CN111243900A - 一种液态六氟化硫弧压转移式直流断路器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液态六氟化硫弧压转移式直流断路器及其控制方法，包括一个主支路、一个分断支路、一个耗能支路，所述主支路、分断支路和耗能支路并联连接；所述主支路包括串联连接的第一机械开关和第二机械开关，所述第一机械开关的灭弧介质为液态六氟化硫，所述第二机械开关的灭弧介质为真空；所述分断支路包括电力电子器件。本发明通过在主支路增加一个以液态六氟化硫作为灭弧介质的机械开关，燃弧时液态六氟化硫气体使腔体内的气压增加，有效提高电弧电压，增强断路器的电流转移能力，大大增加了混合式直流断路器的开断性能。

Description

一种液态六氟化硫弧压转移式直流断路器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种直流断路器，具体涉及一种液态六氟化硫弧压转移式直流断路器及其控制方法。

背景技术

直流电网可以有效解决城市供电走廊紧张，新能源消纳困难，负荷容量大以及随着产业升级对供电质量需求高的问题。但是由于直流电网的短路电流上升速度快，峰值高，不存在自然过零点，直流断路器相比于传统交流断路器设计难度大。正常工作状态下，直流断路器需要接通、承载、分断系统额定电流；在短路故障发生时，能够快速切除故障支路，吸收存储在故障支路电感中的能量，抑制系统过电压。常用的中压直流断路器包括纯固态直流断路器、机械式直流断路器和混合式直流断路器。纯固态直流断路器额定电流从电力电子器件流过，发热功率较大，电能损失较大；混合式直流断路器包括主支路，分断支路和耗能支路，分别由高速机械开关、电力电子支路、避雷器并联组成，其中高速机械开关需要能够在2-3ms内建立起绝缘足够的绝缘断口，电力电子支路需要具备分断短路电流的能力，避雷器需要吸收系统短路能量，整体对器件能力要求较高。

现有的混合式断路器的主支路包含两部分，分别是高速机械开关和电力电子器件。由于电力电子器件的通态压降的存在，额定通流状态下断路器损耗高，部分额定电流较大的场合，还需要给电力电子器件配备风冷系统或水冷系统，结构复杂。主支路未使用电力电子器件的混合式断路器通常利用主支路真空机械开关的真空电弧电压转移短路电流，由于真空电弧电压有限，转移能力不足，在开断大的短路电流时，换流时间较长，由于直流系统阻尼弱，电流持续上升，较长的换流时间会造成分断支路电力电子器件需要开断更大的电流，同时会导致电力电子器件发热严重，关断困难，甚至会造成开断失败。因此，现有混合式断路器换流能力弱成为制约断路器提高开断容量的主要因素。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种通过提高电弧电压来增强断路器的电流转移能力的液态六氟化硫弧压转移式直流断路器及其控制方法。

技术方案：本发明的液态六氟化硫弧压转移式直流断路器包括一个主支路、一个分断支路、一个耗能支路，所述主支路、分断支路和耗能支路并联连接；所述主支路包括串联连接的第一机械开关和第二机械开关，所述第一机械开关的灭弧介质为液态六氟化硫，所述第二机械开关的灭弧介质为真空；所述分断支路包括电力电子器件。

所述第一机械开关的灭弧室由动触头、静触头、腔体、泄压阀和泄压室组成，所述腔体内设有泄压阀，泄压阀与泄压室连接。

所述第一机械开关的灭弧室内设有冷却系统，保证灭弧室内六氟化硫液体在额定通流状态下为液态。

所述第一机械开关和第二机械开关采用同一个驱动机构串联驱动或采用两个相同的驱动机构分别驱动；当采用两个相同的驱动机构分别驱动时的情况下，同时分合闸时，分闸分散性不超过50μs。

