CN104810200A - 超快速真空开关装置 - Google Patents

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方春恩
余建华
李伟
李涛
任晓
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Abstract

本发明涉及电力系统高压开关领域，具体为超快速真空开关装置，包括二到四个串联的超快速真空开关模块，超快速真空开关模块的第一操动机构和第二操动机构分别位于第一环氧固封真空极柱和第二环氧固封真空极柱的下方，第一均压装置和第二均压装置分别与第一环氧固封真空极柱和第二环氧固封真空极柱并联；脉冲电流发生器分别与第一操动机构和第二操动机构连接；隔离辅助电源输出第一路直流电压为快速开关控制器提供电源，输出第二路直流电压为脉冲电流发生器提供充电电压；快速开关控制器与脉冲电流发生器连接，快速开关控制器通过光纤与处于地电位的直流断路器控制装置进行通信。该开关装置运动质量轻，响应快，结构简单，易于模块级联扩展。

Description

超快速真空开关装置
技术领域
本发明涉及电力系统高压开关领域，具体为超快速真空开关装置。
背景技术
随着全球能源短缺和环境污染问题的日趋严重，可再生能源的利用和开发受到了世界各国的重视，特别是风电在未来能源供给中的比例将逐步增加。但由于风电出力的间隙性、不确定性和电力系统的消纳能力等问题，风电的有效利用率并不高。基于常规直流及柔性直流的多端直流输电系统和直流电网技术是解决新能源并网和消纳问题的有效技术方案之一。
然而，由于直流系统的阻抗较小，相比于交流输电系统，直流系统的短路电流上升很快、故障影响面广且更加复杂，控制保护难度更大。为了保证直流电网可靠性，作为承载、开断直流网络正常电流以及各种故障电流的保护设备，高压直流断路器应能根据不同网络拓扑在发生故障后2-5ms内切除故障电流，越快越好，这给直流断路器的开断性能提出了很大的挑战。因此，具有高开断能力的快速高压直流断路器是直流电网发展的一个瓶颈，限制着高压直流电网的发展。
目前国内外研究的快速高压直流断路器主要是基于机械开关的人工过零直流断路器和基于大功率电力电子器件、机械开关结合的混合式直流断路器。这两种拓扑结构的高压直流断路器都必须要求高压机械开关在2-5ms内完成快速分断和承受短路电流切除后的系统暂态恢复电压。现有技术中，用于高压直流断路器的机械开关主要存在以下问题：(1)采用弹簧操动机构、液压操动机构或永磁操动机构，这些传统操动机构的动作时间通常在数十ms，响应速度慢；(2)操动机构放在地电位，操动机构通过绝缘拉杆带动灭弧室触头运动，系统运动部分质量大；(3)采用单断口或者双断口，为了满足故障切除后绝缘耐受能力，灭弧室触头开距为数十mm，灭弧室触头运动时间长。因此，现有技术的机械开关很难满足快速高压直流断路器的要求。
发明内容
针对现有技术的不足或改进需要，本发明提供一种响应迅速的超快速真空开关装置。
具体的技术方案为：
超快速真空开关装置，包括二到四个串联的超快速真空开关模块，超快速真空开关模块包括第一环氧固封真空极柱和第二环氧固封真空极柱、第一均压装置和第二均压装置、第一操动机构和第二操动机构、脉冲电流发生器，快速开关控制器和隔离辅助电源；
所述的第一操动机构和第二操动机构分别位于第一环氧固封真空极柱和第二环氧固封真空极柱的下方，并进行等电位连接；所述的第一均压装置和第二均压装置为电容和电阻串联的均压电路，第一均压装置和第二均压装置分别与第一环氧固封真空极柱和第二环氧固封真空极柱并联；
脉冲电流发生器分别与第一操动机构和第二操动机构连接；
