CN115528659B - 一种具有自动与可控关断能力的直流断路器及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及直流断路器技术，具体涉及一种具有自动与可控关断能力的直流断路器及其使用方法，直流断路器包括充电电路、主关断器件、耦合电感、关断触发通路以及能量耗散通路。充电电路包括第一、第二、第三电阻，主关断器件包括第一、第二主晶闸管，耦合电感包括第一、第二电感，触发通路包括第一、第二触发晶闸管与第二、第三电容；能量耗散通路包括第一电阻与第一二极管。自动关断保证在断路器近距离发生短路故障时，断路器快速动作，抑制故障电流的上升。该断路器在距离断路器较远处发生短路时，可控关断功能可以不受外部电路电感影响，在断路器内部可靠地关断故障电流。且具有双向导通功能，能及时切除断路器两端的故障。

Description

一种具有自动与可控关断能力的直流断路器及其使用方法
技术领域
本发明属于直流断路器技术领域，特别涉及一种具有自动与可控关断能力的直流断路器及其使用方法。
背景技术
随着新材料、半导体器件和柔性直流输配电技术的发展，直流断路器作为在规定时间内承载、切断直流运行支路正常电流以及各种故障电流的开关设备，是保障光伏储能、电动汽车及轨道交通等直流负载稳定性的最可靠保护方案之一，它可以使故障区域最小化，保证健康线路正常运行，未来电网对直流限流器这种快速保护设备需求极大。但目前IGBT与MOSFET的成本较大，且容量有限，并且具有高通态损耗，这极大的限制了直流断路器的发展与应用。因此，很多学者提出了基于晶闸管的直流断路器拓扑。
基于晶闸管的直流断路器可以分为两类：第一类是具有自动关断功能的断路器，主要包含Z源，T源及其衍生的断路器；第二类是具有可控关断功能的断路器，它们使用了触发晶闸管来关断主晶闸管。具有自动关断功能的断路器不需要电压缓冲电路，能无延迟地关断故障电流。然而，这类断路器的关断回路包含线路电感，当故障点距离断路器较远时，线路电感会抑制断路器的关断电流，导致其关断失败，影响故障电流的快速可靠关断。具有可控关断功能的断路器能更为可靠地关断远距离故障点，但其具有检测延时，无法满足迅速清理故障的要求。
发明内容
针对背景技术存在的问题，本发明提供一种具有自动与可控关断能力的直流断路器及其使用方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种具有自动与可控关断能力的直流断路器，包括自动关断断路器回路与可控关断断路器回路，还包括充电电路和能量耗散通路以及电源U s；
自动关断断路器回路包括第一主晶闸管T m1、第二主晶闸管T m2、第一电感L 1、第二电感L 2、第三二极管D 3和第四二极管D 4；第一主晶闸管T m1的阴极依次与第一电感L 1、第二电感L 2和第二主晶闸管T m2的阴极串联，第三二极管D 3与第一主晶闸管T m1反向并联；第四二极管D 4与第二主晶闸管T m2反向并联；
可控关断断路器回路包括第一触发晶闸管T t1、第二触发晶闸管T t2、第二电容C 2、第三电容C 3、第四电容C 4和第五电容C 5；第一触发晶闸管T t1的阴极分别与第二电容C 2的负极相连，阳极分别与第四二极管D 4的阴极、第二主晶闸管T m2的阳极和第五电容C 5的正极相连；第二触发晶闸管T t2的阴极分别与第三电容C 3的负极相连，阳极分别与第三二极管D 3的阴极、第一主晶闸管T m1的阳极和第四电容C 4的正极相连；第二电容C 2的正极与第三电容C 3的正极相连后接入第一电感L 1和第二电感L 2之间；
充电电路包括第二电阻R 2、第三电阻R 3、第四电阻R 4、第二二极管D 2和第一电容C 1；第二电阻R 2与第二二极管D 2并联后一端连接于与第一电感L 1和第二电感L 2之间，另一端与第一电容C 1正极连接；第三电阻R 3的一端分别与第一触发晶闸管T t1的阴极和第二电容C 2的负极相连，第四电阻R 4的一端分别与第二触发晶闸管T t2的阴极和第三电容C 3的负极相连；
