CN104465166A - 直流软关断模块 - Google Patents

Abstract

本发明为直流软关断模块，属于高压直流断路器技术领域，可作为高压直流电系统的开关触头及大功率直流接触器触头，在分断电流时实现软关断以消除电弧。它在开关的金属触头上并联热敏电阻和晶闸管串联支路、电容和电阻串联支路和压敏电阻三条支路，其中晶闸管可由温控开关替代。金属触头与各并联支路作为一个整体成为直流软关断模块，加上外壳、机械拨动装置便可制成开关产品。本发明设计的直流软关断模块，线路简单，采用的元器件成本低，制造工艺也很简单，实测灭弧性能优良，关断性能好。

Description

直流软关断模块

技术领域

本发明为直流软关断模块，属于高压直流断路器技术领域，可作为高压直流电系统的开关触头及大功率直流接触器触头，在分断电流时实现软关断以消除电弧。

背景技术

直流电系统线路存在着许多电容、电感元件，如电抗器、滤波装置等，输电线路上还具有分布参数电感和分布参数电容，分断大电流直流回路时会产生很大能量，以电弧形式释放出来，虽然开关触头由高熔点金属材料制成，如不采取措施，仍然会被烧蚀，损坏开关。直流电流不像交流电流那样有过零点，电弧可在电流过零点自动熄灭，所以分断直流电流时消除电弧要困难得多。

现有技术分断大电流直流回路采取的措施，一种是采用耗能方式，在短时间内吸收由于分断大电流直流回路释放的能量，例如设置灭弧栅，拉长电弧；或采用多个金属触头串联，各个金属触头分别并入电阻，依次断开；或在开关的金属触头处并联压敏电阻等等；另一种是采用强迫过零点方式，在开关的触头处并联上串联的电容、电感元件，分断大电流时产生自激振荡，人为制造电流过零点来熄灭电弧。

虽然产业界利用上述方法已开发生产出多种高压直流断路器，但其结构都较为复杂，成本高。有的产品制造工艺偏难，有的产品操作程序较烦，极需要加以改进。

发明内容

本发明在开关的金属触头上并联若干支路，金属触头与各并联支路作为一个整体成为直流软关断模块，加上外壳、机械拨动装置便可制成开关产品，它有两个方案：

1，如附图的图1所示，在开关的金属触头K1上并联三条支路，第一路由热敏电阻RT1和晶闸管VT1串联组成；第二路由电容C1和电阻R1串联组成，再将二极管VD1和电阻R2串联起来，与电阻R1相并联，把二极管VD1和电阻R2的串联节点与晶闸管VT1的门极连接起来；第三路由单独的压敏电阻RV1组成，若触头K1分断的电流不太大，直流电源的电压也不是很高，这条支路可以省去。

2，如附图的图2所示，在开关的金属触头K1上并联三条支路，第一路由热敏电阻RT1和温控开关S1串联组成；第二路由电容C1和电阻R1串联组成；第三路由单独的压敏电阻RV1组成，当然，若触头K1分断的电流不太大，直流电源的电压也不是很高，这条支路可以省去。

本发明设计的直流软关断模块，线路简单，采用的元器件成本低，制造工艺也很简单。实测灭弧性能优良。

附图说明

图1是本发明设计的直流软关断模块第一个方案的电路图。

图2是本发明设计的直流软关断模块第二个方案的电路图。

具体实施方式

下面结合实施例来解释附图和说明本发明的发明所在。

图1是本发明第一个方案的电路图，也是一个实施例，本方案称之“非电隔离软关断”。图1中X1、X2为高压直流电源，其中X1端为正极，X2端为负极。开关的金属触头K1的一端(1)连接高压直流电源的正极X1，金属触头K1的另一端(2)连接用电负载RL的一端，负载RL的另一端连接高压直流电源的负极X2，以触头K1的断开或闭合来控制负载RL的用电状况。

