CN116613712A - 一种基于晶闸管的低压直流混合式断路器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于低压配电技术领域，公开了一种基于晶闸管的低压直流混合式断路器及其控制方法，所述基于晶闸管的低压直流混合式断路器包括：主通流支路，包括塑壳断路器S₁和隔离开关S₃；驱动电路，包括二极管D₃、二极管D₂、电阻R₁、稳压管D₄和电容C₂；电力电子支路，包括晶闸管SCR、电阻R₃、电容C₁和二极管D₁；耗能支路，包括并联的金属氧化物压敏电阻MOV和电阻R₄。本发明可实现低压直流系统中故障电流的快速清除，从而保护系统安全可靠用电，为低压直流断路器的发展提供了新思路。

Description

一种基于晶闸管的低压直流混合式断路器及其控制方法

技术领域

本发明属于低压(解释性的，一般指1500V以下)配电技术领域，特别涉及一种基于晶闸管的低压直流混合式断路器及其控制方法。

背景技术

随着以光伏为主的可再生能源快速发展，直流系统作为解决分布式能源并网的关键技术成为了未来电力系统改革的主要方向。与传统交流系统相比，直流系统具有结构简单、线路损耗小、控制简单等优点，目前已应用于光伏场站、电动汽车充电桩、储能中心、零碳建筑、全电飞机、轨道交通等多个场景。但是，直流系统由于缺乏自然过零点、线路阻抗小，导致故障电流上升速度过快，传统交流过零点熄灭技术不再适用；同时，系统电压随着需求不断提升接近至1500V，使得直流开断更加困难；因此，对于直流系统开断保护技术提出了更高的要求。

目前，低压直流系统开断保护仍然以断路器为主，其根据结构不同可以分为机械断路器、固态断路器和混合式断路器；其中，机械断路器以传统交流开断方式为主，通过热磁脱扣机构或者智能脱扣机构实现故障电流检测，然后解锁操作机构进而实现分闸，为了加速息弧速度常采用添加灭弧栅片、添加永磁体、添加产气材料等方式，由于正常工况下通过机械触头传导电流，因此具有传导损耗小、成本低的优点，但是开断时间常在几十毫秒，难以满足直流系统开断需求；固态断路器以电力电子器件为主，通过检测信号控制电力电子器件通断，从而实现微秒量级的开断速度，具备服役寿命长、开断速度快、无弧开断的有点，是目前低压断路器研究热点，但是由于器件成本较高、耐压耐流性能难以提升、导通损耗大，其发展收到了限制；混合式断路器在结构上结合了机械开关和电力电子器件，成为了开断性能、成本之间较为平衡的折中方案，兼具导通损耗低、开断速度适中、成本适中的优点，在低压直流开断领域具有较好的发展前景。

目前，针对低压直流系统故障电流清除困难、燃弧时间长等问题，低压混合式断路器尚无较为成熟的产品出现。因此，研制具备小型化、高性能、高可靠性的国产化低压直流混合式断路器，对推动我国以直流为主的新型电力系统发展具备重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于晶闸管的低压直流混合式断路器及其控制方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明技术方案中，一方面提供了一种基于半控型器件的快速低压直流混合式断路器设备，其有别于传统混合式断路器的电路结构，可实现低压直流系统中故障电流的快速清除，从而保护系统安全可靠用电；另一方面，提供了一种新的开断控制策略，为低压直流断路器的发展提供了新思路。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种基于晶闸管的低压直流混合式断路器，包括：

主通流支路，包括塑壳断路器S₁和隔离开关S₃；所述隔离开关S₃的第一端用于与系统电源相连接，所述隔离开关S₃的第二端与所述塑壳断路器S₁的第一端相连接，所述塑壳断路器S₁的第二端用于与负载相连接；

驱动电路，包括二极管D₃、二极管D₂、电阻R₁、稳压管D₄和电容C₂；所述二极管D₃的阳极连接于所述塑壳断路器S₁与所述隔离开关S₃之间的连接线，所述二极管D₃的阴极经所述电阻R₁与所述电容C₁的一端相连接，所述电容C₁的另一端用于接地；所述稳压管D₄与所述电容C₂反向并联，所述二极管D₂的阳极与所述稳压管D4的负极相连接；

