本發(fā)明屬于電氣設備技術領域，尤其涉及一種磁感應轉移和電阻限流相結合的直流斷路器。

背景技術：

由高速機械開關與功率半導體器件組成的混合型斷路器具有通流容量大、關斷速度快、限流能力強等優(yōu)點，已經(jīng)成為大容量系統(tǒng)開斷領域的研究熱點。使用具有全控功能的功率半導體器件分斷電流的混合式直流斷路器方案相比于其它混合式方案具有分斷速度更快，更利于分斷額定電流的優(yōu)點。但在使用全控型功率半導體器件分斷電流時，其電流轉移回路通常需要全控型功率半導體器件關斷電流，控制復雜程度與成本較高，制約了其推廣和應用。

傳統(tǒng)的轉移電流電路中的電容器充電電路與主回路直接相連，沒有隔離，開斷過程充電電源和主回路會發(fā)生干擾，并且對于主回路充電電源的耐壓要求非常高，開斷不可靠。

傳統(tǒng)的直流斷路器不能夠處理直流電網(wǎng)中潮流方向不確定情況下雙向限制和分斷故障電流的需求，或者為了滿足雙向工作的情況，往往會使得斷路器的制造體積和成本大大提升。

由于直流電力系統(tǒng)的系統(tǒng)阻抗很小，當發(fā)生短路故障來臨時，故障電流的上升速度很快，電流幅值很大，因此對直流斷路器開斷電流能力要求很高，使得直流斷路器的制造技術十分困難，制造成本很高昂。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術存在的不足，本發(fā)明提出一種磁感應轉移和電阻限流相結合的直流斷路器，所述斷路器包括：主電流電路、限流支路、開斷支路和能量耗散支路；所述主電流電路、限流支路、開斷支路和能量耗散支路并聯(lián)；所述限流支路包含第一磁感應轉移模塊；所述開斷支路包含第二磁感應轉移模塊；所述第一磁感應轉移模塊中的第一電感與所述限流支路中的支路電感耦合組成一個互感器；所述第二磁感應轉移模塊中的第三電感與所述轉移電流回路中的第二電感耦合組成一個互感器。

優(yōu)選地，所述主電流電路為機械開關或所述主電流電路為機械開關和電力電子器件的組合；所述機械開關為基于電磁斥力的高速機械開關、基于高速電機驅動的機械開關或基于爆炸驅動的高速機械開關。

優(yōu)選地，所述限流支路中所述電感、電阻和可控器件串聯(lián)連接；所述電阻為碳膜電阻、金屬膜電阻、金屬氧化膜電阻、線繞電阻、大功率線繞電阻、有機實心電阻、熔斷電阻、水泥電阻、超導限流電阻、液態(tài)金屬電阻、PTC電阻中的一種；所述可控器件為晶閘管或觸發(fā)間隙中的任意一個或任意多個的組合。

優(yōu)選地，所述開斷支路中第二電感、第一電容和可控器件串聯(lián)連接；所述可控器件為晶閘管、全控型半導體器件、空氣觸發(fā)間隙、真空觸發(fā)間隙中的任意一個或者任意多個的組合；

優(yōu)選地，所述第一磁感應轉移模塊、第二磁感應轉移模塊均由感應電感電路和放電電容電路組成；所述放電電容電路包括第一功率半導體器件、第二功率半導體器件、第三功率半導體器件、第四功率半導體器件以及電容；所述第一功率半導體器件與所述第四功率半導體器件串聯(lián)組成放電電容電路支路；所述第二功率半導體器件與所述第三功率半導體器件、串聯(lián)；所述第一功率半導體器件與所述第四功率半導體器件、之間具有第一端點；所述第二功率半導體器件、與所述第三功率半導體器件、之間具有第二端點；所述電容連接于所述第一端點和所述第二端點之間；所述感應電感電路由電感組成；所述放電電容電路與所述感應電感電路并聯(lián)。

