CN106099841B - Dc电路断路器和使用的方法 - Google Patents

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Abstract

一种直流电路断路器包含用于携带主通路电流的主电路以及用于携带瞬态通路电流的瞬态电路。主电路包含第一固态开关和主接触器。第一固态开关与主接触器串联耦合。瞬态电路与主电路并联耦合。瞬态电路包含辅助接触器，其与第二固态开关串联耦合。第二固态开关当主通路电流超过第一阈值时闭合。第一固态开关然后开放。主接触器当主通路电流下降到第二阈值以下时开放。然后第二固态开关开放。辅助接触器当瞬态通路电流下降到第二阈值以下时并且在第二固态开关开放之后开放。

Description

DC电路断路器和使用的方法
技术领域
本公开的领域一般涉及直流(DC)电路保护系统，以及更具体来说涉及DC电路断路器及其使用的方法。
背景技术
许多已知的功率电路利用电路断路器来检测过电流并且作为响应断开电路。已知的电路断路器利用机械接触器制作和断开线路侧与负载侧之间的电路。在由机械接触器断开时，电路断路器通过传导通路的物理分离来提供线路侧与负载侧之间的电流隔离。物理分离处于机械接触器的触点之间，并且在媒介，比如空气，例如，或者另一种介电材料之内发生。已知的电路断路器还利用固态开关，但是固态开关不提供由机械接触器所提供的电流隔离。因此，电流能够经过开放的固态开关泄漏。由于这个原因，除了别的以外，单独的固态开关常常不满足一些电气安全标准。
当断开负载下的电路(这是要在携带非零电流的同时断开电路)时，电弧能够跨机械接触器的触点发生。电弧也能够在制作负载下的电路时发生。电弧预防和抑制是电路断路器设计的重要方面。电弧本身是通过部分因电场引起的电离经过媒介所形成的低阻抗传导通路。电弧是高能量的，并且能够对组件、特别是对断路器触点表面是有破坏性的。电弧能够对电弧附近的人们以及还对信赖电路的断开的那些是有危险的，因为电弧使电路的断开延迟。电弧还能够造成电磁干扰问题，其提出进一步安全关注。
电弧预防的一种已知方式是要在断开或制作电路之前去除负载，以及因此去除电流。已知的电路断路器设计成用充分的速度和力来致动机械接触器以中断电弧。在交流(AC)电路中，中断电弧所必需的速度和力是低的，因为每个周期电流交替方向并且经过零。相比之下，DC电路断路器必须中断非零电流，这使电弧明显地更有可能并且需要更大的速度和力。DC电路断路器中的电弧的可能性迫使其成本上升，并且一般降低其使用寿命。
发明内容
在一个方面中，直流电路断路器包含主电路和瞬态电路。主电路配置成携带主通路电流，以及瞬态电路配置成携带瞬态通路电流。主电路包含第一固态开关和主接触器。第一固态开关与主接触器串联耦合。瞬态电路与主电路并联耦合。瞬态电路包含辅助接触器，其与第二固态开关串联耦合。第二固态开关配置成当主通路电流超过第一阈值时闭合。第一固态开关配置成当主通路电流超过第一阈值时并且在闭合第二固态开关之后开放。主接触器配置成当主通路电流下降到第二阈值以下时并且在第一固态开关开放之后开放。第二固态开关配置成在主接触器开放之后开放。辅助接触器配置成当瞬态通路电流下降到第二阈值以下时并且在第二固态开关开放之后开放。
在另一方面中，一种操作直流电路断路器的方法包含在检测到经过第一固态开关的主通路电流超过第一阈值时闭合瞬态电路中的第二固态开关。该方法还包含在闭合第二固态开关之后开放第一固态开关，由此使主通路电流转向到瞬态电路。该方法还包含当主通路电流下降到第二阈值以下时并且当第一固态开关是开放的时开放主接触器。该方法还包含在开放主接触器之后开放第二固态开关。该方法还包含当瞬态通路电流下降到第二阈值以下时并且当第二固态开关是开放的时在瞬态电路中开放辅助接触器。
在又一方面中，直流电路断路器包含线路端子、负载端子、接触器、电流传感器和驱动器。接触器耦合在线路端子与负载端子之间。接触器包含耦合在线路端子与负载端子之间的主电路和和瞬态电路。主电路和瞬态电路还并联耦合。主电路包含主接触器和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关。电流传感器配置成测量经过接触器的电流。驱动器耦合到接触器和电流传感器。驱动器配置成当电流超过第一阈值时闭合瞬态电路。驱动器还配置成在闭合瞬态电路之后开放MOSFET开关，并且随后开放主接触器。驱动器还配置成在主接触器开放之后开放瞬态电路。
本发明提供一组技术方案，如下：
1. 一种直流(DC)电路断路器，包括：
主电路，配置成携带主通路电流，所述主电路包括：
第一固态开关，配置成当所述主通路电流超过第一阈值时开放；
