CN104637754A - 无电弧型矩阵智能桥式高压断路器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无电弧型矩阵智能桥式高压断路器，由机械开关K、桥开关、控制器P、输入输出监测仪表V1及V2构成，桥开关以二极管D1、D2、D3、D4为桥壁、以无触点开关矩阵为桥，其矩阵由M(M≥2)行、N(N≥2)列无触点开关组成，且行开关正负极首尾相接(串联)，桥开关入端(D2正极)与K触点入端同接电源输入(IR)端，其出端(D4正极)与K触点出端同接负载(OUT)端，其控制极接P，P还连接K的线圈或驱动装置及V1、V2，分闸时K主触点先断而桥开关后断，合闸时桥开关先通而K触点后通，此类无电弧型高压断路器经济、简单和安全，可使高压断路器的电弧防控课题彻底消失。

Description

无电弧型矩阵智能桥式高压断路器

技术领域

本发明涉主要涉及高压电力领域，特别是涉及3KV以上电压级别的高压断路器。

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之所以可按照人的意志接通或断开各类负载电路，特别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，断路器的动触点和静触点在接通前或断开后的瞬间，因间距很小而在额定电压下形成强电场、造成介质或空气电离击穿，从而产生动、静触点之间的电弧。电路中工作电流越大、额定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负载电路的动作成功，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和常见的分为三大类：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加速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；而真空断路器结构复杂、维修复杂、且分断大电流能力有限；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。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，但基本原理一直没有革新，所面临的前沿课题一直没有改变，任何一代产品的设计首先必须解决好灭弧功能，任何种类的高压断路器的主触头的开或闭都必须同时具备“密闭空间、灭弧介质、吹弧气流和触点耐高温”四个条件。为此，要考虑灭弧室工艺的高度可靠，要保证弧吹系统的科学合理，开关触点要采用耐高温的贵重合金材料，要考虑灭弧介质的质量和纯度......为了灭弧，断路器的结构无法简化，成本居高不下。

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。这些断路器的成本、使用寿命、结构形式和电气性能主要决定于灭弧功能和主触头合金的质量，如何保证主触点在接通和断开有载电路(特别是断开短路故障电路)瞬间所产生的强大电弧不造成事故，始终是产品研发和设计的最关键点。虽然灭弧要求使断路器结构异常复杂，成本增加数倍，但一直在实践中延续；虽然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，灭弧的主题始终无法避免。

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

本发明提供一种无电弧型矩阵智能桥式高压断路器，由普通机械开关K、桥式电力电子开关(简称“桥开关”)、控制器P、输入输出监测仪表V1和V2构成，将无触点开关具有的可无电弧导通和截止的优良特性及机械开关在线承载电流无热隐患的特性有力结合，并规避两者弊端，合闸时桥开关先导通、K触点后闭合，跳闸时K触点先断开而桥开关后截止；长期承载负荷电流靠K触点，合闸前或跳闸后的瞬间靠桥开关的导通状态消除K触点入端和出端之间的电压，从而保证K触点的断开或闭合不产生电弧，用这种无电弧型扩增桥式高压断路器替代前述各类传统的断路器，可以广泛使用在3KV、6KV、10KV、22KV、33kv和66KV等高压电力系统中，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。

实施本专利，可彻底改变已有百年历史的传统型高压断路器的结构，引发高压断路器在基本结构、控制保护电路等方面的重大进步和变革，能快速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。

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。

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，还大大简化了高压断路器的控制保护电路，其智能控制特点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主接线原理示意图

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结构的简单示意图

图4为灭弧室内4种弧吹系统的简化示意图

图1和图2仅为单相和三相之分，其工作原理完全相同，但三相高压断路器中的K，可以是由同一个线圈或驱动装置同步联动三相触点的一体化机械开关，也可以由三个独立的单相机械开关组成。

具体实施方式

如图1，2所示，无电弧型矩阵智能桥式高压断路器由机械开关K、桥开关、控制器P及监测仪表V1和V2构成，桥开关和K的主触点并联后接于电源输入(IR)和电源输出(OUT)之间。

根据桥开关中主开关管的连接方式和数量的不同，无电弧型智能桥式高压断路器的无触点通道分为智能桥式、并联智能桥式、串联智能桥式、矩阵智能桥式、智能桥强控式、并联智能桥强控式、串联智能桥强控式和矩阵智能桥强控式等八种形式，统称之为“桥开关”，本专利所述为矩阵智能桥式，其组成特点是以二极管D1、D2、D3、D4为桥壁，以M行(M≥2)、N列(N≥2)无触点开关管矩阵为桥，原理说明如下：

分闸过程(即跳闸过程)：分闸之前K触点承载电流，桥开关中的开关矩阵可以是截止状态，也可以是导通状态(K触点的闭合使桥开关的入端和出端之间电压接近0，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首先控制矩阵桥可靠导通，然后控制K触点分断，流经K触点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桥开关，K触点与桥开关之间实现负载电流的无电弧交接后等待K触点断开信号，接收到K触点已可靠开断的信号后矩阵桥立刻截止，且在截止过程中毫无电弧发生，整个断路过程不产生电弧，全过程在10ms-100ms(可调)内可完成。电路开断(即断路器分闸)后P保证K触点处于断开状态而桥开关始终处于关闭(开关矩阵截止)状态，确保不会发生合闸误动作。

