CN113241740A - 一种带电弧故障保护的固态断路器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带电弧故障保护的固态断路器，包括：输入接线端子、浪涌保护模块、电源模块、第一测温模块、第二测温模块、第一电力电子模块、第二电力电子模块、电流检测模块、漏电检测模块、隔离开关模块、隔离驱动保护模块、主控模块、故障电弧保护模块、人机界面模块、通讯模块、散热器模块和输出接线端子，解决负载短路保护不及时造成产品故障，以及IGBT因过温造成失效的问题，由于固态断路器带有电弧故障保护方案，因此可以避免因电弧故障产生的危害。

Description

一种带电弧故障保护的固态断路器

技术领域

本申请涉及一种断路器，具体涉及一种带电弧故障保护的固态断路器。

背景技术

专利号CN210724177 U固态断路器中描述了一种固态断路器的连接关系，包括市电输入端、分闸隔离开关、第一IGBT模块、第二IGBT模块、电流互感器、漏电流互感器、端子温度传感器及第一控制电路；电流互感器连接有过流保护电路，漏电流互感器连接有漏电保护电路，第一IGBT模块连接有第一IGBT驱动保护电路，第二IGBT模块连接有第二IGBT驱动保护电路，且分别于第一控制电路连接。第一控制电路在接收到分闸隔离信号、过流保护信号、漏电电流信号、过压信号和温度信号中的任一信号时，控制第一IGBT驱动保护电路驱动第一IGBT模块关断，及控制第二IGBT驱动电路第二IGBT模块关断。

此方案对过流、漏电、过压、负载端子过温等有监控，如果不具备电弧保护功能，就会有因电弧故障造成的危害，尤其是在新能源电动汽车充电过程中，由于线路老化或者连接件松动时产生电弧，无法对其进行有效电弧监控，不可避免因电弧造成的危害。再比如当负载出现短路故障时，仅通过电流互感器后端的过流保护电路处理，再通过第一控制电路去关闭驱动电路，最后作用到IGBT模块，从负载短路到IGBT模块断开电路，中间环节多、时间长、存在短路保护不及时，造成IGBT损坏导致固态断路器故障。另外IGBT模块长期带载温度高，需要配置散热器，需要对IGBT模块温度进行监控，才能防止IGBT模块过温故障。而专利CN210724177 U中仅对负载接线端子进行温度监控，可以防止接线端因固定不牢固导线产生的过温保护，但对IGBT工作温度无监控，存在IGBT温度过高而导致损坏。

发明内容

为解决现有技术的不足，本申请提供一种带电弧故障保护的固态断路器，可用于电弧故障的检测。包括：

输入接线端子、浪涌保护模块、电源模块、第一测温模块、第二测温模块、第一电力电子模块、第二电力电子模块、电流检测模块、漏电检测模块、隔离开关模块、隔离驱动保护模块、主控模块、故障电弧保护模块、人机界面模块、通讯模块、散热器模块和输出接线端子；

电源模块的输入端分别与接线端子的两端连接，电源模块的输出端与隔离驱动模块、主控模块、故障电弧保护模块、人机界面模块、通讯模块连接；输入接线端子的一端与第一电力电子模块的一端连接，输入接线端子的另一端与第二电力电子模块的一端连接；浪涌保护模块并联在输入接线端子与第一电力电子模块和第二电力电子模块连接的支路上；第一电力电子模块的另一端穿过漏电检测模块与隔离开关模块的输入一端连接；第二电力电子模块的另一端穿过漏电检测模块与隔离开关模块的输入另一端连接；隔离开关模块的输出两端分别与输出接线端子的两端连接；第一电力电子模块和第二电力电子模块安装在散热器模块上，第一测温模块和第二测温模块分别安装在第一电力电子模块和第二电力电子模块的内部；电流检测模块分别串联在第一电力电子模块和第二电力电子模块与隔离开关模块组成的两支路间；隔离驱动保护模块分别与第一电力电子模块和第二电力电子模块连接；主控模块分别与电源模块、第一测温模块、第二测温模块、电流检测模块、漏电检测模块、隔离开关模块、隔离驱动保护模块、故障电弧保护模块、人机界面模块、通讯模块连接。

