CN109936123A - 基于液体电弧电压转移的混合式直流断路器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液体电弧电压转移的混合式直流断路器及其使用方法，混合式直流断路器包括第一接入端、第二接入端、主电流支路、转移支路和耗能支路，所述转移支路包括固态开关，混合式直流断路器电流通流时，所述主电流支路通过电流，转移支路和耗能支路不导通，混合式直流断路器发生短路故障时，液体断口打开预定距离后，固态开关导通，电流转移至转移支路，固态开关断开产生过电压以强制转移电流至耗能支路。

Description

基于液体电弧电压转移的混合式直流断路器及其使用方法

技术领域

本发明涉及混合式直流断路器技术领域，特别是基于液体电弧电压转移的混合式直流断路器及其使用方法。

背景技术

随着电力系统容量的不断提升，直流输变电系统及设备蓬勃发展，同时也对系统稳定和安全提出了更高的要求。在电力系统可能会发生的各种故障里面，对于电网危害最大、发生概率很高的就是短路故障。当电力系统中发生短路故障后，快速上升的短路电流会造成十分严重的后果，因此，具备故障隔离和切除功能的直流断路器对于实现直流系统的安全可靠运行不可或缺。

混合式直流断路器结合了快速机械开关通流损耗低和固态开关电流关断速度快的优势，可以实现直流故障的快速切除，是目前直流开断领域的研究重点。然而，传统的混合型直流断路器利用真空、SF6或N2等气体介质作为断口绝缘介质，存在断口电弧电压低、弧后介质恢复性能差、断口串联数量多等瓶颈问题；同时，由于断口电弧电压低，开断过程需要辅助的电力电子器件或者预充电电容来实现电流转移，导致开断过程复杂，严重制约了直流断路器开断能力和可靠性的提升。针对现有混合式直流断路器断口性能不足的问题，本发明提出了一种基于液体绝缘介质的混合式断路器断口设计方案，利用液态介质显著的流动、热传导等物理属性，其开断过程的电弧电压幅值和弧后介质绝缘恢复能力远高于气体和真空电弧，可以实现电流快速转移，省去辅助转移电力电子器件和预充电电容，减少断口串联数量，在提升开断容量和可靠性的同时可以显著降低直流断路器的成本和体积。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足或缺陷，本发明的目的在于提供一种基于液体电弧电压转移的混合式直流断路器及其使用方法。通利用液态介质显著的流动、热传导等物理属性，提升开断过程电弧电压幅值和弧后介质绝缘恢复能力远高于气体和真空电弧，进而有助于电流快速转移，提升断口绝缘耐压能力，减少断口串联数量，提升开断容量和可靠性，显著降低混合式直流断路器的成本和体积，使得直流断路器获得更强的开断能力和更高的断口绝缘强度。

具体的，本发明采用如下技术方案：

一种基于液体电弧电压转移的混合式直流断路器包括，

第一接入端，其配置成混合式直流断路器的进线，

第二接入端，其配置成混合式直流断路器的出线，

主电流支路，其连接在所述第一接入端和第二接入端之间，所述主电流支路包括液体断口，

转移支路，其连接在所述第一接入端和第二接入端之间且并联所述主电流支路，所述转移支路包括固态开关，

耗能支路，其连接在所述第一接入端和第二接入端之间且并联所述主电流支路和转移支路，其中，

混合式直流断路器电流通流时，所述主电流支路通过电流，转移支路和耗能支路不导通，混合式直流断路器发生短路故障时，液体断口打开预定距离后，固态开关导通，电流转移至转移支路，固态开关断开产生过电压以强制转移电流至耗能支路。

