CN109545589A - 电磁斥力操动机构及直流开关设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁斥力操动机构及直流开关设备。电磁斥力操动机构，包括上线圈和下线圈，所述上线圈上连接有上储能单元，所述下线圈上连接有下储能单元，所述上储能单元和下储能单元均包括两个以上用于对相应的线圈进行放电的储能模块，各个储能单元中的储能模块的输出接口并联并与相应的线圈连接，所述储能模块包括储能元件和用于控制所述储能元件的控制开关，这样能够实现电磁斥力操作机构的连续操作。

Description

电磁斥力操动机构及直流开关设备

技术领域

本发明涉及一种电磁斥力操动机构及直流开关设备。

背景技术

多端直流及直流电网中的断路器需要在毫秒级的时间内完成短路电流限制，传统断路器的操动机构操作速度慢，无法满足要求。而电磁斥力操动机构在响应及动作速率方面具有明显的优势，其储能和触发回路通过电容的放电驱动操作机构动作。电磁斥力操动机构的原理框图如图1所示，其工作原理如下：控制装置触发上储能模块1中光控晶闸管，使上储能模块中预充电电容向操动机构本体12中的上线圈112放电，上线圈112与操动机构本体12中的金属盘113之间产生电磁斥力，从而驱动金属盘带动机械开关动触头向远离上线圈的方向运动，实现电磁驱动；一定时间后，控制装置触发下储能模块2中光控晶闸管，使下储能模块中预充电电容向操动机构本体12中的下线圈114放电，下线圈114与操动机构中的金属盘113之间产生电磁斥力，从而使金属盘带动机械开关动触头减速，实现电磁缓冲。

如申请号为201520817977.2的中国实用新型专利就公开了一种采用电磁斥力操动机构的快速开关，即直流断路器，该快速开关的电磁斥力操动机构包括密封腔室和安装在腔室的相对侧壁上的下线圈和上线圈，金属盘处于下线圈和上线圈之间并与动触头传动连接，下线圈和上线圈均与各自相应的储能模块连接，分闸时，上线圈的储能模块中的电容向上线圈放电，该电流通过上线圈在金属盘上感应出与上线圈电流方向相反的涡流，从而产生电磁斥力驱动金属盘带动动触头运动，设定时间后当动触头的运动距离达到开关的要求的绝缘距离时，下线圈的储能模块中电容向下线圈放电，此时下线圈与金属盘之间产生电磁斥力，方向与金属盘的运动方向相反，使运动部件减速，避免反弹；合闸操作同理。

这种操作机构的合闸操作与分闸操作都必须要间隔一定的时间，无法实现连续操作，原因是连续操作时相邻两次操作之间的时间间隔很短，一般在毫秒级至百毫秒级，这样就需要在一次操作结束后储能模块迅速充电储能，而电磁操作机构动作一次需要1~2kJ的能量，若要在毫秒至百毫秒级时间内完成储能为下次操作做准备，则充电电源功率高达百KW至MW级，这么高的充电功率在实际很难实现。比如，在进行重合闸操作时，就需要操动机构能够实现连续动作，现有的这种电磁斥力操动机构由于无法实现连续动作也就无法实现重合闸功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电磁斥力操动机构，以解决现有技术中的电磁斥力操动机构无法实现连续动作的问题；同时，本发明还提供一种直流开关设备。

为实现上述目的，本发明的电磁斥力操动机构采用如下技术方案：

电磁斥力操动机构技术方案1：电磁斥力操动机构，包括上线圈和下线圈，所述上线圈上连接有上储能单元，所述下线圈上连接有下储能单元，所述上储能单元和下储能单元均包括两个以上用于对相应的线圈进行放电的储能模块，各个储能单元中的储能模块的输出接口并联并与相应的线圈连接，所述储能模块包括储能元件和用于控制所述储能元件的控制开关。初始状态时上储能单元和下储能单元中的各个储能模块均满电状态，第一次操作时，上储能模块中的一个储能单元向上线圈放电，该电流通过上线圈在金属盘上感应出与上线圈的电流方向相反的涡流，从而产生电磁斥力驱动金属盘带动动触头运动，设定时间后当动触头的运动距离达到开关的要求的绝缘距离时，下储能单元中的一个储能模块向下线圈放电，此时下线圈与金属盘之间产生电磁斥力，方向与金属盘的运动方向相反，使运动部件减速，避免反弹，完成第一次操作；第二次操作时，下储能单元中的第二个储能模块向金属盘放电驱动其带动动触头第二次动作，设定时间后上储能单元中的第二个储能单元通过上线圈向金属盘放电产生电磁斥力，以实现第二次操作时的缓冲。上储能模块和下储能模块通过两个储能单元实现两次连续操作时的放电，这样就不需要很高的充电功率，解决了因此造成的电磁斥力操动机构无法实现连续动作的问题。

