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CN203722202U - 断路器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型揭示了一种断路器。该断路器包括超导限流器和断路模块，所述超导限流器和所述断路模块串联连接，所述断路模块包括切断器、第一半导体开关单元和第二半导体开关单元，所述切断器与所述第一半导体开关单元串联，且与所述超导限流器串联，所述第二半导体开关单元与串联的所述切断器和所述第一半导体开关单元并联。断路器可以在电路出现过流故障时快速安全地切断电路。

Description

断路器
技术领域
本实用新型涉及一种断路器，特别涉及一种高压断路器。
背景技术
高压电路中，尤其是高压直流电路中，例如电网，出现过流故障（例如短路）时电路中的电流相当大，如果直接断开开关器件来断开电路，开关器件处会产生拉弧现象，对开关器件的损伤较大，很大程度上影响开关器件的性能，甚至损坏开关器件。而且随着电网容量的不断增加，短路电流也随之增大，断开开关器件时很容易造成很大的拉弧，从而损坏开关器件。
因此，有必要提供一种改进的断路器来解决上述技术问题。
实用新型内容
本实用新型的一个方面在于提供一种断路器。该断路器包括超导限流器和断路模块，所述超导限流器和所述断路模块串联连接，所述断路模块包括切断器、第一半导体开关单元和第二半导体开关单元，所述切断器与所述第一半导体开关单元串联，且与所述超导限流器串联，所述第二半导体开关单元与串联的所述切断器和所述第一半导体开关单元并联。
在一些实施方式中，所述断路模块包括非线性电阻，所述非线性电阻和所述第二半导体开关单元并联。
在一些实施方式中，所述切断器和所述第一半导体开关单元常通，所述第二半导体开关单元常断。
在一些实施方式中，所述断路模块包括LC谐振单元和与所述LC谐振单元串联的第三半导体开关单元，串联的所述LC谐振单元和所述第三半导体开关单元与所述第二半导体开关单元并联。
在一些实施方式中，所述断路模块包括若干二极管，所述二极管分别与所述第二半导体开关单元和所述第三半导体开关单元并联，且所述二极管的导通方向分别和与其并联的所述第二半导体开关单元和所述第三半导体开关单元的导通方向相反。
在一些实施方式中，所述断路模块包括非线性电阻，所述非线性电阻与所述LC谐振单元和所述第三半导体开关单元并联。
在一些实施方式中，所述第三半导体开关单元常断。
在一些实施方式中，所述切断器、所述第一半导体开关单元、所述第二半导体开关单元和所述第三半导体开关单元为可控器件。
在一些实施方式中，所述第一半导体开关单元和所述第二半导体开关单元分别包括至少一个半导体开关器件
在一些实施方式中，所述超导限流器包括超导电阻、电阻和电感，电阻和电感串联，超导电阻与串联的电阻和电感并联。
附图说明
通过结合附图对本实用新型的实施方式进行描述，可以更好地理解本实用新型，在附图中：
图1所示为本实用新型的断路器的一个实施方式的示意图；
图2所示为图1所示的断路器的超导限流器的一个实施方式的示意图；
图3所示为图1所示的断路器的断路模块的一个实施方式的示意图；
图4所示为图1所示的断路器的断路模块的另一个实施方式的示意图。
具体实施方式
除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当解释成本实用新型所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中使用的“第一”或者“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而只是表示存在至少一个。“或者”包括所列举的项目中的任意一者或者全部。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
图1所示为本实用新型断路器10的一个实施方式的示意图。本实施方式的断路器10与总开关11和电源13串联。断路器10包括超导限流器15和断路模块17。总开关11、电源13、超导限流器15和断路模块17串联连接。断路器10可以用于高压电路中，尤其是直流高压电路，例如电网，但不限于此。在一个实施方式中，电源13是直流高压电源，例如高压直流电网、发电设备等，提供高压直流电给工作电路（未图示）。断路器10连接于电源13和工作电路（未图示）之间，用于在电路出现过流故障时，例如电路短路、因负载原因造成电流瞬间变大等，快速且安全地切断电源。