能量耗散通路包括第一电阻R 1和第一二极管D 1；第一电阻R 1的一端与第一二极管D 1的阳极相连，第一二极管D 1的阴极与第一电容C 1的正极相连，第一电容C 1的负极与第一电阻R 1的另一端、第三电阻R 3的另一端、第四电阻R 4的另一端以及第四电容C 4的负极、第五电容C 5的负极相连；
第一电容C 1的负极与电源U s的负极相连，正极与第二二极管D 2的阳极相连；第四电容C 4的正极与电源U s的正极相连，负极与电源U s的负极相连；第五电容C 5的负极与电源U s的负极相连。
在上述具有自动与可控关断能力的直流断路器中，其特征在于，第一电感L 1与第二电感L 2的耦合比例L 1：L 2=1：1。
一种具有自动与可控关断能力的直流断路器的使用方法，包括近距离故障直流关断器的关断过程和远距离故障直流断路器的关断过程，近距离故障直流关断器的关断采用自动关断，远距离故障直流关断器的关断采用可控关断；步骤如下：
直流断路器启动时，电源U s通过第二电阻R 2向第一电容C 1充电，通过第三电阻R 3向第二电容C 2充电，通过第四电阻R 4向第三电容C 3充电；
直流断路器的自动关断包括使用第一电感L 1与第二电感L 2 作为电流传递机构；第一电感L 1电压被电源U s与第一电容C 1电压钳位为0，第二电感L 2的电压也为0；当负载侧故障时，负载电压下降，驱动第一电容C 1放电，第一电容C 1的放电电流通过第二电感L 2传递给第一电感L 1或通过第一电感L 1传递给第二电感L 2，进而关断第一主晶闸管T m1或第二主晶闸管T m2；
直流断路器的可控关断包括触发第一触发晶闸管T t1导通，第二电容C 2向第二电感L 2放电，第二电感L 2将放电电流传递到第一电感L 1，进而关断第一主晶闸管T m1；触发第二触发晶闸管T t2导通，第二电容C 2向第一电感L 1放电，第一电感L 1将放电电流传递到第二电感L 2，进而关断第二主晶闸管T m2；
直流断路器的故障能量耗散包括当第二电感L 2与第一电容C 1发生谐振时，第一电容C 1的电压u C1下降为0，电流切换到第一电阻R 1和第一二极管D 1支路，第一电阻R 1消耗故障能量；当第一电感L 1与第一电容C 1发生谐振时，第一电容C 1电压u C1下降为0，电流切换到第一电阻R 1和第一二极管D 1支路，第一电阻R 1消耗故障能量。
在上述具有自动与可控关断能力的直流断路器的使用方法中，若故障发生点位于直流断路器右侧，近距离故障直流关断器关断过程和远距离故障直流断路器关断过程具体步骤如下：
步骤1、近距离故障直流断路器自动关断步骤为：
步骤1.1、t 0时刻之前，断路器处于正常工作状态，负载电流I l 通过第一主晶闸管T m1，导通压降为V on.thy ；
步骤1.2、t 0时刻发生短路故障，第一电感L 1电压被钳位为0，第二电感L 2的电压亦为0；第一电容C 1放电，第一电容C 1的放电电流通过第二电感L 2传递到第一电感L 1，与负载电流I l 相互抵消，使通过第一主晶闸管T m1的总电流为0，将第一主晶闸管T m1关断；
步骤1.3、t 1时刻，第一主晶闸管T m1恢复对正向电压阻断能力，可靠关断；电路进入谐振状态，第二电感L 2和第一电容C 1发生谐振；
步骤1.4、t 2时刻，第一电容C 1电压u c1过零，第一二极管D 1导通，电路中的能量将被第一电阻R 1消耗；
步骤1.5、t 3时刻之后，故障能量被第一电阻R 1耗散；
步骤2、对于远距离故障直流断路器可控关断步骤为：
步骤2.1、t 0时刻之前，断路器处于正常工作状态，第一主晶闸管T m1通过负载电流I l ，导通压降为V on.thy ；
