CN109861194A - 用于直流配电系统的含软起动和保护功能的混合式开关 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于直流配电系统的含软起动和保护功能的混合式开关，包括依次相连的保护电路(100)、主开关电路(200)、与主开关电路(200)并联的软起动电路(300)、电流采集电路(400)和用于监控并保存保护电路(100)、主开关电路(200)、软起动电路(300)、电流采集电路(400)的工作状态信息的智能控制电路(500)，其中主开关电路(200)包括主开关，主开关为直流断路器(D1)，软起动电路(300)包括软起动开关和软起动电阻，其中软起动开关(Qs)为半导体开关。本发明提供的混合式开关能够大幅提高直流配电系统的可靠性，降低系统的故障率，降低系统的成本。
Description
技术领域
本发明涉及智能电网领域，具体涉及一种用于直流配电系统的含软起动和保护功能的混合式开关。
背景技术
随着直流供电系统应用的普及，直流配电保护开关的需求量越来越大，当前常用的有机械式开关，如直流断路器、直流接触器等。但是在实际应用过程中，由于在直流系统中电源侧和负载侧都有较大的电容，在开关闭合瞬间，由于电容的充放电，会引起非常大的冲击电流，这一特点与交流系统不同，冲击电流峰值往往会远远超出开关元件的额定值，这样严重影响开关元件的使用寿命，造成故障率高；另外与交流系统不同，直流系统没有周期性的过零点，造成开关关断时难以灭弧，这样开关的设计复杂程度提高，造成开关价格比交流开关昂贵得多。
发明内容
本发明是为了同时克服现有技术中机械式开关故障率较高和价格昂贵的技术问题，和电子式开关通流能力相对较低的问题，取电子开关和机械开关二者之所长，用电子开关作为软起动开关，用机械开关作为主开关和保护开关，从而提供一种用于直流配电系统的含软起动和保护功能的混合式开关，结合了接触器的可控开关功能，断路器的过流保护功能，并增加了软起动功能，以及监控和通讯功能等，能够大幅提高直流配电系统的可靠性，降低系统的故障率，降低系统的成本。
本发明提供了一种用于直流配电系统的含软起动和保护功能的混合式开关，包括：
保护电路：一端与直流电源输出端相连，另一端与主开关电路和软起动电路相连，用于在负载过流或短路且主开关电路故障时切断故障支路；
主开关电路：两端分别与保护电路和电流采集电路相连且与软起动电路并联，用于接通或断开直流负载支路，并对负载的过流或短路进行保护；主开关电路包括主开关，主开关为机械开关；
软起动电路：两端分别与保护电路和电流采集电路相连且与主开关电路并联，用于在主开关电路接通电路之前先行接通限制冲击电流，用于在主开关电路接通之后关断并为下次软起动做准备；软起动电路包括串联设置的软起动开关和软起动电阻，软起动开关为半导体开关；
电流采集电路：一端与主开关电路和软起动电路相连，另一端与直流负载输入端相连，用于直流负载进行电流采样，并将采样结果传送至智能控制电路；
智能控制电路：用于根据外部指令对主开关电路和软起动电路进行开关控制，从而实现接触器的功能，用于接收电流采集电路传送的所述采样结果，用于监控并保存保护电路、主开关电路、软起动电路和电流采集电路的工作状态信息，从而实现比接触器和断路器更多的监控功能。
本发明所述的电子开关通过智能控制电路接收外部指令，进行开关控制，这个功能类似于接触器。与接触器的不同点在于，当接触器开通时，由于接触器两端的电路中的电容处于不同电压水平，在接触器开通瞬间，将产生很大的冲击电流；而本发明中在正常开通时，先进行软起动，即在主开关接通前先接通软起动开关，此时与软起动开关串联的软起动电阻能够将起动电流限制在安全范围内，经过一段延时后软起动结束，即主开关两端处于同样电位，这时再开通主开关，就能够避免冲击电流的产生，避免了系统中元器件过流和过压的风险，提高了其可靠性和使用寿命。在主开关完全接通后，断开软起动开关，从而做好下一次软起动的准备。
在出现较大的故障电流时，本发明所述的电子和机械混合式开关可以通过内部的断路器实现保护功能。断路器的电流分断能力远远大于接触器，因此在故障时，用断路器进行保护，而不用接触器分断故障电流，从而保证了接触器的使用寿命。通过电流采集装置对直流负载进行采样。当电流较小时，电流采集装置可以是一个采样电阻；当电流较大时，电流采集装置可以是一个霍尔传感器。通过智能控制电路把采集到的电流上传到外部系统进行进一步分析处理。
本发明所述的用于直流配电系统的含软起动和保护功能的混合式开关，作为优选方式，主开关为直流接触器。
本发明所述的用于直流配电系统的含软起动和保护功能的混合式开关，作为优选方式，保护电路为直流断路器。
本发明所述的用于直流配电系统的含软起动和保护功能的混合式开关，作为优选方式，智能控制电路通过通讯接口与系统外部进行信息交换。
本发明在使用过程中，当直流配电系统正常开通时，先开通软起动开关，软起动电流被与软起动开关串联的软起动电阻所限制，经一段延时之后，软起动过程结束，再开通主开关，在主开关开通时不会产生冲击电流，流经主开关的最大电流就是最大负载电流，在主开关开通后，把软起动开关关断，以准备下一个软起动周期；当直流配电系统正常关断时，直接关断主开关；当出现故障电流时，主开关保持开通状态，通过断路器切断故障电流，对电路进行保护。采用断路器进行保护的原因是断路器的故障电路分断能力远大于直流接触器，因此这样对接触器形成了良好的保护，可以提高可靠性，延长接触器的使用寿命。
本发明使用半导体器件作为软起动开关替代机械开关，由于软起动开关的最大电流被软起动电阻限制，不会出现过大电流，且仅在开关瞬时会流通电流，大部分时间处于非工作状态。这种状态下采用半导体器件可以比机械开关可靠性更高，使用寿命更长，且成本可以大幅降低。
