CN110086111B - 一种液氮开关及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液氮开关及其工作方法，该液氮开关使用液氮作为灭弧介质与绝缘介质开断电流，包括具有泄压喷口的杜瓦罐，浸泡在杜瓦罐内液氮环境中的动静触头及导电杆；导电杆动端伸出杜瓦罐的端部连接操动机构，导电杆静端伸出杜瓦罐的端部连接电流互感器；杜瓦罐外周圈设置有磁体，杜瓦罐上还开有氮气入口、液氮入口、液氮出口、温度测量计和液位测量计；与氮气进口连通有氮气储罐，连通的管路上设置有加压气泵及压力测量计；与液氮入口连通有液氮储罐，连通的管路上设置有液氮泵；液氮作为超导电力设备的绝缘介质与冷却介质大量应用于超导设备中，液氮开关与超导设备共同使用时可与超导系统共享制冷系统，进一步降低制冷成本。

Description

一种液氮开关及其工作方法
技术领域
本发明涉及开关电器电流开断技术领域，具体涉及一种使用液氮作为灭弧介质与绝缘介质的开关设备及其工作方法。
背景技术
电力开关设备经过长久的发展，其断路器灭弧室内的绝缘介质和灭弧介质在不断变化。目前多油断路器和少油断路器已经逐渐退出市场，取而代之的是以真空和SF6为灭弧介质的各类电压等级的断路器。然而由于灭弧特性更容易产生截流和操作过电压,真空断路器受限于高电压等级的应用，大电流场合触头烧蚀严重，灭弧室以及触头散热困难，更容易发生热击穿导致电弧重燃。并且，真空断路器直接开断直流的能力较为薄弱。各电力设备工作者及科研人员在触头结构、材料选择、外加纵向、横向磁场等方面做了大量研究工作,目前真空断路器电压等级提高到252kV，交流短路电流开断能力达到80kA。
SF6断路器凭借其优异的绝缘性能和开断性能近40年来在中压、高压、超高压等领域得到广泛的应用和发展。然而SF6易挥发及对应氟化物的剧毒性给操作人员安全带来巨大隐患，设备使用过程中SF6气体及其氟化物的泄露对大气环境具有潜在危害。目前发现人类活动排放的温室气体共有6种，其中氟化物就有三种。研究表明一个SF6气体分子对温室效应的影响为一个CO2气体分子的25000倍，一个SF6气体分子的寿命可达3200年。目前全球每年生产的SF6气体中约有20％以上用于电力工业。而在电力工业中，高压开关设备约占用气量的80％以上，主要用在126～330kV的高电压、500～100kV的超高电压领域。为了缓解电力工业中SF6对温室效应带来的影响，广大科研工作者积极寻找SF6替代物，争取少用甚至不用SF6气体。
目前超导技术已广泛应用于电力系统，超导电机、超导变压器、超导电缆、超导限流器等超导电力设备的投入使用使得未来高温超导电力输电网络构建进一步成为可能。为了降低制冷成本，超导输电网络中各种电力设备应实现一体化，共享制冷系统，尽量减少冷热转换区域的数量。因此，超导电力输电网络中开关设备应能够适应低温77K的工作环境。然而传统电力开关设备的灭弧介质如SF6、矿物油在低温条件下容易冷凝甚至凝固，77K的环境对开关设备机械部件强度提出了更高的要求，传统开关设备无法满足，使用液氮作为灭弧介质直接投入超导电力网络中进行开断是一种有效可靠的解决方案，具有巨大发展潜力。
现有的类似专利有：一种具有液氮冷却循环系统的封闭开关设备申请号：201510164304.6，与本申请的区别在于该专利将真空灭弧室浸泡在液氮中，液氮仅作为绝缘介质，触头不与液氮直接接触，在真空环境下开断电路。而本申请将触头直接浸泡在液氮中，采用全新的灭弧介质液氮，在液氮环境中直接开断电路。因而灭弧介质不同，灭弧原理也不同。同时液氮环境友好，成本低廉，具有极强的绝缘能力，本申请能够较好地满足超导电力网络77K的环境要求，进一步降低系统制冷成本，提高能效。
高效电磁开关外壳申请号：201210249875.6，与本申请的区别在于该专利将液氮置于外壁中，不直接和开关接触，液氮只作为散热媒介。而本申请将触头直接浸泡在液氮中，液氮作为灭弧介质、绝缘介质使用，在液氮环境中直接开断电路，具有较大的电流开断能力。
发明内容
