CN111817274A - 借助限流设备电压充电方式的气体直流断路器及工作方法 - Google Patents

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王君海
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Abstract

本发明公开了借助限流设备电压充电方式的气体直流断路器及工作方法，气体直流断路器由三条支路组成，第一支路与第二支路并联，第一限流元件、第二限流元件和气体直流断路器串联组成第一支路，第二支路由能量吸收装置单独组成，电容与第一受控开关、电感依次串联组成第三支路，第三支路和气体直流断路器并联；第二受控开关与限流电阻、电容依次串联组成第四支路，第一限流元件和第二限流元件组成的串联支路与第四支路并联，或者第二限流元件和第四支路并联。本发明省去了预充电电路，成本低，设备开断可靠性高，具有双向开断功能。

Description

借助限流设备电压充电方式的气体直流断路器及工作方法
技术领域
本发明涉及直流开关设备技术领域，具体地涉及借助限流设备电压充电方式的气体直流断路器及工作方法。
背景技术
在柔性直流多端系统中，直流系统故障电流幅值大、上升率快，直流断路器很难在短时间内切断大功率直流电流。按照开断方式直流断路器可分为机械式、全固态式以及混合式三种。机械式直流断路器包括自激振荡型和它激振荡型直流断路器。自激振荡型直流开断利用气体电弧的负电阻特性和不稳定性，电容和电感串联支路产生递增的振荡电流叠加到气体断路器电流上，故障电流过零开断。在直流电网中常用超导限流器与基于自激振荡原理的机械式直流断路器配合使用达到限流开断目的，该方法反应迅速，限流程度深，通态损耗小，但开断时间长，触头烧蚀严重。它激振荡式直流断路器开断原理与自激振荡式相似，不同之处在于电容需要预充电回路，可靠性降低，成本升高，同时在高压直流开断中面临绝缘问题。
全固态直流断路器以电力电子器件作为开关器件，无弧无噪声，可做到快速准确切断大电流，但成本和通态损耗均远高于机械式直流断路器。而且，在高电压大电流直流系统，为提高开断电流值以及实现双向开断，电力电子器件必须串并联，动态均压均流问题使器件极易损坏。
混合式直流断路器将机械开关与电力电子器件结合，开断电流大，开断速度快，时间短，但同样存在动态均压均流问题，器件易损坏，成本昂贵。
名称为“限流式自充电型人工过零高压直流断路器及其开断方法”的专利申请(申请号：201711085730.6，公开号：CN107834505A)提供了一种解决方案。此方案适用于高压领域，超导限流单元限流，整个超导单元两端电压直接给电容充电，换流回路的放电电流与故障电流反向叠加产生电流零点，机械开关实现额定电流和短路电流的开断。超导带材造价高，且需要液氮维持低温环境，充电电压和放电电流过大会造成设备损坏。而本发明采用自激振荡原理开断额定或过载电流，采取限流元件感应电压给电容充电方式开断短路电流，具有双向开断功能。适用于低、中、高压场合，低、中压采用空气、氢气等气体断路器，高压用六氟化硫、空气等断路器。所述限流元件不仅仅只是超导限流单元，可直接采用适合的直流系统平波电抗器，还可采用外加的电抗器、液态金属限流器、PTC热敏电阻等。依据直流系统故障电流情况，用整个或部分限流元件两端电压给电容充电，同时优选限流电阻限制充电幅值。本发明所述的气体直流断路器多并联了一条能量吸收支路，吸收系统电源以及限流元件释放的能量。
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出一种借助限流设备电压充电方式的气体直流断路器及工作方法，该直流断路器适用于低、中、高压直流场合，正常通流损耗低。发生短路时限流元件感应电压直接给电容充电，不需要复杂的充放电回路，结构简单，成本低，可靠性高。
本发明的目的是通过以下技术方案予以实现：
借助限流设备电压充电方式的气体直流断路器，所述气体直流断路器由三条支路以及第一接入端E1和第二接入端E2组成；第一支路Ⅰ与第二支路Ⅱ并联，第一限流元件1、第二限流元件2和气体直流断路器3串联组成第一支路Ⅰ，第一限流元件1的一端和第一接入端E1相连接，气体直流断路器3的一端连接第二接入端E2；第二支路Ⅱ由能量吸收装置4单独组成；电容7与第一受控开关8、电感9依次串联组成第三支路Ⅲ，第三支路Ⅲ和气体直流断路器3并联；第二受控开关5与限流电阻6、电容7依次串联组成第四支路Ⅳ，第一限流元件1和第二限流元件2组成的串联支路与第四支路Ⅳ并联，或者第二限流元件2和第四支路Ⅳ并联。