电磁斥力操动机构的技术方案2，在电磁斥力操动机构的技术方案1的基础上：所述控制开关为与电磁斥力操动机构的控制器信号连接的光控晶闸管，这样响应速度快和抗干扰能力强。

电磁斥力操动机构的技术方案3，在电磁斥力操动机构的技术方案1的基础上：所述上储能单元中的储能模块以及所述下储能单元中的储能模块均设有三个，这样能够通过每个储能单元中的储能模块分别对相应的线圈放电进行重合闸，具体工作过程为：分闸时，上储能单元中的第一个储能模块向上线圈放电，该电流通过上线圈在电磁斥力操动机构的金属盘上感应出与上线圈的电流方向相反的涡流，从而产生电磁斥力驱动金属盘带动动触头运动，设定时间后当动触头的运动距离达到开关的要求的绝缘距离时，下储能单元中的第一个储能模块向下线圈放电，此时上线圈与金属盘之间产生电磁斥力，方向与金属盘的运动方向相反，使运动部件减速，避免反弹，完成分闸；分闸后的一段时间后需要重合闸，此时下储能单元中的第二个储能模块向金属盘放电驱动其带动动触头合闸动作，设定时间后上储能单元中的第二个储能模块通过上线圈向金属盘放电产生电磁斥力，以实现合闸时的缓冲，当电路中的故障解除时重合闸完成，当电路中的故障未解除时，上储能单元中的第三个储能模块对上线圈放电以驱动金属盘带动动触头分闸运动，而下储能单元中的第三个储能模块则用于此次分闸动作的缓冲。该电磁斥力操作机构能够通过多个储能模块实现直流断路器的重合闸功能，保证了个换流站向正常线路的可靠供电。

电磁斥力操动机构的技术方案4，在电磁斥力操动机构的技术方案1~3任意一项的基础上：所述电磁斥力操动机构还包括电压变换模块，所述上储能单元和所述下储能单元的各个储能模块的输入接口并联且与所述电压变换模块的输出接口连接。

电磁斥力操动机构的技术方案5，在电磁斥力操动机构的技术方案1~3任意一项的基础上：所述储能模块的输出接口与储能元件之间串联有二极管和电阻，所述储能模块的输出接口还并联有旁路开关。

本发明的直流开关设备采用如下技术方案：

直流开关设备的技术方案1：直流开关设备，包括直流断路器及其电磁斥力操动机构，所述电磁斥力操动机构包括上线圈和下线圈，所述上线圈上连接有上储能单元，所述下线圈上连接有下储能单元，其特征在于：所述上储能单元和下储能单元均包括两个以上用于对相应的线圈进行放电的储能模块，各个储能单元中的储能模块的输出接口并联并与相应的线圈连接，所述储能模块包括储能元件和用于控制所述储能元件的控制开关。初始状态时上储能单元和下储能单元中的各个储能模块均满电状态，第一次操作时，上储能模块中的一个储能单元向上线圈放电，该电流通过上线圈在金属盘上感应出与上线圈的电流方向相反的涡流，从而产生电磁斥力驱动金属盘带动动触头运动，设定时间后当动触头的运动距离达到开关的要求的绝缘距离时，下储能单元中的一个储能模块向下线圈放电，此时下线圈与金属盘之间产生电磁斥力，方向与金属盘的运动方向相反，使运动部件减速，避免反弹，完成第一次操作；第二次操作时，下储能单元中的第二个储能模块向金属盘放电驱动其带动动触头第二次动作，设定时间后上储能单元中的第二个储能单元通过上线圈向金属盘放电产生电磁斥力，以实现第二次操作时的缓冲。上储能模块和下储能模块通过两个储能单元实现两次连续操作时的放电，这样就不需要很高的充电功率，解决了因此造成的电磁斥力操动机构无法实现连续动作的问题。

