CN110086152A - 一种快速直流开关及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种快速直流开关及其控制方法，属于电力开关领域，其特征在于：包括主电流支路、振荡转移支路和耗能支路；所述主电流支路、振荡转移支路和耗能支路并联后，通过出线端A1和A2引出。通过控制振荡转移支路切换开关K1动作，实现振荡转移支路预充电电容的容值调节。在小电流开断情况下，通过小电容完成小电流转移，有效缩短开断时间的同时可以防止断口发生击穿，提高开断可靠性；在大电流开断工况下，通过大电容转移电流实现开断，提升开断容量，开断速度快，可靠性高。本发明提出的开关方案具有额定通流损耗低，断口绝缘恢复好、开断可靠性高，全电流范围开断速度快等优势，能够满足目前直流系统对开关安全性、可靠性、经济性的要求。
Description
技术领域
本发明属于电力开关领域，尤其涉及一种快速直流开关及其控制方法。
背景技术
直流输配电系统是未来电网的重要发展方向，具有运行方式灵活、电能质量高、系统稳定、便于分布式能源高效接入等优势，而直流开关是保障直流配电网安全可靠运行的核心设备。目前基于预充电电容转移的机械式直流开关具备开断电流大、成本低、损耗小等优势，在未来直流系统中具有广泛的应用前景。然而，由于预充电转移电容器的存在，机械式方案开断小电流非常困难，电流范围小于1000安培为小电流，大于1000安培为大电流。一方面，小电流开断情况下预充电电容产生的大反向注入电流可能导致机械断口发生击穿，进而造成开断失败，另一方面，小电流开断过程中，电流从机械断口转移到电容器以后需要很长的充电时间给电容充电才能建立开断电压，导致小电流开断时间长。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提供一种转移电容容值可调的机械式直流开关及其控制方法。
本发明所述快速直流开关，包括主电流支路、振荡转移支路和耗能支路；所述主电流支路、振荡转移支路和耗能支路并联后，通过出线端A1和A2引出。
本发明所述快速直流开关，其特征在于：所述振荡转移支路包括相串联的容值可调电路、电感和电力电子器件；所述容值可调电路包括切换开关K1、预充电电容C1和C2；所述C2和K1串联后与C1并联设置；所述预充电电容C1的容值小于电容C2。
本发明所述快速直流开关，其特征在于：所述主电路支路包括机械开关S1或机械开关S1与电力电子器件串并联及组合。
本发明所述快速直流开关，其特征在于：所述切换开关K1包括但不限于以下器件的单个或任意组合：触发间隙、晶闸管、机械开关。
本发明所述快速直流开关，其特征在于：所述电感为普通空心电感或带铁芯的电感或耦合变压器。
本发明所述快速直流开关，其特征在于：所述电力电子器件包括但不限于以下器件的单个或任意组合：晶闸管、二极管。
本发明所述快速直流开关的控制方法：通过控制振荡转移支路上的切换开关K1动作，实现振荡转移支路预充电电容的容值调节；具体过程为：当大电流开断，振荡转移支路上并联的电容C2和电容C1同时参与电流转移和开断；当小电流开断，通过切换开关K1打开，将振荡转移支路的电容C2切出，仅保留电容C1来转移和开断电流。
本发明所述快速直流开关的控制方法：包括如下步骤：当开断小电流时，机械开关S1和切换开关K1同时打开，小电流由主电流支路转移至振荡转移支路C1，主电流支路电流降至零，电弧熄灭；小电流持续给转移支路电容C1充电，当C1电压超过系统电压后，电流快速下降到零，完成开断；当开断大电流时，机械开关S1打开，切换开关K1保持闭合，大电流由主电流支路转移至振荡转移支路，主电流支路电流降至零，电弧熄灭；大电流持续给电容C1和C2充电，当电容电压达到避雷器导通电压时，电流转移至耗能支路，完成大电流开断。
