一種雙向混合式直流斷路器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種雙向混合式直流斷路器，由主電流電路、零電壓電路、零電流電路和能量吸收電路并聯(lián)組成，主電流電路采用機械開關(guān)，零電壓電路是由反向并聯(lián)晶閘管構(gòu)成的雙向半導體開關(guān)，零電流電路是包括預充電電容、電感和晶閘管橋構(gòu)成的雙向脈沖電流電路，能量吸收電路采用金屬氧化物壓敏電阻；本實用新型零電壓電路采用晶閘管，通態(tài)壓降小，電流轉(zhuǎn)移速度快，機械開關(guān)具有充分的介質(zhì)恢復時間，弧后介質(zhì)恢復可靠；采用零電流電路實現(xiàn)晶閘管的快速關(guān)斷，斷路器分斷能力強；方便實現(xiàn)兩種工作模式，斷路器的工作性能易于改善。
【專利說明】
一種雙向混合式直流斷路器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型屬于電力系統(tǒng)故障保護技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種雙向混合式直流斷路器。
【背景技術(shù)】
[0002]直流電力系統(tǒng)因其顯著的優(yōu)點，近年來在船舶、礦山、軌道交通以及新能源發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。隨著直流電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展以及用戶日益嚴格的電能質(zhì)量要求，傳統(tǒng)的機械斷路器難以滿足現(xiàn)代大容量直流電網(wǎng)保護的特殊需求，迫切需要能夠快速可靠分斷直流電路的新型保護設(shè)備。
[0003]采用純半導體開關(guān)實現(xiàn)的直流固態(tài)斷路器，如圖1所示，利用全控型半導體器件實現(xiàn)系統(tǒng)長期通流以及故障電流分斷，具有無弧快速分斷直流電流的優(yōu)點，然而其分斷能力較低，且系統(tǒng)長期運行損耗過大。
[0004]混合式斷路器同時包含機械開關(guān)和半導體開關(guān)，兼?zhèn)錂C械開關(guān)良好的靜態(tài)性能和半導體開關(guān)優(yōu)良的動態(tài)特性。
[0005]由快速機械開關(guān)和LC強迫換流電路構(gòu)成的零電流開關(guān)，如圖2所示，在系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，通過預充電電容放電將故障電流轉(zhuǎn)移至LC換流電路，實現(xiàn)機械開關(guān)電流過零分斷。由于大電流分斷過程中機械開關(guān)電流過零時的di/dt很高，導致弧后介質(zhì)難以快速恢復，因此零電流開關(guān)大電流分斷可靠性較低。
[0006]由快速機械開關(guān)和可關(guān)斷半導體器件(IGBT等)構(gòu)成的零電壓開關(guān)，如圖3所示，利用機械開關(guān)分斷時產(chǎn)生的電弧，迫使電流向半導體器件中轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)機械開關(guān)電流過零分斷。由于電弧電壓較低、可關(guān)斷半導體器件通態(tài)壓降較大，通常要求轉(zhuǎn)移回路之間緊密耦合以減小雜散電感，實現(xiàn)故障電流的快速轉(zhuǎn)移。當因電路設(shè)計不合理使電流轉(zhuǎn)移時間過長時，最終轉(zhuǎn)移至半導體器件中的短路電流很大，可能超過半導體器件的關(guān)斷能力，導致斷路器分斷失敗。
