本發(fā)明屬于直流斷路器制造領(lǐng)域，具體涉及一種具備快速電流抑制能力的直流斷路器及其工作方法。

背景技術(shù)：

1、對于直流電力系統(tǒng)，如儲能設(shè)備、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和電動汽車充電站等應(yīng)用，系統(tǒng)保護至關(guān)重要。區(qū)別于交流系統(tǒng)，直流系統(tǒng)中短路電流的上升速度更快且幅值更大，從而嚴重威脅了直流系統(tǒng)及其相關(guān)設(shè)備。直流斷路器能夠迅速、準確地檢測并開斷故障電流，從而防止故障擴散并保護設(shè)備，最終提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，因此成為直流保護的關(guān)鍵設(shè)備，這也是電力工程領(lǐng)域近年深入研究的重要方向。

2、固態(tài)直流斷路器基于固態(tài)開關(guān)器件設(shè)計，相較于傳統(tǒng)機械斷路器方案，具有快速開斷電流的特性，因此受到廣泛研究。相較于全控開關(guān)，半控器件晶閘管具有低導(dǎo)通電阻、制造工藝成熟、采購價格低、浪涌電流容量大等優(yōu)勢，近年來出現(xiàn)了一批基于晶閘管的直流斷路器拓撲設(shè)計。但現(xiàn)存基于晶閘管的固態(tài)直流斷路器仍存在下述問題：（1）被動式晶閘管型固態(tài)直流斷路器只有在故障發(fā)生后才能動作，因此系統(tǒng)正常運行時無法開斷電流，從而控制性差。（2）負載變化時，線路電流會產(chǎn)生波動，其特性與故障情況類似，因此被動式方案可能誤觸發(fā)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)誤關(guān)斷。（3）開斷電流過程中，外部線路電流依然上升，因此直流系統(tǒng)中的電力電子器件會承受更高的電流應(yīng)力。（4）運行電流經(jīng)過主支路中的多個電力電子器件，導(dǎo)通電阻大，從而效率低。（5）首次開斷電流后，一般會重合閘以判斷故障是否依然存在，現(xiàn)存部分方案無法重合閘保護，應(yīng)用場景受限。（6）晶閘管關(guān)斷電路含外部參數(shù)，電流開斷過程可靠性低。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，本發(fā)明提供了一種具備快速電流抑制能力的直流斷路器及其工作方法，解決了現(xiàn)有晶閘管型固態(tài)直流斷路器普遍存在的控制性差、易誤觸發(fā)、動作后線路電流依然上升、效率低、不具備重合閘保護和電流開斷過程可靠性低的問題。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

3、一種具備快速電流抑制能力的直流斷路器，包括能量耗散支路、主支路、充電支路、電容支路、緩沖支路、觸發(fā)支路、充電電阻支路和能量轉(zhuǎn)移支路；

4、所述主支路一側(cè)作為l側(cè)，另一側(cè)為r側(cè)，由l側(cè)到r側(cè)，依次經(jīng)過耦合電感二次側(cè)繞組n2的a2端和b2端，以及一對反向并聯(lián)晶閘管tm1和tm2；所述繞組n2的b2端與晶閘管tm1陽極和晶閘管tm2陰極連接，而晶閘管tm1的陰極和tm2的陽極連接至主線路r側(cè)；

5、所述能量耗散支路包含避雷器mov，并聯(lián)于主支路；

6、所述充電支路包括第一充電支路、第二充電支路、第三充電支路和第四充電支路；第一充電支路包括二極管d1，第二充電支路包括二極管d2，第三充電支路包括二極管d3，第四充電支路包括二極管d4；

7、所述電容支路包括第一電容支路和第二電容支路；第一電容支路包括電容 c1，第二電容支路包括電容 c2；所述充電電阻支路包括電阻 rg；

8、二極管d1的陽極連接于主支路l側(cè)，陰極連接于電容 c1一端；電容 c1的另一端連接于二極管d3的陽極，二極管d3陰極連接于電阻 rg一端，而電阻 rg另一端接地；正常運行時，電容 c1從主支路l側(cè)經(jīng)第一充電支路、第一電容支路、第三充電支路和充電電阻支路至地的電路充電至系統(tǒng)電壓；

9、二極管d2的陽極連接于主支路r側(cè)，陰極連接于電容 c2一端；電容 c2另一端連接于二極管d4的陽極，二極管d4陰極連接于電阻 rg一端；正常運行時，電容 c2從主支路r側(cè)經(jīng)第二充電支路、第二電容支路、第四充電支路和充電電阻支路至地的電路充電至系統(tǒng)電壓；

10、所述能量轉(zhuǎn)移支路包含耦合電感的一次側(cè)繞組n1；所述觸發(fā)支路包括第一觸發(fā)支路和第二觸發(fā)支路，第一觸發(fā)支路包括晶閘管tc1，第二觸發(fā)支路包括晶閘管tc2；

11、繞組n1的a1端同時連接于二極管d1的陰極和晶閘管tc2的陽極，晶閘管tc2的陰極連接于二極管d4的陽極；繞組n1的b1端同時連接于二極管d2的陰極和晶閘管tc1的陽極，晶閘管tc1的陰極連接于二極管d3的陽極；