本发明所述快速直流开关及其控制方法，通过控制振荡转移支路切换开关K1动作，实现振荡转移支路预充电电容的容值调节。在小电流开断情况下，通过小电容完成小电流转移，有效缩短开断时间的同时可以防止断口发生击穿，提高开断可靠性；在大电流开断工况下，通过大电容转移电流实现开断，提升开断容量，开断速度快，可靠性高。本发明提出的开关方案具有额定通流损耗低，断口绝缘恢复好、开断可靠性高，全电流范围开断速度快等优势，能够满足目前直流系统对开关安全性、可靠性、经济性的要求。
附图说明
图1为本发明所述直流开关结构示意图；
图2为本发明所述直流开关给出的实施例1电路结构示意图；
图3为本发明所述实施例1的开断小电流的电路示意图；
图4为本发明所述实施例1的开断大电流的电路示意图；
图5为本发明所述直流开关给出的实施例2电路结构示意图；
图6为本发明所述实施例2的开断小电流的电路示意图；
图7为本发明所述实施例2的开断大电流的电路示意图；
图8为本发明所述直流开关给出的实施例3电路结构示意图；
图9为本发明所述实施例3的开断小电流的电路示意图；
图10为本发明所述实施例3的开断大电流的电路示意图；
图11为本发明所述直流开关给出的实施例4电路结构示意图；
图12为本发明所述实施例4的开断小电流的电路示意图；
图13为本发明所述实施例4的开断大电流的电路示意图；
图14为本发明所述直流开关给出的实施例5电路结构示意图；
图15为本发明所述实施例5的开断小电流的电路示意图；
图16为本发明所述实施例5的开断大电流的电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明所述一种快速直流开关及其控制方法进行详细说明。
实施例1
如图1所示，本实施例所述快速直流开关包括主电流电路、振荡转移支路以及耗能支路。
本实施例所述快速直流开关的电路如图2所示；
开断小电流的具体过程如图3所示：
（1）、如图3中（a）所示正常通流状态下，系统电流从出线端A1流入，经过机械开关S1后从出线端A2流出；
（2）、如图3中（b）所示，当控制系统接受到额定开断信号时，高速机械开关S1打开开始燃弧；切换开关K1打开；
（3）、如图3中（c）所示，经过一段延时后，触发转移支路导通，电流转移至转移支路；当主回路电流降至零，电弧熄灭，通过续流支路进行续流；
（4）、如图3中（d）所示，小电流持续向转移电容充电，当电容电压达到系统电压时，电流下降至零，完成小电流开断；
（5）、当电流流向相反时，振荡转移支路通过高速机械开关先进行一次振荡放电实现预充电电容的电压反转，然后进行开断动作。其中，电流转移过程与正向电流开断过程中电流转移的方式和时序相同；
如图4所示，本实施例所述快速直流开关开断大电流的具体过程包括：
（1）、如图4中（a）所示正常通流状态下，系统电流从出线端A1流入，经过机械开关S1后从出线端A2流出；
（2）、如图4中（b）所示，当控制系统接受到额定开断信号时，高速机械开关S1打开开始燃弧；切换开关K1保持闭合；
（3）、如图4中（c）所示，经过一段延时后，触发转移支路导通，电流转移至转移支路；当主回路电流降至零，电弧熄灭，通过续流晶闸管进行续流；
（4）、如图4中（d）-（e）所示，大电流持续向转移电容充电，当电容电压达到避雷器导通电压时，耗能支路导通，电流向耗能支路转移，完成大电流开断；
（5）、当电流方向相反时，振荡转移支路通过高速机械开关先进行一次振荡放电实现预充电电容的电压反转，然后进行开断动作。其中，电流转移过程与正向电流开断过程中电流转移的方式和时序相同。
实施例2
本实施例所述快速直流开关结构如图5所示；