優(yōu)選地，所述第一功率半導體器件、第二功率半導體器件、第三功率半導體器件、第四功率半導體器件為不可控或具有半控功能的功率半導體器件、真空觸發(fā)間隙或者空氣觸發(fā)間隙及其組合，所述功率半導體器件包括但不局限于電力二極管、晶閘管、IGCT、IGBT和GTO中的任意一個或者任意多個的組合；所述電感為空心電感器或含磁芯的電感器，由一個或多個電感串聯(lián)或并聯(lián)組成。

優(yōu)選地，所述過能量耗散支路中包含壓敏電阻或氧化鋅閥片組成的避雷器的一個或任意多個的組合。

本發(fā)明還提出一種根據(jù)所述的磁感應轉移和電阻限流相結合的直流斷路器的工作方法，所述方法包括：

正常工作狀態(tài)下，電流從所述主電流電路流過；所述限流支路、所述開斷支路以及所述第一、第二磁感應轉模塊均處于關斷狀態(tài)，無電流流過；所述開斷支路中的第一電容(C)上無電壓；所述第一、第二磁感應轉模塊中的電容均保持預充電狀態(tài)，在所述第一端點側為正電壓，在所述第二端點側為負電壓，所述能量耗散支路沒有電流流過；

當進行開斷操作時，控制所述主電流電路中的開關器件(A0)進行動作；由于所述開關器件(A0)中有高速機械開關，存在機械延時，此時所述開關器件(A0)中的高速機械開關觸頭仍處于閉合狀態(tài)；

通過測量所述主電流電路的電流幅值和變化率確定所述第一和第二磁感應轉模塊中，所述第一功率半導體器件、第二功率半導體器件、第三功率半導體器件、第四功率半導體器件、開斷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)是否動作以及相應的動作時序。

本發(fā)明還提出一種根據(jù)所述磁感應轉移和電阻限流相結合的直流斷路器的工作方法，其特征在于，所述方法包括：

步驟0，系統(tǒng)發(fā)生短路故障，主電流電路電流開始上升，當超過系統(tǒng)短路閾值時，控制系統(tǒng)動作，所述主電流電路開關器件(A0)開始動作；

步驟1，所述主電流電路開關器件(A0)中的機械觸頭間建立起足夠的弧壓，控制限流支路磁感應模塊中的半導體器件第一功率半導體器件、第二功率半導體器件、第三功率半導體器件、第四功率半導體器件導通，磁感應模塊電路導通，第一電容(C)開始放電，耦合電感使得轉移電流電路中的支路電感(L0)兩端產(chǎn)生感應電壓，限流支路開始放電；流經(jīng)主電流電路的電流向限流支路轉移；

步驟2，所述主電流電路的開關器件(A0)中完全打開，主電路電流全部轉移至所述限流支路，此時，故障電流已經(jīng)達到穩(wěn)定值，限流支路承受全部短路電流；

步驟3，通過控制系統(tǒng)導通半導體器件(A5)，同時控制開斷支路磁感應模塊中的第一功率半導體器件、第二功率半導體器件、第三功率半導體器件、第四功率半導體器件按一定時序導通，磁感應模塊電路導通，第一電容(C)開始放電，第二電感(L2)兩端感應出電壓，短路電流開始從限流支路向開斷支路轉移；

步驟4，短路電流轉移到開斷支路，控制限流支路中的第二可控器件(A6)關閉，限流支路關斷；

步驟5，短路電流對第一電容器(C)充電的電壓值達到了能量耗散電路的導通閾值，能量耗散電路導通；電流開始向能量耗散電路轉移；由于能量耗散電路的電壓鉗位作用，斷路器兩端電壓上升幅度很??；

步驟6，開斷支路中的電流全部轉移至能量耗散電路，斷路器兩端的電壓達到最高值，為開斷過程中斷路器兩端過電壓峰值；此后，能量耗散電路中的電流將開始下降，斷路器兩端的電壓也開始緩慢下降，當系統(tǒng)電流小于能量耗散電路的最小導通電流時；能量耗散電路關閉，能量耗散電路兩端電壓迅速下降；

