混合断路器的制作方法 专利技术说明

发电;变电;配电装置的制造技术混合断路器1.相关申请的交叉引用2.本发明在由能源部授予的合同号de-ac02-06ch11357下在政府支持下进行。政府在本发明中拥有某些权利。背景技术：3.本公开的领域涉及断路器，更具体地涉及包括故障电流限制器的混合断路器。技术领域4.断路器是在电路路径中实现以在故障期间保护分支电路上的下游负载的设备。在下游负载处的故障情况期间，断路器被设计为跳闸断开由断路器馈送的分支并且使其断电。然而，使分支断电还可能使分支上的其他负载断电，这尤其在直流(dc)配电系统中不合需要。5.因此，期望改善断路器的操作和性能，更具体地，改善dc配电系统中使用的断路器的操作和性能。技术实现要素：6.在一个方面，提供了一种用于在故障期间对源与负载之间的故障电流进行电流限制的混合电路保护设备。该混合电路保护设备包括输入，被配置为耦合到源；输出，被配置为耦合到负载；回路，被配置为将源耦合到负载；主开关，被配置为选择性地将输入耦合到输出；开关网络，与主开关并联耦合；以及控制器。控制器被配置为响应于故障电流而确定主开关已经被断开，其中故障电流具有初始值；并且激活开关网络，以在故障期间对故障电流进行电流限制以使其小于初始值。7.在另一方面，提供了一种可由混合电路保护设备操作用于在故障期间对耦合到混合电路保护设备的输入的源与耦合到混合电路保护设备的输出的负载之间的故障电流进行电流限制的方法。该方法包括：确定通过主开关的故障电流的初始值是否大于阈值，其中主开关选择性地将输入与输出耦合；并且响应于确定故障电流的初始值大于阈值，断开主开关；并且激活与主开关并联耦合的开关网络，以在故障期间对故障电流进行电流限制以使其小于初始值。8.在另一方面，提供了一种用于在故障期间对源与负载之间的故障电流进行电流限制的混合电路保护设备。混合电路保护设备包括第一输入端子和第二输入端子，被配置为耦合到源；第一输出端子和第二输出端子，被配置为耦合到负载；主开关，被配置为选择性地将第一输入端子与第一输出端子耦合；以及开关网络。开关网络包括与电感器串联的固态开关，与电感器串联的固态开关将第一输入端子与第一输出端子耦合。开关网络还包括形成从固态开关与电感器之间的结点到第二输入端子和第二输出端子的选择性导电路径的设备。混合电路保护设备还包括控制器，该控制器被配置为响应于故障电流确定主开关已经被断开，其中故障电流具有初始值；并且在故障期间修改固态开关的占空比以对故障电流进行电流限制以使其小于初始值。附图说明9.当参考附图阅读以下具体实施方式时，本公开的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解，在所有附图中，相同的字符表示相同的部分，其中10.图1描绘了示例实施例中的混合电路保护设备。11.图2描绘了示例实施例中的另一混合电路保护设备。12.图3描绘了示例实施例中的混合配电系统。13.图4a、图4b和图4c描绘了故障期间的图3的配电系统中的模拟电流波形和电压波形。14.图5描绘了示例实施例中的另一混合配电系统。15.图6a和图6b描绘了故障期间的图5的配电系统中的模拟电流波形。16.图7描绘了示例实施例中的另一混合配电系统。17.图8描绘了故障期间的图7的配电系统中的模拟电压波形。18.图9描绘了示例实施例中的另一混合配电系统。19.图10是示例性实施例中用于在故障期间对源与负载之间的故障电流进行电流限制的方法的流程图。20.除非另外指示，否则本文中所提供的附图旨在说明本公开的实施例的特征。这些特征被认为可应用于包括本公开的一个或多个实施例在内的广泛多种系统中。因此，附图并不意味着包括本领域普通技术人员已知的用于实践本文中所公开的实施例所需的所有常规特征。具体实施方式21.在以下说明书和权利要求书中，参考若干个术语，这些术语应被定义为具有以下含义。22.除非上下文另有明确说明，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代。[0023]“可选的”或“可选地”是指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，并且该描述包括事件发生的情况和事件不发生的情况。