CN110349800B - 一种多时段控制的高压交流快速真空开关及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多时段控制的高压交流快速真空开关及其控制方法，分闸线圈和合闸线圈连接的放电回路均包括多个放电模块，使用时，先触发一个放电模块放电，每间隔一定时间，增加一个放电模块放电，通过多个小放电模块在不同时刻放电的叠加来实现斥力机构的多时段加速，从而在能保证运动机构运动速度的同时大幅的降低电磁斥力的峰值，从而降低了对运动机构的力学要求。

Description

一种多时段控制的高压交流快速真空开关及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种断路器，具体涉及一种多时段控制的高压交流快速真空开关及其控制方法。

背景技术

短路电流超标已成为严重威胁我国三大负荷中心电网安全稳定运行的重大问题。随着电网规模扩大，上述问题还在加剧。为应对该问题，国内外分别从系统和设备层面提出了大量解决方案，但均存在诸如降低电网可靠性、造价昂贵、资产利用率低等问题。故障限流器则是弥补上述不足的有效手段。

在系统正常运行时，限流器的开关装置处于闭合状态，几乎没有电抗的投入，当发生短路故障时，开关装置快速的开断从而投入电抗来实现限流。作为限流器的开关装置，要求能够快速、可靠的开断电路，弹簧操动机构、液压操动机构、气动操动机构、永磁操动机构等难以满足要求，因此，研制出具有高可靠的快速操动机构具有重要意义。

近年来，基于涡流效应的电磁斥力机构发展迅猛，与传统操动机构相比，该机构结构简单，分合闸速度快，已大量应用到需要快速开断的领域。由于高压断路器的运动系统质量更大，开距更长，所以需要更大的电磁斥力来实现真空开关的快速开断，但是电磁斥力的增大也对运动机构的力学特性提出更高的要求，如何在保证开断速度的同时减小电磁斥力尤为重要。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种多时段控制的高压交流快速真空开关及其控制方法，能够在保证开断速度的同时减小电磁斥力。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种多时段控制的高压交流快速真空开关，包括真空灭弧室、合闸保持机构、电磁斥力机构和多时段控制的放电回路；真空灭弧室包括静触头和动触头；

电磁斥力机构包括分闸线圈、金属盘、合闸线圈和拉杆；金属盘位于分闸线圈和合闸线圈之间，拉杆的一端依次穿过合闸线圈、金属盘和分闸线圈与合闸保持机构一端连接，合闸保持机构另一端与动触头连接；

分闸线圈和合闸线圈分别连接一放电回路；分闸线圈连接的放电回路包括多个放电模块，多个放电模块并连后与分闸线圈连接；合闸线圈连接的放电回路包括多个放电模块，多个放电模块并连后与合闸线圈连接。

优选的，放电模块包括电容、二极管和晶闸管，电容与二极管并联然后与晶闸管串联。

优选的，还包括绝缘拉杆，合闸保持机构的另一端通过绝缘拉杆与动触头连接。

进一步的，绝缘拉杆上设置有径向限位槽，或者绝缘拉杆外设置导向套筒。

进一步的，绝缘拉杆长度为0.4～0.6m。

优选的，还包括分闸缓冲机构，拉杆另一端与分闸缓冲机构相对，当处于合闸状态时，拉杆与分闸缓冲机构分开一设定距离；当处于分闸状态时，拉杆与分闸缓冲机构接触。

进一步的，分闸缓冲机构为液压缓冲油缸，拉杆的另一端端面与液压缓冲油缸活塞杆的端面相对。

优选的，合闸保持机构为碟簧。

优选的，分闸线圈连接的放电回路和合闸线圈连接的放电回路均包括个放电模块。

所述的多时段控制的高压交流快速真空开关的控制方法：

(1)分闸过程

控制触发一放电模块向分闸线圈放电，每间隔一设定时间，增加一个放电模块放电，至所有放电模块向分闸线圈放电，当静触头和动触头之间达到一设定开断距离时，所有放电模块停止放电；

