CN110932255A - 一种直流快切装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直流快切装置及方法，直流快切装置包括多种利用斥力机构驱动的开关以及LC串联震荡电路的直流电源切换电路。这些电路以较低的成本实现了在2ms‑6ms内对开关灭弧，并且快速切换直流电源，保证负载在切换过程中供电不中断。
Description
技术领域
本发明涉及一种直流快切装置及方法，属于电力配电网领域。
背景技术
直流配电网近年来得到了快速发展。这是因为光伏、风电等新能源具有波动性，适合通过直流并网；数据中心、电动汽车充电桩等负荷也是直流负荷，适合接入直流配电网，发展低压直流配电网具有很好的工程实际意义。直流配电网一旦形成，如何构建适用的直流配电网控制保护方案，快速切换电源，快速恢复供电，提高直流电网可靠性，至关重要。
快切装置用于正常工况下备用电源与工作电源间的双向切换，以及事故或非正常工况下工作电源向备用电源的单向切换。
在使用时，两路工作电源同时运行且均带有各自负荷。其中一条电源跳闸，快切装置将其负荷快速切换至另外一路电源，由另一路电源向两路负荷供电。(也可以是将备用电源投入，例如储能系统、PCS等。一定要强调多路切换，包括2路及以上。)
目前的直流快切装置采用的框架断路器、塑壳断路器的开断时间在20ms至50ms，不能满足直流电源快速切换的需要。采用的375V混合式直流开关价格在30万到100万，成本很高。因此，如何采用较低成本构建高供电可靠性，高速切换电源，是本发明需要解决的核心问题。
发明内容
发明目的：本发明提出一种直流快切装置及方法，实现工作电源与备用电源之间的快速切换。
技术方案：本发明采用的技术方案为一种直流快切装置，包括若干条由直流电源向负载供电的供电电路，在所述供电电路上设有辅助回路，辅助回路在快切期间对供电电路放电，实现快速灭弧切换。
所述供电电路为两条由直流电源至负载的回路，其中第一条回路包括依次串联的第一直流电源、第一开关和负载；第二条回路包括依次串联的第二直流电源、第二开关和负载。
所述辅助回路包括依次串联的第一电容、第一电感和第一双向晶闸管，第一电容的另一端连接在第一直流电源与第一开关的公共端点处，第一双向晶闸管的另一端连接在第二直流电源与第二开关的公共端点处。
所述辅助回路由依次相互串联的第一电感、第一电容和晶闸管并联电路组成。所述晶闸管并联电路又由相互并联的第一双向晶闸管和第二双向晶闸管组成。其中第一电感的另一端连接在负载处，第一双向晶闸管的另一端连接在第一开关与第一直流电源的公共端点处，第二双向晶闸管的另一端连接在第二开关与第二直流电源的公共端点处。
所述供电电路为两条由直流电源至负载的回路，其中第一条回路包括依次串联的第一直流电源、第一二极管、第一开关和负载；第二条回路包括依次串联的第二直流电源、第二二极管、第二开关和负载；
所述辅助回路包括依次串联的第一电容、第一电感和第一双向晶闸管，第一电容的另一端连接在第一直流电源与第一开关的公共端点处，第一双向晶闸管的另一端连接在第二直流电源与第二开关的公共端点处。
所述供电电路为四条由直流电源至负载的回路，其中第一条回路包括依次串联的第一直流电源、第一开关和负载B，第二条回路包括依次串联的第二直流电源、第二开关和负载B，第三条回路包括依次串联的第二直流电源、第三开关和负载A，第四条回路包括依次串联的第一直流电源、第四开关和负载A；
辅助回路包括第一辅助回路和第二辅助回路，第一辅助回路由依次相互串联的第一电容、第一电感和第一双向晶闸管组成，第一电容的另一端连接在第一直流电源与第一开关的公共端点处，第一双向晶闸管的另一端连接在第二直流电源与第二开关的公共端点处；