[0024]在整个说明书和权利要求书中使用的近似语言可以用于修饰任何可准许变化而不导致与其有关的基本功能改变的定量表示。因此，由一个或多个术语(诸如“约”、“大约”和“基本上”)修饰的值不限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量该值的仪器的精度。在本文和整个说明书和权利要求书中，可以组合和/或互换范围限制，除非上下文或语言另有说明，否则这样的范围被标识并且包括其中包含的所有子范围。[0025]如本文中所使用的，术语“处理器”和“计算机”以及相关术语(例如，“处理设备”、“计算设备”和“控制器”)不仅限于此项技术中被称为计算机的那些集成电路，而是广泛地是指微控制器、微型计算机、模拟计算机、可编程逻辑控制器(plc)、专用集成电路(asic)和其他可编程电路，并且这些术语在本文中可互换地使用。在本文中所描述的实施例中，“存储器”可以包括但不限于诸如随机存取存储器(ram)之类的计算机可读介质、诸如闪存之类的计算机可读非易失性介质。可替代地，还可以使用软盘、压缩盘-只读存储器(cd-rom)、磁光盘(mod)和/或数字多功能盘(dvd)。此外，在本文中所描述的实施例中，附加输入通道可以是但不限于与诸如触摸屏、鼠标和键盘之类的操作员接口相关联的计算机外围设备。可替代地，还可以使用其他计算机外围设备，这些计算机外围设备可以包括例如但不限于扫描仪。更进一步地，在示例实施例中，附加输出通道可以包括但不限于操作员接口监视器或平视显示器。一些实施例涉及使用一个或多个电子或计算设备。这些设备通常包括处理器、处理设备或控制器，诸如通用中央处理单元(cpu)、图形处理单元(gpu)、微控制器、精简指令集计算机(risc)处理器、asic、可编程逻辑控制器(plc)、现场可编程门阵列(fpga)、数字信号处理(dsp)设备和/或能够执行本文中所描述的功能的任何其他电路或处理设备。本文中所描述的方法可以被编码为包含在计算机可读介质中的可执行指令，这些计算机可读介质包括但不限于存储设备和/或存储器设备。当由处理设备执行时，这样的指令使得处理设备执行本文中所描述的方法的至少一部分。以上示例不旨在以任何方式限制术语处理器和处理设备的定义和/或含义。[0026]可再生能量源和能量存储在配电系统中变得越来越普遍。由于可再生能量源和能量存储器通常是直流(dc)，它们集成到dc配电中比集成在交流(ac)配电中更有效、更可靠和更便宜。因此，传统的纯ac配电系统可能演变成混合ac和dc配电系统。在传统的ac配电保护方案中，重合闸或断路器安装在变电站或保险丝处，并且保险丝安装在每个保险丝的支线处。保险丝重合闸或断路器对临时故障做出反应以断开和保护下游熔断器。保险丝重合闸或断路器在永久故障时不能重合，并且靠近故障的下游熔断器熔化。因此，由于断开了保险丝重合闸或断路器，所以支线处的客户可能经历暂时的电力损失。这种节省保险丝的保护设计是低损耗、低成本的，并且适合于传统ac配电馈线的发生率高的临时故障。[0027]随着可再生能量源和能量存储集成到配电系统中，配电系统的一部分可以变成dc配电系统，以便容易和有效地集成。接口转换器可以用于集成配电系统的ac部分和dc部分。dc配电系统的保护方案可以考虑配电保护的低损耗、低成本和高临时故障发生率。ac故障电流和dc故障电流具有不同的特征，包括不同的时间常数。在混合ac和dc配电中，ac保护与dc保护之间的保护协调也可以考虑ac子系统和dc子系统中的不同故障电流时间常数和保护设备进行设计。[0028]在本文中所描述的实施例中，公开了满足ac配电系统与dc配电系统之间的保护速度和协调约束的混合电路保护设备。进一步地，由于传统的配电保护在支线临时故障时并不具有选择性，所以本文中所公开的混合电路保护设备提供选择性。在这点上，减少了配电的停机时间，并且提高了系统可靠性。[0029]更具体地，未决申请公开了包括故障电流限制能力的混合电路保护设备。在正常操作期间，电流流过主断路器或主开关(例如，机械断路器或低损耗固态断路器)，并且受保护系统以高效率操作。