CN103138229B - 电磁斥力驱动银片式开断器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电网短路故障时快速限流分断的开断器，具体涉及一种电磁斥力驱动银片式开断器。它包括斥力驱动电路、连接在斥力驱动电路中的斥力线圈、两个接线端子和跨接在两个接线端子之间的熔体，熔体下方设有斥力盘，斥力盘位于斥力线圈上方，斥力盘上固定有绝缘栅片。本发明采用电磁斥力驱动技术替代了炸药驱动技术，克服了炸药驱动技术的不足，并通过在两个接线端子间焊接熔体的结构作为通流电路，既满足了大电流通流的温升要求，又降低了打断这种开断器所需的能量，大大降低了成本、提高了分断速度和可靠性，有着广阔的工程应用前景和良好的经济效益。<!--1-->

Description

电磁斥力驱动银片式开断器

技术领域

本发明涉及一种电网短路故障时快速限流分断的开断器，具体涉及一种电磁斥力驱动银片式开断器。

背景技术

随着电网中的短路电流水平的日益提高，短路电流峰值可达到100kA以上，且短路电流上升速率di/dt极高，传统断路器的极限分断能力不足，且动作时间较长，难以满足短路故障快速限流分断的要求。在电网中装设新型故障限流装置（FCL）是解决该类问题的较理想方案，国内外已开展了多种原理的新型限流装置研究，例如超导限流器、固态限流器、液态金属限流器、限流断路器、限流熔断器等。限流熔断器是将爆炸开断技术与快速熔断器技术结合的一种高速限流保护装置，也是目前为止商用化应用最广泛的限流保护技术之一。按照工作原理，限流熔断器可分为电子测控式限流熔断器和电弧触发式限流熔断器两种。

电子测控式限流熔断器由电子式检测触发装置、炸药开断器及与之并联的快速熔断器组成。目前电子测控式限流熔断器的代表性产品有ABB公司的Is-limiter、Ferraz公司的Pyristor、G&W公司的Clip等，其检测触发装置的原理均是通过电流传感器检测线路电流的幅值或变化率，当超过设定值时由电子控制单元发出信号引爆开断器中的炸药完成分断。这类产品的额定电压可达到40.5kV，额定电流可到5kA，开断电流可达到200kA以上，在国内外已有大量应用。但是由于该装置故障检测采用传感器和电子电路，实际应用中存在电磁干扰或元器件失效等因素造成误动或拒动的问题。

电弧触发式限流熔断器采用电弧触发器取代了电子传感器和控制单元，直接利用短路电流的热效应作为短路检测手段和触发条件。发生短路时，电弧触发器中熔体在短路电流作用下熔断产生电弧，利用该电弧电压引爆炸药开断器内的炸药并完成分断，克服了电子测控式限流熔断器检测触发装置可靠性低、需要外接电源等缺点。

然而无论是电子测控式限流熔断器，还是电弧触发式限流熔断器，它们的高速开断器都是依靠炸药爆炸产生的冲击力来进行驱动，使开断器快速分断并将电流转移到灭弧熔断器上。而采用炸药驱动的局限性在于：①炸药寿命有限，会随使用时间的增长而逐渐分解失效；②炸药等火工品的价格昂贵，每次动作后需要更换，经济性差；③对环境温度要求苛刻；④短路分断时噪音大，且爆炸时会产生火花，在一些有易燃气体的特殊场合使用时，需要封闭式箱体，整体体积较大。因此，需要考虑能够替代炸药驱动开断器的其它新型快速驱动方式。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种可替代炸药驱动技术的分断速度快、可靠性高的电磁斥力驱动银片式开断器。

本发明采用的技术方案是：一种电磁斥力驱动银片式开断器，包括斥力驱动电路、连接在斥力驱动电路中的斥力线圈、两个接线端子和跨接在两个接线端子之间的熔体，熔体下方设有斥力盘，斥力盘位于斥力线圈上方，斥力盘上固定有可将熔体向上顶断的绝缘栅片。

