一种混合式断路器的制作方法

1.本实用新型属于低压电气技术领域，具体涉及一种混合式断路器。


背景技术：

2.在供电系统中，断路器作为保护器件，应用已经非常普遍。目前，大部分的直流断路器为机械式断路器，其具有可靠性高、短时过载能力强、体积小、价格便宜等许多优点。断路器灭弧方式通常有两种：一种是常规开闭，利用触头把电弧轴向拉开，同时导电回路产生磁场，使电弧弯曲拉伸，沿垂直于弧轴的方向拉长电弧，不仅使电弧长度增加，还使其产生横向运动，受到空气冷却达到灭弧效果；另一种是电弧在自身电动力或磁吹线圈的磁场影响下，被磁力拉入灭弧罩内使电弧迅速熄灭。上述灭弧方式在分断时会产生强烈的电弧，会严重地灼烧触头，从而大大降低断路器的寿命。
3.为了解决分断问题，基于半导体器件的发展，出现了以纯半导体功率器件组成的固态断路器以及由机械开关和半导体功率器件组合而成的混合式断路器。在固态断路器以及混合式断路器中，电流的分断主要依靠半导体功率器件。半导体功率器件的优点是分断速度极快，且分断过程中不会产生电弧。但是，由于半导体功率器件分断速度太快，分断过程中电路中电流变化非常剧烈，线路中的杂散电感会在半导体功率器件两端产生很高的尖峰电压，该电压会远超半导体功率器件的安全工作电压，因此需要在半导体功率器件两端增加吸能电路，以保护器件的安全。该吸能电路除了抑制吸收过电压外，还有限流并阻断断流的作用。理论上，依靠该吸能电路，可以使半导体功率器件安全地实现电流的分断。但在实际中，存在着各种各样的负载，尤其是一些含有较大感性的负载。当发生短路后，该部分感性负载中会存储很大的电能，该部分电能在半导体功率器件关断后，也要依靠吸能电路吸收，这会导致：(1)由于该部分电能会很大，可能会超出吸能电路的限压吸收能力，影响半导体功率器件的安全；(2)负载中大能量的耗散需要较长时间，会延长断路器的分断时间。


技术实现要素：

4.本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种混合式断路器，利用一个吸能电路对电流转移支路中的可控半导体功率器件在关断时产生的高电压进行抑制，利用另一个吸能电路对负载中存储的较大的能量进行自续流耗散，在提高了断路器安全性的同时还不会影响断路器的分断时间。
5.本实用新型具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
6.一种混合式断路器，包括连接于电源与负载之间的机械开关以及与该机械开关并联的电流转移支路，所述电流转移支路包含一个用于控制电流转移支路通断的可控半导体功率器件；所述混合式断路器还包括第一吸能电路和第二吸能电路；所述第一吸能电路用于抑制所述可控半导体功率器件在关断时产生的高电压；所述第二吸能电路为单向导通电路，用于吸收电源与负载断开过程中储存于负载中的能量；所述第一吸能电路的导通电压阈值大于电源的最大电压，第二吸能电路的导通电压阈值小于第一吸能电路的导通电压阈
值且两者的差值大于电源的最大电压。
7.作为其中一个优选方案，所述混合式断路器为具有一个正输入端、一个正输出端以及一个输入输出共用的负输入输出端的直流断路器；所述电流转移支路包括一个桥式电路和所述可控半导体功率器件，桥式电路的两个交流端分别连接所述混合式断路器的正输入端、正输出端，可控半导体功率器件接在桥式电路的两个直流端之间；所述第一吸能电路为与所述可控半导体功率器件并联的第一吸能器件；所述第二吸能电路为第二吸能器件，第二吸能器件的一端连接所述混合式断路器的负输入输出端，第二吸能器件的另一端连接所述桥式电路的直流负端。
