一种用于中压配网的双向混合式直流断路器及开断方法

摘要

公开了一种用于中压配网的双向混合式直流断路器及开断方法，所述双向混合式直流断路器包括断路器本体、信号采集系统、信号处理系统、控制系统、操作机构和人机交互界面，所示断路器增加了负反馈环节，将环境温度、驱动回路电容电压信号反馈到控制系统，使得触头能准确的在预期时刻打开，实现准确的分、合闸操作，通过振荡回路和桥式电路的整合，实现一组振荡回路实现双向分断的目的，解决在新能源供电系统中的双向分断的需求。

说明书

技术领域

本发明涉及用于中压配网的双向混合式直流断路器及其开断方法，特别涉及一种通过直流回路电流信号控制电磁斥力操动机构的实现分、合闸的断路器。

背景技术

随着化石能源的逐渐枯竭，以及环境污染问题的进一步加剧，清洁可再生能源的开发逐步成为电力行业的热点问题。但与传统能源相比，新能源存在出力特性不稳定，能源分布较为分散等明显缺陷。我国针对新能源的容量不同，分别采用中高压接入输电网，和低压线路接入配电网。无论采用哪种方式，带给传统的交流电网的冲击都是巨大的，带来一系列问题，例如继电保护问题，电网的电压和频率稳定的问题等等。现阶段这些问题的最好解决方案是通过一个直流输电系统将新能源发电系统和传统的交流系统隔离开来。但是新能源直流系统存在潮流双向流动的情况，因此应用于这种直流供电系统的断路器必须具有双向分断能力。

近年来伴随着电力电子技术的不断发展，出现了基于门极可关断器件的固态直流断路器，其拥有动作时间短，可以实现无弧分断的特点使其在一定场合得到了应用。但是和传统的机械式断路器相比，其通态损耗大、承载能力有限和抗涌流、过电压能力较弱的缺点使得其在应用中有较大的局限性。

现阶段的直流断路器的主要包括三种方案：机械式直流断路器、混合式直流断路器、全固态直流断路器。机械式断路器开断容量有限、开断时间长，难以适应现阶段电力系统的高电压大电流的发展需求。全固态直流断路器的通态损耗大，通流能力有限，同样也难以适应直流系统大电流的需求。

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

为解决中压直流配网系统的双向分断的需求，本发明设计了一种基于电磁斥力机构的双向混合式直流断路器。通过振荡回路和桥式电路的整合，实现一组振荡回路实现双向分断的目的，解决在新能源供电系统中的双向分断的需求。

为达上述优点，本发明提供一种双向混合式直流断路器，用于控制直流输配电系统的通断，包括断路器本体、信号采集系统、信号处理系统、控制系统、操作机构和人机交互界面。

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，一种用于中压配网的双向混合式直流断路器包括断路器本体、信号采集系统、信号处理系统、控制系统、操作机构和人机交互界面，所述断路器本体包括主电流回路、桥式电路、振荡支路、过电压限制支路和隔离开关V1，主电流回路由两个机械开关S1、S2串联组成，其中S1一端加载出线端A1上，S2一端接在出线端A2上。

桥式电路由功率二极管D1、D2和晶闸管T1、T2、T3、T4组成，其中，D1并联在机械开关S1两端、D2并联在S2两端，D1正极和A1出线端相连，D2正极通过隔离开关V1和A2出线端相连，D1和D2负极和机械开关公共端相连，晶闸管T1和T2正极相连，负极分别接在出线端A1和隔离开关V1上，晶闸管T3和T4负极相连，正极分别接在出线端A1和隔离开关V1上。

振荡支路由转移电容C和振荡电感L串联组成，其中振荡电感L非公共端接在晶闸管T3和T4公共端上，转移电容C非公共端接在晶闸管T1和T2上。

过电压限制支路并联在机械开关S1和S2两端，分别接在出线端A1和隔离开关V1上。

信号采集系统，所述信号采集系统采集所述断路器本体的电压值、电流值、电流方向、作为操作机构的斥力机构的驱动回路的电压值、电流值、工作环境温度以及断路器机构的分闸、合闸状态以及触头位移信息。

信号处理系统，所述信号处理系统对所述信号采集系统所采集的信号处理，其包括滤波、放大和/或A/D转换。

控制系统，所述控制系统接收信号处理系统处理过的信号，完成电压信号、电流信号、电流上升率的分析，以及系统短路故障检测，根据分析结果，控制操作机构进分、合闸操作。

操作机构，所述操作机构依照接收到的所述控制系统电路的指令对断路器本体进行分闸或合闸操作。

人机交互界面，所述交互界面包括LCD显示屏、控制按键和通讯系统，用于显示断路器状态，控制断路器动作。

在所述的用于中压配网的双向混合式直流断路器中，所述信号采集系统包括测量直流输电系统的线路电压信号的第一电压传感器、测量直流输电系统的线路电流信号的第一电流传感器、测量断路器本体触头分合闸状态以及触头位移信息的位移传感器、分别测量作为操作机构的斥力机构驱动回路的电容电压信号的第二电压传感器、测量作为操作机构的斥力机构驱动回路的电流信号的第二电流传感器和测量断路器工作环境温度的温度传感器。

