一种灭弧型低压直流断路器及其分合闸方法与流程

本发明涉及一种断路器，尤其涉及一种灭弧型低压直流断路器及其分合闸方法。

背景技术：

随着新能源控制技术以及大功率电力电子器件不断发展，直流配电网日益受到人们的关注。然而，直流系统线路阻抗低，当发生短路故障时，线路电流上升迅速，在很短的时间内上升到电网难以承受的水平。直流断路器，作为直流输电的关键设备，能够快速隔离故障，然后，传统机械式断路器虽然通态损耗低，开断能力强，但是开断时间受到振荡电路和燃弧现象的限制，很难满足某些场合的开断需求。固态断路器仅由电力电子器件组成，所以开断过程迅速，没有电弧产生，且快速的开断时间能满足所有直流开断的需求。但是，固态断路器通态损耗巨大，散热和效率限制了其实际大电流实用。混合直流断路器由机械断路器并联固态断路器组成，继承了固态断路器开断迅速与机械断路器通态损耗低的特点，成为近年来研究的热点，也是直流配电网高效可靠运行的关键装备。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种灭弧型低压直流断路器及其分合闸方法，不仅提高了断路器的运行效率和可靠性，而且有效的控制了动作时间，还实现了完整的器件保护和启动过程控制，非常适合于直流配电网领域。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

本发明提供了一种灭弧型低压直流断路器，包括机械触头k1、jfet器件j1、igbt器件t1及其反并联二级管d1、二级管d2、缓冲电容c1和c2、阻尼电阻r1和r2、氧化锌阀片z1；

所述机械触头k1的正极连接断路器的正接入点+km，机械触头k1的负极连接j1的d极，jfet器件j1的s极连接断路器的负接入点+km1；

所述氧化锌阀片z1的两端分别连接断路器的正接入点+km及负接入点+km1；

所述缓冲电容c1一端连接断路器的正接入点+km，另一端连接阻尼电阻r1的一端，在缓冲电源c1及阻尼电阻r1的连接点处形成中心点o，阻尼电阻r1的另一端连接断路器的负接入点+km1；

所述缓冲电容c2一端连接中心点o，另一端连接阻尼电阻r2的一端，阻尼电阻r2的另一端连接断路器的负接入点+km1；

所述igbt器件t1的c极连接断路器的正接入点+km，igbt器件t1的e极连接二级管d2的正极，二级管d2的负极连接断路器的负接入点+km1，二极管d1的阳极和igbtt1的发射极相连，二极管d1的阴极和igbtt1的集电极相连。

进一步地，所述jfet器件j1的门极在施加驱动负电压时为导通状态，在施加低于阈值的驱动电压时为截止状态。

进一步地，合闸状态时igbt器件t1和二级管d2中无电流。

进一步地，所述直流断路器包括机械触头k1、jfet器件j1、igbt器件t1的驱动。

进一步地，所述机械触头k1采用光继电器驱动，驱动电压为24v，通过dsp的io脚控制光继电器通断，进而控制机械触头k1。

进一步地，所述jfet器件j1采用光隔离驱动芯片驱动，驱动电压为-20-0v，当dsp的io脚输出逻辑“0”时，其驱动电路输出-20v，jfet为关断状态，当dsp的io脚输出逻辑“1”时，其驱动电路输出0v，jfet器件j1为开通状态。

进一步地，所述igbt器件t1采用光隔离驱动芯片驱动，igbt器件t1的关断包括多个驱动支路，根据dsp测量的电流大小，判断选择对应的关断驱动支路。

本发明提供了一种灭弧型低压直流断路器的分合闸方法，包括：

分闸命令下达后，先分断jfet器件j1，再分断机械触头k1；

机械触头k1分断后，igbt器件t1处于开通状态，电流通过igbt器件t1和二级管d2，直至机械触头k1完全分断；

关断igbt器件t1，此时断路器电流的一部分流过igbt器件t1，一部分流过缓冲电容c1，缓冲电容c1电压不断上升，直至igbt器件t1完全关断，缓冲电容c1电压上升至一定过冲电压后自然恢复至母线电压，断路器自然关断；

合闸命令下达后，先开通jfet器件j1，再合机械触头k1，待机械触头k1触电闭合后，缓冲电容c1通过阻尼电阻r1、jfet器件j1、机械触头k1放电，直至缓冲电容c1电压降至设定值，开通igbt器件t1完成合闸。

本发明的有益效果：

不仅提高了断路器的运行效率和可靠性，而且有效的控制了动作时间；

还实现了完整的器件保护和启动过程控制，非常适合于直流配电网领域。

附图说明

图1为根据本发明实施例提供的灭弧型低压直流断路器的电路图；

图2为根据本发明实施例提供的灭弧型低压直流断路器的驱动电路图；

图3为根据本发明实施例提供的灭弧型低压直流断路器中igbt器件t1多阶段关断模式电路图；

图4为根据本发明实施例提供的灭弧型低压直流断路器中过电流测量电路图；

图5为根据本发明实施例提供的灭弧型低压直流断路器的分合闸方法的开通动作时续图；

图6为根据本发明实施例提供的灭弧型低压直流断路器的分合闸方法的关断动作时续图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，一种灭弧型低压直流断路器，其电路包括机械触头k1、jfet器件j1、igbt器件t1及其反并联二级管d1、二级管d2、缓冲电容c1和c2、阻尼电阻r1和r2、氧化锌阀片z1；

