本實用新型屬于高壓斷路器領(lǐng)域，具體涉及一種磁感應(yīng)轉(zhuǎn)移和電阻限流相結(jié)合的無弧直流斷路器。

背景技術(shù)：

目前，高壓直流電流開斷僅能滿足“點對點”式直流輸電換流站中負(fù)荷電流轉(zhuǎn)換的需求，尚不能開斷系統(tǒng)電壓下的短路故障電流，其開斷速度也受到一定限制。已有研究表明，基于自激振蕩過零、強迫振蕩過零和混合式開斷方法的高壓直流短路開斷存在著諸多的難點沒有解決，導(dǎo)致人們對影響高壓直流開斷能力和開斷速度的主要理論基礎(chǔ)尚不清晰。同時，由于對短路電流高壓直流開斷技術(shù)的關(guān)注不夠，相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗積累也不足，行業(yè)研究人員不得不依靠反復(fù)的試驗來進行產(chǎn)品的研發(fā)，這就大大滯緩了研發(fā)進度并增加了成本，限制了產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計和性能的提高。由此可見，開展高壓直流開斷技術(shù)相關(guān)研究的任務(wù)十分迫切。

典型的混合式斷路器利用全控型電力電子器件實現(xiàn)電流的快速轉(zhuǎn)移和分?jǐn)啵杀景嘿F并且需要復(fù)雜的水冷系統(tǒng)，難以在未來中高壓直流系統(tǒng)中推廣。為了減少全控型電力電子器件的使用量，提出了一種一種磁感應(yīng)轉(zhuǎn)移和電阻限流相結(jié)合的無弧直流斷路器。利用感應(yīng)模塊利用感應(yīng)模塊快速將電流轉(zhuǎn)移至電容和電阻，一方面可以實現(xiàn)快速開關(guān)無弧分閘，提高斷口耐壓能力；另一方面通過電阻限流可以將電流限制在一定的水平以下，然后利用IGBT器件實現(xiàn)電流的關(guān)斷。這種斷路器IGBT器件的使用量可以顯著減小到現(xiàn)有斷路器的25％，并且不需要復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)，具備轉(zhuǎn)移速度快、耐壓能力強、可靠性高等優(yōu)點，具有較高的可行性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本實用新型提出一種磁感應(yīng)轉(zhuǎn)移和電阻限流相結(jié)合的無弧直流斷路器，所述斷路器包括主電流電路和轉(zhuǎn)移電流電路；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(dāng)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，并且限制和分?jǐn)喽搪饭收想娏鳌?/p>

所述轉(zhuǎn)移電流電路是由第一電路、第二電路、第三電路、第四電路、感應(yīng)模塊、過壓保護模塊、電容器和電阻器組成的橋式電路。所述第一電路和第二電路串聯(lián)后與所述第三電路和第四電路串聯(lián)形成的電路并聯(lián)；所述第一電路和第二電路之間具有第一端點；所述第三電路和第四電路之間具有第二端點；所述感應(yīng)模塊中的副邊電感器、所述電阻器與電容器并聯(lián)形成的電路、所述過壓保護模塊形成串聯(lián)電路，并連接于所述第一端點與所述第二端點之間形成所述橋式電路。

優(yōu)選地，所述主電流電路包括高速機械開關(guān)和與所述高速機械開關(guān)串聯(lián)的可控器件。

優(yōu)選地，所述第一電路、第二電路、第三電路、第四電路為真空、氣體觸發(fā)間隙或者高速機械開關(guān)及其串并聯(lián)組合。

優(yōu)選地，所述感應(yīng)模塊包括：副邊電感器、原邊電感器、第一互感模塊、第二互感模塊；所述副邊電感器、原邊電感器組成互感器，所述原邊電感器與第一互感模塊、第二互感模塊串聯(lián)形成閉合回路；所述第一互感模塊由預(yù)充電電容或超導(dǎo)電感組成，所述第二互感模塊由具有半控功能的功率半導(dǎo)體器件、氣體觸發(fā)間隙或者真空觸發(fā)間隙中的一個或多個串并聯(lián)而成。