在所述的用于中压配网的双向混合式直流断路器中，所述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。

在所述的用于中压配网的双向混合式直流断路器中，所述斥力机构的驱动回路使用LC振荡方式作为驱动斥力机构运动，其中，直流电源与充电电阻Rq串联之后并联在放电电容Cq两端，续流二极管Dq并联在放电电容两端，其中二极管负极与电容正极相连，二极管正极与电容负极相连；控制晶闸管Tq正极与放电电容正极相连，负极与放电线圈相连，线圈另一端与放电电容负极相连。

在所述的用于中压配网的双向混合式直流断路器中，所述斥力机构由控制器光纤控制，依照控制系统的命令完成直流断路器的分、合闸操作，其机械延迟在450us以内。

在所述的用于中压配网的双向混合式直流断路器中，所述控制系统包括数字信号输入电路、处理器、数字信号输出电路、光电信号输出电路、驱动电路、继电器和供电电路。

在所述的用于中压配网的双向混合式直流断路器中，所述信号处理系统包括滤波电路、放大电路、A/D转换器和供电电源，所述AD转换器为高速AD，采样频率在650k以上。

在所述的用于中压配网的双向混合式直流断路器中，所述信号采集系统实时采集电压和电流信号，经由信号处理系统进行信号处理后以并行通讯方式实时输入控制系统。

在所述的用于中压配网的双向混合式直流断路器中，所述控制系统通过比较电流和短路阈值判断短路故障、分析主电流回路电流方向、输出光信号控制断路器进行分合闸操作、记录故障电流电压波形以及和上位机通讯，所述人机交互界面，，控制按键和通信系统。所述LCD显示屏实时显示系统电压、电流状态和/或驱动回路电容电压状态，所述控制按键包括分闸指令按键、合闸指令按键和/或放电按键。

根据本发明的另一方面，一种利用所述的用于中压配网的双向混合式直流断路器的开断方法包括以下步骤：

在第一步骤中，正常通流状态下，电流从机械开关S1和S2流过。

在第二步骤中，当检测到系统发生短路故障时，发出分闸指令，操作机构开始打开，晶闸管T2和晶闸管T3触发导通，电流开始向桥式电路转移。

在第三步骤中，经过一定的延迟之后，机械开关S2打开，产生电弧，振荡回路产生的振荡电流强迫主电流回路电流过零，当主电流回路电流过零，机械开关熄弧，主电流回路断开。

在第四步骤中，系统开始向桥式电路的转移电容充电，断路器两端的电压不断上升，当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同态阻抗很小，电流开始向过电压限制支路转移。

在第五步骤中，随着电流逐渐向过电压限制支路转移，桥式电路的电流逐渐减小，减小至零后晶闸管T2和T3过零关断，电流完全转移到过电压限制支路，由于系统电压小于过电压限制支路的导通阈值，很快过电压限制支路恢复高阻态，整个开断过程完成。

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用于中压配网的双向混合式直流断路器的整体框图；

图2是根据本发明一个实施例的用于中压配网的双向混合式直流断路器的工作整体流程示意图；

图3是根据本发明一个实施例的用于中压配网的双向混合式直流断路器的断路器本体的结构示意图；

图4(a)-图4(e)是根据本发明一个实施例的双向混合式直流断路器分断过程示意图；

图5是根据本发明一个实施例的利用用于中压配网的双向混合式直流断路器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是根据本发明一个实施例的用于中压配网的双向混合式直流断路器的整体框图,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用于中压配网的双向混合式直流断路器，一种用于中压配网的双向混合式直流断路器，所述双向混合式直流断路器包括断路器本体、信号采集系统、信号处理系统、控制系统、操作机构和人机交互界面。

图3是根据本发明一个实施例的用于中压配网的双向混合式直流断路器的断路器本体的结构示意图，如图3所示，所述断路器本体包括主电流回路、桥式电路、振荡支路、过电压限制支路和隔离开关V1，其中，主电流回路由两个机械开关S1、S2串联组成，其中S1一端加载出线端A1上，S2一端接在出线端A2上。

桥式电路由功率二极管D1、D2和晶闸管T1、T2、T3、T4组成，其中，D1并联在机械开关S1两端、D2并联在S2两端，D1正极和A1出线端相连，D2正极通过隔离开关V1和A2出线端相连，D1和D2负极和机械开关公共端相连，晶闸管T1和T2正极相连，负极分别接在出线端A1和隔离开关V1上，晶闸管T3和T4负极相连，正极分别接在出线端A1和隔离开关V1上。

