CN110767495A - 一种柔性交直流输电用快速真空旁路开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性交直流输电用快速真空旁路开关，主要包括绝缘壳体、静端安装板、静端铜排、真空灭弧室、导向板、动端铜排、绝缘子、永磁机构、绝缘支柱、绝缘上盖、出线防水接头等部件构成，所述的静端安装板、真空灭弧室、导向板、绝缘拉杆、永磁机构、绝缘支柱均安装在绝缘壳体内，绝缘上盖与绝缘壳体紧密扣合。本发明所提出的快速真空旁路开关具有合闸时间短、合闸无弹跳、通流能力强和结构简单、可靠性高等特点。

Description

一种柔性交直流输电用快速真空旁路开关

技术领域

本发明涉及一种柔性交直流输电用快速真空旁路开关，属于快速机械开关领域。

背景技术

近年来，模块化多电平换流器MMC被应用于柔性交直流输电系统。模块化多电平换流器MMC的每个桥臂通常由几百个子模块SM串联构成，每个MMC子模块SM由直流电容，大功率电力电子器件IGBT、续流二极管构成的H半桥结构或H全桥结构。MMC子模块SM在运行过程中可能出现以下几个故障类型：

(1)电力电子器件故障：MMC的每个子模块包含多个大功率电力电子器件IGBT和续流二极管，由于IGBT和续流二极管的过载能力有限，当系统出现过电流、过电压或过高的di/dt和dv/dt时，很容易造成IGBT和续流二极管损坏，从而导致子模块不能正常工作。

(2)电容器故障：过流或过电压导致电容器损坏。

(3)控制系统故障：在长期运行过程中，MMC子模块的控制系统可能由于电磁干扰或过电压等原因导致子模块无法工作在正常状态。

由于模块化多电平MMC换流器采用串联结构，当某一个子模块出现故障时，可能会导致故障进一步扩大，使得系统跳闸停机。因此，必须在子模块中并联旁路机械开关装置，在几个毫秒内将故障子模块迅速切除，确保系统正常运行。快速可靠的旁路真空开关装置对于柔性交直流输电系统稳定运行显得尤为重要。

由于快速真空旁路开关在交直流输电系统中应用时间不长，目前的真空旁路开关主要存在以下问题：①开关合闸时间通常较长，合闸时间≥5ms；②在快速合闸操作时开关出现弹跳现象，在大电流接通时可能会导致真空灭弧室触头和被保护的电力电子器件损坏；③开关体积大和安装完成后不方便调试；④为了实现弹跳小，真空旁路开关开距通常小于1mm，在工程长期运行过程中容易出现开关绝缘击穿和长期带弧开关损坏；⑤额定工作电流较小。

发明内容

本发明针对上述问题，设计出一种合闸时间短、合闸无弹跳、通流能力强、结构简单、可靠性高和安装调试方便的柔性交直流用真空旁路开关。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种柔性交直流输电用快速真空旁路开关，包括绝缘壳体、静端安装板、静端铜排、真空灭弧室、导向板、固定块、动端铜排、绝缘子、永磁机构、绝缘支柱、绝缘上盖、出线防水接头；

静端安装板、真空灭弧室、导向板、绝缘子、永磁机构、绝缘支柱安装在绝缘壳体内；静端安装板通过螺栓固定于绝缘壳体的前端壁上，静端安装板、静端铜排、真空灭弧室的静端通过螺栓紧固连接，真空灭弧室的导向套穿过导向板的中间圆孔，静端安装板与导向板之间安设有四根绝缘支柱，绝缘支柱两端通过螺栓分别与静端安装板、导向板进行紧固连接，真空灭弧室的动导电杆和动端铜排下端贴合，绝缘子一端螺杆穿过动端铜排拧入真空灭弧室的动导电杆内，并用安装在绝缘子螺杆上的紧固件将动端铜排和真空管灭弧室的动导电杆压紧，动端铜排中部通过固定块和螺栓紧固在导向板的上端，永磁机构的驱动杆拧入绝缘子的另一端螺纹孔，并用装在永磁机构驱动杆上的紧固件进行锁紧，永磁机构端盖通过压板和螺栓紧固在绝缘壳体凹腔后部两侧的嵌件上；

绝缘壳体顶部设有绝缘上盖；静端铜排和动端铜排的上端均穿过绝缘上盖中部的两个长方形开口，绝缘上盖的两个长方形开口分别与静端铜排、动端铜排之间的间隙用密封圈进行密封；出线防水接头固定在绝缘上盖的圆形开孔上。

进一步的，所述永磁机构包括前端盖、静铁芯筒、扇形永磁体、导磁环、合闸线圈、后端盖，所述的扇形永磁体紧贴静铁芯筒内壁和导磁环外壁；合闸线圈放置在扇形永磁体和后端盖之间，前端盖和后端盖通过螺栓与静铁芯筒紧固；

