專利名稱：一種具有過電壓抑制功能的固態(tài)斷路器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種斷路器，尤其是涉及一種具有過電壓抑制功能的固態(tài)斷路器。
背景技術(shù)：
由于微型電網(wǎng)所接入與管理的發(fā)電設(shè)備常常是與環(huán)境、氣候條件密切相關(guān)的風(fēng)能、太陽能發(fā)電，發(fā)電量相對(duì)不穩(wěn)定，為了保持微電網(wǎng)面向用戶能夠提供穩(wěn)定的電壓，除了增設(shè)一系列的儲(chǔ)能設(shè)備，微型電網(wǎng)內(nèi)部還需要對(duì)新能源發(fā)電進(jìn)行靈活地調(diào)節(jié)控制，需要裝設(shè)動(dòng)作速度迅速的開關(guān)設(shè)備，而由于基于機(jī)械動(dòng)作的開關(guān)(如油斷路器、SF6斷路器、真空斷路器)動(dòng)作速度慢，難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化靈活控制。為了維護(hù)微型電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)斷路器提出了更高的要求，希望其動(dòng)作速度更快、控制精度更高，而這樣的性能，常規(guī)的斷路器目前難以達(dá)到。固態(tài)斷路器是基于電力電子器件的新型無斷口開關(guān)設(shè)備，因而具備了遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)機(jī)械式斷路器動(dòng)作速度，其動(dòng)作時(shí)間在微秒級(jí)，能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)電路在電壓或電流的指定相位斷開或閉合，可以滿足微電網(wǎng)對(duì)開關(guān)設(shè)備的嚴(yán)格要求。配合故障限流器使用，固態(tài)斷路器能夠在短路電流還未顯著升高時(shí)就將故障線路切斷，大大提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定性。由于固態(tài)斷路器沒有斷口，一方面，在開關(guān)過程中不會(huì)產(chǎn)生電弧，提高了斷路器的使用壽命，但另一方面也會(huì)導(dǎo)致開斷過程中產(chǎn)生過高的截流過電壓。過電壓是開關(guān)元件損壞的主要原因，也是固態(tài)斷路器開發(fā)的難點(diǎn)所在，在固態(tài)斷路器的開發(fā)中，為了提高開關(guān)的耐壓水平，不得不采用更高耐壓水平的開關(guān)器件。本發(fā)明在固態(tài)斷路器中增加續(xù)流支路，為故障電流提供能量釋放的通道，顯著抑制故障電流開斷所引起的過電壓，為高電壓等級(jí)的固態(tài)斷路器研制提供了全新的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種具有過電壓抑制功能的固態(tài)斷路器。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種具有過電壓抑制功能的固態(tài)斷路器，其特征在于，包括主導(dǎo)通回路、續(xù)流限壓支路，所述的主導(dǎo)通回路的輸出端與續(xù)流限壓支路的一端連接，所述的續(xù)流限壓支路的另一端接地，主導(dǎo)通回路關(guān)斷前先導(dǎo)通續(xù)流限壓支路，延遲設(shè)定時(shí)間后再關(guān)斷主導(dǎo)通回路。所述的主導(dǎo)通回路由多個(gè)導(dǎo)通單元串并聯(lián)而成，所述的導(dǎo)通單元的數(shù)量根據(jù)使用環(huán)境的額定電壓和故障電流的容量決定。所述的導(dǎo)通單元包括2個(gè)IGBT模塊、1個(gè)ZnO避雷器，所述的2個(gè)IGBT模塊反向串聯(lián)后與ZnO避雷器并聯(lián)。所述的IGBT模塊由IGBT與二極管反向并聯(lián)而成。所述的續(xù)流限壓支路包括二極管D1、二極管D2、二極管D3、二極管D4、GT0,電阻，所述的二極管Dl的負(fù)極與二極管D2的正極連接，所述的二極管D2的負(fù)極與二極管D3的負(fù)極連接，所述的二極管D3的正極與二極管D4的負(fù)極連接，所述的二極管D4的正極與二極管Dl的正極連接，所述的GTO的陽極接在二極管D2的負(fù)極與二極管D3的負(fù)極之間，所述的GTO的陰極通過電阻接在二極管D4的正極與二極管Dl的正極之間，所述的主導(dǎo)通回路的輸出端接在二極管Dl的負(fù)極與二極管D2的正極之間，所述的二極管D3的正極與二極管D4的負(fù)極之間接地。