混合断路器、混合断路系统及断路方法与流程

1.本发明涉及断路器领域，尤其涉及一种混合断路器。


背景技术：

2.现在，固体断路器(sscb，solid state circuit breaker)应用得越来越广泛。固体断路器是半导体器件组成的，其具有快速开断，触头寿命长以及高度智能化的有点，因此在低压保护领域具有高适用潜力。然而，在具有变换器的电源支路(source branch)中如果发生了大的故障电流，则有可能损坏变换器中的半导体器件整流二极管。
3.如图1所示的直流电力系统包括交流电源s1，其中，交流电源s2为并联的两个电源支路b1和b2供电，所述电源支路b1和b2分别具有一个交流直流转换器(ac/dc converter)。具体电源支路b1和b2还分别串联有一个保护装置pd1和pd2，其中，在保护装置pd1和pd2之下还具有第一并联支路、第二并联支路、第三并联支路和第四并联支路。其中第一并联支路具有一个保护装置pd
11
，第二并联之路具有一个保护装置pd
12
，第三并联支路具有一个保护装置pd
21
，第四并联之路具有一个保护装置pd
22
。在直流电力系统还包括一个电池源b3和一个光伏电源b4，其中电池源b3和光伏电源b4还分别串联有保护装置pd3和pd4。在保护装置pd3和pd4之下还具有第五并联支路、第六并联支路和第七并联支路。其中，第五并联支路串联有一个保护装置pd
31
，第六并联支路串联有一个保护装置pd
32
，第七并联支路串联有一个保护装置pd
41
。
4.如图1所示，当节点a、b、c、d、e发生故障时，故障电流流过有源前端(afe，active front
‑
end)变换器的储能二极管(free
‑
wheeling diode)，会有可能损坏变换器里的整流二极管。因此，为了在故障电流达到二极管的击穿电流以前切断电流，需要保护装置具有快速反应速度。然而，电电源支路的额定电流总是较大，因此如果应用固体断路器，则成本太高。
5.例如，当故障发生在节点a时假设故障电阻r
fault
＝0.00001ω，保护装置pd1为电子机械断路器(emcb，electronical mechanical circuit breaker)。如图2所示，横坐标为时间t，纵坐标cs是脉冲控制信号，纵坐标i
semiconductor
为电源支路b1的变换器中的半导体器件整流二极管中流过的电流，纵坐标i
capacitor
是该变换器的直线母线电压流过的电流，纵坐标i
sc
为保护装置pd1流过的电流，其中，保护装置pd1流过的电流即为i
semiconductor
和i
capacitor
之和。其中，脉冲控制信号cs是电源支路b1交流直流转换器(ac/dc converter)的控制信号，其按照一定频率在0和1之间跳动。如图2所示，在故障发生后，时间t＝200μs时，控制脉冲信号cs则完全关断。当时间t<880μs时，i
semiconductor
<5in＝3460a，在t＝1.3ms时i
semiconductor
达到电流峰值，电流峰值接近于122ka，则可能会损坏器件。其中，in为额定电流。在t＝40μs附近时，i
capacitor
>10ka，在t＝840μs附近i
capacitor
达到电流峰值，电流峰值接近150ka。显然，当应用电子机械断路器时，如果故障电流在1ms内并没有被打断，则有源前端有较大风险。也就是说，传统断路器速度太慢，还并未分段故障电流就已经足够大。
6.因此，不论是固体断路器还是电子机械断路器都不能在这种情况下应用于具有变
换器的电源支路或者有源电路。


技术实现要素：

7.本发明第一方面提供了一种混合断路器，其中，包括：一个半导体断路器，其连接于电源或电源支路的变换器的第一输出端和阻尼模块之间；一个第一机械断路器，其并联于所述半导体断路器；一个能量吸收器，其并联于所述半导体断路器；一个控制装置，其耦合于所述半导体断路器和所述第一机械断路器，当流过所述变换器的电流大于其安全电流时，所述控制装置控制所述第一机械断路器断开，并控制所述半导体断路器闭合。
8.进一步地，其还包括一个保护装置，所述保护装置的第一输入端连接于所述阻尼模块的另一端，所述保护装置的第二输入端耦合于所述变换器的第二输出端。
9.进一步地，所述所述变换器包括一个电容，所述电容连接于所述变换器的第二输出端和所述阻尼模块之间，其中，所述第一机械断路器和所述阻尼模块之间具有一个第一连接点，在所述第一连接点和所述电容之间还连接有一个第一电流传感器，其中，当所述第一电流传感器感应到所述电容的放电电流大于其阈值时，则判断所述流过所述变换器的电流大于其安全电流。
