本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種交直流混合型的斷路器及控制方法。

背景技術(shù)：

在直流輸配電系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)生短路工況時，由于不存在自然過零點(diǎn)，其短路電流的開斷相較于交流系統(tǒng)更加困難，如果僅利用機(jī)械開關(guān)直接拉弧分?jǐn)喽搪冯娏?，一方面，分?jǐn)鄷r間較長，而短路電流上升速率很快，當(dāng)分?jǐn)嗤瓿蓵r短路電流已經(jīng)很大，會對系統(tǒng)中的其他設(shè)備造成破壞；另一方面，機(jī)械開關(guān)分?jǐn)噙^程中持續(xù)燃弧，對觸頭損傷大，降低機(jī)械壽命。

在分布式微網(wǎng)系統(tǒng)中，當(dāng)電網(wǎng)側(cè)發(fā)生故障，微網(wǎng)系統(tǒng)要能夠?qū)崿F(xiàn)并離網(wǎng)的快速無縫切換，傳統(tǒng)的機(jī)械開關(guān)的分閘時間通常在10ms以上，并不能滿足無縫切換需求。

在一些含有對電能質(zhì)量敏感的關(guān)鍵負(fù)荷的場合中，當(dāng)原有供電系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，要求負(fù)荷能夠從中快速脫離，并切換到備用供電系統(tǒng)，為了保證電能質(zhì)量能夠滿足要求，整個切換過程的時間要求在5～10ms以內(nèi)，而僅靠傳統(tǒng)的機(jī)械開關(guān)無法滿足雙電源快速切換的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明提出了一種交直流混合型的斷路器，與一主回路連接；包括：

高速機(jī)械開關(guān)，與所述主回路連接，用于于所述主回路短路或更換供電設(shè)備時對所述主回路進(jìn)行高速分?jǐn)啵?/p>

一第一二極管和一第二二極管，所述第一二極管和所述第二二極管反接形成一第一節(jié)點(diǎn)，所述第一二極管和所述第二二極管背離所述第一節(jié)點(diǎn)的兩端并接至所述高速機(jī)械開關(guān)上；

一第三二極管和一第四二極管，所述第三二極管和所述第四二極管對接形成一第二節(jié)點(diǎn)，所述第三二極管和所述第四二極管背離所述第二節(jié)點(diǎn)的兩端并接至所述高速機(jī)械開關(guān)上；

依次串聯(lián)的一第一晶閘管，一電感以及一電容；

所述第一晶閘管的導(dǎo)通方向朝向所述電感和所述電容，用于控制所述電容的充放電；

所述第一晶閘管背離所述電感的一端與所述第二節(jié)點(diǎn)連接，所述電容背離所述電感的一端為高電壓且與所述第一節(jié)點(diǎn)連接以經(jīng)過所述高速機(jī)械開關(guān)在所述第一二極管或者所述第二二極管所在的回路中放電并反向充電；

能量吸收支路，與所述高速機(jī)械開關(guān)并聯(lián)，用于在接收到的電壓高于一設(shè)定值時從一第一狀態(tài)轉(zhuǎn)換為一第二狀態(tài)以將所述主回路中的電流降至一安全電流值。

上述的斷路器，其中，還包括：

一第二晶閘管和一第三晶閘管，所述第二晶閘管和所述第三晶閘管對接形成一第三節(jié)點(diǎn)，所述第二晶閘管和所述第三晶閘管背離所述第三節(jié)點(diǎn)的兩端并接至所述高速機(jī)械開關(guān)上，用于在所述高速機(jī)械開關(guān)斷開后對所述主回路進(jìn)行雙向快速合閘。

上述的斷路器，其中，所述能量吸收支路包括一避雷器。

上述的斷路器，其中，所述能量吸收支路包括具有正溫度系數(shù)的超導(dǎo)材料。

上述的斷路器，其中，還包括：

控制模塊，分別與所述第一晶閘管和所述高速機(jī)械開關(guān)的控制端連接，用于分別控制所述第一晶閘管和所述高速機(jī)械開關(guān)的通斷。

上述的斷路器，其中，還包括：

檢測模塊，與所述控制模塊連接，用于檢測所述主回路中的電流并輸出至所述控制模塊內(nèi)；

所述控制模塊根據(jù)所述主回路中的電流分別控制所述第一晶閘管和所述高速機(jī)械開關(guān)的通斷。

一種交直流混合型的斷路器的控制方法，應(yīng)用于如上任意一項(xiàng)所述的斷路器；包括：

步驟S1，于所述主回路短路或更換供電設(shè)備時采用所述高速機(jī)械開關(guān)對所述主回路進(jìn)行高速分?jǐn)啵?/p>

步驟S2，于所述高速機(jī)械開關(guān)動作的過程中將所述第一晶閘管導(dǎo)通使得所述電容經(jīng)過所述高速機(jī)械開關(guān)隨所述第一二極管或者所述第二二極管導(dǎo)通的方向進(jìn)行放電并反向充電；