电力电子支路，包括晶闸管SCR、电阻R₃、电容C₁和二极管D₁；所述晶闸管SCR的阳极与所述塑壳断路器S₁的第一端相连接，所述晶闸管SCR的阴极经所述电阻R₃与所述电容C₁的一端相连接，所述电容C₁的另一端与所述二极管D₁的阳极相连接，所述二极管D₁的阴极与所述塑壳断路器S₁的第二端相连接；所述晶闸管SCR的门级与所述二极管D₂的阴极经机械开关S₂相连接；

耗能支路，包括并联的金属氧化物压敏电阻MOV和电阻R₄；所述耗能支路的一侧与所述晶闸管SCR的阴极相连接，所述耗能支路的另一侧与所述二极管D₁的阳极相连接。

本发明的进一步改进在于，所述稳压管D₄的钳位电压大于所述晶闸管SCR的最小驱动电压。

本发明的进一步改进在于，所述机械开关S₂通过连杆机构与所述塑壳断路器S₁的动触头相连接，用于形成固定延时；其中，在合闸瞬间，所述机械开关S₂先闭合，经过延时后所述塑壳断路器S₁闭合；在分闸时刻，所述塑壳断路器S₁先分闸，经过延时后所述机械开关S₂断开。

本发明的进一步改进在于，所述电容C₁放电期间，加载在所述晶闸管SCR上的反压需要持续的时间需要满足：放电时间大于等于塑壳断路器S₁、机械开关S₂延时时间；在机械延时时间内，电容C₁上电压始终高于系统电源电压。

本发明的进一步改进在于，所述电容C₁耐压值大于所述金属氧化物压敏电阻MOV的钳位电压。

本发明的进一步改进在于，所述电容C₂放电瞬间满足所述晶闸管SCR驱动电压电流需求，所述晶闸管SCR的反向耐压值大于所述金属氧化物压敏电阻MOV钳位电压与系统电源电压之差。

本发明的进一步改进在于，所述晶闸管SCR替换为多个晶闸管串并联的连接结构。

本发明的进一步改进在于，所述耗能支路中，当故障电流换向至所述电力电子支路后持续为电容C₁充电，耗能阶段分为两种情况：

(1)当电阻R₃、电容C₁上电压大于系统电源电压且小于金属氧化物压敏电阻MOV钳位电压时，故障电流持续降低直到所述晶闸管SCR被强制关断，后续电容C₁存储能量通过电阻R₃、电阻R₄释放；

(2)当电容C₁电压大于金属氧化物压敏电阻MOV钳位电压时，压敏电阻由高阻态降为低阻态，故障电流从电力电子支路换向至金属氧化物压敏电阻MOV存在的耗能支路，能量以热的形式完成耗散，最终电流降为零，所述晶闸管SCR关断。

本发明提供的一种基于晶闸管的低压直流混合式断路器的控制方法，包括以下步骤：

合闸时，隔离开关S₃首先闭合，流经驱动电路，持续为电容C₂充电；电容C₂电压持续上升，当电压大于稳压管D₄动作电压后稳压管动作，电压被钳位；电容C₂电压稳定后，随后电力电子支路的机械开关S₂闭合，电容C₂通过机械开关S₂为晶闸管SCR施加驱动电压和驱动电流，晶闸管SCR导通，电力电子支路通过电流，电流为电容C₁充电；在延时作用下，塑壳断路器S₁闭合，主通流支路中为金属触头接触；

当系统正常工作时，电流通过主通流支路；

当负载侧产生短路故障时，塑壳断路器S₁的金属触头在热磁脱扣机构作用下打开，随着触头开距增大，触头间电阻逐渐增大，强迫电流换向至常通状态的电力电子支路，塑壳断路器S₁打开的过程中产生电弧；随后经过时间延时后机械开关S₂断开，晶闸管SCR的门级不再施加电压；当故障电流完全换向至电力电子支路后，故障电流通过晶闸管SCR、电阻R₃为电容C₁持续充电；其中，故障清除模式与故障电流等级有关，当电流较小时，电容C₁完全吸收线路能量，电压大于系统电源电压且并未超过金属氧化物压敏电阻MOV动作电压，晶闸管SCR承受反向电压，故障电流下降最后强制关断，电容C₁通过电阻R₃、电阻R₄放电；当电流较大时，金属氧化物压敏电阻MOV两端电压上升，达到钳位电压后，故障电流从电容C₁换向至金属氧化物压敏电阻MOV所在支路，电流下降直到降为晶闸管SCR擎住电流以下，晶闸管SCR完全关断，最终断路器完成故障电流清除，隔离开关S₃打开。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明具体提供了一种基于晶闸管的快速低压直流混合式断路器，设置有驱动电路、电力电子支路和耗能支路；其中，快速低压直流混合式断路器开断故障电流时，电流可以快速换向至电力电子支路，塑壳断路器S₁的金属触头间电弧燃弧时间缩短，因此触头机构使用寿命得到了提升；再有，该混合式断路器电路结构简单，由半控型器件和无源器件组成，不需要设计外部驱动电路，器件导通关断方式简单。综上，本发明混合式断路器由传统塑壳断路器与半控型器件晶闸管相结合，开断速度比传统塑壳断路器开断速度更快；本发明结构利用无源器件构成了驱动电路，用于控制晶闸导通；本发明结构可以实现电流快速换向，缩短燃弧时间，断路器整体寿命得到延长。