合闸过程(即接通过程)：在桥开关和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首先控制开关矩阵导通，监测到矩阵桥可靠导通的信号后立即控制K触点闭合，由于K触点闭合前桥开关已经承载全部负荷电流，因此K触点的入端和出端是在接近0电压的情况下完成闭合，因此不产生电弧，K触点闭合后便自动接替桥开关承载负载电流(桥开关的入端和出端被K的触点短接)，此后的桥开关可 以继续开通(不影响K工作，也不会产生热量)，也可以自动关闭(开关管矩阵截止)，控制器P则进入对电路电压、电流、及桥开关参数情况的监控和监测状态，做好紧急跳闸和故障报警的准备。

所述普通机械开关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或驱动装置，而线圈或驱动装置受控于P或由P控制的继电器或接触器，其主触点的入端连接桥开关的入端(D1负极与D2正极连接处)，其出端连接桥开关的出端(D3负极与D4正极连接处)。

所述桥开关，以二极管D1、D2、D3、D4为桥壁、以无触点开关矩阵为桥，其矩阵由M(M≥2)个串联开关组并联构成，而每个串联开关组由N(N≥2)只无触点开关正负极互相串联构成，D2正极和D1负极与K触点入端同接电源输入(IR)端，D4正极和D3负极与K触点出端同接电源输出(OUT)端，D1正极、D3正极与矩阵中第1列开关(T11、T21…TM1)的负极共点连接，D2负极、D4负极与矩阵中第N列开关(T1N、T2N…TMN)的正极共点连接，矩阵内所有开关的控制极共点连接P，在极性连接规则不变的情况下，桥开关中各电力二极管(D1-D4)的位置和矩阵内各开关管的位置均可以互换。D1-D4选高压电力二极管，矩阵内的无触点开关选用半控型或全控型电力电子开关或模块，例如：SCR、GTR、GTO、IGBT、IGCT、IEGT、SIT、BSIT、SITH、IPM、PIC、MOSFET或P-MOSFET等。

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的信号线与监测仪表(V1、V2)相连，其控制线既要与所有无触点开关的控制极相连，又要与K的控制线圈或驱动装置相连。

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(IR)端和输出(OUT)端，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等各电压级别的高压系统断路器，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型电力断路器或大功率无电弧开关就是本专利的保护范围。

然而，随着技术的进步，在本发明的思路指引下，经过其他思路或技术的配合，本发明会被应用于其他技术装置或设计方案中解决或改进其他领域更高级的技术壁垒，考虑到技术进步思路的共享会推动更多领域的技术进步，有利于技术变革和发展的大局，故只要解决的问题和应用范围与本发明不同，即使是全部套用了本发明的思路，也不会被本专利权人视为侵权行为。

Claims (5)

1.一种无电弧型矩阵智能桥式高压断路器，其特征是：由机械开关K、桥开关、控制器P、监测仪表V1和V2构成，其桥开关以二极管D1、D2、D3、D4为桥壁、以M(M≥2)行N(N≥2)列无触点开关矩阵为桥，其行开关正负极互相串联，其第1列开关负极并接、第N列开关正极并接，桥开关入端(D1负极)与K主触点入端同接电源输入(IR)端，桥开关出端(D3负极)与K触点出端同接电源输出(OUT)端，合闸时桥开关先导通而K触点后通，分闸时K触点先断而桥开关后断，开关矩阵的所有的控制极共点连接P，K的线圈或驱动装置受P控制。

2.根据权利要求1所述的无电弧型矩阵智能桥式高压断路器，其特征是：机械开关K，可以是能区分为动触点和静触点的、也可以是不区分动、静触点的各类机械开关，还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，其触点的入端和出端分别连接桥开关的入端和出端，其动作线圈或驱动装置受控于P，也可受控于由P控制的继电器、接触器等。

3.根据权利要求1或2所述的无电弧型矩阵智能桥式高压断路器，其特征是：桥开关，由二极管D1、D2、D3、D4和M(M≥2)行N(N≥2)列无触点开关矩阵构成，各行内开关互相串联，其第1列开关的负极并接、第N列开关的正极并接，D1负极与D2正极连接点为桥开关入端，D3负极与D4正极连接点为桥开关出端，其入端与K触点入端同接电源输入(IR)端，其出端与K触点的出端同接电源输入(OUT)端，矩阵内所有开关的控制极共点连接P，D1-D4为高压电力二极管，矩阵内的开关(T11-T1N…TM1-TMN)可以选用高压电力电子开关或模块，例如：SCR、GTR、GTO、IGBT、IGCT、IEGT、SIT、BSIT、SITH、IPM、PIC、MOSFET或P-MOSFET等。

4.根据权利要求1～3所述的无电弧型矩阵智能桥式高压断路器，其特征是：控制器P，可以是各类计算机、单片机或芯片、控制板、各类控制仪表或智能控制模块等，P的信号线接监测仪表V1、V2和人工外输入信号装置，其控制线接开关矩阵的控制极和K的动作线圈或驱动装置。

5.根据权利要求1～4所述的无电弧型矩阵智能桥式高压断路器，其特征是具有监测功能的仪表V1和V2，可以是任何一种电量变换(如电压或电流、波形畸变、电压波动幅度及电流变化率等)装置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入端和出端，其信号线接P。