一种断路器、电力设备和断路器的控制方法与流程

1.本技术涉及能源技术领域，尤其涉及一种断路器、电力设备和断路器的控制方法。


背景技术：

2.断路器是电气工程中常用的器件，其主要用于对电路的通断进行有效控制。例如，断路器可以连接于电源和负载之间，用于实现电源和负载之间电路的导通或断开。在户外环境中的负载等电力设备存在雷击的风险，在遭受雷击后，雷击电流会对断路器形成较大冲击，增加了断路器被损坏的风险。另外，在目前使用的固态断路器中，通常采用场效应管等作为开关器件，但是，场效应管对冲击电流的耐受力较差，因此，需要进行防雷设计。
3.在目前的一些断路器中，可以设置防雷电路，从而能防止冲击电流对开关器件产生损坏。但是，目前的防雷电路使用的器件较多，存在结构复杂、体积大、成本高等问题。


技术实现要素：

4.本技术提供了一种结构简单，有利于实现小型化和低成本制作的断路器、电力设备和断路器的控制方法。
5.第一方面，本技术提供了一种断路器，包括输入端和输出端。断路器中可以包括放电组件、电压检测电路、固态开关和控制电路。放电组件与输出端并联，用于当输出端的电压大于第一阈值时短接输出端。电压检测电路与放电组件连接，用于监测放电组件两端的电压。固态开关连接于输入端和输出端之间，用于连通或断开输入端和输出端之间的通路。控制电路与固态开关和电压检测电路连接。其中，控制电路用于当电压检测电路检测到的放电组件两端的电压差小于第二阈值时，控制固态开关断开输入端和输出端之间的通路。在本技术提供的断路器中，当断路器的输出端遭受雷击后，雷击产生的高电压会触发放电组件产生短路。放电组件短路后，其两端的电压差会迅速拉低。当电压检测电路检测到放电组件两端的电压差小于第二阈值后，会产生相应的电信号。控制电路基于该电信号向固态开关发送控制信号，控制固态开关由导通状态切换为断开状态，从而能避免雷击产生的冲击电流对固态开关产生冲击，防止固态开关被损坏。
6.在一种示例中，断路器还可以包括电流检测电路。电流检测电路可以连接于输入端和输出端的回路中，用于监测输入端和输出端之间的电流值。控制电路与电流检测电路连接，用于当电流检测电路检测到的电流值大于第三阈值时，控制固态开关断开输入端和输出端之间的通路。当断路器的输出端遭受雷击后，雷击产生的高电压会触发放电组件产生短路。放电组件短路后，流过固态开关的电流迅速增加。当电流检测电路检测到电流大于第三阈值后，会产生相应的电信号。控制电路基于该电信号向固态开关发送控制信号，控制固态开关由导通状态切换为断开状态，从而能避免雷击产生的冲击电流对固态开关产生冲击，防止固态开关被损坏。
7.另外，在实际应用中，固态开关还可以由断开状态自行切换为导通状态。
8.例如，控制电路控制固态开关断开输入端和输出端之间的通路后，当电压检测电
路检测到放电组件两端的电压差小于第四阈值时，则表示雷击已经结束。此时，控制器可以控制固态开关切换为导通状态，从而连通输入端和输出端之间的通路。
9.或者，控制电路控制固态开关断开输入端和输出端之间的通路后，控制器可以开始计时，在预设时间后，控制器可以控制固态开关切换为导通状态，从而连通输入端和输出端之间的通路。
10.在具体设置时，放电组件可以包括双向半导体放电管或者气体放电管。
11.在一种示例中，断路器中还可以包括至少一个退耦电感，至少一个退耦电感与固态开关串联连接。另外，当放电组件采用气体放电管时，退耦电感用于防止浪涌电流对固态开关造成冲击，能对固态开关起到有效的保护作用。
12.在一种示例中，断路器中还可以包括钳位电路，钳位电路与固态开关并联连接，用于防止固态开关受到雷击残压的冲击而被损坏。
13.在具体设置时，钳位电路可以为瞬态二极管或压敏电阻。
