CN216250612U - 一种混合式直流断路器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种混合式直流断路器，包括第一机械开关、换流回路，以及用于在得电情况下驱动换流回路工作的驱动电路；该断路器还包括：开关电源，其两个输入端与第一机械开关两端连接；延时电路，其串接于开关电源的输出端与驱动电路的输入端之间，用于将开关电源的输出延迟第一延迟时间后发送至驱动电路；与第一机械开关串联在主回路中的第二机械开关，其与第一机械开关机械联动且比第一机械开关动作滞后一段预设时间，所述预设时间小于驱动延迟时间与非临界负载电流燃弧时间的差值。本实用新型可在断路器分断时自主判断是否为临界负载电流状态，在临界负载电流状态下自主采用换流技术，有针对性的快速熄灭临界负载电流电弧。

Description

一种混合式直流断路器

技术领域

本实用新型涉及一种断路器，尤其涉及一种混合式直流断路器。

背景技术

直流塑壳断路器大多数采用空气自然灭弧，灭弧方式通常有两种：一种是常规开闭，利用触头把电弧轴向拉开，同时导电回路产生磁场，使电弧弯曲拉伸，沿垂直于弧轴的方向拉长电弧，不仅使电弧长度增加，还使其产生横向运动，受到空气冷却达到灭弧效果；另一种是电弧在自身电动力或磁吹线圈的磁场影响下，被磁力拉入灭弧罩内使电弧迅速熄灭。当电流小于一定值时（临界负载电流），在常规开闭时电弧无法熄灭，且磁吹力较小，电弧运动的推动力较弱，电弧进入不了灭弧室，灭弧室无法发挥作用，此时电弧会长时间停滞并持续燃烧，使得断开时间明显延长甚至开断失败，因此需要对临界负载电流状态开断时进行技术优化处理，使得电弧能够快速熄灭。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术所存在的临界负载电流分断过程中燃弧时间过长的不足，提供一种混合式直流断路器，可在断路器分断时自主判断是否为临界负载电流状态，在临界负载电流状态下自主采用换流技术，有针对性的快速熄灭临界负载电流电弧。

本实用新型具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种混合式直流断路器，包括串接在主回路中的第一机械开关，与第一机械开关并联的换流回路，以及用于在得电情况下驱动所述换流回路工作的驱动电路；所述混合式直流断路器还包括：

开关电源，其两个输入端与所述第一机械开关两端连接；

延时电路，其串接于开关电源的输出端与所述驱动电路的输入端之间，通过硬件实现，用于将开关电源的输出延迟预设的第一延迟时间后发送至所述驱动电路；第一延迟时间与开关电源建立时间之和为驱动延迟时间，所述驱动延迟时间大于该混合式直流断路器的非临界负载电流燃弧时间；

第二机械开关，其与第一机械开关串联于主回路中，第二机械开关与第一机械开关机械联动且比第一机械开关动作滞后一段预设时间，所述预设时间小于所述驱动延迟时间与非临界负载电流燃弧时间的差值。

进一步地，所述延时电路还用于在将开关电源的输出发送至所述驱动电路并持续第二延迟时间后，停止向所述驱动电路供电。

优选地，所述延时电路由通过光耦相连接的两个阻容放电电路构成。

相比现有技术，本实用新型技术方案具有以下有益效果：

本实用新型针对直流断路器所存在的临界负载电流灭弧难题，在现有灭弧方案基础上增加换流回路，并通过纯硬件方式实现在断路器分断时自主判断是否为临界负载电流状态，在临界负载电流状态下自主采用换流技术，有针对性的快速熄灭临界负载电流电弧；

本实用新型所使用的换流回路仅在电流较小的临界负载电流状态下使用，不需要使用大额定电流的换流器件，换流回路搭建成本较低，并且换流控制通过纯硬件电路实现，无需逻辑控制部件和复杂的控制算法。

附图说明

图1为本实用新型一个优选实施例的结构原理框图；

图2为优选实施例的延时电路与驱动电路的具体实现电路；

图3为优选实施例的工作原理示意图。

具体实施方式

针对现有直流断路器所存在的临界负载电流灭弧难题，本实用新型的解决思路是在现有灭弧方案基础上增加换流回路，并通过纯硬件方式实现在断路器分断时自主判断是否为临界负载电流状态，在临界负载电流状态下自主采用换流技术，有针对性的快速熄灭临界负载电流电弧。