在故障期间，与主断路器并联的开关网络被操作以对到下游负载的故障电流进行电流限制。故障电流经过电流限制，从而防止由于高故障电流对受保护装备和设备造成的损坏。同时，至少一个降低的额定功率被供应给下游负载。传统的低成本配电保护的保险丝节省原理仍然适用，并且因为在故障电流限制操作状态期间负载仍然可以在降低的功率或全额定功率下操作，所以系统可靠性得到改善。[0030]图1描绘了示例实施例中的混合电路保护设备100。在该实施例中，保护设备100将一个或多个dc负载102耦合到dc源104，并且在dc源104与dc负载102之间提供保护和故障电流限制能力。在该实施例中，保护设备100包括控制保护设备100的操作的控制器106、主开关108(还被称为主断路器)、辅助开关110、二极管112、电感器114和一个或多个传感器116。保护设备100还包括耦合到dc源104的输入端子118、119和耦合到dc负载102的输出端子120、121。尽管在其他实施例中，输入端子119和输出端子121可以彼此电隔离，但是输入端子119和输出端子121被描绘为共享公共电路路径。在该实施例中，辅助开关110、二极管112和电感器114形成与主开关108并联耦合的开关网络132。[0031]在正常操作期间，主开关108被闭合，并且在dc源104与dc负载102之间提供低损耗电流路径。辅助开关110在正常操作期间断开，导致开关网络132被停用。如果检测到故障(例如，如果传感器116检测到dc源104与dc负载102之间的故障电流大于阈值)，则主开关108(例如，通过控制器106或通过主开关108本身独立)被断开。在一些实施例中，主开关108是机械断路器，并且可选的固态断路器122与主开关108串联以减少通常与主开关108的机械版本相关联的关断时间。然后，控制器106通过在开关时段内操作辅助开关110接通和断开来激活开关网络132，以对从dc源104到dc负载102的故障电流进行电流限制以使其等于小于故障电流初始值的值。例如，如果主开关108的跳闸电流值是150安培并且初始故障电流值是550安培，则主开关108跳闸断开。开关网络132操作以对故障电流进行电流限制以使其等于小于550安培的值，例如，250安培，这允许dc负载102继续由dc源104供电。依据dc负载102的功率要求，dc负载102可以在故障期间继续正常操作。例如，dc负载102可以包括dc/dc转换器或dc/ac转换器，即使在故障期间dc/dc转换器或dc/ac转换器处的输入电压被降低，该dc/dc转换器或dc/ac转换器也可以继续正常操作。[0032]当辅助开关110在由控制器106设置的开关时段期间接通时，dc源104通过辅助开关110和电感器114串联电耦合到dc负载102。当辅助开关110在开关时段期间关断时，到dc负载102的电流由二极管112和电感器114传导。通常，辅助开关110、二极管112和电感器114形成降压调节器，该降压调节器由控制器106操作以对供应给dc负载102的故障电流进行电流限制。在一些实施例中，控制器106使用脉宽调制(pwm)控制方案来对供应给dc负载102的故障电流进行电流限制。在一些实施例中，保护设备100包括用于在维护期间电隔离保护设备100的机械切断器124。通常，保护设备100在故障状态期间提供从dc源104到dc负载102的连续受限电流，从而即使在存在故障时也能够在dc负载102处实现受限功能。例如，依据由保护设备100供应的受限故障电流和由dc负载102使用的电功率，dc负载102可以在故障被标识和清除或隔离时继续正常操作，从而使故障期间对dc负载102的破坏最小。在一些实施例中，保护设备100包括向保护设备100提供联网能力的网络接口126。在一些实施例中，控制器106使用网络接口126来协调配电系统中不同保护设备100之间的活动。在各种实施例中，网络接口126可以包括有线接口或无线接口。[0033]在图1中，出于讨论的目的简化了保护设备100，并且在其他实施例中，保护设备100包括不同配置。在这点上，控制器106包括执行本文中针对控制器106所描述的功能的任何系统、部件或设备。