本實(shí)用新型屬于直流斷路器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種無(wú)電弧的混合直流斷路器。

背景技術(shù)：

低壓直流電力系統(tǒng)主要應(yīng)用于軌道交通、艦船、航空等場(chǎng)合，中高壓直流輸電系統(tǒng)主要應(yīng)用于遠(yuǎn)距離大功率輸電和非同步交流系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，具有線路投資少、不存在系統(tǒng)穩(wěn)定問(wèn)題、調(diào)節(jié)快速、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。雖然不同應(yīng)用場(chǎng)所直流系統(tǒng)運(yùn)行特性差異明顯，但都需要直流斷路器這一核心電力裝備。

現(xiàn)有直流斷路器主要分為機(jī)械式、電力電子全固態(tài)式以及機(jī)械、電力電子結(jié)合的混合式。其中機(jī)械式和混合式大多著眼于如何熄滅電弧，但無(wú)自然過(guò)零點(diǎn)這一特性使直流電弧的熄滅較交流電弧更加困難，且電弧對(duì)觸頭的侵蝕導(dǎo)致斷路器需頻繁維修，降低了系統(tǒng)可靠性。電力電子器件組成的全固態(tài)直流斷路器能夠無(wú)弧開(kāi)斷，但受限于功率器件容量，應(yīng)用于高壓領(lǐng)域時(shí)需大量器件串并聯(lián)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜，可靠性低，同時(shí)還存在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)損耗大，成本高昂等缺點(diǎn)。中國(guó)發(fā)明專利CN103632895A“一種直流斷路器”提出了一種無(wú)電弧開(kāi)斷的直流斷路器拓?fù)浼捌淇刂品椒ǎ摪l(fā)明專利沒(méi)有闡明如何確保開(kāi)斷時(shí)無(wú)電弧產(chǎn)生；而且這種直流斷路器需要多個(gè)輔助機(jī)械開(kāi)關(guān)配合，導(dǎo)致控制復(fù)雜，可靠性降低；存在合閘電弧問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的直流斷路器需要多個(gè)輔助機(jī)械開(kāi)關(guān)配合，導(dǎo)致控制復(fù)雜，可靠性降低；存在合閘電弧問(wèn)題的不足，提出一種無(wú)電弧的混合直流斷路器；其特征在于，該無(wú)電弧的混合直流斷路器在設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)產(chǎn)生電弧需同時(shí)滿足介質(zhì)擊穿的起弧電場(chǎng)強(qiáng)度條件和起弧電壓條件；而考慮一定安全裕量；

該無(wú)電弧混合直流斷路器CB包括晶閘管SCR、機(jī)械開(kāi)關(guān)K、電源側(cè)電容C₁、負(fù)載側(cè)電容C₂、電阻R、二極管D₁、D₂和限流電感L；其中，晶閘管SCR陽(yáng)極、陰極并聯(lián)在機(jī)械開(kāi)關(guān)K兩端；機(jī)械開(kāi)關(guān)K連接晶閘管SCR陽(yáng)極的一端連接電源側(cè)電容C₁正極、電源側(cè)等效電阻R_S的一端，其共同節(jié)點(diǎn)即是直流電力系統(tǒng)電源側(cè)正極1₊；機(jī)械開(kāi)關(guān)K連接晶閘管SCR陰極的一端連接電阻R一端、二極管D₁陰極和限流電感L一端；電阻R另一端連接二極管D₁陽(yáng)極、負(fù)載側(cè)電容C₂正極；限流電感L另一端連接二極管D₂陰極、直流電力系統(tǒng)負(fù)載正極2₊；電源側(cè)電容C₁負(fù)極連接直流系統(tǒng)電源側(cè)負(fù)極1_‐、負(fù)載側(cè)電容C₂負(fù)極、二極管D₂陽(yáng)極、直流電力系統(tǒng)負(fù)載負(fù)極2_‐。

