CN206820455U - 一种主动抑制过电压的限流式固态断路器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种主动抑制过电压的限流式固态断路器，其特征在于：主开关电路A、续流电路B和控制系统C三者并联组成。其中，主开关电路由两个MOS管开关单元Q1和Q2反向串联组成；主开关电路的输出端与续流电路的一端连接。主回路电流超过额定值或限流值时，根据电流和输入电压方向先导通续流支路的Q3或者Q4，延迟设定时间再关断主开关电路，可大大减轻主开关电路中MOS管关断时的电压应力。除了可主动防止过电压外，本实用新型还具有结构简单，驱动方便，易于并联扩容和降低导通损耗等优点。

Description

一种主动抑制过电压的限流式固态断路器

技术领域

本实用新型属于电力系统故障保护技术领域，特别涉及一种主动抑制过电压的限流式固态断路器。

背景技术

断路器作为电网输电线路中的一个重要环节，是一种重要的控制和保护设备，其性能直接影响电网的正常运行，而目前交流输配电中大量采用的机械式断路器，尽管它导通稳定、带负载能力强，但在断开负载时往往产生电弧，触头易烧损，开断时间长，难以满足一些电力用户对故障电流开断的速动性要求。

基于电力电子器件的固态断路器与传统机械式断路器相比，结构上的显著特点是无触点，不需要灭弧等措施；且具有动作速度更快、能够适用于需要频繁开断的场合、使用寿命长、维护简单、容易实现智能化等一系列优点。

在交流应用场合，固态断路器采用的电力电子器件从最初的晶闸管(SCR)，可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR)到功率场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)及集成门极换向晶闸管(IGCT)、电子注入增强栅晶体管(IEGT)等，基于不同器件出现了多种固态断路器结构，采用晶闸管组成的固态断路器具有容量大、无电弧等优点，但是关断时刻必须在电流过流后才能关断，增加了关断时间。采用IGBT、IGCT等电力电子器件组成的固态断路器，尽管具有更小的关断时间，不需电流过零就可关断，从而限制短路电流等功能。但是导通电压稍高，通态损耗较大，同时不易通过并联增大容量。无论是基于GTO、IGCT还是IGBT的断路器，在实现交流双向控制时，须将功率开关管串联电力二极管后再进行反向并联，这使得结构复杂、增加额外开关管损耗。

采用MOSFET的固态断路器具有更快的开关速度，易于并联扩大容量等优点，但是由于MOSFET耐压低，当线路负载呈现感性或线路分布感抗较大时，如果关断速度太快，在关断时会在固态断路器主回路电力电子器件MOS管两端产生较大的瞬时电压，可能会造成器件过压损坏。同时相对于其它电力电子器件，因此如果用于固态断路器，必须对MOS管两端电压加以限制，才能更可靠的应用。目前，固态断路器中的过电压防护主要依靠阻容缓冲电路和氧化锌避雷针2种方式，这2种方式都是对过电压的被动防护，没有从根本上消除过电压产生的原因。

实用新型内容

本实用新型针对上述的机械断路器和目前固态断路器的不足，提供了一种具有主动抑 制过电压的限流式固态断路器。本实用新型所述固态断路器具有如下特点：利用MOS管易于并联特性，方便MOS管并联扩大容量，降低导通损耗；具有续流电路并采取主动控制方法抑制系统过电压的产生，保护MOS管不会过压损坏；适合于低电压大电流交流场合应用。

为解决上述问题，本实用新型所采取的技术方案如下：

一种主动抑制过电压的限流式固态断路器，包括交流电源、负载电阻和线路电感L，其特征在于还包括开关电路A、续流电路B、控制系统C，其中主开关电路A包括：第一MOS管和第二MOS管、第一寄生二极管和第二寄生二极管；续流电路B包括：续流电阻、第三MOS管和第四MOS管、第三寄生二极管和第四寄生二极管；控制系统C包括：一个控制芯片DSP、一个电压频率检测电路、一个电流检测电路、一个电流比较电路、一个驱动电路。

一种主动抑制过电压的限流式固态断路器，其连接方式特征在于交流电源L端与第一MOS管开关单元Q1漏极、第一寄生二极管D1阴极相连；交流电源N端与第四MOS管开关单元Q4漏极、第四寄生二极管D4阴极和负载电阻R输出端相连；第二MOS管开关单元Q2源极接第一寄生二极管D1阳极、第一MOS管开关单元Q1源极、第二寄生二极管D2阳极；续流电阻R0输入端接第二MOS管开关单元Q2漏极、第二寄生二极管D2阴极、线路寄生电感L输入端；第三MOS管开关单元Q3源极接续流电阻R0输出端、第三寄生二极管D1阴极；第三MOS管Q3开关单元漏极接第三寄生二极管D1阳极、第四MOS管开关单元Q3发射极、第四寄生二极管D4阳极；电流检测接电流比较电路、DSP的A\D采样端口，电流比较电路接DSP的I\O口，DSP的PWM口接驱动电路，驱动电路接第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管的门极，电压频率检测电路接DSP的CAP中断和A\D采样端口。

