一种双向分断的混合式断路器及其开断方法

摘要

公开了一种双向分断的混合式断路器及开断方法，所述断路器包括主电流回路、电流转移支路、过电压限制支路、在线监测系统、控制系统、进线端C1和出线端C2，并且主电流回路、电流转移支路以及过电压限制支路并联，半控型功率半导体器件VD1负极和半控型功率半导体器件VD3正极连接在高速机械开关断口一端，半控型功率半导体器件VD2负极和半控型功率半导体器件VD4正极连接在高速机械开关断口另一端。所述混合式直流断路器具有双向导通和分断的能力，应用于双向通流的直流供电系统中。

说明书

技术领域

本发明涉及双向分断的混合式断路器及其开断方法，特别涉及通过改变触发转移支路的半控型功率半导体器件的时序，来实现关断不同方向电流的功能的断路器。

背景技术

合式直流断路器具有通流能力强、关断速度快、通态损耗小等优点，近年来一直是业界研究热点。随着直流供电系统的进一步发展，新型的直流系统中，大多数负载具有负荷和电源双重属性的特点。这一特点造成直流电网中的电流和能量的流向具有不确定的特点。这一特点对直流断路器提出了双向分断的要求。工作于这种直流系统的直流断路器，不像传统的断路器所工作的供电系统电流流向具有确定的特点。而现阶段的混合式直流断路器大多通过制造和短路电流相反的振荡电流制造人工过零点，从而实现直流分段的目的。在这种应用背景下，应用于双向直流供电系统的直流断路器必须具备够辨识电流流向，并且在断路器分闸时根据电流流向做出对应的分断动作的能力。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足或缺陷，本发明的目的在于提供一种新型的混合式断路器及其控制方法。通过控制转移电流电路的功率半导体器件按照一定时序导通，可以有效限制断路器两端的过电压上升速率，并且由于开断过程中电容电流经过了两次转移，断路器开断完成后预充电电容上的电压方向与动作前的预充电电压方向一致，省去了电容C的充电过程，因此混合式断路器具有双向导通和分断功能。当转移电流电路两端的电压达到过电压限制电路的导通阈值时，过电压限制电路导通，使得主电流电路两端电压被限制在一定范围；控制系统监测主电流电路和转移电流电路中电路1的电流幅值和电流变化率，并根据监测结果控制高速机械开关和转移电流电路按照一定时序动作。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

本发明的一方面，一种双向分断的混合式断路器包括主电流回路、电流转移支路、过电压限制支路、在线监测系统、控制系统、出线端C1和出线端C2，并且主电流回路、电流转移支路以及过电压限制支路并联。

所述主电流回路由出线端C1、高速机械开关和出线端C2串联组成。

所述电流转移支路包括支路1、支路2和振荡支路，其中，支路1由半控型功率半导体器件VD1和半控型功率半导体器件VD2正极串联组成，支路2由半控型功率半导体器件VD3和半控型功率半导体器件VD4负极串联组成，振荡支路由预充压的转移电容C和振荡电感L1组成。

所述支路1两端并联在高速机械开关两端，实现所述电流转移支路和主电流回路的并联，并且所述支路1中半控型功率半导体器件VD1和VD2的正极相连接的一端和振荡支路中振荡电感L1一侧相连。

所述支路2两端并联在高速机械开关两端，从而实现所述电流转移支路和主电流回路的并联，并且所述振荡支路的转移电容C一侧和支路2的半控型功率半导体VD3和VD4的正极相连接的一端相连接。

所述振荡支路中的转移电容C靠近与支路2连接处的电容极柱充负电，另一端充正电。

所有半控型功率半导体器件均为单向导通的半控型功率半导体器件。

在线监测系统包括用于测量系统电流状态的电流传感器D0、用于测量主电流回路的电流状态电流传感器D1、用于测量电流转移支路的电流状态的电流传感器D2、用于测量过电压限制电路的电流状态电流传感器D3、用于测量高速机械开关的断口电压的电压传感器Vhss、用于测量转移电容C两端电压状态的电压传感器Vc、用于测量高速机械开关的运动状态的位移传感器P和断路器环境温度传感器T1。

