一種隔離注入式電流轉移電路的製作方法

2024-02-11 11:30:15

本公開屬於電子電路領域，特別涉及一種隔離注入式電流轉移電路。

背景技術：

直流斷路器是直流供電系統安全運行的保證，因為直流電流中沒有自然過零點，採用直接開斷的方式將受到很大的制約，解決這一問題的有效思路是基於電流轉移創造電流過零點的新型開斷方式。電流轉移的方式可以分為自然電流轉移和強制電流轉移兩種方式。其中自然電流轉移方式的效果受到元件參數、元件配合、工作條件等多種因素的影響，工程實際應用有諸多限制。與之相比，強制電流轉移的方式有更高的工程應用價值。典型基於強制電流轉移方式使用串、並聯在轉移電流電路中的預充電電容，利用其放電產生的反向脈衝電流來抵制短路電流，進而在機械斷口中創造過零點，此外，隨著電流向電容中注入，電容電壓逐漸上升，不斷上升的電壓最終能夠抵制系統電壓，實現直流開斷。這種強制電流轉移方式在直流斷路器中得到了較為廣泛的應用。

技術實現要素：

基於此，本公開揭示了一種磁耦合換流式轉移電路，所述電路包括主電流電路、轉移電流電路和接入埠；

所述主電流電路用於連續承載電流或者臨時導通電流；

所述轉移電流電路用於承受從主電流電路轉移過來的電流；

所述接入埠用於和外部系統相連接。

本公開的有益效果：1、能夠實現電容充電單元與直流系統的隔離，顯著減小充電單元的電壓等級與體積，提高開斷的可靠性；

2、在轉移電流電路互感器的原邊側使用功率半導體器件或觸發間隙組成橋式電路，可以實現雙向電流轉移，橋式電路的耐壓和成本低；

3、本電容電流轉移方法電路簡單、部件少，反應時間短，提高了應用該方案的斷路器的靈敏性和可靠性。

附圖說明

圖1是根據本公開一個實施例的雙向的電容電流轉移電路的結構示意圖；

圖2是根據本公開一個實施例的雙向的電容電流轉移電路的單向工作時的結構示意圖；

圖3是根據本公開一個實施例的雙向的電容電流轉移電路的另一種單向工作時的結構示意圖；

圖4是根據本公開一個實施例的雙向的電容電流轉移電路電流標誌示意圖；

圖5(a)是根據本公開一個實施例的磁耦合換流式轉移電路的轉移電流時主電流電路的電流流向示意圖；

圖5(b)是根據本公開一個實施例的磁耦合換流式轉移電路的轉移電流時主電流電路和轉移電流電路的電流流向示意圖；

圖5(c)是根據本公開一個實施例的磁耦合換流式轉移電路的轉移電流時轉移電流電路的電流流向示意圖；

圖6是根據本公開一個實施例的雙向的電容電流轉移電路對應於圖5的轉移電流時各電路中電流變化曲線圖；

圖7是根據本公開一個實施例的雙向的電容電流轉移電路圖；

圖8是根據本公開另一個實施例的雙向的電容電流轉移電路圖；

圖9是根據本公開一個實施例圖8優化後的雙向分斷的混合式斷路器的分斷方法的步驟示意圖。

具體實施方式

以下詳細描述實際上僅是示例性的而並不意欲限制應用和使用。此外，並不意欲受以上技術領域、背景、簡要概述或以下詳細描述中呈現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」及其不同的變型應被理解為隱含包括所述的部件但不排除任意其他部件。

在一個實施例中，本公開揭示了一種隔離注入式電流轉移電路，所述電路包括主電流電路、轉移電流電路和接入埠；

所述主電流電路用於連續承載電流或者臨時導通電流；

所述轉移電流電路用於承受從主電流電路轉移過來的電流；

所述接入埠用於和外部系統相連接。

本實施例提供了一種隔離注入式電流轉移電路，通過在轉移支路中串聯互感器，控制與直流系統隔離的互感器原邊側電容放電，使其產生脈衝電流，同時與直流系統連接的互感器副邊側感應出脈衝電流來抵制主電流電路電流，使電流從主電流電路向包含電容器的轉移電路轉移，

在一個實施例中，所述主電流電路由第一機械開關、第一電力電子器件以及第一限流器中的一個或多個串聯或者並聯組成。

在本實施例中，所述主電流電路可以連續承載或臨時導通電流，主電流電路包含機械開關、電力電子器件、限流器、導線中的一個或多個串並聯組合的A1，主電流電路作為本專利轉移電路中的被轉移部分，其兩端引出作為本專利對外部系統的接入埠。

