断路器用储能电容管理电路设计

乔卿阳，祝 聪，汪 浩



断路器用储能电容管理电路设计

乔卿阳1，祝 聪1，汪 浩2

（1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2. 青岛地铁集团有限公司设备管理部，青岛 266000）

直流断路器的分断固有时间为毫秒级[1]，大多采用脉冲脱扣器进行脱扣动作。储能电容是脉冲脱扣器重要能量来源[2]。针对断路器用储能电容充电管理问题，本文设计了一种断路器用储能电容充电管理电路，动态对电容电压进行检测，识别电容过压、充电完毕及输出允许，极大提高了直流断路器脉冲脱扣器的安全性。

直流断路器 脉冲脱扣器 储能电容

0 引言

直流配电系统以其显著优点被各行业广泛采用，快速直流断路器是直流配电系统最重要的保护器件，分断速度是快速直流断路器重要的性能指标之一。越来越多的快速直流断路器采用脉冲脱扣器以提高分断固有时间。储能电容充电有浮充和PWM控制等方法。浮充方法指储能电容充电回路一直处于导通状态，电容一直在进行充电过程。若在此过程中，电容出现持续放电，则电容充电电流会持续在较大水平，容易导致充电电路烧毁等故障。开环PWM控制储能电容恒流充电方法是常用的电容充电管理方法[3]，为了保证电容的安全运行，还需要对电容进行电压检测，防止电容出现过压等状况。本文设计一种断路器用储能电容管理电路，能够实现电容过压、充电完成和放电允许的检测。在电容电量未充满之前，封锁电流输出路径，防止断路器脉冲脱扣线圈因电流过小而导致脱扣速度下降。若电容达到工作电压，则输出放电允许信号，指示断路器可进行操作。该电路极大提高了系统的可靠性和安全性。

1 脉冲脱扣器驱动电路原理

脉冲脱扣器驱动电路原理如图1所示。图中Vcc为充电电源。Rc为限流电阻，C为储能电容。框内Rs为脉冲线圈等效串联电阻，Ls为脉冲线圈电感。当SW闭合时，电容向线圈放电，引起脉冲脱扣器动作，断路器分断。若电容电压过低，导致流经线圈电流减小，则断路器分闸速度会收到影响。为保证断路器可靠分闸，必须保证电容电压达到一定水平。因此，储能电容充电电路的设计至关重要。

2 储能电容充电电路设计

储能电容一般采用容量大，工作电压高的铝电解电容，以保证放电电流和放电速度。但铝电解电容存在充电电流限制、泄露电流等问题。故在设计储能电容充电电路时，要考虑电容正常充电和补充充电的问题，同时要限制充电电流，防止电流过大对电容造成损坏。电容补充充电发生在电容电压下降时，故须设计电容电压检测电路。

图1 脉冲脱扣电路原理图

图2 电容电压检测电路

2.1 电容电压检测电路

如图2所示。电容电压经电阻分压后，与基准电压进行比较。图中自上而下电容分压值分别为：

当电容电压达到工作最低电压要求时，大于基准电压，比较器输出放电允许信号，驱动分闸允许输出继电器，电容放电电路导通，能够可靠驱动脉冲脱扣器线圈；当电容电压降低时，大于基准电压，比较器输出补充充电信号；当电容电压较高时，大于基准电压，比较器输出停止充电信号。由于电容电压会产生波动，为防止电容不停的进行充放电，损耗电容有效工作寿命，须设计迟滞电路，防止输出信号出现过多翻转，对电容正常充电造成影响。迟滞电路采用锁存器实现，补充充电信号与停止充电信号共同输入值锁存器，产生充电信号。若电容突然出现过压等电压过高的情况，TVS管被击穿，产生过压保护信号。