进一步地，所述斥力驱动电路包括串接在一起的预先充好电压的电容器、晶闸管和续流二极管，电容器正极和负极分别与续流二极管负极、晶闸管阴极连接，续流二极管正极与晶闸管阳极连接，所述斥力线圈串联在电容器与晶闸管之间并与续流二极管并联。斥力驱动电路通过控制晶闸管的导通向斥力线圈提供大脉冲电流，脉冲电流流过斥力线圈时，在其上产生磁场并作用于斥力盘上。

进一步地，所述熔体为银片、铜片或铝片；熔体上开有若干的方形孔或圆形孔；熔体两端采用点焊、钎焊或压接的方式与两个接线端子连接。

进一步地，所述熔体上方安装有绝缘窄缝灭弧室，绝缘窄缝灭弧室包括两个平行排列的绝缘块，两个绝缘块之间的距离为1~5mm。绝缘栅片向上运动将熔体顶断后会进入到该绝缘窄缝灭弧室中，由绝缘窄缝灭弧室来熄灭熔体被绝缘栅片顶断后所产生的电弧。

进一步地，所述斥力盘为用于感应斥力线圈的磁场并产生电磁斥力驱动绝缘栅片顶断熔体的铝盘或铜盘。

更进一步地，所述绝缘栅片为绝缘材料做成的薄片，绝缘栅片紧固在斥力盘的上方，使斥力盘向上运动时能够带动其一起运动。

本发明采用电磁斥力驱动技术替代了炸药驱动技术，克服了炸药驱动技术的不足，并通过在两个接线端子间焊接熔体的结构作为通流电路，既满足了大电流通流的温升要求，又降低了打断这种开断器所需的能量，大大降低了成本、提高了分断速度和可靠性，有着广阔的工程应用前景和良好的经济效益。

附图说明

图1为本发明的电路原理图。

图2为本发明应用于混合型限流熔断器的第一种方案示意图。

图3为图2中第一种方案的混合型限流熔断器分断过程的电压、电流示意图。

图4为本发明应用于混合型限流熔断器的第二种方案图。

图5为图4中第二种方案的混合型限流熔断器分断过程的电压、电流示意图。

图6为图4方案的混合型限流熔断器的短路试验电路。

图7为图6短路试验电路得到的电压、电流波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明包括斥力驱动电路和连接在斥力驱动电路中的斥力线圈L₀。斥力驱动电路包括串接在一起的预先充好电压的电容器C₀、晶闸管F₀和续流二极管D₀，电容器C₀正极和负极分别与续流二极管D₀负极、晶闸管F₀阴极连接，续流二极管D₀正极与晶闸管F₀阳极连接，斥力线圈L₀串联在电容器C₀与晶闸管F₀之间并与续流二极管D₀并联，晶闸管F₀接收到外部电路的触发信号Rt后导通。本发明还包括两个接线端子3和跨接在两个接线端子3之间的熔体2，熔体2为银片、铜片或铝片，熔体2上开有若干的方形孔或圆形孔，正常工作时熔体的通流密度可达到1000A/mm²以上；熔体2两端采用点焊、钎焊或压接的方式与两个接线端子3连接。熔体2上方设有绝缘窄缝灭弧室1，绝缘窄缝灭弧室1包括置于熔体2的上方的两个平行排列的绝缘块，两个绝缘块之间的距离为1~5mm，可有效熄灭熔体分断时的电弧。熔体2下方设有斥力盘4，斥力盘4为铝盘或铜盘，斥力盘4位于斥力线圈L₀上方，用于感应斥力线圈L₀的磁场并产生电磁斥力驱动绝缘栅片5顶断熔体。斥力盘4上固定有可将熔体2向上顶断的绝缘栅片5，绝缘栅片5为绝缘材料做成的薄片。

