CN104637734B - 无电弧电力断路器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无电弧电力断路器，其特征是，由机械开关K(单相或三相)、电力电子可逆开关D(与K对应的单相或三相)、控制器P、检测仪表V1和V2构成，K与D组成受控于P的双开关通道，接于高压输入(IR)和输出(OUT)之间，K的主触点与D并接，D的控制极r接智能控制器P，在断路器跳闸时，K触点先断而D滞后截止，合闸时D率先导通而K触点滞后闭合，利用电力电子开关的无电弧通断特性保证K触点的入端和出端在通或断的瞬间由于D的导通而接近0电压，因此不产生电弧，用这种无电弧电力断路器替代结构复杂的传统型高压电力断路器。
Description
技术领域
本发明涉主要涉及电力领域的大功率断路器，特别是涉及3、6、10KV及以上电压级别的中、高压电力断路器。
背景技术
有史以来，安装在电力系统的供配电设备内的各类大功率断路器特别是中、高压断路器之所以可按照人的意志任意接通或断开各类负载电路，尤其是能可靠地断开短路类故障电路，关键在于断路器灭弧系统的灭弧功能。
众所周知，在操控非空载电路时，断路器的载流主触点在接通前或断开后的瞬间，由于动作触点之间电压较高而形成强电场、造成介质或空气电离击穿，因而无不产生电弧。电路中工作电流越大、电压越高则电弧越严重。在1KV(1000V)及以下系统中，防电弧的技术相对容易，成本相对偏低。但3KV(3000V)及以上高压系统的防电弧技术和成本则不容忽视，对10KV(10000V)少油断路器而言，仅在开断20kA级别的短路电流时，其所产生的电弧功率就可达10兆瓦(10000KW)以上，断路器动、静触头之间的电弧柱温度可达6000-7000摄氏度，甚至超过10000摄氏度，电弧可以导致所在电路发生相间短路故障，而短路电弧会造成电力系统的巨大恶性事故。因此，没有灭弧技术则大功率负载电路特别是中高压负载电路的接通和断开是无法实现的，故障电路的切除更是不可能的。只有保证安全灭弧才能保证断路器接通或断开的动作成功，特别是断路器主触点在断开短路故障电流的瞬间，若不能可靠灭弧必然会引发毁灭性的灾难。
迄今为止，电力系统普遍在线运行的3KV以上的高压断路器主要分为三大类：即“油断路器”(分“多油开关”与“少油开关”)、真空断路器和SF6(六氟化硫)断路器。其中油断路器的密闭灭弧室内装有绝缘油，断路器主触头是浸泡在油里工作的，靠油的绝缘作用和与空气的隔绝作用熄灭通断电路瞬间产生的强烈电弧；真空断路器的密闭灭弧室内是高度真空的，利用真空的绝缘作用来抑制电弧；而SF6断路器的灭弧室内则装有用于灭弧的六氟化硫液体。油断路器存在着故障情况下随时可能引起爆炸、喷溅、燃烧等扩大事故范围的危险，因此正在逐步被真空断路器和SF6断路器替代；而真空开关结构复杂且适用的电流和电压级别有限；SF6断路器断流和灭弧效果比较理想但复杂程度和成本超过真空断路器；也有一些其他方式灭弧的断路器但由于技术或安全等原因而应用不够普及。
油断路器诞生于1895年，推广于1930年之前，目前主要应用于3、6、10KV及以上的高压系统中。真空断路器始见于50年代(我国独立研制真空断路器始于70年代)，最初常见于～380/220V系统和～690V系统，后来逐步进入3、6、10KV系统；而SF6断路器是近年来发展起来的新型断路器，最常见于10KV配电系统；真空开关成熟于上世纪末，推广于本世纪初，但目前只在室内的10KV及以下系统有使用，其额度容量有限。
对于市场上已有的任何一种高压断路器而言，其灭弧课题始终是产品研发和设计的最关键点。任何种类的高压断路器的灭弧室内都必须同时具备“密闭空间、灭弧介质和吹弧气流”三个条件，其封闭工艺要高度可靠，灭弧系统要科学，灭弧介质的质量要纯，灭弧室内的开关触点还必须具备“贵重的金属合金材料、耐高温，接触快速和强有力”三个条件。众所周知，在电弧的副作用下，各类高压断路器的使用寿命大大降低，工艺结构变得异常复杂。
