CN217522579U - 一种低压直流混合式固态断路器设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低压直流混合式固态断路器设备，包括：主电流支路，用于当故障电流产生时，自动断开动静触头，实现电路保护；换流支路，用于根据驱动模块输出的脉冲信号实现导通，并在故障电流全部转移到换流支路时，根据驱动模块输出信号实现关断；耗能支路，用于当换流支路关断时，基于电路瞬间产生的过电压实现导通，并吸收故障电流产生的剩余能量，以将故障电流清除；检测模块，用于获取线路电流，并当所述线路电流大于预设电流阈值时，输出控制信号至所述驱动模块；驱动模块，用于根据所述控制信号输出脉冲信号；供能模块，用于为检测模块和驱动模块提供电源支撑。

Description

一种低压直流混合式固态断路器设备

技术领域

本实用新型涉及低压配电技术领域，并且更具体地，涉及一种低压直流混合式固态断路器设备。

背景技术

在碳中和的背景下，国家对节能减排提出了更高的要求，因此新能源技术引起了越来越多的关注，其中光伏发电、风电、电动汽车和储能技术得到了大力发展，在电力传输过程中，直流传输相较于交流传输具有易控制、灵活分配及结构简单等优点，目前越来越多的负荷呈现直流化的趋势，典型的如路灯、电动汽车充电桩、笔记本电脑及直流冰箱空调等。与交流输电不同，直流不存在自然过零点，同时直流线路具有线路电感小、故障电流上升速度快的特点，因此开断直流故障电流更加困难，对传统的开断技术提出了更高的要求。

传统的机械断路器主要采用拉长电弧、添加灭弧栅片、磁吹灭弧和改变灭弧介质等手段来消除故障电弧，虽然通态损耗低，但是开断时间普遍较长，不利于故障电流的快速清除。随着电力电子器件的发展，有学者提出了利用电子器件代替机械断路器的想法，并研制了纯固态断路器，虽然开断时间有了明显的提升，但是在正常工作中纯固态断路器的通态损耗较大，因此限制了其发展。目前研究的热点主要是将机械式断路器与电子器件相结合，研制新型混合式断路器，该断路器具有通态损耗低和开断时间短的特点，但是仍然处于刚起步的阶段，市面上没有较为成熟的产品出现。

发明内容

本实用新型提出一种低压直流混合式固态断路器设备及故障电流清除方法，以解决如何实现故障电流快速清除的问题。

为了解决上述问题，根据本实用新型的一个方面，提供了一种低压直流混合式固态断路器设备，所述设备包括：主电流支路、换流支路、耗能支路、检测模块、驱动模块和供能模块；其中，

所述主电流支路，分别与所述环流支路和耗能支路相连接，用于当故障电流产生时，自动断开所述主电流支路中的动静触头，实现电路保护；

所述换流支路，与所述驱动电路相连接，用于根据驱动模块输出的脉冲信号实现导通，并在故障电流全部转移到换流支路时，根据驱动模块输出的信号实现关断；

所述耗能支路，与所述换流支路相连接，用于当所述换流支路关断时，基于电路瞬间产生的过电压实现导通，并吸收故障电流产生的剩余能量，以将故障电流清除；

所述检测模块，与所述驱动模块相连接，用于获取线路电流，并当所述线路电流大于预设电流阈值时，输出控制信号至所述驱动模块；

所述驱动模块，与所述换流支路相连接，用于根据所述控制信号输出所述脉冲信号；

所述供能模块，分别与所述检测模块和驱动模块相连接，用于从线路中获取电能，并为所述检测模块和驱动模块提供电源支撑。

优选地，其中所述主电流支路，包括：机械式低压断路器。

优选地，其中所述机械式低压断路器，包括：微型断路器或塑料壳断路器。

优选地，其中所述换流支路，包括：反向串联的第一绝缘栅双极型晶体管T₁和第二绝缘栅双极型晶体管T₂，所述第一绝缘栅双极型晶体管T₁反并联第一二极管D₁，所述第二绝缘栅双极型晶体管T₂反并联第二二极管D₂。

