[實用新型]一種適用于大功率的直流開關滅弧裝置

有效

• 申請號: 201720926611.8
• 申請日: 2017-07-28
• 公開（公告）號: CN207069572U
• 公開（公告）日: 2018-03-02
• 發明（設計）人: 尹向陽
• 申請（專利權）人: 尹向陽
• 主分類號: H02H9/02
• 分類號: H02H9/02;H02H9/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本實用新型涉及開關滅弧裝置，特別涉及適用于大功率的直流開關滅弧裝置，所述的直流開關包括機械直流斷路器、固態直流斷路器、混合直流斷路器及其它直流開關。

背景技術

現有的電力系統簡化模型如圖1所示，均是由直流輸入Vin+和Vin-、開關J、直流輸出Vout+和Vout-，以及負載L串聯組成，開關J的基本功能就是能夠在所要求的短時間內分合電路，開關在大氣中切斷通有電流的回路時，只要電源電壓大于10-20V，電流大于80-100mA，在動靜觸頭分開瞬間，觸頭間隙就會產生一團溫度極高、發出強光且能夠導電的近似圓柱形的氣體，這就是電弧，一直到電弧熄滅，觸頭間隙成為絕緣介質后，電流才被開斷。

電孤是一種氣體放電現象，它有兩個特點：一是電弧中有大量的電子、離子，因而是導電的，電孤不熄滅電路繼續導通，要電弧熄滅后電路才正式斷開；二是電弧的溫度很高，弧心溫度達4000～5000攝氏度以上，高溫電弧會燒壞設備造成嚴重事故，所以必須采取措施，迅速熄滅電弧，因此電弧燃燒和熄滅過程是開關電器研究最重要的內容。

電弧的產生主要依靠碰撞游離，電弧的維持主要依靠熱游離，物理過程簡述如下：在開關斷開過程中，由于動觸頭的運動，使動、靜觸頭間的接觸面不斷減小，電流密度就不斷增大，接觸電阻隨接觸面的減小就越來越大，因而觸頭溫度升高，產生熱電子發射。當觸頭剛分離時，由于動、靜觸頭間的間隙極小，出現的電場強度很高，在電場作用下金屬表面電子不斷從金屬表面飛逸出來，成為自由電子在觸頭間運動，這種現象稱為場致發射。熱電子發射、場致發射產生的自由電子在電場力作用下加速飛向電位高的陽極，途中不斷碰撞中性質點，將中性質點中的電子又碰撞出來，這種現象稱作碰撞游離。由于碰撞游離的連鎖反應，自由電子成倍地增加(正離子亦隨之增加)，大量的電子奔向陽極，大量的正離子向負極運動，開關觸頭間隙便成了電流的通道，觸頭間隙間介質被擊穿就形成電弧。由于電弧溫度很高，在高溫的作用下，處在高溫下的中性質點由于高溫而產生強烈不規則的熱運動，在中性質點互相碰撞時，又將被游離而形成電子和離子，這種因熱運動而引起的游離稱為熱游離，熱游離產生大量電子和離子維持觸頭間隙間電弧。

上述電力系統簡化模型中的負載L分為：阻性負載，如白熾燈、電爐、電熱水器等；感性負載，如電動機、變壓器、繼電器驅動等；容性負載，如充電器、電池、超級電容等，電力系統一般由三種負載混合組成。

對于直流電力系統，感性負載的存在增加了滅弧難度，原因在于開關斷開后電流會迅速減小，而感性負載內的電流不能突變，感性負載線圈儲存的能量由于自感效應線圈會產生一個反向的電勢阻止電流的變化，這其實是一個能量釋放過程，如果線圈開路，其兩端產生的反向電勢電壓將會為幾倍的直流輸入電壓，反向電勢電壓與直流輸入電壓疊加后，將會在開關兩端產生至少2倍直流輸入電壓的尖峰電壓，即電弧電壓，此電弧電壓較交流電力系統更難滅弧，原因在于交流電力系統存在熄滅電弧的過零點，這給直流開關的研制工作帶來了更大的挑戰，現有技術直流電力系統常采用的滅弧方法如下：

RC吸收法：就是要減小開關觸頭分開時的電壓(即電流下降過程的電壓)，關斷過程的電壓由兩方面構成，一方面是直流輸入端的電壓，另一方面是負載端的電壓，其中，直流輸入端的電壓比較固定，在負載端，由于導線電感以及用電設備電感的存在，上文已分析會產生反向電勢電壓，當電感電流都很大時，會產生很高的反向電勢電壓，增大滅弧的難度。如圖2所示為現有RC吸收法滅弧電路原理圖，該方法為在開關J兩端并聯RC串聯電路，用于吸收負載L中電感線圈產生的勵磁及直流輸入Vin輸入的能量；穩態時，電流經開關J流通；故障發生時，開關J斷開時，電流向RC支路轉移，通過RC支路給電容C充電，由于電容C兩端的電壓無法突變，開關J兩端的電壓由0開始緩慢上升，只要保障在開關J開斷瞬間電容C兩端電壓低于開關J的起弧電壓，在分斷過程中低于開關J的擊穿電壓，就能實現開關無弧分斷；負載L中電感線圈儲存的能量一部分被電阻R發熱消耗，另外一部分被電容C儲存吸收，當故障消除，開關J合閘時，電容C將進行放電，該滅弧電路雖實現了無弧分斷，加快了開關的分斷速度，但此種方案只適用于負載L中電感線圈儲存能量小的場合，當負載L中電感線圈儲存的能量較大時，要求RC的體積較大，且成本較高，對于中大功率的直流電力系統并不適用，且該方法為有損吸收，不利于系統的節能。