第二辅助回路由依次相互串联的第二电容、第二电感和第二双向晶闸管组成，第二电容的另一端连接在第二直流电源与第三开关的公共端点处，第二双向晶闸管的另一端连接在第一直流电源与第四开关的公共端点处。
所述第一开关、第二开关、第三开关和第四开关均为斥力机构驱动的真空断路器，或斥力机构驱动的气体断路器，或弹簧操作机构所驱动的真空接触器。
一种直流配电网快切方法，包括若干条由直流电源经过开关向负载供电的供电电路，在供电电路上还设有辅助回路，包括以下步骤：
切换电源时，正常供电电路的开关断开并产生电弧，备用供电电路开关闭合向负载供电；
所述辅助回路导通并向产生电弧的开关放电，以实现灭弧并彻底断开正常供电电路的开关。
所述开关为斥力机构驱动的真空断路器，或斥力机构驱动的气体断路器，或弹簧操作机构所驱动的真空接触器。
所述辅助回路包括依次串联的电容、电感和双向晶闸管。
有益效果：本发明公开了多种利用斥力机构驱动的开关以及LC串联振荡电路的直流电源切换电路，这些电路以较低的成本实现了在2ms-6ms内对开关灭弧，以及直流电源的快速切换，并且保证负载供电不中断。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例2的结构示意图；
图3为本发明实施例3的结构示意图；
图4为本发明实施例4的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例直流快切装置在第一直流电源S1和负载之间串联第一开关K1，第二直流电源S2和负载之间串联第二开关K2。另外还设有一条辅助回路，辅助回路由依次相互串联的第一电容C1、第一电感L1和第一双向晶闸管T1组成，第一电容C1的另一端连接在第一直流电源S1与第一开关K1的公共端点处，第一双向晶闸管T1的另一端连接在第二直流电源S2与第二开关K2的公共端点处。第一开关K1和第二开关K2使用斥力机构驱动的真空断路器(动作时间1ms-5ms)，在其他实施方式中也可以使用斥力机构驱动的气体断路器(动作时间1ms-5ms)，或弹簧操作机构所驱动的真空接触器(动作时间10ms-30ms)。在本实施例中第一开关K1和第二开关K2采用轴联动方式，这样仅需一个斥力机构或操作机构即可同时驱动两个开关，在其他实施方式中也可以使用并联或串联的两个斥力线圈驱动开关。
正常运行时，第一开关K1导通使得第一直流电源S1向负载供电，而第二开关K2断开，第二直流电源S2并不向负载供电。第一电容C1在正常运行时利用额外的充电电路进行预充电。
在需要切换电源时，第二开关K2导通而同时第一开关K1断开，但第一开关K1所在回路中电流无过零点，因此其会产生电弧且不会熄灭。这种情况下，第一直流电源S1和第二直流电源S2同时向负载供电。由于第一电容C1已经预充电，第一开关K1和第二开关K2导通使得第一电容C1、第一电感L1、第一双向晶闸管T1以及第一开关K1和第二开关K2构成了一个完整的放电回路。随着第一双向晶闸管T1的导通，第一电容C1开始向第一开关K1放电，第一电容C1放电产生正弦波电流，该电流与第一开关K1的电弧电流叠加并产生过零点，使得第一开关K1电弧熄灭彻底断开。此时只有第二直流电源S2通过第二开关K2向负载供电，从而完成了从第一直流电源S1向第二直流电源S2快切的过程。
反之亦然，再次切换电源时，第二开关K2断开而第一开关K1闭合。同理再次充电的第一电容C1向第二开关K2放电，与第二开关K2的电弧电流叠加产生过零点使得电弧熄灭，第二开关K2彻底断开，完成从第二直流电源S2向第一直流电源S1的快切。第一电容C1的充电方向并无限制，因为放电时产生的是正弦波，当放电电流的最大值大于电弧电流并且反向即可灭弧。