在一個實施例中，所述轉移電流電路包括：第一電路和第二電路；

所述第一電路包括：副邊電感器L1，第一電容器，由第二電容器、第二機械開關、第二電力電子器件、第二限流器、避雷器中的一個或多個串並聯組合的第四電路A2；

所述副邊電感器L1、第一電容器和第四電路A2相串聯；

所述第二電路包括：由預充電電容或超導電感組成的第三電路A3、晶閘管B1至B4和原邊電感器L0；

所述晶閘管B1至B4包括功率半導體器件或者觸發間隙；

所述晶閘管B1至B4相串聯組成迴路後與原邊電感器L0相串聯；

所述晶閘管B1至B4和第三電路A3組成橋式電路；

所述原邊電感器和副邊電感器組成互感器。

在本實施例中，所述轉移電流電路具有承受從主電流電路所轉移電流的能力，包含由副邊電感器L1、第一電容器，此外還可以包含由第二電容器、機械開關、電力電子器件、限流器、避雷器、導線中的一個或多個串並聯組合的第四電路A2，副邊電感器L1、C與第四電路A2串聯組成的第一電路；由預充電電容或超導電感組成的第三電路A3，功率半導體器件或觸發間隙組成的B1至B4和原邊電感器L0串聯組成的第二電路，所述原邊電感器和副邊電感器組成互感器，所述第一電路與主電流電路並聯，所述第二電路與第一電路可以絕緣，也可以不絕緣。

根據電流方向不同，為實現轉移雙向電流，在轉移電流電路互感器的原邊側使用功率半導體器件或觸發間隙組成橋式電路。

電流轉移之前，電流從所述主電流電路中A1中流過；此時，所述轉移電流電路中電力電子器件、觸發開關器件和晶閘管B1至B4處於關斷狀態，所述轉移電流電路中第一電路和第二電路均沒有電流流過。

在一個實施例中，所述第一電路與主電流電路並聯，所述第二電路與第一電路之間選擇絕緣或者不絕緣。

更優的，所述原邊電感器L0和副邊電感器L1為空心電感器或含磁芯的電感器，由一個或多個電感串聯或並聯組成。

更優的，所述第一機械開關和第二機械開關包括基於彈簧機構的普通機械開關、基於電磁斥力的高速機械開關、基於高速電機驅動的機械開關或基於爆炸驅動的高速機械開關中的一種；

更優的，所述第一限流器和第二限流器包括超導故障限流器SFCL、液態金屬限流器LMFCL、PTC限流器中的一種。

更優的，所述功率半導體器件包括電力二極體、晶閘管、IGBT、IGCT中的一個或多個串並聯組合。

在一個實施例中，正常工作狀態下，電流從所述主電流電路中流過，此時，所述轉移電流電路中的第二電力電子器件、第二機械開關和晶閘管B1至B4均處於關斷狀態，所述轉移電流電路中沒有電流流過；

當所述隔離注入式電流轉移電路需要其轉移電流時，通過測量所述主電流電路的電流幅值和變化率，確定所述轉移電流電路中功率半導體器件或觸發間隙以及主電流電路中的第一機械開關、第一功率半導體器件是否動作以及相應的動作時序。

在一個實施例中，所述使用方法包括以下步驟：

S1、根據主電流電路的電流幅值和變化率或者根據接收到的外部轉移指令，向主電流電路中的機械開關發出分閘信號；

S2、根據電流的流動方向，進而導通晶閘管B1至B4中的兩個晶閘管，與第三電路A3和原邊電感器L0組成放電迴路；同時，副邊電感器L1兩端感應出電流，主電流電路中的電流逐漸向第一電路轉移；

S3、當主電路電流中的電流完全被轉移後，轉移電流電路中的電容器充電完成，整個轉移過程完成。

對本實施例對轉移方法進行擴展，可以實現多種工程應用功能，如直流斷路器、交流快速斷路器、交、直流限流器。本公開一方面可以實現電容充電單元與直流系統的隔離，顯著減小充電單元的電壓等級與體積，提高開斷的可靠性；另一方面，在轉移電流電路互感器的原邊側使用功率半導體器件或觸發間隙組成橋式電路，可以實現雙向電流轉移，橋式電路的耐壓和成本低；本公開的電流轉移方法電路簡單、部件少，反應時間短，提高了實際應用的靈敏性和可靠性。

在一個實施例中，描述了一種隔離注入式電流轉移電路及其使用方法，如圖1所示的隔離注入式電流轉移電路結構示意圖，其包括主電流電路以及轉移電流電路。為了更好的說明轉移電路工作過程，本文給出了直流電流按照某一方向流入流出本公開的方向示意圖，如圖2所示。圖2中可能存在的功率半導體器件的電流方向與圖中A1、A2、B2和B3的箭頭方向一致。圖3給出了直流電流按照另一方向流入流出本公開的示意圖。

參見圖1、2、3公開的隔離注入式電流轉移電路，隔離注入式電流轉移電路包括主電流電路、轉移電流電路以及與外部系統相連接的端部，所述主電流電路和轉移電流電路並聯。

所述主電流電路可以為機械開關、電力電子器件、限流器、避雷器以及普通導體中的一個或多個串並聯組合。

所述轉移電流電路包括由副邊電感器L1、電容器C和普通導體、電容器、機械開關、電子電子器件、限流器、避雷器中的一個或多個串並聯組合的第四電路A2，副邊電感器L1、電容器C與第四電路A2串聯組成的第一電路。由預充電電容或超導電感組成的第三電路A3，功率半導體器件或觸發間隙組成的晶閘管B1至B4和原邊電感器L0串聯組成的第二電路，所述原邊電感器和副邊電感器組成互感器，所述第一電路與主電流電路並聯，所述第二電路與第一電路可以絕緣。

