CN207069572U - 一种适用于大功率的直流开关灭弧装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适用于大功率的直流开关灭弧装置，包括：第一直流开关、第二直流开关、第一二极管和第二二极管；第一直流开关连接于直流输入正和直流输出正之间，第二直流开关连接于直流输入负和直流输出负之间；第一二极管的阳极连接第二直流开关和直流输出负的连接点，第一二极管的阴极连接直流输入正；第二二极管的阳极连接直流输入负，第二二极管的阴极连接第一直流开关和直流输出正的连接点；本实用新型利用电感中的电流不能突变，通过续流二极管为电流的继续流动寻找新的路径，联动关断能够使得该续流路径实现能量被回馈到直流线路中，从而实现能量的无损回收，且装置电路极其简单，实施非常容易，且体积小、成本低廉。

Description

一种适用于大功率的直流开关灭弧装置

技术领域

本实用新型涉及开关灭弧装置，特别涉及适用于大功率的直流开关灭弧装置，所述的直流开关包括机械直流断路器、固态直流断路器、混合直流断路器及其它直流开关。

背景技术

现有的电力系统简化模型如图1所示，均是由直流输入Vin+和Vin-、开关J、直流输出Vout+和Vout-，以及负载L串联组成，开关J的基本功能就是能够在所要求的短时间内分合电路，开关在大气中切断通有电流的回路时，只要电源电压大于10-20V，电流大于80-100mA，在动静触头分开瞬间，触头间隙就会产生一团温度极高、发出强光且能够导电的近似圆柱形的气体，这就是电弧，一直到电弧熄灭，触头间隙成为绝缘介质后，电流才被开断。

电孤是一种气体放电现象，它有两个特点：一是电弧中有大量的电子、离子，因而是导电的，电孤不熄灭电路继续导通，要电弧熄灭后电路才正式断开；二是电弧的温度很高，弧心温度达4000～5000摄氏度以上，高温电弧会烧坏设备造成严重事故，所以必须采取措施，迅速熄灭电弧，因此电弧燃烧和熄灭过程是开关电器研究最重要的内容。

电弧的产生主要依靠碰撞游离，电弧的维持主要依靠热游离，物理过程简述如下：在开关断开过程中，由于动触头的运动，使动、静触头间的接触面不断减小，电流密度就不断增大，接触电阻随接触面的减小就越来越大，因而触头温度升高，产生热电子发射。当触头刚分离时，由于动、静触头间的间隙极小，出现的电场强度很高，在电场作用下金属表面电子不断从金属表面飞逸出来，成为自由电子在触头间运动，这种现象称为场致发射。热电子发射、场致发射产生的自由电子在电场力作用下加速飞向电位高的阳极，途中不断碰撞中性质点，将中性质点中的电子又碰撞出来，这种现象称作碰撞游离。由于碰撞游离的连锁反应，自由电子成倍地增加(正离子亦随之增加)，大量的电子奔向阳极，大量的正离子向负极运动，开关触头间隙便成了电流的通道，触头间隙间介质被击穿就形成电弧。由于电弧温度很高，在高温的作用下，处在高温下的中性质点由于高温而产生强烈不规则的热运动，在中性质点互相碰撞时，又将被游离而形成电子和离子，这种因热运动而引起的游离称为热游离，热游离产生大量电子和离子维持触头间隙间电弧。

上述电力系统简化模型中的负载L分为：阻性负载，如白炽灯、电炉、电热水器等；感性负载，如电动机、变压器、继电器驱动等；容性负载，如充电器、电池、超级电容等，电力系统一般由三种负载混合组成。

对于直流电力系统，感性负载的存在增加了灭弧难度，原因在于开关断开后电流会迅速减小，而感性负载内的电流不能突变，感性负载线圈储存的能量由于自感效应线圈会产生一个反向的电势阻止电流的变化，这其实是一个能量释放过程，如果线圈开路，其两端产生的反向电势电压将会为几倍的直流输入电压，反向电势电压与直流输入电压叠加后，将会在开关两端产生至少2倍直流输入电压的尖峰电压，即电弧电压，此电弧电压较交流电力系统更难灭弧，原因在于交流电力系统存在熄灭电弧的过零点，这给直流开关的研制工作带来了更大的挑战，现有技术直流电力系统常采用的灭弧方法如下：