(2)合闸过程

控制触发一放电模块向向合闸线圈放电，每间隔一设定时间，增加一个放电模块放电，至所有放电模块向合闸线圈放电，当动触头接触到静触头时，所有放电模块停止放电。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明分闸线圈和合闸线圈连接的放电回路均包括多个放电模块，使用时，先触发一个放电模块放电，每间隔一定时间，增加一个放电模块放电，通过多个小放电模块在不同时刻放电的叠加来实现斥力机构的多时段加速，从而在能保证运动机构运动速度的同时大幅的降低电磁斥力的峰值，从而降低了对运动机构的力学要求。并且采用多时段控制放电回路，分闸速度可调为3m/s～6m/s。

进一步的，绝缘拉杆能将真空灭弧室与电磁斥力机构隔离，从而保证机构的可靠性。

进一步的，本发明由于采用较长的绝缘拉杆，能更有效的保证机构的可靠性，使其更加适用于高压断路器。

进一步的，绝缘拉杆设置有径向限位槽或导向套筒，能有效的抑制机构动作时沿径向摆动。

进一步的，由于采用分闸缓冲机构，因此能有效的吸收分闸时运动部件的巨大动能，从而抑制断路器开断过程的振动。

本发明控制方法由于采用多时段控制的放电回路，通过控制不同放电模块的放电时刻，在能保证运动机构运动速度的同时大幅的降低电磁斥力的峰值，从而降低了对运动机构的力学要求。

附图说明

图1是本发明多时段控制的高压交流快速真空开关的结构示意图。

图2和图3是本发明多时段控制的放电回路的电路拓扑结构。

图4和图5是本发明多时段控制的高压交流快速真空开关的仿真实例。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1所示，本发明多时段控制的高压交流快速真空开关，包括壳体，以及设置在壳体内的真空灭弧室1、绝缘拉杆4、合闸保持机构5、电磁斥力机构11、分闸缓冲机构10和多时段控制的放电回路。

电磁斥力机构11包括分闸线圈7、金属盘8、合闸线圈9和拉杆6；金属盘8位于分闸线圈7和合闸线圈9之间，拉杆6一端依次穿过合闸线圈9、金属盘8和分闸线圈7与合闸保持机构5一端连接，拉杆6另一端与分闸缓冲机构10相对。合闸保持机构5的另一端与绝缘拉杆4的一端连接，绝缘拉杆4的另一端与真空灭弧室1连接。真空灭弧室1包括固定设置在壳体上的静触头2和与绝缘拉杆4连接的动触头3。分闸线圈7和合闸线圈9固定设置在壳体上，拉杆6与金属盘8固定连接。当处于合闸状态是，静触头2与动触头3接触，拉杆6与分闸缓冲机构10分开一设定距离；当处于分闸状态时，静触头2与动触头3分开一设定距离，拉杆6与分闸缓冲机构10接触。

本实施例中，分闸缓冲机构10为液压缓冲油缸，拉杆6另一端端面与液压缓冲油缸活塞杆的端面相对。合闸保持机构5为碟簧。绝缘拉杆4上设置有径向限位槽，或者绝缘拉杆4外设置导向套筒，用于限制真空开关开断过程中绝缘拉杆4在径向的摆动。

本发明分闸线圈7采用两层多匝，具体实施例2层18匝的分闸线圈，使得能产生更大的电磁斥力，分闸速度更快。

分闸线圈7和合闸线圈9分别连接一多时段控制的放电回路。

如图2所示，本实施例中，分闸线圈7连接的多时段控制的放电回路包括两个放电模块，分别为第一放电模块12和第二放电模块13；第一放电模块12包括电容C1、二极管D1和晶闸管SCR1，电容C1与二极管D1并联然后与晶闸管SCR1串联；第二放电模块13包括电容C2、二极管D2和晶闸管SCR2，电容C2与二极管D2并联然后与晶闸管SCR2串联。第一放电模块12和第二放电模块13并连后与分闸线圈7连接。图2中L7和R7分别为分闸线圈7的等效电感和等效电阻。所述放电模块还可以扩展为多个。