主接触器，串联耦合到所述第一固态开关，所述主接触器配置成当所述第一固态开关是开放的并且所述主通路电流下降到第二阈值以下时开放；以及
瞬态电路，并联耦合到所述主电路，并且配置成携带瞬态通路电流，所述瞬态电路包括：
第二固态开关，配置成：
当所述主通路电流超过所述第一阈值时并且在开放所述第一固态开关之前闭合；以及
在所述主接触器开放之后开放；以及
辅助接触器，串联耦合到所述第二固态开关，所述辅助接触器配置成当所述第二固态开关是开放的并且所述瞬态通路电流下降到所述第二阈值以下时开放。
2. 如技术方案1所述的DC电路断路器，其中，所述主接触器是机械接触器。
3. 如技术方案1所述的DC电路断路器，其中，所述第一固态开关是低电压金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关。
4. 如技术方案1所述的DC电路断路器，其中，所述第二固态开关包括高电压绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
5. 如技术方案1所述的DC电路断路器，其中，所述瞬态电路还包括电压钳位装置，所述电压钳位装置并联耦合到所述第二固态开关。
6. 如技术方案5所述的DC电路断路器，其中，所述瞬态电路还包括电容器，所述电容器并联耦合到所述第二固态开关和所述电压钳位装置。
7. 如技术方案1所述的DC电路断路器，其中，所述主接触器和所述辅助接触器集成为单个三极机械接触器，所述单个三极机械接触器包括：
主控制线圈；
辅助控制线圈；
公共触点；
主触点，配置成在激励所述主控制线圈时耦合到所述公共触点；以及
辅助触点，配置成在激励所述辅助控制线圈时耦合到所述公共触点。
8. 如技术方案1所述的DC电路断路器，还包括耦合在所述主电路与地之间的高电压半导体开关，所述半导体开关配置成在正常操作期间保持开放，并且还配置成在检测到高阻抗故障时闭合。
9. 如技术方案1所述的DC电路断路器，其中，为了闭合所述主电路：
所述辅助接触器还配置成依据命令闭合；
所述第二固态开关还配置成在闭合所述辅助接触器之后闭合，由此闭合所述瞬态电路；
所述主接触器还配置成当所述第一固态开关是开放的时并且在闭合所述辅助接触器和所述第二固态开关之后闭合；
所述第一固态开关还配置成在闭合所述主接触器之后闭合，由此闭合所述主电路；以及
所述第二固态开关还配置成在闭合所述主电路之后开放，由此开放所述瞬态电路。
10. 一种操作直流(DC)电路断路器的方法，所述方法包括：
在检测到经过第一固态开关的主通路电流超过第一阈值时闭合瞬态电路中的第二固态开关；
在闭合所述第二固态开关之后开放所述第一固态开关，由此使所述主通路电流转向到所述瞬态电路；
当所述主通路电流下降到第二阈值以下并且所述第一固态开关是开放的时开放主接触器；
在开放所述主接触器之后开放所述第二固态开关；以及
当瞬态通路电流下降到所述第二阈值以下并且所述第二固态开关是开放的时在所述瞬态电路中开放辅助接触器。
11. 如技术方案10所述的方法，其中，开放所述第一固态开关包括经过所述主接触器使来自主电路的所述主通路电流经过所述辅助接触器转向到瞬态电路，由此传导所述瞬态通路电流。
12. 如技术方案11所述的方法，其中，开放所述第二固态开关包括使来自所述第二固态开关的所述瞬态通路电流转向到并联耦合的金属氧化物变阻器(MOV)。
13. 如技术方案12所述的方法，其中，使所述瞬态通路电流转向到所述并联耦合的MOV包括对所述瞬态通路电流进行阻尼以促进保护所述第一固态开关免于过电压条件。
14. 如技术方案12所述的方法，其中，使来自所述第二固态开关的所述瞬态通路电流转向还包括将瞬态通路电压施加到并联耦合的电容器以促进保护所述第一固态开关免于过电压条件。
15. 如技术方案10所述的方法，其中，所述第二阈值基本上是零安培。
16. 如技术方案10所述的方法，还包括在检测高阻抗故障时将所述第一固态开关耦合到地，由此将所述主通路电流短接到地。
17. 如技术方案10所述的方法，还包括：
在接收到用来闭合所述DC电路断路器的命令时闭合所述辅助接触器；
在闭合所述辅助接触器之后闭合所述第二固态开关，由此闭合所述瞬态电路；
在闭合所述第二固态开关之后闭合所述主接触器；
在闭合所述主接触器之后闭合所述第一固态开关，由此闭合主电路；以及
在闭合所述主电路之后开放所述第二固态开关，由此开放所述瞬态电路。
18. 一种直流(DC)电路断路器，包括：
线路端子；
负载端子；
接触器，耦合在所述线路端子与所述负载端子之间，所述接触器包括：
