本發(fā)明屬于電氣設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有橋式感應(yīng)轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移電流電路及其使用方法。

背景技術(shù)：

由高速機(jī)械開關(guān)與功率半導(dǎo)體器件組成的混合型斷路器具有通流容量大、關(guān)斷速度快、限流能力強等優(yōu)點，已經(jīng)成為大容量系統(tǒng)開斷領(lǐng)域的研究熱點。使用具有全控功能的功率半導(dǎo)體器件分?jǐn)嚯娏鞯幕旌鲜街绷鲾嗦菲鞣桨赶啾扔谄渌旌鲜椒桨妇哂蟹謹(jǐn)嗨俣雀?，更利于分?jǐn)囝~定電流的優(yōu)點。但在使用全控型功率半導(dǎo)體器件分?jǐn)嚯娏鲿r，其電流轉(zhuǎn)移回路通常需要全控型功率半導(dǎo)體器件關(guān)斷電流，控制復(fù)雜程度與成本較高，制約了其推廣和應(yīng)用。

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)移電流電路中的電容器充電電路與主回路直接相連，沒有隔離，開斷過程充電電源和主回路會發(fā)生干擾，并且對于主回路充電電源的耐壓要求非常高，開斷不可靠。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出一種具有橋式感應(yīng)轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移電流電路，所述斷路器包括主電流電路、過電壓限制電路和轉(zhuǎn)移電流電路；所述主電流電路、過電壓限制電路和轉(zhuǎn)移電流電路并聯(lián)。所述轉(zhuǎn)移電流電路包含感應(yīng)轉(zhuǎn)移電路，所述感應(yīng)轉(zhuǎn)移電路中包含串聯(lián)連接且組成閉合回路的感應(yīng)轉(zhuǎn)移電感、感應(yīng)轉(zhuǎn)移電容和感應(yīng)轉(zhuǎn)移支路功率半導(dǎo)體器件；所述轉(zhuǎn)移電流電路還包含由第一功率半導(dǎo)體器件、第二功率半導(dǎo)體器件、第三功率半導(dǎo)體器件、第四功率半導(dǎo)體器件、主回路電感和主回路電容組成的橋式電路；所述主回路電感和所述感應(yīng)轉(zhuǎn)移電感耦合組成互感器。

優(yōu)選地，所述橋式電路的連接關(guān)系為：所述第一功率半導(dǎo)體器件與第三功率半導(dǎo)體器件串聯(lián)，所述第二功率半導(dǎo)體器件與第四功率半導(dǎo)體器件串聯(lián)，所述第一功率半導(dǎo)體器件與所述第三功率半導(dǎo)體器件之間具有第一端點；所述第二功率半導(dǎo)體器件與所述第四功率半導(dǎo)體器件之間具有第二端點；所述主回路電感和主回路電容串聯(lián)并連接于所述第一端點和所述第二端點之間。

優(yōu)選地，所述第一功率半導(dǎo)體器件、第二功率半導(dǎo)體器件、第三功率半導(dǎo)體器件、第四功率半導(dǎo)體器件為單向?qū)üβ拾雽?dǎo)體器件；所述轉(zhuǎn)移支路功率半導(dǎo)體器件為雙向?qū)üβ拾雽?dǎo)體器件。

優(yōu)選地，所述主電流電路由高速機(jī)械開關(guān)組成；所述高速機(jī)械開關(guān)為基于電磁斥力的高速機(jī)械開關(guān)、基于高速電機(jī)驅(qū)動的機(jī)械開關(guān)或基于爆炸驅(qū)動的高速機(jī)械開關(guān)。

優(yōu)選地，所述主回路電容、感應(yīng)轉(zhuǎn)移電容為空心電感器或含磁芯的電感器；由一個或多個電感串聯(lián)或并聯(lián)組成；所述的轉(zhuǎn)移電流電路中的主回路的電感和感應(yīng)轉(zhuǎn)移電感耦合為相互耦合的互感線圈。

優(yōu)選地，所述第一功率半導(dǎo)體器件、第二功率半導(dǎo)體器件、第三功率半導(dǎo)體器件、第四功率半導(dǎo)體器件為不可控或具有半控功能的功率半導(dǎo)體器件或其組合，包括但不限于電力二極管、晶閘管、IGCT、IGBT和GTO中的任意一個或者任意多個的組合。

優(yōu)選地，所述過電壓限制電路的為壓敏電阻或氧化鋅閥片組成的避雷器的一個或任意多個的組合。

優(yōu)選地，所述過電壓限制電路為壓敏電阻或氧化鋅閥片組成的避雷器的一個或任意多個的組合。

優(yōu)選地，所述過電壓限制電路的設(shè)計參數(shù)包括：電壓限制電路容量、導(dǎo)通電壓閾值、達(dá)到導(dǎo)通電壓時的電流、最高鉗位電壓以及處于最高鉗位電壓時電流。

