CN103296636A - 一种基于自激振荡电路的高压直流气体断路器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自激振荡电路的高压直流气体断路器，能够在较高的额定电压等级下开断故障电流；包括相串联的超导限流器和开断模块，所述开断模块包括相并联的气体断路器、电容和电感串联组成的换流电路以及非线性电阻氧化锌吸能装置；故障电流先经过超导限流器进行限流再被气体断路器开断，从而达到开断故障电流的目的，气体断路器利用自激的方式产生人工过零点来熄弧；本发明具有反应速度快、电流过载系数低、结构简单、体积小、过电压低、安全可靠、使线路的短路电流值不会超过超导限流器的失超电流值，能保护其它设备的优势。

Description

一种基于自激振荡电路的高压直流气体断路器

技术领域

本发明涉及断路器技术领域，具体涉及一种基于自激振荡电路的高压直流气体断路器。

背景技术

由于目前高压直流断路器技术不够成熟，限制了多端直流系统的发展，成为多端直流输电技术发展和应用的瓶颈。而对于新兴起的柔性直流输电系统,虽然有电力电子技术可直接控制和保护系统,但作为最后的保护单元,直流断路器也是必不可少的。

目前常用的高压直流断路器的原理有自激振荡型，它激振荡型和利用限流器件先限流再开断型。利用限流器先限流再开断是当今热门的研究方向，这也与目前限流技术的快速发展是分不开的。限流技术之所以受到关注，主要有以下两个原因：第一，电网容量不断增加，短路电流水平也随之增加，限制短路电流可以提高电力系统的安全稳定性、电网供电质量以及电网的运行灵活性；第二，现有功率器件过载能力低，而且能承受的di/dt、du/dt有限，为防止故障时对功率器件造成击穿或损坏，需使用电流限制器。本发明采用超导限流器与自激型的氢气断路器串联的方式构成高压气体断路器。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于自激振荡电路的高压直流气体断路器，能够运用在高电压场合，具有开断大故障电流和额定电流的能力，且利用电流过零时开断电路。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于自激振荡电路的高压直流气体断路器，包括相串联的超导限流器1和开断模块，所述开断模块包括相并联的气体断路器2、电容3和电感4串联组成的换流电路以及非线性电阻氧化锌吸能装置5。

所述气体断路器2为氢气断路器，其中的气体为纯氢气或氢气和其它气体的混合气体，若为混合气体，氢气和其它气体以任意比混合。

所述超导限流器1为高温电阻型超导限流器，其材料采用钇钡铜氧化物YBCO或其它超导材料。

所述超导限流器1为多个超导限流器采用串联和/或并联的结构，所述开断模块为多个开断模块采用串联和/或并联的结构。

在所述每个气体断路器2上并联有均压电阻6。

给所述气体断路器2增加磁场的方式，来提高其开断能力。

所述增加磁场的方式为在气体断路器2外增加磁场或在气体断路器2的触头上开槽。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明采用气体断路器，因为气体断路器的电流大开断能力强，能承受的额定电压高；由于直流电流无自然过零点使断口中电弧不易熄灭，当电路的额定电压高于氢气电弧的电弧电压时，电弧不能熄灭所以利用创造人工过零点的方法使直流电流降低到零使电弧熄灭。因为氢气电弧具有负电阻的特性，所以可以利用氢气电弧的负电阻特性和不稳定性，在与开断弧间隙并联的电容和电感串联回路中产生递增的自激振荡，使在电弧间隙的开断直流电流上迭加增幅的振荡流，利用电流过零时开断电路；

2、本发明超导限流器为高温电阻型超导限流器，电阻型超导限流器具有结构简单，反应速度快，电流过载系数低的特点；材料采用钇钡铜氧化物YBCO，因其电阻在失超时很大，能将故障电流限制在很低的水平；本发明气体断路器2为氢气断路器，氢气作为一种灭弧气体，能够提供高的电弧电压，电弧熄灭时时间常数小，氢气断路器设备体积小，稳定性高；当氢气断路器中的气体为氢气和其它气体的混合气体，混合气体能够提高气体的稳定性或提高气体的绝缘能力；

3、超导限流器1为多个超导限流器采用串联和/或并联的结构，开断模块为多个开断模块采用串联和/或并联的结构；当超导限流器和开断模块采用多个串联的形式，能够提高本发明高压直流气体断路器的额定电压；当超导限流器和开断模块采用多个并联的形式，能够提高本发明高压直流气体断路器的额定电流；

4、在每个气体断路器上并联有均压电阻，使每个气体断路器承受相同的额定电压，起到均压的目的。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是第一种改进的开断模块示意图。

图3为第二种改进的开断模块示意图。

图4为第三种改进的开断模块示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明一种基于自激振荡电路的高压直流气体断路器，包括相串联的超导限流器1和开断模块，所述开断模块包括相并联气体断路器2、电容3和电感4串联组成的换流电路以及非线性电阻氧化锌吸能装置5。

