CN105304413B - 消除直流器件触头电弧的方法及其装置和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种消除直流器件触头电弧的装置，包括动触头Mc和固定触头CC，还包括滞后分断触头J、半导体元件、电容C和充放电阻R，固定触头CC与半导体元件的输入极相连接，半导体元件的基极与电容C相连接，充放电阻R并联在半导体元件的输出极和基极之间，半导体元件的输出极与滞后分断触头J相连接。本发明通过增加滞后分断触头J，由它来启动半导体元件工作，并在滞后分断过程中充分利用半导体元件的关断性能，安全可靠地分断直流电，从而实现在分断过程中消除电弧之目的。该装置及其方法适用于高压或低压的直流断路器、直流接触器、直流插座，而且具有较强实用性。
Description
技术领域
本发明属于直流电路中电力器件触头灭弧技术领域，尤其涉及一种消除直流器件触头电弧的方法及其装置和应用。
背景技术
现有的触头型直流断路器、直流接触器都会产生一定的电弧，既影响其使用寿命又妨碍安全，特别是直流电压较高的情况下，电弧问题更为突出，灭弧措施十分必要。混合型直流断路器因线路复杂，实际使用时有一定的难度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种原理简单、科学有效、安全可靠的消除直流器件触头电弧的方法及其装置和应用。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：消除直流器件触头电弧的装置，包括动触头Mc和固定触头CC，还包括滞后分断触头J、半导体元件、电容C和充放电阻R，固定触头CC与半导体元件的输入极相连接，半导体元件的基极与电容C相连接，充放电阻R并联在半导体元件的输出极和基极之间，半导体元件的输出极与滞后分断触头J相连接。
半导体元件为三极管，也可为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或集成门极换流晶闸管(IGCT)。
上述消除直流器件触头电弧的装置在高压或低压的直流断路器、直流接触器、直流插座中的应用。
具有上述消除直流器件触头电弧的装置的直流断路器，动触头Mc与滞后分断触头J通过滑动面相互连接。
具有上述消除直流器件触头电弧的装置的直流接触器，上下两组动触头的行程不一样，上下两组固定触头一端相互连接。
具有上述消除直流器件触头电弧的装置的直流插座，具有a、b、e三个固定触头，其中e与直流电源V-连接，固定触头b、e位置一致，a固定触头低于b固定触头。
使用上述装置消除直流器件触头电弧的方法，在一路分断点上，具有动触头Mc、固定触头CC和滞后分断触头J共三个触头，分断时有两个过程：首先是动触头Mc与固定触头CC分断，然后是动触头Mc与滞后分断触头J分断；当动触头Mc与固定触头CC接触时，半导体元件的输入输出极被短路；当动触头Mc与固定触头CC分离时，但动触头Mc与滞后分断触头J仍接触时，充放电阻R由充电状态瞬间变为放电状态，半导体元件被启动并迅速由饱和导通变为截止。
上述消除直流器件触头电弧的方法在高压或低压的直流断路器、直流接触器、直流插座中的应用。
