專利名稱：一種高壓混合式直流斷路器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高壓混合式直流斷路器，特別涉及一種通過多個混合式直流斷路器模塊串聯(lián)實現(xiàn)高電壓等級領(lǐng)域的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
由高速機(jī)械開關(guān)與大功率半導(dǎo)體器件組成的混合式直流斷路器具有通流容量大、關(guān)斷速度快、限流能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為直流開斷領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?；旌鲜街绷鲾嗦菲鳛榱讼拗啤⒎?jǐn)喔呱仙识搪冯娏?，必須反?yīng)迅速、動作可靠，從而能夠在短路故障發(fā)生初期切斷故障電路。一般來說，功率半導(dǎo)體器件的動作速度極快，因而機(jī)械開關(guān)的反應(yīng)速度成為制約混合式直流斷路器開斷性能的瓶頸。同時由于混合型直流斷路器在切斷短路電流時機(jī)械開關(guān)兩端會出現(xiàn)大于系統(tǒng)電壓的瞬態(tài)過電壓，因此對于混合式直流斷路器的轉(zhuǎn)移電流電路提出了更高的要求，通過調(diào)整轉(zhuǎn)移電流電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制短路情況下兩端的電壓上升速率，使高速機(jī)械開關(guān)觸頭間隙可以承受開斷過程過產(chǎn)生的電壓，保證可靠分?jǐn)唷?br>
發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足或缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種高壓混合式直流斷路器及其控制方法。該斷路器由多個完全相同的斷路器模塊組成，通過斷路器模塊控制轉(zhuǎn)移電流電路的功率半導(dǎo)體器件按照一定時序?qū)ǎ梢杂行拗茢嗦菲鲀啥说倪^電壓上升速率，并且由于開斷過程中電容電流經(jīng)過了兩次轉(zhuǎn)移，斷路器模塊開斷完成后預(yù)充電電容上的電壓方向與動作前的預(yù)充電電壓方向一致，省去了電容C的充電過程。同時，通過控制部分?jǐn)嗦菲髂K分閘可以實現(xiàn)短路限流功能。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種高壓混合式直流斷路器，由多個完全相同的斷路器模塊串聯(lián)組成，每個斷路器模塊包括主電流電路，轉(zhuǎn)移電流電路、過電壓限制電路以及控制系統(tǒng)。其中，高速機(jī)械開關(guān)FCB、轉(zhuǎn)移電流電路以及過電壓限制電路并聯(lián)，轉(zhuǎn)移電流電路由電路1-電路4組成。其中:轉(zhuǎn)移電路支路14串聯(lián)后與主電流電路并聯(lián)；預(yù)充電電容和電路3串聯(lián)后與電路4并聯(lián)；電路2 —端與主電流電路的左端相連，一端與預(yù)充電電容和電路3的連接點(diǎn)處相連。當(dāng)所述轉(zhuǎn)移電流電路兩端的電壓達(dá)到過電壓限制電路的導(dǎo)通閾值時，過電壓限制電路導(dǎo)通，使得主電流電路兩端電壓被限制在一定范圍；所述控制系統(tǒng)監(jiān)測主電流電路和轉(zhuǎn)移電流電路中電路I的電流幅值和電流變化率，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果控制斷路器模塊高速機(jī)械開關(guān)和轉(zhuǎn)移電流電路中的電路1-電路4按照一定時序動作。通過混合式斷路器模塊的串聯(lián)，不僅可以提高應(yīng)用電壓等級，同時各個斷路器模塊之間連接方便，可以根據(jù)實際系統(tǒng)電壓要求調(diào)整斷路器模塊串聯(lián)個數(shù)。本發(fā)明包含的斷路器不僅可以實現(xiàn)高電壓等級下的短路分?jǐn)啵铱梢酝ㄟ^控制部分?jǐn)嗦菲髂K進(jìn)行分閘動作實現(xiàn)高電壓等級下的短路限流功能。具體的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種高壓混合式直流斷路器，所述高壓混合式直流斷路器由n個完全相同的斷路器模塊1-斷路器模塊n串聯(lián)組成，Sl-Sn+1為n+1個斷路器模塊系統(tǒng)接入端，其中所述斷路器模塊包括主電流電路，轉(zhuǎn)移電流電路、過電壓限制電路、控制系統(tǒng)，以及系統(tǒng)接入端S1、Si+1，其中I ( i Sn，且主電流電路、轉(zhuǎn)移電流電路以及過電壓限制電路并聯(lián)，其特征在于:(I)所述主電流電路由高速機(jī)械開關(guān)和功率半導(dǎo)體器件AO串聯(lián)組成，其中:所述接入端Si連接所述高速機(jī)械開關(guān)的一端，以便實現(xiàn)所述接入端Si與所述主電流電路一端的連接；所述高速機(jī)械開關(guān)的另一端與所述功率半導(dǎo)體器件AO的一端相連；所述功率半導(dǎo)體器件AO的另一端則連接所述接入端Si+1，以便實現(xiàn)所述接入端Si+1與所述主電流電路的另一端的連接；(2)所述轉(zhuǎn)移電流電路包括功率半導(dǎo)體器件Al組成的電路1，電感L_0和功率半導(dǎo)體器件A2串聯(lián)組成的電路2，電感L_1和功率半導(dǎo)體器件A3串聯(lián)組成的電路3，功率半導(dǎo)體器件A4組成的電路4以及一預(yù)先充有一定電壓的預(yù)充電電容器C，并且所述電路I與所述電路4串聯(lián)，所述電路2則與所述電路3串聯(lián)，其中:(A)所述電路I和所述電路4串聯(lián)組成轉(zhuǎn)移電流電路支路14，且所述支路14與所述主電流電路并聯(lián)，并且:所述接入端Si連接所述功率半導(dǎo)體器件Al的一端，以便實現(xiàn)與所述支路14的一端的連接；所述功率半導(dǎo)體器件Al的另一端則與所述功率半導(dǎo)體器件A4的一端連接以便實現(xiàn)所述電路I和所述電路4的串聯(lián)；所述功率半導(dǎo)體器件A4的另一端則與所述接入端S2連接，以便實現(xiàn)所述支路14的另一端與所述接入端S2的連接，從而實現(xiàn)所述支路14與所述主電流電路的并聯(lián)；(B)所述電路2和所述電路3串聯(lián)組成轉(zhuǎn)移電流電路支路23，且所述支路23與所述主電流電路并聯(lián)，并且:所述接入端Si連接所述電感L_0的一端，以便實現(xiàn)與所述支路23的一端的連接；所述電感L_0的另一端則連接所述功率半導(dǎo)體器件A2的一端；所述功率半導(dǎo)體器件A2的另一端則連接所述電感L_1的一端，以便實現(xiàn)所述電路2與所述電路3的串聯(lián)；所述電感1 