CN108512200A - 一种带变压器的直流固态断路器 - Google Patents

一种带变压器的直流固态断路器 Download PDF

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李伟林
王雨峰
董润
万明明
姜玉洁
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/26—Sectionalised protection of cable or line systems, e.g. for disconnecting a section on which a short-circuit, earth fault, or arc discharge has occured
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Abstract

本发明涉及一种带变压器的直流固态断路器，用于串联在电源和负载之间，实现对短路故障的中断和隔离。变压器初级线圈、晶闸管、变压器次级线圈、电容4以及变压器线圈两端的能量吸收回路组成，当负载侧发生短路故障时，由于变压器线圈的电感作用，负载端的电流不能突变，电容放电来对故障电流进行补偿，于此同时，由于变压器次级线圈流过瞬时大电流，在变压器初级线圈处感应出反向电流使流经晶闸管的电流变为0，实现晶闸管的关断。在本申请中，不需要额外的控制电路来发布触发命令，可实现故障电流的自动中断和隔离，同时，该电路拓扑不会向电源反馈大电流。

Description

一种带变压器的直流固态断路器
技术领域
本发明属于直流断路器技术领域，尤其涉及一种带变压器的直流固态断路器。
背景技术
近年来随着光伏发电、风力发电等分布式电源的发展，直流微电网作为其更高效率的接入形式受到了越来越多的关注。在社会生活中也应用的越来越广泛，比如高压直流输电系统，现代化建筑用电系统等。这就对供电系统的可靠性和稳定性提出了更高的要求。
但是直流电网还存在一些亟待解决的问题，如电容瞬间放电问题、器件易损坏、故障电流隔离与切除困难等问题。直流断路器是目前解决这一问题的有效方法。目前直流断路器主要分为三类，即利用传统机械开关开断的纯机械式直流断路器；利用电力电子器件(SCR、IGBT)开断的全固态断路器；以及将两种形式相结合的混合式断路器。机械式断路器存在关断时间长、易产生电弧缺点。普通固态断路器存在可靠性低，电路复杂，难控制且成本高昂等缺点。中国专利(专利号：20111014838.2)提供的一种直流固态断路器，可以利用电路中的半控型器件实现电路的故障隔离，但是电路结构负载且半控型元器件较多，难以控制。混合型兼顾前两者的优点，结合了机械开关低通损耗特性和固态断路器快速动作特性，但是机械部分需要与其他部分协调性高，比较难控制。这些都对电力系统的稳定性造成了一定的影响。
发明内容
要解决的技术问题
为了解决目前直流断路器存在的电路结构负载，控制策略复杂的问题，本申请提供一种带变压器的直流固态断路器。
技术方案
一种带变压器的直流固态断路器，串联在电源和负载之间，实现对短路故障的中断和隔离；包括变压器初级线圈、晶闸管、变压器次级线圈、电容以及初级线圈吸收回路和次级线圈吸收回路；变压器初级线圈的一端和电源正极连接作为该断路器的第一引出端子，另一端和晶闸管的阳极连接交于第一连接点，初级线圈吸收回路并接在变压器初级线圈两端；变压器次级线圈的一端和晶闸管的阴极连接交于第二连接点，另一端和负载连接作为该断路器的第二引出端子，次级线圈吸收回路并接在变压器次级线圈两端；第一连接点和第二引出端子处为变压器的同名端；电容的正极和晶闸管的阴极连接交于第二连接点，电容阴极和电源负极连接作为该断路器的第三引出端子。
所述的初级线圈吸收回路包括串联的第一二极管和第一电阻，第一二极管的正极和第一电阻的一端连接，第一电阻的另一端和和晶闸管的阳极连接于第一连接点，第一二极管的负极和断路器的第一引出端子连接；次级线圈吸收回路包括第二二极管和第二电阻，第二二极管的正极和第二电阻的一端连接，第二电阻的另一端和断路器第二引出端子连接，第二二极管负极和晶闸管的阴极连接于第二连接点。
有益效果
本发明提出的一种带变压器的直流固态断路器，当负载侧发生短路故障时，由于变压器线圈的电感作用，负载端的电流不能突变，电容放电来对故障电流进行补偿，于此同时，由于变压器次级线圈流过瞬时大电流，在变压器初级线圈处感应出反向电流使流经晶闸管的电流变为0，实现晶闸管的关断。在本申请中，不需要额外的控制电路来发布触发命令，可实现故障电流的自动中断和隔离，同时，该电路拓扑不会向电源反馈大电流。
附图说明
图1为实施例1的电路图。
图2为实施例2的电路图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
一种带变压器的直流固态断路器，用于串联在电源和负载之间，实现对短路故障的中断和隔离。该断路器拓扑结构由变压器初级线圈1，晶闸管2，变压器次级线圈3，电容4以及变压器线圈两端的能量吸收回路5和6组成。变压器初级线圈1的一端和电源正极连接作为该断路器的第一引出端子7，另一端和晶闸管2的阳极连接交于点8，变压器初级线圈1的吸收回路5并接在初级线圈1两端。变压器次级线圈3的一端和晶闸管2的阴极连接交于9，另一端和负载连接作为该断路器的第二引出端子10，变压器次级线圈3的吸收回路6并接在次级线圈3两端。点8和点10处为变压器的同名端。电容4的正极和晶闸管2的阴极连接交于9，电容阴极和电源负极连接作为该断路器的第三引出端子11。本申请不需要额外的控制电路来对半控型元器件进行控制，实现了对故障电流的快速中断和隔离，同时简化了电路。
所述的变压器初级线圈1的吸收回路5包括串联的第一二极管12和第一电阻13，第一二极管12的正极和第一电阻13的一端连接，第一电阻13的另一端和和晶闸管2的阳极连接于点8，第一二极管的负极和断路器的第一引出端子连接于点7；变压器次级线圈3的吸收回路6包括第二二极管14和第二电阻15，第二二极管14的正极和第二电阻15的一端连接，第二电阻15的另一端和断路器第二引出端子10连接，第二二极管14负极和晶闸管2的阴极连接于9。
实施例1：
一种带变压器的直流固态断路器，如图1所示，用于串联在电源和负载之间，实现对短路故障的中断和隔离。该断路器拓扑结构由变压器初级线圈1，晶闸管2，变压器次级线圈3，电容4以及变压器线圈两端的能量吸收回路5和6组成。变压器初级线圈1的一端和电源正极连接作为该断路器的第一引出端子7，另一端和晶闸管2的阳极连接交于点8，变压器初级线圈1的吸收回路5并接在初级线圈1两端。变压器次级线圈3的一端和晶闸管2的阴极连接交于9，另一端和负载连接作为该断路器的第二引出端子10，变压器次级线圈3的吸收回路6并接在次级线圈3两端。点8和点10处为变压器的同名端。电容4的正极和晶闸管2的阴极连接交于9，电容阴极和电源负极连接作为该断路器的第三引出端子11。
当故障发生时，电容4放电，流经变压次级线圈3的瞬时大电流在变压器初级线圈1处感应出反向电流来关断晶闸管。要使晶闸管能够成功关断，故障电阻的大小需满足以下关系式：
式中，Vsource为电源电源，Rmax为允许的最大故障电阻，iSCR为流经晶闸管电流的大小，Rload为负载的大小，ΔiLw1和ΔiLw2为变压器两线圈直接的感应电流，N为变压器初级线圈和次级线圈的匝数比。在故障发生的瞬间，流过晶闸管的电流由于变压器线圈的电感作用不能发生突变。
ΔiLw1＝iSCR
当故障电阻的大小满足上式时，在故障发生时，晶闸管可以成功关断。
实施例2：
作为实施例1的改进，如图2所示，变压器初级线圈1的吸收回路5包括串联的第一二极管12和第一电阻13，第一二极管12的正极和第一电阻13的一端连接，第一电阻13的另一端和和晶闸管2的阳极连接于点8，第一二极管的负极和断路器的第一引出端子连接于点7；变压器次级线圈3的吸收回路6包括第二二极管14和第二电阻15，第二二极管14的正极和第二电阻15的一端连接，第二电阻15的另一端和断路器第二引出端子10连接，第二二极管14负极和晶闸管2的阴极连接于9。负载包括负载电容16和负载电阻17。

