CN103208386B - 基于双开关式的高压直流断路器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的双开关式的高压直流断路器包括半导体开关管、开关管控制光耦、开关管控制电阻、隔离电源、继电器控制电阻、继电器控制光耦和双刀双掷继电器。半导体开关管串联在高压直流电源输电线的正端，双刀双掷继电器有两个通路，其中一个通路串联在高压直流电源输电线的正端且级联在半导体开关管后面，另外一个通路串联在的高压直流电源输电线的负端，双刀双掷继电器的两个通路的输出分别为高压直流电源输电线的输出正端和输出负端，半导体开关管的通断由开关管控制光耦控制，双刀双掷继电器的两路通路的通断由继电器控制光耦控制。该断路器体积小，通断速度快，无漏电流，使用安全可靠。

Description

基于双开关式的高压直流断路器
技术领域
本发明涉及基于双开关式的高压直流断路器，是高压直流供电系统通断控制的关键技术。
背景技术
当前直流供电系统应用越来越广，直流断路器是直流供电系统的必不可少的关键器件，然而，直流系统不具备交流系统过零点的特征，因此在断开直流负载时，断路器的触头之间的空气很容易被电离而产生电弧，电压越高电离现象越明显，极易损坏触点并导致继电器不能断开负载。因此，当前的直流断路器主要有应用在低压（数十伏）的机械式继电器，和应用在高压（数千伏以上）的真空开关管，其中，机械式继电器耐压较低，真空开关管体积庞大，结构复杂，价格昂贵，两者作为控制上百伏到上千伏区间的直流的断路器都不适合。 
发明内容
本发明的目的是提出一种体积小，通断速度快，无漏电流，使用安全可靠的基于双开关式的高压直流断路器。
本发明的双开关式的高压直流断路器包括半导体开关管、开关管控制光耦、开关管控制电阻、隔离电源、继电器控制电阻、继电器控制光耦和双刀双掷继电器，开关管控制光耦中发光二极管的输出端与继电器控制光耦中发光二极管的输出端相连，开关管控制光耦中发光二极管的输入端与开关管控制电阻的一端相连，开关管控制电阻的另一端为半导体开关管控制端，继电器控制光耦中发光二极管的输入端与继电器控制电阻的一端相连，继电器控制电阻的另一端为双刀双掷继电器控制端，开关管控制光耦中晶体管的集电极与隔离电源的一个输出端及继电器控制光耦中晶体管的集电极共同相连，开关管控制光耦中晶体管的发射极与半导体开关管的栅极相连，继电器控制光耦中晶体管的发射极与双刀双掷继电器中的螺线圈的一端相连，螺线圈的另一端与隔离电源的另一个输出端、半导体开关管的源极以及双刀双掷继电器的一个动触点相连，双刀双掷继电器的另一个动触点为直流电源输入端负极，半导体开关管的漏极为直流电源输入端正极，双刀双掷继电器一个静触点为直流电源输出端正极，另一个静触点为直流电源输出端负极，隔离电源的一个输入端接控制电源正极，另一个输入端接控制电源负极。
本发明结合了机械式继电器电气隔离的优点和半导体开关管快速通断数百伏直流的优点，可实现数百伏乃至上千伏直流电流通断。
本发明与传统的单纯的机械式继电器相比，其具有更高的通断电压等级能力，更快的通断速度和更长的使用寿命；与半导体开关管相比，其可实现电气隔离，没有漏电流；与真空开关管相比，其具有更小的体积，更快的通断速度。因水下环境的直流供电系统要求具有较高电压通断能力、没有漏电流、通断速度快、体积小、更长的使用寿命等特点，本发明所具有的特点很适合应用在水下直流供电系统，可促进水下供电网络乃至海底观测网网络、海洋探测与研究、水下作业等科学技术的发展，具有重大意义。
附图说明
图1是基于双开关式的高压直流断路器示意图。
图2是断路器状态与控制信号的关系图。
图中：1、半导体开关管，2、开关管控制光耦，3、开关管控制电阻，4、隔离电源，5、继电器控制电阻，6、继电器控制光耦，7、双刀双掷继电器。
具体实施方法
以下结合附图进一步说明本发明。
如图1所示，基于双开关式的高压直流断路器包括半导体开关管1、开关管控制光耦2、开关管控制电阻3、隔离电源4、继电器控制电阻5、继电器控制光耦6和双刀双掷继电器7，开关管控制光耦2中发光二极管的输出端b与继电器控制光耦6中发光二极管的输出端b相连，开关管控制光耦2中发光二极管的输入端a与开关管控制电阻3的一端相连，开关管控制电阻3的另一端P1为半导体开关管控制端，继电器控制光耦6中发光二极管的输入端a与继电器控制电阻5的一端相连，继电器控制电阻5的另一端P2为双刀双掷继电器控制端，开关管控制光耦2中晶体管的集电极c与隔离电源4的一个输出端c及继电器控制光耦6中晶体管的集电极c共同相连，开关管控制光耦2中晶体管的发射极d与半导体开关管1的栅极g相连，继电器控制光耦6中晶体管的发射极d与双刀双掷继电器7中的螺线圈的一端相连，螺线圈的另一端与隔离电源4的另一个输出端d、半导体开关管1的源极s以及双刀双掷继电器7的一个动触点c相连，双刀双掷继电器7的另一个动触点d为直流电源输入端负极，半导体开关管1的漏极d为直流电源输入端正极，双刀双掷继电器7的一个静触点e为直流电源输出端正极，另一个静触点f为直流电源输出端负极，隔离电源4的一个输入端a接控制电源正极Vcc，另一个输入端b接控制电源负极SGND。
上述的半导体开关管可以是MOSFET开关管或者IGBT开关管，可根据被控制的电压等级和电流等级而选择不同耐压等级和不同过电流等级，以实现在不同的应用条件下获得最优成本控制。
上述的双刀双掷继电器7可根据被控制的电压等级和电流等级而选择不同隔离电压等级和不同过电流等级的常开型继电器，以实现在不同的应用条件下获得最优成本控制。
所述的开关管控制光耦2和继电器控制光耦6可根据体积和隔离电压要求选择不同型号的光耦器件。
本发明的双开关式的高压直流断路器中的开关管控制光耦和继电器控制光耦均由一个隔离电源供电，隔离电源的电压可根据半导体开关管和双刀双掷继电器的要求选择10伏到15伏的输出。开关管控制电阻和继电器控制电阻分别对开关管控制光耦和继电器控制光耦的驱动电流进行限流。
半导体开关管串联在高压直流电源输电线的正端，双刀双掷继电器有两个通路，其中一个通路串联在高压直流电源输电线的正端且级联在半导体开关管后面，另外一个通路串联在的高压直流电源输电线的负端，双刀双掷继电器的两个通路的输出分别为高压直流电源输电线的输出正端和输出负端，半导体开关管的通断由开关管控制光耦控制，双刀双掷继电器的两路通路的通断由继电器控制光耦控制。
实际应用时，由单片机或者工控机对该断路器进行控制，一个10伏到15伏的直流电源连接到该断路器隔离电源的Vcc端口和SGND端口，单片机或者工控机的两路控制信号分别连接到半导体开关管控制端口P1和双刀双掷继电器控制端口P2。如图2所示，当需要闭合该断路器时，首先将P2端电平置高，此时断路器内部的双刀双掷继电器7闭合，然后间隔T1时间后将P1端电平置高，此时半导体开关管1闭合，实现高压直流电源输电线路的导通；当需要断开该断路器时，首先将P1端电平置低，此时半导体开关管1断开，然后间隔T2时间后将P2端电平置低，此时断路器内部的双刀双掷继电器7断开，实现高压直流电源输电线路的断开。其中，时间间隔T1和T2取决于双刀双掷继电器的开启速度和关断速度，通常为1毫秒到20毫秒。