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1、與傳統(tǒng)固態(tài)斷路器相比，其過電壓抑制性能顯著提高，能夠在各種條件下將開斷過電壓限制到1. 3倍額定電壓以下，而傳統(tǒng)固態(tài)斷路器的過電壓往往在3 6倍左右。2、與傳統(tǒng)固態(tài)斷路器相比，開發(fā)相同電壓等級(jí)的固態(tài)斷路器，所選用的IGBT元件額定電壓可以顯著降低。3、與傳統(tǒng)機(jī)械式斷路器相比，其動(dòng)作速度快100倍到1000倍左右，從毫秒級(jí)到微妙級(jí)，動(dòng)作速度顯著提高，可控性增強(qiáng)；4、可減少固態(tài)斷路器為防止過電壓擊穿而增設(shè)的輔助單元，降低固態(tài)斷路器的成本。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明正常工作狀態(tài)下的控制示意圖；圖3為本發(fā)明續(xù)流限壓支路打開時(shí)的控制示意圖；圖4為本發(fā)明的續(xù)流耗能過程控制示意圖；圖5為無續(xù)流限壓支路的斷路器在電流峰值處截流的過電壓波形圖；圖6為帶續(xù)流限壓支路的固態(tài)斷路器在電流峰值處截流的過電壓波形圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。實(shí)施例如圖1所示，一種具有過電壓抑制功能的固態(tài)斷路器，包括主導(dǎo)通回路1、續(xù)流限壓支路2，所述的主導(dǎo)通回路1的輸出端與續(xù)流限壓支路2的一端連接，所述的續(xù)流限壓支路2的另一端接地，主導(dǎo)通回路1關(guān)斷前先導(dǎo)通續(xù)流限壓支路2，延遲設(shè)定時(shí)間后再關(guān)斷主導(dǎo)通回路1。所述的主導(dǎo)通回路1由多個(gè)導(dǎo)通單元串并聯(lián)而成，所述的導(dǎo)通單元的數(shù)量根據(jù)使用環(huán)境的額定電壓和故障電流的容量決定。所述的導(dǎo)通單元包括2個(gè)IGBT模塊、1個(gè)ZnO避雷器，所述的2個(gè)IGBT模塊反向串聯(lián)后與ZnO避雷器并聯(lián)。所述的IGBT模塊由IGBT與二極管D5反向并聯(lián)而成。所述的續(xù)流限壓支路2包括二極管D1、二極管D2、二極管D3、二極管D4、GT0、電阻R，所述的二極管Dl的負(fù)極與二極管D2的正極連接，所述的二極管D2的負(fù)極與二極管D3的負(fù)極連接，所述的二極管D3的正極與二極管D4的負(fù)極連接，所述的二極管D4的正極與二極管Dl的正極連接，所述的GTO的陽極接在二極管D2的負(fù)極與二極管D3的負(fù)極之間，所述的GTO的陰極通過電阻R接在二極管D4的正極與二極管Dl的正極之間，所述的主導(dǎo)通回路1的輸出端接在二極管Dl的負(fù)極與二極管D2的正極之間，所述的二極管D3的正極與二極管D4的負(fù)極之間接地。其中續(xù)流限壓支路2在主導(dǎo)通回路1關(guān)斷之前開通，通過續(xù)流限壓支路2的電阻來消耗電路電感中所儲(chǔ)存的電磁能量，從而降低固態(tài)斷路器主導(dǎo)通回路1在開斷過程中產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓幅值?？刂七^程如下在固態(tài)斷路器主導(dǎo)通回路1斷開的同時(shí)，使固態(tài)斷路器的續(xù)流限壓支路2導(dǎo)通。由于動(dòng)作速度過快以及信號(hào)的遲滯等因素，實(shí)際上很難做到主導(dǎo)通回路1的關(guān)斷和續(xù)流限壓支路2的導(dǎo)通完全同步。為此，實(shí)際操作中，固態(tài)斷路器關(guān)斷時(shí)，先導(dǎo)通續(xù)流限壓支路2，延遲幾微秒再關(guān)斷固態(tài)斷路器的主導(dǎo)通回路1，斷路器的整個(gè)關(guān)斷過程將分解成兩個(gè)階段。固態(tài)斷路器的主導(dǎo)通回路1的關(guān)斷時(shí)間和續(xù)流限壓支路2的導(dǎo)通時(shí)間控制可以通過控制可關(guān)斷晶閘管GTO和IGBT的觸發(fā)信號(hào)發(fā)生順序來實(shí)現(xiàn)。如附圖3所示，在主導(dǎo)通回路1電流被關(guān)斷前，續(xù)流限壓支路2的晶間管GTO先打開，經(jīng)過1微秒左右的短延時(shí)后，固態(tài)斷路器中主導(dǎo)通回路1的IGBT驅(qū)動(dòng)電路得到動(dòng)作信號(hào)，串并聯(lián)的各個(gè)導(dǎo)通單元同時(shí)截止。由于IGBT具有一定的瞬時(shí)過流抑制能力，固態(tài)斷路器能夠在此階段安全工作。