[發明專利]直流固態斷路器及斷路控制方法

有效

• 申請號: 201610185793.8
• 申請日: 2016-03-29
• 公開（公告）號: CN105680411B
• 公開（公告）日: 2018-04-06
• 發明（設計）人: 李長樂;聶子玲;朱俊杰;胡風革;張銀峰;許杰;李華玉;韓一;孫軍
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍海軍工程大學
• 主分類號: H02H3/087
• 分類號: H02H3/087;H03K17/732
• 代理公司: 武漢開元知識產權代理有限公司42104
• 代理人: 潘杰,李滿

技術領域

本發明涉及電力開關技術領域，具體地指一種直流固態斷路器及斷路控制方法。

背景技術

近年來，直流電力系統在高壓直流輸電系統(HVDC)、船舶電力系統、軌道交通等領域的應用不斷擴展，使得直流輸配電系統設備的需求不斷增長，直流斷路器作為系統的關鍵保護設備有著廣泛地應用前景。

由于直流系統的電流沒有自然過零點，用于交流和直流系統斷路器的要求有顯著不同，以艦船直流系統為例，當直流系統中出現短路故障時，電流上升率可達到20A/μs以上，峰值電流達到110kA以上，傳統機械式斷路器分斷比較困難，需要特殊設計分斷、滅弧、觸頭系統來實現保護，而且線路電感中存儲的大量能量需要釋放，這將提高系統的耐壓水平和絕緣強度，而且不能滿足系統快速分斷故障的要求。

由于電力電子功率半導體能夠快速對電路進行開關，直流斷路器引入電力電子功率半導體進行直接或間接分斷故障電流。電力電子功率半導體作為電流分斷的主開關，即固態開關。

專利CN103578820A“改進的固態開關裝置”和Francesco等的論文“1MW Bi-directional DC SSCB based on air Cooled Reverse Blocking-IGCT”(2015-IEEE會議)設計了固態斷路器(Solid State Circuit Breaker,SSCB)，其主要優點在于，無電弧斷路操作而具有無限電器耐久性；與機電開關的分斷時間相比，SSCB分斷時間明顯更短。但這類設計存在兩種明顯缺陷：一是采用全控型電力電子器件，這類器件的額定電壓、電流和抗過載能力不高，在正常工作時的損耗較大；二是此類開關的操作必須根據非常精確、嚴格的時序來進行，需要檢測、控制配合一致。

將機械式開關的高耐壓、低損耗與固態開關的快速性結合，形成所謂的混合開關或混合斷路器。

專利US20150002977A1“Mechatronic circuit breaker device and associated tripping method and use thereof in interrupting a high direct current”和專利US20120299393“Device and method to break the current of a power transmission or distribution line and current limiting arrangement”設計了用于HVDC領域的混合斷路器，系統發生故障時，換流回路檢測到故障，關斷負載換流開關，將故障電流轉移至主回路，超高速隔離開關打開形成隔離，隨后主回路中的IGBT開關斷開(同時開關兩端電壓上升至避雷器動作電壓)，故障電流全部由避雷器流過并快速減小。這類設計存在兩種明顯缺陷：一是因為這類開關采用全控型電力電子器件多級串聯結構，對串聯均壓設計、每個半導體一致性要求較高，技術難度大，成本高昂；二是此類開關的操作也同樣必須根據非常精確、嚴格的時序來進行，需要檢測、控制配合一致。

上述技術均在短路故障時，采用檢測、判斷、控制進行保護，對這幾個環節依賴性很大，而這些環節的數據必然出現延遲或者失真，這將影響斷路器的可靠動作，給整個系統的保護帶來極大隱患；此外，這些技術需要使用大功率全控型電力電子器件(如：IGCT，IGBT等)，使得技術難度大、成本高昂。

發明內容

本發明的目的就是要提供一種直流固態斷路器及斷路控制方法，該斷路器及斷路控制方法可以解決傳統斷路器分斷速度慢，需要檢測、判斷、控制等進行短路保護而造成延時等問題，保證直流系統在發生故障時可靠關斷，增強系統可靠性。

為實現此目的，本發明所設計的直流固態斷路器，其特征在于：它包括晶閘管開關模塊(SCR)、換流回路、撬棒電路(Crowbar)和控制器，所述換流回路為T源阻抗網絡，所述撬棒電路由可控電力電子開關和電阻R串聯組成，所述控制器的可控電力電子開關控制信號輸出端連接可控電力電子開關的控制信號輸入端，控制器的晶閘管控制信號輸出端連接晶閘管開關模塊的控制信號輸入端，所述晶閘管開關模塊、換流回路和撬棒電路串聯連接。