步驟S3，保持所述電容的反相充電，直至所述能量吸收支路接收到的電壓高于所述設(shè)定值時，將所述能量吸收支路從所述第一狀態(tài)轉(zhuǎn)換為所述第二狀態(tài)以將所述主回路中的電流降至所述安全電流值。

上述的控制方法，其中，還包括：

步驟S4，所述能量吸收支路持續(xù)吸收所述主回路中的電流直至所述主回路中的電流降至0安培。

有益效果：本發(fā)明提出的一種交直流混合型的斷路器能夠在系統(tǒng)正常運(yùn)行時盡量避免固態(tài)器件處于導(dǎo)通狀態(tài)，減小系統(tǒng)導(dǎo)通損耗，降低固態(tài)型斷路器熱設(shè)計難度；通過減少可控性器件的使用數(shù)量，大大降低可控器件誤觸的可能性，提高系統(tǒng)可靠性；能夠提高系統(tǒng)可靠性，降低系統(tǒng)成本，加快斷路器動作速度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一實(shí)施例中交直流混合型的斷路器的電路原理圖；

圖2為本發(fā)明一實(shí)施例中交直流混合型的斷路器的控制時序圖；

圖3為本發(fā)明一實(shí)施例中交直流混合型的斷路器的控制方法的的步驟流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。

在一個較佳的實(shí)施例中，如圖1所示，提出了一種交直流混合型的斷路器，與一主回路(可以是接在圖1中的A，B的端口處，主回路的電流方向可以是從A到B，也可以是從B到A)連接；可以包括：

高速機(jī)械開關(guān)S，與主回路連接，用于于主回路短路或更換供電設(shè)備時對主回路進(jìn)行高速分?jǐn)啵?/p>

一第一二極管D1和一第二二極管D2，第一二極管D1和第二二極管D2反接形成一第一節(jié)點(diǎn)，第一二極管D1和第二二極管D2背離第一節(jié)點(diǎn)的兩端并接至高速機(jī)械開關(guān)S上；

一第三二極管D3和一第四二極管D4，第三二極管D3和第四二極管D4對接形成一第二節(jié)點(diǎn)，第三二極管D3和第四二極管D4背離第二節(jié)點(diǎn)的兩端并接至高速機(jī)械開關(guān)S上；

依次串聯(lián)的一第一晶閘管T，一電感L以及一電容C；

第一晶閘管T的導(dǎo)通方向朝向電感L和電容C，用于控制電容C的充放電；

第一晶閘管T背離電感L的一端與第二節(jié)點(diǎn)連接，電容C背離電感L的一端為高電壓且與第一節(jié)點(diǎn)連接以經(jīng)過高速機(jī)械開關(guān)S在第一二極管D1或者第二二極管D2所在的回路中放電并反向充電；

能量吸收支路MOV，與高速機(jī)械開關(guān)S并聯(lián)，用于在接收到的電壓高于一設(shè)定值時從一第一狀態(tài)轉(zhuǎn)換為一第二狀態(tài)以將主回路中的電流降至一安全電流值。

其中，設(shè)定值可以根據(jù)主回路的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)定；第一狀態(tài)可以是能量吸收支路MOV的阻抗較低的狀態(tài)，這種情況下第二狀態(tài)為能量吸收支路MOV的阻抗較高的狀態(tài)；安全電流值可以是降低的電流值，例如只有幾十毫安或幾毫安的電流。

在一個較佳的實(shí)施例中，如圖1所示，還可以包括：

一第二晶閘管T2和一第三晶閘管T3，第二晶閘管T2和第三晶閘管T3對接形成一第三節(jié)點(diǎn)，第二晶閘管T2和第三晶閘管T3背離第三節(jié)點(diǎn)的兩端并接至高速機(jī)械開關(guān)S上，用于在高速機(jī)械開關(guān)S斷開后對主回路進(jìn)行雙向快速合閘。