本发明中，所述机械开关S₂通过连杆机构与所述塑壳断路器S₁的动触头相连接，用于形成固定延时；其中，设置的连杆机械结构，可以实现多支路延时开断，不需要提供控制单元，控制方式简单；在塑壳断路器触头与晶闸管驱动电路开关间通过机械结构连接，可以实现双开关联动开断；通过上述时序控制，可以实现在合闸时电流首先通过电力电子支路为电容C₁充电，当塑壳断路器S₁随后闭合时，由于主通流支路低阻抗特性，电流自发换向至该支路，同时电容C₁缓慢通过电阻R₃、电阻R₄放电，分闸时塑壳断路器S₁打开的同时电力电子支路也已经导通，可以迅速完成电流换向避免电弧长时间燃烧。

本发明控制方法中，通过首先为驱动电路自供能，其次在合闸期间首先导通电力电子器件，在分闸过程同样在电力电子器件导通情况下断开机械触头，减少电弧燃烧时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种基于晶闸管的低压直流混合式断路器设备电路拓扑结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种基于晶闸管的低压直流混合式断路器设备工作流程示意图；其中，图2中(a)为驱动电路充电过程示意图，图2中(b)为晶闸管合闸导通过程示意图，图2中(c)为合闸电流转移过程示意图，图2中(d)为短路换流过程示意图，图2中(e)为小电流耗能过程示意图，图2中(f)为大电流耗能过程示意图，图2中(g)为故障清除示意图；

图3是本发明实施例提供的机械开关时序示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，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的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

请参阅图1，本发明实施例提供的一种基于晶闸管的低压直流混合式断路器，包括：

主通流支路，可设置于在系统电源和负载之间，用于承担导通额定电流的作用；所述主通流支路包括串接的塑壳断路器(Molded case circuit breaker，MCCB)S₁、隔离开关S₃；示例解释性的，图1中的L_s为线路电感，负载为电阻R₂；

驱动电路，包括二极管D₃、二极管D₂、电阻R₁、稳压管D₄和电容C₂；其中，二极管D₃的阳极连接于塑壳断路器S1与隔离开关S₃之间的连接线，二极管D₃的阴极经电阻R₁与电容C₁的一端串联，电容C₁的另一端用于接地；稳压管D₄与电容C₂反向并联，二极管D₂的阳极与稳压管D₄的负极相连，二极管D₂的阴极经机械开关S₂连接晶闸管(Thyristor，SCR)的门级；示例解释性的，当隔离开关S₃合闸时系统电源通过二极管D₃、电阻R₁为电容C₁充电，直到电容C₁电压大于稳压管D₄的动作电压，电压被钳位，稳压管D₄的钳位电压需要大于晶闸管SCR的最小驱动电压，同时为晶闸管SCR导通提供驱动电流；

电力电子支路，包括串联的晶闸管SCR、电阻R₃、电容C₁和二极管D₁；其中，晶闸管SCR的阳极连接塑壳断路器S₁的靠近隔离开关S₃的一端，晶闸管SCR的阴极经电阻R₃与电容C₁的一端相连接，电容C₁的另一端与二极管D₁的阳极相连接，二极管D₁的阴极与塑壳断路器S₁的远离隔离开关S₃的一端相连接；所述电力电子支路用于塑壳断路器S₁断开后继续导通故障电流；

