CN111244911B - 一种自适应机械式直流断路器及其控制方法 - Google Patents

一种自适应机械式直流断路器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自适应机械式直流断路器及其控制方法，包括一个主支路、一个转移支路和一个耗能支路，所述主支路包括机械开关，主支路的进线处设有两组串联连接的动静铁芯；转移支路为自适应转移支路，由三个分支路并联而成，且每个分支路上均包括串联连接的转移电感、转移电容和触发器件；其中，第二转移分支路和第三转移分支路上设有自适应机械开关，自适应机械开关与两组动静铁芯对应连接。本发明通过动静铁芯和自适应机械开关的配合实现中压直流机械式断路器自适应开断，断路器根据开断电流的大小的情况，自动匹配注入电流的大小，有效避免直流断路器在开断过程中向直流系统注入过多的能量，减小直流断路器开断过程中对系统的影响。

Description

一种自适应机械式直流断路器及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力系统技术，具体涉及一种自适应机械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，并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；机械式直流断路器包括主支路，转移支路和耗能支路，分别由高速机械开关、LC转移支路、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，LC转移支路建立负压强迫主支路电流向转移支路转移，避雷器需要吸收系统短路能量。由于机械式断路器需要具备同时开断故障电流和系统正常电流的能力，其转移支路上的电容需要预充较高的电压，当开断小电流时，会向系统中注入大量能量，影响系统其他设备的正常运行，甚至可能冲击直流变压器或者换流阀，造成其闭锁。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的在于提供一种自动匹配注入电流的自适应机械式直流断路器；本发明的另一目的在于提供一种避免向系统注入大量能量的自适应机械式直流断路器的控制方法。
技术方案：本发明的自适应机械式直流断路器包括一个主支路、一个转移支路和一个耗能支路，所述主支路包括机械开关，主支路的进线处设有两组串联连接的动静铁芯；所述转移支路为自适应转移支路，由三个分支路并联而成，且每个分支路上均包括串联连接的转移电感、转移电容和触发器件；其中，第二转移分支路和第三转移分支路上设有根据开断电流大小自动闭合或断开的自适应机械开关，所述自适应机械开关与两组动静铁芯对应连接。
所述自适应机械开关包括动触头、静触头、复位弹簧、支点和绝缘传动杆，动触头位于复位弹簧的正上方，静触头位于复位弹簧两侧。
所述自适应机械开关中复位弹簧产生的力矩大小根据系统中故障电流的大小划分。
所述动静铁芯中的静铁芯为U型结构，静铁芯包裹在进线铜牌周围且与进线铜牌之间留有间隙，动静铁芯中的动铁芯为位于静铁芯的正下方。
所述触发器件为触发球隙、晶闸管、IGBT、IGCT、IEGT或GTO。
所述机械开关为高速机械开关，采用斥力机构驱动；所述耗能支路包括氧化锌避雷器。
所述转移支路的分支路上的转移电感大小相同，转移电容大小相同。
本发明所述的自适应机械式直流断路器的控制方法，包括以下步骤：
(1)当断路器收到分闸指令时，控制系统根据记录的收到分闸指令前的电流波形，确定断路器开断当前断路器电流所需注入短路电流的容量；
(2)控制系统同时触发三个分支路上的触发器件，自适应机械开关根据分断电流的不同，会自适应的完成分闸或合闸动作，被投入的电感和电容组成振荡回路，强迫主支路电流向由转移支路转移；
(3)系统不停向转移支路中电容充电，当转移支路电容两端电压超过耗能支路上的电器件阈值，耗能支路上的电器件被击穿；
(4)耗能支路上的电器件吸收储存在系统电感中的能量；
(5)耗能支路上的电器件恢复至高阻态，开断完成。
上述步骤(3)中，当分断小电流时，即额定电流以下电流时，第二转移分支路和第三转移分支路上的自适应机械开关均分闸，系统电流从第一转移分支路流过。
上述步骤(3)中，当分断2-4倍额定电流以内的故障电流时，第二转移分支路上的自适应机械开关合闸，第三转移分支路上的自适应机械开关分闸，故障电流从第一转移分支路和第二转移分支路流过。
