CN110752112B - 双稳态超高速操动机构、直流断路器及控制方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种双稳态超高速操动机构、直流断路器及控制方法，双稳态超高速操动机构包括触头、电磁斥力机构、分合闸保持装置和缓冲装置，静触头螺纹连接进线铜排，动触头螺纹连接绝缘拉杆，动触头经由表带触指连接出线铜排；电磁斥力机构包括斥力盘、绝缘拉杆、充放电回路和控制器，其中，斥力盘经由绝缘拉杆致动动触头，充放电回路包括串联的带有预充电的驱动电容、控制晶闸管和线圈，线圈两端反向并联续流二极管，控制器连接并控制控制晶闸管触发以实现机构分闸操作；分合闸保持装置包括分合闸保持弹簧、分合闸保持滑块、弹簧支架、传动连杆和传动法兰，缓冲装置包括缓冲器、用于停止传动法兰的止位套筒、合闸复位弹簧和用于复位的复位滑块。

Description

双稳态超高速操动机构、直流断路器及控制方法

技术领域

本发明涉及直流断路器技术领域，特别涉及一种双稳态超高速操动机构、直流断路器及控制方法。

背景技术

由于直流系统其线路造价低、没有容性电流、没有涡流损耗、潮流更容易控制等优点，直流高压直流输电系统备受关注。特别是某些特定场合，如大型船舶供电系统、城市轨道交通供电系统等直流系统得到了长足的发展。同时伴随着直流系统的容量持续增长和电压等级的不断提高，其短路电流上升率也在15A/us以上。传统的机械式断路器，由于其自身开断时间长，限流能力有限等特点的限制，难以适应直流系统的高电压、大电流的发展需求。

伴随着电力电子技术的不断发展，出现了基于门极可关断器件的固态直流断路器，其拥有动作时间短，可以实现无弧分断的特点使其在一定场合得到了应用。但是和传统的机械式断路器相比，其通态损耗大、承载能力有限和抗涌流、过电压能力较弱的缺点使得其在应用中有较大的局限性。

近年来，一种通过将高速机械开关和电力电子器件并联实现的混合式直流断路器被提出，具有通流能力强，分断速度快等优势，在直流开断领域颇具潜力。混合式断路器要求,机械开关能够实现触点高速分离，便于电流向转移支路转移，同时此时要求机械开关能够获得尽量大的初始速度尽快形成绝缘间隙，抵抗之后机械断路器断口间出现的一个很高的瞬态恢复电压。现阶段高速操动机构大多使用双稳弹簧结构，需要两个斥力线圈，两套驱动回路，机构和驱动回路体积较大，成本高，不利于断路器小型化，集约化。

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双稳态超高速操动机构、直流断路器及控制方法。结构简单、易于操作、分闸速度快且降低了操动机构的响应时间，提高直流断路器的开断速度，减小机构体积。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

本发明的一方面，一种双稳态超高速操动机构包括触头、电磁斥力机构、分合闸保持装置和缓冲装置，

触头，其包括静触头和动触头，所述静触头螺纹连接进线铜排，所述动触头螺纹连接绝缘拉杆，动触头经由表带触指连接出线铜排；

电磁斥力机构，其包括斥力盘、绝缘拉杆、充放电回路和控制器，其中，所述斥力盘经由绝缘拉杆致动动触头，所述充放电回路包括串联的带有预充电的驱动电容、控制晶闸管和线圈，所述线圈两端反向并联续流二极管，所述控制器连接并控制所述控制晶闸管触发以实现机构分闸操作；

所述分合闸保持装置，其包括分合闸保持弹簧、分合闸保持滑块、弹簧支架、传动连杆和传动法兰，其中，传动法兰弹性压接在所述绝缘拉杆下端，传动连杆一端连接传动法兰，另一端连接分合闸保持滑块，分合闸保持滑块嵌入弹簧支架之中且与弹簧支架滑动接触，所述分合闸保持弹簧套在分合闸保持滑块之上，分合闸保持滑块穿在水平限位挡板之上以实现限位，分合闸保持弹簧预压缩顶紧分合闸保持滑块，分合闸保持滑块顶紧传动连杆使得传动法兰提供分/合闸保持力；