【實用新型內(nèi)容】
[0007]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足，本實用新型的目的是提供一種結(jié)合快速機械開關(guān)和晶閘管、同時包含零電壓和零電流混合式分斷思想的雙向混合式直流斷路器。
[0008]本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種雙向混合式直流斷路器，包括主電流電路、零電壓電路、零電流電路、能量吸收電路、系統(tǒng)接線端Jl和J2，所述的主電流電路、零電壓電路、零電流電路和能量吸收電路并聯(lián)，并聯(lián)電路的第一聯(lián)結(jié)端與所述的系統(tǒng)接線端Jl連接，并聯(lián)電路的第二聯(lián)結(jié)端與所述的系統(tǒng)接線端J2連接;所述的主電流電路包括機械開關(guān)S;所述的零電壓電路包括反向并聯(lián)以實現(xiàn)雙向通流功能的晶閘管Tl和T2;所述的零電流電路包括由預充電電容C、電感L和晶閘管橋構(gòu)成的雙向脈沖電流電路;所述的電容C和電感L串聯(lián)形成的串聯(lián)電路跨接在晶閘管橋的直流側(cè)，所述的電容C的一端與所述的晶閘管橋的直流側(cè)負極相連，作為預充電電壓的正極，所述的電感L的一端與所述的晶閘管橋的直流側(cè)正極相連;所述的晶閘管橋的第一交流端與所述的并聯(lián)電路的第一聯(lián)結(jié)端連接，所述的晶閘管橋的第二交流端與所述的并聯(lián)電路的第二聯(lián)結(jié)端連接；
[0009 ]所述的能量吸收電路包括金屬氧化物壓敏電阻MOV。
[0010]所述的一種雙向混合式直流斷路器，其晶閘管橋是由晶閘管T3、T4、T5和T6構(gòu)成的橋式電路，所述的晶閘管Τ5和Τ6的聯(lián)結(jié)端作為橋式電路的直流側(cè)正極，所述的晶閘管Τ3和Τ4的聯(lián)結(jié)端作為橋式電路的直流側(cè)負極，所述的晶閘管Τ3和Τ5的聯(lián)結(jié)端作為橋式電路的第一交流端，所述的晶閘管Τ4和Τ6的聯(lián)結(jié)端作為橋式電路的第二交流端。
[0011]所述的一種雙向混合式直流斷路器，其機械開關(guān)S是基于電磁斥力原理實現(xiàn)的快速機械開關(guān)。
[0012]本實用新型的有益效果是:
[0013]1、零電壓電路采用晶閘管，通態(tài)壓降小，電流轉(zhuǎn)移速度快；
[0014]2、機械開關(guān)具有充分的介質(zhì)恢復時間，弧后介質(zhì)恢復可靠；
[0015]3、采用零電流電路實現(xiàn)晶閘管的快速關(guān)斷，斷路器分斷能力強；
[0016]4、方便實現(xiàn)兩種工作模式，斷路器的工作性能易于改善。
【附圖說明】
[0017]圖1為現(xiàn)有的固態(tài)斷路器方案的示意圖；
[0018]圖2為現(xiàn)有的零電流開關(guān)方案的不意圖；
[0019]圖3為現(xiàn)有的零電壓開關(guān)方案的示意圖；
[0020]圖4為本實用新型的雙向混合式直流斷路器方案的示意圖；
[0021]圖5為本實用新型具體實施例1中方案的示意圖；
[0022]圖6為本實用新型具體實施例1中的預期分斷波形；
[0023]圖7為本實用新型具體實施例2中方案的示意圖；
[0024]圖8為本實用新型具體實施例2中的預期分斷波形。
[0025]各附圖標記為:I一主電流電路，2—零電壓電路，3—零電流電路，4一能量吸收電路，Jl一系統(tǒng)接線端，J2—系統(tǒng)接線端，S—控制開關(guān)。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步詳細說明。