1的另 一端則與所述功率半導(dǎo)體器件A3的一端連接；所述功率半導(dǎo)體器件A3的另一端則與所述接入端S2連接，以便實現(xiàn)所述支路23的另一端與所述接入端Si+1的連接，從而實現(xiàn)所述支路23與所述主電流電路的并聯(lián)；(C)所述電路I和所述電路4之間的端點(diǎn)，與所述電路2和所述電路3之間的端點(diǎn)，這兩個端點(diǎn)之間則連接所述預(yù)充電電容器C ;(3)所述控制系統(tǒng)測量流經(jīng)所述接入端Si或Si+1的電流、流經(jīng)所述主電流電路的電流、流經(jīng)所述轉(zhuǎn)移電流電路中所述電路I的電流、流經(jīng)所述過電壓限制電路的電流、所述高速機(jī)械開關(guān)的開關(guān)兩端的電壓和所述高速機(jī)械開關(guān)的開關(guān)位移，通過測量所述主電流電路的電流幅值和變化率以及所述轉(zhuǎn)移電流電路中電路I的電流幅值和變化率控制所述高速機(jī)械開關(guān)和轉(zhuǎn)移電流電路中的功率半導(dǎo)體器件Al至A4動作。其中，對于所述斷路器模塊，正常工作狀態(tài)下，電流從所述主電流電路流過，所述預(yù)充電電容器C上充有一定的電壓，且電壓方向與所述主電流電路的導(dǎo)通壓降方向相反；此時，所述轉(zhuǎn)移電流電路中的電路I至電路4均處于關(guān)斷狀態(tài)，所述轉(zhuǎn)移電流電路沒有電流通過，所述過電壓限制電路也沒有電流流過；當(dāng)系統(tǒng)需要進(jìn)行開斷時，所述控制系統(tǒng)首先控制所述主電流電路中的所述高速機(jī)械開關(guān)進(jìn)行分閘動作，由于所述高速機(jī)械開關(guān)存在機(jī)械延時，此時所述高速機(jī)械開關(guān)觸頭仍處于閉合狀態(tài)；然后通過測量所述主電流電路的電流幅值和變化率以及所述轉(zhuǎn)移電流電路中所述電路I的電流幅值和電流變化率確定所述轉(zhuǎn)移電流電路中功率半導(dǎo)體器件Al至A4是否動作以及相應(yīng)的動作時序。其中，所述控制系統(tǒng)包括:用于測量流經(jīng)所述接入端SI或S2電流的電流傳感器T0、用于測量流經(jīng)主電流電路的電流的電流傳感器Tl、用于測量流經(jīng)轉(zhuǎn)移電流電路中電路I的電流的電流傳感器T2、用于測量流經(jīng)過電壓限制電路的電流的電流傳感器T3、高速機(jī)械開關(guān)的開關(guān)兩端電壓傳感器V，和高速機(jī)械開關(guān)的開關(guān)位移傳感器P，以及:信號調(diào)理電路，高速AD，處理器和人機(jī)交互界面，所述處理器完成系統(tǒng)電流、主電流電路的電流和電路I電流的幅值及變化率di/dt計算，所述人機(jī)交互界面實時顯示混合式直流斷路器狀態(tài)及計算結(jié)果。其中，所述功率半導(dǎo)體器件AO和A2為具有單向?qū)üδ艿墓β拾雽?dǎo)體器件或者其組合；所述功率半導(dǎo)體器件A1、A3和A4為具有單向?qū)üδ芎桶肟毓δ艿墓β拾雽?dǎo)體器件或者其組合，所述具有半控功能的功率半導(dǎo)體器件包括但不局限于晶閘管、IGCT、IGBT和GTO中的任意一個或者任意多個的組合。其中，根據(jù)斷路器模塊開斷方式不同，功率半導(dǎo)體器件A0-A4中的一個或者多個為全控型器件。其中，所述過電壓限制電路在斷路器正常運(yùn)行情況下處于截止?fàn)顟B(tài)，漏電流小于I U A ;過電壓限制電路的導(dǎo)通電壓閾值為斷路器所處的系統(tǒng)電壓的1.5倍。其中，當(dāng)進(jìn)行短路限流時，控制m個斷路器模塊進(jìn)行短路限流動作，使其中的電流轉(zhuǎn)移至所述斷路器模塊的所述過電壓限制電路，其中0 < m < n，并且m可變，從而在高壓混合式直流斷路器兩端建立起不同的電壓。其中，在限流中輪流控制不同的所述m個斷路器模塊進(jìn)行限流動作。其中，進(jìn)行分閘動作時，控制所述高壓混合式直流斷路器中所有的斷路器模塊進(jìn)行分閘動作。


圖1是斷路器模塊結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是斷路器模塊控制系統(tǒng)傳感器分布示意圖；圖3是斷路器模塊過電壓限制電路伏安特性曲線圖；圖4是斷路器模塊串聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是斷路器模塊分?jǐn)嚯娏鞔笥陬~定電流時轉(zhuǎn)移電流電路電流標(biāo)志示意圖；圖6是斷路器模塊分?jǐn)嚯娏鞔笥陬~定電流時各轉(zhuǎn)移電流電路電流流向圖；圖7是分?jǐn)嚯娏鞔笥陬~定電流時所有電流變化曲線疊加后的圖；圖8是分?jǐn)嚯娏鞔笥陬~定電流時，相應(yīng)于圖7，轉(zhuǎn)移電流電路中各電流變化曲線圖；圖9是斷路器模塊分?jǐn)嚯娏鞔笥陬~定電流時預(yù)充電電容器電壓曲線圖；圖10是斷路器模塊分?jǐn)嚯娏鞔笥陬~定電流時斷路器兩端電壓曲線圖；圖11是斷路器模塊分?jǐn)嚯娏餍∮诘扔陬~定電流時轉(zhuǎn)移電流電路電流標(biāo)志示意圖；圖12是斷路器模塊分?jǐn)嚯娏餍∮诘扔陬~定電流時各轉(zhuǎn)移電流電路電流流向圖；圖13是分?jǐn)嚯娏餍∮诘扔陬~定電流時所有電流變化曲線疊加后的圖；圖14是分?jǐn)嚯娏餍∮诘扔陬~定電流時，相應(yīng)于圖13，轉(zhuǎn)移電流電路中各電流變化曲線圖；圖15是斷路器模塊分?jǐn)嚯娏餍∮诘扔陬~定電流時斷路器兩端電壓曲線圖；圖16是本發(fā)明斷路器模塊的一種具體實施實例圖；圖17是本發(fā)明斷路器模塊的一種具體實施實例圖；圖18是本發(fā)明斷路器模塊的一種具體實施實例圖；圖19是斷路器模塊控制系統(tǒng)框圖；圖20是高壓混合式直流斷路器投入結(jié)構(gòu)圖；圖21是高壓混合式直流斷路器短路限流過程示意圖；圖22是高壓混合式直流斷路器短路分?jǐn)噙^程示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖來說明本發(fā)明的具體實施方式