耗能支路，包括并联的金属氧化物压敏电阻(Metal oxide varistor，MOV)和电阻R₄，所述耗能支路的一侧与晶闸管SCR的阴极相连，另一侧与二极管D₁的阳极相连；示例解释性的，当故障电流换向至电力电子支路后持续为电容C₁充电，耗能阶段分为两种情况：(1)当电阻R₃、电容C₁上电压大于电源电压但是小于金属氧化物压敏电阻MOV钳位电压时，故障电流持续降低直到晶闸管SCR被强制关断，后续电容C₁存储能量通过电阻R₃、电阻R₄释放；(2)当电容C₁电压大于金属氧化物压敏电阻MOV钳位电压时，压敏电阻由高阻态迅速降为低阻态，故障电流迅速从电力电子支路换向至金属氧化物压敏电阻MOV存在的耗能支路，能量以热的形式完成耗散，最终电流降为零，晶闸管SCR关断。

本发明实施例具体公开了一种基于晶闸管的快速低压直流混合式断路器设备拓扑结构，所描述设备采用半控型器件晶闸管作为主要换流元件，利用无源器件组合形成自驱动电路，通过机械连杆结构将主通流支路与晶闸管驱动电路耦合，从而完成断路器自动触发及换向。该断路器正常导通状态下额定电流通过由机械开关组成的主通流支路，故障产生后在电弧电压作用下电流换向至电子模块，通过电容快速充电强迫晶闸管关断，最终通过压敏电阻完成能量泄放，从而实现故障电流的清除，降低导通损耗的同时进一步降低了故障清楚时间。该断路器可以广泛应用于零碳建筑、电动汽车充电桩、光伏场站、储能中心、全电飞机等典型低压直流场景。

本发明实施例技术方案的原理性解释，晶闸管SCR的驱动电路中的机械开关S₂可通过连杆机构与塑壳断路器S₁动触头相连，设置有一个固定延时，在合闸瞬间机械开关S₂首先闭合，经过延时后塑壳断路器S₁闭合；在分闸时刻塑壳断路器S₁首先分闸，经过延时后机械开关S₂断开；通过上述时序控制，可以实现在合闸时电流首先通过电力电子支路为电容C₁充电，当塑壳断路器S₁随后闭合时，由于主通流支路低阻抗特性，电流自发换向至该支路，同时电容C₁缓慢通过电阻R₃、电阻R₄放电，分闸时塑壳断路器S₁打开的同时电力电子支路也已经导通，可以迅速完成电流换向避免电弧长时间燃烧。

本发明实施例提供的基于晶闸管的低压直流混合式断路器在实际使用过程中，快速低压直流混合式断路器设备开断故障电流时，采用以下步骤：

合闸时隔离开关S₃首先闭合，系统电压为晶闸管驱动电路充电，同时塑壳断路器S₁传导系统额定电流，由于塑壳断路器S₁为金属触头接触，因此导通电阻、导通损耗可以近似忽略；其中，塑壳断路器S₁与晶闸管驱动电路中的机械开关S₂通过机械连杆结构进行连接，当机械开关S₂闭合经过固定延时后主通流支路的塑壳断路器S₁闭合；

当系统正常工作时，电流通过主通流支路；

故障产生时，塑壳断路器S₁的金属触头通过热磁脱扣机构打开，电流在电弧电压作用下强制换流至晶闸管所在的电力电子支路，电流逐渐降低的同时为该支路电容充电，最终晶闸管承受反压关断，电容存储能量通过耗能支路进行耗散，故障完成清除。

本发明实施例中，以负载侧产生故障为例，阐述本发明快速低压混合式断路器拓扑结构清除故障电流的过程，包括：

断路器在接入前塑壳断路器S₁和机械开关S₂均处于断开状态，线路中无电流流过；

当断路器合闸时，隔离开关S₃首先闭合，流经二极管D₃、电阻R₁、电容C₂组成的驱动电路，持续为电容C₂充电，其中C₂电压可用下式计算：

式中，U₂为电容C₂电压/V；U_DC为系统电压；R₁为电阻R₁阻值；C₂为电容C₂容值，t为时间；

C₂电压持续上升，当电压大于稳压管D₄动作电压后稳压管动作，则电压被钳位；电容C₂电压稳定后，随后电力电子支路的机械开关S₂闭合，电容C₂通过机械开关S₂为晶闸管SCR施加驱动电压和驱动电流，晶闸管SCR导通，电力电子支路通过电流，电流经过晶闸管SCR、电阻R₃、电容C₁、线路电感L_s、负载R₂组成的回路，为电容C₁充电；在机械结构延时作用下，塑壳断路器S₁闭合，主通流支路中为金属触头接触，电阻远小于电力电子支路，因此正常工况下电流从塑壳断路器S₁导通，导通损耗可以近似忽略；

