基于机械开关电弧电压转移的直流断路器及其使用方法技术

公开了一种基于机械开关电弧电压转移的直流断路器及利用方法，直流断路器包括主电流回路、转移电流支路和耗能电路，并且主电流回路、转移电流支路和耗能电路并联，所述主电流回路由隔离用高速机械隔离开关S1和转移用高速机械开关S2串联组成；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；功率半导体器件(A5)连接于第一端点和第二端点之间，缓冲电路(A6)连接在第三端点和第四端点之间，耗能电路由一个或多个MOV串并联组成，耗能电路连接在所述第三端点和所述第四端点之间。

DC Circuit Breaker Based on Mechanical Switch Arc Voltage Transfer and Its Application

A DC circuit breaker based on mechanical switching arc voltage transfer and its utilization method are disclosed. The DC circuit breaker includes main current circuit, transfer current branch and energy dissipation circuit, and the main current circuit, transfer current branch and energy dissipation circuit are connected in parallel. The main current circuit is composed of high speed mechanical isolator S1 for isolation and transfer. A high-speed mechanical switch S2 is in series; a first power semiconductor device (A1) is in series with a second power semiconductor device (A2), the third power semiconductor device (A3) is in series with a fourth power semiconductor device (A4); a power semiconductor device (A5) is connected between the first and second endpoints, and a buffer circuit (A6) is connected between the third endpoint and the second endpoint. Between the fourth endpoint, the energy dissipation circuit is composed of one or more MOVs in series and parallel, and the energy dissipation circuit is connected between the third endpoint and the fourth endpoint.

【技术实现步骤摘要】
基于机械开关电弧电压转移的直流断路器及其使用方法
本专利技术涉及电气设备
，特别涉及基于机械开关电弧电压转移的直流断路器及其使用方法。
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。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，本专利技术的目的是通过以下技术方案予以实现。本专利技术的一方面，一种基于机械开关电弧电压转移的直流断路器包括主电流回路、转移电流支路和耗能电路，并且主电流回路、转移电流支路和耗能电路并联，所述主电流回路由隔离用高速机械隔离开关S1和转移用高速机械开关S2串联组成；所述转移电流支路一个或多个固态开关串联组成，所述固态开关由第一功率半导体器件、第二功率半导体器件、第三功率半导体器件、第四功率半导体器件、第五功率半导体器件和缓冲电路组成，其中：所述第一功率半导体器件与第二功率半导体器件串联，所述第三功率半导体器件与第四功率半导体器件串联；所述第一功率半导体器件与所述第二功率半导体器件之间具有第一端点；所述第三功率半导体器件与所述第四功率半导体器件之间具有第二端点；所述第一功率半导体器件与所述第三功率半导体器件之间具有第三端点；所述第二功率半导体器件与所述第四功率半导体器件之间具有第四端点；所述功率半导体器件连接于所述第一端点和所述第二端点之间，缓冲电路连接在所述第三端点和所述第四端点之间，耗能电路由一个或多个MOV串并联组成，耗能电路连接在所述第三端点和所述第四端点之间。在所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器中，所述隔离用高速机械隔离开关S1和/或转移用高速机械开关S2包含一个或者多个高速机械开关串并联，所述隔离用高速机械开关S1为有弧分断或无弧分断，所述转移用高速机械开关S2的灭弧室介质为空气、SF6、N2或H2。在所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器中，所述隔离用高速机械隔离开关S1和/或转移用高速机械开关S2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，隔离用高速机械开关S1的灭弧室介质为SF6或真空。在所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器中，所述第一功率半导体器件、第二功率半导体器件、第三功率半导体器件或第四功率半导体器件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，所述第五功率半导体器件为具有电流关断能力的全控型电力电子器件。在所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器中，缓冲电路连接在所述第一端点和所述第二端点之间，耗能电路连接在所述第一端点和所述第二端点之间。在所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器中，所述缓冲电路由电容、电阻或功率半导体器件中的一个或多个的组合组成，所述功率半导体器件为不控或半控的单向导通功率半导体器件。在所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器中，所述缓冲电路包括电容、电阻和功率半导体器件，所述电容与电阻串联，所述功率半导体器件与电阻并联。在所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器中，所述缓冲电路包括电容和电阻，所述电容与电阻串联。在所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器中，正常工作状态下，电流从所述主电流电路流过，固态开关电路中的第一功率半导体器件、第二功率半导体器件、第三功率半导体器件、第四功率半导体器件、第五功率半导体器件均处于关断状态，所述转移电流支路没有电流通过；当系统需要进行开断时，所述主电流电路中的所述高速机械开关进行分闸动作，由于所述高速机械开关存在机械延时，在分闸动作做出时，所述高速机械开关触头仍处于闭合状态；通过测量所述主电流电路的电流幅值和变化率确定所述转移电流支路中功率半导体器件是否动作以及相应的动作时序。根据本专利技术的另一方面，一种所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器的使用方法包括以下步骤：在第一步骤中，系统正常运行时，电流全部从主电流电路流过，系统发生短路故障，主电流电路电流开始上升，当超过系统短路阈值时，转移用高速机械开关S2先开始动作，或者隔离用高速机械开关S1和转移用高速机械开关S2同时动作；在第二步骤中，转移用高速机械开关S2触头间起弧后，控制导通固态开关电路中的功率半导体器件打开，所述转移电流支路导通，利用主电流电路转移用高速机械开关S2的电弧电压使得流经主电路的电流向转移电流支路快速转移；在第三步骤中，主电路电流全部转移至转移电流支路时，控制隔离用高速机械隔离开关S1分闸，或者，隔离用高速机械开关S1和转移用高速机械开关S2同时分闸，主电路电流全部转移至转移电流支路时，隔离用高速机械开关S1触头间电弧熄灭并形成机械断口；在第四步骤中，当高速机械隔离开关S1的触头间介质绝缘强度足够耐受开断过电压，控制固态开关电路中功率半导体器件关断，电流向缓冲电路转移，当缓冲电路电压超过耗能电路MOV的导通阈值电压，耗能电路导通；电流开始向耗能电路转移；在第五步骤中，电流全部转移至耗能电路，此时断路器两端的电压达到最高值，为开断过程中断路器两端过电压峰值；此后，耗能电路中的电流将开始下降，断路器两端的电压也开始缓慢下降，当系统电流小于耗能电路的最小导通电流时；耗能电路关闭，耗能电路两端电压迅速下降，耗能电路中的电流为零，断路器开断完成，断路器两端的电压降为系统电压。专利技术的优点如下：主电流电路只存在机械开关，无电力电子器件通流，无通态损耗，无需散热措施；通过优化拓扑结构设计，采用高速机械开关和高速机械隔离开关分别实现电流的快速转移和耐受分断电压，大大降低了单个机械开关的设计要求，有利于断路器工程实现。上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够使得本专利技术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，并且为了能够让本专利技术的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本专利技术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，本专利技术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，而并不认为是对本专利技术的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，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是根据本专利技术一个实施例的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器的结构示意图；图2是根据本专利技术一个实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于机械开关电弧电压转移的直流断路器，所述直流断路器包括主电流回路、转移电流支路和耗能电路，并且主电流回路、转移电流支路和耗能电路并联，其特征在于：所述主电流回路由隔离用高速机械隔离开关S1和转移用高速机械开关S2串联组成；所述转移电流支路一个或多个固态开关串联组成，所述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)和缓冲电路(A6)组成，其中：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)与所述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)与所述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)与所述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)与所述第四功率半导体器件(A4)之间具有第四端点；所述功率半导体器件(A5)连接于所述第一端点和所述第二端点之间，缓冲电路(A6)连接在所述第三端点和所述第四端点之间，耗能电路由一个或多个MOV串并联组成，耗能电路连接在所述第三端点和所述第四端点之间。...

