CN117856185B - 一种基于晶闸管的低压混合式直流断路器及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于直流断路器领域，公开了一种基于晶闸管的低压混合式直流断路器及其应用方法，断路器包括主通流支路、电流转移支路、振荡支路、耗能支路和电容预充电支路；主通流支路包括一个机械开关S；电流转移支路由第一晶闸管T1和四个二极管D1、D2、D3、D4构成一个H桥连接结构，振荡支路与电流转移支路的第一晶闸管T1相并联；耗能支路两端分别连接到二极管D1的正极和D2的负极；电容预充电支路包括第五晶闸管T5，第五晶闸管T5正极接振荡支路中电容器件的一端，负极接地。本发明由传统塑壳断路器与半控型器件晶闸管相结合，开断速度比传统塑壳断路器开断速度更快；可以实现电流由主通流支路到电力电子支路的快速转移，缩短机械触头间的燃弧时间。

Description

一种基于晶闸管的低压混合式直流断路器及其应用方法

技术领域

本发明涉及直流断路器，特别涉及一种基于晶闸管的低压混合式直流断路器及其应用方法。

背景技术

随着光伏、风电等可再生能源的快速发展，直流***的作用越来越突显。与传统的交流***相比，直流***具有结构简单、线路损耗小、控制简单等优点，目前已被应用于光伏发电、电动汽车充电桩、储能中心以及轨道交通等场景。但是，直流***由于缺乏自然过零点且线路阻抗小，故障电流上升速度过快，使得传统的交流过零点熄灭技术不再适用。同时，在低压配电领域***的电压等级不断提高，接近1500V，直流开断的难度也进一步增大。

目前，根据结构不同可将应用于低压直流***的断路器分为三类，分别是机械断路器、固态断路器和混合式断路器。其中，机械断路器以传统交流开断方式为主，通过热磁脱扣机构或者智能脱扣机构实现故障电流检测，然后解锁操作机构进而实现分闸，为了加快息弧常采用添加灭弧栅片、添加永磁体、添加产气材料等方式，具有传导损耗小、成本低的优点，但是开断时间常在几十毫秒，难以满足直流***开断需求。固态断路器通过电力电子器件的可控性来控制电流的关断，其开断速度快，没有电弧，但是成本较高，运行过程中损耗较大。混合式断路器将机械开关较强的通流能力和电力电子器件的快速关断能力相结合，兼具导通损耗低、开断速度适中、成本适中的优点，在低压直流开断领域具有较好的发展前景。

针对低压直流***故障电流清除困难、燃弧时间长等问题，公开号为CN116613712A的中国专利公开了一种基于晶闸管的低压直流混合式断路器及其控制方法，该断路器在传统塑壳断路器的基础上，增加由晶闸管和电容、电阻组成的电力电子支路来转移流过塑壳断路器的主电流，同时设置晶闸管触发驱动电路以及金属氧化物压敏电阻MOV和电阻组成的耗能支路，该断路器可实现低压直流***中故障电流的快速清除，为低压直流断路器的发展提供了新思路。但该断路器电力电子转移支路中存在电阻和电容，增加了电流由机械开关支路转移到电力电子支路的时间，机械开关燃弧时间仍较长，影响整体开断性能和断路器寿命。

目前，针对低压直流***故障电流清除困难、燃弧时间长等问题，低压混合式断路器尚无较为成熟的产品出现。因此，有必要研制小型化、高性能、高可靠的低压混合式直流断路器，进而推动直流配电网的发展。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种基于晶闸管的低压混合式直流断路器及其应用方法，在传统塑壳断路器的基础上，利用少数晶闸管实现短路故障电流的快速清除，为低压直流断路器的发展提供了新思路。