8.作为其中第二个优选方案，所述混合式断路器为具有一个正输入端、一个正输出端以及一个输入输出共用的负输入输出端的直流断路器；所述电流转移支路由与所述机械开关并联的所述可控半导体功率器件构成；所述第一吸能电路为与所述可控半导体功率器件并联的第一吸能器件；所述第二吸能电路为由第二吸能器件和一个二极管串联而成的串联电路，该串联电路接在所述混合式断路器的正输出端和负输入输出端之间，所述二极管的导通方向由所述混合式断路器的负输入输出端指向所述混合式断路器的正输出端。
9.作为其中第三个优选方案，所述混合式断路器为交流断路器；所述电流转移支路包括一个桥式电路和所述可控半导体功率器件，桥式电路的两个交流端分别连接所述机械开关的两端，可控半导体功率器件接在桥式电路的两个直流端之间；所述第一吸能电路为与所述可控半导体功率器件并联的第一吸能器件；所述第二吸能电路由一个半控整流桥和第二吸能器件组成，半控整流桥的两个输入端分别连接负载的两端，第二吸能器件的两端分别连接半控整流桥的两个输出端。
10.优选地，所述第一吸能器件和/或第二吸能器件为以下吸能元件中的一个或复数个组合：压敏电阻、氧化锌阀片组成的mov、避雷器。
11.优选地，所述可控半导体功率器件为以下器件中的任意一种：igbt、晶闸管、gto。
12.相比现有技术，本实用新型具有以下有益效果：
13.本实用新型将电流转移支路中的半导体功率器件关断产生的能量耗散与负载存储的较大能量耗散分为独立的两个过程，设置两个独立的吸能电路分别处理这两个过程，由于电流转移支路中的半导体功率器件关断产生的能量相对较小，与其对应的吸能电路能在很短时间内将该部分能量吸收，实现断路器的快速分断，而负载中存储的较大的能量则通过另一吸能电路进行自续流耗散，在提高了断路器安全性的同时还不会影响断路器的分断时间。
附图说明
14.图1为本实用新型第一个实施例的电路结构原理示意图；
15.图2为本实用新型第二个实施例的电路结构原理示意图；
16.图3为本实用新型第三个实施例的电路结构原理示意图。
具体实施方式
17.针对现有技术难以有效处理感性负载所产生电能的耗散问题的不足，本实用新型的解决思路是将电流转移支路中的半导体功率器件关断产生的能量耗散与负载存储的较
大能量耗散分为独立的两个过程，设置两个独立的吸能电路分别处理这两个过程，由于电流转移支路中的半导体功率器件关断产生的能量相对较小，与其对应的吸能电路能在很短时间内将该部分能量吸收，实现断路器的快速分断，而负载中存储的较大的能量则通过另一吸能电路进行自续流耗散，在提高了断路器安全性的同时还不会影响断路器的分断时间。
18.本实用新型具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
19.一种混合式断路器，包括连接于电源与负载之间的机械开关以及与该机械开关并联的电流转移支路，所述电流转移支路包含一个用于控制电流转移支路通断的可控半导体功率器件；所述混合式断路器还包括第一吸能电路和第二吸能电路；所述第一吸能电路用于抑制所述可控半导体功率器件在关断时产生的高电压；所述第二吸能电路为单向导通电路，用于吸收电源与负载断开过程中储存于负载中的能量；所述第一吸能电路的导通电压阈值大于电源的最大电压，第二吸能电路的导通电压阈值小于第一吸能电路的导通电压阈值且两者的差值大于电源的最大电压。
20.本实用新型技术方案既适用于直流断路器，也适用于交流断路器。
21.为便于公众理解，下面通过几个具体实施例并结合附图来对本实用新型技术方案进行进一步详细说明：
22.实施例1：