。圖1為斷路器模塊結(jié)構(gòu)示意圖，包括主電流電路、轉(zhuǎn)移電流電路以及過電壓限制電路。圖2為斷路器模塊控制系統(tǒng)傳感器在混合式斷路器中的分布。圖3給出了過電壓限制電路的伏安特性曲線。圖19是斷路器模塊控制系統(tǒng)框圖。參見圖1，公開了一種混合式斷路器模塊，所述斷路器模塊包括主電流電路，轉(zhuǎn)移電流電路、過電壓限制電路，和控制系統(tǒng)，以及系統(tǒng)接入端S1、系統(tǒng)接入端S2，且主電流電路、轉(zhuǎn)移電流電路以及過電壓限制電路并聯(lián)。所述主電流電路由高速機(jī)械開關(guān)和功率半導(dǎo)體器件AO串聯(lián)組成，其中:接入端SI連接高速機(jī)械開關(guān)的一端，以便實現(xiàn)接入端SI與主電流電路一端的連接；高速機(jī)械開關(guān)的另一端則與功率半導(dǎo)體器件AO的一端相連；功率半導(dǎo)體器件AO的另一端則連接所述接入端S2，以便實現(xiàn)接入端S2與所述主電流電路的另一端的連接。所述轉(zhuǎn)移電流電路包括功率半導(dǎo)體器件Al組成的電路1，電感L_0和功率半導(dǎo)體器件A2串聯(lián)組成的電路2，電感L_1和功率半導(dǎo)體器件A3串聯(lián)組成的電路3，功率半導(dǎo)體器件A4組成的電路4以及一預(yù)先充有一定電壓的預(yù)充電電容器C，并且所述電路I與所述電路4串聯(lián)，所述電路2則與所述電路3串聯(lián)。其中:所述電路I和所述電路4串聯(lián)組成轉(zhuǎn)移電流電路支路14，且所述支路14與所述主電流電路并聯(lián)，并且:所述接入端SI連接所述功率半導(dǎo)體器件Al的一端，以便實現(xiàn)與所述支路14的一端的連接；所述功率半導(dǎo)體器件Al的另一端則與所述功率半導(dǎo)體器件A4的一端連接以便實現(xiàn)所述電路I和所述電路4的串聯(lián)；所述功率半導(dǎo)體器件A4的另一端則與所述接入端S2連接，以便實現(xiàn)所述支路14的另一端與所述接入端S2的連接，從而實現(xiàn)所述支路14與所述主電流電路的并聯(lián)。所述電路2和所述電路3串聯(lián)組成轉(zhuǎn)移電流電路支路23，且所述支路23與所述主電流電路并聯(lián)，并且:所述接入端SI連接所述電感L_0的一端，以便實現(xiàn)與所述支路23的一端的連接；所述電感L_0的另一端則連接所述功率半導(dǎo)體器件A2的一端；所述功率半導(dǎo)體器件A2的另一端則連接所述電感L_1的一端，以便實現(xiàn)所述電路2與所述電路3的串聯(lián)；所述電感1^_1的另一端則與所述功率半導(dǎo)體器件A3的一端連接；所述功率半導(dǎo)體器件A3的另一端則與所述接入端S2連接，以便實現(xiàn)所述支路23的另一端與所述接入端S2的連接，從而實現(xiàn)所述支路23與所述主電流電路的并聯(lián)。所述電路I和所述電路4之間的端點(diǎn)，與所述電路2和所述電路3之間的端點(diǎn)，這兩個端點(diǎn)之間則連接所述預(yù)充電電容器C ；所述控制系統(tǒng)測量流經(jīng)所述接入端SI或S2的電流、流經(jīng)所述主電流電路的電流、流經(jīng)所述轉(zhuǎn)移電流電路中所述電路I的電流、流經(jīng)所述過電壓限制電路的電流、所述高速機(jī)械開關(guān)的開關(guān)兩端的電壓和所述高速機(jī)械開關(guān)的開關(guān)位移，通過測量所述主電流電路的電流幅值和變化率以及所述轉(zhuǎn)移電流電路中電路I的電流幅值和變化率控制所述高速機(jī)械開關(guān)和轉(zhuǎn)移電流電路中的功率半導(dǎo)體器件Al至A4動作。其中，所述功率半導(dǎo)體器件AO和A2為具有單向?qū)üδ艿墓β拾雽?dǎo)體器件或者其組合；所述功率半導(dǎo)體器件A1、A3和A4為具有單向?qū)üδ芎桶肟毓δ艿墓β拾雽?dǎo)體器件或者其組合。所述具有半控功能的功率半導(dǎo)體器件包括晶閘管、IGCT、IGBT和GTO中的任意一個或者任意多個的組合。應(yīng)當(dāng)知道，不僅半控器件具有半控功能，全控器件也具有半控功能。但是，根據(jù)斷路器開斷方式不同，功率半導(dǎo)體器件A0-A4中的一個或者多個為全控型器件。其中，所述高速機(jī)械開關(guān)為可以為基于電磁斥力的高速機(jī)械開關(guān)、基于高速電機(jī)驅(qū)動的機(jī)械開關(guān)或基于爆炸驅(qū)動的高速機(jī)械開關(guān)中的任意一種。所述過電壓限制電路為包括壓敏電阻、氧化鋅閥片組成的MOV、或者避雷器中的一個或者任意多個的組合。參見圖2，以及圖19，斷路器模塊的控制系統(tǒng)包括:用于測量流經(jīng)所述接入端SI或S2電流的電流傳感器T0、用于測量流經(jīng)主電流電路的電流傳感器Tl、用于測量流經(jīng)轉(zhuǎn)移電流電路中電路I的電流傳感器T2、用于測量流經(jīng)過電壓限制電路的電流傳感器T3、高速機(jī)械開關(guān)的開關(guān)兩端電壓傳感器V，和高速機(jī)械開關(guān)的開關(guān)位移傳感器P，以及:信號調(diào)理電路，高速AD，處理器和人機(jī)交互界面，所述處理器完成系統(tǒng)電流、主電流電路的電流和電路I電流的幅值及變化率di/dt計算，所述人機(jī)交互界面實時顯示混合式直流斷路器狀態(tài)及計算結(jié)果。1.斷路器模塊串聯(lián)過程如圖4給出了斷路器模塊串聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖。其中Sl-Sn+1為n+1個斷路器模塊的系統(tǒng)接入端。為了便于斷路器模塊的連接，斷路器模塊之間均通過連接開關(guān)連接，連接開關(guān)可以包含但不局限于為隔離開關(guān)、真空開關(guān)等。連接為串聯(lián)過程需要的設(shè)備，不屬于本發(fā)明范疇。通過斷路器模塊串聯(lián)可以提高混合式直流斷路器的應(yīng)用電壓等級，同時各個斷路器模塊之間連接方便，可以根據(jù)實際系統(tǒng)電壓要求調(diào)整斷路器模塊串聯(lián)個數(shù)。2.斷路器模塊過電壓限制電路導(dǎo)通以及關(guān)斷過程 如圖3給出了過電壓限制電路的伏安特性曲線。其中Ul為過電壓限制電路的導(dǎo)通閾值電壓，U2為過電壓限制電路具有電壓鉗位作用的最高電壓。當(dāng)過電壓限制電路兩端的電壓小于Ul時，過電壓限制電路截止，其漏電流小于luA，即處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)電壓限制電路兩端的電壓達(dá)到其導(dǎo)通閾值后，隨著電流的急劇增加，過電壓限制電電路兩端的電壓變化很小。過電壓限制電路設(shè)計參數(shù)包括:電壓限制電路容量(吸收的能量)、導(dǎo)通電壓閾值、達(dá)到導(dǎo)通電壓時的電流、最高鉗位電壓以及處于最高鉗位電壓時電流。