[0027]參照圖4所示，本實用新型公開了一種雙向混合式直流斷路器，包括主電流電路1、零電壓電路2、零電流電路3、能量吸收電路4、系統(tǒng)接線端Jl和系統(tǒng)接線端J2，其中:
[0028]所述的主電流電路1、零電壓電路2、零電流電路3和能量吸收電路4并聯(lián)，并聯(lián)電路的第一聯(lián)結(jié)端與所述的系統(tǒng)接線端Jl連接，并聯(lián)電路的第二聯(lián)結(jié)端與所述的系統(tǒng)接線端J2連接；
[0029]所述的主電流電路I包括機械開關(guān)S，所述的機械開關(guān)S是基于電磁斥力原理實現(xiàn)的快速機械開關(guān)；
[0030]所述的零電壓電路2包括反向并聯(lián)以實現(xiàn)雙向通流功能的晶閘管Tl和Τ2;
[0031]所述的零電流電路3包括由預充電電容C、電感L和晶閘管橋構(gòu)成的雙向脈沖電流電路;所述的晶丨I]管橋是由晶丨I]管Τ3、Τ4、Τ5和Τ6構(gòu)成的橋式電路，所述的晶丨U管Τ5和Τ6的聯(lián)結(jié)端作為橋式電路的直流側(cè)正極，所述的晶閘管T3和T4的聯(lián)結(jié)端作為橋式電路的直流側(cè)負極，所述的晶閘管Τ3和Τ5的聯(lián)結(jié)端作為橋式電路的第一交流端，所述的晶閘管Τ4和Τ6的聯(lián)結(jié)端作為橋式電路的第一.交流端;所述的電容C和電感L串聯(lián)形成的串聯(lián)電路跨接在晶丨U管橋的直流側(cè)，所述的電容C的一端與所述的橋式電路的直流側(cè)負極相連，作為預充電電壓的正極，所述的電感L的一端與所述的橋式電路的直流側(cè)正極相連;所述的橋式電路的第一交流端與所述的并聯(lián)電路的第一聯(lián)結(jié)端連接，所述的橋式電路的第二交流端與所述的并聯(lián)電路的第二聯(lián)結(jié)端連接;所述的能量吸收電路4包括金屬氧化物壓敏電阻MOV。
[0032]一種雙向混合式直流斷路器的控制方法，步驟如下:a)、系統(tǒng)正常運行時，直流電流完全由機械開關(guān)S承擔，晶閘管Tl(或T2)關(guān)斷;b)、當系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，機械開關(guān)S分斷，根據(jù)短路電流流向，晶閘管Tl(或T2)導通，在機械開關(guān)S分斷電弧的作用下，短路電流被迫從機械開關(guān)S向晶閘管Tl(或T2)中迅速轉(zhuǎn)移;C)、當短路電流完全轉(zhuǎn)移至晶閘管Tl(或T2)之后，延時至機械開關(guān)S的觸頭分開到足夠開距時，根據(jù)電流流向，晶閘管橋中T4一T5(或Τ3—Τ6)橋臂導通，電容C通過電感L放電產(chǎn)生脈沖電流，迫使Tl (或Τ2)中的電流減小為零；d)、當晶閘管Tl(或Τ2)電流過零關(guān)斷后，系統(tǒng)母線對電容C反向充電，導致斷路器兩端電壓不斷地從反壓向正壓增加，短路電流等于電容充電電流;e)、當斷路器兩端電壓增加到壓敏電阻MOV的開通值后，壓敏電阻MOV導通吸收系統(tǒng)能量并限制過電壓，實現(xiàn)對故障電流的限制并最終使其減小為零。
[0033]當系統(tǒng)電流從系統(tǒng)接線端Jl流向系統(tǒng)接線端J2時，分斷過程中，晶閘管Tl導通，致使晶閘管橋中T4一T5橋臂導通；當系統(tǒng)電流從系統(tǒng)接線端J2流向系統(tǒng)接線端Jl時，分斷過程中，晶閘管T2導通，致使晶閘管橋中T3—T6橋臂導通。
[0034]從短路電流完全轉(zhuǎn)移至晶閘管Tl(或T2)，到晶閘管Tl(或T2)電流過零時刻之前，機械開關(guān)S兩端電壓為晶閘管極小的通態(tài)壓降，機械開關(guān)S弧后具有充分的介質(zhì)恢復時間。