优选的，电源模块，从输入接线端子取电，分别给隔离驱动保护模块、主控模块、故障电弧保护模块、人机界面模块、通讯模块供电。

优选的，浪涌保护模块，用于吸收主电路中的浪涌电压。

优选的，第一电力电子模块和第二电力电子模块，用于接收隔离驱动保护模块的驱动信号，并执行对应操作。

优选的，散热器模块，用于将第一电力电子模块和第二电力电子模块，工作时产生的部分热量辐射到周围空气中从而达到散热目的。

优选的，第一测温模块和第二测温模块用于分别检测第一电力电子模块和第二电力电子模块的温度，并把温度转换为电信号发送给主控模块。

优选的，电流检测模块，用于检测对应支路的电流，并将电流转换成电信号提供给故障电弧保护模块和主控模块。

优选的，漏电检测模块，通过检测两支路电流信号的差值，并将所述差值转换成电信号发送给主控模块，由主控模块判断是否存在漏电。

优选的，隔离开关模块，由主控模块控制闭合与断开。

优选的，故障电弧保护模块，根据电流检测模块提供的电信号，在判定电弧存在时发信号给主控模块。

优选的，隔离驱动保护模块，用于获取第一电力电子模块和第二电力电子模块导通时的压降，当所述压降达到关闭阈值时，隔离驱动保护模块关闭第一电力电子模块和第二电力电子模块。

优选的，人机界面模块，用于发送合闸与分闸命令给主控模块。

优选的，通讯模块，用于建立主控模块与外部数据通讯，实现远程监控。

附图说明

图1是本申请实施例提供的一种带电弧故障保护的固态断路器的结构示意图；

图2是本申请实施例涉及的故障电弧检测流程图；

图3是本申请实施例涉及的孪生网络示意图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

本申请提供一种带电弧故障保护的固态断路器，其结构如图1所示。包括：输入接线端子、浪涌保护模块、电源模块、第一测温模块、第二测温模块、第一电力电子模块、第二电力电子模块、电流检测模块、漏电检测模块、隔离开关模块、隔离驱动保护模块、主控模块、故障电弧保护模块、人机界面模块、通讯模块、散热器模块和输出接线端子。各模块与图1中的标识对应关系如下：

10为输入接线端子，20为浪涌保护模块、30为电源模块、40为第一测温模块、41为第二测温模块、50为第一电力电子模块、51为第二电力电子模块、60为电流检测模块、70为漏电检测模块、80为隔离开关模块、90为隔离驱动保护模块、100为主控模块、110为故障电弧保护模块、120为人机界面模块、130为通讯模块、160为散热器模块、140为输出接线端子。

电源模块30的输入端分别与接线端子10的两端连接，电源模块30的输出端与隔离驱动模块80、主控模块100、故障电弧保护模块110、人机界面模块120、通讯模块130连接；输入接线端子10的一端与第一电力电子模块50的一端连接，输入接线端子10的另一端与第二电力电子模块51的一端连接；浪涌保护模块20并联在输入接线端子10与第一电力电子模块50和第二电力电子模块51连接的支路上；第一电力电子模块50的另一端穿过漏电检测模块70与隔离开关模块80的输入一端连接；第二电力电子模块51的另一端穿过漏电检测模块70与隔离开关模块80的输入另一端连接；隔离开关模块80的输出两端分别与输出接线端子140的两端连接；第一电力电子模块50和第二电力电子模块51安装在散热器模块160上，第一测温模块40和第二测温模块41分别安装在第一电力电子模块50和第二电力电子模块51的内部；电流检测模块60分别串联在第一电力电子模块50和第二电力电子模块51与隔离开关模块80组成的两支路间；隔离驱动保护模块90分别与第一电力电子模块50和第二电力电子模块51连接；主控模块100分别与电源模块30、第一测温模块40、第二测温模块41、电流检测模块60、漏电检测模块70、隔离开关模块80、隔离驱动保护模块90、故障电弧保护模块110、人机界面模块120、通讯模块130连接。

电源模块30，可以是隔离的电源模块，也可以是非隔离电源模块，或者变压器等一种或几种组成。电源模块30从输入接线端子10取电，分别给隔离驱动保护模块90、主控模块100、故障电弧保护模块110、人机界面模块120、通讯模块130供电。

