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1、(10)申请公布号 CN 104113057 A (43)申请公布日 2014.10.22 CN 104113057 A (21)申请号 201410310512.8 (22)申请日 2014.07.01 H02J 1/00(2006.01) H02H 3/087(2006.01) H02H 3/06(2006.01) (71)申请人 西安交通大学 地址 710049 陕西省西安市咸宁西路 28 号 (72)发明人 王建华 王振兴 王浩然 耿英三 石晓光 刘志远 (74)专利代理机构 西安通大专利代理有限责任 公司 61200 代理人 陆万寿 (54) 发明名称 一种组合式直流开关设备及其控制。
2、方法 (57) 摘要 本发明公开了一种组合式直流开关设备， 包 括直流负荷开关、 控制器、 若干串联支路、 以及用 于采集经过所述组合式直流开关设备的电流的采 集电路， 各串联支路均包括熔断器及隔离开关， 各 串联支路内熔断器的输出端与隔离开关的一端 相连接， 输入接口与各串联支路内熔断器的输入 端相连接， 各串联支路内隔离开关的另一端均与 直流负荷开关的一端相连接， 直流负荷开关的另 一端与输出接口相连接， 采集电路的输出端与控 制器的输入端相连接， 控制器的输出端分别与各 串联支路内隔离开关的控制端及直流负荷开关的 控制端相连接， 本发明还提供了一种组合式直流 开关的控制方法。该设备及方法。
3、能够实现通过大 电流时的自动重合闸操作， 同时结构简单、 易于操 作， 并且成本低。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 104113057 A CN 104113057 A 1/1 页 2 1. 一种组合式直流开关设备， 其特征在于， 包括直流负荷开关 (1)、 控制器、 若干串联 支路、 以及用于采集经过所述组合式直流开关设备的电流的采集电路， 各串联支路均包括 熔断器(2)及隔离开关(3)， 各串联支路内熔断器(2)的输出端与隔。
4、离开关(3)的一端相连 接， 输入接口与各串联支路内熔断器(2)的输入端相连接， 各串联支路内隔离开关(3)的另 一端均与直流负荷开关(1)的一端相连接， 直流负荷开关(1)的另一端与输出接口相连接， 采集电路的输出端与控制器的输入端相连接， 控制器的输出端分别与各串联支路内隔离开 关 (3) 的控制端及直流负荷开关 (1) 的控制端相连接。 2.根据权利要求1所述的组合式直流开关设备， 其特征在于， 所述直流负荷开关(1)包 括真空开关 (4)、 触发开关 (6) 及放电电容器 (5)， 各串联支路内隔离开关 (3) 的另一端相 连接后分别与真空开关 (4) 的一端及放电电容器 (5) 的负。
5、极相连接， 放电电容器 (5) 的正 极与触发开关 (6) 的一端相连接， 触发开关 (6) 的另一端与真空开关 (4) 的另一端连接后 与输出接口相连接， 控制器的输出端分别与触发开关 (6) 的控制端及真空开关 (4) 的控制 端相连接。 3. 一种组合式直流开关的控制方法， 基于权利要求 1 所述的组合式直流开关设备， 其 特征在于， 包括以下步骤 ： 在工作过程中， 控制器控制任意一路串联支路上的隔离开关 (3) 闭合， 将该串联支路 记作工作支路， 并将其它串联支路记作备用支路， 同时控制器控制各备用支路上的隔离开 关 (3) 断开 ； 当组合式直流开关设备需要进行合闸操作时， 控制。
6、器产生合闸信号， 并将所述合闸信 号转发至直流负荷开关 (1) 的控制端， 直流负荷开关 (1) 根据所述合闸信号进行合闸操 作 ； 当所述组合式直流开关设备需要进行断开操作时， 控制器产生分闸信号， 并将所述分 闸信号转发至直流负荷开关 (1) 的控制端， 直流负荷开关 (1) 根据所述分闸信号使直流负 荷开关 (1) 断开， 熄灭直流电弧， 并承受弧后的恢复电压， 实现直流电路的分闸操作 ； 当经过所述组合式直流开关设备的电流大于预设阀值时， 由于电流的热效应， 工作支 路中熔断器 (2) 的熔丝自行快速熔断， 限制经过所述组合式直流开关设备的电流的增长， 并强迫所述电流下降， 当所述电流。