直流开关设备的技术方案2，在直流开关设备的技术方案1的基础上：所述控制开关为与电磁斥力操动机构的控制器信号连接的光控晶闸管，这样响应速度快和抗干扰能力强。

直流开关设备的技术方案3，在直流开关设备的技术方案1的基础上：所述上储能单元中的储能模块以及所述下储能单元中的储能模块均设有三个，这样能够通过每个储能单元中的储能模块分别对相应的线圈放电进行重合闸，具体工作过程为：分闸时，上储能单元中的第一个储能模块向上线圈放电，该电流通过上线圈在电磁斥力操动机构的金属盘上感应出与上线圈的电流方向相反的涡流，从而产生电磁斥力驱动金属盘带动动触头运动，设定时间后当动触头的运动距离达到开关的要求的绝缘距离时，下储能单元中的第一个储能模块向下线圈放电，此时上线圈与金属盘之间产生电磁斥力，方向与金属盘的运动方向相反，使运动部件减速，避免反弹，完成分闸；分闸后的一段时间后需要重合闸，此时下储能单元中的第二个储能模块向金属盘放电驱动其带动动触头合闸动作，设定时间后上储能单元中的第二个储能模块通过上线圈向金属盘放电产生电磁斥力，以实现合闸时的缓冲，当电路中的故障解除时重合闸完成，当电路中的故障未解除时，上储能单元中的第三个储能模块对上线圈放电以驱动金属盘带动动触头分闸运动，而下储能单元中的第三个储能模块则用于此次分闸动作的缓冲。该电磁斥力操作机构能够通过多个储能模块实现直流断路器的重合闸功能，保证了个换流站向正常线路的可靠供电。

直流开关设备的技术方案4，在直流开关设备的技术方案1~3任意一项的基础上：所述电磁斥力操动机构还包括电压变换模块，所述上储能单元和所述下储能单元的各个储能模块的输入接口并联且与所述电压变换模块的输出接口连接。

直流开关设备的技术方案5，在直流开关设备的技术方案1~3任意一项的基础上：所述储能模块的输出接口与储能元件之间串联有二极管和电阻，所述储能模块的输出接口还并联有旁路开关。

附图说明

图1为现有技术中的电磁斥力操动机构的原理框图；

图2为本发明的直流开关设备的实施例1中的电磁斥力操动机构的原理框图；

图3为图2中的储能模块的示意图；

附图中：11、储能装置；12、操动机构本体；101、电压变换模块输入接口；102、电压变换模块；103、第一上储能模块；104、第二上储能模块；105、第三上储能模块；106、第一下储能模块；107、第二下储能模块；108、第三下储能模块；109、控制器；110、下储能单元输出接口；111、上储能单元输出接口；112、上线圈；113、金属盘；114、下线圈；120、储能模块输入接口；121、储能模块输出接口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

本发明的直流开关设备的具体实施例1，如图2至图3所示，直流开关设备包括直流断路器及其电磁斥力操动机构，电磁斥力操动机构包括储能装置11和操动机构本体12。操动机构中设有下线圈114和上线圈112，金属盘113设置在下线圈114与上线圈112之间，储能装置11用于向下线圈114和上线圈112放电以使金属盘113与相应的线圈之间产生电磁斥力从而驱动金属盘113运动。直流断路器的动触头与金属盘113传动连接，当金属盘113在电磁斥力的驱动下运动时驱动动触头动作，从而实现分合闸操作。

