消除直流器件触头电弧的装置和具有该装置的直流断路器、直流接触器、直流插座的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种消除直流器件触头电弧的装置，包括动触头Mc和固定触头CC，还包括滞后分断触头J、半导体元件、电容C和充放电阻R，固定触头CC与半导体元件的输入极相连接，半导体元件的基极与电容C相连接，充放电阻R并联在半导体元件的输出极和基极之间，半导体元件的输出极与滞后分断触头J相连接。本实用新型通过增加滞后分断触头J，由它来启动半导体元件工作，并在滞后分断过程中充分利用半导体元件的关断性能，安全可靠地分断直流电，从而实现在分断过程中消除电弧之目的。该装置及其方法适用于高压或低压的直流断路器、直流接触器、直流插座，而且具有较强实用性。
【专利说明】
消除直流器件触头电弧的装置和具有该装置的直流断路器、直流接触器、直流插座
技术领域
[0001]本实用新型属于直流电路中电力器件触头灭弧技术领域，尤其涉及一种消除直流器件触头电弧的装置。
【背景技术】
[0002]现有的触头型直流断路器、直流接触器都会产生一定的电弧，既影响其使用寿命又妨碍安全，特别是直流电压较高的情况下，电弧问题更为突出，灭弧措施十分必要。混合型直流断路器因线路复杂，实际使用时有一定的难度。
【实用新型内容】
[0003]本实用新型要解决的技术问题是提供一种原理简单、科学有效、安全可靠的消除直流器件触头电弧的装置。
[0004]为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案:消除直流器件触头电弧的装置，包括动触头Mc和固定触头CC，还包括滞后分断触头J、半导体元件、电容C和充放电阻R，固定触头CC与半导体元件的输入极相连接，半导体元件的基极与电容C相连接，充放电阻R并联在半导体元件的输出极和基极之间，半导体元件的输出极与滞后分断触头J相连接。
[0005]半导体元件为三极管，也可为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或集成门极换流晶闸管(IGCT)0
[0006]具有上述消除直流器件触头电弧的装置的直流断路器，动触头Mc与滞后分断触头J通过滑动面相互连接。
[0007]具有上述消除直流器件触头电弧的装置的直流接触器，上下两组动触头的行程不一样，上下两组固定触头一端相互连接。
[0008]具有上述消除直流器件触头电弧的装置的直流插座，具有a、b、e三个固定触头，其中e与直流电源V-连接，固定触头b、e位置一致，a固定触头低于低于b固定触头。
[0009]针对目前解决直流器件触头电弧缺乏有效措施的问题，发明人设计制作了一种消除直流器件触头电弧的装置，包括动触头Mc和固定触头CC，还包括滞后分断触头J、半导体元件、电容C和充放电阻R，固定触头CC与半导体元件的输入极相连接，半导体元件的基极与电容C相连接，充放电阻R并联在半导体元件的输出极和基极之间，半导体元件的输出极与滞后分断触头J相连接。本实用新型通过增加滞后分断触头J，由它来启动半导体元件工作，并在滞后分断过程中充分利用半导体元件的关断性能，安全可靠地分断直流电，从而实现在分断过程中消除电弧之目的。该装置及其方法适用于高压或低压的直流断路器、直流接触器、直流插座，而且具有较强实用性。首先，在正常使用时，较脆弱半导体元件的输入输出极被短路，不会产生影响元件使用的热量，而且工作时间也很短;其次，由于增加的滞后分断触头，巧妙地启动并瞬时改变了半导体元件的工作状态;第三，滞后分断触头也使充放电阻R具有两个工作状态，正常工作时，充放电阻R给电容充电，断开时，充放电阻R给电容放电，简化了电路。
【附图说明】
[0010]图1动触头与固定触头及滞后分断触头均接触结构及状态示意图，图中:21转轴，22软连接。
[0011]图2动触头与固定触头及滞后分断触头均接触电路原理图。
[0012]图3是动触头与固定触头分断与滞后分断触头接触结构及状态示意图。
[0013]图4是动触头与固定触头分断与滞后分断触头接触电路原理图。
[0014]图5是直流断路器分断时结构及状态示意图。
[0015]图6是直流断路器分断时电路原理图。
[0016]图7是分断时动触头对V-的电压变化图，图中:51动触头与固定触头分断时的电压，52动触头与固定触头分断后滞后分断触头的电压变化曲线，53动触头与滞后分断触头分断时间。
[0017]图8是目前常用断路器示意图。
[0018]图9是带滞后触头断路器示意图。
[0019]图10是具有消除直流器件触头电弧的装置的直流断路器原理图，图中:71负载。