作为本发明的优选实施例，所述气体断路器2为氢气断路器，其中的气体为纯氢气或氢气和其它气体的混合气体，如氢气和氮气的混合气体。所述超导限流器1为高温电阻型超导限流器，其材料采用钇钡铜氧化物YBCO。通过给超导带材添加磁场的方法来提高超导的临界电流值，大大提高开断电流的能力，使开断更加迅速。

作为本发明的优选实施例，如果气体断路器所能承担的额定电压值达不到系统的要求，为了提高本发明高压直流气体断路器的额定电压，可以采用多个开断模块串联的形式，超导限流器也可以采用多个串联的形式。如果气体断路器所能承担的额定电流值达不到系统的要求，为了提高本发明高压直流气体断路器的额定电流，可以采用多个开断模块并联的形式，超导限流器也可以采用多个并联的形式。如图2所示，为多个开断模块并联的结构，提高本发明高压直流气体断路器的额定电流。如图3所示，为多个开断模块先串联后再并联的结构，降低了开断模块的时间分布性。如图4所示，为多个开断模块串联的结构，采用图3和图4的结构，可以减少电路中电感和电容的数量，两个电感可以采用另一个大电感串联，两个电容可以用另一个电容代替，从而减少体积和电路中由于电感数量的减少，也会减少耦合电感的影响，使开断模块的开断时间更接近。

作为本发明进一步的优选实施例，在图2-图4中每个气体断路器2上并联有均压电阻6，使每个气体断路器2承受相同的额定电压，起到均压的目的。

作为本发明的优选实施例，为了提高气体断路器的开断能力，可以通过给气体断路器2增加磁场的方式，例如外加磁场或者通过给气体断路器触头开槽的方式产生磁场，磁场可以拉长电弧，从而提高可以开断的电流值，提高气体断路器2的灭弧能力。

本发明的工作原理为：超导限流器1先将故障电流限制在气体断路器可以开断的电流值下，再由气体断路器直接将直流电流熄灭；电容3和电感4串联组成的换流电路并联到气体断路器上，当气体断路器触头分开后，由电弧电压向电容3充电。由于电弧的不稳定性，电弧电压产生波动，使电容器3和电弧之间有一个充放电的过程，产生充放电电流，电弧的负阻特性使这一电流的振荡不断增加，当电流的振幅等于所开断的电流时，在气体断路器触头之间产生电流过零点。电弧电流过零后，气体断路器触头之间开始介质恢复阶段，这时直流系统仍储存着巨大的能量，这部分能量将变成电容器3上的恢复电压，只有当气体断路器具有较快的介质恢复速度才不至于发生重燃现象。当恢复电压上升到并联的非线性电阻氧化锌吸能装置5的额定电压时，吸能装置导通，吸收掉这部分能量，使系统电流下降到零，至此完成一个直流开断过程。

本发明采用超导限流器限流是因为超导限流器可在高电压下运行，并可实现检测、转换、限流一体化，能在毫秒级内限制故障电流。超导限流器限流作用的启动不依赖于其它控制电路，线路电流的增大就是超导体失超的命令信号。

Claims (7)

1.一种基于自激振荡电路的高压直流气体断路器，其特征在于：包括相串联的超导限流器（1）和开断模块，所述开断模块包括相并联的气体断路器（2）、电容（3）和电感（4）串联组成的换流电路以及非线性电阻氧化锌吸能装置（5）。

2.根据权利要求1所述的一种基于自激振荡电路的高压直流气体断路器，其特征在于：所述气体断路器（2）为氢气断路器，其中的气体为纯氢气或氢气和其它气体的混合气体，若为混合气体，氢气和其它气体以任意比混合。

3.根据权利要求1所述的一种基于自激振荡电路的高压直流气体断路器，其特征在于：所述超导限流器（1）为高温电阻型超导限流器，其材料采用钇钡铜氧化物YBCO。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于自激振荡电路的高压直流气体断路器，其特征在于：所述超导限流器（1）为多个超导限流器采用串联和/或并联的结构，所述开断模块为多个开断模块采用串联和/或并联的结构。

5.根据权利要求4所述的一种基于自激振荡电路的高压直流气体断路器，其特征在于：在所述每个气体断路器（2）上并联有均压电阻（6）。

6.根据权利要求1所述的一种基于自激振荡电路的高压直流气体断路器，其特征在于：给所述气体断路器（2）增加磁场的方式，来提高其开断能力。

7.根据权利要求6所述的一种基于自激振荡电路的高压直流气体断路器，其特征在于：所述增加磁场的方式为在气体断路器（2）外增加磁场或在气体断路器（2）的触头上开槽。

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