CN110492876A - 一种基于耦合电感的双向直流固态断路器 - Google Patents

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李伟林
王雨峰
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Abstract

本发明涉及一种基于耦合电感的双向直流固态断路器，四个二极管组成二极管桥，两个相对的节点为第一和第二引出端子，另两个节点并联晶闸管6与耦合电感初级线圈5的串联电路；晶闸管的负极串联耦合电感次级线与电容的串联电路，电容的负极为第三引出端子。当短路故障发生时，电感会释放瞬时大电流流经耦合电感次级线圈和第四二极管来对短路电流进行补偿，此时由于耦合电感初级线圈和耦合电感次级线圈之间耦合作用的存在，会在耦合电感初级线圈处感应产生反向大电流，晶闸管关闭，实现对短路故障电流的中断和隔离。本发明结构简单，元器件少，采用半控型电力电子元器件晶闸管SCR来实现短路故障的自动中断和隔离，不需要额外的控制电路。

Description

一种基于耦合电感的双向直流固态断路器
技术领域
本发明属于直流电力系统短路故障保护技术领域，涉及一种基于耦合电感的双向直流固态断路器。
背景技术
随着直流电力系统的发展，直流电力系统故障成为制约直流电力系统发展的重要因素，而直流断路器是解决这一问题的有效方法。目前直流断路器主要分为三种，机械式断路器、混合式断路器以及固态断路器。相比于采用电力电子元器件的直流固态断路器，机械式断路器和混合式断路器由于机械结构的存在，动作时间较长。因此固态断路器受到越来越多的欢迎。传统的直流固态断路器多采用全控型电力电子元器件例如MOSFET来对电路的通断进行控制，测量电路结构以及控制方法复杂、可靠性低，且无法对高压大电流开断。而且近年来随着直流电力系统的发展，单向直流固态断路器已经不能满足直流电网发展的需求，双向直流固态断路器的应用场景越来越多。
因此，采用半控型元器件例如晶闸管SCR对电路进行故障中断和隔离的直流固态断路器，可以有更高的电压和电流开断能力，成为了未来的发展方向。半控型元器件晶闸管SCR是通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件被称为半控型器件。利用半控型元器件的这一特性，在基于半控型元器件的固态断路器中可以在短路故障发生时，实现半控型元器件晶闸管SCR的自动关断，从而实现短路故障的自动中断和隔离。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于耦合电感的双向直流固态断路器，以较少的元器件和简单的控制方式来实现能量的双向流动和对双向直流故障的中断和隔离。
技术方案
一种基于耦合电感的双向直流固态断路器，其特征在于包括四个二极管、耦合电感和晶闸管；四个二极管组成二极管桥，第一二极管1的正极与第二二极管2的负极连接点为第一引出端子，第三二极管3的正极与第四二极管4的负极连接点为第二引出端子；二极管桥的另外两个桥的节点之间为晶闸管6与耦合电感初级线圈5的串联电路，其中耦合电感初级线圈5一端与第一二极管1的负极和第三二极管3的负极连接，晶闸管6的负极与第二二极管2的正极和第四二极管4的正极连接，该点通过耦合电感次级线7连接电容8的正极，电容8的负极为第三引出端子；所述耦合电感初级线圈5与耦合电感次级线7的同名端分别位于桥的节点和电容8的正极；所述第一引出端子与第三引出端子构成一个端口，第二引出端子与第三引出端子构成一个端口。
所述四个二极管为同一品牌和型号。
所述第一引出端子与第三引出端子构成的端口与第二引出端子与第三引出端子构成的端口，均能够作为输入或输出端口。不论该双向直流固态断路器正向工作还是反向工作，流经耦合电感初级线圈5和晶闸管6的电流方向不变。
有益效果
本发明提出的一种基于耦合电感的双向直流固态断路器，采用四个二极管构成二极管桥的形式来实现该固态断路器能量的双向流动。电路正常工作时，第一二极管1、耦合电感初级线圈5、晶闸管6、第四二极管4构成能量流动的前向通道，此时第一二极管1和第四二极管4导通；第三二极管3、耦合电感初级线圈5、晶闸管6、第二二极管2构成能量流动的后向通道，此时第三二极管3和第二二极管2导通。下面以正向导通为例对该双向直流固态断路器的工作原理进行说明。当短路故障发生时，电感8会释放瞬时大电流流经耦合电感次级线圈7和第四二极管4来对短路电流进行补偿，此时由于耦合电感初级线圈5和耦合电感次级线圈7之间耦合作用的存在，会在耦合电感初级线圈5处感应产生反向大电流，当流经晶闸管6的电流变为0时，晶闸管关闭，实现对短路故障电流的中断和隔离。
本发明具有如下有益的技术效果：
1、相比如单向直流固态断路器，实现了能量的双向流动和双向故障电流的中断和隔离。
2、本发明所提双向直流固态断路器结构简单，元器件少，采用半控型电力电子元器件晶闸管SCR来实现短路故障的自动中断和隔离，不需要额外的控制电路。
附图说明
图1为本发明的电路拓扑结构示意图；
图2为本发明单向正常工作时的电流流向图；
图3为短路故障发生时的电流流向图
图1中标记说明：1—第一二极管，2—第二二极管，3—第三二极管，4—第四二极管，5—耦合电感初级线圈，6—晶闸管，7—耦合电感次级线圈，8—电感，9—该双向直流固态断路器第一引出端子，10—该双向直流固态断路器第二引出端子，11—第一二极管负极耦合电感初级线圈和第三二极管负极连接处，12—第二二极管正极、晶闸管阴极和第四二极管正极连接处，13—该双向直流固态断路器第三引出端子，14，15—耦合电感初级线圈和次级线圈同名端。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明相比现有直流固态断路器，采用较少的元器件和简单的控制方法实现了能量的双向流动和双向直流短路故障的中断和隔离。
如图1所示基于耦合电感的双向直流固态断路器，由第一二极管1，第二二极管2，第三二极管3，第四二极管4，耦合电感初级线圈5，晶闸管6，耦合电感次级线圈7，电感8组成。四个二极管组成二极管桥。第一二极管1的正极和第二二极管2的负极连接交于共同点9作为该双向直流固态断路器的第一引出端子，第一二极管1的负极和第三二极管3的负极连接交于共同点11，第三二极管3的正极和第四二极管4的负极连接交于共同点10作为该双向直流固态断路器的第二引出端子，第二二极管2的正极和第四二极管4的正极连接交于共同点12。耦合电感初级线圈5的一端和晶闸管6的阳极连接，耦合电感初级线圈5的另一端交于共同点11，晶闸管6的阴极和耦合电感次级线7的一端连接交于共同点12，耦合电感次级线圈7的另一端和电容8的正极连接，电容8的负极和返回回路交于共同点13作为该双向直流固态断路器的第三引出端子。
所述耦合电感初级线圈5与耦合电感次级线7的同名端分别位于桥的节点14和电容8的正极点15。
本发明双向直流固态断路器采用四个二极管构成二极管桥的形式来实现该固态断路器能量的双向流动。
电路正常工作时，第一二极管1、耦合电感初级线圈5、晶闸管6、第四二极管4构成能量流动的前向通道，此时第一二极管1和第四二极管4导通，如图2所示；第三二极管3、耦合电感初级线圈5、晶闸管6、第二二极管2构成能量流动的后向通道，此时第三二极管3和第二二极管2导通。以该双向直流固态断路器正向导通为例，当短路故障发生时，如图3所示，电感8会释放瞬时大电流流经耦合电感次级线圈7和二极管4来对短路电流进行补偿，此时由于耦合电感初级线圈5和耦合电感次级线圈7之间耦合作用的存在，会在耦合电感初级线圈5处感应产生反向大电流，当流经晶闸管6的电流变为0时，晶闸管关闭，实现对短路故障电流的中断和隔离。
本发明双向直流固态断路器左右两边都可以作为输入端或者输出端，不论该双向直流固态断路器正向工作还是反向工作，流经耦合电感初级线圈和晶闸管6的电流方向不变。