10.进一步地，其还包括一个断路器，其中，所述第一机械断路器和所述阻尼模块之间具有一个第一连接点，所述断路器连接于所述第一连接点和所述变换器的第二输出端之间，其中，在所述第一机械断路器和所述第一连接点之间还连接有一个第二电流传感器，其中，当所述第二电流传感器感应到的所述故障电流大于其阈值时则判断所述流过所述变换器的电流大于其安全电流。
11.进一步地，所述断路器包括以下任一项：第二机械断路器；二极管，其中所述二极管的正极耦合于所述电源或电源支路的第二输出端，所述二极管的负极连接于所述第一连接点；半导体整流电路。
12.本发明第二方面提供了一种断路方法，所述断路方法由本发明第一方面所述的混合断路器执行，其中，所述断路方法包括包括如下步骤：当流过所述变换器的电流大于其安全电流时，触发所述控制装置控制所述第一机械断路器断开，并控制所述半导体断路器闭合。
13.进一步地，所述所述变换器包括一个电容，所述电容连接于所述变换器的第二输出端和所述阻尼模块之间，其中，所述第一机械断路器和所述阻尼模块之间具有一个第一连接点，在所述第一连接点和所述电容之间还连接有一个第一电流传感器，其中，所述断路方法还包括如下步骤：当所述第一电流传感器感应到所述电容的放电电流大于其阈值时，则判断所述流过所述变换器的电流大于其安全电流。
14.进一步地，所述混合断路器还包括一个断路器，其中，所述第一机械断路器和所述阻尼模块之间具有一个第一连接点，所述断路器连接于所述第一连接点和所述变换器的第二输出端之间，其中，在所述第一机械断路器和所述第一连接点之间还连接有一个第二电流传感器，其中，所述断路方法还包括如下步骤：当所述第二电流传感器感应到的所述故障电流大于其阈值时则判断所述流过所述变换器的电流大于其安全电流。
15.本发明第三方面提供了一种混合断路系统，其中，所述断路系统包括本发明第一方面所述的混合断路器，所述混合断路系统包括：处理器；以及与所述处理器耦合的存储
耦合于所述半导体断路器ss5和所述第一机械断路器fs5，当流过所述变换器的电流大于其安全电流时，所述控制装置control5控制所述第一机械断路器fs5断开，并控制所述半导体断路器ss5闭合。其中，保护装置500还包括一个保护装置p5，其特别地为一个电子机械断路器。保护装置p5的第一输入端连接于阻尼模块dm5的另一端，其第二输入端耦合于电源s5的变换器的第二输出端b
12
。保护装置p5用于避免电源s5中的半导体器件产生漏电流。并且，在保护装置p5的输出端连接于负载。
27.在故障电流中断的应用场景下，其中一个主要的问题是如何保护固体断路器本身。也就是，当执行故障中断的操作被触发以后，储存在线路上能量需要释放，需要提供一个释放路径。其中，能量吸收器ac5用于提供了能量释放路径。
28.具体地，如图3所示，电源s5的变换器包括一个电容c5，所述电容c5连接于所述变换器的第二输出端b
12
和所述阻尼模块dm5之间，其中，所述第一机械断路器fs5和所述阻尼模块dm5之间具有一个第一连接点a1，在所述第一连接点a1和所述电容c5之间还连接有一个第一电流传感器cs5，其中，当所述第一电流传感器cs5感应到所述电容c5的放电电流大于其阈值时，则判断所述流过所述变换器的电流大于其安全电流，所述控制装置control5控制所述第一机械断路器fs5断开，并控制所述半导体断路器ss5闭合。
29.本实施例将电容c5的放电电流视为故障电流是否能够烧损变换器的二极管的预测电流。在正常情况下，第一机械断路器fs5闭合，半导体断路器ss5断开。所述第一机械断路器fs5和半导体断路器ss5的断开或者闭合主要基于流过直流侧电容的电流，即电容c5和所述变换器分别流过的电流之和。特别地，所述一电流传感器cs5为一个交流电感应器(ac sensor)。具体地，故障电流是从电源s5向故障处，也就是从电源s5的第一输出端b
11
向保护装置p5输出端的负载流，而电容c5的放电电流用于充当变换器的预测电流。一旦电容c5的放电电流大于其阈值，则意味着流过变换器的电流会在未来几毫秒(ms)内超过其安全阈值，因此，控制装置control5控制第一机械断路器fs5立刻断开，并且控制半导体断路器ss5立刻闭合，以将故障电流旁路(bypass)。即，将故障电流从本来的路径从电源s5向第一机械断路器fs5的方向导向从电源s5向半导体断路器ss5的方向。
30.其中，第一机械断路器fs5的最小断开时间为500μs。