所述缓冲装置包括缓冲器、用于停止所述传动法兰的止位套筒、合闸复位弹簧和用于复位的复位滑块,其中，复位滑块连接所述合闸复位弹簧，所述缓冲器距离所述分合闸保持装置预定间距。

所述的双稳态超高速操动机构中，双稳态超高速操动机构设有用于支撑的支撑固定组件，其包括用于支承触头的绝缘支撑套筒、用于支承所述电磁斥力机构的斥力线圈支撑套筒、用于支承所述缓冲装置的钢支撑套筒、用于支承在地面的角铁支架、导向套筒、缓冲器固定钢板、用于固定斥力盘的斥力机构固定板材。

所述的双稳态超高速操动机构中，所述触头包括真空触头、空气触头或SF6触头。

所述的双稳态超高速操动机构中，所述线圈通过螺栓固定在绝缘板之上，与斥力盘上表面保持1mm-2mm间隙,绝缘拉杆与线圈下表面保持1mm-2mm间隙。

所述的双稳态超高速操动机构中，缓冲器包括油缓冲器、阻尼缓冲器或弹簧缓冲器。

所述的双稳态超高速操动机构中，止位套筒带有止位结构，当机构运动超过15mm后，传动法兰撞上止位结构停止运动。

所述的双稳态超高速操动机构中，触头设有采用防扭转锁死结构的导向套，动触头的导电杆通过导电触指和出线母牌实现滑动连接。

所述的双稳态超高速操动机构中，传动法兰和绝缘拉杆通过弹簧力压接在绝缘拉杆下端，传动连杆一端通过销钉与传动法兰相连接，传动连杆另一端通过销钉和分合闸保持滑块相连，滑块和弹簧支架与导向套筒存在1mm配合间隙，间隙中加入润滑脂。

根据本发明的另一方面，一种直流断路器包括所述的双稳态超高速操动机构。

根据本发明的又一方面，一种所述的双稳态超高速操动机构的控制方法包括以下步骤：

在第一步骤中，控制器检测到短路电流信号以生成触发控制晶闸管的触发信号，控制晶闸管导通；

在第二步骤中，控制向线圈放电产生脉冲电流，电磁斥力机构所产生的电磁斥力克服合闸保持装置的合闸保持力，斥力盘推动绝缘拉杆运动以将动触头推开，

在第三步骤中，电磁斥力机构完成一次高速分闸操作后，合闸复位，斥力盘与线圈贴紧以便进行下一次分闸操作。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的双稳态超高速操动机构的结构示意图；

图2根据本发明一个实施例的双稳态超高速操动机构的斥力盘和触头结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的双稳态超高速操动机构的分合闸保持装置结构示意图；

图4根据本发明一个实施例的双稳态超高速操动机构的电磁斥力机构结构示意图；

图5是根据本发明一个实施例的双稳态超高速操动机构的控制方法的步骤示意图。

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

下面将参照附图1至图5更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

如图1至图4所示，一种双稳态超高速操动机构包括触头2、电磁斥力机构6、分合闸保持装置7和缓冲装置19，

触头2，其包括静触头和动触头12，所述静触头螺纹连接进线铜排11，所述动触头12螺纹连接绝缘拉杆5，动触头12经由表带触指连接出线铜排；

电磁斥力机构6，其包括斥力盘13、绝缘拉杆5、充放电回路和控制器14，其中，所述斥力盘13经由绝缘拉杆5致动动触头12，所述充放电回路包括串联的带有预充电的驱动电容、控制晶闸管和线圈4，所述线圈4两端反向并联续流二极管，所述控制器14连接并控制所述控制晶闸管触发以实现机构分闸操作；

所述分合闸保持装置7，其包括分合闸保持弹簧15、分合闸保持滑块、弹簧支架、传动连杆和传动法兰16，其中，传动法兰16弹性压接在所述绝缘拉杆5下端，传动连杆一端连接传动法兰16，另一端连接分合闸保持滑块，分合闸保持滑块嵌入弹簧支架之中且与弹簧支架滑动接触，所述分合闸保持弹簧15套在分合闸保持滑块之上，分合闸保持滑块穿在水平限位挡板之上以实现限位，分合闸保持弹簧15预压缩顶紧分合闸保持滑块，分合闸保持滑块顶紧传动连杆使得传动法兰16提供分/合闸保持力；