步骤2.2、t 0时刻，发生短路故障，第一电容C 1开始放电，受线路电感作用，第二电感L 2上的电流不够大，耦合成第一电感L 1的电流不足以将第一主晶闸管T m1判断，断路器处于故障检测状态；
步骤2.3、t 1时刻，故障检测状态结束，可控关断开始工作；向第一触发晶闸管T t1施加触发信号使其导通，第二电容C 2放电，回路电流i C2，i L2增大时，在第一电感L 1 上形成反向耦合电流i L1；当i Tm1为0时，第一主晶闸管T m1关断，断路器实现对故障的阻断；
步骤2.4、t 2时刻，第二电容C 2与第二电感L 2进入谐振阶段；第二电容C 2电压不断下降，谐振电流i C2不断上升；
步骤2.5、t 3时刻，直流断路器电路进入能量耗散阶段；
步骤2.6、t 4时刻，第一触发晶闸管T t1电流i Tt1过零，第一触发晶闸管T t1自然关断；
步骤2.7、t 5时刻，第一电容C 1的电流i C1过零，第二电阻R 2参与故障耗散阶段；
步骤2.8、t 5时刻之后，故障能量被第一电阻R 1耗散，迅速衰减为0，完成关断。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1)本发明提供的自动与可控关断功能的直流断路器电路拓扑，远距离故障保护功能和近距离故障保护功能均由电力电子器件构成，显著提高关断速度。
2)本发明提供的自动与可控关断功能的直流断路器电路拓扑，自动关断与可控关断设计了独立的电容，两个功能相互独立，提升了直流断路器的可靠性。
3)本发明提供的自动关断功能无需检测故障，可以无延时地隔离故障，提高了断路器的快速性。
4)本发明提供的可控关断功能的直流断路器电路拓扑，通过在断路器内部设计触发回路可控地关断断路器，不会受到断路器外部电感的影响，对全线路具有保护功能。
5)本发明提供的自动与可控关断功能的直流断路器电路拓扑，能实现双向故障保护功能，提升了直流断路器的普适性。
6)本发明提供的自动与可控关断功能的直流断路器电路拓扑，在不增加硬件成本的情况下，兼具关断近、远距离故障的功能，提升了直流断路器的经济性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的直流断路器拓扑结构示意图；
图2（a）是本发明实施例提供的直流断路器的自动关断工作波形图；
图2（b）是本发明实施例提供的直流断路器的自动关断工作波形图；
图3是本发明实施例提供的直流断路器正常工作状态示意图；
图4是本发明实施例提供的直流断路器自动关断过程示意图；
图5是本发明实施例提供的直流断路器自动关断谐振状态示意图；
图6是本发明实施例提供的直流断路器自动关断能量耗散状态示意图；
图7是本发明实施例提供的直流断路器可控关断过程示意图；
图8是本发明实施例提供的直流断路器可控关断谐振状态示意图；
图9（a）是本发明实施例提供的直流断路器可控关断能量耗散状态示意图；
图9（b）是本发明实施例提供的直流断路器可控关断故障能量完全耗散状态示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施例一种损耗低、关断速度快、能可靠关断远近距离故障点、具有双向关断能力、成本低的具有自动与可控关断功能的直流断路器。
本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种具有自动与可控关断能力的直流断路器，包括自动关断断路器回路与可控关断断路器回路，还包括充电电路和能量耗散通路以及电源U s；
自动关断断路器回路包括第一主晶闸管T m1、第二主晶闸管T m2、第一电感L 1、第二电感L 2、第三二极管D 3和第四二极管D 4；第一主晶闸管T m1的阴极依次与第一电感L 1、第二电感L 2和第二主晶闸管T m2的阴极串联，第三二极管D 3与第一主晶闸管T m1反向并联；第四二极管D 4与第二主晶闸管T m2反向并联；
