一种智能化电容脉冲放电装置

技术领域

本发明涉及直流快速断路器技术领域，具体涉及一种智能化电容脉冲放电装置。

背景技术

直流快速断路器是直流电网安全运行和保护的关键设备，其性能对系统保护策略的制定和工程实现都非常关键。近年来，随着技术的不断发展，基于强迫换流原理的混合型直流真空断路器由于通流能力强、分断能力高的优点，在远距离直流高压输电系统、分布式直流电网和轨道交通牵引供电系统等领域得到了广泛应用。混合型直流真空断路器由正常通流支路和由电容脉冲放电装置组成的强迫换流关断支路组成。其中电容脉冲放电装置直接决定了混合型直流真空断路器的开断是否成功，是直流真空断路器的关键器件。

现有技术中的电容脉冲放电装置大多存在结构复杂，体积大，可靠性低，需要额外配置充电装置，无法实现正向脉冲放电和反向脉冲放电等缺点。

例如，申请公告号为CN112865275A的专利所公开的一种超级电容放电装置，其装置包括用于控制超级电容放电的主控单元、用于检测超级电容电压的电压检测单元、用于检测超级电容放电电流的电流检测单元、用于控制超级电容放电回路的通断及放电回路的选择的逆变单元、以及用于超级电容能量泄放的电机单元。其超级电容放电装置需要额外配置电容充电装置，并且无法实现电容器正向脉冲放电和反向脉冲放电的缺点。

再例如，申请公告号为CN113037068A的专利所公开的一种电容放电电路及功率变换电路，包括主放电电路和残压放电电路，主放电电路和残压放电电路分别连接于母线电容正极与母线电容负极之间，且主放电电路与残压放电电路相连，主放电电路在未接收到关断信号且电容电压小于电压阈值情况下，控制残压放电电路处于导通状态，泄放母线电容的电压。该电容放电电路同样需要额外配置电容充电装置，同样存在无法实现电容器正向脉冲放电和反向脉冲放电的缺点，此外，该电容放电电路还无法检测外部负载联结情况。

因此，有必要提供一种电容脉冲放电装置，无需额外配置电容充电装置，能够实现电容器正向脉冲放电和反向脉冲放电，以及具备检测外部负载联结情况的功能。

发明内容

针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了一种智能化电容脉冲放电装置，该装置无需额外配置电容充电装置，能够实现电容器正向脉冲放电和反向脉冲放电，以及具备检测外部负载联结情况的功能。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

本发明提供一种智能化电容脉冲放电装置，包括充电单元、采样单元、电容、控制单元以及控制所述电容放电的触发开关；

所述充电单元、所述采样单元和所述电容依次并联，所述充电单元接入外部电源，用于将外部电源输出转换成直流电，输出给所述电容进行充电；所述采样单元检测所述充电单元输出给所述电容的电压值以及所述电容的充电量，并将检测结果反馈给所述控制单元；所述控制单元用于接收从外部输入的外部触发信号，根据所述外部触发信号，控制所述触发开关的导通和关断，以使所述触发开关导通时所述电容接通放电。

进一步地，所述外部触发信号包括正向触发信号和反向触发信号，所述控制单元通过触发单元控制所述触发开关，所述控制单元接收所述正向触发信号时，所述触发单元控制所述触发开关按第一方式导通，以使所述电容正向脉冲放电，所述控制单元接收所述反向触发信号，所述触发单元控制所述触发开关按第二方式导通，以使所述所述电容反向脉冲放电。

进一步地，述触发开关包括第一触发开关、第二触发开关、第三触发开关和第四触发开关；所述第一方式导通为所述第一触发开关和所述第四触发开关导通，所述第二触发开关和所述第三触发开关关断；所述第二方式导通为所述第二触发开关和所述第三触发开关导通，所述第一触发开关和所述第四触发开关关断。

进一步地，还包括检测单元和准备就绪判断元件，所述检测单元用于检测所述电容连通的负载是否联结以及是否正常，若所述负载已联结且正常，则输出负载已联结信号；所述准备就绪判断元件用于同时接收到所述负载已联结信号和充电完毕信号时，向外部发出准备就绪信号，所述充电完毕信号由所述控制单元发送到所述准备就绪判断元件。

进一步地，还包括残压泄放回路，所述残压泄放回路用于当所述智能化电容脉冲放电装置故障或者停止工作时，释放所述电容储存的能量。

进一步地，所述残压泄放回路包括串联的残压泄放电阻与残压泄放开关，所述控制单元用于控制所述残压泄放开关的导通和关断，若导通，则所述电容向所述残压泄放电阻放电，若关断，则所述电容不向所述残压泄放电阻放电。

