一种高压直流断路器的制造方法

一种高压直流断路器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高压直流断路器。
【背景技术】
[0002]高压直流断路器是HVDC (高压直流输电)系统中的一种非常重要的器件。当电源系统发生故障或者需要维护时，高压直流断路器被用于改变供电结构，以保持整个系统在正常状态下运行。
[0003]在传统的交流输电领域中，每个周期存在2个零电流点，选择零电流点进行分断即可方便地实现灭弧。然而，高压直流输电系统中，电流是恒定的且没有零电流点可被利用。如果直接分断，将导致电弧难以消灭，进而导致断路器损坏。所以高压直流输电技术中，需要找到合适的方案来实现直流电流的分断。
[0004]目前，已存在多种高压直流断路器的设计方案，它们大都聚焦于获得电流零点以进行分断。其中一种方法是基于自激振荡的电流叠加获得电流零点，进而实现电流分断。图1示出了该方案的电路示意图。其中，I是需要分断的直流电流，Ki是主开关(该主开关可以是AC断路器)，在正常运行状态下，主开关Kl保持闭合且全部直流电流从主开关Kl通过。当直流电流I需要分断时，先断开主开关K1。在断开主开关Kl的过程中，由于负阻抗特性和不稳定的电弧，电容Cl和电感LI之间会产生自激振荡，并且这种振荡会逐渐增大。这种振荡电流叠加于直流电流I，使得通过主开关Kl的电流在直流电流I的基础上上下振荡且振幅不断增大，直至获得瞬时电流值为零的点，当通过主开关Kl的瞬时电流降至零时，电弧被消灭，此时主开关Kl被完全地分断。另一方面，此时仍然有大量的能量存储在线路电感中，该能量会造成电容Cl的电压上升，当容Cl的电压超过能量耗散元件MOVl的阈值时，能量耗散元件MOVl开始工作，耗散此处多余的能量。最终主电流变为0，分断过程结束。这种设计方案的优点是电路简单且易于控制。然而它也存在电路的自己振荡高度依赖断路器和LC参数的设置，导致对元件的精度要求极高。并且该方案的电流分断能力有限，最高电流分断能力一般在4kA以下。
[0005]另一种方法是用外部激励产生振荡形成电流叠加获得电流零点，进而实现电流分断。不同于前一方案，该方案中的振荡电容器使用外部电源预充电。图2示出了该方案的电路示意图。在分断主电路前，开关K4闭合，电容C2受控地充电至合适的电压。然后将开关K4断开。再将主开关K2断开，同时将开关K3导通，受电容C2电压的激励，电容C2和电感L2之间产生振荡，振荡电流被叠加到直流电流I上。随着叠加电流的振幅的增大，叠加电流的瞬时值将穿过零点，这样电弧将被消灭，主开关K2被完全分断。在此之后，存储在线路电感的剩余能量将被转移至电容C2，直至电容C2的电压高于能量耗散元件M0V2的阈值。此后，当能量耗散元件M0V2开始工作耗散剩余能量。剩余能量耗散后，开关K3断开，开关K4闭合。电容C2通过电容充放电装置放电。这样，整个电流分断过程结束。该方案的优势是分断速度快且电流分断能力强。然而它需要增加额外的充放电装置，考虑隔离、耐压等问题，额外的充放电装置将显著增加系统复杂性及器件数量，降低导致系统可靠性降低。
[0006]第三种方案是基于串联的高压有源电子组件实现直流分断，图3示出了该方案的电路示意图。在该方案中，K5是主开关(主开关可以是AC断路器)，K6是辅助有源电子开关。有源电子开关组K7由多个有源电子开关串联构成，其中每个有源电子开关各自并联能量耗散元件。在正常运行状态，全部电流流过主开关K5和辅助有源电子开关K6，同时有源电子开关组K7保持断开。当需要分断电流时，辅助有源电子开关K6断开且有源电子开关组K7导通。电流将转移至有源电子开关组K7支路，当流过主开关K5的电流接近O时，将主开关K5断开，此时K5处不会产生电弧。此后，控制有源电子开关组K7断开。这个过程中，能量存储在线路电感中(通常在直流断路器装置的前端总会存在线路感抗，这种线路感抗可以等效成电感)，使得施加在有源电子开关组K7两端的电压快速增加，当K7中各有源电子开关两端的电压高于所对应的并联能量耗散元件的阈值电压时，能量耗散元件工作并耗散多余能量直至电流降至O。此时整个分断过程结束。该方案的主要优势是分断速度快，然而多个有源电子开关的精确同步控制实现困难，并且该方案需要将存在导通压降的辅助有源电子开关K6设置在主线路中，这会导致持续的能量消耗，造成电能浪费。

【发明内容】

[0007]本发明旨在提供一种电流分断能力强且控制简单、可靠性高的高压直流电流分断解决方案。
[0008]本发明的一个方案中，提供了一种直流断路器，包括设置有第二断路器K9的第一线路、第二线路、电容Cl、用于防止电容Cl过载的能量耗散元件，将电容Cl与第一线路连接并且将电容Cl与第二线路连接的连接电路，以及连接所述第一线路和所述第二线路的第一馈电线路；所述连接电路包括电子开关，并且控制所述电子开关能够使所述连接电路在充电状态和放电状态间切换，所述充电状态下，所述连接电路能够将电容Cl的第一电极与所述第一线路连通，且将电容Cl的第二电极与所述第二线路连通，所述放电状态下，所述连接电路能够将电容Cl的第二电极与所述第一线路连通，将电容Cl的第一电极与所述第二线路连通，所述连接电路从所述第二断路器K9的前端接入所述第一线路，所述第一馈电线路从所述第二断路器K9的后端接入所述第一线路，并且所述第一馈电线路从所述第二线路至所述第一线路单向导电。正常的输电状态下，主电流从断路器的前端流向后端，根据主电流的方向，即可判断断路器的前端和后端的位置，下文中还将多次使用断路器的前端和后端这两个概念，其含义与此处相同，不再赘述。该方案不需要增加额外的为电容Cl充电的电源，即可提供较强的电流分断能力，这样简化了额外电源所需考虑的隔离、耐压等问题，有利于减少器件数量，同时，由于该方案不需要将主电流瞬间从主线路转移到分支线路，所以不需要对多个电子开关进行高精度的同步控制。这样，该方案能够从上述两个方面提高电流分断的可靠性。