優(yōu)選地，所述副邊電感器、原邊電感器為空心電感或含磁芯的電感器。

優(yōu)選地，所述過壓保護模塊由功率半導(dǎo)體器件與避雷器并聯(lián)組成，所述功率半導(dǎo)體器件具有關(guān)斷電流的功能；所述避雷器為壓敏電阻或氧化鋅閥片組成的避雷器。

優(yōu)選地，所述電阻器選自碳膜電阻、金屬膜電阻、金屬氧化膜電阻、線繞電阻、大功率線繞電阻、有機實心電阻、熔斷電阻、水泥電阻、超導(dǎo)限流電阻、液態(tài)金屬電阻、PTC電阻。

優(yōu)選地，所述主電流電路中快速開關(guān)、所述第一電路、第二電路、第三電路、第四電路中的高速機械開關(guān)選自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)。

本實用新型具有如下有益效果：

一、轉(zhuǎn)移電流電路采用橋式結(jié)構(gòu)，僅用一組單向具有分?jǐn)喙δ艿慕M件就可以實現(xiàn)電流的雙向分?jǐn)?，相比于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)可關(guān)斷器件的使用量可以減少50％。

二、通過控制觸發(fā)間隙、高速開關(guān)以及功率半導(dǎo)體的動作時序，可以實現(xiàn)主電流電路的快速開關(guān)無弧分閘，顯著提高斷路器分?jǐn)嗄芰Α?/p>

三、利用轉(zhuǎn)移電流電路內(nèi)部的限流模塊電路可以快速限制短路故障電流，進而降低開斷模塊電路的全控型器件的并聯(lián)組數(shù)。與現(xiàn)有的斷路器結(jié)構(gòu)相比，能夠大大減少可關(guān)斷器件使用量，顯著減小斷路器成本。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施方式作進一步詳細(xì)的說明：

圖1是本實用新型一個實施例中斷路器本體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實用新型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是本實用新型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是本實用新型一個實施例中分?jǐn)嚯娏鲿r轉(zhuǎn)移電流電路電流標(biāo)志示意圖；

圖5(a)-5(f)給出了分?jǐn)嚯娏鲿r轉(zhuǎn)移電流電路中各支路電流方向；

圖6(a)-6(f)給出了分?jǐn)嚯娏鲿r轉(zhuǎn)移電流電路中各支路電流方向；

圖7是根據(jù)本實用新型一個實施例的磁感應(yīng)轉(zhuǎn)移的限流開斷式直流斷路器的分?jǐn)嚯娏鲿r各電路中電流變化曲線圖；

圖8是本實用新型一個實施例的一種具體實施實例圖；

圖9是本實用新型一個實施例的另一種具體實施實例圖；

圖10是本實用新型一個實施例的另一種具體實施實例圖。

具體實施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本實用新型方案，下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖1-10，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分的實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，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施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本實用新型保護的范圍。

以下詳細(xì)描述實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)合附圖來說明本實用新型的具體實施方式。

在一個實施例中，本實用新型公開了一種磁感應(yīng)轉(zhuǎn)移和電阻限流相結(jié)合的無弧直流斷路器，所述斷路器包括主電流電路、轉(zhuǎn)移電流電路；

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(dāng)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。

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)移電流電路以及過電壓限制電路。為了更好的說明斷路器分?jǐn)噙^程，如圖2所示給出了斷路器電流從左側(cè)向右側(cè)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給出電流從右側(cè)向左側(cè)的結(jié)構(gòu)示意圖。所述斷路器能夠接受不同方向的系統(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)S和相互反并聯(lián)的晶閘管。

在一個實施例中，所述轉(zhuǎn)移電流電路包括電路1至電路6。

所述電路1與電路2串聯(lián)，電路3與電路4串聯(lián)，電路5與電路6串聯(lián)，電路1與電路2之間的端點、電路3與電路4之間的端點處連接有電路5和電路6。

在本實施例中，所述電路1與電路2串聯(lián)組成一二轉(zhuǎn)移電路支路，所述一二支路與主電流電路并聯(lián)；所述電路3與電路4串聯(lián)組成三四轉(zhuǎn)移電路支路，所述三四支路與主電流電路并聯(lián)。

