直流软关断模块的制作方法

本发明涉及直流软关断模块，用于高压直流电系统的开关，可作为高压直流电系统的开关触头或大功率直流接触器触头，在分断电流时实现软关断以消除电弧。

背景技术：

本发明属于高压直流断路器技术领域。直流电系统线路存在着许多电容、电感元件，如电抗器、滤波装置等，输电线路上还具有分布参数电感和分布参数电容，分断大电流直流回路时会产生很大能量，以电弧形式释放出来，虽然开关触头由高熔点金属材料制成，如不采取措施，仍然会被烧蚀，损坏开关。直流电流不像交流电流那样有过零点，电弧可在电流过零点自动熄灭，所以分断直流电流时消除电弧要困难得多。

现有技术分断大电流直流回路采取的措施，一种是采用耗能方式，在短时间内吸收由于分断大电流直流回路释放的能量，例如设置灭弧栅，拉长电弧；或采用多个金属触头串联，各个金属触头分别并入电阻，依次断开；或在开关的金属触头处并联压敏电阻等等；另一种是采用强迫过零点方式，在开关的触头处并联上串联的电容、电感元件，分断大电流时产生自激振荡，人为制造电流过零点来熄灭电弧。

虽然产业界利用上述方法已开发生产出多种高压直流断路器，但其结构都较为复杂，成本高。有的产品制造工艺偏难，有的产品操作程序较烦，极需要加以改进。

技术实现要素：

本发明涉及一种直流软关断模块，用于高压直流电系统的开关，包括开关触头k1以及并联在开关触头k1的两端(1)(2)的直流软关断电路，开关触头k1的一端(1)连接一高压直流电源的阳极x1，另一端(2)连接用电负载rl的一端，负载rl的另一端连接高压直流电源的负极x2。

根据本发明的一种实施方式，所述直流软关断电路包括两条支路：

第一条支路包括串联的热敏电阻rt1和晶闸管vt11，热敏电阻rt1的一端连接开关触头k1的一端(1)，热敏电阻rt1的另一端连接晶闸管vt11的阳极，晶闸管vt11的阴极连接开关触头k1的另一端(2)；

第二条支路包括串联的电容c1和电阻r11，以及晶闸管vt21和电阻r21、r31，其中电容c1的一端连接开关触头k1的一端(1)，电容c1的另一端连接电阻r11的一端，电阻r11的另一端连接开关触头k1的另一端(2)，晶闸管vt21的阳极连接于电容c1与电阻r11的串联节点(3)，晶闸管vt21的阳极及控制极之间连接电阻r31，晶闸管vt21的阴极连接电阻r21的一端，电阻r21的另一端连接开关触头k1的另一端(2)，晶闸管vt21的阴极与电阻r21的串联节点(4)连接晶闸管vt11的控制极；

其中，晶闸管vt1的维持电流大于10ma；

其中，热敏电阻rt1选择正温度系数ptc元件。

根据本发明的另一种实施方式，其中所述直流软关断电路还包括在开关触头k1的两端(1)(2)并联一个压敏电阻rv1。

根据本发明的另一种实施方式，所述直流软关断模块包括开关触头k1，以及连接在开关触头k1的两端(1)(2)的若干个串联的如上所述的直流软关断电路。

根据本发明的另一种实施方式，所述直流软关断电路包括两条支路：

第一条支路包括串联的热敏电阻rt1和温控开关s1，热敏电阻rt1的一端连接开关触头k1的一端(1)，热敏电阻rt1的另一端连接温控开关s1的一端，温控开关s1的另一端连接开关触头k1的另一端(2)；

第二条支路包括串联的电容c1和电阻r11，电容c1的一端连接开关触头k1的一端(1)，电容c1的另一端连接电阻r11的一端，电阻r11的另一端连接开关触头k1的另一端(2)。