31.在本实施例中，当变换器流过的电流处于正常，则第一机械断路器fs5闭合，一旦变换器流过的电流超过安全额定值，则第一机械断路器fs5断开。这更加容易设计，并且，本实施例并不需要其他隔离机械开关。其中，控制装置control5完全基于模拟电路(analog circuit)。
32.图4是根据本发明又一具体实施例的混合断路器的电路连接示意图。如图4所示，混合断路器用于一个具有半导体器件的电源s6的直流电里系统，其中，所述电源s6可选地为交流电源、电池源或者光伏电源等，所述半导体器件包括变换器中的整流二极管或者储能二极管。电源s6即为有源前端。和上述实施例不同，本实施例提供的混合断路器并未利用了电源s6的变换器中的电容器c5。具体地，图4的保护装置600包括一个半导体断路器ss6、一个第一机械断路器fs
61
、一个能量吸收器ac6、一个控制装置control6和第二机械断路器fs
62
。具体地，半导体断路器ss6连接于所述电源s6的变换器的第一输出端b
21
和阻尼模块(damping module)dm6之间，第一机械断路器fs
61
并联于所述半导体断路器ss6，能量吸收器ac6并联于所述半导体断路器ss6。控制装置control6耦合于所述半导体断路器ss6和第一机
械断路器fs
61
，当流过所述变换器的电流大于其安全电流时，所述控制装置control6控制所述第一机械断路器fs
61
断开，并控制所述半导体断路器ss6闭合。所述混合断路器还包括一个第二机械断路器fs
62
，其中，所述第一机械断路器fs
61
和所述阻尼模块dm6之间具有一个第一连接点a2，所述第二机械断路器fs
62
连接于所述第一连接点a2和所述变换器的第二输出端b
22
之间，其中，在所述第一机械断路器fs
61
和所述第一连接点a2之间还连接有一个第二电流传感器cs6，其中，当所述第二电流传感器cs6感应到的所述故障电流大于其阈值时则判断所述流过所述变换器的电流大于其安全电流。
33.保护装置600还包括一个保护装置p6，其特别地为一个电子机械断路器。保护装置p6的第一输入端连接于阻尼模块dm6的另一端，其第二输入端耦合于电源s6的变换器的第二输出端b
22
。保护装置p6用于避免电源s6中的半导体器件产生漏电流。并且，在保护装置p6的输出端连接于负载。
34.在故障电流中断的应用场景下，其中一个主要的问题是如何保护固体断路器本身。也就是，当执行故障中断的操作被触发以后，储存在线路上能量需要释放，需要提供一个释放路径。其中，能量吸收器ac6用于提供了能量释放路径。
35.其中，所述第一机械断路器fs
61
和所述半导体断路器ss6以及能量吸收器ac6平行，其利用源总线(source bus)序列化。第二机械断路器fs
62
连接于额外总线(plus bus)和负总线(minus bus)之间。
36.特别地，所述第二机械断路器fs
62
还可以由其他能够执行其功能的电路器件取代，例如，二极管，其中所述二极管反向连接，即所述二极管的正极耦合于所述电源或电源支路的第二输出端，所述二极管的负极连接于所述第一连接点。可选地，所述第二机械断路器fs
62
还可以被替代为半导体整流电路。其中，阻尼模块dm6具有一定的电感系数，并利用源总线序列化。
37.具体地，在正常情况下，第一机械断路器fs
61
闭合，并控制所述半导体断路器ss5断开，并且第二机械断路器fs
62
断开。当故障电流超过安全值，控制装置control6基于控制算法来确定放电电流。具体地，当故障电流超过其阈值，则控制装置control6控制第二机械断路器fs
62
闭合，其中，所述控制装置control6控制第二机械断路器fs
62
在500us内闭合。当电流回落到第一机械断路器fs
61
断开就可以打断的数值范围内，则整个系统可以通过第一机械断路器fs
61
来切断，其中，所述控制装置control6控制第一机械断路器fs
61
在1ms内闭合。此外，与之平行的所述半导体断路器ss5以及能量吸收器ac6在闭合和断开状态切换以完成整流(correct current commutation)。
38.图5是根据本发明另一具体实施例的混合断路器的电路连接示意图。如图5所示，混合断路器用于一个具有半导体器件的电源s6的直流电里系统，其中，所述电源s7可选地为交流电源、电池源或者光伏电源等，所述半导体器件包括变换器中的整流二极管或者储能二极管。电源s7即为有源前端。和上述实施例不同，本实施例提供的混合断路器利用了电子机械断路器es。具体地，图5的保护装置700包括一个电子机械断路器es、一个机械断路器fs7、一个控制装置control7、激励电路pc和第二电容c