隔离辅助电源输出两路直流电压，第一路直流电压为快速开关控制器提供电源，第二路直流电压为脉冲电流发生器提供充电电压；
快速开关控制器与脉冲电流发生器连接，快速开关控制器通过光纤与处于地电位的直流断路器控制装置进行通信，快速开关控制器接收直流断路器控制装置的合分闸命令，控制脉冲电流发生器放电，使得第一操动机构和第二操动机构高速动作，从而实现开关装置的合分闸操作；同时快速开关控制器通过光纤将超快速隔离开关装置的工作状态信息反馈给地电位直流断路器控制装置。
第一操动机构和第二操动机构为结构相同的操动机构，所述的每个操动机构包括驱动杆、双稳态保持装置、分闸线圈、运动线圈、合闸线圈、缓冲装置和操动机构框架；双稳态保持装置包括一对金属连杆，一对金属连杆的一端分别连接在驱动杆顶端两侧，每个金属连杆另一端分别连接一个运动活塞，运动活塞通过弹簧安装在金属圆筒内；分闸线圈、运动线圈、合闸线圈从上到下依次垂直同轴排列；分闸线圈和合闸线圈固定装配在操动机构框架上，运动线圈与驱动杆固定连接，运动线圈随着驱动杆在分闸线圈和合闸线圈之间上下运动；缓冲装置位于驱动杆下端，包括撞击头和多个油缓冲器，撞击头上表面覆有聚氨酯缓冲垫，撞击头下表面通过缓冲器连接板与多个油缓冲器连接。
脉冲电流发生器，包括第一高压脉冲电容器和第二高压脉冲电容器，第一功率二极管和第二功率二极管，第一晶闸管和第二晶闸管，第一高压脉冲电容器和第二高压脉冲电容器由隔离辅助电源提供充电电压；第一高压脉冲电容器、第一功率二极管、第一晶闸管、反向串联的分闸线圈和运动线圈顺序连接构成分闸放电回路；第二高压脉冲电容器、第二功率二极管、第二晶闸管、反向串联的合闸线圈和运动线圈顺序连接构成合闸放电回路。
本发明提供的超快速真空开关装置，采用多个超快速真空开关模块串联，每个超快速真空开关模块设计两个真空开关断口串联，缩短每个断口触头运动距离，整个超快速真空开关装置的断口同时动作可极大提高开关动作速度，从而实现开关在几个ms内完成分断；采用操动机构与固封极柱的动触头等电位连接，开关运动质量轻，加速度和运动速度快，并且结构简单，易于模块级联扩展，满足高电压等级要求。
附图说明
图1是本发明的超快速真空开关模块结构示意图；
图2是本发明的操动机构结构示意图；
图3是本发明的脉冲电流发生器结构示意图。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体实施方式。如图1所示，超快速真空开关装置，包括二到四个串联的超快速真空开关模块，包括第一环氧固封真空极柱1a和第二环氧固封真空极柱1b、第一均压装置2a和第二均压装置2b、第一操动机构3a和第二操动机构3b、脉冲电流发生器4，快速开关控制器5，隔离辅助电源6和光纤7；
所述的第一操动机构3a和第二操动机构3b分别位于第一环氧固封真空极柱1a和第二环氧固封真空极柱1b的下方，并进行等电位连接；所述的第一均压装置2a和第二均压装置2b为电容和电阻串联的均压电路，第一均压装置2a和第二均压装置2b分别与第一环氧固封真空极柱1a和第二环氧固封真空极柱1b并联；
脉冲电流发生器4分别与第一操动机构3a和第二操动机构3b连接；
隔离辅助电源6输出两路直流电压，第一路直流电压为快速开关控制器5提供电源，第二路直流电压为脉冲电流发生器4提供充电电压；
快速开关控制器5与脉冲电流发生器4连接，快速开关控制器5通过光纤7与处于地电位的直流断路器控制装置进行通信，快速开关控制器5接收直流断路器控制装置的合分闸命令，控制脉冲电流发生器4放电，使得第一操动机构3a和第二操动机构3b高速动作，从而实现开关装置的合分闸操作；同时快速开关控制器5通过光纤7将超快速隔离开关装置的工作状态信息反馈给地电位直流断路器控制装置。