优选地，其中所述耗能支路,包括:金属氧化物压敏电阻。

优选地，其中所述检测模块，包括：依次连接的传感器、滤波器、AD转换器和CPU处理器。

优选地，其中所述检测模块，还包括：通信子模块和人机交互子模块。

本实用新型提供了一种低压直流混合式固态断路器设备，所述设备能够准确识别电路中故障电流的峰值，并根据电流峰值不同，采用不同的关断策略，关断策略简单，可以实现电路的灵活开断；在开断短路电流时，只在机械断路器燃弧后段切入换流支路，避免了绝缘栅双极型晶体管中流过较大电流，从而缓解了电力电子器件的导通压力，有助于延长电子器件的使用寿命，从而有效降低成本；主要依靠机械断路器进行电弧的开断，只在传统机械断路器的基础上增加少量的电子器件，便可以有效提高其开断容量，进一步提升低压系统运行的安全性和可靠性，电路更加简单，便于安装和模块集成，同时成本更低便于生产；断路器的电路结构具有一定的可移植性，可根据机械断路器的工作环境及额定工作条件不同，针对开断电流容量进行调整。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本实用新型的示例性实施方式：

图1为根据本实用新型实施方式的低压直流混合式固态断路器设备100的结构示意图；

图2为根据本实用新型实施方式的低压直流混合式固态断路器设备工作的流程图；

图3为根据本实用新型实施方式的低压直流混合式固态断路器设备的电路结构图；

图4为根据本实用新型实施方式的检测模块的示意图；

图5为传统的机械断路器的开断曲线示意图；

图6为故障电弧持续燃烧无法关断时电流曲线图；

图7为根据本实用新型实施方式的混合式固态断路器后成功关断的电流曲线图；

图8的(a)、(b)和(c)分别为根据本实用新型实施方式的不同情况下电流路径的示意图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本实用新型的示例性实施方式，然而，本实用新型可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本实用新型，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本实用新型的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本实用新型的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为根据本实用新型实施方式的低压直流混合式固态断路器设备100的结构示意图。如图1所示，本实用新型实施方式提供的低压混合式固态断路器能够实现故障电流和过电流的快速清除，对保护电力网络，降低传输损耗，减少由故障电流引起的事故从而保障人的生命财产安全，对促进低压直流电器和低压直流系统的发展具有重要意义和实用价值。本实用新型实施方式提供的低压直流混合式固态断路器设备100，包括：主电流支路101、换流支路102、耗能支路103、检测模块104、驱动模块105和供能模块106。

结合图2所示，在本实用新型中，具有选择保护功能的低压直流混合式固态断路器开断电流的过程包括：首先电路在正常工作条件下，电流通过A₁流至A₂(或从A₂流至A₁)，当电路中电流突然上升时，检测电路根据电路中电流大小进行判断，通过驱动电路控制绝缘栅双极型晶体管(I GBT)中的T1和T2，将电流先转移到绝缘栅双极型晶体管所在的换流支路，最后转移到金属氧化物压敏电阻(MOV)所在的耗能支路，将电流能量吸收，完成故障电流的清除。

优选地，所述主电流支路101，分别与所述环流支路和耗能支路相连接，用于当故障电流产生时，自动断开所述主电流支路中的动静触头，实现电路保护。

优选地，其中所述主电流支路，包括：机械式低压断路器。

优选地，其中所述机械式低压断路器，包括：微型断路器或塑料壳断路器。结合图3所示，在本实用新型中，混合式固态断路器主要由六个模块组成，分别为主电流支路、换流支路、耗能支路、检测模块、驱动模块和供能模块。

在本实用新型中，主电流支路由传统的机械式低压断路器(微型断路器、塑壳断路器等)组成，主要承担电路正常工作条件下的额定电流。主电路支路通过内部热磁脱扣装置可以实现当故障电流产生时，自动断开动静触头，从而实现电路的保护。

