CN109360764A - 一种直流真空断路器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流真空断路器，包括正常通流支路、换流支路、能量吸收支路、磁场产生支路；其中磁场产生支路由驱动电容C1、斥力线圈L1和缠绕在灭弧室周围的高压电缆L3依次串联构成，二极管D1并联在L1和L3两侧，利用驱动电容C1放电结束后斥力线圈L1和高压电缆L3经二极管D1的长时间续流在灭弧室内产生稳定持久的纵向磁场；本发明无需在灭弧室触头上开槽即能产生有效磁场，有增大触头面积、减小电弧能量、提升断路器的开断容量等优点，适用于大电流电力系统。

Description

一种直流真空断路器

技术领域

本发明属于电力系统故障保护技术领域范畴，具体涉及一种直流真空断路器。

背景技术

随着技术的进步，直流配电成为电力系统发展的主流方向，直流断路器作为电力系统的核心保护设备必然成为当今研究热点之一。相比交流断路器电流的自然过零点，直流断路器自身没有电流过零点，需要通过换流技术来制造人工过零点。然而，在中压大电流领域下，通常通过增大换流电容容量或换流支路电感来减小真空开关电流过零点附近的电流变化率，但这种方案势必会极大增加直流真空断路器的体积。

真空开关分断暂态过程中电弧的运动是影响分断可靠性的关键因素，在大电流环境下一般在真空开关中引入与分断电流方向平行且相同的纵向磁场，控制暂态等离子体围绕磁力线旋转，使电弧运动模式尽可能呈现扩散型以提高真空开关电流过零分断可靠性。

传统断路器引入纵向磁场的方式是通过在灭弧室内的真空开关触头上开槽改变电流流通路径，此种方法不仅减小触头的有效面积、增大触头接触电阻，引起不必要的损耗；而且传统的由触头结构产生的磁场，磁场强度易随分断过程中触头开距及电流大小而发生显著变化，磁场不够稳定，从而限制了其分断大电流的能力。

发明内容

为了克服上述传统磁场产生方式的不足，本发明的目的是提供一种无需在真空开关触头上开槽即能产生有效磁场的直流真空断路器。

本发明采用的技术方案是：一种直流真空断路器，其分闸机构采用基于斥力盘和斥力线圈的电磁斥力机构，包括并联的正常通流支路、换流支路、能量吸收支路和作为断路器的分闸驱动电路的磁场产生支路；

所述的正常通流支路包含灭弧室内的快速真空开关VB，正常通流支路由快速真空开关VB的合闸来通过系统负载电流；

所述的换流支路由换流电容C2、电感L2和控制开关S2串联构成；

所述的能量吸收支路是由多个压敏电阻串并联构成的压敏电阻组件MOV；

所述的磁场产生支路是由驱动电容C1、电感L1、电感L3和控制开关S1构成的脉冲放电回路，所述的电感L1为电磁斥力机构上的斥力线圈，所述的电感L3为均匀缠绕在灭弧室周围的高压电缆，所述的电感L1和电感L3串联形成电感支路，电感支路的两侧并联一个二极管D1，二极管D1的阴极与电感支路的电流流入侧相连，二极管D1的阳极与电感支路的电流流出侧相连。

所述的一种直流真空断路器，其高压电缆两端串入分闸驱动回路，高压电缆缠绕产生的线路电感值远小于斥力线圈的电感值，不会对断路器正常分闸过程产生影响。

所述的一种直流真空断路器，其控制开关S1选择晶闸管或真空触发开关，触发导通后磁场产生支路开始放电。

所述的一种直流真空断路器，其控制开关S2选用晶闸管/二极管和真空触发开关串联构成。

所述的一种直流真空断路器，其能量吸收支路的开通电压阈值小于换流支路中换流电容C2放电后反向电压峰值，能量吸收支路的能量吸收能量大于系统中储存的最大能量。

本发明的有益效果是：

1，相比于传统纵向磁场产生方式，本发明利用在分闸驱动回路串入绕制线圈的续流过程产生纵向磁场，该磁场时间持续较长，有利于快速真空开关VB暂态分断过程中电弧由集聚型运动状态向扩散型运动状态转变，提高其大电流分断能力。

2，本发明无需在真空开关触头上开槽，从而增大了触头的有效面积，能够提高断路器的分断容量；在正常通流时，触头接触电阻减小，使系统不必要的损耗降低；另外触头的机械强度和抗烧蚀能力也得到了一定改善。

3，相较传统的由触头结构产生的磁场，本发明磁场产生方式由于续流过程电流变化率极小且续流时间较长，因此产生的纵向磁场强度稳定持久，能有效降低了电弧能量以及触头接触电阻，提高了断路器的开断容量和分断能力，同时也降低了真空开关闭合状态下的损耗，有利于提高直流真空断路器的大电流分断可靠性，适应于当今急需解决的故障大电流开断背景。

