一种双向分断的混合式断路器及其开断方法技术

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。

Mixed circuit breaker with bidirectional breaking and its breaking method

Disclosed is a bidirectional disconnection of the hybrid circuit breaker and method for disconnecting the circuit breaker, including the main circuit, current transfer circuit, overvoltage branch, on-line monitoring system, control system, terminal C1 and terminal C2, and the main current circuit, current transfer path and overvoltage in parallel, half controlled VD1 negative type power semiconductor devices and half controlled VD3 cathode type power semiconductor device connected to the high-speed mechanical switch fracture end, half controlled VD2 anode type power semiconductor devices and half controlled VD4 cathode type power semiconductor device connected to the high speed mechanical switch fracture at the other end. The hybrid type DC circuit breaker has the capability of bidirectional conduction and breaking, and is applied to the DC power supply system with two-way through flow.

【技术实现步骤摘要】
一种双向分断的混合式断路器及其开断方法
本专利技术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。
技术介绍
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
技术介绍
部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本专利技术背景的理解，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。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的不足或缺陷，本专利技术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。本专利技术的目的是通过以下技术方案予以实现。本专利技术的一方面，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。根据本专利技术的另一方面，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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征在于：(1)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；(2)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，其中：(A)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；(B)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；(C)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；(D)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；(3)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；(4)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。...

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于：(1)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；(2)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，其中：(A)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；(B)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；(C)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；(D)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；(3)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；(4)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。2.根据权利要求1所述的双向分断的混合式断路器，其特征在于：优选的，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭安祥，胡杨，苏扬，易强，郭佳豪，张含天，刘子瑞，杨飞，
申请(专利权)人：国家电网公司，国网陕西省电力公司电力科学研究院，西安交通大学，
类型：发明
国别省市：北京,11