[0009]本发明的一个方案中，提供了一种直流断路器，包括第一线路、第二线路、电容Cl以及用于防止电容Cl过载的能量耗散元件，所述第一线路上设置有第二断路器K9，所述电容Cl的第一、第二电极分别通过第一电子元件、第二电子元件连接至第一桥接点，所述第一桥接点从所述第二断路器K9的前端的第一接入点接入所述第一线路；所述电容Cl的第一、第二电极还分别通过第三电子元件和第四电子元件连接至第二桥接点，所述第二桥接点接入所述第二线路；所述直流断路器还包括连接所述第一线路和所述第二线路，并且从所述第二线路至所述第一线路单向导电的第一馈电线路，并且该第一馈电线路从所述第二断路器K9的后端接入所述第一线路；
[0010]所述第一电子元件和所述第四电子元件为单向导电元件(包括在一定状态下具有单向导电特性的元件)，所述第一电子元件用于使所述第一桥接点至所述电容Cl的第一电极的方向单向导电，所述第四电子元件用于使所述电容Cl的第二电极至所述第二桥接点的方向单向导电；
[0011 ] 所述第二电子元件和所述第三电子元件为电子开关，所述第二电子元件用于在相应控制信号为断开时阻止电流从所述第一桥接点流至所述电容Cl的第二电极，在相应控制信号为导通时允许电流从所述第一桥接点流至所述电容Cl的第二电极；所述第三电子元件用于在相应控制信号为断开时阻止电流从所述电容Cl的第一电极流至所述第二桥接点，在相应控制信号为导通时允许电流从所述电容Cl的第一电极流至所述第二桥接点。该方案的连接电路的结构简单，不需要增加额外的为电容CI充电的电源，即可提供较强的电流分断能力，这样简化了额外电源所需考虑的隔离、耐压等问题，有利于减少器件数量，同时，由于该方案不需要将主电流瞬间从主线路转移到分支线路，所以不需要对多个电子开关进行闻精度的同步控制。这样，该方案能够从上述两个方面提闻电流分断的可罪性。
[0012]在本发明的一个方案中，所述直流断路器还包括设置有第四断路器的第三线路，所述电容Cl的第一、第二电极还分别通过第五电子元件、第六电子元件连接至第三桥接点，所述第三桥接点从所述第四断路器Kll后端的第三接入点接入所述第三线路；所述直流断路器还包括连接所述第二线路和所述第三线路、并且从所述第三线路至所述第二线路单向导电的第三馈电线路，并且该第三馈电线路从所述第四断路器Kl I的前端接入所述第二线路;
[0013]所述第六电子元件为单向导电元件或者在一定状态下具有单向导电特性的元件，所述第六电子元件用于使所述电容Cl的第二电极至所述第三桥接点的方向单向导电；
[0014]所述第五电子元件为电子开关，所述第五电子元件用于在相应控制信号为断开时阻止电流从所述电容Cl的第一电极流至所述第三桥接点，在相应控制信号为导通时允许电流从所述电容Cl的第一 电极流至所述第三桥接点。该方案既可运行于单极模式，也可运行于双极模式。
[0015]其中，所述单向导电元件或者在一定状态下具有单向导电特性的元件包括第一端和第二端，以及从第一端至第二端的单向导流通道，所述第一电子元件的第一端连接所述第一桥接点，第二端连接所述电容Cl的第一电极，所述第四电子元件的第一端连接所述电容Cl的第二电极，第二端连接所述第二桥接点。
[0016]所述第六电子元件的第一端连接所述电容Cl的第二电极，第二端连接所述第三桥接点。
[0017]其中，所述单向导电元件为二极管。
[0018]其中，所述在一定状态下具有单向导电特性的元件为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,缩写为IGBT)。当控制信号为断开时，IGBT中仅有续流二极管起作用，此时IGBT可等效为二极管。
[0019]其中，所述电子开关包括第一端、第二端以及并联的两个单向导流通道，其中第一单向导流通道是从第一端至第二端的单向导流通道，第二单向导流通道用于在相应控制信号为断开时阻止电流从第二端流向第一端，在所述控制信号为导通时允许电流从第二端流向第一端，其中，所述第二电子元件的第一端连接所述电容Cl的第二电极，所述第二电子元件的第二端连接所述第一桥接点，所述第三电子元件的第一端连接所述第二桥接点，所述第三电子元件的第二端连接所述电容Cl的第一电极。所述第五电子元件的第一端连接所述第三桥接点，所述第三电子元件的第二端连接所述电容Cl的第一电极。
[0020]其中，所述电子开关为绝缘栅双极型晶体管(即IGBT)。IGBT由绝缘栅型场效应管和与其并联的续流二极管组成，续流二极管构成所述第一单向导流通道，绝缘栅型场效应管构成所述第二单向导流通道。
[0021]在本发明的一个方案中，所述第一线路还包括设置在所述第二断路器K9前端并与所述第二断路器K9串联的第一断路器K8，所述第一接入点位于所述第一断路器K8和所述第二断路器K9之间，所述直流断路器还包括连接所述第一线路和所述第二线路，并从所述第二线路至所述第一线路单向导电的第二馈电线路，并且该第二馈电线路从所述第一断路器K8的前端接入所述第一线路。该方案能够实现双向主电流的直流电流分断，即不仅能够在直流输电系统主电流方向正常时完成电流分断，而且能够在主电流方向异常(例如因故障突然反向)时完成电流分断。