【技术特征摘要】
1.一种基于机械开关电弧电压转移的直流断路器，所述直流断路器包括主电流回路、转移电流支路和耗能电路，并且主电流回路、转移电流支路和耗能电路并联，其特征在于：所述主电流回路由隔离用高速机械隔离开关S1和转移用高速机械开关S2串联组成；所述转移电流支路一个或多个固态开关串联组成，所述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)和缓冲电路(A6)组成，其中：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)与所述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)与所述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)与所述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)与所述第四功率半导体器件(A4)之间具有第四端点；所述功率半导体器件(A5)连接于所述第一端点和所述第二端点之间，缓冲电路(A6)连接在所述第三端点和所述第四端点之间，耗能电路由一个或多个MOV串并联组成，耗能电路连接在所述第三端点和所述第四端点之间。2.根据权利要求1所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器，其特征在于：优选的，所述隔离用高速机械隔离开关S1和/或转移用高速机械开关S2包含一个或者多个高速机械开关串并联，所述隔离用高速机械开关S1为有弧分断或无弧分断，所述转移用高速机械开关S2的灭弧室介质为空气、SF6、N2或H2。3.根据权利要求1所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器，其特征在于：所述隔离用高速机械隔离开关S1和/或转移用高速机械开关S2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，隔离用高速机械开关S1的灭弧室介质为SF6或真空。4.根据权利要求1所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器，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)或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，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。5.根据权利要求1所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器，其特征在于：缓冲电路(A6)连接在所述第一端点和所述第二端点之间，耗能电路连接在所述第一端点和所述第二端点之间。6.根据权利要求1所述的基于机械开关电弧电压转移的直流断路器，其特征在于：所述缓冲电路由电容(C)、电阻(R)或功率半导体器件(D)中的一个或多个的组合组成，所述功率半导体器件(...

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