CN108511261B - 一种基于一体化电极结构的直流断路器及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于一体化电极结构的直流断路器及其使用方法，包括断路器本体，其特征在于，断路器本体包括具有一体化电极结构的真空开关；真空开关的两端并联有由电容与电感串联组成的换流支路；所述真空开关包括内部为真空环境的开关腔体，开关腔体内设置有一体化电极结构，一体化电极结构包括动导电杆，动导电杆的一端设置有主动电极，动导电杆上还设置有辅助动电极；主动电极对应设置有主静电极，主静电极连接于静导电杆的一端，辅助动电极对应设置有辅助静电极，辅助静电极连接辅助静电极引线端。该直流断路器能够实现开断直流电流的功能，并且具有成本低、体积小，配合性高的特点。

Description

一种基于一体化电极结构的直流断路器及其使用方法
技术领域
本发明属于电力开关技术领域；具体涉及一种基于一体化电极结构的直流断路器及其使用方法。
背景技术
随着直流电网技术的发展，电能的生产、传输、分配及消费正在逐步朝着高效环保的方向迈进。相对于传统的交流电网，直流电网主要具有传输功率大，损耗小，稳定性高等优点。但是，由于直流电流不存在自然过零点，因此，对于直流的开断，现阶段的技术还不成熟，这成为了直流电网进一步发展的一大瓶颈。
目前，针于直流断路器的设计方案，主要有三种形式：基于人工过零的机械式直流断路器、纯电力半导体直流断路器和混合式直流断路器。基于人工过零的机械式直流断路器具有成本低，耐压高，损耗小等优点；但是，该类型的直流断路器需要借助辅助电路来制造电流零点，通常，在该类直流断路器的主开关两端并联一个LC(电容电感)振荡支路，当主开关的电极打开到一定的开距并形成电弧，触发导通串联在LC振荡支路中的辅助开关，由于原先电容C预充有一定的电压，在导通LC振荡支路后，产生振荡电流，流过主开关的初始电流与振荡电流相叠加，在主开关中产生电流零点，电弧熄灭，电流被开断。
在现有的基于人工过零的直流断路器设计方案中，辅助开关一般采用球隙开关或者可控型电力半导体器件或者是传统的机械开关。其中，空气球隙开关由于导通时产生空气电弧，其电弧能量高，且存在一定的安全隐患，故在很多场合并不适用；真空球隙开关中的真空电弧很容易在振荡电流过零时熄灭，而导致LC振荡电路停止工作，故该开关的电流续流性能比较差；可控型电力半导体器件由于其耐压低，导通电流小，仅适用于低电压小电流的场合。传统的机械开关存在分散性大、分合闸速度慢、机械强度不足等缺点，从而限制了整个直流断路器的性能。同时，上述三种开关，都具有辅助组件多，成本高，体积大，配合性差，可靠性低等缺点。因此，迫切需要一种适用于直流断路器的一体化电极结构。
发明内容
本发明提供了一种基于一体化电极结构的直流断路器及其使用方法。该断路器具有导通和开断直流电流的功能；能够实现开断直流电流的的功能，并且其具有成本低、体积小，配合性高的特点。
本发明的技术方案是：一种基于一体化电极结构的直流断路器，包括断路器本体，其特征在于，断路器本体包括具有一体化电极结构的真空开关；真空开关的两端并联有由电容与电感串联组成的换流支路；所述真空开关包括内部为真空环境的开关腔体，开关腔体内设置有一体化电极结构，一体化电极结构包括主电极和辅助电极；其中，主电极包括主动电极和主静电极，辅助电极包括辅助静电极和辅助动电极；主动电极连接动导电杆，且主动电极设置于动导电杆的一端，动导电杆上还设置有辅助动电极，主动电极对应设置有主静电极，主静电极连接于静导电杆的一端；辅助动电极对应设置有辅助静电极，辅助静电极与辅助静电极引线端连接；其中动导电杆带动主动电极和辅助动电极做直线运动，使主动电极与主静电极导通，且辅助动电极与辅助静电极分离，或者使辅助动电极与辅助静电极接触，且主动电极与主静电极分离。
其中，动导电杆电气连接于直流断路器的输入端或输出端，静导电杆电气连接于直流断路器电流的输出端或输入端，静导电杆还连接换流支路的一端，辅助静电极引线端与换流支路的另一端电气连接。
更进步一步的，本发明的特点还在于：
其中辅助静电极上设置有触发孔，辅助动电极能够穿过触发孔，且辅助动电极的外壁与触发孔的内壁接触，使辅助动电极与辅助静电极导通。
其中辅助动电极或触发孔上设置有辅助金属结构，辅助动电极穿过触发孔时通过辅助金属结构与辅助静电极导通。
