CN114974955A - 一种混合式断路器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合式断路器，包括串接在电源输入端和电源输出端之间的机械开关，与机械开关并联的电流转移支路以及控制单元；电流转移支路包括桥式电路、电磁驱动器、预充电电容，桥式电路的两个交流端分别连接电源输入端和电源输出端，所述预充电电容串接于所述桥式电路的两个直流端之间，预充电电容的容值和预充电压被配置为：可使得从电流转移支路导通开始直至机械开关的动、静触头物理分离这段时间内，流经电流转移支路的电流大于电源输入端的输入电流。相比现有技术，本发明可低成本地实现无电弧的快速分断。

Description

一种混合式断路器

技术领域

本发明涉及一种混合式断路器。

背景技术

传统的机械式断路器在分断过程中，触头间会产生燃弧现象。由于电弧燃烧时会产生很高的温度，会烧损触头，从而缩短断路器的电气寿命，降低断路器的可靠性。另外，机械开关由于机械部件的动作延迟，分断过程相对较慢，在分断大电流、尤其是短路电流时，通常会产生较为剧烈的喷弧现象，会对靠近喷弧端的器件产生较为严重的影响。因此，通常在安装时需预留出一定的空间，以避免因喷弧导致其它器件的损坏。显然，这会产生额外的使用成本以及限制器件的应用场合。

固态断路器可以解决机械断路器的上述缺点，其分断时不会产生电弧，分断时间也极短，尤其适合直流系统。但是，固态断路器的通流能力受到半导体器件的约束，使得固态断路器的分断能力较低。并且，固态断路器长期运行的通态损耗较大，需要安装散热装置。

混合式断路器也可以实现无弧、快速地分断，其基本结构通常包括由机械开关构成的主电流电路部分以及由半导体器件构成的转移电流电路部分，兼备机械开关良好的静态性能和半导体开关优良的动态性能，具有通流能力强、关断速度快、通态损耗小等优点。正常工作时，电流全部由机械开关承载；分断时，首先将电流转移至转移回路，然后再利用半导体开关的特性进行快速地分断。在此过程中，电流的快速转移是实现快速分断的前提。目前，在电流快速转移方面有许多的方案，如：申请号为201310048385.4的中国发明专利申请提出了一种双向分断的混合式断路器，其在主回路中采用了机械开关和半导体开关串联的方案来实现电流的快速转移，但串入半导体开关会增加系统的损耗、体积以及成本。申请号为201510368753.2的中国发明专利申请中提出了一种混合式断路器的电流转移装置，主回路采用机械开关同线圈的次级串联。分断时，线圈的初级侧进行放电，使次级侧感应出高电压，从而迫使主回路中电流发生转移。

CN201510819311.5以及CN201710415079.8中所采用的方法是，当机械开关打开时，触头间产生电弧，利用电弧产生的弧压降来迫使电流转移。要使电流完全转移，需将触头需打开至较大的开距，将电弧拉升至一定长度，才能确保电弧电流转移至转移回路，以及满足介质恢复强度的条件以防止电弧重燃。这个过程通常会持续较长的一段时间，此期间短路电流会持续上升至一个很高值，因此需要更大容量的半导体器件才能确保可靠转移，并且该期间电弧会对机械触头产生烧损，从而缩短断路器的寿命，降低断路器的可靠性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种混合式断路器，可低成本地实现无电弧的快速分断。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种混合式断路器，包括串接在电源输入端和电源输出端之间的机械开关，与所述机械开关并联的电流转移支路，以及可对电流转移支路的通断进行控制的控制单元；所述电流转移支路包括一个桥式电路、一个预充电电容，所述桥式电路的两个交流端分别连接电源输入端和电源输出端，所述预充电电容串接于所述桥式电路的两个直流端之间，所述预充电电容的容值和预充电压被配置为：可使得从电流转移支路导通开始直至机械开关的动、静触头物理分离这段时间内，流经电流转移支路的电流大于电源输入端的输入电流。