RC吸收法：就是要减小开关触头分开时的电压(即电流下降过程的电压)，关断过程的电压由两方面构成，一方面是直流输入端的电压，另一方面是负载端的电压，其中，直流输入端的电压比较固定，在负载端，由于导线电感以及用电设备电感的存在，上文已分析会产生反向电势电压，当电感电流都很大时，会产生很高的反向电势电压，增大灭弧的难度。如图2所示为现有RC吸收法灭弧电路原理图，该方法为在开关J两端并联RC串联电路，用于吸收负载L中电感线圈产生的励磁及直流输入Vin输入的能量；稳态时，电流经开关J流通；故障发生时，开关J断开时，电流向RC支路转移，通过RC支路给电容C充电，由于电容C两端的电压无法突变，开关J两端的电压由0开始缓慢上升，只要保障在开关J开断瞬间电容C两端电压低于开关J的起弧电压，在分断过程中低于开关J的击穿电压，就能实现开关无弧分断；负载L中电感线圈储存的能量一部分被电阻R发热消耗，另外一部分被电容C储存吸收，当故障消除，开关J合闸时，电容C将进行放电，该灭弧电路虽实现了无弧分断，加快了开关的分断速度，但此种方案只适用于负载L中电感线圈储存能量小的场合，当负载L中电感线圈储存的能量较大时，要求RC的体积较大，且成本较高，对于中大功率的直流电力系统并不适用，且该方法为有损吸收，不利于系统的节能。

申请号为201410191972.3、发明名称为《一种直流微网的固态电子开关的短路保护电路及保护方法》的中国发明专利申请就采用了上述RC吸收法，该申请针对供电系统线路上单极对地短路和极间短路故障提供了一种短路保护电路，该短路保护电路包括RC缓冲支路和RD续流支路，当线路上单极对地短路和极间短路故障时，能量通过续流支路的电阻、线路电阻和接地电阻Rg被消耗，该方法有效防止固态电子开关关断时两端出现较大的尖峰电压，降低短路电流对固态电子开关的冲击，保护线路上其他电力电子器件不受损，该方法存在问题与上述RC吸收法的问题相同。

惰性气体法：该方法为将接触器J的触点密封在触点室内，在触电室内充氮氢惰性气体的方案进行灭弧，此种方案的原理为采用氮氢惰性气体作为快速冷却电弧的媒介，使电弧进行快速冷却减少对触点表面的损伤，但惰性气体灭弧技术因为对气体的混合比例、填充压力有严格的控制，故还需进行试验攻关摸索最佳的灭弧效果，且还需要触点室具备可靠的密封性能，否则不但起不到灭弧效果，还将使得电弧外泄，影响直流系统的安全运行。

随着我国经济迅速发展以及工业交通部门逐步的现代化，直流用电负荷容量也持续增加，随着电压等级和额定电流的增加，大容量直流短路电流的开断变得异常困难，其开断时间的要求也越来越苛刻，直流开关已成为制约高压、大容量直流供电系统的瓶颈。

如新能源汽车，采用的是高电压(400-1200V)、中高电流(10-1000A)和大功率的直流开关，目前市面上的电动汽车电动机功率一般在100Kw左右，最高车速越高，电动机需要的功率越大；再如太阳能光伏电站，直流母线电压高达800-1500V、防雷直流柜功率高达30-500Kw；军航、船舶中压直流综合电力系统，母线电压高达3000V以上，功率极大，选择电机是否采用中压电力标准的传统功率分界点是450Kw；特高压长距离直流输电系统，线路电压高达±800kV、电流高达10kA，功率则高达8000Mw。

上述高压、大电流场合均需要应用大功率的直流开关，若开关要开断1500V，电流为 1500-2000A的电弧，如不采取措施这些电弧可拉长至2米长仍然继续燃烧不熄灭，故灭弧是高压直流开关必须解决的问题，现有技术还没有体积小、成本低且节能的技术方案。

实用新型内容

有鉴如此，本实用新型要解决的技术问题是提供一种适用于大功率的直流开关灭弧装置，能实现体积小、成本低且节能。

本实用新型要解决上述技术问题的技术方案如下：

一种适用于大功率的直流开关灭弧装置，其特征在于：包括第一直流开关、第二直流开关、第一二极管和第二二极管；第一直流开关连接于直流输入正和直流输出正之间，第二直流开关连接于直流输入负和直流输出负之间；第一二极管的阳极连接第二直流开关和直流输出负的连接点，第一二极管的阴极连接直流输入正；第二二极管的阳极连接直流输入负，第二二极管的阴极连接第一直流开关和直流输出正的连接点。