所述缓冲装置19包括缓冲器9、用于停止所述传动法兰16的止位套筒18、合闸复位弹簧和用于复位的复位滑块,其中，复位滑块连接所述合闸复位弹簧，所述缓冲器9距离所述分合闸保持装置7预定间距。

在一个实施例中，一种中低压直流断路器的双稳态超高速操动机构，特别适合于对响应时间要求很高的应用场合的直流断路器。其包括：触头2、分/合闸保持装置、电磁斥力机构6、支撑固定组件和缓冲装置19。

所述分/合闸保持装置包括分/合闸保持弹簧、分/合闸保持滑块、弹簧支架、传动连杆和传动法兰16。

在一个实施例中，所述电磁斥力机构6包括斥力盘13、绝缘拉杆5、分闸线圈4、放电回路、控制器14。

在一个实施例中，所述支撑固定组件包括绝缘支撑套筒1、铝支撑套筒、钢支撑套筒8、角铁支架10、导向套筒、缓冲器9固定钢板、斥力机构固定板材。

在一个实施例中，所述缓冲装置19包括缓冲器9、合闸复位弹簧、机构止位套筒18和复位滑块。

在一个实施例中，所述触头2包括但不限于真空触头2、空气触头2、SF6触头2；

在一个实施例中，所述绝缘拉杆5和触头2动端通过螺纹连接，所述线圈4通过螺栓固定在绝缘板之上，与斥力盘13上表面保持1mm-2mm间隙。

在一个实施例中，所述绝缘拉杆5通过螺纹连接固定在触头2动端之上。

在一个实施例中，所述充放电回路由带有预充电的驱动电容、控制晶闸管、线圈4串联组成，线圈4两端反向并联续流二极管；所述控制器14通过控制控制晶闸管触发实现机构分闸操作。

在一个实施例中，所述缓冲装置19包括但不限于油缓冲器9、阻尼缓冲器9、弹簧缓冲器9。缓冲器9距离机构初始位置相距为5mm；缓冲套筒带有止位结构，当机构运动超过15mm后，传动法兰16会撞上止位停止运动；

在一个实施例中，双稳态高速操动机构特别适用于对于响应时间要求很高的混合式直流断路器，其包括触头2、分/合闸保持装置、电磁斥力机构6、支撑固定组件和缓冲装置19。

在一个实施例中，触头2导向套采用防扭转锁死结构，避免在安装和运动过程中发生损坏；触头2动端导电杆通过导电触指和出线母牌实现滑动连接。

在一个实施例中，所述分/合闸保持装置中传动法兰16和绝缘拉杆5通过弹簧力压接在绝缘拉杆5下端，传动连杆一端通过销钉与传动法兰16相连接，传动连杆另一端通过销钉和合闸保持滑块相连；分/合闸保持滑块嵌入弹簧支架之中，滑块与弹簧支架滑动接触，与套筒存在1mm配合间隙，间隙中加入润滑脂；所述分/合闸保持弹簧套在合闸保持滑块之上，合闸保持滑块穿在水平限位挡板之上，通过螺栓连接，实现限位；分/合闸保持弹簧预压缩，顶紧分/合闸保持滑块，分/合闸保持滑块顶紧传动连杆，传动法兰16提供分/合闸保持力。

在一个实施例中，所述斥力盘13和真空泡动端通过螺纹连接，所述线圈4通过螺栓固定在绝缘板之上；所述绝缘拉杆5通过螺纹连接固定在触头动端之上，与线圈4下表面保持1mm-2mm间隙；所述充放电回路由带有预充电的驱动电容、控制晶闸管、线圈4串联组成，线圈4两端反向并联续流二极管；所述控制器14通过控制控制晶闸管触发实现机构分闸操作；

在一个实施例中，所述缓冲装置19包括但不限于油缓冲器9、阻尼缓冲器9、弹簧缓冲器9。

在一个实施例中，缓冲器9距离机构初始位置相距为5mm；缓冲套筒带有止位结构，当机构运动超过15mm后，传动法兰16会撞上止位停止运动；

图2所示为本发明一实施例的斥力盘和触头链接示意图，进线铜排与触头上端通过螺纹链接，斥力盘通过螺纹直接拧紧在触头的动端上，触头动端与出线铜排通过表带触指链接，当线圈通电在斥力盘上产生电磁斥力时，斥力盘直接带动触头动端动作，从而实现触头的超高速分离。