[0035]晶閘管Tl(或T2)電流過零后首先承受較大的反向電壓，然后逐漸變?yōu)檎螂妷?，較大的反向電壓有助于減小晶閘管Tl(或T2)的關(guān)斷時間。
[0036]實施例1
[0037]參見圖5所示，為本實用新型公開的雙向混合式直流斷路器工作于第一種工作模式、系統(tǒng)電流從系統(tǒng)接線端Jl流向系統(tǒng)接線端J2時的等效電路。分斷過程如下:
[0038]參照圖6所示，在t〈to階段，機械開關(guān)S處于閉合狀態(tài)，負載電流從機械開關(guān)S中流過，在t=to時刻，系統(tǒng)發(fā)生短路故障，機械開關(guān)S電流is隨著短路電流1的增加開始上升；
[0039]在t=ti時刻，機械開關(guān)S分斷，同時晶閘管Tl導通，在電弧電壓的作用下，電流被迫從機械開關(guān)S向晶閘管Tl中轉(zhuǎn)移，結(jié)果is減小，in增加；
[0040]在t=t2時刻，電流完全轉(zhuǎn)移至晶閘管Tl中，機械開關(guān)S電流為零，此后短路電流完全由晶閘管Tl承擔，1逐漸增加；
[0041]在t=t3時刻，機械開關(guān)S觸頭達到足夠的開距，晶閘管橋中T4一 T5橋臂導通，電容C通過電感L放電產(chǎn)生脈沖大電流，迫使晶閘管TI中的電流逐漸向電感L和電容C串聯(lián)的電路(以下簡稱L-C電路)中轉(zhuǎn)移，結(jié)果?τι減小，ic增加；
[0042]在t=t4時刻，晶閘管Tl電流減小為零，此后短路電流完全由L-C電路承擔，1隨著電容C的反向充電電流ic逐漸增加，電容C電壓Uc和整個斷路器電壓Uo從反壓逐漸向正壓增加；
[0043]在t=t5時刻，由于電容C的反向充電過程使斷路器電壓Uo達到系統(tǒng)電源電壓，結(jié)果短路電流1達到峰值，此后隨著電壓uo的不斷增加，短路電流1開始減??；
[0044]在t=t6時刻，斷路器電壓Uo增加到壓敏電阻MOV的開通值，壓敏電阻MOV開通吸能并限制系統(tǒng)過電壓，電流從L-C電路向MOV中轉(zhuǎn)移，結(jié)果1_增加，ic減??；
[0045]在t=t7時刻，L-C電路電流ic減小為零，晶閘管橋中T4一T5橋臂關(guān)斷，壓敏電阻MOV電流iMQV達到峰值，相應(yīng)的斷路器電壓UO和電容電壓UC電壓均達到最大；
[0046]此后短路電流完全由壓敏電阻MOV承擔，隨著直流系統(tǒng)能量不斷被壓敏電阻MOV吸收，短路電流1隨著電流iMov逐漸減小，最終在t=ts時刻能量吸收完畢，電流減小為零，分斷過程結(jié)束，斷路器電壓UO降至系統(tǒng)電源電壓。
[0047]上述分斷過程中，在時刻t#Pt4期間，機械開關(guān)S電流為零，電壓為晶閘管Tl極小的通態(tài)壓降，機械開關(guān)S弧后具有充分的介質(zhì)恢復時間；t4時刻之后晶閘管Tl兩端較大的反向電壓有助于減小晶閘管Tl的關(guān)斷時間。
[0048]當系統(tǒng)電流從系統(tǒng)接線端J2流向系統(tǒng)接線端Jl時，按照上述步驟依次控制圖4中機械開關(guān)S、晶閘管T2和晶閘管橋中T3—T6橋臂動作即可。
[0049 ] 一種雙向混合式直流斷路器的控制方法，步驟如下:A )、在晶閘管橋中T4 一 T5 (或T3—T6)橋臂導通時，晶閘管T2(或TI)導通并持續(xù)一段時間，當晶閘管TI (或T2)電流過零后，電容C的脈沖放電電流從T2(或Tl)中續(xù)流;B)、當晶閘管Τ2(或Tl)續(xù)流結(jié)束后，系統(tǒng)母線對電容C反向充電，導致斷路器兩端電壓不斷增加，短路電流等于電容充電電流;C)、當斷路器兩端電壓增加到壓敏電阻MOV的開通值后，壓敏電阻MOV導通吸收系統(tǒng)能量并限制過電壓，實現(xiàn)對故障電流的限制并最終使其減小為零。
