一种船舶用中压直流固态断路器及其开断控制方法技术

本发明专利技术涉及一种船舶用中压直流固态断路器及其开断控制方法，属于船舶动力设备技术领域，其特征在于：包括换向支路，以及接在换向支路内部的且互相并联的长期通流支路、换流支路、能量耗散支路；其中长期通流支路由至少两个晶闸管串联或并联构成的开关阀组T1和一个耦合电抗器串联组成；换流支路由一组阻容限流元件与开关阀组T2并联后再与开关阀组T3串联组成；能量耗散支路由至少一个金属氧化物避雷器组成；换向支路由四个二极管D1

【技术实现步骤摘要】
一种船舶用中压直流固态断路器及其开断控制方法


[0001]本专利技术属于船舶动力设备
，具体涉及一种船舶用中压直流固态断路器及其开断控制方法。

技术介绍

[0002]目前，船舶中压直流电力系统以简便的并网控制，更高的效率与功率密度，更强的系统生命力等优势成为船舶动力的重要发展方向。但直流电流无自然过零点，且直流系统内存在大量电力电子设备，开断直流故障电流一直是该系统重大难题。因此，对于船舶中压直流断路器的研究是该领域的热门问题。
[0003]固态断路器具有关断速度快；易于智能控制；在开断时无电弧，能减少船舶上的火灾危险，安装距离低；开关操作的数量几乎是无限的，不会产生磨损等优势，在船舶领域具有良好的发展前景。采用晶闸管元件作为主开断器件的半控型固态断路器具有价格便宜、容量大、通态损耗低、触发电路简单等优势，但其可控性差是该方案所面临的难题。
[0004]为缓解系统保护与断路器故障开断的压力，在系统发生故障时希望有限流装置来限制故障电流上升率，但将限流元件直接投入系统会影响在正常运行状态下的稳定性。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对现有技术中存在的问题，提供了一种基于耦合电抗器的自适应限流型船舶中压直流固态断路器，并针对直流系统发生故障与系统正常运行两种情况，设计了不同的开断控制方法，提高了断路器的工作效率。
[0006]技术方案如下：
[0007]一种船舶用中压直流固态断路器，包括换向支路，以及接在换向支路内部的且互相并联的长期通流支路、换流支路、能量耗散支路；其中长期通流支路由至少两个晶闸管(SCR)串联或并联构成的开关阀组T1和一个耦合电抗器串联组成；换流支路由一组阻容限流元件与开关阀组T2并联后再与开关阀组T3串联组成；能量耗散支路由至少一个金属氧化物避雷器(MOA)组成；换向支路为由四个二极管D1
‑
D4组成桥式结构的整流电路。
[0008]进一步的，长期通流支路中耦合电抗器一次侧L1通过一个晶闸管元件与预充电电容C2和电阻R2串联，耦合电抗器二次侧L2与开关阀组T1串联，在断路器开断时，通过耦合电抗器控制阀组T1开断。
[0009]进一步的，长期通流支路中开关阀组T1中的晶闸管数量由开关阀组在断路器开断过程中所承受的最大电压、最大电流所决定。
[0010]进一步的，换流支路中开关阀组T2、T3由一个IGBT或多个IGBT串/并联构成，IGBT的数目由器件所在开关阀组在断路器开断过程中所承受的最大电压、最大电流所决定。
[0011]进一步的，换流支路中阻容限流元件由电容C1与电阻R1并联构成，，断路器在故障开断过程中通过换流将阻容元件自适应的接入系统，对故障电流上升率与峰值进行限制，且在系统正常运行时，限流元件对系统无负面影响。
[0012]进一步的，换向支路中由D2、D3组成正向电流导通支路，D1、D4组成反向电流导通支路，使用二极管桥式电路实现了对故障电流的双向开断，以应对电力系统中潮流的双向性。
[0013]一种船舶用中压直流固态断路器的开断控制方法，包括如下步骤：
[0014]步骤S100：在正常运行状态中判断断路器是否收到手动关断信号，如否则进入步骤S110；如是则进入步骤S120；
[0015]步骤S110：判断流经断路器的电流i是否超过长期通流支路的关断限值i
lim1
，如否则回到步骤S100；如是则触发耦合电抗器中晶闸管导通，同时触发换流支路的开关阀组T2与T3导通，通过耦合电抗器作用，使开关阀组T1关断，将电流由长期通流支路切换接入换流支路，并进入步骤S111；
[0016]步骤S111：判断在换流支路中的电流i是否超过开关阀组T2的关断限值i
lim2
，如否则给开关阀组T1发送触发信号使开关阀组T1导通，并触发开关阀组T2与T3关断，进行断路器重合闸，并回到正常运行状态；如是则触发开关阀组T2关断，阻容元件被接入使换流支路，并进入步骤S112；
[0017]步骤S112：判断在换流支路中的电流i是否超过开关阀组T2的关断限值i
lim3
，如否则给开关阀组T1发送触发信号使开关阀组T1导通，并触发开关阀组T3关断，进行断路器重合闸，并回到正常运行状态；如是则进入步骤S113；
