CN117148128A - 一种通电时间可控的直流短路试验装备及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通电时间可控的直流短路试验装备及试验方法，包括电源系统、试验回路投切控制系统、被试品端口、被试品前级阻抗、被试品后级阻抗、电流和电压采集模块；所述电源系统，用于提供电压可调的直流电，电源系统给试验回路投切控制系统供电；所述电流和电压采集模块采集信号送控制器，控制器输出控制信号控制试验回路投切控制系统，完成试验。填补了车用直流接触器短路试验装备空白。采用充电机及超级电容组作为试验电源，试验电压可在直流0V至1500V连续可调，最高试验电流30kA，大电流短路试验时，采用无弧固态直流开关控制试验通电时间，通电时间误差可控制在+1ms以内。本装备不仅能进行被试品直流大电流短路试验，还能兼顾被试品电气寿命试验。

Description

一种通电时间可控的直流短路试验装备及试验方法

技术领域

本发明涉及一种低压电器智能检测装备技术，特别涉及一种通电时间可控的直流短路试验装备及试验方法。

背景技术

车用直流接触器作为新能源汽车中不可或缺的组成部分，随着新能源汽车的高速发展而得到了广泛使用。车用直流接触器是新能源车中一种用于控制电路中电流通断的电器设备，由于运行环境、不当操作等原因，电路可能会发生短路，导致过载、受损、发生事故等情况。因此，为了保证在发生大电流短路情况下接触器能有效切断电路电流，需要对其进行短路分断试验。短路分断试验可以模拟接触器工作回路中可能发生的短路情况，检测接触器在短路情况下的切断能力和分断能力。

目前传统大电流短路分断检测系统主要适用于交流配/用电领域，主要针对配/用电用断路器产品，对于新能源车用接触器这样的直流电器产品，传统检测系统无法提供大功率直流电源，且试验回路接通与分断采用机械式断路器，通电时间误差在+5ms以上，且误差时间存在机械随机性，无法实现通电时间精准控制，无法对被试品进行快速断电保护。现有技术不存在一种通电时间精准可控的直流短路试验装备。

发明内容

针对上述问题，提出了一种通电时间可控的直流短路试验装备及试验方法，不仅能进行被试品直流大电流短路试验，还能兼顾被试品电气寿命试验。

本发明的技术方案为：一种通电时间可控的直流短路试验装备，包括电源系统、试验回路投切控制系统、被试品端口、被试品前级阻抗、被试品后级阻抗、电流和电压采集模块；

所述电源系统，用于提供电压可调的直流电；

所述试验回路投切控制系统：包括依次连接的隔离开关2QS、试验保护断路器1QF、直流固态开关1SR和断路器2QF并联组成的试验回路接通开关、电气寿命试验隔离开关3QS以及控制通断的控制器；被试品前级阻抗R2、分流电阻R3、被试品端口SP1依次串联接于试验回路接通开关和电气寿命试验隔离开关3QS之间，被试品后级阻抗并联在电气寿命试验隔离开关3QS两端；隔离开关2QS合闸后，电源系统给试验回路投切控制系统供电；

所述电流和电压采集模块：包括电源系统的电流和电压采集传感器、分流电阻R3采集的试验回路电流I2、被试品两端电压采集传感器V3组成，采集信号送控制器。

优选的，所述电源系统由充电机E1、充电限流电阻R0、充电断路器0QF、超级电容组C、放电隔离开关1QS、放电电阻R1组成，充电机E1输出串联充电限制电流R0后，通过闭合的充电断路器0QF并联在超级电容组C两端，放电隔离开关1QS和放电电阻R1串联并联在超级电容组C两端。

优选的，所述充电机E1是一种可编程直流输出电源，其输出电压0至1600V连续可调。

优选的，所述电源系统的电流和电压采集传感器包括充电电压采集传感器V1、充电电流采集传感器A1、超级电容组两端电压采集传感器V2，充电电压采集传感器V1和充电电流采集传感器A1在充电机E1对超级电容组C进行充电时采集电压和充电电流，电压或电流异常时，将进行充电断开保护。