所述的混合式直流断路器中，所述过电压大于耗能支路的导通阈值。

所述的混合式直流断路器中，所述主电流支路包括液体断口、真空断口、气体断口的串并联组合。

所述的混合式直流断路器中，所述主电流支路包括液体断口和串联的二极管组件。

所述的混合式直流断路器中，所述液体断口的液体包括蒸馏水、变压器油、植物油、液态C5F10O、矿物油或硅油。

所述的混合式直流断路器中，所述转移支路包括预充电式LC式转移支路、无预充电式LC式转移支路、桥式LC转移支路、或磁耦合式转移支路。

所述的混合式直流断路器中，混合式直流断路器是单向混合式直流断路器或双向混合式直流断路器。

所述的混合式直流断路器中，所述耗能支路包括金属氧化物避雷器、线路型金属氧化物避雷器、无间隙线路型金属氧化物避雷器、全绝缘复合外套金属氧化物避雷器及其组合。

所述的混合式直流断路器中，电流转移至转移支路后，通过电容器建立开断电压，将电流强制转移至耗能支路以完成开断。

根据本发明的另一方面，一种所述混合式直流断路器的使用方法包括以下步骤，

第一步骤，混合式直流断路器电流通流，电流通过所述主电流支路，转移支路不导通，

第二步骤，混合式直流断路器发生短路故障时，发送分断指令到液体断口，液体断口打开预定距离后，固态开关导通，电流转移至转移支路，主电流支路的电流全部转移至转移支路，主电流支路完成打开，

第三步骤，固态开关断开产生过电压以强制转移电流至耗能支路，电流全部转移至耗能支路，最终电流下降至零以实现直流分断。

有益效果

本发明通过设计带有液体断口的主电流支路，使得断路器获得更强的开断能力和更强的断口绝缘强度。利用液态介质显著的流动、热传导等物理属性，其开断过程的电弧电压幅值和弧后介质绝缘恢复能力远高于气体和真空电弧，可以实现电流快速转移，省去辅助转移电力电子器件和预充电电容，减少断口串联数量，在提升开断容量和可靠性的同时可以显著降低混合式直流断路器的成本和体积。

附图说明

参照附图，上述以及其他本发明的目的、特征和优点，通过本发明实施例的以下说明性且非限制性详细描述将被更好地理解，其中：

图1是断路器本体结构示意图；

图2(a)至图2(e)是本发明断路器开断过程示意图；

图3是液体断口-双向桥式转移支路型结构示意图；

图4是液体真空断口-桥双向式固态开关转移支路型结构示意图；

图5是液体真空断口-级联双向固态开关转移支路型结构示意图。

所有附图都是示意性的，不是必须完全一致的。以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

以下详细描述实际上仅是示例性的而并不意欲限制应用和使用。此外，并不意欲受以上技术领域、背景、简要概述或以下详细描述中呈现的任何明确或暗示的理论约束。除非明确地具有相反的描述，否则词语“包括”及其不同的变型应被理解为隐含包括所述的部件但不排除任意其他部件。

以下结合附图1至附图5来说明本发明的具体实施方式。

图1为断路器本体结构示意图，一种基于液体电弧电压转移的混合式直流断路器包括，

第一接入端，其配置成混合式直流断路器的进线，

第二接入端，其配置成混合式直流断路器的出线，

主电流支路，其连接在所述第一接入端和第二接入端之间，所述主电流支路包括液体断口，

转移支路，其连接在所述第一接入端和第二接入端之间且并联所述主电流支路，所述转移支路包括固态开关，

耗能支路，其连接在所述第一接入端和第二接入端之间且并联所述主电流支路和转移支路，其中，

混合式直流断路器电流通流时，所述主电流支路通过电流，转移支路和耗能支路不导通，混合式直流断路器发生短路故障时，液体断口打开预定距离后，固态开关导通，电流转移至转移支路，固态开关断开产生过电压以强制转移电流至耗能支路。

所述的混合式直流断路器的一个实施例中，所述过电压大于耗能支路的导通阈值。

所述的混合式直流断路器的一个实施例中，所述主电流支路包括液体断口、真空断口、气体断口的串并联组合。

所述的混合式直流断路器的一个实施例中，所述主电流支路包括液体断口和串联的二极管组件。

所述的混合式直流断路器的一个实施例中，所述液体断口的液体包括蒸馏水、变压器油、植物油、液态C5F10O、矿物油或硅油。

所述的混合式直流断路器的一个实施例中，所述转移支路包括预充电式LC式转移支路、无预充电式LC式转移支路、桥式LC转移支路、或磁耦合式转移支路。

所述的混合式直流断路器的一个实施例中，混合式直流断路器是单向混合式直流断路器或双向混合式直流断路器。

所述的混合式直流断路器的一个实施例中，所述耗能支路包括金属氧化物避雷器、线路型金属氧化物避雷器、无间隙线路型金属氧化物避雷器、全绝缘复合外套金属氧化物避雷器及其组合。

所述的混合式直流断路器的一个实施例中，电流转移至转移支路后，通过电容器建立开断电压，将电流强制转移至耗能支路以完成开断。

为了进一步理解本发明，在一个实施例中，图3是液体断口-双向桥式转移支路型结构示意图；图4是液体真空断口-桥双向式固态开关转移支路型结构示意图。图5是液体真空断口-级联双向固态开关转移支路型结构示意图。