在开关的金属触头K1的(1)、(2)两端并联三条支路：

第一条支路由热敏电阻RT1和晶闸管VT1串联组成，即热敏电阻RT1的一端连接金属触头K1的一端(1)，热敏电阻RT1的另一端连接晶闸管VT1的阳极，晶闸管VT1的阴极连接金属触头K1的另一端(2)，热敏电阻RT1选择正温度系数的PTC元件，晶闸管VT1的“维持电流”这一参数要选择大于10mA。

第二条支路由电容C1和电阻R1串联组成，即电容C1的一端连接金属触头K1的一端(1)，电容C1的另一端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接金属触头K1的另一端(2)，二极管VD1和电阻R2两个元件作为晶闸管VT1的触发之用，将二极管VD1的正极连接于电容C1与电阻R1的串联节点(3)，二极管VD1的负极连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接金属触头K1的另一端(2)，二极管VD1的负极与电阻R2的串联节点(4)连接晶闸管VT1的门极；

第三支路路由单独的压敏电阻RV1组成，即压敏电阻RV1的一端连接金属触头K1的一端(1)，压敏电阻RV1的另一端连接金属触头K1的另一端(2)，压敏电阻优选氧化锌避雷器。若触头K1分断的电流不太大，直流电源的电压也不是很高，这条支路便可以省去。

实现消除电弧的原理如下：

1)当金属触头K1闭合时，负载RL得电正常运行，电容C1上的电压为零，无储电。

2)若拉闸使金属触头K1断开，断开瞬时触头两端为零电压，因为C1的电压不能突变。由于电路的过渡过程，负载RL上的大电流不会瞬间消失而是会持续一段时间。此时高压直流电源通过负载RL、电阻R1限流给电容C1充电，这也限制了金属触头K1两端电压上升速率。

3)在金属触头K1断开瞬间，电阻R1上产生一个脉冲电压，通过二极管VD1加在晶闸管VT1门极上，迅速触发晶闸管VT1导通。

4)电容C1充满电后，C1上的电压可达高压直流电源的电压，电阻R1上的分压下降为零，晶闸管VT1失去触发信号。

5)晶闸管VT1导通后把负载RL上的大电流引向由热敏电阻RT1和晶闸管VT1串联支路。初时热敏电阻RT1是冷态，其电阻值较低，故流过热敏电阻RT1和晶闸管VT1串联支路的电流较大，电路拉闸释放的能量被热敏电阻RT1迅速消耗，利于金属触头断开。热敏电阻RT1通电则温度上升，因PTC材料是正温度系数的，其电阻值也不断上升，流过它的电流随之不断减小，故曰“软关断”，不会产生电弧或仅产生很小的电弧，保障了金属触头的安全分断。当超过PTC材料的开关温度(亦称居里温度)时其阻值呈现阶跃性增加，理论上该阻值可达10¹⁰欧姆，实际阻值可达10⁶欧姆以上，使得流过热敏电阻RT1和晶闸管VT1串联支路的电流最终会下降到10mA以下，由于晶闸管VT1的“维持电流”这一参数选择大于10mA，但流过晶闸管VT1的电流小于“维持电流”10mA这个数值，晶闸管VT1不能维持导通自行关断，拉闸关断也就完成了。热敏电阻RT1断电后冷却恢复原态。

6)再次合闸后，金属触头K1闭合，电容C1通过触头向电阻R1放电，电容C1上的电压下降为零，为下次拉闸作准备。

7)有了第三条压敏电阻RV1支路，可吸收在拉闸过渡过程中产生的过电压。若触头K1分断的电流不太大，例如小于20安培，直流电源的电压也不是很高，例如在2000伏以下，这条支路便可以省去。

图2是本发明第二个方案的电路图，也是一个实施例，本方案称之“电隔离软关断”。与第一个方案不同的是，它以一个温控开关S1来替代晶闸管VT1，自然不需要晶闸管触发电路，整个电路更为简单。

