CN213935993U - 一种中低压直流断路器拓扑结构 - Google Patents

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张小静
彭书礼
陈文仲
易金涛
柴伟
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Abstract

本实用新型涉及断路器技术领域，具体涉及一种中低压直流断路器拓扑结构，所述直流断路器包括主体结构，所述主体结构设有进线端和出线端，所述主体机构包括第一断路器K1、第二断路器K2以及吸能元件R，所述第二断路器K2与所述吸能元件R并联连接，且所述第二断路器K2与所述吸能元件R的并联链路的其中一端与所述第一断路器K1的一端串联，所述第一断路器K1的另一端为进线端，所述第二断路器K2与所述吸能元件的并联链路的另一端为出线端，所述进线端与外部系统的电源正极相连接，所述出线端与外部系统的电源负极相连接，所述吸能元件R为非线性阻尼电阻，本实用新型创新性实现直流系统无弧开断。

Description

一种中低压直流断路器拓扑结构
技术领域
本实用新型涉及断路器技术领域，具体涉及一种中低压直流断路器拓扑结构及其工作方法。
背景技术
近年来，随着城市轨道交通的大量建设和电力系统柔性输配电技术发展，中低压直流断路器作为重要的元器件需求越来越大。中低压直流系统在新能源发电、新能源汽车、轨道交通等国民经济和国防军工相关领域也得到了广泛应用。由于直流电流无自然过零点，相比于交流电流开断更为困难，直流开断技术成为制约直流系统发展和推广的重要瓶颈。现有轨道交通机车用直流断路器价格昂贵核心技术被国外垄断，中压直流断路器目前国内外均采用机械加电力电子混合式方法，结构复杂、控制复杂且可靠性低。
实用新型内容
针对上述问题，本实用新型提供一种中低压直流断路器拓扑结构及其工作方法，采用吸能材料的直流开断技术，将普通交流断路器与新型材料巧妙配合，解决了困扰国内多年的中低压直流开断的难题。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用了如下的技术方案：
一种中低压直流断路器拓扑结构，所述直流断路器包括主体结构，所述主体结构设有进线端和出线端，所述主体结构包括第一断路器K1、第二断路器K2 以及吸能元件R，所述第二断路器K2与所述吸能元件R并联连接，且所述第二断路器K2与所述吸能元件R的并联链路的其中一端与所述第一断路器K1的一端串联，所述第一断路器K1的另一端为进线端，所述第二断路器K2与所述吸能元件的并联链路的另一端为出线端，所述进线端与外部系统的电源正极相连接，所述出线端与外部系统的电源负极相连接，所述吸能元件R为非线性阻尼电阻。
作为优化，所述第二断路器K2的高压端与所述吸能元件R的高压端相连接形成共用节点，所述第二断路器K2的低压端与所述吸能元件R的低压端相连接形成共用节点。
作为优化，所述第一断路器K1的高压端为进线端，所述第一断路器K1的低压端与所述第二断路器K2和所述吸能元件R的并联链路的高压端相连接，所述第二断路器K2和所述吸能元件R的并联链路的低压端为出线端。
一种中低压直流断路器拓扑结构的工作方法，包括以下步骤：
S1、合闸时，先闭合第二断路器K2，再闭合第一断路器K1，第二断路器K2 的闭合时间记为T1；
S2、分闸时，先控制第二断路器K2动作，第二断路器K2在动作过程中，触头两端建立恢复电压；
S3、当恢复电压达吸能元件R的残压时，吸能元件R迅速吸收能量，吸能元件R的电阻值增大，此时，总回路的电流减小，第二断路器K2支路电流减小，而吸能元件R支路的电流增大，直到第二断路器K2支路电流减小到第二断路器 K2的截流值时，第二断路器K2断开，从第二断路器K2开始动作到断开，时长记为T2；
S4、当总回路的电流减小至第一断路器K1的截流值时，系统回路彻底切断。
作为优化，所述第二断路器K2的截流值高于第一断路器K1的截流值。
一种中低压直流断路器拓扑结构及其工作方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、采用非线性阻尼电阻实现了中低压直流系统机械式无弧开断，解决了现有轨道交通机车用直流断路器价格昂贵、核心技术被国外垄断的问题，同时，解决了中压直流断路器目前国内外均采用机械加电力电子混合式方法，结构复杂、控制复杂且可靠性低的难题；
2、基于非线性阻尼电阻，突破了原有采用灭弧栅隔离及能量转移的思路，创新性实现直流系统无弧开断；
3、采用普通单相交流断路器配合吸能材料，巧妙解决了直流开断的难题，结构简单、控制简单、可靠性高。
附图说明
图1是本实用新型所述的一种中低压直流断路器拓扑结构的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用了如下的技术方案：
一种中低压直流断路器拓扑结构，所述直流断路器包括主体结构，所述主体结构设有进线端和出线端，所述主体结构包括第一断路器K1、第二断路器K2 以及吸能元件R，所述第二断路器K2与所述吸能元件R并联连接，且所述第二断路器K2与所述吸能元件R的并联链路的其中一端与所述第一断路器K1的一端串联，所述第一断路器K1的另一端为进线端，所述第二断路器K2与所述吸能元件的并联链路的另一端为出线端，所述进线端与外部系统的电源正极相连接，所述出线端与外部系统的电源负极相连接，所述吸能元件R为非线性阻尼电阻，具有高能容、低场强、低残压特性；本实施例中，第一断路器K1可以为接触器，也可以为真空断路器，第二断路器K2可以为交流断路器，优选为交流机械式真空断路器。
本实施例中，所述第二断路器K2的高压端与所述吸能元件R的高压端相连接形成共用节点，所述第二断路器K2的低压端与所述吸能元件R的低压端相连接形成共用节点。
本实施例中，所述第一断路器K1的高压端为进线端，所述第一断路器K1 的低压端与所述第二断路器K2和所述吸能元件R的并联链路的高压端相连接，所述第二断路器K2和所述吸能元件R的并联链路的低压端为出线端。
一种中低压直流断路器拓扑结构的工作方法，包括合闸和分闸，
其中合闸时，先闭合第二断路器K2，再闭合第一断路器K1，第二断路器K2 的闭合时间记为T1，这里的闭合时间就是第二断路器K2开始动作到闭合的时间；
其中，第一断路器K1和和第二断路器K2是单相操作断路器，每一相的动作时间是可以由控制器预先整定的，先收到动作命令的断路器先动作。
分闸时，回路初始电流为I1总，此时吸能元件R的两端未达到残压，因此，吸能元件R的支路为断路，无电流，所以，经过第二断路器K2的电流为I1总，先控制第二断路器K2动作，第二断路器K2在分闸动作过程中，第二断路器K2 的触头两端建立恢复电压；当第二断路器K2的触头两端的恢复电压达吸能元件 R的残压时，由于吸能元件R是非线性阻尼电阻，当恢复电压达吸能元件R的残压时，非线性阻尼电阻材料起作用，迅速吸收能量，同时非线性阻尼电阻材料温度升高，吸能元件R的电阻值增大，此时，总回路的电流减小，记为I2总，第二断路器K2支路电流减小，记为I2，而吸能元件R支路的电流增大，记为IR，I2总＝I2+IR，直到第二断路器K2支路电流I2减小到第二断路器K2的截流值时，第二断路器K2断开，从第二断路器K2开始动作到断开，时长记为T2；此后， I2总＝IR，而随着吸能元件R的电阻值增大，整个回路的电阻值变大，I2总即IR减小，当总回路的电流减小至第一断路器K1的截流值时，系统回路彻底切断，实现系统电路直流无弧开断。
本实施例中，所述第二断路器K2的截流值高于第一断路器K1的截流值。这样，就可以使得第一断路器K1采用简单的接触器即可，也可以采用交流真空断路器，第一断路器K1和第二断路器K2的额定电压根据所用系统直流电压水平选取。
本实用新型的新颖之处在于基于能量吸收原理实现无弧开断，通过第一断路器、第二断路器以及非线性阻尼电阻的配合实现无弧开断，而传统的都是基于电磁震荡原理实现过零开断，本实用新型对开断原件的要求不高，传统方法对开断原件的要求很高，同时，本实用新型的另一个新颖之处在于吸能材料R 为非线性阻尼电阻材料，而传统的为氧化锌电阻材料。
如图1所示，为直流断路器装置的系统接线图，其中方框内的即为本实用新型的直流断路器(DBC)。K1，K2为交流真空断路器，R为吸能元件，RL为等效负载，L为回路等值电感；合闸时K2先动做，K1后动作；分闸时K2先动做， K1后动作；K1要求关合额定及短路电流，切小电流，K2建立恢复电压，促使吸能元件动作，承担部分回路能量。断路器器组成包括：进线端、出线端、单相交流真空断路器2个，吸能元件。
装置进线端接直流系统正极侧，装置出线端接直流系统负极侧，第二断路器K2与吸能元件并联，第二断路器K2与吸能元件并联后再与第一断路器K1串联。第一断路器K1低压端与第二断路器K2高压端连接，第二断路器K2高压端与吸能元件高压端连接形成共用节点，第二断路器K2低压端与吸能元件低压端连接形成共用节点。
当断路器合闸时，K2先动作，K1后动作(延时T1按K2关合时间整定)；当断路器分闸时，K2先动作，K1后动作(延时T2由系统直流电流衰减至K2的截流值的时间决定)。
上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变动。
最后应说明的是：本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等统计数的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型。