当负载侧产生短路故障时，电流迅速增大，塑壳断路器S₁的金属触头在热磁脱扣机构作用下打开，随着触头开距增大，触头间电阻逐渐增大，强迫电流换向至常通状态的电力电子支路，塑壳断路器S₁打开的过程产生电弧，随后经过时间延时后机械开关S₂断开，晶闸管SCR的门级不再施加电压；

当故障电流完全换向至电力电子支路后，故障电流通过晶闸管SCR、电阻R₃为电容C₁持续充电；解释性的，故障清除模式与故障电流等级有关，当电流较小时，电容C₁完全吸收线路能量，电压大于系统电源电压但是并未超过金属氧化物压敏电阻MOV动作电压，因此晶闸管SCR承受反向电压，故障电流快速下降最后强制关断，电容C1通过电阻R₃、电阻R₄缓慢放电；当电流较大时，金属氧化物压敏电阻MOV两端电压快速上升，当达到钳位电压后，故障电流从电容C₁换向至金属氧化物压敏电阻MOV所在支路，电流缓慢下降直到降为晶闸管SCR擎住电流以下，晶闸管SCR完全关断，最终断路器完成故障电流清除，隔离开关S₃打开。

本发明实施例提供的电路拓扑结构采用半控型晶闸管作为主要换流元件，其性能主要限制断路器整体的开断能力；故障电流等级与故障点产生位置有关，因此需要满足在最大故障电流等级下晶闸管依然可以正常导通，可采用多个晶闸管串并联的方式处理，同时需要电容C₂放电瞬间满足晶闸管驱动电压电流需求，晶闸管的反向耐压值也需要大于金属氧化物压敏电阻钳位电压与电源电压之差。电容C₁作为缓冲电路的关键部件，其容值和耐压值则是其选择关键，为了避免在充电阶段电容击穿而损坏，需要保证电容C₁耐压值大于金属氧化物压敏电阻MOV的钳位电压；同时为了确保晶闸管SCR可靠关断，在电容缓慢放电期间，加载在晶闸管SCR上的反压需要持续足够长时间，其时间需要满足：放电时间大于等于机械开关S₁、S₂延时时间；在机械延时时间内，电容C₁上电压始终高于电源电压。对于金属氧化物压敏电阻MOV的选择，由于其并未与电力电子器件并联，因此只需要考虑其钳位电压小于电容C₁耐压值，同时吸收能量小于其数据手册规定最大值即可。

综上所述，本发明实施例具体公开了一种基于晶闸管的快速低压直流混合式断路器设备拓扑结构，所描述设备采用半控型器件晶闸管作为主要换流元件，利用无源器件组合形成自驱动电路，通过机械连杆结构将主通流支路与晶闸管驱动电路耦合，从而完成断路器自动触发及换向。该断路器正常导通状态下额定电流通过由机械开关组成的主通流支路，故障产生后在电弧电压作用下电流换向至电子模块，通过电容快速充电强迫晶闸管关断，最终通过压敏电阻完成能量泄放，从而实现故障电流的快速清除，降低导通损耗的同时进一步降低了故障清楚时间。该断路器可以广泛应用于零碳建筑、电动汽车充电桩、光伏场站、储能中心、全电飞机等典型低压直流场景。

请参阅图2和图3，本发明实施例中具体阐述了快速低压混合式断路器工作过程，包括：

阶段1：断路器初始状态未合闸，当隔离开关S₃闭合，系统电源通过隔离开关S₃和二极管D₃、电阻R₁和电容C₂为驱动电路进行供能，电容C₂电压持续上升，直到超过稳压管D₄动作电压后，电压钳位保持稳定，该阶段对应于图2中(a)所示。当电容C₂电压加在晶闸管SCR驱动端，为晶闸管提供驱动电压、驱动电流，晶闸管瞬间导通，电流通过S₃、SCR、R₃、C₁、电感Ls、电阻R₂，电容C₁持续充电，该阶段对应于图2中(b)和图3中t₁～t₂时刻；