温控开关是一种用双金属片作为感温组件的温控器，正常工作时，双金属片处于自由状态，开关触点处于闭合或断开状态，当温度达到动作温度时，双金属片受热产生内应力而迅速动作，断开或闭合触点，切断或接通电路，从而起到控温作用。当冷却到复位温度时，触点又自动或者手动闭合或断开，恢复正常工作状态。

温控开关品种多样，开关触点有常闭式的(低于动作温度时，开关触点处于闭合状态，达到动作温度后，开关触点处于断开状态，)和常开式的(低于动作温度时，开关触点处于断开状态。达到动作温度后，开关触点处于闭合状态)；有自动复位型的(冷却到复位温度时开关触点状态自行恢复)和手动复位型的(冷却到复位温度时开关触点状态要靠手动恢复)。由于制造工艺技术进步，温控开关的动作温度可由客户选定，动作温度精度比较高，最好的绝对误差可达±2℃，一般的可达±5℃，均满足本方案设计要求。本方案设计选择开关触点常闭式兼手动复位型的品种。

X1、X2如前所述为高压直流电源，其中X1端为正极，X2端为负极。在开关的金属触头K1的(1)、(2)两端并联三条支路：

第一条支路由热敏电阻RT1和温控开关S1串联组成，即热敏电阻RT1的一端连接金属触头K1的一端(1)，热敏电阻RT1的另一端连接温控开关S1的一端，温控开关S1的另一端连接金属触头K1的另一端(2)。

第二条支路由电容C1和电阻R1串联组成，即电容C1的一端连接金属触头K1的一端(1)，电容C1的另一端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接金属触头K1的另一端(2)，该支路作吸收回路，使得金属触头K1基本上在零电压状态断开。

第三支路路由单独的压敏电阻RV1组成，即压敏电阻RV1的一端连接金属触头K1的一端(1)，压敏电阻RV1的另一端连接金属触头K1的另一端(2)，压敏电阻优选氧化锌避雷器。同样，若触头K1分断的电流不太大，直流电源的电压也不是很高，这条支路便可以省去。

实现消除电弧的原理与前述第一个方案相同，简述如下：拉闸后，由于温控开关S1初始状态是闭合的，把负载RL上的大电流引向由热敏电阻RT1和温控开关S1串联支路。热敏电阻RT1通电则温度上升，其散发的热量加热温控开关S1，达到温控开关的动作温度后，温控开关S1的开关触点由闭合状态变为断开状态，该支路完全断电，拉闸也就完成了。断电后热敏电阻RT1和温控开关S1温度下降，热敏电阻RT1恢复低电阻状态，温控开关S1则待开关合闸时的机械拨动装置赋力恢复，为下次拉闸作准备。

综上所述，本发明的特征是：在开关的金属触头上并联若干支路，金属触头与各并联支路作为一个整体成为直流软关断模块。

1，第一个方案：金属触头K1上并联三条支路，第一条支路由热敏电阻RT1和晶闸管VT1串联组成；第二条支路由电容C1和电阻R1串联组成，再将二极管VD1和电阻R2串联起来，与电阻R1相并联，把二极管VD1和电阻R2串联节点与晶闸管VT1的门极连接起来；第三条支路由单独的压敏电阻RV1组成。

具体电路连接的方式是：热敏电阻RT1的一端连接金属触头K1的一端(1)，热敏电阻RT1的另一端连接晶闸管VT1的阳极，晶闸管VT1的阴极连接金属触头K1的另一端(2)。电容C1的一端连接金属触头K1的一端(1)，电容C1的另一端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接金属触头K1的另一端(2)，将二极管VD1的正极连接于电容C1与电阻R1的串联节点(3)，二极管VD1的负极连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接金属触头K1的另一端(2)，二极管VD1的负极与电阻R2的串联节点(4)连接晶闸管VT1的门极；压敏电阻RV1的一端连接金属触头K1的一端(1)，压敏电阻RV1的另一端连接金属触头K1的另一端(2)。