23.图1为本实用新型混合式断路器实施例1的基本电路结构及原理，其为直流断路器；图中ck为机械开关的机械断口；电流传感器ct实时采样流经机械断口中的电流，记为im；s1、s2、s3和s4为二极管，采用图中连接方式构成桥式电路，用于实现双向分断；s0为igbt，连接于桥式电路的两个直流端之间，用于转移及分断主回路电流；桥式电路与igbt s0构成了电流转移支路。所述混合式断路器包括接线端d1、d2、d3和d4，其中接线端d1与所述混合式断路器的正输入端p1相连，接线端d2与所述混合式断路器的正输出端p2相连；接线端d3与吸能器件m1的一端相连，接线端d4与吸能器件m1的另一端相连，以使吸能器件m1并联于s0两端；本实施例中吸能器件m1构成了吸能电路1，用于s0关断时的过电压吸收；输入输出共用的负输入输出端p3与负载负及电源负相连；本实施例中的吸能电路2由吸能器件m2构成，其一端与接线端d4相连，另一端与负输入输出端p3相连；吸能电路2用于所述混合式断路器分断过程中感性负载存储能量的自续流耗散。吸能电路1的导通电压阈值u
1f
、吸能电路2的导通电压阈值u
2f
、电源的电压最大值u
p
(交流环境下即为电压峰值)被配置为满足以下条件：u
1f
》u
p
，u
1f
–u2f
》u
p
。
24.上述混合式断路器的具体工作原理如下：
25.1)正常工作时，ck导通，s0关断，电源经过ck向负载供电；
26.2)分断时，控制s0导通，随着机械断口ck的分离，ck中的电流转移至电流转移支路，此时电源经过s1、s0和s4向负载供电。该过程中，m1两端电压u
34
＜u
1f
，m1处于截止状态。
27.3)当主回路电流全部转移至电流转移支路后，ck间电弧熄灭，并且机械断口分离间距满足截止恢复强度条件后，控制s0关断；s0关断瞬间，d2点电位迅速降低，负载两端电压迅速升高并被m2限制在u
2f
；负载中储存的能量经由m2、s4进行自耗散。
28.4)同时，线路上杂散电感会在s0两端产生高电压，该高电压会被m1限制在u
1f
，由于u
1f
–u2f
》u
dc
，当s0两端产生的高电压快速被m1吸收后，m1立即恢复成截止状态，从而实现电
源与负载的断开。
29.5)步骤3)、步骤4)同时发生，但是当步骤4)完成时，步骤3)中能量可能仍然在自耗散，但是此时电源已经与负载实现了断开；因此，吸能电路2加快了电源与负载的分断速度。
30.实施例2：
31.图2为本实用新型混合式断路器实施例2的基本电路结构及原理，其为直流断路器；图中ck为机械开关的机械断口；电流传感器ct实时采样流经机械断口中的电流，记为im；s0为igbt，在本实施例中单独构成电流转移支路，用于转移及分断主回路电流。所述混合式断路器包括接线端d1、d2、d3和d4，其中接线端d1与所述混合式断路器的正输入端p1相连，接线端d2与所述混合式断路器的正输出端p2相连；接线端d3与吸能器件m1的一端相连，接线端d4与吸能器件m1的另一端相连，以使吸能器件m1并联于s0两端；吸能器件m1构成了吸能电路1，用于s0关断时的过电压吸收；输入输出共用的负输入输出端p3与负载负及电源负相连；本实施例中的吸能电路2由吸能器件m2与二极管s1串联构成，二极管的阴极与所述混合式断路器的正输出端p2相连，二极管的阳极与吸能器件m2的一端相连，吸能器件m2的另一端与该混合式断路器的负输入输出端p3相连。吸能电路1的导通电压阈值u
1f
、吸能电路2的导通电压阈值u
2f
、电源的电压最大值u
p
(交流环境下即为电压峰值)被配置为满足以下条件：u
1f
》u
p
，u
1f
–u2f
》u
p
。
32.上述混合式断路器的具体工作原理如下：
33.1)正常工作时，ck导通，s0关断，电源经过ck向负载供电；
34.2)分断时，控制s0导通，随着机械断口ck的分离，ck中的电流转移至电流转移支路，此时电源经过s0向负载供电；该过程中，m1两端电压u
34
＜u
1f
，m1处于截止状态。
35.3)当主回路电流全部转移至电流转移支路后，ck间电弧熄灭，并且机械断口分离间距满足截止恢复强度条件后，控制s0关断；s0关断瞬间，d2点电位迅速降低，负载两端电压迅速升高并被m2限制在u
2f