作为上述方案的改进，其特征在于：第一二极管和第二二极管为多个二极管串联组成。

作为上述方案的改进，其特征在于：第一直流开关两端并联有由第一电阻和第一电容组成的串联电路；第二直流开关两端并联有由第二电阻和第二电容组成的串联电路。

作为上述改进方案的等同替换，其特征在于：第一直流开关两端并联有第一电容，第二直流开关两端并联有第二电容。

作为上述方案的改进，其特征在于：第一二极管的阳极和第一二极管的阴极之间并联有第三电容，第二二极管的阳极和第二二极管的阴极之间并联有第四电容。

作为上述方案的改进，其特征在于：还包括第一负温度系数的热敏电阻和第二负温度系数的热敏电阻，第一负温度系数的热敏电阻与第一直流开关先串联后再在其两端并联由第一电阻和第一电容组成的串联电路，第二负温度系数的热敏电阻与第二直流开关先串联后再在其两端并联由第二电阻和第二电容组成的串联电路。

作为上述改进方案的等同替换，其特征在于：还包括第一负温度系数的热敏电阻和第二负温度系数的热敏电阻，第一负温度系数的热敏电阻与第一直流开关先串联后再在其两端并联第一电容，第二负温度系数的热敏电阻与第二直流开关先串联后再在其两端并联第二电容。

作为上述方案的改进，其特征在于：在第一二极管和第二二极管两端并联同步整流管。

本实用新型较现有的有损吸收方案提出了一种全新的技术构思：采用双直流开关和双续流二极管交叉连接的方式，利用负载电感线圈中的电流不能突变，通过续流二极管为该电流的继续流动寻找新的路径，该路径实现了负载电感线圈中储存的能量被回馈到直流输入端，从而实现能量的无损回收。

本申请相对于现有技术有如下突出的有益效果：

(1)第一直流开关和/或第二直流开关断开时，第一二极管和第二二极管为负载中电感线圈的继续流动提供了续流路径，使得第一直流开关和/或第二直流开关上产生的电弧很小，开关的触头不需要采用贵金属材料；

(2)第一二极管和第二二极管被直流输入电压钳位，需要承受的电压应力较现有技术小；

(3)第一二极管和第二二极管形成的续流路径实现了能量被回馈到直流线路中，实现了负载中电感线圈储存的能量在开关断开时被无损回收，使得装置更加节能，尤其是接触器频繁动作时节能效果更加明显；

(4)装置电路极其简单，实施非常容易，且体积小、成本低廉，且越是在电压高、电流大的恶劣场合本实用新型的优势将更加明显。

附图说明

图1现有的电力系统简化模型；

图2现有RC吸收法灭弧电路原理图；

图3第一实施例原理图；

图4-1为图1电路发生短路故障时直流开关两端的仿真电压、电流波形；

图4-2为图2电路发生短路故障时直流开关两端的仿真电压、电流波形；

图4-3为图3电路发生短路故障时直流开关两端的仿真电压、电流波形；

图5第二实施例原理图；

图6第三实施例原理图；

图7第四实施例原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

第一实施例

图3所示为本实用新型第一实施例原理图，该实施例适用于大功率的直流开关灭弧装置包括：直流开关J1、直流开关J2、二极管D1和二极管D2；直流开关J1连接于直流输入正Vin+和直流输出正Vout+之间，直流开关J2连接于直流输入负Vin-和直流输出负Vout-之间；二极管D1的阳极连接直流开关J2和直流输出负Vout-的连接点，二极管D1的阴极连接直流输入正Vin+；二极管D2的阳极连接直流输入负Vin-，二极管D2的阴极连接直流开关J1和直流输出正Vout+的连接点。

当直流电路正常工作时，直流开关J1和直流开关J2均闭合，二极管D1和二极管D2因反偏而截止，电路中的电流流向为：直流输入正Vin+→直流开关J1左端→直流开关J1 右端→直流输出正Vout+→负载L→直流输出负Vout-→直流开关J2右端→直流开关J2左端→直流输入负Vin-。

为说明本实施例的有益效果，实用新型人针对图1-3进行了仿真对比，仿真参数为：输入电压1kV、负载L的电感1H、开关关断时刻电流100A、开关关断电阻10MΩ、开关关断过程时间3ms、电阻R阻值1kΩ、电容C容值1uF。

图4-1至图4-3分别为图1-3电路发生短路故障时直流开关两端的仿真电压、电流波形，其中V1为图1直流开关J两端的电压波形、V2为图2直流开关J两端的电压波形、V3为图3直流开关J1两端的电压波形、I1为图1直流开关J中的电流波形、I2为图2直流开关 J中的电流波形、I3为图3直流开关J1中的电流波形。