本发明的技术方案是：

一种基于晶闸管的低压混合式直流断路器，包括主通流支路、电流转移支路、振荡支路、耗能支路和电容预充电支路；其中：

主通流支路包括一个机械开关S；

电流转移支路包括第一晶闸管T1和第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4，其中第一二极管D1和第三二极管D3负极反向串联后构成一个桥臂，第二二极管D2和第四二极管D4正极反向串联后构成一个桥臂；第一二极管D1正极和第四二极管D4负极接主通流支路输入端，第三二极管D3正极和第二二极管D2负极接主通流支路输出端；第一晶闸管T1的正极接第一二极管D1和第三二极管D3的连接点，第一晶闸管T1的负极接第二二极管D2和第四二极管D4的连接点，电流转移支路提供电流双向流通路径，开断双向故障电流；

振荡支路与电流转移支路的第一晶闸管T1相并联；

耗能支路两端分别连接到第一二极管D1的正极和第二二极管D2的负极；

电容预充电支路包括第五晶闸管T5，第五晶闸管T5正极接振荡支路中电容器件的一端，负极接地。

优选的，所述振荡支路包括电容C、电感L、第二晶闸管T2、第三晶闸管T3和第四晶闸管T4，其中第三晶闸管T3和第四晶闸管T4反向并联，电感L和第二晶闸管T2串联，反向并联的晶闸管、串联的电感L、第二晶闸管T2与电容C一起串联组成回路，振荡支路中电感L和第二晶闸管T2串联这一支路两端分别通过电阻R和第五二极管D5连接到第一晶闸管T1的正极和负极。

优选的，所述耗能支路包括金属氧化物压敏电阻MOV，金属氧化物压敏电阻MOV两端分别连接到第一二极管D1的正极和第二二极管D2的负极。

优选的，所述电容预充电支路由第一二极管D1或第三二极管D3，与电阻R、电容C、第五晶闸管T5构成，其中第五晶闸管T5正极接电容C的一端，负极接地。

优选的，所述机械开关S为塑壳断路器。

一种基于晶闸管的低压混合式直流断路器的应用方法，包括：

正常通流状态：机械开关S闭合，电流流过主通流支路；通过触发第五晶闸管T5，直流电源给电容C预充电，直至电容C上的电压等于电源电压，预充电完成，第五晶闸管T5自然关断；

当发生短路故障后，断路器开断短路电流的步骤包括：

阶段0：断路器负载侧发生短路故障；

阶段1：断路器收到分断命令后，触发第一晶闸管T1，同时机械开关S分闸燃弧，弧压使电流由主通流支路向转移支路转移；

阶段2：在转移过程中，触发第二晶闸管T2和第四晶闸管T4，电容C和电感L回路发生振荡；

阶段3：电容C和电感L振荡后，电容C上的极性发生改变，振荡回路电流降为零后第二晶闸管T2和第四晶闸管T4自然关断；

阶段4：触发第三晶闸管T3，电容C开始放电，放电电流流过第一晶闸管T1并和故障电流方向相反，逐步抵消流过第一晶闸管T1的故障电流；

阶段5：第一晶闸管T1的故障电流完全转移至电容C支路，对电容C进行充电，电容电压极性开始反向；

阶段6：电容电压极性反向并且电压升高，达到金属氧化物压敏电阻MOV的导通电压，金属氧化物压敏电阻MOV导通并开始转移电流；

阶段7：故障电流流过金属氧化物压敏电阻MOV并减小，耗散故障支路的能量；

阶段8：能量耗散完成，电流减小到零，开断完成，电容C的电压极性和初始状态相同，方便进行重合闸。

本发明的优点是：

本发明提出的基于晶闸管的低压混合式直流断路器，由传统塑壳断路器与半控型器件晶闸管相结合，开断速度比传统塑壳断路器开断速度更快；可以实现电流由机械开关支路到电力电子支路的快速转移，缩短机械触头间的燃弧时间，延长断路器整体寿命；仅使用半控型器件，相比使用IGBT等全控型器件能大幅降低成本，并适用于开断大电流场景；开断完成后断路器中电容的极性与初始状态相同，能够进行快速重合闸。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明基于晶闸管的低压混合式直流断路器原理图；