所述控制系统包括信号调理电路、高速AD、处理器、人机交互界面和通信模块，所述系统电流大小和流向、所述主电流回路的电流，电流转移支路电路的电流、过电压限制支路的电流、高速机械开关断口电压、转移电容电压幅值和/或高速机械开关位移的数值经过信号调理电路和高速AD滤波放大处理后输入处理器计算，所述处理器计算支路1或支路2的电流的幅值及变化率di/dt，控制系统基于计算结果进行高速机械开关和半控型功率半导体器件控制，所述人机交互界面实时显示所述断路器状态及计算结果，所述通信模块向上级系统发送故障波形和接收上级控制系统的控制命令。

当系统电流方向从C1到C2时，通过控制系统计算所述主电流回路的电流幅值和变化率以及所述电流转移支路中电路1的电流幅值和变化率控制所述高速机械开关和电流转移支路中的半控型功率半导体器件VD1至VD4动作，当系统电流方向从C2到C1时，通过控制系统计算所述主电流回路的电流幅值和变化率以及所述电流转移支路中电路2的电流幅值和变化率控制所述高速机械开关和电流转移支路中的半控型功率半导体器件VD1至VD4动作。

系统正常通流状态下，系统电流从所述主电流回路流过，转移电容C上有一定的预充电压，电流转移支路所有的半控型功率半导体器件均未被触发，电流转移支路没有电流，过电压限制支路导通阈值比系统电压低，过电压限制支路没有电流流过。

当发生短路故障时或控制系统收到上级控制系统的分闸指令时，控制系统发出分闸指令，控制系统向高速机械开关发出分闸动作指令，高速机械开关开始动作，然后依照所述在线监测系统返回的数据，控制系统基于断路器电流的流向以特定的时序触发半控型功率半导体器件VD1-VD4，完成电流强制过零，实现开断。

在所述的双向分断的混合式断路器中，所述半控型功率半导体器件VD1、VD2、VD3和VD4为GTO、晶闸管、IGBT的任意一个或者多个的组合。

在所述的双向分断的混合式断路器中，所述高速机械开关为基于电磁斥力的高速机械开关、基于高速电机驱动的机械开关或基于爆炸驱动的高速机械开关。

在所述的双向分断的混合式断路器中，所述过电压限制支路的设计参数包括电压限制电路容量、导通电压阈值、达到导通电压时的电流、最高限位电压以及处于最高限位电压时的电流。

在所述的双向分断的混合式断路器中，所述过电压限制支路在断路器正常运行情况下处于截止状态，漏电流小于0.5μA；所述过电压限制支路的导通电压阈值为所述断路器所处的系统电压的1.75倍。

在所述的双向分断的混合式断路器中，所述过电压限制支路包括线路型金属氧化物避雷器、无间隙线路型金属氧化物避雷器、全绝缘复合外套金属氧化物避雷器或可卸式避雷器中的任意一个或多个的组合。

在所述的双向分断的混合式断路器中，所述控制系统包括处理器，所述处理器为通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA。

在所述的双向分断的混合式断路器中，所述处理器包括存储器，所述存储器可以包括一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器EEPROM。

根据本发明的另一方面，一种利用所述的双向分断的混合式断路器的电流从C1流向C2时的开断方法包括以下步骤：

在第一步骤中，系统电流从出线端C1流入，经过高速机械开关后从出线端C2流出。

在第二步骤中，当在线监测系统检测到系统发生短路故障时，通知控制系统，控制系统发出分闸指令，依照电流方向触发半控型功率半导体VD2和VD4，高速机械开关开始打开，根据高速机械开关响应特性，此时并未打开，电流仍从主回路流过。

在第三步骤中，由于振荡支路向主电流回路注入反相高频振荡电流强迫主电流回路电流过零，高速机械开关由于电流过零熄弧，主电流回路完成打开。

在第四步骤中，主电流回路不断向转移电容C充电，当断路器两端电压超过过电压限制支路的导通阈值时，过电压限制支路导通，由于过电压限制支路的通态电阻远小于电流转移支路的通态电阻，电流快速向过电压限制支路转移。

在第五步骤中，当转移支路电流过零时，半控型功率半导体VD2和VD4过零关断，由于系统电压小于过电压限制支路的导通阈值，过电压限制支路恢复高阻抗状态，开断过程完成。