进一步地，所述残压泄放开关为常闭接触器。

进一步地，所述控制单元上还设置有电压调节元件，所述控制单元根据所述电压调节元件上设定的调节值确定所述充电单元的输出电压值；所述电容上还并联有续流元件，所述续流元件用于防止所述电容放电过程中出现过电压。

进一步地，所述续流元件为续流二极管或者压敏电阻。

进一步地，所述触发开关为晶闸管元件或者IGBT/IGCT元件。

本发明提供的技术方案，与已知的公有技术相比，具有如下有益效果：提供了一种智能化电容脉冲放电装置，内部集成了电容器、充电单元、采样单元、残压泄放电路和外部负载检测单元，可智能检测电容电压和外部负载联结情况，具有体积紧凑、安全可靠的优点，并且本装置可实现电容器正向脉冲放电和反向脉冲放电的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的智能化电容脉冲放电装置示意图；

图2为本发明实施例一提供的另一智能化电容脉冲放电装置示意图；

图3为本发明实施例二提供的智能化电容脉冲放电装置示意图；

图4为本发明实施例二提供的另一智能化电容脉冲放电装置示意图；

其中，附图标记说明如下：

1-电源输入端，2-充电单元，3-采样单元，4-残压泄放电阻，5-残压泄放开关，6-触发开关、61-第一触发开关、62-第二触发开关、63-第三触发开关，64-第四触发开关，10-电容，11-检测单元，12-续流元件，13-电源输出端，14-准备就绪信号，15-充电电压信号，16-准备就绪判断元件，17-触发单元，18-控制单元，19-电压调节元件，20-外部触发信号，21-正向触发信号，22-反向触发信号。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1和图2，本发明提供了一种智能化电容脉冲放电装置，包括充电单元2、采样单元3、电容10、控制单元18以及控制电容10放电的触发开关6；充电单元2、采样单元3和电容10依次并联，充电单元2接入外部电源，用于将外部电源输出转换成直流电，输出给电容10进行充电；采样单元3检测充电单元2输出给电容10的电压值以及电容10的充电量，并将检测结果反馈给控制单元18；控制单元10能够根据电压值以及充电量对电容10的充电情况进行判断，并可以输出判断结果，操作者可以根据判断结果决定是否输入外部触发信号给控制单元18，控制单元18接收从外部输入的外部触发信号，根据外部触发信号控制触发开关6的导通和关断，以使触发开关6导通时电容10接通放电，电容10可以连接负载，放电给接入的负载。

在本实施例中，该智能化电容脉冲放电装置还包括残压泄放回路，残压泄放回路并联在电容10两端，当智能化电容脉冲放电装置故障或不工作时可释放电容10中存储的能量，以保障安全。参阅图1和图2，残压泄放回路一般包括串联的残压泄放电阻4与残压泄放开关5，控制单元18用于控制残压泄放开关5的导通和关断，若导通，则电容10向残压泄放电阻4放电，若关断，则电容10不向残压泄放电阻4放电。

在本实施例中，电容10可通过触发开关6的导通进行放电，电容10的放电输出侧还设置有检测单元11，可检测电源输出端13上的外部负载是否已联结以及负载是否正常。电源输出端13的两个输出端并联有续流元件12，用于防止电容放电过程中出现过电压。控制单元18可接收外部触发信号20，根据外部触发信号20，通过触发单元17控制触发开关6的导通和关断。控制单元18上设置有电压调节元件19，可根据调节值改变充电单元2的输出电压值，通过采样单元3测量充电单元2的输出电压值，并向外部输出充电电压信号15，充电电压信号15反应了该输出电压值，即电容10的充电电压大小。电容10充电完毕后，控制单元18可输出充电完成信号，与检测单元11输出的负载已联结信号并联，通过准备就绪判断元件16，向外部发出准备就绪信号14。即准备就绪判断元件16同时接收到充电完成信号和负载已联结信号，向外部发出准备就绪信号14。

具体实施的时候，包括充电过程和放电过程，均由控制单元18进行控制。

充电过程如下：

如图1所示，当智能化电容脉冲放电装置开始工作后，控制单元18控制残压泄放回路关断，不投入工作，电容10可正常充电。控制单元18控制充电单元2向电容10充电，并通过采样单元3测量电容10两端的电压值，判断电容10是否充电完成。当电容10充电完成后，控制单元18控制充电单元2停止充电，等待脉冲放电指令。