步驟7，能量耗散電路中的電流為0，磁感應轉移模塊中的第一電容(C)重新充電，斷路器開斷完成，斷路器兩端的電壓降為系統(tǒng)電壓。

本發(fā)明的有益效果：

一、本發(fā)明的限流支路和開斷支路并聯(lián)，通過控制器件在不同時刻關合和開斷，實現(xiàn)了限制電流上升速度和幅值和完全開斷短路電流的功能，可以有效降低斷路器控制體積大小與制造成本。

二、利用磁感應轉移模塊實現(xiàn)電流快速轉移，主回路電容不用預充電，實現(xiàn)二次充電電路和主回路的隔離，轉移速度快，而且磁感應轉移模塊的放電電容采用橋式結構，可以雙向限制和開斷故障電流，大大減小體積和成本。

三、主回路電容僅需要單向充電，可以降低電容體積和成本，并且開斷可靠性高。

附圖說明

下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細的說明：

圖1是本法明斷路器的結構原理示意圖；

圖2是本發(fā)明斷路器工作的一種結構示意圖；

圖3是本發(fā)明斷路器工作時的另一種結構示意圖；

圖4是分斷電流時限流支路電流標志示意圖；

圖5(a)-5(g)是分斷電流時各電路電流流向圖；

圖6是分斷電流時各電路中電流變化曲線圖；

圖7是本發(fā)明的一種具體實施實例圖；

圖8是本發(fā)明的一種具體實施實例圖；

圖9是本發(fā)明的一種具體實施實例圖；

圖10是本發(fā)明的一種具體實施實例圖；

圖11是本發(fā)明的一種具體實施實例圖；

圖12是本發(fā)明的一種具體實施實例圖；

圖13是本發(fā)明的一種具體實施實例圖；

圖14是本發(fā)明的一種具體實施實例圖；

圖15是本發(fā)明作為雙向電阻型限流器使用時的具體實施實例圖。

具體實施方式

為了使本技術領域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖1-15，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分的實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬于本發(fā)明保護的范圍。

實施例一：

本實施例提供一種斷路器本體結構示意圖，以圖1為例，所述斷路器包括主電流電路、限流支路、開斷支路和能量耗散支路。

為了更好的說明斷路器分斷過程，如圖2所示，本實施例給出了斷路器電流從系統(tǒng)接入端S1到系統(tǒng)接入端S2的結構示意圖。如圖3所示，本實施例還給出了斷路器電流另一個方向從系統(tǒng)接入端S1到系統(tǒng)接入端S2的結構示意圖。

如圖1-3所示，本發(fā)明提出的磁感應轉移和電阻限流相結合的直流斷路器包括主電流電路、限流支路、開斷支路和能量耗散支路。其中，限流支路和開斷支路分別包含一個磁感應轉移模塊，并且主電流電路、限流支路、開斷支路和能量耗散支路并聯(lián)，限流支路的磁感應轉移模塊中的電感L1與限流支路中的電感L0耦合組成一個互感器，開斷支路的磁感應轉移模塊中的電感L3與轉移電流回路中的電感L2耦合組成一個互感器。

所述主電流電路是由機械開關或機械開關和電力電子器件的組合。

所述限流支路由電感L0、電阻R和可控器件A6串聯(lián)組成，所述開斷支路由電感L2、電容C和可控器件A5串聯(lián)組成，并且電感L0與磁感應轉移模塊中的電感L1耦合為一個互感器，電感L2與磁感應轉移模塊中的電感L3耦合為一個互感器，所述磁感應轉移模塊由感應電感電路和放電電容電路并聯(lián)組成，其中：

所述放電電容電路包括功率半導體器件A1組成的電路1，功率半導體器件A2組成的電路2，功率半導體器件A3組成的電路3，功率半導體器件A4組成的電路4以及電容組成的電路5，并且所述電路1與所述電路4串聯(lián)，所述電路2則與所述電路3串聯(lián)，所述電路1和所述電路4串聯(lián)組成放電電容電路支路1-4，且所述支路1-4與所述感應電路并聯(lián)。