在一個實施例中，所述電路1至電路4可以為真空、氣體觸發(fā)間隙或者高速機械開關(guān)及其串并聯(lián)組合；

所述電路5包括原邊電感器L0，副邊電感器L1，預(yù)充電電容或超導(dǎo)電感組成的B1，功率半導(dǎo)體器件或觸發(fā)間隙組成的B2，電容C以及電阻R，所述原邊電感L0和副邊電感L1組成互感器，L0和L1可以分別由多個電感串并聯(lián)組成，所述L0，B1和B2串聯(lián)，所述電容和電阻并聯(lián)后與感應(yīng)模塊串聯(lián)。

所述電路6由具有能夠關(guān)斷電流能力的功率半導(dǎo)體器件與避雷器MOV并聯(lián)組成。

所述電路1和所述電路2之間的端點，與所述電路3和所述電路4之間的端點，這兩個端點之間連接所述電路5與電路6。

在一個實施例中，所述組成互感器的原邊電感器和副邊電感器為空心電感或含磁芯的電感器。

在一個實施例中，所述電阻器可為碳膜電阻、金屬膜電阻、金屬氧化膜電阻、線繞電阻、大功率線繞電阻、有機實心電阻、熔斷電阻、水泥電阻、超導(dǎo)限流電阻、液態(tài)金屬電阻、PTC電阻。

在一個實施例中，所述主電流電路中快速開關(guān)S或電路1-4中的快速開關(guān)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)。

在本實施例中，根據(jù)權(quán)利要求1所述的斷路器，其特征在于：所述器件B2為具有半控功能的功率半導(dǎo)體器件、氣體觸發(fā)間隙或者真空觸發(fā)間隙中的一個或多個串并聯(lián)而成，其中功率半導(dǎo)體器件包括但不限于晶閘管、IGBT、IGCT、GTO等。

所述電路6中功率半導(dǎo)體器件為全控型功率半導(dǎo)體器件，包括但不限于IGBT、IGCT、GTO中一個或任意多個組合。

在一個實施例中，當(dāng)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，此時轉(zhuǎn)移電流電路和過電壓限制電路沒有電流流過。

在一個實施例中，當(dāng)發(fā)生短路故障，需要分?jǐn)喽搪冯娏鲿r：

如果檢測出短路電流的方向為從左向右，控制電路1，電路4導(dǎo)通，電路2，電路3中仍處于斷開狀態(tài)，將電路6中功率半導(dǎo)體器件按導(dǎo)通方向接入電路，電流由主電流電路向電路1、5、6和4組成的1-5-6-4支路轉(zhuǎn)移；

如果檢測出短路電流的方向為從右向左，控制電路2，電路3導(dǎo)通，電路1，電路4中仍處于斷開狀態(tài)，將電路6中功率半導(dǎo)體器件按導(dǎo)通方向接入電路，電流由主電流電路向電路2、5、6和3組成的2-5-6-3支路轉(zhuǎn)移。

在本實施例中，圖4給出了分?jǐn)嚯娏鲿r轉(zhuǎn)移電流電路各支路電流標(biāo)志，其中i為流經(jīng)斷路器的電流，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中B1、B2和L0的電流，i6為流經(jīng)電路5中L1和電路6的電流，i7為流經(jīng)過電路6中MOV的電流。

以電流從左向右為例，圖5(a)-5(f)、圖6(a)-6(f)給出了分?jǐn)嚯娏鲿r轉(zhuǎn)移電流電路中各支路電流方向，圖5(b)是實施例中分?jǐn)嚯娏鲿r電流向觸發(fā)間隙或高速開關(guān)A1，電路A6，電感器L1，觸發(fā)間隙或高速開關(guān)A4組成的轉(zhuǎn)移支路轉(zhuǎn)移過程電流的方向；圖5(c)是實施例中分?jǐn)嚯娏鲿r電流完全轉(zhuǎn)移到觸發(fā)間隙或高速開關(guān)A1，電路A6，電感器L1，觸發(fā)間隙或高速開關(guān)A4組成的轉(zhuǎn)移支路轉(zhuǎn)移過程電流的方向。具體的為對應(yīng)從t0到t5各時刻的各支路電流方向。圖7是根據(jù)圖5(a)-5(f)實施例對應(yīng)的磁感應(yīng)轉(zhuǎn)移的限流開斷式直流斷路器的分?jǐn)嚯娏鲿r各電路中電流變化曲線圖。