主电路，包括主接触器和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关；以及
瞬态电路，并联耦合到所述主电路；
电流传感器，配置成测量经过所述接触器的电流；以及
驱动器，耦合到所述接触器和所述电流传感器，所述驱动器配置成：
当所述电流超过第一阈值时闭合所述瞬态电路；
在闭合所述瞬态电路之后开放所述MOSFET开关，并且随后开放所述主接触器；以及
在所述主接触器开放之后开放所述瞬态电路。
19. 如技术方案18所述的DC电路断路器，其中，所述主电路还包括与所述MOSFET开关串联耦合的所述主接触器。
20. 如技术方案19所述的DC电路断路器，其中，所述驱动器还配置成当所述电流下降到第二阈值以下时开放所述主接触器。
21. 如技术方案18所述的DC电路断路器，其中，所述瞬态电路包括：
辅助接触器；以及
高电压绝缘栅双极晶体管(IGBT)开关，串联耦合到所述辅助接触器。
22. 如技术方案21所述的DC电路断路器，其中，所述瞬态电路还包括金属氧化物变阻器(MOV)，所述金属氧化物变阻器(MOV)并联耦合到所述高电压IGBT开关，所述MOV还与所述辅助接触器串联耦合。
23. 如技术方案21所述的DC电路断路器，其中，所述瞬态电路还包括并联耦合到所述高电压IGBT开关的电容器，所述电容器还与所述辅助接触器串联耦合。
24. 如技术方案21所述的DC电路断路器，其中，所述驱动器还配置成：
当所述电流超过所述第一阈值时闭合所述高电压IGBT开关；
在所述主接触器开放之后开放所述高电压IGBT开关；以及
在所述高电压IGBT开关开放之后并且当所述电流下降到所述第二阈值以下时开放所述辅助接触器。
25. 如技术方案18所述的DC电路断路器，还包括耦合在所述负载端子与地之间的半导体开关，所述半导体开关配置成在正常操作期间保持开放，并且还配置成在检测到高阻抗故障时闭合。
26. 如技术方案18所述的DC电路断路器，其中，所述接触器配置成在故障检测的1毫秒之内开放所述主电路和所述瞬态电路。
附图说明
在参考附图阅读下面详细描述时，将会更好地理解本公开的这些及其他特征、方面和优点，附图中，相似字符在附图通篇中表示相似部件，附图包括：
图1是示范直流(DC)电路的框图；
图2是供在图1所示DC电路中使用的示范DC电路断路器的框图；
图3是供在图1所示DC电路中使用的示范DC电路断路器的示意图；
图4是供在图1所示DC电路中使用的另一个示范DC电路断路器的示意图；
图5是示范DC电路、例如图1所示DC电路的示意图；以及
图6是操作DC电路断路器、例如图1-5所示DC电路断路器的示范方法的流程图。
除非另有指示，否则本文所提供的附图意味着图示本公开的实施例的特征。这些特征被认为可适用在包括本公开的一个或多个实施例的各种各样的系统中。因此，附图不是意味着包含由本领域的技术人员已知的、用于实施本文所公开实施例所需要的所有常规特征。
具体实施方式
在下面说明书和权利要求书中，参考具有下面含意的多个术语。
单数形式“一”、“一个”和“该”包含复数参考，除非上下文另加明确指示。
“可选的”或“可选地”意味着随后描述的事件或情况可以发生或者可以不发生，以及描述包含其中事件发生的实例以及其中事件不发生的实例。
如本文所使用的近似语言在说明书和权利要求书通篇中可应用于修改任何数量表示，该任何数量表示能够准许变化而没有导致与它相关的基本功能的改变。因此，通过诸如“大约”、“近似”和“基本上”的一个术语或多个术语所修改的值不是要局限于所指定的精确值。在至少一些实例中，近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精确度。在这里并且在说明书和权利要求书通篇中，范围限制可被组合和/或互换，这类范围被识别，并且包含在其中所包含的所有子范围，除非上下文或语言另有指示。
本公开的实施例涉及直流(DC)电路保护系统。在没有线路与负载之间的电流隔离和电弧的情况下，本文所描述的DC电路断路器提供电流中断。更具体来说，本文所描述的DC电路断路器包含主机械接触器，其与固态开关和并联高阻抗缓冲电路串联。在检测到过电流时，并联高阻抗缓冲电路通过固态开关的操作使来自主电路的电流转向。主机械接触器则能够在基本上更低的电流条件下并且在没有电弧的情况下开放。本文所描述的DC电路断路器在没有电弧的情况下促进DC电流中断，因此改进DC电路断路器的使用寿命和成本。此外，本文所描述的DC电路断路器提供遵照电气安全标准的电流隔离。