當(dāng)電流大于最高鉗位電壓的電流時，過電壓限制電路會失去電壓鉗位作用，即過電壓限制作用失敗。通常，過電壓限制電路導(dǎo)通閾值為正常運(yùn)行狀態(tài)的1.5倍，即過電壓限制電路導(dǎo)通后由于其電壓鉗位作用，當(dāng)其內(nèi)部有電流存在(大于ImA)時兩端電壓高于系統(tǒng)電壓，直至系統(tǒng)電流小于ImA時過電壓限制電路截止關(guān)斷。3.斷路器模塊分?jǐn)噙^程(I)分?jǐn)嚯娏鞔笥陬~定電流情況圖5給出了斷路器模塊分?jǐn)嚯娏鞔笥陬~定電流時轉(zhuǎn)移電流電路各支路電流標(biāo)志，其中io為流經(jīng)接入端SI或者接入端S2的電流，il為流經(jīng)主電流電路的電流，12為流經(jīng)電路I的電流，i3為流經(jīng)電路2的電流，i4為流經(jīng)預(yù)充電電容器C的電流，i5為流經(jīng)電路3的電流，i6為流經(jīng)電路4的電流，i7為流經(jīng)過電壓限制電路的電流。圖6給出了斷路器模塊分?jǐn)嚯娏鞔笥陬~定電流時轉(zhuǎn)移電流電路中各支路電流方向具體的為對應(yīng)從tO到t9各時刻的各支路電流方向。圖7給出了分?jǐn)嚯娏鞔笥陬~定電流時所有電流變化曲線疊加后的圖。圖8給出了分?jǐn)嚯娏鞔笥陬~定電流時，相應(yīng)于圖7，轉(zhuǎn)移電流電路各個支路電流變化曲線圖，其具體的操作步驟包括以下幾個方面:I)如圖7，圖8(a)所示，在時間tO之前，系統(tǒng)正常運(yùn)行，電流全部從主電流電路流過，如圖6(a)所示，系統(tǒng)額定電壓為U0，額定電流為第一額定電流10。2) tO時刻，系統(tǒng)發(fā)生短路故障，主電流電路電流開始上升，在tO和tl間，當(dāng)超過系統(tǒng)短路閾值時，控制系統(tǒng)動作，由于高速機(jī)械開關(guān)延遲時間比功率半導(dǎo)體器件的響應(yīng)時間長，首先控制高速機(jī)械開關(guān)進(jìn)行分閘動作。3)tl時刻，如圖6(b)所示，控制功率半導(dǎo)體器件Al和A3導(dǎo)通，由于預(yù)充電電容器兩端的電壓方向與主電流電路兩端電壓方向相反，即功率半導(dǎo)體器件Al、電容C，電感L_1和功率半導(dǎo)體器件A3組成的支路兩端壓降比主電流電路兩端壓降低。主電流電路中的電流開始向下轉(zhuǎn)移，即il開始下降，i2開始上升，如圖8(b)和(c)所示。 4) t2時刻，如圖6 (C)所示，高速機(jī)械開關(guān)電流全部轉(zhuǎn)移至功率半導(dǎo)體器件Al、電容C，電感L_1和功率半導(dǎo)體器件A3組成的支路。如圖9所示，此時電容C兩端的電壓方向沒有改變。5) t3時刻，高速機(jī)械開關(guān)觸頭無弧打開，混合式斷路器模塊兩端開始建立電壓，由于此時電容C上的方向依舊沒有改變，因此斷路器模塊兩端壓降為負(fù)。在t3到t4時刻間，由于電感L_1的存在，因此斷路器模塊兩端的電壓U比電容C上的電壓Uc要高，即斷路器模塊兩端電壓U的方向先與電容C電壓改變。6)t4時刻，電容電壓開始反向，則電路2兩端的電壓為功率半導(dǎo)體器件Al和電容C上壓降之和，由于該電壓值為正，功率半導(dǎo)體器件A2導(dǎo)通，如圖6(d)電流開始從電路I向電路2轉(zhuǎn)移。圖8 (c)和(d)給出了 i2和i3電流變化曲線。此后，斷路器模塊兩端電壓U繼續(xù)上升。7)t5時刻，電路I中的電路全部轉(zhuǎn)移至電路2，如圖6(e)所示。電路I中的功率半導(dǎo)體器件Al截止。此時，電容C上流過的電流為0，電容C上建立的電壓方向與初始預(yù)充電電壓方向相反。當(dāng)電路I電流截止時，斷路器模塊兩端的電壓將從電路1、電容C和電路3三者電壓之和變?yōu)檗D(zhuǎn)移電流電路支路23兩者電壓之和，因此t5時刻之后斷路器模塊兩端電壓存在一個突變Au1存在。由于Al徹底截止需要一定的時間，t5-t6時間為功率半導(dǎo)體器件Al截止預(yù)留時間。圖8中的(d)、(e)和(f)給出了 i3、i4和i5電流變化曲線。8) t6時刻，電路4中的功率半導(dǎo)體器件A4打開，如圖6(f)所示，電容C和電路4兩端的電壓之和為負(fù)，因此電路3中的電流開始向電容C和電路4轉(zhuǎn)移。電路4導(dǎo)通時，斷路器模塊的電壓將從轉(zhuǎn)移電流電路支路23兩者電壓之和變?yōu)殡娐?、電容C和電路4三者電壓之和，因此存在電壓跳變Au2。由于電容C上流過的電流方向相反，因此電容上的電壓開始正想上升。圖8的(d)、(e)、(f)和(g)給出了 i3、i4i5和i6電流變化曲線。9)t7時刻，電路3中的電流全部轉(zhuǎn)移至電容C和電路4，如圖6(g)所示。此后，電路4無電流截止關(guān)斷，電容C由于電流充電作用電壓繼續(xù)正向上升，在t7時刻以后一定時間內(nèi)，電壓方向發(fā)生改變。隨著電容充電電壓的上升，當(dāng)斷路器模塊兩端的電壓達(dá)到系統(tǒng)電壓UO時，開斷過程電流達(dá)到峰值Ip。此后，由于斷路器模塊兩端的電壓高于系統(tǒng)電壓，系統(tǒng)電流開始下降。10) t8時刻，電路2、電容C以及電路4三者電壓之和(斷路器模塊兩端的電壓)達(dá)到了過電壓限制電路的導(dǎo)通閾值，過電壓限制電路導(dǎo)通。如圖6(h)所示，電流開始向過電壓限制電路轉(zhuǎn)移。此時電容C上電流減小，但是依舊處于充電狀態(tài)，因此電容C上的電壓和斷路器兩端的電壓依舊上升，但是由于過電壓限制電路的電壓鉗位作用，上升幅度很小。圖8的(g)和(h)給出了 i6和i7電流變化曲線。ll)t9時刻，電路2、電容C以及電路4中的電流全部轉(zhuǎn)移至過電壓限制電路，此時電容C上的電壓和斷路器模塊兩端的電壓達(dá)到最高值，其中Up為開斷過程中斷路器模塊兩端過電壓峰值。由于電路2和電路4上的電壓主要取決于電感L_0上的電壓，在電流下降過程中電感L_0和電容C電壓Uc上的電流相反，因此電容電壓Uc的峰值要高于斷路器模塊兩端的電壓峰值Up。另外，由于系統(tǒng)電流處于下降過程，過電壓限制電路中的電流將開始下降，斷路器模塊兩端的電壓也開始緩慢下降，當(dāng)系統(tǒng)電流小于過電壓限制電路的最小導(dǎo)通電流ImA時。過電壓限制電路關(guān)閉，過電壓限制電路兩端電壓迅速下降。12)tl0時刻，過電壓限制電路中的電流為0，斷路器模塊開斷完成，斷路器模塊兩端的電壓降為系統(tǒng)電壓。圖8(a)給出了整個斷路器模塊開斷過程中系統(tǒng)電流的變化曲線。從以上開斷過程可以看出，本發(fā)明通過高速機(jī)械開關(guān)串聯(lián)功率半導(dǎo)體器件實現(xiàn)機(jī)械觸頭的無弧打開，觸頭間介質(zhì)恢復(fù)特性好，斷路器模塊承受開斷過電壓能力強(qiáng)。