CN105762036B - 一种基于涡流自触发的模块化多电平换流器直流侧断路器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于涡流自触发的模块化多电平换流器直流侧断路器，包括换流器上任意一个桥臂电感和感应涡流触发机构，所述感应涡流触发机构包括梯形双层金属片，梯形双层金属片相互平行的两条底边中，上底边的长度小于下底边的长度，正常温度时上底边和下底边分别与直流母线一个断口的两端电连接；上底边作为固定端，通过金属圆柱固定在直流母线断口的一端；下底边作为活动端，在下底边上设置有电接触点，通过电接触点接触直流母线断口的另一端；所述桥臂电感位于下底边的正下方。本发明结构简单，具有利用电感电流变化隔绝直流故障电流，利用涡流自触发关断，无需检测电路，能够降低成本的优点。

Description

一种基于涡流自触发的模块化多电平换流器直流侧断路器

技术领域

本发明涉及一种基于涡流自触发的模块化多电平换流器直流侧断路器，属于电力系统输配电技术。

背景技术

柔性直流输电技术为解决大型风电场等可再生能源的并网瓶颈，为城市高压电网的增容改造、电网互联及孤岛供电提供了新手段和技术方案，具有较强的技术优势，是改变大电网发展格局的战略选择，已列入《国家能源科技“十二五”规划》高性能输变电关键设备，是需要重点技术攻关的重大技术装备。

由于柔性直流输电是从常规直流输电的基础上发展起来的，因此除了常规直流输电技术所具有的优点，柔性直流输电较之常规直流输电还具有紧凑化、模块化设计，易于移动、安装、调试和维护，易于扩展和实现多端直流输电等优点。

直流输电中，直流故障限流技术是一大难点，国内外限流技术主要有磁性元件限流、超导限流、固态限流、PTC电阻限流等，但是大部分都是基于交流系统的过零或者工频谐振特性，不适用于直流系统。故直流限流往往采用加装直流断路器的方法，其原理是通过外部检测电路对直流电流进行检测，当电流越限时，驱动电路产生控制信号控制固态电力电子电路实现对直流电路的关断。

上述直流断路技术由检测环节，驱动控制环节和开关环节组成，由于包含环节数较多，并且采用了外部检测方式，以及开关环节电力电子电路自身成本的因素，这种直流断路器普遍存在反应速度不快，造价偏高，维护不方便的问题。

因此，需要设计一种新型直流断路器，提升反应速度，降低制造成本。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于涡流自触发的模块化多电平换流器直流侧断路器，无需外部或内部检测环节，利用桥臂电流在电感中产生变化的磁场，过流时导致梯形双金属片上涡流的热效应导致形变，从而自触发断路器的关断，与现有的直流断路器工作方式截然不同。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于涡流自触发的模块化多电平换流器直流侧断路器，包括换流器上任意一个桥臂电感和感应涡流触发机构，所述感应涡流触发机构包括梯形双层金属片，所述桥臂电感位于梯形双层金属片的正下方；所述梯形双层金属片为上下两层结构，上层为被动层，下层为主动层，主动层的膨胀系数比被动层的膨胀系数大；

梯形双层金属片相互平行的两条底边中，上底边的长度小于下底边的长度，上底边和下底边分别与直流母线一个断口的两端连接：上底边作为固定端，通过金属圆柱固定在直流母线断口的一端；下底边作为活动端，梯形双层金属片正常温度时下底边与直流母线断口的另一端弹性接触，梯形双层金属片温度升高达预警值时下底边向上弯曲与直流母线断口的另一端不接触。

本发明的断路器采用自触发的方式工作，当直流电路发生电流骤然越限，换流器的桥臂电流变化过快会导致直流母线电压过高，电流变化量大使得桥臂电感产生较强磁场，进而导致桥臂电感上方的梯形双层金属片产生涡流，涡流热效应会引发梯形双层金属片变形，最终触发直流电路状态发生改变。

梯形双层金属片的材料可以分为6种：①通用型：适用于多种用途和中等温度范围，有较高的灵敏度和强度；②高温型：适合于在300℃以上工作，有较高强度和良好的抗氧化性能；③低温型：适合于在0℃以下工作；④电阻型：有高低不同的电阻率可供选用，适用于各种小型化、标准化的电器；⑤高灵敏型：具有高灵敏度、高电阻等特性；⑥耐腐蚀型：有良好的耐腐蚀性，适合于在腐蚀性的媒质中作用。

一般来说，要求主动层的膨胀系数比被动层的膨胀系数大8倍以上即可，举例说：主动层的材料为Mn75％、Ni15％和Cu10％的合金材料，或者Ni20％、Mn6％和Fe74％的合金材料，这两种合金材料在20～100℃内的膨胀系数分别为27×10^-6/℃和20×10^-6/℃；被动层的材料为Ni36％和Fe64％的合金材料，或者Ni42％和Fe58％的合金材料，这两种合金材料在20～100℃内的膨胀系数均为(1.8～4.8)×10^-6/℃。

