CN108322988A - 一种适用于柔性直流输电直流断路器的换流开关装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于柔性直流输电直流断路器的换流开关装置，第一主电极及第二主电极位于密封腔体内，第一主电极位于第二主电极的上方，且第一主电极与第二主电极之间有间隙，第二主电极的底部设置有凹槽，所述凹槽内填充有高分子聚合物烧蚀材料，高分子聚合物烧蚀材料与凹槽底部的结合面处设置有放电腔，放电腔的顶部开孔，触发极的一端与触发电路相连接，触发极的另一端穿过高分子聚合物烧蚀材料插入于放电腔内，该开关装置的使用寿命长，并且结构简单，触发导通率较高，触发导通延时较低，工作系数低。
Description
技术领域
本发明涉及一种换流开关装置，具体涉及一种适用于柔性直流输电直流断路器的换流开关装置。
背景技术
目前直流断路器的关注重点及发展趋势)多端直流输电系统对直流断路器功能提出较高要求。对于多端高压直流电网，直流断路器必须在几个毫秒内快速切除故障线路，防止单点故障波及其它电网设备(如换流器等)造成大范围故障。由于直流电网阻尼远低于交流电网，因此直流断路器需要承受高额的故障电流上升率，同时为维持直流母线电压、保护直流系统重要设备、避免换流器闭锁，需要将故障电流限制在较低水平，对高压直流断路器分断时间提出严苛要求。对于基于IGBT的柔性直流输电系统，一旦直流侧发生故障，由于IGBT中反并联二极管的存在，通常无法采用闭锁换流器方法限制短路电流。因此，研制具备高可靠性、快速短路故障电流切断能力的高压直流断路器是柔性直流输电技术发展的重大挑战。
目前现有的高压直流断路器技术方案可分为三种：1)机械式高压直流断路器2)固态高压直流断路器，3)混合式高压直流断路器。由于直流电流不存在自然过零点，利用电流转移原理形成过零点是高压直流断路器基本设计思路。其中，有源激励振荡型高压直流断路器采用预充电的高压电容器向主分断支路注入脉冲反向电流制造过零点，从而分断直流电流。相比基于半导体器件的开断方案，有源激励振荡型高压直流断路器具有结构简单、控制灵活、开断成功率高、开断能力强等显著优点。
有源激励振荡型高压直流断路器中技术难点之一为辅助过零振荡电路中需要可靠的换流开关装置，要求具有极低工作系数(如低于20％)、极高可靠触发导通率(即开断成功率)和较低的触发导通时延(低于1ms)。目前的技术方案多适用于高电压等级直流输电，如采用多间隙串联开关作为直流断路器辅助过零振荡电路的主开关，并采用高压脉冲触发其中一至两个间隙以达到整体导通的目的。为实现多间隙均压，常采用电阻/电容辅助分压方案，此种方案中需要较为复杂的分压设计，设计不合理有可能造成间隙自击穿导致误动作，增加了系统实现难度和故障率，不适用于电压等级和电流较低的柔性直流输电。
文章《一种适于快速高压直流断路器的过零振荡电路》介绍了一种带分压网络的多级串联间隙作为过零振荡电路的开关，但需要较为复杂的均压设计。专利《基于人工过零的双向直流开断电路及其开断方法》中介绍了一种基于人工过零的双向直流开断电路及其开断方法，辅助过零振荡电路中采用“换流开关”，专利《一种自动充电型强制过零高压直流断路器》公开了一种自动充电型强制过零高压直流断路器，辅助过零振荡电路中采用“充电开关”。由此可见，现有专利多针对基于人工过零的直流开关电路拓扑结构进行研究，对辅助过零振荡电路核心器件—换流开关的具体实施结构并未详细阐述。