同時，斷路器模塊主要通過電容C的充電電壓使過電壓限制電路導(dǎo)通來實現(xiàn)開斷，并且通過控制電容C上的電流方向可以實現(xiàn)開斷過程中電壓上升速率的限制。圖9和圖10分別給出了斷路器模塊分?jǐn)嚯娏鞔笥陬~定電流時預(yù)充電電容器電壓曲線圖和斷路器模塊兩端的電壓曲線圖。從圖9和圖10可知，斷路器模塊兩端電壓存在A +和Au2兩個下降過程，限制了斷路器模塊兩端電壓的上升，為高速機(jī)械開關(guān)觸頭提供一定的運(yùn)動時間，防止機(jī)械開關(guān)重?fù)舸?。由于開斷過程中電容C上的電壓方向改變了兩次，因此最終開斷完成后電容C上的電壓方向與預(yù)充電電壓方向一致，避免了下次開斷給電容C的充電過程。(2)分?jǐn)嚯娏餍∮诘扔陬~定電流情況。圖11給出了斷路器模塊分?jǐn)嚯娏餍∮诘扔陬~定電流時轉(zhuǎn)移電流電路各支路電流標(biāo)志，其中，iO為流經(jīng)接入端SI或者接入端S2的電流，il為流經(jīng)主電流電路的電流,12為流經(jīng)電路I的電流，i7為流經(jīng)過電壓限制電路的電流。圖12給出了斷路器模塊分?jǐn)嚯娏餍∮诘扔陬~定電流時轉(zhuǎn)移電流電路中各支路電流方向，具體的為各時刻的各支路電流方向。圖13給出了分?jǐn)嚯娏餍∮诘扔陬~定電流時所有電流變化曲線疊加后的圖；圖14則是分?jǐn)嚯娏餍∮诘扔陬~定電流時，相應(yīng)于圖13，轉(zhuǎn)移電流電路中各電流變化曲線圖，具體的為iO、il、i2、i7各支路電流變化曲線圖。圖15給出了斷路器模塊分?jǐn)嚯娏餍∮诘扔陬~定電流時兩端的電壓變化。在該情況下，斷路器模塊可以按照大于額定電流情況分?jǐn)啵切‰娏髑闆r下電容充放電的時間較長，因此整個開斷時間較長。本發(fā)明提供了斷路器模塊另外一種開斷方式。其具體的操作步驟包括以下幾個方面:l)tO時刻前，系統(tǒng)正常運(yùn)行電流全部從主電流電路流過，如圖12(a)所示，系統(tǒng)額定電壓為UO，系統(tǒng)電流為第二額定電流Il (第二額定電流Il <=第一額定電流10)。當(dāng)需要進(jìn)行開斷時，首先控制高速機(jī)械開關(guān)進(jìn)行分閘動作。2) tO時刻，高速機(jī)械開關(guān)觸頭開始拉開產(chǎn)生電弧?？刂妻D(zhuǎn)移電流電路支路14中的功率半導(dǎo)體器件打開，電流開始向下轉(zhuǎn)移，如圖12(b)所示。隨著高速機(jī)械開關(guān)觸頭打開，斷路器模塊兩端的電壓為電弧電壓，由于電弧電壓高于轉(zhuǎn)移電流電路支路14兩端的電壓之和，高速機(jī)械開關(guān)中的電流迅速轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)移電流電路支路14。圖14(b)和(c)給出了 il和i2的變化曲線。3)tl時刻，高速機(jī)械開關(guān)中的電流全部轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)移電流電路支路14。如圖12(c)所示。此后，高速機(jī)械開關(guān)觸頭繼續(xù)運(yùn)動，以達(dá)到足夠開距可以承受開斷過程中產(chǎn)生的過電壓。4)t2時刻，高速機(jī)械開關(guān)觸頭開距可以承受開斷過程過電壓，控制電路4中的全控型器件A4關(guān)斷，斷路器模塊兩端的電壓急劇上升，達(dá)到過電壓限制電路的導(dǎo)通閾值，轉(zhuǎn)移電流電路支路14中的電流開始向過電壓限制電路轉(zhuǎn)移。如圖12(c)所示，開斷過程中斷路器模塊兩端過電壓峰值為Up。此后，系統(tǒng)電流開始下降，隨著過電壓限制電路中的電流下降，斷路器模塊兩端電壓有所下降。圖14(c)和(d)給出了 i2和i7的變化曲線，當(dāng)系統(tǒng)電流小于過電壓限制電路的最小導(dǎo)通電流ImA時，過電壓限制電路兩端電壓迅速下降。5)t3時刻，過電壓限制電路電流降為0，斷路器模塊兩端電壓降為系統(tǒng)電壓，整個開斷過程完成。以上僅為本發(fā)明包含的但不局限于這兩種開斷方式。圖16，圖17和圖18分別給出了本發(fā)明的斷路器模塊一種具體實例。圖16中轉(zhuǎn)移電流電路中沒有全控型器件，成本較低，器件可靠性高，但是小電流分?jǐn)鄷r間較長。圖17中電路2中A2采用了半控型器件，分?jǐn)噙^程中控制Al的導(dǎo)通時刻，可以改變電流從電路I向電路2的轉(zhuǎn)移時間，由于沒有全控型器件，成本低，小電流分?jǐn)鄷r間較長。圖18中電路4中的A4采用了全控型器件，分?jǐn)噙^程中當(dāng)電路4中的電流小于A4的關(guān)斷電流時，即可以控制A4關(guān)斷，進(jìn)而縮短斷路器分?jǐn)鄷r間。因此，應(yīng)當(dāng)知道，在本發(fā)明中，所有功率半導(dǎo)體器件可以采用全控器件，但是不同開斷方式A0-A4可能需要為半控或者全控型器件。圖19給出了本發(fā)明斷路器模塊控制系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)。
用于測量流經(jīng)所述接入端SI或S2電流的電流傳感器T0、用于測量流經(jīng)主電流電路的電流的電流傳感器Tl、轉(zhuǎn)移電流電路中電路I的電流傳感器T2、過電壓限制電路的電流傳感器T3、高速機(jī)械開關(guān)的開關(guān)兩端電壓傳感器V，和高速機(jī)械開關(guān)的開關(guān)位移傳感器P，以及:信號調(diào)理電路，高速AD，處理器和人機(jī)交互界面。所述系統(tǒng)電流、所述主電流電路的電流，電路I的電流，所述過電壓限制電路電流、高速機(jī)械開關(guān)電壓、高速機(jī)械開關(guān)位移的數(shù)值經(jīng)過濾波放大，進(jìn)入AD處理計算，所述計算包括但不限于主電流電路電流，電路I的電流的幅值及變化率di/dt的計算，經(jīng)過處理器的保護(hù)算法和延時控制后，進(jìn)行高速機(jī)械開關(guān)控制，功率半導(dǎo)體器件控制，所述人機(jī)交互界面實時顯示混合式直流斷路器狀態(tài)及各類計算結(jié)果。應(yīng)當(dāng)知道:所述高速機(jī)械開關(guān)為基于電磁斥力的高速機(jī)械開關(guān)、基于高速電機(jī)驅(qū)動的機(jī)械開關(guān)或基于爆炸驅(qū)動的高速機(jī)械開關(guān)。所述具有半控功能的功率半導(dǎo)體器件包括晶閘管、IGCT、IGBT和GTO中的任意一個或者任意多個的組合。所述過電壓限制電路包括壓敏電阻及其輔助電路。所述過電壓限制電路包括由氧化鋅閥片組成的MOV、或避雷器。4.