CN109861189B - 一种灭弧型低压直流断路器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种灭弧型低压直流断路器，该电路通过接触器、JFET和IGBT、电容器的组合，完整的器件保护和启动过程逻辑控制，可以实现接触器的无弧关断，不仅提高了断路器的运行效率和可靠性，而且有效的控制了动作时间，非常适合于直流配电网、变电站直流系统、计算中心直流电源系统等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种灭弧型低压直流断路器，属于电力电子的技术领域。
背景技术
随着新能源控制技术以及大功率电力电子器件不断发展，直流配电网日益受到人们的关注。然而，直流系统线路阻抗低，当发生短路故障时，线路电流上升迅速，在很短的时间内上升到电网难以承受的水平。直流断路器，作为直流输电的关键设备，能够快速隔离故障，然后，传统机械式断路器虽然通态损耗低，开断能力强，但是开断时间受到振荡电路和燃弧现象的限制，很难满足某些场合的开断需求。固态断路器仅由电力电子器件组成，所以开断过程迅速，没有电弧产生，且快速的开断时间能满足所有直流开断的需求。但是，固态断路器通态损耗巨大，散热和效率限制了其实际大电流实用。混合直流断路器由机械断路器并联固态断路器组成，继承了固态断路器开断迅速与机械断路器通态损耗低的特点，成为近年来研究的热点，也是直流配电网高效可靠运行的关键装备。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种灭弧型低压直流断路器。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种灭弧型低压直流断路器，包括接触器K1、JFET器件J1、IGBT器件T1及其反并联二极管D1、二极管D2、缓冲电容C1和C2、阻尼电阻R1和 R2、氧化锌阀片Z1和相应驱动电路；
接触器K1的正极1连接断路器的正接入点+KM，K1的负极2连接J1的D极，J1的S极连接断路器的负接入点+KM1，J1的门极连接驱动电路；
氧化锌阀片Z1的两端分别连接断路器的正负接入点+KM、+KM1；
缓冲电容C1一端连接断路器的正接入点+KM，另外一端连接阻尼电阻R1的一端，形成中心点O，阻尼电阻R1的另一端连接断路器的负接入点+KM1；缓冲电容C2一端连接中心点O，另外一端连接阻尼电阻R2的一端，阻尼电阻R2的另一端连接断路器的负接入点+KM1；
T1的C极连接断路器的正接入点+KM， T1的E极连接D2的正极，即连接中心点O，D2的负极连接断路器的负接入点+KM1， T1的门极连接驱动电路。
所述J1的门极施加驱动负电压时为导通状态；施加低于阈值的驱动电压时为截止状态。
合闸状态时T1和D2中无电流。
所述JFET器件J1、IGBT器件T1采用HCPL-3120芯片进行驱动，接触器K1采用光继电器TLP3553驱动。
本发明所达到的有益效果：1、本发明可以实现一种灭弧型直流断路器，不仅提高了断路器的运行效率和可靠性，而且有效的控制了动作时间；2、本发明还实现了完整的器件保护和启动过程控制，非常适合于直流配电网领域；3、本发明采用常通型JFET作为辅助换流器器件，便于控制和保护测量；4、本发明主换流IGBT器件采用阶段式关断模式，并配合吸收电容，可有效控制IGBT的流通电流和发热量；5、JFET内阻皆作过电流保护测量电阻，实施简单，且成本较低。
附图说明
图1为本发明的电路图；
图2为本发明的驱动电路图；
图3为本发明的IGBT多阶段关断模式电路图；
图4为本发明的过电流测量电路图；
图５为本发明的开通动作时续图；
图6为本发明的关断动作时续图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明涉及一种灭弧型低压直流断路器，其电路包括接触器K1、JFET器件J1、IGBT器件T1及其反并联二极管D1、二极管D2、缓冲电容C1和C2、阻尼电阻R1和 R2、氧化锌阀片Z1；
接触器K1的正极1连接断路器的正接入点+KM，K1的负极2连接J1的D极，J1的S极连接断路器的负接入点+KM1，J1的门极连接驱动电路；
氧化锌阀片Z1的两端分别连接断路器的正负接入点+KM、+KM1；
缓冲电容C1一端连接断路器的正接入点+KM，另外一端连接阻尼电阻R1的一端，形成中心点O，阻尼电阻R1的另一端连接断路器的负接入点+KM1；缓冲电容C2一端连接中心点O，另外一端连接阻尼电阻R2的一端，阻尼电阻R2的另一端连接断路器的负接入点+KM1；
T1的C极连接断路器的正接入点+KM， T1的E极连接D2的正极，即连接中心点O，D2的负极连接断路器的负接入点+KM1， T1的门极连接驱动电路。