根據電流方向不同，為實現雙向電流轉移，在轉移電流電路互感器的原邊側使用功率半導體器件或觸發間隙組成橋式電路。

正常工作狀態下，電流從所述主電流電路中A1中流過；此時，所述轉移電流電路中電力電子器件、觸發開關器件和晶閘管B1至B4處於關斷狀態，所述轉移電流電路中第一電路和第二電路均沒有電流流過。

當所述雙向的電容電流轉移電路應用於直流斷路器，並需要其轉移電流時，通過測量所述主電流電路的電流幅值和變化率確定所述轉移電流電路中功率半導體器件或觸發間隙以及主電流電路中的機械開關、功率半導體器件是否動作以及相應的動作時序。

其中，所述機械開關可為基於彈簧機構的普通機械開關、基於電磁斥力的高速機械開關、基於高速電機驅動的機械開關或基於爆炸驅動的高速機械開關；所述限流器包括但不限於超導故障限流器SFCL、液態金屬限流器LMFCL、PTC限流器；所述功率半導體器件包括但不限於電力二極體、晶閘管、IGBT、IGCT中的一個或任意多個串聯或並聯組合。

其中，組成互感器的原邊電感器和副邊電感器為空心電感或含磁芯的電感器，原邊和副邊可以採用一個或者多個電感串聯或者並聯。所述轉移電流第二電路由功率電力電子器件或觸發間隙組成的B1至B4組成橋式電路。

圖4給出了轉移電流電路各支路電流標誌，其中i0為轉移電流第二電路中流經A3和電感器原邊L0上的電流，i1為流經主電流電路的電流，i2為轉移電流第一電路中流經A2、電容器C與電感器副邊L1的電流。

在主電流電路中，以電流從左向右流動為例，圖5(a)-5(c)給出了轉移電流時各支路電流方向，具體的為對應從t1到t5各時刻的各支路電流方向。圖6給出了各支路的電流變化曲線。

在一個實施例中，參見圖9，使用所述的隔離注入式電流使用方法包括以下步驟。

第一步驟S1中，向主電流迴路機械開關A1發出分閘信號。由於機械開關動作有延時，此時尚未形成斷口。

第二步驟S2中，根據電流流動方向，控制器向所述轉移電路第二電路中呈橋式的晶閘管B2至B4其中兩個發送導通信號。第三電路A3與原邊電感器L0形成放電迴路。同時，在轉移電流第一電路的副邊電感器L1中感應出電流。主電流迴路電流逐漸向轉移電流第一電路轉移。一段時間後，全部電流轉移至轉移電流第一電路。隨後機械開關觸頭間形成斷口。

第三步驟S3中，電流轉移完畢後，系統給轉移支路電容器充電，整個轉移過程完成。

在一個實施例中，參見圖9，利用隔離注入式電流轉移電路所構成的直流斷路器的具體的操作步驟包括以下幾個方面，電流以主電流電路左進右出為例：

系統正常運行，機械開關閉合，晶閘管斷開，電流全部從主電流電路中的機械開關流過，如圖5(a)所示，其中系統額定電流為I。

t1時刻，系統發生短路故障，主電流電路電流開始上升，在t0和t1間，當超過系統短路閾值時，控制器向主電流迴路機械開關A1發出分閘信號。由於機械開關動作有延時，此時尚未形成斷口。

t2時刻，導通晶閘管B2，B3，預充電的電容器A3與互感器原邊側L0形成放電迴路。同時在轉移電流電路第一電路的互感器副邊側L1中感應出電流I2。主迴路電流逐漸向轉移電流電路第一電路中轉移，如圖5(b)所示。系統向轉移電流電路中電容器A2充電。

t3時刻，主迴路電流全部轉移到轉移電流電路第一電路，如圖5(c)所示。隨後機械開關觸頭兩端形成斷口。

t4時刻，系統對轉移電流電路電容器A2充電至A2電壓與系統電壓相當，轉移電流電路電流為零，開斷結束。

t5時刻，轉移電流電路第二電路電流為零。

本公開中所述的轉移電流電路中並不要求只包含一個互感器，可以為多個互感器及其原邊側電路的串聯或並聯組合，如圖7、圖8所示。

本公開揭示了一種隔離注入式電流轉移電路，包括主電流電路以及轉移電流電路。轉移電流電路包含一種互感器，使用該轉移電流電路可以完成快速電流轉移，並實現電容充電側與直流系統的隔離。可以顯著減小充電單元的電壓等級與體積，提高轉移的可靠性。

儘管以上結合附圖對本公開的實施方案進行了描述，但本公開並不局限於上述的具體實施方案和應用領域，上述的具體實施方案僅僅是示意性的、指導性的，而不是限制性的。本領域的普通技術人員在本說明書的啟示下和在不脫離本公開權利要求所保護的範圍的情況下，還可以做出很多種的形式，這些均屬於本公開保護之列。