图2为本发明电容预充电或再充电阶段电流路径图；

图3为本发明发生短路故障时的电流路径图；

图4为本发明电流转移阶段电流路径图；

图5为本发明振荡支路产生振荡电流时的电流路径图；

图6为本发明振荡支路振荡完成后的电流路径图；

图7为本发明转移支路晶闸管被强迫关断阶段的电流路径图；

图8为本发明电容反向充电电流路径图；

图9为本发明电流向耗能支路转移阶段的电流路径图；

图10为本发明能量吸收阶段电流路径图；

图11为本发明故障电流开断结束后的电流路径图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的基于晶闸管的低压混合式直流断路器，包括主通流支路、电流转移支路、振荡支路、耗能支路和电容预充电支路。

主通流支路由机械开关S（即塑壳断路器）构成。

电流转移支路由第一晶闸管T1和第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4构成一个H桥连接结构，其中第一二极管D1和第三二极管D3负极反向串联后构成一个桥臂，第二二极管D2和第四二极管D4正极反向串联后构成一个桥臂；第一二极管D1正极和第四二极管D4负极接主通流支路输入端，第三二极管D3正极和第二二极管D2负极接主通流支路输出端；第一晶闸管T1的正极接第一二极管D1和第三二极管D3的连接点，第一晶闸管T1的负极接第二二极管D2和第四二极管D4的连接点，H桥连接结构提供电流双向流通路径，开断双向故障电流。

振荡支路由电容C、电感L、第二晶闸管T2、第三晶闸管T3和第四晶闸管T4构成，其中第三晶闸管T3和第四晶闸管T4反向并联、电感L和第二晶闸管T2串联，这两部分与电容C一起串联，振荡支路中电感L和第二晶闸管T2串联这一支路两端分别通过电阻R和第五二极管D5连接到第一晶闸管T1的正极和负极。

耗能支路由金属氧化物压敏电阻MOV构成，其两端分别连接到第一二极管D1的正极（也即第四二极管D4的负极）和第二二极管D2的负极（也即第三二极管D3的正极）。

电容预充电支路由第一二极管D1（或第三二极管D3）、电阻R、电容C和第五晶闸管T5构成，其中第五晶闸管T5正极接电容C的一端，负极接地。

所述的基于晶闸管的低压混合式直流断路器，其应用方法如下：

正常通流状态：如图2所示，直流断路器的输入端通过电感L1接直流电源，输出端接通过电阻R1接地；机械开关S闭合，电流流过主通流支路，损耗极小；通过触发第五晶闸管T5，直流电源给电容C预充电，电阻R起限流作用，直至电容C上的电压等于电源电压，预充电完成，第五晶闸管T5自然关断。

当发生短路故障后，断路器开断短路电流的步骤如下：

阶段0：断路器负载侧发生短路故障，如图3所示。

阶段1：断路器收到分断命令后，触发第一晶闸管T1，同时机械开关S分闸燃弧，弧压使电流由主通流支路向转移支路快速转移，如图4所示。此阶段中第一二极管D1、第二二极管D2和第一晶闸管T1构成的转移支路电压降近似为零，能使电流由机械开关S快速转移至转移支路，缩短机械触头间的燃弧时间，延长断路器整体寿命。

