磁感应转移和电阻限流相结合的直流断路器及其使用方法技术

本发明专利技术提供一种磁感应转移和电阻限流相结合的直流断路器及其使用方法，包括：相互并联的主电流电路、限流支路、开断支路和能量耗散支路并联；限流支路和开断支路包含磁感应转移模块；限流支路磁感应转移模块中的电感与限流支路中的支路电感耦合组成互感器；开断支路磁感应转移模块中的电感与转移电流回路中的第二电感耦合组成互感器。本发明专利技术能够实现限制电流上升速度和幅值和完全开断短路电流的功能，减小断路器控制体积与制造成本。利用磁感应转移模块实现电流快速转移，主回路电容无需预充电，实现二次充电电路和主回路的隔离，磁感应转移模块的放电电容采用桥式结构，可以双向限制和开断故障电流。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电气设备
，尤其涉及一种磁感应转移和电阻限流相结合的直流断路器。
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，其电流转移回路通常需要全控型功率半导体器件关断电流，控制复杂程度与成本较高，制约了其推广和应用。传统的转移电流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。传统的直流断路器不能够处理直流电网中潮流方向不确定情况下双向限制和分断故障电流的需求，或者为了满足双向工作的情况，往往会使得断路器的制造体积和成本大大提升。由于直流电力系统的系统阻抗很小，当发生短路故障来临时，故障电流的上升速度很快，电流幅值很大，因此对直流断路器开断电流能力要求很高，使得直流断路器的制造技术十分困难，制造成本很高昂。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术提出一种磁感应转移和电阻限流相结合的直流断路器，所述断路器包括：主电流电路、限流支路、开断支路和能量耗散支路；所述主电流电路、限流支路、开断支路和能量耗散支路并联；所述限流支路包含第一磁感应转移模块；所述开断支路包含第二磁感应转移模块；所述第一磁感应转移模块中的第一电感与所述限流支路中的支路电感耦合组成一个互感器；所述第二磁感应转移模块中的第三电感与所述转移电流回路中的第二电感耦合组成一个互感器。优选地，所述主电流电路为机械开关或所述主电流电路为机械开关和电力电子器件的组合；所述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。优选地，所述限流支路中所述电感、电阻和可控器件串联连接；所述电阻为碳膜电阻、金属膜电阻、金属氧化膜电阻、线绕电阻、大功率线绕电阻、有机实心电阻、熔断电阻、水泥电阻、超导限流电阻、液态金属电阻、PTC电阻中的一种；所述可控器件为晶闸管或触发间隙中的任意一个或任意多个的组合。优选地，所述开断支路中第二电感、第一电容和可控器件串联连接；所述可控器件为晶闸管、全控型半导体器件、空气触发间隙、真空触发间隙中的任意一个或者任意多个的组合；优选地，所述第一磁感应转移模块、第二磁感应转移模块均由感应电感电路和放电电容电路组成；所述放电电容电路包括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以及电容；所述第一功率半导体器件与所述第四功率半导体器件串联组成放电电容电路支路；所述第二功率半导体器件与所述第三功率半导体器件、串联；所述第一功率半导体器件与所述第四功率半导体器件、之间具有第一端点；所述第二功率半导体器件、与所述第三功率半导体器件、之间具有第二端点；所述电容连接于所述第一端点和所述第二端点之间；所述感应电感电路由电感组成；所述放电电容电路与所述感应电感电路并联。优选地，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、第四功率半导体器件为不可控或具有半控功能的功率半导体器件、真空触发间隙或者空气触发间隙及其组合，所述功率半导体器件包括但不局限于电力二极管、晶闸管、IGCT、IGBT和GTO中的任意一个或者任意多个的组合；所述电感为空心电感器或含磁芯的电感器，由一个或多个电感串联或并联组成。优选地，所述过能量耗散支路中包含压敏电阻或氧化锌阀片组成的避雷器的一个或任意多个的组合。本专利技术还提出一种根据所述的磁感应转移和电阻限流相结合的直流断路器的工作方法，所述方法包括：正常工作状态下，电流从所述主电流电路流过；所述限流支路、所述开断支路以及所述第一、第二磁感应转模块均处于关断状态，无电流流过；所述开断支路中的第一电容(C)上无电压；所述第一、第二磁感应转模块中的电容均保持预充电状态，在所述第一端点侧为正电压，在所述第二端点侧为负电压，所述能量耗散支路没有电流流过；当进行开断操作时，控制所述主电流电路中的开关器件(A0)进行动作；由于所述开关器件(A0)中有高速机械开关，存在机械延时，此时所述开关器件(A0)中的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第一和第二磁感应转模块中，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、第四功率半导体器件、开断支路中的第一可控器件(A5)以及限流支路中的第二可控器件(A6)是否动作以及相应的动作时序。本专利技术还提出一种根据所述磁感应转移和电阻限流相结合的直流断路器的工作方法，其特征在于，所述方法包括：步骤0，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，控制系统动作，所述主电流电路开关器件(A0)开始动作；步骤1，所述主电流电路开关器件(A0)中的机械触头间建立起足够的弧压，控制限流支路磁感应模块中的半导体器件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导通，磁感应模块电路导通，第一电容(C)开始放电，耦合电感使得转移电流电路中的支路电感(L0)两端产生感应电压，限流支路开始放电；流经主电流电路的电流向限流支路转移；步骤2，所述主电流电路的开关器件(A0)中完全打开，主电路电流全部转移至所述限流支路，此时，故障电流已经达到稳定值，限流支路承受全部短路电流；步骤3，通过控制系统导通半导体器件(A5)，同时控制开断支路磁感应模块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按一定时序导通，磁感应模块电路导通，第一电容(C)开始放电，第二电感(L2)两端感应出电压，短路电流开始从限流支路向开断支路转移；步骤4，短路电流转移到开断支路，控制限流支路中的第二可控器件(A6)关闭，限流支路关断；步骤5，短路电流对第一电容器(C)充电的电压值达到了能量耗散电路的导通阈值，能量耗散电路导通；电流开始向能量耗散电路转移；由于能量耗散电路的电压钳位作用，断路器两端电压上升幅度很小；步骤6，开断支路中的电流全部转移至能量耗散电路，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，能量耗散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，当系统电流小于能量耗散电路的最小导通电流时；能量耗散电路关闭，能量耗散电路两端电压迅速下降；步骤7，能量耗散电路中的电流为0，磁感应转移模块中的第一电容(C)重新充电，断路器开断完成，断路器两端的电压降为系统电压。本专利技术的有益效果：一、本专利技术的限流支路和开断支路并联，通过控制器件在不同时刻关合和开断，实现了限制电流上升速度和幅值和完全开断短路电流的功能，可以有效降低断路器控制体积大小与制造成本。二、利用磁感应转移模块实现电流快速转移，主回路电容不用预充电，实现二次充电电路和主回路的隔离，转移速度快，而且磁感应转移模块的放电电容采用桥式结构，可以双向限制和开断故障电流，大大减小体积和成本。三、主回路电容仅需要单向充电，可以降低电容体积和成本，并且开断可靠性高。附图说明下面结合附图对本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁感应转移和电阻限流相结合的直流断路器，其特征在于，所述断路器包括：主电流电路、限流支路、开断支路和能量耗散支路；所述主电流电路、限流支路、开断支路和能量耗散支路并联；所述限流支路包含第一磁感应转移模块；所述开断支路包含第二磁感应转移模块；所述第一磁感应转移模块中的第一电感(L1)与所述限流支路中的支路电感(L0)耦合组成一个互感器；所述第二磁感应转移模块中的第三电感(L3)与所述转移电流回路中的第二电感(L2)耦合组成一个互感器。

