CN107731593A - 一种固体介质插入式微弧直流开断断路器及其开断方法 - Google Patents

一种固体介质插入式微弧直流开断断路器及其开断方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种固体介质插入式微弧直流开断断路器及其开断方法，该断路器包括串联的隔离开关与微弧开断单元，其中微弧开断单元由能量吸收电容器与转移开关并联组成，转移开关具有固体介质插入式结构；本发明的核心在于开断电路时，电磁铁作为操纵机构拉动固态绝缘片插入动静触头之间，延长潜在的电弧路径，提高维持电弧所需的电压，同时能量吸收电容充电，减缓转移开关两端电压的上升速度，保证开关两端电压小于所需电弧电压；使起弧阶段不产生电弧或仅产生微弱电弧并迅速熄灭，此时隔离开关可以零电流轻松分断电路；隔离开关分断后转移开关闭合，能量吸收电容中所储存的能量将被释放掉；本发明可使得开关过程燃弧能量极小，电寿命大大延长。

Description

一种固体介质插入式微弧直流开断断路器及其开断方法
技术领域
本发明涉及电力系统断路器，具体涉及一种固体介质插入式微弧直流开断断路器及其开断方法。
背景技术
现在常见的直流断路器有空气断路器，固态断路器，混合式断路器，振荡式机械断路器。空气断路器利用增大电弧电压的方式进行限流开断。通常具有多个灭弧栅片，增大电弧电压。但是空气开断方法电弧能量大，开断时会产生很大的噪声，开断后具有大量金属粉尘。固态开关采用电力电子设备进行开断，开关过程中无电弧产生。但是电力电子设备价格高，过流能力低，同时具有导通压降，损耗大。混合式方案采用快速机械开关与固态开关并联的方法，在额定电流的情况下由机械开关导通电流，损耗低，在故障发生后，首先机械开关打开，电流转移到固态开关中，之后由固态开关实现分断。结构相对复杂。振荡式机械断路器包括自激振荡断路器和它激振荡断路器。自激振荡开关开断时间长，它激振荡开关需要额外的充电装置。
对于空气断路器，振荡式断路器，灭弧是开断成功的关键，同时，直流开断中产生的电弧，温度高达数千摄氏度，能烧坏触头，甚至导致触头熔焊，造成多次重燃严重损害触头使用寿命。如果电弧不立即熄灭，就可能烧伤操作人员，烧毁设备，破坏系统绝缘性能，甚至酿成火灾。因此，快速有效地熄灭电弧或者抑制电弧的产生至关重要。
微弧开断即要求开关分断后不产生电弧或者产生的微弱电弧无法自维持而迅速熄灭，为此，需要使开关两端电压低于维持电弧的电压。现有专利“一种串入电容式高压直流断路器及其控制方法”(201310018003.3，该专利采用阻容支路作为转换电路阻容支路包括串联的电容器和电阻，并且采用避雷器抑制开断过程中的过电压。发生故障时，机械开关分断将故障电流转移至转换电路，故障电流为电容器充电，通过抑制电容器电压保证机械开关不起弧。上述专利，只改变了机械开关两端的电压使其低于电弧电压，并没有对电弧电压进行改变，因此其无弧开断的域度有限，且对电容的要求较高，增加了成本，也不利于节省使用空间。
发明内容
针对现有方法的不足，本发明提供一种固体介质插入式微弧直流开断断路器及其开断方法，本发明利用电容延缓电压上升速度，固体绝缘介质插入开关的金属蒸汽密集区域，改变可能发生击穿的区域，大大加长了电弧路径的长度，提高维持电弧所需的电压。机械开关两端电压与维持电弧所需电压竞争，决定了微弧开断是否成功。
为了达到上述目的，本发明采用下述技术方案实现：
一种固体介质插入式微弧直流开断断路器，由隔离开关Ⅰ和微弧开断单元Ⅱ串联构成，其中微弧开断单元Ⅱ由能量吸收电容器1与转移开关2并联组成，转移开关2具有固体插入式结构和电磁铁操纵机构；