按照前述的斥力机构，第一开关K1和第二开关K2的动作时间为1ms-5ms，第一电容C1放电在第一开关K1或第二开关K2中产生过零点的时间不大于1ms，因此本实施例快切装置可在2ms-6ms内完成电源的快速切换。
实施例2
如图2所示，本实施例直流快切装置在第一直流电源S1和负载B之间串联第一开关K1，第二直流电源S2和负载B之间串联第二开关K2。另外还设有第一辅助回路，第一辅助回路由依次相互串联的第一电容C1、第一电感L1和第一双向晶闸管T1组成，第一电容C1的另一端连接在第一直流电源S1与第一开关K1的公共端点处，第一双向晶闸管T1的另一端连接在第二直流电源S2与第二开关K2的公共端点处。第一开关K1和第二开关K2使用斥力机构驱动的真空断路器(动作时间1ms-5ms)。在本实施例中第一开关K1和第二开关K2采用轴联动方式。
同时第一直流电源S1和负载A之间串联第四开关K4，第二直流电源S2和负载A之间串联第三开关K3。另外还设有第二辅助回路，第二辅助回路由依次相互串联的第二电容C2、第二电感L2和第二双向晶闸管T2组成，第二电容C2的另一端连接在第二直流电源S2与第三开关K3的公共端点处，第二双向晶闸管T2的另一端连接在第一直流电源S1与第四开关K4的公共端点处。第三开关K3和第四开关K4使用斥力机构驱动的真空断路器(动作时间1ms-5ms)。在本实施例中第三开关K3和第四开关K4采用轴联动方式。
正常运行时，第一开关K1导通使得第一直流电源S1向负载B供电，而第二开关K2断开，第二直流电源S2并不向负载B供电。此时第一电容C1完成预充电。同样地，第三开关K3导通使得第二直流电源S2向负载A供电，而第四开关K4断开，第一直流电源S1并不向负载A供电。此时第二电容C2完成预充电。可以看到本实施例中第一电源S1和第二电源S2在正常运行时分别向负载B和负载A供电。
在需要切换负载B电源时，第二开关K2导通而同时第一开关K1断开，但第一开关K1所在回路中电流无过零点，因此其会产生电弧且不会熄灭。这种情况下，第一直流电源S1和第二直流电源S2同时向负载B供电。由于第一电容C1已经预充电，第一开关K1和第二开关K2导通使得第一电容C1、第一电感L1、第一双向晶闸管T1以及第一开关K1和第二开关K2构成了一个完整的放电回路。随着第一双向晶闸管T1的导通，第一电容C1开始向第一开关K1放电，第一电容C1放电产生正弦波电流，该电流与第一开关K1的电弧电流叠加并产生过零点，使得第一开关K1电弧熄灭彻底断开。此时只有第二直流电源S2通过第二开关K2向负载供电，从而完成了从第一直流电源S1向第二直流电源S2快切的过程。
同理在需要切换负载A电源时，第四开关K4导通而同时第三开关K3断开，但第三开关K3所在回路中电流无过零点，因此其会产生电弧且不会熄灭。这种情况下，第一直流电源S1和第二直流电源S2同时向负载B供电。由于第二电容C2已经预充电，第三开关K3和第四开关K4导通使得第二电容C2、第二电感L2、第二双向晶闸管T2以及第三开关K3和第四开关K4构成了一个完整的放电回路。随着第二双向晶闸管T2的导通，第二电容C2开始向第三开关K3放电，第二电容C2放电产生正弦波电流，该电流与第三开关K3的电弧电流叠加并产生过零点，使得第三开关K3电弧熄灭彻底断开。此时只有第一直流电源S1通过第四开关K4向负载供电，从而完成了从第二直流电源S2向第一直流电源S1快切的过程。
本实施例并联了两个负载，实现双路电源对双路负载的切换。由于斥力机构动作时间是1ms-5ms，而第一电容C1和第二电容C2放电并产生过零点的时间不大于1ms，因此本实施例快切装置在2-6ms内即可完成电源快切。
实施例3