14.第二方面，本技术还提供了一种电力设备。电力设备包括电源和上述任一种断路器，电源与输入端连接。当断路器的输出端遭受雷击时，可以迅速切断电源与断路器的输出端之间的通路，从而能够对电源起到有效的保护作用。
15.在实际应用中，电力设备中还可以包括负载，负载与输出端连接。
16.另外，在具体设置时，电力设备中还可以包括第二放电组件。其中，第二放电组件与上述的放电组件可以是相同的，第二放电组件与负载的输入端并联连接，用于对负载起到保护作用。
17.例如，在负载和断路器之间的线缆遭受雷击后，第二放电组件可以迅速切换为低阻态，从而能够对雷击电流进行泄放，防止雷击电流对负载造成冲击。另外，由于第二放电组件结构简单，占用的空间也小，不会明显占用负载的空间。
18.第三方面，本技术还提供了一种断路器的控制方法。在断路器中，放电组件与断路器的输出端并联，用于当输出端的电压大于第一阈值时短接输出端；电压检测电路与放电组件连接，用于监测放电组件两端的电压。固态开关连接于输入端和输出端之间，用于连通或断开输入端和输出端之间的通路，控制电路与固态开关和电压检测电路连接。该控制方法可以包括：获取放电组件两端的电压差的检测信号，根据电压差小于第二阈值的检测信号，控制固态开关断开断路器的输入端和输出端之间的通路。
19.在本技术提供的控制方法中，通过监测放电组件两端的电压差来判断是否有雷击发生，具有较好的监测效果。
20.在一种示例中，该控制方法还可以包括：获取输入端和输出端之间的电流值的检测信号；根据电流值大于第三阈值的检测信号，控制固态开关断开输入端和输出端之间的通路。
21.即可以通过检测电压的大小来判断是否有雷击发生，也可以通过检测电流的大小来判断是否有雷击发生，从而实现冗余控制的效果，能够提升防雷保障。
22.在一种示例中，该控制方法还可以包括：根据电压差小于第四阈值的检测信号，控制固态开关连通输入端和输出端之间的通路。
23.或者，该控制方法还可以包括：在预设时间后，控制固态开关连通输入端和输出端之间的通路，从而可以实现自行通电，避免人为操作。
附图说明
24.图1为本技术实施例提供的一种断路器的应用场景示意图；
25.图2为本技术实施例提供的一种表示断路器的控制电路的结构框图；
26.图3为本技术实施例提供的另一种表示断路器的控制电路的结构框图；
27.图4为本技术实施例提供的另一种表示断路器的控制电路的结构框图；
28.图5为本技术实施例提供的另一种表示断路器的控制电路的结构框图；
29.图6为本技术实施例提供的一种断路器的控制方法的流程图；
30.图7为本技术实施例提供的一种断路器的工作状态的流程图；
31.图8为本技术实施例提供的一种断路器的另一控制方法的流程图；
32.图9为本技术实施例提供的一种断路器的另一工作状态的流程图；
33.图10为本技术实施例提供的一种断路器的另一控制方法的流程图；
34.图11为本技术实施例提供的一种断路器的另一工作状态的流程图；
35.图12为本技术实施例提供的一种电力设备的结构框图。
具体实施方式
36.为了使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术作进一步地详细描述。
37.为了方便理解本技术实施例提供的断路器，下面首先介绍一下其应用场景。
38.如图1所示，在本技术提供的一种示例中，断路器可以应用在基站中。在基站中可以包括电源和负载，断路器的输入端(如图1中的左端)可以与电源的输出端连接，断路器的输出端(如图1中的右端)可以与负载连接。当断路器处于导通状态时，电源中的电能可以通过断路器提供给负载进行使用。当断路器处于断开状态时，可断开电源与负载之间的通路，从而能防止电能在电源和负载之间流通。其中，负载可以包括天线、移相器、滤波器等用电设备。
39.当然，在实际应用中，断路器也可以应用在民用照明等场景中，本技术对断路器的具体应用场景不作限制。