其具體的操作步驟包括以下幾個方面(以電流方向從左向右為例)：

1)系統(tǒng)正常運行，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I。預(yù)充電電容或超導(dǎo)電感B1預(yù)充電。電路1、2、6均處于斷開狀態(tài)，S1、S2閉合。

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(dāng)超過系統(tǒng)短路閾值時，控制系統(tǒng)檢測到短路故障發(fā)生。

3)t1時刻，導(dǎo)通器件B2，同時控制導(dǎo)通器件A1、A4和功率半導(dǎo)體器件A6。B1、B2和L0形成放電回路，同時在電感L1中感應(yīng)出電流。主電流回路電流逐漸向轉(zhuǎn)移電流支路1-5-6-4轉(zhuǎn)移，主電流電路電流減小。如圖5(b)所示。

4)t2時刻，快速開關(guān)電流全部轉(zhuǎn)移。之后，控制快速開關(guān)開始分閘，由于機械延遲的存在，斷口并未形成。

5)t3時刻，快速開關(guān)無弧分閘，斷口形成。如圖5(c)所示。

6)t4時刻，轉(zhuǎn)移支路電容器中的電流全部轉(zhuǎn)移至電阻器。如圖5(d)所示。

7)t5時刻，感應(yīng)模塊原邊電流降低為0。

8)t6時刻，電路6中功率半導(dǎo)體器件關(guān)斷，避雷器導(dǎo)通。如圖5(e)所示，電流開始向避雷器轉(zhuǎn)移。

9)t7時刻，支路1-5-6-4中的電流全部轉(zhuǎn)移至電路6中避雷器，如圖5(f)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，避雷器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)電流小于避雷器的最小導(dǎo)通電流1mA時，避雷器關(guān)閉，避雷器兩端電壓迅速下降。

9)t8時刻，避雷器中的電流為0，斷路器開斷完成，斷路器兩端的電壓降為系統(tǒng)電壓。

類似的，以電流方向從右向左，圖6(a)是實施例中分?jǐn)嚯娏鲿r系統(tǒng)正常運行時電流的方向；圖6(b)是本實用新型一個實施例中分?jǐn)嚯娏鲿r電流向觸發(fā)間隙或高速開關(guān)A2，電感器L1，電路A6，觸發(fā)間隙或高速開關(guān)A4組成的轉(zhuǎn)移支路轉(zhuǎn)移過程電流的方向；圖6(c)是實施例中分?jǐn)嚯娏鲿r電流完全轉(zhuǎn)移到觸發(fā)間隙或高速開關(guān)A2，電感器L1，電路A6，觸發(fā)間隙或高速開關(guān)A3組成的轉(zhuǎn)移支路轉(zhuǎn)移過程電流的方向。

1)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)額定電流為I。預(yù)充電電容或超導(dǎo)電感B1預(yù)充電。電路1、2、6均處于斷開狀態(tài)，S1、S2閉合。

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(dāng)超過系統(tǒng)短路閾值時，控制系統(tǒng)檢測到短路故障發(fā)生。

3)t1時刻，導(dǎo)通器件B2，同時控制導(dǎo)通器件A2、A3和功率半導(dǎo)體器件A6。B1、B2和L0形成放電回路，同時在電感L1中感應(yīng)出電流。主電流回路電流逐漸向轉(zhuǎn)移電流支路2-5-6-3轉(zhuǎn)移，主電流電路電流減小。如圖6(b)所示。

