高速電機(jī)驅(qū)動的機(jī)械開關(guān)或基于爆炸驅(qū)動的高速機(jī)械開關(guān)。

所述功率半導(dǎo)體器件B1至B4為不可控或者具有半控功能的功率半導(dǎo)體器件或者其組合，所述功率半導(dǎo)體器件包括但不局限于電力二極管、晶閘管、IGCT、IGBT和GTO中的任意一個或者任意多個的組合。所述的電感為空心電感器或含磁芯的電感器，由一個或多個電感串聯(lián)或并聯(lián)組成。需要說明的是，所述感應(yīng)轉(zhuǎn)移模塊可以是一個或多個的組合，如圖13和圖14；

所述能量耗散電路的為壓敏電阻或氧化鋅閥片組成的避雷器的一個或任意多個的組合。

此外，本發(fā)明不要求斷路器中的電路完全的對稱。

圖7-圖14所對應(yīng)的實(shí)施例描述了直流斷路器電路中采用各種器件時的具體實(shí)施過程。

本發(fā)明公開了一種基于低壓橋式感應(yīng)轉(zhuǎn)移的直流斷路器，包括主電流電路，轉(zhuǎn)移電流電路以及能量耗散電路。轉(zhuǎn)移電流電路由電感L1和電容C串聯(lián)組成，，并包含有一個橋式感應(yīng)轉(zhuǎn)移模塊。當(dāng)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(dǎo)體器件按一定時序動作，觸發(fā)感應(yīng)轉(zhuǎn)移模塊放電，導(dǎo)通轉(zhuǎn)移電流電路，通過隔離斷路器主回路和二次充電電路，可以顯著提高開斷的可靠性。同時，本發(fā)明采用感應(yīng)電感支路和放電電容支路并聯(lián)組成的感應(yīng)轉(zhuǎn)移模塊，不僅可以實(shí)現(xiàn)電流的雙向轉(zhuǎn)移和分?jǐn)啵医档土宿D(zhuǎn)移電流電路對電容器容量的需求，有效減小轉(zhuǎn)移電流電路中電容的體積，而且感應(yīng)轉(zhuǎn)移模塊電路中的電容預(yù)充電電壓很低，也保證了二次充電電路與斷路器主電流電路、轉(zhuǎn)移電流電路和限制電壓電路有效的電隔離，提高開斷的可靠性。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)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(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書確定保護(hù)范圍。