优选的，所述梯形双层金属片的上层为殷钢，下层为高锰合金，殷钢厚度和高锰合金厚度相等，高锰合金的膨胀系数是殷钢的十倍以上，上层殷钢作为被动层，下层高锰合金作为主动层；在正常温度下，下底边与直流母线断口的另一端弹性接触，电路接通；当温度升高达预警值时，下底边向上弯曲与直流母线断口的另一端不接触，电路断开。

优选的，所述梯形双层金属片上底边的长度小于下底部长度的三分之一。根据涡流的尖角效应，当涡流在梯形双层金属片上流动时，下底边由于较为狭小，可视为一尖角，涡流密度高，会产生大量热量，温度升高，由于主动层膨胀的比被动层多，梯形双层金属片向上弯曲，温度升高到一定程度时，电路断开。

优选的，所述桥臂电感位于梯形双层金属片的正下方5cm位置。

优选的，所述梯形双层金属片的主动层和被动层的结合方法为冷轧结合、熔融结合或热轧结合。

在正常温度下梯形双层金属片上的下底边与直流母线断口的另一端正常接触，电路接通，当桥臂电流变化过快导致涡流增大，温度升高，受热变形时，上底边所受应力逐渐增大，只有当应力大于梯形双层金属片自身弹性力时，下底边与直流母线断口的另一端才会断开，故应力大小从零到梯形双层金属片自身弹性力所在区间即为机械导通死区。

本发明主要针对模块化多电平换流器直流侧电流过流的情况，是一种研究故障电流关断方法。

有益效果：本发明提供的基于涡流自触发的模块化多电平换流器直流侧断路器，具有如下优点：1、从原理上讲，巧妙地利用换流器桥臂电流这一物理量的变化，来达到隔离直流电路故障电流的目的；2、巧妙地利用双金属片自身弹性力作为机械导通死区，只有当电流发生故障性的变化时才会触发关断；3、无需外部检测环节，完全基于桥臂电感产生变化磁场，继而利用双金属片上的涡流自触发关断，极大地降低了断路器成本。

附图说明

图1为断路器布置位置示意图；

图2为正常工况下断路器示意图；

图3为故障状态下断路器示意图；

图4为受热后梯形双层金属片表面温度分布情况图；

图5为双金属片翘曲变形情况图；

图6为双金属片位移示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种基于涡流自触发的模块化多电平换流器直流侧断路器，包括换流器上任意一个桥臂电感和感应涡流触发机构，所述感应涡流触发机构包括梯形双层金属片，所述桥臂电感位于梯形双层金属片的正下方5cm位置；所述梯形双层金属片为上下两层结构，上层为被动层，下层为主动层，主动层的膨胀系数比被动层的膨胀系数大；

梯形双层金属片相互平行的两条底边中，上底边的长度小于下底边的长度，上底边和下底边分别与直流母线一个断口的两端连接：上底边作为固定端，通过金属圆柱固定在直流母线断口的一端；下底边作为活动端，梯形双层金属片正常温度时下底边与直流母线断口的另一端弹性接触，梯形双层金属片温度升高达预警值时下底边向上弯曲与直流母线断口的另一端不接触。

所述梯形双层金属片上底边的长度小于下底部长度的三分之一；上层为殷钢，下层为高锰合金，殷钢厚度和高锰合金厚度相等，高锰合金的膨胀系数是殷钢的十倍以上，上层殷钢作为被动层，下层高锰合金作为主动层；在正常温度下，下底边与直流母线断口的另一端弹性接触，电路接通；当温度升高达预警值时，下底边向上弯曲与直流母线断口的另一端不接触，电路断开。

图1为断路器布置位置图，SM代表模块化多电平换路器子模块。注意到桥臂电感a端与模块化多电平换流器上桥臂子模块相连，b端与换流器下桥臂相连，在电感上方5cm处放置感应涡流触发机构。

图2是正常情况下断路器图，正常情况下，梯形双层金属片虽然存在涡流，但是强度不高，由于热量耗散，温度几乎不变，受自身弹性力的作用，梯形双层金属片上底边的触点B与直流电网导线铜的触点A是接通的，线路正常运行。

图3是电流过流时，桥臂电感中电流变化加剧，致使磁通变化加剧，注意到此时梯形双层金属片可近似为一个单匝线圈，其电感为L₁，与桥臂电感耦合系数为M，设桥臂电感为L，梯形双层金属片对涡流的电阻为R₁，电感电流为I，涡流为I₁，电流角频率为ω，则有：

发热功率：

温度上升，设表面温度升高至t_w，断路器内部环境温度t_∞，设h为梯形双层金属片对流换热系数，A为梯形双层金属片上表面(下表面)面积，可知：

P＝hA(t_w-t_∞)

