本發(fā)明涉及直流斷路器領(lǐng)域，具體是一種大功率雙向開(kāi)斷的混合式直流斷路器。

背景技術(shù)：

全超導(dǎo)托克馬克裝置中超導(dǎo)磁體尺寸大、儲(chǔ)能高、造價(jià)昂貴、修復(fù)非常困難，因此超導(dǎo)磁體的安全運(yùn)行是極其重要。超導(dǎo)磁體運(yùn)行過(guò)程中一旦出現(xiàn)正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變，磁體線圈所儲(chǔ)存的巨大電磁能量將向熱能轉(zhuǎn)化，可能對(duì)磁體造成長(zhǎng)久的損壞。所以大功率失超保護(hù)系統(tǒng)可靠的將磁體中儲(chǔ)存的巨大能量迅速轉(zhuǎn)移到移能電阻單元上，使得超導(dǎo)磁體在發(fā)生失超后避免對(duì)聚變裝置造成不可估量的損失，確保對(duì)超導(dǎo)磁體的安全使用和運(yùn)行。

傳統(tǒng)失超保護(hù)單元采用機(jī)械直流斷路器并聯(lián)熔斷器的二級(jí)換流技術(shù)，主要通過(guò)機(jī)械斷路器開(kāi)斷產(chǎn)生的電弧電壓使開(kāi)關(guān)電流轉(zhuǎn)入換流熔斷器內(nèi)，而熔斷器受轉(zhuǎn)入電流的加熱，經(jīng)一定時(shí)延熔斷產(chǎn)生高壓，迫使電流轉(zhuǎn)移至負(fù)載中。該換流法主要利用熔斷器來(lái)減輕主開(kāi)關(guān)的滅弧負(fù)擔(dān)，使主開(kāi)關(guān)絕緣強(qiáng)度得到迅速恢復(fù)，此外產(chǎn)生脈沖高壓，使磁體中的能量迅速轉(zhuǎn)移到移能單元中釋放。但是每次開(kāi)斷后都需更換熔斷器，維護(hù)量大。

隨著大功率半導(dǎo)體器件的飛速發(fā)展，混合式直流斷路器結(jié)合了傳統(tǒng)機(jī)械式斷路器低通態(tài)損耗和固態(tài)斷路器快速分?jǐn)嗟膬?yōu)點(diǎn)，已成為大功率斷路器的研究熱點(diǎn)。但由于未來(lái)全超導(dǎo)托克馬克裝置中超導(dǎo)磁體的磁體電流達(dá)到70 kA，電壓達(dá)20 kV以上。所以現(xiàn)有大功率混合斷路器方案存在以下幾個(gè)問(wèn)題。

1、機(jī)械斷路器需提供數(shù)百伏的弧壓來(lái)滿足固態(tài)斷路器支路的可靠導(dǎo)通電壓，同時(shí)具有較快的絕緣恢復(fù)時(shí)間來(lái)承受電流轉(zhuǎn)移到移能單元支路的過(guò)電壓。

2、固態(tài)斷路器具有雙向分?jǐn)嗄芰?，且可以承受換流時(shí)的短時(shí)大電流和關(guān)斷產(chǎn)生的高電壓。

3、當(dāng)機(jī)械斷路器或固態(tài)斷路器失效后，應(yīng)具有后備保護(hù)斷路器使得其可以有效可靠換流，把能量轉(zhuǎn)移到移能電阻單元支路。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服已有技術(shù)的不足提供一種大功率雙向開(kāi)斷的混合式直流斷路器，可應(yīng)用于大功率直流電源系統(tǒng)中，作為其系統(tǒng)保護(hù)斷路器，如超導(dǎo)聚變裝置中的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的失超保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，直流輸配電網(wǎng)絡(luò)的直流短路保護(hù)斷路器，以及脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域所需的大功率斷路器。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種大功率雙向開(kāi)斷的混合式直流斷路器，包括有機(jī)械旁路斷路器、固態(tài)斷路器、爆炸開(kāi)關(guān)和移能電阻，其特征在于：所述的機(jī)械旁路斷路器與所述固態(tài)斷路器并聯(lián)構(gòu)成失超主保護(hù)支路，然后與由所述爆炸開(kāi)關(guān)構(gòu)成的后備保護(hù)單元串聯(lián)，最后與由所述移能電阻并聯(lián)。