如图3所示，本实施例中，合闸线圈9连接的多时段控制的放电回路也包括两个放电模块，分别为第三放电模块和第四放电模块；第三放电模块包括电容C3、二极管D3和晶闸管SCR3，电容C3与二极管D3并联然后与晶闸管SCR3串联；第四放电模块包括电容C4、二极管D4和晶闸管SCR4，电容C4与二极管D4并联然后与晶闸管SCR4串联。第三放电模块和第四放电模块并连后与合闸线圈9连接。图3中L9和R9分别为合闸线圈9的等效电感和等效电阻。所述放电模块还可以扩展为多个。

本发明多时段控制的高压交流快速真空开关的工作原理如下：

(1)分闸过程

该真空开关正常运行时处于合闸状态，首先将储能电容C1、C2充满，当发生短路故障时，通过控制触发信号给晶闸管SCR1触发，SCR1导通后，构成RCL电路，电容C1在短时间内向分闸线圈7放电，此时就能在轴向产生迅速增大的磁场，根据楞次定理，金属盘8就会感应出与线圈电流方向相反的涡流。由于涡流与线圈电流的共同作用下，实际在分闸线圈7与金属盘8之间产生的磁场方向是沿径向方向，根据左手定则，金属盘8将受到轴向朝向分闸缓冲机构10方向的磁场力，当磁场力大于合闸保持机构5的合闸保持力时，金属盘8会朝分闸缓冲机构10方向加速运动，从而带动整个运动部件动作；经过一段延迟，在线圈电流下降的某个时刻，控制触发信号给晶闸管SCR2触发，电容C2在短时间内向分闸线圈7放电，此时线圈电流为两个电容放电电流的叠加，线圈电流会开始增大，金属盘8受到的电磁力也会增大，从而使运动部件继续加速运动。当达到一定开距时，拉杆6一端接触分闸缓冲机构10，分闸缓冲机构10开始工作，在分闸缓冲机构10缓存作用下，使运动部件停止运动并固定，晶闸管SCR1和晶闸管SCR2断开，完成分闸过程。

(2)合闸过程

首先将储能电容C3、C4充满，当需要合闸时，通过控制触发信号给晶闸管SCR3触发，SCR3导通后，构成RCL电路，电容C3在短时间内向合闸线圈9放电，此时就能在轴向产生迅速增大的磁场，根据楞次定理，金属盘8就会感应出与线圈电流方向相反的涡流。由于涡流与线圈电流的共同作用下，实际在合闸线圈9与金属盘8之间产生的磁场方向是沿径向方向，根据左手定则，金属盘8将受到轴向朝向真空灭弧室1方向的磁场力，当磁场力大于分闸保持力时，金属盘8会朝真空灭弧室1方向加速运动，从而带动整个运动部件动作；经过一段延迟，在线圈电流下降的某个时刻，控制触发信号给晶闸管SCR4触发，电容C4在短时间内合闸线圈9放电，此时线圈电流为两个电容放电电流的叠加，线圈电流会开始增大，金属盘8受到的电磁力也会增大，从而使运动部件继续加速运动。当动触头3接触到静触头2时，晶闸管SCR3和晶闸管SCR4断开，使运动部件停止运动并固定，完成合闸过程。

应用实例

现有技术中分闸线圈和合闸线圈只连接一个放电模块，以40.5kV/50kA快速真空断路器为例，仿真比较采用单个放电模块与两个放电模块的电磁斥力机构开断过程的运动特性。单个放电模块电容为250uF，充电电压为5000V，两个放电模块电容均为125uF，充电电压为5000V(两个电容放电时刻相差0.4ms)，保证整个放电回路总电容相同，其他参数和仿真条件均相同，运动机构的质量为15kg，仿真结果取前2ms。