本發(fā)明還提出一種具有橋式感應(yīng)轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)的混合式斷路器的使用方法，包括：

正常工作狀態(tài)下，電流從所述主電流電路流過；此時，由第一功率半導(dǎo)體器件(A1)、第二功率半導(dǎo)體器件(A2)、第三功率半導(dǎo)體器件(A3)、第四功率半導(dǎo)體器件(A4)、主回路電感(L0)和主回路電容(C0)組成的橋式電路和感應(yīng)轉(zhuǎn)移電路(6)均處于關(guān)斷狀態(tài)，所述轉(zhuǎn)移電流電路沒有電流通過，所述主回路電容(C0)上無電壓，所述感應(yīng)轉(zhuǎn)移電路(6)中的感應(yīng)轉(zhuǎn)移電容(C1)保持預(yù)充電狀態(tài)，電壓極性，所述過電壓限制電路沒有電流流過；

當(dāng)系統(tǒng)需要進(jìn)行開斷時，控制所述主電流電路中的所述高速機(jī)械開關(guān)進(jìn)行分閘動作，由于所述高速機(jī)械開關(guān)存在機(jī)械延時，在分閘動作做出時，所述高速機(jī)械開關(guān)觸頭仍處于閉合狀態(tài)；通過測量所述主電流電路的電流幅值和變化率確定所述主電流電路中感應(yīng)轉(zhuǎn)移支路功率半導(dǎo)體器件以及轉(zhuǎn)移電流電路中第一至第四功率半導(dǎo)體器件是否動作以及相應(yīng)的動作時序。

本發(fā)明還提出一種具有橋式感應(yīng)轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)的混合式斷路器的使用方法，系統(tǒng)正常運行時，電流全部從主電流電路流過，所述方法包括如下步驟：

步驟0：系統(tǒng)發(fā)生短路故障，主電流電路電流開始上升，當(dāng)超過系統(tǒng)短路閾值時，控制系統(tǒng)動作，機(jī)械開關(guān)開始動作；

步驟1，機(jī)械觸頭間建立起足夠的弧壓，控制系統(tǒng)導(dǎo)通第一功率半導(dǎo)體器件、第三功率半導(dǎo)體器件及感應(yīng)轉(zhuǎn)移支路功率半導(dǎo)體器件，所述電流轉(zhuǎn)移支路導(dǎo)通，感應(yīng)電感模塊電路導(dǎo)通，感應(yīng)轉(zhuǎn)移電容開始放電，耦合電感使得轉(zhuǎn)移電流電路中的主回路電感兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓，主回路電感和主回路電容開始放電；流經(jīng)主電流電路的電流向轉(zhuǎn)移電流支路轉(zhuǎn)移；主回路電感與主回路電容的串聯(lián)支路超過短路電流的一部分會從第二功率半導(dǎo)體器件和第四功率半導(dǎo)體器件上流過；

步驟2，機(jī)械開關(guān)完全打開，主電路電流全部轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)移電流支路；轉(zhuǎn)移電流支路承受全部短路電流，且短路電流逐漸上升。

步驟3，當(dāng)短路電流對主回路電容充電的電壓值達(dá)到了過電壓限制電路的導(dǎo)通閾值，過電壓限制電路導(dǎo)通；電流開始向過電壓限制電路轉(zhuǎn)移；由于過電壓限制電路的電壓鉗位作用，所述斷路器兩端電壓上升幅度很??；

步驟4，轉(zhuǎn)移電流支路中的電流全部轉(zhuǎn)移至過電壓限制電路，此時斷路器兩端的電壓達(dá)到最高值，為開斷過程中斷路器兩端過電壓峰值；此后，過電壓限制電路中的電流將開始下降，斷路器兩端的電壓也開始緩慢下降，當(dāng)系統(tǒng)電流小于過電壓限制電路的最小導(dǎo)通電流時；過電壓限制電路關(guān)閉，過電壓限制電路兩端電壓迅速下降；

步驟5，過電壓限制電路中的電流為0，感應(yīng)轉(zhuǎn)移電路中的感應(yīng)轉(zhuǎn)移電容重新充電，斷路器開斷完成，斷路器兩端的電壓降為系統(tǒng)電壓。

優(yōu)選地，所述過電壓限制電路在斷路器正常運行情況下處于截止?fàn)顟B(tài)，漏電流小于1μA；所述過電壓限制電路的導(dǎo)通電壓閾值為所述斷路器所處的系統(tǒng)電壓的1.5倍。