2.2 储能电容充电电路

储能电容充电分为两个阶段。在上电时，电容无电荷，为保证快速将电容充电至工作电压，须采用大电流对电容进行充电。当电容在保持状态下，由于泄露电流存在，导致电容产生电压下降等情况，此时需对电容进行补充充电。由于此时电容电压下降较小，故采用小电流对电容进行补充充电。电容充电电路采用PWM方式进行充电电流控制。储能电容充电控制电路如图3所示。

图3 储能电容充电控制电路

图中采用555定时器产生PWM信号。图中左侧555定时器构成多谐振荡器电路，产生一定频率的方波信号，用于右侧定时器的时基输入。其振荡周期：

图中右侧555定时器构成单稳态触发器，输出PWM波控制电容充电电流。其输出脉冲宽度：

改变电阻值可改变PWM的脉冲宽度，进而控制电容充电电流。图中电阻R的值受图2中“充电信号”控制。当“充电信号”为低时，R值减小，脉冲宽度变窄，充电电流减小；当“充电信号”为高时，R值增大，脉冲宽度变宽，充电电流增大。定时器复位信号受图2“过压保护”信号控制，当输出“过压保护”信号时，单稳态触发器被复位，输出低电平，电容停止充电。

为实现电气隔离，保证电路电气安全，采用脉冲变压器实现控制信号与充电电流的隔离。

3 实验验证

本文选取得电容参数为400 V，1680 uf（为提高放电电流，采用多电容并联方式），电容充电电压为320 V。

多谐振荡器中,电阻R5阻值为61.8 K，R6阻值12 K，电容C容值1.5 nf。根据公式4可算出多谐振荡器输出波形周期为91 us。示波器实际测得多谐振荡器波形周期大概为94 us。考虑到电阻的精度为5%，故可得出实测波形与计算波形相符的结论。

图4 保持充电PWM波形与补充充电PWM波形

在保持充电过程中，电阻Rs阻值9.27 K，电容Cd容值1.5 nf，根据公式5可算出保持充电时，脉冲宽度为15.3 us。保持充电PWM输出如图4所示。

在补充充电过程中，电阻Rs阻值49.9 K，电容Cd容值1.5 nf，根据公式5可算出保持充电时，脉冲宽度为82.3 us。保持充电PWM输出如图4所示。

电容补充充电状态下，R1阻值648 k，R2、R3阻值475 Ω，R4阻值10 K，基准电压5 V，通过公式1、2、3可算出，在电容电压充至300 V时，电路输出放电允许信号。在电压为314 V时，电路进行电容补充充电，在电容电压达到330 V时，电容停止补充充电，进入维持状态。

在完成电容充电过程验证后，采用matlab对电容放电过程进行仿真计算。设定模拟脉冲脱扣器线圈参数为阻感串联电路，电阻值3.3 Ω，电感量150 uH。电容仿真放电波形如图5所示。

在图5中，电容瞬间放电电流达到90 A以上，且峰值时间在10 ms以内，可以快速驱动脉冲脱扣器动作。

图5 电容带载仿真放电波形

4 结论

通过以上分析计算,并通过实际测试,测试结果与计算结果一致。电路能够实现放电允许、补充充电和保持充电的功能。在放电瞬间，能够产生瞬时大电流驱动脉冲脱扣器线圈等负载，实现脉冲脱扣器的瞬时动作。电容放电管理作为重要储能部件，其正常工作对断路器快速可靠分断，运行安全及人员安全具有重要意义。

[1] 罗锦华. ZDS-2直流快速断路器[J]. 船电技术, 2004(1): 36-37.

[2] 谢超, 吴细秀, 吴士普, 冯宇, 汪本进. 永磁操动机构储能电容大小的确定方法研究[J]. 高压电器, 2015(3): 41-46.

[3] 刘黎, 危立辉. 开环PWM控制储能电容恒流充电方法[J]. 现代科学仪器, 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

乔卿阳（1989-），男，工程师。研究方向：电力电子技术，继电保护。E-mail: 379385267@qq.com