所述分断支路还包括由多个二极管反向串联或反向并联组成的桥式回路，桥式回路并联在主支路两端，电力电子器件置于桥式回路中，实现由一组电力电子器件完成双向关断。

所述耗能支路包括氧化锌避雷器。

所述第一机械开关和第二机械开关的触头采用横磁触头、纵磁触头或者平板触头。

一种液态六氟化硫弧压转移式直流断路器的控制方法，包括以下步骤：

(a)当短路故障发生后，断路器收到分闸指令，触发分断支路电力电子器件导通，第一机械开关和第二机械开关打开；

(b)当主支路电流完全转移至分断支路，主支路的第一机械开关和第二机械开关的真空断口电流过零熄弧，电力电子器件通流一定的时间，确保真空断口恢复至足够的绝缘强度；

(c)当真空断口恢复至能够承受电力电子器件关断的过电压之后，电力电子器件关断短路电流，此时断路器两端过电压快速上升，耗能支路上的电器件被击穿，电流开始向耗能支路转移；

(d)耗能支路上的电器件吸收系统电感中储存的能量；

(e)耗能支路上的电器件迅速恢复高阻态，开断完成。

对于开断电流较小的场合，上述步骤(a)为，当短路故障发生后，断路器收到分闸指令，触发分断支路电力电子器件导通，第二机械开关打开，在真空电弧电压的作用下，电流快速分断支路。

步骤(b)中，电力电子器件的通流时间根据断路器所应用的电力系统的电压等级，以及真空断口的绝缘恢复能力来确定。

有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果在于：(1)主支路为一组串联的机械开关，没有电力电子器件，通态损耗小；(2)利用液态六氟化硫的高燃弧电压，能够实现大短路电流的快速转移，特别是针对短路电流大，上升速率快的直流系统，能够实现快速分断；(3)由于电流转移速度快，对于短路电流上升快的系统，可以有效减少分断支路关断短路电流的峰值，减少电力电子器件的数量，有效的节约直流断路器的成本。

附图说明

图1为本发明液态六氟化硫弧压转移式直流断路器的结构示意图；

图2为本发明中第一机械开关灭弧室的结构示意图；

图3为本发明中液态六氟化硫弧压转移式断路器的分断大电流时的过程图；

图4为本发明中液态六氟化硫弧压转移式断路器分断小电流时的过程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本发明包括一个主支路、一个分断支路、一个耗能支路，所述主支路、分断支路和耗能支路并联连接；主支路包括串联连接的第一机械开关和第二机械开关，第一机械开关的灭弧介质为液态六氟化硫，第二机械开关的灭弧介质为真空；分断支路包括一组电力电子器件和由多个二极管反向串联或反向并联组成的桥式回路，桥式回路并联在主支路两端，电力电子器件置于桥式回路中，实现由一组电力电子器件完成双向关断。耗能支路包括氧化锌避雷器。

如图2所示，第一机械开关的灭弧室由动触头、静触头、腔体、泄压阀和泄压室组成，腔体内设有泄压阀，泄压阀与泄压室连接，其中，腔体最高承受10MPa压力，泄压阀的泄压阈值为9MPa，当腔体内压力超过9MPa时，泄压阀的阀门打开，多余的气体流入泄压室。第一机械开关的灭弧室内设有冷却系统，保证灭弧室内六氟化硫液体在额定通流状态下为液态。第一机械开关和第二机械开关采用同一个驱动机构串联驱动或采用两个相同的驱动机构分别驱动；当采用两个相同的驱动机构分别驱动时的情况下，同时分合闸时，分闸分散性不超过50μs。第一机械开关和第二机械开关的触头采用横磁触头、纵磁触头或者平板触头。

如图3所示，本发明还包括一种液态六氟化硫弧压转移式直流断路器的控制方法，包括以下步骤：

如图3(a)所示，正常状态下，电流从主支路的第一机械开关和第二机械开关流过；由于机械开关通态电阻较小，整体断路器的通态损耗较低。

如图3(b)所示，当短路故障发生后，断路器收到分闸指令，触发分断支路电力电子器件导通，第一机械开关和第二机械开关打开，由于第一机械开关灭弧介质为液态六氟化硫，触头在起弧的过程中，触头周围六氟化硫急剧气化，电弧周围气压快速上升，在高气压的作用下，第一机械开关的电弧电压为传统真空电弧的十几倍，在高电弧电压的作用下，电流快速向分断支路转移；

如图3(c)所示，当主支路电流完全转移至分断支路，主支路的第一机械开关和第二机械开关的真空断口电流过零熄弧，电力电子器件通流一定的时间，确保真空断口恢复至足够的绝缘强度；