[0018]步骤S113：触发开关阀组T3关断，将电流由换流支路切换接入能量耗散支路，并进入步骤S130；
[0019]步骤S120：触发耦合电抗器中晶闸管导通，同时触发换流支路的开关阀组T2与T3导通，通过耦合电抗器作用，使开关阀组T1关断，将电流由长期通流支路切换接入换流支路，并进入步骤S121；
[0020]步骤S121：在一定时间间隔后触发开关阀组T3关断将电流由换流支路切换接入能量耗散支路，并进入步骤S130；
[0021]步骤S130：断路器关断，处于断路模式。
[0022]进一步的，步骤S121中所述的时间间隔为0.05ms
‑
0.1ms，且大于信号传输与断路器开断延时的合计。
[0023]有益效果：
[0024]1)本专利技术断路器在长期通流支路使用耦合电抗器与半控型晶闸管串联结构，通过控制耦合电抗器使晶闸管承受反向电压进而可靠关断，在利用半控型晶闸管器件价格便宜、可开通大电压大电流等优势的同时增强了断路器的可控性，在一定程度提高了断路器的可靠性与经济性。
[0025]2)在正常运行状态下，系统不会受到限流元件所带来的负面影响。在故障发生时，断路器通过换流过程将阻容限流元件自适应的接入系统，阻容限流元件能够降低故障电流上升率，有效限制系统故障电流峰值，缩短能量耗散时间，且在系统正常运行时，限流元件对系统无负面影响。
[0026]3)断路器拓扑可以在直流系统正常运行状态下手动控制关断，并针对该过程设计了与系统故障时不同的开断控制策略，简化了直流系统正常运行状态下断路器开断的流程。
[0027]4)断路器为纯固态断路器，可实现无弧开断，安装距离低，开断速度极快，可在1ms左右完成对故障电流的开断，适合在船舶中压直流电力系统上进行应用。
[0028]5)使用二极管桥式电路实现了对故障电流的双向开断，以更好地应对电力系统中潮流的双向性。
附图说明
[0029]图1为本专利技术船舶用中压直流固态断路器的电路拓扑结构图；
[0030]图2为断路器正常运行，电流流经长期通流支路的等效电路图；
[0031]图3为断路器的耦合电抗器中晶闸管导通，触发开关阀组T2与T3导通，电流在长期通流支路向换流支路切换的等效电路图；
[0032]图4为断路器的开关阀组T1关断，开关阀组T2与T3导通，电流经过换流支路的等效电路图；
[0033]图5为断路器的开关阀组T1、T2关断，开关阀组T3导通，电流经过接入阻容元件的换流支路的等效电路图；
[0034]图6为断路器的开关阀组T1、T2、T 3关断，电流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种船舶用中压直流固态断路器，其特征在于：包括换向支路，以及接在换向支路内部的且互相并联的长期通流支路、换流支路、能量耗散支路；其中长期通流支路由至少两个晶闸管串联或并联构成的开关阀组T1和一个耦合电抗器串联组成；换流支路由一组阻容限流元件与开关阀组T2并联后再与开关阀组T3串联组成；能量耗散支路由至少一个金属氧化物避雷器组成；换向支路为由四个二极管D1
‑
D4组成桥式结构的整流电路。2.如权利要求1所述的一种船舶用中压直流固态断路器，其特征在于：所述的长期通流支路中耦合电抗器一次侧L1通过一个晶闸管元件与预充电电容C2和电阻R2串联，耦合电抗器二次侧L2与开关阀组T1串联，通过耦合电抗器控制阀组T1关断。3.如权利要求1所述的一种船舶用中压直流固态断路器，其特征在于：所述的长期通流支路中开关阀组T1中的晶闸管数量由开关阀组在断路器开断过程中所承受的最大电压、最大电流所决定。4.如权利要求1所述的一种船舶用中压直流固态断路器，其特征在于：所述的换流支路中开关阀组T2、T3由一个IGBT或多个IGBT串/并联构成，IGBT的数目由器件所在开关阀组在断路器开断过程中所承受的最大电压、最大电流所决定。5.如权利要求1所述的一种船舶用中压直流固态断路器，其特征在于：所述的换流支路中阻容限流元件由电容C1与电阻R1并联构成。6.如权利要求1所述的一种船舶用中压直流固态断路器，其特征在于：所述的换向支路中由D2、D3组成正向电流导通支路，D1、D4组成反向电流导通支路。7.一种船舶用中压直流固态断路器的开断控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤S100：在正常运行状态中判断断路器是否收到手动关断信号，如否则进入步骤S110；如是则进入步骤S120；步骤S1...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭燚，姚金地，许晓彦，耿攀，马占鑫，
申请(专利权)人：上海海事大学，
类型：发明
国别省市：