所述永磁机构还包括动铁芯和合闸弹簧，所述动铁芯放置于导磁环和合闸线圈空腔内部，动铁芯设置有驱动杆，且与所述永磁机构的前端盖和后端盖上的导向孔相互配合，所述合闸弹簧安装在动铁芯中部的凹腔内。

所述动铁芯为T型铁芯，铁芯表面设有对称凹槽。

所述合闸弹簧为模具弹簧。

所述永磁机构还设置有手动分闸机构，所述手动分闸机构包括圆形的手动脱扣器、两个对称的脱扣器支座，手动脱扣器中心设有螺纹孔，并紧固在动铁芯延伸出前端盖的驱动杆上，脱扣器支座用紧固件固定在前端盖上，脱扣器支座设有第一椭圆形开口，第一椭圆形开口方向正对动铁芯的驱动杆，脱扣器支座第一椭圆形开口正对着的绝缘壳体区域设有第二椭圆形开口，第二椭圆形开口装有密封塞。

优选的，还包括辅助开关组件，辅助开关组件包括微动开关安装板、微动开关，所述微动开关固定在微动开关安装板上，微动开关安装板固定在绝缘外壳的凹腔底部。辅助开关组件主要通过微动开关检测快速真空旁路开关合分闸状态，通过永磁机构驱动杆上安装一个检测板在合闸过程中撞击微动开关的摆杆实现。

所述动端铜排为多层紫铜箔叠压而成，动端铜排的上部和下部为叠压区域并镀层处理，中间为多层紫铜铜箔构成的可运动区域。

所述绝缘子为高性能绝缘材料BMC热压铸制成。

所述绝缘壳体和绝缘上盖为高强度绝缘材料DMC压铸成形件，绝缘壳体底部设有四个固定座，固定座设有带内螺纹金属嵌件。

本发明取得的有益效果：

(1)本发明提供的柔性交直流输电用快速真空旁路开关，将静端安装板、静端铜排、真空灭弧室、导向板、动端铜排、绝缘子和永磁机构装配成一体并进行机械磨合和调试后，一体化装配入通腔绝缘壳体中，大大提高了装配效率和可靠性。

(2)采用永磁机构，开关在正常工况下由永磁体产生的吸合力牢牢保持在分闸状态，同时合闸弹簧被压缩储存较大的能量，当被保护电力电子器件发生故障时，开关合闸线圈内通瞬时脉冲电流克服永磁体产生的保持力，合闸弹簧储存的能量瞬间释放使得开关快速合闸，闭合后合闸弹簧仍具有较大的反力，从而使得开关具有足够的触头压力。采用永磁机构和被预压缩储存较大能量的合闸弹簧，可以有效保证真空旁路开关的触头在较大开距1.5～2.0mm下快速合闸(合闸时间<3.5ms)和合闸无弹跳，从而保证真空旁路开关长期处于分闸状态下避免绝缘击穿和触头烧损。

(3)采用导向板和绝缘支柱装配结构，可以有效保证了快速真空旁路开关具有很好的同轴度，避免多次手动分闸后导致真空灭弧室的动触头偏心和开关触头有效开距减少产生的绝缘击穿危害。

(4)动端铜排采用多层紫铜箔层压实现，铜排两端压焊并镀层处理，中部为自由活动区域，采用这种结构解决了传统旁路开关动端铜排接触电阻大的问题，从而使得开关主回路电阻小于15uΩ，开关工作温度低，通流能力强。

附图说明

图1本发明的结构示意图。

图中：1-绝缘上盖、2-绝缘壳体、3-静端安装板、4-绝缘支柱、5-静端铜排、6-密封圈、7-真空灭弧室、8-导向板、9-固定块、10-动端铜排、11-绝缘子、12-手动脱扣器、13-脱扣器支架、14-密封塞、15-微动开关、16-微动开关安装板、17-前端盖、18-静铁芯筒、19-扇形永磁体、20-导磁环、21-动铁芯、22-合闸弹簧、23-合闸线圈、24-后端盖、25-压板、26-出线防水接头。

具体实施方式

结合实施例说明本发明的具体技术方案。

如图1所示，一种柔性交直流输电用快速真空旁路开关，包括绝缘壳体2、静端安装板3、静端铜排5、真空灭弧室7、导向板8、固定块9、动端铜排10、绝缘子11、永磁机构、绝缘支柱4、绝缘上盖1、出线防水接头26；