阶段2：t₂时刻，塑壳断路器S₁在机械连杆机构作用下动作闭合，由于主通流支路阻抗远低于电力电子支路，因此电流换向至主通流支路；同时，晶闸管所在支路电流为零，因此电容C₁通过电阻R₃、R₄反向缓慢放电，对应于图2中(c)；

阶段3：该阶段系统处于正常工作状态，系统无故障产生，塑壳断路器S₁导通负载额定工作电流，对应t₂～t₃时刻；

阶段4：故障产生时，电流快速上升，但是由于塑壳断路器S₁存在选择性保护功能，因此电流开始上升时刻触头并不立刻打开，电流上升至某值时触头在热磁脱扣机构带动下打开；

阶段5：t₃时刻，触头快速打开，由于晶闸管SCR始终处于导通状态，因此当触头打开时，在电弧电压作用下电流快速换向至晶闸管SCR所在支路，该阶段省去了故障检测、驱动信号发出所需时间，因此可以快速实现电流换向，燃弧时间缩短，对应于图2中(d)；

阶段6：t₃～t₄时刻，机械开关S₂在连杆机构作用下打开，电容C₂与晶闸管SCR驱动端断开，而由于晶闸管SCR为半控型器件，该支路仍然存在故障电流，因此不会迅速闭合；

阶段7：在耗能阶段，根据故障电流等级不同，该阶段耗能支路的工作模式也不相同；其中，当在额定工况、过载情况下开断时，由于电流等级较小，因此电容C₁上充电电压并不会超过金属氧化物压敏电阻MOV动作电压，金属氧化物压敏电阻MOV不动作，因此当晶闸管SCR关断后，电容C₁通过电阻R₃和R₄进行放电，如图2中(e)所示；当存在短路故障、浪涌电流时，故障电流较大，因此电容C₁电压快速上升，电容C₁和电阻R₃构成了缓冲电路，当电容C₁和电阻R₃两端电压大于金属氧化物压敏电阻MOV的动作电压时，故障电流快速换向至金属氧化物压敏电阻MOV所在支路，同时电容C₁也通过该支路反向放电，最终完成能量耗散，对应于图2中(f)；

阶段8：当晶闸管SCR中电流降低接近零，同时晶闸管SCR驱动端不加驱动电压时，晶闸管SCR强制关断，故障清除，隔离开关S₃打开，将负载端与电源侧完全断开。

本发明实施例方法中，混合式断路器由传统塑壳断路器与半控型器件晶闸管相结合，开断速度比传统塑壳断路器开断速度更快；该结构利用无源器件构成了驱动电路，用于控制晶闸导通；该结构在塑壳断路器触头与晶闸管驱动电路开关间通过机械结构连接，可以实现双开关联动开断；该结构可以实现电流快速换向，缩短燃弧时间，断路器整体寿命得到延长；该结构通过首先为驱动电路自供能，其次在合闸期间首先导通电力电子器件，在分闸过程同样在电力电子器件导通情况下断开机械触头，大大减少电弧燃烧时间。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于晶闸管的低压直流混合式断路器，其特征在于，包括：

主通流支路，包括塑壳断路器S₁和隔离开关S₃；所述隔离开关S₃的第一端用于与系统电源相连接，所述隔离开关S₃的第二端与所述塑壳断路器S₁的第一端相连接，所述塑壳断路器S₁的第二端用于与负载相连接；

驱动电路，包括二极管D₃、二极管D₂、电阻R₁、稳压管D₄和电容C₂；所述二极管D₃的阳极连接于所述塑壳断路器S₁与所述隔离开关S₃之间的连接线，所述二极管D₃的阴极经所述电阻R₁与所述电容C₁的一端相连接，所述电容C₁的另一端用于接地；所述稳压管D₄与所述电容C₂反向并联，所述二极管D₂的阳极与所述稳压管D4的负极相连接；

电力电子支路，包括晶闸管SCR、电阻R₃、电容C₁和二极管D₁；所述晶闸管SCR的阳极与所述塑壳断路器S₁的第一端相连接，所述晶闸管SCR的阴极经所述电阻R₃与所述电容C₁的一端相连接，所述电容C₁的另一端与所述二极管D₁的阳极相连接，所述二极管D₁的阴极与所述塑壳断路器S₁的第二端相连接；所述晶闸管SCR的门级与所述二极管D₂的阴极经机械开关S₂相连接；

