CN104022442B - 一种快速动作的旁路开关 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速动作的旁路开关，所述开关为气体火花开关，包括高压电极和地电极，其特征在于，所述开关通过在地电极表面形成喷射等离子体并注入到开关间隙中，使得喷射等离子体在开关间隙中形成并不断向前发展，当等离子体的头部与高压电极之间剩余间隙不断缩短导致电场严重畸变时，引起间隙放电，进而导致整个开关的触发导通，实现开关的快速触发导通。由于开关间隙中等离子体的存在为间隙的放电提供了大量的初始电子，降低了间隙的绝缘强度，因此可以在自击穿电压5％～10％的极低工作系数下使开关快速触发放电。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统快速旁路开关制造领域，特别涉及一种快速动作的旁路开关。
背景技术
快速旁路开关由于其结构简单、开断速度快等优点而广泛应用于电力系统故障限流、串联补偿电容保护间隙、直流断路器等诸多场合。随着高压大容量输电系统的进一步发展，为保证重要负荷的供电可靠性，要求旁路开关能在发生故障后的极短时间内迅速动作。
目前，电力系统中旁路开关通常采用机械切换开关，其典型切换时间为数秒到数十秒之间，切换速度不甚理想，不能满足其快速动作的要求。当采用气体火花开关作为旁路开关时，由于通常采用电脉冲触发，其有效的工作系数范围为60％～85％，如果电压继续降低，则开关不能可靠触发导通，因而当故障发生在交流电压过零点附近时，开关不能可靠动作，无法对此故障快速反应。因此，现有的旁路开关不能满足其在低工作系数下也能快速触发导通的性能要求。
发明内容
为解决现有技术中的上述一个或多个技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现。
一种快速动作的旁路开关，所述开关为气体火花开关，所述开关包括高压电极和地电极，其特征在于，所述开关通过在地电极表面形成喷射等离子体并注入到开关间隙中，使得喷射等离子体在开关间隙中形成并不断向前发展，当等离子体的头部与高压电极之间剩余间隙不断缩短导致电场严重畸变时，引起间隙放电，进而导致整个开关的触发导通，实现开关的快速触发导通。
对于本发明而言，该旁路开关通过在地电极表面形成喷射等离子体并注入到开关间隙中，实现极低工作系数下开关的快速触发导通。该旁路开关属于气体火花开关，因此比传统的机械切换开关有更快的动作时间，典型动作时间约在几微秒到数十微妙之间；同时，由于采用喷射等离子体辅助触发技术，可以保证开关在自击穿电压5％～10％的极低工作系数下可靠动作，能够对特殊情况下的故障进行快速反应。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
图1是本发明的一个实施例所示的旁路开关的整体装配图。
图2是本发明的一个实施例所示的旁路开关内部的等离子体喷射装置装配图。
图中，1.开关外壳的上盖，2.开关外壳的下盖，3.高压电极，4.地电极，5.等离子体喷射装置，6.高压电极套管，7.高压电极套管密封槽，8.高压电极连接杆，9.高压电极连接杆密封槽，10.针电极套管，11.针电极套管密封槽，12.针电极连接杆，13.针电极连接杆密封槽，14.针电极，15.高分子化合物绝缘环，16.开关外壳密封槽，17.气嘴螺孔，18.地电极连接杆，19.不锈钢螺栓。
具体实施方式
以下，结合附图详细说明本发明一种极低工作系数下快速动作的旁路开关的实现。
在一个实施例中，本发明公开了一种快速动作的旁路开关，所述开关为气体火花开关，所述开关包括高压电极和地电极，所述开关通过在地电极表面形成喷射等离子体并注入到开关间隙中，使得喷射等离子体在开关间隙中形成并不断向前发展，当等离子体的头部与高压电极之间剩余间隙不断缩短导致电场严重畸变时，引起间隙放电，进而导致整个开关的触发导通，实现开关的快速触发导通。
对于该实施例而言，该旁路开关通过在地电极表面形成喷射等离子体并注入到开关间隙中，实现极低工作系数下开关的快速触发导通。该旁路开关属于气体火花开关，因此比传统的机械切换开关有更快的动作时间，典型动作时间约在几微秒到数十微妙之间；同时，由于采用喷射等离子体辅助触发技术，可以保证开关在自击穿电压5％～10％的极低工作系数下可靠动作，能够对特殊情况下的故障进行快速反应。