本发明的又一方面，一种利用所述的双向分断的混合式断路器的电流从C2流向C1时的开断方法包括以下步骤：

在第一步骤中，系统电流从出线端C2流入，经过高速机械开关后从出线端C1流出。

在第二步骤中，当在线监测系统检测到系统发生短路故障时，通知控制系统，控制系统发出分闸指令，依照电流方向触发半控型功率半导体VD1和VD3，高速机械开关开始打开，根据高速机械开关响应特性，此时并未打开，电流仍从主电流回路流过。

在第三步骤中，由于振荡支路向主电流回路注入反相高频振荡电流强迫主电流回路电流过零，高速机械开关由于电流过零熄弧，主电流回路完成打开。

在第四步骤中，主电流回路不断向转移电容C充电，当断路器两端电压超过过电压限制支路的导通阈值时，过电压限制支路导通，由于过电压限制支路的通态电阻远小于转移支路的通态电阻，电流快速向过电压限制支路转移。

在第五步骤中，当电流转移支路电流过零时，半控型功率半导体VD1和VD3过零关断，由于系统电压小于过电压限制支路的导通阈值，过电压限制支路恢复高阻抗状态，开断过程完成。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的双向分断的混合式断路器的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的在线监测系统传感器在断路器内部分布示意图；

图3(a)-图3(e)是根据本发明一个实施例的断路器电流从C1流向C2时单向工作的结构示意图；

图4(a)-图4(e)是根据本发明一个实施例的断路器电流从C2流向C1时单向工作的结构示意图；

图5是根据本发明一个实施例的双向分断的混合式断路器的控制系统框图；

图6是根据本发明一个实施例的利用双向分断的混合式断路器的电流从C1流向C2时的开断方法的步骤示意图；

图7是根据本发明一个实施例的利用双向分断的混合式断路器的电流从C2流向C1时的开断方法的步骤示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

图1为本发明的一个实施例的双向分断的混合式断路器的结构示意图，本发明实施例将结合图1进行具体说明。

如图1所示，本发明的一个实施例提供了一种双向分断的混合式断路器，所述断路器包括主电流回路、电流转移支路、过电压限制支路、在线监测系统、控制系统、出线端C1和出线端C2，并且主电流回路、电流转移支路以及过电压限制支路并联。

所述主电流回路由出线端C1、高速机械开关和出线端C2串联组成。

所述电流转移支路包括支路1、支路2和振荡支路，其中，支路1由半控型功率半导体器件VD1和半控型功率半导体器件VD2正极串联组成，支路2由半控型功率半导体器件VD3和半控型功率半导体器件VD4负极串联组成，振荡支路由预充压的转移电容C和振荡电感L1组成。

所述支路1两端并联在高速机械开关两端，实现所述电流转移支路和主电流回路的并联，并且所述支路1中半控型功率半导体器件VD1和VD2的正极相连接的一端和振荡支路中振荡电感L1一侧相连。

所述支路2两端并联在高速机械开关两端，从而实现所述电流转移支路和主电流回路的并联，并且所述振荡支路的转移电容C一侧和支路2的半控型功率半导体VD3和VD4的正极相连接的一端相连接。

所述振荡支路中的转移电容C靠近与支路2连接处的电容极柱充负电，另一端充正电。

所有半控型功率半导体器件均为单向导通的半控型功率半导体器件。

图2是根据本发明一个实施例的在线监测系统传感器在断路器内部分布示意图，参见图2，在线监测系统包括用于测量系统电流状态的电流传感器D0、用于测量主电流回路的电流状态电流传感器D1、用于测量电流转移支路的电流状态的电流传感器D2、用于测量过电压限制电路的电流状态电流传感器D3、用于测量高速机械开关的断口电压的电压传感器Vhss、用于测量转移电容C两端电压状态的电压传感器Vc、用于测量高速机械开关的运动状态的位移传感器P和断路器环境温度传感器T1。

图5是根据本发明一个实施例的双向分断的混合式断路器的控制系统框图。参见图5，所述控制系统包括信号调理电路、高速AD、处理器、人机交互界面和通信模块，所述系统电流大小和流向、所述主电流回路的电流，电流转移支路电路的电流、过电压限制支路的电流、高速机械开关断口电压、转移电容电压幅值和/或高速机械开关位移的数值经过信号调理电路和高速AD滤波放大处理后输入处理器计算，所述处理器计算支路1或支路2的电流的幅值及变化率di/dt，控制系统基于计算结果进行高速机械开关和半控型功率半导体器件控制，所述人机交互界面实时显示所述断路器状态及计算结果，所述通信模块向上级系统发送故障波形和接收上级控制系统的控制命令。