4)t2時刻，快速開關(guān)電流全部轉(zhuǎn)移。之后，控制快速開關(guān)開始分閘，由于機械延遲的存在，斷口并未形成。

5)t3時刻，快速開關(guān)無弧分閘，斷口形成。如圖6(c)所示。

6)t4時刻，轉(zhuǎn)移支路電容器中的電流全部轉(zhuǎn)移至電阻器。如圖6(d)所示。

7)t5時刻，感應(yīng)模塊原邊電流降低為0。

8)t6時刻，電路6中功率半導(dǎo)體器件關(guān)斷，避雷器導(dǎo)通。如圖6(e)所示，電流開始向避雷器轉(zhuǎn)移。

9)t7時刻，支路2-5-6-3中的電流全部轉(zhuǎn)移至電路6中避雷器，如圖6(f)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，避雷器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)電流小于避雷器的最小導(dǎo)通電流1mA時，避雷器關(guān)閉，避雷器兩端電壓迅速下降。

9)t8時刻，避雷器中的電流為0，斷路器開斷完成，斷路器兩端的電壓降為系統(tǒng)電壓。

在一個實施例中，所述主電流電路中快速開關(guān)S或電路1-4中的快速開關(guān)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，所述電路1至電路4可以為真空、氣體觸發(fā)間隙或者高速機械開關(guān)及其串并聯(lián)組合。

所述電路6中具有關(guān)斷電流能力的功率半導(dǎo)體器件包括但不限于IGBT、IGCT、GTO中一個或任意多個組合。

所述組成互感器的原邊電感器L0和副邊電感器L1為空心電感或含磁芯的電感器。

所述B2為具有半控功能的功率半導(dǎo)體器件、氣體觸發(fā)間隙或者真空觸發(fā)間隙中的一個或多個串并聯(lián)而成，其中功率半導(dǎo)體器件包括但不限于晶閘管、IGBT、IGCT、GTO等。

在一個實施例中，所述避雷器為壓敏電阻或氧化鋅閥片組成的避雷器。

在一個實施例中，如圖10所示的一種具體的實例圖，主電流電路中A0由兩組晶閘管反向并聯(lián)組成。A1、A2、A3、A4為真空觸發(fā)間隙。A6為多個IGBT串并聯(lián)組成。B1為預(yù)充電電容器，B2為晶閘管。

在一個實施例中，如圖8所示的是一種具體實例圖，A1、A2、A3、A4為真空觸發(fā)間隙，A6為IGBT串并聯(lián)組成。B1為預(yù)充電電容器，B2為晶閘管。

在一個實施例中，如圖9所示的一種具體實例圖，在所示實例中，A1、A2、A3、A4為空氣觸發(fā)間隙。A6為IGCT串并聯(lián)組成。B1為超導(dǎo)電感，B2為電力二極管。

根據(jù)本實用新型，B2為單向?qū)ǖ墓β拾雽?dǎo)體器件及其組合，所述電路6的功率半導(dǎo)體器件為具有關(guān)斷電流的能力的功率半導(dǎo)體器件。

本實用新型公開了一種磁感應(yīng)轉(zhuǎn)移和電阻限流相結(jié)合的無弧直流斷路器，包括主電流電路，轉(zhuǎn)移電流電路以及過電壓限制電路。轉(zhuǎn)移電流電路由真空、氣體或者高速開關(guān)組成橋式結(jié)構(gòu)，僅需使用一組單向全控型功率半導(dǎo)體器件就可完成分?jǐn)嚯p向電流。當(dāng)斷路器需要開斷電流時，通過控制觸發(fā)間隙、高速開關(guān)以及功率半導(dǎo)體的動作時序，可實現(xiàn)主電流電路高速開關(guān)斷口無弧分閘，提高耐壓能力。所述轉(zhuǎn)移電流電路采用橋式結(jié)構(gòu)，僅用一組單向具有分?jǐn)喙δ艿慕M件就可以實現(xiàn)電流的雙向分?jǐn)?，相比于現(xiàn)有結(jié)構(gòu)可關(guān)斷器件的使用量可以減少50％。同時，轉(zhuǎn)移電路內(nèi)部包含限流模塊電路5以及開斷模塊電路6，通過將主電路的電流轉(zhuǎn)移至限流模塊可以進一步降低開斷模塊中可關(guān)斷器件的使用量，因此總的可關(guān)斷器件使用量變?yōu)樵瓉淼?5％，顯著減小斷路器成本。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本實用新型所作的進一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本實用新型的具體實施方式僅限于此，對于本實用新型所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型構(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)視為屬于本實用新型由所提交的權(quán)利要求書確定保護范圍。