附图说明

图1为本发明直流真空断路器的分断原理图；

图2为一次过零分断过程中各支路电流波形；

图3为一次过零分断过程中换流电容电压及真空开关电压波形；

图4为二次过零分断过程中真空开关电流及电压波形。

各附图标记为：1—正常通流支路，2—换流支路，3—能量吸收支路，4—磁场产生支路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

本发明公开了一种直流真空断路器，分闸机构采用基于斥力盘和斥力线圈的电磁斥力机构，包括正常通流支路1、换流支路2、能量吸收支路3和磁场产生支路4，所述的正常通流支路1、换流支路2、能量吸收支路3并联；所述的正常通流支路1在正常工作的情况下，灭弧室内的快速真空开关VB合闸通过系统负载电流。直流电力系统在正常工作状态下，正常通流支路1中的快速真空开关VB处于合闸状态，负载电流由快速真空开关VB承担。

所述的换流支路2是由换流电容C2、电感L2和控制开关S2串联构成，所述的控制开关S2选用晶闸管或者二极管和真空触发开关串联构成，其目的是产生单向脉冲放电回路，放电电流方向与正常通流支路1电流方向相同。

所述的能量吸收支路3是由多个压敏电阻串并联构成的压敏电阻组件MOV，其开通电压阈值小于换流支路2的换流电容C2放电后反向电压峰值，其能量吸收能量应大于系统中储存的最大能量，其中能量吸收支路3的开通电压阈值小于换流电容C2放电后反向电压峰值，能量吸收支路3的能量吸收能量大于系统中储存的最大能量。

所述的磁场产生支路4即为断路器的分闸驱动电路，由驱动电容C1、电感L1、电感L3和控制开关S1构成的脉冲放电回路，其中驱动电容1为预充电电容，作为储能电容使用，所述的换流电容C2为预充电电容，控制开关S1选择晶闸管或真空触发开关，触发导通后磁场产生支路4开始放电，所述的电感L1为电磁斥力机构上的斥力线圈，当磁场产生支路4的驱动电容C1放电时，在电感L1上激励产生脉冲磁场并使斥力盘感应出涡流，从而完成分闸，所述的电感L3为高压电缆均匀缠绕在灭弧室表面上的线路电感，在快速真空开关VB分断时产生稳定纵向磁场，高压电缆L3两端串入断路器分闸驱动回路，高压电缆L3缠绕产生的线路电感值远小于斥力线圈的电感值，不会对断路器正常分闸过程产生影响，所述的电感L1和电感L3串联形成电感支路，二极管D1并联在电感支路的两侧，二极管D1的阴极与电感支路的电流流入侧相连，二极管D1的阳极与电感支路的电流流出侧相连，其目的是为了利用驱动电容C1放电结束后斥力线圈L1和高压电缆L3经二极管D1的长时间续流在灭弧室内产生稳定的时间足够长的纵向磁场，该磁场方向与快速真空开关VB中电流方向平行且同向，电感L3中脉冲放电电流方向和磁场方向遵循右螺旋关系，分闸机构选用电磁斥力机构，快速真空开关VB触头动作和磁场产生能够较好的同步进行，无需外部施加相应磁场，所述的磁场产生支路4是由分闸机构电源提供，无需在触头结构上开槽，与传统的纵向磁场触头结构相比，有效的增大了触头的面积，提高了触头机械强度和抗烧蚀能力，进而提高了断路器的分断可靠性。

本发明的纵向磁场是在磁场产生支路4中产生，具体表现为：

当控制开关S1触发导通后，预充电电容C1通过电感L1和电感L3进行放电，放电电流达到一定幅值后斥力盘感应出涡流，即回路产生脉冲电流，首先斥力线圈L1上的脉冲电流会在斥力盘上感应出涡流并与脉冲电流相互作用产生电磁斥力，带动快速真空开关VB的触头动作完成断路器分闸，脉冲电流到达峰值后，电感L1和电感L3通过二极管D1完成续流过程，该过程中流过电感L3的电流变化率极小，维持时间较长，能够给快速真空开关VB分断暂态过程提供稳定持久的纵向磁场，续流过程中在灭弧室内部感应的纵向磁场方向与快速真空开关VB的电流方向平行且同向，以便在换流支路2投入后提高快速真空开关VB电流过零关断能力，整个过程触头动作和磁场产生在时间上能够较好的同步，由于续流过程流过高压电缆L3的电流幅值较大且变化率极小，因此感应出的磁场强度较稳定、持续时间较长，操作与控制都较为简便，另外可通过调整高压电缆L3缠绕在真空灭弧室表面上的匝数来改变所需纵向磁场的强度。

