用于直流配电系统的含软启动和保护功能的电子开关的制作方法

本实用新型涉及智能电网领域，具体涉及一种用于直流配电系统的含软启动和保护功能的电子开关。

背景技术：

随着直流供电系统应用的普及，直流配电保护开关的需求量越来越大，当前常用的有机械式开关，如直流断路器、直流接触器等。但是在实际应用过程中，由于在直流系统中电源侧和负载侧都有较大的电容，在开关闭合瞬间，由于电容的充放电，会引起非常大的冲击电流，这一特点与交流系统不同，冲击电流峰值往往会远远超出开关元件的额定值，这样严重影响开关元件的使用寿命，造成故障率高；另外与交流系统不同，直流系统没有周期性的过零点，造成开关关断时难以灭弧，这样开关的设计复杂程度提高，造成开关价格比交流开关昂贵得多。

技术实现要素：

本实用新型是为了克服现有技术中机械式开关故障率较高和价格昂贵的技术问题，提供一种用于直流配电系统的含软启动和保护功能的电子开关，结合了接触器的可控开关功能，断路器的过流保护功能，并增加了软启动功能，以及监控和通讯功能等，能够大幅提高直流配电系统的可靠性，降低了系统的故障率，降低了系统的成本。

本实用新型提供的一种用于直流配电系统的含软启动和保护功能的电子开关，包括：

后备保护电路：一端与直流电源输出端相连，另一端与主开关电路和软启动电路相连，用于在负载过流或短路且主开关电路故障时切断故障支路；

主开关电路：两端分别与后备保护电路和电流采集电路相连且与软启动电路并联，用于接通或断开直流负载支路，并对负载的过流或短路进行保护；主开关电路包括主开关，主开关为半导体开关；

软启动电路：两端分别与后备保护电路和电流采集电路相连且与主开关电路并联，用于在主开关电路接通电路之前先行接通限制冲击电流，用于在主开关电路接通之后关断并为下次软启动做准备；软启动电路包括串联设置的软启动开关和软启动电阻；

电流采集电路：一端与主开关电路和软启动电路相连，另一端与直流负载输入端相连，用于直流负载进行电流采样，并将采样结果传送至智能控制电路；

智能控制电路：用于根据外部指令对主开关电路和软启动电路进行开关控制，从而实现接触器的功能，用于接收电流采集电路传送的所述采样结果，用于根据所述采样结果和内部预设的保护逻辑对开关电路施加开关控制，从而实现类似于断路器的保护功能，用于监控并保存后备保护电路、主开关电路、软启动电路和电流采集电路的工作状态信息，从而实现比接触器和断路器更多的监控功能。

本实用新型所述的电子开关通过智能控制电路接收外部指令，进行开关控制，这个功能类似于接触器，当接触器开通时，由于接触器两端的电路中的电容处于不同电压水平，在接触器开通瞬间，将产生很大的冲击电流；而本实用新型中在正常开通时，先进行软启动，即在主开关接通前先接通软启动开关，此时与软启动开关串联的软启动电阻能够将启动电流限制在安全范围内，经过一段延时后软启动结束，即主开关两端处于同样电位，这时再开通主开关，就能够避免冲击电流的产生，避免了系统中元器件过流和过压的风险，提高了其可靠性和使用寿命。在主开关完全接通后，断开软启动开关，从而做好下一次软启动的准备。

在出现较大的故障电流时，电子开关可以实现类似于断路器的保护功能，且电子开关的保护策略可以更加灵活，可编程控制。通过电流采集装置对直流负载进行采样。当电流较小时，电流采集装置可以是一个采样电阻；当电流较大时，电流采集装置可以是一个霍尔传感器。在智能控制器中对采集到的电流进行处理，如果确认过流或短路，则根据过流的程度，实现反时限、延时、或电流速断等保护功能；由于是电子开关，对于数倍于额定电流的短路故障，可以实现微妙级的电流速断功能，这样短路电流根本没有机会大幅度升高。针对不同的待保护负载，电子开关的动作电流和动作时间均可由软件进行设定。

本实用新型所述的用于直流配电系统的含软启动和保护功能的电子开关，作为优选方式，软启动开关为半导体开关。

本实用新型所述的用于直流配电系统的含软启动和保护功能的电子开关，作为优选方式，后备保护电路为快速熔断器。

由于半导体开关存在短路的故障模式，即开关失效时有可能呈现短路状态，为了确保这种情况下开关仍能切除故障电流，在开关的输入级串接了一个快速熔断器，正常运行时快速熔断器不会熔断，仅当主开关丧失了保护功能，且此时出现短路故障时，快速熔断器将作为主开关的后备保护，把故障电路切除。

本实用新型所述的用于直流配电系统的含软启动和保护功能的电子开关，作为优选方式，在快速熔断器和主开关电路、软启动电路之间设有第一浪涌抑制器，在电流采集电路和直流负载之间设有第二浪涌抑制器。

由于半导体开关的速度极快，导致线路电流变化速度快，这样线路的电感将会感应出很大电压，对半导体开关造成威胁，因此需要在开关的输入和输出端分别加上浪涌抑制器，一般来说需要tvs器件方能满足要求。