本发明的工作原理如下：

短路发生时，斥力驱动电路中的晶闸管F₀收到动作触发信号Rt而导通，预先充好电的电容器C₀开始向斥力线圈L₀放电并产生电流，电流在斥力线圈L₀中形成磁场，该磁场作用于上方的斥力盘4产生电磁斥力，斥力盘4带动绝缘栅片5经一定动作延迟时间后，向上顶断开断器中的熔体2产生电弧，绝缘栅片5驱使开断器的电弧进入上方的绝缘窄缝灭弧室1中拉长并熄灭，开断器实现分断。

如图2所示，为本发明的电磁斥力驱动银片式开断器应用于混合型限流熔断器中的第一种方案：电弧触发器置于电磁斥力栅片型开断器和灭弧熔断器的并联支路之外，该装置简称其为电弧触发器外置方案。

如图3所示，为图2的电弧触发器外置方案的混合型限流熔断器分断过程的电流、电压示意图。

电弧触发器外置应用方案的工作原理为：

正常工作时，电流i经过电弧触发器6，并主要从电磁斥力栅片型开断器上流过即电流i₁，灭弧熔断器8上有少量电流i₂流过。短路发生时，电弧触发器6中的熔体熔断起弧，灭弧熔断器8两端电压u变为弧压U₁，在电弧触发器6两端并联的脉冲变压器7向斥力驱动电路中的晶闸管F₀发触发信号Rt，电路导通，预先充电的电容器C₀向斥力线圈L₀放电并产生电流，电流在斥力线圈L₀中形成磁场，该磁场作用于上方的斥力盘4产生电磁斥力，斥力盘4带动绝缘栅片5经一定动作延迟时间t_a后，向上顶断开断器中的熔体2，此时灭弧熔断器8两端电压u变为弧压U₂，电流i₁从开断器向灭弧熔断器8转移；绝缘栅片5驱使开断器电弧进入上方的绝缘窄缝灭弧室1中拉长并熄灭，经过换流时间t_c后电流i₁全部转移到灭弧熔断器8的电流i₂上，此后灭弧熔断器8经过一段时间t_z熔断起弧，灭弧熔断器8两端出现过电压，短路电流开始下降，最终电路完全分断，灭弧熔断器8两端电压u变为恒压U_e。t_z为开断器电流i₁过零后的介质恢复时间，如果开断器的绝缘窄缝灭弧室1中介质已经恢复绝缘则可以承受该过电压，否则绝缘窄缝灭弧室1会被过电压重新击穿，影响限流效果。

发生短路后，从电弧触发器6熔断起弧时刻t₀，经绝缘栅片5的动作时间t_a后，即从开断器的熔体被顶断时刻t₁起，电流i₁从开断器向灭弧熔电流i₂断器转移，经过换流时间t_c后即t₂时刻电流i₁全部转移到灭弧熔断器上，到灭弧熔断器起弧时刻t₃，电流到达峰值并开始下降，至电路分断时刻t₄电流i₂下降至零。

如图4所示，为本发明的电磁斥力驱动银片式开断器在混合型限流熔断器中应用的第二种方案：电弧触发器和电磁斥力栅片型开断器串联后，再和灭弧熔断器并联。对图2的方案作进一步分析可知，电磁斥力栅片型开断器在电流向灭弧熔断器换流过程中存在燃弧过程，其电流过零后的介质恢复的好坏受开断器换流燃弧能量大小的影响。因此，本专利又给出了一种可减小开断器燃弧能量的改进方案，相对于图2的电弧触发器外置方案，这种改进方案也称为电弧触发器内置方案。

如图5所示，为图4的电弧触发器内置方案的混合型限流熔断器分断过程的电流、电压示意图。

电弧触发器内置应用方案的工作原理为：

正常工作时，电流i主要从电弧触发器及开断器上流过，灭弧熔断器有少量电流i₂流过。短路发生后，电弧触发器6首先熔断起弧，电流i₁将立即向灭弧熔断器8上转移，同时由脉冲变压器7向晶闸管F₀发触发信号Rt，由于绝缘栅片5顶断开断器中的熔体2需要一定时间t_a，即当t₂时刻绝缘栅片顶断熔体，此时电流i₁已经全部或大部分转移到灭弧熔断器8上，因此开断器上燃弧能量极小，此后绝缘栅片5继续向上运动并形成足够的开距，t_z为开断器电流i₁过零后的介质恢复时间，t₃时刻灭弧熔断器8熔断起弧产生过电压，此电压加载到开断器两端，短路电流开始下降，最终电路完全分断。