根据本发明的另一种实施方式，其中所述直流软关断电路还包括在开关触头k1的两端(1)(2)并联一个压敏电阻rv1。

根据本发明的另一种实施方式，所述直流软关断模块包括开关触头k1，以及连接在开关触头k1的两端(1)(2)的若干个串联的如上所述的直流软关断电路。

本发明设计的直流软关断模块，线路简单，采用的元器件成本低，制造工艺也很简单，实测灭弧迅速、有效，性能优良。

附图说明

图1是本发明直流软关断模块第一个实施例的电路图。

图2是本发明直流软关断模块第二个实施例的电路图。

图3是本发明直流软关断模块第三个实施例的电路图。

图4是本发明直流软关断模块第四个实施例的电路图。

具体实施方式

下面结合实施例来解释附图和说明本发明的发明所在。

参阅图1，本发明的直流软关断模块包括开关的金属触头k1以及并联在开关触头k1的两端(1)(2)的直流软关断电路。图1中x1、x2为高压直流电源，其中x1端为正极，x2端为负极。开关触头k1的一端(1)连接高压直流电源的阳极x1，开关触头k1的另一端(2)连接用电负载rl的一端，负载rl的另一端连接高压直流电源的负极x2，以触头k1的断开或闭合来控制负载rl的用电状况。

在开关触头k1的(1)、(2)两端并联的直流软关断电路包括三条支路：

第一条支路由热敏电阻rt1和晶闸管vt11串联组成，即热敏电阻rt1的一端连接开关触头k1的一端(1)，热敏电阻rt1的另一端连接晶闸管vt11的阳极a11，晶闸管vt11的阴极b11连接开关触头k1的另一端(2)，热敏电阻rt1选择正温度系数的ptc元件，晶闸管vt11的“维持电流”ih这一参数要选择大于10ma。

第二条支路由电容c1和电阻r11串联组成，即电容c1的一端连接开关触头k1的一端(1)，电容c1的另一端连接电阻r11的一端，电阻r11的另一端连接开关触头k1的另一端(2)，晶闸管vt21和电阻r21、r31作为晶闸管vt11的触发之用，将晶闸管vt21的阳极a21连接于电容c1与电阻r11的串联节点(3)，晶闸管vt21的控制极c21与电阻r31串联后连接节点(3)，晶闸管vt21的阴极b21连接电阻r21的一端，电阻r21的另一端连接开关触头k1的另一端(2)，晶闸管vt21的阴极与电阻r21的串联节点(4)连接晶闸管vt11的控制极c11。

晶闸管vt11、vt21是可控硅器件(siliconcontrolledrectifier,sdr)，是一种具有三个pn结的四层结构的大功率半导体器件，亦称为晶闸管。晶闸管vt11、vt21的关断条件有两个：其一，撤除控制极的触发信号，其二，流过晶闸管的电流小于它的维持电流ih.

第三支路路由单独的压敏电阻rv1组成，即压敏电阻rv1的一端连接开关触头k1的一端(1)，压敏电阻rv1的另一端连接开关触头k1的另一端(2)，压敏电阻优选氧化锌避雷器。若触头k1分断的电流不太大，直流电源的电压也不是很高，这条支路便可以省去。

实现消除电弧的原理如下：

1)当开关触头k1闭合时，负载rl得电正常运行，电容c1上的电压为零，无储电。

2)若拉闸使开关触头k1断开，断开瞬时触头两端为零电压，因为c1的电压不能突变。由于电路的过渡过程，负载rl上的大电流不会瞬间消失而是会持续一段时间。此时高压直流电源通过负载rl、电阻r11限流给电容c1充电，这也限制了开关触头k1两端电压上升速率。

3)在开关触头k1断开瞬间，电阻r11上产生一个脉冲电压，通过晶闸管vt21加在晶闸管vt11控制极上，迅速触发晶闸管vt11导通。

4)电容c1充满电后，c1上的电压可达高压直流电源的电压，电阻r11上的分压下降为零，流过vt21的电流小于它的维持电流ih21，同时它的控制极c21的电压也降为零，导致vt21关断。由于vt21的关断，使得vt11的控制极c11电压为零，撤除了vt11的控制极c11的触发信号，满足vt11的关断条件之一。

