CN104766756B - 一种基于直线电机操动机构的新型co2气体间隙与真空间隙串联高压断路器 - Google Patents

一种基于直线电机操动机构的新型co2气体间隙与真空间隙串联高压断路器 Download PDF

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Abstract

一种基于直线电机操动机构的新型CO2气体间隙与真空间隙串联的高压断路器，属于电力高压大容量断路器领域。本发明所涉及的新型断路器中竖直放置的CO2气体间隙与水平放置的真空间隙呈L型串型连接，其断路器控制器包含直线电机恒轨迹测控单元和两间隙协同动作测控单元，可控制直线电机按照预定轨迹运动，并实时调控两间隙内触头协同动作关系，以最佳协同动作效果完成电力系统分、合闸指令。该断路器与转移支路和能量吸收支路并联可组成直流断路器。使用CO2气体替代SF6气体作为灭弧介质，有益于环境保护。

Description

一种基于直线电机操动机构的新型CO2气体间隙与真空间隙串 联高压断路器
技术领域
本发明属于电力高压大容量断路器领域，涉及一种基于直线电机操动机构的新型CO2气体间隙与真空间隙串联高压断路器，填补国内空白。
技术背景
近年来，我国的交直流输电电压等级不断提高，发展耐压水平更高、开断容量更大的高压断路器势在必行。目前高压断路器领域主要有两种断路器，一种是真空断路器，一种是SF6断路器。SF6断路器采用SF6气体作为灭弧介质，其具有优异的灭弧性能与良好的电气绝缘特性，在110kV及以上电压等级电力系统中SF6断路器占据主导地位。研究发现，大电流开断时较大的开断电流下降率（di/dt）和弧后恢复电压上升率（RRRV）对SF6断路器的开断能力产生很大影响。另外，SF6气体是一种温室气体，具有很高的全球变暖潜能值(GWP)且分解物为有毒气体，其废气一旦泄露会对人和环境带来严重危害。因此，减少SF6气体的使用已成为人们的共识，寻找替代SF6断路器的环保型断路器是当今高压断路器领域研究的一个热点。
CO2气体、c-C4F8气体、CF3I-CO2混合气体等替代气体都有相对优异的灭弧性能，且其GWP都远小于SF6气体，ABB公司已研制出72.5kV CO2气体断路器。真空断路器以真空为绝缘和灭弧介质，真空介质具有优异的承受开断电流下降率（di/dt）和弧后电压上升率（RRRV）的能力，在配电领域已经取得了广泛的应用。但真空间隙耐压强度与间隙长度的非线性增长关系使长真空间隙绝缘难以实现，制约了单断口真空断路器向更高电压等级发展；多断口真空断路器虽然可实现高电压等级的开断，但其断口间的同步控制、动静态均压技术复杂，且制造成本较高，在很大程度上限制了多断口真空断路器的发展。
若利用气体间隙和真空间隙的优点，串联两种间隙在电弧电流过零后首先由真空间隙承担瞬态起始恢复电压，在气体间隙介质绝缘强度恢复后再由其承担主要的恢复电压，可在最大限度上克服两种介质的缺点，实现性能互补。基于“碳捕捉”技术收集CO2气体作为断路器的一种灭弧介质可以避免SF6气体使用，并减少大气中CO2气体的排放量；将真空间隙与CO2气体间隙串联可以有效帮助CO2气体介质强度快速恢复，提高断路器整体开断能力。为达到断路器最大开断能力，需精确控制气体间隙与真空间隙协同动作精度，尽可能减小操动机构分散性。国外现有的间隙串联混合断路器操动结构复杂，难易实现操动机构的低分散性，实用性差难以推广应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于直线电机操动机构的新型CO2气体间隙与真空间隙串联高压断路器；设计一包含直线电机恒轨迹测控单元和两间隙协同动作测控单元的断路器控制器，通过光电技术实现直线电机运动轨迹与预设值精确吻合和两间隙动触头协同动作关系的实时调整，降低断路器触头动作分散性；通过并联接入LC转移支路和避雷器能量吸收支路断路器可进行直流电路开断。