储能装置11包括电压变换模块102、上储能单元以及下储能单元，上储能单元和下储能单元的电流输入接口均连接在电压变换模块102的电流输出端上。上储能单元包括三个上储能模块，分别是第一上储能模块103、第二上储能模块104以及第三上储能模块105，这三个上储能模块并联设置，三个上储能模块的电流输入接口连接在下储能单元输出接口110上，电流输出端也连接在一起并与上线圈112连接。下储能单元包括三个下储能模块，分别是第一下储能模块106、第二下储能模块107以及第三下储能模块108，这三个下储能模块并联设置，三个下储能模块的电流输入接口连接在上储能单元输出接口111上，电流输出端也连接在一起并与下线圈114连接。三个下储能模块与三个上储能模块的电流输入接口均与电压变换模块102的电流输出端连接，通过电压变换模块102向各个储能模块进行充电。电压变换模块102用于将电压变换模块输入接口101的低压转换为高压输出，并以恒流、恒压或恒功率模式自动向各个储能模块中电容充电以储能。

上储能模块和下储能模块的电路结构相同，如图3所示，储能模块具有储能模块输入接口120和储能模块输出接口121，储能模块的电路中设有二极管D1、开关K1、电阻R1、电容C2以及光控晶闸管T1，二极管D1与电阻R1串联在储能模块的输入接口与电容C2之间，开关K1为储能模块的输入接口的旁路开关。电容C2用于向相应的线圈放电使其产生电磁。光控晶闸管T1通过光控线路与控制器109连接，控制器109发出相应的信号后，光控晶闸管T1导通，电容C2中的电荷就通过线路流向相应的线圈中。每个储能模块中的光控晶闸管均与控制器109连接，这样控制器109就能够通过控制光控晶闸管控制相应的储能模块中的电容进行放电，从而实现线圈对金属盘113的电磁驱动。控制器109与储能模块通过光控控制，这样响应速度快，抗干扰能力强。

电磁斥力操动机构的动作过程如下：

初始状态时直流断路器处于合闸状态，此时金属盘113贴合在上线圈112上；

当直流电路侧发生故障时控制器109接收到故障信号，控制器接收到故障信号后向第一上储能模块103中的光控晶闸管发出信号使其导通，第一上储能模块103中的电容向上线圈112放电，该电流通过上线圈112在金属盘113上感应出与上线圈112中的电流方向相反的涡流，从而产生电磁斥力驱动金属盘113带动动触头运动，设定时间后，当动触头的运动距离达到开关的要求的绝缘距离时，控制器控制第一下储能模块106中的光控晶闸管导通，使第一下储能模块106中的电容向下线圈114放电，此时下线圈114与金属盘113之间产生电磁斥力，该电磁斥力的方向与金属盘113的运动方向相反，使金属盘113以及其他运动部件减速，实现缓冲，避免反弹，此时完成分闸动作；

一定时间后（该时间段为毫秒至百毫秒级），电磁斥力操动机构的控制器接收到直流输电系统站的控制器下发的重合闸命令，控制第二下储能模块107中的光控晶闸管导通，此时第二下储能模块107中的电容向下线圈114放电，下线圈114中的电流在金属盘113上感应出与下线圈114中的电流方向相仿的涡流，从而产生电磁斥力驱动金属盘113带动动触头运动，设定时间后，控制器控制第二上储能模块104中的光控晶闸管导通，使第二上储能模块104中的电容向上线圈112放电，此时上线圈112与金属盘113之间产生电磁斥力，该电磁斥力的方向与金属盘113的运动方向相反，使金属盘113以及其他运动部件减速，实现缓冲，避免反弹，当电路故障结束时，金属盘113保持在合闸位置，此时完成重合闸动作；

如果重合闸后电路故障仍未解除，此时控制器控制第三上储能模块105中的光控晶闸管导通，第三上储能模块105中的电容向上线圈112放电，上线圈112中的电流在金属盘113上感应出与上线圈112中的电流方向相反的涡流，从而产生电磁斥力驱动金属盘113带动动触头运动，设定时间后，当动触头的运动距离达到开关的要求的绝缘距离时，控制器控制第三下储能模块108中的光控晶闸管导通，使第三下储能模块108中的电容向下线圈114放电，此时下线圈114与金属盘113之间产生电磁斥力，该电磁斥力的方向与金属盘113的运动方向相反，使金属盘113以及其他运动部件减速，实现缓冲，避免反弹，此时完成分闸动作；