浪涌保护模块20，可以是压敏电阻、TVS管、放电管等一种或几种组合而成。主电路中有浪涌电压出现时，用于吸收主电路中的浪涌电压。

第一电力电子模块50和第二电力电子模块51，可由单只功率半导体器或单只功率模块件构成，也可以是两只功率半导体或两只功率模块组合成的器件；采用两只功率半导体或两只功率模块组合而成器件时，如是IGBT则采用发射极串联，集电极作为输入电极和输出电极；如是N沟道MOSFET则采用源极串联，漏极作为输入电极和输出电极。第一电力电子模块50和第二电力电子模块51用于接收隔离驱动保护模块90的驱动信号，并执行对应操作。

散热器模块160，用于将第一电力电子模块50和第二电力电子模块51，工作时产生的部分热量辐射到周围空气中从而达到散热目的。

第一测温模块40和第二测温模块41，可以是热电偶、数字温度芯片、温度开关等构成的模块。用于分别检测第一电力电子模块50和第二电力电子模块51的温度，并把温度转换为电信号发送给主控模块100。

电流检测模块60，可以是隔离式电流检测模块或者非隔离式电流检测模块。隔离式电流检测模块可以是电流互感器、霍尔电流传感器、TMR隧道磁阻电流传感器等构成的模块。采用霍尔电流传感器、TMR隧道磁阻电流传感器构成的电流采集模块时由主控模块100提供电能。非隔离式电流检测模块可以是电阻或锰铜构成。用于检测对应支路的电流，并将电流转换成电信号提供给故障电弧保护模块110和主控模块100。

漏电检测模块70，可以是零序电流互感器、霍尔器件、TMR隧道磁阻器件构成漏电检测模块，采用霍尔器件、TMR隧道磁阻器件构成漏电检测模块时由主控模块100提供电能。通过检测两支路电流信号的差值，并将所述差值转换成电信号发送给主控模块100，由主控模块100判断是否存在漏电。

隔离开关模块80，可以是电磁机构、磁保持机构、自保持机构等方式的机械开关。由主控模块100控制闭合与断开，并能指示闭合与断开的状态。

故障电弧保护模块110，根据电流检测模块60提供的电信号，计算是否存在电弧故障及滤除干扰信号的作用，在判定电弧存在时发信号给主控模块。

隔离驱动保护模块90，用于获取第一电力电子模块50和第二电力电子模块51导通时的压降，当所述压降达到关闭阈值时，隔离驱动保护模块90关闭第一电力电子模块50和第二电力电子模块51。隔离驱动保护模块90具有隔离、驱动、短路保护的模块，或是驱动保护光耦构成电路，比如IGBT专用驱动保护EXB841模块或HCPL-316J驱动光耦构成的驱动保护电路等。隔离驱动保护模块90接收主控模块100电信号命令，控制第一电力电子模块50、第2电力电子模块51的开通或关断，同时隔离驱动保护模块90可检测第一电力电子模块50、第二电力电子模块51导通时的压降，当流过第一电力电子模块50、第二电力电子模块51电流过大时或者负载短路引起的大电流，导通压降增大到一定值并被隔离驱动保护模块90检测，隔离驱动保护模块90判断达到关闭阈值时，主动关闭第一电力电子模块50、第二电力电子模块51，同时发故障信号给主控模块100；

人机界面模块120，用于发送合闸与分闸命令给主控模块。由人机界面120发电信号给主控模块100。人机界面120显示从主控模块100传递的电流、温度、运行状态等信息。

通讯模块130，可以是有线通讯、也可以是无线通讯。用于建立主控模块100与外部数据通讯，实现远程监控。

本申请提供的带电弧故障保护的固态断路器的正常操作过程如下：

线路正确连接后且供电正常，固态断路器人机界面模块120设置合闸命令，主控模块100接收到由人机界面模块120发出的合闸命令，先驱动隔离开关模块80合闸，隔离开关模块80闭合同时指示合闸的状态，此状态可以是机构指示也可以是指示灯显示；当隔离开关模块80闭合完成后，主控模块100发驱动电力电子模块导通信号给隔离驱动保护模块90，由隔离驱动保护模块90控制第一电力电子模块50、第二电力电子模块51导通；此时主电路导通，电流经固态断路器到负载；电流检测模块60检测对应支路的电流并转成电信号给主控模块100，同时把电信号传递至故障电弧保护模块110；漏电检测模块70通过检测两支路电流信号的差值并转成电信号给主控模块100；温度模块40、41检测第一电力电子模块50、第二电力电子模块51温度转换为电信号给主控模块100；主控模块100把采集到的温度、电流、固态断路器运行状态等信息传递给人机界面模块120，并由人机界面模块120显示；此信息可由通讯模块130传递给远程端；