实施例2开断小电流的具体过程如图6所示；
（1）、如图6中（a）所示正常通流状态下，系统电流从出线端A1流入，经过机械开关S1后从出线端A2流出；
（2）、如图6中（b）所示，当控制系统接受到额定开断信号时，高速机械开关S1打开开始燃弧；切换开关K1打开；
（3）、如图6中（c）所示，经过一段延时后，触发转移支路和续流支路导通，电流转移至转移支路；当主回路电流降至零，电弧熄灭，通过续流支路进行续流；
（4）、如图6中（d）所示，小电流持续向转移电容充电，当电容电压达到系统电压时，电流下降至零，完成小电流开断；
实施例2开断大电流的具体过程如图7所示；
（1）、如图7中（a）所示正常通流状态下，系统电流从出线端A1流入，经过机械开关S1后从出线端A2流出；
（2）、如图7中（b）所示，当控制系统接受到额定开断信号时，高速机械开关S1打开开始燃弧；切换开关K1保持闭合；
（3）、如图7中（c）所示，经过一段延时后，触发转移支路和续流支路导通，电流转移至转移支路；当主回路电流降至零，电弧熄灭，通过续流晶闸管进行续流；
（4）、如图7中（d）-（e）所示，大电流持续向转移电容充电，当电容电压达到避雷器导通电压时，耗能支路导通，电流向耗能支路转移，完成大电流开断。
实施例3
本实施例所述快速直流开关结构如图8所示；
实施例3开断小电流的具体过程如图9所示；
（1）、如图9中（a）所示正常通流状态下，系统电流从出线端A1流入，经过机械开关S1后从出线端A2流出；
（2）、如图9中（b）所示，当控制系统接受到额定开断信号时，高速机械开关S1打开开始燃弧；切换开关K1打开；
（3）、如图9中（c）所示，经过一段延时后，触发转移支路导通，电流转移至转移支路；当主回路电流降至零，电弧熄灭；
（4）、如图9中（d）所示，小电流持续向转移电容充电，当电容电压达到系统电压时，电流下降至零，完成小电流开断；
实施例3开断大电流的具体过程如图10所示；
（1）、如图10中（a）所示正常通流状态下，系统电流从出线端A1流入，经过机械开关S1后从出线端A2流出；
（2）、如图10中（b）所示，当控制系统接受到额定开断信号时，高速机械开关S1打开开始燃弧；切换开关K1保持闭合；
（3）、如图10中（c）所示，经过一段延时后，触发转移支路导通，电流转移至转移支路；当主回路电流降至零，电弧熄灭；
（4）、如图10中（d）-（e）所示，大电流持续向转移电容充电，当电容电压达到避雷器导通电压时，耗能支路导通，电流向耗能支路转移，完成大电流开断。
实施例4
本实施例所述快速直流开关结构如图11所示；
实施例4开断小电流的具体过程如图12所示：
（1）、如图12中（a）所示正常通流状态下，系统电流从出线端A1流入，经过机械开关S1后从出线端A2流出；
（2）、如图12中（b）所示，当控制系统接受到额定开断信号时，高速机械开关S1打开开始燃弧；切换开关K1打开；
（3）、如图12中（c）所示，经过一段延时后，触发转移支路导通，电流转移至转移支路；当主回路电流降至零，电弧熄灭；
（4）、如图12中（d）所示，小电流持续向转移电容充电，当电容电压达到系统电压时，电流下降至零，完成小电流开断；
实施例4开断大电流的具体过程图13所示；
（1）、如图13中（a）所示正常通流状态下，系统电流从出线端A1流入，经过机械开关S1后从出线端A2流出；
（2）、如图13中（b）所示，当控制系统接受到额定开断信号时，高速机械开关S1打开开始燃弧；切换开关K1保持闭合；
（3）、如图13中（c）所示，经过一段延时后，触发转移支路导通，电流转移至转移支路；当主回路电流降至零，电弧熄灭；
（4）、如图13中（d）-（e）所示，大电流持续向转移电容充电，当电容电压达到避雷器导通电压时，耗能支路导通，电流向耗能支路转移，完成大电流开断；