静端安装板3、静端铜排5、真空灭弧室7、导向板8、绝缘子11、永磁机构、绝缘支柱4装配成一体，然后整体安装在绝缘壳体2内；

具体的装配关系为：静端安装板3通过螺栓固定于绝缘壳体2的前端壁上，静端安装板3、静端铜排5、真空灭弧室7的静端通过螺栓紧固连接，真空灭弧室7的导向套穿过导向板8的中间圆孔，静端安装板3与导向板8之间安设有四根绝缘支柱4，绝缘支柱4两端通过螺栓分别与静端安装板3、导向板8进行紧固连接，真空灭弧室7的动导电杆和动端铜排10下端贴合，绝缘子11一端螺杆穿过动端铜排10拧入真空灭弧室7的动导电杆内，并用安装在绝缘子11螺杆上的紧固件将动端铜排10和真空管灭弧室7的动导电杆压紧，动端铜排10中部通过固定块9和螺栓紧固在导向板8的上端，永磁机构的驱动杆拧入绝缘子11的另一端螺纹孔，并用装在永磁机构驱动杆上的紧固件进行锁紧，永磁机构端盖通过压板25和螺栓紧固在绝缘壳体2凹腔后部两侧的嵌件上。

绝缘壳体2顶部设有绝缘上盖1；静端铜排5和动端铜排10的上端均穿过绝缘上盖1中部的两个长方形开口，绝缘上盖1的两个长方形开口分别与静端铜排5、动端铜排10之间的间隙用密封圈6进行密封；出线防水接头26固定在绝缘上盖1的圆形开孔上。

本实施例采用的永磁机构，所述永磁机构包括前端盖17、静铁芯筒18、扇形永磁体19、导磁环20、合闸线圈23、后端盖24，所述的扇形永磁体19紧贴静铁芯筒18内壁和导磁环20外壁；合闸线圈23放置在扇形永磁体19和导磁环20右侧，并且同时放置在所述后端盖24的左侧，前端盖17和后端盖24通过螺栓与静铁芯筒18紧固；

所述永磁机构还包括动铁芯21和合闸弹簧22，所述动铁芯21放置于导磁环20和合闸线圈23空腔内部，动铁芯21装设有驱动杆，且与所述永磁机构的前端盖17和后端盖24上的导向孔相互配合，所述合闸弹簧22安装在动铁芯21中部的凹腔内。

其中，所述动铁芯21为T型铁芯，铁芯表面设有对称凹槽。所述合闸弹簧22为矩形模具弹簧。

所述永磁机构还包括手动分闸机构，所述手动分闸机构包括圆形的手动脱扣器12、两个对称的脱扣器支座13，手动脱扣器12中心设有螺纹孔，并紧固在动铁芯21延伸出前端盖17的驱动杆上，脱扣器支座13用紧固件固定在前端盖17上，脱扣器支座13设有第一椭圆形开口，第一椭圆形开口方向正对动铁芯21的驱动杆，脱扣器支座13第一椭圆形开口正对着的绝缘壳体2区域设有第二椭圆形开口，第二椭圆形开口装有密封塞14。

还包括辅助开关组件，辅助开关组件包括微动开关安装板16、微动开关15，所述微动开关15固定在微动开关安装板16上，微动开关安装板固定在绝缘外壳2的凹腔底部。

材料的选择方面，所述动端铜排10为多层紫铜箔叠压而成，动端铜排10的上部和下部为叠压区域并镀层处理，中间为多层紫铜铜箔构成的可运动区域。

所述绝缘子11为高性能绝缘材料BMC热压铸制成。

所述绝缘壳体2和绝缘上盖1为高强度绝缘材料DMC压铸成形件，绝缘壳体2底部设有四个固定座，固定座设有带内螺纹金属嵌件。

该柔性交直流输电用快速真空旁路开关工作过程为：当柔性交直流输电MMC子模块装置为正常工作状态时，真空旁路开关处于分闸状态，合闸弹簧22被压缩，动铁芯21被扇形永磁体19产生的永磁力牢牢吸合在后端盖24并保持；当MMC子模块出现异常时，MMC子模块控制装置触发在合闸线圈23中产生脉冲电流和磁场，该磁场方向与扇形永磁体19产生的磁场方向相反，作用于动铁芯21的保持力减小，动铁芯21与后端盖24分离，合闸弹簧22压缩储存的能量瞬间被释放，从而使得真空旁路开关快速合闸，微动开关15由初始断开状态转变为闭合状态，并及时向MMC子模块控制装置反馈合闸状态信号；在合闸弹簧22产生的较大触发压力作用下，合闸过程中无弹跳。

Claims (9)

1.一种柔性交直流输电用快速真空旁路开关，其特征在于，包括绝缘壳体(2)、静端安装板(3)、静端铜排(5)、真空灭弧室(7)、导向板(8)、固定块(9)、动端铜排(10)、绝缘子(11)、永磁机构、绝缘支柱(4)、绝缘上盖(1)、出线防水接头(26)；

