CN112072625A

CN112072625A - 基于预充电电容器的光伏直流断路器抑弧拓扑

Info

Publication number: CN112072625A
Application number: CN202010907256.6A
Authority: CN
Inventors: 姚芳; 孟德芳; 苏云翔; 唐圣学; 赵靖英
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2020-09-02
Filing date: 2020-09-02
Publication date: 2020-12-11
Anticipated expiration: 2040-09-02
Also published as: CN112072625B

Abstract

本发明提出了一种预充电电容的光伏直流断路器抑弧拓扑，涉及直流断路器抑弧的技术领域。该拓扑由电压检测电路、驱动控制电路和缓冲执行电路三部分构成，通过P1‑P4并联在光伏直流断路器触头两端，使其辅助断路器完成分断电路工作。其工作原理是：通过检测断路器开断过程中断口之间电压，利用光耦模块及驱动电路使IGBT导通，由IGBT开关器件和并联电容器形成放电电路，向负载放电抬升负载两端电压，从而降低断路器断口两端电压，使其低于燃弧电压，破坏燃弧条件。其有益效果是可显著降低光伏断路器的分断燃弧时间，有利于提高光伏断路器寿命，具有较好经济技术特性。

Description

基于预充电电容器的光伏直流断路器抑弧拓扑

技术领域：

本发明涉及光伏直流断路器抑弧的技术领域，是一种电容缓冲式光伏直流断路器抑弧拓扑。

背景技术：

光伏直流汇流箱中直流断路器的可靠性对光伏系统的安全性有重要影响。因直流电弧不存在过零点而较难熄灭，电弧烧蚀触头使断路器的使用寿命缩短，甚至引发火灾事故使系统可靠性降低。

高压直流断路器主要分为机械式直流断路器、固态直流断路器和混合式直流断路器。混合式直流断路器综合了机械开关耐压高和电力电子器件断流能力强动作迅速的优点，CN111146760A公开了一种混合式直流断路器包括通流支路、电子开关支路和吸能支路，需要多器件串并联，存在均压均流问题和驱动控制电路复杂的缺陷，另外需配合缓冲吸收电路保护电力电子器件。此外，采用“人工过零点法”设计的方案大多从电弧能量转移角度考虑，将故障电流转移到其他支路，目前从电弧燃弧条件方面考虑设计断路器结构的策略较少。如文献[1]提出了电容换流型直流断路器，主支路采用直流电容与二极管阀组串联的结构，辅助支路由IGBT与晶闸管阀组串联组成，提高了开断能力，降低了成本，但仍是将燃弧能量转移到缓冲电容上。

[1]赵文婷，袁召，方帅，等.一种新型电容缓冲式混合高压直流断路器的设计与仿真[J].高压电器，2015，51(11)：41-46.

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：降低触头分断电压，有效抑制燃弧时间和燃弧能量。

本发明采用的技术方案是：一种基于预充电电容的光伏直流断路器抑弧拓扑，并联在光伏直流断路器触头两端，辅助断路器完成分断电路工作。该拓扑由两个近似对称的部分构成，含4个外接端子，主要包括以下三部分：(1)电压检测电路、(2)驱动控制电路和(3)缓冲执行电路。

以上半个拓扑为例简述各部分组成：

(1)电压检测电路主要由限流电阻R1，光电耦合器T1组成，用来检测断路器触头两端电压，从而控制受控端回路通断。

(2)驱动控制电路主要由电磁继电器KM，电容C1，电容充电限流电阻R2和R3组成，当受控端导通后用于驱动IGBT管导通，电容C1上的电压作为IGBT管导通的驱动信号。

(3)缓冲执行电路主要由电容C3，充电限流电阻R4，续流二极管T3和IGBT管T4和T5组成，其特征是利用电容电压的不可突变性使断路器在分断到极限距离时，断路器两端电压低于燃弧电压，实现断路器快速灭弧。

该抑弧拓扑的工作原理为：

当主回路正常工作即断路器闭合时，触头两端电压接近于零，光电耦合器T1和T2由于没有足够的电压不导通，VCC1、VCC2电源被光电耦合器受控端阻断，故而驱动电容C1和C2两端无电压，IGBT管不导通。主回路电源通过两个IGBT反并联二极管向电容C3充电至电源电压。