72
。保护装置700还包括一个保护装置p7，其特别地为一个电子机械断路器。保护装置p7用于避免电源s7中的半导体器件产生漏电流。并且，在保护装置p7的输出端连接于负载。其中，第一电容c
71
为电源s7中变换器的电容，其并联于电源s7。
39.具体地，电子机械断路器es连接于电源s7的第一输出端b
31
，所述电子机械断路器es的另一端连接于电流传感器cs7。在电源s7的第一输出端b
31
和第二输出端b
32
之间具有一并联支路，并联支路由串联的机械断路器fs7和第二电容c
72
组成。并且，控制装置control7分别耦合于电子机械断路器es和机械断路器fs7，所述控制装置control7由电流传感器cs7的信号驱动。
40.在故障电流中断的应用场景下，其中一个主要的问题是如何保护固体断路器本身。也就是，当执行故障中断的操作被触发以后，储存在线路上能量需要释放，需要提供一个释放路径。其中，能量吸收器ac7用于提供了能量释放路径。
41.其中，机械断路器fs7的闭合时间在500μs。第二电容c
72
的参数能够根据实际情况来调整，激励电路pc设计为调整其最初电压。控制装置control7根据确定变换器的第一电容c
71
的放电电流达到第一阈值来快速机械开关，并且根据第二阈值来打断整个系统。
42.本发明第二方面提供了一种断路方法，所述断路方法由本发明第一方面所述的混合断路器执行，其中，所述断路方法包括包括如下步骤：当流过所述变换器的电流大于其安全电流时，触发所述控制装置控制所述第一机械断路器断开，并控制所述半导体断路器闭合。
43.进一步地，所述所述变换器包括一个电容，所述电容连接于所述变换器的第二输出端和所述阻尼模块之间，其中，所述第一机械断路器和所述阻尼模块之间具有一个第一连接点，在所述第一连接点和所述电容之间还连接有一个第一电流传感器，其中，所述断路方法还包括如下步骤：当所述第一电流传感器感应到所述电容的放电电流大于其阈值时，则判断所述流过所述变换器的电流大于其安全电流。
44.进一步地，所述混合断路器还包括一个断路器，其中，所述第一机械断路器和所述阻尼模块之间具有一个第一连接点，所述断路器连接于所述第一连接点和所述变换器的第二输出端之间，其中，在所述第一机械断路器和所述第一连接点之间还连接有一个第二电流传感器，其中，所述断路方法还包括如下步骤：当所述第二电流传感器感应到的所述故障电流大于其阈值时则判断所述流过所述变换器的电流大于其安全电流。
45.本发明第三方面提供了一种混合断路系统，其中，所述断路系统包括本发明第一方面所述的混合断路器，所述混合断路系统包括：处理器；以及与所述处理器耦合的存储器，所述存储器具有存储于其中的指令，所述指令在被处理器执行时使所述电子设备执行动作，所述动作包括：当流过所述变换器的电流大于其安全电流时，触发所述控制装置控制所述第一机械断路器断开，并控制所述半导体断路器闭合。
46.进一步地，所述变换器包括一个电容，所述电容连接于所述变换器的第二输出端和所述阻尼模块之间，其中，所述第一机械断路器和所述阻尼模块之间具有一个第一连接点，在所述第一连接点和所述电容之间还连接有一个第一电流传感器，其中，所述动作还包括：当所述第一电流传感器感应到所述电容的放电电流大于其阈值时，则判断所述流过所述变换器的电流大于其安全电流。
47.进一步地，所述混合断路器还包括一个断路器，其中，所述第一机械断路器和所述阻尼模块之间具有一个第一连接点，所述断路器连接于所述第一连接点和所述变换器的第二输出端之间，其中，在所述第一机械断路器和所述第一连接点之间还连接有一个第二电流传感器，其中，所述动作还包括：当所述第二电流传感器感应到的所述故障电流大于其阈
值时则判断所述流过所述变换器的电流大于其安全电流。
48.本发明提供的混合断路器，故障电流能够在其到达安全阈值之前被打断，并且本发明提供的混合断路器和固体断路器相比造价更低。
49.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。此外，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求；“包括”一词不排除其它权利要求或说明书中未列出的装置或步骤；“第一”、“第二”等词语仅用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。