在一個較佳的實(shí)施例中，能量吸收支路MOV包括一避雷器。

在一個較佳的實(shí)施例中，能量吸收支路包括具有正溫度系數(shù)的超導(dǎo)材料。

在一個較佳的實(shí)施例中，還可以包括：

控制模塊(附圖中未顯示)，分別與第一晶閘管T和高速機(jī)械開關(guān)S的控制端連接，用于分別控制第一晶閘管T和高速機(jī)械開關(guān)S的通斷。

上述實(shí)施例中，優(yōu)選地，還可以包括：

檢測模塊(附圖中未顯示)，與控制模塊連接，用于檢測主回路中的電流并輸出至控制模塊內(nèi)；

控制模塊根據(jù)主回路中的電流分別控制第一晶閘管T和高速機(jī)械開關(guān)S的通斷。

具體地，結(jié)合圖2可見：

(1)當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時，固態(tài)換流支路中的晶閘管處于關(guān)斷狀態(tài)，系統(tǒng)電流只流經(jīng)高速機(jī)械開關(guān)S；在系統(tǒng)正常運(yùn)行期間，固態(tài)換流支路中的電容C通過充電回路充電至設(shè)定值。

(2)當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，分析其工作過程和控制方法：

a)短路檢測階段td，智能控制單元進(jìn)行短路檢測判斷，假設(shè)短路電流方向從A到B。當(dāng)主回路電流超過預(yù)設(shè)動作值Iset且上升率在設(shè)定范圍之內(nèi)一段時間td后，短路檢測單元判斷短路發(fā)生，觸發(fā)短路保護(hù)模式，同時向高速機(jī)械開關(guān)S下發(fā)分閘動作指令信號。

b)機(jī)械延時階段tm，高速機(jī)械開關(guān)S收到分閘指令后，經(jīng)過一定時間的機(jī)械延時時間tm，高速斥力機(jī)構(gòu)的動靜觸頭開始分離；

c)觸頭燃弧階段tn，在觸頭分離過程中，在動靜觸頭之間會建立起一定的電弧電壓，產(chǎn)生電弧電流，經(jīng)過一定的燃弧時間后由智能控制單元給晶閘管T下發(fā)動作指令；

d)固態(tài)換流階段tc，智能控制單元給強(qiáng)迫換流支路晶閘管T下發(fā)導(dǎo)通指令，電容C依次通過二極管D2、高速斥力開關(guān)S、二極管D3、晶閘管T、電感L所在回路放電，由于高速機(jī)械開關(guān)動靜觸頭之間的電弧電壓依然存在，導(dǎo)致二極管D1、D4反向截止，因此電容放電電流全部通過高速機(jī)械開關(guān)S，與S中原有的短路電流對沖至零，實(shí)現(xiàn)高速機(jī)械開關(guān)的強(qiáng)迫換流，當(dāng)高速機(jī)械開關(guān)S電流降為零時，其兩端電壓也為零；

e)介質(zhì)恢復(fù)階段tz，當(dāng)高速機(jī)械開關(guān)S完全分?jǐn)嗪?，電弧電壓為零，二極管D1、D4反向截止的條件不復(fù)存在，在電容電壓的作用下正向?qū)?，電容C繼續(xù)放電，該階段為高速機(jī)械開關(guān)提供介質(zhì)恢復(fù)時間，防止其在電容反向電壓作用下重燃弧；

f)LC限流階段tr，當(dāng)電容放電完畢后，電容C和電感L串聯(lián)接入主回路，此時電容C被反向充電，隨著開關(guān)兩端反向電壓增大至源電壓，電流達(dá)到峰值并開始減小，該階段所用時間為限流時間tr。

g)換流階段ti，當(dāng)電容C和電感L兩端電壓達(dá)到壓敏電阻或正溫度系數(shù)超導(dǎo)材料的動作電壓時，該支路阻抗瞬間減小，固態(tài)強(qiáng)迫換流支路電流逐漸轉(zhuǎn)移到能量吸收支路，導(dǎo)致固態(tài)關(guān)斷電路電流減小，壓敏電阻或正溫度系數(shù)超導(dǎo)材料電流增大，直至主回路電流完全轉(zhuǎn)移到壓敏電阻或正溫度系數(shù)超導(dǎo)材料；

h)吸能階段ta，固態(tài)關(guān)斷電路電流降為零時，電容停止反向充電，電容電壓達(dá)到峰值，主回路電流全部流經(jīng)能量吸收支路，限流斷路器通過壓敏電阻或正溫度系數(shù)超導(dǎo)材料吸收剩余能量，最終主回路電流在壓敏電阻或正溫度系數(shù)超導(dǎo)材料的作用下減小至零，限流斷路器完成換流關(guān)斷全過程。