40.目前，断路器通常分为机械断路器和固态断路器两类。
41.在机械断路器中，依靠机械触点(或触头)之间的接触和分离实现断路器的通断功能。机械触点可以承载较大的电流冲击，但在实际应用中，对断路器的通断状态进行切换时，由于需要通过电机驱动机械触点进行动作，因此，存在延迟大、响应较慢等问题。另外，机械断路器结构复杂、组装部件较多，不利于实现小型化、低成本制作。
42.在固态断路器中，开关组件主要由电力电子器件串并联构成，通过这些器件的开启或闭合来实现固态断路器的通断功能。电力电子器件响应速度快、体积小，因此有利于实现断路器的小型化和快速保护。
43.在实际应用中，断路器通常安装在电源的输出端，断路器的输出端与负载之间通常通过一段线缆进行连接。在户外环境中，线缆存在雷击的风险，在遭受雷击时，雷击产生的冲击电流会通过线缆流向断路器(电源)和负载。目前，在负载中通常会采用较为成熟的防护电路，可以有效避免雷击产生的不良影响。在电源中通常采用断路器，在发生过载、短路或雷击等情况时，断路器可以断开电源和线缆之间的通路，以防止冲击电流流向电源，因
此，电源的安全性可以由断路器进行保障。
44.固态断路器中的电力电子器件对冲击电流的耐受力较差，在遭受雷击时，雷击产生的冲击电流会使电力电子器件产生损坏，因此，需要对断路器进行防雷设置。但是，目前的防雷电路结构设计不成熟，存在使用的器件较多，结构复杂、体积大、成本高等问题。
45.为此，本技术实施例提供了一种结构简单，有利于实现小型化和低成本制作的断路器。
46.为了使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图和具体实施例对本技术作进一步地详细描述。
47.以下实施例中所使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，而并非旨在作为对本技术的限制。如在本技术的说明书和所附权利要求书中所使用的那样，单数表达形式“一个”、“一种”和“该”旨在也包括例如“一个或多个”这种表达形式，除非其上下文中明确地有相反指示。还应当理解，在本技术以下各实施例中，“至少一个”是指一个、两个或两个以上。
48.在本说明书中描述的参考“一个实施例”等意味着在本技术的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施方式中”、“在另外的实施方式中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
49.如图2所示，在本技术提供的一种示例中，断路器10包括输入端和输出端，输入端用于与电源连接，输出端用于与负载连接。断路器10中可以包括放电组件、电压检测电路、固态开关和控制电路。放电组件与输出端并联，用于当输出端的电压大于第一阈值时短接输出端。电压检测电路与放电组件连接，用于监测放电组件两端的电压。固态开关连接于输入端和输出端之间，用于连通或断开输入端和输出端之间的通路。控制电路与固态开关和电压检测电路连接。其中，控制电路用于当电压检测电路监测到的放电组件两端的电压差小于第二阈值时，控制固态开关断开输入端和输出端之间的通路。另外，执行判断的主体可以是控制电路，也可以是其他的电路。例如，在断路器10中可以包括单独的用于执行该判断的电路。在本技术提供的断路器10中，当断路器10的输出端或输出端与负载之间的线缆遭受雷击后，雷击产生的高电压会触发放电组件产生短路。放电组件短路后，其两端的电压差会迅速拉低。当电压检测电路监测到放电组件两端的电压差小于第二阈值后，会产生相应的电信号。控制电路基于该电信号向固态开关发送控制信号，控制固态开关由导通状态切换为断开状态，从而能避免雷击产生的冲击电流对固态开关产生冲击，防止固态开关被损坏。