放电过程如下：

如图1所示，当控制单元18从外部触发信号20处接收到脉冲放电指令后，向触发单元17发送动作信号，由触发单元17控制触发开关6导通，电容10开始放电。电容10放电后，触发开关6关断，续流元件12将与外部负载形成续流回路，保护电路元件不被损坏。

此外，控制单元18还用于故障检测：

如图1所示，当控制单元18检测出内部故障时，控制单元18控制残压泄放回路释放电容10中存储的能量，泄放电容残压以保障安全。

该智能化电容脉冲放电装置，内部集成了电容器、充电单元、采样单元、残压泄放电路和外部负载检测单元，可智能检测电容电压和外部负载联结情况，具有体积紧凑、安全可靠的优点。

在本实施例中，残压泄放回路一般包括串联的残压泄放电阻4与残压泄放开关5，控制单元18用于控制残压泄放开关5的导通和关断，若导通，则电容10向残压泄放电阻4放电，若关断，则电容10不向残压泄放电阻4放电。

在本实施例中，当控制单元18故障或者电容脉冲放电装置外部电源失电时，可以将残压泄放开关5设置为常闭接触器保障装置安全。参阅图1和图2，当控制单元18故障或者电容脉冲放电装置外部电源失电时，由于残压泄放开关5为常闭开关，残压泄放开关5和残压泄放电阻4组成的残压泄放回路自动释放电容10中存储的能量，泄放电容残压，保障装置安全。

在本实施例中，参阅图2，续流元件12可以为续流二极管，续流二极管有时也称为飞轮二极管，是一种配合电感性负载使用的二极管，当电感性负载的电流有突然的变化或减少时，电感二端会产生突变电压，可能会破坏其他元件，配合续流二极管时，其电流可以较平缓地变化，避免突波电压的发生，是一种放置过压的常用元器件。

参阅图3和图4，本实施例提供了一种智能化电容脉冲放电装置，与上述不同的是，控制单元18输入的外部触发信号20包括正向触发信号21和反向触发信号22，若控制单元18接收正向触发信号21，电容10正向脉冲放电，若控制单元18接收反向触发信号22，电容10反向脉冲放电。通过将外部触发信号20区分成正向触发信号21和反向触发信号22，实现电容10不同的放电要求，实现本装置可进行电容器正向脉冲放电和反向脉冲放电的特点。

在本实施例中，为了实现电容10正向脉冲放电和反向脉冲放电的区分，一般通过触发开关6的设置来实现，参阅图3，例如可以将触发开关6设置为包括第一触发开关61、第二触发开关62、第三触发开关63和第四触发开关64；若第一触发开关61和第四触发开关64导通，第二触发开关62和第三触发开关63关断，电容10正向脉冲放电；若第二触发开关62和第三触发开关63导通，第一触发开关61和第四触发开关64关断，电容10反向脉冲放电。

在本实施例中，触发开关6为晶闸管元件或者IGBT/IGCT元件。晶闸管元件具有体积小、效率高、寿命长等优点。在自动控制系统中，可作为大功率驱动器件，实现用小功率控件控制大功率设备。它在交直流电机调速系统、调功系统及随动系统中得到了广泛的应用。IGCT元件具有电流大、阻断电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、低导通损耗等特点。IGBT综合了GTR、MOSFET两种器件的优点，具有驱动功率小而饱和压降低，载流密度大等特点。

在本实施例中，充电单元2采取恒压方式或者恒流方式对所述电容10进行充电，保证了充电的稳定性和充电信号获取的稳定性。

在本实施例中，充电单元2一般具有隔离功能，使充电电源与放电电路隔离，避免两者产生干扰。

在本实施例中，参阅图4，续流元件12为压敏电阻，压敏电阻是一种具有非线性伏安特性的电阻器件，主要用于在电路承受过压时进行电压钳位，吸收多余的电流以保护敏感器件。其具有耐冲击特性，即压敏电阻本身应能承受规定的冲击电流，冲击能量，以及多次冲击相继出现时的平均功率；以及寿命特性，一是连续工作电压寿命，即压敏电阻在规定环境温度和系统电压条件应能可靠地工作规定的时间，二是冲击寿命，即能可靠地承受规定的冲击的次数。

本发明的有点在于提供了一种智能化电容脉冲放电装置，内部集成了电容器、充电单元、采样单元、残压泄放电路和外部负载检测单元，可智能检测电容电压和外部负载联结情况，具有体积紧凑、安全可靠的优点，并且本装置可实现电容器正向脉冲放电和反向脉冲放电的特点。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的保护范围。