当系统出现短路故障时，控制开关S1接通，快速真空开关VB分断，同时预充电电容C1对高压电缆L3放电产生稳定的时间足够长的纵向磁场，便于在换流支路2投入时，提高快速真空开关VB电流过零分断能力，整个过程触头动作和磁场产生在时间上能够较好的同步，由于续流过程流过L3的电流幅值较大且变化率极小，因此感应出的磁场强度较稳定、持续时间较长，操作与控制都较为简便，另外可通过调整高压电缆L3缠绕在灭弧室表面上的匝数来改变所需纵向磁场的强度。

当触头开距足够大时，触发导通控制开关S2，预充电电容C2通过电感L2放电产生单向脉冲电流，迫使快速真空开关VB的电流逐渐减小为零。

快速真空开关VB过零关断后，系统母线开始对预充电电容C2反向充电，断路器上的电压不断增大，当电压增大到压敏电阻组件MOV开通阈值后，能量吸收支路3开始吸收系统和电感存储的能量并限制过电压，随后故障电流逐渐降为零。

参照附图2及附图3，当系统正常运行时，快速真空开关VB处于合闸状态，承担系统稳态运行电流，当内部电流监测单元在t ₀时刻识别系统发生故障后，经过时间t ₁-t ₀后触发磁场产生支路4的控制开关S1导通使储能的预充电电容C1开始放电，磁场产生支路4的斥力线圈L1中电流开始快速上升，在斥力盘中感应出涡流使分闸机构开始动作；在t ₂时刻，触发换流支路2中控制开关S2导通，此时换流电流急剧增加，快速真空开关VB中电流急剧减小；在t ₃时刻，换流支路2电流与系统电流相等，快速真空开关VB电流变为零，快速真空开关VB两端电压以近似阶跃形式上升；在t ₂至t ₃时间段内，由于续流过程电流变化率很小，高压电缆L3的电流近似不变，能够在快速真空开关VB触头间隙中产生稳定的纵向磁场，减小电弧能量，有效的增大了快速真空开关VB分断可靠性；当换流支路2电流上升至最大值后系统中储存的能量开始给换流用预充电电容C2反向充电，在t ₄时刻，预充电电容C2上电压达到压敏电阻组件MOV开通阈值使其开通吸收系统能量并限制过电压；在t ₅和t ₆时刻，换流支路2电流和系统电流依次因压敏电阻组件MOV开通而降为零。至此，故障电流成功分断。

参照附图4，在上述实施案例中，如若快速真空开关VB未能在电流第一次过零时成功分断，在换流支路2电流上升至峰值后，下降至与快速真空开关VB电流再次相等时的二次过零时刻，利用磁场产生支路4长时间的续流而产生的稳定纵向磁场作用下，仍然有分断故障电流的机会。

以上已说明本发明的原理功效及具体实施方法，在本领域的技术范畴内及上述原理基础上对本发明提出改正或者修善均应包含在待申请的本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种直流真空断路器，分闸机构采用基于斥力盘和斥力线圈的电磁斥力机构，其特征在于：包括并联的正常通流支路（1）、换流支路（2）、能量吸收支路（3）和作为分闸驱动电路的磁场产生支路（4），其中正常通流支路（1）包含灭弧室内的快速真空开关VB，由快速真空开关VB的合闸来通过系统负载电流；

所述的换流支路（2）由换流电容C2、电感L2和控制开关S2串联构成；

所述的能量吸收支路（3）是由多个压敏电阻串并联构成的压敏电阻组件MOV；

所述的磁场产生支路（4）是由驱动电容C1、电感L1、电感L3和控制开关S1构成的脉冲放电回路，所述的电感L1为电磁斥力机构上的斥力线圈，所述的电感L3为缠绕在灭弧室周围的高压电缆，所述的电感L1和电感L3串联形成电感支路，电感支路的两侧并联一个二极管D1，二极管D1的阴极与电感支路的电流流入侧相连，二极管D1的阳极与电感支路的电流流出侧相连。

2.根据权利要求1所述的一种直流真空断路器，其特征在于，所述的驱动电容C1和换流电容C2均为预充电电容。

3.根据权利要求1所述的一种直流真空断路器，其特征在于，所述的高压电缆两端串入分闸驱动回路，高压电缆的电感值远小于斥力线圈。

4.根据权利要求1所述的一种直流真空断路器，其特征在于，所述的控制开关S1选择晶闸管或真空触发开关。

5.根据权利要求1所述的一种直流真空断路器，其特征在于，所述的控制开关S2选用晶闸管/二极管和真空触发开关串联构成。

6.根据权利要求1所述的一种直流真空断路器，其特征在于，所述能量吸收支路（3）的开通电压阈值小于换流电容C2放电后反向电压峰值，能量吸收支路（3）的能量吸收能量大于系统中储存的最大能量。