在电路正常工作时，断路器10为导通状态，通过控制总开关11的打开或闭合来切断或接入电源13。当电路出现过流故障时，电路的电流很大。如果在电流高于总开关11的额定短路开断电流时断开总开关11，总开关11处会产生拉弧。本实用新型利用断路器10来断开电路。断路器10的超导限流器15先限制电流，然后通过断路模块17断开电路。断路器10切断电路后断开总开关11，从而可以避免总开关11处产生拉弧现象。在一个实施方式中，总开关11是机械开关，例如闸刀等。
图2所示为图1所示的断路器10的超导限流器15的一个实施方式的示意图。出现过流故障时，超导限流器15可限制电路中的电流。本实施方式的超导限流器15为电阻式的超导限流器。超导限流器15包括超导电阻Rsc、电阻Rshunt和电感Lshunt。电阻Rshunt和电感Lshunt串联，超导电阻Rsc与串联的电阻Rshunt和电感Lshunt并联。超导电阻Rsc由高温超导材料制成。电路正常工作时，流过超导电阻Rsc的电流小于超导电阻Rsc的临界电流，由于超导材料的特性，超导电阻Rsc处于超导状态，电阻值等于或接近于零。超导电阻Rsc两端的电压等于或接近于零。通过超导电阻Rsc的电流Isc等于或接近于总电流ILine，流过电阻Rshunt的电流Ishunt等于或接近于零。电路正常工作时，超导限流器15不会影响电路的正常工作和性能。
当电路出现过流故障时，电路中的电流急剧变大，流过超导电阻Rsc的电流Isc超过超导电阻Rsc的临界电流，超导电阻Rsc失去超导特性。此时，流过超导电阻Rsc的电流Isc急剧增大，超导电阻Rsc的电阻值成指数倍迅速增大，超导电阻Rsc两端的电压变大。总电流ILine分流至电阻Rshunt和电感Lshunt的支路。电阻Rshunt和电感Lshunt的支路限制超导电阻Rsc两端的电压的增大。电感Lshunt限制电流。如此，超导限流器15限制电路中的电流。由于超导材料的特性，超导限流器15可以在几毫秒内将电路的电流降低。电路的电流降低后，断路模块17断开，从而将电源13从电路中断开。在其他实施方式中，超导限流器15可以采用其他类型的超导限流器，例如无感电抗器型、混合型的超导限流器。
图3所示为图1所示的断路模块17的一个实施方式的示意图。断路模块17包括切断器或隔离开关20、第一半导体开关单元22和第二半导体开关单元24。切断器20与第一半导体开关单元22串联，且与超导限流器15串联。第二半导体开关单元24与串联的切断器20和第一半导体开关单元22并联。切断器20和第一半导体开关单元22常通，第二半导体开关单元24常断。在一实施方式中，切断器20为快速高压切断器。切断器20可以是机械开关。第一半导体开关单元22和第二半导体开关单元24分别包括至少一个半导体开关器件26，例如，晶闸管、IGBT（Insulated Gate Bipolar Translator，绝缘栅门极晶体管）等。第一半导体开关单元22的多个半导体开关器件26串联，第二半导体开关单元24的多个半导体开关器件26串联来承受高压。在一个实施方式中，第一半导体开关单元22与第二半导体开关单元24采用相同的半导体开关器件26。在另一个实施方式中，第一半导体单元22与第二半导体开关单元24采用不同的半导体开关器件26，例如半导体开关器件26的种类、额定参数或性能等不同。第二半导体开关单元24的阻抗大于第一半导体开关单元22的阻抗。
在电路正常工作时，切断器20和第一半导体开关单元22导通，电流流过切断器20和第一半导体开关单元22。第一半导体开关单元22的阻抗较小，因此其对电路的电流和电压的影响较小。当电路出现过流故障时，闭合第二半导体开关单元24来分流。然后断开第一半导体开关单元22，电路中的总电流流过第二半导体开关单元24。接着断开第二半导体开关单元24和切断器20。半导体开关断开时不会出现拉弧现象，且半导体开关可快速断开。通过半导体开关来断开电路，避免在高压大电流时直接断开切断器20和总开关11出现拉弧现象，可以保护切断器20和总开关11。且该断路模块17可以快速地断开。切断器20、第一半导体开关单元22和第二半导体开关单元24为可控器件，可以通过控制器（未图示）来控制该些器件的断开和闭合。
在图示实施方式中，断路模块17还包括非线性电阻38。非线性电阻38和第二半导体开关单元24并联。非线性电阻38可以限制第二半导体开关单元24的电压在其断开的瞬间急剧变大，从而避免第二半导体开关单元24的半导体开关器件26损坏。
