一种用于分断故障电流的直流断路器、控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于分断故障电流的直流断路器，包括主电流电路和转移电流电路，主电流电路和转移电流电路并联连接。主电流电路包括一个或多个串联连接的高速机械开关，转移电流电路包括磁耦合转移模块和固态开关电路，磁耦合转移模块和固态开关电路串联连接。本发明专利技术还公开了一种用于分断故障电流的控制系统及方法。本发明专利技术能够实现对电流的快速分断，有效降低了断路器的体积及制造成本，利用磁耦合转移模块实现了电流的快速转移，并实现了二次充电电路和主回路的隔离，转移速度快，分断可靠性高。同时，采用续流电路与高速机械开关并联，避免了断路器开断完断口因重击穿造成的分断失败，进一步提高了分断的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种用于分断故障电流的直流断路器、控制系统及方法
本专利技术属于电气设备
，具体涉及一种用于分断故障电流的直流断路器、控制系统及方法。
技术介绍
由高速机械开关与功率半导体器件组成的混合型断路器具有通流容量大、关断速度快、限流能力强等优点，已经成为大容量系统开断领域的研究热点。使用具有全控功能的功率半导体器件分断电流的混合式直流断路器方案相比于其它混合式方案具有分断速度更快，更利于分断额定电流的优点。但在使用全控型功率半导体器件分断电流时，通常需要全控型功率半导体器件与机械开关串联实现电流转移，额定通流损耗高，制约了其推广和应用。传统直流断路器在分断完成后，机械开关需要耐受关断电压，由于机械断口介质绝缘强度恢复不充分，容易发生重击穿造成分断失败。传统的转移电流电路中的电容器充电电路与主回路直接相连，没有隔离，开断过程充电电源和主回路会发生干扰，并且对于主回路充电电源的耐压要求非常高，开断不可靠。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的不足，本专利技术提出了一种用于分断故障电流的直流断路器、控制系统及方法。本专利技术为解决上述技术问题，采用如下技术方案：一种用于分断故障电流的直流断路器，所述断路器包括主电流电路和转移电流电路，所述主电流电路和转移电流电路并联连接。所述主电流电路包括一个或多个串联连接的高速机械开关。所述转移电流电路包括磁耦合转移模块和固态开关电路，所述磁耦合转移模块和固态开关电路串联连接，所述固态开关电路包括一个或多个串联连接的桥式固态开关。本专利技术还提出了一种用于分断故障电流的控制系统，所述系统包括控制器和直流断路器，所述控制器与直流断路器连接，用于确定所述直流断路器分断故障电流的动作时序并控制所述直流断路器进行分断故障电流的动作。本专利技术还提出了一种用于分断故障电流的控制方法，所述方法如下，直流系统正常工作状态下，电流从主电流电路流过，磁耦合转移模块中的原边电容(C1)保持预充电状态，转移电流电路没有电流通过；当直流系统发生短路故障需要进行分断时，控制器控制所述主电流电路中的高速机械开关进行分闸动作，在分闸动作做出时，高速机械开关和触头仍处于闭合状态，通过控制器测量主电流电路的电流幅值和变化率，并根据预设的时序控制所述转移电流电路中各功率半导体器件是否动作以及相应的动作。本专利技术采用如上技术方案所带来的有益效果是：本专利技术能够实现对电流的快速分断，主电流电路承担额定电流，无通态损耗，无需散热措施。利用磁耦合转移模块实现电流快速转移，实现二次充电电路和主回路的隔离，转移速度快，分断可靠性高。采用桥式半导体结构实现电流双向分断，全控型功率半导体器件数量少，大大降低了断路器的造价。采用续流电路与高速机械开关并联，避免开断完断口重击穿造成分断失败，提高了分断可靠性。