并且，所述感應電感電路的一端連接所述功率半導體器件A1的一端，以便實現(xiàn)與所述支路1-4的一端的連接；所述功率半導體器件A1的另一端則與所述功率半導體器件A4的一端連接以便實現(xiàn)所述電路1和所述電路4的串聯(lián)；所述功率半導體器件A4的另一端則與所述感應電感電路的另一端連接，以便實現(xiàn)所述支路1-4的另一端與所述感應電感電路一端的連接，從而實現(xiàn)所述支路1-4與所述感應電感電路的并聯(lián)；所述電路2和所述電路3串聯(lián)組成放電電容電路支路2-3，且所述支路2-3與所述感應電感電路并聯(lián)。

并且，所述感應電感電路一端連接所述功率半導體器件A2的一端，以便實現(xiàn)與所述支路2-3的一端的連接；所述功率半導體器件A3的另一端則與所述功率半導體器件A2的一端連接以便實現(xiàn)所述電路2和所述電路3的串聯(lián)；所述功率半導體器件A3的另一端則與所述感應電感電路另一端連接，以便實現(xiàn)所述支路2-3的另一端與感應電感電路一端的連接，從而實現(xiàn)所述支路2-3與所述感應電感電路的并聯(lián)。

所述電路1和所述電路4之間的端點，與所述電路2和所述電路3之間的端點，這兩個端點之間則連接所述電容組成的電路5；其中，所述高速機械開關為可以為基于電磁斥力的高速機械開關、基于高速電機驅動的機械開關或基于爆炸驅動的高速機械開關中的任意一種。

所述器件A1至A4不可控或者具有半控功能的功率半導體器件、真空觸發(fā)間隙或者空氣觸發(fā)間隙及其組合，所述功率半導體器件包括但不局限于電力二極管、晶閘管、IGCT、IGBT和GTO中的任意一個或者任意多個的組合。所述可控器件A5為晶閘管、全控型半導體器件、空氣觸發(fā)間隙、真空觸發(fā)間隙中的任意一個或者任意多個的組合；所述的電感為空心電感器或含磁芯的電感器，由一個或多個電感串聯(lián)或并聯(lián)組成；所述電阻器包括碳膜電阻、金屬膜電阻、金屬氧化膜電阻、線繞電阻、大功率線繞電阻、有機實心電阻、熔斷電阻、水泥電阻、超導限流電阻、液態(tài)金屬電阻、PTC電阻中的一種。

所述過電壓限制電路的為壓敏電阻或氧化鋅閥片組成的避雷器的一個或任意多個的組合。

圖4給出了限制電流時各支路電流標志，其中i0為流入斷路器的電流，i1為流經(jīng)主電流電路的電流，i2為流經(jīng)限流支路的電流，i3為流經(jīng)開斷支路的電流，i4為流經(jīng)能量耗散電路的電流。

圖4給出了分斷電流時轉移電流電路中各支路電流方向，具體的為對應從t0到t7時刻的各支路電流方向。圖5給出了分斷電流時各支路的電流變化曲線。

其具體的操作步驟包括以下幾個方面：

系統(tǒng)正常運行，電流全部從主電流電路流過，如圖5(a)所示，其中系統(tǒng)額定電流為I0。

t0時刻，系統(tǒng)發(fā)生短路故障，主電流電路電流開始上升，在t0和t1間，當超過系統(tǒng)短路閾值時，控制系統(tǒng)動作，器件A0開始動作。

t1時刻，機械觸頭間建立起足夠的弧壓，控制限流支路磁感應模塊中的半導體器件A1-A4按一定時序導通，磁感應模塊電路導通，電容C開始放電，耦合電感使得轉移電流電路中的電感L0兩端產(chǎn)生感應電壓，限流支路開始放電。流經(jīng)主電流電路的電流向限流支路轉移，如圖5(b)所示。

t2時刻，主電流電路機械開關完全打開，主電路電流全部轉移至限流支路，此時，故障電流已經(jīng)達到穩(wěn)定值，在t2至t3間，限流支路承受全部短路電流，如圖5(c)所示。

t3時刻，通過控制系統(tǒng)導通半導體器件A5，同時制開斷支路磁感應模塊中的半導體器件A1-A4按一定時序導通，磁感應模塊電路導通，電容C開始放電，電感L2兩端感應出電壓，短路電流開始從限流支路向開斷支路轉移，如圖5(d)所示。

