CN103972877A

CN103972877A - 直流电力系统中的断路开关

Info

Publication number: CN103972877A
Application number: CN201310616763.4A
Authority: CN
Inventors: 维贾伊·甘加达尔·帕德克
Original assignee: Astec International Ltd
Current assignee: Astec International Ltd
Priority date: 2013-02-06
Filing date: 2013-11-27
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2033-11-27
Also published as: US20140217832A1; CN103972877B; CN203787954U

Abstract

本申请公开了直流电力系统中的断路开关。一种系统包括：软直流电源，具有输出端子；直流负载；断路开关，耦接在直流电源的输出端子和直流负载之间；以及电容器，耦接在断路开关的电源侧和参考电势之间。当断路开关打开时，电容器抑制跨过断路开关的电压的上升，从而抑制开关中的电弧。此外，一种断路开关组件包括：一对输入端子，用于耦接到直流电源；一对输出端子，用于耦接到直流负载；断路开关，耦接在输入端子之一和输出端之一之间；以及电容器，耦接在该对输入端子之间。

Description

直流电力系统中的断路开关

技术领域

本公开涉及直流电力系统中的断路开关。

背景技术

本部分提供涉及本公开的背景信息，其不一定是现有技术。

断路开关通常用在电路中用于中断和/或阻止电源和电负载之间的电流流动。例如，如图1所示，具有一对触点的断路开关S1通常耦接在提供直流电力的光伏（PV）电源和将直流电力转换到交流电力的太阳能逆变器之间。通过打开断路开关S1，逆变器可以与光伏电源电隔离（例如，用于维护逆变器等）。

然而，当逆变器中有硬故障时，比如跨过它的输入端子的短路（内部或外部），PV电源也被短路。如果在来自PV电源的短路电流流动时打开断路开关S1，则跨过开关可以产生大的电压。该跨过开关的大电压与任何布线电感L1耦接可以导致跨过开关触点的延伸电弧。

对于具有直流6A的短路电流和直流450V的开路电压的PV电源，这样的一个具体示例在图2中示出。在t0时刻，当断路开关S1开始打开时，跨过开关的电压Vsw从0跳到更高的电压V0，比如直流250V。由于延伸电弧，电流Isw继续流经开关约250msec，同时跨过开关的电压Vsw上升。在t1时刻，延伸电弧结束，电流Isw停止流动，并且跨过开关的电压Vsw上升到开路电压Voc（该示例中为直流450V）。

从t0时刻到t1时刻的延伸电弧可以在开关中产生大量热量，这缩短了开关的寿命。它还可以永久地焊接开关的触点，从而阻止了开关如预期的进行工作。

如图3所示，还知道使用具有串联连接的几对开关触点的断路开关S1（例如，三刀单掷开关）。这减少了跨过每一对触点的电压的量以减少电弧。然而，使用多对开关触点增加了断路开关的物理尺寸和成本。

发明内容

该部分提供了本发明的总体概括，并不是它的全部范围或它的所有特征的全面公开。

根据本公开的一个方面，系统包括：软直流（DC）电源，具有输出端子；直流负载；断路开关，具有连接在软直流电源的输出端子和直流负载之间的电源侧和负载侧；以及电容器，耦接在断路开关的电源侧和参考电势之间。当断路开关打开时，电容器抑制跨过断路开关的电压的上升，从而抑制开关中的电弧。

根据本公开的另一方面，直流断路开关组件包括：一对输入端子，用于耦接到直流电源；一对输出端子，用于耦接到直流负载；断路开关，耦接在输入端之一和输出端之一之间；以及电容器，耦接在该对输入端子之间。

从本文提供的描述中另外的方面和适用范围将会更变得明显。应当理解，本公开的各个方面可以单独实施或与一个或更多个其他方面结合实施。还应当理解，本文的描述和具体示例只是用于说明的目的，并不意在限制本公开的范围。