Claims (4)

1.一种中低压直流断路器拓扑结构，其特征在于，所述直流断路器包括主体结构，所述主体结构设有进线端和出线端，所述主体结构包括第一断路器K1、第二断路器K2以及吸能元件R，所述第二断路器K2与所述吸能元件R并联连接，且所述第二断路器K2与所述吸能元件R的并联链路的其中一端与所述第一断路器K1的一端串联，所述第一断路器K1的另一端为进线端，所述第二断路器K2与所述吸能元件的并联链路的另一端为出线端，所述进线端与外部系统的电源US正极相连接，所述出线端与外部系统的电源US负极相连接，所述吸能元件R为非线性阻尼电阻。
2.根据权利要求1所述的一种中低压直流断路器拓扑结构，其特征在于，所述第二断路器K2的高压端与所述吸能元件R的高压端相连接形成共用节点，所述第二断路器K2的低压端与所述吸能元件R的低压端相连接形成共用节点。
3.根据权利要求1所述的一种中低压直流断路器拓扑结构，其特征在于，所述第一断路器K1的高压端为进线端，所述第一断路K1的低压端与所述第二断路器K2和所述吸能元件R的并联链路的高压端相连接，所述第二断路器K2和所述吸能元件R的并联链路的低压端为出线端。
4.根据权利要求1所述的一种中低压直流断路器拓扑结构，其特征在于，所述第二断路器K2的截流值高于第一断路器K1的截流值。
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