若触头K1分断的电流不太大，直流电源的电压也不是很高，压敏电阻RV1可以省去。热敏电阻RT1选择正温度系数的PTC元件，晶闸管VT1的维持电流这一参数要大于10mA。

2，第二个方案：在开关的金属触头K1上并联三条支路，第一条支路由热敏电阻RT1和温控开关S1串联组成；第二条支路由电容C1和电阻R1串联组成；第三条支路由单独的压敏电阻RV1组成，当然，若触头K1分断的电流不太大，直流电源的电压也不是很高，压敏电阻RV1可以省去。

具体电路连接的方式是：热敏电阻RT1的一端连接金属触头K1的一端(1)，热敏电阻RT1的另一端连接温控开关S1的一端，温控开关S1的另一端连接金属触头K1的另一端(2)。电容C1的一端连接金属触头K1的一端(1)，电容C1的另一端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接金属触头K1的另一端(2)，压敏电阻RV1的一端连接金属触头K1的一端(1)，压敏电阻RV1的另一端连接金属触头K1的另一端(2)。

若触头K1分断的电流不太大，直流电源的电压也不是很高，压敏电阻RV1可以省去。温控开关S1选择开关触点为常闭式兼手动复位型的品种。

以上所述，仅是本发明的较佳实施范例而已，并非对发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范畴。

Claims (6)

1.直流软关断模块，用于高压直流电系统的开关触头及大功率直流接触器触头分断电流时消除电弧，其特征在于：在金属触头K1上并联三条支路，金属触头与各并联支路作为一个整体成为直流软关断模块；

第一条支路由热敏电阻RT1和晶闸管VT1串联组成；第二条支路由电容C1和电阻R1串联组成，再将二极管VD1和电阻R2串联起来，与电阻R1相并联，把二极管VD1和电阻R2串联节点与晶闸管VT1的门极连接起来；第三条支路由单独的压敏电阻RV1组成；具体电路连接的方式是：热敏电阻RT1的一端连接金属触头K1的一端1，热敏电阻RT1的另一端连接晶闸管VT1的阳极，晶闸管VT1的阴极连接金属触头K1的另一端2；电容C1的一端连接金属触头K1的一端1，电容C1的另一端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接金属触头K1的另一端2，将二极管VD1的正极连接于电容C1与电阻R1的串联节点3，二极管VD1的负极连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接金属触头K1的另一端2，二极管VD1的负极与电阻R2的串联节点4连接晶闸管VT1的门极；压敏电阻RV1的一端连接金属触头K1的一端1，压敏电阻RV1的另一端连接金属触头K1的另一端2。

2.直流软关断模块，用于高压直流电系统的开关触头及大功率直流接触器触头分断电流时消除电弧，其特征在于：在金属触头K1上并联三条支路，金属触头与各并联支路作为一个整体成为直流软关断模块；

第一条支路由热敏电阻RT1和温控开关S1串联组成；第二条支路由电容C1和电阻R1串联组成；第三条支路由单独的压敏电阻RV1组成，具体电路连接的方式是：热敏电阻RT1的一端连接金属触头K1的一端1，热敏电阻RT1的另一端连接温控开关S1的一端，温控开关S1的另一端连接金属触头K1的另一端2；电容C1的一端连接金属触头K1的一端1，电容C1的另一端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接金属触头K1的另一端2，压敏电阻RV1的一端连接金属触头K1的一端1，压敏电阻RV1的另一端连接金属触头K1的另一端2。

3.如权利要求1所述的直流软关断模块，其特征在于：晶闸管VT1的维持电流这一参数要选择大于10mA。

4.如权利要求2所述的直流软关断模块，其特征在于：温控开关S1选择开关触点为常闭式兼手动复位型的品种。

5.如权利要求1和权利要求2所述的直流软关断模块，其特征在于：热敏电阻RT1选择正温度系数PTC元件。

6.如权利要求1和权利要求2所述的直流软关断模块，若金属触头K1分断的电流不太大，直流电源的电压也不是很高，压敏电阻RV1可以省去不用。