在一些实施例中，控制器包括耦合到存储器130的处理器128。在一些实施例中，处理器128执行存储在存储器130中的指令，以便执行本文中针对控制器106所描述的功能。主开关108包括响应于由保护设备100检测到的故障而操作以将输入端子118与输出端子120切断的任何系统、部件或设备。在一些实施例中，主开关108独立于控制器106操作以(例如，利用直接来自传感器116的信息)将输入端子118与输出端子120切断。在其他实施例中，主开关108响应于控制器106(例如，利用传感器116)检测到故障而在控制器106的指示下操作。在一些实施例中，主开关108是机械开关，该机械开关在输入端子118与输出端子120之间提供低损耗的正向传导路径。在其他实施例中，主开关108是低损耗固态开关。在其中主开关108是低损耗固态开关的实施例中，主开关108包括一个或多个绝缘栅双极晶体管(igbt)、反向阻断集成门极换流晶闸管(rb-igct)、碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(sic mosfet)、氮化镓(gan)fet等。[0034]辅助开关110包括可由控制器106切换以在故障期间向dc负载102提供有限电流的任何系统、部件或设备。在各种实施例中，辅助开关110包括一个或多个igbt、rb-igct、sic mosfet、gan fet等。二极管112包括当辅助开关110在开关时段期间断开时操作以选择性地传导电流的任何系统、部件或设备。在一些实施例中，二极管112包括有源开关元件。例如，在一些实施例中，二极管112可以由固态开关代替，当保护设备100在降压模式下操作以向dc负载102提供受限故障电流时，固态开关由控制器106控制以在开关时段的关断间隔期间选择性地传导电流。[0035]电感器114包括在开关时段的接通间隔期间为保护设备100提供用于存储能量的电感的任何系统、部件或设备。传感器116测量保护设备100处的电流和/或电压。传感器116耦合到图1中的输入端子118和输出端子120，但在其他实施例中，传感器116可以另外或替代地耦合到保护设备100中的不同感测点。在这点上，传感器116包括测量指示故障(诸如在dc源104与dc负载102之间通过保护设备100的电流、输入端子118和/或输入端子119处的电压、输出端子120和/或输出端子121处的电压、在输入端子118、119和/或输出端子120、121处测量的谐波噪声等)或代表故障的信息的任何系统、部件或设备。[0036]在固态断路器122与机械版本的主开关108组合使用的实施例中，固态断路器122包括操作以选择性地断开输入端子118与输出端子120之间的电路路径的任何系统、部件或设备。固态断路器122可以包括先前针对主开关108和辅助开关110所描述的任何类型的固态设备。[0037]如上文所讨论的，在一些实施例中，保护设备100包括用于电隔离保护设备100的机械切断器124。在这点上，机械切断器124包括选择性地向保护设备100提供电隔离的任何系统、部件或设备。在一些实施例中，机械切断器124可以在维护期间由服务技术人员手动操作，或在其他实施例中由控制器106控制。[0038]图2描绘了另一示例实施例中的另一混合电路保护设备200。在该实施例中，保护设备200将一个或多个负载202耦合到源204。在该实施例中，源204可以是dc源或ac源，而负载202可以是dc负载或ac负载。在该实施例中，二极管112(参见图1)由辅助开关206代替，该辅助开关206包括先前所描述的任何类型的固态开关。辅助开关110、206和电感器114共同形成用于保护设备200的开关网络208。[0039]在该实施例中，控制器106操作开关网络208以向源204或负载202提供双向受限故障电流。例如，在负载202处的故障期间，主开关108被断开，并且控制器106操作辅助开关110、206以对供应给负载202的故障电流进行电流限制，类似于先前针对图1的保护设备100所描述的功能。