附图说明
图1为一种用于直流配电系统的含软起动和保护功能的电子开关。
图2为实施例1示意图。
附图标记：
100、保护电路；200、主开关电路；300、软起动电路；400、电流采集电路；500、智能控制电路；Rs：软起动电阻；Qs：软起动开关；J1：直流接触器；D1：直流断路器。
具体实施方式
如图1所示，一种用于直流配电系统的电子，包括：
保护电路100：一端与直流电源输出端相连，另一端与主开关电路200和软起动电路300相连，用于在负载过流或短路且主开关电路200故障时切断故障支路；保护电路100为直流断路器D1；
主开关电路200：两端分别与保护电路100和电流采集电路400相连且与软起动电路300并联，用于接通或断开直流负载支路；主开关电路200包括主开关，主开关为直流接触器J1；
软起动电路300：两端分别与保护电路100和电流采集电路400相连且与主开关电路200并联，用于在主开关电路200接通电路之前先行接通限制冲击电流，用于在主开关电路200接通之后关断并为下次软起动做准备；软起动电路300包括串联设置的软起动开关Qs和软起动电阻Rs，软起动开关Qs为半导体开关；
电流采集电路400：一端与主开关电路200和软起动电路300相连，另一端与直流负载输入端相连，用于直流负载进行电流采样，并将采样结果传送至智能控制电路500；
智能控制电路500：用于根据外部指令对主开关电路200和软起动电路300进行开关控制，用于接收电流采集电路400传送的采样结果，用于监控并保存保护电路100、主开关电路200、软起动电路300和电流采集电路400的工作状态信息；智能控制电路500通过通讯接口与外部系统进行信息传送。
实施例1
当电流大于半导体器件的安全电流时，如图2所示，直流系统的额定电压为800V，负载额定功率为60kW，负载电容为15000uF；负载在直流供电两秒之后正式起动。
额定电流为75A，选取软起动电阻Rs＝7Ω，则峰值冲击电流为800V/7Ω＝114A。起动时间常数为7Ω×15000uF＝0.105sec，起动延时可定为1秒钟。软起动电阻Rs的额定功率可以选为5kW。主开关可以选为1000V的直流接触器J1，额定电流150A；软起动开关可以选为1200V的碳化硅MOS管，导通电阻10mΩ；断路器可以选额定电压1kV，额定电流150A。
本实施例在使用过程中，当直流配电系统正常开通时，先开通第一半导体开关Qs，软起动电流被软起动电阻Rs所限制，经一段延时之后，软起动过程结束，再开通直流接触器J1，在直流接触器J1开通时不会产生冲击电流，流经直流接触器J1的最大电流就是最大负载电流，在直流接触器J1开通后，把第一半导体开关Qs关断，以准备下一个软起动周期；当直流配电系统正常关断时，直接关断直流接触器J1；当智能控制器400通过检测断路器后端电压Vf判断直流断路器D1跳闸后，应马上自动断开直流接触器J1，以免人工复位直流断路器D1后带来不可控的冲击电流，当直流断路器D1复位后，由于直流接触器J1和第一半导体开关Qs都处于关断状态，不会产生任何电流，之后通过正常开关操作完成开关的接通。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出的任何修改、变化或等效形式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种用于直流配电系统的含软起动和保护功能的混合式开关，其特征在于：包括：
保护电路(100)：一端与直流电源输出端相连，另一端与主开关电路(200)和软起动电路(300)相连，用于在负载过流或短路且所述主开关电路(200)故障时切断故障支路；
主开关电路(200)：两端分别与所述保护电路(100)和电流采集电路(400)相连且与所述软起动电路(300)并联，用于接通或断开直流负载支路，并对负载的过流或短路进行保护；所述主开关电路(200)包括主开关，所述主开关为机械开关；
软起动电路(300)：两端分别与所述保护电路(100)和电流采集电路(400)相连且与所述主开关电路(200)并联，用于在所述主开关电路(200)接通电路之前先行接通限制冲击电流，用于在所述主开关电路(200)接通之后关断并为下次软起动做准备；所述软起动电路(300)包括串联设置的软起动开关(Qs)和软起动电阻(Rs)，所述软起动开关(Qs)为半导体开关；
电流采集电路(400)：一端与所述主开关电路(200)和所述软起动电路(300)相连，另一端与直流负载输入端相连，用于所述直流负载进行电流采样，并将采样结果传送至智能控制电路(500)；
智能控制电路(500)：用于根据外部指令对所述主开关电路(200)和所述软起动电路(300)进行开关控制，用于接收所述电流采集电路(400)传送的所述采样结果，用于监控并保存所述保护电路(100)、所述主开关电路(200)、所述软起动电路(300)和所述电流采集电路(400)的工作状态信息。
2.根据权利要求1所述的用于直流配电系统的含软起动和保护功能的混合式开关，其特征在于：所述主开关为直流接触器(J1)。
3.根据权利要求2所述的用于直流配电系统的含软起动和保护功能的混合式开关，其特征在于：所述保护电路(100)为直流断路器(D1)。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种用于直流配电系统的含软起动和保护功能的混合式开关，其特征在于：所述智能控制电路(400)通过通讯接口与系统外部进行信息交换。
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