CN106206208A - 大功率双向开断的混合式直流断路器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率双向开断的混合式直流断路器，包括有机械旁路断路器、固态断路器、爆炸开关和移能电阻，机械旁路断路器与固态断路器并联构成失超主保护支路，然后与由爆炸开关构成的后备保护单元串联，最后与由移能电阻并联。本发明可应用于大功率直流电源系统中，作为其系统保护断路器，如超导聚变装置中的超导磁体系统的失超保护技术领域，直流输配电网络的直流短路保护断路器，以及脉冲功率技术领域所需的大功率断路器，系统结构新颖且可靠，是实现大功率直流开断和能量快速转移的有效途径。

Description

大功率双向开断的混合式直流断路器

技术领域

本发明涉及直流断路器领域，具体是一种大功率双向开断的混合式直流断路器。

背景技术

全超导托克马克装置中超导磁体尺寸大、储能高、造价昂贵、修复非常困难，因此超导磁体的安全运行是极其重要。超导磁体运行过程中一旦出现正常状态转变，磁体线圈所储存的巨大电磁能量将向热能转化，可能对磁体造成长久的损坏。所以大功率失超保护系统可靠的将磁体中储存的巨大能量迅速转移到移能电阻单元上，使得超导磁体在发生失超后避免对聚变装置造成不可估量的损失，确保对超导磁体的安全使用和运行。

传统失超保护单元采用机械直流断路器并联熔断器的二级换流技术，主要通过机械断路器开断产生的电弧电压使开关电流转入换流熔断器内，而熔断器受转入电流的加热，经一定时延熔断产生高压，迫使电流转移至负载中。该换流法主要利用熔断器来减轻主开关的灭弧负担，使主开关绝缘强度得到迅速恢复，此外产生脉冲高压，使磁体中的能量迅速转移到移能单元中释放。但是每次开断后都需更换熔断器，维护量大。

随着大功率半导体器件的飞速发展，混合式直流断路器结合了传统机械式断路器低通态损耗和固态断路器快速分断的优点，已成为大功率断路器的研究热点。但由于未来全超导托克马克装置中超导磁体的磁体电流达到70 kA，电压达20 kV以上。所以现有大功率混合断路器方案存在以下几个问题。

1、机械断路器需提供数百伏的弧压来满足固态断路器支路的可靠导通电压，同时具有较快的绝缘恢复时间来承受电流转移到移能单元支路的过电压。

2、固态断路器具有双向分断能力，且可以承受换流时的短时大电流和关断产生的高电压。

3、当机械断路器或固态断路器失效后，应具有后备保护断路器使得其可以有效可靠换流，把能量转移到移能电阻单元支路。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足提供一种大功率双向开断的混合式直流断路器，可应用于大功率直流电源系统中，作为其系统保护断路器，如超导聚变装置中的超导磁体系统的失超保护技术领域，直流输配电网络的直流短路保护断路器，以及脉冲功率技术领域所需的大功率断路器。

本发明的技术方案如下：

一种大功率双向开断的混合式直流断路器，包括有机械旁路断路器、固态断路器、爆炸开关和移能电阻，其特征在于：所述的机械旁路断路器与所述固态断路器并联构成失超主保护支路，然后与由所述爆炸开关构成的后备保护单元串联，最后与由所述移能电阻并联。

进一步的，所述的机械旁路断路器为由主触头、弧触头和快速高压隔离触头构成的三级触头结构，其中弧触头与快速高压隔离触头串联再与主触头并联，且各个触头分别带有独立操作机构。克服了传统机械开关大电流下较低的开断电压和较慢的绝缘恢复时间的缺点。

进一步的，所述的固态断路器包括有由四个串并二极管阀组构成的桥式整流电路和一个电力电子器件阀组。

进一步的，所述的电力电子器件阀组由若干个电力电子器件支路并联组成，每个电力电子器件支路分别由若干个电力电子器件串联组成，每个电力电子器件支路中分别串联有均流电感，实现动静态均流，每个电力电子器件的两端分别并联有吸收电路、均压电阻和过电压限制器，实现动、静态均压和过电压保护。