优选地，还包括一个电磁驱动器，所述电磁驱动器的驱动线圈与所述预充电电容串接于所述桥式电路的两个直流端之间，所述电磁驱动器的驱动端与所述机械开关的动触头机械连接并可在驱动线圈通电时驱动所述机械开关分闸。

优选地，所述桥式电路由四个二极管组成，所述电流转移支路还包括一个串接于所述桥式电路的两个直流端之间的一个可控半导体开关，控制单元通过该可控半导体开关实现对电流转移支路的通断进行控制。

优选地，所述桥式电路至少包括一个晶闸管，控制单元通过该晶闸管实现对电流转移支路的通断进行控制。

进一步地，所述混合式断路器还包括设置于所述桥式电路的两个直流端之间的过电压吸收支路。

优选地，所述过电压吸收支路中的过电压吸收元件为压敏电阻。

进一步地，在桥式电路和电源输入端的连接点与电源输入端之间，或者在桥式电路和电源输出端的连接点与电源输出端之间，还串接有一个作为隔离开关的机械开关。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

本发明在机械开关触头打开前，已经完成了电流从主回路向转移支路的转移，使机械开关在无电流状态下打开，触头间不会产生电弧；同时，由于触头间仅需很小的间距就能满足介质恢复强度的条件，可以大幅缩短分断的时间；本发明可实现无电弧分断，大大降低了触头的烧损，大幅增加了断路器的电气寿命；此外，本发明的主电流回路中只包含机械开关，不用串接其它元件或电路，不会额外增加系统的成本。

附图说明

图1为本发明第一个实施例的结构原理示意图；

图2为本发明第二个实施例的结构原理示意图。

具体实施方式

针对现有技术不足，本发明提出了一种混合式断路器，包括串接在电源输入端和电源输出端之间的机械开关，与所述机械开关并联的电流转移支路，以及可对电流转移支路的通断进行控制的控制单元；所述电流转移支路包括一个桥式电路、一个预充电电容，所述桥式电路的两个交流端分别连接电源输入端和电源输出端，所述预充电电容串接于所述桥式电路的两个直流端之间，所述预充电电容的容值和预充电压被配置为：可使得从电流转移支路导通开始直至机械开关的动、静触头物理分离这段时间内，流经电流转移支路的电流大于电源输入端的输入电流。

为了便于公众理解，下面通过两个具体实施例并结合附图来对本发明的技术方案进行详细说明：

正常运作时，当直流电源流经灭弧断口的电流i _m方向为正向或反向的直流电，右或者是交流电时，都可以采用本控制策略进行控制。

实施例一：

如图1所示，以正常运作时，流经灭弧断口的电流i _m方向从左至右（定义为正向）为例，本实施例的混合式断路器接在电源输入端P1与电源输出端P2之间，该混合式断路器包括串接在主电流回路中的机械开关G（形成隔离断口）和机械开关R（形成灭弧断口）以及并联于机械开关R两端的电流转移支路，所述电流转移支路包括一个桥式电路、一个电磁驱动器、一个预充电电容C；图1中的电磁驱动器为电磁铁L，其动铁芯与机械开关R的动触头之间通过硬连接传递电动力Ft（当然，在其它实施例中，也可以不包含电磁驱动器，也可以是通过断路器的控制单元控制外置的涡轮斥力机构等方式使得灭弧断口块速分离）；电流传感器CT实时采样流经灭弧断口中的电流，记为i _m，并将采样信息发送至控制单元（图1中未示出）；S1、S2、S3和S4均为二极管，采用图中连接方式构成桥式电路，A1、A2为桥式电路的交流端，分别与P1、P2相连，P1与A1的连接点之间串联设置有机械开关G（当然，在其它实例中也可以是在P2与A2的连接点之间串联设置机械开关G）；可控半导体开关S0（本实施例中采用IGBT）与预充电电容C和电磁铁L的线圈串接于桥式电路的直流端D1、D2之间，桥式电路的直流正端D1与S0的集电极相连，S0的发射极与预充电电容C的负极连接，C的正极与电磁铁L的一端相连，L的另一端与桥式电路的直流负端D2相连；S0两端并联压敏电阻MOV，作为过电压吸收支路，用于S0关断时的过电压吸收。

