一种限流和磁控振荡开断相结合的直流断路器

本发明涉及一种限流和磁控振荡开断相结合的直流断路器，具有双向电流开断能力。

背景技术：

随着直流电力系统的规模及容量持续增长，短路故障电流带来的挑战也在不断增长。通常采用断路器作为主要的保护设备，但是由于系统的短路故障形式多样，且直流系统的短路故障有着上升速率快，电流无过零点等特点，使得直接使用直流断路器进行短路保护有着一定困难。

磁控振荡型直流断路器相较于传统的机械式、混合式断路器具有不用预充电电容和电力电子器件，成本低、开断速度快、体积小、可靠性高等方面的优势。

技术实现要素：

为了进一步提升磁控振荡的开断能力，采用限流装置与磁控振荡配合，利用限流装置将电流快速限制到磁控振荡的开断范围内，然后在快速开断。根据以上技术方案，本发明的目的在于提供一种限流和磁控振荡开断相结合的直流断路器，可以实现40ka以上直流短路电流快速开断。利用辅助限流装置限制短路电流的上升率和幅值，将电流限制在较低的水平。随后串联的直流断路器动作，主回路中的磁控振荡断口拉开，触头在真空腔体中引弧，通过辅助磁场吹弧回路产生的磁场控制电弧运动，产生频率振荡。主回路电流向转移支路上的电容充电，主回路电流过零。转移支路电容剩余能量通过能量耗散电路泄放，磁控振荡断口上建立电压，开关过程完成。本断路器由于有了辅助限流装置的加入，提高了开断短路电流的稳定性，同时能够起到类似限流器保护系统的效果。

具体的，本发明采用如下技术方案：

一种限流和磁控振荡开断相结合的直流断路器，由辅助限流装置和磁控振荡断口串联组成。其中，磁控振荡断口包括主电流支路、振荡支路、能量耗散支路并联组成，另外有磁场吹弧回路提供辅助。辅助限流装置一端连接出线端a1，另一端连接直流断路器；直流断路器另一端连接出线端a2引出。其特征在于：

(1)所述主回路是由磁控振荡断口和限流装置组成。

(2)所述振荡支路是由电容器c2和电感l组成。

(3)所述能量耗散支路是由电容器c、横磁线圈、半控型功率半导体器件t和续流二极管d组成。

(4)所述辅助限流装置可以放置在振荡断口并联支路内，也可以是在振荡断口并联支路外。

根据权利要求1所述的断路器，其特征在于：

系统正常通流情况下，系统电流从a1端口流入，经过辅助限流装置后进入断路器主回路，再由a2端口流出。电流反向时则是从a2端口流入再由a1端口流出。此时主回路上磁控振荡断口闭合。磁场吹弧回路、转移支路、能量耗散支路均无电流流过。

当发生收到上机控制系统的动作指令时，辅助限流装置先动作，回路中电流的幅值和上升率被限制在相对低的水平；随后主回路中的磁控振荡断口动作，磁场吹弧回路中的半控型功率半导体器件t同时导通。磁场吹弧回路放电并通过续流二极管续流，电流流经线圈产生强磁场。主回路上磁控振荡断口触头拉开，产生电弧并受到磁场作用产生振荡。主回路电流振荡转移至转移支路电容上，给电容充电，同时主回路电流过零截止。电容上剩余电压通过能量耗散电路泄放，主回路两端建立电压，完成开断。

所述断路器磁控振荡断口的特征在于：所述的磁控振荡断口是由一个或者多个断口串并联组成。所述断口可以是真空断口，或者n2、空气、h2等气体断口。

所述断路器半控型功率半导体器件的特征在于：所述半控型功率半导体器件t1，为单向导通的半控型器件，可以是一下器件的单个器件或者组合，gto、晶闸管、igbt。

所述断路器辅助限流装置的特征在于：所述辅助限流模块包括但不限于以下限流装置：超导限流器、液态金属限流器、电力电子固态式限流器、z源限流器。

所述磁场吹弧回路的特征在于：所述磁控振荡断口外有磁场吹弧回路提供磁场。所述磁场吹弧回路提供的磁场可以是单个方向的横向磁场，多个方向叠加的横向磁场或者是旋转式的横向磁场。

所述断路器磁控振荡断口分闸机构的特征在于：所述的断口分闸机构可以是斥力、永磁或者电磁等任意满足开断速度要求的分闸机构之一。

附图说明

说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本公开的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

图1是断路器原理结构图；

图2是断路器拓扑图；

图3(a)至图3(d)是本发明的断路器工作时的一种结构示意图；

图4是本发明的一种实施例；

图5是本发明的一种实施例；

图6是本发明的一种实施例；

图7是本发明的一种实施例；

图8是本发明的一种实施例；

图9(a)至图9(c)是本发明涉及的部分限流器示意图；

图10是本发明中断口与磁场吹弧组件的一种结构示意图；

图11(a)至图11(c)是本发明中磁场吹弧组件的部分驱动电路拓扑图。

具体实施方案

下面将参照附图图1至图11(c)更详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本公开的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本公开的范围。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本公开实施例的限定。