本发明的技术方案是：
该断路器由CO2气体间隙和真空间隙串联组成，CO2气体间隙部分包括CO2气体灭弧室端盖法兰、CO2气体灭弧室、CO2气体灭弧室动触头及导电拉杆、感应线圈、气罐、充气阀、放气阀、带行程补偿气室拉杆、绝缘拉杆、直线电机动子端、直线电机、上复合材料绝缘套管。真空间隙部分包括真空灭弧室端盖法兰、真空灭弧室、真空灭弧室动触头及其拉杆、感应线圈、蝶形弹簧、真空灭弧室外拉杆、拐臂连杆、右复合材料绝缘套管。此外还包括连接室、绝缘支柱、控制箱、控制器（含直线电机恒轨迹测控单元和两间隙协同测控单元）、直线电机、支座。
CO2气体间隙部分竖直放置，上复合绝缘材料套管顶端与CO2气体灭弧室端盖法兰连接，上复合材料绝缘套管内部为CO2气体灭弧室，感应线圈嵌入上复合材料绝缘套管内部位于灭弧室下方；CO2气体灭弧室底端与连接室相连，连接室等电位连接竖直放置的CO2气体灭弧室底端和右侧水平放置的真空灭弧室左端；连接室内，CO2气体灭弧室动触头及导电拉杆与带行程补偿气室拉杆上端的气室部分直连，带行程补偿气室拉杆下端与绝缘拉杆相连，行程补偿气室通过由断路器控制器控制的充气阀和放气阀与气罐连接；绝缘拉杆与直线电机动子端相连。
真空间隙部分水平放置，右复合材料绝缘套管左端与连接室右端连接，真空灭弧室在右复合材料绝缘套管内部；连接室内，真空间隙部分的拐臂连杆通过滑槽与CO2气体间隙部分的带补偿气室拉杆连接，拐臂连杆长短臂长度比例一定且拐点的位置固定，连杆短臂端与真空灭弧室外拉杆通过短滑槽连接；真空灭弧室外拉杆经碟形弹簧与真空灭弧室动触头及其拉杆相连；右复合材料绝缘套管右端与真空灭弧室端盖法兰连接。
连接室底部与绝缘支柱顶部相连，绝缘支柱底部和处于低电位的控制箱顶部连接；控制箱内装有断路器控制器和直线电机，断路器控制器包含直线电机恒轨迹测控单元和两间隙协同动作测控单元；控制箱底部与断路器支座相连；CO2气体灭弧室端盖法兰和真空灭弧室端盖法兰分别与电力系统母线连接。
该断路器控制器负责接收电力系统的分、合闸信号，控制器直线电机恒轨迹测控单元经分析计算后对直线电机发出操动指令并实时调控其动子运动轨迹，使其与设定曲线吻合，完成分、合闸操作；同时控制器两间隙协同测控单元监测两间隙触头的协同动作关系控制充气阀或放气阀动作，改变气室气压微调CO2气体间隙动触头拉杆行程，调节两间隙协同动作关系，若需增大动触头及其拉杆运动行程时控制放气阀放气，若需减少动触头及其拉杆行程则控制充气阀充气；处于低电位的直线电机由低电位供电，电磁阀由感应线圈及储能延时电路供电。
该断路器并联接入LC转移支路和避雷器能量吸收支路可组成直流断路器，断路器断开时转移支路开关闭合，断路器与LC转移支路相互作用并在人工过零点开断电弧，最终在能量吸收支路避雷器的配合下完成直流电流开断。
该断路器设计基于现有的气体灭弧室、真空灭弧室、直线电机及光电测控等技术。处于低电位的断路器控制器接收来自电力系统的分、合闸信号实现断路器动作响应。CO2气体间隙与真空间隙采用串联方式，直线电机驱动两个间隙的动作，由真空间隙承担上升率较大的瞬态起始恢复电压，CO2气体间隙承担之后主要的恢复电压和系统稳态电压；直线电机拉动绝缘拉杆带动CO2气体灭弧室动作并同时通过滑槽联动拐臂连杆带动真空灭弧室动作；断路器控制器根据直线电机动子行程、两灭弧室触头协同状态通过光电技术实现直线电机运动轨迹与预设值精确吻合及两间隙动触头协同动作关系的实时调整，实现CO2气体间隙与真空间隙协同动作的控制策略。