附图说明

本文描述的附图只用于所选实施方式的说明目的，而不是所有可能的实施，并且不意在限制本公开的范围。

图1是根据现有技术的光伏（PV）电源和太阳能逆变器之间使用断路开关的系统的框图。

图2示出了当图1中的断路开关打开时开关中可以产生的延伸电弧。

图3是使用具有多个串联连接的触点对以减少电弧的断路开关的另一个现有技术系统的框图。

图4是根据本公开的一个示例实施例的包括断路开关的系统的框图。

图5是图4的系统的框图，但是具有与断路开关的输入侧上的电容器串联耦接的电阻器。

图6是图5的系统的一个示例实施的框图，其中，DC电源是光伏（PV）电源，DC负载是耦接到电网的逆变器。

图7是示出了当图6中的断路开关在它的负载侧上的短路状况下打开时断路开关的电压和电流波形的曲线图。

图8是根据本公开的另一个实施方式的DC断路开关组件的框图。

遍及附图的若干视图中相应的参考标号表示相应的部分。

具体实施方式

现在将参照附图将更全面地描述示例实施例。

提供示例实施例以使得本公开完整，并且向本技术领域的技术人员全面传达范围。阐述许多具体细节比如具体部件、装置和方法的示例，以提供本公开的实施方式的全面理解。对本领域的技术人员而言明显的是，不必须使用具体细节，示例实施例可以以许多不同的形式体现，每一个都不应该被解释为对本公开的范围的限制。在一些示例实施例中，不详细描述公知的处理、公知的装置结构和公知的技术。

本文使用的术语仅用于描述具体示例实施例，而不意在是限制性的。如本文使用的，除非上下文另有明确指出，单数形式“一个（a）”，“一个（an）”和“所述（the）”可以意在包括复数形式。术语“包括（comprises）”,“包括（comprising）”,“包括（including）”和“具有（having）”是包括性的，因此，指明所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合的存在或附加。本文描述的方法的步骤、过程和操作不应被解释为必须要求以讨论的或示出的特定顺序进行，除非具体确定为执行的顺序。还应当理解，可以使用附加的或替代的步骤。

虽然文中可以使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应该被这些术语所限制。这些术语可以只是用于区分一个元件、部件、区域、层或部分与另一个区域、层或部分。在文中使用术语比如“第一”、“第二”以及其他数字术语时，不意味着次序或顺序，除非上下文明确指出。因此，在不脱离示例实施例的教导的情况下，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分。

可以使用空间相关的术语比如“内部”、“外部”、“在…之下”、“在…下面”、“下层的”、“在…上面”、“上层的”以便于描述图中所示的一个元件或特征与其他（一个或更多个）元件或特征的关系。空间相关的术语可以意在包括除图中所示的方向之外的使用或操作中装置的不同方向。例如，如果图中的装置被翻转，被描述为在其他元件或特征“下面”或“之下”的元件随后将被定位为在其他元件或特征“上面”。因此，示例术语“在…下面”可以包括上面和下面的方向。装置可以被另外定向（被旋转90度或在其他方向），并且相应地解释本文使用的空间相关的描述。

图4示出了根据本公开的一个示例实施例的系统，其整体上由参考数字100表示。如图4所示，系统100包括：直流电源102，具有一对输出端子104、106；直流负载108；断路开关S1，耦接在输出端子104和直流负载108之间；电感L1；以及电容器C1，耦接在断路开关S1的电源侧和参考电势之间。当断路开关S1打开时，电流（包括由电感L1放电的任何储存的能量）可以流经电容器C1而不流经开关S1。以这种方式，可以抑制跨过开关触点的延伸电弧。

在图4所示的具体示例中，直流负载包括输入端子110、112。输入端子110耦接到断路开关S1的负载侧。此外，输入端子112耦接到电容器C1和输出端子106，其用作参考电势。参考电势也可以耦接到地。

直流电源102优选地是“软（soft）直流电源”，意味着直流电源具有限定的开路电压和限定的短路电流，它的输出电压随输出电流增加而降低（线性地或其他方式），反之亦然。软直流电源的一个示例是光伏电源（例如，由一个或更多个太阳能电池板或太阳能电池形成）。因此，当系统100中有短路状况时（例如，由于直流负载108的故障，因为软直流电源被反极性连接等），断路开关S1的电源侧（和负载侧）上的电压下降到约0伏。

直流电源可以被配置成提供高直流电压，比如达直流600V，达直流1200V等。

电感L1可以表示系统100中的各种电感源，包括耦接在直流电源102和直流负载108之间的一个或更多个电导体（例如，布线）的寄生电感和/或耦接在它的输入端子110、112之间的直流负载108中的任何电感。

如图4所示，断路开关S1可以仅包括一对开关触点（例如，单刀单掷开关）。替代地，断路开关S1可以包括多对串联连接的同时工作的（例如，多刀单掷开关）或独立工作的（例如，双刀双掷开关）开关触点。断路开关可以是手动操作的开关。替代地，断路开关可以是通过另一个装置或控制系统（例如，继电器等）自动操作的开关。