所述的断路器的一个实施例中，图1是本发明提供的一种限流和磁控振荡开断相结合的直流断路器的原理图，由辅助限流装置和磁控振荡断口串联组成。其中，磁控振荡断口包括主电流支路、振荡支路、能量耗散支路并联组成，另外有磁场吹弧回路提供辅助。辅助限流装置一端连接出线端a1，另一端连接直流断路器；直流断路器另一端连接出线端a2引出。其特征在于：

(1)所述主回路是由磁控振荡断口和限流装置组成。

(2)所述振荡支路是由电容器c2和电感l组成。

(3)所述能量耗散支路是由电容器c、横磁线圈、半控型功率半导体器件t和续流二极管d组成。

(4)所述辅助限流装置可以放置在振荡断口并联支路内，也可以是在振荡断口并联支路外。

根据权利要求1所述的断路器，其特征在于：

系统正常通流情况下，系统电流从a1端口流入，经过辅助限流装置后进入断路器主回路，再由a2端口流出。电流反向时则是从a2端口流入再由a1端口流出。此时主回路上磁控振荡断口闭合。磁场吹弧回路、转移支路、能量耗散支路均无电流流过。

当发生收到上机控制系统的动作指令时，辅助限流装置先动作，回路中电流的幅值和上升率被限制在相对低的水平；随后主回路中的磁控振荡断口动作，磁场吹弧回路中的半控型功率半导体器件t同时导通。磁场吹弧回路放电并通过续流二极管续流，电流流经线圈产生强磁场。主回路上磁控振荡断口触头拉开，产生电弧并受到磁场作用产生振荡。主回路电流振荡转移至转移支路电容上，给电容充电，同时主回路电流过零截止。电容上剩余电压通过能量耗散电路泄放，主回路两端建立电压，完成开断。

本实施例中所述的断路器，图3(a)至图3(d)是其工作时的一种结构示意图。

如图3(a)所示，在系统正常流通状态下，电流流经限流装置和主回路中的磁控振荡断口。

如图3(b)所示，当发生短路故障或者收到上级分闸指令时，限流装置先动作，电流受到限流装置影响，上升率和幅值均被限制。然后，磁控振荡断口hss动作，产生真空电弧。磁场吹弧回路上的半控型半导体器件导通，回路电流产生磁场影响电弧振荡，转移开始。

如图3(c)所示，电流被转移至转移支路上，主回路电流振荡过零，此时电流仅从转移支路流过。

如图3(d)所示，当转移支路电容上电压达到能量耗散支路上避雷器的导通电压，剩余能量通过避雷器泄放，电流转移至耗散支路上。

所述断路器磁控振荡断口的另一个实施例中：所述的磁控振荡断口是由一个或者多个断口串并联组成。所述断口可以是真空断口，或者n2、空气、h2等气体断口。

所述的断路器的另一个实施例中，所述半控型功率半导体器件t1，为单向导通的半控型器件，可以是一下器件的单个器件或者组合，gto、晶闸管、igbt。

所述的断路器的另一个实施例中，所述辅助限流模块包括但不限于以下限流装置：超导限流器、液态金属限流器、电力电子固态式限流器、z源限流器。

所述磁场吹弧回路的另一个实施例中：所述磁控振荡断口外有磁场吹弧回路提供磁场。所述磁场吹弧回路提供的磁场可以是单个方向的横向磁场，多个方向叠加的横向磁场或者是旋转式的横向磁场。

所述断路器磁控振荡断口分闸机构的另一个实施例中：所述的断口分闸机构可以是斥力、永磁或者电磁等任意满足开断速度要求的分闸机构之一。

如图4所示，所述的断路器的一个实施例中，限流装置在断路器的并联支路外。

如图5所示，所述的断路器的一个实施例中，所述磁控振荡断口为真空断口，所述限流装置为超导限流单元。

如图6所示，所述的断路器的一个实施例中，所述磁控振荡断口为真空断口，所述限流装置为液态介质限流单元。

如图7所示，所述的断路器的一个实施例中，所述磁控振荡断口为真空断口，所述限流装置为电力电子固态式限流器。

如图8所示，所述的断路器的一个实施例中，所述磁控振荡断口为真空断口，所述限流装置为z源限流器。

如图9(a)至图9(c)所示，所述的断路器的一个实施例中，各种限流器示意图如图所示。

如图10所示，所述断路器的一个实施例中，一种断口与磁场吹弧组件的摆放结构如图所示；

如图11(a)至图11(c)所示，所述断路器的一个实施例中，部分磁场吹弧组件的部分驱动电路拓扑图如图所示，包括电容配合半导体组件放电回路，带有二极管续流的放电回路，恒流源放电回路；

尽管以上结合附图对本公开的实施方案进行了描述，但本公开并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本公开权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本公开保护之列。