CN216354042U - 直流断路器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种直流断路器，包括：用于从所保护直流电路取能的自供电电源，用于对所述直流电路的电流进行采样的电流采样电路，以及脱扣器；该直流断路器还包括自供电短路保护阈值比较电路，用于将电流采样电路输出的采样信号与预设阈值比较并在超出所述阈值时向所述脱扣器发送脱扣信号；所述自供电电源包括第一电源电路和第二电源电路，第一电源电路用于通过所述直流电路短路故障时的电流变化感应出电压并将所述感应电压转换为直流断路器的工作电源，第二电源电路用于将所述直流电路的母线电压转换为直流断路器的工作电源。相比现有技术，本实用新型能够在采用自供电方式的同时，真正实现完整的保护功能。

Description

直流断路器

技术领域

本实用新型涉及一种直流断路器。

背景技术

以光伏发电和风力发电为主的新能源领域中，大量采用直流系统，需要直流断路器来进行保护。

与交流智能低压断路器相比，直流智能低压断路器对直流电流信号的采样方式是不同的，目前常用的直流电流采样方式有霍尔传感器、分流器等，其中霍尔传感器的优点是结构简单、精度高，缺点是易受磁场影响，需要屏蔽系统、成本高，并且需要接辅助电源，根据以上优缺点，采用分流器进行直流电流信号采样成为各大厂商的优选方案，分流器的优点是结构简单、测量范围大、不受外磁场影响，但是分流器与主回路直接相连电气不隔离、输出信号弱，并且采用分流器进行直流电流采样的直流智能低压断路器也必须接辅助电源才能实现保护功能。

现有应用于直流系统的智能脱扣器之所以必须接辅助电源，是因为直流电流不能产生交变磁场，所以也就不能像交流系统中使用铁芯互感器那样产生感应电动势，使交流智能低压断路器具有自供电的优点，即用户不接专用的辅助电源，交流智能低压断路器也能提供保护功能。目前有少量直流断路器将直流系统母线电压直接接入，再通过电压转换为包括脱扣器在内的用电部件提供电能，但是当直流系统发生短路故障，特别是在断路器近端处发生短路故障时，或者在断路器合闸时，下级线路发生短路故障时，直流系统母线电压将跌落至很低从而不能为脱扣器提供电源，也就意味着脱扣器将失去保护功能。因此现有直流断路器采用接入直流母线电压的自供电方式并不能真正地实现保护功能。

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采用自供电方式的直流断路器的不足，提供一种直流断路器，能够在采用自供电方式的同时，真正实现完整的保护功能。

本实用新型具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种直流断路器，包括：用于从所保护直流电路取能的自供电电源，用于对所述直流电路的电流进行采样的电流采样电路，以及脱扣器；该直流断路器还包括自供电短路保护阈值比较电路，用于将电流采样电路输出的采样信号与预设阈值比较并在超出所述阈值时向所述脱扣器发送脱扣信号；所述自供电电源包括第一电源电路和第二电源电路，第一电源电路用于通过所述直流电路短路故障时的电流变化感应出电压并将所述感应电压转换为直流断路器的工作电源，第二电源电路用于将所述直流电路的母线电压转换为直流断路器的工作电源。

优选地，所述第一电源电路包括：

能量互感器，用于通过所述直流电路短路故障时的电流变化感应出电压；

整流电路，用于对感应出的电压信号进行整流；

储能电路，用于存储整流电路输出的电能并向直流断路器中的其它用电部件提供工作电源。

进一步优选地，所述第一电源电路还包括限压电路，用于将第一电源电路的输出电压限制在预设范围内。

进一步地，该直流断路器还包括辅助电源。

进一步地，该直流断路器还包括用于对所述直流电路的电压进行采样的电压采样电路。

优选地，所述电流采样电路包括顺次连接的分流器、电流信号调理电路、AD转换电路、数字隔离电路。

相比现有技术，本实用新型技术方案具有以下有益效果：

本实用新型在现有的接入直流母线电压的自供电方式之外，为断路器额外设置了一种自供电方式，通过短路故障时的电流变化感应出电压并将所述感应电压转换为直流断路器的工作电源，从而在直流系统出现短路故障时仍可为脱扣器提供所需电能，并通过设置自供电短路保护阈值比较电路，在直流系统出现短路故障时以硬件方式生成脱扣器的脱扣信号，从而有效防止自供电不足时智能控制器无法发出脱扣指令的问题。

附图说明

图1为本实用新型第一个实施例的原理框图；

图2为第一个实施例的电流信号调理电路与自供电短路保护阈值比较电路图；

图3为第一个实施例的光耦驱动与脱扣电路图；

图4为第一个实施例的第一电源电路；

图5为第一个实施例的第一DC/DC电路与隔离DC/DC电路图；

图6为本实用新型第二个实施例的原理框图。

具体实施方式

针对现有直流断路器采用接入直流母线电压的自供电方式并不能真正地实现保护功能的问题，本实用新型的解决思路是在现有的接入直流母线电压的自供电方式之外，为断路器额外设置了一种自供电方式，通过短路故障时的电流变化感应出电压并将所述感应电压转换为直流断路器的工作电源，从而在直流系统出现短路故障时仍可为脱扣器提供所需电能，并通过设置自供电短路保护阈值比较电路，在直流系统出现短路故障时以硬件方式生成脱扣器的脱扣信号，从而有效防止自供电不足时智能控制器无法发出脱扣指令的问题。