可控关断断路器回路包括第一触发晶闸管T t1、第二触发晶闸管T t2、第二电容C 2、第三电容C 3、第四电容C 4和第五电容C 5；第一触发晶闸管T t1的阴极分别与第二电容C 2的负极相连，阳极分别与第四二极管D 4的阴极、第二主晶闸管T m2的阳极和第五电容C 5的正极相连；第二触发晶闸管T t2的阴极分别与第三电容C 3的负极相连，阳极分别与第三二极管D 3的阴极、第一主晶闸管T m1的阳极和第四电容C 4的正极相连；第二电容C 2的正极与第三电容C 3的正极相连后接入第一电感L 1和第二电感L 2之间；
充电电路包括第二电阻R 2、第三电阻R 3、第四电阻R 4、第二二极管D 2和第一电容C 1；第二电阻R 2与第二二极管D 2并联后一端连接于与第一电感L 1和第二电感L 2之间，另一端与第一电容C 1正极连接；第三电阻R 3的一端分别与第一触发晶闸管T t1的阴极和第二电容C 2的负极相连，第四电阻R 4的一端分别与第二触发晶闸管T t2的阴极和第三电容C 3的负极相连；
能量耗散通路包括第一电阻R 1和第一二极管D 1；第一电阻R 1的一端与第一二极管D 1的阳极相连，第一二极管D 1的阴极与第一电容C 1的正极相连，第一电容C 1的负极与第一电阻R 1的另一端、第三电阻R 3的另一端、第四电阻R 4的另一端以及第四电容C 4的负极、第五电容C 5的负极相连；
第一电容C 1的负极与电源U s的负极相连，正极与第二二极管D 2的阳极相连；第四电容C 4的正极与电源U s的正极相连，负极与电源U s的负极相连；第五电容C 5的负极与电源U s的负极相连。
而且，第一电感L 1与第二电感L 2是耦合的，耦合比例L 1：L 2=1：1。第一电容C 1与第二电容C 2用于关断第一主晶闸管T m1，第一电容C 1与第三电容C 3用于关断第二主晶闸管T m2。第一主晶闸管T m1与第一电感L 1串联，第一触发晶闸管T t1的阴极与第二电容C 2的负极相连，阳极与第四二极管D 4的负极相连，第四二极管D 4与第二主晶闸管T m2反向并联。第二主晶闸管T m2与第二电感L 2串联，第二触发晶闸管T t2的阴极与第三电容C 3的负极相连，阳极与第三二极管D 3的负极相联，第三二极管D 3与第一主晶闸管T m1反向并联。第一电阻R 1是故障能量耗散电阻，第二电阻R 2是第一电容C 1的充电电阻，第三电阻R 3是第二电容C 2的充电电阻，第四电阻R 4是第三电容C 3的充电电阻。第一电容C 1负极与电源U s的负极相连，正极与第二二极管D 2的阳极相连。第二二极管D 2的阴极与第二电容C 2和第三电容C 3的正极相连。第一电阻R 1与第一二极管D 1串联，第二电阻R 2与第二二极管D 2并联。第四电容C 4的正极与电源U s的正极相连，负极与电源U s的负极相连。第五电容C 5的正极与第一触发晶闸管T t1的阳极相连，负极与电源U s的负极相连。
而且，直流断路器的故障包括近距离故障与远距离故障，直流断路器具有两种关断方式。假设故障发生点位于断路器右侧。
对于近距离故障，采用直流断路器的自动关断功能。
在直流断路器启动时，电源U s通过第二电阻R 2向第一电容C 1充电，通过第三电阻R 3向第二电容C 2充电，通过第四电阻R 4向第三电容C 3充电。第二电阻R 2、第三电阻R 3与第四电阻R 4是充电限流电阻。
直流断路器的自动关断功能实现包括使用耦合电感第一电感L 1与第二电感L 2 作为电流传递机构。第一电感L 1电压被电源U s与第一电容C 1电压钳位为0，所以第二电感L 2的电压也是0。当负载侧故障时，负载电压会下降，驱动第一电容C 1放电，第一电容C 1的放电电流会通过第二电感L 2传递给第一电感L 1或通过第一电感L 1传递给第二电感L 2，进而关断第一主晶闸管T m1或第二主晶闸管T m2。
对于远距离故障，采用直流断路器的可控关断功能。