5)晶闸管vt11导通后把负载rl上的大电流引向由热敏电阻rt1和晶闸管vt11串联支路。初时热敏电阻rt1是冷态，其电阻值较低，故流过热敏电阻rt1和晶闸管vt11串联支路的电流较大，电路拉闸释放的能量被热敏电阻rt1迅速消耗。利于金属触头断开，热敏电阻rt1通电则温度上升，因ptc材料是正温度系数的，其电阻值也不断上升，流过它的电流随之不断减小，故曰“软关断”，不会产生电弧或仅产生很小的电弧，保障了金属触头的安全分断。当超过ptc材料的开关温度(亦称居里温度)时其阻值呈现阶跃性增加，理论上该阻值可达10¹⁰欧姆，实际阻值可达10⁶欧姆以上，使得流过热敏电阻rt1和晶闸管vt11串联支路的电流最终会下降到10ma以下，由于晶闸管vt11的“维持电流”ih11这一参数选择大于10ma，但流过晶闸管vt11的电流小于“维持电流”10ma这个数值，满足了晶闸管关断的第二个条件，晶闸管vt11不能维持导通而自行关断，拉闸关断也就完成了。热敏电阻rt1断电后冷却恢复原态。

6)再次合闸后，开关触头k1闭合，电容c1通过触头向电阻r11放电，电容c1上的电压下降为零，为下次拉闸作准备。

7)有了第三条压敏电阻rv1支路，可吸收在拉闸过渡过程中产生的过电压。若触头k1分断的电流不太大，例如小于20安培，直流电源的电压也不是很高，例如在2000伏以下，这条支路便可以省去。

本方案采用“非电隔离软关断”方式，电路结构简洁并能有效的熄灭开关关断时产生的电弧。

参阅图2，在第二种实施方式中，本发明的直流软关断模块包括开关触头k1以及并联在开关触头k1的两端(1)(2)的直流软关断电路。与第一个方案不同的是，它以一个温控开关s1来替代晶闸管vt11，自然不需要包括晶闸管vt21的触发电路，整个电路更为简单。

温控开关s1是一种用双金属片作为感温组件的温控器,正常工作时,双金属片处于自由状态,开关触点处于闭合或断开状态,当温度达到动作温度时,双金属片受热产生内应力而迅速动作,断开或闭合触点,切断或接通电路,从而起到控温作用。当冷却到复位温度时，触点又自动或者手动闭合或断开，恢复正常工作状态。

温控开关品种多样,开关触点有常闭式的(低于动作温度时，开关触点处于闭合状态，达到动作温度后，开关触点处于断开状态，)和常开式的(低于动作温度时，开关触点处于断开状态。达到动作温度后，开关触点处于闭合状态)；有自动复位型的(冷却到复位温度时开关触点状态自行恢复)和手动复位型的(冷却到复位温度时开关触点状态要靠手动恢复)。由于制造工艺技术进步，温控开关的动作温度可由客户选定，动作温度精度比较高，最好的绝对误差可达±2℃，一般的可达±5℃，均满足本方案设计要求。本方案设计选择开关触点常闭式兼手动复位型的品种。

如前所述的直流软关断模块用于高压直流电源，其中x1端为正极，x2端为负极。在开关触头k1的(1)、(2)两端并联的直流软关断电路包括三条支路：

第一条支路由热敏电阻rt1和温控开关s1串联组成，即热敏电阻rt1的一端连接开关触头k1的一端(1)，热敏电阻rt1的另一端连接温控开关s1的一端，温控开关s1的另一端连接开关触头k1的另一端(2)。

第二条支路由电容c1和电阻r11串联组成，即电容c1的一端连接开关触头k1的一端(1)，电容c1的另一端连接电阻r11的一端，电阻r11的另一端连接开关触头k1的另一端(2)，该支路作吸收回路，使得开关触头k1基本上在零电压状态断开。

第三支路路由单独的压敏电阻rv1组成，即压敏电阻rv1的一端连接开关触头k1的一端(1)，压敏电阻rv1的另一端连接开关触头k1的另一端(2)，压敏电阻优选氧化锌避雷器。同样，若触头k1分断的电流不太大，直流电源的电压也不是很高，这条支路便可以省去。

实现消除电弧的原理与前述第一个方案类似，简述如下：拉闸后，由于温控开关s1初始状态是闭合的，把负载rl上的大电流引向由热敏电阻rt1和温控开关s1串联支路。热敏电阻rt1通电则温度上升，其散发的热量加热温控开关s1，达到温控开关的动作温度后，温控开关s1的开关触点由闭合状态变为断开状态，该支路完全断电，拉闸也就完成了。断电后热敏电阻rt1和温控开关s1温度下降，热敏电阻rt1恢复低电阻状态，温控开关s1则待开关合闸时的机械拨动装置赋力恢复，为下次拉闸作准备。