本發(fā)明具有如下有益效果：轉(zhuǎn)移電流電路使用橋式結(jié)構(gòu)，用串聯(lián)的電容和電感支路實現(xiàn)對電流的快速分?jǐn)?，可以有效降低斷路器控制體積大小與制造成本。利用感應(yīng)轉(zhuǎn)移模塊實現(xiàn)電流快速轉(zhuǎn)移，主回路電容不用預(yù)充電，實現(xiàn)二次充電電路和主回路的隔離，轉(zhuǎn)移速度快；同時，主回路電容僅需要單向充電，可以降低電容體積和成本，并且開斷可靠性高。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的說明：

圖1是斷路器本體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明斷路器工作時的一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是分?jǐn)嚯娏鲿r轉(zhuǎn)移電流電路電流標(biāo)志示意圖；

圖4(a)-4(e)是分?jǐn)嚯娏鲿r各電路電流流向圖；

圖5是分?jǐn)嚯娏鲿r各電路中電流變化曲線圖；

圖6是本發(fā)明的一個具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本發(fā)明的一個具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8是本發(fā)明的一個具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9是本發(fā)明的一個具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10是本發(fā)明的一個具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11是本發(fā)明的一個具體實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖1-11，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分的實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

以下詳細(xì)描述實際上僅是示例性的而并不意欲限制應(yīng)用和使用。此外，并不意欲受以上技術(shù)領(lǐng)域、背景、簡要概述或以下詳細(xì)描述中呈現(xiàn)的任何明確或暗示的理論約束。除非明確地具有相反的描述，否則詞語“包括”及其不同的變型應(yīng)被理解為隱含包括所述的部件但不排除任意其他部件。

以下結(jié)合附圖來說明本發(fā)明的具體實施方式。

本實施例提供一種具有橋式感應(yīng)轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)的混合式斷路器，如圖1所示，包括主電流電路、轉(zhuǎn)移電流電路、以及過電壓限制電路。為了更好的說明斷路器分?jǐn)噙^程，本實施例給出了斷路器電流從系統(tǒng)接入端S1到系統(tǒng)接入端S2的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。圖2中功率半導(dǎo)體器件的電流方向與圖中第一至第四功率半導(dǎo)體器件A0-A4的箭頭方向一致。

參照圖1、2可知，斷路器包括主電流電路，轉(zhuǎn)移電流電路以及過電壓限制，且轉(zhuǎn)移電流電路包含有感應(yīng)轉(zhuǎn)移模塊，主電流電路、轉(zhuǎn)移電流電路以及過電壓限制電路并聯(lián)。

所述主電流電路由高速機(jī)械開關(guān)組成。

所述轉(zhuǎn)移電流電路包括功率半導(dǎo)體器件A1組成的電路1，功率半導(dǎo)體器件A2組成的電路2，功率半導(dǎo)體器件A3組成的電路3，功率半導(dǎo)體器件A4組成的電路4以及電感L0和電容C0串聯(lián)組成的電路5，由電感L1，電容C1及功率半導(dǎo)體器件A0串聯(lián)構(gòu)成的感應(yīng)轉(zhuǎn)移模塊組成電路6，并且所述電路1與所述電路4串聯(lián)，所述電路2則與所述電路3串聯(lián)。

其中：所述電路1和所述電路4串聯(lián)組成轉(zhuǎn)移電流電路支路1-4，且所述支路1-4與所述主電流電路并聯(lián)，并且：所述主電流電路的一端連接所述功率半導(dǎo)體器件A1的一端，以便實現(xiàn)與所述支路1-4的一端的連接；所述功率半導(dǎo)體器件A1的另一端則與所述功率半導(dǎo)體器件A4的一端連接以便實現(xiàn)所述電路1和所述電路4的串聯(lián)；所述功率半導(dǎo)體器件A4的另一端則與所述主電路的另一端連接，以便實現(xiàn)所述支路1-4的另一端與所述主電流電路一端的連接，從而實現(xiàn)所述支路1-4與所述主電流電路的并聯(lián)。

所述電路2和所述電路3串聯(lián)組成轉(zhuǎn)移電流電路支路2-3，且所述支路2-3與所述主電流電路并聯(lián)，并且：所述主電流電路的一端連接所述功率半導(dǎo)體器件A2的一端，以便實現(xiàn)與所述支路2-3的一端的連接；所述功率半導(dǎo)體器件A2的另一端則與所述功率半導(dǎo)體器件A3的一端連接以便實現(xiàn)所述電路2和所述電路3的串聯(lián)；所述功率半導(dǎo)體器件A3的另一端則與主電流電路的另一端連接，以便實現(xiàn)所述支路2-3的另一端與所述主電流電路另一端的連接，從而實現(xiàn)所述支路2-3與所述主電流電路的并聯(lián)。