本发明中，一种所述混合式直流断路器的使用方法包括以下步骤，

第一步骤，混合式直流断路器电流通流，电流通过所述主电流支路，转移支路不导通，

第二步骤，混合式直流断路器发生短路故障时，发送分断指令到液体断口，液体断口打开预定距离后，固态开关导通，电流转移至转移支路，主电流支路的电流全部转移至转移支路，主电流支路完成打开，

第三步骤，固态开关断开产生过电压以强制转移电流至耗能支路，电流全部转移至耗能支路，最终电流下降至零以实现直流分断。

在一个实施方式中，图2(a)至图2(e)给出了所述混合式直流断路器工作时的结构示意图，具体开断过程如下：

(1)如图2(a)所示，正常工况下，额定电流全部从主电流支路流过；

(2)如图2(b)所示，当发生短路故障，需要分断短路电流时，向液体断口处快速开关S1发送分断指令，动静触头打开，当动静触头开距达到一定距离后，控制IGBT导通，电流向转移支路转移；

(3)如图2(c)所示，主电流支路的电流迅速全部转移至转移支路，流经S1的电流变为零，主电流支路完成打开；

(4)如图2(d)所示，关断电流转移支路，关断产生的过电压达到限压耗能支路导通电压，则限压耗能支路导通；

(5)如图2(e)所示，系统电流全部转移至限压耗能支路，最终电流下降至零，分断全过程完成。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，例如推演出基于单向固态开关支路和单向振荡支路的单向混合式直流断路器等，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。

Claims (10)

1.一种基于液体电弧电压转移的混合式直流断路器，其包括，

第一接入端，其配置成混合式直流断路器的进线，

第二接入端，其配置成混合式直流断路器的出线，

主电流支路，其连接在所述第一接入端和第二接入端之间，所述主电流支路包括液体断口，

转移支路，其连接在所述第一接入端和第二接入端之间且并联所述主电流支路，所述转移支路包括固态开关，

耗能支路，其连接在所述第一接入端和第二接入端之间且并联所述主电流支路和转移支路，其中，

混合式直流断路器电流通流时，所述主电流支路通过电流，转移支路和耗能支路不导通，混合式直流断路器发生短路故障时，液体断口打开预定距离后，固态开关导通，电流转移至转移支路，固态开关断开产生过电压以强制转移电流至耗能支路。

2.根据权利要求1所述的混合式直流断路器，其特征在于，优选的，所述过电压大于耗能支路的导通阈值。

3.根据权利要求1所述的混合式直流断路器，其特征在于，所述主电流支路包括液体断口、真空断口、气体断口的串并联组合。

4.根据权利要求1所述的混合式直流断路器，其特征在于，所述主电流支路包括液体断口和串联的二极管组件。

5.根据权利要求1所述的混合式直流断路器，其特征在于，所述液体断口的液体包括蒸馏水、变压器油、植物油、液态C5F10O、矿物油或硅油。

6.根据权利要求1所述的混合式直流断路器，其特征在于，所述转移支路包括预充电式LC式转移支路、无预充电式LC式转移支路、桥式LC转移支路、或磁耦合式转移支路。

7.根据权利要求1所述的混合式直流断路器，其特征在于，混合式直流断路器是单向混合式直流断路器或双向混合式直流断路器。

8.根据权利要求1所述的混合式直流断路器，其特征在于，所述耗能支路包括金属氧化物避雷器、线路型金属氧化物避雷器、无间隙线路型金属氧化物避雷器、全绝缘复合外套金属氧化物避雷器及其组合。

9.根据权利要求1所述的混合式直流断路器，其特征在于，电流转移至转移支路后，通过电容器建立开断电压，将电流强制转移至耗能支路以完成开断。

10.一种权利要求1-9中任一项所述混合式直流断路器的开断方法，其包括以下步骤，

第一步骤，混合式直流断路器电流通流，电流通过所述主电流支路，转移支路不导通，

第二步骤，混合式直流断路器发生短路故障时，发送分断指令到液体断口，液体断口打开预定距离后，固态开关导通，电流转移至转移支路，主电流支路的电流全部转移至转移支路，主电流支路完成打开，

第三步骤，固态开关断开产生过电压以强制转移电流至耗能支路，电流全部转移至耗能支路，最终电流下降至零以实现直流分断。