图3所示为本发明一实施例的合闸保持装置示意图，合闸状态时，合闸保持弹簧压缩，给合闸保持滑块一定预压力，合闸保持滑块和弹簧支架一起给拉杆压力，压力通过传动连杆传动到触头之上。可以通过调整合闸保持弹簧的劲度系数调整机构合闸保持力，使得操动机构应对不同短路耐受能力要求场合。当机构分闸时，由于驱动力为电磁斥力，远远大于弹簧保持力，法兰被推动，合闸保持弹簧向下压缩一点，双稳弹簧越过死点。此时，合闸保持机构不再为绝缘拉杆提供合闸保持力。

图4为电磁斥力机构示意图，直流断路器在出现短路故障电流的情况下将做分闸操作。当系统发生短路故障时，控制器检测到短路电流信号，并产生晶闸管VT的触发信号，从而触发晶闸管VT导通。晶闸管VT导通后，已经储能的电容C将迅速向线圈放电，产生一个脉冲电流；基于电磁感应涡流原理，斥力盘将产生巨大的电磁斥力以推动分闸推杆高速运动。分闸推杆直接作用在动触头上，斥力机构所产生的电磁斥力克服合闸保持装置的合闸保持力，迅速地将动触头推开。斥力机构完成一次高速分闸操作后，在真空泡自闭力的作用下，斥力盘又将与线圈贴紧，以便进行下一次分闸操作。

所述的双稳态超高速操动机构的优选实施例中，双稳态超高速操动机构设有用于支撑的支撑固定组件，其包括用于支承触头的绝缘支撑套筒1、用于支承所述电磁斥力机构6的斥力线圈支撑套筒3、用于支承所述缓冲装置19的钢支撑套筒8、用于支承在地面的角铁支架10、导向套筒、缓冲器9固定钢板、用于固定斥力盘13的斥力机构固定板材。

所述的双稳态超高速操动机构的优选实施例中，所述触头2包括真空触头、空气触头或SF6触头。

所述的双稳态超高速操动机构的优选实施例中，所述线圈4通过螺栓固定在绝缘板之上，与斥力盘13上表面保持1mm-2mm间隙,绝缘拉杆5与线圈4下表面保持1mm-2mm间隙。

所述的双稳态超高速操动机构的优选实施例中，缓冲器9包括油缓冲器、阻尼缓冲器或弹簧缓冲器。

所述的双稳态超高速操动机构的优选实施例中，止位套筒18带有止位结构，当机构运动超过15mm后，传动法兰16撞上止位结构停止运动。

所述的双稳态超高速操动机构的优选实施例中，触头2设有采用防扭转锁死结构的导向套，动触头12的导电杆通过导电触指和出线母牌实现滑动连接。

所述的双稳态超高速操动机构的优选实施例中，传动法兰16和绝缘拉杆5通过弹簧力压接在绝缘拉杆5下端，传动连杆一端通过销钉与传动法兰16相连接，传动连杆另一端通过销钉和分合闸保持滑块相连，滑块和弹簧支架与导向套筒存在1mm配合间隙，间隙中加入润滑脂。

所述的双稳态超高速操动机构的优选实施例中，缓冲器9经由缓冲器固定螺母固定。

一种直流断路器包括所述的双稳态超高速操动机构。

如图5所示，一种所述的双稳态超高速操动机构的控制方法包括以下步骤：

在第一步骤S1中，控制器14检测到短路电流信号以生成触发控制晶闸管的触发信号，控制晶闸管导通；

在第二步骤S2中，控制向线圈4放电产生脉冲电流，电磁斥力机构6所产生的电磁斥力克服合闸保持装置的合闸保持力，斥力盘13推动绝缘拉杆5运动以将动触头12推开，

在第三步骤S3中，电磁斥力机构6完成一次高速分闸操作后，合闸复位，斥力盘13与线圈4贴紧以便进行下一次分闸操作。

本发明能够提供较大的合闸保持力，适应大短时耐受电流要求，同时具有极低的响应时间延时，满足大容量直流分断的需求。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (10)