所述電路1和所述電路4之間的端點，與所述電路2和所述電路3之間的端點，這兩個端點之間則連接所述串聯(lián)的電感L0和所述的電容C0支路。

其中，所述功率半導(dǎo)體器件A0至A4為不可控或者具有半控功能的功率半導(dǎo)體器件或者其組合，所述功率半導(dǎo)體器件包括但不局限于電力二極管、晶閘管、IGCT、IGBT和GTO中的任意一個或者任意多個的組合。應(yīng)當(dāng)知道，不僅半控器件具有半控功能，全控器件也具有半控功能。

其中，所述高速機(jī)械開關(guān)為可以為基于電磁斥力的高速機(jī)械開關(guān)、基于高速電機(jī)驅(qū)動的機(jī)械開關(guān)或基于爆炸驅(qū)動的高速機(jī)械開關(guān)中的任意一種。

所述的電感為空心電感器或含磁芯的電感器，由一個或多個電感串聯(lián)或并聯(lián)組成，所述的轉(zhuǎn)移電流電路中的主回路的電感L0和感應(yīng)轉(zhuǎn)移電感L1耦合組成一對互感線圈；

所述過電壓限制電路的為壓敏電阻或氧化鋅閥片組成的避雷器的一個或任意多個的組合。

1.過電壓限制電路導(dǎo)通以及關(guān)斷過程

圖3示出了過電壓限制電路的伏安特性曲線，其中U1為過電壓限制電路的導(dǎo)通閾值電壓，U2為過電壓限制電路具有電壓鉗位作用的最高電壓。當(dāng)過電壓限制電路兩端的電壓小于U1時，過電壓限制電路截止，其漏電流小于1μA，即處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)電壓限制電路兩端的電壓達(dá)到其導(dǎo)通閾值后，隨著電流的急劇增加，過電壓限制電電路兩端的電壓變化很小。過電壓限制電路設(shè)計參數(shù)包括：電壓限制電路容量(吸收的能量)、導(dǎo)通電壓閾值、達(dá)到導(dǎo)通電壓時的電流、最高鉗位電壓以及處于最高鉗位電壓時電流。當(dāng)電流大于最高鉗位電壓的電流時，過電壓限制電路會失去電壓鉗位作用，及過電壓限制作用失敗。通常，過電壓限制電路導(dǎo)通閾值為正常運行狀態(tài)的1.5倍，即過電壓限制電路導(dǎo)通后由于其電壓鉗位作用，當(dāng)其內(nèi)部有電流存在(大于1mA)時兩端電壓高于系統(tǒng)電壓，直至系統(tǒng)電流小于1mA時過電壓限制電路截止關(guān)斷。

2.混合式斷路器分?jǐn)噙^程

圖3同時示出了分?jǐn)嚯娏鲿r轉(zhuǎn)移電流電路各支路電流標(biāo)志，其中i0為流入斷路器的電流，i1為流經(jīng)主電流電路的電流，i2為流經(jīng)電路1的電流，i3為流經(jīng)電路2的電流，i4為流經(jīng)電路3的電流，i5為流經(jīng)電路4的電流，i6為流經(jīng)電路5的電流，i7為流經(jīng)過電壓限制電路的電流，i0為感應(yīng)轉(zhuǎn)移模塊中的電流。

圖4(a)-圖4(e)示出了分?jǐn)嚯娏鲿r轉(zhuǎn)移電流電路中各支路電流方向，具體的為對應(yīng)從t0到t5各時刻的各支路電流方向，為方便描述將轉(zhuǎn)移電流電路中的電感L0和電容C0串聯(lián)支路記為A5模塊。圖5示出了分?jǐn)嚯娏鲿r各支路的電流變化曲線。

其具體的操作步驟包括以下幾個方面：

系統(tǒng)正常運行，電流全部從主電流電路流過，如圖5所示，其中系統(tǒng)額定電流為I0。

t0時刻，系統(tǒng)發(fā)生短路故障，主電流電路電流開始上升，在t0和t1間，當(dāng)超過系統(tǒng)短路閾值時，控制系統(tǒng)動作，機(jī)械開關(guān)開始動作。

t1時刻，機(jī)械觸頭間建立起足夠的弧壓，控制系統(tǒng)導(dǎo)通A1、A3及A0，電流轉(zhuǎn)移支路導(dǎo)通，感應(yīng)電感模塊電路導(dǎo)通，電容C1開始放電，耦合電感使得轉(zhuǎn)移電流電路中的電感L0兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓，電感L0和電容C0開始放電。流經(jīng)主電流電路的電流向轉(zhuǎn)移電流支路轉(zhuǎn)移，電感電容串聯(lián)支路超過短路電流的一部分會從功率半導(dǎo)體器件A2和A4上流過，如圖5所示。

t2時刻，機(jī)械開關(guān)完全打開，主電路電流全部轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)移電流支路，如圖5所示。