文章《基于毛细管放电的大气压等离子体射流喷射装置放电特性》介绍了一种基于毛细管放电的大气压等离子体射流喷射装置，可用于触发长间隙距离气体开关导通，采用单次放电烧蚀，但待命状态下触发电极存在预充电直流电压，放电电流幅值高达8kA，寿命约300次，对材料表面烧蚀严重，影响了开关寿命。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种适用于柔性直流输电直流断路器的换流开关装置，该开关装置的使用寿命长，并且结构简单，触发导通率较高，触发导通延时较低，工作系数低。
为达到上述目的，本发明所述的适用于柔性直流输电直流断路器的换流开关装置包括触发电路、触发极、第一主电极、第二主电极、密封腔体、用于产生高压脉冲及用于分次产生脉冲大电流的触发电路；
第一主电极及第二主电极位于密封腔体内，第一主电极位于第二主电极的上方，且第一主电极与第二主电极之间有间隙，第二主电极的底部设置有凹槽，所述凹槽内填充有高分子聚合物烧蚀材料，高分子聚合物烧蚀材料与凹槽底部的结合面处设置有放电腔，放电腔的顶部开孔，触发极的一端与触发电路相连接，触发极的另一端穿过高分子聚合物烧蚀材料插入于放电腔内。
所述触发电路包括延时触发控制器、脉冲电压回路及多路脉冲电流回路；
脉冲电压回路包括第一电容、第一二极管、第一晶闸管及变压器，其中，变压器原边绕组的一端与第一晶闸管的阴极相连接，第一晶闸管的阳极与第一电容的一端及第一二极管的阴极相连接，第一电容的另一端及第一二极管的阳极与变压器原边绕组的另一端相连接，变压器副边绕组的一端与触发极相连接，变压器副边绕组的另一端及第二主电极均接地；
各路脉冲电流回路均包括第二晶闸管、第二二极管、第二电容及磁开关，其中，第二电容的一端与第二主电极相连接，第二电容的另一端与第二晶闸管的阳极及第二二极管的阴极相连接，第二晶闸管的阴极及第二二极管的阳极与磁开关的一端相连接，磁开关的一端与触发极相连接；
延时触发控制器与第一晶闸管的控制极及第二晶闸管的控制极相连接。
还包括用于检测第一主电极处电流的电流检测线圈，其中，电流检测线圈与延时触发控制器相连接。
密封腔体由有机玻璃或聚碳酸酯制备而成。
磁开关的匝数可调。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的适用于柔性直流输电直流断路器的换流开关装置在具体工作时，通过触发电路产生高压脉冲，以形成触发极-高分子聚合物烧蚀材料-第二主电极三者之间的沿面闪络，从而形成弱电离通道，然后通过触发电路产分时向弱电离等离子体通道内注入脉冲大电流，从而多次烧蚀高分子聚合物烧蚀材料表面，以形成大量等离子，使得形成的等离子体通道迅速发展膨胀，其中，对高分子聚合物烧蚀材料表面进行烧蚀，以产生大量等离子体，并最终从放电腔喷出，使第一主电极与第二主电极导通，实现换流开关的导通，另外，需要说明的是，本发明通过多次烧蚀高分子聚合物烧蚀材料表面，降低单子烧蚀电流，有助于减少烧蚀质量，大幅提升开关装置的使用寿命，同时采用喷射等离子体的方式触发，有效的降低换流开关装置的工作系数，大幅度的提高工作的稳定性，提高触发导通率，降低换流开关装置的触发导通延时。
进一步，触发极与第二主电极之间通过触发电路直接连接为等电位，实现待命状态下触发极无偏置直流电压，克服传统结构中触发极需预施加直流电压可能引起的误导通的关键缺陷。
附图说明
图1为适用于柔性直流输电直流断路器的结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明中触发电路7的电路图；
图4为实施例一中触发放电时延随工作系数的变化曲线图。