50.在本技术提供的断路器10中，将放电组件与断路器10的输出端进行并联连接，当输出端遭受雷击后，放电组件变为低阻态，从而通过放电组件可以对雷击产生的电流进行泄放。另外，电压检测电路与放电组件并联连接，从而能对放电组件两端的电压差进行有效的监测。在遭受雷击时，冲击电流会通过放电组件进行泄放，从而不会对电压检测电路产生冲击，能保证电压检测电路的安全性。
51.在实际应用中，断路器10可以应用在直流电的场景中，也可以应用在交流电的场景中。即电源所产生的电能可以是直流电也可以是交流电，本技术对此不作限定。为了便于
理解本技术技术方案，在以下的实施例中，将以电源产生的电能为直流电为例进行说明。
52.在实际应用中，放电组件的类型可以是多样的。
53.例如，在本技术提供的一种示例中，放电组件可以是半导体放电管。其中，半导体放电管是一种利用晶闸管原理制成的过压保护器件，依靠pn结的击穿电流触发器件导通放电，可以流过很大的浪涌电流或脉冲电流，半导体放电管的击穿电压的范围构成了过压保护的范围。
54.其中，半导体放电管具体可以为双向半导体放电管。当输出端的正极端或负极端在遭受雷击时，半导体放电管均能够被触发导通放电。
55.或者，如图3所示，在本技术提供的另一种示例中，放电组件还可以是气体放电管。其中，气体放电管是一种间隙式的防雷保护器件，能起到泄放较高冲击电压的作用。由于气体放电管的电极间的绝缘电阻较大且寄生电容较小，导致其放电时延较大，动作灵敏度不够理想。对于雷击电流等波头上升陡度较大的电流的抑制性较差。因此，在实际应用中，通常可以搭配退耦电感进行使用。退耦电感可以与固态开关串联设置，通过退耦电感可以防止雷击电流快速通过，从而能够对固态开关起到有效的保护作用。
56.在具体设置时，退耦电感的设置数量可以是一个、两个或者更多个。在实际应用中可以根据实际需求对退耦电感的数量进行合理设置，在此不作赘述。
57.当然，在实际应用中，放电组件也可以采用其他的器件，本技术对放电组件中所包含的器件的类型和数量不作限制。
58.需要说明的是，上述的第一阈值是由放电组件的自身参数所决定的。因此，可以根据实际需求对放电组件的参数进行合理选择，在此不作赘述。
59.另外，固态开关的类型也可以是多样的。
60.例如，固态开关可以是金属半场效晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，mosfet)、门极可关断晶闸管(gate-turn-off thyristor，gto)、绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)中的任一种，或者，也可以是上述器件组成的拓扑结构。
61.其中，固态开关可以选用目前较为常用的类型，或者，也可以根据实际需求进行合理选择，本技术对此不作限定。
62.另外，如图4所示，在本技术提供的一种示例中，断路器10中还可以包括钳位电路，钳位电路与固态开关并联连接，用于防止雷击残压对固态开关造成损坏。
63.在具体设置时，钳位电路具体可以是瞬态二极管(transient voltage suppressor，tvs)。瞬态二极管是一种二极管形式的高效能保护器件，当瞬态二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，瞬态二极管能以极快的速度将两极之间的高阻态变为低阻态，从而可以吸收高达数千瓦的浪涌电流，能对固态开关起到高效的保护作用，控制固态开关免受雷击残压的损坏。
64.或者，在其他的示例中，瞬态二极管也可以替换为压敏电阻(voltage dependent resistor，vdr)。压敏电阻是一种具有非线性伏安特性的电阻器件，主要用于在电路中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。