阶段2：在转移过程中，触发第二晶闸管T2和第四晶闸管T4，电容C和电感L回路发生振荡，如图5所示。

阶段3：电容C和电感L振荡后，电容C上的极性发生改变，振荡回路电流降为零后第二晶闸管T2和第四晶闸管T4自然关断，如图6所示。

阶段4：触发第三晶闸管T3，电容C开始放电，放电电流流过第一晶闸管T1并和故障电流方向相反，逐步抵消流过第一晶闸管T1的故障电流，如图7所示。

阶段5：第一晶闸管T1的故障电流完全转移至电容C支路，对电容C进行充电，电容电压极性开始反向，如图8所示。

阶段6：电容电压极性反向并且电压快速升高，达到金属氧化物压敏电阻MOV的导通电压，金属氧化物压敏电阻MOV导通并开始转移电流，如图9所示。

阶段7：故障电流流过金属氧化物压敏电阻MOV并快速减小，耗散故障支路的能量，如图10所示。

阶段8：能量耗散完成，电流减小到零，开断完成，如图11所示。电容C的电压极性和初始状态相同，方便进行快速重合闸。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于晶闸管的低压混合式直流断路器，其特征在于，包括主通流支路、电流转移支路、振荡支路、耗能支路和电容预充电支路；其中：

所述主通流支路包括一个机械开关S，所述机械开关S为塑壳断路器；

所述电流转移支路包括第一晶闸管T1和第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4，其中第一二极管D1和第三二极管D3负极反向串联后构成一个桥臂，第二二极管D2和第四二极管D4正极反向串联后构成一个桥臂；第一二极管D1正极和第四二极管D4负极接主通流支路输入端，第三二极管D3正极和第二二极管D2负极接主通流支路输出端；第一晶闸管T1的正极接第一二极管D1和第三二极管D3的连接点，第一晶闸管T1的负极接第二二极管D2和第四二极管D4的连接点，电流转移支路提供电流双向流通路径，开断双向故障电流；

所述振荡支路包括电容C、电感L、第二晶闸管T2、第三晶闸管T3和第四晶闸管T4，其中第三晶闸管T3和第四晶闸管T4反向并联，电感L和第二晶闸管T2串联，电容C一端接第三晶闸管T3的正极，另一端接电感L的一端，第三晶闸管T3的负极接第二晶闸管T2的负极，电感L的另一端接第二晶闸管T2的正极，振荡支路中电感L和第二晶闸管T2这一串联支路两端分别通过电阻R和第五二极管D5连接到第一晶闸管T1的正极和负极；

所述耗能支路包括金属氧化物压敏电阻MOV，金属氧化物压敏电阻MOV两端分别连接到第一二极管D1的正极和第二二极管D2的负极；

所述电容预充电支路包括电阻R、第五晶闸管T5，其中第五晶闸管T5正极接电容C的一端，负极接地。

2.一种基于权利要求1所述的基于晶闸管的低压混合式直流断路器的应用方法，其特征在于，包括：

正常通流状态：机械开关S闭合，电流流过主通流支路；通过触发第五晶闸管T5，直流电源给电容C预充电，直至电容C上的电压等于电源电压，预充电完成，第五晶闸管T5自然关断；

当发生短路故障后，断路器开断短路电流的步骤包括：

阶段0：断路器负载侧发生短路故障；

阶段1：断路器收到分断命令后，触发第一晶闸管T1，同时机械开关S分闸燃弧，弧压使电流由主通流支路向转移支路转移；

阶段2：在转移过程中，触发第二晶闸管T2和第四晶闸管T4，电容C和电感L回路发生振荡；

阶段3：电容C和电感L振荡后，电容C上的极性发生改变，振荡回路电流降为零后第二晶闸管T2和第四晶闸管T4自然关断；

阶段4：触发第三晶闸管T3，电容C开始放电，放电电流流过第一晶闸管T1并和故障电流方向相反，逐步抵消流过第一晶闸管T1的故障电流；

阶段5：第一晶闸管T1的故障电流完全转移至电容C支路，对电容C进行充电，电容电压极性开始反向；

阶段6：电容电压极性反向并且电压升高，达到金属氧化物压敏电阻MOV的导通电压，金属氧化物压敏电阻MOV导通并开始转移电流；

阶段7：故障电流流过金属氧化物压敏电阻MOV并减小，耗散故障支路的能量；

阶段8：能量耗散完成，电流减小到零，开断完成，电容C的电压极性和初始状态相同，方便进行重合闸。