机械触头k1的正极1连接断路器的正接入点+km，k1的负极2连接j1的d极，j1的s极连接断路器的负接入点+km1，j1的门极连接相应驱动电路；

氧化锌阀片z1的两端分别连接断路器的正负接入点+km、+km1；

缓冲电容c1一端连接断路器的正接入点+km，另外一端连接阻尼电阻r1的一端，形成中心点o，阻尼电阻r1的另一端连接断路器的负接入点+km1；缓冲电容c2一端连接中心点o，另外一端连接阻尼电阻r2的一端，阻尼电阻r2的另一端连接断路器的负接入点+km1；

t1的c极连接断路器的正接入点+km，t1的e极连接d2的正极，即连接中心点o，d2的负极连接断路器的负接入点+km1。

如图2所示，直流断路器驱动电路包含k1、j1和t1的驱动。k1采用光继电器驱动其动作线圈实现，驱动电压为24v，通过dsp的io脚控制光继电器通断，进而控制k1。j1利用专门的光隔离驱动芯片，驱动电压为-20-0v，当dsp的io脚输出逻辑“0”时，其驱动电路输出-20v，jfet为关断状态，当dsp的io脚输出逻辑“1”时，其驱动电路输出0v，jfet为开通状态。t1也利用专门的光隔离驱动芯片，t1的关断为多阶段模式，根据dsp测量的电流大小，判断选择对应的关断驱动支路，如图3所示，通常驱动电压为vee1＝-8v，vcc1＝15v的第一支路，当dsp的io脚输出逻辑“0”时，其驱动电路输出-8v，igbt为关断状态，当dsp的io脚输出逻辑“1”时，其驱动电路输出15v，igbt为开通状态。当需要关断故障电流时，根据实际dsp测量的电流大小，选择第二支路、第三支路，亦可根据实际需求选择更多的支路。上述二个支路的原理是根据vccx和veex(x＝2或3)和钳位二极管的配置不同的门极驱动电压vge，如式(1)所示，通过控制门极电压进而可控制igbt流通的电流，从而控制c1流通电流及其两端电压的上升率，即控制igbt的关断速度。

ic,sat＝α(vge-vth)²(1)

其中，ic,sat为igbt的集电极电流，α为igbt结构决定的常数，vge为加在igbt门极的电压，vth为igbt的门极阈值电压，一般也认为是常数。

由于j1的自身电阻值很小，如图4所示，可以通过电阻电容差分滤波电路后接入隔离线性光耦，隔离线性光耦输出接至调理运放电路，其输出分两路分别接入dsp的adc1和比较器脚comp1，adc1由dsp的软件按采集时序读取数据并执行计算，比较器comp1输出则实现中断加速启动，结果和dsp的计算结果组成相关的逻辑控制。

上述直流断路器的开通状态和关断状态原理如下：

j1是一种电阻值很小的常导通型器件，即当没有驱动负电压施加其门极时，其为导通状态；当低于阈值的驱动电压施加其门极时，其为截止状态。因此，正常合闸状态运行时，机械触头k1和j1形成主供电回路，k1、j1、t1均处于开通状态，因j1的电阻值很小，k1、j1构成的主供电回路导通电流且损耗较小；t1、d2的压降较k1、j1的压降大，因此t1和d2中无电流。正常断开状态时，k1、j1、t1都处于断开状态，c1承担直流母线电压。

本发明提供了一种灭弧型低压直流断路器的分合闸方法，包括：

如图5所示，合闸命令下达后，先开通j1，20us后再合k1，待k1触电闭合后，c1通过r1、j1、k1放电，10s后c1电压降至10v以下，最后开通t1，因此t1不存在过冲电流。

上述直流断路器的关断过程原理如下：

如图6所示，分闸命令下达后，首先分断j1，由于jfet为少子型器件，20us后j1中无电流，即k1和j1支路无电流，然后再分断k1，因此k1没有电弧；k1分断后，由于t1在开通状态，c1两端电压上升较小，因此j1仅承受小电压，此时电流通过t1和d2；5ms之后，k1完全分断，此后，开始关断t1，t1的门极电压采用阶段式下降模式，该模式有效控制t1的流通电流，因此此时断路器电流的一部分流过t1，一部分流过c1，c1电压不断上升，最后时刻t1完全关断，c1电压上升至一定过冲电压后自然恢复至母线电压，断路器自然关断；断路器外部电路故障，这时流过断路器的电流较大，c1电压上升至z1动作电压，z1限制过冲电压并消耗多余能量，最后c1电压恢复至母线电压，随后断路器才自然关断。

上述电路通过机械触头、jfet和igbt、电容器的组合，完整的器件保护和启动过程逻辑控制，可以实现机械触头的无弧关断，不仅提高了断路器的运行效率和可靠性，而且有效的控制了动作时间，非常适合于直流配电网、变电站直流系统、计算中心直流电源系统等领域。

以上对本发明的较佳实施进行了具体说明，当然，本发明还可以采用与上述实施方式不同的形式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下所作的等同的变换或相应的改动，都应该属于本发明的保护范围内。