图1是示范DC电路100的框图。DC电路100包含DC功率源110、DC电路断路器120和负载130。负载130是电力负载，其可包含，例如并且不限于，DC电子负载、马达、压缩机、电池和用于交流(AC)器具的DC到AC转换器以及其他AC负载。DC功率源110包含用于以适当电压为负载130提供直流的任何适当组件。在某些实施例中，DC功率源110包含电池。在备选实施例中，DC功率源110包含AC发电机和AC到DC转换器。
DC电路断路器120是DC电路保护装置，用于在检测到过电流时中断由DC功率源100所提供给负载130的直流。过电流由于例如短路或故障而发生，并且还可产生于过大负载。
图2是供在DC电路100(图1所示)中使用的示范DC电路断路器200的框图。DC电路断路器200包含接触器210，其制作和断开线路端子220与负载端子230之间的连接。DC电路断路器200包含电流传感器240，其检测经过接触器210传导的电流电平。电流传感器240向驱动器250传送感测电流信号。驱动器250包含接收感测电流信号并且生成用于接触器210的一个或多个控制信号的组件。控制信号包含，例如并且不限于，用来激励中继器的线圈的信号以及用来驱动晶体管的栅极的另一个信号。在某些实施例中，驱动器250包含，例如并且不限于，控制电路，其配置成以某些电流电平来触发某些控制信号。
图3是供在DC电路100(图1所示)中使用的示范DC电路断路器300的示意图。DC电路断路器300包含线路端子304与负载端子306之间的主电路302以及也在线路端子304与负载端子306之间的瞬态电路308。DC电路断路器300配置成制作和断开线路端子304与负载端子306之间的电路，以及更具体来说在没有电弧的情况下中断线路端子304与负载端子306之间的直流流动。在某些实施例中，DC电路断路器300能够在故障发生的1毫秒之内断开线路端子304与负载端子306之间的电路。DC电路断路器300还配置成在处于开放状态时提供线路端子304与负载端子306之间的电流隔离。
主电路302包含与固态开关312串联耦合的主接触器310，它们全部耦合在线路端子304与负载端子306之间。主接触器310是机械接触器，并且在处于开放状态时提供电流隔离。固态开关312是半导体装置，比如，例如并且不限于，低电压金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
瞬态电路308与主电路302并联耦合在线路端子304与负载端子306之间。瞬态电路308包含辅助接触器314，其将瞬态电路308与线路端子304耦合和去耦。瞬态电路308还包含串联耦合的固态开关316，其并联耦合到电压钳位装置318。电压钳位装置318还并联耦合到电容器320。固态开关316包含，例如并且不限于，高电压绝缘栅双极晶体管(IGBT)、功率MOSFET和双极结晶体管(BJT)。电压钳位装置318包含，例如并且不限于，任何适当抑制装置，其包含，例如并且不限于，金属氧化物变阻器(MOV)、瞬态电压抑制二极管和气体管抑制器(gas-tube suppressor）。
DC电路断路器300还包含高电压半导体开关322，其耦合在负载端子306与地之间。高电压半导体开关322包含，例如并且不限于，高电压绝缘栅双极晶体管(IGBT)、功率MOSFET和双极结晶体管(BJT)。高电压半导体开关322通常是开放的，并且在正常操作期间保持开放。因此，在正常操作期间，高电压半导体开关322接收施加到负载端子306的全线路电压（full line voltage）。在故障条件期间以及更具体来说在高阻抗故障期间，高电压半导体开关322闭合，从而使来自主电路302的电流转向到地。高阻抗故障，例如并且不限于，当人创建从线路到地的通路时发生。高阻抗表示相对于低阻抗故障，比如，例如并且不限于，设备故障的人的阻抗。因此，高电压半导体开关322促进对人为故障保护是充分的快速断开。
低电压固态开关和高电压开关因而相对于DC电路断路器300的总电压额定来定额。用于在高电压与低电压之间区分的额定阈值按实施例变化。例如，DC电路断路器300的一个实施例以600伏特定额，其被称作该一个实施例的高电压。因此，该一个实施例的高电压固态开关是以600伏特或更大定额的开关。给定600伏特高电压额定，该一个实施例的低电压固态开关是以100伏特或更少定额的开关。在另一个实施例中，例如，DC电路断路器300以100伏特定额，其被称作那个实施例的高电压。因此，那个实施例的高电压固态开关是以100伏特或更大定额的开关。给定100伏特高电压额定，那个实施例的低电压固态开关是以20伏特或更少定额的开关。