以灭弧为前沿课题的中、高压断路器产品自问世以来，不断地演绎、变化和推陈出新，其寿命已超过一个世纪，国内外的灭弧技术一直在提高和创新，但始终没有找到最廉价的科学方法，基本原理一直没有革新，古老的灭弧课题不变，断路器的结构就无法简化，高额的附加成本就一直无法避免。
电力电子技术的发展推动了大功率电力电子开关和模块的诞生，由于电力电子模块的导通或截止状态的改变是靠半导体材料内部的自由电子的扩散和停止扩散的结果，其过程无电弧发生，由此启发了人们用电力电子开关(即无触点开关)替代机械开关(有触点开关)的思路。无触点开关产品曾经在上世纪90年代如火如荼地发展和进步，业内人士均认为各类大功率断路器都将走进“无触点”时代，然而，实践中发现：大功率电力电子模块长时间承载负荷电流产生较大的功耗，其无法回避的热隐患给系统安全带来更大风险和隐患，故无法替代机械开关，更无法代替中、高压电力断路器。
电力断路器诞生一百多年来，产品研发的专家们始终锁定灭弧课题苦苦攻关；而电力电子技术诞生几十年来，产品研发的专家们始终以高效、高速和低热为课题苦苦攻关，无人问津断路器基本结构和基本模式的改变，无人推出既可以规避开关电弧、又可以规避在线热损耗风险的大功率断路器方案。
发明内容
本发明提供一种能规避灭弧课题的新型无电弧电力断路器，由大功率电力电子可逆开关D和普通不带灭弧系统的传统机械类开关K构成双开关通道，即K通道和D通道，在控制器P的控制下，合闸时保证D通道先导通、K通道后通，跳闸时保证K通道先断而D通道后断；长期承载负荷电流靠K通道，合闸前或跳闸后的瞬间靠D的导通状态消除K的动、静触头之间的电压，从而保证K通道的断开或闭合不产生电弧。用这种无电弧型高压断路器替代前述各类传统的高压断路器，不仅可以广泛可以使用在1KV及以下的各类电力系统中，也可以使用在3KV、6KV、10KV及以上(如22KV、33kv和66KV等级)的高压电力系统中，推而广之，如果研发成功超高电压型大功率电力电子开关，此类断路器还可以广泛使用在超高电压电力系统中。
传统断路器结构的分型复杂、外部形状各异、控制和保护电路繁复、灭弧室内内的秘密却大同小异，载流动触头与静触头之间或分或合的物理动作及其简单，但却危机重重！近百年来，业内人士对高压断路器电弧事故的高度恐惧心里和防范意识一直难以解脱，而在无电弧型电力断路器中则不存在电弧的困扰，能使载流触点或分或合的简单动作回归自然。
实施本专利，可改写一百年多年来各类高压断路器的传统结构，不但能节省断路器的大量成本(人力的、技术的、材料的)，成倍提高其安全性、可靠性和使用寿命，还能刺激电力电子器件研发商及生产商把电力电子器件的研发兴趣和目标指向超高电压领域，从而促进超高电压领域新型电力开关产品的诞生，并促进超高电压领域无电弧型断路器的研发和生产，从而推动电力开关领域的技术变革和飞跃。
本专利的突出优点是规避了灭弧所面临的一系列难题，省去了专为灭弧设计的所有附加机构，突破了传统的高压断路器在接通或断开负荷电路与短路故障电路时受到电弧严重威胁的瓶颈，除了降耗增安全，还特别适用于实现智能控制，有利于未来智能电网的构建。
附图说明
图1为本专利产品的单相触点结构示意图；
图2为本专利产品的三相主接线原理示意图；
图3为传统断路器灭弧室内基本结构示意图；
图4为灭弧室内弧吹系统的4种方案示意图。
1-静触头接线座、2-触头支座、3-分子筛、4-弧触头座、5-静弧触头、6-触座、7-触指、8-触指弹簧、9-均压罩、10-喷管、11-压环、12-动弧触头、13-护套、14-逆止阀、15-滑动触指、16-触指弹簧、17-触座、18-压气缸、19-动触头、20-接头、21-缸体、22-拉杆、23-导向板、24-瓷套装配。
①-输入母线、②-输出母线、③-动触头、④-静触头、⑤-灭弧室顶盖、⑥-吹弧气流、⑦-电弧、⑧-灭弧室底座、⑨-灭弧室内介质。