12、且繞組n1的a1端與繞組n2的a2端為同名端，繞組n1的b1端與繞組n2的b2端為同名端；

13、所述緩沖支路包括第一緩沖支路和第二緩沖支路；

14、第一緩沖支路并聯(lián)于電容 c1，其包括二極管dc1和避雷器mc1；二極管dc1陰極連接于二極管d1的陰極，二極管dc1陽極連接于避雷器mc1一端，避雷器mc1另一端連接于二極管d3陽極；

15、第二緩沖支路并聯(lián)于電容 c2，其包括二極管dc2和避雷器mc2，二極管dc2陰極連接于二極管d2的陰極，二極管dc2陽極連接于避雷器mc2一端，避雷器mc2另一端連接于二極管d4陽極。

16、一種具備快速電流抑制能力的直流斷路器的工作方法，包括以下步驟：

17、s1、等待第一電容支路的電容 c1從主支路l側(cè)經(jīng)第一充電支路、第一電容支路、第三充電支路和充電電阻支路至地的電路充電至系統(tǒng)電壓；同時，等待第二電容支路的電容 c2從主支路r側(cè)經(jīng)第二充電支路、第二電容支路、第四充電支路和充電電阻支路至地的電路充電至系統(tǒng)電壓，并進入s2；

18、s2、判斷系統(tǒng)是否開始啟動，若是，則進入s3，否則回到s1；

19、s3、同時觸發(fā)主支路的晶閘管tm1和tm2，并進入s4；

20、s4、判斷系統(tǒng)運行時主支路電流是否反向過零，若是，進入s3，否則進入s5；

21、s5、判斷是否收到電流開斷信號，若是，進入s6，否則進入s4；

22、s6、判斷主支路電流流向為l側(cè)至r側(cè)，若是，進入s7，否則進入s8；

23、s7、導(dǎo)通第一觸發(fā)支路和主支路晶閘管tm1和tm2，電容 c1通過耦合電感的繞組n1側(cè)向繞組n2傳輸能量，能量耗散支路成功鉗住電壓，外部線路電流快速抑制，同時主支路電流下降至零并反向流過tm2，tm1成功關(guān)斷；接著電容 c1繼續(xù)通過繞組n1諧振，進而極性改變且通過第一緩沖支路泄能，最后晶閘管tc1承受電容反向電壓關(guān)斷；并進入s9；

24、s8、導(dǎo)通第二觸發(fā)支路和主支路晶閘管tm1和tm2，電容 c2通過耦合電感的繞組n1側(cè)向繞組n2傳輸能量，能量耗散支路成功鉗住電壓，外部線路電流快速抑制，同時主支路電流下降至零并反向流過tm1，tm2成功關(guān)斷；接著電容 c2繼續(xù)通過繞組n1諧振，進而極性改變且通過第二緩沖支路泄能，最后晶閘管tc2承受電容反向電壓關(guān)斷；并進入s9；

25、s9、判斷是否需要重合閘，如果是，進入s1，否則結(jié)束。

26、本發(fā)明的有益效果為：

27、（1）本發(fā)明的直流斷路器由于使用便宜的半控器件晶閘管設(shè)計直流斷路器，相較于基于全控開關(guān)的方案，成本更低；兩個電容均通過充電支路和充電電阻支路從主支路取電，因此無需額外充電電源，這種方案可以同時降低成本和操作難度。

28、（2）本發(fā)明的直流斷路器在故障發(fā)生后，由于第一充到第四電支路中二極管存在單向流通性，電容 c1和 c2無法通過故障點瀉能，因此電容電壓保持不變，從而提升開斷可靠性。

29、（3）本發(fā)明的直流斷路器的電流在系統(tǒng)運行時只經(jīng)過單個晶閘管和繞組n2，導(dǎo)通電阻低，效率高；若r側(cè)發(fā)生故障，電流開斷結(jié)束后，電容 c1充電回路不受影響；若l側(cè)發(fā)生故障，電流開斷結(jié)束后，電容 c2充電回路不受影響。電容在電流開斷結(jié)束后恢復(fù)至初始態(tài)可以為重合閘保護提供條件。

30、（4）本發(fā)明的工作方法區(qū)別于以故障本身為觸發(fā)條件的被動式方案，本而采用主動控制，可以主動開斷運行電流，因此控制性好；而且負載切換，系統(tǒng)電流波動時，不會誤觸發(fā)。

31、（5）本發(fā)明的工作方法利用耦合電感和充電電容，在成功動作后，能量耗散支路中的避雷器動作，將斷路器兩端電壓鉗位高于系統(tǒng)電壓，從而線路電流快速抑制，有效保護直流系統(tǒng)。

32、（6）本發(fā)明的工作方法開斷運行或故障電流時均采用相同的控制方法，即導(dǎo)通觸發(fā)支路中的晶閘管，控制步驟簡單；且主支路中晶閘管的關(guān)斷過程與外部電路無關(guān)，因此電流開斷可靠性高。