当系统电流方向从C1到C2时，通过控制系统计算所述主电流回路的电流幅值和变化率以及所述电流转移支路中电路1的电流幅值和变化率控制所述高速机械开关和电流转移支路中的半控型功率半导体器件VD1至VD4动作，当系统电流方向从C2到C1时，通过控制系统计算所述主电流回路的电流幅值和变化率以及所述电流转移支路中电路2的电流幅值和变化率控制所述高速机械开关和电流转移支路中的半控型功率半导体器件VD1至VD4动作。

系统正常通流状态下，系统电流从所述主电流回路流过，转移电容C上有一定的预充电压，电流转移支路所有的半控型功率半导体器件均未被触发，电流转移支路没有电流，过电压限制支路导通阈值比系统电压低，过电压限制支路没有电流流过。

当发生短路故障时或控制系统收到上级控制系统的分闸指令时，控制系统发出分闸指令，控制系统向高速机械开关发出分闸动作指令，高速机械开关开始动作，然后依照所述在线监测系统返回的数据，控制系统基于断路器电流的流向以特定的时序触发半控型功率半导体器件VD1-VD4，完成电流强制过零，实现开断。

在所述的双向分断的混合式断路器的优选实施例中，所述半控型功率半导体器件VD1、VD2、VD3和VD4为GTO、晶闸管、IGBT的任意一个或者多个的组合。

在所述的双向分断的混合式断路器的优选实施例中，所述高速机械开关为基于电磁斥力的高速机械开关、基于高速电机驱动的机械开关或基于爆炸驱动的高速机械开关。

在所述的双向分断的混合式断路器的优选实施例中，所述过电压限制支路的设计参数包括电压限制电路容量、导通电压阈值、达到导通电压时的电流、最高限位电压以及处于最高限位电压时的电流。

在所述的双向分断的混合式断路器的优选实施例中，所述过电压限制支路在断路器正常运行情况下处于截止状态，漏电流小于0.5μA；所述过电压限制支路的导通电压阈值为所述断路器所处的系统电压的1.75倍。

在所述的双向分断的混合式断路器的优选实施例中，所述过电压限制支路包括线路型金属氧化物避雷器、无间隙线路型金属氧化物避雷器、全绝缘复合外套金属氧化物避雷器或可卸式避雷器中的任意一个或多个的组合。

在所述的双向分断的混合式断路器的优选实施例中，所述控制系统包括处理器，所述处理器为通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA。

在所述的双向分断的混合式断路器的优选实施例中，所述处理器包括存储器，所述存储器可以包括一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器EEPROM。

图3(a)-图3(e)是根据本发明一个实施例的断路器电流从C1流向C2时单向工作的一种结构示意图，图4(a)-图4(e)是根据本发明一个实施例的断路器电流从C2流向C1时单向工作的一种结构示意图。下文将结合图3、4说明当电流流向分别为向右和向左时的开断过程。

电流流向为右时开断过程：

1、如图3(a)所示正常同流状态下，系统电流从出线端C1流入，经过高速机械开关后从出线端C2流出。

2、如图3(b)所示,当在线监测系统检测到系统发生短路故障时，通知控制系统，控制系统发出分闸指令，依照电流方向向右触发半控型功率半导体VD2和VD4，高速机械开关开始打开，根据高速机械开关响应特性，此时并未打开，电流仍从主回路流过。

3、如图3(c)所示，由于振荡支路向主电流回路注入反相高频振荡电流强迫主电流回路电流过零，高速机械开关由于电流过零熄弧，主电流回路完成打开。

4、如图3(d)所示，主电流回路不断向转移电容充电，当断路器两端电压超过过电压限制支路的导通阈值时，过电压限制支路导通。由于过电压限制支路的通态电阻远小于转移支路的通态电阻，电流快速向过电压限制支路转移。

5、如图3(e)所示，当电流转移支路电流过零时，半控型功率半导体VD2和VD4过零关断，由于系统电压小于过电压限制支路的导通阈值，过电压限制支路恢复高阻抗状态，开断过程完成。