在t2至t3間，轉(zhuǎn)移電流支路承受全部短路電流，且短路電流在逐漸上升。

t3時刻，當(dāng)短路電流對電容器C0充電的電壓值達(dá)到了過電壓限制電路的導(dǎo)通閾值，過電壓限制電路導(dǎo)通。如圖5所示，電流開始向過電壓限制電路轉(zhuǎn)移。由于過電壓限制電路的電壓鉗位作用，斷路器兩端電壓上升幅度很小。

t4時刻，轉(zhuǎn)移電流支路中的電流全部轉(zhuǎn)移至過電壓限制電路，此時斷路器兩端的電壓達(dá)到最高值，為開斷過程中斷路器兩端過電壓峰值。此后，過電壓限制電路中的電流將開始下降，斷路器兩端的電壓也開始緩慢下降，當(dāng)系統(tǒng)電流小于過電壓限制電路的最小導(dǎo)通電流1mA時。過電壓限制電路關(guān)閉，過電壓限制電路兩端電壓迅速下降。

t5時刻，過電壓限制電路中的電流為0，感應(yīng)轉(zhuǎn)移模塊中的電容器C1重新充電，斷路器開斷完成，斷路器兩端的電壓降為系統(tǒng)電壓。

應(yīng)當(dāng)知道：所述高速機(jī)械開關(guān)為基于電磁斥力的高速機(jī)械開關(guān)、基于高速電機(jī)驅(qū)動的機(jī)械開關(guān)或基于爆炸驅(qū)動的高速機(jī)械開關(guān)。

所述具有半控功能的功率半導(dǎo)體器件包括晶閘管、IGCT、IGBT和GTO中的任意一個或者任意多個的組合。

所述具有全控功能的功率半導(dǎo)體器件包括IGBT和GTO中的任意一個或者任意多個的組合。

圖6至圖9示出了使用具體器件IGBT、晶閘管等器件作為功率半導(dǎo)體器件的具體實施例。

所述過電壓限制電路的為壓敏電阻或氧化鋅閥片組成的避雷器的一個或任意多個的組合。需要說明的是，所述電壓限制電路可以并在電路1和電路4(即高速開關(guān)與A0之間)兩端，也可以并在電路5兩端，如圖8所示。

圖10和圖11示出了所述感應(yīng)轉(zhuǎn)移模塊可以是一個或多個的組合的情形，所述的電感為空心電感器或含磁芯的電感器，由一個或多個電感串聯(lián)或并聯(lián)組成。

除圖中所示的情形外，本發(fā)明不要求斷路器中的電路完全的對稱。

本發(fā)明公開了一種橋式感應(yīng)轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)的混合式斷路器，包括主電流電路，轉(zhuǎn)移電流電路以及過電壓限制電路。轉(zhuǎn)移電流電路由電感和電容串聯(lián)支路和四個功率半導(dǎo)體器件組成橋式結(jié)構(gòu)，并包含有一個感應(yīng)轉(zhuǎn)移模塊。當(dāng)斷路器需要開斷電流時，通過控制主電流電路以及轉(zhuǎn)移電流電路的功率半導(dǎo)體器件按一定時序動作，觸發(fā)感應(yīng)轉(zhuǎn)移模塊放電，導(dǎo)通轉(zhuǎn)移電流電路，通過隔離斷路器主回路和二次充電電路，可以顯著提高開斷的可靠性。同時，本發(fā)明采用互感線圈、預(yù)充電電容及功率半導(dǎo)體器件串聯(lián)組成的感應(yīng)轉(zhuǎn)移模塊，降低了轉(zhuǎn)移電流電路對電容器容量的需求，有效減小轉(zhuǎn)移電流電路中電容的體積，而且感應(yīng)轉(zhuǎn)移模塊電路中的電容預(yù)充電電壓很低，也保證了二次充電電路與斷路器主電流電路、轉(zhuǎn)移電流電路和限制電壓電路有效的電隔離，提高開斷的可靠性。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實施方式僅限于此，對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書確定保護(hù)范圍。