在源204处的故障期间，主开关108被断开，并且控制器106操作辅助开关110、206以对供应给源极204的故障电流进行电流限制。例如，如果负载202包括具有高输入电容的ac/dc转换器，并且在源(在该示例中，为ac源)204处发生故障，则保护设备200操作以对由ac/dc转换器的输入电容供应回到源204的ac故障电流进行电流限制。在另一示例中，如果负载202包括具有高输入电容的dc/ac转换器，并且在源204(在该示例中，为dc源)处发生故障，则保护设备200操作以对由ac/dc转换器的输入电容供应回到源204的dc故障电流进行电流限制。[0040]在任一情况下，供应给负载202或源204的受限故障电流包括dc电流和ac电流。在混合配电系统中提供双向限流故障电流有利地允许保护设备200用于ac保护和dc保护，从而减少了混合配电系统中不同类型的保护设备的数目。[0041]图3描绘了示例实施例中的混合配电系统300，而图4a、图4b和图4c描绘了故障期间的配电系统300中的模拟电流波形和电压波形。在该实施例中，配电系统300包括向ac/dc转换器304供应功率的ac源302。ac/dc转换器304经由保护设备100、200耦合到dc总线306。第一负载308经由第一保险丝310耦合到dc总线306，并且第二负载312经由第二保险丝314耦合到dc总线306。在故障316出现在第一负载308处的情况下，通过主开关108的故障电流402(参见图4a)最初上升到高电流电平(例如，在该模拟中，为500a，参见图4a)。最初，dc总线306上的电压406由于故障电流402的高初始值而下降(参见图4b)，并且ac/dc转换器304中的二极管电流408、410、412上升到高电平(参见图4c)。保护设备100、200断开主开关108，并且操作以向dc总线306供应经过电流限制的故障电流404(参见图4a)，该经过电流限制的故障电流404使dc总线306上的电压406稳定并且减小ac/dc转换器304中的二极管电流408、410、412。模拟时的dc总线306上的电压406小于其初始值40,000伏，但在该示例中足以确保第二负载312在故障316期间在降低额定值的情况下操作。在该示例中，主开关108是不执行重合操作以试图清除故障316的机械设备。[0042]图5描绘了示例实施例中的另一混合配电系统500，图6a和图6b描绘了故障期间配电系统500中的模拟电流波形。在该实施例中，配电系统500包括dc源502，该dc源502经由保护设备100、200耦合到dc总线504。第一负载506经由第一保险丝508耦合到dc总线504，并且第二负载510经由第二保险丝512耦合到dc总线504。在故障514出现在第一负载506的情况下，通过主开关108的电流602最初上升到高电平(例如，在该模拟中，为150a，参见图6a)。在该模拟中，主开关108是固态设备，并且主开关108被重复地断开和闭合(例如，在控制器106的指导下或由主开关108本身自动断开和闭合)，以便尝试并清除故障514。图6b描绘了故障514(参见图6b)期间的第一负载506处的第一电流604和第二负载510处的第二电流606。在主开关108被重合两次之后，保护设备100、200断开主开关108，并且操作以向dc总线504供应经过电流限制的故障电流608(例如，以1千赫兹的开关频率，参见图6a)。[0043]图7描绘了示例实施例中的另一混合配电系统700，而图8描绘了故障期间配电系统700中的模拟电压波形。在该实施例中，配电系统700包括经由保护设备100、200耦合到dc总线704的dc源702。第一负载706经由第一保险丝708耦合到dc总线704，并且第二负载710经由第二保险丝712耦合到dc总线704。dc/dc转换器714耦合到dc总线704并且向第三负载716供电。由于故障718出现在第一负载706处，当主开关108被断开并且保护设备100、200向dc总线704提供受限故障电流时，dc/dc转换器714的输出电压802最初在t0处下降。在故障718期间，dc/dc转换器714的输出电压802恢复，并且继续向第三负载716供应电力。