针对目前解决直流器件触头电弧缺乏有效措施的问题，发明人设计制作了一种消除直流器件触头电弧的装置，包括动触头Mc和固定触头CC，还包括滞后分断触头J、半导体元件、电容C和充放电阻R，固定触头CC与半导体元件的输入极相连接，半导体元件的基极与电容C相连接，充放电阻R并联在半导体元件的输出极和基极之间，半导体元件的输出极与滞后分断触头J相连接。本发明通过增加滞后分断触头J，由它来启动半导体元件工作，并在滞后分断过程中充分利用半导体元件的关断性能，安全可靠地分断直流电，从而实现在分断过程中消除电弧之目的。该装置及其方法适用于高压或低压的直流断路器、直流接触器、直流插座，而且具有较强实用性。首先，在正常使用时，较脆弱半导体元件的输入输出极被短路，不会产生影响元件使用的热量，而且工作时间也很短；其次，由于增加的滞后分断触头，巧妙地启动并瞬时改变了半导体元件的工作状态；第三，滞后分断触头也使充放电阻R具有两个工作状态，正常工作时，充放电阻R给电容充电，断开时，充放电阻R给电容放电，简化了电路。
附图说明
图1消除直流器件触头电弧装置原理图。
图2动触头与固定触头及滞后分断触头均接触示意图，图中：a结构及状态示意图，b电路原理图，21转轴，22软连接。
图3是动触头与固定触头分断与滞后分断触头接触示意图，图中：a结构及状态示意图，b电路原理图。
图4是直流断路器分断时示意图，图中：a结构及状态示意图，b电路原理图。
图5是分断时动触头对V-的电压变化图，图中：51动触头与固定触头分断时的电压，52动触头与固定触头分断后滞后分断触头的电压变化曲线，53动触头与滞后分断触头分断时间。
图6是目前常用断路器与带滞后触头断路器示意图，图中：a目前常用断路器，b带滞后分断触头断路器。
图7是具有消除直流器件触头电弧的装置的直流断路器原理图，图中：71负载。
图8是普通插头插座和直流插头插座示意图，图中：虚线框内为插座，a普通插头插座，b直流插头插座，1为插头1脚，2为插头2脚，81负载，82灭弧电路。
图9具有消除直流器件触头电弧的装置插座原理图，图中：1插头1脚，2插头2脚，91负载。
图10是普通接触器吸合状态和带滞后分断触头接触器未完全吸合状态示意图，图中：a普通接触器，b带滞后分断触头接触器，100线圈，101上动触头，102下动触头。
图11是具有消除直流器件触头电弧的装置直流接触器原理图，图中：1第一组触头，2第二组触头，110线圈，111负载。
图12是用IGBT替换三极管的原理图。
具体实施方式
一、基本原理(以半导体元件是三极管为例)
1.电路结构
如图1所示，本发明消除直流器件触头电弧的装置包括动触头Mc和固定触头CC，还包括滞后分断触头J、三极管Q、电容C和充放电阻R，固定触头CC与三极管Q的集电极相连接，三极管Q的基极与电容C相连接，充放电阻R并联在三极管Q的发射极和基极之间，三极管Q的发射极与滞后分断触头J相连接。与常规触头分断相比，该装置增加了三极管Q、电容C、充放电阻R及滞后分断触头J，减去了灭弧罩。
2.方法过程
使用上述装置消除直流器件触头电弧的方法，在一路分断点上，具有动触头Mc、固定触头CC和滞后分断触头J共三个触头，分断时有两个过程：首先是动触头Mc与固定触头CC分断，然后是动触头Mc与滞后分断触头J分断；当动触头Mc与固定触头CC接触时(开关处于导通状态)，半导体元件的输入输出极被短路，半导体元件不会产生影响元件使用的热量。当动触头Mc与固定触头CC分离时，但动触头Mc与滞后分断触头J仍接触时，充放电阻R由充电状态瞬间变为放电状态，半导体元件被启动并迅速由饱和导通变为截止。
如图2至4所示，具体过程如下：
<1>当Mc与J、CC均连接时(图2a)，三极管Q的集电极与发射极短路(图2b)，电压V+通过电阻R向电容C充电。
<2>动触头Mc与固定触头CC分断，但与滞后分断触头J仍接触时(图3a)，三极管Q的集电极与发射极短路点断开(图3b)，三极管Q的基极由于电容C的高电位而使三极管处于饱和导通状态，CC与J之间电位差是三极管的饱和压降(小于1伏)，故Mc从CC处分断不会有大的电弧。