[0022]其中，所述第三线路还包括设置在所述第四断路器Kll后端并与所述第四断路器Kll串联的第三断路器K10，所述第三接入点位于所述第三断路器KlO和所述第四断路器Kll之间，所述直流断路器还包括连接所述第二线路和所述第三线路，并从所述第三线路至所述第二线路单向导电的第四馈电线路，并且该第四馈电线路从所述第三断路器KlO的后端接入所述第三线路。该方案能够实现三相连接下的双向主电流的直流电流分断，它既可运行于单极模式，也可运行于双极模式，并且不仅能够在直流输电系统主电流方向正常时完成电流分断，而且能够在主电流方向异常(例如因故障突然反向)时完成电流分断。
[0023]本发明的一个方案中，提供了一种直流断路器，包括第一线路、第二线路、电容Cl以及用于防止电容Cl过载的能量耗散元件，所述第一线路上设置有第二断路器K9，所述电容Cl的第一、第二电极分别通过第一电子元件、第二电子元件连接至第一桥接点，所述第一桥接点从所述第二断路器K9的前端的第一接入点接入所述第一线路；所述电容Cl的第一、第二电极还分别通过第三电子元件和第四电子元件连接至第二桥接点，所述第二桥接点接入所述第二线路；所述直流断路器还包括连接所述第一线路和所述第二线路，并且从所述第二线路至所述第一线路单向导电的第一馈电线路，并且该第一馈电线路从所述第二断路器K9的后端接入所述第一线路；
[0024]所述第一电子元件和所述第四电子元件为单向导电元件或者在一定状态下具有单向导电特性的元件，所述第一电子元件用于使所述第一桥接点至所述电容Cl的第一电极的方向单向导电，所述第四电子元件用于使所述电容Cl的第二电极至所述第二桥接点的方向单向导电；
[0025]所述第二电子元件和所述第三电子元件为电子开关，所述第二电子元件用于在相应控制信号为断开时阻止电流从所述第一桥接点流至所述电容Cl的第二电极，在相应控制信号为导通时允许电流从所述第一桥接点流至所述电容Cl的第二电极；所述第三电子元件用于在相应控制信号为断开时阻止电流从所述电容Cl的第一电极流至所述第二桥接点，在相应控制信号为导通时允许电流从所述电容Cl的第一电极流至所述第二桥接点；其中，所述第二线路设置有第四断路器K11，所述第二桥接点从所述第四断路器Kll的后端接入所述第二线路，所述第一馈电线路从所述第四断路器Kll的前端接入所述第二线路。该方案能够在双极运行模式的直流输电系统中实现电流分断。
[0026]其中，所述第二线路还包括设置在所述第四断路器Kll后端且与所述第四断路器Kll串联的第三断路器，所述第二桥接点从所述第三断路器与所述第二断路器之间接入所述第二线路，所述直流断路器还包括连接所述第一线路和所述第二线路，并从所述第二线路至所述第一线路单向导电的第二馈电线路，并且该第二馈电线路从所述第一断路器K8的前端接入所述第一线路，从所述第三断路器KlO的后端接入所述第二线路。该方案能够实现双向主电流的直流电流分断，它可应用于双极运行模式的直流输电系统，并且不仅能够在直流输电系统主电流方向正常时完成电流分断，而且能够在主电流方向异常(例如因故障突然反向)时完成电流分断。
[0027]其中，用于防止电容Cl过载的能量耗散元件与所述电容Cl并联。
[0028]其中，所述馈电线路包括用于实现单向导电的二极管或者晶闸管。
[0029]其中，所述馈电线路还包括用于防止二极管或者晶闸管过载的能量耗散元件。
[0030]其中，所述能量耗散元件为金属氧化物压敏电阻。
【附图说明】
[0031]以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，
[0032]图1示出了现有技术中一种直流断路器方案的电路示意图；
[0033]图2示出了现有技术中另一种直流断路器方案的电路示意图；
[0034]图3示出了现有技术中第三种直流断路器方案的电路示意图；
[0035]图4示出了本发明一个实施例的直流断路器的电路图；
[0036]图5示出了图4的直流断路器在正向单极运行模式下电容Cl初始充电过程的示意图；
[0037]图6示出了图4的直流断路器在正向单极运行模式下电容Cl放电过程的示意图；
[0038]图7示出了图4的直流断路器在正向单极运行模式下且主电流处于反向状态时电容Cl放电过程的示意图；
[0039]图8示出了图4的直流断路器在负向单极运行模式下电容Cl初始充电过程的示意图；
[0040]图9示出了图4的直流断路器在负向单极运行模式下电容Cl放电过程的示意图；
[0041]图10示出了图4的直流断路器在负向单极运行模式下且主电流处于反向状态时电容Cl放电过程的示意图；
[0042]图11示出了图4的直流断路器在双极运行模式下电容Cl初始充电过程的示意图；
[0043]图12示出了图4的直流断路器在双极运行模式下电容Cl放电过程的示意图；
[0044]图13示出了图4的直流断路器在双极运行模式下且主电流处于反向状态时电容Cl放电过程的示意图；
[0045]图14示出了本发明另一个实施例的专用于单极运行的直流断路器的电路图；
[0046]图15示出了图14的直流断路器的电容Cl的初始充电过程的示意图；
[0047]图16示出了图14的直流断路器的电容Cl的放电过程的示意图；