本发明的有益效果是在高电压等级断路器中采用CO2气体间隙与真空间隙串联技术，使用“碳捕捉”技术收集的CO2气体替代传统的SF6气体，避免SF6气体使用减小其对环境的影响；采用运动行程较大的直线电机操动机构满足更高电压等级断路器对操动机构行程和力矩的要求，通过断路器控制器的直线电机行程测控单元使电机动子运动轨迹与预设值精确吻合，通过两间隙协同动作测控单元实时测控调整两间隙动触头运动状态，降低操动机构动作分散性实现开断过程两串联间隙协同动作策略；通过并联接入LC转移支路和避雷器能量吸收支路可组成直流断路器，断路器断开时转移支路开关闭合，断路器与LC转移支路相互作用并在人工过零点开断电弧，最终在能量吸收支路避雷器的配合下完成直流电流开断。
附图说明
图1是断路器结构图示意图
图2是断路器内部结构示意图
图3是断路器控制系统示意图
图4是断路器开断直流电路示意图
图中：
1 CO2气体灭弧室端盖法兰；2上复合材料绝缘套管；
3 CO2气体灭弧室静触头；4 CO2气体灭弧室；5 CO2气体灭弧室动触头
及导电拉杆；6 感应线圈；7 连接室；8右复合材料绝缘套管；
9 感应线圈；10 碟形弹簧；11 真空灭弧室外拉杆；
12 真空灭弧室端盖法兰；13 真空灭弧室；14 真空灭弧室静触头；
15 真空灭弧室动触头及其拉杆；16 拐臂连杆；17 气罐；
18 充气阀和放气阀；19 补偿气室；20 带行程补偿气室拉杆；
21 绝缘拉杆；22 绝缘支柱；23 直线电机动子端；24 直线电机；
25 断路器控制器（含直线电机恒轨迹测控单元和两间隙协同测控单元）；
26 控制箱；27 支座；28 系统信号；29 直线电机恒轨迹测控单元；
30 两间隙协同测控单元；31 光电行程测控装置；32 转移支路开关；
33 高压断路器；34 电容器组；35 电感；36 高压避雷器；
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实例。
该高压断路器处于正常导通工作状态时，电力系统电流由与母线相连的CO2气体灭弧室端盖法兰1流入，经CO2气体灭弧室4、CO2气体灭弧室静触头3、CO2气体灭弧室动触头及导电拉杆5、连接室7到真空间隙部分，再由连接室7、真空空间隙动触头及其拉杆15、真空灭弧室静触头14、真空灭弧室13到与系统母线连接的真空灭弧室端盖法兰12流出。绝缘拉杆21和绝缘支柱22将断路器的高压部分与低压部分隔离，直线电机24由低电位供电。
当断路器控制器25接收到电力系统发来的动作信号28时，通过直线电机恒轨迹测控单元29实时计算控制直线电机24动作，直线电机24经直线电机动子端23拉动绝缘拉杆21向下运动，绝缘拉杆21拉动行程补偿气室拉杆20向下，行程补偿气室拉杆20由于补偿气室19的存在将会在t时刻微小延时后拉动CO2气体灭弧室动触头及其导电拉杆5向下运动完成CO2气体间隙分闸，时间t的大小与密闭气室19内的气压有关；同时行程补偿气室拉杆20经滑槽带动拐臂连杆16沿滑槽运动，拐臂连杆16的短拐臂部分带动真空灭弧室外拉杆11沿水平方向运动，真空灭弧室外拉杆11经碟形弹簧10拉动真空灭弧室动触头及其拉杆15水平向左运动，真空间隙分闸；补偿气室气压由断路器控制器25的两间隙协同测控单元30根据触头状态调控，控制充气阀和放气阀18动作，决定由气罐17向密闭气室19内进行充、放气操作，调节气室气压，控制时间t变化；若需t变大时控制充气阀动作，需t变小时控制放气阀动作；真空间隙触头先分离承受瞬态起始恢复电压，随后CO2气体间隙承受主要的恢复电压，两间隙协同完成电流开断。合闸动作过程与分闸类似，但对其间隙协同动作精度要求相对较低，真空间隙先于CO2气体间隙合闸。
该断路器用于直流电路开断时可与图4所示电路并联。收到系统的分闸指令时，高压断路器33分断，转移支路开关32闭合，高压断路器33产生的直流电弧与转移支路的电容器34与电感35相互作用产生震荡电流，在合适的电流过高压断路器33完成内部电流开断；电容器组34继续充电，当达到高压避雷器36的阈值时避雷器36导通，系统电流I下降至零，转移支路开关32断开，完成直流电路开断。