在DC电路断路器300中，在处于闭合状态时，主接触器310、固态开关312和辅助接触器314闭合，而固态开关316是开放的。在处于闭合状态时，主电路302相对于瞬态电路308是低阻抗通路。在处于开放状态时，主接触器310和辅助接触器314是开放的，从而提供线路端子304与负载端子306之间的电流隔离。
在主电路302中，主接触器310和固态开关312通过来自驱动器、例如驱动器250(图2所示)的相应控制信号来控制。在瞬态电路308中，辅助接触器314和固态开关316也通过来自驱动器的相应控制信号来控制。
假定DC电路断路器300处于闭合状态并且在负载下，当流经主电路302如由电流传感器，比如，例如电流传感器240(图2所示)，所感测的电流超过第一阈值时，固态开关316闭合，而固态开关312开放。第一阈值例如是DC电路断路器300的跳闸电流电平。固态开关316和312的闭合和开放在没有电弧的情况下实现，因为瞬态电路308为电流提供低阻抗通路。主电路302相对于瞬态电路308变成高阻抗，因此电流从主电路302转向到瞬态电路308。在瞬态电路308内，低阻抗通路经过固态开关316和辅助接触器314(电流经过其流动)。
已开放了固态开关312并且经过瞬态电路308使电流转向，经过主接触器310的电流理想地是零。固态开关312可准许小泄漏电流；但是，经过主接触器的电流基本上是零。当经过主接触器310的电流下降到第二阈值以下时，主接触器310在没有电弧的情况下开放。第二阈值例如是电弧在主接触器310的媒介中的电流中断期间不太可能的电流电平。
一旦主接触器310是开放的，固态开关316开放，再次使电流转向，这一次经过电压钳位装置318。电压钳位装置318对电流进行阻尼，并且保护主电路302免受电压尖脉冲。当固态开关316开放并且电流转向到电压钳位装置318时，电容器320对主电路302提供针对电压尖脉冲的进一步保护。
一旦固态开关316是开放的，经过电压钳位装置318的电流在某个时间之内朝零下降。当经过瞬态电路308和辅助接触器314的电流下降到第二阈值以下时，辅助接触器314在没有电弧的情况下开放。当辅助接触器314和主接触器310是开放的时，线路端子304与负载端子306电流地隔离。
图4是供在DC电路100(图1所示)中使用的另一个示范DC电路断路器400的示意图。DC电路断路器400包含线路端子304与负载端子306之间的主电路402以及也在线路端子304与负载端子306之间的瞬态电路404。DC电路断路器400配置成制作和断开线路端子304与负载端子306之间的电路，以及更具体来说在没有电弧的情况下中断线路端子304与负载端子306之间的直流流动。DC电路断路器400还配置成在处于开放状态时提供线路端子304与负载端子306之间的电流隔离。
主电路402包含与固态开关312串联耦合的集成三极接触器406，它们全部耦合在线路端子304与负载端子306之间。集成三极接触器406包含公共触点C、主触点M和辅助触点A。集成三极接触器406是机械接触器，并且在处于开放状态时提供公共触点C与主触点M之间以及公共触点C与辅助触点A之间的电流隔离。主电路402包含公共触点C与主触点M之间的电路。公共触点C与主触点M之间的电路由主控制线圈(未示出)来开放和闭合。当激励主控制线圈时，公共触点C与主触点M之间的电路由主接触器408来闭合。
瞬态电路404与主电路402并联耦合在线路端子304与负载端子306之间。瞬态电路404包含集成三极接触器406，以及更具体来说包含公共触点C与辅助触点A之间的电路。公共触点C与辅助触点A之间的电路由辅助线圈(未示出)来开放和闭合。当激励辅助线圈时，公共触点C与辅助触点A之间的电路由辅助接触器410来闭合。瞬态电路404还包含串联耦合的固态开关316，其并联耦合到电压钳位装置318，并且还并联耦合到电容器320。
DC电路断路器400还包含高电压半导体开关322，其耦合在负载端子306与地之间。高电压半导体开关322包含，例如并且不限于，高电压绝缘栅双极晶体管(IGBT)、功率MOSFET和双极结晶体管(BJT)。高电压半导体开关322通常是开放的，并且在正常操作期间保持开放。因此，在正常操作期间，高电压半导体开关322接收施加到负载端子306的全线路电压。在故障条件期间以及更具体来说在高阻抗故障期间，高电压半导体开关322闭合，从而使来自主电路402的电流转向到地。高阻抗故障例如并且不限于当人创建从线路到地的通路时发生。高阻抗表示相对于低阻抗故障比如，例如并且不限于，设备故障的人的阻抗。因此，高电压半导体开关322促进对人为故障保护是充分的快速断开。