优选的，所述超级电容组C由5组超级电容单体通过开关导通加入串联组成，最高电压1500V，最大放电电流30kA，共分5个硬件档位：270V档、540V档、810V档、1080V档、1500V档，每个电压档根据设置充电电压决定试验所使用的电压值，试验电压可在0V至1500V连续可调。

优选的，所述被试品前级阻抗R2是一套由无感电阻组成的电阻网络，以串联形式组成，每个电阻并联一把刀开关，通过调节电阻大小的方式调节短路试验电流大小，最大通电电流为30kA，30kA电流下通电时间50ms。

优选的，所述被试品后级阻抗是一套由电阻和电感组成的负载网络，调节电气寿命试验电流大小，最大通电电流为5kA，5kA电流下通电时间500ms。

优选的，所述试验回路接通直流固态开关1SR是一种无弧固态直流开关，通电时间误差控制在+1ms以内，额定工作电压1500V，额定工作电流大于30kA，由多只大功率IGBT器件并联组成。

一种通电时间可控的直流短路试验方法，建立权利要求2至8中任意一项所述通电时间可控的直流短路试验装备，包括以下步骤：

步骤1、试验人员在确保隔离开关2QS断开的情况下，将试验端口SP1用铜排短接；

步骤2、将隔离开关3QS闭合，后级阻抗R4、L1旁路，根据试验的电压值与电流值，计算理论负载电阻值，调整前级阻抗R2至所需电阻值。调整完成后闭合隔离开关2QS；

步骤3、打开超级电容组放电隔离开关1QS，根据试验的电压值选择要投入的超级电容档位，并设置超级电容充电电压；

步骤4、闭合充电断路器0QF，充电机E1给超级电容组C充电，当超级电容组C两端电压达到设置充电电压，充电结束，断开充电断路器0QF；

步骤5、闭合试验保护断路器1QF，设置试验通电时间，启动预期波试验，按照设置的通电时间导通试验回路接通分断开关1SR，分流器R3采集试验电流I2，预期波试验结束，断开1QF，如I2与设置电流在差误±3％范围内，则进入步骤6，如差误±3％范围外，则进行前级阻抗R2调整，调整后回到步骤4；

步骤6、断开隔离开关2QS，拆除试验端口SP1铜排，接入被试品，闭合隔离开关2QS，重复步骤4后进行步骤7；

步骤7、闭合试验保护断路器1QF，设置试验通电时间，启动短路试验，按照设置的通电时间导通试验回路接通分断开关1SR，1SR导通后，试验回路出现短路电流流经被试品，如被试品分断短路电流时间小于1SR导通时间，则试验回路将由被试品分断，如在设置试验通电时间内，被试品未能分断短路电流，则1SR将在达到通电时间时长时分断试验回路；

步骤8、试验结束，闭合1QS对超级电容组进行放电，断开2QS。

本发明的有益效果在于：本发明通电时间可控的直流短路试验装备及试验方法，填补了车用直流接触器短路试验装备空白。采用充电机及超级电容组作为试验电源，试验电压可在直流0V至1500V连续可调，最高试验电流30kA，大电流短路试验时，采用无弧固态直流开关控制试验通电时间，通电时间误差可控制在+1ms以内。同时，本装备不仅能进行被试品直流大电流短路试验，还能兼顾被试品电气寿命试验。