<3>动触头Mc与固定触头CC分断时，但与滞后分断触头J仍接触时，电阻R也不再给电容充电，而成为放电电阻，使三极管Q基极电位迅速下降，三极管Q也由饱和导通迅速变为截止，并使J点电位迅速下降至接近V-；此时动触头Mc离开滞后分断触头J不会产生电弧，从而实现了动触头Mc与固定触头CC的无电弧分断(图4)。
<4>图5中0到t1是三极管Q饱和导通维持时间，0到t2是动触头Mc从固定触头CC分断加上动触头Mc从滞后分断触头J分断的时间；通过选择电阻R和电容C的大小即可改变三极管Q导通维持时间及导通变为截止的时间。
以下各例均未给出各元件Q、R、C的具体参数，主要因0到t2时间因直流断路器、直流接触器及直流插座而不同(图5)。
二、应用实例
1、直流断路器
图6a是目前常用断路器示意图。图6b显示的是具有消除直流器件触头电弧的装置的直流断路器。可见，两者动触头臂不同，本发明直流断路器动触头Mc与滞后分断触头J通过滑动面相互连接，既能与固定触头CC良好接触，又能与滞后分断触头J接触良好。图7是具有消除直流器件触头电弧的装置的直流断路器原理图。图中Y是压敏电阻，D是续流二极管，F是熔丝，V+与V-作为输入端；V+与三极管Q的集电极及固定触头CC相连接，三极管Q的发射极与滞后分断触头J相连接，动触头Mc与V-经熔丝的另一端作为输出端与负载相连接。其中，Y的作用是吸收直流电源中尖峰和过压成分，D是防止负载产生的感应电动势损坏元件，F为防止线路短路时起保护作用，短路时由于电流大于三极管能承受的电流，故由直流熔丝保护分断。
正常分断时，动触头Mc离开固定触头CC的那一刻，但与滞后分断触头J仍接触时，三极管Q的基极由于电容C的高电位而使三极管Q处于饱和导通状态，CC与J之间电位差是三极管的饱和压降，小于1伏，故Mc从CC处分断只有小的电火花。同时，电阻R也不再给电容充电，而成为放电电阻，使三极管Q基极电位迅速下降，三极管Q也由饱和导通迅速变为截止，并使J点电位迅速下降，从而使动触头Mc离开滞后分断触头J时也不会产生电弧。
2、直流插座
图8a是普通插头插座示意图。图8b是具有消除直流器件触头电弧的装置(灭弧电路)的直流插座示意图，相比可见插头没有区别，可以通用。而本发明的直流插座多了一固定触点及灭弧电路，该插座直流电源V+上具有a、b两个固定触点，a起到固定触头CC的作用，b起到滞后分断触头J的作用，插头的某一脚充当了动触头Mc。其中，要求b、e固定触点位置高度一样，这是为了防止V+上插头与b还没断开时V-上的插头先断开(即实用时插头上脚1和脚2应同时离开b、e点，否则三极管Q还没截止时引起电弧)。
安装使用时，把V+与三极管Q的集电极及插座上a相连接，三极管Q的发射极与插座上b相连接，V-与插座上e相连接。如图9所示，插入时插头1脚经过插座b插入插座a，同时插头2脚插入插座e，插入时不会拉弧；拔出时插头1脚与插座a点分离，但与插座b点仍接通，三极管是导通状态，只有很小的电火花；同时，三极管迅速由导通变为截止，当插头1脚与插座b分离时，也无电弧；这时，插头2脚也与插座e分离，实现了无弧带电拔插。
3、直流接触器
图10a是普通接触器示意图，两组触头同时接触，同时分断。图10b是两组动触头的行程不一样的直流接触器示意图。