如图2所示，第一操动机构3a和第二操动机构3b为结构相同的操动机构，所述的每个操动机构包括驱动杆30、双稳态保持装置、分闸线圈35、运动线圈36、合闸线圈37、缓冲装置和操动机构框架42；双稳态保持装置包括一对金属连杆31，一对金属连杆31的一端分别连接在驱动杆30顶端两侧，每个金属连杆31另一端分别连接一个运动活塞32，运动活塞32通过弹簧33安装在金属圆筒34内；分闸线圈35、运动线圈36、合闸线圈37从上到下依次垂直同轴排列；分闸线圈35和合闸线圈37固定装配在操动机构框架42上，运动线圈36与驱动杆30固定连接，运动线圈36随着驱动杆30在分闸线圈35和合闸线圈37之间上下运动；缓冲装置位于驱动杆30下端，包括撞击头39和多个油缓冲器41，撞击头39上表面覆有聚氨酯缓冲垫38，撞击头39下表面通过缓冲器连接板40与多个油缓冲器41连接。
分闸线圈35和合闸线圈37具有相同结构和外形尺寸，分闸线圈35和合闸线圈37采用10x2mm的导体同心绕制；同时为了提高线圈的机械强度和抗冲击力，线圈采用固态绝缘浇注。运动线圈36与分闸线圈35、合闸线圈37具有相同的中心孔径和外径，但为了减小操动机构运动质量和提高运动速度，运动线圈36采用5x2mm的导体同心绕制；同时为了提高运动线圈36的机械强度和抗冲击力，运动线圈36采用高强度合金钢40CrNiMo材料的线圈盒，线圈盒面向分闸线圈36的厚度小于面向合闸线圈37一侧的壁厚，减少分闸操作时的初始间隙，获得较高的电磁力和分闸速度。
当超快速真空开关装置完成合闸和分闸操作时，弹簧33的推力将运动活塞32向中心挤压，通过金属连杆31和驱动杆30将超快速真空开关装置保持在合闸和分闸位置。
超快速真空开关装置作分闸运动时，第一环氧固封真空极柱1a和第二环氧固封真空极柱1b的动触头运动2ms到耐受暂态恢复电压的临界开距10mm时，驱动杆30的下端首先与聚氨酯缓冲垫38撞击，聚氨酯缓冲垫38产生第一级缓冲；随后撞击头39、缓冲器连接板40保证油缓冲器41同步向下运动，在15mm内将运动部件缓冲停下来，从而减少高速分闸的冲击力对第一操动机构3a和第二操动机构3b的冲击，减少分闸回弹避免开关系统触头间隙绝缘击穿。
如图3所示，脉冲电流发生器4，包括第一高压脉冲电容器42a和第二高压脉冲电容器42b，第一功率二极管43a和第二功率二极管43b，第一晶闸管44a和第二晶闸管44b，第一高压脉冲电容器42a和第二高压脉冲电容器42b由隔离辅助电源6提供充电电压；第一高压脉冲电容器42a、第一功率二极管43a、第一晶闸管44a、反向串联的分闸线圈35和运动线圈36顺序连接构成分闸放电回路；第二高压脉冲电容器42b、第二功率二极管43b、第二晶闸管44b、反向串联的合闸线圈37和运动线圈36顺序连接构成合闸放电回路。
当超快速真空开关装置处于合闸状态时，地电位的直流断路器控制装置通过光纤7向快速开关控制器5发送分闸命令，快速开关控制器5控制第一晶闸管44a导通，第一高压脉冲电容器42a放电，在分闸线圈35和运动线圈36内产生大小相等、方向相反的脉冲电流，该脉冲电流产生脉冲电磁力使得运动线圈36带动驱动杆30和第一环氧固封真空极柱1a或第二环氧固封真空极柱1b的动触头向下高速运动，运动到10mm后驱动杆30与缓冲装置碰撞接触，并继续运动15mm后缓冲停止，完成分闸操作。当超快速真空开关装置处于分闸状态时，地电位的直流断路器控制装置通过光纤7向快速开关控制器5发送合闸命令，快速开关控制器5控制第二晶闸管44b导通，第二高压脉冲电容器42b放电，在合闸线圈37和运动线圈36内产生大小相等、方向相反的脉冲电流、该脉冲电流产生脉冲电磁力使得运动线圈36带动驱动杆30和第一环氧固封真空极柱1a或第二环氧固封真空极柱1b的动触头向上运动，运动25mm后第一环氧固封真空极柱1a或第二环氧固封真空极柱1b的动触头与静触头接触，完成合闸操作，形成通流回路。