高壓混合式直流斷路器投入過程圖20給出了高壓混合式直流斷路器投入結(jié)構(gòu)圖，其中X1-X4為系統(tǒng)接入端，隔離開關(guān)I和隔離開關(guān)2為投入過程需要的設(shè)備，不屬于本發(fā)明范疇。其具體過程分為以下幾個部分:I)在隔離開關(guān)I和隔離開關(guān)2斷開的情況下將高壓混合式直流斷路器連入系統(tǒng)接入點(diǎn)端X2和X3，接入時，所有斷路器模塊高速機(jī)械開關(guān)觸頭處于斷開狀態(tài)。2)合上隔離開關(guān)I和隔離開關(guān)2。此時，所有斷路器模塊功率半導(dǎo)體器件處于關(guān)閉狀態(tài)，系統(tǒng)電壓在斷路器模塊兩端。3)控制斷路器模塊中的Al和A4功率半導(dǎo)體器件導(dǎo)通，則斷路器模塊的電壓被功率半導(dǎo)體器件導(dǎo)通壓降限制，此時斷路器模塊的電流全部從轉(zhuǎn)移電流電路支路14流過。4)控制斷路器模塊高速機(jī)械開關(guān)合閘，由于高速機(jī)械開關(guān)兩端的電壓功率為半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通壓降，合閘過程不會出現(xiàn)電弧。5)斷路器模塊合閘完成后，由于主電流電路兩端的電壓小于轉(zhuǎn)移電流電路支路14兩端的電壓，因此斷路器模塊Al和A4中流過的電流迅速轉(zhuǎn)移至主電流電路。當(dāng)斷路器模塊電流全部轉(zhuǎn)移至主電流電路后功率半導(dǎo)體器件Al和A4自動關(guān)斷。6)高壓混合式直流斷路器中的電流全部從斷路器模塊的主電流電路電流，斷路器投入過程完成，開始正常運(yùn)行。5.高壓混合式直流斷路器短路限流過程本發(fā)明包含多個斷路器模塊串聯(lián)，正常情況下，系統(tǒng)電流全部從斷路器模塊的主電流電路流過，斷路器兩端的壓降很小。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障情況時，可以控制其中的一個或者多個斷路器模塊進(jìn)行限流動作，使其中的電流轉(zhuǎn)移至斷路器模塊的過電壓限制電路，這樣，就在相應(yīng)的斷路器模塊兩端建立起一定的電壓，即在高壓混合式直流斷路器兩端建立起一定電壓，限制短路電流的上升。
同時，根據(jù)短路限流要求，本發(fā)明可以控制不同數(shù)量的斷路器模塊進(jìn)行限流動作，從而在高壓混合式直流斷路器兩端建立起不同電壓，實現(xiàn)不同程度的短路限流功能。由于過電壓限制電路吸收能量有一定限制，即在一定的電流導(dǎo)通情況下，過電壓限制電路有一定的導(dǎo)通時間上限，其吸收的能量計算方法為:在過電壓限制電路導(dǎo)通時間內(nèi)對過電壓限制電路兩端的電壓和過電壓限制電路中流過的電流乘積進(jìn)行積分。當(dāng)過電壓限制電路吸收能量達(dá)到其上限時，需要控制相應(yīng)的斷路器模塊轉(zhuǎn)移電流電路中的功率半導(dǎo)體器件導(dǎo)通，斷路器模塊中的電流從過電壓限制電路轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)移電流電路，進(jìn)而控制高速機(jī)械開關(guān)合閘，電流又全部轉(zhuǎn)移至主電流電路。同時控制其他處于合閘狀態(tài)的斷路器模塊進(jìn)行限流動作，繼續(xù)維持限流功能。當(dāng)限流過程完成后，控制所有處于限流狀態(tài)的斷路器模塊中轉(zhuǎn)移電流電路中的功率半導(dǎo)體器件導(dǎo)通，電流從過電壓限制電路轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)移電流電路，最后控制高速機(jī)械開關(guān)合閘，所有電流全部從斷路器模塊的主電流電路流過，高壓混合式直流斷路器兩端壓降很小，恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。例如，在進(jìn)行短路限流時，控制m個斷路器模塊進(jìn)行短路限流動作，使其中的電流轉(zhuǎn)移至所述斷路器模塊的所述過電壓限制電路，其中0 < m < n，并且m可變，從而在高壓混合式直流斷路器兩端建立起不同的電壓，即所需的電壓。優(yōu)選地，在限流中輪流控制不同的所述m個斷路器模塊進(jìn)行限流動作，以避免過電壓限制電路吸收能量達(dá)到其上限。圖21給出了高壓混合式直流斷路器的短路限流過程示意圖，其具體過程包含以下幾個部分:I)正常運(yùn)行狀態(tài)下，高壓混合式直流斷路器中的電流全部從主電流電路流過，如圖21 (a)所示。2)當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，首先控制n(n> I)個斷路器模塊中的m(0 < m < n)個進(jìn)行限流動作，電流向轉(zhuǎn)移電流電路的功率半導(dǎo)體器件轉(zhuǎn)移，如圖21(b)所示。3)當(dāng)m個斷路器模塊轉(zhuǎn)移電流電路兩端的電壓達(dá)到其兩端并聯(lián)的過電壓限制電路的導(dǎo)通電壓閾值時，m個斷路器模塊的過電壓限制電路導(dǎo)通，在其兩端建立起一定的壓降，限制短路電流的上升，如圖21(c)所示。4)由于過電壓限制電路吸收能量有一定限制，在其導(dǎo)通一定時間后需要關(guān)斷以冷卻耗散能量。因此，當(dāng)m個斷路器模塊的過電壓限制電路導(dǎo)通時間達(dá)到上限時，控制轉(zhuǎn)移電流電路的功率半導(dǎo)體器件導(dǎo)通，過電壓限制電路中的電流迅速轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)移電流電路。同時，控制剩余的n-m個斷路器模塊中的m個斷路器模塊進(jìn)行分閘動作，其電流開始向轉(zhuǎn)移電流電路轉(zhuǎn)移，如圖21(d)所示。5)當(dāng)后進(jìn)行限流動作的的m個混合式斷路器轉(zhuǎn)移電流電路兩端電壓達(dá)到過電壓限制電路的導(dǎo)通閾值時，該m個斷路器模塊兩端建立起一定的壓降，限制短路電流上升，如圖21(e)所示。通過如上所述的方式依次控制不同的m個斷路器模塊進(jìn)行限流動作，就可以實現(xiàn)持續(xù)的短路限流功能，同時可以根據(jù)短路限流要求，調(diào)整限流動作的斷路器模塊的個數(shù)，即調(diào)整m，以實現(xiàn)不同程度的限流功能。6)當(dāng)限流過程完成后，控制處于過電壓限制電路導(dǎo)通狀態(tài)的斷路器模塊的轉(zhuǎn)移電流電路導(dǎo)通，電流轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)移電流電路的功率半導(dǎo)體器件中，如圖21(f)所示。