针对现有传统电力开关设备不能很好满足超导电力输电网络的要求，本发明提供了一种液氮开关及其工作方法，本发明利用液氮良好的绝缘性能和低温性能，作为绝缘介质和灭弧介质对电流进行开断。
为了达到上述目的，本发明采用下述技术方案实现：
一种液氮开关，使用液氮作为灭弧介质与绝缘介质开断电流，包括具有泄压喷口10的杜瓦罐1，浸泡在杜瓦罐1内液氮环境中的动静触头2及导电杆3；导电杆3动端一部分伸出杜瓦罐1，端部连接操动机构6，导电杆3动端位于杜瓦罐1管壁处设置磁流体密封部件4，导电杆3动端位于杜瓦罐1外部的部分包覆有绝缘套管5；导电杆3静端一部分伸出杜瓦罐1，端部连接电流互感器17，导电杆3静端位于杜瓦罐1外部的部分包覆有绝缘套管5；杜瓦罐1外周圈设置有磁体18，杜瓦罐1上还开有氮气入口9、液氮入口13、液氮出口14、温度测量计15和液位测量计16；与氮气进口9连通有氮气储罐7，连通的管路上设置有加压气泵及压力测量计8；与液氮入口13连通有液氮储罐11，连通的管路上设置有液氮泵12。
所述杜瓦罐1材料采用金属材料与非金属材料，杜瓦罐1具有一定的耐压能力。
所述动静触头2采用平板触头、杯装触头、万字型触头或喷口触头；触头材料采用不锈钢材料、纯铜材料或合金材料。
所述操动机构6采用永磁操动机构、弹簧操动机构、液压操动机构或电机操动机构。
所述磁体18采用永磁体或超导磁体，磁场施加方式采用施加横向磁场或施加纵向磁场。
所述液氮开关通过接线端子实现多个液氮开关串并联使用。
所述的一种液氮开关的工作方法，加压气泵及压力测量计8通过检测压力计读数调节加压气泵，使得杜瓦罐1内部压力维持在恒定值，当开断信号到达时，操动机构6迅速动作，分离动静触头2并产生电弧，电弧等离子体在磁体18外加磁场的作用下被横向拉长或旋转，与电弧周围的液氮环境进行剧烈的热交换并产生音速冲击波，实现液氮环境下液氮冷却电弧与吹弧的作用；杜瓦罐1内压力骤升，通过泄压喷口10实现气体对外做功，喷出高压气体，使杜瓦罐1压力维持在安全范围内。电弧熄灭后通过检测液位测量计16读数，液氮储罐11内的液氮经由液氮泵12，迅速由液氮入口13进入杜瓦罐1内，冷却罐体，使温度测量计15读数恢复期望值，同时氮气储罐7内的气体迅速经由加压气泵及压力测量计8进入杜瓦罐1进行加压，为第二次开断做好准备。
与现有技术比，本发明达到的有益效果是：
目前液氮作为高温超导电力设备的冷却、绝缘介质，其绝缘能力优于SF6气体。0.1MPa的液氮的击穿场强约为47kV/mm，比0.5MPa的SF6气体的击穿场强高5kV/mm，且无温室效应，环境友好。利用液氮作为绝缘介质和灭弧介质替代SF6气体，大大减少了SF6气体及其氟化物对操作人员与环境安全带来的危害，为灭弧介质选择提供了新的选择方向。同时，极低的温度更有利于冷却电弧，使用液氮作为灭弧介质和绝缘介质，保证断路器开断能力的同时可以有效减小断路器的体积。适用于各类对开关体积要求严苛的应用场合。液氮作为超导设备的绝缘介质与冷却介质，本发明与超导设备共同使用时可与超导系统共享制冷系统，进一步降低制冷成本。如使用超导储能技术的舰船供电系统，装备超导限流器的电力供电网络等。
附图说明
图1为本发明液氮开关的结构图。图中标号分别为：
1.杜瓦罐、2.动静触头、3.导电杆、4.磁流体密封部件、5.绝缘套管、6.操动机构、7.氮气储罐、8.加压气泵及压力测量计、9.氮气入口、10.喷口、11.液氮储罐、12.液氮泵、13.液氮入口、14.液氮出口、15.温度测量计、16.液位测量计、17.电流互感器、18.磁体。
具体实施方法
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明一种液氮开关，使用液氮作为灭弧介质与绝缘介质开断电流，包括具有泄压喷口10的杜瓦罐1，浸泡在杜瓦罐1内液氮环境中的动静触头2及导电杆3；导电杆3动端一部分伸出杜瓦罐1，端部连接操动机构6，导电杆3动端位于杜瓦罐1管壁处设置磁流体密封部件4，导电杆3动端位于杜瓦罐1外部的部分包覆有绝缘套管5；导电杆3静端一部分伸出杜瓦罐1，端部连接电流互感器17，导电杆3静端位于杜瓦罐1外部的部分包覆有绝缘套管5；杜瓦罐1外周圈设置有磁体18，杜瓦罐1上还开有氮气入口9、液氮入口13、液氮出口14、温度测量计15和液位测量计16；与氮气进口9连通有氮气储罐7，连通的管路上设置有加压气泵及压力测量计8；与液氮入口13连通有液氮储罐11，连通的管路上设置有液氮泵12。
