[发明专利]基于耦合电感线圈的直流断路器及其控制方法

说明书

本发明提供了一种基于耦合电感线圈的直流断路器及其控制方法，该直流断路器由主开关晶闸管、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。本发明利用故障暂态下耦合电感线圈的感应电流使主开关晶闸管电流过零来实现故障隔离，成本低，通态损耗小，可实现直流短路及过载故障的快速自动保护，且能避免故障电流对电源侧的冲击。

技术领域

本发明涉及一种直流断路器及其控制方法，具体地，涉及一种基于耦合电感线圈的直流断路器及其控制方法。

背景技术

随着电力电子器件的发展，直流输配电技术的优势日益凸显。与传统交流输配电技术相比，直流输配电技术具有线路成本低、输电损耗低、输电容量大、无功角稳定问题等优势，更能与太阳能、风能、燃料电池等可再生能源及LED、计算机、电动汽车等直流负载的高效接入相适应。

与交流系统一样，直流输配电系统的安全可靠运行同样离不开断路器的保护。直流断路器的可靠性直接影响着故障电流的有效分断。由于在直流输配电系统中，直流电流不存在自然过零点，因此无法像交流断路器那样利用电流自然过零点分断故障电流，采用机械式断路器会不可避免地在分断故障电流过程中拉弧，在中高压系统中，需要分断的故障电流尤其是短路电流往往在数千甚至数十千安培，大电流在拉弧过程中产生大量的热，会对断路器触头造成损蚀，从而降低了断路器的可靠性并提高了维护难度。

半导体技术的发展为断路器提供了一种固态解决方案。采用电力电子器件作为断路器开关，通过控制半导体内部结构使其工作在导通或阻断状态，从而实现直流系统的导通与无弧分断，能有效提高系统可靠性，降低维护成本和工作量。由于半导体并非导体，在导通状态下仍存在一定的通态压降，因此会产生导通损耗，使系统效率降低且需要采取散热措施。在所有典型电力电子器件中，晶闸管通态压降最低，例如ABB公司生产的5STP45Q2800型晶闸管，其阈值电压为0.86V，斜率电阻最大仅为70μΩ(结温125℃)，呈现出媲美机械触点的趋势。另外，晶闸管价格低廉，对冲击电流和冲击电压的耐受能力强，非常适合应用在断路器中。但由于晶闸管属于半控型器件，不具备关断能力，从而限制了其在断路器中的应用。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于耦合电感线圈的直流断路器及其控制方法。

根据本发明的一个方面，提供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。

优选地，所述一次侧线圈的匝数多于二次侧线圈的匝数。

优选地，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。