在另一个实施例中，所述地电极的内部嵌入一个等离子体喷射装置；所述喷射装置包括至少一个具有喷孔的微型放电腔，所述装置通过所述喷孔在地电极表面形成喷射等离子体并注入到开关间隙中。
就该实施例而言，通过在地电极内部嵌入一个等离子体喷射装置，在触发条件下可以产生喷射等离子体并注入到开关间隙中，为开关间隙的放电提供大量的初始电子，降低了间隙的绝缘强度，因此可以在极低的工作系数下使开关快速触发放电。
在另一个实施例中：
所述放电腔包括上下接触的两层，所述喷孔位于上层，上层为板电极，下层为圆筒形高分子化合物绝缘环且下层密封安装有正对喷孔的针电极；
所述喷射装置通过在针电极处施加触发电压使得微型放电腔内发生火花放电产生带电粒子，并在所述放电腔内瞬间升高的气压作用下，从放电腔的喷孔处喷射等离子体。
对于该实施例，其通过在微型放电腔中设计上层和与其接触的下层以及针电极来产生喷射等离子体。放电腔内放电沿着针电极和板电极之间绝缘环表面进行，由于该微型放电腔内的火花放电，使得其中释放出大量气体分子，导致放电腔内气压急剧升高，在气压的作用下将等离子体带离放电腔，形成喷射等离子体，从而实现自激励的、不需要外部吹气的简化等离子体喷射装置。此外，如果空间允许，所述喷射等离子体还能够在附加的局部增强的电场的作用下，进一步加速所述等离子体的喷射速度。这样的话，与前述实施例相比，由于增加了附加的电场的约束能力，从而加速了等离子体的喷射速度。
优选的，所述上下两层通过金属螺栓紧固。
优选的，在另一个实施例中，板电极呈圆板形结构。容易理解的，板电极也可以是其他正多边形。
更优选的，在所述板电极的几何中心处开设所述喷孔。更优选的，所述喷孔为圆台形的。更优选的，所述圆台靠近板电极表面一侧直径小，靠近针电极一侧直径大。更优选的，所述圆台的母线和下底面成45度角。
此外，靠近板电极外侧可以均匀分布若干螺孔或其他连接形式的孔位，以便和高分子化合物绝缘环相连。如果为螺孔，相对应的，所述的高分子化合物绝缘环靠近外侧则均匀分布有若干相对应螺孔，并通过沉头螺栓将高分子化合物绝缘环与板电极紧固在一起。绝缘环中心则为所述微型放电腔，且所述放电腔为圆筒形微型放电腔，放电腔下部用于密封安装针电极。
在另一个实施例中，所述装置的气体介质为如下三种气体中任一或者其任意混合：空气、N2、SF6。在另一个实施例中，所述装置的气体介质为如下三种气体中任一或者其任意混合：空气(以纯净的空气为佳)、N2、SF6。任意混合可以是其中两两混合，也可以是三者混合，也可以是不同混合比例。进一步的，所述装置可以工作在常压(指气压)环境，也可以工作在高压环境。典型的，气压范围在0.1MPa～0.6MPa。
在另一个实施例中，所述高压电极与直流或交流高压相连。即，该实施例可工作于直流或交流高压环境下。
在另一个实施例中，所述高压电极、地电极和针电极选用黄铜金属材料，绝缘环选用聚四氟乙烯或聚酰亚胺或其他高分子绝缘材料。
在另一个实施例中，所述开关还包括不锈钢金属外壳，所述地电极与不锈钢金属外壳相连并直接接地，所述针电极用于施加触发电压脉冲。显然，该实施例意在限定开关的外壳及其与地电极的连接，以及针电极上施加电压的类型。所述开关的外绝缘适用于常压或高气压的空气或SF6等气体介质，置于周围空气中时直流耐压可达200kV。施加触发电压脉冲至针电极时，引起喷射装置内火花放电，产生大量带电粒子，并在放电腔内气压的作用下由板电极的喷孔注入到开关间隙中，形成喷射等离子体。
在另一个实施例中，则示例了外壳以及高压电极、地电极、针电极的进一步结构特征：
所述开关还包括一高压电极套管、一针电极套管，所述高压电极套管中贯穿一高压电极连接杆，所述针电极套管中贯穿一针电极连接杆；
所述外壳包括上盖和下盖，所述上盖包括一上盖通孔，所述下盖包括一下盖通孔；
所述上盖和下盖通过开关外壳密封槽被密封在一起，且所述上盖和下盖还在所述开关外壳密封槽处通过螺栓被紧固；
所述高压电极与地电极位于所述外壳中，所述高压电极靠近上盖，所述地电极靠近下盖，且位于所述外壳中的地电极通过螺纹柱固定在所述下盖的内表面，且：
(1)所述高压电极套管通过所述上盖通孔与所述高压电极相连接，所述高压电极连接杆与所述高压电极相连接，所述高压电极通过高压电极连接杆与外部的高压相连，并通过高压电极套管固定在所述上盖并与外壳绝缘；
所述高压电极套管与外壳的上盖之间通过高压电极套管密封槽进行密封，所述高压电极套管与高压电极连接杆之间通过高压电极连接杆密封槽进行密封；