[0048]图17示出了图14的直流断路器在主电流处于反向状态时的电容Cl的放电过程的不意图；
[0049]图18示出了本发明又一个实施例的专用于双极运行的直流断路器的电路图；
[0050]图19示出了图18的直流断路器的电容Cl的初始充电过程的示意图；
[0051]图20示出了图18的直流断路器的电容Cl的放电过程的示意图；
[0052]图21示出了图18的直流断路器在主电流处于反向状态时的电容Cl的放电过程的不意图；
[0053]图22示出了本发明一个变形的实施例的电路及电容Cl的放电过程的示意图。
【具体实施方式】
[0054]为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照【附图说明】本发明的【具体实施方式】。
[0055]图 4示出了根据本发明的一个实施例提供的直流断路器的电路图，包括串联有第一断路器K8和第二断路器K9的正极线L+，串联有第三断路器KlO和第四断路器Kll的负极线L-，以及地线GND。第一断路器K8和第二断路器K9可以通过正极线L+的两个端点cl、c2串接在直流输电系统的正极线中，第三断路器KlO和第四断路器Kll可以通过负极线L-的两个端点c5、c6串接在直流输电系统的负极线中。参考图4，直流断路器地线GND的两个端点c3、c4分别通过二级管D3、D1连接正极线L+的两个端点cl、c2，从而在地线GND与正极线L+之间形成两条单向馈电线路，分别是:地线GND的端点c3至正极线L+的端点Cl的馈电线路，地线GND的端点c4至正极线L+的端点c2的馈电线路。类似地，断路器负极线L-的两个端点c5、c6分别通过二级管D4、D2连接地线GND的两个端点c3、c4，从而在负极线L-与地线GND之间形成两条单向馈电线路，分别是:负极线L-的端点c5至地线GND的端点c3的馈电线路，负极线L-的端点c6至地线GND的端点c4的馈电线路。在一个实施例中，每个馈电线路中各自串接金属氧化物压敏电阻M0V3、M0V4、M0V5、M0V6，用以耗散线路中的多余能量，保护线路中的元器件。
[0056]本实施例的断路器还包括电容Cl，以及与电容Cl并联的金属氧化物压敏电阻M0V7，金属氧化物压敏电阻M0V7作为耗能耗散元件，用于耗散聚集在电容Cl的多余能量。电容Cl的正极通过第一电子开关Vl连接至第一桥接点bl，负极通过第二电子开关V2也连接至所述第一桥接点bl,所述第一桥接点bl通过第一限流电感L3从第一接入点al接入所述正极线L+，其中第一接入点al位于所述第一断路器K8和第二断路器K9之间。所述电容Cl的正、负极还分别通过第三电子开关V3、第四电子开关V4连接至所述第二桥接点b2，并且所述第二桥接点b2通过第二限流电感L4接入所述地线GND，接入点为第二接入点a2。所述电容Cl的正、负极还分别通过第五电子开关V5、第六电子开关v6连接至所述第三桥接点b3，并且所述第三桥接点b3通过第三限流电感L5接入所述负极线L-，接入点为第三接入点a3，第三接入点a3位于所述第三断路器KlO和第四断路器Kll之间。
[0057]本实施例中，电子开关Vl?V6均采用绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGate Bipolar Transistor,缩写为IGBT)实现。IGBT是由绝缘栅型场效应管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,缩写为 M0SFET)和与其并联的续流二极管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，其中，IGBT的输入端、输出端、控制端与MOSFET的输入端、输出端、控制端一致，续流二极管的正极接IGBT的输出端，负极接IGBT的输入端,续流二极管可由双极型三极管(Bipolar Junct1n Transistor,缩写为BJT)实现。这样，IGBT兼有MOSFET的高输入阻抗和BJT的低导通压降两方面的优点。电子开关可以由单个IGBT构成，也可以由串联的多个IGBT构成，下面以单个IGBT构成的电子开关为例进行说明。对于第一电子开关VI，IGBT的输入端连接电容Cl的正极，输出端连接第一桥接点bl，对于第二电子开关V2，IGBT的输入端连接第一桥接点bl，输出端连接电容Cl的负极，对于第三电子开关V3，IGBT的输入端连接电容Cl的正极，输出端连接第二桥接点b2，对于第四电子开关V4，IGBT的输入端连接第二桥接点b2，输出端连接电容Cl的负极，对于第五电子开关V5，IGBT的输入端连接电容Cl的正极，输出端连接第三桥接点b3，对于第六电子开关V6，IGBT的输入端连接第三桥接点b3，输出端连接电容Cl的负极。
[0058]图4的实施例断路器通过三相全桥接构架的充放电电容，实现了单极运行、双极运行等各种运行模式下的电流转移，进而完成直流电流分断。图5、图6、图7示出了图4实施例的断路器在正向单极运行模式下的工作原理。其中，图5示出了图4的断路器在正向单极运行模式下电容Cl初始充电过程的示意图。参考图5，正向单极运行模式下，直流输电系统中的正极线和地线构成输电回路。在正常运行状态下，主电流I依次流过第一断路器K8和第二断路器K9，其方向如图5的实线箭头所示。此时所有电子开关V1、V2、V3、V4、V5、V6均断开,主电流的一部分经第一接入点al、第一桥接点bl,第一电子开关Vl的续流二极管、电容Cl、第四电子开关V4的续流二极管、第二桥接点b2、第二接入点a2流入地线GND，从而为电容Cl充电。图5中的虚线箭头示出了为电容Cl充电的电流il的方向。当电容Cl的电压与电源电压(即正极线与地线之间的电压)相等时，充电过程结束。