Claims (3)

1.超快速真空开关装置，其特征在于：包括二到四个串联的超快速真空开关模块，所述的每个超快速真空开关模块包括第一环氧固封真空极柱(1a)和第二环氧固封真空极柱(1b)、第一均压装置(2a)和第二均压装置(2b)、第一操动机构(3a)和第二操动机构(3b)、脉冲电流发生器(4)，快速开关控制器(5)和隔离辅助电源(6)；
所述的第一操动机构(3a)和第二操动机构(3b)分别位于第一环氧固封真空极柱(1a)和第二环氧固封真空极柱(1b)的下方，并进行等电位连接；所述的第一均压装置(2a)和第二均压装置(2b)为电容和电阻串联的均压电路，第一均压装置(2a)和第二均压装置(2b)分别与第一环氧固封真空极柱(1a)和第二环氧固封真空极柱(1b)并联；
脉冲电流发生器(4)分别与第一操动机构(3a)和第二操动机构(3b)连接；
隔离辅助电源(6)输出两路直流电压，第一路直流电压为快速开关控制器(5)提供电源，第二路直流电压为脉冲电流发生器(4)提供充电电压；
快速开关控制器(5)与脉冲电流发生器(4)连接，快速开关控制器(5)通过光纤(7)与处于地电位的直流断路器控制装置进行通信，快速开关控制器(5)接收直流断路器控制装置的合分闸命令，控制脉冲电流发生器(4)放电，使得第一操动机构(3a)和第二操动机构(3b)高速动作，从而实现开关装置的合分闸操作；同时快速开关控制器(5)通过光纤(7)将超快速隔离开关装置的工作状态信息反馈给地电位直流断路器控制装置。
2.根据权利要求1所述的超快速真空开关装置，其特征在于：第一操动机构(3a)和第二操动机构(3b)为结构相同的操动机构，所述的每个操动机构包括驱动杆(30)、双稳态保持装置、分闸线圈(35)、运动线圈(36)、合闸线圈(37)、缓冲装置和操动机构框架(42)；
所述的双稳态保持装置包括一对金属连杆(31)，一对金属连杆(31)的一端分别连接在驱动杆(30)顶端两侧，每个金属连杆(31)另一端分别连接一个运动活塞(32)，运动活塞(32)通过弹簧(33)安装在金属圆筒(34)内；分闸线圈(35)、运动线圈(36)、合闸线圈(37)从上到下依次垂直同轴排列；分闸线圈(35)和合闸线圈(37)固定装配在操动机构框架(42)上，运动线圈(36)与驱动杆(30)固定连接，运动线圈(36)随着驱动杆(30)在分闸线圈(35)和合闸线圈(37)之间上下运动；
所述的缓冲装置位于驱动杆(30)下端，包括撞击头(39)和多个油缓冲器(41)，撞击头(39)上表面覆有聚氨酯缓冲垫(38)，撞击头(39)下表面通过缓冲器连接板(40)与多个油缓冲器(41)连接。
3.根据权利要求1或2所述的超快速真空开关装置，其特征在于：所述的脉冲电流发生器(4)，包括第一高压脉冲电容器(42a)和第二高压脉冲电容器(42b)，第一功率二极管(43a)和第二功率二极管(43b)，第一晶闸管(44a)和第二晶闸管(44b)，第一高压脉冲电容器(42a)和第二高压脉冲电容器(42b)由隔离辅助电源(6)提供充电电压；第一高压脉冲电容器(42a)、第一功率二极管(43a)、第一晶闸管(44a)、反向串联的分闸线圈(35)和运动线圈(36)顺序连接构成分闸放电回路；第二高压脉冲电容器(42b)、第二功率二极管(43b)、第二晶闸管(44b)、反向串联的合闸线圈(37)和运动线圈(36)顺序连接构成合闸放电回路。
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