上述混合式断路器的具体工作过程和原理如下：

分断前，C预先充入一定电压，控制S0保持关断状态。

假设t0时刻时，发生分断事件，控制单元按照以下策略进行控制：

1）控制S0导通，预充电电容C对外放电，电流流经L，记为i _L，电磁铁在i _L的作用下产生电磁力，吸合动铁芯，动铁芯通过硬连接带动机械开关R的动触头分离；通过设计合理的电磁铁，可以实现加快灭弧断口分离（即机械开关的动、静触头物理分离）的速度，从而缩短分断的时间；该阶段中，电容C的容值及预充电压的设置需确保在灭弧断口分离前，流经S0的电流i _L大于流经混合式断路器的电流i _s，即i _x=i _L-i _s>0。

2）在灭弧断口分离前，当i _x>0时，流经混合式断路器的系统电流i _s全部转移至电流转移支路中，流经灭弧断口的电流i _m方向发生变向；此时，经过D2的电流i _L的一部分经过二极管S4流向负载，另一部分经过二极管S4、灭弧断口和二极管S1支路以及经过二极管S3、二极管S1支路同时进行环流。

3）t1时刻，灭弧断口开始分离，灭弧断口间阻抗迅速变大，原本流经灭弧断口的电流又全部转移至S3中；同时，灭弧断口的电压Um被钳位成S3的导通压降（约1V左右），故在灭弧断口触头分离过程中，不会产生电弧；t2时刻，动触头运动一定距离，此时灭弧断口的间距达到了介质恢复强度，即在t2时刻，灭弧断口之间即使施加不小于额定工作电压的电压，灭弧断口也不会产生电弧；通过考虑C、L以及分断电流的关系，配置适当容量的电容C，并预充入适当的电压，能够保证在t0~t1~t2整段时间内，始终维持i _x>0。

4）随着系统电流i _s的增大以及电流i _L的减小，i _x的幅值逐渐减小，直至变为i _x≤0，于是桥式电路中二极管S3截止，电流i _s经过S1、S0和S4流向负载，灭弧断口由于电压反向而形成断开间隙。

5）控制S0关断，此时，电流转移至限压吸收电路，由其中的压敏电阻将电流逐渐限制到零，主回路与负载完全断开。

6）控制隔离开关G断开，断路器分断过程全部完成。

实施例二：

图2为另一实施例的结构原理示意图，以正常运作时，流经灭弧断口的电流i _m方向从右至左（定义为反向）为例，该混合式断路器包括串接在电源输入端P1与电源输出端P2之间的机械开关G（形成隔离断口）和机械开关R（形成灭弧断口），以及并联于机械开关R两端的电流转移支路；所述电流转移支路包括一个桥式电路、一个电磁驱动器、一个预充电电容C；图2中的电磁驱动器为电磁铁L，其动铁芯与机械开关R的动触头之间通过硬连接传递电动力Ft（当然，在其它实施例中也可以不包含电磁驱动器，也可以是通过断路器的控制单元控制外置的涡轮斥力机构等方式使得灭弧断口块速分离）；电流传感器CT实时采样流经灭弧断口中的电流，记为i _m，并将采样信息发送至控制单元（图1中未示出）。如图2所示，本实施例中的S1和S2为晶闸管，S3和S4为二极管，采用图中连接方式构成桥式电路，A1、A2为桥式电路的交流端，分别与P1、P2相连，P2与A1的连接点之间串联设置有机械开关G（当然，在其它实例中也可以是在P1与A2的连接点之间串联设置机械开关G）。预充电电容C和电磁铁L的驱动线圈串联，桥式电路的直流正端D1预充电电容C的负极连接，充电电容C的正极与电磁铁L驱动线圈的一端相连，L驱动线圈的另一端与桥式电路的直流负端D2相连；压敏电阻MOV两端分别连接于D1、D2，形成过电压吸收支路，用于晶闸管关断时的过电压吸收。