1.一种双稳态超高速操动机构，其特征在于，其包括触头、电磁斥力机构、分合闸保持装置和缓冲装置，

触头，其包括静触头和动触头，所述静触头螺纹连接进线铜排，所述动触头螺纹连接绝缘拉杆，动触头经由表带触指连接出线铜排，触头设有采用防扭转锁死结构的导向套；

电磁斥力机构，其包括斥力盘、绝缘拉杆、充放电回路和控制器，其中，所述斥力盘经由绝缘拉杆致动动触头，所述充放电回路包括串联的带有预充电的驱动电容、控制晶闸管和线圈，所述线圈两端反向并联续流二极管，所述控制器连接并控制所述控制晶闸管触发以实现机构分闸操作；

所述分合闸保持装置，其包括分合闸保持弹簧、分合闸保持滑块、弹簧支架、传动连杆和传动法兰，其中，传动法兰弹性压接在所述绝缘拉杆下端，传动连杆一端连接传动法兰，另一端连接分合闸保持滑块，分合闸保持滑块嵌入弹簧支架之中且与弹簧支架滑动接触，所述分合闸保持弹簧套在分合闸保持滑块之上，分合闸保持滑块穿在水平限位挡板之上以实现限位，分合闸保持弹簧预压缩顶紧分合闸保持滑块，分合闸保持滑块顶紧传动连杆使得传动法兰提供分/合闸保持力，机构分闸时，传动法兰被推动，合闸保持弹簧向下压缩一点，双稳弹簧越过死点；

所述缓冲装置包括缓冲器、用于停止所述传动法兰的止位套筒、合闸复位弹簧和用于复位的复位滑块，其中，复位滑块连接所述合闸复位弹簧，缓冲器9距离机构初始位置相距为5mm。

2.根据权利要求1所述的双稳态超高速操动机构，其中，双稳态超高速操动机构设有用于支撑的支撑固定组件，其包括用于支承触头的绝缘支撑套筒、用于支承所述电磁斥力机构的斥力线圈支撑套筒、用于支承所述缓冲装置的钢支撑套筒、用于支承在地面的角铁支架、导向套筒、缓冲器固定钢板、用于固定斥力盘的斥力机构固定板材。

3.根据权利要求1所述的双稳态超高速操动机构，其中，所述触头包括真空触头、空气触头或SF6触头。

4.根据权利要求1所述的双稳态超高速操动机构，其特征在于：所述线圈通过螺栓固定在绝缘板之上，与斥力盘上表面保持1mm-2mm间隙，绝缘拉杆与线圈下表面保持1mm-2mm间隙。

5.根据权利要求1所述的双稳态超高速操动机构，其特征在于：缓冲器包括油缓冲器、阻尼缓冲器或弹簧缓冲器。

6.根据权利要求1所述的双稳态超高速操动机构，其特征在于：止位套筒带有止位结构，当机构运动超过15mm后，传动法兰撞上止位结构停止运动。

7.根据权利要求1所述的双稳态超高速操动机构，其特征在于：动触头的导电杆通过导电触指和出线母牌实现滑动连接。

8.根据权利要求2所述的双稳态超高速操动机构，其特征在于：传动法兰和绝缘拉杆通过弹簧力压接在绝缘拉杆下端，传动连杆一端通过销钉与传动法兰相连接，传动连杆另一端通过销钉和分合闸保持滑块相连，滑块和弹簧支架与导向套筒存在1mm配合间隙，间隙中加入润滑脂。

9.一种直流断路器，其特征在于：其包括权利要求1-8任一项所述的双稳态超高速操动机构。

10.一种权利要求1-8任一项所述的双稳态超高速操动机构的控制方法，其包括以下步骤：

在第一步骤(S1)中，控制器检测到短路电流信号以生成触发控制晶闸管的触发信号，控制晶闸管导通；

在第二步骤(S2)中，控制向线圈放电产生脉冲电流，电磁斥力机构所产生的电磁斥力克服合闸保持装置的合闸保持力，斥力盘推动绝缘拉杆运动以将动触头推开，

在第三步骤(S3)中，电磁斥力机构完成一次高速分闸操作后，合闸复位，斥力盘与线圈贴紧以便进行下一次分闸操作。

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