本实用新型的有益效果如下：

所述的固态断路器的开关器件第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、第四MOS管采用多个MOS管的并联结构，并联个数为N+1个。当需要扩大电流容量时和降低导通损耗时，可通过增加N的数量实现。

本实用新型中的固态断路器，为了实现主动抑制过电压，其工作原理为：固态断路器正常工作时，控制第一MOS管和第二MOS管处于导通状态，第三MOS管和第四MOS管处于关断状态。当负载短路时，负载电流增长迅速，控制系统将检测到的电流信号与设定的限流值通过比较器电路进行比较，当负载电流瞬时值大于设定的限流值时，对固态断路器实施控制。根据当前检测到的电压和电流的幅值判断电压和电流的方向，当电压和电流方向为正向时，则首先导通第四MOS管，为负载中短路电流提供续流支路，经过一段延时，同时 关断第一MOS管和第二MOS管。负载端短路电流通过第四MOS管—第三寄生二极管—续流电阻续流，直至电流将逐渐衰减到零，此时控制系统关断第四MOS管。反之，开通第三MOS管，负载端短路电流通过第三MOS管—第四寄生二极管—续流电阻续流，直至电流将逐渐衰减到零，关断第四MOS管。

续流支路为故障电流提供释放的路径，可以抑制故障电流开断时由于线路电感的存在引起较高的关断电压，可大大减轻主回路MOS管的电压应力。

本固态断路器适用于低压场合、电源输入至断路器之前的线路一般远小于负载端的线路长度的场合。

附图说明

图1为限流式固态断路器的主电路拓扑

图2为限流式固态断路器的MOS管拓扑

图3电路未超限时电路工作状态

图4电流正向时续流支路

图5电流反向时续流支路

图6短路故障图

图7故障状态开关时序图

图8电流检测电路

图9电压检测电路

图10频率检测电路

图11电流比较电路

图12驱动电路

图13(a)未加续流支路电压图

图13(b)加续流支路电压图

图中，1-固态断路器简单结构2-固态断路器简单结构3-主导通回路驱动信号4-续流支路驱动信号5-频率基准偏压点6-电压上限偏压点7-电压下限偏压点8-续流支路开通信号9-主开关短路关断信号

具体实施方式

下面结合附图对实用新型的技术方案进行详细说明。

参照图1所示，本发明提供一种主动抑制过电压的限流式固态断路器，包括：主开关电路、续流电路和控制系统三部分组成。主开关电路包括第一MOS管开关单元Q1及其并联的寄生二极管D1和第二MOS管开关单元Q2及其并联的寄生二极管D2，两组开关单元串联；续流电路包括续流电阻R0、第三MOS管开关单元Q3和第四MOS管开关单元Q4及其寄生二极管D3、D4；控制系统包括控制芯片DSP、电压频率检测电路、电流检测电路、电流比较电路和驱动电路。控制系统检测输入电压和主回路电流并对主开关电路和续流电路的MOS管进行控制。图8、图9、图11、图12分别为电流检测电路、电压检测电路，电流比较电路和驱动电路。微处理器采用TI公司的TMS320LF28305。

如图2所示，为了提高固态断路器的开断容量，Q1，Q2，Q3和Q4可使用多个MOS管并联工作。

针对所述固态断路器的控制方法，控制过程如下：固态断路器正常工作时，微处理器控制Q1和Q2处于导通状态，Q3和Q4处于关断状态。同时实时检测输入电压、负载电流和频率。正常状态工作过程见图3所示。

频率检测方法：参照图1，具体操作过程如下：检测频率，通过比较器比较出电压的过零点，产生方波，频率检测电路如图10所示，在微处理器中开通上升沿捕捉中断，当有上升沿信号时，由定时器开始计时，当收到下一个上升沿时停止计时，计算两个变化沿之间的时差间隔T，利用公式(1)计算频率f：f＝1/T(1)

电压和电流的检测计算方法：电压和电流检测调理电路如图8、图9所示，当检测到电压的过零点时开通定时器，通过定时器触发A/D转换器，开始采样电压和电流的数值，当下一个上升沿来临时，停止定时器，禁止A/D采样，并记录采样点的个数。然后利用公式(2)计算电压和电流的有效值。其中x²⁽n)为电压电流瞬时值。