t4時刻，短路電流轉移到開斷支路，此時關斷限流支路中的可控器件A6以關斷限流支路，如圖5(e)所示。

t5時刻，短路電流對電容器C充電的電壓值達到了能量耗散電路的導通閾值，能量耗散電路導通。電流開始向過能量耗散電路轉移，如圖5(f)所示。由于能量耗散電路的電壓鉗位作用，斷路器兩端電壓上升幅度很小。

t6時刻，開斷支路中的電流全部轉移至能量耗散電路，如圖5(g)所示。此時斷路器兩端的電壓達到最高值，為開斷過程中斷路器兩端過電壓峰值。此后，能量耗散電路中的電流將開始下降，斷路器兩端的電壓也開始緩慢下降，當系統(tǒng)電流小于能量耗散電路的最小導通電流1mA時。能量耗散電路關閉，能量耗散電路兩端電壓迅速下降。

t7時刻，能量耗散電路中的電流為0，磁感應轉移模塊中的電容C重新充電，斷路器開斷完成，斷路器兩端的電壓降為系統(tǒng)電壓。

應當知道：所述高速機械開關為基于電磁斥力的高速機械開關、基于高速電機驅動的機械開關或基于爆炸驅動的高速機械開關。

所述器件A1至A4為不可控或者具有半控功能的功率半導體器件、真空觸發(fā)間隙或者空氣觸發(fā)間隙及其組合，所述功率半導體器件包括但不局限于電力二極管、晶閘管、IGCT、IGBT和GTO中的任意一個或者任意多個的組合。所述可控器件A5為晶閘管、全控型半導體器件、空氣觸發(fā)間隙、真空觸發(fā)間隙中的任意一個或者任意多個的組合；所述的電感為空心電感器或含磁芯的電感器，由一個或多個電感串聯(lián)或并聯(lián)組成；所述能量耗散電路的為壓敏電阻或氧化鋅閥片組成的避雷器的一個或任意多個的組合。所述電阻器包括碳膜電阻、金屬膜電阻、金屬氧化膜電阻、線繞電阻、大功率線繞電阻、有機實心電阻、熔斷電阻、水泥電阻、超導限流電阻、液態(tài)金屬電阻、PTC電阻中的一種。

若將能量耗散電路和開斷支路中除去，則該電路結構可以用作混合式限流器，即在短路故障來臨時，限制短路電流的上升速度和幅值，減小對斷路器開端電流容量的需求，如圖15所示。

此外，本發(fā)明不要求斷路器中的電路完全的對稱。

本發(fā)明公開了一種磁感應轉移和電阻限流相結合的直流斷路器，所述斷路器包括主電流電路、限流支路、開斷支路和能量耗散支路，其中限流支路和開斷支路分別包含一個磁感應轉移模塊，并且主電流電路、限流支路、開斷支路和能量耗散支路并聯(lián)。當斷路器需要開斷電流時，通過控制主電流電路的器件動作，觸發(fā)磁感應轉移模塊放電，依次導通限流支路和開斷支路。通過限流支路來限制短路電流的上升率和幅值，可以將電流限制到較小范圍再開斷，降低電容容量，減小成本。通過限流支路與開斷支路并聯(lián)，可以滿足斷路器選擇性保護的需求，讓斷路器在不同的時間點開斷。通過隔離斷路器主回路和二次充電電路，可以顯著提高開斷的可靠性。同時，本發(fā)明采用感應電感支路和放電電容支路并聯(lián)組成的磁感應轉移模塊，降低了開斷支路對電容器容量的需求，有效減小開斷支路中電容的體積，而且磁感應轉移模塊電路中的電容預充電電壓很低，也保證了二次充電電路與斷路器主回路有效的電隔離，提高開斷的可靠性。通過在限流支路和開斷支路的磁感應轉移模塊用橋式電路實現(xiàn)電流的雙向轉移和開斷，大大降低成本和體積。

如圖7-15所示，本發(fā)明還具有多種可替代的實施方式。

以上內容是結合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施方式僅限于此，對于本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應當視為屬于本發(fā)明由所提交的權利要求書確定保護范圍。