直流断路器的可控关断功能实现包括触发第一触发晶闸管T t1导通，第二电容C 2向第二电感L 2放电，第二电感L 2将放电电流传递到第一电感L 1，进而关断第一主晶闸管T m1。触发第二触发晶闸管T t2导通，第二电容C 2向第一电感L 1放电，第一电感L 1将放电电流传递到第二电感L 2，进而关断第二主晶闸管T m2。
而且，断路器的故障能量耗散功能实现包括，第二电感L 2与第一电容C 1发生谐振，当第一电容C 1电压u C1下降为0，电流切换到R 1-D 1支路，第一电阻R 1开始消耗故障能量。第一电感L 1与第一电容C 1发生谐振，当第一电容C 1电压u C1下降为0，电流切换到R 1-D 1支路，第一电阻R 1开始消耗故障能量。
而且，对于近距离故障与远距离故障，直流断路器具有两种关断方式：假设故障发生点位于断路器右侧。
对于近距离故障，直流断路器自动关断步骤为：
（1）t 0时刻之前，直流断路器处于正常工作状态，负载电流I l 通过第一主晶闸管T m1，导通压降为V on.thy 。
（2）t 0时刻发生短路故障，于此同时，第一电容C 1开始放电，第一电容C 1的放电电流由第二电感L 2传递到第一电感L 1，与负载电流I l 相互抵消，使通过第一主晶闸管T m1的总电流为0，进而将第一主晶闸管(T m1)关断，恢复其正向电压阻断能力。
（3）t 1时刻，直流断路器进入谐振状态。
（4）t 2时刻，第一电容C 1电压u C1过零，第一二极管D 1导通，线路中的能量将被直流断路器中的第一电阻R 1消耗掉。
对于远距离故障，直流断路器可控关断步骤为：
（1）t 0时刻之前，系统处于正常工作状态。负载电流I l 通过第一主晶闸管T m1，导通压降为V on.thy 。
（2）t 0时刻，发生短路故障，第一电容C 1开始放电。但由于远距离故障包含了较大的线路电感，第二电感L 2上的电流不够大，耦合成的第一电感L 1的电流不足以将晶闸管关断，断路器处于故障检测状态。
（3）t 1时刻，故障检测过程结束，可控关断开始工作。向第一触发晶闸管T t1施加触发信号使其导通，第二电容C 2 放电，回路电流i C2，第二电感L 2上电流i L2迅速增大，在第一电感L 1 上形成反向耦合电流i L1。当第一主晶闸管T m1的电流i Tm1达到0时，第一主晶闸管T m1被关断，断路器实现对故障的阻断。
（4）t 2时刻，第二电容C 2与第二电感L 2进入谐振阶段。第二电容C 2电压不断下降，谐振电流i C2不断上升。
（5）t 3时刻，直流断路器电路进入能量耗散阶段。
（6）t 4时刻，第一触发晶闸管T t1电流i Tt1过零，第一触发晶闸管T t1自然关断。
（7）t 5时刻，第一电容C 1的电流i C1过零，第二电阻R 2也开始参与故障耗散阶段。
（8）t 5时刻之后，故障能量完全被第一电阻R 1耗散，迅速衰减为0，完成关断。
具体实施时，如图1所示，应用于柔性直流配电系统的具有自动与可控关断功能的直流断路器，由充电电路，主关断器件，耦合电感，关断触发通路以及能量耗散通路组成。
其中，充电电路向第一电容C 1、第二电容C 2和第三电容C 3充电，第二电阻R 2是第一电容C 1的充电电阻，第三电阻R 3是第二电容C 2的充电电阻，第四电阻R 4是第三电容C 3的充电电阻；充电电路包括第二电阻R 2、第三电阻R 3、第四电阻R 4、第二二极管D 2和第一电容C 1。第二电阻R 2与第二二极管D 2并联后一端连接于与第一电感L 1和第二电感L 2之间，另一端与第一电容C 1正极连接；第三电阻R 3的一端分别与第一触发晶闸管T t1的阴极和第二电容C 2的负极相连，第四电阻R 4的一端分别与第二触发晶闸管T t2的阴极和第三电容C 3的负极相连。
主关断器件在故障时关断故障电流，包括第一主晶闸管T m1和第二主晶闸管T m2。