具体实施方式
如图1，2所示，新型无电弧电力断路器由大功率电力电子可逆开关D、普通机械开关K、具有监控功能的控制器P及具有监测功能的仪表V1和V2构成，D与K的主触点并联后组成无电弧型高压断路器的双开关通道，连接于回路输入(IR)和回路输出(OUT)之间，其工作原理说明如下：
分闸过程(即跳闸过程)：分闸之前K通道承载电流，D通道可以是截止状态，也可以是导通状态(K触点的闭合使D的正负极被短接，极间电压接近0，故即使是导通状态其流过的电流也接近于0)，当监测到电路故障并判定需要分闸或收到人工手动分闸命令后，P首先控制D可靠导通，然后控制K触点分断，流经K通道的负载电流或故障电流会随着K主触点的断开而自动转移至D通道，K通道与D通道实现负载电流的无电弧交接后并接收到K触点已可靠开断后D立刻截止，而D在截止过程中毫无电弧发生，断路器在整个断路过程中没有电弧产生，全过程在30ms-80ms(可调)内可完成。电路开断(即断路器分闸)后P保证K和D始终处于电路阻断状态，确保不会发生合闸误动作。
合闸过程(即接通过程)：在D和K的主触点均处于断路状态的情况下，当监测到合闸需求信号(备自投信号)或人工手动合闸指令后，P首先控制D导通，监测到D已经可靠导通的信号后立即控制K触点闭合，由于K触点闭合前D已经承载全部负荷电流，因此K触点的入端和出端几乎是在0电压下完成闭合，因此不产生电弧，K触点闭合后便自动接替D承载负载电流(D的正、负极又被K的主触点短接)，此后的D通道可以继续开通(不影响K工作，也不会产生热量)，也可以自动截止，控制器P则进入对电路电压、电流、及电力电子开关情况的监控和监测状态，做好紧急跳闸和故障报警的准备。
所述机械开关K是指普通的、无灭弧装置的、不需要特殊合金的继电器类或其他电控类机械开关，也可以是具有载流主触点的电磁储能类或机械储能类开关等，其主触点受控于动作线圈，而线圈受控于控制器P或受控制器控制的继电器，其主触点的入端和出端分别连接电力电子可逆开关D的入端和出端，而线圈的控制线连接P。
所述电力电子可逆开关D可以是半控型或全控型电力电子器件或模块(例如：SCR、GTR、GTO、IGBT、IGCT、IEGT、SIT、BSIT、SITH、IPM、PIC、MOSFET或P-MOSFET等)，其输入端和输出端分别与K的入端和出端连接，其控制极r连接P。
所述控制器P，可以是各类计算机、单片机或芯片、控制板、工控机(如PLC等)、各类控制仪表或智能控制模块等。P的信号线与电流或电压监测仪表(V1、V2)相连，其控制线既要与D的控制极r相连，又要与K的控制线圈或线圈控制器(继电器类)相连。
所述监测仪表V1和V2，以是任何一种电量变换装置(如电压或电流变换器、波形畸变率或电压波动幅度或电流变化率类变换器类)或监测类仪表或监测器件(例如霍尔元件类)等，以隔离的模式分别装设在断路器的输入端(IR)和输出端(OUT)。其信号线连接P。
受大功率电力电子器件耐压水平现实的影响，本发明主要适用于3KV、6KV、10KV、33KV、66KV及以下电压级别的电力系统断路器，本领域技术人员知悉，在本发明的技术思路框架下，可以通过串联使用大功率电力电子器件来实现33KV、66KV及更高电压级别的电力系统的无电弧通断，而在大功率、高耐压型电力电子器件成功问世后，可以直接采用大功率高耐压级别的电力电子器件与普通机械开关配合实现更高电压领域的无电弧通断。因此，本发明的电压适用范围并不受限制，只要是在强电领域内以规避电弧为目的而采用电力电子器件或模块与普通机械开关联合组成无电弧电力断路器或大功率无电弧开关就是本专利的保护范围。
Claims (2)