其中辅助金属结构为金属条或弹性导电体。
其中辅助动电极为圆柱形结构，且触发孔为与辅助动电极匹配的圆形孔。
其中主动电极设置在主静电极和辅助静电极之间，且主动电极在主静电极和辅助静电极之间做直线运动。
其中动导电杆与开关腔体的底部焊接有用于动密封的金属波纹管。
本发明的另一技术方案是，上述基于一体化电极结构的直流断路器的使用方法，包括：当直流断路器处于合闸状态时，主动电极与主静电极接触，辅助动电极与辅助静电极分离，直流电流流过主电极，与真空开关连接的换流支路不导通，此时换流支路中的电容预充电压；当直流断路器分闸动作时，动导电杆带动主动电极和辅助静电极朝着远离主静电极的方向移动，主动电极与主静电极分离，产生真空电弧，之后辅助动电极与辅助静电极接触导通，与真空开关连接的换流支路导通，此时主电极及其之间的电弧等离子体、辅助电极及换流支路形成LC放电通路，并产生振荡电流，振荡电流与主电极中原来的电流叠加，使主电极中的电流过零，从而实现将流过断路器中的电流被分断；随着动导电杆继续移动，辅助动电极和辅助静电极分离，并达到特定的位置，完成断路器的分闸动作；
当直流断路器处于分闸状态时，主电极与辅助电极均处于特定的分离位置；当直流断路器合闸动作时，动导电杆带动辅助动电极和主动电极向着靠近主静电极的方向做直线运动，辅助电极穿越触发孔，由分闸状态转变为合闸状态，再到分闸状态，直至主电极接触导通，则该直流断路器完成合闸动作。
其中，分闸时，辅助静电极和辅助动电极的保持合闸状态时间t，其能够通过改变动导电杆在辅助动电极穿过触发孔时的平均运动速度V动、辅助动电极的尺寸L动和辅助静电极的尺寸L静来调节，具体的t＝(L动+L静)/V动。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该直流断路器通过一只具有一体化电极结构的真空开关，配合辅助电路，即可完成直流电流的开断。其中，它所包含的真空开关，具有两对电极，即主电极和辅助电极，在主电极分闸或者合闸的过程中，辅助电极能够快速合分；通过两对电极的密切配合，外加辅助电路的作用，可使主电极中直流电流过零，实现直流电流的分断。该直流断路器具有体积小，成本低，配合性高的优良特性。
更进一步的，辅助静电极上设置触发孔，通过辅助动电极穿越触发孔的结构，实现辅助动电极与辅助静电极的快速合分；进一步的，通过在辅助动电极或辅助静电极上设置辅助金属结构，实现辅助电极的间接接触。
更进一步的，辅助动电极为圆柱形结构，且触发孔为与之相匹配的圆形孔；相应的，辅助动电极还可以设置为其他形状，触发孔与该形状相匹配即可。
本发明还提供了上述基于一体化电极结构的直流断路器的使用方法，其中，合闸控制通过推动动导电杆使主动电极和主静电极接触导通，在此过程中，辅助电极进行了一次合分，最终辅助动电极和辅助静电极处于分离状态；分闸控制通过拉动动导电杆，使主动电极和主静电极分开，产生电弧等离子体，随后辅助动电极和辅助静电极接触导通，换流支路导通，主电极及其之间的电弧等离子体、辅助电极及换流支路构成LC放电回路，使主电极中的电流过零，直流电流被开断。此后，继续拉动导电杆，使辅助静电极与辅助动电极分开到特定的位置，完成分闸动作。
更进一步的，在该控制过程中，能够通过调整辅助电极的尺寸及动导电杆的运动速度来调节辅助电极保持合闸状态的时间。
附图说明
图1为本发明中基于一体化电极结构的直流断路器的电气原理示意图；
图2为本发明中真空开关的结构示意图；
图3为本发明中一体化电极结构的示意图；
图4为本发明中一体化电极结构的驱动原理图。
图中：1为辅助静电极；2为辅助动电极；3为触发孔；4为主动电极；5为主静电极；6为动导电杆；7为静导电杆；8为辅助静电极引线端；9为操动机构连接端；10为金属波纹管；11为开关腔体；12为真空开关。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明提供了一种基于一体化电极结构的直流断路器，如图1所示，包括断路器本体，其特征在于，断路器本体包括具有一体化电极结构的真空开关12；真空开关12的两端并联有由电容与电感串联组成的换流支路；其中，动导电杆6电气连接于直流断路器电流的输入端端或输出端Ⅰ，静导电杆7电气连接于直流断路器电流的输出端端或输入端Ⅱ，静导电杆7还连接换流支路的一端，辅助静电极引线端8与换流支路的另一端电气连接。