所述转移开关2有如下单断口与双断口两种结构：
单断口的转移开关2包括设置在单断口基座2-6a上的单断口静触头2-1a，设置在单断口基座2-6a上的单断口支架2-7a，横跨在单断口支架2-7a上的单断口运动轴2-5a，能够绕单断口运动轴2-5a旋转的单断口动触头2-2a，设置在单断口动触头2-2a与单断口静触头2-1a之间的口字型固态绝缘片2-3a，拉动口字型固态绝缘片2-3a纵向运动的单断口电磁操纵杆2-4a，设置在单断口静触头2-1a边缘的静触头接线端子2-8a，设置在单断口动触头2-2a远离单断口静触头2-1a一端端部的动触头接线端子2-9a；
双断口的转移开关2包括设置在双断口基座2-6b上的双断口静触头2-1b，设置在双断口基座2-6b上的双断口支架2-7b，横跨在双断口支架2-7b上的双断口运动轴2-5b，绕双断口运动轴2-5b旋转的两个双断口动触头2-2b，设置在两个双断口动触头2-2b与双断口静触头2-1b之间的工字型固态绝缘片2-3b，拉动工字型绝缘片2-3b纵向运动的双断口电磁操纵杆2-4b，分别设置在两个动触头2-2b端部的两个接线端子2-8b。
通过固态绝缘片插入转移开关2的静触头和动触头之间，改变了金属蒸汽的分布，延长了电弧的潜在路径，提高维持电弧所需电压。此外，双断口方案通过增加断口数进一步提高维持电弧所需电压。
所述的固体介质插入式微弧直流开断断路器的开断方法，导通状态下，隔离开关Ⅰ与转移开关2均处于闭合状态，能量吸收电容器1短路；开断时，转移开关2先打开，能量吸收电容器1开始充电，并延缓转移开关2两端电压上升速度；固态绝缘片插入转移开关2的静触头和动触头之间，改变了金属蒸汽的分布，延长了电弧的潜在路径，使维持电弧所需电压升高，从而使转移开关2形成了一定的电弧电压门槛，以保证其两端电压小于所需的电弧电压，使得起弧阶段不产生电弧或产生的微弱电弧无法维持而迅速熄灭以实现微弧开断，此时电路电流降为0，隔离开关Ⅰ打开，实现零电流分断；此时转移开关2闭合，能量吸收电容1中所储存的能量将被释放掉；
对于单断口结构，开关闭合时，单断口静触头2-1a和单断口动触头2-2a接触，口字型固态绝缘片2-3a位于接触点以下，静触头接线端子2-8a与动触头接线端子2-9a分别作为转移开关2的两极；转移开关2分断时，单断口电磁操纵杆2-4a拉动口字型固态绝缘片2-3a向上移动，推动单断口动触头2-2a绕单断口运动轴2-5a旋转，使口字型固态绝缘片2-3a插入单断口动触头2-2a与单断口静触头2-1a之间，完成固体介质插入式操作；
对于双断口结构，开关闭合时，两个双断口动触头2-2b分别与双断口静触头2-2b接触，工字型固态绝缘片2-3b卡住接触点，位于两个双断口动触头2-2b端部的两个接线端子2-8b分别作为开关的两极，通过双断口静触头2-1b连通电路；转移开关2分断时，双断口电磁操纵杆2-4b拉动工字型固态绝缘片2-3b向上移动，推动两个双断口动触头2-2b绕双断口运动轴2-5b旋转，使工字型固态绝缘片2-3b插入双断口动触头2-2b与双断口静触头2-1b之间，完成固体介质插入式操作；
固体介质插入式大大加长了电弧路径的长度，提高维持电弧所需电压。
与现有技术比，本发明达到的有益效果是：
1，采用固态绝缘介质插入与并联电容的结构，一方面可以降低开关两端电压上升率，从而降低开关两端电压，另一方面又能提高维持电弧燃弧的电压，两者共同作用，使微弧开断更容易实现。
2，结构简单，性能可靠，微弧开断单元仅由转移开关与能量吸收电容构成，且转移开关可以作为开断后能量吸收电容的耗能支路，无须添加专门的耗能电路。