至此，该电磁斥力操动机构完成分闸——合闸——分闸操作。在重合闸操作时，每个动作都是毫秒级的，而该电磁斥力操动机构通过多个储能模块在不同状态时向相应的线圈放电，从而实现重合闸操作，保证了个换流站向正常线路的可靠供电。多个储能模块为重合闸提供了足够的储能，并且在操作完成后还能够实现自动储能，进入下一次操作的热备状态。

本发明的直流开关设备的实施例2，在本实施中，上储能单元中的上储能模块设置两个、四个、五个、六个或者其他数量，当上储能单元中的储能模块数量为两个时，其中一个储能模块可以储存两次操作需要的能量，在第一次操作时放出一部分能量，下次操作时放出剩下能量，这样也能够实现重合闸功能。当上储能模块为四个、五个、六个或者更多时，多出的上储能模块能够起到备用的效果，提高设备的可靠性，其他与实施例1相同，不再赘述。

本发明的直流开关设备的实施例3，在本实施中，下储能单元中的下储能模块设置两个、四个、五个、六个或者其他数量，当下储能单元中的储能模块数量为两个时，其中一个储能模块可以储存两次操作需要的能量，在第一次操作时放出一部分能量，下次操作时放出剩下能量，这样也能够实现重合闸功能。当下储能模块为四个、五个、六个或者更多时，多出的下储能模块能够起到备用的效果，提高设备的可靠性，其他与实施例1相同，不再赘述。

本发明的直流开关设备的实施例4，在本实施中，电磁斥力操动机构的控制通过控制电路控制各个储能模块中进行放电，其他与实施例1相同，不再赘述。

本发明的电磁斥力操动机构的实施例，所述电磁斥力操动机构与上述直流开关设备中的电磁斥力操动机构相同，不再赘述。

Claims (10)

1.电磁斥力操动机构，包括上线圈和下线圈，所述上线圈上连接有上储能单元，所述下线圈上连接有下储能单元，其特征在于：所述上储能单元和下储能单元均包括两个以上用于对相应的线圈进行放电的储能模块，各个储能单元中的储能模块的输出接口并联并与相应的线圈连接，所述储能模块包括储能元件和用于控制所述储能元件的控制开关。

2.根据权利要求1所述的电磁斥力操动机构，其特征在于：所述控制开关为与电磁斥力操动机构的控制器信号连接的光控晶闸管。

3.根据权利要求1所述的电磁斥力操动机构，其特征在于：所述上储能单元中的储能模块以及所述下储能单元中的储能模块均设有三个。

4.根据权利要求1~3任意一项所述的电磁斥力操动机构，其特征在于：所述电磁斥力操动机构还包括电压变换模块，所述上储能单元和所述下储能单元的各个储能模块的输入接口并联且与所述电压变换模块的输出接口连接。

5.根据权利要求1~3任意一项所述的电磁斥力操动机构，其特征在于：所述储能模块的输出接口与储能元件之间串联有二极管和电阻，所述储能模块的输出接口还并联有旁路开关。

6.直流开关设备，包括直流断路器及其电磁斥力操动机构，所述电磁斥力操动机构包括上线圈和下线圈，所述上线圈上连接有上储能单元，所述下线圈上连接有下储能单元，其特征在于：所述上储能单元和下储能单元均包括两个以上用于对相应的线圈进行放电的储能模块，各个储能单元中的储能模块的输出接口并联并与相应的线圈连接，所述储能模块包括储能元件和用于控制所述储能元件的控制开关。

7.根据权利要求6所述的直流开关设备，其特征在于：所述控制开关为与电磁斥力操动机构的控制器信号连接的光控晶闸管。

8.根据权利要求6所述的直流开关设备，其特征在于：所述上储能单元中的储能模块以及所述下储能单元中的储能模块均设有三个。

9.根据权利要求6~8任意一项所述的直流开关设备，其特征在于：所述电磁斥力操动机构还包括电压变换模块，所述上储能单元和所述下储能单元的各个储能模块的输入接口并联且与所述电压变换模块的输出接口连接。

10.根据权利要求6~8任意一项所述的直流开关设备，其特征在于：所述储能模块的输出接口与储能元件之间串联有二极管和电阻，所述储能模块的输出接口还并联有旁路开关。