所述直流電力系統(tǒng)負(fù)載由負(fù)載側(cè)電阻R_L和負(fù)載側(cè)電感L_L串聯(lián)組成。

所述直流電力系統(tǒng)電源由電源側(cè)等效電阻R_S、電源側(cè)等效電感L_S和直流電源U_DC串聯(lián)構(gòu)成。

本實(shí)用新型的有益效果是針對(duì)產(chǎn)生電弧需同時(shí)滿足介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)條件(起弧電場(chǎng)強(qiáng)度條件)和起弧電壓條件；而考慮一定安全裕量，取一個(gè)低于最低起弧電壓的門(mén)檻電壓和一個(gè)低于最低起弧電場(chǎng)強(qiáng)度的門(mén)檻電場(chǎng)強(qiáng)度，使開(kāi)斷過(guò)程中不同時(shí)出現(xiàn)機(jī)械開(kāi)關(guān)K兩端電位差高于門(mén)檻電壓和觸頭間電場(chǎng)強(qiáng)度高于門(mén)檻電場(chǎng)強(qiáng)度的情況得到克服；在開(kāi)斷、合閘過(guò)程中均無(wú)電弧產(chǎn)生，徹底避免了直流電弧產(chǎn)生后難以熄滅的情況，機(jī)械觸頭無(wú)任何侵蝕，且不需全控功率器件和額外的輔助機(jī)械開(kāi)關(guān)，控制簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高。

附圖說(shuō)明

圖1為起弧條件示意圖；

圖2為電路原理圖；

圖3為合閘過(guò)程的等效電路原理圖；

圖4為系統(tǒng)正常運(yùn)行的等效電路原理圖；

圖5為觸頭分離前短路電流上升階段等效電路原理圖；

圖6為開(kāi)斷短路電流第一階段的等效電路原理圖；

圖7為開(kāi)斷短路電流第二階段等的效電路原理圖。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型提出一種無(wú)電弧的混合直流斷路器；下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1為根據(jù)大量直流開(kāi)斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)出的直流電弧起弧條件示意圖。圖中橫軸直流電源額定電壓，縱軸為開(kāi)斷過(guò)程中機(jī)械觸頭間最大電場(chǎng)強(qiáng)度，坐標(biāo)系中任一位置表示一次直流開(kāi)斷實(shí)驗(yàn)特定工作狀態(tài)。根據(jù)起弧概率可將坐標(biāo)系劃分為四個(gè)區(qū)域：Ⅰ起弧區(qū)、Ⅱ過(guò)渡區(qū)、Ⅲ安全裕量區(qū)、Ⅳ不起弧區(qū)。Ⅰ起弧區(qū)直流電源額定電壓高于最高起弧電壓，機(jī)械觸頭間最高電場(chǎng)強(qiáng)度高于最高不起弧電場(chǎng)強(qiáng)度，起弧概率為100％；Ⅱ過(guò)渡區(qū)電源電壓高于最低起弧電壓，最高電場(chǎng)強(qiáng)度高于最低起弧電場(chǎng)強(qiáng)度，起弧概率為0～100％；Ⅲ安全裕量區(qū)和Ⅳ不起弧區(qū)電源電壓低于最低起弧電壓，或者最高電場(chǎng)強(qiáng)度低于最低起弧電場(chǎng)強(qiáng)度，起弧概率為0?？紤]一定安全裕量，取一個(gè)低于最低起弧電壓的門(mén)檻電壓U_T和一個(gè)低于最低起弧電場(chǎng)強(qiáng)度的門(mén)檻電場(chǎng)強(qiáng)度E_T，電壓低于門(mén)檻電壓U_T，或者電場(chǎng)強(qiáng)度低于門(mén)檻電場(chǎng)強(qiáng)度E_T的區(qū)域則為Ⅳ不起弧區(qū)。Ⅳ不起弧區(qū)可分為U<U_T，E>E_T的A區(qū)，U<U_T，E<E_T的B區(qū)和U>U_T，E<E_T的C區(qū)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可取門(mén)檻電場(chǎng)強(qiáng)度E_T＝5×10⁵V/m，此電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于高電壓理論中標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)3×10⁶V/m，可確保低于E_T的電場(chǎng)強(qiáng)度不會(huì)擊穿觸頭間隙。如圖2所示的直流電弧起弧電壓的概率密度分布，實(shí)驗(yàn)所用鉻鋯銅觸頭起弧電壓為11～17V，且主要集中在14V附近，所以可取門(mén)檻電壓U_T＝10V。

如圖2所示的電路原理圖，該無(wú)電弧的混合直流斷路器在設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)產(chǎn)生電弧需同時(shí)滿足介質(zhì)擊穿的起弧電場(chǎng)強(qiáng)度條件和起弧電壓條件；而考慮一定安全裕量。該無(wú)電弧混合直流斷路器CB包括晶閘管SCR、機(jī)械開(kāi)關(guān)K、電源側(cè)電容C₁、負(fù)載側(cè)電容C₂、電阻R、二極管D₁、D₂和限流電感L；其中，晶閘管SCR陽(yáng)極、陰極并聯(lián)在機(jī)械開(kāi)關(guān)K兩端；機(jī)械開(kāi)關(guān)K連接晶閘管SCR陽(yáng)極的一端連接電源側(cè)電容C₁正極、電源側(cè)等效電阻R_S的一端，其共同節(jié)點(diǎn)即是直流電力系統(tǒng)電源側(cè)正極1₊；機(jī)械開(kāi)關(guān)K連接晶閘管SCR陰極的一端連接電阻R一端、二極管D₁陰極和限流電感L一端；電阻R另一端連接二極管D₁陽(yáng)極、負(fù)載側(cè)電容C₂正極；限流電感L另一端連接二極管D₂陰極、直流電力系統(tǒng)負(fù)載正極2₊；電源側(cè)電容C₁負(fù)極連接直流系統(tǒng)電源側(cè)負(fù)極1_‐、負(fù)載側(cè)電容C₂負(fù)極、二極管D₂陽(yáng)極、直流電力系統(tǒng)負(fù)載負(fù)極2_‐。其中，直流電力系統(tǒng)負(fù)載由負(fù)載側(cè)電阻R_L和負(fù)載側(cè)電感L_L串聯(lián)組成。直流電力系統(tǒng)電源由電源側(cè)等效電阻R_S、電源側(cè)等效電感L_S和直流電源U_DC串聯(lián)構(gòu)成。

合閘過(guò)程

如圖3所示為合閘過(guò)程的等效電路原理圖。工作原理是先導(dǎo)通晶閘管SCR，然后閉合機(jī)械開(kāi)關(guān)K觸頭。由于機(jī)械開(kāi)關(guān)K兩端電位差u_K保持為小于門(mén)檻電壓U_T的晶閘管SCR導(dǎo)通壓降，起弧電壓條件不滿足，合閘過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生電弧。機(jī)械開(kāi)關(guān)K觸頭完全接觸后壓降小于晶閘管SCR導(dǎo)通壓降，晶閘管SCR關(guān)斷。忽略晶閘管SCR導(dǎo)通壓降和機(jī)械開(kāi)關(guān)K觸頭完全接觸后壓降，合閘過(guò)程等效電路如圖3所示。晶閘管SCR導(dǎo)通后，電源側(cè)電容C₁從初始狀態(tài)直流電源U_DC空載電壓開(kāi)始放電，負(fù)載側(cè)電容C₂通過(guò)電阻R從零電壓開(kāi)始充電。

合閘結(jié)束后穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)

如圖4所示，無(wú)電弧混合直流斷路器CB合閘結(jié)束后穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電流從閉合的機(jī)械開(kāi)關(guān)K流過(guò)，晶閘管SCR處于阻斷狀態(tài)；電源側(cè)電容C₁無(wú)充放電，電壓保持在電源電壓；負(fù)載側(cè)電容C₂無(wú)充放電，忽略機(jī)械開(kāi)關(guān)K上壓降，電壓保持在系統(tǒng)電源電壓；電阻R無(wú)電流流過(guò)；二極管D處于阻斷狀態(tài)，反向耐壓均為一半的系統(tǒng)額定電壓；限流電感L相當(dāng)于短路。穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，無(wú)電弧混合直流斷路器CB可等效為一段導(dǎo)線，導(dǎo)通損耗低。