附图说明

图1为本发明通电时间可控的直流短路试验装备原理框图；

图2为本发明超级电容组组成连接图；

图3a为本发明无弧固态直流开关结构框图；

图3b为本发明实际通电时间波形图；

图4为本发明前级阻抗组成结构图；

图5为本发明短路试验方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示本发明的一实施例的通电时间可控的直流短路试验装备原理框图。包括电源系统、试验回路投切控制系统、被试品端口、被试品前级阻抗、被试品后级阻抗、电流和电压采集模块。其中：电源系统由充电机E1、充电限流电阻R0、充电断路器0QF、超级电容组C、放电隔离开关1QS、放电电阻R1组成，充电机E1输出串联充电限制电流R0后，通过闭合的充电断路器0QF并联在超级电容组C两端，放电隔离开关1QS和放电电阻R1串联并联在超级电容组C两端。当需要对超级电容组C充电时，0QF闭合，充电机E1通过充电限流电阻R0给超级电容组C充电，充电完成后断开0QF。所述充电机E1是一种可编程直流输出电源，其输出电压0至1600V连续可调。

试验回路投切控制系统包括依次连接的隔离开关2QS、试验保护断路器1QF、直流固态开关1SR和断路器2QF并联组成的试验回路接通开关、电气寿命试验隔离开关3QS；被试品前级阻抗R2、分流电阻R3、被试品端口SP1依次串联接于试验回路接通开关和电气寿命试验隔离开关3QS之间，被试品后级阻抗R4、电感L1串联组成的负载网络并联在电气寿命试验隔离开关3QS两端。隔离开关2QS合闸后，电源系统给试验回路投切控制系统供电，当进行大电流短路试验时，通电时间由试验回路接通分断开关1SR控制，同时将电气寿命试验隔离开关3QS闭合进行后级阻抗旁路；当进行额定电流电气寿命试验时，试验回路接通由断路器2QF控制，同时将电气寿命试验隔离开关3QS打开接入后级阻抗。正常情况下试验时，试验回路的接通与分断由1SR或2QF完成，试验过程中出现异常短路大电流时，由试验保护断路器1QF进行分断保护。被试品端口SP1用于接入被试品车用直流接触器。被试品前级阻抗R2是一套由无感电阻组成的电阻网络，以串联形式组成，每个电阻并联一把刀开关，这样可以通过调节电阻大小的方式调节短路试验电流大小，最大通电电流为30kA，30kA电流下通电时间50ms。被试品后级阻抗R4、L1是一套由电阻和电感组成的负载网络，可以调节电气寿命试验电流大小，最大通电电流为5kA，5kA电流下通电时间500ms。电流和电压采集模块由充电电压采集传感器V1、充电电流采集传感器A1、超级电容组两端电压采集传感器V2、分流电阻R3采集的试验回路电流I2、被试品两端电压采集传感器V3组成，充电电压采集传感器V1和充电电流采集传感器A1在充电机E1对超级电容组C进行充电时采集电压和充电电流，电压或电流异常时，将进行充电断开保护。

如图2所示本发明的一超级电容组组成连接图。超级电容组C由5组超级电容单体通过开关导通加入串联组成，最高电压1500V，最大放电电流30kA。共分5个硬件档位：270V档、540V档、810V档、1080V档、1500V档。以270V档位为基础单元，其他档位：540v档由2个270V档串连接；810V档由3个270V档串联接；1080V档由4个270V档串联接；1500V档由5个270V档串联，1500V档时，将超级电容单体电压升高。每个电压档根据设置充电电压决定试验所使用的电压值，试验电压可在0V至1500V连续可调。

如图3a、3b所示本发明的一实施例的无弧固态直流开关结构框图及实际通电时间波形图，作为分断开关1SR结构。图3a揭示直流无弧固态开关采用IGBT作为主器件，因单个IGBT要达到1500V，30kA的技术参数比较困难，且为了保证系统的稳定可靠性，本试验系统采用六个IGBT并联方式实现高电压、大电流试验回路的合分，该组件应用于IGBT单次开关，IGBT端耐受直流电压。图3b揭示使用图3a所示的六并联IGBT，在1500V电压，30kA电流，设置通电50ms试验工况下，通电起始时刻-0.615ms，通电结束时刻49.46ms，实际通电时间50.075ms，且IGBT分断后回路不会产生电弧。