Claims (3)

1.基于双开关式的高压直流断路器，其特征在于包括半导体开关管(1)、开关管控制光耦(2)、开关管控制电阻(3)、隔离电源(4)、继电器控制电阻(5)、继电器控制光耦(6)和双刀双掷继电器(7)，开关管控制光耦(2) 中发光二极管的输出端（b）与继电器控制光耦(6) 中发光二极管的输出端（b）相连，开关管控制光耦(2) 中发光二极管的输入端（a）与开关管控制电阻(3)的一端相连，开关管控制电阻(3)的另一端（P1）为半导体开关管控制端，继电器控制光耦(6) 中发光二极管的输入端（a）与继电器控制电阻(5)的一端相连，继电器控制电阻(5)的另一端（P2）为双刀双掷继电器控制端，开关管控制光耦(2) 中晶体管的集电极（c）与隔离电源(4)的一个输出端（c）及继电器控制光耦(6) 中晶体管的集电极（c）共同相连，开关管控制光耦(2) 中晶体管的发射极（d）与半导体开关管(1)的栅极（g）相连，继电器控制光耦(6) 中晶体管的发射极（d）与双刀双掷继电器(7)中的螺线圈的一端相连，螺线圈的另一端与隔离电源(4)的另一个输出端（d）、半导体开关管(1)的源极（s）以及双刀双掷继电器(7)的一个动触点（c）相连，双刀双掷继电器(7)的另一个动触点（d）为直流电源输入端负极，半导体开关管(1)的漏极（d）为直流电源输入端正极，双刀双掷继电器(7) 一个静触点（e）为直流电源输出端正极，另一个静触点（f）为直流电源输出端负极，隔离电源(4)的一个输入端（a）接控制电源正极（Vcc），另一个输入端（b）接控制电源负极（SGND）。
2.根据权利要求1所述的基于双开关式的高压直流断路器，其特征在于所述的半导体开关管(1)是MOSFET开关管或者IGBT开关管。
3.根据权利要求1所述的基于双开关式的高压直流断路器，其特征在于所述的双刀双掷继电器(7)是常开型继电器。
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