对本申请图4-3的电压波形V3和电流波形I3进行的分析如下：

从图4-3可知，0ms为直流电路发生短路故障时刻，记为t0；0.9ms直流开关J1两端电压开始上升，为本实施例(即图3)直流开关J1关断时刻，记为t1；1.3ms直流开关J1两端电压升至直流输出正，直流开关J1中的电流开始下降，为本实施例(即图3)二极管D2开启时刻，记为t2。

t1时刻起，直流输出正Vout+开始降低，即二极管D2阴极电压开始降低，到t2时刻，二极管D2阴极电压低于其阳极电压(即直流输入负Vin-的电压)，二极管D2导通，二极管 D1正偏，二极管D1导通，形成续流回路：二极管D2阳极→二极管D2阴极→直流输出正 Vout+→负载L→直流输出负Vout-→二极管D1阳极→二极管D1阴极。由于二极管D1阴极连接直流输入正Vin+、二极管D2阳极连接直流输入负Vin-，因此续流回路中负载L中电感线圈储存的能量被回馈至了直流输入端，从而实现能量的无损回收，使得装置更加节能。

需要说明的是，波形V3和I3针对的是直流开关J1和直流开关J2同时分断的情况，对于直流开关J1和直流开关J2在不同时刻关断，如假设直流开关J1先关断，二极管D2会先导通，形成二极管D2阳极→二极管D2阴极→直流输出正Vout+→负载L→直流输出负Vout-→二极管D2阳极的续流路径，在此期间负载L中电感线圈储存的能量被线路电阻消耗而逐渐衰减，当直流开关J2随后也关断后，二极管D1将正偏，最终也会形成上述能量的无损回收的续流回路；如果只有直流开关J1关断，直流开关J2未关断，此种情况下只能形成上述有损续流回路，直至负载L中电感线圈储存的能量被线路电阻消耗而逐渐衰减至0。

图1、图2及图3开关J断开时的波形V1和I2与图3对比如下：

从上表可知，图1中的直流开关没有采取灭弧措施时电弧电压高达430KV，为直流输入Vin的430倍，拉弧时长为2ms；图2中的直流开关采取RC吸收灭弧法后，电弧电压还有90KV，为直流输入Vin的90倍，拉弧时长仍为2ms；图3采用本实施例的灭弧装置后，电弧电压被钳位为Vin，开关两端电流降为0所需的时间为1.7ms，该时间也有所减少，因此，本实施例可以实现实用新型目的。

需要说明的是，现有二极管耐压最高的可以达到几千伏，对于更高电压场合，为分担第一二极管和第二二极管两端的电压应力，第一二极管和第二二极管可以设计为由多个二极管串联组成，串联时要注意极性，需要一正一负相连接，这对于本领域的人员为公知技术。

从波形V3和I3可知，当直流电路发生短路故障时，经过一定的延时(t1-t0)后，直流开关J1才关断，在t1到t2时刻，由于此时二极管D2还未导通，负载L中电感线圈的电流不能突变，因此直流开关J1中的电流维持不变，直流开关J1中的电压急剧增加，导致直流开关J1瞬时功率很大，该电路为对称电路同理J2瞬时功率也很大，容易损坏直流开关J1和直流开关J2，因此，此本实用新型将会产生进一步改进的技术方案，详见第二实施例。

第二实施例

图5为本实用新型第二实施例原理图，较图1不同之处在于：直流开关J1两端并联有由电阻R1和电容C1组成的串联电路，直流开关J2两端并联有由电阻R2和电容C2组成的串联电路。

需要说明的是，电阻R1和电容C1的位置可以交换，电阻R2和电容C2的位置也可以交换，对于RC串联器件交换位置后是等效的，这对于本领域的技术人员而言是公知常识。

在t1到t2时，直流开关J1中的电流经过电阻R1和电容C1组成的RC缓冲支路获得分流，减轻了直流开关J1的负担，抑制了du/dt和过电压，当t2时刻二极管D2导通后， RC缓冲支路的电流迅速转移到二极管D2和D1组成的吸收回路，从而保护了直流开关J1 不被过电压损坏，同理直流开关J2也获得保护。

当直流输入电压高达几千至上万V、直流输入电流高达几千至上万A时，二极管D1和D2两端将会承受非常高的电压应力与电流应力，将容易损坏二极管D1和D2，因此本实用新型将会产生进一步改进的技术方案，详见第三实施例。

需要说明的是，去掉两路RC缓冲支路中的电阻R1和R2，同样可以实现本实施例的实用新型目的，申请人通过电路仿真发现去掉电阻R1和R2，电流下降过程的电压变小，电弧强度减小，实施效果甚至更为理想。

