[发明专利]基于耦合电感线圈的直流断路器及其控制方法

权利要求书

1.一种基于耦合电感线圈的直流断路器，其特征在于，由主开关晶闸管、耦合电感线圈、电感续流电路、储能电容及其充放电单元、手动关断单元构成，所述耦合电感线圈包括通过磁芯耦合的一次侧线圈和二次侧线圈，其中主开关晶闸管阳极连接一个直流系统的正极，主开关晶闸管阴极连接耦合电感线圈的一次侧线圈的同名端，一次侧线圈的异名端连接负载，电感续流电路并联在一次侧线圈两端，二次侧线圈的同名端与一次侧线圈同名端相连，二次侧线圈的异名端通过储能电容及其充放电单元接至一个直流系统的负极，手动关断单元是一个三端口网络，三个端口分别接在耦合电感线圈、储能电容及其充放电单元、直流系统的负极；所述一次侧线圈的匝数多于二次侧线圈的匝数；所述电感续流电路包括第一电阻和第一二极管，第一电阻和第一二极管串联；第一电阻用于在保护动作后将存储在电感中的能量快速消耗掉，以减小电感的电流应力和热应力；第一二极管用于限制续流方向，其阴极连接耦合电感线圈同名端，在非故障状态下处于阻断状态，当发生故障耦合电感一次侧线圈承受反向电压时进入导通状态，提供续流支路，用于减小主开关晶闸管的电压应力；所述储能电容及其充放电单元由第一储能电容及其充电支路、放电支路构成；充电支路由第二电阻构成，放电支路由第三电阻和第二二极管构成，第二电阻与第三电阻、第二二极管并联，第三电阻和第二二极管串联，第二电阻、第三电阻、第二二极管都与第一储能电容连接；第二电阻的阻值高于负载电阻的阻值，以保证对第一储能电容平稳充电；第三电阻的阻值远小于负载电阻的阻值，以提供足够大的放电电流来使主开关晶闸管电流过零；第二二极管阴极指向第一储能电容的放电方向，以限制充放电电流流向；所述手动关断单元由第二储能电容、充电电阻、放电电阻及手动开关构成，第二储能电容与充电电阻串联，放电电阻与手动开关串联，第二储能电容、充电电阻都与放电电阻连接；其中手动开关采用手动触发的晶闸管或逆阻型的全控半导体器件；放电电阻一侧连接手动开关阴极，另一端与第二储能电容和充电电阻连接在一起，构成一个三端口网络；手动关断单元主要用于常态或检修状态下的负载断电，或配合耦合电感线圈的自动感应保护用作复杂负载工况的附加保护。

2.一种基于耦合电感线圈的直流断路器的控制方法，其特征在于，其采用如权利要求1所述的基于耦合电感线圈的直流断路器并采用以下工况：

工况一：负载通电，控制方法为：向主开关晶闸管发出触发脉冲，主开关晶闸管导通，固态断路器内的储能电容通过充电电阻自动完成充电储能，储能完成后，第一储能电容和第二储能电容的电压均为直流电源电压，在电容储能的同时，负载得电启动并进入工作状态；

工况二：负载断电，控制方法为：触发手动关断单元的手动开关导通，此时第一储能电容、手动开关、放电电阻、第二储能电容及主开关晶闸管将经电源形成回路，由于此时第一储能电容和第二储能电容的电压均为直流电源电压，因此主开关晶闸管将承受接近电源电压的反向电压，使主开关晶闸管电流迅速过零并将其关断，从而将负载断电；

工况三：负载侧发生短路故障，由于短路故障往往发生迅速且破坏性强，利用短路电流在耦合电感二次侧线圈中的感应电流使晶闸管电流过零来实现对短路故障的快速自动隔离，不需要额外的检测和控制；当负载侧发生短路故障时，耦合电感一次侧线圈承受电源电压，并在耦合电感二次侧线圈两端感应出电压，此感应电压使得第一储能电容的放电支路导通，并经主开关晶闸管、电源、第一储能电容及放电支路形成回路，由于耦合电感二次侧线圈匝数少于一次侧线圈，因此二次侧线圈暂态电流大于一次侧暂态电流，差额电流流经主开关晶闸管并使其电流过零，主开关晶闸管关断；

工况四：负载侧发生过载故障，根据负载的过载能力采取不同的保护方案：若负载过载能力较强，则可利用短路电流在耦合电感二次侧线圈中的感应电流使主开关晶闸管电流过零来实现对过载故障的快速自动隔离；若负载过载能力较弱，则需要监测负载电流，当发生过载时迅速触发手动关断单元的手动开关导通，将负载断电。