附图说明
图1为该固体介质插入式微弧直流开断断路器整体结构图。
图2为单断口固体介质插入式微弧直流开断断路器结构图。
图3为双断口固体介质插入式微弧直流开断断路器结构图。
图4为单断口固体介质插入式微弧开断结果图。
具体实施方法
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明一种固体介质插入式微弧直流开断断路器包括隔离开关Ⅰ与微弧开断单元Ⅱ。其中隔离开关采用机械分断开关，微弧开断单元Ⅱ由能量吸收电容器1与转移开关2并联组成。电路分断时，先打开转移开关2，短路电流流向能量转移电容1,对其充电。在转移开关2分断时，触头之间形成液态金属桥，然后液态金属桥熔断，产生金属蒸汽。与通常的开断过程不同，由于能量吸收电容1的作用，触头两端的电压是逐渐上升的。电容值越大，充电速度越慢，电压攀升越慢。同时，插入固态绝缘介质改变了金属蒸汽的分布，延长了电弧的潜在路径，使维持稳定燃弧所需的电压升高，当开关两端电压小于所需的电弧电压时，起弧阶段不产生电弧或产生的微弱电弧无法维持而迅速熄灭以实现微弧开断。最终电容器电压将等于电源电压，而电流等于零。隔离开关Ⅰ此时零电流分断电路。同时，转移开关2闭合，能量转移电容1中所储存的能量被释放掉，整个开断过程结束。
具体实施案例1：如图2所示为单断口固体介质插入式微弧直流开断断路器结构。其中单断口静触头2-1a为长方体结构，单断口动触头2-2a为扁平环形柱状体结构，口字型固态绝缘片2-3a为口字型结构，位于两触头接触点以下，位于单断口静触头2-1a上的静触头接线端子2-8a与位于单断口动触头2-2a上的动触头接线端子2-9a分别作为转移开关的两极。电路分断时，电磁操纵机构拉动口字型固态绝缘片2-3a纵向移动，推动单断口动触头2-2a绕单断口运动轴2-5a旋转，使口字型固态绝缘片2-3a插入单断口静触头2-1a与单断口动触头2-2a之间，实现微弧开断。
具体实施案例2，如图3所示为双断口固体介质插入式微弧直流开断断路器结构。其中，2-2b是该双断口断路器的两个动触头，工字型固态绝缘片2-3b为工字型结构，恰好卡住两个动触头，两个接线端子2-8b分别位于两个双断口动触头2-3b的作为开关的两极。两个双断口动触头2-2b通过与双断口静触头2-1b连接实现电路的连通。电路开断时，工字型固态绝缘片2-3b向上运动，分开两个双断口动触头2-2b与双断口静触头2-1b的接触点，实现微弧开断。双断口结构可进一步提高电弧维持所需电压，加快电弧熄灭。
上述实施案例中，均可采用液态绝缘介质，可提高电弧电压，同时，绝缘油中的电弧具有负阻特性，电弧电流减小后，维持电弧所需电压进一步增加。电弧的负阻特性以及电容充电引起的电流转移产生正反馈。当所需电弧电压小于开关两端电压时，电弧会熄灭。
如图4所示为1500V，930A下实施案例1开断成功结果，可以看出，采用本发明的断路器结构与开断方法，在开断初始阶段，开关燃弧，保持一定的电弧电压，燃弧5ms左右，开关电流出现振荡，开关两端电压低于维持电弧所需的电压，电弧无法维持，迅速熄灭，开关升至系统电压，实现微弧开断。

Claims (3)

1.一种固体介质插入式微弧直流开断断路器，其特征在于：由隔离开关(Ⅰ)和微弧开断单元(Ⅱ)串联构成，其中微弧开断单元(Ⅱ)由能量吸收电容器(1)与转移开关(2)并联组成，转移开关(2)具有固体插入式结构和电磁铁操纵机构；
所述转移开关(2)有如下单断口与双断口两种结构：