1.一种无电弧电力断路器，其特征是：由机械开关(K)、电力电子可逆开关(D)、控制器(P)、第一监测仪表(V1)、第二监测仪表(V2)构成，所述机械开关(K)与所述电力电子可逆开关(D)组成受控于所述控制器(P)的双开关通道，连接于高压输入和输出之间，所述机械开关(K)的主触点与所述电力电子可逆开关(D)并接，所述电力电子可逆开关(D)的控制极(r)接所述控制器(P)，在断路器跳闸时，所述机械开关(K)主触点先断而所述电力电子可逆开关(D)滞后截止，合闸时所述电力电子可逆开关(D)率先导通而机械开关(K)主触点滞后闭合，利用电力电子可逆开关(D)的无电弧通断特性保证机械开关(K)主触点的入端和出端在通或断的瞬间由于所述电力电子可逆开关(D)的导通而接近零电压，因而不产生电弧；
所述机械开关(K)为单相或三相，所述电力电子可逆开关(D)为单相或三相，所述电力电子可逆开关(D)的极数与所述机械开关(K)的极数相同；
分闸之前所述机械开关(K)通道承载电流，所述电力电子可逆开关(D)通道为截止状态，或是导通状态，当监测到电路故障并判定需要分闸或收到人工手动分闸命令后，所述控制器(P)首先控制所述电力电子可逆开关(D)可靠导通，然后控制所述机械开关(K)主触点分断，流经所述机械开关(K)通道的负载电流或故障电流会随着所述机械开关(K)主触点的断开而自动转移至所述电力电子可逆开关(D)通道，所述机械开关(K)通道与所述电力电子可逆开关(D)通道实现负载电流的无电弧交接后并接收到所述机械开关(K)主触点已可靠开断后所述电力电子可逆开关(D)立刻截止，而所述电力电子可逆开关(D)在截止过程中毫无电弧发生，断路器在整个断路过程中没有电弧产生，全过程在30ms-80ms内完成，断路过程时间可调；电路开断后所述控制器(P)保证所述机械开关(K)和所述电力电子可逆开关(D)始终处于电路阻断状态，确保不会发生合闸误动作；
在所述电力电子可逆开关(D)和所述机械开关(K)的主触点均处于断路状态的情况下，当监测到合闸需求信号或人工手动合闸指令后，所述控制器(P)首先控制所述电力电子可逆开关(D)导通，监测到所述电力电子可逆开关(D)已经可靠导通的信号后立即控制所述机械开关(K)主触点闭合，由于所述机械开关(K)主触点闭合前所述电力电子可逆开关(D)已经承载全部负荷电流，因此所述机械开关(K)主触点的入端和出端是在零电压下完成闭合，因此不产生电弧，所述机械开关(K)主触点闭合后便自动接替所述电力电子可逆开关(D)承载负载电流，此后的所述电力电子可逆开关(D)通道继续开通，不影响所述机械开关(K)工作，不会产生热量，或自动截止，控制器(P)则进入对电路电压、电流及电力电子开关情况的监控和监测状态，做好紧急跳闸和故障报警的准备；
所述机械开关(K)是指普通的、无灭弧装置的、不需要特殊合金的电控机械开关，或是具有载流主触点的电磁储能或机械储能开关；
所述机械开关(K)主触点受控于动作线圈，而线圈受控于控制器(P)或受控制器(P)控制的继电器，所述机械开关(K)主触点的入端和出端分别连接电力电子可逆开关(D)的入端和出端，而线圈的控制线连接所述控制器(P)；
所述第一监测仪表(V1)和第二监测仪表(V2)为包括霍尔元件的监测仪表，或为电压或电流变换器或波形畸变率变换器或电压波动幅度变换器或电流变化率变换器，以隔离的模式分别装设在断路器的输入端和输出端，所述第一监测仪表(V1)和第二监测仪表(V2)的信号线连接所述控制器(P)；
所述控制器(P)为计算机或单片机或芯片或控制板或控制仪表，所述控制器(P)的信号线接电路第一监测仪表(V1)、第二监测仪表(V2)及人工输入信号装置，所述控制器(P)的控制线接所述电力电子可逆开关(D)的控制极和所述机械开关(K)的线圈控制装置。
2.根据权利要求1所述的无电弧电力断路器，其特征是：电力电子可逆开关(D)的极数与所述机械开关(K)的极数相同，当所述电力电子可逆开关(D)的极数为三相时，由三个单相分立构成，或封装在一体化的模块内。
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