对比电弧触发器外置和电弧触发器内置两种应用方案可知：

（1）内置方案在电弧触发器起弧时刻就开始换流，而外置方案需要电弧触发器将信号发给栅片开断器并要等栅片将熔体顶断后才开始换流，如果两方案的电弧触发器起弧时刻t₀相同的话，内置方案的换流电流起点低，换流时间更短，限流后的电流峰值能做到更低；

（2）内置方案中栅片开断器熔体被打断时刻是在换流过程结束之后，其上电流此时已经接近零，开断器中形成的燃弧能量很小，而外置方案中的换流过程是在开断器熔体被打断起弧时开始的，开断器换流电流较大，因此会产生较大的燃弧能量，对介质恢复过程非常不利。

综上所述，与电弧触发器外置方案相比，电弧触发器内置方案具有开断器换流时刻早、换流时间短、燃弧能量小和介质恢复特性好的优点，应用时可优先考虑电弧触发器内置方案。

如图6所示，为图4的电弧触发器内置方案的短路限流试验电路，采用180mF电容C₁替作为短路试验的电源，预先将其充电至900V，线路电感L₁=102μH、线路电阻11mΩ，通过控制晶闸管F₁导通使电容C₁放电，来模拟电流上升率9A/μs的短路电流。混合型限流熔断器由电弧触发器6串联开断器再与灭弧熔断器8并联组成。试验测量了流过混合型限流熔断器的总电流i、两个支路的电流i₁和i₂、混合型限流熔断器两端电压u和电弧触发器两端电压u_a。

如图7所示，为图6的短路试验得到的电压、电流波形。短路电流i的上升率为8.3A/μs，触发器在2.3ms时熔断起弧，弧压u_a约25V，电流开始向灭弧熔断器上转移，换流时间约210μs，电弧触发器电压u_a在2.6ms变负，电磁斥力驱动银片式开断器经过290μs时间分断，在2.7ms时换流结束。再经过600μs介质恢复时间时间后，灭弧熔断器在电流到达22.2kA时熔断起弧，电压峰值1450V，峰值时间约4ms，全分断时间约7.5ms。试验结果表明，图6所示方案设计的新型混合型限流熔断器成功实现了短路电流的快速限流分断。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种电磁斥力驱动银片式开断器，其特征在于：包括斥力驱动电路、连接在斥力驱动电路中的斥力线圈、两个接线端子和跨接在两个接线端子之间的熔体，熔体下方设有斥力盘，斥力盘位于斥力线圈上方，斥力盘上固定有可将熔体向上顶断的绝缘栅片，所述熔体上方安装有绝缘窄缝灭弧室，绝缘窄缝灭弧室包括两个平行排列的绝缘块，两个绝缘块之间的距离为1～5mm；所述熔体为银片、铜片或铝片；熔体上开有若干的方形孔或圆形孔；熔体两端采用点焊、钎焊或压接的方式与两个接线端子连接。

2.根据权利要求1所述的电磁斥力驱动银片式开断器，其特征在于：所述斥力驱动电路包括串接在一起的预先充好电压的电容器、晶闸管和续流二极管，电容器正极和负极分别与续流二极管负极、晶闸管阴极连接，续流二极管正极与晶闸管阳极连接，所述斥力线圈串联在电容器与晶闸管之间并与续流二极管并联。

3.根据权利要求1所述的电磁斥力驱动银片式开断器，其特征在于：所述斥力盘为用于感应斥力线圈的磁场并产生电磁斥力驱动绝缘栅片顶断熔体的铝盘或铜盘。

4.根据权利要求1所述的电磁斥力驱动银片式开断器，其特征在于：所述绝缘栅片为绝缘材料做成的薄片。