实施例5
本实施例所述快速直流开关结构如图14所示；
实施例5开断小电流的具体过程如图15所示；
（1）、如图15中（a）所示正常通流状态下，系统电流从出线端A1流入，经过机械开关S1后从出线端A2流出；
（2）、如图15中（b）所示，当控制系统接受到额定开断信号时，高速机械开关S1打开开始燃弧；切换开关K1打开；
（3）、如图15中（c）所示，经过一段延时后，触发转移支路导通，在磁耦合变压器的作用下，电流转移至转移支路；当主回路电流降至零，电弧熄灭；
（4）、如图15中（d）所示，小电流持续向转移电容充电，当电容电压达到系统电压时，电流下降至零，完成小电流开断；
实施例5开断大电流的具体过程如图16所示；
（1）、如图16中（a）所示正常通流状态下，系统电流从出线端A1流入，经过机械开关S1后从出线端A2流出；
（2）、如图16中（b）所示，当控制系统接受到额定开断信号时，高速机械开关S1打开开始燃弧；切换开关K1保持闭合；
（3）、如图16中（c）所示，经过一段延时后，触发转移支路导通，在磁耦合变压器的作用下，电流转移至转移支路；当主回路电流降至零，电弧熄灭；
（4）、如图16中（d）-（e）所示，大电流持续向转移电容充电，当电容电压达到避雷器导通电压时，耗能支路导通，电流向耗能支路转移，完成大电流开断。
Claims (8)
1.一种快速直流开关，其特征在于：包括主电流支路、振荡转移支路和耗能支路；所述主电流支路、振荡转移支路和耗能支路并联后，通过出线端A1和A2引出。
2.根据权利要求1所述快速直流开关，其特征在于：所述振荡转移支路包括相串联的容值可调电路、电感和电力电子器件；所述容值可调电路包括切换开关K1、预充电电容C1和C2；所述C2和K1串联后与C1并联设置；所述预充电电容C1的容值小于电容C2。
3.根据权利要求2所述快速直流开关，其特征在于：所述主电路支路包括机械开关S1或机械开关S1与电力电子器件串并联及组合。
4.根据权利要求2或3所述快速直流开关，其特征在于：所述切换开关K1包括但不限于以下器件的单个或任意组合：触发间隙、晶闸管、机械开关。
5.根据权利要求4所述快速直流开关，其特征在于：所述电感为普通空心电感或带铁芯的电感或耦合变压器。
6.根据权利要求5所述快速直流开关，其特征在于：所述电力电子器件包括但不限于以下器件的单个或任意组合：晶闸管、二极管。
7.一种根据权利要求3所述快速直流开关的控制方法：其特征在于：通过控制振荡转移支路上的切换开关K1动作，实现振荡转移支路预充电电容的容值调节；具体过程为：当大电流开断，振荡转移支路上并联的电容C2和电容C1同时参与电流转移和开断；当小电流开断，通过切换开关K1打开，将振荡转移支路的电容C2切出，仅保留电容C1来转移和开断电流。
8.根据权利要求7所述快速直流开关的控制方法：其特征在于包括如下步骤：当开断小电流时，机械开关S1和切换开关K1同时打开，小电流由主电流支路转移至振荡转移支路C1，主电流支路电流降至零，电弧熄灭；小电流持续给转移支路电容C1充电，当C1电压超过系统电压后，电流快速下降到零，完成开断；
当开断大电流时，机械开关S1打开，切换开关K1保持闭合，大电流由主电流支路转移至振荡转移支路，主电流支路电流降至零，电弧熄灭；大电流持续给电容C1和C2充电，当电容电压达到避雷器导通电压时，电流转移至耗能支路，完成大电流开断。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190802 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |