大功率雙向開斷的混合式直流斷路器的制作方法

本發明涉及直流斷路器領域，具體是一種大功率雙向開斷的混合式直流斷路器。

背景技術：

全超導托克馬克裝置中超導磁體尺寸大、儲能高、造價昂貴、修復非常困難，因此超導磁體的安全運行是極其重要。超導磁體運行過程中一旦出現正常狀態轉變，磁體線圈所儲存的巨大電磁能量將向熱能轉化，可能對磁體造成長久的損壞。所以大功率失超保護系統可靠的將磁體中儲存的巨大能量迅速轉移到移能電阻單元上，使得超導磁體在發生失超后避免對聚變裝置造成不可估量的損失，確保對超導磁體的安全使用和運行。

傳統失超保護單元采用機械直流斷路器并聯熔斷器的二級換流技術，主要通過機械斷路器開斷產生的電弧電壓使開關電流轉入換流熔斷器內，而熔斷器受轉入電流的加熱，經一定時延熔斷產生高壓，迫使電流轉移至負載中。該換流法主要利用熔斷器來減輕主開關的滅弧負擔，使主開關絕緣強度得到迅速恢復，此外產生脈沖高壓，使磁體中的能量迅速轉移到移能單元中釋放。但是每次開斷后都需更換熔斷器，維護量大。

隨著大功率半導體器件的飛速發展，混合式直流斷路器結合了傳統機械式斷路器低通態損耗和固態斷路器快速分斷的優點，已成為大功率斷路器的研究熱點。但由于未來全超導托克馬克裝置中超導磁體的磁體電流達到70 kA，電壓達20 kV以上。所以現有大功率混合斷路器方案存在以下幾個問題。

1、機械斷路器需提供數百伏的弧壓來滿足固態斷路器支路的可靠導通電壓，同時具有較快的絕緣恢復時間來承受電流轉移到移能單元支路的過電壓。

2、固態斷路器具有雙向分斷能力，且可以承受換流時的短時大電流和關斷產生的高電壓。

3、當機械斷路器或固態斷路器失效后，應具有后備保護斷路器使得其可以有效可靠換流，把能量轉移到移能電阻單元支路。

技術實現要素：

本發明的目的是為了克服已有技術的不足提供一種大功率雙向開斷的混合式直流斷路器，可應用于大功率直流電源系統中，作為其系統保護斷路器，如超導聚變裝置中的超導磁體系統的失超保護技術領域，直流輸配電網絡的直流短路保護斷路器，以及脈沖功率技術領域所需的大功率斷路器。

本發明的技術方案如下：

一種大功率雙向開斷的混合式直流斷路器，包括有機械旁路斷路器、固態斷路器、爆炸開關和移能電阻，其特征在于：所述的機械旁路斷路器與所述固態斷路器并聯構成失超主保護支路，然后與由所述爆炸開關構成的后備保護單元串聯，最后與由所述移能電阻并聯。

進一步的，所述的機械旁路斷路器為由主觸頭、弧觸頭和快速高壓隔離觸頭構成的三級觸頭結構，其中弧觸頭與快速高壓隔離觸頭串聯再與主觸頭并聯，且各個觸頭分別帶有獨立操作機構。克服了傳統機械開關大電流下較低的開斷電壓和較慢的絕緣恢復時間的缺點。

進一步的，所述的固態斷路器包括有由四個串并二極管閥組構成的橋式整流電路和一個電力電子器件閥組。

進一步的，所述的電力電子器件閥組由若干個電力電子器件支路并聯組成，每個電力電子器件支路分別由若干個電力電子器件串聯組成，每個電力電子器件支路中分別串聯有均流電感，實現動靜態均流，每個電力電子器件的兩端分別并聯有吸收電路、均壓電阻和過電壓限制器，實現動、靜態均壓和過電壓保護。

進一步的，所述的爆炸開關是在機械旁路斷路器和高壓固態斷路器失效情況下，通過引爆雷管和炸藥，迅速將電流轉移至移能電阻，以避免機械旁路斷路器和固態斷路器失效而導致系統故障擴大。

進一步的，移能電阻可以吸收儲能達GJ級的直流系統能量。

當系統正常運行時，電源系統通過大功率爆炸開關與大功率機械旁路斷路器給超導磁體提供穩態直流電流。當系統故障時（超導磁體失超），斷開大功率機械旁路斷路器和打開固態斷路器，電流流向固態斷路器換流。當大功率機械旁路斷路器滿足開斷電壓后，電流流向移能電阻換流。如果當機械斷路器或固態斷路器失效時，斷開爆炸開關，使得電流可靠向移能電阻換流。

本發明的有益效果：

本發明通過采用三級觸頭結構的大功率機械旁路開關和并聯基于全控器件的多串并聯的固態斷路器的混合式斷路器設計方案，既可很好的結合傳統機械式斷路器低通態損耗和固態斷路器快速無弧分斷的優點，又可克服傳統機械開關大電流下較低的開斷電壓和較慢的絕緣恢復時間，開關電路系統結構新穎，是實現大功率直流開斷和能量快速轉移的有效途徑。

附圖說明

圖1為本發明的電路結構示意圖。

圖2為本發明中固態斷路器的電路結構示意圖。

圖3為本發明的開關電路動作時序及各支路電流波形圖。

具體實施方式

參見圖1、2，一種大功率雙向開斷的混合式直流斷路器，包括有機械旁路斷路器、固態斷路器、爆炸開關PB和移能電阻DR，機械旁路斷路器與固態斷路器并聯構成失超主保護支路，然后與由爆炸開關PB構成的后備保護單元串聯，最后與由移能電阻DR并聯。

本發明中，機械旁路斷路器為由主觸頭MC、弧觸頭AC和快速高壓隔離觸頭FIC構成的三級觸頭結構，其中弧觸頭AC與快速高壓隔離觸頭FIC串聯再與主觸頭MC并聯，且各個觸頭分別帶有獨立操作機構。克服了傳統機械開關大電流下較低的開斷電壓和較慢的絕緣恢復時間的缺點。

主觸頭MC分斷和快速高壓隔離觸頭FIC分斷過程時基本不承受電壓，只有完全斷開，絕緣強度恢復后才承受高壓固態斷路器關斷產生的高開斷電壓，其中快速高壓隔離觸頭FIC是在無弧下快速斷開，并迅速恢復高壓阻斷能力，而弧觸頭AC必須短時承載大電流且開斷產生較高的弧壓，以保證主觸頭MC具有足夠的絕緣恢復時間并使得固態斷路器可以快速導通換流。

固態斷路器包括有由四個串并二極管閥組D1、D2、D3、D4構成的橋式整流電路和一個電力電子器件閥組T1。橋式整流電路的優點在于不需要判斷工作電流方向即可實現雙向分斷能力。

電力電子器件閥組T1由若干個電力電子器件支路并聯組成，可以承受換流時的瞬間大電流，每個電力電子器件支路分別由若干個電力電子器件串聯組成，可以承受換流到移能電阻時的反向高電壓，可以根據實現的電壓與電流等級來確定電力電子器件的串并聯數量，每個電力電子器件支路中分別串聯有勻流電感，實現動靜態均流，由于電力電子器件自身的參數不一致性、驅動控制板信號的不一致性以及每個電力電子器件串聯支路寄生參數的不一致性，每個電力電子器件的兩端分別并聯有吸收電路、均壓電阻和過電壓限制器，來防止器件過電壓而損壞。

電力電子器件可采用IGBT、IGCT、IEGT之中的任一種大功率器件電力電子器件，電壓限制器采用氧化鋅MOV或避雷器。

爆炸開關不僅要滿足正常工作條件下的額定大電流通流能力，還要滿足在機械旁路斷路器或固態斷路器失效情況下，迅速可靠的開斷大電流并產生高電壓，將能量轉移至耗能電阻。

移能電阻DR可以吸收儲能達GJ級的直流系統能量。

本發明具有雙向分斷能力且實現三次換流過程，無論系統工作電流方向是從S1到S2還是從S2到S1，其換流的基本原理相同，只是當系統電流方向是從S1到S2時，其固態斷路器的電流流向為D1閥組到T1閥組再到D4閥組，D2閥組、D3閥組及T1閥組承受關斷時的反向過電壓。當系統電流方向是從S2到S1時，其固態斷路器的電流流向為D2閥組到T1閥組再到D3閥組，D1閥組、D4閥組及T1閥組承受關斷時的反向過電壓。詳細的主要工作原理和動作時序如圖3所示，其中In為系統工作電流。

1、大功率雙向開斷的混合式直流斷路器正常分斷過程：

1）、系統正常運行時，系統工作電流由旁路機械斷路器的主觸頭和與之串聯提供后備保護的爆炸開關向超導磁體供電；

2）、若t1時刻檢測到失超故障發生，立刻發出機械旁路斷路器主觸頭的分斷命令，經過主觸頭固有動作延時后，在t2時刻，主觸頭打開并產生電弧電壓，迫使電流從主觸頭支路開始換流到弧觸頭和與之串聯的快速隔離觸頭；

3）、在t3時刻，主觸頭完全斷開電流換向結束，這時電流完全轉移到機械旁路斷路器的弧觸頭和快速隔離觸頭，待主觸頭恢復高電壓阻斷能力(t3~t4時刻)；

4）、在t4時刻，發出打開弧觸頭的分斷命令，同時發出固態斷路器的導通命令，迅速將負載工作電流轉移到高壓固態斷路器中；

5）、在t5時刻，當電流完全從弧觸頭轉移到固態斷路器路時，發出機械旁路斷路器的高壓快速隔離觸頭分斷命令，快速高壓隔離觸頭在極短時間內無弧斷開，并迅速具有高壓阻斷能力；

6）、在t6時刻，高壓固態斷路器關斷產生高開斷電壓，負載工作電流開始迅速轉移到移能電阻上；

7）、在t7時刻，負載工作電流完全轉移到移能單元支路，磁體電流快速衰減，使得磁體能量迅速轉移并消耗在移能電阻上。

從發出機械旁路斷路主觸頭動作命令的t1時刻到其完全打開并恢復高電壓阻斷能力的t6時刻的時間間隔主要取決于主觸頭的絕緣恢復電壓性能，一般在數十到數百毫秒內；而從發出快速高壓隔離觸頭動作命令的t5時刻到其完全打開的t6時刻，具有高壓阻斷能力的時間間隔主要取決于快速高壓隔離開關的性能，一般要求在數十毫秒，而電力電子器件組成的固態斷路器關斷時間非常短，基本在微秒量級，即使考慮換流回路參數影響，在幾毫秒的時間內即可完成換流。

2、大功率雙向開斷的混合式直流斷路器故障分斷過程

后備的爆炸開關是在旁路機械斷路器和高壓固態斷路器失效情況下，通過引爆雷管和炸藥，迅速可靠的斷開主回路電流，產生高電壓，將電流轉移至移能電阻路上，以避免機械旁路斷路器、固態斷路器損壞和系統故障擴大。

本發明在系統工作正常時，由于主電流支路是機械旁路斷路器，通態損耗可以忽略不計，而系統故障時，換流到固態斷路器的時間短，所以不需要冷卻系統。另外增加的后備保護爆炸開關增強了系統換流的可靠性。本發明控制簡單，系統可靠性高。