7)控制所有斷路器模塊高速機(jī)械開關(guān)進(jìn)行合閘，電流全部轉(zhuǎn)移至主電流電路，斷路器限流過程完成，如圖21(g)所示。6.高壓混合式直流斷路器分?jǐn)噙^程當(dāng)高壓混合式直流斷路器需要進(jìn)行分閘動作時，由于單個斷路器模塊分閘后其過電壓限制電路兩端的電壓小于系統(tǒng)電壓，電流繼續(xù)從斷路器模塊中流過，無法分?jǐn)嚯娐?。因此，需要控制高壓混合式直流斷路器中所有的斷路器模塊進(jìn)行分閘動作，在斷路器兩端建立起高于系統(tǒng)電壓的壓降，這樣流過所有斷路器模塊中的電流才會下降，最終完成分?jǐn)?。圖22給出了高壓混合式直流斷路器的分?jǐn)噙^程示意圖，其具體過程包含以下幾個部分:I)正常運(yùn)行狀態(tài)下，高壓混合式直流斷路器中的電流全部從主電流電路流過，如圖22(a)所示。2)當(dāng)需要進(jìn)行分閘動作時，首先控制所有斷路器模塊進(jìn)行分閘動作，電流向轉(zhuǎn)移電流電路的功率半導(dǎo)體器件轉(zhuǎn)移，如圖22(b)所示。3)當(dāng)斷路器模塊轉(zhuǎn)移電流電路兩端的電壓達(dá)到其兩端并聯(lián)的過電壓限制電路的導(dǎo)通閾值時，過電壓限制電路導(dǎo)通。當(dāng)所有斷路器模塊的過電壓限制電路導(dǎo)通時，高壓混合式直流斷路器兩端壓降高于系統(tǒng)電壓，系統(tǒng)電流開始下降，如圖22(c)所示。4)當(dāng)系統(tǒng)電流降為0時，所有斷路器模塊過電壓限制電路中的電流截止，過電壓限制電路關(guān)斷，高壓混合式直流斷路器完成短路分?jǐn)啵袛嗦菲髂K處于分?jǐn)酄顟B(tài)，如圖22(d)所示本發(fā)明公開了一種高壓混合式直流斷路器，該斷路器包括多個斷路器模塊，所述斷路器模塊包括:主電流電路，轉(zhuǎn)移電流電路、過電壓限制電路以及控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)移電流電路包括預(yù)充電電容器，電感以及功率半導(dǎo)體器件。當(dāng)斷路器模塊的開斷電流大于等于其額定電流時，通過控制轉(zhuǎn)移電流電路的功率半導(dǎo)體器件按一定時序動作，不僅可以實現(xiàn)高速機(jī)械開關(guān)觸頭無弧打開，而且可以改變預(yù)充電電容器電流方向，進(jìn)而改變預(yù)充電電容器兩端的電壓方向?qū)崿F(xiàn)對斷路器模塊兩端開斷過電壓上升速率的限制。由于高速機(jī)械開關(guān)是無弧打開，觸頭間介質(zhì)恢復(fù)特性好，結(jié)合轉(zhuǎn)移電流電路對開斷過電壓的限制，可以顯著提高開斷的可靠性。當(dāng)斷路器模塊分?jǐn)嚯娏餍∮谄漕~定電流時，首先控制轉(zhuǎn)移電流電路中的功率半導(dǎo)體器件導(dǎo)通，使開關(guān)打開后電流迅速轉(zhuǎn)移至功率半導(dǎo)體器件中，當(dāng)高速機(jī)械開關(guān)觸頭間開距可以承受恢復(fù)過電壓時，依靠具有門極可關(guān)斷功能的功率半導(dǎo)體器件切斷轉(zhuǎn)移電流電路中的電流實現(xiàn)分?jǐn)?。由于斷路器模塊分?jǐn)嗤瓿珊箢A(yù)充電電容上電壓方向沒有改變，首次給預(yù)充電電容器充電后就可以重復(fù)進(jìn)行開斷，省去了電容器的充電裝置。通過混合式斷路器模塊的串聯(lián)，不僅可以提高應(yīng)用電壓等級，同時各個斷路器模塊之間連接方便，可以根據(jù)實際系統(tǒng)電壓要求調(diào)整斷路器模塊串聯(lián)個數(shù)。本發(fā)明包含的斷路器不僅可以實現(xiàn)高電壓等應(yīng)用下的短路分?jǐn)?，而且可以通過控制部分?jǐn)嗦菲髂K進(jìn)行分閘動作實現(xiàn)高電壓等級情況下的短路限流功能。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實施方式
僅限于此，對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書確定保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種高壓混合式直流斷路器，所述高壓混合式直流斷路器由n個完全相同的斷路器模塊1-斷路器模塊n串聯(lián)組成，Sl-Sn+1為n+1個斷路器模塊系統(tǒng)接入端，其中所述斷路器模塊包括主電流電路，轉(zhuǎn)移電流電路、過電壓限制電路、控制系統(tǒng)，以及系統(tǒng)接入端S1、Si+1，其中I ( i Sn，且主電流電路、轉(zhuǎn)移電流電路以及過電壓限制電路并聯(lián)，其特征在于: (1)所述主電流電路由高速機(jī)械開關(guān)和功率半導(dǎo)體器件AO串聯(lián)組成，其中: 所述接入端Si連接所述高速機(jī)械開關(guān)的一端，以便實現(xiàn)所述接入端Si與所述主電流電路一端的連接； 所述高速機(jī)械開關(guān)的另一端與所述功率半導(dǎo)體器件AO的一端相連； 所述功率半導(dǎo)體器件AO的另一端則連接所述接入端Si+1，以便實現(xiàn)所述接入端Si+1與所述主電流電路的另一端的連接； (2)所述轉(zhuǎn)移電流電路包括功率半導(dǎo)體器件Al組成的電路1，電感L_0和功率半導(dǎo)體器件A2串聯(lián)組成的電路2，電感L_1和功率半導(dǎo)體器件A3串聯(lián)組成的電路3，功率半導(dǎo)體器件A4組成的電路4以及一預(yù)先充有一定電壓的預(yù)充電電容器C，并且所述電路I與所述電路4串聯(lián),所述電路2則與所述電路3串聯(lián)，其中: (A)所述電路I和所述電路4串聯(lián)組成轉(zhuǎn)移電流電路支路14，且所述支路14與所述主電流電路并聯(lián)，并且: 所述接入端Si連接所述功率半導(dǎo)體器件Al的一端，以便實現(xiàn)與所述支路14的一端的連接； 所述功率半導(dǎo)體器件Al的另一端則與所述功率半導(dǎo)體器件A4的一端連接以便實現(xiàn)所述電路I和所述電路4的串聯(lián)； 所述功率半導(dǎo)體器件A4的另一端則與所述接入端S2連接，以便實現(xiàn)所述支路14的另一端與所述接入端S2的連接，從而實現(xiàn)所述支路14與所述主電流電路的并聯(lián)； (B)所述電路2和所述電路3串聯(lián)組成轉(zhuǎn)移電流電路支路23，且所述支路23與所述主電流電路并聯(lián)，并且: 所述接入端Si連接所述電感L_0的一端，以便實現(xiàn)與所述支路23的一端的連接； 