(2)所述针电极套管通过所述下盖通孔与伸入所述地电极，所述针电极连接杆与所述针电极相连接，所述针电极通过针电极连接杆与外部的触发电压相连，并通过针电极套管固定在所述下盖并与外壳绝缘；
所述针电极套管与外壳的下盖之间通过针电极套管密封槽进行密封，所述针电极套管与针电极连接杆之间通过针电极连接杆密封槽进行密封。
如图1、2所示，该旁路开关包括通过螺栓(19)紧固的不锈钢外壳上盖(1)和下盖(2)、外壳密封槽(16)以及装配在内部的高压电极(3)、地电极(4)和针电极(14)。
优选的，高压电极呈圆板型结构，通过螺纹与高压电极连接杆(8)装配，然后经高压电极套管(6)固定在开关外壳并与外壳绝缘；套管与外壳、连接杆间分别通过密封槽(7)和(9)进行密封。
所述的地电极通过螺纹直接与开关外壳下盖固定；在地电极中心嵌入一个等离子体喷射装置(5)。
所述的等离子体喷射装置分上、下两层，上层为板电极(4)，中心开有圆台形喷孔，下层为高分子化合物绝缘环(15)，通过螺纹与板电极连接；针电极(14)通过螺纹与绝缘环固定，其尖端与板电极下表面、以及绝缘环内表面构成微型放电腔；
所述的针电极通过针电极连接杆(12)与外部触发电压相连，并通过套管(10)固定在开关外壳下盖并与外壳绝缘；套管与外壳、连接杆间分别通过密封槽(11)和(13)进行密封。
此外，在另一个实施例中，所述开关还包括气嘴螺孔(17)，用于安装气嘴，对开关内部充气，以控制开关内部的气压；
在另一个实施例中，所述开关还包括地电极连接杆(18)，其作为开关地电极和外壳的接地端，与外部地线相连。
此外，在另一个实施例中，就地电极的延伸结构而言，对于地电极中的等离子体喷射装置：其喷孔、微型放电腔、针电极的数量可任意增减，对应的放电通道形成数目也随之改变，相对应的，绝缘环的数量也可任意增减。
本发明给出的上述实施例仅用于说明本发明，但并不用于限制本发明的实施范围，凡是本发明技术方案所限定的内容均属于本发明的保护范围。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种快速动作的旁路开关，所述旁路开关为气体火花开关，包括高压电极和地电极，其特征在于，所述地电极的内部嵌入一个等离子体的喷射装置，所述喷射装置包括至少一个具有喷孔的微型放电腔，所述喷射装置通过在针电极处施加触发电压使得微型放电腔内发生火花放电产生带电粒子，并在所述微型放电腔内瞬间升高的气压和附加的局部增强的电场的共同作用下，从微型放电腔的喷孔处喷射等离子体并注入到开关间隙中，使得喷射的等离子体在开关间隙中形成并不断向前发展，当等离子体的头部与高压电极之间剩余间隙不断缩短导致电场严重畸变时，引起间隙放电，进而导致整个开关的触发导通，实现开关的快速触发导通。
2.根据权利要求1所述的旁路开关，其特征在于：
所述微型放电腔包括上下接触的两层，所述喷孔位于上层，上层为板电极，下层为圆筒形高分子化合物绝缘环且下层密封安装有正对喷孔的针电极。
3.根据权利要求2所述的旁路开关，其特征在于：所述喷孔处为一圆台结构，所述圆台结构靠近板电极表面一侧直径小，靠近针电极一侧直径大。
4.根据权利要求2所述的旁路开关，其特征在于：所述喷射装置的气体介质为如下三种气体中任一或者其任意混合：空气、N2、SF6。
5.根据权利要求1所述的旁路开关，其特征在于：所述高压电极与直流或交流高压相连。
6.根据权利要求1所述的旁路开关，其特征在于：所述高压电极、地电极和针电极选用黄铜金属材料，绝缘环选用聚四氟乙烯或聚酰亚胺或其他高分子绝缘材料。
7.根据权利要求1所述的旁路开关，其特征在于：所述开关还包括不锈钢金属外壳，所述地电极与不锈钢金属外壳相连并直接接地，所述针电极用于施加触发电压脉冲。
8.根据权利要求3所述的旁路开关，其特征在于：所述圆台结构的母线和下底面成45度角。
9.根据权利要求1所述的旁路开关，其特征在于：
所述旁路开关还包括一高压电极套管、一针电极套管，所述高压电极套管中贯穿一高压电极连接杆，所述针电极套管中贯穿一针电极连接杆；
外壳包括上盖和下盖，所述上盖包括一上盖通孔，所述下盖包括一下盖通孔；
所述上盖和下盖通过开关外壳密封槽被密封在一起，且所述上盖和下盖还在所述外壳密封槽处通过螺栓被紧固；
所述高压电极与地电极位于所述外壳中，所述高压电极靠近上盖，所述地电极靠近下盖，且位于所述外壳中的地电极通过螺纹柱固定在所述下盖的内表面，且：