[0059]图6示出了图4的断路器在正向单极运行模式下电容Cl放电过程的示意图。参考图6，当正极线L+需要进行电流分断时，将第二电子开关V2、第三电子开关V3导通。此时，电容Cl的电压将反向作用于第二断路器K9和地线GND，电流从电容Cl正极出发，流经第三电子开关v3(此时电流从电子开关中导通的MOSFET —侧流过)、第二桥接点b2、第二接入点a2、地线GND的端点c4、二极管D1、正极线的端点c2、第二断路器K9、第一接入点al、第一桥接点bl、第二电子开关V2 (此时电流从电子开关中导通的MOSFET —侧流过)，最终流到电容Cl的负极，上述线路构成放电回路。其中，电容Cl形成的放电电流i2在第二断路器K9处的方向与主电流I的方向相反，当第二断路器K9处的叠加电流接近O时，第二断路器K9可断开，此时不会产生电弧。随着反向电流增大，电容Cl越来越小，当电容Cl的电压接近O时，将第二电子开关V2和第三电子开关V3断开。主线路上的剩余能量通过前文所述的充电线路再次对电容Cl充电，当电容Cl的电压超过能量耗散元件M0V7的阈值时，能量耗散元件M0V7开始吸收并耗散多余能量。最终电容Cl的电压与正极线的电压相同，此时可将第一断路器K8断开。
[0060]进一步地，在某些情况下主电流可能会反向(例如输电线路故障导致主电流反向)，而图4实施例的断路器在主电流反向时同样能够实现电流分断。正常运行状态下，电容Cl的充电过程与前文一致，不再赘述。图7示出了图4的断路器在正向单极运行模式下且主电流处于反向状态时电容Cl放电过程的示意图。参考图7，当主电流反向且正极线L+需要进行电流分断时，将第二电子开关V2、第三电子开关V3导通。此时，电容Cl的电压将反向作用于第一断路器K8和地线GND，电流从电容Cl正极出发，流经第三电子开关ν3 (此时电流从电子开关中导通的MOSFET —侧流过)、第二桥接点b2、第二接入点a2、地线GND的端点c3、二极管D3、正极线的端点Cl、第一断路器K8、第一接入点al、第一桥接点bl、第二电子开关v2 (此时电流从电子开关中导通的MOSFET —侧流过)，最终流到电容Cl的负极，这样上述线路构成放电回路。其中，电容Cl形成的放电电流i3在第一断路器K8处的方向与反向的主电流I的方向相反，二者叠加后互相抵消。当第一断路器K8处的叠加电流接近O时，第一断路器K8可断开，此时不会产生电弧。随着放电电流增大，电容Cl的电压越来越小，当电容Cl的电压接近O时，将第二电子开关V2和第三电子开关V3断开。主线路上的剩余能量通过再次对电容Cl充电，当电容Cl的电压超过能量耗散元件M0V7的阈值时，能量耗散元件M0V7开始吸收并耗散多余能量。最终电容Cl的电压与正极线的电压相同，此时可将第二断路器K9断开。概括地说，正向单极运行模式下，主电流方向正常时，先断开第二断路器K9，再断开第一断路器K8，主电流反向时，先断开第一断路器K8，再断开第二断路器K9。
[0061]图8、图9、图10示出了图4的断路器在负向单极运行模式下的工作原理。负向单极运行模式下，直流输电系统中的地线和负极线构成输电回路。其中，图8示出了图4的断路器在负向单极运行模式下电容Cl初始充电过程的示意图。参考图8，在正常运行状态下，主电流I依次流过第四断路器Kll和第三断路器K10，电流方向如图8的实线箭头所示。此时所有电子开关￥1、￥2、￥3、￥4、￥5、￥6均断开，主电流的一部分经第二接入点&2、第二桥接点b2，第三电子开关V3的续流二极管、电容Cl、第六电子开关V6的续流二极管、第三桥接点b3、第三接入点a3流入负极线L-，从而为电容Cl充电。图6中的虚线示出了为电容Cl充电的电流il的流向。当电容Cl的电压与电源电压(即地线与负极线之间的电压)相等时，充电过程结束。
[0062]图9示出了图4的断路器在负向单极运行模式下电容Cl放电过程的示意图。参考图9，当负极线L-需要进行 电流分断时，将第四电子开关V4、第五电子开关V5导通。此时，电容Cl的电压将反向作用于第四断路器Kll和地线GND，电流从电容Cl正极出发，流经第五电子开关V5(此时电流从电子开关中导通的MOSFET —侧流过)、第三桥接点b3、第三接入点a3、第四断路器K11、负极线L-的端点c6、二极管D2、地线GND的端点c4、第二接入点a2、第二桥接点b2、第四电子开关v4 (此时电流从电子开关中导通的MOSFET—侧流过)，最终流到电容Cl的负极，上述线路构成放电回路。电容Cl形成的放电电流i2在第四断路器Kll处的方向与主电流I的方向相反，二者相互抵消，当第四断路器Kll处的叠加电流接近O时，第四断路器Kll可断开，此时不会产生电弧。随着放电电流增大，电容Cl的电压越来越小，当电容Cl的电压接近O时，将第四电子开关V4和第五电子开关V5断开。主线路上的剩余能量再次对电容Cl充电，当电容Cl的电压超过能量耗散元件M0V7的阈值时，能量耗散元件M0V7开始吸收并耗散多余能量。最终电容Cl负极的电压与负极线的电压相同，此时可将第三断路器KlO断开。