固态断路器人机界面模块120设置分闸命令，主控模块100接收到由人机界面模块120发出的分闸命令，主控模块100发出驱动电力电子模块关闭信号给隔离驱动保护模块90，隔离驱动保护模块90控制第一电力电子模块50、第二电力电子模块51关闭；最后主控模块100关闭隔离开关模块80，隔离开关模块80断开此时指示分闸的状态，此状态可以是机构指示也可以是指示灯显示；

固态断路器运行时，如果主控模块100通过第一温度模块40、第二温度模块41检测到第一电力电子模块50、第二电力电子模块51温度超出阈值时，固态断路器按分闸命令操作，并发温度故障信号由人机界面模块120显示；如果主控模块100通过电流检测模块60检测到电流超出预定电流值时，固态断路器按分闸命令操作，并发过流故障信号由人机界面模块120显示；如果故障电弧保护模块110通过电流检测模块60传递的电信号分析出有故障电弧时，故障电弧保护模块110将故障电弧信号发主控模块100，固态断路器按分闸命令操作，并发电弧故障信号由人机界面模块120显示；如果主控模块100通过漏电检测模块70传送的电信号分析主电路有漏电，固态断路器按分闸命令操作，并发漏电故障信号由人机界面模块120显示；

故障电弧保护模块110实现故障电弧保护实现方法如图2所示：电流检测模块60检测对应支路的电流并转成电信号提供给故障电弧保护模块110，故障电弧保护模块110对采集的时域电流信号进行FFT运算，变换到频域进行分析，可以采用PCA(principalcomponent analysis主成分分析)算法对数据进行降维预处理，把数据与常见电弧故障数据进行比对从而实现电弧识别，并把故障电弧数据传送给主控模块100进行分闸处理。在新能源汽车进行充电过程中，会产生一些谐波干扰可能会影响故障电弧保护模块110造成误判。新能源汽车在充电时对电网产生的扰动具有周期性，而电弧故障扰动是偶发性，这些信号都能被电流检测模块60采集，故障电弧保护模块110对电流信号进行FFT运算，先通过孪生网路结构剔除周期性的新能源充电桩充电时产生的干扰，再通过BP神经网络对电弧故障加以识别，从而达到准确识别电弧故障目的。

在检测电弧故障前，增加一个孪生网络结构，该结构可以用来判断输入的电流信号是否为充电桩产生的谐波干扰，从而对干扰起到抑制作用。孪生网络Siamese Network的示意图如图3所示，该网络可以用来衡量两个输入之间的相似度，也就是周期性产生的扰动和偶发性产生的扰动频域上不同。一个输入充电桩谐波干扰数据，一个输入非谐波干扰数据训练后，模型运行时可以通过loss损失(即模型输出)来判断输入是否为充电桩干扰，从而达到了识别故障电弧的目的。

本申请同时提供一种可替代方案，具体为：输入接线端子10接入电网，浪涌保护模块20并联在输入接线端子10两端；电力电子模块50的一端和电力电子模块51的一端分别接入输入接线端子10两端，其另一端分别接入隔离开关模块80的两个输入端子，隔离开关模块80另两个输出端子分别接输出接线端子140的两个端子，负载150并联输出接线端子140；隔离开关模块80断开时保证了第一电力电子模块50、第二电力电子模块51与负载电气隔离；电源模块30并联在浪涌保护模块20两端，并为隔离驱动保护模块90、主控模块100、故障电弧保护模块110、人机界面模块120、通讯模块130提供电能；隔离驱动保护模块90分别驱动第一电力电子模块50、第二电力电子模块51，并采用了带短路保护功能的驱动电路，当负载短路时，带短路保护的驱动电路直接关闭第一电力电子模块50、第二电力电子模块51，并发信号给主控模块100；第一电力电子模块50、第二电力电子模块51与隔离开关模块80之间分别设置有电流检测模块60、漏电检测模块70，电流检测模块60把电流信号分别传递给主控模块100、和故障电弧保护模块110，主控模块100通过电流检测模块60传递电流信号进行分析处理过流保护，故障电弧保护模块110通过电流检测模块60传递电流信号进行数据分析判断电弧故障，并把电弧故障信息传递给主控模块100，主控模块100进行电弧故障保护处理；漏电检测模块70把漏电信号传递主控模块100，主控模块100进行漏电保护处理；第一电力电子模块50、第夺电力电子模块51安装在散热器模块160上，第一电力电子模块50、第二电力电子模块51内部装配第一测温模块40、第二测温模块41，分别对第一电力电子模块50、第二电力电子模块51进行温度检测并把温度信号传递给主控模块100进行处理；