(1)所述高压电极套管通过所述上盖通孔与所述高压电极相连接，所述高压电极连接杆与所述高压电极相连接，所述高压电极通过高压电极连接杆与外部的高压相连，并通过高压电极套管固定在所述上盖并与外壳绝缘；
所述高压电极套管与外壳的上盖之间通过高压电极套管密封槽进行密封，所述高压电极套管与高压电极连接杆之间通过高压电极连接杆密封槽进行密封；
(2)所述针电极套管通过所述下盖通孔与伸入所述地电极，所述针电极连接杆与所述针电极相连接，所述针电极通过针电极连接杆与外部的触发电压相连，并通过针电极套管固定在所述下盖并与外壳绝缘；所述针电极套管与外壳的下盖之间通过针电极套管密封槽进行密封，所述针电极套管与针电极连接杆之间通过针电极连接杆密封槽进行密封。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE Effective date: 20141029 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Liu Xuandong Inventor after: Liu Shanhong Inventor after: Li Zhibing Inventor after: Yan Xianglian Inventor after: Zhang Qiaogen Inventor after: Tie Weihao Inventor before: Liu Xuandong Inventor before: Liu Shanhong Inventor before: Zhang Qiaogen Inventor before: Tie Weihao |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: LIU XUANDONG LIU SHANHONG ZHANG QIAOGEN TIE WEIHAO TO: LIU XUANDONG LIU SHANHONG LI ZHIBING YAN XIANGLIAN ZHANG QIAOGEN TIE WEIHAO |
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Effective date of registration: 20141029 Address after: 710049 Xianning West Road, Shaanxi, China, No. 28, No. Applicant after: Xi'an Jiaotong University Applicant after: China Electric Power Research Institute Address before: 710049 Xianning West Road, Shaanxi, China, No. 28, No. Applicant before: Xi'an Jiaotong University |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20151221 Address after: 710049 Xianning West Road, Shaanxi, China, No. 28, No. Applicant after: Xi'an Jiaotong University Applicant after: China Electric Power Research Institute Applicant after: State Grid Corporation of China Applicant after: State Grid Henan Electric Power Company Address before: 710049 Xianning West Road, Shaanxi, China, No. 28, No. Applicant before: Xi'an Jiaotong University Applicant before: China Electric Power Research Institute |
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| GR01 | Patent grant |