现有技术中为了使得断路器满足高电压大电流直流系统的应用条件，研究者提出了一种机械式开关与电子开关混合使用的混合式直流断路器，通过在机械开关上并联具有半导体开关器件的换流回路，将故障电流从机械开关转移至换流回路，为机械开关创造人工电流过零点，使电弧易于熄灭，直流系统存储的能量则由附加的能量耗散装置消耗。现有换流技术通常应用于高压大电流直流系统，组成换流回路的半导体开关、吸能元件等通常都需要满足大额定电流的苛刻要求，并且需要使用复杂的控制算法对换流回路进行准确控制，成本极其高昂。

本实用新型的思路就是在现有低压直流断路器中采用低配版的现有换流方案来实现快速熄灭临界负载电流电弧。

具体而言，本实用新型所提出的混合式直流断路器，包括串接在主回路中的第一机械开关、第二机械开关，与第一机械开关并联的换流回路，以及用于在得电情况下驱动所述换流回路工作的驱动电路；所述混合式直流断路器还包括：

开关电源，其两个输入端与所述第一机械开关两端连接；

延时电路，其串接于开关电源的输出端与所述驱动电路的输入端之间，通过硬件实现，用于将开关电源的输出延迟预设的第一延迟时间后发送至所述驱动电路；第一延迟时间与开关电源建立时间之和为驱动延迟时间，所述驱动延迟时间大于该混合式直流断路器的非临界负载电流燃弧时间；

第二机械开关，其与第一机械开关串联于主回路中，第二机械开关与第一机械开关机械联动且比第一机械开关动作滞后一段预设时间，所述预设时间小于所述驱动延迟时间与非临界负载电流燃弧时间的差值。

进一步地，所述延时电路还用于在将开关电源的输出发送至所述驱动电路并持续第二延迟时间后，停止向所述驱动电路供电。

优选地，所述延时电路由通过光耦相连接的两个阻容放电电路构成。

为了便于公众理解，下面通过一个优选实施例并结合附图来对本实用新型的技术方案进行详细说明：

如图1所示，本实施例中的混合式直流断路器包括第一机械开关、第二机械开关、换流回路、驱动电路、开关电源、延时电路；第一机械开关与第二机械开关串联在主回路中，；换流回路与第一机械开关并联，其由半导体开关器件、吸收回路及限流器件等组成；开关电源的两个输入端与第一机械开关两端连接，用于从第一机械开关两端取电，其电源输出经延时电路延时后输送至驱动电路；所述延时电路通过硬件实现，用于将开关电源的输出延迟预设的第一延迟时间后发送至所述驱动电路，并在将开关电源的输出发送至所述驱动电路并持续第二延迟时间后，停止向所述驱动电路供电，第一延迟时间与开关电源建立时间（从第一机械开关产生电弧开始到开关电源获得最低驱动电压的时间，即从第一机械开关产生电弧开始到开关电源输出时刻的时间）之和为驱动延迟时间，所述驱动延迟时间大于该混合式直流断路器的非临界负载电流燃弧时间；两个机械开关机械联动并且第二机械开关的动作时间比第一机械开关的动作时间滞后一段预设时间tk，此预设时间tk小于驱动延迟时间与非临界负载电流燃弧时间的差值，驱动电路用于在得电情况下驱动所述换流回路工作以实现换流。

图2显示了延时电路和驱动电路的一种具体实现电路。如图2所示，本实施例中的延时电路由通过光耦相连接的两个阻容放电电路构成，两个阻容放电电路分别作为前级延时电路和后级延时电路，其中光耦之前的前级延时电路为串联的电阻R1与电容C1，后级延时电路为串联的电阻R2与电容C2。

如图2所示，本实施例中的驱动电路由驱动芯片W341搭建而成，芯片输入端连接延时电路中的后级延时电路。当输入为高电平时，输出驱动信号为换流回路中半导体开关器件的开通信号，换流回路导通并开始工作；当输入为低电平时，输出驱动信号为半导体开关器件的关断信号，换流回路停止工作。图2中，V1和V2为开关电源输出电源，V1为光耦前级电源及驱动芯片输入侧电源；V2为驱动芯片输出侧电源。

如图3所示，在t1时刻为开关电源输出时刻（开关电源达到最低驱动电压），T0~t1的时间根据开关特性可得出一个几乎固定的值（即T0~t1的值为固定已知值），此时，电源V1为电容C1充电，充电过程中光耦处于非开通状态，驱动芯片输出低电平，换流回路中半导体开关器件关断；当电容C1两端电压达到光耦二极管导通箝位电压Vd时，光耦导通，此时光耦后级V1为电容C2充电，驱动芯片发出高电平，换流回路中半导体开关器件开通。

