斷路器用儲能電容管理電路設計

喬卿陽，祝 聰，汪 浩

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斷路器用儲能電容管理電路設計

喬卿陽1，祝 聰1，汪 浩2

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 青島地鐵集團有限公司設備管理部，青島 266000）

直流斷路器的分斷固有時間為毫秒級[1]，大多采用脈沖脫扣器進行脫扣動作。儲能電容是脈沖脫扣器重要能量來源[2]。針對斷路器用儲能電容充電管理問題，本文設計了一種斷路器用儲能電容充電管理電路，動態對電容電壓進行檢測，識別電容過壓、充電完畢及輸出允許，極大提高了直流斷路器脈沖脫扣器的安全性。

直流斷路器 脈沖脫扣器 儲能電容

0 引言

直流配電系統以其顯著優點被各行業廣泛采用，快速直流斷路器是直流配電系統最重要的保護器件，分斷速度是快速直流斷路器重要的性能指標之一。越來越多的快速直流斷路器采用脈沖脫扣器以提高分斷固有時間。儲能電容充電有浮充和PWM控制等方法。浮充方法指儲能電容充電回路一直處于導通狀態，電容一直在進行充電過程。若在此過程中，電容出現持續放電，則電容充電電流會持續在較大水平，容易導致充電電路燒毀等故障。開環PWM控制儲能電容恒流充電方法是常用的電容充電管理方法[3]，為了保證電容的安全運行，還需要對電容進行電壓檢測，防止電容出現過壓等狀況。本文設計一種斷路器用儲能電容管理電路，能夠實現電容過壓、充電完成和放電允許的檢測。在電容電量未充滿之前，封鎖電流輸出路徑，防止斷路器脈沖脫扣線圈因電流過小而導致脫扣速度下降。若電容達到工作電壓，則輸出放電允許信號，指示斷路器可進行操作。該電路極大提高了系統的可靠性和安全性。

1 脈沖脫扣器驅動電路原理

脈沖脫扣器驅動電路原理如圖1所示。圖中Vcc為充電電源。Rc為限流電阻，C為儲能電容。框內Rs為脈沖線圈等效串聯電阻，Ls為脈沖線圈電感。當SW閉合時，電容向線圈放電，引起脈沖脫扣器動作，斷路器分斷。若電容電壓過低，導致流經線圈電流減小，則斷路器分閘速度會收到影響。為保證斷路器可靠分閘，必須保證電容電壓達到一定水平。因此，儲能電容充電電路的設計至關重要。

2 儲能電容充電電路設計

儲能電容一般采用容量大，工作電壓高的鋁電解電容，以保證放電電流和放電速度。但鋁電解電容存在充電電流限制、泄露電流等問題。故在設計儲能電容充電電路時，要考慮電容正常充電和補充充電的問題，同時要限制充電電流，防止電流過大對電容造成損壞。電容補充充電發生在電容電壓下降時，故須設計電容電壓檢測電路。

圖1 脈沖脫扣電路原理圖

圖2 電容電壓檢測電路

2.1 電容電壓檢測電路

如圖2所示。電容電壓經電阻分壓后，與基準電壓進行比較。圖中自上而下電容分壓值分別為：

當電容電壓達到工作最低電壓要求時，大于基準電壓，比較器輸出放電允許信號，驅動分閘允許輸出繼電器，電容放電電路導通，能夠可靠驅動脈沖脫扣器線圈；當電容電壓降低時，大于基準電壓，比較器輸出補充充電信號；當電容電壓較高時，大于基準電壓，比較器輸出停止充電信號。由于電容電壓會產生波動，為防止電容不停的進行充放電，損耗電容有效工作壽命，須設計遲滯電路，防止輸出信號出現過多翻轉，對電容正常充電造成影響。遲滯電路采用鎖存器實現，補充充電信號與停止充電信號共同輸入值鎖存器，產生充電信號。若電容突然出現過壓等電壓過高的情況，TVS管被擊穿，產生過壓保護信號。

2.2 儲能電容充電電路

儲能電容充電分為兩個階段。在上電時，電容無電荷，為保證快速將電容充電至工作電壓，須采用大電流對電容進行充電。當電容在保持狀態下，由于泄露電流存在，導致電容產生電壓下降等情況，此時需對電容進行補充充電。由于此時電容電壓下降較小，故采用小電流對電容進行補充充電。電容充電電路采用PWM方式進行充電電流控制。儲能電容充電控制電路如圖3所示。