附图说明图1是本专利技术直流断路器本体结构示意图；图2是本专利技术直流断路器工作时的一种结构示意图；图3是分断电流时转移电流电路电流标志示意图；图4系统正常运行时主电流电路的电流流向图；图5是分断电流时转移电流电路t0-t1时刻的电流支路电流流向图；图6是分断电流时转移电流电路t2时刻的电流支路电流流向图；图7是分断电流时转移电流电路t3时刻的电流支路电流流向图；图8是分断电流时转移电流电路t4-t6时刻的电流支路电流流向图；图9是分断电流时各电流支路电路中的电流变化曲线图；图10至图18是本专利技术在固态开关电路和磁耦合转移模块中使用具体器件IGBT、IGCT、IEGT、晶闸管、二极管等器件作为功率半导体器件或续流电路、缓冲电路等连接方式的各具体实施结构或组合的示意图；图19至图21是本专利技术中缓冲电路采用的不同实施结构或组合的示意图。具体实施方式下面结合附图1-21和实施例对本专利技术进行详细描述，但不作为对本专利技术的限定。如图1所示，本专利技术提供的一种用于分断故障电流的直流断路器，包括主电流电路和转移电流电路。为了更好的说明断路器分断过程，本实施例给出了直流断路器电流从左向右流动的结构示意图，如图2所示。如图1、图2所示，直流断路器包括主电流电路和转移电流电路，主电流电路和转移电流电路并联。主电流电路包括一个或多个串联连接的高速机械开关。为防止高速机械开关电流转移后发生击穿，主电流电路还包括与所述高速机械开关相并联的续流电路。续流电路用于提供续流，防止高速机械开关电流转移后发生击穿。转移电流电路包括磁耦合转移模块和固态开关电路，所述磁耦合转移模块和固态开关电路串联连接。固态开关电路包括一个或多个串联连接的桥式固态开关。其中，桥式固态开关由第一功率半导体器件A1、第二功率半导体器件A2、第三功率半导体器件A3、第四功率半导体器件A4、第五功率半导体器件A5、缓冲电路A6和耗能电路A7组成。桥式固态开关的连接方式为：所述第一功率半导体器件A1与第二功率半导体器件A2串联，所述第三功率半导体器件A3与第四功率半导体器件A4串联，所述第一功率半导体器件A1与第二功率半导体器件A2之间具有第一端点，所述第三功率半导体器件A3与第四功率半导体器件A4之间具有第二端点，所述第一功率半导体器件A1与第三功率半导体器件A3之间具有第三端点，所述第二功率半导体器件A2与第四功率半导体器件A4之间具有第四端点，所述第五功率半导体器件A5连接于第一端点和第二端点之间，所述缓冲电路A6连接于第一端点和第二端点之间，耗能电路A7连接于第三端点和第四端点之间，或者，所述缓冲电路A6连接于第三端点和第四端点之间，耗能电路A7连接于第一端点和第二端点之间。磁耦合转移模块包括原边电路和副边电路。其中，原边电路由原边电感L1、原边电容C1、第一功率半导体器件B1、第二功率半导体器件B2、第三功率半导体器件B3和第四功率半导体器件B4组成。副边电路由串联在转移电流电路中的副边电感L2构成。所述原边电感和副边电感耦合组成互感器。原边电路的连接方式为：所述第一功率半导体器件B1与第二功率半导体器件B2串联，所述第三功率半导体器件B3与第四功率半导体器件B4串联，所述第一功率半导体器件B1与所述第二功率半导体器件B2之间具有第五端点，所述第三功率半导体器件B3与所述第四功率半导体器件B4之间具有第六端点，所述第一功率半导体器件B1与所述第三功率半导体器件B3之间具有第七端点，所述第二功率半导体器件B2与所述第四功率半导体器件B4之间具有第八端点，所述原边电容C1连接于所述第五端点和所述第六端点之间，所述原边电感L1连接于所述第七端点和所述第八端点之间。在一个优选实施例中，如图11所示，所述续流电路由两个功率半导体器件反并联连接构成，用于提供续流防止高速机械开关电流转移后发生击穿。在一个优选实施例中，所述第一功率半导体器件A1、第二功率半导体器件A2、第三功率半导体器件A3、第四功率半导体器件A4为不可控或具有半控功能的单向导通功率半导体器件或其组合，包括但不限于电力二极管、晶闸管、IGCT、IGBT和GTO中的任意一个或任意多个的组合。所述第五功率半导体器件A5为具有电流关断能力的全控型电力电子器件，包括但不限于IGCT、IGBT、IEGT和GTO中的任意一个或者任意多个的组合。在一个优选实施例中，所述高速机械开关为基于电磁斥力的高速机械开关或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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于分断故障电流的直流断路器，其特征在于，所述断路器包括主电流电路和转移电流电路；所述主电流电路和转移电流电路并联连接；所述主电流电路包括一个或多个串联连接的高速机械开关；所述转移电流电路包括磁耦合转移模块和固态开关电路，所述磁耦合转移模块和固态开关电路串联连接；所述固态开关电路包括一个或多个串联连接的桥式固态开关。