振荡支路由转移电容C和振荡电感L串联组成，其中振荡电感L非公共端接在晶闸管T3和T4公共端上，转移电容C非公共端接在晶闸管T1和T2上。

过电压限制支路并联在机械开关S1和S2两端，分别接在出线端A1和隔离开关V1上。

图2是根据本发明一个实施例的用于中压配网的双向混合式直流断路器的工作整体流程示意图，如图2所示，信号采集系统，所述信号采集系统采集所述断路器本体的电压值、电流值、电流方向、作为操作机构的斥力机构的驱动回路的电压值、电流值、工作环境温度以及断路器机构的分闸、合闸状态以及触头位移信息。

信号处理系统，所述信号处理系统对所述信号采集系统所采集的信号处理，其包括滤波、放大和/或A/D转换。

控制系统，所述控制系统接收信号处理系统处理过的信号，完成电压信号、电流信号、电流上升率的分析，以及系统短路故障检测，根据分析结果，控制操作机构进分、合闸操作。

操作机构，所述操作机构依照接收到的所述控制系统电路的指令对断路器本体进行分闸或合闸操作。

人机交互界面，所述交互界面包括LCD显示屏、控制按键和通讯系统，用于显示断路器状态，控制断路器动作。

在所述的用于中压配网的双向混合式直流断路器的优选实施例中，所述信号采集系统包括测量直流输电系统的线路电压信号(U₁)的第一电压传感器、测量直流输电系统的线路电流信号(I₁)的第一电流传感器、测量断路器本体触头分合闸状态以及触头位移信息的位移传感器、分别测量作为操作机构的斥力机构驱动回路的电容电压信号(U₂)的第二电压传感器、测量作为操作机构的斥力机构驱动回路的电流信号(I₂)的第二电流传感器和测量断路器工作环境温度的温度传感器。

在所述的用于中压配网的双向混合式直流断路器的优选实施例中，所述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。

在所述的用于中压配网的双向混合式直流断路器的优选实施例中，所述斥力机构的驱动回路使用LC振荡方式作为驱动斥力机构运动，其中，直流电源与充电电阻Rq串联之后并联在放电电容Cq两端，续流二极管Dq并联在放电电容两端，其中二极管负极与电容正极相连，二极管正极与电容负极相连；控制晶闸管Tq正极与放电电容正极相连，负极与放电线圈相连，线圈另一端与放电电容负极相连。

在所述的用于中压配网的双向混合式直流断路器的优选实施例中，所述斥力机构由控制器光纤控制，依照控制系统的命令完成直流断路器的分、合闸操作，其机械延迟在450us以内。

在所述的用于中压配网的双向混合式直流断路器的优选实施例中，所述控制系统包括数字信号输入电路、处理器、数字信号输出电路、光电信号输出电路、驱动电路、继电器和供电电路。

在所述的用于中压配网的双向混合式直流断路器的优选实施例中，所述信号处理系统包括滤波电路、放大电路、A/D转换器和供电电源，所述AD转换器为高速AD，采样频率在650k以上。

在所述的用于中压配网的双向混合式直流断路器的优选实施例中，所述信号采集系统实时采集电压和电流信号，经由信号处理系统进行信号处理后以并行通讯方式实时输入控制系统。

在所述的用于中压配网的双向混合式直流断路器的优选实施例中，所述控制系统通过比较电流和短路阈值判断短路故障、分析主电流回路电流方向、输出光信号控制断路器进行分合闸操作、记录故障电流电压波形以及和上位机通讯，所述人机交互界面，，控制按键和通信系统。所述LCD显示屏实时显示系统电压、电流状态和/或驱动回路电容电压状态，所述控制按键包括分闸指令按键、合闸指令按键和/或放电按键。

在所述的用于中压配网的双向混合式直流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。

在所述的用于中压配网的双向混合式直流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4(a)-图4(e)是根据本发明一个实施例的双向混合式直流断路器分断过程示意图，下文将结合图4(a)-(e)说明开断过程。

在前文背景中介绍过，应用于直流输电系统的双向混合式直流断路器，其开断过程中不存在电流过零点，相较于一般工频交流系统而言，开断难度大。本发明通过并联LC振荡支路，制造人工电流过零点，实现直流开断。下面讲结合具体电路图说明电流从出线端A1流向出线端A流动时直流开断过程：

(1)、如图4(a)所示，正常通流状态下，电流从机械开关S1和S2流过，通态损耗小。

(2)、如图4(b)所示，当系统发生短路故障时，控制系统检测到直流系统发生短路故障时，发出分闸指令，操动机构开始打开，晶闸管T2和晶闸管T3触发导通，电流开始向桥式电路转移。