如图3所示，第一延迟时间即C1的充电时间为t1到t2，可通过改变R1、C1值进行调节；电容C1充电时间的具体确定方式为：通过对断路器进行多次测试，确定非临界负载电流下的燃弧时间，即T0~T1时间，驱动延迟时间应大于非临界负载电流燃弧时间，即(t2-T0)>(T1-T0)。

设定C1的充电时间后，即可通过延时电路自行判定断路器是否为临界负载电流分断，具体方式为：当断路器处于非临界负载电流下分断时，第一机械开关分断产生电弧，电弧在电容C1充满电之前就已熄灭，第二机械开关在滞后第一机械开关分断的一段预设时间tk后也无电流分断，预设时间tk应小于(t2-T1)，此时第一机械开关两端无电压，开关电源失电，光耦无法开通，换流回路不切入工作；当断路器处于临界负载电流下分断时，第一机械开关分断产生电弧，而第二机械开关在滞后第一机械开关分断的一段预设时间tk后分断，并产生电弧。

情况1：若此时第二机械开关分断产生的电弧在t2时刻未熄灭，而第一机械开关处于临界负载电流下分断时产生的电弧电压持续时间远超于电容C1充电时间，开关电源持续供电，换流过程可正常进行；

光耦后级电容C2从t2时刻开始充电，充电时间为t2~t3，充电过程中驱动芯片输出电平为高电平，换流回路中半导体开关器件开通，主回路电流换至换流回路中，第一机械开关两端电弧熄灭，处于断开状态，此时换流回路与第二机械开关串联，电容C2充满电后由于其隔直效应使驱动芯片输入电源断开，驱动芯片无输出，换流回路中半导体开关器件分断，第二机械开关由于与换流回路串联，当换流回路中无电流时，第二机械开关上同样无电流流过，第二机械开关完全断开，灭弧过程结束。换流回路中半导体开关器件开通时间即为换流回路工作时间t2~t3，可通过改变R2、C2值进行调节。

如图3所示为本实施例混合式直流断路器的工作过程及原理如下：

1）0~T0时刻，系统处于正常运行过程，第一机械开关及第二机械开关闭合，开关电源电路无供电，换流回路不工作。

2）T0时刻开始，第一机械开关的动静触头开始物理分离，其触头两端产生电弧，开关电源取电弧电压作为输入电源，开始建立输出电源；若断路器此时分断的不是临界负载电流，则电弧持续时间为T0~T1，电弧电压波形为Uarc1，若断路器此时分断的是临界负载电流，则电弧持续时间为T0~T2，电弧电压波形为Uarc2。

情况2：若此时第二机械开关分断产生的电弧在t2时刻已经熄灭，则与之串联的第一机械开关同样可以实现零电流分断，换流回路不工作,则电弧电压波形在t2时刻快速下降到0（未进行图示）。

因此，不论是哪种情况，都能解决在临界负载电流下电弧不易熄灭的问题。

Claims (3)

1.一种混合式直流断路器，包括串接在主回路中的第一机械开关，与第一机械开关并联的换流回路，以及用于在得电情况下驱动所述换流回路工作的驱动电路；其特征在于，所述混合式直流断路器还包括：

开关电源，其两个输入端与所述第一机械开关两端连接；

延时电路，其串接于开关电源的输出端与所述驱动电路的输入端之间，通过硬件实现，用于将开关电源的输出延迟预设的第一延迟时间后发送至所述驱动电路；第一延迟时间与开关电源建立时间之和为驱动延迟时间，所述驱动延迟时间大于该混合式直流断路器的非临界负载电流燃弧时间；

第二机械开关，其与第一机械开关串联于主回路中，第二机械开关与第一机械开关机械联动且比第一机械开关动作滞后一段预设时间，所述预设时间小于所述驱动延迟时间与非临界负载电流燃弧时间的差值。

2.如权利要求1所述混合式直流断路器，其特征在于，所述延时电路还用于在将开关电源的输出发送至所述驱动电路并持续第二延迟时间后，停止向所述驱动电路供电。

3.如权利要求2所述混合式直流断路器，其特征在于，所述延时电路由通过光耦相连接的两个阻容放电电路构成。

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