具体而言，本实用新型的直流断路器，包括：用于从所保护直流电路取能的自供电电源，用于对所述直流电路的电流进行采样的电流采样电路，以及脱扣器；该直流断路器还包括自供电短路保护阈值比较电路，用于将电流采样电路输出的采样信号与预设阈值比较并在超出所述阈值时向所述脱扣器发送脱扣信号；所述自供电电源包括第一电源电路和第二电源电路，第一电源电路用于通过所述直流电路短路故障时的电流变化感应出电压并将所述感应电压转换为直流断路器的工作电源，第二电源电路用于将所述直流电路的母线电压转换为直流断路器的工作电源。

优选地，所述第一电源电路包括：

能量互感器，用于通过所述直流电路短路故障时的电流变化感应出电压；

整流电路，用于对感应出的电压信号进行整流；

储能电路，用于存储整流电路输出的电能并向直流断路器中的其它用电部件提供工作电源。

为了防止第一电源电路的输出电压过高，进一步优选地，所述第一电源电路还包括限压电路，用于将第一电源电路的输出电压限制在预设范围内。

为了进一步提高系统的可靠性，该直流断路器还可以进一步包括辅助电源。

进一步地，该直流断路器还包括用于对所述直流电路的电压进行采样的电压采样电路。

优选地，所述电流采样电路包括顺次连接的分流器、电流信号调理电路、AD转换电路、数字隔离电路。

为了便于公众理解，下面通过具体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：

第一个实施例的直流断路器的原理框图如图1所示，其采用分流器对直流电流进行采样，将分流器两端压降输入电流信号调理电路，经A/D转换电路将模拟信号转换成数字信号输入数字隔离电路，使输入信号与输出信号之间进行电气隔离，经隔离的数字信号输入微处理器后由微处理器进行计算判断，当超出设定保护阈值时微处理器发出脱扣信号至脱扣电路，再由脱扣电路驱动脱扣线圈使断路器断开。

如图1所示，该直流断路器包括一个自供电电源，自供电电源包括第一电源电路、第二电源电路、自供电短路保护阈值比较电路、光耦驱动电路，电流信号调理电路对分流器两端的压降进行调理后同时输入至自供电短路保护阈值比较电路，自供电短路保护阈值比较电路与光耦驱动电路相连，当直流系统短路电流幅值超过设定阈值时，自供电短路保护阈值比较电路经光耦驱动电路输出脱扣信号至脱扣电路，由脱扣电路驱动脱扣线圈使断路器断开。

如图1所示，第一电源电路包括串在直流线路中的至少一个能量互感器，以及第一电压转换电路、第一DC/DC电路、隔离DC/DC电路，能量互感器输出的感应电压经第一电压转换电路转换为VS1输出至脱扣线圈为脱扣驱动提供电能，以及再经第一DC/DC电路、隔离DC/DC电路电压转换后供电给电流信号调理电路、A/D转换电路、数字隔离电路以及自供电短路保护阈值比较电路。本实施例中的能量互感器优选为铁芯电流互感器，当系统正常运行时直流电流不能产生交变磁场，但是当发生直流短路故障时，直流短路电流的上升斜率较大，能量互感器在短时间内会感应输出电压，并对储能部件进行充电，输出电压VS1给脱扣线圈为脱扣驱动提供电能，另外VS1又输入第一DC/DC电路产生电源VCC2，VCC2经二极管D6输入至隔离DC/DC电路，隔离DC/DC电路输出隔离的电源ISO-VCC提供给电流信号调理电路、A/D转换电路、数字隔离电路以及自供电短路保护阈值比较电路。

如图1所示，所述第二电源电路包括第二电压转换电路、第二DC/DC电路、隔离DC/DC电路，第二电源电路与直流系统高压母线相连，经第二电压转换电路输出VS2给脱扣线圈为脱扣驱动提供电能，另外VS2经二极管D8输入第二DC/DC电路产生电源VCC1，VCC1供电给微处理器和数字隔离电路，VCC1又经二极管D7输入至隔离DC/DC电路，隔离DC/DC电路输出隔离的电源ISO-VCC提供给电流信号调理电路、A/D转换电路、数字隔离电路以及自供电短路保护阈值比较电路。

本实施例的直流断路器除自供电电源之外，还包括外接辅助电源VS3，外接辅助电源VS3输入脱扣线圈为脱扣驱动提供电能，另外VS3经二极管D9输入第二DC/DC电路产生电源VCC1，VCC1供电给微处理器和数字隔离电路，VCC1又经二极管D7输入至隔离DC/DC电路，隔离DC/DC电路输出隔离的电源ISO-VCC提供给电流信号调理电路、A/D转换电路、数字隔离电路以及自供电短路保护阈值比较电路。