在DC电路断路器400中，在处于闭合状态时，主接触器408、辅助接触器410和固态开关312闭合，而固态开关316是开放的。在处于闭合状态时，主电路402相对于瞬态电路404是低阻抗通路。在处于开放状态时，对主控制线圈和辅助控制线圈两者去激励，这开放主接触器408和辅助接触器410。在开放时，集成三极接触器406提供线路端子304与负载端子306之间的电流隔离。
在主电路402中，主控制线圈和固态开关312通过来自驱动器、例如驱动器250(图2所示)的相应控制信号来控制。在瞬态电路404中，辅助控制线圈和固态开关316也通过来自驱动器的相应控制信号来控制。
假定DC电路断路器400处于闭合状态并且在负载下，当流经主电路402如由电流传感器，比如，例如电流传感器240(图2所示)，所感测的电流超过第一阈值时，固态开关316闭合，而固态开关312开放。第一阈值例如是DC电路断路器400的跳闸电流电平。固态开关316和312的闭合和开放在没有电弧的情况下实现，因为瞬态电路404为电流提供低阻抗通路。主电路402相对于瞬态电路404变成高阻抗，因此电流从主电路402转向到瞬态电路404。在瞬态电路404内，低阻抗通路经过固态开关316、公共触点C和辅助触点A(电流经过其流动)。
已开放了固态开关312并且经过瞬态电路404使电流转向，经过公共触点C和主触点M的电流理想地是零。固态开关312可准许小泄漏电流；但是，经过公共触点C和主触点M的电流基本上是零。当经过主电路402的电流下降到第二阈值以下时，对主控制线圈去激励，并且主接触器408在没有电弧的情况下开放。第二阈值例如是电弧在集成三极接触器406的媒介中的电流中断期间不太可能的电流电平。
一旦主接触器408是开放的，固态开关316开放，再次使电流转向，这一次经过电压钳位装置318。电压钳位装置318对电流进行阻尼，并且保护主电路402免受电压尖脉冲。当固态开关316开放并且电流转向到电压钳位装置318时，电容器320对主电路402提供针对电压尖脉冲的进一步保护。
一旦固态开关316是开放的，经过电压钳位装置318的电流在某个时间之内朝零下降。当经过瞬态电路404、公共触点C和辅助触点A的电流下降到第二阈值以下时，对辅助控制线圈去激励，并且辅助接触器410在没有电弧的情况下开放。当辅助接触器410和主接触器408是开放的时，线路端子304与负载端子306电流地隔离。
图5是示范DC电路500的示意图。DC电路500包含发电机502、整流器504、DC电路断路器506、逆变器508和负载510。逆变器508和负载510通过正DC母线512和负DC母线514耦合到DC电路断路器506。逆变器508通常在负载510附近，而整流器504和DC电路断路器506远离负载510而在发电机502附近。因此，正DC母线512和负DC母线514一般是长的电缆或电线路线（run）。正DC母线512和负DC母线514经过位于发电机侧处和负载侧处的电容器516电容地耦合到地。在某些实施例中，电容耦合集成在整流器504和逆变器508内。
发电机502通过第一AC母线518(其包含一相或多相)耦合到整流器504。整流器504将发电机502的AC输出转换成正DC输出520和负DC输出522，其各耦合到DC电路断路器506。
负载510通过第二AC母线524(其包含一相或多相)耦合到逆变器508。逆变器接收来自正DC母线512的正DC输入526和来自负DC母线514的负DC输入528，并且为负载510生成AC功率。
DC电路断路器506与正DC母线512和负DC母线514线上（in-line）耦合，并且包含主电路530和瞬态电路532。主电路530与瞬态电路532并联耦合。DC电路断路器506还包含半导体开关534。半导体开关534耦合在正DC母线512与地之间以及耦合在负DC母线514与地之间。DC电路断路器506如操作DC电路断路器300和400(图3和图4所示)那样来操作。
图6是操作DC电路断路器300(图3所示)的示范方法600的流程图。现在参考图3和图5，该方法开始于开始步骤610处。在过电流检测步骤620处，在检测到主通路电流超过第一阈值时，第二固态开关316闭合。在第一电流转向步骤630处，第一固态开关312在闭合固态开关316之后开放。在主通路中断步骤640处，主接触器310当主通路电流下降到第二阈值以下时并且当第一固态开关312是开放的时开放。在第二电流转向步骤650处，第二固态开关316在开放主接触器310之后开放。当瞬态通路电流下降到第二阈值以下并且第二固态开关316开放时，辅助接触器314在瞬态通路中断步骤660处开放。该方法结束于结束步骤670处。