[0050]分斷過程中，當晶閘管橋中Τ4一Τ5橋臂導通時，晶閘管Τ2導通續(xù)流；當晶閘管橋中Τ3—Τ6橋臂導通時，晶閘管Tl導通續(xù)流。
[0051]從短路電流完全轉(zhuǎn)移至晶閘管Tl到Τ2(或Τ2到Tl)續(xù)流結(jié)束期間，機械開關(guān)S兩端電壓為晶閘管極小的通態(tài)壓降，機械開關(guān)S弧后具有更加充分的介質(zhì)恢復時間。
[0052]晶閘管Tl(或Τ2)電流過零后首先承受電壓等于晶閘管Τ2(或Tl)極小通態(tài)壓降的反向電壓，當晶閘管Τ2(或Tl)續(xù)流結(jié)束后，機械開關(guān)S兩端電壓變?yōu)檎?，避免較大反向電壓對系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。
[0053]實施例2
[0054]參見圖7所示，為本實用新型公開的雙向混合式直流斷路器工作于第二種工作模式、系統(tǒng)電流從系統(tǒng)接線端Jl流向系統(tǒng)接線端J2時的等效電路。
[0055]參照圖8所示，其分斷過程在t=t3時刻之前與實施例1中的第一工作模式完全相同；
[0056]在t=t3時刻，機械開關(guān)S觸頭達到足夠的開距，晶閘管橋中T4一 T5橋臂和晶閘管T2同時導通，電容C通過電感L放電產(chǎn)生脈沖大電流，迫使晶閘管Tl中的電流逐漸向L-C電路中轉(zhuǎn)移，結(jié)果in減小，ie增加；
[0057]由于晶閘管Tl一直處于導通狀態(tài)，導致晶閘管T2兩端電壓為反向電壓，盡管T2有導通信號，但是在Tl電流減小為零前沒有電流流過；
[0058]在t=t4時刻，晶閘管Tl電流過零關(guān)斷，由于晶閘管T2的導通信號一直持續(xù)到Tl電流為零以后，因此在t4時刻之后T2承受正向電壓導通，電容C的脈沖放電電流從T2中續(xù)流；
[0059]在晶閘管T2的續(xù)流過程中，電容C電壓Uc從反壓逐漸向正壓增加，整個斷路器兩端電壓UO被晶閘管T2的通態(tài)壓降鉗制在極低的水平；
[0060]在t=t5時刻，電容C的脈沖放電電流ic經(jīng)過峰值后減小到與系統(tǒng)短路電流1相等，導致晶閘管T2電流過零關(guān)斷，續(xù)流過程結(jié)束；
[0061]此后短路電流完全由L-C電路承擔，1隨著電容C的反向充電電流ic逐漸增加，電容C電壓uc和斷路器電壓Uo逐漸增加；
[0062]在t=t6時刻，由于電容C的反向充電過程使斷路器電壓Uo達到系統(tǒng)電源電壓，結(jié)果短路電流1達到峰值，此后隨著電壓Uo的不斷增加，短路電流1開始減??；
[0063]在t=t7時刻，斷路器電壓Uo增加到壓敏電阻MOV的開通值，壓敏電阻MOV開通吸能并限制系統(tǒng)過電壓，電流從L-C電路向MOV中轉(zhuǎn)移，結(jié)果1_增加，ic減??；
[0064]在t=t8時刻，L-C電路電流ic減小為零，晶閘管橋中T4—T5橋臂關(guān)斷，壓敏電阻MOV電流iMQV達到峰值，相應(yīng)的斷路器電壓UO和電容電壓UC電壓均達到最大；
[0065]此后短路電流完全由壓敏電阻MOV承擔，隨著直流系統(tǒng)能量不斷被壓敏電阻MOV吸收，短路電流1隨著電流iMQV逐漸減小，最終在t=t9時刻能量吸收完畢，電流減小為零，分斷過程結(jié)束，斷路器電壓UO降至系統(tǒng)電源電壓。
[0066]上述過程中，由于晶閘管T2導通續(xù)流，在時刻^和^期間，機械開關(guān)S電流為零，電壓為晶閘管Tl極小的通態(tài)壓降，機械開關(guān)S弧后具有更加充分的介質(zhì)恢復時間；斷路器兩端不會出現(xiàn)較大的反向電壓，避免給系統(tǒng)帶不利影響。