上述步骤(3)中，当分断4.5倍额定电流以上的故障电流时，第二转移分支路和第三转移分支路上的自适应机械开关均合闸，故障电流从第一转移分支路、第二转移分支路和第三转移分支路流过。
有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果在于：(1)断路器能够根据开断电流的大小的情况，自动选择要闭合的自适应机械开关；(2)有效避免直流断路器在开断过程中，向直流系统注入过多的能量，减小直流断路器开断过程中对系统的影响；(3)实现中压直流机械式断路器自适应开断，无需额外的控制。
附图说明
图1为本发明所述自适应机械式直流断路器的拓扑图；
图2为本发明中自适应机械开关动作的原理图。
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介绍。
如图1所示，本发明包括一个主支路、一个转移支路和一个耗能支路，主支路包括机械开关K1，本实施例中，机械开关为高速机械开关，并采用斥力机构驱动；主支路的进线处设有串联连接的第一动静铁芯A1和第二动静铁芯A2；耗能支路包括避雷器，本实施例中，避雷器为氧化锌避雷器；转移支路为自适应转移支路，由三个分支路并联而成，分别为第一转移分支路、第二转移分支路和第一转移分支路，第一转移分支路包括依次串联连接的第一转移电感L1、第一转移电容C1和第一触发器件SCR1；第二转移分支路包括依次串联连接的第一自适应机械开关K2、第二转移电感L2、第二转移电容C2和第二触发器件SCR2；第三转移分支路包括依次串联连接的第二自适应机械开关K3、第三转移电感L3、第三转移电容C3和第三触发器件SCR3；其中，第一转移电感L1、第二转移电感L2、第三转移电感L3的大小相同，第一转移电容C1、第二转移电容C2、第三转移电容C3的大小也相同。第一触发器件SCR1、第二触发器件SCR2、第三触发器件SCR3为触发球隙、晶闸管、IGBT、IGCT、IEGT或GTO。第一自适应机械开关K2连接第一动静铁芯A1，第二自适应机械开关K3连接第二动静铁芯A2。
如图2所示，第一自适应机械开关K2和第二自适应机械开关K3的结构相同，均包括动触头1、静触头2、复位弹簧3、支点4和绝缘传动杆，动触头1位于复位弹簧3的正上方，静触头2位于动触头1侧下方，动静触头在正常状态下处于分离状态，当达到设定的电流值时，动铁芯7带动动触头1运动，动静触头才会接触，且当复位弹簧3被压缩时，动触头1的下表面与静触头2的上表面部分重叠。绝缘传动杆的一端连接动触头1，另一端连接动铁芯7，支点4设在动触头1与动铁芯7之间且支点4到动触头1的距离与其到动铁芯7的距离相等。动静铁芯中的静铁芯5为U型结构，静铁芯5包裹在进线铜牌6周围且与进线铜牌6之间留有间隙，动静铁芯中的动铁芯7为位于静铁芯5的正下方。自适应机械开关中复位弹簧产生的力矩大小根据系统中故障电流的大小划分，不同的电流下动静铁芯的吸合力不一样，通过配置不同的复位弹簧就可以实现自适应吸合。
正常通流状态时，在复位弹簧3的作用下，动静触头保持分离，第一自适应机械开关K2和第二自适应机械开关K3均分闸；当系统发生故障时，由于电流上升，动静铁芯产生的力矩超过复位弹簧3的力矩，动静铁芯吸合，动静触头结合，自适应机械开关根据电流大小分闸或合闸；当系统处于1.5倍额定电流以内时，两组复位弹簧3产生的力矩均大于对应动静铁芯之间吸力产生的力矩，第一自适应机械开关K2和第二自适应机械开关K3均分闸，此时，只有第一转移分支路通流；当2-4倍额定电流以内时的故障时，第二转移分支路中第一自适应机械开关K2对应的复位弹簧3产生的力矩小于对应动静铁芯之间吸力产生的力矩，第三转移分支路中第二自适应机械开关K2对应的复位弹簧3产生的力矩大于对应动静铁芯之间吸力产生的力矩，即第一自适应机械开关K2合闸，第二自适应机械开关K3保持分闸；当4.5倍额定电流以上的故障时，第一自适应机械开关K2和第二自适应机械开关K3对应的复位弹簧3产生的力矩均小于对应动静铁芯之间吸力产生的力矩，第一自适应机械开关K2和第二自适应机械开关K3均合闸。
本发明还包括一种自适应机械式直流断路器的控制方法，具体包括以下步骤：
(1)正常运行时，系统电流从主支路流过；
(2)当断路器收到分闸指令时，控制系统根据记录的收到分闸指令前2ms的电流波形，确定断路器开断当前断路器电流所需注入短路电流的容量；
(3)控制系统同时触发三个分支路上的触发器件，自适应机械开关根据分断电流的不同，会自适应的完成分闸或合闸动作，被投入的电感和电容组成振荡回路，强迫主支路电流向由转移支路转移；