进一步的，所述的爆炸开关是在机械旁路断路器和高压固态断路器失效情况下，通过引爆雷管和炸药，迅速将电流转移至移能电阻，以避免机械旁路断路器和固态断路器失效而导致系统故障扩大。

进一步的，移能电阻可以吸收储能达GJ级的直流系统能量。

当系统正常运行时，电源系统通过大功率爆炸开关与大功率机械旁路断路器给超导磁体提供稳态直流电流。当系统故障时（超导磁体失超），断开大功率机械旁路断路器和打开固态断路器，电流流向固态断路器换流。当大功率机械旁路断路器满足开断电压后，电流流向移能电阻换流。如果当机械断路器或固态断路器失效时，断开爆炸开关，使得电流可靠向移能电阻换流。

本发明的有益效果：

本发明通过采用三级触头结构的大功率机械旁路开关和并联基于全控器件的多串并联的固态断路器的混合式断路器设计方案，既可很好的结合传统机械式断路器低通态损耗和固态断路器快速无弧分断的优点，又可克服传统机械开关大电流下较低的开断电压和较慢的绝缘恢复时间，开关电路系统结构新颖，是实现大功率直流开断和能量快速转移的有效途径。

附图说明

图1为本发明的电路结构示意图。

图2为本发明中固态断路器的电路结构示意图。

图3为本发明的开关电路动作时序及各支路电流波形图。

具体实施方式

参见图1、2，一种大功率双向开断的混合式直流断路器，包括有机械旁路断路器、固态断路器、爆炸开关PB和移能电阻DR，机械旁路断路器与固态断路器并联构成失超主保护支路，然后与由爆炸开关PB构成的后备保护单元串联，最后与由移能电阻DR并联。

本发明中，机械旁路断路器为由主触头MC、弧触头AC和快速高压隔离触头FIC构成的三级触头结构，其中弧触头AC与快速高压隔离触头FIC串联再与主触头MC并联，且各个触头分别带有独立操作机构。克服了传统机械开关大电流下较低的开断电压和较慢的绝缘恢复时间的缺点。

主触头MC分断和快速高压隔离触头FIC分断过程时基本不承受电压，只有完全断开，绝缘强度恢复后才承受高压固态断路器关断产生的高开断电压，其中快速高压隔离触头FIC是在无弧下快速断开，并迅速恢复高压阻断能力，而弧触头AC必须短时承载大电流且开断产生较高的弧压，以保证主触头MC具有足够的绝缘恢复时间并使得固态断路器可以快速导通换流。

固态断路器包括有由四个串并二极管阀组D1、D2、D3、D4构成的桥式整流电路和一个电力电子器件阀组T1。桥式整流电路的优点在于不需要判断工作电流方向即可实现双向分断能力。

电力电子器件阀组T1由若干个电力电子器件支路并联组成，可以承受换流时的瞬间大电流，每个电力电子器件支路分别由若干个电力电子器件串联组成，可以承受换流到移能电阻时的反向高电压，可以根据实现的电压与电流等级来确定电力电子器件的串并联数量，每个电力电子器件支路中分别串联有匀流电感，实现动静态均流，由于电力电子器件自身的参数不一致性、驱动控制板信号的不一致性以及每个电力电子器件串联支路寄生参数的不一致性，每个电力电子器件的两端分别并联有吸收电路、均压电阻和过电压限制器，来防止器件过电压而损坏。

电力电子器件可采用IGBT、IGCT、IEGT之中的任一种大功率器件电力电子器件，电压限制器采用氧化锌MOV或避雷器。

爆炸开关不仅要满足正常工作条件下的额定大电流通流能力，还要满足在机械旁路断路器或固态断路器失效情况下，迅速可靠的开断大电流并产生高电压，将能量转移至耗能电阻。

移能电阻DR可以吸收储能达GJ级的直流系统能量。

本发明具有双向分断能力且实现三次换流过程，无论系统工作电流方向是从S1到S2还是从S2到S1，其换流的基本原理相同，只是当系统电流方向是从S1到S2时，其固态断路器的电流流向为D1阀组到T1阀组再到D4阀组，D2阀组、D3阀组及T1阀组承受关断时的反向过电压。当系统电流方向是从S2到S1时，其固态断路器的电流流向为D2阀组到T1阀组再到D3阀组，D1阀组、D4阀组及T1阀组承受关断时的反向过电压。详细的主要工作原理和动作时序如图3所示，其中In为系统工作电流。