[0044]图9描绘了示例实施例中的另一混合配电系统900。在该实施例中，ac源902经由保护设备200电耦合到ac总线904，ac负载906经由保险丝908电耦合到ac总线904，并且ac/dc转换器910具有耦合到ac总线904的输入。ac/dc转换器910经由保护设备100、200电耦合到dc总线912。dc源914还经由保护设备100、200耦合到dc总线912。dc负载916经由保险丝908电耦合到dc总线912。在配电系统900中，保护设备100、200被放置在保险丝和源902、914处，以便限制来自源902、914的故障电流贡献。在故障电流限制操作期间，下游健康负载可以通过改进电压输入来维持在额定值完全或降低的情况下进行操作。在配电系统900中的任何故障处，保护设备100、200对故障做出反应并且开始对故障电流进行电流限制。通过在故障期间调制或限制故障电流，高故障电流不会流过上游故障路径和下游故障路径，从而防止对装备和设备的损坏。同时，针对配电系统900中的健康负载中的其余健康负载，可以维持在额定值降低或甚至完全的情况下进行操作。[0045]图10是示例实施例中用于对源与负载之间的故障电流进行电流限制的方法1000的流程图。关于保护设备100、200对方法1000进行讨论，尽管方法1000可以由未示出的其他设备执行。方法1000的步骤并非全部包括在内，并且方法1000可以包括未示出的其他步骤。进一步地，方法1000的步骤可以按不同次序执行。[0046]参考图1和图2，在保护设备100、200的正常操作期间，主开关108被闭合，并且开关网络132、208被停用。如果发生故障，则故障电流的初始值上升到高电平，高于阈值或跳闸电流值(参见步骤1002)，然后主开关108被断开(参见步骤1004)。控制器106操作开关网络132、208以对故障电流进行电流限制以使其小于其初始值(参见步骤1006)。例如，故障电流上升到大约1100安培，其高于主开关108的250安培的跳闸值，从而导致主开关108断开。控制器106操作开关网络132、208以将初始1100安培故障电流进行电流限制以使其等于小于1100安培的值。例如，控制器106操作开关网络132、208(例如，通过修改辅助开关110(参见图1)和/或辅助开关206的占空比)以对故障电流进行电流限制以使其等于550安培。[0047]如果故障被清除(例如，通过隔离故障，参见步骤1008)，则主开关108被闭合(参见步骤1010)并且控制器106停用开关网络132、208(参见步骤1012)。通过主开关108在源与负载之间提供低损耗电流路径，保护设备100、200返回到正常操作。[0048]本文中所描述的装置和方法的示例技术效果包括以下各项中的一项或多项：(a)改善在正常操作期间使用机械断路器或低损耗固态开关的性能；(b)在故障期间对故障电流进行电流限制；以及(c)在故障期间继续供应下游负载以使故障期间对下游负载的破坏最小。[0049]尽管本公开的各种实施例的具体特征可以在一些附图中示出而非在其他附图中示出，但这仅是为了方便。根据本公开的原理，附图的任何特征可以与任何其他附图的任何特征结合进行引用和/或要求保护。[0050]本书面描述使用示例来公开实施例，包括最佳模式在内，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践实施例，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何并入方法。本公开的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他实施例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构要素，或如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等同结构要素，则这些其他实施例旨在处于权利要求的范围内。









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