65.当然，在实际应用中，钳位电路的具体类型可以根据实际需求进行合理设置，本技术对此不作具体限定。
66.另外，如图5所示，在本技术提供的另一种示例中，断路器10中还可以包括电流检测电路。电流检测电路连接于输入端和输出端的回路中，用于监测输入端和输出端之间的电流值。控制电路与电流检测电路连接，用于当电流检测电路监测到的电流值大于第三阈值时，控制固态开关断开输入端和输出端之间的通路。
67.当断路器10的输出端遭受雷击后，雷击产生的高电压会触发放电组件产生短路。放电组件短路后，流过固态开关的电流迅速增加。当电流检测电路监测到电流大于第三阈值后，会产生相应的电信号。控制电路基于该电信号向固态开关发送控制信号，控制固态开关由导通状态切换为断开状态，从而能避免雷击产生的冲击电流对固态开关产生冲击，防止固态开关被损坏。
68.在对电流检测电路进行具体设置时，电流检测电路可以串联在固态开关与输出端之间。或者，电流检测电路也可以串联在固态开关与输入端之间，本技术对此不作限制。
69.另外，电流检测电路可以采用目前较为常用的能够对电流进行有效监测的类型，在此不作赘述。
70.在实际应用中，控制电路可以基于电压检测电路产生的电信号或电流检测电路产生的电信号控制固态开关由导通状态切换为断开状态，从而能够提升对固态开关的保护效果。例如，当电压检测电路失效后，控制电路仍可以通过电流检测电路产生的电信号及时的控制固态开关由导通状态切换为断开状态。或者，当电流检测电路失效后，控制电路仍可以通过电压检测电路产生的电信号及时的控制固态开关由导通状态切换为断开状态。即通过电流检测电路和电压检测电路可以对固态开关起到冗余保护的作用。
71.另外，在实际应用中，在遭受雷击后，断路器10还可以自行切换为导通状态，从而恢复接通电源与负载之间的通路。
72.例如，可以通过倒计时的方式控制断路器10还可以自行切换为导通状态。
73.具体来说，在遭受雷击后，控制电路会控制固态开关由导通状态切换为断开状态。此时，控制电路可以开始计时，并在预设时间后，控制固态开关由断开状态切换为导通状态，从而连通输入端和输出端之间的通路。
74.其中，该预设时间可以是根据雷击经验波形得到的。例如，可以通过统计多次雷击的持续时长，可以得到大致的雷击时长，从而可以设定该预设时间。例如，该预设时间可以是100微秒。当然，该预设时间可以是由厂家设定的，也可以是由用户设定的，本技术对此不作限制。
75.另外，控制电路还可以基于电压检测电路所监测到的电压值自行切换为导通状态。
76.具体来说，控制电路控制固态开关断开输入端和输出端之间的通路后，当电压检测电路监测到放电组件两端的电压差小于第四阈值时，则表示雷击电流已泄放完毕，控制电路可以控制固态开关由断开状态切换为导通状态，从而连通输入端和输出端之间的通路。
77.当然，在实际应用中，断路器10的工作逻辑可以是多样的。
78.例如，如图6所示，本技术实施例还提供了一种断路器10的控制方法，该方法可以包括：
79.步骤s100：获取放电组件两端的电压的检测信号。
80.步骤s200：根据电压差小于第二阈值的检测信号，控制固态开关断开切换为断开状态。
81.具体来说，如图7所示，当断路器10处于正常的工作状态时，固态开关处于导通状态。雷击发生后，放电组件两端的电压差会急剧增加，放电组件产生动作，从高阻态转变为低阻态。
82.放电组件转变为低阻态后，电压检测电路所监测到的放电组件两端的电压差小于第二阈值，并产生相应的检测信号。控制电路根据该检测信号便可向固态开关发送控制信号，控制固态开关由导通状态切换为断开状态。
83.或者，放电组件转变为低阻态后，流经电流检测电路的电流会急剧增加。当电流值大于第三阈值后，电流检测电路会产生相应的检测信号。控制电路根据该检测信号便可向固态开关发送控制信号，控制固态开关由导通状态切换为断开状态。