開(kāi)斷短路電流過(guò)程

圖5為無(wú)電弧混合直流斷路器CB出線端短路后，機(jī)械開(kāi)關(guān)K觸頭分離前短路電流上升階段等效電路圖。忽略機(jī)械開(kāi)關(guān)K壓降和二極管D壓降，電源側(cè)電容C₁、負(fù)載側(cè)電容C₂可看成并聯(lián)的容值為C的大電容，忽略遠(yuǎn)小于限流電感L的電源側(cè)等效電感L_S，無(wú)電弧直流斷路器CB可等效為二階電路，限制短路電流上升。負(fù)載電感L_L通過(guò)負(fù)載電阻R_L放電，直到所儲(chǔ)存能量耗散完畢。

圖6為無(wú)電弧混合直流斷路器CB開(kāi)斷出線端短路電流第一階段的等效電路圖。無(wú)電弧混合直流斷路器CB接到分閘命令后，機(jī)械開(kāi)關(guān)K開(kāi)始動(dòng)作，當(dāng)觸頭分離后，直流電源U_DC、電源側(cè)等效電感L_S、電源側(cè)等效電阻R_S和電源側(cè)電容C₁組成RLC二階電路，負(fù)載側(cè)電容C₂、二極管D₁、限流電感L組成LC二階電路。機(jī)械開(kāi)關(guān)K兩端電位差u_K＝u_C1‐u_C2，機(jī)械開(kāi)關(guān)K觸頭分離后，其兩端電位差u_K從一個(gè)小于門(mén)檻電壓的初始值開(kāi)始緩慢上升，在極小的觸頭間距時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度仍然較大，u_K>u_T，u_K<U_T，起弧電場(chǎng)強(qiáng)度條件滿足，但起弧電壓條件不滿足，因此不會(huì)產(chǎn)生電弧工作點(diǎn)位于A區(qū)；隨著觸頭間距的增大，u_K<u_T，u_K>U_T，雖然起弧電壓條件已經(jīng)達(dá)到，但電場(chǎng)強(qiáng)度條件不再滿足，也不會(huì)產(chǎn)生電弧，工作點(diǎn)位于C區(qū)。

圖7為無(wú)電弧混合直流斷路器CB開(kāi)斷出線端短路電流第二階段的等效電路圖。當(dāng)限流電感L電流反向后，二極管D₁關(guān)斷，負(fù)載側(cè)電容C₂、電阻R、限流電感L組成二階回路，直到負(fù)載側(cè)電容C₂儲(chǔ)存能量耗散完畢，機(jī)械開(kāi)關(guān)K兩端電位差下降到直流電源電壓。

開(kāi)斷負(fù)載電流過(guò)程

機(jī)械開(kāi)關(guān)K觸頭分離后，電源側(cè)工作情況和開(kāi)斷短路電流時(shí)相同，但負(fù)載側(cè)為負(fù)載側(cè)電容C₂、限流電感L、負(fù)載電感L_L和負(fù)載電阻R_L組成的RLC二階系統(tǒng)。由于負(fù)載的不確定性，該二階系統(tǒng)可能過(guò)阻尼、臨界阻尼或者欠阻尼。若系統(tǒng)過(guò)阻尼或者臨界阻尼，則在負(fù)載側(cè)電容C₂電壓下降到零，限流電感L和負(fù)載電感L_L電流下降到零時(shí)，開(kāi)斷過(guò)程結(jié)束。若系統(tǒng)因欠阻尼而振蕩，則在負(fù)載電壓反向后，二極管D₂導(dǎo)通，保護(hù)負(fù)載電感L_L和負(fù)載電阻R_L不承受反向電壓和電流，限流電感L和電容C₂、電阻R組成負(fù)載側(cè)RLC二階系統(tǒng)，直到負(fù)載側(cè)能量釋放完畢，開(kāi)斷過(guò)程結(jié)束。