Claims (3)

1.一种基于耦合电感的双向直流固态断路器，其特征在于包括四个二极管、耦合电感和晶闸管；四个二极管组成二极管桥，第一二极管(1)的正极与第二二极管(2)的负极连接点为第一引出端子，第三二极管(3)的正极与第四二极管(4)的负极连接点为第二引出端子；二极管桥的另外两个桥的节点之间为晶闸管(6)与耦合电感初级线圈(5)的串联电路，其中耦合电感初级线圈(5)一端与第一二极管(1)的负极和第三二极管(3)的负极连接，晶闸管(6)的负极与第二二极管(2)的正极和第四二极管(4)的正极连接，该点通过耦合电感次级线(7)连接电容(8)的正极，电容(8)的负极为第三引出端子；所述耦合电感初级线圈(5)与耦合电感次级线(7)的同名端分别位于桥的节点和电容(8)的正极；所述第一引出端子与第三引出端子构成一个端口，第二引出端子与第三引出端子构成一个端口。
2.根据权利要求1所述基于耦合电感的双向直流固态断路器，其特征在于：所述四个二极管为同一品牌和型号。
3.根据权利要求1或2所述基于耦合电感的双向直流固态断路器，其特征在于：所述第一引出端子与第三引出端子构成的端口与第二引出端子与第三引出端子构成的端口，均能够作为输入或输出端口。
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