耦合电感包括电感第一电感L 1与第二电感L 2，第二电感L 2能将第二电容C 2的放电电流传递到第一电容C 1，进而关断第一主晶闸管T m1，第二电感L 1能将第一电容C 1的放电电流传递到第二电容C 2，进而关断第二主晶闸管T m2。
关断触发通路由第一触发晶闸管T t1与第二电容C 2，第二触发晶闸管T t2与第三电容C 3组成。
能量耗散通路吸收关断过程中产生的能量，由第一电阻R 1与第一二极管D 1组成。
如图2(a)所示，以断路器右侧故障为例，本实例提出的近距离故障直流断路器自动关断步骤为：
（1）t 0时刻之前，断路器处于正常工作状态，负载电流I l 通过第一主晶闸管T m1；
（2）t 0时刻发生短路故障，第一电感L 1电压被钳位为0，所以第二电感L 2的电压也是0。第一电容C 1迅速放电，第一电容C 1的放电电流由第二电感L 2传递到第一电感L 1，与负载电流I l 相互抵消，使通过第一主晶闸管T m1的总电流为0，进而将第一主晶闸管T m1关断；
（3）t 1时刻，第一主晶闸管T m1充分恢复其对正向电压的阻断能力，可靠关断；电路进入谐振状态，第二电感L 2和第一电容C 1发生谐振；
（4）t 2时刻，第一电容C 1电压u c1过零，电路进入能量耗散阶段，故障能量被耗散电阻第一电阻R 1消耗；
（5）t 3时刻之后，故障能量被第一电阻R 1完全耗散；
如图2(b)所示，本实例提出的远距离故障直流断路器可控关断步骤为：
（1）t 0时刻之前，断路器处于正常工作状态，负载电流I l 通过第一主晶闸管T m1；
（2）t 0时刻，故障发生，由于线路电感L s 作用，第一电容C1的电流i C1不足以关断第一主晶闸管T m1，第一主晶闸管T m1处于故障检测状态；
（3）t 1时刻，向第一触发晶闸管T t1施加触发信号使其导通，i Tt1迅速增大，耦合第二电感L 2上电流增大，传递到第一电感L 1，随即关断第一主晶闸管T m1；
（4）t 2时刻，第二电容C 2与第二电感L 2进入谐振阶段；
（5）t 3时刻，电路进入能量耗散阶段；
（6）t 4时刻，第一触发晶闸管T t1电流i Tt1过零，第一触发晶闸管T t1自然关断；
（7）t 5时刻，第一电容C 1电流i C1过零，第二电阻R 2也开始参与故障耗散阶段；
（8）t 5时刻之后，故障能量完全被第一电阻R 1耗散。
如图3所示，直流断路器正常工作状态示意图，负载电流流经第一主晶闸管T m1和耦合电感第一电感L 1和第二电感L 2构成回路。
如图4所示，直流断路器自动关断过程示意图，故障发生时，第一电容C 1放电，放电电流通过第二电感L 2传递到第一电感L 1，进而将第一主晶闸管T m1关断。
如图5所示，直流断路器自动关断谐振状态示意图，第一主晶闸管T m1关断后，第一电容C 1、第二电感L 2进入谐振状态，此时第一电容C 1电压逐渐下降，第二电感L 2电流逐渐上升，直到第一电容C 1电压过零点。
如图6所示，直流断路器自动关断能量耗散状态示意图，第一个电容C 1电压u C1过零，第一二极管D 1导通，线路中的能量将被断路器中的第一电阻R 1消耗掉，故障能量在第一电阻R 1上耗散。回路所含电阻、电容和二极管依据系统运行参数和均压要求选择，可有效实现串联均压。
如图7所示，直流断路器可控关断过程示意图，故障发生后，先经历故障检测阶段，接着向第一触发晶闸管T t1施加触发信号使其导通，第二电容C 2放电。电流突变量通过耦合电感第二电感L 2传递到第一电感L 1，进而将第一主晶闸管T m1关断。
如图8所示，直流断路器可控关断谐振状态示意图，在第一主晶闸管T m1关断后，第二电容C 2与第二电感L 2进入谐振阶段。第二电容C 2电压不断下降，谐振电流i C2 不断上升。第二电容C 2电流i C2过零时，断路器进入耗散状态。
如图9（a）所示，直流断路器可控关断能量耗散状态示意图，第一触发晶闸管T t1电流i Tt1过零，第一触发晶闸管T t1自然关断；电容电流i C1过零，第二电阻R 2也开始参与故障耗散阶段。
