[发明专利]一种限流式低损耗混合直流断路器及工作方法

权利要求书

1.一种限流式低损耗混合直流断路器，包括机械开关支路、能量转移支路、电力电子开关串联支路、能量吸收支路以及进线端(A1)和出线端(A2)，其特征在于：

所述的机械开关支路由第一快速机械开关(S1)和第二快速机械开关(S2)串联构成，第一快速机械开关(S1)的一端与进线端(A1)相连接，另一端与第二快速机械开关(S2)的一端相连接；第二快速机械开关(S2)的另一端与出线端(A2)相连接；由于机械开关导通阻抗低，使该断路器在额定工作情况下导通损耗小；

所述的能量转移支路由第一二极管(D1)和第二二极管(D2)、第一全控型大功率电力电子开关(S3)和第二全控型大功率电力电子开关(S4)、预充电电容器(C1)以及限流元件(L)组成；所述的第一二极管(D1)阳极与第一全控型大功率电力电子开关(S3)集电极相连接，第一二极管(D1)阴极与第二全控型大功率电力电子开关(S4)集电极相连接；第二二极管(D2)阳极与第一全控型大功率电力电子开关(S3)发射极相连接，第二二极管(D2)阴极与第二全控型大功率电力电子开关(S4)发射极相连接，四者依次串联为一回路；所述的预充电电容器(C1)，其正极连接于第一二极管(D1)阴极与第二全控型大功率电力电子开关(S4)集电极之间，其负极连接于第二二极管(D2)阳极与第一全控型大功率电力电子开关(S3)发射极之间；

所述的能量转移支路，其第一二极管(D1)阳极与第一全控型大功率电力电子开关(S3)集电极之间的连接线以及第二二极管(D2)阴极与第二全控型大功率电力电子开关(S4)发射极之间的连接线分别与机械开关支路中第一快速机械开关(S1)和快速机械开关(S2)之间的连接线以及限流元件(L)的一端相连，其中限流元件(L)的另一端与出线端(A2)相连接；

所述的电力电子开关串联支路由多个全控型大功率电力电子开关(S5)串联而成，其作用为避免故障电流在电流转移支路中流经时间过长导致预充电电容器(C1)反向充电而造成的开断失败，其中所用的全控型大功率电力电子开关(S5)的数量根据系统电压等级和大功率电力电子开关耐压参数确定；电力电子开关串联支路头部的全控型大功率电力电子开关(S5)集电极一端与进线端(A1)相连接，尾部的全控型大功率电力电子开关(S5)其发射极一端通过第三二极管(D3)与能量转移支路和限流元件(L)之间的连接线相连接；其中，第三二极管(D3)阳极端与全控型大功率电力电子开关(S5)相连，第三二极管(D3)阴极端与能量转移支路和限流元件(L)之间的连接线相连接；第三二极管(D3)作用为防止预充电电容器(C1)向全控型大功率电力电子开关(S5)反向充电；

所述的能量吸收支路由避雷器(MOV)组成，避雷器(MOV)并联于电力电子开关串联支路两端，用于吸收全控型大功率电力电子开关(S5)关断后线路中的剩余能量和限制全控型大功率电力电子开关(S5)承受的过电压；

所述的限流元件(L)由铁块(L1)和绕有线圈的有缺口的环状铁芯(L2)构成，绕有线圈的有缺口的环状铁芯(L2)上的线圈同向绕制；铁块(L1)与绕有线圈的有缺口的环状铁芯(L2)紧密结合时形成封闭铁芯；其中铁块(L1)与第二快速机械开关(S2)机械连通，当第二快速机械开关(S2)处于闭合状态时，铁块(L1)与绕有线圈的有缺口的环状铁芯(L2)完全分离；当第二快速机械开关(S2)断开时，铁块(L1)与绕有线圈的有缺口的环状铁芯(L2)紧密结合形成封闭铁芯。

2.根据权利要求1所述的限流式低损耗混合直流断路器，其特征在于：所述第一快速机械开关(S1)为真空断路器、气体断路器或隔离开关；第二快速机械开关(S2)为真空断路器或气体断路器。

3.根据权利要求1所述的限流式低损耗混合直流断路器，其特征在于：所述第一全控型大功率电力电子开关(S3)、第二全控型大功率电力电子开关(S4)和全控型大功率电力电子开关(S5)为IEGT、IGCT或IGBT；正常工作条件时，全控型大功率电力电子开关处于关断状态。

4.根据权利要求1所述的限流式低损耗混合直流断路器，其特征在于：所述的限流元件(L)的形式采用单孔插入式、多孔插入式或采用滚动插入方式。

5.权利要求1至4任一项所述的限流式低损耗混合直流断路器的工作方法，其特征在于：

在正常运行工况下，电流流经第一快速机械开关(S1)和第二快速机械开关(S2)支路，由于机械开关通态阻抗小，从而该混合直流断路器在额定工作条件下损耗小；

当系统发生短路故障时，故障电流从进线端(A1)流入，此时向第一快速机械开关(S1)和第二快速机械开关(S2)发出动作指令，使第一快速机械开关(S1)和第二快速机械开关(S2)触头分离，与此同时触发能量转移支路中的第一全控型大功率电力电子开关(S3)和第二全控型大功率电力电子开关(S4)使其导通，预充电电容器(C1)分别通过第二全控型大功率电力电子开关(S4)、限流元件(L)、第二快速机械开关(S2)和第一全控型大功率电力电子开关(S3)回路为第二快速机械开关(S2)提供反向电流，使快第二速机械开关(S2)在产生人工过零点的条件下而被快速关断；在第二快速机械开关(S2)完全断开前，限流元件中铁块(L1)与绕有线圈的有缺口的环状铁芯(L2)没有完全结合，此过程中限流元件对预充电电容器(C1)给第二快速机械开关(S2)提供的反向电流几乎无限制作用；当第二快速机械开关(S2)完全断开后，限流元件中铁块(L1)与绕有线圈的有缺口的环状铁芯(L2)紧密结合，限流元件(L)开始对故障电流上升率起到限制作用；

当第二快速机械断开关(S2)完全断开后，电流完全转移至能量转移支路，此时电流流经第一快速机械开关(S1)、第一全控型大功率电力电子开关(S3)、预充电电容器(C1)、第二全控型大功率电力电子开关(S4)和限流元件(L)支路；

然后在同一时间内断开第一全控型大功率电力电子开关(S3)和第二全控型大功率电力电子开关(S4)，同时触发导通全控型大功率电力电子开关(S5)，使故障电流强制转移到电力电子开关串联支路；

随后关断串联的全控型大功率电力电子开关(S5)，能量吸收支路的避雷器(MOV)导通，故障电流逐渐减小直至为零，故障电流被切除。