Claims (2)

1.一种带变压器的直流固态断路器，串联在电源和负载之间，实现对短路故障的中断和隔离；其特征在于包括变压器初级线圈(1)、晶闸管(2)、变压器次级线圈(3)、电容(4)以及初级线圈吸收回路(5)和次级线圈吸收回路(6)；变压器初级线圈(1)的一端和电源正极连接作为该断路器的第一引出端子(7)，另一端和晶闸管(2)的阳极连接交于第一连接点(8)，初级线圈吸收回路(5)并接在变压器初级线圈(1)两端；变压器次级线圈(3)的一端和晶闸管(2)的阴极连接交于第二连接点(9)，另一端和负载连接作为该断路器的第二引出端子(10)，次级线圈吸收回路(6)并接在变压器次级线圈(3)两端；第一连接点(8)和第二引出端子(10)处为变压器的同名端；电容(4)的正极和晶闸管(2)的阴极连接交于第二连接点(9)，电容阴极和电源负极连接作为该断路器的第三引出端子(11)。
2.根据权利要求1所述的一种带变压器的直流固态断路器，其特征在于所述的初级线圈吸收回路(5)包括串联的第一二极管(12)和第一电阻(13)，第一二极管(12)的正极和第一电阻(13)的一端连接，第一电阻(13)的另一端和和晶闸管(2)的阳极连接于第一连接点(8)，第一二极管(12)的负极和断路器的第一引出端子(7)连接；次级线圈吸收回路(6)包括第二二极管(14)和第二电阻(15)，第二二极管(14)的正极和第二电阻(15)的一端连接，第二电阻(15)的另一端和断路器第二引出端子(10)连接，第二二极管(14)负极和晶闸管(2)的阴极连接于第二连接点(9)。
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