综上所述，本申请提供一种带电弧故障保护的固态断路器，解决负载短路保护不及时造成产品故障，以及IGBT因过温造成失效的问题，由于固态断路器带有电弧故障保护方案，因此可以避免因电弧故障产生的危害。

最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (13)

1.一种带电弧故障保护的固态断路器，其特征在于，包括：输入接线端子、浪涌保护模块、电源模块、第一测温模块、第二测温模块、第一电力电子模块、第二电力电子模块、电流检测模块、漏电检测模块、隔离开关模块、隔离驱动保护模块、主控模块、故障电弧保护模块、人机界面模块、通讯模块、散热器模块和输出接线端子；

电源模块的输入端分别与接线端子的两端连接，电源模块的输出端与隔离驱动模块、主控模块、故障电弧保护模块、人机界面模块、通讯模块连接；输入接线端子的一端与第一电力电子模块的一端连接，输入接线端子的另一端与第二电力电子模块的一端连接；浪涌保护模块并联在输入接线端子与第一电力电子模块和第二电力电子模块连接的支路上；第一电力电子模块的另一端穿过漏电检测模块与隔离开关模块的输入一端连接；第二电力电子模块的另一端穿过漏电检测模块与隔离开关模块的输入另一端连接；隔离开关模块的输出两端分别与输出接线端子的两端连接；第一电力电子模块和第二电力电子模块安装在散热器模块上，第一测温模块和第二测温模块分别安装在第一电力电子模块和第二电力电子模块的内部；电流检测模块分别串联在第一电力电子模块和第二电力电子模块与隔离开关模块组成的两支路间；隔离驱动保护模块分别与第一电力电子模块和第二电力电子模块连接；主控模块分别与电源模块、第一测温模块、第二测温模块、电流检测模块、漏电检测模块、隔离开关模块、隔离驱动保护模块、故障电弧保护模块、人机界面模块、通讯模块连接。

2.根据权利要求1所述的固态断路器，其特征在于，电源模块，从输入接线端子取电，分别给隔离驱动保护模块、主控模块、故障电弧保护模块、人机界面模块、通讯模块供电。

3.根据权利要求1所述的固态断路器，其特征在于，浪涌保护模块，用于吸收主电路中的浪涌电压。

4.根据权利要求1所述的固态断路器，其特征在于，第一电力电子模块和第二电力电子模块，用于接收隔离驱动保护模块的驱动信号，并执行对应操作。

5.根据权利要求1所述的固态断路器，其特征在于，散热器模块，用于将第一电力电子模块和第二电力电子模块，工作时产生的部分热量辐射到周围空气中从而达到散热目的。

6.根据权利要求1所述的固态断路器，其特征在于，第一测温模块和第二测温模块用于分别检测第一电力电子模块和第二电力电子模块的温度，并把温度转换为电信号发送给主控模块。

7.根据权利要求1所述的固态断路器，其特征在于，电流检测模块，用于检测对应支路的电流，并将电流转换成电信号提供给故障电弧保护模块和主控模块。

8.根据权利要求1所述的固态断路器，其特征在于，漏电检测模块，通过检测两支路电流信号的差值，并将所述差值转换成电信号发送给主控模块，由主控模块判断是否存在漏电。

9.根据权利要求1所述的固态断路器，其特征在于，隔离开关模块，由主控模块控制闭合与断开。

10.根据权利要求1所述的固态断路器，其特征在于，故障电弧保护模块，根据电流检测模块提供的电信号，在判定电弧存在时发信号给主控模块。

11.根据权利要求1所述的固态断路器，其特征在于，隔离驱动保护模块，用于获取第一电力电子模块和第二电力电子模块导通时的压降，当所述压降达到关闭阈值时，隔离驱动保护模块关闭第一电力电子模块和第二电力电子模块。

12.根据权利要求1所述的固态断路器，其特征在于，人机界面模块，用于发送合闸与分闸命令给主控模块。

13.根据权利要求1所述的固态断路器，其特征在于，通讯模块，用于建立主控模块与外部数据通讯，实现远程监控。

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