采用瞬态换向电流注入电路的混合式断路器

摘要

一种断路器和操作方法。断路器包括第一电流路径和第二电流路径，第一电流路径包括机械开关，例如超快机械开关，第二电流路径与第一电流路径并联，并且第二电流路径具有与双向电力电子开关串联的电流注入器，例如瞬态换向电流注入电路。来自机械开关路径的短路故障电流通过电流注入传输到电子路径，然后中断故障电流。脉冲电流产生于第二电流路径中的电子开关，并且机械开关在脉冲电流期间被断开。在打开机械开关时，脉冲电流和电子开关减少或消除了电弧。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年11月13日提交的美国申请序列号No. 62/760,200的权益。该在审申请的全部内容通过引用合并于此，并构成本申请的一部分，包括但不限于在下文中具体出现的那些部分。

背景技术

本发明一般涉及电力分配或传输系统中的电路保护装置。

近年来，诸如MVDC（1,000V至100,000V）或HVDC（100,000V至1,000,000V）的DC（直流）电源系统因其具有更高的效率和功率容量而备受关注。但是，保护这些DC电源系统免受短路故障的影响仍然是一项重大技术挑战。由于直流电源中缺乏零交叉，传统的机电断路器无法可靠地中断DC故障电流。如图1所示，目前解决方案是在正常操作下在主电流传导路径中使用串联辅助换向电力电子开关，但这会导致明显的功率损耗和自发热。本发明旨在克服这种基本缺陷。

发明内容

本发明的总体目的是提供一种混合断路器，其能够将短路故障电流从机械开关支路快速传递到电子支路，然后在没有电弧的情况下中断故障电流。

本发明的总体目的至少可以部分地通过一种断路器来实现，该断路器包括具有机械开关的第一电流路径和与第一电流路径并联的第二电流路径。第二电流路径包括与电子开关串联的电流注入器。第一电流路径理想地不包括与机械开关串联的任何电子开关。

在本发明的实施方式中，机械开关是/或包括超快机械开关，和/或电子开关是/或包括双向电力电子开关。电流注入器可以是瞬态换向电流注入电路。

在本发明的实施方式中，断路器包括电流传感器，其中在传感器检测到过电流状况时，电流注入器产生脉冲电流。当电流注入器将负载电流从第一电流路径换向第二电流路径时，机械开关打开。

在本发明的实施方式中，压敏电阻与第二电流路径并联连接，其中在电子开关断开时，压敏电阻激活。压敏电阻可以在电流注入器的下游并且与电子开关并联。

断路器可以包括，或与之配合使用，任何合适的控制系统或电路，以在第一电流路径中检测到过电流状况时激活电流注入器。电流状态可以通过电流，电压和/或温度传感器来监控。在激活时，电流注入器产生电流，理想的是校准的脉冲电流，以将负载电流从第一电流路径换向第二电流路径。

本发明的实施方式所述的断路器可以包括电源转换器。电源转换器可以包括与电容器组合的辅助DC电源。

本发明还包括一种DC电路保护的方法，例如使用上述任何断路器实施方式。该方法包括经由电流注入将短路故障电流从机械开关支路传送到电子支路，然后中断故障电流。在正常工作条件下，负载电流从电源处通过所述机械电流支路/路径流向负载，而不是电子电流分支/路径。

在本发明的实施方式中，该方法包括：在第一电流路径中提供机械开关和在第二电流路径中提供电子开关，所述第二电流路径与第一电流路径并联；检测第一电流路径中的过电流状况；在第二电流路径中产生到电子开关的脉冲电流；在脉冲电流期间打开机械开关。脉冲电流可以基本上等于第一电流路径的负载电流和/或机械开关电流。脉冲电流和电子开关在打开机械开关时理想地减少或消除电弧。打开机械开关后，电子开关将关闭或以其他方式断开。