在某些实施例中，DC电路断路器300包含高电压半导体开关322，其耦合在负载端子306与地之间。在高阻抗故障期间，方法600还包含闭合高电压半导体开关322，这使来自主电路302的电流转向到地。高阻抗故障，例如并且不限于，当人创建从线路到地的通路时发生。高阻抗表示相对于低阻抗故障，比如，例如并且不限于，设备故障的人的阻抗。该方法继续进行主通路中断步骤640，其中主接触器310开放。因此，高电压半导体开关322促进对人为故障保护是充分的快速断开。
在没有线路与负载之间的电流隔离和电弧的情况下，上述DC电路断路器提供电流中断。更具体来说，本文所描述的DC电路断路器包含主机械接触器，其与固态开关和并联高阻抗缓冲电路串联。在检测到过电流时，并联高阻抗缓冲电路通过固态开关的操作使来自主电路的电流转向。主机械接触器则能够在基本上更低的电流条件下并且在没有电弧的情况下开放。本文所描述的DC电路断路器在没有电弧的情况下促进DC电流中断，因此改进DC电路断路器的使用寿命和成本。此外，本文所描述的DC电路断路器提供遵照电气安全标准的电流隔离。
本文所描述的方法、系统和设备的示范技术效果包含下列的至少一个：(a)在开放同时的DC电路断路器中的改进的电流隔离；(b)因机械接触器和固态开关的串联组合引起的无电弧DC中断；(c)因电弧的不太频繁发生引起的DC电路断路器的改进的使用寿命；(d)在人为故障的情况下的改进的高阻抗故障保护；(e)低于10毫秒和大约1毫秒的DC开关时间；(f)因针对电弧抑制的规范的放松（easing）引起的降低制造成本；以及(g)由于使用寿命和制造成本改进引起的降低资本支出。
用于DC电路断路器的方法、系统和设备的示范实施例不局限于本文所描述的具体实施例，而是可与本文所描述的其他组件和/或步骤分开地和独立地利用系统的组件和/或方法的步骤。例如，方法还可与其他非常规DC电路保护系统结合使用，而不局限于仅采用如本文所描述的系统和方法来实施。示范实施例而是能够结合可获益于增加的效率、降低的操作成本和降低的资本支出的许多其他应用、设备和系统来实现和利用。
虽然本公开的各个实施例的具体特征可在一些附图中示出而在其他附图中未示出，但是这只是为了方便。按照本公开的原理，可与任何其他附图的任何特征结合参考和/或要求保护附图的任何特征。
本书面描述使用包含最佳模式的示例来公开实施例，并且还使本领域的任何技术人员能够实施实施例，包含制作和使用任何装置或系统，以及执行任何结合方法。本公开的可取得专利范围由权利要求书来限定，并且可包含本领域的技术人员想到的其他示例。如果这类其他示例具有与权利要求的文字语言完全相同的结构单元，或者如果它们包含具有与权利要求的文字语言的非实质差异的等效结构单元，则预计它们落入权利要求的范围之内。

Claims (26)

1.一种直流电路断路器，包括：
主电路，配置成携带主通路电流，所述主电路包括：
第一固态开关，配置成当所述主通路电流超过第一阈值时开放；
主接触器，串联耦合到所述第一固态开关，所述主接触器配置成当所述第一固态开关是开放的并且所述主通路电流下降到第二阈值以下时开放；以及
瞬态电路，并联耦合到所述主电路，并且配置成携带瞬态通路电流，所述瞬态电路包括：
第二固态开关，配置成：
当所述主通路电流超过所述第一阈值时并且在开放所述第一固态开关之前闭合；以及
在所述主接触器开放之后开放；以及
辅助接触器，串联耦合到所述第二固态开关，所述辅助接触器配置成当所述第二固态开关是开放的并且所述瞬态通路电流下降到所述第二阈值以下时开放。
2.如权利要求1所述的直流电路断路器，其中，所述主接触器是机械接触器。
3.如权利要求1所述的直流电路断路器，其中，所述第一固态开关是低电压金属氧化物半导体场效应晶体管开关。
4.如权利要求1所述的直流电路断路器，其中，所述第二固态开关包括高电压绝缘栅双极晶体管。
5.如权利要求1所述的直流电路断路器，其中，所述瞬态电路还包括电压钳位装置，所述电压钳位装置并联耦合到所述第二固态开关。
6.如权利要求5所述的直流电路断路器，其中，所述瞬态电路还包括电容器，所述电容器并联耦合到所述第二固态开关和所述电压钳位装置。
7.如权利要求1所述的直流电路断路器，其中，所述主接触器和所述辅助接触器集成为单个三极机械接触器，所述单个三极机械接触器包括：
主控制线圈；
辅助控制线圈；
公共触点；
主触点，配置成在激励所述主控制线圈时耦合到所述公共触点；以及
辅助触点，配置成在激励所述辅助控制线圈时耦合到所述公共触点。
8.如权利要求1所述的直流电路断路器，还包括耦合在所述主电路与地之间的高电压半导体开关，所述半导体开关配置成在正常操作期间保持开放，并且还配置成在检测到高阻抗故障时闭合。
9.如权利要求1所述的直流电路断路器，其中，为了闭合所述主电路：