Claims (3)

1.一种基于直线电机操动机构的新型CO2气体间隙与真空间隙串联高压断路器，其特征在于：由CO2气体间隙和真空间隙串联组成，CO2气体间隙部分包括CO2气体灭弧室端盖法兰（1）、上复合材料绝缘套管(2)；CO2气体灭弧室静触头(3)；CO2气体灭弧室（4）、动触头及导电拉杆（5）、第一感应线圈（6）、连接室（7）、气罐（17）、充气阀和放气阀（18）、气罐（19）、带行程补偿气室拉杆（20）、绝缘拉杆（21）、绝缘支柱（22）、直线电机动子端（23）、直线电机（24）、控制器（25）、控制箱（26）、支座（27）,真空间隙部分包括右复合材料绝缘套管（8）、第二感应线圈（9）、蝶形弹簧（10）、真空灭弧室外拉杆（11）、真空灭弧室端盖法兰（12）、真空灭弧室（13）、真空灭弧室静触头（14）、真空灭弧室动触头及其拉杆（15）、拐臂连杆（16）；CO2气体间隙部分竖直放置，上复合绝缘材料套管（2）顶端与CO2气体灭弧室端盖法兰（1）连接，上复合材料绝缘套管（2）内部为CO2气体灭弧室（4），第一感应线圈（6）嵌入上复合材料绝缘套管（2）内部位于灭弧室（4）下方，CO2气体灭弧室（4）底端与连接室（7）相连，连接室（7）等电位连接竖直放置的CO2气体灭弧室（4）底端和右侧水平放置的真空灭弧室（13）左端；连接室（7）内，CO2气体灭弧室动触头导电拉杆（5）与带行程补偿气室拉杆（20）上端的气室部分直连，带行程补偿气室拉杆（20）下端与绝缘拉杆（21）相连，行程补偿气室（19）通过由断路器控制器控制的充气阀和放气阀（18）与后方气罐（17）连接，绝缘拉杆（21）与直线电机动子端（23）相连；真空间隙部分水平放置，右复合材料绝缘套管（8）左端与连接室（7）右端连接，真空灭弧室（13）在右复合材料绝缘套管（8）内部；连接室（7）内，真空间隙部分的拐臂连杆（16）通过滑槽与CO2气体间隙部分的带补偿气室拉杆（20）连接，拐臂连杆（16）长短臂长度比例一定且拐点的位置固定，拐臂连杆（16）短臂端与真空灭弧室外拉杆（11）通过短滑槽连接；真空灭弧室外拉杆（11）经碟形弹簧（10）与真空灭弧室动触头及其拉杆（15）相连，右复合材料绝缘套管（8）右端与真空灭弧室端盖法兰（12）连接；连接室（7）底部与绝缘支柱（22）顶部相连，绝缘支柱（22）底部和装有断路器控制器（25）和直线电机（24）的控制箱（26）顶部连接，断路器控制器（25）包含直线电机恒轨迹测控单元（29）和两间隙协同动作测控单元（30），控制箱（26）底部与断路器支座（27）相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于直线电机操动机构的新型CO2气体间隙与真空间隙串联高压断路器，其特征还在于：该高压断路器的断路器控制器（25）负责接收处理电力系统的分、合闸信号，其直线电机恒轨迹测控单元（29）计算后控制直线电机（24）使直线电机动子端（23）运动轨迹与预设值精确吻合，降低操动机构动作分散性；其两间隙协同动作测控单元（30）实时测量两间隙动触头协同动作状态控制充气阀或放气阀动作，微调动触头及其拉杆运动行程，实现开断过程两串联间隙协同动作策略。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于直线电机操动机构的新型CO2气体间隙与真空间隙串联高压断路器，其特征还在于：该高压断路器并联接入LC转移支路和避雷器能量吸收支路可组成直流断路器；高压断路器（33）断开时转移支路开关（32）闭合，高压断路器（33）与LC转移支路相互作用，在能量吸收支路高压避雷器（36）的配合下完成直流断路器的开断过程。
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