[0067]當系統(tǒng)電流從系統(tǒng)接線端J2流向系統(tǒng)接線端Jl時，按照上述步驟依次控制圖4中機械開關(guān)S、晶閘管T2、晶閘管橋中T3—T6橋臂和晶閘管Tl動作即可。
[0068]因此本實用新型通過采用通態(tài)壓降極小的晶閘管作為零電壓換流半導體器件，可實現(xiàn)短路電流的快速轉(zhuǎn)移；為機械開關(guān)S提供充分的弧后介質(zhì)恢復時間，確保介質(zhì)可靠恢復;通過LC零電流電路對零電壓換流晶閘管進行快速關(guān)斷，提高斷路器的分斷能力;能比較方便地實現(xiàn)兩種工作模式，改善斷路器的工作性能。
[0069]上述實施例僅例示性說明本實用新型的原理及其功效，以及部分運用的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型創(chuàng)造構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本實用新型的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種雙向混合式直流斷路器，包括主電流電路(I)、零電壓電路(2)、零電流電路(3)、能量吸收電路(4)、系統(tǒng)接線端Jl和J2，其特征在于: 所述的主電流電路(I)、零電壓電路(2)、零電流電路(3)和能量吸收電路(4)并聯(lián)，并聯(lián)電路的第一聯(lián)結(jié)端與所述的系統(tǒng)接線端Jl連接，并聯(lián)電路的第二聯(lián)結(jié)端與所述的系統(tǒng)接線端J2連接； 所述的主電流電路(I)包括機械開關(guān)S; 所述的零電壓電路(2)包括反向并聯(lián)以實現(xiàn)雙向通流功能的晶閘管Tl和T2; 所述的零電流電路(3)包括由預充電電容C、電感L和晶閘管橋構(gòu)成的雙向脈沖電流電路;所述的電容C和電感L串聯(lián)形成的串聯(lián)電路跨接在晶丨?管橋的直流側(cè)，所述的電容C的一端與所述的晶閘管橋的直流側(cè)負極相連，作為預充電電壓的正極，所述的電感L的一端與所述的晶閘管橋的直流側(cè)正極相連;所述的晶閘管橋的第一交流端與所述的并聯(lián)電路的第一聯(lián)結(jié)端連接，所述的晶閘管橋的第二交流端與所述的并聯(lián)電路的第二聯(lián)結(jié)端連接； 所述的能量吸收電路(4)包括金屬氧化物壓敏電阻MOV。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙向混合式直流斷路器，其特征在于，所述的晶閘管橋是由晶閘管Τ3、Τ4、Τ5和Τ6構(gòu)成的橋式電路，所述的晶閘管Τ5和Τ6的聯(lián)結(jié)端作為橋式電路的直流側(cè)正極，所述的晶閘管Τ3和Τ4的聯(lián)結(jié)端作為橋式電路的直流側(cè)負極，所述的晶閘管Τ3和Τ5的聯(lián)結(jié)端作為橋式電路的第一交流端，所述的晶閘管Τ4和Τ6的聯(lián)結(jié)端作為橋式電路的第二交流端。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種雙向混合式直流斷路器，其特征在于，所述的機械開關(guān)S是基于電磁斥力原理實現(xiàn)的快速機械開關(guān)。
【文檔編號】H02H3/087GK205429693SQ201520934381
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2015年11月20日
【發(fā)明人】彭振東, 楊晨光, 任志剛, 姜楠, 朱紅橋
【申請人】中國船舶重工集團公司第七〇二研究所, 中國船舶重工集團公司第七一二研究所