(3)當(dāng)系統(tǒng)需要對敏感負(fù)荷進(jìn)行電源切換時，在一些關(guān)鍵負(fù)荷對電源質(zhì)量敏感的場合中，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，需要將負(fù)載從原有供電系統(tǒng)中脫離，并無縫切換至備用電源，保證關(guān)鍵用電設(shè)備正常運(yùn)行。因此，當(dāng)智能控制單元檢測到系統(tǒng)發(fā)生短路故障且快速斷路器已將負(fù)載從原有供電系統(tǒng)中快速切除，此時智能控制單元將給晶閘管T1、T2發(fā)出動作指令，如果能量從A到B，則晶閘管T1和二極管D2導(dǎo)通，如果能量從B到A，則晶閘管T2和二極管D1導(dǎo)通，從而完成快速合閘，將負(fù)載切換至備用電源；接著導(dǎo)通高速機(jī)械開關(guān)，由于機(jī)械開關(guān)導(dǎo)通后電阻低，電流從固態(tài)換流支路轉(zhuǎn)移到高速機(jī)械開關(guān)上。

除了上述的交直流混合型的斷路器，在一個較佳的實(shí)施例中，本發(fā)明還提出了一種交直流混合型的斷路器的控制方法，可以應(yīng)用于上面任意一個實(shí)施例中的斷路器；如圖3所示，可以包括：

步驟S1，于主回路短路或更換供電設(shè)備時采用高速機(jī)械開關(guān)S對主回路進(jìn)行高速分?jǐn)啵?/p>

步驟S2，于高速機(jī)械開關(guān)動作S的過程中將第一晶閘管導(dǎo)通使得電容C經(jīng)過高速機(jī)械開關(guān)S隨第一二極管D1或者第二二極管D2導(dǎo)通的方向進(jìn)行放電并反向充電；

步驟S3，保持電容C的反相充電，直至能量吸收支路MOV接收到的電壓高于設(shè)定值時，將能量吸收支路MOV從第一狀態(tài)轉(zhuǎn)換為第二狀態(tài)以將主回路中的電流降至安全電流值。

上述的實(shí)施例中，優(yōu)選地，還可以包括：

步驟S4，能量吸收支路持續(xù)吸收主回路中的電流直至主回路中的電流降至0安培。

其中，能量吸收支路MOV將主回路中的電流降至0安培不應(yīng)視為只能是0安培，由于吸收電能的過程是隨時間變化的動態(tài)過程，主回路中的電流降至0安培也可以是降至接近于0安培，但一般情況下是可以將主回路中的電流完全吸收的。

綜上所述，本發(fā)明提出的一種交直流混合型的斷路器能夠在系統(tǒng)正常運(yùn)行時盡量避免固態(tài)器件處于導(dǎo)通狀態(tài)，減小系統(tǒng)導(dǎo)通損耗，降低固態(tài)型斷路器熱設(shè)計難度；通過減少可控性器件的使用數(shù)量，大大降低可控器件誤觸的可能性，提高系統(tǒng)可靠性；能夠提高系統(tǒng)可靠性，降低系統(tǒng)成本，加快斷路器動作速度。

通過說明和附圖，給出了具體實(shí)施方式的特定結(jié)構(gòu)的典型實(shí)施例，基于本發(fā)明精神，還可作其他的轉(zhuǎn)換。盡管上述發(fā)明提出了現(xiàn)有的較佳實(shí)施例，然而，這些內(nèi)容并不作為局限。

對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，閱讀上述說明后，各種變化和修正無疑將顯而易見。因此，所附的權(quán)利要求書應(yīng)看作是涵蓋本發(fā)明的真實(shí)意圖和范圍的全部變化和修正。在權(quán)利要求書范圍內(nèi)任何和所有等價的范圍與內(nèi)容，都應(yīng)認(rèn)為仍屬本發(fā)明的意圖和范圍內(nèi)。