本方案采用“电隔离软关断”方式，电路结构简洁并能有效的熄灭开关关断时产生的电弧。

综上所述，本发明直流软关断模块上述两种实施方式的共同特征是：开关的金属触头上并联若干支路，金属触头与各并联支路作为一个整体成为直流软关断模块。

1、在第一个实施方案中：开关触头k1上并联三条支路，第一条支路由热敏电阻rt1和晶闸管vt11串联组成；第二条支路由电容c1和电阻r11串联组成，再将晶闸管vt21和电阻r21、r31组成支路，与电阻r11相并联，把晶闸管vt21和电阻r21串联节点与晶闸管vt11的控制极连接起来；第三条支路由单独的压敏电阻rv1组成。

具体电路连接的方式是：热敏电阻rt1的一端连接开关触头k1的一端(1)，热敏电阻rt1的另一端连接晶闸管vt11的阳极，晶闸管vt11的阴极连接开关触头k1的另一端(2)。电容c1的一端连接开关触头k1的一端(1)，电容c1的另一端连接电阻r11的一端，电阻r11的另一端连接开关触头k1的另一端(2)，将晶闸管vt21的阳极连接于电容c1与电阻r11的串联节点(3)，晶闸管vt21的阳极及控制极之间连接电阻r31，晶闸管vt21的阴极连接电阻r21的一端，电阻r21的另一端连接开关触头k1的另一端(2)，晶闸管vt21的阴极与电阻r21的串联节点(4)连接晶闸管vt11的控制极；压敏电阻rv1的一端连接开关触头k1的一端(1)，压敏电阻rv1的另一端连接开关触头k1的另一端(2)。

若触头k1分断的电流不太大，直流电源的电压也不是很高，压敏电阻rv1可以省去。热敏电阻rt1选择正温度系数的ptc元件，晶闸管vt11的维持电流这一参数要大于10ma。

2、在第二个实施方案中：在开关的开关触头k1上并联三条支路，第一条支路由热敏电阻rt1和温控开关s1串联组成；第二条支路由电容c1和电阻r11串联组成；第三条支路由单独的压敏电阻rv1组成，当然，若触头k1分断的电流不太大，直流电源的电压也不是很高，压敏电阻rv1可以省去。

具体电路连接的方式是：热敏电阻rt1的一端连接开关触头k1的一端(1)，热敏电阻rt1的另一端连接温控开关s1的一端，温控开关s1的另一端连接开关触头k1的另一端(2)。电容c1的一端连接开关触头k1的一端(1)，电容c1的另一端连接电阻r11的一端，电阻r11的另一端连接开关触头k1的另一端(2)，压敏电阻rv1的一端连接开关触头k1的一端(1)，压敏电阻rv1的另一端连接开关触头k1的另一端(2)。

若触头k1分断的电流不太大，直流电源的电压也不是很高，压敏电阻rv1可以省去。温控开关s1选择开关触点为常闭式兼手动复位型的品种。

图3、图4所示是本发明直流软关断模块分别在第一、二个实施例的基础上延伸设计的实施例。参阅图3、图4，在本实施例中的直流软关断模块由若干直流软关断支路串联后连接在开关触头k1两端，是为了适应分断更高的电压而设置，使得k1可以工作在更高的电压回路之中。现在的元器件，例如本发明中采用的压敏电阻rv、晶闸管vt、、电容c、和电阻等，通常他们的工作电压在1000v左右，大于1000v的话难以采购并且价格很高。如果运用多个支路串联，则每个支路需要负荷的电压就会减少，采用的元器件的耐压值也就减小。例如，如果k1要分段10kv的电压，那么采用10个工作电压为1kv的直流软关断支路串联，即可适用k1的工作状况，如此类推。

本发明的直流软关断模块，线路简洁，采用的元器件成本低，制造工艺简单，实测灭弧迅速、有效，性能优良。本发明的直流软关断模块加上外壳、机械拨动装置便可制成开关产品。