進(jìn)一步的，所述的機(jī)械旁路斷路器為由主觸頭、弧觸頭和快速高壓隔離觸頭構(gòu)成的三級(jí)觸頭結(jié)構(gòu)，其中弧觸頭與快速高壓隔離觸頭串聯(lián)再與主觸頭并聯(lián)，且各個(gè)觸頭分別帶有獨(dú)立操作機(jī)構(gòu)?？朔藗鹘y(tǒng)機(jī)械開(kāi)關(guān)大電流下較低的開(kāi)斷電壓和較慢的絕緣恢復(fù)時(shí)間的缺點(diǎn)。

進(jìn)一步的，所述的固態(tài)斷路器包括有由四個(gè)串并二極管閥組構(gòu)成的橋式整流電路和一個(gè)電力電子器件閥組。

進(jìn)一步的，所述的電力電子器件閥組由若干個(gè)電力電子器件支路并聯(lián)組成，每個(gè)電力電子器件支路分別由若干個(gè)電力電子器件串聯(lián)組成，每個(gè)電力電子器件支路中分別串聯(lián)有均流電感，實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜態(tài)均流，每個(gè)電力電子器件的兩端分別并聯(lián)有吸收電路、均壓電阻和過(guò)電壓限制器，實(shí)現(xiàn)動(dòng)、靜態(tài)均壓和過(guò)電壓保護(hù)。

進(jìn)一步的，所述的爆炸開(kāi)關(guān)是在機(jī)械旁路斷路器和高壓固態(tài)斷路器失效情況下，通過(guò)引爆雷管和炸藥，迅速將電流轉(zhuǎn)移至移能電阻，以避免機(jī)械旁路斷路器和固態(tài)斷路器失效而導(dǎo)致系統(tǒng)故障擴(kuò)大。

進(jìn)一步的，移能電阻可以吸收儲(chǔ)能達(dá)GJ級(jí)的直流系統(tǒng)能量。

當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，電源系統(tǒng)通過(guò)大功率爆炸開(kāi)關(guān)與大功率機(jī)械旁路斷路器給超導(dǎo)磁體提供穩(wěn)態(tài)直流電流。當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)（超導(dǎo)磁體失超），斷開(kāi)大功率機(jī)械旁路斷路器和打開(kāi)固態(tài)斷路器，電流流向固態(tài)斷路器換流。當(dāng)大功率機(jī)械旁路斷路器滿足開(kāi)斷電壓后，電流流向移能電阻換流。如果當(dāng)機(jī)械斷路器或固態(tài)斷路器失效時(shí)，斷開(kāi)爆炸開(kāi)關(guān)，使得電流可靠向移能電阻換流。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明通過(guò)采用三級(jí)觸頭結(jié)構(gòu)的大功率機(jī)械旁路開(kāi)關(guān)和并聯(lián)基于全控器件的多串并聯(lián)的固態(tài)斷路器的混合式斷路器設(shè)計(jì)方案，既可很好的結(jié)合傳統(tǒng)機(jī)械式斷路器低通態(tài)損耗和固態(tài)斷路器快速無(wú)弧分?jǐn)嗟膬?yōu)點(diǎn)，又可克服傳統(tǒng)機(jī)械開(kāi)關(guān)大電流下較低的開(kāi)斷電壓和較慢的絕緣恢復(fù)時(shí)間，開(kāi)關(guān)電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)新穎，是實(shí)現(xiàn)大功率直流開(kāi)斷和能量快速轉(zhuǎn)移的有效途徑。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明中固態(tài)斷路器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明的開(kāi)關(guān)電路動(dòng)作時(shí)序及各支路電流波形圖。

具體實(shí)施方式

參見(jiàn)圖1、2，一種大功率雙向開(kāi)斷的混合式直流斷路器，包括有機(jī)械旁路斷路器、固態(tài)斷路器、爆炸開(kāi)關(guān)PB和移能電阻DR，機(jī)械旁路斷路器與固態(tài)斷路器并聯(lián)構(gòu)成失超主保護(hù)支路，然后與由爆炸開(kāi)關(guān)PB構(gòu)成的后備保護(hù)單元串聯(lián)，最后與由移能電阻DR并聯(lián)。