[0063]进一步地，在某些情况下主电流可能会反向(例如输电线路故障导致主电流反向)，而图4实施例的断路器在主电流反向时同样能够实现电流分断。图10示出了图4的断路器在负向单极运行模式下且主电流处于反向状态时电容Cl放电过程的示意图。参考图10，当主电流反向且负极线L-需要进行电流分断时，将第四电子开关V4、第五电子开关V5导通。此时，电容Cl的电压将反向作用于第三断路器KlO和地线GND，电流从电容Cl正极出发，流经第五电子开关v5 (此时电流从电子开关中导通的MOSFET —侧流过)、第三桥接点b3、第三接入点a3、第三断路器K10、负极线L-的端点c5、二极管D4、地线GND的端点c3、第二接入点a2、第二桥接点b2、第四电子开关v4(此时电流从电子开关中导通的MOSFET —侧流过)，最终流到电容Cl的负极，上述线路构成放电回路。电容Cl形成的放电电流i3在第三断路器KlO处的方向与此时主电流I的方向相反，二者相互抵消，在流过第三断路器KlO处的叠加电流接近O时，可将其断开，此时不会产生电弧。随着放电电流增大，电容Cl的电压越来越小，当电容Cl的电压接近O时，将第四电子开关V4和第五电子开关V5断开。这样主线路上的剩余能量再次对电容Cl充电，当电容Cl的电压超过能量耗散元件M0V7的阈值时，能量耗散元件M0V7开始吸收并耗散多余能量。最终电容Cl负极电压与负极线的电压相同，此时可将第四断路器Kll断开。概括地说，负向单极运行模式下，主电流方向正常时，先断开第四断路器K11，再断开第三断路器K10，这样就完成了负极线L-的完整分断，主电流反向时，先断开第三断路器K10，再断开第四断路器K11，这样就完成了主电流反向状态下的负极线L-的完整分断。
[0064]图11、图12、图13示出了图4的断路器在双极运行模式下的工作原理。双极运行模式下，直流输电系统中的正极线和负极线构成输电回路。图11示出了图4的断路器在双极运行模式下电容Cl初始充电过程的示意图。参考图11，在正常运行状态下，主电流I依次流过第一断路器K8、第二断路器K9、第四断路器Kll和第三断路器K10，电流方向如图7的实线箭头所示。此时所有电子开关￥1、￥2)3、￥4、￥5、￥6均断开，主电流的一部分经第一接入点al、第一桥接点bl，第一电子开关Vl的续流二极管、电容Cl、第六电子开关V6的续流二极管、第三桥接点b3、第三接入点a3流入负极线L-，从而为电容Cl充电。图6中的虚线示出了为电容Cl充电的电流il的流向。当电容Cl的电压与电源电压(即正、负极线之间的电压)相等时，充电过程结束。
[0065]图12示出了图4的断路器在双极运行模式下电容Cl放电过程的示意图。参考图12，当正、负极线需要进行电流分断时，将第二电子开关V2、第五电子开关V5导通。此时，电容Cl的电压将反向作用于第二断路器K9和第四断路器K11，电流从电容Cl正极出发，流经第五电子开关V5(此时电流从电子开关中导通的MOSFET —侧流过)、第三桥接点b3、第三接入点a3、第四断路器K11、负极线L-的端点c6、二极管D2、地线GND的端点c4、二极管D1、正极线L+的端点c2、第二断路器K9、第一接入点al、第一桥接点bl、第二电子开关v2 (此时电流从电子开关中导通的MOSFET —侧流过)，最终流到电容Cl的负极，上述线路构成电容Cl的放电回路。电容Cl形成的放电电流i2在第二断路器K9、第四断路器Kll处的方向均与主电流I的方向相反，当第二断路器K9的叠加电流接近O时可将第二断路器K9断开，类似地，当第四断路器Kl I的叠加电流接近O时也可将第四断路器Kl I断开，此时不会产生电弧。随着放电电流增大，电容Cl的电压越来越小，当电容Cl的电压接近O时，将第二电子开关V2和第五电子开关V5断开。主线路上的剩余能量再次对电容Cl充电，当电容Cl的电压超过能量耗散元件M0V7的阈值时，能量耗散元件M0V7开始吸收并耗散多余能量。最终电容Cl正极电压与正极线的电压相同，电容Cl负极电压与负极线的电压相同，此时可将第一断路器K8、第三断路器KlO断开。
[0066]进一步地，在某些情况下主电流可能会反向(例如输电线路故障导致主电流反向)，而此时图4实施例的断路器同样能够实现电流分断。图13示出了图4的断路器在双极运行模式下且主电流处于反向状态时电容Cl放电过程的示意图。参考图13，当主电流反向且正极线L+、负极线L-需要进行电流分断时，仍然参考图7，将第二电子开关V2、第五电子开关V5导通。此时，电容Cl的电压将反向作用于第一断路器K8和第三断路器K10，电流从电容Cl正极出发，流经第五电子开关v5 (此时电流从电子开关中导通的MOSFET —侧流过)、第三桥接点b3、第三接入点a3、第三断路器K10、负极线L-的端点c5、二极管D4、地线GND的端点c3、二极管D3、正极线L+的端点cl、第一断路器K8、第一接入点al、第一桥接点bl、第二电子开关v2 (此时电流从电子开关中导通的MOSFET —侧流过)，最终流到电容Cl的负极，上述线路构成电容Cl的放电回路。电容Cl的放电电流i3在第一断路器K8、第三断路器KlO处的方向与此时主电流I的方向相反，在流过第一断路器K8处的叠加电流接近O时，可将其断开，此时不会产生电弧，在流过第三断路器KlO处的叠加电流接近O时，可将其断开。随着放电电流增大，电容Cl的电压越来越小，当电容Cl的电压接近O时，将第二电子开关V2和第五电子开关V5断开。这样主线路上的剩余能量再次对电容Cl充电，当电容Cl的电压超过能量耗散元件M0V7的阈值时，能量耗散元件M0V7开始吸收并耗散多余能量。最终电容Cl正极电压与正极线的电压相同，电容Cl负极电压与负极线的电压相同，此时可将第二断路器K9、第四断路器Kll断开。概括地说，双极运行模式下，主电流方向正常时，先断开第二断路器K9和第四断路器Kl I，再断开第一断路器K8和第三断路器K10，这样就完成了正、负极线的完整分断，当主电流反向时，先断开第一断路器K8和第三断路器K10，再断开第二断路器K9和第四断路器K11，这样就完成了主电流反向状态下的正、负极线的完整分断。