如图4所示本发明的一实施例的前级阻抗组成结构图。它是一套由无感电阻组成的电阻网络，由5组电阻串联而成，分别为1R～5R，每组电阻又由3个电阻串联而成，分别为R1～R3，每个电阻并联一把刀开关，第一组1R1～1R3为3个0.4mΩ电阻，第二组2R1～2R3为3个1.6mΩ电阻，第三组3R1～3R3为3个6.4mΩ电阻，第四组4R1～4R3为3个25.6mΩ电阻，第五组5R1～5R3为3个102.4mΩ电阻，这样可以通过调节电阻大小的方式调节短路试验电流大小，最大通电电流为30kA，30kA电流下通电时间50ms。例如，试验电压1500V，试验电流30kA工况下，计算负载电阻为50mΩ，根据电阻网络情况：50mΩ＝25.6+19.2+4.8+0.4，则需要闭合电阻网络中的到开关K10、K9、K6、K1即可得到50mΩ电阻。

如图5所示本发明的一实施例的短路试验方法流程图。包括以下步骤：

步骤1、试验人员在确保隔离开关2QS断开的情况下，将试验端口SP1用铜排短接。

步骤2、将隔离开关3QS闭合，后级阻抗R4、L1旁路。根据试验的电压值与电流值，计算理论负载电阻值，调整前级阻抗R2至理论负载电阻值。调整完成后闭合隔离开关2QS。

步骤3、打开超级电容组放电隔离开关1QS，根据试验的电压值选择要投入的超级电容档位，并设置超级电容充电电压。

步骤4、闭合充电断路器0QF，充电机E1给超级电容组C充电，当超级电容组C两端电压达到设置充电电压，充电结束，断开充电断路器0QF。

步骤5、闭合试验保护断路器1QF，设置试验通电时间，启动预期波试验，按照设置的通电时间导通试验回路接通分断开关1SR，分流器R3采集试验电流I2，预期波试验结束，断开1QF。如I2与设置电流在差误±3％范围内，则进入步骤6，如差误±3％范围外，则进行前级阻抗R2调整，调整后回到步骤4。

步骤6、断开隔离开关2QS，拆除试验端口SP1铜排，接入被试品，闭合隔离开关2QS。重复步骤4后进行步骤7。

步骤7、闭合试验保护断路器1QF，设置试验通电时间，启动短路试验，按照设置的通电时间导通试验回路接通分断开关1SR，1SR导通后，试验回路出现短路电流流经被试品，如被试品分断短路电流时间小于1SR导通时间，则试验回路将由被试品分断，如在设置试验通电时间内，被试品未能分断短路电流，则1SR将在达到通电时间时长时分断试验回路。

步骤8、试验结束，闭合1QS对超级电容组进行放电，断开2QS。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种通电时间可控的直流短路试验装备，其特征在于，包括电源系统、试验回路投切控制系统、被试品端口、被试品前级阻抗、被试品后级阻抗、电流和电压采集模块；

所述电源系统，用于提供电压可调的直流电；

所述试验回路投切控制系统：包括依次连接的隔离开关2QS、试验保护断路器1QF、直流固态开关1SR和断路器2QF并联组成的试验回路接通开关、电气寿命试验隔离开关3QS以及控制通断的控制器；被试品前级阻抗R2、分流电阻R3、被试品端口SP1依次串联接于试验回路接通开关和电气寿命试验隔离开关3QS之间，被试品后级阻抗并联在电气寿命试验隔离开关3QS两端；隔离开关2QS合闸后，电源系统给试验回路投切控制系统供电；

所述电流和电压采集模块：包括电源系统的电流和电压采集传感器、分流电阻R3采集的试验回路电流I2、被试品两端电压采集传感器V3组成，采集信号送控制器。

2.根据权利要求1所述通电时间可控的直流短路试验装备，其特征在于，所述电源系统由充电机E1、充电限流电阻R0、充电断路器0QF、超级电容组C、放电隔离开关1QS、放电电阻R1组成，充电机E1输出串联充电限制电流R0后，通过闭合的充电断路器0QF并联在超级电容组C两端，放电隔离开关1QS和放电电阻R1串联并联在超级电容组C两端。