所述第一限流元件1和第二限流元件2共同限制故障电流，第二限流元件2感应电压或者第一限流元件1和第二限流元件2感应电压之和给电容7充电；通过调整第一限流元件1、第二限流元件2、限流电阻6、电容7以及电感9的值改变充电电压、充电电流以及放电电流。
所述第一限流元件1和第二限流元件2采用电抗器、超导限流器、液态金属限流器或PTC热敏电阻。
所述气体直流断路器3的气体介质采用干燥空气、六氟化硫、氢气和二氧化碳中的一种或多种的混合气体。
所述气体直流断路器3采用纵磁、横磁、自能吹弧式或压气式灭弧方式。
所述能量吸收装置4采用氧化锌避雷器或压敏电阻吸能元件。
所述第二受控开关5和第一受控开关8采用真空触发开关、直流接触器或断路器。
所述第一限流元件1和第二限流元件2采用单个或多个限流器串并联；气体直流断路器3采用单个或多个气体断路器串并联；能量吸收装置4采用单个或多个能量吸收元件串并联；限流电阻6采用单个或多个电阻串并联；电容7采用单个或多个电容器串并联；电感9采用单个或多个电感元件串并联。
所述的借助限流设备电压充电方式的气体直流断路器的工作方法，直流系统处在正常工作状态，第二受控开关5和第一受控开关8打开，气体直流断路器3闭合，负载电流从第一接入端E1进入，经第一支路Ⅰ流向第二接入端E2；
当第一支路Ⅰ出现过载电流或需要切断额定电流供应时，第二受控开关5闭合，第二限流元件2的感应电压或者第一限流元件1和第二限流元件2的感应电压之和无法给电容7充电，气体直流断路器3触头分开，间距增大，气体电弧电压增加，当电弧电压达到几百或几千伏时，闭合第一受控开关8，电弧电压给电容7充电，基于电弧的负电阻特性，第三支路Ⅲ产生幅值不断增大的振荡电流，该电流与流过气体直流断路器3的电流方向相反，二者叠加产生过零点，从而开断电流；恢复电压上升至能量吸收装置4的导通电压，吸收开断额定或过载电流后的剩余能量；
当第一支路Ⅰ出现短路电流时，第二受控开关5闭合，由于故障电流的变化，第二限流元件2的感应电压或者第一限流元件1和第二限流元件2的感应电压之和给电容7充电，限流电阻6限制充电电流幅值；当充电电流降为零，第二受控开关5在充电电流降为零后断开，气体直流断路器3打开，闭合第一受控开关8，第三支路Ⅲ产生反向放电电流，气体直流断路器3在电流过零点成功开断短路电流，能量吸收装置4吸收开断短路电流后的剩余能量。
和现有技术相比较，本发明具有如下优点：
1.可以开断额定、过载、短路电流。采取自激振荡方式开断额定或过载电流。开断短路电流时，限流元件感应电压给电容充电产生反向放电电流，省去了预充电电路，成本降低，可靠性提高。
2.适用于低、中、高压场合，低、中压采用空气、氢气等气体断路器，高压用六氟化硫、空气等断路器。在高压应用场合六氟化硫气体有优良的绝缘性能，六氟化硫气体断路器串联个数低于真空断路器，缓解了动态均压问题，减少成本和体积，提高可靠性。
3.具有双向开断功能。采取自激振荡原理开断额定或过载电流时，气体电弧电压给并联支路的电容充电，产生幅值增大的高频振荡电流，无论额定或过载电流方向如何，开断过程和原理不变，气体断路器电流叠加振荡电流产生过零点，电流成功开断。开断不同方向的短路电流时，电容充电方向和放电方向始终相反，实现双向开断功能。
4.能满足系统自动快速重合闸要求。
附图说明
图1是本发明借助整个限流设备电压充电方式的气体直流断路器第一种拓扑结构图。
图2是本发明借助部分限流设备电压充电方式的气体直流断路器第二种拓扑结构图。
图3是本发明借助限流设备电压充电方式的气体直流断路器额定通流结构示意图。
图4是本发明借助限流设备电压充电方式的气体直流断路器开断额定和过载电流结构示意图。
图5是本发明借助限流设备电压充电方式的气体直流断路器通过短路电流时第一限流元件1和第二限流元件2感应电压之和给电容7充电结构示意图。
图6是本发明借助限流设备电压充电方式的气体直流断路器通过短路电流时第二限流元件2感应电压给电容7充电结构示意图。
图7是本发明借助限流设备电压充电方式的气体直流断路器开断短路电流结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本发明借助整个限流设备电压充电方式的气体直流断路器，包括三条支路以及第一接入端E1和第二接入端E2。第一支路Ⅰ与第二支路Ⅱ并联，第一限流元件1、第二限流元件2和气体直流断路器3串联组成第一支路Ⅰ，第一限流元件1的一端和第一接入端E1相连接，气体直流断路器3的一端连接第二接入端E2。第二支路Ⅱ由能量吸收装置4单独组成，用于吸收开断电流后直流系统剩余能量。电容7与第一受控开关8、电感9依次串联组成第三支路Ⅲ，第三支路Ⅲ和气体直流断路器3并联。第二受控开关5与限流电阻6、电容7依次串联组成第四支路Ⅳ，第一限流元件1和第二限流元件2组成的串联支路与第四支路Ⅳ并联。第一限流元件1和第二限流元件2的感应电压之和给电容7充电。