圖3 儲能電容充電控制電路

圖中采用555定時器產生PWM信號。圖中左側555定時器構成多諧振蕩器電路，產生一定頻率的方波信號，用于右側定時器的時基輸入。其振蕩周期：

圖中右側555定時器構成單穩態觸發器，輸出PWM波控制電容充電電流。其輸出脈沖寬度：

改變電阻值可改變PWM的脈沖寬度，進而控制電容充電電流。圖中電阻R的值受圖2中“充電信號”控制。當“充電信號”為低時，R值減小，脈沖寬度變窄，充電電流減小；當“充電信號”為高時，R值增大，脈沖寬度變寬，充電電流增大。定時器復位信號受圖2“過壓保護”信號控制，當輸出“過壓保護”信號時，單穩態觸發器被復位，輸出低電平，電容停止充電。

為實現電氣隔離，保證電路電氣安全，采用脈沖變壓器實現控制信號與充電電流的隔離。

3 實驗驗證

本文選取得電容參數為400 V，1680 uf（為提高放電電流，采用多電容并聯方式），電容充電電壓為320 V。

多諧振蕩器中,電阻R5阻值為61.8 K，R6阻值12 K，電容C容值1.5 nf。根據公式4可算出多諧振蕩器輸出波形周期為91 us。示波器實際測得多諧振蕩器波形周期大概為94 us。考慮到電阻的精度為5%，故可得出實測波形與計算波形相符的結論。

圖4 保持充電PWM波形與補充充電PWM波形

在保持充電過程中，電阻Rs阻值9.27 K，電容Cd容值1.5 nf，根據公式5可算出保持充電時，脈沖寬度為15.3 us。保持充電PWM輸出如圖4所示。

在補充充電過程中，電阻Rs阻值49.9 K，電容Cd容值1.5 nf，根據公式5可算出保持充電時，脈沖寬度為82.3 us。保持充電PWM輸出如圖4所示。

電容補充充電狀態下，R1阻值648 k，R2、R3阻值475 Ω，R4阻值10 K，基準電壓5 V，通過公式1、2、3可算出，在電容電壓充至300 V時，電路輸出放電允許信號。在電壓為314 V時，電路進行電容補充充電，在電容電壓達到330 V時，電容停止補充充電，進入維持狀態。

在完成電容充電過程驗證后，采用matlab對電容放電過程進行仿真計算。設定模擬脈沖脫扣器線圈參數為阻感串聯電路，電阻值3.3 Ω，電感量150 uH。電容仿真放電波形如圖5所示。

在圖5中，電容瞬間放電電流達到90 A以上，且峰值時間在10 ms以內，可以快速驅動脈沖脫扣器動作。

圖5 電容帶載仿真放電波形

4 結論

通過以上分析計算,并通過實際測試,測試結果與計算結果一致。電路能夠實現放電允許、補充充電和保持充電的功能。在放電瞬間，能夠產生瞬時大電流驅動脈沖脫扣器線圈等負載，實現脈沖脫扣器的瞬時動作。電容放電管理作為重要儲能部件，其正常工作對斷路器快速可靠分斷，運行安全及人員安全具有重要意義。

[1] 羅錦華. ZDS-2直流快速斷路器[J]. 船電技術, 2004(1): 36-37.

[2] 謝超, 吳細秀, 吳士普, 馮宇, 汪本進. 永磁操動機構儲能電容大小的確定方法研究[J]. 高壓電器, 2015(3): 41-46.

[3] 劉黎, 危立輝. 開環PWM控制儲能電容恒流充電方法[J]. 現代科學儀器, 2010(6): 40-43.

Design of Energy Storage Capacitor Management Circuit for Circuit Breaker

Qiao Qingyang, Zhu Cong, Wang Hao

(Wuhan Institute of Marine Electrical Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM561

A

1003-4862（2019）01-0050-03

2018-08-01

喬卿陽（1989-），男，工程師。研究方向：電力電子技術，繼電保護。E-mail: 379385267@qq.com