[0020]图11是普通插头插座不思图，图中:虚线框内为插座，I为插头I脚，2为插头2脚，81负载。
[0021 ]图12是直流插头插座示意图，图中:虚线框内为插座，I为插头I脚，2为插头2脚，81负载，82灭弧电路。
[0022]图13具有消除直流器件触头电弧的装置插座原理图，图中:I插头I脚，2插头2脚，91负载。
[0023]图14是普通接触器吸合状态示意图，图中:100线圈，101上动触头，102下动触头。
[0024]图15是带滞后分断触头接触器未完全吸合状态示意图，图中:100线圈，101上动触头，102下动触头。
[0025]图16是具有消除直流器件触头电弧的装置直流接触器原理图，图中:I第一组触头，2第二组触头，110线圈，111负载。
[0026]图17是IGBT替换三极管的原理图。
【具体实施方式】
[0027]一、基本原理(以半导体元件是三极管为例)
[0028]1.电路结构
[0029]如图3所示，本实用新型消除直流器件触头电弧的装置包括动触头Mc和固定触头CC，还包括滞后分断触头J、三极管Q、电容C和充放电阻R，固定触头CC与三极管Q的集电极相连接，三极管Q的基极与电容C相连接，充放电阻R并联在三极管Q的发射极和基极之间，三极管Q的发射极与滞后分断触头J相连接。与常规触头分断相比，该装置增加了三极管Q、电容C、充放电阻R及滞后分断触头J，减去了灭弧罩。
[0030]2.方法过程
[0031]使用上述装置消除直流器件触头电弧的方法，在一路分断点上，具有动触头Mc、固定触头CC和滞后分断触头J共三个触头，分断时有两个过程:首先是动触头Mc与固定触头CC分断，然后是动触头Mc与滞后分断触头J分断；当动触头Mc与固定触头CC接触时(开关处于导通状态)，半导体元件的输入输出极被短路，半导体元件不会产生影响元件使用的热量。当动触头Mc与固定触头CC分离时，但动触头Mc与滞后分断触头J仍接触时，充放电阻R由充电状态瞬间变为放电状态，半导体元件被启动并迅速由饱和导通变为截止。
[0032]如图1至7所示，具体过程如下:
[0033]〈1>当Mc与J、CC均连接时(图1)，三极管Q的集电极与发射极短路(图2)，电压V+通过电阻R向电容C充电。
[0034]〈2>动触头Mc与固定触头CC分断，但与滞后分断触头J仍接触时(图3)，三极管Q的集电极与发射极短路点断开(图4)，三极管Q的基极由于电容C的高电位而使三极管处于饱和导通状态，CC与J之间电位差是三极管的饱和压降(小于I伏)，故Mc从CC处分断不会有大的电弧。
[0035]〈3>动触头Mc与固定触头CC分断时，但与滞后分断触头J仍接触时，电阻R也不再给电容充电，而成为放电电阻，使三极管Q基极电位迅速下降，三极管Q也由饱和导通迅速变为截止，并使J点电位迅速下降至接近V-;此时动触头Mc离开滞后分断触头J不会产生电弧，从而实现了动触头Mc与固定触头CC的无电弧分断(图5和图6)。
[0036]〈4>图7中O到tl是三极管Q饱和导通维持时间，O到t2是动触头Mc从固定触头CC分断加上动触头Mc从滞后分断触头J分断的时间；通过选择电阻R和电容C的大小即可改变三极管Q导通维持时间及导通变为截止的时间。
[0037]以下各例均未给出各元件Q、R、C的具体参数，主要因O到t2时间因直流断路器、直流接触器及直流插座而不同(图7)。
[0038]二、应用实例
[0039]1、直流断路器
[0040]图8是目前常用断路器示意图。图9显示的是具有消除直流器件触头电弧的装置的直流断路器。可见，两者动触头臂不同，本实用新型直流断路器动触头Mc与滞后分断触头J通过滑动面相互连接，既能与固定触头CC良好接触，又能与滞后分断触头J接触良好。图10是具有消除直流器件触头电弧的装置的直流断路器原理图。图中Y是压敏电阻，D是续流二极管，F是熔丝，V+与V-作为输入端;V+与三极管Q的集电极及固定触头CC相连接，三极管Q的发射极与滞后分断触头J相连接，动触头Mc与V-经熔丝的另一端作为输出端与负载相连接。其中，Y的作用是吸收直流电源中尖峰和过压成分，D是防止负载产生的感应电动势损坏元件，F为防止线路短路时起保护作用，短路时由于电流大于三极管能承受的电流，故由直流熔丝保护分断。
[0041]正常分断时，动触头Mc离开固定触头CC的那一刻，但与滞后分断触头J仍接触时，三极管Q的基极由于电容C的高电位而使三极管Q处于饱和导通状态，CC与J之间电位差是三极管的饱和压降，小于I伏，故Mc从CC处分断只有小的电火花。同时，电阻R也不再给电容充电，而成为放电电阻，使三极管Q基极电位迅速下降，三极管Q也由饱和导通迅速变为截止，并使J点电位迅速下降，从而使动触头Mc离开滞后分断触头J时也不会产生电弧。
[0042]2、直流插座