本發(fā)明中，機(jī)械旁路斷路器為由主觸頭MC、弧觸頭AC和快速高壓隔離觸頭FIC構(gòu)成的三級(jí)觸頭結(jié)構(gòu)，其中弧觸頭AC與快速高壓隔離觸頭FIC串聯(lián)再與主觸頭MC并聯(lián)，且各個(gè)觸頭分別帶有獨(dú)立操作機(jī)構(gòu)?？朔藗鹘y(tǒng)機(jī)械開(kāi)關(guān)大電流下較低的開(kāi)斷電壓和較慢的絕緣恢復(fù)時(shí)間的缺點(diǎn)。

主觸頭MC分?jǐn)嗪涂焖俑邏焊綦x觸頭FIC分?jǐn)噙^(guò)程時(shí)基本不承受電壓，只有完全斷開(kāi)，絕緣強(qiáng)度恢復(fù)后才承受高壓固態(tài)斷路器關(guān)斷產(chǎn)生的高開(kāi)斷電壓，其中快速高壓隔離觸頭FIC是在無(wú)弧下快速斷開(kāi)，并迅速恢復(fù)高壓阻斷能力，而弧觸頭AC必須短時(shí)承載大電流且開(kāi)斷產(chǎn)生較高的弧壓，以保證主觸頭MC具有足夠的絕緣恢復(fù)時(shí)間并使得固態(tài)斷路器可以快速導(dǎo)通換流。

固態(tài)斷路器包括有由四個(gè)串并二極管閥組D1、D2、D3、D4構(gòu)成的橋式整流電路和一個(gè)電力電子器件閥組T1。橋式整流電路的優(yōu)點(diǎn)在于不需要判斷工作電流方向即可實(shí)現(xiàn)雙向分?jǐn)嗄芰Α?/p>

電力電子器件閥組T1由若干個(gè)電力電子器件支路并聯(lián)組成，可以承受換流時(shí)的瞬間大電流，每個(gè)電力電子器件支路分別由若干個(gè)電力電子器件串聯(lián)組成，可以承受換流到移能電阻時(shí)的反向高電壓，可以根據(jù)實(shí)現(xiàn)的電壓與電流等級(jí)來(lái)確定電力電子器件的串并聯(lián)數(shù)量，每個(gè)電力電子器件支路中分別串聯(lián)有勻流電感，實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜態(tài)均流，由于電力電子器件自身的參數(shù)不一致性、驅(qū)動(dòng)控制板信號(hào)的不一致性以及每個(gè)電力電子器件串聯(lián)支路寄生參數(shù)的不一致性，每個(gè)電力電子器件的兩端分別并聯(lián)有吸收電路、均壓電阻和過(guò)電壓限制器，來(lái)防止器件過(guò)電壓而損壞。

電力電子器件可采用IGBT、IGCT、IEGT之中的任一種大功率器件電力電子器件，電壓限制器采用氧化鋅MOV或避雷器。

爆炸開(kāi)關(guān)不僅要滿足正常工作條件下的額定大電流通流能力，還要滿足在機(jī)械旁路斷路器或固態(tài)斷路器失效情況下，迅速可靠的開(kāi)斷大電流并產(chǎn)生高電壓，將能量轉(zhuǎn)移至耗能電阻。

移能電阻DR可以吸收儲(chǔ)能達(dá)GJ級(jí)的直流系統(tǒng)能量。

本發(fā)明具有雙向分?jǐn)嗄芰η覍?shí)現(xiàn)三次換流過(guò)程，無(wú)論系統(tǒng)工作電流方向是從S1到S2還是從S2到S1，其換流的基本原理相同，只是當(dāng)系統(tǒng)電流方向是從S1到S2時(shí)，其固態(tài)斷路器的電流流向?yàn)镈1閥組到T1閥組再到D4閥組，D2閥組、D3閥組及T1閥組承受關(guān)斷時(shí)的反向過(guò)電壓。當(dāng)系統(tǒng)電流方向是從S2到S1時(shí)，其固態(tài)斷路器的電流流向?yàn)镈2閥組到T1閥組再到D3閥組，D1閥組、D4閥組及T1閥組承受關(guān)斷時(shí)的反向過(guò)電壓。詳細(xì)的主要工作原理和動(dòng)作時(shí)序如圖3所示，其中In為系統(tǒng)工作電流。