即加热到该温度时，双金属片上底触点B与直流电网导线铜触点A才会断开。

本案中设计的梯形双层金属片上层为殷钢，下层为高锰合金，殷钢厚度和高锰合金厚度相等；下底边长度为6mm，上底边长度为30mm，下底边和下底边的间距为30mm，殷钢厚度为0.1～0.25mm；常温下，依靠梯形双层金属片自身的弹性使得触点A压在触点B上，若低于常温，则触点A和触点B的接触更为良好；根据膨胀系数可以求出弯曲变形量。在安装梯形双层金属片时，上底边要向升温变形相反方向移动一些，其产生的初始压力可以保证接触良好；但是移动的距离不能超过受涡流过热后可能产生的位移的一半，以保证受热后触点能够脱开。

如图5所示，梯形双层金属片中心面变形后曲率半径分别为R₂和R₁，由于上层殷钢变形量小，可忽略R₂的变化，取高锰合金热膨胀系数为30×10^-6/℃，取断路温度为80℃，计算高锰合金层伸长量为80×30×10^-6＝2.4/1000；梯形双层金属片下底边和下底边的间距30mm，变形量为30×2.4/1000＝0.072mm，这就是梯形双层金属片上下两层中心面膨胀量之差，假定变形后形成的圆弧对应的中心角为X弧度，则(R₁-R₂)X＝＝0.072mm，XR₂＝20mm，R₁-R₂＝0.2mm(上下层中心面之间的距离为梯形双层金属片厚度的一半)。

求出X＝0.36弧度，R₂＝167mm，R₁＝167.2mm，翘曲变形h＝R₂-cos，R₂＝167-0.936×167＝10.7mm，安装的时候，可以让双金属片预先变形5mm左右，产生的压力为作为近似计算。如图6所示，触点端部5mm位移引起的根部应变近似为ε≈0.04/30＝0.00133，产生的应力α≈εE，E为高锰合金弹性模量，E≈206GPa，α≈εE＝0.00133×206＝274MPa，平均应力按照一半计算＝137MPa，应力是单位面积的力，梯形双层金属片根部面积为6mm×0.4mm＝2.4×10^-6m²，产生弯矩的力约为274×2.4＝330N，产生的弯矩M＝力×厚度的1/4＝330×0.1＝33N·mm，该力矩与触点端部压力产生的力矩平衡，触点端部压力为f，则30f＝33N·mm，f＝1.1N。

补充说明：按照理论力学公式，当30mm长度的悬臂梁端部被强行位移5mm后，在悬臂梁根部必然出现下表面伸长，上表面压缩应变，根据截面模量、弹性模量应该可以计算变形量，由于公式复杂，这里假定根部下表面与立柱之间产生了一个虚位移A(图中标注为0.04的尺寸)，这个虚位移按照三角关系应该有A:0.4＝5:30所以A＝0.0667mm，考虑到应变不可能集中发生于根部，从根部到端部是逐渐变化的，端部应变基本为0，所以近似取A为0.04mm。

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 (5)

1.一种基于涡流自触发的模块化多电平换流器直流侧断路器，其特征在于：包括换流器上任意一个桥臂电感和感应涡流触发机构，所述感应涡流触发机构包括梯形双层金属片，所述桥臂电感位于梯形双层金属片的正下方；所述梯形双层金属片为上下两层结构，上层为被动层，下层为主动层，主动层的膨胀系数比被动层的膨胀系数大；

梯形双层金属片相互平行的两条底边中，上底边的长度小于下底边的长度，上底边与直流母线一个断口的一端连接，下底边与直流母线一个断口的另一端连接：上底边作为固定端，通过金属圆柱固定在直流母线断口的一端；下底边作为活动端，梯形双层金属片正常温度时下底边与直流母线断口的另一端弹性电接触，梯形双层金属片温度升高达预警值时下底边向上弯曲与直流母线断口的另一端不接触。

2.根据权利要求1所述的基于涡流自触发的模块化多电平换流器直流侧断路器，其特征在于：所述梯形双层金属片的上层为殷钢，下层为高锰合金，殷钢厚度和高锰合金厚度相等，高锰合金的膨胀系数是殷钢的十倍以上，上层殷钢作为被动层，下层高锰合金作为主动层；在正常温度下，下底边与直流母线断口的另一端弹性电接触，电路接通；当温度升高达预警值时，下底边向上弯曲与直流母线断口的另一端不接触，电路断开。

3.根据权利要求1所述的基于涡流自触发的模块化多电平换流器直流侧断路器，其特征在于：所述梯形双层金属片上底边的长度小于下底部长度的三分之一。

4.根据权利要求1所述的基于涡流自触发的模块化多电平换流器直流侧断路器，其特征在于：所述桥臂电感位于梯形双层金属片的正下方5cm位置。

5.根据权利要求1所述的基于涡流自触发的模块化多电平换流器直流侧断路器，其特征在于：所述梯形双层金属片的主动层和被动层的结合方法为冷轧结合、熔融结合或热轧结合。