3.根据权利要求2所述通电时间可控的直流短路试验装备，其特征在于，所述充电机E1是一种可编程直流输出电源，其输出电压0至1600V连续可调。

4.根据权利要求2所述通电时间可控的直流短路试验装备，其特征在于，所述电源系统的电流和电压采集传感器包括充电电压采集传感器V1、充电电流采集传感器A1、超级电容组两端电压采集传感器V2，充电电压采集传感器V1和充电电流采集传感器A1在充电机E1对超级电容组C进行充电时采集电压和充电电流，电压或电流异常时，将进行充电断开保护。

5.根据权利要求2所述通电时间可控的直流短路试验装备，其特征在于，所述超级电容组C由5组超级电容单体通过开关导通加入串联组成，最高电压1500V，最大放电电流30kA，共分5个硬件档位：270V档、540V档、810V档、1080V档、1500V档，每个电压档根据设置充电电压决定试验所使用的电压值，试验电压可在0V至1500V连续可调。

6.根据权利要求2所述通电时间可控的直流短路试验装备，其特征在于，所述被试品前级阻抗R2是一套由无感电阻组成的电阻网络，以串联形式组成，每个电阻并联一把刀开关，通过调节电阻大小的方式调节短路试验电流大小，最大通电电流为30kA，30kA电流下通电时间50ms。

7.根据权利要求2所述通电时间可控的直流短路试验装备，其特征在于，所述被试品后级阻抗是一套由电阻和电感组成的负载网络，调节电气寿命试验电流大小，最大通电电流为5kA，5kA电流下通电时间500ms。

8.根据权利要求2所述通电时间可控的直流短路试验装备，其特征在于，所述试验回路接通直流固态开关1SR是一种无弧固态直流开关，通电时间误差控制在+1ms以内，额定工作电压1500V，额定工作电流大于30kA，由多只大功率IGBT器件并联组成。

9.一种通电时间可控的直流短路试验方法，其特征在于，建立权利要求2至8中任意一项所述通电时间可控的直流短路试验装备，包括以下步骤：

步骤1、试验人员在确保隔离开关2QS断开的情况下，将试验端口SP1用铜排短接；

步骤2、将隔离开关3QS闭合，后级阻抗R4、L1旁路，根据试验的电压值与电流值，计算理论负载电阻值，调整前级阻抗R2至所需电阻值。调整完成后闭合隔离开关2QS；

步骤3、打开超级电容组放电隔离开关1QS，根据试验的电压值选择要投入的超级电容档位，并设置超级电容充电电压；

步骤4、闭合充电断路器0QF，充电机E1给超级电容组C充电，当超级电容组C两端电压达到设置充电电压，充电结束，断开充电断路器0QF；

步骤5、闭合试验保护断路器1QF，设置试验通电时间，启动预期波试验，按照设置的通电时间导通试验回路接通分断开关1SR，分流器R3采集试验电流I2，预期波试验结束，断开1QF，如I2与设置电流在差误±3％范围内，则进入步骤6，如差误±3％范围外，则进行前级阻抗R2调整，调整后回到步骤4；

步骤6、断开隔离开关2QS，拆除试验端口SP1铜排，接入被试品，闭合隔离开关2QS，重复步骤4后进行步骤7；

步骤7、闭合试验保护断路器1QF，设置试验通电时间，启动短路试验，按照设置的通电时间导通试验回路接通分断开关1SR，1SR导通后，试验回路出现短路电流流经被试品，如被试品分断短路电流时间小于1SR导通时间，则试验回路将由被试品分断，如在设置试验通电时间内，被试品未能分断短路电流，则1SR将在达到通电时间时长时分断试验回路；

步骤8、试验结束，闭合1QS对超级电容组进行放电，断开2QS。