[发明专利]一种主动抑制过电压的限流式固态断路器拓扑及其控制方法

说明书

技术领域

本发明属于电力系统故障保护技术领域，特别涉及一种主动抑制过电压的限流式 固态断路器拓扑及其控制方法。

背景技术

断路器作为电网输电线路中的一个重要环节，是一种重要的控制和保护设备，其 性能直接影响电网的正常运行，而目前交流输配电中大量采用的机械式断路器，尽管它导 通稳定、带负载能力强，但在断开负载时往往产生电弧，触头易烧损，开断时间长，难以满足 一些电力用户对故障电流开断的速动性要求。

基于电力电子器件的固态断路器与传统机械式断路器相比，结构上的显著特点是 无触点，不需要灭弧等措施；且具有动作速度更快、能够适用于需要频繁开断的场合、使用 寿命长、维护简单、容易实现智能化等一系列优点。

在交流应用场合，固态断路器采用的电力电子器件从最初的晶闸管(SCR)，可关断 晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR)到功率场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT) 及集成门极换向晶闸管(IGCT)、电子注入增强栅晶体管(IEGT)等，基于不同器件出现了多 种固态断路器结构，采用晶闸管组成的固态断路器具有容量大、无电弧等优点，但是关断时 刻必须在电流过流后才能关断，增加了关断时间。采用IGBT、IGCT等电力电子器件组成的固 态断路器，尽管具有更小的关断时间，不需电流过零就可关断，从而限制短路电流等功能。 但是导通电压稍高，通态损耗较大，同时不易通过并联增大容量。无论是基于GTO、IGCT还是 IGBT的断路器，在实现交流双向控制时，须将功率开关管串联电力二极管后再进行反向并 联，这使得结构复杂、增加额外开关管损耗。

采用MOSFET的固态断路器具有更快的开关速度，易于并联扩大容量等优点，但是 由于MOSFET耐压低，当线路负载呈现感性或线路分布感抗较大时，如果关断速度太快，在关 断时会在固态断路器主回路电力电子器件MOS管两端产生较大的瞬时电压，可能会造成器 件过压损坏。同时相对于其它电力电子器件，因此如果用于固态断路器，必须对MOS管两端 电压加以限制，才能更可靠的应用。目前，固态断路器中的过电压防护主要依靠阻容缓冲电 路和氧化锌避雷针2种方式，这2种方式都是对过电压的被动防护，没有从根本上消除过电 压产生的原因。

发明内容

针对以上所述的机械断路器和目前固态断路器的不足，本发明提出了一种基于 MOS管具有主动抑制过电压的限流式固态断路器拓扑及其控制方式。本发明所述固态断路 器具有如下特点：利用MOS管易于并联特性，方便MOS管并联扩大容量，降低导通损耗；具有 续流电路并采取主动控制方法抑制系统过电压的产生，保护MOS管不会过压损坏；适合于低 电压大电流交流场合应用。

本发明提供一种固态断路器，包括：主开关电路、续流电路和控制系统三部分组 成。主开关电路由Q1和Q2两个MOS管反向串联组成，主开关电路中的D1和D2分别为Q1和Q2的 寄生二极管，Q1的漏极与交流电源输入端L相连；续流电路由Q3和Q4两个MOS管反向串联组 成，D3和D4分别为Q3和Q4的寄生二极管，续流电路中的Q3的漏极与Q2的漏极相连，Q4与交流 电源的输入端N相连；控制系统包括主电路电流检测电路，输入电压检测电路，微处理器电 路，电流比较电路，驱动电路等电路组成。控制系统检测输入电压和负载电流并对主开关电 路和续流电路的MOS管进行控制。

所述的固态断路器的开关器件Q1、Q2、Q3和Q4分别为一个MOS管或者多个MOS管的 并联。当需要扩大电流容量时，可通过直接并联多个MOS管实现。

本发明还提供了针对所述固态断路器的控制方法，其控制流程和步骤如下：固态 断路器正常工作时，控制Q1和Q2处于导通状态，则Q1和Q2等效为电阻Ron运行，Q3和Q4处于 关断状态。当控制系统检测到负载电流有效值超过额定电流但小于限流值时，启动微处理 器内部定时器开始计时，在计时期间，如果负载电流一直大于额定电流而小于限流值，则到 达设定延时时间后，启动保护程序。如果在计时期间，负载电流小于额定电流，则装置停止 计时并继续保持正常工作状态。