图4所示为图1所示的断路模块17的另一个实施方式的示意图。图4中实施方式的断路模块17类似于图3中实施方式的断路模块17。为了方便起见，图4的断路模块17与图3的断路模块17相同的原件用相同的标号标示。相较于图3的断路模块17，图4的断路模块17进一步包括LC谐振单元28和与LC谐振单元28串联的第三半导体开关单元30。串联的LC谐振单元28和第三半导体开关单元30与第二半导体开关单元24并联。LC谐振单元28包括串联连接的电感32和电容34。第三半导体开关单元30常断。在一个实施方式中，第三半导体开关单元30为可控器件。在图示实施方式中，第三半导体开关单元30包括一个半导体开关器件，该半导体开关器件可与第一半导体开关单元22和/或第二半导体开关单元24的半导体开关器件26相同。在一些实施方式中，第三半导体开关单元30包括多个串联的半导体开关器件。
在本实施方式中，断路模块17包括若干二级管36。二极管36分别与第二半导体开关单元24和第三半导体开关单元30并联，且二极管36的导通方向分别和与其并联的第二半导体开关单元24和第三半导体开关单元30的导通方向相反。第一半导体开关单元22、第二半导体开关单元24和第三半导体开关单元30的半导体开关器件26的导通方向与总电路的电流ILine的方向相同。二极管36的导通方向与总电路的电流ILine的方向相反。断路模块17还包括非线性电阻38。非线性电阻38与LC谐振单元28和第三半导体开关单元30并联。流过非线性电阻38的电流增大时，非线性电阻38的电阻值减小。
电路正常工作时，仅切断器20和第一半导体开关单元22导通。此时非线性电阻38的电阻值很大，对电路的电流的影响较小。当电路出现过流故障时，闭合第二半导体开关单元24来分流，接着断开第一半导体开关单元22。然后闭合第三半导体开关单元30，如此LC谐振单元28、第二半导体开关单元24、第三半导体开关单元30和二极管36形成谐振回路。当谐振电流等于零时，断开第二半导体开关单元24和第三半导体开关单元30。之后断开切断器20。在一些实施方式中，断开第一半导体开关单元22之后，切断器20无电流流过，此时即可断开切断器20。如此，在流过第二半导体开关单元24和第三半导体开关单元30的电流等于零时断开第二半导体开关单元24和第三半导体开关单元30，可以保护第二半导体开关单元24和第三半导体开关单元30。第三半导体开关单元30断开后，电容34通过二极管36放电，非线性电阻38吸收电容34上剩余的能量。
虽然结合特定的实施方式对本实用新型进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本实用新型可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于涵盖在本实用新型真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (10)

1.一种断路器，其特征在于：所述断路器包括超导限流器和断路模块，所述超导限流器和所述断路模块串联连接，所述断路模块包括切断器、第一半导体开关单元和第二半导体开关单元，所述切断器与所述第一半导体开关单元串联，且与所述超导限流器串联，所述第二半导体开关单元与串联的所述切断器和所述第一半导体开关单元并联。
2.如权利要求1所述的断路器，其特征在于：所述断路模块包括非线性电阻，所述非线性电阻和所述第二半导体开关单元并联。
3.如权利要求1所述的断路器，其特征在于：所述切断器和所述第一半导体开关单元常通，所述第二半导体开关单元常断。
4.如权利要求1至3中任一所述的断路器，其特征在于：所述断路模块包括LC谐振单元和与所述LC谐振单元串联的第三半导体开关单元，串联的所述LC谐振单元和所述第三半导体开关单元与所述第二半导体开关单元并联。
5.如权利要求4所述的断路器，其特征在于：所述断路模块包括若干二极管，所述二极管分别与所述第二半导体开关单元和所述第三半导体开关单元并联，且所述二极管的导通方向分别和与其并联的所述第二半导体开关单元和所述第三半导体开关单元的导通方向相反。
6.如权利要求5所述的断路器，其特征在于：所述断路模块包括非线性电阻，所述非线性电阻与所述LC谐振单元和所述第三半导体开关单元并联。
7.如权利要求4所述的断路器，其特征在于：所述第三半导体开关单元常断。
8.如权利要求4所述的断路器，其特征在于：所述切断器、所述第一半导体开关单元、所述第二半导体开关单元和所述第三半导体开关单元为可控器件。
9.如权利要求1所述的断路器，其特征在于：所述第一半导体开关单元和所述第二半导体开关单元分别包括至少一个半导体开关器件。
10.如权利要求1所述的断路器，其特征在于：所述超导限流器包括超导电阻、电阻和电感，电阻和电感串联，超导电阻与串联的电阻和电感并联。
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