该混合式断路器的具体工作过程和原理如下：：

分断前，预充电电容C预先充入一定电压，控制S1、S2保持关断状态。

假设t0时刻时，发生分断事件，按照以下策略进行控制：

1）控制S2导通，预充电电容C对外放电，电流流经L，记为i _L，电磁铁在i _L的作用下产生电磁力，吸合动铁芯，动铁芯通过硬连接带动机械开关R的动触头分离；通过设计合理的电磁铁，可以实现加快灭弧断口分离（即机械开关的动、静触头物理分离）的速度，从而缩短分断的时间；该阶段中，预充电电容C的容值及预充电压需确保在灭弧断口分离前，流经S2的电流i _L大于流经混合式断路器的电流i _s，即i _x=i _L-i _s>0。

2）在灭弧断口分离前，当i _x>0时，流经混合式断路器的电流i _s全部转移至电流转移支路中，流经灭弧断口的电流i _m方向发生变向，此时，经过D2的电流i _L的一部分经过二极管S3流向负载，另一部分经过二极管S3、灭弧断口和晶闸管S2支路以及经过二极管S4、晶闸管S2支路同时进行环流。

3）t1时刻，灭弧断口开始分离，灭弧断口间阻抗迅速变大，原本流经灭弧断口的电流又全部转移至S4中，同时，灭弧断口的电压Um被钳位成S4的导通压降（约1V左右），故在灭弧断口触头分离过程中，不会产生电弧；t2时刻，动触头运动一定距离，此时灭弧断口的间距达到了介质恢复强度，即在t2时刻，灭弧断口之间即使施加不小于额定工作电压的电压，灭弧断口也不会产生电弧；通过考虑C、L以及分断电流的关系，配置适当容量的电容C，并预充入适当的电压，能够保证在t0~t1~t2整段时间内，始终维持i _x>0。

4）随着系统电流i _s的增大以及电流i _L的减小，i _x的幅值逐渐减小，直至变为i _x≤0，于是桥式电路中二极管S4截止，电流i _s经过S2和S3流向负载，灭弧断口由于电压反向而形成断开间隙。

5）控制S2关断，此时，电流转移至过电压吸收支路，由其中的压敏电阻将电流逐渐限制到零，主回路与负载完全断开。

6）控制隔离开关G断开，断路器分断过程全部完成。

Claims (7)

1.一种混合式断路器，包括串接在电源输入端和电源输出端之间的机械开关，与所述机械开关并联的电流转移支路，以及可对电流转移支路的通断进行控制的控制单元；其特征在于，所述电流转移支路包括一个桥式电路、一个预充电电容，所述桥式电路的两个交流端分别连接电源输入端和电源输出端，所述预充电电容串接于所述桥式电路的两个直流端之间，所述预充电电容的容值和预充电压被配置为：可使得从电流转移支路导通开始直至机械开关的动、静触头物理分离这段时间内，流经电流转移支路的电流大于电源输入端的输入电流。

2.如权利要求1所述述混合式断路器，其特征在于，还包括一个电磁驱动器，所述电磁驱动器的驱动线圈与所述预充电电容串接于所述桥式电路的两个直流端之间，所述电磁驱动器的驱动端与所述机械开关的动触头机械连接并可在驱动线圈通电时驱动所述机械开关分闸。

3.如权利要求1所述混合式断路器，其特征在于，所述桥式电路由四个二极管组成，所述电流转移支路还包括一个串接于所述桥式电路的两个直流端之间的一个可控半导体开关，控制单元通过该可控半导体开关实现对电流转移支路的通断进行控制。

4.如权利要求1所述混合式断路器，其特征在于，所述桥式电路至少包括一个晶闸管，控制单元通过该晶闸管实现对电流转移支路的通断进行控制。

5.如权利要求1～4任一项所述混合式断路器，其特征在于，还包括设置于所述桥式电路的两个直流端之间的过电压吸收支路。

6.如权利要求5所述混合式断路器，其特征在于，所述过电压吸收支路中的过电压吸收元件为压敏电阻。

7.如权利要求1任一项所述混合式断路器，其特征在于，在桥式电路和电源输入端的连接点与电源输入端之间，或者在桥式电路和电源输出端的连接点与电源输出端之间，还串接有一个作为隔离开关的机械开关。

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