一种灭弧型低压直流断路器制造技术

本发明专利技术公开了一种灭弧型低压直流断路器，该电路通过接触器、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，可以实现接触器的无弧关断，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。

An arc-extinguishing low-voltage DC circuit breaker

The invention discloses an arc-extinguishing low-voltage DC circuit breaker, which realizes arc-free switching of contactor through the combination of contactor, JFET, IGBT and capacitor, complete device protection and logical control of starting process. It not only improves the operation efficiency and reliability of circuit breaker, but also effectively controls the operation time, and is very suitable for DC distribution network and substation DC. Current system, DC power supply system of computing center and other fields.

【技术实现步骤摘要】
一种灭弧型低压直流断路器
本专利技术涉及一种灭弧型低压直流断路器，属于电力电子的

技术介绍
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。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种灭弧型低压直流断路器。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种灭弧型低压直流断路器，包括接触器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和相应驱动电路；接触器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，T1的门极连接驱动电路。所述J1的门极施加驱动负电压时为导通状态；施加低于阈值的驱动电压时为截止状态。合闸状态时T1和D2中无电流。所述JFET器件J1、IGBT器件T1采用HCPL-3120芯片进行驱动，接触器K1采用光继电器TLP3553驱动。本专利技术所达到的有益效果：1、本专利技术可以实现一种灭弧型直流断路器，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；2、本专利技术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；3、本专利技术采用常通型JFET作为辅助换流器器件，便于控制和保护测量；4、本专利技术主换流IGBT器件采用阶段式关断模式，并配合吸收电容，可有效控制IGBT的流通电流和发热量；5、JFET内阻皆作过电流保护测量电阻，实施简单，且成本较低。附图说明图1为本专利技术的电路图；图2为本专利技术的驱动电路图；图3为本专利技术的IGBT多阶段关断模式电路图；图4为本专利技术的过电流测量电路图；图５为本专利技术的开通动作时续图；图6为本专利技术的关断动作时续图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。如图1所示，本专利技术涉及一种灭弧型低压直流断路器，其电路包括接触器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；接触器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，T1的门极连接驱动电路。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TLP3553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HCPL-3120芯片进行驱动，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为开通状态。T1也利用HCPL-3120芯片进行驱动，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。（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，接触器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。上述直流断路器的开通过程原理如下：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电压降至较小值，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的门极本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种灭弧型低压直流断路器，其特征在于：包括接触器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；所述接触器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的门极连接驱动电路；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，另外一端连接阻尼电阻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；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；所述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， T1的门极连接驱动电路。

【技术特征摘要】
1.一种灭弧型低压直流断路器，其特征在于：包括接触器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；所述接触器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的门极连接驱动电路；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，另外一端连接阻尼电阻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；缓冲电容C2一端连接中心点O，另外一端连接阻...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘放，陈健，刘华芹，葛奔，于岫屏，张远平，
申请(专利权)人：国网江苏省电力有限公司沭阳县供电分公司，国网江苏省电力有限公司宿迁供电分公司，国网江苏省电力有限公司，国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32