此外，系统100可以或可以不包括断路开关S1之外的断路器（例如，电流保险丝）。

在图4的系统100中，只有一个电容器耦接在断路开关S1的输入侧和参考电势之间。在其他实施方式中，可以使用多个电容器。电容器C1（以及使用的任何其他电容器）可以是安全额定电容器，例如X2类电容器。

直流负载108可以是例如开关模式电源（SMPS）。此外，如果直流电源是光伏电源，则SMPS的负载可以被配置成实现最大功率点跟踪（MPPT）功能。SMPS可以是例如直流/直流转换器或直流/交流转换器（也称为逆变器）。如果SMPS是逆变器，则逆变器可以被配置成实现MPPT功能和/或可以是用于向电网提供交流电力的并网逆变器。替代地，在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用其他类型的直流负载。

虽然图4中没有示出，断路开关S1和直流电源102之间和/或断路开关S1和直流负载108之间可以使用另外的部件。

当断路开关S1在短路状况期间被打开时，短路电流将流经电容器C1，使得电容器C1吸收电感L1放电的任何能量。在这段时间内，由于电容器C1充电，跨过断路开关S1的电压将缓慢上升。可以选择电容器C1的值，以防止在断路开关S1被完全打开之前跨过断路开关S1的电压超过限定的电压，从而抑制断路开关S1中的延伸电弧。该限定的电压可以是例如直流100V或任何其他合适的电压。

电容器C1的值可以基于电感L1的值和最大短路电流来计算。在最大短路电流（Isc）处，电感L1中储存的能量约为0.5*L1*Isc²。布线的寄生电感通常约为10nH/inch。因此，如果电感L1主要归因于布线的寄生电感，并且如果布线约一百英尺长，则电感L1的值可以约为12微亨（microH）。在这种情况下，如果最大短路电流Isc被限制为约直流12A，则电容器C1的值可以被选为约0.47μF。

图5示出了根据另一实施例的系统200。系统200类似于图4的系统100，但是包括与电容器C1串联耦接的电阻器R1。电阻器R1可以被用来例如限制在断路开关S1闭合时从电容器C1（充电时）到直流负载的浪涌电流。对于一些应用，电阻器R1的值可以很小，例如几欧姆。在其他应用中，或者如果电容器C1的值较小，可以去除电阻器R1。

图6示出了图5的系统200的一种优选实施方式，其中，直流电源102是光伏（PV）电源，直流负载108是具有滤波电容C2的逆变器，滤波电容C2耦接在它的输入端子110、112之间。逆变器108包括耦接到电网的输出端子114、116。在该示例实施方式中，电容器C1的值是2.2μF，电阻器R1的值是10欧姆，PV电源的短路电流是直流10A，PV电源的开路电压是直流450V。

图7示出了图6中的断路开关S1在它的负载侧上短路状况期间被打开时的断路开关S1的电流和电压波形。如图7所示，跨过断路开关的电压保持较低（例如，约0伏），直到通过断路开关S1的电流降到典型的电弧水平直流1A之下。以这种方式，充分抑制断路开关S1中的延伸电弧（以及可以被完全阻止）。

图8示出了根据本公开的另一实施例的直流断路开关组件300。组件300包括：一对输入端子302、304，用于耦接到直流电源；一对输出端子306、308，用于耦接到直流负载；断路开关S1，耦接在输入端子302和输出端子306之间；以及电容器C1，耦接在输入端子302、304之间。如上所述，断路开关S1可以手动操作或自动操作。

在图8所示的具体示例中，输入端子304电短路到输出端子308。

如图8所示，组件300还可以包括与电容器C1串联耦接的电阻器R1。替代地，可以省去电阻器R1。

组件300还可以包括用于装入断路开关S1、电容器C1和/或电阻器R1的壳体310。

组件300还可以包括图8中未示出的其他部件。替代地，组件300可以被限制为图8中所示的具体部件，如上所述，可以或可以不包括电阻器R1和/或壳体310。

对于具有600V开路电压的典型的5kW住宅光伏阵列，断路开关可以具有直流15A到直流40A范围内的最大额定电流和直流750V的最大额定电压。电容器可以具有例如约0.47μF到约3.3μF的电容。此外，电阻器R1（如果使用）可以具有例如约5欧姆到约50欧姆的电阻。然而，应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，任何给定实施方式中可以使用其他额定和/或部件值。