图11是具有消除直流器件触头电弧的装置直流接触器原理图。虚线框内是接触器的线圈及1、2两组触头。直流接触器1组的动触头行程长于2组的动触头行程，两组动触头的行程不一致，使两组动触头与固定触头接触时间不同，分断的时间也不同。两组动触头组成本发明中的动触头Mc，两组固定触头中互相连接的触头组成本发明中的滞后分断触头J，先分断的一组没有互连的固定触头作为本发明中的固定触头CC。直流接触器吸合时1组与2组触头均接通，分断时，1组首先分断，三极管Q的基极由于电容C的高电位而使三极管处于饱和导通状态，2组与1组之间电位差是三极管的饱和压降，小于1伏，故分断时只有小的电火花；同时，电阻R也不再给电容充电，而成为放电电阻，使三极管Q基极电位迅速下降，三极管Q也由饱和导通迅速变为截止，并使2组的电位迅速下降，使2组分断时也不会产生电弧，从而消除了电弧。使用时，把V+与三极管Q的集电极及直流接触器1组的固定触头一端相连接，三极管Q的发射极与直流接触器1组的固定触头另一端及2组的固定触头一端相连接，2组另一端固定触头与V-作为输出端与负载相连接。
4、IGBT代替三极管
上述各例中三极管Q可替换为IGBT或IGCT，原理一样，但电路稍有变动。如图12所示，由于半导体器件IGBT具有栅极输入阻抗高和栅极易被击穿等特点，所以沿用原来电路将无法保证IGBT可靠工作及关断，因此增加了D1、D2两个二极管。
当电阻R放电时，D1的作用是降低IGBT的GE极电位；D2起保护作用，防止栅极被击穿。当Mc与J、CC均连接时，IGBT的集电极与发射极短路，电压V+通过电阻R向电容C充电；分断时，动触头Mc离开固定触头CC的那一刻，但与滞后分断触头J仍接触时，IGBT的栅极由于电容C的高电位而使IGBT处于饱和导通状态，CC与J之间电位差是IGBT的饱和压降加D1的压降，故Mc从CC处分断不会有大的电弧；同时，电阻R也不再给电容充电，而成为放电电阻，使IGBT的栅极电位迅速下降，IGBT也由饱和导通迅速变为截止，并使J点电位迅速下降，从而使动触头Mc离开滞后分断触头J时也不会产生电弧。
Claims (8)
1.一种消除直流器件触头电弧的装置，包括动触头Mc和固定触头CC，其特征在于还包括滞后分断触头J、半导体元件、电容C和充放电阻R，固定触头CC与半导体元件的输入极相连接，半导体元件的基极与电容C相连接，充放电阻R并联在半导体元件的输出极和基极之间，半导体元件的输出极与滞后分断触头J相连接。
2.根据权利要求1所述的消除直流器件触头电弧的装置，其特征在于：所述半导体元件为三极管、IGBT或IGCT。
3.权利要求1所述消除直流器件触头电弧的装置在高压或低压直流断路器、高压或低压直流接触器、高压或低压直流插座中的应用。
4.具有权利要求1所述消除直流器件触头电弧的装置的直流断路器，其特征在于：所述动触头Mc与滞后分断触头J通过滑动面相互连接。
5.具有权利要求1所述消除直流器件触头电弧的装置的直流接触器，其特征在于上下两组动触头的行程不一样，上下两组固定触头一端相互连接。
6.具有权利要求1所述消除直流器件触头电弧的装置的直流插座，其特征在于具有a、b、e三个固定触点，其中固定触点e与直流电源V-连接，该插座直流电源V+上具有a、b两个固定触点，固定触点a起到固定触头CC的作用，固定触点b起到滞后分断触头J的作用，插头的一脚充当动触头Mc；固定触点b、e在插座位置的高度一致，固定触点a低于固定触点b。
7.使用权利要求1所述装置消除直流器件触头电弧的方法，其特征在于在一路分断点上，具有动触头Mc、固定触头CC和滞后分断触头J共三个触头，分断时有两个过程：首先是动触头Mc与固定触头CC分断，然后是动触头Mc与滞后分断触头J分断；当动触头Mc与固定触头CC接触时，半导体元件的输入极和输出极被短路；当动触头Mc与固定触头CC分离时，但动触头Mc与滞后分断触头J仍接触时，充放电阻R由充电状态瞬间变为放电状态，半导体元件被启动并迅速由饱和导通变为截止。
8.权利要求7所述消除直流器件触头电弧的方法在高压或低压直流断路器、高压或低压直流接触器、高压或低压直流插座中的应用。
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