[0067]图14示出了根据本发明另一个实施例提供的断路器，该断路器专用于单极运行模式，可简化电路结构，降低器件成本。一方面，由于本实施例专用于单极运行模式，只需要用到正极线L+和地线GND，因此相比图4实施例，本实施例省去了负极线L-、第五电子开关V5、第六电子开关V6以及负极线L-与相应支路连接的电桥等结构，另一方面，观察图4的断路器，在整个电流分断过程中，第一电子开关V1、第四电子开关V4中实际上只有续流二极管起到作用，因此本实施例中直接用二极管D5、D6分别代替图4实施例中的第一电子开关V1、第四电子开关V4。进一步地，图15、图16、图17示出图14的断路器的电流分断工作原理，其中图15示出了图14的断路器的电容Cl的初始充电过程的示意图；图16示出了图14的断路器的电容Cl的放电过程的示意图；图17示出了图14的断路器在主电流处于反向状态时的电容Cl的放电过程的示意图。本实施的断路器与图4的断路器的正向单极运行模式的工作原理类似，此处不再赘述。
[0068]图18本发明又一个实施例的专用于双极运行的断路器的电路图，该实施例可简化电路结构，降低器件成本。由于该实施例专用于双极运行模式，只需要用到正极线L+和负极线L-，因此相比图4实施例，图18省去了地线GND、第三电子开关V3、第四电子开关V4以及地线GND与相应支路连接的电桥等结构，另一方面，观察图4的断路器，在整个电流分断过程中，第一电子开关V1、第六电子开关V 6中实际上只有续流二极管起到作用，因此本实施例中直接用二极管D5、D6分别代替图4实施例中的第一电子开关V1、第六电子开关V6。进一步地，图19、图20、图21示出图18的断路器的电流分断工作原理，其中图19示出了图18的断路器的电容Cl的初始充电过程的示意图；图20示出了图18的断路器的电容Cl的放电过程的示意图；图21示出了图18的断路器在主电流处于反向状态时的电容Cl的放电过程的示意图。本实施的断路器与图4的断路器的双极运行模式的工作原理类似，此处不再赘述。
[0069]另外，观察图20可以看出，图18的断路器在主电流方向正常时，只需要使用到电流Cl的放电电流i2，即可实现电流分断。因此在一个变形的实施例中，当仅需对正向主电流进行分断时，可以省去正极线接入点在第一断路器K8前端的馈电线路(即省去含二极管D3的馈电线路)，仅保留正极线接入点在第二断路器K9后端、负极线接入点在第三断路器KlO前端的馈电线路(即含二极管Dl的馈电线路)。同时，由于只需要考虑主电流方向正常的情况，因此还可以进一步省去断路器中的第一断路器K8和第三断路器K10。该变形的实施例的电路及电容Cl的放电过程的示意图如图22所示。当仅需对正向主电流进行分断时，图4、图14的断路器也可做类似地变形，形成一系列新的衍生实施例。
[0070]以上所述仅为本发明示意性的【具体实施方式】，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。
【主权项】
1.一种直流断路器，包括设置有第二断路器(K9)的第一线路、第二线路、电容(Cl)、连接电路以及连接所述第一线路和所述第二线路的第一馈电线路，所述连接电路能够在充电状态和放电状态间切换，在所述充电状态下，所述连接电路能够将电容(Cl)的第一电极与所述第一线路连通，且将电容(Cl)的第二电极与所述第二线路连通，在所述放电状态下，所述连接电路能够将电容(Cl)的第二电极与所述第一线路连通，将电容(Cl)的第一电极与所述第二线路连通，所述连接电路从所述第二断路器(Κ9)的前端接入所述第一线路，所述第一馈电线路从所述第二断路器(Κ9)的后端接入所述第一线路，并且所述第一馈电线路从所述第二线路至所述第一线路单向导电。2.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于，所述连接电路包括第一、第二、第三和第四电子元件以及第一桥接点和第二桥接点，所述电容(Cl)的第一、第二电极分别通过第一电子元件、第二电子元件连接至第一桥接点，所述第一桥接点从所述第二断路器(Κ9)的前端的第一接入点接入所述第一线路；所述电容(Cl)的第一、第二电极还分别通过第三电子元件和第四电子元件连接至第二桥接点，所述第二桥接点接入所述第二线路；所述第一电子元件和所述第四电子元件为单向导电元件，所述第一电子元件用于使所述第一桥接点至所述电容(Cl)的第一电极的方向单向导电，所述第四电子元件用于使所述电容(Cl)的第二电极至所述第二桥接点的方向单向导电；所述第二电子元件和所述第三电子元件为所述电子开关，所述第二电子元件用于在相应控制信号为断开时阻止电流从所述第一桥接点流至所述电容(Cl)的第二电极，在相应控制信号为导通时允许电流从所述第一桥接点流至所述电容(Cl)的第二电极；所述第三电子元件用于在相应控制信号为断开时阻止电流从所述电容(Cl)的第一电极流至所述第二桥接点，在相应控制信号为导通时允许电流从所述电容(Cl)的第一电极流至所述第二桥接点。