如图9（b）所示，直流断路器可控关断能量完全耗散状态示意图，故障能量完全被第一电阻R 1耗散，迅速衰减为0；回路所含电阻、电容和二极管依据系统运行参数和均压要求选择。
综上所述，直流断路器具有自动关断与可控关断两种功能。自动关断可以保证在断路器近距离发生短路故障时，断路器快速动作，抑制故障电流的快速上升。在距离断路器较远处发生短路时，可控关断功能可以不受外部电路电感影响，在断路器内部可靠地关断故障电流。直流断路器具有双向导通功能，能及时切除断路器两端的故障。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种具有自动与可控关断能力的直流断路器控制方法，直流断路器包括自动关断断路器回路与可控关断断路器回路，还包括充电电路和能量耗散通路以及电源（U s）；
自动关断断路器回路包括第一主晶闸管（T m1）、第二主晶闸管（T m2）、第一电感（L 1）、第二电感（L 2）、第三二极管（D 3）和第四二极管（D 4）；第一主晶闸管（T m1）的阴极依次与第一电感（L 1）、第二电感（L 2）和第二主晶闸管（T m2）的阴极串联，第三二极管（D 3）与第一主晶闸管（T m1）反向并联；第四二极管（D 4）与第二主晶闸管（T m2）反向并联；
可控关断断路器回路包括第一触发晶闸管（T t1）、第二触发晶闸管（T t2）、第二电容（C 2）、第三电容（C 3）、第四电容（C 4）和第五电容（C 5）；第一触发晶闸管（T t1）的阴极分别与第二电容（C 2）的负极相连，阳极分别与第四二极管（D 4）的阴极、第二主晶闸管（T m2）的阳极和第五电容（C 5）的正极相连；第二触发晶闸管（T t2）的阴极分别与第三电容（C 3）的负极相连，阳极分别与第三二极管（D 3）的阴极、第一主晶闸管（T m1）的阳极和第四电容（C 4）的正极相连；第二电容（C 2）的正极与第三电容（C 3）的正极相连后接入第一电感（L 1）和第二电感（L 2）之间；
充电电路包括第二电阻（R 2）、第三电阻（R 3）、第四电阻（R 4）、第二二极管（D 2）和第一电容（C 1）；第二电阻（R 2）与第二二极管（D 2）并联后一端连接于与第一电感（L 1）和第二电感（L 2）之间，另一端与第一电容（C 1）正极连接；第三电阻（R 3）的一端分别与第一触发晶闸管（T t1）的阴极和第二电容（C 2）的负极相连，第四电阻（R 4）的一端分别与第二触发晶闸管（T t2）的阴极和第三电容（C 3）的负极相连；
能量耗散通路包括第一电阻（R 1）和第一二极管（D 1）；第一电阻（R 1）的一端与第一二极管（D 1）的阳极相连，第一二极管（D 1）的阴极与第一电容（C 1）的正极相连，第一电容（C 1）的负极与第一电阻（R 1）的另一端、第三电阻（R 3）的另一端、第四电阻（R 4）的另一端以及第四电容（C 4）的负极、第五电容（C 5）的负极相连；
第一电容（C 1）的负极与电源（U s）的负极相连，正极与第二二极管（D 2）的阳极相连；第四电容（C 4）的正极与电源（U s）的正极相连，负极与电源（U s）的负极相连；第五电容（C 5）的负极与电源（U s）的负极相连；其特征在于，该控制方法包括近距离故障直流关断器的关断过程和远距离故障直流断路器的关断过程，近距离故障直流关断器的关断采用自动关断，远距离故障直流关断器的关断采用可控关断；步骤如下：
直流断路器启动时，电源（U s）通过第二电阻（R 2）向第一电容（C 1）充电，通过第三电阻（R 3）向第二电容（C 2）充电，通过第四电阻（R 4）向第三电容（C 3）充电；