如图2-3所示，所述真空开关12包括内部为真空环境的开关腔体11，开关腔体11内设置有一体化电极结构，一体化电极结构包括主电极和辅助电极；其中，主电极包括主动电极4和主静电极5，辅助电极包括辅助静电极1和辅助动电极2；主动电极4连接动导电杆6，且主动电极4设置于动导电杆6的一端，动导电杆6上还设置有辅助动电极2，主动电极4对应设置有主静电极5，主静电极5连接于静导电杆7的一端；辅助动电极2对应设置有辅助静电极1，辅助静电极1与辅助静电极引线端8连接；其中动导电杆6带动主动电极4和辅助动电极2做直线运动，使主动电极4与主静电极5导通，且辅助动电极2与辅助静电极1分离，或者使辅助动电极2与辅助静电极1接触，且主动电极4与主静电极5分离。
优选的，辅助静电极1上开有触发孔3，辅助动电极2穿过触发孔3，当辅助动电极2穿过触发孔3时，辅助动电极2的外壁与触发孔3的内壁接触，实现辅助动电极2与辅助静电极1的接触导通。
优选的，辅助动电极2或触发孔3上设置有辅助金属结构，辅助金属结构为金属条或弹性导电体；当辅助动电极2穿过触发孔3时，辅助动电极2与辅助静电极1通过辅助金属结构间接接触导通。
优选的，辅助动电极2为圆柱形结构，相应的触发孔3为与辅助动电极2相匹配的圆形孔。此外，辅助动电极2还可以为其他形状，触发孔3与其形状相匹配即可。
优选的，动导电杆6与开关腔体11的底部焊接有金属波纹管10，金属波纹管10用于动密封电极结构，即在动导电杆6能够移动的前提下，隔绝开关腔体11内部与外部的环境，保证开关腔体11内部为真空环境。
优选的，主动电极4和主静电极5能够为带有电弧控制功能的触头。
本发明还提供了上述基于一体化电极结构的直流断路器的使用方法，该直流断路器的输入端或输出端Ⅰ连接于直流电路的一端，其输出端或输入端Ⅱ连接于直流电路的另一端，直流电流从该直流断路器流过；具体的，如图4(a)所示，直流断路器处于合闸状态，主动电极4与主静电极5接触导通，辅助动电极2在主动电极4和辅助静电极1之间，且辅助静电极1与辅助动电极2处于分离状态，辅助动电极2与触发孔3相对，此时与辅助静电极引线端8和静导电杆7连接的换流支路不导通，且换流支路中的电容预充有一定的电压；
当直流断路器分闸动作时，如图4(b)、(c)所示，动导电杆6带动辅助动电极2和主动电极4向着远离主静电极5的方向做直线运动，主动电极4与主静电极5分离，产生电弧等离子体，当辅助动电极2开始穿越触发孔3时，辅助动电极2与辅助静电极1接触导通，辅助电极进入合闸状态，从辅助动电极2与辅助静电极1开始导通的时刻计算辅助电极保持合闸状态的时间，此时与辅助静电极引线端8和静导电杆7连接的换流支路导通，形成LC放电通路，并产生振荡电流，振荡电流与主电极中原来的电流叠加，使主电极的两端的电流过零，从而实现原主电极中直流电流的开断；其中，辅助动电极2在触发孔3内移动的过程中，此时辅助动电极2始终与辅助静电极1保持导通，当辅助动电极2穿出触发孔3，即辅助动电极2与辅助静电极1分离时，辅助动电极2在触发孔3内的移动时长t即为辅助电极保持合闸状态的时间；如图4(d)所示，动导电杆6继续移动一段距离使辅助静电极1和辅助动电极2彻底分离，且主动电极4与主静电极5也处于特定的分离位置，则直流断路器完成分闸动作。
如图4(d)所示，直流断路器处于分闸状态，主电极与辅助电极均处于特定的分离位置；当直流断路器合闸动作时，如图4(c)、(b)所示，动导电杆6带动辅助动电极2和主动电极4向着靠近主静电极5的方向做直线运动，到达如图4(a)所示的位置，则该直流断路器完成合闸动作。
更进一步的，本发明中辅助电极保持合闸状态的时间t能够通过辅助静电极1的尺寸、辅助动电极2的尺寸和动导电杆6的移动速度进行调节，具体的t＝(L动+L静)/V动，其中L动为辅助动电极2与辅助静电极1接触截面的长度，L静为辅助静电极1与辅助动电极2接触截面的长度，V动为动导电杆6在辅助动电极2穿过触发孔3时的平均运动速度。
如图2所示，当辅助动电极2为厚度均匀的圆柱形结构时，L动为辅助动电极2的厚度；相应的触发孔3为圆柱形的孔，L静为触发孔3的深度，即辅助静电极1的厚度。

Claims (9)

1.一种基于一体化电极结构的直流断路器，包括断路器本体，其特征在于，断路器本体包括一个具有一体化电极结构的真空开关(12)；真空开关(12)的两端并联有由电容和电感串联组成的换流支路；