所述電感L_0的另一端則連接所述功率半導(dǎo)體器件A2的一端； 所述功率半導(dǎo)體器件A2的另一端則連接所述電感L_1的一端，以便實現(xiàn)所述電路2與所述電路3的串聯(lián)； 所述電感1^_1的另一端則與所述功率半導(dǎo)體器件A3的一端連接； 所述功率半導(dǎo)體器件A3的另一端則與所述接入端S2連接，以便實現(xiàn)所述支路23的另一端與所述接入端Si+1的連接，從而實現(xiàn)所述支路23與所述主電流電路的并聯(lián)； (C)所述電路I和所述電路4之間的端點(diǎn)， 與所述電路2和所述電路3之間的端點(diǎn)，這兩個端點(diǎn)之間則連接所述預(yù)充電電容器C ； (3)所述控制系統(tǒng)測量流經(jīng)所述接入端Si或Si+1的電流、流經(jīng)所述主電流電路的電流、流經(jīng)所述轉(zhuǎn)移電流電路中所述電路I的電流、流經(jīng)所述過電壓限制電路的電流、所述高速機(jī)械開關(guān)的開關(guān)兩端的電壓和所述高速機(jī)械開關(guān)的開關(guān)位移，通過測量所述主電流電路的電流幅值和變化率以及所述轉(zhuǎn)移電流電路中電路I的電流幅值和變化率控制所述高速機(jī)械開關(guān)和轉(zhuǎn)移電流電路中的功率半導(dǎo)體器件Al至A4動作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的斷路器，其特征在于: 對于所述斷路器模塊，正常工作狀態(tài)下，電流從所述主電流電路流過，所述預(yù)充電電容器C上充有一定的電壓，且電壓方向與所述主電流電路的導(dǎo)通壓降方向相反；此時，所述轉(zhuǎn)移電流電路中的電路I至電路4均處于關(guān)斷狀態(tài)，所述轉(zhuǎn)移電流電路沒有電流通過，所述過電壓限制電路也沒有電流流過； 當(dāng)系統(tǒng)需要進(jìn)行開斷時，所述控制系統(tǒng)首先控制所述主電流電路中的所述高速機(jī)械開關(guān)進(jìn)行分閘動作，由于所述高速機(jī)械開關(guān)存在機(jī)械延時，此時所述高速機(jī)械開關(guān)觸頭仍處于閉合狀態(tài)；然后通過測量所述主電流電路的電流幅值和變化率以及所述轉(zhuǎn)移電流電路中所述電路I的電流幅值和電流變化率確定所述轉(zhuǎn)移電流電路中功率半導(dǎo)體器件Al至A4是否動作以及相應(yīng)的動作時序。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的斷路器，其特征在于:所述控制系統(tǒng)包括:用于測量流經(jīng)所述接入端SI或S2電流的電流傳感器TO、用于測量流經(jīng)主電流電路的電流的電流傳感器Tl、用于測量流經(jīng)轉(zhuǎn)移電流電路中電路I的電流的電流傳感器T2、用于測量流經(jīng)過電壓限制電路的電流的電流傳感器T3、高速機(jī)械開關(guān)的開關(guān)兩端電壓傳感器V，和高速機(jī)械開關(guān)的開關(guān)位移傳感器P，以及:信號調(diào)理電路，高速AD，處理器和人機(jī)交互界面，所述處理器完成系統(tǒng)電流、主電流電路的電流和電路I電流的幅值及變化率di/dt計算，所述人機(jī)交互界面實時顯示混合式直流斷路器狀態(tài)及計算結(jié)果。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項所述的斷路器，其特征在于:所述功率半導(dǎo)體器件AO和A2為具有單向?qū)üδ艿墓β拾雽?dǎo)體器件或者其組合；所述功率半導(dǎo)體器件Al、A3和A4為具有單向?qū)üδ芎桶肟毓δ艿墓β拾雽?dǎo)體器件或者其組合，所述具有半控功能的功率半導(dǎo)體器件包括但不局限于晶閘管、IGCT、IGBT和GTO中的任意一個或者任意多個的組八口 o
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項所述的斷路器，其特征在于:根據(jù)斷路器模塊開斷方式不同，功率半導(dǎo)體器件A0-A4中的一個或者多個為全控型器件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任意一項所述的斷路器，其特征在于: 所述過電壓限制電路在斷路器模塊正常運(yùn)行情況下處于截止?fàn)顟B(tài)，漏電流小于IuA ;過電壓限制電路的導(dǎo)通電壓閾值為斷路器模塊所處的系統(tǒng)電壓的1.5倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的斷路器，其特征在于:當(dāng)進(jìn)行短路限流時，控制m個斷路器模塊進(jìn)行短路限流動作，使其中的電流轉(zhuǎn)移至所述斷路器模塊的所述過電壓限制電路，其中0<m< n，并且m可變，從而在高壓混合式直流斷路器兩端建立起不同的電壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的斷路器，其特征在于:在限流中輪流控制不同的所述m個斷路器模塊進(jìn)行限流動作。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的斷路器，其特征在于: 進(jìn)行分閘動作時，控制所述高壓混合式直流斷路器中所有的斷路器模塊進(jìn)行分閘動 作。
全文摘要
一種高壓混合式直流斷路器，由多個完全相同的斷路器模塊串聯(lián)組成，每個斷路器模塊包括主電流電路，轉(zhuǎn)移電流電路、過電壓限制電路以及控制系統(tǒng)。其中，高速機(jī)械開關(guān)、轉(zhuǎn)移電流電路以及過電壓限制電路并聯(lián)，轉(zhuǎn)移電流電路由電路1-電路4組成。其中轉(zhuǎn)移電路支路14串聯(lián)后與主電流電路并聯(lián)；預(yù)充電電容和電路3串聯(lián)后與電路4并聯(lián)；電路2一端與主電流電路的左端相連，一端與預(yù)充電電容和電路3的連接點(diǎn)處相連。通過多個完全相同的混合式斷路器模塊的串聯(lián)，能夠提高應(yīng)用電壓等級，實現(xiàn)高電壓系統(tǒng)的短路分?jǐn)?，并可通過控制部分?jǐn)嗦菲髂K進(jìn)行分閘動作實現(xiàn)高電壓等級情況下的短路限流功能。
文檔編號H02H9/02GK103219699SQ20131004975
公開日2013年7月24日 申請日期2013年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月6日
發(fā)明者榮命哲, 吳益飛, 紐春萍, 吳翊, 楊飛, 孫昊 申請人:西安交通大學(xué)