优选地，所述换流支路102，与所述驱动电路相连接，用于根据驱动模块输出的脉冲信号实现导通，并在故障电流全部转移到换流支路时，根据驱动模块输出信号实现关断。

优选地，其中所述换流支路，包括：反向串联的第一绝缘栅双极型晶体管T₁和第二绝缘栅双极型晶体管T₂，所述第一绝缘栅双极型晶体管T₁反并联第一二极管D₁，所述第二绝缘栅双极型晶体管T₂反并联第二二极管D₂。

结合图3所示，在本实用新型中，驱动模块能够获取线路中的线路电流，并当所述线路电流大于预设电流阈值时，输出控制信号至所述驱动模块。驱动模块则根据所述控制信号输出所述脉冲信号。驱动模块通过脉冲信号控制换流支路的导通。换流支路由两个绝缘栅双极型晶体管(T₁和T₂)反向串联组成，同时每个绝缘栅双极型晶体管都反并联一个二极管(D₁和D₂)，该连接方式可以实现故障电流的双向流通，从而实现断路器的双向关断。

例如，当故障电流从A₁端流向A₂端时，绝缘栅双极型晶体管T₁和二极管D₂导通，当故障电流从A₂端流向A₁时，则绝缘栅双极型晶体管T₂和二极管D₁导通。其中，绝缘栅双极型晶体管的额定电流需要根据故障电流进行选择，换流支路在电路正常工作条件下不导通，只有在故障电流换流时导通较小的时间，约为几百微秒。

优选地，所述耗能支路103，与所述换流支路相连接，用于当所述换流支路关断时，基于电路瞬间产生的过电压实现导通，并吸收故障电流产生的剩余能量，以将故障电流清除。

优选地，其中所述耗能支路,包括:金属氧化物压敏电阻。

结合图3所示，在本实用新型中，耗能支路由一个金属氧化物压敏电阻MOV组成。其中，耗能电路在正常情况下不导通，只有在换流支路关断时，会由于电路瞬间产生的过电压而导通。当耗能支路导通时，可以承受较大电流，同时将电压限制在一个较为稳定的数值(一般为线路电压的1.5-2.5倍)，从而吸收故障电流产生的剩余能量，将故障电流清除。

具体地，结合图2-3，以A₂侧产生故障为例，阐述该混合式固态断路器开断故障电流的过程。

电流正常情况下从A₁通过闭合的S₁流向A₂侧，当故障产生时，线路中电流逐渐增大，电流上升速率与电路故障有关。检测电路首先通过内置的传感器检测电路中故障电流的大小，当故障电流较小(负载过多导致的过电流等)，小于初始设定的阈值时，检测电路不输出信号，驱动电路不动作，随着电流流通时间延长，机械断路器S₁中热磁脱扣装置由于温度升高而动作，迫使动静触头打开，从而断开电路，清除故障电流。当故障电流上升过快，电流过大时，机械断路器S₁迅速打开，当电流峰值高于检测模块所设置阈值时，检测电路通过CPU输出信号控制驱动电路动作，在电弧电流逐渐下降至稳定期间，根据预设定的电流大小，决定换流支路的导通时刻，驱动电路输出脉冲信号，打开绝缘栅双极型晶体管T₁，电流流过绝缘栅双极型晶体管T₁和二极管D₂，换流支路导通，换流支路导通后，由于其支路的电阻较小，因此机械断路器S₁中电弧电流快速向换流支路转移，使得机械断路器S₁触头间电弧熄灭，当电流全部转移到换流支路后，驱动模块换流支路关断，此时由于电流瞬间有一个较大的变化，在换流支路两端感应出一个较大的电压，使得耗能支路中金属氧化物压敏电阻MOV导通，故障电流再次转移至耗能支路，耗能支路将电压维持在一个较为稳定的数值，电流逐渐降至零，耗能支路关断，至此，故障电流得以完全清除。