直流断路器的自动关断包括使用第一电感（L 1）与第二电感（L 2 ）作为电流传递机构；第一电感（L 1）电压被电源（U s）与第一电容（C 1）电压钳位为0，第二电感（L 2）的电压也为0；当负载侧故障时，负载电压下降，驱动第一电容（C 1）放电，第一电容（C 1）的放电电流通过第二电感（L 2）传递给第一电感（L 1）或通过第一电感（L 1）传递给第二电感（L 2），进而关断第一主晶闸管（T m1）或第二主晶闸管（T m2）；
直流断路器的可控关断包括触发第一触发晶闸管（T t1）导通，第二电容（C 2）向第二电感（L 2）放电，第二电感（L 2）将放电电流传递到第一电感（L 1），进而关断第一主晶闸管（T m1）；触发第二触发晶闸管（T t2）导通，第二电容（C 2）向第一电感（L 1）放电，第一电感（L 1）将放电电流传递到第二电感（L 2），进而关断第二主晶闸管（T m2）；
直流断路器的故障能量耗散包括当第二电感（L 2）与第一电容（C 1）发生谐振时，第一电容（C 1）的电压u C1下降为0，电流切换到第一电阻（R 1）和第一二极管（D 1）支路，第一电阻（R 1）消耗故障能量；当第一电感（L 1）与第一电容（C 1）发生谐振时，第一电容（C 1）电压u C1下降为0，电流切换到第一电阻（R 1）和第一二极管（D 1）支路，第一电阻（R 1）消耗故障能量。
2.根据权利要求1所述具有自动与可控关断能力的直流断路器的控制方法，其特征在于，若故障发生点位于直流断路器右侧，近距离故障直流关断器关断过程和远距离故障直流断路器关断过程具体步骤如下：
步骤1、近距离故障直流断路器自动关断步骤为：
步骤1.1、t 0时刻之前，断路器处于正常工作状态，负载电流I l 通过第一主晶闸管（T m1），导通压降为V on.thy ；
步骤1.2、t 0时刻发生短路故障，第一电感（L 1）电压被钳位为0，第二电感（L 2）的电压亦为0；第一电容（C 1）放电，第一电容（C 1）的放电电流通过第二电感（L 2）传递到第一电感（L 1），与负载电流I l 相互抵消，使通过第一主晶闸管（T m1）的总电流为0，将第一主晶闸管（T m1）关断；
步骤1.3、t 1时刻，第一主晶闸管（T m1）恢复对正向电压阻断能力，可靠关断；电路进入谐振状态，第二电感（L 2）和第一电容（C 1）发生谐振；
步骤1.4、t 2时刻，第一电容（C 1）电压u c1过零，第一二极管（D 1）导通，电路中的能量将被第一电阻（R 1）消耗；
步骤1.5、t 3时刻之后，故障能量被第一电阻（R 1）耗散；
步骤2、对于远距离故障直流断路器可控关断步骤为：
步骤2.1、t 0时刻之前，断路器处于正常工作状态，第一主晶闸管（T m1）通过负载电流I l ，导通压降为V on.thy ；
步骤2.2、t 0时刻，发生短路故障，第一电容（C 1）开始放电，受线路电感作用，第二电感（L 2）上的电流不够大，耦合成第一电感（L 1）的电流不足以将第一主晶闸管（T m1）判断，断路器处于故障检测状态；
步骤2.3、t 1时刻，故障检测状态结束，可控关断开始工作；向第一触发晶闸管（T t1）施加触发信号使其导通，第二电容（C 2）放电，回路电流i C2，i L2增大时，在第一电感（L 1 ）上形成反向耦合电流i L1；当i Tm1为0时，第一主晶闸管（T m1）关断，断路器实现对故障的阻断；
步骤2.4、t 2时刻，第二电容（C 2）与第二电感（L 2）进入谐振阶段；第二电容（C 2）电压不断下降，谐振电流i C2不断上升；
步骤2.5、t 3时刻，直流断路器电路进入能量耗散阶段；
步骤2.6、t 4时刻，第一触发晶闸管（T t1）电流i Tt1过零，第一触发晶闸管（T t1）自然关断；
步骤2.7、t 5时刻，第一电容（C 1）的电流i C1过零，第二电阻（R 2）参与故障耗散阶段；
步骤2.8、t 5时刻之后，故障能量被第一电阻（R 1）耗散，迅速衰减为0，完成关断。
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