如图3所示，本实施例直流快切装置在第一直流电源S1和负载之间依次串联第一二极管D1和第一开关K1，其中第一二极管D1的正极与第一直流电源S1连接。第二直流电源S2和负载之间依次串联第二二极管D2和第二开关K2，其中第二二极管D2的正极与第二直流电源S2连接。另外还设有一条辅助回路，辅助回路由依次相互串联的第一电容C1、第一电感L1和第一双向晶闸管T1组成，第一电容C1的另一端连接在第一二极管D1与第一开关K1的公共端点处，第一双向晶闸管T1的另一端连接在第二二极管D2与第二开关K2的公共端点处。第一开关K1和第二开关K2使用斥力机构驱动的真空断路器(动作时间1ms-5ms)。在本实施例中第一开关K1和第二开关K2采用轴联动方式，这样仅需一个斥力机构或操作机构即可同时驱动两个开关，在其他实施方式中也可以使用并联或串联的两个斥力线圈驱动开关。
正常运行时，第一开关K1导通使得第一直流电源S1向负载供电，而第二开关K2断开，第二直流电源S2并不向负载供电。第一电容C1在正常运行时进行预充电。
在需要切换电源时，第二开关K2导通而同时第一开关K1断开，但第一开关K1所在回路中电流无过零点，因此其会产生电弧且不会熄灭。这种情况下，第一直流电源S1和第二直流电源S2同时向负载供电。由于第一电容C1已经预充电，第一开关K1和第二开关K2导通使得第一电容C1、第一电感L1、第一双向晶闸管T1以及第一开关K1和第二开关K2构成了一个完整的放电回路。随着第一双向晶闸管T1的导通，第一电容C1开始向第一开关K1放电，第一电容C1放电产生正弦波电流，该电流与第一开关K1的电弧电流叠加并产生过零点，使得第一开关K1电弧熄灭彻底断开。此时只有第二直流电源S2通过第二开关K2向负载供电，从而完成了从第一直流电源S1向第二直流电源S2快切的过程。
反之亦然，再次切换电源时，第二开关K2断开而第一开关K1闭合。同理再次充电的第一电容C1向第二开关K2放电，与第二开关K2的电弧电流叠加产生过零点使得电弧熄灭，第二开关K2彻底断开，完成从第二直流电源S2向第一直流电源S1的快切。第一电容C1的充电方向并无限制，因为放电时产生的是正弦波，当放电电流的最大值大于电弧电流并且反向即可灭弧。
当第一直流电源S1或第二直流电源S2发生短路，以及第一直流电源S1与第一二极管D1之间的连接导线，第二直流电源S2与第二二极管D2之间的连接导线发生短路时，第一二极管D1和第二二极管D2能够避免第一直流电源S1或第二直流电源S2相互馈入短路电流，防止故障范围扩大。例如当第一直流电源S1发生短路时，如果没有第一二极管D1和第二二极管D2，短路电流会沿着第二直流电源S2、第二开关K2、第一开关K1和第一直流电源S1的方向馈入第一直流电源S1。
按照前述的斥力机构，第一开关K1和第二开关K2的动作时间为1ms-5ms，第一电容C1放电在第一开关K1或第二开关K2中产生过零点的时间不大于1ms，因此本实施例快切装置可在2ms-6ms内完成电源的快速切换。
实施例4
如图4所示，本实施例直流快切装置在第一直流电源S1和负载之间串联第一开关K1，第二直流电源S2和负载之间串联第二开关K2。还设有一条辅助回路，辅助回路由依次相互串联的第一电感L1、第一电容C1和晶闸管并联电路组成。所述晶闸管并联电路又由相互并联的第一双向晶闸管T1和第二双向晶闸管T2组成。其中第一电感L1的另一端连接在负载处，第一双向晶闸管T1的另一端连接在第一开关K1与第一直流电源S1的公共端点处，第二双向晶闸管T2的另一端连接在第二开关K2与第二直流电源S2的公共端点处。在本实施例中第一开关K1和第二开关K2使用斥力机构驱动的真空断路器(动作时间1ms-5ms)，并采用轴联动方式，这样仅需一个斥力机构或操作机构即可同时驱动两个开关，在其他实施方式中也可以使用并联或串联的两个斥力线圈驱动开关。