图2显示了电流信号调理电路与自供电短路保护阈值比较电路的一种具体实现电路图，如图2所示，连接器X1连接分流器两端，分流器上两端输出的电压信号接入信号滤波与放大电路；电阻R1并接在分流器两端，电感L1、L2，电阻R2~R5和电容C1、C2、C3一起组成共模、差模滤波电路；N1为差分运算放大器，C4、C5为去耦电容，R6为调节放大电路增益的电阻。ISO-VCC经过电阻R7~R9分压产生短路保护的动作阈值基准，并通过运放N2A、N2B产生基准电压VREF+与VREF-，再分别接入运放N2C的反向输入端和运放N2D的正向输入端。差分运算放大器N1输出信号同时接入运放N2C的正向输入端和运放N2D的反向输入端，当N1输出信号幅值大于VREF+或小于VREF-时运放N2C和运放N2D分别通过二极管D12、D13输出高电平即脱扣信号Trip-PC；N3为负电源DC/DC芯片，为运放N1、N2提供负电源ISO-VCC-。

图3为光耦驱动电路与脱扣电路的一种具体实现电路。来自自供电短路保护阈值比较电路的脱扣信号触发导通光耦N5，光耦N5输出高电平信号Trip2并通过二极管D4进一步触发导通MOS管V2，使脱扣线圈得电动作；来自微处理器的脱扣信号Trip1通过二极管D5也可以触发导通MOS管V2，使脱扣线圈得电动作。

图4为第一电源电路的一种具体实现电路，连接器X2连接能量互感器，当发生直流短路故障时，直流短路电流的上升斜率较大，能量互感器在短时间内会感应输出电压，经过二极管D16~D19整流后通过二极管D20对储能电容C17进行充电，比较器N4A、MOS管V1以及电阻R14~R21构成限压电路，即当能量互感器感应输出电压过高时通过限压电路将VS1电压限制在一定幅值以保护元器件。限压电路的基本工作原理为：VS1通过电阻R20与R21进行分压再通过电阻R18输入比较器N4A的正向输入端，VS1通过电阻R17、稳压二极管D22产生电压V1作为比较器N4A的工作电源，VS1又通过电阻R22、稳压二极管D23产生基准电压V2，并通过电阻R19输入比较器N4A的反向输入端，当N4A的正向输入端电压大于反向输入端电压时，比较器N4A输出高电平驱动MOS管V1开启，将整流后的电压拉低，限制VS1的进一步升高。

图5显示了第一DC/DC电路与隔离DC/DC电路的一种具体实现电路。来自第一电源电路的电压VS1输入DC/DC芯片N6后输出电源VCC2，电源VCC2经二极管D6进入隔离DC/DC电路P1，由隔离DC/DC电路P1输出隔离的电源ISO-VCC提供给电流信号调理电路、自保护短路保护阈值比较电路。来自第二DC/DC电路的电源VCC1经二极管D7进入隔离DC/DC电路P1后也能生成隔离电源ISO-VCC。

图6为本实用新型第二个实施例的原理框图。第二实施例是在第一实施例的基础上通过增加电压信号调理电路对直流母线电压进行采样。如图6所示，直流母线电压通过电压调理电路调理后输入AD转换电路，经A/D转换电路将模拟信号转换成数字信号输入数字隔离电路，使输入信号与输出信号之间进行电气隔离，经隔离的数字信号输入微处理器后由微处理器进行计算判断。

本实用新型采用上述技术方案，即使不接辅助电源，在发生直流短路故障并且使直流系统电压跌落无法为脱扣器提供电源时，通过能量互感器感应输出供电给脱扣器，也能提供短路保护功能，可以可靠地分断断路器。

Claims (6)

1.一种直流断路器，包括：用于从所保护直流电路取能的自供电电源，用于对所述直流电路的电流进行采样的电流采样电路，以及脱扣器；其特征在于，该直流断路器还包括自供电短路保护阈值比较电路，用于将电流采样电路输出的采样信号与预设阈值比较并在超出所述预设阈值时向所述脱扣器发送脱扣信号；所述自供电电源包括第一电源电路和第二电源电路，第一电源电路用于通过所述直流电路短路故障时的电流变化感应出电压并将所述感应出的电压转换为直流断路器的工作电源，第二电源电路用于将所述直流电路的母线电压转换为直流断路器的工作电源。

2.如权利要求1所述直流断路器，其特征在于，所述第一电源电路包括：

能量互感器，用于通过所述直流电路短路故障时的电流变化感应出电压；

整流电路，用于对感应出的电压信号进行整流；

储能电路，用于存储整流电路输出的电能并向直流断路器中的其它用电部件提供工作电源。

3.如权利要求2所述直流断路器，其特征在于，所述第一电源电路还包括限压电路，用于将第一电源电路的输出电压限制在预设范围内。

4.如权利要求1所述直流断路器，其特征在于，该直流断路器还包括辅助电源。

5.如权利要求1所述直流断路器，其特征在于，该直流断路器还包括用于对所述直流电路的电压进行采样的电压采样电路。

6.如权利要求1所述直流断路器，其特征在于，所述电流采样电路包括顺次连接的分流器、电流信号调理电路、AD转换电路、数字隔离电路。

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