(4)系统不停向转移支路中电容充电，当转移支路电容两端电压超过耗能支路避雷器阈值，避雷器击穿；
(5)避雷器吸收储存在系统电感中的能量；
(6)避雷器恢复至高阻态，开断完成。
上述步骤(3)中，当分断小电流时，即额定电流以下电流时，第二转移分支路和第三转移分支路上的自适应机械开关均分闸，系统电流从第一转移分支路流过。
上述步骤(3)中，当分断2-4倍额定电流以内的故障电流时，第二转移分支路上的自适应机械开关合闸，第三转移分支路上的自适应机械开关分闸，故障电流从第一转移分支路和第二转移分支路流过。
上述步骤(3)中，当分断4.5倍额定电流以上的故障电流时，第二转移分支路和第三转移分支路上的自适应机械开关均合闸，故障电流从第一转移分支路、第二转移分支路和第三转移分支路流过。
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)

1.一种自适应机械式直流断路器的控制方法，其特征在于，包括自适应机械式直流断路器，所述直流断路器包括一个主支路、一个转移支路和一个耗能支路，主支路、转移支路、耗能支路三者并联连接；所述主支路包括机械开关，主支路的进线处设有两组串联连接的动静铁芯，耗能支路包括避雷器；所述转移支路为自适应转移支路，由第一转移分支路、第二转移分支路和第三转移分支路并联而成，且每个分支路上均包括串联连接的转移电感、转移电容和触发器件；其中，第二转移分支路和第三转移分支路上设有自适应机械开关；根据开断电流的大小，自动选择要闭合的自适应机械开关；所述自适应机械开关与两组动静铁芯对应连接；
所述控制方法包括以下步骤：
(1)正常运行时，系统电流从主支路流过；
(2)当断路器收到分闸指令时，控制系统根据记录的收到分闸指令前的电流波形，确定断路器开断当前断路器电流所需注入短路电流的容量；
(3)控制系统同时触发三个分支路上的触发器件，自适应机械开关根据分断电流的不同，会自适应的完成分闸或合闸动作，被投入的电感和电容组成振荡回路，强迫主支路电流向由转移支路转移；
(4)系统不停向转移支路中电容充电，当转移支路电容两端电压超过耗能支路避雷器阈值，避雷器击穿；
(5)避雷器吸收储存在系统电感中的能量；
(6)避雷器恢复至高阻态，开断完成。
2.根据权利要求1所述的自适应机械式直流断路器的控制方法，其特征在于：所述自适应机械开关包括动触头(1)、静触头(2)、复位弹簧(3)、支点(4)和绝缘传动杆，动触头(1)位于复位弹簧(3)的正上方，静触头(2)位于复位弹簧(3)两侧；所述绝缘传动杆设置在支点(4)上，绝缘传动杆一端连接动触头(1)，其另一端连接动铁芯(7)。
3.根据权利要求2所述的自适应机械式直流断路器的控制方法，其特征在于：所述自适应机械开关中复位弹簧(3)产生的力矩大小根据系统中故障电流的大小划分。
4.根据权利要求1所述的自适应机械式直流断路器的控制方法，其特征在于：所述动静铁芯中的静铁芯(5)为U型结构，静铁芯(5)包裹在进线铜牌(6)周围并与进线铜牌(6)之间留有间隙，动静铁芯中的动铁芯(7)为位于静铁芯(5)的正下方。
5.根据权利要求1所述的自适应机械式直流断路器的控制方法，其特征在于：所述触发器件为触发球隙、晶闸管、IGBT、IGCT、IEGT或GTO。
6.根据权利要求1所述的自适应机械式直流断路器的控制方法，其特征在于：所述机械开关为高速机械开关，采用斥力机构驱动；所述耗能支路上的避雷器为氧化锌避雷器。
7.根据权利要求1所述的自适应机械式直流断路器的控制方法，其特征在于：所述转移支路的分支路上的转移电感大小相同，转移电容大小相同。
8.根据权利要求1所述自适应机械式直流断路器的控制方法，其特征在于：上述步骤(3)中，当分断小电流时，即额定电流以下电流时，第二转移分支路和第三转移分支路上的自适应机械开关均分闸，系统电流从第一转移分支路流过。
9.根据权利要求1所述自适应机械式直流断路器的控制方法，其特征在于：上述步骤(3)中，当分断2-4倍额定电流以内的故障电流时，第二转移分支路上的自适应机械开关合闸，第三转移分支路上的自适应机械开关分闸，故障电流从第一转移分支路和第二转移分支路流过。
10.根据权利要求1所述自适应机械式直流断路器的控制方法，其特征在于：上述步骤(3)中，当分断4.5倍额定电流以上的故障电流时，第二转移分支路和第三转移分支路上的自适应机械开关均合闸，故障电流从第一转移分支路、第二转移分支路和第三转移分支路流过。
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