本实施例切换电源的方式有并联快切和串联快切两种。所述并联快切的过程如下：
正常运行时，第一开关K1导通使得第一直流电源S1向负载供电，而第二开关K2断开，第二直流电源S2并不向负载供电。第一电容C1在正常运行时进行预充电。
当需要从第一直流电源S1向第二直流电源S2切换时，第一开关K1断开，而第二开关K2闭合。由于此时第一开关K1中仍然通有直流电流，电流无过零点，所以第一开关K1产生电弧且不熄灭，仍然导通。这样第一直流电源S1和第二直流电源S2同时向负载供电。
与此同时，第一双向晶闸管T1导通，第一电感L1、第一电容C1、第一开关K1和第一电容C1构成了一个放电回路，已经预充电的第一电容C1向第一开关K1放电。由于第一电容C1的放电电流为正弦波电流，其与第一开关K1中的负载电流叠加必然会产生过零点，即实现灭弧使得第一开关K1彻底断开。此时仅有第二直流电源S2通过第二开关K2向负载供电，从而完成从第一直流电源S1向第二直流电源S2的快速切换。
所述串联快切的过程如下：
正常运行时，第一开关K1导通使得第一直流电源S1向负载供电，而第二开关K2断开，第二直流电源S2并不向负载供电。第一电容C1在正常运行时进行预充电。
当需要从第一直流电源S1向第二直流电源S2切换时，第一开关K1断开，而第二开关K2仍然保持断开。由于此时第一开关K1中仍然通有直流电流，电流无过零点，所以第一开关K1产生电弧且不熄灭，仍然导通。这样第一直流电源S1仍然向负载供电，而第二直流电源S2并未向负载供电。
由于第一开关K1实际导通，所以第一双向晶闸管T1导通。第一电感L1、第一电容C1、第一开关K1和第一电容C1构成了一个放电回路，已经预充电的第一电容C1向第一开关K1放电。由于第一电容C1的放电电流为正弦波电流，其与第一开关K1中的负载电流叠加必然会产生过零点，即实现灭弧使得第一开关K1彻底断开。此时第一直流电源S1和第二直流电源S2都不向负载供电。
最后再闭合第二开关K2使其导通，第二直流电源S2通过第二开关K2向负载供电。从而完成从第一直流电源S1向第二直流电源S2的快速切换。
按照前述的斥力机构，第一开关K1和第二开关K2的动作时间为1ms-5ms，第一电容C1放电在第一开关K1或第二开关K2中产生过零点的时间不大于1ms。因此若第一开关K1断开的同时第二开关K2立刻闭合，本实施例串联快切可在2ms-6ms内完成电源的快速切换。而并联快切也可以在2ms-6ms内完成电源的快速切换。
Claims (9)
1.一种直流快切装置，包括若干条由直流电源向负载供电的供电电路，其特征在于，在所述供电电路上设有辅助回路，辅助回路在快切期间对供电电路放电，实现快速灭弧切换。
2.根据权利要求1所述的直流快切装置，其特征在于，所述供电电路为两条由直流电源至负载的回路，其中第一条回路包括依次串联的第一直流电源(S1)、第一开关(K1)和负载；第二条回路包括依次串联的第二直流电源(S2)、第二开关(K2)和负载；
所述辅助回路包括依次串联的第一电容(C1)、第一电感(L1)和第一双向晶闸管(T1)，第一电容(C1)的另一端连接在第一直流电源(S1)与第一开关(K1)的公共端点处，第一双向晶闸管(T1)的另一端连接在第二直流电源(S2)与第二开关(K2)的公共端点处。
3.根据权利要求1所述的直流快切装置，其特征在于，所述供电电路为两条由直流电源至负载的回路，其中第一条回路包括依次串联的第一直流电源(S1)、第一开关(K1)和负载；第二条回路包括依次串联的第二直流电源(S2)、第二开关(K2)和负载；