当控制系统检测到负载电流有效值超过额定电流但小于限流值时，启动微处理器内部定时器开始计时，在计时期间，如果负载电流一直大于额定电流并小于限流值，则到达设定延时时间后，启动保护程序。保护程序实施步骤见下数第2段，如果在计时期间，负载电流小于额定电流，则装置停止计时并继续保持正常工作状态。

除了图8所示的电流检测电路外，还有一路直接输入至电流比较电路，见图11所示。当短路发生时，由于电流增长迅速，当电流值超过比较电路设定的限流值时，比较电路输出低电平信号至微处理器，微处理器接收到低电平信号进入保护程序。

保护程序由微处理器程序实现，其步骤如下：根据当前检测到的电压和电流实时值判断电压和电流的方向，当检测到的电压值大于设定值，则认为电压方向为与图1所标的参考方向一致，表示电源在正半波运行，此时微处理器发出信号，经驱动电路至Q4门极，Q4导 通，由于MOS管收到驱动信号至完全导通存在一定延时，则一般可设置延时Δt(一般在几个微秒以内)时间后，由微处理器发出关断Q1和Q2信号，其保护过程开关时序图如图7所示。由于线路中存在杂散电感，电流不可能突变，则负载电路中的电感电流会通过续流支路的Q4→D3→R₀续流，并逐渐衰减到0，当检测到电流为0后，关断Q4。按照上述思路，当微处理器检测到电压和电流值与参考方向相反时，则微处理器首先导通Q3，然后经延时后关断Q1和Q2，故障电流经过R₀→Q3→D4续流，当电流衰减到0后，关断Q3。完成过流或者短路的保护过程。同时避免了直接关断Q1和Q2引起的线路杂散电感引起的过电压的产生，减小了Q1和Q2关断期间的电压应力。续流电路的工作过程分别见图4和图5所示。

上述控制方法可以达到下述效果：当负载电流达到额定电流的一定倍数时(如120％)时，可定时一定时间断开(如10秒)主开关电路。当发生短路时，如电流实时值超过限流值的150％时，硬件在微秒级断开主开关电路。大大限制了电流的进一步增长，起到了保护线路的作用。同时由于为线路电感提供了续流回路，防止了主开关器件Q1和Q2关断期间过电压的产生。

本实用新型的实施效果分析：由于MOSFET的关断速度很快，如果不采取防止过电压措施，则以供电线路按照线路长度200米计算，采用直径6mm的铜导线。等效杂散电感为0.11mH左右。以IRFP460型号MOS管为例，其数据手册可查到关断时间约0.1μs，则理论计算过压值L*di/dt≈5*10⁴V，远超该MOS管500V的耐压值，因必须采取过电压抑制措施。图13(a)分别为直接关断Q1和Q2时Q1和Q2两端的电压波形，MOS管寄生二极管将过电压钳位到二极管反向击穿电压值；图13(b)为采取本发明所述方法关断Q1和Q2时Q1和Q2两端的电压波形。从图中可以看出，Q1和Q2两端的电压得到了明显的抑制。

Claims (3)

1.一种主动抑制过电压的限流式固态断路器，由主开关电路、续流电路和控制系统三者并联组成；其特征在于，所述的主开关电路包括第一MOS管开关单元(Q1)及其并联的寄生二极管(D1)和第二MOS管开关单元(Q2)及其并联的寄生二极管(D2)，两组开关单元串联；所述的续流电路包括续流电阻(R0)、第三MOS管开关单元(Q3)和第四MOS管开关单元(Q4)及其寄生二极管(D3、D4)；所述的控制系统包括控制芯片DSP、电压频率检测电路、电流检测电路、电流比较电路和驱动电路。

2.根据权利要求1所述的主动抑制过电压的限流式固态断路器，其特征在于，交流电源L端与第一MOS管开关单元(Q1)漏极、第一寄生二极管(D1)阴极相连；交流电源N端与第四MOS管开关单元(Q4)漏极、第四寄生二极管(D4)阴极和负载电阻(R)输出端相连；第二MOS管开关单元(Q2)源极接第一寄生二极管(D1)阳极、第一MOS管开关单元(Q1)源极、第二寄生二极管(D2)阳极；续流电阻(R0)输入端接第二MOS管开关单元(Q2)漏极、第二寄生二极管(D2)阴极、线路寄生电感(L)输入端；第三MOS管开关单元(Q3)源极接续流电阻(R0)输出端、第三寄生二极管(D1)阴极；第三MOS管(Q3)开关单元漏极接第三寄生二极管(D1)阳极、第四MOS管开关单元(Q3)发射极、第四寄生二极管(D4)阳极。

3.根据权利要求1所述的主动抑制过电压的限流式固态断路器，其特征在于，所述的主开关电路，MOS管开关单元采用MOS管并联结构，以降低导通损耗，并联个数为N+1个。