【技术特征摘要】
1.一种用于分断故障电流的直流断路器，其特征在于，所述断路器包括主电流电路和转移电流电路；所述主电流电路和转移电流电路并联连接；所述主电流电路包括一个或多个串联连接的高速机械开关；所述转移电流电路包括磁耦合转移模块和固态开关电路，所述磁耦合转移模块和固态开关电路串联连接；所述固态开关电路包括一个或多个串联连接的桥式固态开关。2.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，优选的，所述桥式固态开关由第一功率半导体器件(A1)、第二功率半导体器件(A2)、第三功率半导体器件(A3)、第四功率半导体器件(A4)、第五功率半导体器件(A5)、缓冲电路(A6)和耗能电路(A7)组成；所述第一功率半导体器件(A1)与第二功率半导体器件(A2)串联，所述第三功率半导体器件(A3)与第四功率半导体器件(A4)串联；所述第一功率半导体器件(A1)与第二功率半导体器件(A2)之间具有第一端点；所述第三功率半导体器件(A3)与第四功率半导体器件(A4)之间具有第二端点；所述第一功率半导体器件(A1)与第三功率半导体器件(A3)之间具有第三端点；所述第二功率半导体器件(A2)与第四功率半导体器件(A4)之间具有第四端点；所述第五功率半导体器件(A5)连接于第一端点和第二端点之间；所述缓冲电路(A6)连接于第一端点和第二端点之间，耗能电路(A7)连接于第三端点和第四端点之间；或者，所述缓冲电路(A6)连接于第三端点和第四端点之间，耗能电路(A7)连接于第一端点和第二端点之间。3.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述磁耦合转移模块包括原边电路和副边电路；所述原边电路由原边电感(L1)、原边电容(C1)、第一功率半导体器件(B1)、第二功率半导体器件(B2)、第三功率半导体器件(B3)和第四功率半导体器件(B4)组成；所述副边电路由串联在转移电流电路中的副边电感(L2)构成；所述原边电感和副边电感耦合组成互感器；所述第一功率半导体器件(B1)与第二功率半导体器件(B2)串联，所述第三功率半导体器件(B3)与第四功率半导体器件(B4)串联；所述第一功率半导体器件(B1)与所述第二功率半导体器件(B2)之间具有第五端点；所述第三功率半导体器件(B3)与所述第四功率半导体器件(B4)之间具有第六端点；所述第一功率半导体器件(B1)与所述第三功率半导体器件(B3)之间具有第七端点；所述第二功率半导体器件(B2)与所述第四功率半导体器件(B4)之间具有第八端点；所述原边电容(C1)连接于所述第五端点和所述第六端点之间；所述原边电感(L1)连接于所述第七端点和所述第八端点之间。4.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述主电流电路还包括与所述高速机械开关相并联的续流电路；所述续流电路用于提供续流，防止高速机械开关电流转移后发生击穿。5.根据权利要求2所述的直流断路器，其特征在于，所述第一功率半导体器件(A1)、第二功率半导体器件(A2)、第三功率半导体器件(A3)、第四功率半导体器件(A4)为不可控或具有半控功能的单向导通功率半导体器件或其组合，包括但不限于电力二极管、晶闸管中的任意一个或任意多个的组合；所述第五功率半导体器件(A5)为具有电流关断能力的全控型电力电子器件，包括但不限于IGCT、IGBT、IEGT和GTO中的任意一个或者任意多个的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨飞，吴翊，吴益飞，荣命哲，纽春萍，易强，胡杨，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61