静端安装板(3)、真空灭弧室(7)、导向板(8)、绝缘子(11)、永磁机构、绝缘支柱(4)安装在绝缘壳体(2)内；静端安装板(3)通过螺栓固定于绝缘壳体(2)的前端壁上，静端安装板(3)、静端铜排(5)、真空灭弧室(7)的静端通过螺栓紧固连接，真空灭弧室(7)的导向套穿过导向板(8)的中间圆孔，静端安装板(3)与导向板(8)之间安设有四根绝缘支柱(4)，绝缘支柱(4)两端通过螺栓分别与静端安装板(3)、导向板(8)进行紧固连接，真空灭弧室(7)的动导电杆和动端铜排(10)下端贴合，绝缘子(11)一端螺杆穿过动端铜排(10)拧入真空灭弧室(7)的动导电杆内，并用安装在绝缘子(11)螺杆上的紧固件将动端铜排(10)和真空管灭弧室(7)的动导电杆压紧，动端铜排(10)中部通过固定块(9)和螺栓紧固在导向板(8)的上端，永磁机构的驱动杆拧入绝缘子(11)的另一端螺纹孔，并用装在永磁机构驱动杆上的紧固件进行锁紧，永磁机构端盖通过压板(25)和螺栓紧固在绝缘壳体(2)凹腔后部两侧的嵌件上；

绝缘壳体(2)顶部设有绝缘上盖(1)；静端铜排(5)和动端铜排(10)的上端均穿过绝缘上盖(1)中部的两个长方形开口，绝缘上盖(1)的两个长方形开口分别与静端铜排(5)、动端铜排(10)之间的间隙用密封圈(6)进行密封；出线防水接头(26)固定在绝缘上盖(1)的圆形开孔上。

2.根据权利要求1所述的一种柔性交直流输电用快速真空旁路开关，其特征在于，所述永磁机构包括前端盖(17)、静铁芯筒(18)、扇形永磁体(19)、导磁环(20)、合闸线圈(23)、后端盖(24)，所述的扇形永磁体(19)紧贴静铁芯筒(18)内壁和导磁环(20)外壁；合闸线圈(23)放置在扇形永磁体(19)和后端盖(24)之间，前端盖(17)和后端盖(24)通过螺栓与静铁芯筒(18)紧固；

所述永磁机构还包括动铁芯(21)和合闸弹簧(22)，所述动铁芯(21)放置于导磁环(20)和合闸线圈(23)空腔内部，动铁芯(21)装设有驱动杆，且与所述永磁机构的前端盖(17)和后端盖(24)上的导向孔相互配合，所述合闸弹簧(22)安装在动铁芯(21)中部的凹腔内。

3.根据权利要求2所述的一种柔性交直流输电用快速真空旁路开关，其特征在于，所述动铁芯(21)为T型铁芯，铁芯表面设有对称凹槽。

4.根据权利要求2所述的一种柔性交直流输电用快速真空旁路开关，其特征在于，所述合闸弹簧(22)为模具弹簧。

5.根据权利要求2所述的一种柔性交直流输电用快速真空旁路开关，其特征在于，所述永磁机构还设置有手动分闸机构，所述手动分闸机构包括圆形的手动脱扣器(12)、两个对称的脱扣器支座(13)，手动脱扣器(12)中心设有螺纹孔，并紧固在动铁芯(21)延伸出前端盖(17)的驱动杆上，脱扣器支座(13)用紧固件固定在前端盖(17)上，脱扣器支座(13)设有第一椭圆形开口，第一椭圆形开口方向正对动铁芯(21)的驱动杆，脱扣器支座(13)第一椭圆形开口正对着的绝缘壳体(2)区域设有第二椭圆形开口，第二椭圆形开口装有密封塞(14)。

6.根据权利要求1到5任一项所述的一种柔性交直流输电用快速真空旁路开关，其特征在于，还包括辅助开关组件，辅助开关组件包括微动开关安装板(16)、微动开关(15)，所述微动开关(15)固定在微动开关安装板(16)上，微动开关安装板固定在绝缘外壳(2)的凹腔底部。

7.根据权利要求1到5任一项所述的一种柔性交直流输电用快速真空旁路开关，其特征在于，所述动端铜排(10)为多层紫铜箔叠压而成，动端铜排(10)的上部和下部为叠压区域并镀层处理，中间为多层紫铜铜箔构成的可运动区域。

8.根据权利要求1到5任一项所述的一种柔性交直流输电用快速真空旁路开关，其特征在于，所述绝缘子(11)为高性能绝缘材料BMC热压铸制成。

9.根据权利要求1到5任一项所述的一种柔性交直流输电用快速真空旁路开关，其特征在于，所述绝缘壳体(2)和绝缘上盖(1)为高强度绝缘材料DMC或BMC压铸成形件，绝缘壳体(2)底部设有四个固定座，固定座设有带内螺纹金属嵌件。

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