7、被工作支路中的熔断器 (2) 限制到预设最小电流后， 由 于工作支路中熔断器(2)存在拖尾电流， 控制器驱动直流负荷开关(1)打开， 同时驱动工作 支路中的隔离开关(3)打开， 并控制任意一路备用支路中的隔离开关(3)闭合， 使该备用支 路导通， 然后再驱动直流负荷开关 (1) 合闸， 完成自动更换熔断器 (2) 及重合闸的目的。 权 利 要 求 书 CN 104113057 A 2 1/4 页 3 一种组合式直流开关设备及其控制方法 技术领域 0001 本发明属于电力应用领域， 具体涉及一种组合式直流开关设备及其控制方法。 背景技术 0002 现有直流开断方式针对高压和低压两个领域采用的技术。
8、有所区别。 低压直流开断 主要采用自然式和强制式。高压直流开断方式主要采用 ： (1) 利用变换器的移相、 闭锁， 实 现开断 ； (2) 在直流上叠加交流， 产生电流过零， 实现开断 ； (3) 对直流先进行限流， 然后开 断小直流电流。 0003 在直流断路器中， 直流变换器是将固定的直流电压变换成可变的直流电压， 也称 为直流斩波， 因其受现有电力电子器件容量及成本问题约束， 在高压领域已经慢慢不被采 用。 0004 Christian M.Franck 在其文献中提到了高压直流断路器的基本配置必须满足三 个要求 ： 创造人工零点， 吸收系统电感能量和承受弧后电压。 这种直流断路器多采用。
9、在直流 上叠加交流的方法， 基本配置为断路器、 电容电感和避雷器。 通过改变配置中器件的类型如 断路器部分使用空气断路器或真空断路器， 就可以得到许多种直流断路器， 并且已经有一 些方案已经实现， 但是其最高应用电压等级被严重限制， 主要是考虑其开断时间过于缓慢。 0005 限流开断方法在直流开断中占据着越来越重的比例， 专利号为 201310198976.X 的发明专利提及一种包括超导限流器和氢气断路器的直流断路器， 利用限流开断解决了直 流开断的问题。但是因为超导材料价格昂贵， 且承受电流能力有限， 其失超恢复、 散热和维 护问题都亟待解决， 所以无法大规模的采用。 0006 除此之外， 。
10、国内外研究人员都在致力于研发新型直流断路器， 但也都有着不完善 之处。专利号为 201310061175.9 的发明专利提及了一种直流断路器及其实现方法， 包括并 联连接的断流回路、 换流回路和能量吸收回路， 其中断流回路包括串联连接的断流电感和 断流单元， 换流回路包括串联连接的换流电感、 换流单元和机械开关， 换流单元相比断流单 元具有更小的导通电阻。 断流回路通过采用功率半导体开关模块来切断电流， 动作时间快， 且无电弧产生。但是断流回路通过串联电力电子器件的方式达到预想开断能力， 其热容量 和成本都是难以解决的问题。电力电子器件和机械开关在切断直流过程中功能的来回切 换， 要求控制非常。
11、精细， 稍微不慎便会在开断过程中使电力电子器件发生永久损坏， 所以该 直流断路器的应用非常困难。 发明内容 0007 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点， 提供了一种组合式直流开关设备及 其控制方法， 该设备及其控制方法能够实现通过大电流时的自动重合闸操作， 同时结构简 单、 易于操作， 并且成本低。 0008 为达到上述目的， 本发明所述的组合式直流开关设备包括直流负荷开关、 控制器、 若干串联支路、 以及用于采集经过所述组合式直流开关设备的电流的采集电路， 各串联支 说 明 书 CN 104113057 A 3 2/4 页 4 路均包括熔断器及隔离开关， 各串联支路内熔断器的输出端与隔。
12、离开关的一端相连接， 输 入接口与各串联支路内熔断器的输入端相连接， 各串联支路内隔离开关的另一端均与直流 负荷开关的一端相连接， 直流负荷开关的另一端与输出接口相连接， 采集电路的输出端与 控制器的输入端相连接， 控制器的输出端分别与各串联支路内隔离开关的控制端及直流负 荷开关的控制端相连接。 0009 所述直流负荷开关包括真空开关、 触发开关及放电电容器， 各串联支路内隔离开 关的另一端相连接后分别与真空开关的一端及放电电容器的负极相连接， 放电电容器的正 极与触发开关的一端相连接， 触发开关的另一端与真空开关的另一端连接后与输出接口相 连接， 控制器的输出端分别与触发开关的控制端及真空开。