本公开的教导可以应用于多种应用，包括但不限制于住宅和/或并网光伏电源应用。

如上所述，本公开包括如下技术方案（但不限于此）。

（1）一种系统包括：

软直流电源，具有输出端子；

直流负载；

断路开关，耦接在所述软直流电源的所述输出端子和所述直流负载之间，所述断路开关具有电源侧和负载侧；以及

电容器，耦接在所述断路开关的所述电源侧和参考电势之间，当所述断路开关打开时，所述电容器抑制跨过所述断路开关的电压的上升，从而抑制开关中的电弧。

（2）如（1）所述的系统，还包括一个或更多个具有寄生电感的电导体，所述电导体耦接在所述软直流电源和所述直流负载之间。

（3）如（1）或（2）所述的系统，其中，当所述断路开关打开时，所述电容器具有足够的电容来防止跨过所述断路开关的电压超过限定的电压。

（4）如（3）所述的系统，其中，所述限定的电压约为直流100V。

（5）如前面任意一项所述的系统，其中，所述断路开关是单刀单掷开关。

（6）如前面任意一项所述的系统，其中，所述断路开关是手动操作的开关。

（7）如前面任意一项所述的系统，还包括与所述电容器串联耦接的电阻器。

（8）如前面任意一项所述的系统，其中，所述直流负载包括开关模式电力转换器。

（9）如（8）所述的系统，其中，所述开关模式电力转换器被配置成实现最大功率点跟踪MPPT方法。

（10）如（8）或（9）所述的系统，其中，所述开关模式电力转换器是用于将直流电力转换为交流电力的逆变器。

（11）如（10）所述的系统，其中，所述逆变器是并网逆变器。

（12）如前面任意一项所述的系统，其中，所述软直流电源是光伏电源。

（13）一种直流断路开关组件，所述组件包括：

一对输入端子，用于耦接到直流电源；

一对输出端子，用于耦接到直流负载；

断路开关，耦接在输入端子之一和输出端子之一之间；以及

电容器，耦接在所述一对输入端子之间。

（14）如（13）所述的组件，其中，所述断路开关具有约直流15A到约直流40A范围内的最大额定电流，以及约直流750V的最大额定电压。

（15）如（13）或（14）所述的组件，其中，所述电容器具有约0.47μF到约3.3μF范围内的电容。

（16）如（13）至（15）中的任意一项所述的组件，还包括与电容器串联耦接的电阻器。

（17）如（16）所述的组件，其中，所述电阻器具有约5欧姆到约50欧姆的电阻。

（18）如（13）至（17）中的任意一项所述的组件，其中，输入端子之一被电短路到输出端子之一。

（19）如（13）至（18）中的任意一项所述的部件，其中，所述断路开关是手动操作的开关。

（20）如（13）至（19）中的任一项所述的部件，还包括外壳，其中，所述断路开关和所述电容器被放置在所述外壳中。

已经提供了实施方式的上述描述用于说明和描述。它不意在是穷举的或用于限制本公开。具体实施方式的单独的元件或特征通常不限于该具体实施方式，但是，在可适用的情况下，是可互换的并且可以用在选择的实施方式中，即使未具体示出或描述。相同的也可以以许多方式改变。这样的改变不应被认为脱离本公开，所有这样的修改意在被包括在本公开的范围内。

Claims

1.一种系统包括：

软直流电源，具有输出端子；

直流负载；

2.如权利要求1所述的系统，还包括一个或更多个具有寄生电感的电导体，所述电导体耦接在所述软直流电源和所述直流负载之间。

3.如权利要求1所述的系统，其中，当所述断路开关打开时，所述电容器具有足够的电容来防止跨过所述断路开关的电压超过限定的电压。

4.如权利要求1所述的系统，其中，所述断路开关是手动操作的开关。

5.如权利要求1所述的系统，还包括与所述电容器串联耦接的电阻器。

6.如权利要求1所述的系统，其中，所述直流负载包括开关模式电力转换器。

7.如前面任一项权利要求所述的系统，其中，所述软直流电源是光伏电源。

8.一种直流断路开关组件，所述组件包括：

一对输入端子，用于耦接到直流电源；

一对输出端子，用于耦接到直流负载；

断路开关，耦接在输入端子之一和输出端子之一之间；以及

电容器，耦接在所述一对输入端子之间。

9.如权利要求8所述的组件，其中，所述断路开关具有约直流15A到约直流40A范围内的最大额定电流，以及约直流750V的最大额定电压。

10.如权利要求8所述的组件，还包括与电容器串联耦接的电阻器。