第三实施例

图6为本实用新型第三实施例原理图，较图5不同之处在于：二极管D1的两端并联有电容C3，二极管D2的两端并联有电容C4。

在t1到t2时，电容C3和电容C4中会形成充电电流，加速吸收直流开关J1和J2中的电流，使得直流开关J1和J2中的电流减小、电弧强度降低，进一步抑制了du/dt和过电压，使得二极管D1和D2的反向电压不至于过大而被击穿损坏；当t2时刻二极管D2和D1导通形成吸收回路后，电容C3和电容C4开始放电。

本实施例在开关导通的过程中存在一定的问题：直流开关J1从断开变成导通时，电容 C4通过直流开关J1直接与直流输入正和直流输入负连接进行充电，电容C1通过直流开关 J1放电，由于直流开关J1导通电阻较小，因此会产生很大的冲击电流，直流开关J1存在损坏的风险，由于电路是对称的，直流开关J2也存在着同样的损坏风险，因此本实用新型将会产生进一步改进的技术方案，详见第四实施例。

第四实施例

图7为本实用新型第四实施例原理图，较图6不同之处在于：直流开关J1的右端和二极管D2的阴极之间串联有负温度系数的热敏电阻NTC1，直流开关J2的右端和二极管D1的阳极之间串联有负温度系数的热敏电阻NTC2。

需要说明的是，直流开关J1和热敏电阻NTC1的位置可以交换，即电阻R1与直流输入正Vin+的连接点和直流开关J1的左端之间串联有负温度系数的热敏电阻NTC1；同样地，直流开关J2和热敏电阻NTC2的位置也可以交换，即电阻R2与直流输入负Vin-的连接点和直流开关J2的左端之间串联有负温度系数的热敏电阻NTC2，对于串联器件交换位置后是等效的，这对于本领域的技术人员而言是公知常识。

在直流开关J1从断开变成导通时，由于热敏电阻NTC1温度较低，电阻较大，限制了电容C4的充电电流以及电容C1的放电电流，限制了冲击电流的大小，保护了直流开关J1，正常工作后，由于热敏电阻NTC1发热，电阻下降，不影响负载的正常工作，同理直流开关J2也被获得保护。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本实用新型的限制，本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，如在第一二极管和第二二极管两端并联同步整流管解决二极管压降大及承受电流小的问题，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种适用于大功率的直流开关灭弧装置，其特征在于：包括第一直流开关、第二直流开关、第一二极管和第二二极管；第一直流开关连接于直流输入正和直流输出正之间，第二直流开关连接于直流输入负和直流输出负之间；第一二极管的阳极连接第二直流开关和直流输出负的连接点，第一二极管的阴极连接直流输入正；第二二极管的阳极连接直流输入负，第二二极管的阴极连接第一直流开关和直流输出正的连接点。

2.根据权利要求1所述的适用于大功率的直流开关灭弧装置，其特征在于：第一二极管和第二二极管为多个二极管串联组成。

3.根据权利要求1所述的适用于大功率的直流开关灭弧装置，其特征在于：第一直流开关两端并联有由第一电阻和第一电容组成的串联电路；第二直流开关两端并联有由第二电阻和第二电容组成的串联电路。

4.根据权利要求3所述的适用于大功率的直流开关灭弧装置，其特征在于：第一二极管的阳极和第一二极管的阴极之间并联有第三电容，第二二极管的阳极和第二二极管的阴极之间并联有第四电容。

5.根据权利要求4所述的适用于大功率的直流开关灭弧装置，其特征在于：还包括第一负温度系数的热敏电阻和第二负温度系数的热敏电阻，第一负温度系数的热敏电阻与第一直流开关先串联后再在其两端并联由第一电阻和第一电容组成的串联电路，第二负温度系数的热敏电阻与第二直流开关先串联后再在其两端并联由第二电阻和第二电容组成的串联电路。

6.根据权利要求1所述的适用于大功率的直流开关灭弧装置，其特征在于：第一直流开关两端并联有第一电容，第二直流开关两端并联有第二电容。

7.根据权利要求6所述的适用于大功率的直流开关灭弧装置，其特征在于：第一二极管的阳极和第一二极管的阴极之间并联有第三电容，第二二极管的阳极和第二二极管的阴极之间并联有第四电容。

8.根据权利要求7所述的适用于大功率的直流开关灭弧装置，其特征在于：还包括第一负温度系数的热敏电阻和第二负温度系数的热敏电阻，第一负温度系数的热敏电阻与第一直流开关先串联后再在其两端并联第一电容，第二负温度系数的热敏电阻与第二直流开关先串联后再在其两端并联第二电容。

9.根据权利要求1所述的适用于大功率的直流开关灭弧装置，其特征在于：在第一二极管和第二二极管两端并联同步整流管。