13、关的控制端相连接。 0010 本发明所述的组合式直流开关的控制方法包括以下步骤 ： 0011 在工作过程中， 控制器控制任意一路串联支路上的隔离开关闭合， 将该串联支路 记作工作支路， 并将其它串联支路记作备用支路， 同时控制器控制各备用支路上的隔离开 关断开 ； 0012 当组合式直流开关设备需要进行合闸操作时， 控制器产生合闸信号， 并将所述合 闸信号转发至直流负荷开关的控制端， 直流负荷开关根据所述合闸信号进行合闸操作 ； 0013 当所述组合式直流开关设备需要进行断开操作时， 控制器产生分闸信号， 并将所 述分闸信号转发至直流负荷开关的控制端， 直流负荷开关根据所述分闸信号使直流负荷开。
14、 关断开， 熄灭直流电弧， 并承受弧后的恢复电压， 实现直流电路的分闸操作 ； 0014 当经过所述组合式直流开关设备的电流大于预设阀值时， 由于电流的热效应， 工 作支路中熔断器的熔丝自行快速熔断， 限制经过所述组合式直流开关设备的电流的增长， 并强迫所述电流下降， 当所述电流被工作支路中的熔断器限制到预设最小电流后， 由于工 作支路中熔断器存在拖尾电流， 控制器驱动直流负荷开关打开， 同时驱动工作支路中的隔 离开关打开， 并控制任意一路备用支路中的隔离开关闭合， 使该备用支路导通， 然后再驱动 直流负荷开关合闸， 完成自动更换熔断器及重合闸的目的。 0015 本发明具有以下有益效果 ： 0。
15、016 本发明所述的组合式直流开关设备及其控制方法在实现通过大电流的情况下自 动重合闸操作的过程中， 投入一路串联支路， 然后将其他串联支路作为备用支路， 然后将投 入的该路串联支路记作工作支路， 当外部电路正常工作时， 通过控制器控制直流负荷开关 的合闸及断开， 当经所述组合式直流开关设备的电流过大时， 工作支路内的熔断器熔断， 从 而限制经过该工作支路中的电流， 当所述电流限制到预设最小电流时， 由于所述工作支路 中的熔断器存在拖尾电流， 控制器驱动直流负荷开关打开， 同时驱动工作支路中的隔离开 关打开， 并控制任意一路备用支路中的隔离开关闭合， 使该备用支路导通， 然后再驱动直流 负荷开。
16、关合闸， 从而实现通过大电流时的自动重合闸操作， 开断能力强、 结构简单， 可靠性 高， 成本低廉并能实现自动重合闸等优点， 能够极大的扩展直流开关设备的应用范围， 促进 直流电力系统的发展。 附图说明 0017 图 1 为本发明的电路图 ； 0018 图 2 为本发明中直流负荷开关 1 的电路图 ； 说 明 书 CN 104113057 A 4 3/4 页 5 0019 图 3 为本发明中实施例一的电路图。 0020 其中， 1 为直流负荷开关、 2 为熔断器、 3 为隔离开关、 4 为真空开关、 5 为放电电容 器、 6 为触发开关。 具体实施方式 0021 下面结合附图对本发明做进一步详。
17、细描述 ： 0022 参考图1及图2， 本发明所述的组合式直流开关设备包括直流负荷开关1、 控制器、 若干串联支路、 以及用于采集经过所述组合式直流开关设备的电流的采集电路， 各串联支 路均包括熔断器2及隔离开关3， 各串联支路内熔断器2的输出端与隔离开关3的一端相连 接， 输入接口与各串联支路内熔断器2的输入端相连接， 各串联支路内隔离开关3的另一端 均与直流负荷开关1的一端相连接， 直流负荷开关1的另一端与输出接口相连接， 采集电路 的输出端与控制器的输入端相连接， 控制器的输出端分别与各串联支路内隔离开关 3 的控 制端及直流负荷开关 1 的控制端相连接， 直流负荷开关 1 包括真空开关。
18、 4、 触发开关 6 及放 电电容器5， 各串联支路内隔离开关3的另一端相连接后分别与真空开关4的一端及放电电 容器 5 的负极相连接， 放电电容器 5 的正极与触发开关 6 的一端相连接， 触发开关 6 的另一 端与真空开关 4 的另一端连接后与输出接口相连接， 控制器的输出端分别与触发开关 6 的 控制端及真空开关 4 的控制端相连接。 0023 本发明所述的组合式直流开关的控制方法包括以下步骤 ： 0024 在工作过程中， 控制器控制任意一路串联支路上的隔离开关 3 闭合， 将该串联支 路记作工作支路， 并将其它串联支路记作备用支路， 同时控制器控制各备用支路上的隔离 开关 3 断开 ；。