1、大功率雙向開(kāi)斷的混合式直流斷路器正常分?jǐn)噙^(guò)程：

1）、系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)工作電流由旁路機(jī)械斷路器的主觸頭和與之串聯(lián)提供后備保護(hù)的爆炸開(kāi)關(guān)向超導(dǎo)磁體供電；

2）、若t1時(shí)刻檢測(cè)到失超故障發(fā)生，立刻發(fā)出機(jī)械旁路斷路器主觸頭的分?jǐn)嗝?，?jīng)過(guò)主觸頭固有動(dòng)作延時(shí)后，在t2時(shí)刻，主觸頭打開(kāi)并產(chǎn)生電弧電壓，迫使電流從主觸頭支路開(kāi)始換流到弧觸頭和與之串聯(lián)的快速隔離觸頭；

3）、在t3時(shí)刻，主觸頭完全斷開(kāi)電流換向結(jié)束，這時(shí)電流完全轉(zhuǎn)移到機(jī)械旁路斷路器的弧觸頭和快速隔離觸頭，待主觸頭恢復(fù)高電壓阻斷能力(t3~t4時(shí)刻)；

4）、在t4時(shí)刻，發(fā)出打開(kāi)弧觸頭的分?jǐn)嗝?，同時(shí)發(fā)出固態(tài)斷路器的導(dǎo)通命令，迅速將負(fù)載工作電流轉(zhuǎn)移到高壓固態(tài)斷路器中；

5）、在t5時(shí)刻，當(dāng)電流完全從弧觸頭轉(zhuǎn)移到固態(tài)斷路器路時(shí)，發(fā)出機(jī)械旁路斷路器的高壓快速隔離觸頭分?jǐn)嗝?，快速高壓隔離觸頭在極短時(shí)間內(nèi)無(wú)弧斷開(kāi)，并迅速具有高壓阻斷能力；

6）、在t6時(shí)刻，高壓固態(tài)斷路器關(guān)斷產(chǎn)生高開(kāi)斷電壓，負(fù)載工作電流開(kāi)始迅速轉(zhuǎn)移到移能電阻上；

7）、在t7時(shí)刻，負(fù)載工作電流完全轉(zhuǎn)移到移能單元支路，磁體電流快速衰減，使得磁體能量迅速轉(zhuǎn)移并消耗在移能電阻上。

從發(fā)出機(jī)械旁路斷路主觸頭動(dòng)作命令的t1時(shí)刻到其完全打開(kāi)并恢復(fù)高電壓阻斷能力的t6時(shí)刻的時(shí)間間隔主要取決于主觸頭的絕緣恢復(fù)電壓性能，一般在數(shù)十到數(shù)百毫秒內(nèi)；而從發(fā)出快速高壓隔離觸頭動(dòng)作命令的t5時(shí)刻到其完全打開(kāi)的t6時(shí)刻，具有高壓阻斷能力的時(shí)間間隔主要取決于快速高壓隔離開(kāi)關(guān)的性能，一般要求在數(shù)十毫秒，而電力電子器件組成的固態(tài)斷路器關(guān)斷時(shí)間非常短，基本在微秒量級(jí)，即使考慮換流回路參數(shù)影響，在幾毫秒的時(shí)間內(nèi)即可完成換流。

2、大功率雙向開(kāi)斷的混合式直流斷路器故障分?jǐn)噙^(guò)程

后備的爆炸開(kāi)關(guān)是在旁路機(jī)械斷路器和高壓固態(tài)斷路器失效情況下，通過(guò)引爆雷管和炸藥，迅速可靠的斷開(kāi)主回路電流，產(chǎn)生高電壓，將電流轉(zhuǎn)移至移能電阻路上，以避免機(jī)械旁路斷路器、固態(tài)斷路器損壞和系統(tǒng)故障擴(kuò)大。

本發(fā)明在系統(tǒng)工作正常時(shí)，由于主電流支路是機(jī)械旁路斷路器，通態(tài)損耗可以忽略不計(jì)，而系統(tǒng)故障時(shí)，換流到固態(tài)斷路器的時(shí)間短，所以不需要冷卻系統(tǒng)。另外增加的后備保護(hù)爆炸開(kāi)關(guān)增強(qiáng)了系統(tǒng)換流的可靠性。本發(fā)明控制簡(jiǎn)單，系統(tǒng)可靠性高。