[發明專利]混合式直流斷路器

有效

• 申請號: 201210498261.1
• 申請日: 2012-11-30
• 公開（公告）號: CN103021739A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 吳翊;榮命哲;吳益飛;楊飛;邵方靜;孫昊
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H01H71/00
• 分類號: H01H71/00;H01H33/66;H03K17/13
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

技術領域

本發明涉及一種混合式直流斷路器，特別涉及一種通過電力電子門極可關斷器件單元控制強制轉移電路LC放電，實現無弧分斷，并且將過零電流變化率限制在較低范圍的斷路器。

背景技術

近年來，隨著電力系統容量的持續增長和用電負荷的不斷增加，電網中的短路電流水平日益提高，尤其對于某些特定的用電場合，例如大型艦船上的供電系統、軌道交通供電系統等等，短路電流峰值可達到100kA?以上，且短路電流上升速率極高(超過20A/μs)。傳統機械式斷路器受其自身物理機構的限制，當其動、靜觸頭分開時會產生電弧，延長了故障電流的切除時間，通常需要幾十乃至上百毫秒才能完成分斷，難以在短路電流上升期間將其分斷。由于直流系統短路電流上升速度很快，如果用傳統的機械式斷路器進行分斷，短路電流峰值往往已經超過了斷路器本身的極限分斷能力，使得斷路器無法分斷。同時，由于短路電流峰值極高，可能對運行在系統中的各個電力設備造成不可恢復的損害。

近年來，隨著半導體技術不斷發展，出現了基于電力電子門極可關斷器件的固態開關，其主要特點是分斷時間短，分斷過程無電弧。但是，與機械開關相比，固態開關正常通流情況下損耗較大，發熱嚴重，需要復雜的冷卻系統，因此其額定承載能力有限。同時，在抗涌流能力，抗系統過電壓方面，固態開關也有很大局限性。另一方面，在高壓直流斷路器分斷過程中，由于分斷電流峰值較大，電流過零時通常有很高的變化率di/dt，如圖1中所示的曲線AB，不僅難以精確預測電流過零點，無法控制高速機構帶動觸頭在電流過零點時打開，而且高的di/dt分斷會產生很高的過電壓，導致觸頭間介質擊穿，進而造成開斷失敗。

發明內容

針對上述現有技術存在的不足或缺陷，本發明的目的在于提供一種混合式直流斷路器及其控制方法。采用基于高速真空開關和電力電子門極可關斷器件控制LC放電技術，兼備了機械開關良好的靜態特性以及電力電子門極可關斷器件良好的動態特性。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種無弧開斷的混合式直流斷路器，包括高速真空開關VB、LC強制轉移電路、過電壓限制電路以及控制系統，其中，

高速真空開關VB、LC強制轉移電路以及過電壓限制電路并聯，

所述LC強制轉移電路由預充電電容C、電感L和電力電子門極可關斷器件串聯組成，

當所述LC強制轉移電路兩端的電壓達到過電壓限制電路的導通閾值時，過電壓限制電路導通，使得高速真空開關兩端電壓被限制在一定范圍；

所述控制系統監測系統電流和高速真空開關VB電流二者的電流值及變化率di/dt，并根據監測結果向高速真空開關VB和電力電子門極可關斷器件發出相應的控制命令。

另外，提出了一種用于所述斷路器的控制方法，包括以下步驟：

（1）當系統短路故障發生后，如果檢測到系統電流超過閾值，則所述控制系統首先控制高速真空開關中的盤式斥力線圈放電回路導通，使得高速真空開關實現分閘動作，再控制電力電子門極可關斷器件導通，此時LC強制轉移電路中的預充電電容C放電，其放電電流與高速真空開關中的電流方向相反，起到抵制高速真空開關中的電流的作用，使得流過高速真空開關中的電流開始下降；

（2）當高速真空開關中電流降至閾值i₂以下時，控制系統控制電力電子門極可關斷器件關斷，高速真空開關中電流上升，但不超過所述閾值i₂，控制系統根據高速真空開關打開需要的延遲時間確定高?速真空開關中電流上升時間，該上升時間完成后，控制電力電子門極可關斷器件導通，高速真空開關電流下降；其中，重復導通和關斷電力電子門極可關斷器件，控制高速真空開關電流值始終處于所述閾值i₂以下，并且電流整體呈下降趨勢，從而降低高速真空開關電流過零點附近的變化率，實現平穩過零；

（3）在電流過零時，高速真空開關無弧打開；當LC強制轉移電路兩端電壓達到系統過電壓閾值時，過電壓限制電路導通，使得高速真空開關兩端電壓被限制在一定范圍；由于過電壓限制電路兩端電壓高于系統電壓，混合式直流斷路器中流過的電流迅速下降至0，從而完成整個開斷過程。

附圖說明

圖1是高速真空開關電流i_M變化曲線圖；

圖2是電路整體拓撲結構圖；

圖3是高速真空開關原理示意圖；

圖4是控制系統框圖。

具體實施方式