19、 0025 当组合式直流开关设备需要进行合闸操作时， 控制器产生合闸信号， 并将所述合 闸信号转发至直流负荷开关 1 的控制端， 直流负荷开关 1 根据所述合闸信号进行合闸操 作 ； 0026 当所述组合式直流开关设备需要进行断开操作时， 控制器产生分闸信号， 并将所 述分闸信号转发至直流负荷开关 1 的控制端， 直流负荷开关 1 根据所述分闸信号使直流负 荷开关 1 断开， 熄灭直流电弧， 并承受弧后的恢复电压， 实现直流电路的分闸操作 ； 0027 当经过所述组合式直流开关设备的电流大于预设阀值时， 由于电流的热效应， 工 作支路中熔断器 2 的熔丝自行快速熔断， 限制经过所述组合式直流开。
20、关设备的电流的增 长， 并强迫所述电流下降， 当所述电流被工作支路中的熔断器 2 限制到预设最小电流后， 由 于工作支路中熔断器2存在拖尾电流， 控制器驱动直流负荷开关1打开， 同时驱动工作支路 中的隔离开关 3 打开， 并控制任意一路备用支路中的隔离开关 3 闭合， 使该备用支路导通， 然后再驱动直流负荷开关 1 合闸， 完成自动更换熔断器 2 及重合闸的目的。 0028 实施例一 0029 参考图 3， 所述组合式直流开关设备包括第一串联支路、 第二串联支路及直流负荷 开关 1， 工作时， 控制器控制第一串联支路中的隔离开关 3 闭合， 第二串联支路中的隔离开 关 3 断开， 可以实现经过。
21、所述组合式直流开关的电流较大时断开， 其中， 该组合式直流开关 设备结构中的直流负荷开关 1 可以是真空开关、 气体开关、 固体开关或其它任何形式开关。 第一串联支路中的熔断器 2 及第二串联支路中的熔断器 2 均为直流限流熔断器， 当经过所 说 明 书 CN 104113057 A 5 4/4 页 6 述组合式直流开关设备的电流较大时， 第一串联支路中的熔断器 2 及第二串联支路中的熔 断器 2 能够自行熔断， 限制直流电流增长并强迫其下降。 0030 当组合式直流开关设备需要进行合闸操作时， 控制器产生合闸信号， 并将所述合 闸信号转发至直流负荷开关 1 的控制端， 直流负荷开关 1 即可。
22、根据所述合闸信号进行合闸 操作， 从而使直流负荷开关 1 从分闸状态转变为稳定的合闸状态， 并保持合闸状态。在合闸 过程中， 其他器件均不参与操作， 由直流负荷开关 1 独立完成。 0031 当所述组合式直流开关设备需要进行断开操作时， 控制器产生分闸信号， 并将所 述分闸信号转发至直流负荷开关 1 的控制端， 直流负荷开关 1 即可根据所述分闸信号使直 流负荷开关 1 断开， 熄灭直流电弧， 并承受弧后恢复电压， 实现直流电路的分闸操作， 并分 闸状态， 其他器件不参与操作， 由直流负荷开关 1 独立完成。 0032 当组合式直流开关设备经过的电流较大时， 由于大电流的热效应， 通流线路中的。
23、 第一串联支路中熔断器 2 的熔丝自行熔断， 限制直流系统中电流的增长， 并强迫电流下降， 当大电流被第一串联支路中的第一熔断器 2 限制到预设最小电流后， 由于第一串联支路中 熔断器2存在拖尾电流， 控制器驱动直流负荷开关5打开， 同时驱动第一串联支路中的隔离 开关 3 打开， 并控制第二串联支路中的隔离开关 3 闭合， 切入第二串联支路， 然后再驱动直 流负荷开关 1 合闸， 完成短路和大过载电流情况下的自动重合闸功能。 0033 当通过本发明所述的组合式直流开关设备断开直流电流时， 控制器控制真空开关 4 打开， 由于真空开关 4 弧隙间直流电弧的存在， 电路此时并未被切断， 此时导通触发开关 6， 使得放电电容器 5 对真空开关 4 反向放电， 在真空开关 4 的触头弧隙间产生人工过零点， 熄灭直流电弧， 实现直流电路的分闸操作。 说 明 书 CN 104113057 A 6 1/1 页 7 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 104113057 A 7 。