优选地，所述检测模块104，与所述驱动模块相连接，用于获取线路电流，并当所述线路电流大于预设电流阈值时，输出控制信号至所述驱动模块。

优选地，其中所述检测模块，包括：依次连接的传感器、滤波器、AD转换器和CPU处理器。

优选地，其中所述检测模块，还包括：通信子模块和人机交互子模块。

优选地，所述驱动模块105，与所述换流支路相连接，用于根据所述控制信号输出所述脉冲信号。

优选地，所述供能模块106，分别与所述检测模块和驱动模块相连接，用于从线路中获取电能，并为所述检测模块和驱动模块提供电源支撑。

在本实用新型中，检测模块主要由传感器、滤波器、AD转换器及CPU组成，主要功能为采集电路中的电流，并判断电流是否超过所设定阈值，从而控制换流支路的导通。

驱动模块主要是接受检测模块的信号，在绝缘栅双极型晶体管的栅极输出相应的脉冲信号，控制换流支路的导通。

供能模块则是从线路中获取电能，并提供给检测电路和驱动电路，从而保证检测和驱动模块的正常工作。

如图4所示，在本实用新型中，还可以在检测模块中集成人机交互的功能，可以实现故障警报等功能。

本实用新型的具有选择保护功能的低压直流混合式固态断路器，与现有技术相比，具有以下有益效果：

1)该混合式断路器可以准确识别电路中故障电流的峰值，并根据电流峰值不同，采用不同的关断策略，关断策略简单，可以实现电路的灵活开断。

2)该混合式断路器开断短路电流时，只在机械断路器燃弧后段切入换流支路，避免了绝缘栅双极型晶体管中流过较大电流，从而缓解了电力电子器件的导通压力，有助于延长电子器件的使用寿命，从而有效降低成本。

3)该混合式断路器依然主要依靠机械断路器进行电弧的开断，只在传统机械断路器的基础上增加少量的电子器件，便可以有效提高其开断容量，进一步提升低压系统运行的安全性和可靠性，电路更加简单，便于安装和模块集成，同时成本更低便于生产。

4)该混合式断路器中包含检测模块，可以实现人机交互，同时具有较好的功能延展性，可以根据需求搭载更多通信功能；

5)该混合式断路器具有供能模块，可以实现对驱动电路和检测电路的稳定供能，确保两个模块运行的可靠性，进一步保障断路器的正常工作。

6)该电路结构具有一定的可移植性，可根据机械断路器的工作环境及额定工作条件不同，针对开断电流容量进行调整。

以下结合图5-8，具体阐述本实用新型的混合式固态断路器开断故障电流的结果。

初始设置检测模块中的电流阈值，传统机械断路器的开断曲线如图5所示，当系统过载时，电流小于A点数值，依靠电流长时间产生的热效应来进行开断，当电路中产生短路等故障时，电流迅速上升，当电流大于A点时，机械触点由于电磁力的作用快速打开，打开时间“饱和”。依据传统机械断路器的开断曲线，将电流阈值设置为A点电流值，该值可根据断路器型号不同而改变。因此当电流小于阈值时，电流完全依靠机械断路器进行开断，减少了电子器件的开断次数，可以有效延长其使用寿命；当电流大于阈值时，则断路器触头立刻分离，同时产生电弧，在故障电弧燃弧后期投入电子器件来辅助电弧的熄灭，供能模块从线路中取能，来确保检测模块和驱动模块正常工作。

图6为故障电弧持续燃烧无法关断时电流曲线图，可以看出电弧最终稳定燃烧，电流持续导通，严重会导致断路器故障，甚至威胁整个直流系统的安全。图7则显示了对于同样的故障电弧，采用该混合式固态断路器后成功关断的电流曲线，具体解释如下：

在0-t₁时刻，电路产生短路故障，电流快速上升，当t₁时刻，电流足够大，因此机械断路器S₁触头开始分离，电弧产生，此时电流流通路径如图8的(a)所示，同时检测电路工作，采集到故障电流信号大于设定阈值，判断需要驱动换流支路中的电子器件动作。