图4为金属盘所受到的电磁斥力随时间的变化，采用两个放电模块的电磁斥力出现两个波峰，波峰数值比单个放电模块的电磁斥力峰值小约35％。

图5为金属盘的运动速度随时间的变化，采用两个放电模块的斥力机构有两个加速运动阶段，在约1.2ms时与采用单个放电模块的斥力机构运动速度相当。

本发明采用多时段控制的线圈放电回路可以在保证斥力机构的速度的同时大大降低电磁斥力的峰值，从而降低对机构的力学要求；采用液压缓冲能有效的抑制断路器开断过程的振动，因此能在故障限流器、选相开关等领域得到广泛应用。

Claims (9)

1.多时段控制的高压交流快速真空开关的控制方法，其特征在于，所述多时段控制的高压交流快速真空开关，包括真空灭弧室(1)、合闸保持机构(5)、电磁斥力机构(11)和放电回路；真空灭弧室(1)包括静触头(2)和动触头(3)；

电磁斥力机构(11)包括分闸线圈(7)、金属盘(8)、合闸线圈(9)和拉杆(6)；金属盘(8)位于分闸线圈(7)和合闸线圈(9)之间，拉杆(6)的一端依次穿过合闸线圈(9)、金属盘(8)和分闸线圈(7)与合闸保持机构(5)一端连接，合闸保持机构(5)另一端与动触头(3)连接；

分闸线圈(7)和合闸线圈(9)分别连接一放电回路；分闸线圈(7)连接的放电回路包括多个放电模块，多个放电模块并连后与分闸线圈(7)连接；合闸线圈(9)连接的放电回路包括多个放电模块，多个放电模块并连后与合闸线圈(9)连接；

(1)分闸过程

控制触发一放电模块向分闸线圈(7)放电，每间隔一设定时间，增加一个放电模块放电，至所有放电模块向分闸线圈(7)放电，当静触头(2)和动触头(3)之间达到一设定开断距离时，所有放电模块停止放电；

(2)合闸过程

控制触发一放电模块向合闸线圈(9)放电，每间隔一设定时间，增加一个放电模块放电，至所有放电模块向合闸线圈(9)放电，当动触头(3)接触到静触头(2)时，所有放电模块停止放电。

2.根据权利要求1所述的多时段控制的高压交流快速真空开关的控制方法，其特征在于，放电模块包括电容、二极管和晶闸管，电容与二极管并联然后与晶闸管串联。

3.根据权利要求1所述的多时段控制的高压交流快速真空开关的控制方法，其特征在于，多时段控制的高压交流快速真空开关还包括绝缘拉杆(4)，合闸保持机构(5)的另一端通过绝缘拉杆(4)与动触头(3)连接。

4.根据权利要求3所述的多时段控制的高压交流快速真空开关的控制方法，其特征在于，绝缘拉杆(4)上设置有径向限位槽，或者绝缘拉杆(4)外设置导向套筒。

5.根据权利要求3所述的多时段控制的高压交流快速真空开关的控制方法，其特征在于，绝缘拉杆(4)长度为0.4～0.6m。

6.根据权利要求1所述的多时段控制的高压交流快速真空开关的控制方法，其特征在于，多时段控制的高压交流快速真空开关还包括分闸缓冲机构(10)，拉杆(6)另一端与分闸缓冲机构(10)相对，当处于合闸状态时，拉杆(6)与分闸缓冲机构(10)分开一设定距离；当处于分闸状态时，拉杆(6)与分闸缓冲机构(10)接触。

7.根据权利要求6所述的多时段控制的高压交流快速真空开关的控制方法，其特征在于，分闸缓冲机构(10)为液压缓冲油缸，拉杆(6)的另一端端面与液压缓冲油缸活塞杆的端面相对。

8.根据权利要求1所述的多时段控制的高压交流快速真空开关的控制方法，其特征在于，合闸保持机构(5)为碟簧。

9.根据权利要求1所述的多时段控制的高压交流快速真空开关的控制方法，其特征在于，分闸线圈(7)连接的放电回路和合闸线圈(9)连接的放电回路均包括2个放电模块。

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