84.另外，如图8所示，在实际应用中，该控制方法还可以包括：
85.步骤s300：在预设时间后，控制固态开关切换为导通状态。
86.具体来说，如图9所示，当控制电路控制固态开关由导通状态切换为断开状态后，控制电路可以开始计时。在预设时间后，则判断雷击已经结束。控制电路可以向固态开关发送控制信号，控制固态开关由断开状态切换为导通状态。此时，电压检测电路和电流检测电路持续监测工作。
87.当固态开关由断开状态切换为导通状态，且放电组件仍保持在高阻态时，则表示雷击已经真正结束，固态开关可以保持在导通状态。
88.若电路中仍存在雷击电流时，放电组件会保持在低阻态，则电压检测电路和电流检测电路会产生相应的检测信号，控制电路基于该检测信号则可以判断出雷击还未结束。因此，可以再次向固态开关发送控制信号，控制固态开关切换为断开状态，并且控制电路开始计时。在预设时间后，再次控制固态开关切换为导通状态，直到电压检测电路和电流检测电路不会产生相应的检测信号为止，最终控制固态开关保持在导通状态。
89.在实际应用中，该预设时间是根据雷击经验波形得出的一个大概时间。例如，该预设时间可以是100微秒，当然，本技术对该预设时间的具体数值不作限制。
90.另外，在实际应用中，控制电路也可以根据电压检测电路的检测信号控制固态开关切换为导通状态。
91.例如，如图10所示，在本技术实施例提供的另一种控制方法中，该控制方法还可以包括：
92.步骤s400：根据电压差小于第四阈值的检测信号，控制固态开关切换为导通状态。
93.具体来说，如图11所示，当控制电路控制固态开关由导通状态切换为断开状态后，电压检测电路持续对放电组件两端的电压差进行监测，当雷击电流泄放基本完毕后。放电组件两端的电压差会迅速降低到较小的范围内，甚至，放电组件两端的电压差可以降低为零。
94.电压差小于第四阈值后，则表示雷击已经结束，断路器10可以保持在导通状态。
95.当然，若电路中仍存在雷击电流时，放电组件会保持在低阻态，则电压检测电路不会产生电压差小于第四阈值的检测信号。
96.需要说明的是，当放电组件中存在雷击电流流通时，由于放电组件本身存在一定
的内阻(如2毫欧姆左右)，并且，雷击电流通常会比较大，使得放电组件两端仍会存在一定的电压差(如25伏左右)。
97.因此，在实际应中，第四阈值可以设置为4伏左右。当雷击电流将要被放电组件泄放完毕后，放电组件两端的电压差会迅速降低至1伏左右。即放电组件两端的电压差会小于第四阈值，此时，电压检测电路会产生相应的检测信号，控制电路基于该检测信号可以判断出雷击已经结束，从而使固态开关保持在导通状态。
98.可以理解的是，在实际应用中，当断路器10的输出端出现过载或短路等故障时，上述的控制方法同样也可以适用。
99.另外，如图12所示，本技术实施例还提供了一种电力设备，电力设备可以包括电源和断路器10，电源的输入端与断路器10的输出端连接。另外，断路器10的输出端与负载连接，电源中的电能可以通过断路器10输送至负载中。在实际应用中，断路器10可以集成设置在电源中。
100.另外，如图12所示，放电组件也可以替换目前负载端常用的防雷电路，为了便于说明，下面将与负载的输入端并联的放电组件描述为第二放电组件。
101.具体来说，第二放电组件与断路器10中的放电组件的具体类型可以是相同的。例如，放电组件可以是半导体放电管或者气体放电管等。在断路器10与负载之间的线缆遭受雷击后，第二放电组件会迅速切换为低阻态，流向负载的雷击电流可以通过第二放电组件进行有效泄放，从而防止雷击电流对负载造成冲击。
102.以上，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。