如图3(d)所示，当真空断口恢复至能够承受电力电子器件关断的过电压之后，电力电子器件关断短路电流，此时断路器两端过电压快速上升，避雷器击穿，电流开始向耗能支路转移；

如图3(e)所示，避雷器吸收系统电感中储存的能量；

如图3(f)所示，由于系统电压小于避雷器击穿阈值，耗能支路的避雷器迅速恢复高阻态，开断完成。

如图4所示，对于开断电流较小的场合，断路器的控制方法与分断大电流时的区别在于：上述步骤(b)为，当短路故障发生后，断路器收到分闸指令，触发分断支路电力电子器件导通，第二机械开关打开，在真空电弧电压的作用下，电流快速分断支路。

上述步骤(c)中，电力电子器件的通流时间根据断路器所应用的电力系统的电压等级，以及真空断口的绝缘恢复能力来确定。

通过主断口串联液态六氟化硫机械开关和真空机械开关，利用液态六氟化硫灭弧室燃弧过程中极高的电弧电压，实现短路电流的快速转移，同时结合真空灭弧室的快速绝缘恢复能力，抵抗电力电子器件关断过程的过电压。综上本发明提出的混合式直流断路器具有较强的开断能力。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种液态六氟化硫弧压转移式直流断路器，其特征在于：包括一个主支路、一个分断支路、一个耗能支路，所述主支路、分断支路和耗能支路并联连接；所述主支路包括串联连接的第一机械开关和第二机械开关，所述第一机械开关的灭弧介质为液态六氟化硫，所述第二机械开关的灭弧介质为真空；所述分断支路包括电力电子器件。

2.根据权利要求1所述的液态六氟化硫弧压转移式直流断路器，其特征在于：所述第一机械开关的灭弧室由动触头、静触头、腔体、泄压阀和泄压室组成，所述腔体内设有泄压阀，泄压阀与泄压室连接。

3.根据权利要求2所述的液态六氟化硫弧压转移式直流断路器，其特征在于：所述第一机械开关的灭弧室内设有冷却系统。

4.根据权利要求1所述的液态六氟化硫弧压转移式直流断路器，其特征在于：所述第一机械开关和第二机械开关采用同一个驱动机构串联驱动或采用两个相同的驱动机构分别驱动；当采用两个相同的驱动机构分别驱动时的情况下，同时分合闸时，分闸分散性不超过50μs。

5.根据权利要求1所述的液态六氟化硫弧压转移式直流断路器，其特征在于：所述分断支路还包括由多个二极管反向串联或反向并联组成的桥式回路，桥式回路并联在主支路两端，电力电子器件置于桥式回路中。

6.根据权利要求1所述的液态六氟化硫弧压转移式直流断路器，其特征在于：所述耗能支路包括氧化锌避雷器。

7.根据权利要求1所述的液态六氟化硫弧压转移式直流断路器，其特征在于：所述第一机械开关和第二机械开关的触头采用横磁触头、纵磁触头或者平板触头。

8.一种根据权利要求1所述液态六氟化硫弧压转移式直流断路器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)当短路故障发生后，断路器收到分闸指令，触发分断支路电力电子器件导通，第一机械开关和第二机械开关打开；

(b)当主支路电流完全转移至分断支路，主支路的第一机械开关和第二机械开关的真空断口电流过零熄弧，电力电子器件通流一定的时间，确保真空断口恢复至足够的绝缘强度；

(c)当真空断口恢复至能够承受电力电子器件关断的过电压之后，电力电子器件关断短路电流，此时断路器两端过电压快速上升，耗能支路上的电器件被击穿，电流开始向耗能支路转移；

(d)耗能支路上的电器件吸收系统电感中储存的能量；

(e)耗能支路上的电器件迅速恢复高阻态，开断完成。

9.根据权利要求8所述的液态六氟化硫弧压转移式直流断路器的控制方法，其特征在于：对于开断电流较小的场合，上述步骤(a)为，当短路故障发生后，断路器收到分闸指令，触发分断支路电力电子器件导通，第二机械开关打开，在真空电弧电压的作用下，电流快速分断支路。

10.根据权利要求8所述的液态六氟化硫弧压转移式直流断路器的控制方法，其特征在于：步骤(b)中，电力电子器件的通流时间根据断路器所应用的电力系统的电压等级，以及真空断口的绝缘恢复能力来确定。

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