1、大功率双向开断的混合式直流断路器正常分断过程：

1）、系统正常运行时，系统工作电流由旁路机械断路器的主触头和与之串联提供后备保护的爆炸开关向超导磁体供电；

2）、若t1时刻检测到失超故障发生，立刻发出机械旁路断路器主触头的分断命令，经过主触头固有动作延时后，在t2时刻，主触头打开并产生电弧电压，迫使电流从主触头支路开始换流到弧触头和与之串联的快速隔离触头；

3）、在t3时刻，主触头完全断开电流换向结束，这时电流完全转移到机械旁路断路器的弧触头和快速隔离触头，待主触头恢复高电压阻断能力(t3~t4时刻)；

4）、在t4时刻，发出打开弧触头的分断命令，同时发出固态断路器的导通命令，迅速将负载工作电流转移到高压固态断路器中；

5）、在t5时刻，当电流完全从弧触头转移到固态断路器路时，发出机械旁路断路器的高压快速隔离触头分断命令，快速高压隔离触头在极短时间内无弧断开，并迅速具有高压阻断能力；

6）、在t6时刻，高压固态断路器关断产生高开断电压，负载工作电流开始迅速转移到移能电阻上；

7）、在t7时刻，负载工作电流完全转移到移能单元支路，磁体电流快速衰减，使得磁体能量迅速转移并消耗在移能电阻上。

从发出机械旁路断路主触头动作命令的t1时刻到其完全打开并恢复高电压阻断能力的t6时刻的时间间隔主要取决于主触头的绝缘恢复电压性能，一般在数十到数百毫秒内；而从发出快速高压隔离触头动作命令的t5时刻到其完全打开的t6时刻，具有高压阻断能力的时间间隔主要取决于快速高压隔离开关的性能，一般要求在数十毫秒，而电力电子器件组成的固态断路器关断时间非常短，基本在微秒量级，即使考虑换流回路参数影响，在几毫秒的时间内即可完成换流。

2、大功率双向开断的混合式直流断路器故障分断过程

后备的爆炸开关是在旁路机械断路器和高压固态断路器失效情况下，通过引爆雷管和炸药，迅速可靠的断开主回路电流，产生高电压，将电流转移至移能电阻路上，以避免机械旁路断路器、固态断路器损坏和系统故障扩大。

本发明在系统工作正常时，由于主电流支路是机械旁路断路器，通态损耗可以忽略不计，而系统故障时，换流到固态断路器的时间短，所以不需要冷却系统。另外增加的后备保护爆炸开关增强了系统换流的可靠性。本发明控制简单，系统可靠性高。

Claims (4)

1.一种大功率双向开断的混合式直流断路器，包括有机械旁路断路器、固态断路器、爆炸开关和移能电阻，其特征在于：所述的机械旁路断路器与所述固态断路器并联构成失超主保护支路，然后与由所述爆炸开关构成的后备保护单元串联，最后与由所述移能电阻并联。

2.根据权利要求1所述的大功率双向开断的混合式直流断路器，其特征在于：所述的机械旁路断路器为由主触头、弧触头和快速高压隔离触头构成的三级触头结构，其中弧触头与快速高压隔离触头串联再与主触头并联，且各个触头分别带有独立操作机构。

3.根据权利要求1所述的大功率双向开断的混合式直流断路器，其特征在于：所述的固态断路器包括有由四个串并二极管阀组构成的桥式整流电路和一个电力电子器件阀组。

4.根据权利要求3所述的大功率双向开断的混合式直流断路器，其特征在于：所述的电力电子器件阀组由若干个电力电子器件支路并联组成，每个电力电子器件支路分别由若干个电力电子器件串联组成，每个电力电子器件支路中分别串联有匀流电感，每个电力电子器件的两端分别并联有吸收电路、均压电阻和过电压限制器。