[0043]图11是普通插头插座示意图。图12是具有消除直流器件触头电弧的装置(灭弧电路)的直流插座示意图，相比可见插头没有区别，可以通用。而本实用新型的直流插座多了一固定触头及灭弧电路，该插座直流电源V+上具有a、b两个固定触头，a起到固定触头CC的作用，b起到滞后分断触头J的作用，插头的某一脚充当了动触头Me。其中，要求b、e固定触头位置高度一样，这是为了防止V+上插头与b还没断开时V-上的插头先断开(即实用时插头上脚I和脚2应同时离开b、e点，否则三极管Q还没截止时引起电弧)。
[0044]安装使用时，把V+与三极管Q的集电极及插座上a相连接，三极管Q的发射极与插座上b相连接，V-与插座上e相连接。如图13所示，插入时插头I脚经过插座b插入插座a，同时插头2脚插入插座e，插入时不会拉弧;拔出时插头I脚与插座a点分离，但与插座b点仍接通，三极管是导通状态，只有很小的电火花；同时，三极管迅速由导通变为截止，当插头I脚与插座b分离时，也无电弧;这时，插头2脚也与插座e分离，实现了无弧带电拔插。
[0045]3、直流接触器
[0046]图14是普通接触器示意图，两组触头同时接触，同时分断。图15是两组动触头的行程不一样的直流接触器示意图。
[0047]图16是具有消除直流器件触头电弧的装置直流接触器原理图。虚线框内是接触器的线圈及1、2两组触头。直流接触器I组的动触头行程长于2组的动触头行程，两组动触头的行程不一致，使两组动触头与固定触头接触时间不同，分断的时间也不同。两组动触头组成本发明中的动触头Mc，两组固定触头中互相连接的触头组成本发明中的滞后分断触头J，先分断的一组没有互连的固定触头作为本发明中的固定触头CC。直流接触器吸合时I组与2组触头均接通，分断时，I组首先分断，三极管Q的基极由于电容C的高电位而使三极管处于饱和导通状态，2组与I组之间电位差是三极管的饱和压降，小于I伏，故分断时只有小的电火花；同时，电阻R也不再给电容充电，而成为放电电阻，使三极管Q基极电位迅速下降，三极管Q也由饱和导通迅速变为截止，并使2组的电位迅速下降，使2组分断时也不会产生电弧，从而消除了电弧。使用时，把V+与三极管Q的集电极及直流接触器I组的固定触头一端相连接，三极管Q的发射极与直流接触器I组的固定触头另一端及2组的固定触头一端相连接，2组固定触头另一端与V-作为输出端与负载相连接。
[0048]4、IGBT代替三极管
[0049]上述各例中三极管Q可替换为IGBT或IGCT，原理一样，但电路稍有变动。如图17所示，由于半导体器件IGBT具有栅极输入阻抗高和栅极易被击穿等特点，所以沿用原来电路将无法保证IGBT可靠工作及关断，因此增加了 Dl、D2两个二极管。
[0050]当电阻R放电时，Dl的作用是降低IGBT的GE极电位;D2起保护作用，防止栅极被击穿。当Mc与J、CC均连接时，IGBT的集电极与发射极短路，电压V+通过电阻R向电容C充电；分断时，动触头Mc离开固定触头CC的那一刻，但与滞后分断触头J仍接触时，IGBT的栅极由于电容C的高电位而使IGBT处于饱和导通状态，CC与J之间电位差是IGBT的饱和压降加Dl的压降，故Mc从CC处分断不会有大的电弧；同时，电阻R也不再给电容充电，而成为放电电阻，使IGBT的栅极电位迅速下降，IGBT也由饱和导通迅速变为截止，并使J点电位迅速下降，从而使动触头Mc离开滞后分断触头J时也不会产生电弧。
【主权项】
1.一种消除直流器件触头电弧的装置，包括动触头Mc和固定触头CC，其特征在于还包括滞后分断触头J、半导体元件、电容C和充放电阻R，固定触头CC与半导体元件的输入极相连接，半导体元件的基极与电容C相连接，充放电阻R并联在半导体元件的输出极和基极之间，半导体元件的输出极与滞后分断触头J相连接。2.根据权利要求1所述的消除直流器件触头电弧的装置，其特征在于:所述半导体元件为三极管、IGBT或IGCT。3.—种直流断路器，其特征在于具有权利要求1所述消除直流器件触头电弧的装置，且动触头Mc与滞后分断触头J通过滑动面相互连接。4.一种直流接触器，其特征在于具有权利要求1所述消除直流器件触头电弧的装置，且上下两组动触头的行程不一样，上下两组固定触头一端相互连接。5.—种直流插座，其特征在于具有权利要求1所述消除直流器件触头电弧的装置，且具有a、b、e三个固定触头，其中e与直流电源V-连接;固定触头b、e位置高度一致，a固定触头低于b固定触头。
【文档编号】H01H50/54GK205564657SQ201520880859
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2015年11月6日
【发明人】沈红, 沈易, 沈治民
【申请人】沈红