3.根据权利要求2所述的直流断路器，其特征在于，还包括设置有第四断路器的第三线路，所述电容(Cl)的第一、第二电极还分别通过第五电子元件、第六电子元件连接至第三桥接点，所述第三桥接点从所述第四断路器(Kll)后端的第三接入点接入所述第三线路；所述断路器还包括连接所述第二线路和所述第三线路、并且从所述第三线路至所述第二线路单向导电的第三馈电线路，并且该第三馈电线路从所述第四断路器(Kll)的前端接入所述第三线路；所述第六电子元件为单向导电元件或者在一定状态下具有单向导电特性的元件，所述第六电子元件用于使所述电容(Cl)的第二电极至所述第三桥接点的方向单向导电；所述第五电子元件为电子开关，所述第五电子元件用于在相应控制信号为断开时阻止电流从所述电容(Cl)的第一电极流至所述第三桥接点，在相应控制信号为导通时允许电流从所述电容(Cl)的第一电极流至所述第三桥接点。4.根据权利要求3所述的直流断路器，其特征在于，所述单向导电元件或者在一定状态下具有单向导电特性的元件包括第一端和第二端，以及从第一端至第二端的单向导流通道，所述第一电子元件的第一端连接所述第一桥接点，第二端连接所述电容(Cl)的第一电极，所述第四电子元件的第一端连接所述电容(Cl)的第二电极，第二端连接所述第二桥接点；所述第六电子元件的第一端连接所述电容(Cl)的第二电极，第二端连接所述第三桥接点。5.根据权利要求4所述的直流断路器，其特征在于，所述在一定状态下具有单向导电特性的元件为绝缘栅双极型晶体管。6.根据权利要求3所述的直流断路器，其特征在于，所述电子开关包括第一端、第二端以及并联的两个单向导流通道，其中第一单向导流通道是从第一端至第二端的单向导流通道，第二单向导流通道用于在相应控制信号为断开时阻止电流从第二端流向第一端，在所述控制信号为导通时允许电流从第二端流向第一端，其中，所述第二电子元件的第一端连接所述电容(Cl)的第二电极，所述第二电子元件的第二端连接所述第一桥接点，所述第三电子元件的第一端连接所述第二桥接点，所述第三电子元件的第二端连接所述电容(Cl)的第一电极；所述第五电子元件的第一端连接所述第三桥接点，所述第三电子元件的第二端连接所述电容(Cl)的第一电极。7.根据权利要求6所述的直流断路器，其特征在于，所述电子开关为绝缘栅双极型晶体管。8.根据权利要求2或3所述的直流断路器，其特征在于，所述第一线路还包括设置在所述第二断路器(K9)前端并与所述第二断路器(K9)串联的第一断路器(K8)，所述第一接入点位于所述第一断路器(K8)和所述第二断路器(K9)之间，所述断路器还包括连接所述第一线路和所述第二线路，并从所述第二线路至所述第一线路单向导电的第二馈电线路，并且该第二馈电线路从所述第一断路器(K8)的前端接入所述第一线路。9.根据权利要求3所述的直流断路器，其特征在于，所述第三线路还包括设置在所述第四断路器(Kll)后端并与所述第四断路器(Kll)串联的第三断路器(K10)，所述第三接入点位于所述第三断路器(KlO)和所述第四断路器(Kll)之间，所述断路器还包括连接所述第二线路和所述第三线路，并从所述第三线路至所述第二线路单向导电的第四馈电线路，并且该第四馈电线路从所述第三断路器(KlO)的后端接入所述第三线路。10.根据权利要求2所述的直流断路器，其特征在于，所述第二线路设置有第四断路器(K11)，所述第二桥接点从所述第四断路器(Kll)的后端接入所述第二线路，所述第一馈电线路从所述第四断路器(Kll)的前端接入所述第二线路。11.根据权利要求10所述的直流断路器，其特征在于，所述第二线路还包括设置在所述第四断路器(Kll)后端且与所述第四断路器(Kll)串联的第三断路器，所述第二桥接点从所述第三断路器与所述第二断路器之间接入所述第二线路，所述断路器还包括连接所述第一线路和所述第二线路，并从所述第二线路至所述第一线路单向导电的第二馈电线路，并且该第二馈电线路从所述第一断路器(K8)的前端接入所述第一线路，从所述第三断路器(KlO)的后端接入所述第二线路。12.根据权利要求1至11中任意一项所述的直流断路器，其特征在于还包括与所述电容(Cl)并联的能量耗散元件。
【专利摘要】本发明提供了一种断路器，包括设置有第二断路器（K9）的第一线路、第二线路、电容（C1）、连接电路以及第一馈电线路，所述连接电路可在充电和放电状态间切换，在充电状态下，所述连接电路能够将电容（C1）的第一电极与第一线路连通，第二电极与第二线路连通，在放电状态下，连接电路能够将电容（C1）的第二电极与第一线路连通，第一电极与第二线路连通，连接电路和第一馈电线路分别从所述第二断路器（K9）的前端和后端接入第一线路，并且所述第一馈电线路从所述第二线路至所述第一线路单向导电。本发明可实现电流分断能力强且控制简单、可靠性高的高压直流电流分断。
【IPC分类】H02J1/00, H02H3/18, H02H3/00
【公开号】CN104882877
【申请号】CN201410073693
【发明人】姚吉隆, 王澜锦, 程健, 赵研峰, 多米尼克·埃尔金
【申请人】西门子公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2014年2月28日