所述辅助回路由依次相互串联的第一电感(L1)、第一电容(C1)和晶闸管并联电路组成，所述晶闸管并联电路又由相互并联的第一双向晶闸管(T1)和第二双向晶闸管(T2)组成，其中第一电感(L1)的另一端连接在负载处，第一双向晶闸管(T1)的另一端连接在第一开关(K1)与第一直流电源(S1)的公共端点处，第二双向晶闸管(T2)的另一端连接在第二开关(K2)与第二直流电源(S2)的公共端点处。
4.根据权利要求2或3所述的直流快切装置，其特征在于，所述供电电路为两条由直流电源至负载的回路，其中第一条回路包括依次串联的第一直流电源(S1)、第一二极管(D1)、第一开关(K1)和负载；第二条回路包括依次串联的第二直流电源(S2)、第二二极管(D2)、第二开关(K2)和负载；
所述辅助回路包括依次串联的第一电容(C1)、第一电感(L1)和第一双向晶闸管(T1)，第一电容(C1)的另一端连接在第一直流电源(S1)与第一开关(K1)的公共端点处，第一双向晶闸管(T1)的另一端连接在第二直流电源(S2)与第二开关(K2)的公共端点处。
5.根据权利要求1所述的直流快切装置，其特征在于，所述供电电路为四条由直流电源至负载的回路，其中第一条回路包括依次串联的第一直流电源(S1)、第一开关(K1)和负载B，第二条回路包括依次串联的第二直流电源(S2)、第二开关(K2)和负载B，第三条回路包括依次串联的第二直流电源(S2)、第三开关(K3)和负载A，第四条回路包括依次串联的第一直流电源(S1)、第四开关(K4)和负载A；
辅助回路包括第一辅助回路和第二辅助回路，第一辅助回路由依次相互串联的第一电容(C1)、第一电感(L1)和第一双向晶闸管(T1)组成，第一电容(C1)的另一端连接在第一直流电源(S1)与第一开关(K1)的公共端点处，第一双向晶闸管(T1)的另一端连接在第二直流电源(S2)与第二开关(K2)的公共端点处；
第二辅助回路由依次相互串联的第二电容(C2)、第二电感(L2)和第二双向晶闸管(T2)组成，第二电容(C2)的另一端连接在第二直流电源(S2)与第三开关(K3)的公共端点处，第二双向晶闸管(T2)的另一端连接在第一直流电源(S1)与第四开关(K4)的公共端点处。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的直流快切装置，其特征在于，所述第一开关(K1)、第二开关(K1)、第三开关(K3)和第四开关(K4)均为斥力机构驱动的真空断路器，或斥力机构驱动的气体断路器，或弹簧操作机构所驱动的真空接触器。
7.一种直流配电网快切方法，包括若干条由直流电源经过开关向负载供电的供电电路，其特征在于，在供电电路上还设有辅助回路，包括以下步骤：
切换电源时，正常供电电路的开关断开，备用供电电路开关闭合向负载供电；
所述辅助回路导通并向正常供电电路的开关放电，以实现灭弧并彻底断开正常供电电路的开关。
8.根据权利要求7所述的直流配电网快切方法，其特征在于，所述开关为斥力机构驱动的真空断路器，或斥力机构驱动的气体断路器，或弹簧操作机构所驱动的真空接触器。
9.根据权利要求7所述的直流配电网快切方法，其特征在于，所述辅助回路包括依次串联的电容、电感和双向晶闸管。
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| CN (1) | CN110932255A (zh) |
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2019
- 2019-12-20 CN CN201911323230.0A patent/CN110932255A/zh active Pending
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