耗能支路，包括并联的金属氧化物压敏电阻MOV和电阻R₄；所述耗能支路的一侧与所述晶闸管SCR的阴极相连接，所述耗能支路的另一侧与所述二极管D₁的阳极相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于晶闸管的低压直流混合式断路器，其特征在于，所述稳压管D₄的钳位电压大于所述晶闸管SCR的最小驱动电压。

3.根据权利要求1所述的一种基于晶闸管的低压直流混合式断路器，其特征在于，所述机械开关S₂通过连杆机构与所述塑壳断路器S₁的动触头相连接，用于形成固定延时；其中，在合闸瞬间，所述机械开关S₂先闭合，经过延时后所述塑壳断路器S₁闭合；在分闸时刻，所述塑壳断路器S₁先分闸，经过延时后所述机械开关S₂断开。

4.根据权利要求3所述的一种基于晶闸管的低压直流混合式断路器，其特征在于，所述电容C₁放电期间，加载在所述晶闸管SCR上的反压需要持续的时间需要满足：放电时间大于等于塑壳断路器S₁、机械开关S₂延时时间；在机械延时时间内，电容C₁上电压始终高于系统电源电压。

5.根据权利要求1所述的一种基于晶闸管的低压直流混合式断路器，其特征在于，所述电容C₁耐压值大于所述金属氧化物压敏电阻MOV的钳位电压。

6.根据权利要求1所述的一种基于晶闸管的低压直流混合式断路器，其特征在于，所述电容C₂放电瞬间满足所述晶闸管SCR驱动电压电流需求，所述晶闸管SCR的反向耐压值大于所述金属氧化物压敏电阻MOV钳位电压与系统电源电压之差。

7.根据权利要求1所述的一种基于晶闸管的低压直流混合式断路器，其特征在于，所述晶闸管SCR替换为多个晶闸管串并联的连接结构。

8.根据权利要求1所述的一种基于晶闸管的低压直流混合式断路器，其特征在于，所述耗能支路中，当故障电流换向至所述电力电子支路后持续为电容C₁充电，耗能阶段分为两种情况：

(1)当电阻R₃、电容C₁上电压大于系统电源电压且小于金属氧化物压敏电阻MOV钳位电压时，故障电流持续降低直到所述晶闸管SCR被强制关断，后续电容C₁存储能量通过电阻R₃、电阻R₄释放；

(2)当电容C₁电压大于金属氧化物压敏电阻MOV钳位电压时，压敏电阻由高阻态降为低阻态，故障电流从电力电子支路换向至金属氧化物压敏电阻MOV存在的耗能支路，能量以热的形式完成耗散，最终电流降为零，所述晶闸管SCR关断。

9.一种权利要求1所述的基于晶闸管的低压直流混合式断路器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

合闸时，隔离开关S₃首先闭合，流经驱动电路，持续为电容C₂充电；电容C₂电压持续上升，当电压大于稳压管D₄动作电压后稳压管动作，电压被钳位；电容C₂电压稳定后，随后电力电子支路的机械开关S₂闭合，电容C₂通过机械开关S₂为晶闸管SCR施加驱动电压和驱动电流，晶闸管SCR导通，电力电子支路通过电流，电流为电容C₁充电；在延时作用下，塑壳断路器S₁闭合，主通流支路中为金属触头接触；

当系统正常工作时，电流通过主通流支路；

当负载侧产生短路故障时，塑壳断路器S₁的金属触头在热磁脱扣机构作用下打开，随着触头开距增大，触头间电阻逐渐增大，强迫电流换向至常通状态的电力电子支路，塑壳断路器S₁打开的过程中产生电弧；随后经过时间延时后机械开关S₂断开，晶闸管SCR的门级不再施加电压；当故障电流完全换向至电力电子支路后，故障电流通过晶闸管SCR、电阻R₃为电容C₁持续充电；其中，故障清除模式与故障电流等级有关，当电流较小时，电容C₁完全吸收线路能量，电压大于系统电源电压且并未超过金属氧化物压敏电阻MOV动作电压，晶闸管SCR承受反向电压，故障电流下降最后强制关断，电容C₁通过电阻R₃、电阻R₄放电；当电流较大时，金属氧化物压敏电阻MOV两端电压上升，达到钳位电压后，故障电流从电容C₁换向至金属氧化物压敏电阻MOV所在支路，电流下降直到降为晶闸管SCR擎住电流以下，晶闸管SCR完全关断，最终断路器完成故障电流清除，隔离开关S₃打开。