结合所附权利要求书和附图的以下详细描述，其他目的和优点对于本领域技术人员将是清晰的。

附图说明

图1是已知断路器的示意图。

图2是根据本发明的一个实施例的混合断路器的示意图。

图3A是根据本发明的一个实施例的基于降压转换器拓扑的单向电流注入器的示意图。

图3B是根据本发明的一个实施例的基于降压转换器拓扑的双向电流注入器的示意图。

图4A是根据本发明的一个实施例的基于正向转换器拓扑的单向电流注入器的示意图。

图4B是根据本发明的一个实施例的基于正向转换器拓扑的双向电流注入器的示意图。

图5A-C分别是根据本发明实施例的每个仿真波形。

具体实施方式

本发明包括断路器设备，该断路器设备检测并中断电力分配或传输系统中的故障电流，以将电路故障与系统的其余部分分离。本发明的设备和方法在诸如HVDC电网，太阳能或风力发电系统，电池能量存储系统（BESS），EV充电基础设施，公共交通，船舶和海底发电系统之类的DC电力系统中特别有用。

本发明的实施例包括两个平行的电流路径：机械路径和电力电子路径。参照图2的断路器20，机械路径30包括超快机械开关32。并联电子路径40包括主电力电子开关42。在正常工作条件下，负载电流通过超快机械开关32从电源（隔离开关22的左侧）流向负载（右侧）。注意机械路径30中优选没有电子开关，这样可以大大减少与上述现有技术中使用的辅助固态换向开关相关的大功率损耗（其电阻通常比机械开关高10-100倍）。

如图2所示，电子路径40包括与电子开关42串联的电流注入器50。例如，本发明实施例的电子路径具有串联的双向电力电子开关(例如IGBT或二极管)和电力电子瞬态换向器电流注入器 (TCCI) 电路，由于电阻高得多，因此在正常操作下不会传导负载电流。当电流传感器62检测到过电流情况时，控制系统或电路55激活TCCI 50以产生，例如在几十微秒内产生等于负载电流(和机械开关电流)的脉冲电流。现在电子路径40传导100%的负载（故障）电流，并且机械开关32可以在极少电弧或根本没有电弧的情况下打开。在短时间段(例如，数百微秒)之后，主电力电子开关42断开，驱使并联的压敏电阻60激活并吸收电路回路中的残余电磁能。现已完成中断动作。

在本发明的实施例中，TCCI电路理想地在正常条件下根本不工作，从而没有功率损耗。 一旦被控制电路调用，它就会迅速产生开关模式脉冲电流将负载电流从机械支路换向电子支路。电流模式控制方法可用于使其电流与负载电流精确匹配。TCCI 仅运行很短的时间段（例如，<200 微秒，最好<100 微秒），然后一旦机械和电子路径之间的换向完成，则允许负载电流自由地流过自身。出于说明目的，此处显示了 TCCI 的几个示例性设计。 已经进行了计算机模拟以验证设计，并且模拟波形也包括在图5A-C中。

图3A示出了基于在Q3、D7和L1之间形成的降压转换器的单向TCCI 50的实施例。辅助离线直流电源DC2用于给并联电容器52充电。接收到换向控制信号后，Q3接通以通过L1使电容器52放电，使电流斜升接近负载（故障）电流。当 TCCI 电流达到负载电流时 Q3 断开，并保持在 PWM（bang-bang 电流控制模式）以确保对负载电流的精确跟踪。 如图。 图3B示出了通过全桥55的双向TCCI 50的实施例。图4A-B是基于通过变压器58的正向转换器，并以与降压转换器类似的方式运行。 在整个图中，相同或相似的部件的附图标记保持一致。

因此，本发明提供了一种混合式断路器，其可以将短路故障电流从机械开关支路快速传送到电子支路，然后在没有电弧的情况下中断故障电流。

此处说明性公开的本发明可以在不存在此处未具体公开的任何元件、部分、步骤、组件或成分的情况下适当地实施。

虽然在前述详细说明中已经描述了关于本发明的某些优选实施例，并且为了说明的目的，许多细节已经阐明，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不背离本发明的基本原理的情况下，本发明易于采用另外的实施例和此处描述的某些细节可以有相当大的变化。