所述真空开关(12)包括内部为真空环境的开关腔体(11)，开关腔体(11)内设置有一体化电极结构，一体化电极结构包括主电极和辅助电极；其中，主电极包括主动电极(4)和主静电极(5)，辅助电极包括辅助静电极(1)和辅助动电极(2)；主动电极(4)连接动导电杆(6)，且主动电极(4)设置于动导电杆(6)的一端，动导电杆(6)上还设置有辅助动电极(2)，主动电极(4)对应设置有主静电极(5)，主静电极(5)连接于静导电杆(7)的一端；辅助动电极(2)对应设置有辅助静电极(1)，辅助静电极(1)与辅助静电极引线端(8)连接；其中动导电杆(6)带动主动电极(4)和辅助动电极(2)做直线运动，使主动电极(4)与主静电极(5)导通，且辅助动电极(2)与辅助静电极(1)分离，或者使辅助动电极(2)与辅助静电极(1)接触，且主动电极(4)与主静电极(5)分离；
其中动导电杆(6)电气连接直流断路器电流的输入端或输出端，静导电杆(7)电气连接直流断路器电流的输出端或输入端，静导电杆(7)还连接换流支路，辅助静电极引线端(8)与换流支路的另一端电气连接。
2.根据权利要求1所述的基于一体化电极结构的直流断路器，其特征在于，所述真空开关(12)中的一体化电极结构的辅助静电极(1)上设置有触发孔(3)，辅助动电极(2)能够穿过触发孔(3)，且辅助动电极(2)的外壁与触发孔(3)的内壁接触，使辅助动电极(2)与辅助静电极(1)接触导通。
3.根据权利要求2所述的基于一体化电极结构的直流断路器，其特征在于，所述真空开关(12)中的一体化电极结构的辅助动电极(2)或触发孔(3)上设置有辅助金属结构，辅助动电极(2)穿过触发孔(3)时通过辅助金属结构与辅助静电极(1)导通。
4.根据权利要求3所述的基于一体化电极结构的直流断路器，其特征在于，所述真空开关(12)中的一体化电极结构的辅助金属结构为金属条或弹性导电体。
5.根据权利要求2所述的基于一体化电极结构的直流断路器，其特征在于，所述真空开关(12)中的一体化电极结构的辅助动电极(2)为圆柱形结构，且触发孔(3)为与辅助动电极(2)匹配的圆形孔。
6.根据权利要求1所述的基于一体化电极结构的直流断路器，其特征在于，所述真空开关(12)中的一体化电极结构的主动电极(4)设置在主静电极(5)和辅助静电极(1)之间，且主动电极(4)在主静电极(5)和辅助静电极(1)之间做直线运动。
7.根据权利要求1所述的基于一体化电极结构的直流断路器，其特征在于，所述真空开关(12)中的动导电杆(6)与开关腔体(11)的底部焊接有用于动密封的金属波纹管(10)。
8.一种如权利要求1所述的基于一体化电极结构的直流断路器的使用方法，其特征在于，包括当直流断路器开断直流电流时，在初始时刻，换流支路中的电容预充一定的电压，主动电极(4)与主静电极(5)处于闭合状态，导通直流电流，此时辅助动电极(2)与辅助静电极(1)分离，换流支路不导通；随着动导电杆(6)带动主动电极(4)和辅助静电极(1)朝着远离主静电极(5)的方向移动，主动电极(4)与主静电极(5)分离，由于电弧等离子体的形成，主动电极(4)与主静电极(5)仍然处于导通状态，当辅助动电极(2)与辅助静电极(1)接触导通时，与辅助静电极引线端(8)和静导电杆(7)连接的换流支路导通，此时形成LC放电通路，产生振荡电流，振荡电流与主电极中原来的电流叠加，使主电极中的电流过零，从而实现将电流分断目的；随着动导电杆(6)的继续移动，使辅助动电极(2)和辅助静电极(1)分离至一定的距离，此时该直流断路器完成了分闸动作，开断了直流电流。
9.根据权利要求8所述的基于一体化电极结构的直流断路器的使用方法，其特征在于，所述辅助静电极(1)和辅助动电极(2)的保持合闸状态的时间t，其能够通过改变动导电杆(6)在辅助动电极(2)穿过触发孔(3)时的平均运动速度V动、辅助动电极(2)的尺寸L动和辅助静电极(1)的尺寸L静进行调节，具体的计算公式为t＝(L动+L静)/V动，其中L动为辅助动电极(2)与辅助静电极(1)接触截面的长度，L静为辅助静电极(1)与辅助动电极(2)接触截面的长度，V动为动导电杆(6)在辅助动电极(2)穿过触发孔(3)时的平均运动速度。
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