所述辅助接触器还配置成依据命令闭合；
所述第二固态开关还配置成在闭合所述辅助接触器之后闭合，由此闭合所述瞬态电路；
所述主接触器还配置成当所述第一固态开关是开放的时并且在闭合所述辅助接触器和所述第二固态开关之后闭合；
所述第一固态开关还配置成在闭合所述主接触器之后闭合，由此闭合所述主电路；以及
所述第二固态开关还配置成在闭合所述主电路之后开放，由此开放所述瞬态电路。
10.一种操作直流电路断路器的方法，所述方法包括：
在检测到经过第一固态开关的主通路电流超过第一阈值时闭合瞬态电路中的第二固态开关；
在闭合所述第二固态开关之后开放所述第一固态开关，由此使所述主通路电流转向到所述瞬态电路；
当所述主通路电流下降到第二阈值以下并且所述第一固态开关是开放的时开放主接触器；
在开放所述主接触器之后开放所述第二固态开关；以及
当瞬态通路电流下降到所述第二阈值以下并且所述第二固态开关是开放的时在所述瞬态电路中开放辅助接触器。
11.如权利要求10所述的方法，其中，开放所述第一固态开关包括经过所述主接触器使来自主电路的所述主通路电流经过所述辅助接触器转向到瞬态电路，由此传导所述瞬态通路电流。
12.如权利要求11所述的方法，其中，开放所述第二固态开关包括使来自所述第二固态开关的所述瞬态通路电流转向到并联耦合的金属氧化物变阻器。
13.如权利要求12所述的方法，其中，使所述瞬态通路电流转向到所述并联耦合的金属氧化物变阻器包括对所述瞬态通路电流进行阻尼以促进保护所述第一固态开关免于过电压条件。
14.如权利要求12所述的方法，其中，使来自所述第二固态开关的所述瞬态通路电流转向还包括将瞬态通路电压施加到并联耦合的电容器以促进保护所述第一固态开关免于过电压条件。
15.如权利要求10所述的方法，其中，所述第二阈值基本上是零安培。
16.如权利要求10所述的方法，还包括在检测高阻抗故障时将所述第一固态开关耦合到地，由此将所述主通路电流短接到地。
17.如权利要求10所述的方法，还包括：
在接收到用来闭合所述直流电路断路器的命令时闭合所述辅助接触器；
在闭合所述辅助接触器之后闭合所述第二固态开关，由此闭合所述瞬态电路；
在闭合所述第二固态开关之后闭合所述主接触器；
在闭合所述主接触器之后闭合所述第一固态开关，由此闭合主电路；以及
在闭合所述主电路之后开放所述第二固态开关，由此开放所述瞬态电路。
18.一种直流电路断路器，包括：
线路端子；
负载端子；
接触器，耦合在所述线路端子与所述负载端子之间，所述接触器包括：
主电路，包括主接触器和金属氧化物半导体场效应晶体管开关；以及
瞬态电路，并联耦合到所述主电路；
电流传感器，配置成测量经过所述接触器的电流；以及
驱动器，耦合到所述接触器和所述电流传感器，所述驱动器配置成：
当所述电流超过第一阈值时闭合所述瞬态电路；
在闭合所述瞬态电路之后开放所述金属氧化物半导体场效应晶体管开关，并且随后开放所述主接触器；以及
在所述主接触器开放之后开放所述瞬态电路。
19.如权利要求18所述的直流电路断路器，其中，所述主电路还包括与所述金属氧化物半导体场效应晶体管开关串联耦合的所述主接触器。
20.如权利要求19所述的直流电路断路器，其中，所述驱动器还配置成当所述电流下降到第二阈值以下时开放所述主接触器。
21.如权利要求18所述的直流电路断路器，其中，所述瞬态电路包括：
辅助接触器；以及
高电压绝缘栅双极晶体管开关，串联耦合到所述辅助接触器。
22.如权利要求21所述的直流电路断路器，其中，所述瞬态电路还包括金属氧化物变阻器，所述金属氧化物变阻器并联耦合到所述高电压绝缘栅双极晶体管开关，所述金属氧化物变阻器还与所述辅助接触器串联耦合。
23.如权利要求21所述的直流电路断路器，其中，所述瞬态电路还包括并联耦合到所述高电压绝缘栅双极晶体管开关的电容器，所述电容器还与所述辅助接触器串联耦合。
24.如权利要求21所述的直流电路断路器，其中，所述驱动器还配置成：
当所述电流超过所述第一阈值时闭合所述高电压绝缘栅双极晶体管开关；
在所述主接触器开放之后开放所述高电压绝缘栅双极晶体管开关；以及
在所述高电压绝缘栅双极晶体管开关开放之后并且当所述电流下降到第二阈值以下时开放所述辅助接触器。
25.如权利要求18所述的直流电路断路器，还包括耦合在所述负载端子与地之间的半导体开关，所述半导体开关配置成在正常操作期间保持开放，并且还配置成在检测到高阻抗故障时闭合。
26.如权利要求18所述的直流电路断路器，其中，所述接触器配置成在故障检测的1毫秒之内开放所述主电路和所述瞬态电路。
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