单断口的转移开关(2)包括设置在单断口基座(2-6a)上的单断口静触头(2-1a)，设置在单断口基座(2-6a)上的单断口支架(2-7a)，横跨在单断口支架(2-7a)上的单断口运动轴(2-5a)，能够绕单断口运动轴(2-5a)旋转的单断口动触头(2-2a)，设置在单断口动触头(2-2a)与单断口静触头(2-1a)之间的口字型固态绝缘片(2-3a)，拉动口字型固态绝缘片(2-3a)纵向运动的单断口电磁操纵杆(2-4a)，设置在单断口静触头(2-1a)边缘的静触头接线端子(2-8a)，设置在单断口动触头(2-2a)远离单断口静触头(2-1a)一端端部的动触头接线端子(2-9a)；
双断口的转移开关(2)包括设置在双断口基座(2-6b)上的双断口静触头(2-1b)，设置在双断口基座(2-6b)上的双断口支架(2-7b)，横跨在双断口支架(2-7b)上的双断口运动轴(2-5b，绕双断口运动轴(2-5b)旋转的两个双断口动触头(2-2b)，设置在两个双断口动触头(2-2b)与双断口静触头(2-1b)之间的工字型固态绝缘片(2-3b)，拉动工字型绝缘片(2-3b纵向运动的双断口电磁操纵杆(2-4b)，分别设置在两个动触头(2-2b端部的两个接线端子(2-8b)。
2.根据权利要求1所述的固体介质插入式微弧直流开断断路器，其特征在于：通过固态绝缘片插入转移开关(2)的静触头和动触头之间，改变了金属蒸汽的分布，延长了电弧的潜在路径，提高维持电弧所需电压；此外，双断口方案通过增加断口数进一步提高维持电弧所需电压。
3.权利要求1所述的固体介质插入式微弧直流开断断路器的开断方法，其特征在于：导通状态下，隔离开关(Ⅰ)与转移开关(2)均处于闭合状态，能量吸收电容器(1)短路；开断时，转移开关(2)先打开，能量吸收电容器(1)开始充电，并延缓转移开关(2)两端电压上升速度；固态绝缘片插入转移开关(2)的静触头和动触头之间，改变了金属蒸汽的分布，延长了电弧的潜在路径，使维持电弧所需电压升高，从而使转移开关(2)形成了一定的电弧电压门槛，以保证其两端电压小于所需的电弧电压，使得起弧阶段不产生电弧或产生的微弱电弧无法维持而迅速熄灭以实现微弧开断，此时电路电流降为0，隔离开关(Ⅰ)打开，实现零电流分断；此时转移开关(2)闭合，能量吸收电容(1)中所储存的能量将被释放掉；
对于单断口结构，开关闭合时，单断口静触头(2-1a)和单断口动触头(2-2a)接触，口字型固态绝缘片(2-3a)位于接触点以下，静触头接线端子(2-8a)与动触头接线端子(2-9a)分别作为转移开关(2的两极；转移开关(2分断时，单断口电磁操纵杆(2-4a)拉动口字型固态绝缘片(2-3a)向上移动，推动单断口动触头(2-2a)绕单断口运动轴(2-5a)旋转，使口字型固态绝缘片(2-3a)插入单断口动触头(2-2a与单断口静触头(2-1a)之间，完成固体介质插入式操作；
对于双断口结构，开关闭合时，两个双断口动触头(2-2b)分别与双断口静触头(2-2b)接触，工字型固态绝缘片(2-3b)卡住接触点，位于两个双断口动触头(2-2b)端部的两个接线端子(2-8b分别作为开关的两极，通过双断口静触头(2-1b连通电路；转移开关(2分断时，双断口电磁操纵杆(2-4b)拉动工字型固态绝缘片(2-3b)向上移动，推动两个双断口动触头(2-2b)绕双断口运动轴(2-5b)旋转，使工字型固态绝缘片(2-3b)插入双断口动触头(2-2b与双断口静触头(2-1b)之间，完成固体介质插入式操作；
固体介质插入式有效加长了电弧路径的长度，提高维持电弧所需电压。
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