2.电流流向为左时开断过程：

1、如图4(a)所示正常同流状态下，系统电流从出线端C2流入，经过高速机械开关后从出线端C1流出。

2、如图4(b)所示,当在线监测系统检测到系统发生短路故障时，通知控制系统，控制系统发出分闸指令，依照电流方向向右触发半控型功率半导体VD1和VD3。高速机械开关开始打开，根据高速机械开关响应特性，此时并未打开，电流仍从主电流回路流过。

3、如图4(c)所示，由于振荡回路向主电流回路注入反相高频振荡电流强迫主电流回路电流过零，高速机械开关由于电流过零熄弧，主电流回路完成打开。

4、如图4(d)所示，主电流回路不断向转移电容充电，当断路器两端电压超过过电压限制支路的导通阈值时，过电压限制支路导通。由于过电压限制支路的通态电阻远小于转移支路的通态电阻，电流快速向过电压限制支路转移。

5、如图4(e)所示，当电流转移支路电流过零时，半控型功率半导体VD1和VD3过零关断，由于系统电压小于过电压限制支路的导通阈值，过电压限制支路恢复高阻抗状态，开断过程完成。

因此，综上所述，本发明提出了断路器的不同电流流向的开断方法。

图6是根据本发明一个实施例的利用所述的双向分断的混合式断路器的电流从C1流向C2时的开断方法的步骤示意图，一种利用所述的双向分断的混合式断路器的电流从C1流向C2时的开断方法包括以下步骤：

在第一步骤S1中，系统电流从出线端C1流入，经过高速机械开关后从出线端C2流出。

在第二步骤S2中，当在线监测系统检测到系统发生短路故障时，通知控制系统，控制系统发出分闸指令，依照电流方向触发半控型功率半导体VD2和VD4，高速机械开关开始打开，根据高速机械开关响应特性，此时并未打开，电流仍从主回路流过。

在第三步骤S3中，由于振荡支路向主电流回路注入反相高频振荡电流强迫主电流回路电流过零，高速机械开关由于电流过零熄弧，主电流回路完成打开；

在第四步骤S4中，主电流回路不断向转移电容C充电，当断路器两端电压超过过电压限制支路的导通阈值时，过电压限制支路导通，由于过电压限制支路的通态电阻远小于电流转移支路的通态电阻，电流快速向过电压限制支路转移。

在第五步骤S5中，当转移支路电流过零时，半控型功率半导体VD2和VD4过零关断，由于系统电压小于过电压限制支路的导通阈值，过电压限制支路恢复高阻抗状态，开断过程完成。

图7是根据本发明一个实施例的利用所述的双向分断的混合式断路器的电流从C2流向C1时的开断方法的步骤示意图，一种利用所述的双向分断的混合式断路器的电流从C2流向C1时的开断方法包括以下步骤：

在第一步骤S1中，系统电流从出线端C2流入，经过高速机械开关后从出线端C1流出；

在第二步骤S2中，当在线监测系统检测到系统发生短路故障时，通知控制系统，控制系统发出分闸指令，依照电流方向触发半控型功率半导体VD1和VD3，高速机械开关开始打开，根据高速机械开关响应特性，此时并未打开，电流仍从主电流回路流过；

在第三步骤S3中，由于振荡支路向主电流回路注入反相高频振荡电流强迫主电流回路电流过零，高速机械开关由于电流过零熄弧，主电流回路完成打开；

在第四步骤S4中，主电流回路不断向转移电容C充电，当断路器两端电压超过过电压限制支路的导通阈值时，过电压限制支路导通，由于过电压限制支路的通态电阻远小于转移支路的通态电阻，电流快速向过电压限制支路转移；

在第五步骤S5中，当电流转移支路电流过零时，半控型功率半导体VD1和VD3过零关断，由于系统电压小于过电压限制支路的导通阈值，过电压限制支路恢复高阻抗状态，开断过程完成。

本发明通过控制转移电流电路的功率半导体器件按照一定时序导通，可以有效限制断路器两端的过电压上升速率，并且由于开断过程中电容电流经过了两次转移，断路器开断完成后预充电电容上的电压方向与动作前的预充电电压方向一致，省去了电容C的充电过程，因此混合式断路器具有双向导通和分断功能。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。