其中，1为平波电抗器、2为真空或六氟化硫断路器、3为换流开关装置、4为储能电容、5为调波电感、6为避雷器、7为触发电路、8为密封腔体、9为第一主电极、10为第二主电极、11为高分子聚合物烧蚀材料、12为触发极、13为延时触发控制器、14为脉冲电压回路、15为脉冲电流回路、16为磁开关、17为电流检测线圈。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图2，本发明所述的适用于柔性直流输电直流断路器的换流开关装置包括触发电路7、触发极12、第一主电极9、第二主电极10、密封腔体1、用于产生高压脉冲及用于分次产生脉冲大电流的触发电路7；第一主电极9及第二主电极10位于密封腔体1内，第一主电极9位于第二主电极10的上方，且第一主电极9与第二主电极10之间有间隙，第二主电极10的底部设置有凹槽，所述凹槽内填充有高分子聚合物烧蚀材料11，高分子聚合物烧蚀材料11与凹槽底部的结合面处设置有放电腔，放电腔的顶部开孔，触发极12的一端与触发电路7相连接，触发极12的另一端穿过高分子聚合物烧蚀材料11插入于放电腔内。
参考图2及图3，所述触发电路7包括延时触发控制器13、脉冲电压回路14及多路脉冲电流回路15；脉冲电压回路14包括第一电容C1、第一二极管D1、第一晶闸管D2及变压器T，其中，变压器T原边绕组的一端与第一晶闸管D2的阴极相连接，第一晶闸管D2的阳极与第一电容C1的一端及第一二极管D1的阴极相连接，第一电容C1的另一端及第一二极管D1的阳极与变压器T原边绕组的另一端相连接，变压器T副边绕组的一端与触发极12相连接，变压器T副边绕组的另一端及第二主电极10均接地；各路脉冲电流回路15均包括第二晶闸管D4、第二二极管D3、第二电容C2及磁开关16，其中，第二电容C2的一端与第二主电极10相连接，第二电容C2的另一端与第二晶闸管D4的阳极及第二二极管D3的阴极相连接，第二晶闸管D4的阴极及第二二极管D3的阳极与磁开关16的一端相连接，磁开关16的一端与触发极12相连接；延时触发控制器13与第一晶闸管D2的控制极及第二晶闸管D4的控制极相连接。
本发明还包括用于检测第一主电极9处电流的电流检测线圈17，其中，电流检测线圈17与延时触发控制器13相连接；密封腔体1由有机玻璃或聚碳酸酯制备而成；磁开关16的匝数可调。
所述第一晶闸管D2及第二晶闸管D4可以通过IGBT或MOSFET进行替换。
第一主电极9连接于适用于柔性直流输电直流断路器中储能电容的一端，第二主电极10连接于直流回路中，第二主电极10及高分子聚合物烧蚀材料11的结合面处设置有放电腔，在实际操作时，根据对工作系数要求的不同，可采用两个及两个以上的放电腔，各放电腔之间采用同轴布置的方式。本发明的触发导通过程为：在接收到触发导通命令后，脉冲电压回路14产生数十千伏高压脉冲，以形成触发极12-高分子聚合物烧蚀材料11-第二主电极10之间的沿面闪络，但由于脉冲电压回路14储能较少，仅能形成弱电离通道，无法形成大量等离子体；在经过预设时延后，多路脉冲电流回路15向沿面闪络形成的弱电离等离子体通道内注入脉冲大电流，各路脉冲电流回路15采用分时自动触发控制，多次注入脉冲大电流，多次烧蚀高分子聚合物烧蚀材料11表面，以形成大量等离子，使得等离子体通道迅速发展膨胀，对高分子聚合物烧蚀材料11表面进行烧蚀，以产生大量等离子体，从而在气压上升、温度升高、电磁应力等综合作用下等离子从放电腔中喷出，进入第二主电极10与第一主电极9中间的区域；在电场畸变、放电初始电子激增等一系列效应作用下，放电迅速发展，贯通第一主电极9与第二主电极10，完成气体开关的导通过程。