，负载中储存的能量经由m2、s1进行自耗散。
36.4)同时，线路上杂散电感会在s0两端产生高电压，该高电压会被m1限制在u
1f
；由于u
1f
–u2f
》u
dc
，当s0两端产生的高电压快速被m1吸收后，m1立即恢复成截止状态，从而实现电源与负载的断开。
37.5)步骤3)、步骤4)同时发生，但是当步骤4)完成时，步骤3)中能量可能仍然在自耗散，但是此时电源已经与负载实现了断开，因此，吸能电路2加快了电源与负载的分断速度。
38.实施例3：
39.图3为本实用新型混合式断路器实施例3的基本电路结构及原理，其为交流断路器；图中ck为机械开关的机械断口；电流传感器ct实时采样流经机械断口中的电流，记为im；s1、s2、s3和s4为二极管，采用图中连接方式构成桥式电路，用于实现双向分断；s0为igbt，连接于桥式电路的两个直流端之间，用于转移及分断主回路电流；桥式电路与igbt s0构成了电流转移支路。所述混合式断路器包括接线端d1、d2、d3和d4，其连接方式如图3所示；本实施例中吸能器件m1构成了吸能电路1，用于s0关断时的过电压吸收；本实施例中的吸能电路2由半控整流桥(t1、t2为晶闸管)与吸能器件m2构成，半控整流桥的两个输入端分别连接负载的两端，吸能器件m2的两端分别连接半控整流桥的两个输出端。吸能电路2用于所述混合式断路器分断过程中感性负载存储能量的自续流耗散。吸能电路1的导通电压阈值u
1f
、吸能电路2的导通电压阈值u
2f
、电源的电压最大值u
p
(交流环境下即为电压峰值)被配
置为满足以下条件：u
1f
》u
p
，u
1f
–u2f
》u
p
。
40.上述混合式断路器的具体工作原理如下：
41.1)正常工作时，ck导通，s0关断，电源经过ck向负载供电；
42.2)分断时，控制s0导通，随着机械断口ck的分离，ck中的电流转移至电流转移支路，此时电源经过s1、s0和s4向负载供电；该过程中，m1两端电压u
34
＜u
1f
，m1处于截止状态。
43.3)当主回路电流全部转移至电流转移支路后，ck间电弧熄灭，并且机械断口分离间距满足截止恢复强度条件后，控制s0关断，同时控制t1、t2导通；在t1、t2导通一小段时间后，再控制t1、t2关断；s0关断瞬间，d2点电位迅速降低，负载两端电压迅速升高，经由半控整流桥后被m2限制在u
2f
，负载中储存的能量经由半控整流桥、s4进行自耗散。
44.4)同时，线路上杂散电感会在半导体功率器件s0两端产生高电压，该高电压会被m1限制在u
1f
；由于u
1f
–u2f
》u
inmax
(u
inmax
是电源最大峰值电压)，当s0两端产生的高电压快速被m1吸收后，m1立即恢复成截止状态，从而实现电源与负载的断开。
45.5)步骤3)、步骤4)同时发生，但是当步骤4)完成时，步骤3)中能量可能仍然在自耗散，但是此时电源已经与负载实现了断开。因此，吸能电路2加快了电源与负载的分断速度。
46.6)当电源与负载断开后，负载中存储的能量自消耗完毕后，晶闸管t1、t2自动截止。
47.以上各实施例中，所述吸能器件m1、吸能器件m2可以采用以下吸能元件中的一个或复数个组合：压敏电阻、氧化锌阀片组成的mov、避雷器。igbt s0也可采用其他类型的可控半导体功率器件，例如晶闸管、gto。
48.采用以上各方案后，由于可控半导体功率器件s0关断产生的能量相对较小，吸能电路1能在很短时间内将该部分能量吸收，实现断路器的快速分断；而负载中存储的较大的能量则通过吸能电路2进行自续流耗散，不会影响断路器的分断时间。此外，由于吸能电路2工作的电压阈值比吸能电路1的工作电压阈值低，故可选用较低压的耗能器件，可以降低成本；同时，负载的大感性能量通过吸能电路2耗散后，可以大大减轻吸能电路1的压力，提高了电流转移支路中可控半导体功率器件的安全性。