本实用新型所述的用于直流配电系统的含软启动和保护功能的电子开关，作为优选方式，智能控制电路还用于用户对开关额定电流的设定及保护曲线的编程。由于开关在使用过程中安全电流会随着运行时间的变化而变化，通常会根据具体开关电路的特性设置一条保护曲线，曲线上任意时间点的设定电流值均小于开关的安全电流值，当某一运行时间点的电流大于保护曲线上相应的电流时，智能控制电路会控制开关电路打开，进而对电路起到进行保护。

本实用新型所述的用于直流配电系统的含软启动和保护功能的电子开关，作为优选方式，智能控制电路通过通讯接口与系统外部进行信息交换。

本实用新型在使用过程中，当直流配电系统正常开通时，先开通软启动开关，软启动电流被与软启动开关串联的软启动电阻所限制，经一段延时之后，软启动过程结束，再开通主开关，在主开关开通时不会产生冲击电流，流经主开关的最大电流就是最大负载电流，在主开关开通后，把软启动开关关断，以准备下一个软启动周期；当直流配电系统正常关断时，直接关断主开关，第一浪涌保护器和第二浪涌保护器保护主开关和软启动开关的安全；当主开关丧失保护功能，且出现短路故障时，电路保护装置熔断，把故障电路切除。

本实用新型由于使用半导体器件作为软启动开关替代机械开关，动作时间从毫秒级大幅度缩短为微秒级，带来的优势是当确定需要断开电路时，电子开关可以快速响应，从而使故障电流没有进一步上升的时间。当采用机械开关时，即使控制电路确定需要断开，但是由于动作时间太长，在实际断开时，故障电流已经大幅度提升，从而使得需要熄灭操作电弧的能量也大幅提升，影响了可靠性和使用寿命。采用电子开关可以避免系统中元器件过流和过压的风险，提高了其可靠性和使用寿命；同时使用半导体开关替代机械开关能够大幅降低成本。

本实用新型进一步在支路中增加后备保护电路，在主开关丧失保护功能，且出现短路故障时，通过后备保护电路把故障电路切除，进一步提高系统的可靠性。

附图说明

图1为一种用于直流配电系统的含软启动和保护功能的电子开关。

图2为实施例1示意图。

附图标记：

100、后备保护电路；200、主开关电路；300、软启动电路；400、电流采集电路；500、智能控制电路；rs：软启动电阻；qs：软启动开关；q1：主开关；f1：快速熔断器；z1：第一浪涌抑制器；z2：第二浪涌抑制器。

具体实施方式

如图1所示，一种用于直流配电系统的含软启动和保护功能的电子开关，包括：

后备保护电路100：一端与直流电源输出端相连，另一端与主开关电路200和软启动电路300相连，用于在负载过流或短路且主开关电路200故障时切断故障支路；后备保护电路100为快速熔断器f1；

主开关电路200：两端分别与后备保护电路100和电流采集电路400相连且与软启动电路300并联，用于接通或断开直流负载支路，并对负载的过流或短路进行保护；主开关电路200包括主开关q1，主开关q1为半导体开关；

软启动电路300：两端分别与后备保护电路100和电流采集电路400相连且与主开关电路200并联，用于在主开关电路200接通电路之前先行接通限制冲击电流，用于在主开关电路200接通之后关断并为下次软启动做准备；软启动电路300包括串联设置的软启动开关qs和软启动电阻rs，软启动开关qs为半导体开关；在快速熔断器f1和主开关电路200、软启动电路300之间设有第一浪涌抑制器z1；

电流采集电路400：一端与主开关电路200和软启动电路300相连，另一端与直流负载输入端相连，用于直流负载进行电流采样，并将采样结果传送至智能控制电路500；在电流采集电路400和直流负载之间设有第二浪涌抑制器z2；

智能控制电路500：用于根据外部指令对主开关电路200和软启动电路300进行开关控制，用于接收电流采集电路400传送的采样结果，用于根据采样结果和内部预设的保护逻辑对开关电路施加开关控制，用于监控并保存后备保护电路100、主开关电路200、软启动电路300和电流采集电路400的工作状态信息；智能控制电路500通过通讯接口与外部系统进行信息传送，用于用户对开关额定电流的设定及保护曲线的编程。

实施例1

如图2所示，直流系统的额定电压为800v，负载额定功率为8kw，负载电容为2000uf；负载在直流供电两秒之后正式启动。

额定电流为10a，选取软启动电阻rs＝50ohm，则峰值冲击电流为800v/50ohm＝16a。启动时间常数为50ohm×2000uf＝0.1sec，启动延时可以定为1秒钟。软启动电阻rs的额定功率可以选为500w。主开关q1可以选为1200v的碳化硅mos管，导通电阻100mohm；软启动开关qs可以选为1200v的碳化硅mos管，导通电阻300mohm；后备保护可以选额定电压1kv，额定电流20a的快速熔断器f1。

本实施例在使用过程中，当直流配电系统正常开通时，先开通软启动开关qs，软启动电流被软启动电阻rs所限制，经一段延时之后，软启动过程结束，再开通主开关q1，在主开关q1开通时不会产生冲击电流，流经主开关q1的最大电流就是最大负载电流，在主开关q1开通后，把软启动开关qs关断，以准备下一个软启动周期；当直流配电系统正常关断时，直接关断主开关q1，第一浪涌保护器z1和第二浪涌保护器z2保护软启动开关qs的安全；当主开关q1丧失保护功能，且出现短路故障时，快速熔断器f1熔断，把故障电路切除。

以上说明对本实用新型而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出的任何修改、变化或等效形式都将落入本实用新型的保护范围之内。