参考图3，在待命阶段，第一晶闸管D2及第二晶闸管D4处于断开状态，触发极12通过变压器T副边绕组与第二主电极10相连，保持电位一致，触发电路7工作过程如下：延时触发控制器13接收外部指令后，发出多路触发信号，其中，发送给各脉冲电流回路15的触发信号提前于发送给脉冲电压回路14的信号，如时间间隔为2us，提前使脉冲电流回路15中的第二晶闸管D4导通，防止脉冲电压回路14输出的高压触发脉冲击穿各第二晶闸管D4；脉冲电压回路14产生的高压纳秒脉冲作用于触发极12上，引起沿面闪络，同时脉冲电流回路15中的磁开关16可有效承担绝大部分脉冲电压；经过预设时间，各脉冲电流回路15中磁开关16按既定顺序饱和，各路脉冲电流回路15相继输出大电流，烧蚀高分子聚合物烧蚀材料11表面形成等离子体，完成开关的触发过程。为提高喷射等离子体开关寿命，最大程度减少烧蚀次数，当电流检测线圈17检测到喷射等离子体开关已导通后，则关断全部第一晶闸管D2及第二晶闸管D4，防止后续烧蚀。
实施例一
参考图4，本实施例一中第一主电极9及第二主电极10之间的间距为8mm，实测大气环境下自击穿电压约24kV，在工作系数为42％时，触发导通时延为22us，标准差约1us。触发放电时延随工作系数的减小而增大，实测该结构下最低工作系数约为0.1％，已满足低电压等级直流电流开断需求，可向高电压等级直流电流开断进行拓展。
Claims (5)
1.一种适用于柔性直流输电直流断路器的换流开关装置，其特征在于，包括触发电路(7)、触发极(12)、第一主电极(9)、第二主电极(10)、密封腔体(1)、用于产生高压脉冲及用于分次产生脉冲大电流的触发电路(7)；
第一主电极(9)及第二主电极(10)位于密封腔体(1)内，第一主电极(9)位于第二主电极(10)的上方，且第一主电极(9)与第二主电极(10)之间有间隙，第二主电极(10)的底部设置有凹槽，所述凹槽内填充有高分子聚合物烧蚀材料(11)，高分子聚合物烧蚀材料(11)与凹槽底部的结合面处设置有放电腔，放电腔的顶部开孔，触发极(12)的一端与触发电路(7)相连接，触发极(12)的另一端穿过高分子聚合物烧蚀材料(11)插入于放电腔内。
2.根据权利要求1所述的适用于柔性直流输电直流断路器的换流开关装置，其特征在于，所述触发电路(7)包括延时触发控制器(13)、脉冲电压回路(14)及多路脉冲电流回路(15)；
脉冲电压回路(14)包括第一电容(C1)、第一二极管(D1)、第一晶闸管(D2)及变压器(T)，其中，变压器(T)原边绕组的一端与第一晶闸管(D2)的阴极相连接，第一晶闸管(D2的阳极与第一电容(C1)的一端及第一二极管(D1)的阴极相连接，第一电容(C1)的另一端及第一二极管(D1)的阳极与变压器(T)原边绕组的另一端相连接，变压器(T)副边绕组的一端与触发极(12)相连接，变压器(T)副边绕组的另一端及第二主电极(10)均接地；
各路脉冲电流回路(15)均包括第二晶闸管(D4)、第二二极管(D3)、第二电容(C2)及磁开关(16)，其中，第二电容(C2)的一端与第二主电极(10)相连接，第二电容(C2)的另一端与第二晶闸管(D4)的阳极及第二二极管(D3)的阴极相连接，第二晶闸管(D4)的阴极及第二二极管(D3)的阳极与磁开关(16)的一端相连接，磁开关(16)的一端与触发极(12)相连接；
延时触发控制器(13)与第一晶闸管(D2)的控制极及第二晶闸管(D4)的控制极相连接。
3.根据权利要求1所述的适用于柔性直流输电直流断路器的换流开关装置，其特征在于，还包括用于检测第一主电极(9)处电流的电流检测线圈(17)，其中，电流检测线圈(17)与延时触发控制器(13)相连接。
4.根据权利要求1所述的适用于柔性直流输电直流断路器的换流开关装置，其特征在于，密封腔体(1)由有机玻璃或聚碳酸酯制备而成。
5.根据权利要求1所述的适用于柔性直流输电直流断路器的换流开关装置，其特征在于，磁开关(16)的匝数可调。
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