[发明专利]基于预充电电容器的光伏直流断路器抑弧拓扑

说明书

本发明提出了一种预充电电容的光伏直流断路器抑弧拓扑，涉及直流断路器抑弧的技术领域。该拓扑由电压检测电路、驱动控制电路和缓冲执行电路三部分构成，通过P1‑P4并联在光伏直流断路器触头两端，使其辅助断路器完成分断电路工作。其工作原理是：通过检测断路器开断过程中断口之间电压，利用光耦模块及驱动电路使IGBT导通，由IGBT开关器件和并联电容器形成放电电路，向负载放电抬升负载两端电压，从而降低断路器断口两端电压，使其低于燃弧电压，破坏燃弧条件。其有益效果是可显著降低光伏断路器的分断燃弧时间，有利于提高光伏断路器寿命，具有较好经济技术特性。

技术领域：

本发明涉及光伏直流断路器抑弧的技术领域，是一种电容缓冲式光伏直流断路器抑弧拓扑。

背景技术：

光伏直流汇流箱中直流断路器的可靠性对光伏系统的安全性有重要影响。因直流电弧不存在过零点而较难熄灭，电弧烧蚀触头使断路器的使用寿命缩短，甚至引发火灾事故使系统可靠性降低。

高压直流断路器主要分为机械式直流断路器、固态直流断路器和混合式直流断路器。混合式直流断路器综合了机械开关耐压高和电力电子器件断流能力强动作迅速的优点，CN111146760A公开了一种混合式直流断路器包括通流支路、电子开关支路和吸能支路，需要多器件串并联，存在均压均流问题和驱动控制电路复杂的缺陷，另外需配合缓冲吸收电路保护电力电子器件。此外，采用“人工过零点法”设计的方案大多从电弧能量转移角度考虑，将故障电流转移到其他支路，目前从电弧燃弧条件方面考虑设计断路器结构的策略较少。如文献[1]提出了电容换流型直流断路器，主支路采用直流电容与二极管阀组串联的结构，辅助支路由IGBT与晶闸管阀组串联组成，提高了开断能力，降低了成本，但仍是将燃弧能量转移到缓冲电容上。

[1]赵文婷，袁召，方帅，等.一种新型电容缓冲式混合高压直流断路器的设计与仿真[J].高压电器，2015，51(11)：41-46.

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：降低触头分断电压，有效抑制燃弧时间和燃弧能量。

本发明采用的技术方案是：一种基于预充电电容的光伏直流断路器抑弧拓扑，并联在以两断点形式接入光伏直流汇流箱中光伏直流断路器触头两端，辅助断路器完成分断电路工作。该拓扑由上下两个两外接端子抑弧拓扑构成，通过P1-P4并联在光伏直流断路器触头两端，其中P1-P2端子并联于S1触头，P3-P4端子并联于S2触头；整个拓扑包含触头的电压检测电路、电容C3充放电的驱动控制电路，公共的缓冲执行电路，上下两个抑弧拓扑通过缓冲执行电路连接。电压检测电路和驱动控制电路通过光电耦合器相连接，驱动控制电路和缓冲执行电路通过IGBT管的栅极和源极相连接。

以触头S1上抑弧拓扑为例简述各部分组成：

(1)电压检测电路通过限流电阻R1串联光电耦合器T1的控制端，并联于触头S1两端，用来检测并判断开断过程中断路器触头两端电压，达到金属相燃弧电压(15-20V)后导通光电耦合器受控端，从而控制抑弧电路工作。

(2)驱动控制电路中直流电源Vcc1串联电磁继电器KM后分两条支路，电容C1，一条为限流电阻R2与驱动电容C1的串联支路，另一条支路为限流电阻R3，电源负极连接至P2；该电路通过光电耦合器T1受控端支路钳制触头S1两端电压为零，驱动电容C1获得电压以驱动缓冲执行电路中IGBT管T4开通，为抑弧电路放电回路提供通道。

(3)缓冲执行电路由电容C3，充电限流电阻R4，续流二极管T3(T3并联在R4上)和IGBT管T4组成，各元件串联连接，其中预充电电容C3、限流电阻R4和二极管T3为S1和S2触头抑弧拓扑公用元件。该电路是通过电容电压的不可突变性使断路器在分断到极限距离时，断路器两端电压低于燃弧电压，实现断路器快速灭弧。

该抑弧拓扑的工作原理为：