加压气泵及压力测量计8通过检测压力计读数调节加压气泵，使得杜瓦罐1内部压力维持在恒定值，当开断信号到达时，操动机构6迅速动作，分离动静触头2并产生电弧，电弧等离子体在磁体18外加磁场的作用下被横向拉长(施加横向磁场)或旋转(施加纵向磁场，与动静电极同轴)，与电弧周围的液氮环境进行剧烈的热交换并产生音速冲击波，实现液氮环境下液氮冷却电弧与吹弧的作用。杜瓦罐1内压力骤升，通过泄压喷口10实现气体对外做功，喷出高压气体，使杜瓦罐1压力维持在安全范围内。电弧熄灭后通过检测液位测量计16读数，液氮储罐11内的液氮经由液氮泵12，迅速由液氮入口13进入杜瓦罐1内，冷却罐体，使温度测量计15读数恢复期望值，同时氮气储罐7内的气体迅速经由加压气泵及压力测量计8进入杜瓦罐1进行加压，为第二次开断做好准备。

Claims (7)

1.一种液氮开关，其特征在于：使用液氮作为灭弧介质与绝缘介质开断电流，包括具有泄压喷口（10）的杜瓦罐（1），浸泡在杜瓦罐（1）内液氮环境中的动静触头（2）及导电杆（3）；导电杆（3）动端一部分伸出杜瓦罐（1），端部连接操动机构（6），导电杆（3）动端位于杜瓦罐（1）管壁处设置磁流体密封部件（4），导电杆（3）动端位于杜瓦罐（1）外部的部分包覆有绝缘套管（5）；导电杆（3）静端一部分伸出杜瓦罐（1），端部连接电流互感器（17），导电杆（3）静端位于杜瓦罐（1）外部的部分包覆有绝缘套管（5）；杜瓦罐（1）外周圈设置有磁体（18），杜瓦罐（1）上还开有氮气入口（9）、液氮入口（13）、液氮出口（14）、温度测量计（15）和液位测量计（16）；与氮气入口（9）连通有氮气储罐（7），连通的管路上设置有加压气泵及压力测量计（8）；与液氮入口（13）连通有液氮储罐（11），连通的管路上设置有液氮泵（12）。
2.根据权利要求1所述的一种液氮开关，其特征在于：所述杜瓦罐（1）材料采用金属材料与非金属材料，杜瓦罐（1）具有一定的耐压能力。
3.根据权利要求1所述的一种液氮开关，其特征在于：所述动静触头（2）采用平板触头、杯状触头、万字型触头或喷口触头；触头材料采用不锈钢材料或纯铜材料。
4.根据权利要求1所述的一种液氮开关，其特征在于：所述操动机构（6）采用永磁操动机构、弹簧操动机构、液压操动机构或电机操动机构。
5.根据权利要求1所述的一种液氮开关，其特征在于：所述磁体（18）采用永磁体或超导磁体，磁场施加方式采用施加横向磁场或施加纵向磁场。
6.根据权利要求1所述的一种液氮开关，其特征在于：所述液氮开关通过接线端子实现多个液氮开关串并联使用。
7.权利要求1至6任一项所述的一种液氮开关的工作方法，其特征在于：加压气泵及压力测量计（8）通过检测压力测量计读数调节加压气泵，使得杜瓦罐（1）内部压力维持在恒定值，当开断信号到达时，操动机构（6）迅速动作，分离动静触头（2）并产生电弧，电弧等离子体在磁体（18）外加磁场的作用下被横向拉长或旋转，与电弧周围的液氮环境进行剧烈的热交换并产生音速冲击波，实现液氮环境下液氮冷却电弧与吹弧的作用；杜瓦罐（1）内压力骤升，通过泄压喷口（10）实现气体对外做功，喷出高压气体，使杜瓦罐（1）压力维持在安全范围内；电弧熄灭后通过检测液位测量计（16）读数，液氮储罐（11）内的液氮经由液氮泵（12），迅速由液氮入口（13）进入杜瓦罐（1）内，冷却罐体，使温度测量计（15）读数恢复期望值，同时氮气储罐（7）内的气体迅速经由加压气泵及压力测量计（8）进入杜瓦罐（1）进行加压，为第二次开断做好准备。
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