整個(gè)關(guān)斷過程具體過程分(a)正常工作、(b)旁路打開、(C)續(xù)流耗能三個(gè)過程，如圖2、3、4所示。正常工作時(shí)，續(xù)流限壓支路2處于關(guān)斷狀態(tài)，系統(tǒng)不受限壓支路的影響；當(dāng)固態(tài)斷路器接到動(dòng)作信號(hào)開始關(guān)斷時(shí)，續(xù)流限壓支路2接通，主導(dǎo)通回路1關(guān)斷，續(xù)流限壓支路2降低了被關(guān)斷線路的電流變化率di/dt，從而起到限制過電壓的作用。在MATLAB/simulink環(huán)境，對(duì)IOkV線路的開斷過程，進(jìn)行了仿真分析。圖5為無續(xù)流限壓支路情況下關(guān)斷峰值電流時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓波形，大概產(chǎn)生了 3. 52p. u.的過電壓；圖6為帶續(xù)流限壓支路情況下關(guān)斷峰值電流時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓波形，大概只產(chǎn)生了 L32p.ii.的過電壓。
權(quán)利要求
1.一種具有過電壓抑制功能的固態(tài)斷路器，其特征在于，包括主導(dǎo)通回路、續(xù)流限壓支路，所述的主導(dǎo)通回路的輸出端與續(xù)流限壓支路的一端連接，所述的續(xù)流限壓支路的另一端接地，主導(dǎo)通回路關(guān)斷前先導(dǎo)通續(xù)流限壓支路，延遲設(shè)定時(shí)間后再關(guān)斷主導(dǎo)通回路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有過電壓抑制功能的固態(tài)斷路器，其特征在于，所述的主導(dǎo)通回路由多個(gè)導(dǎo)通單元串并聯(lián)而成，所述的導(dǎo)通單元數(shù)量根據(jù)使用環(huán)境的額定電壓和故障電流的容量決定。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有過電壓抑制功能的固態(tài)斷路器，其特征在于，所述的導(dǎo)通單元包括2個(gè)IGBT模塊、1個(gè)ZnO避雷器，所述的2個(gè)IGBT模塊反向串聯(lián)后與ZnO避雷器并聯(lián)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具有過電壓抑制功能的固態(tài)斷路器，其特征在于，所述的IGBT模塊由IGBT與二極管反向并聯(lián)而成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有過電壓抑制功能的固態(tài)斷路器，其特征在于，所述的續(xù)流限壓支路包括二極管D1、二極管D2、二極管D3、二極管D4、GT0,電阻，所述的二極管Dl的負(fù)極與二極管D2的正極連接，所述的二極管D2的負(fù)極與二極管D3的負(fù)極連接，所述的二極管D3的正極與二極管D4的負(fù)極連接，所述的二極管D4的正極與二極管Dl的正極連接，所述的GTO的陽極接在二極管D2的負(fù)極與二極管D3的負(fù)極之間，所述的GTO的陰極通過電阻接在二極管D4的正極與二極管Dl的正極之間，所述的主導(dǎo)通回路的輸出端接在二極管Dl的負(fù)極與二極管D2的正極之間，所述的二極管D3的正極與二極管D4的負(fù)極之間接地。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有過電壓抑制功能的固態(tài)斷路器，包括主導(dǎo)通回路、續(xù)流限壓支路，所述的主導(dǎo)通回路的輸出端與續(xù)流限壓支路的一端連接，所述的續(xù)流限壓支路的另一端接地，主導(dǎo)通回路關(guān)斷前先導(dǎo)通續(xù)流限壓支路，延遲設(shè)定時(shí)間后再關(guān)斷主導(dǎo)通回路。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有過電壓抑制功能，動(dòng)作速度快，可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02H9/04GK102593809SQ20111000835
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2011年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月14日
發(fā)明者張明銳, 金鑫 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)