(3)、如图4(c)所示，经过一定的延迟之后，机械开关S2打开，产生电弧，振荡回路产生的振荡电流强迫主电流回路电流过零，当主电流回路电流过零，机械开关熄弧，主电流回路断开。

(4)、如图4(d)所示，直流系统开始向桥式电路的转移电容充电，断路器两端的电压不断上升，当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同态阻抗很小，电流开始向过电压限制支路转移。

(5)、如图4(a)-图4(e)所示，随着电流逐渐向过电压限制支路转移，桥式电路的电流逐渐减小，减小至零后晶闸管T2和T3过零关断，电流完全转移到过电压限制支路；

(6)、由于系统电压小于过电压限制支路的导通阈值，很快避雷器恢复高阻态，整个开断过程完成。此时检测到系统电流为零之后，打开机构S1和隔离开关V1。

在本发明中，结合图1、2对分闸过程进行进一步的说明。本发明包括信号采集系统、信号处理系统、控制系统、人机交互界面以及断路器本体。其中信号采集系统包括采集直流输电系统电压U1的第一电压传感器、采集系统线路电流信息I1的第一电流传感器、采集断路器触头分合闸信息的位移传感器、采集驱动回路电压U2的第二电压传感器、采集驱动回路电流信息I2的第二电流传感器，以及采集断路器周围环境温度信息的温度传感器。信号处理系统对采集到的各种物理信息进行处理，包括对信号进行滤波、放大，然后经由一个采样路可达650K的高速AD转换器进行模数转换，完成模数转换之后将处理结果输出给控制系统进行处理。控制系统分别计算直流输电系统的电压、电流幅值、电流流向、电流上升率、通过比较电流和设定阈值大小、以及分析电流上升率，分析系统是否发生短路。控制系统包括如下部分但不限于：数字信号输入电路、处理器、数字信号输出电路、继电器和供电电源。操作机构包括电磁斥力机构。通过控制器光信号控制斥力机构驱动回路晶闸管T2触发实现控制机构分合闸操作，机械延迟在450us以内。

环境温度的变化会带来直流电源的输出电压的波动，随着驱动回路的电压电流的变化，斥力机构工作的延迟随之变化，因此通过环境温度和放电电容的电压值补偿机构控制能够精确地控制斥力机构的动作，实现更加准确地分合闸操作。这个过程包括：信号采集系统通过驱动电容电压、电流传感器和环境温度传感器的收集驱动回路电压信号和断路器温度信号，输出给信号处理系统。信号处理系统接收到信号之后，完成滤波、放大、A/D转换操作，输出给控制系统。控制系统接收到温度和电压信号之后，依照事先存储在控制系统里的斥力机构延迟特性和电压电流对应环境温度的延迟曲线比照，通过线性插值的方法，精确计算出斥力机构的动作延迟。同时，根据斥力机构的延迟，以及依据电流和电压值，电流上升率，计算出准确的机构打开时刻，实现机构的准确控制。

上述三个传感器所采集到的信号如同上面所述的信号采集电路的其它信号一样，也被输入到信号处理电路，信号处理系统中的滤波电路、放大电路和AD能同时接入多路所采集的信号进行处理。经过处理后信号被送入控制系统。控制系统电路结合测得的驱动回路的电压值和采集到的断路器环境温度分别对所预测的线路电流过零点时刻进行补偿，进而调整机构动作的延迟时间，实现精确控制斥力机构，驱动断路器触头在指定时刻打开。

图5是根据本发明一个实施例的利用用于中压配网的双向混合式直流断路器的开断方法的步骤示意图，一种所述的用于中压配网的双向混合式直流断路器的开断方法包括以下步骤：

在第一步骤S1中，正常通流状态下，电流从机械开关S1和S2流过。

在第二步骤S2中，当检测到系统发生短路故障时，发出分闸指令，操作机构开始打开，晶闸管T2和晶闸管T3触发导通，电流开始向桥式电路转移。

在第三步骤S3中，经过一定的延迟之后，机械开关S2打开，产生电弧，振荡回路产生的振荡电流强迫主电流回路电流过零，当主电流回路电流过零，机械开关熄弧，主电流回路断开。

在第四步骤S4中，系统开始向桥式电路的转移电容充电，断路器两端的电压不断上升，当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同态阻抗很小，电流开始向过电压限制支路转移。

在第五步骤S5中，随着电流逐渐向过电压限制支路转移，桥式电路的电流逐渐减小，减小至零后晶闸管T2和T3过零关断，电流完全转移到过电压限制支路，由于系统电压小于过电压限制支路的导通阈值，很快过电压限制支路恢复高阻态，整个开断过程完成。

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。