【技术特征摘要】
1.一种磁感应转移和电阻限流相结合的直流断路器，其特征在于，所述断路器包括：主电流电路、限流支路、开断支路和能量耗散支路；所述主电流电路、限流支路、开断支路和能量耗散支路并联；所述限流支路包含第一磁感应转移模块；所述开断支路包含第二磁感应转移模块；所述第一磁感应转移模块中的第一电感(L1)与所述限流支路中的支路电感(L0)耦合组成一个互感器；所述第二磁感应转移模块中的第三电感(L3)与所述转移电流回路中的第二电感(L2)耦合组成一个互感器。2.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，优选的，所述主电流电路为机械开关或所述主电流电路为机械开关和电力电子器件的组合；所述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。3.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于：所述限流支路中所述电感(L0)和电阻(R)和第二可控器件(A6)串联连接；所述电阻(R)为碳膜电阻、金属膜电阻、金属氧化膜电阻、线绕电阻、大功率线绕电阻、有机实心电阻、熔断电阻、水泥电阻、超导限流电阻、液态金属电阻、PTC电阻中的一种；所述第二可控器件(A6)为晶闸管或触发间隙中的任意一个或任意多个的组合。4.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于：所述开断支路中第二电感(L2)、第一电容(C)和第一可控器件(A5)串联连接；所述第一可控器件(A5)为晶闸管、全控型半导体器件、空气触发间隙、真空触发间隙中的任意一个或者任意多个的组合。5.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于：所述第一磁感应转移模块、第二磁感应转移模块均由感应电感电路和放电电容电路组成；所述放电电容电路包括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)以及电容；所述第一功率半导体器件(A1)与所述第四功率半导体器件(A4)串联组成放电电容电路支路；所述第二功率半导体器件(A2)与所述第三功率半导体器件(A3)串联；所述第一功率半导体器件(A1)与所述第四功率半导体器件(A4)之间具有第一端点；所述第二功率半导体器件(A2)与所述第三功率半导体器件(A3)之间具有第二端点；所述电容连接于所述第一端点和所述第二端点之间；所述感应电感电路由电感组成(L1，L3)；所述放电电容电路与所述感应电感电路并联。6.根据权利要求5所述的直流断路器，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)、第四功率半导体器件(A4)为不可控或具有半控功能的功率半导体器件、真空触发间隙或者空气触发间隙及其组合，所述功率半导体器件包括但不局限于电力二极管、晶闸管、IGCT、IGBT和GTO中的任意一个或者任意多个的组合；所述电感为空心电感器或含磁芯的电感器，由一个或多个电感串联或并联组成。7.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于：所述过能量耗散支路中包含压敏电阻或氧化锌阀片组成的避雷器的一个或任意多个的组合。8.根据权利...

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