在t₂时刻，电弧电流逐渐达到了峰值，在电弧电压作用下，电流开始逐渐减小。此时电流的流通路径依然如图8中的(a)所示。

在t₃时刻，主电流支路中的电流数值下降到一个较小值，在此之前检测模块一直采集故障电流信号并进行判断，判断绝缘栅双极型晶体管T₁(或T₂)是否可以承受该时刻的故障电流，当故障电流小于绝缘栅双极型晶体管最大可承受电流时，则驱动电路给绝缘栅双极型晶体管栅极一个预设定的脉冲信号，换流支路导通，此时由于换流支路的电阻较小，电流自发从主电流支路换向到换流支路，机械断路器S₁中电流逐渐下降，换流支路的电流逐渐上升，该过程持续时间与主电流支路和换流支路组成的环路中电感数值有关。当电流完成换向后，换流支路完全承受故障电流，此时电流路径如图8中的(b)所示。

在预设的绝缘栅双极型晶体管导通时间结束后，即t₄时刻，驱动电路关闭，换流支路中的电子器件关断，产生一个很大的电流变化率，同时由于线路电感的存在，会在耗能支路两端产生一个较大的电压，该电压大于金属氧化物压敏电阻(MOV)的钳位电压，因此金属氧化物压敏电阻(MOV)的电阻快速下降，耗能支路导通，电流路径如图8中的(c)所示。金属氧化物压敏电阻(MOV)将电压钳位在一个稳定数值，电流降低，逐渐吸收故障电流剩余能量，最终在t₅时刻，线路中故障电流逐渐降低为零，至此故障电流完全清除，保护了直流系统的安全。

本实用新型的混合式固态断路器可以实现针对小电流和大电流的不同关断策略，同时在关断较大故障电流时，只在电弧燃弧后期切入电子器件，从而辅助机械断路器关断较大的短路电流，该方法大大减少了电子器件的导通次数，同时减少了电子器件的使用数量，缓解了电子器件在导通电流时的压力，有助于延长电子器件的使用寿命，同时进一步降低该断路器的开发成本。

已经通过参考少量实施方式描述了本实用新型。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本实用新型以上公开的其他的实施例等同地落在本实用新型的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

在本实用新型的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种低压直流混合式固态断路器设备，其特征在于，所述设备包括：主电流支路、换流支路、耗能支路、检测模块、驱动模块和供能模块；其中，

所述主电流支路，分别与所述换流支路和耗能支路相连接，用于当故障电流产生时，自动断开所述主电流支路中的动静触头，实现电路保护；

所述换流支路，与所述驱动模块相连接，用于根据驱动模块输出脉冲信号实现导通，并在故障电流全部转移到换流支路时，根据驱动模块输出信号实现关断；

所述耗能支路，与所述换流支路相连接，用于当所述换流支路关断时，基于电路瞬间产生的过电压实现导通，并吸收故障电流产生的剩余能量，以将故障电流清除；

所述检测模块，与所述驱动模块相连接，用于获取线路电流，并当所述线路电流大于预设电流阈值时，输出控制信号至所述驱动模块；

所述驱动模块，与所述换流支路相连接，用于根据所述控制信号输出脉冲信号；

所述供能模块，分别与所述检测模块和驱动模块相连接，用于从线路中获取电能，并为所述检测模块和驱动模块提供电源支撑。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述主电流支路，包括：机械式低压断路器。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述机械式低压断路器，包括：微型断路器或塑料壳断路器。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述换流支路，包括：反向串联的第一绝缘栅双极型晶体管T₁和第二绝缘栅双极型晶体管T₂，所述第一绝缘栅双极型晶体管T₁反并联第一二极管D₁，所述第二绝缘栅双极型晶体管T₂反并联第二二极管D₂。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述耗能支路,包括:金属氧化物压敏电阻。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述检测模块，包括：依次连接的传感器、滤波器、AD转换器和CPU处理器。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述检测模块，还包括：通信子模块和人机交互子模块。

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