如图2所示，直流断路器驱动电路包含K1、J1和T1的驱动。K1采用光继电器TLP3553驱动其动作线圈实现，驱动电压为24V，通过DSP的IO脚控制光继电器通断，进而控制K1。J1利用HCPL-3120芯片进行驱动，驱动电压为-20-0V，当DSP的IO脚输出逻辑“0”时，其驱动电路输出-20V，JFET为关断状态，当DSP的IO脚输出逻辑“1”时，其驱动电路输出0V，JFET为开通状态。T1也利用HCPL-3120芯片进行驱动，T1的关断为多阶段模式，根据DSP测量的电流大小，判断选择对应的关断驱动支路，如图3所示，通常驱动电压为Vee1=-8V，Vcc1=15V的第一支路，当DSP的IO脚输出逻辑“0”时，其驱动电路输出-8V，IGBT为关断状态，当DSP的IO脚输出逻辑“1”时，其驱动电路输出15V，IGBT为开通状态。当需要关断故障电流时，根据实际DSP测量的电流大小，选择第二支路、第三支路，亦可根据实际需求选择更多的支路。上述二个支路的原理是根据Vccx和Veex (x=2或3)和钳位二极管的配置不同的门极驱动电压V GE，如式（1）所示，通过控制门极电压进而可控制IGBT流通的电流，从而控制C1流通电流及其两端电压的上升率，即控制IGBT的关断速度。
（1）
其中，I c,sat为IGBT的集电极电流，α为IGBT结构决定的常数，V GE为加在IGBT门极的电压，V th为IGBT的门极阈值电压，一般也认为是常数。
由于J1的自身电阻值很小，如图4所示，可以通过电阻电容差分滤波电路后接入隔离线性光耦，隔离线性光耦输出接至调理运放电路，其输出分两路分别接入DSP的ADC1和比较器脚COMP1，ADC1由DSP的软件按采集时序读取数据并执行计算，比较器COMP1输出则实现中断加速启动，结果和DSP的计算结果组成相关的逻辑控制。
上述直流断路器的开通状态和关断状态原理如下：
J1是一种电阻值很小的常导通型器件，即当没有驱动负电压施加其门极时，其为导通状态；当低于阈值的驱动电压施加其门极时，其为截止状态。因此，正常合闸状态运行时，接触器K1和 J1形成主供电回路，K1、J1、T1均处于开通状态，因J1的电阻值很小，K1、J1构成的主供电回路导通电流且损耗较小；T1、D2的压降较K1、J1的压降大，因此T1和D2中无电流。正常断开状态时，K1、J1、T1都处于断开状态，C1承担直流母线电压。
上述直流断路器的开通过程原理如下：
如图5所示，合闸命令下达后，先开通J1，20us后再合K1，待K1触电闭合后，C1通过R1、J1、K1放电，10s后C1电压降至较小值，最后开通T1，因此T1不存在过冲电流。
上述直流断路器的关断过程原理如下：
如图6所示，分闸命令下达后，首先分断J1，由于JFET为少子型器件，20us后J1中无电流，即K1和J1支路无电流，然后再分断K1，因此K1没有电弧； K1分断后，由于T1在开通状态，C1两端电压上升较小，因此J1仅承受小电压，此时电流通过T1和D2；5ms之后，K1完全分断，此后，开始关断T1，T1的门极电压采用阶段式下降模式，该模式有效控制T1的流通电流，因此此时断路器电流的电流一部分流过T1，一部分流过C1，C1电压不断上升，最后时刻T1完全关断，C1电压上升至一定过冲电压后自然恢复至母线电压，断路器自然关断；故障模式时，电流较大，C1电压上升至Z1动作电压，Z1限制过冲电压并消耗多余能量，最后C1电压恢复至母线电压，随后断路器才自然关断。
上述电路通过接触器、JFET和IGBT、电容器的组合，完整的器件保护和启动过程逻辑控制，可以实现接触器的无弧关断，不仅提高了断路器的运行效率和可靠性，而且有效的控制了动作时间，非常适合于直流配电网、变电站直流系统、计算中心直流电源系统等领域。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种灭弧型低压直流断路器，其特征在于：包括接触器K1、JFET器件J1、IGBT器件T1及其反并联二极管D1、二极管D2、缓冲电容C1和C2、阻尼电阻R1和R2、氧化锌阀片Z1；所述接触器K1的正极1连接断路器的正接入点+KM，接触器K1的负极2连接JFET器件J1的漏极，JFET器件J1的源极连接断路器的负接入点+KM1，JFET器件J1的门极连接驱动电路；所述氧化锌阀片Z1的两端分别连接断路器的正接入点+KM及负接入点+KM1；所述缓冲电容C1一端连接断路器的正接入点+KM，另外一端连接阻尼电阻R1的一端，阻尼电阻R1的另一端连接断路器的负接入点+KM1，在缓冲电容C1及阻尼电阻R1的连接点处形成中心点O；所述缓冲电容C2一端连接中心点O，另外一端连接阻尼电阻R2的一端，所述阻尼电阻R2的另一端连接断路器的负接入点+KM1；所述IGBT器件T1的漏极连接断路器的正接入点+KM，IGBT器件T1的源极连接二极管D2的正极，即连接中心点O，二极管D2的负极连接断路器的负接入点+KM1，IGBT器件T1的门极连接驱动电路；
所述JFET器件J1的门极施加驱动负电压时为导通状态，施加低于阈值的驱动电压时为截止状态，合闸状态时IGBT器件T1和二极管D2中无电流。
2.根据权利要求1所述的一种灭弧型低压直流断路器，其特征在于：所述JFET器件J1、IGBT器件T1采用HCPL-3120芯片进行驱动，接触器K1采用光继电器TLP3553驱动。
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