当主回路需要断开时，断路器电动操作机构开始动作，断路器触头开始分离。

分离过程可分为三个阶段：

第一阶段：开始分离到进入金属相燃弧阶段。

触头间电压虽然高于完全通态电压但仍较低，光电耦合器T1和T2仍不导通。

第二阶段：开始燃弧到IGBT导通阶段。

断路器断开，断路器分离距离达到对应金属相燃弧电压，光耦导通条件是断路器开断过程中触头间电压达到15-20V，光耦控制端电流达到光耦的导通电流，光耦导通。此时，控制回路电源VCC1、VCC2给电容C1、C2充电，继电器KM得电，并通过常开触点完成自锁。由于继电器的动作时间大约为10-20ms左右，因此在前10ms的时间里继电器触点没有完成动作，不必分析继电器的存在给电路带来的影响。

第三阶段：IGBT导通到断路器完全断开电弧不重燃阶段。

电容C1、C2充电至IGBT导通电压，预充电电容C3通过二极管T3，IGBT管T4和T5向负载Rd放电，使P2、P3端电压上升至电源电压。由KVL定律可得，P1和P2之间电压和P3、P4之间电压在此时降至零，之后机械断路器触头由零电压继续分断。此时光耦及受控端回路虽关断，但是由于电容C1和C2分别对R3和R7放电，作为驱动电压维持IGBT导通，保证了电容C3向负载供电，维持触头间电压低于燃弧电压。

断路器断口电压从零开始上升，电压大小完全取决于电容C3对负载放电的快慢。在短时间内，机械触头依然在进行分断动作，当断路器分断到正常断开时的分断距离时，电路完成分断操作。由于触头开距足够大，电弧不会发生重燃。

当经过继电器KM的动作时间(约10-20ms)后，继电器KM常开触点闭合，常闭触点断开，驱动电容C1、C2通过电阻R3、R7放电，当放电至电压为0时，IGBT管零压关断。当需要断路器恢复闭合状态时，按下按钮SB，使继电器KM自锁断开，为抑弧拓扑的下次工作做准备。

有益效果：

本发明的有益效果是：本方案与现有的抑弧方案相比有以下进步性：

从破坏燃弧条件方面考虑设计，本方案基于不起弧原理，降低电弧两端电压，使电弧电压为零或者低于燃弧电压。限制电弧继续从主回路中获得能量，使电弧自行熄灭。

与机械式直流断路器抑弧方案相比，其优点为燃弧时间短，采用主回路电源为电容预充电，体积小，结构简单。

与全固态式断路器抑弧方案相比，其优点为：通态时由于是由机械式断路器承担电路电流，所以通态损耗比全固态直流断路器小；

与混合式断路器抑弧方案相比：本方案开通时只利用驱动电阻在其门极和发射极之间施加导通电压使其导通。在关断时利用IGBT的零电压压关断特性使其在驱动电容放电结束时可以自行关断。其优点是：(1)省去了混合式断路器抑弧方案复杂的控制策略和驱动控制电路，加强了电路的可靠性。(2)基于抑制电弧从电路中获取能量的角度来设计抑弧电路，不需要额外并联缓冲吸能支路对电力电子器件进行保护。

本方案降低了光伏断路器的分断燃弧时间，有利于提高光伏断路器寿命，具有较好经济技术特性。

附图说明：

图1是预充电电容直流断路器抑弧方案设计拓扑

图2是电路动作时序和电压波形

图3是光耦导通阶段电流示意图

图4是预充电电容放电阶段电流示意图

图5是试验电路图

图6是实施例试验结果图

具体实施方式：

将预充电电容直流断路器抑弧装置并联在断路器两端，提供控制回路电源VCC1、VCC2，根据实际需要设计各元件参数值。

本发明的实施例如下：

直流电源采用300V Chroma可调光伏模拟直流电源；采用三个2000W/100Ω梯形铝壳电阻并联成33.3Ω作为主回路负载Rd；所研究的光伏直流断路器为带有按钮控制的电动操作机构；示波器型号为泰克Dpo5000；抑弧方案电路板的控制回路采用24V开关电源供电。抑弧方案电路板共有4个外接端子，其中P1和P2，P3和P4端子分别并联在直流断路器两端。示波器四路探头分别采集断路器断口1两端电压波形、断口2两端电压波形、电弧电流波形、驱动电容C1两端电压波形。电弧电流波形采用1Ω采样电阻进行采集。选择主要硬件参数如表1所示：

表1 抑弧电路器件选型参数

图6是实施例的试验结果图。图6电路正常导通时，断路器断口两端电压为零，光耦不导通，驱动电压也为零。断路器机械触头约在时间为0.37555s之后分断，分断后电弧电压迅速上升到金属相电弧燃弧平台。之后负载端电压随着电弧分压开始下降，同时驱动电压由于光耦的导通也开始上升，电容C1和C2开始充电，约45μs之后，驱动电阻两端电压上升到导通电压约7V，迅速导通，主电容C3开始对主回路负载放电，断路器断口两端电压迅速下降至很低的值附近，约4V，电弧电流也迅速下降。之后主电容一直对主回路负载电阻放电，直至继电器触点动作后，驱动电容C1和C2放电至0时，IGBT管零压关断。在此期间，断路器的触头达到最大开距后完成电路的分断。

电弧电压波形在导通之后并没有下降到零而是下降到一定值附近，原因是和二极管T3都有一定的导通压降。电流波形中在下降过程中出现了负电流，是由于电路中存在不可避免的杂散电感。从电弧功率P等于电弧电压U和电弧电流I的乘积来看，当电弧电流降为0的时刻，燃弧功率为0，已经实现灭弧。实验结果表明该抑弧拓扑在电弧电压第二平台之前就能灭弧，燃弧时间从5～8ms左右缩短为100μs。

总体来看，试验结果与理论分析基本一致，在一定场合中该方案可以实现降低分断燃弧时间，有利于提高光伏断路器寿命，具有较好经济技术特性。

Claims

1.预充电电容的光伏直流断路器抑弧拓扑，其特征在于，该拓扑由两个近似对称的部分构成，含4个外接端子，主要包括以下三部分：(1)电压检测电路(2)驱动控制电路和(3)缓冲执行电路。

2.根据权利要求1所述的预充电电容的光伏直流断路器抑弧拓扑，以上半个拓扑为例简述各部分组成：

(1)电压检测电路主要由限流电阻R1，光电耦合器T1组成，用来检测断路器触头两端电压，从而控制抑弧电路是否工作。

其中，限流电阻R1并联在触头两端，起检测电压作用。光电耦合器T1起判断电压及控制抑弧电路开通的作用。

触头间电压为光耦模块的驱动信号。光耦导通条件是断路器开断过程中触头间电压达到15-20V，断路器闭合和完全断开时光耦均不导通，抑弧电路不工作。

(2)驱动控制电路器件主要由电磁继电器KM，电容C1，电容充电限流电阻R2和R3组成，目的是驱动IGBT管T4和T5的导通，为抑弧电路放电回路提供通道。

光耦满足驱动电压条件导通后，开通受控端，将触头两端电压钳制为0，破坏燃弧条件，同时驱动IGBT管导通，电容C1上的电压作为IGBT管导通的驱动信号。

3.根据权利要求1所述的预充电电容的光伏直流断路器抑弧拓扑，电压检测电路特征在于该电路有三个工作状态：

(1)断路器闭合时，触头两端电压接近于零，光电耦合器T1和T2由于没有足够的电压不导通，VCC1、VCC2电源被光电耦合器受控端阻断，故而驱动电容C1和C2两端无电压，IGBT管不导通。

(2)断路器断开，在断路器触头开始分离到进入金属相燃弧阶段，触头间电压高于完全通态电压但仍较低，光电耦合器T1和T2仍不导通。

(3)断路器继续断开，断路器分离距离达到对应金属相燃弧电压，光耦控制端电流达到光耦的导通电流，光耦导通。此时，控制回路电源VCC1、VCC2给电容C1、C2充电，继电器KM得电，并通过常开触点完成自锁，继电器动作时间为10-20ms。

4.根据权利要求1所述的预充电电容的光伏直流断路器抑弧拓扑，驱动控制电路特征在于：

(1)电容C1、C2充电至导通电压，IGBT开始导通，预充电电容C3给负载Rd放电，P2、P3端电压上升至电源电压E，P1和P2之间电压和P3、P4之间电压在此时均为零，之后机械断路器触头由零电压继续分断。光耦在此时关断，光耦受控端也随即关断，电容C1和C2分别对R3和R7放电，作为驱动电压维持IGBT导通。

(2)断路器分断完成，由于开距足够电弧不重燃，当经过继电器KM的动作时间(约10-20ms)后，继电器KM常开触点闭合，常闭触点断开，驱动电容C1、C2通过电阻R3、R7放电，当放电至电压为0时，IGBT管零电压关断。

(3)当需要断路器恢复闭合状态时，按下按钮SB，使继电器KM自锁断开，为抑弧拓扑的下次工作做准备。

5.根据权利要求1所述的预充电电容的光伏直流断路器抑弧拓扑，缓冲执行电路特征在于：

充电过程中，即断路器闭合时主回路电源通过两个IGBT反并联二极管向控制回路电容C3充电至电源电压。

放电过程中，预充电电容C3经续流二极管T3、IGBT管T4和T5放电向负载Rd供电。