如图2所示，本发明借助部分限流设备电压充电方式的气体直流断路器，包括三条支路以及第一接入端E1和第二接入端E2。第一支路Ⅰ与第二支路Ⅱ并联，第一限流元件1、第二限流元件2和气体直流断路器3串联组成第一支路Ⅰ，第一限流元件1的另一端和第一接入端E1相连接，气体直流断路器3的一端连接到第二接入端E2。第二支路Ⅱ由能量吸收装置4单独组成，用于吸收开断电流后直流系统剩余能量。电容7与第一受控开关8、电感9依次串联组成第三支路Ⅲ，第三支路Ⅲ和气体直流断路器3并联。第二受控开关5与限流电阻6、电容7依次串联组成第四支路Ⅳ，第四支路Ⅳ与第二限流元件2组成的串联支路和第四支路Ⅳ并联。第二限流元件2的感应电压给电容7充电。
第一限流元件1、第二限流元件2与限流电阻6三者取值依据直流系统故障电流以及开断情况进行优选。
第二受控开关5、第一受控开关8和气体直流断路器3动作时序准确配合才能实现故障电流成功开断，气体直流断路器3要用到快速斥力机构。
如图3所示，为本发明借助限流设备电压充电方式的气体直流断路器的正常工作状态。气体直流断路器3保持闭合，第二受控开关5和第一受控开关8断开，额定电流依次从第一限流元件1、第二限流元件2和气体直流断路器3流过，通态损耗低，第一限流元件1和第二限流元件2起到平波电抗器的作用。
如图4所示，为本发明借助限流设备电压充电方式的气体直流断路器开断额定或过载电流的过程。当本发明所述断路器需要开断额定或过载电流时，第二受控开关5保持闭合状态，气体直流断路器3触头分开，间距增大，气体电弧电压增加，当电弧电压达到几百或几千伏时，闭合第一受控开关8，电弧电压给电容7充电，第三支路Ⅲ产生幅值不断增大的振荡电流，该电流与流过气体直流断路器3的电流方向相反，二者叠加产生过零点，即采取自激振荡原理开断电流。能量吸收装置4用于吸收开断电流后的剩余能量。
如图5所示，为本发明借助限流设备电压充电方式的气体直流断路器流过短路电流时第一限流元件1和第二限流元件2感应电压之和给电容7充电的过程。当本发明所述断路器流过短路电流时，第二受控开关5立即闭合，第一限流元件1和第二限流元件2由于故障电流的变化感应出电压给电容7充电，限流电阻6限制充电电流幅值。故障电流一部分从第一限流元件1和第二限流元件2流过，另一部分经过第四支路Ⅳ，总的故障电流汇合经过气体断路器3。
如图6所示，为本发明借助限流设备电压充电方式的气体直流断路器流过短路电流时第二限流元件2感应电压给电容7充电的过程。当本发明所述断路器流过短路电流时，第二受控开关5立即闭合，第二限流元件2感应电压给电容7充电，限流电阻6限制充电电流幅值。故障电流从第一限流元件1通过，经第二限流元件2和第四支路Ⅳ分流，总的故障电流汇合经过气体断路器3。
如图7所示，为本发明借助限流设备电压充电方式的气体直流断路器开断短路电流的过程。当第四支路Ⅳ充电电流降为零，第二受控开关5断开，气体直流断路器3打开，闭合第一受控开关8，第四支路Ⅳ放电电流大于流经气体直流断路器3的电流，气体直流断路器3在电流过零点成功开断短路电流。能量吸收装置4用于吸收剩余能量。该开断短路电流方式借助限流设备电压给电容充电，开断能力强，开断迅速。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并非限制于上述的具体实施方案和应用领域。本领域的普通技术人员利用上述技术内容进行修改、等同变化或修饰，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，这些均属于本发明保护之列。

Claims (9)

1.借助限流设备电压充电方式的气体直流断路器，其特征在于：所述气体直流断路器由三条支路以及第一接入端(E1)和第二接入端(E2)组成；第一支路(Ⅰ)与第二支路(Ⅱ)并联，第一限流元件(1)、第二限流元件(2)和气体直流断路器(3)串联组成第一支路(Ⅰ)，第一限流元件(1)的一端和第一接入端(E1)相连接，气体直流断路器(3)的一端连接第二接入端(E2)；第二支路(Ⅱ)由能量吸收装置(4)单独组成；电容(7)与第一受控开关(8)、电感(9)依次串联组成第三支路(Ⅲ)，第三支路(Ⅲ)和气体直流断路器(3)并联；第二受控开关(5)与限流电阻(6)、电容(7)依次串联组成第四支路(Ⅳ)，第一限流元件(1)和第二限流元件(2)组成的串联支路与第四支路(Ⅳ)并联，或者第二限流元件(2)和第四支路(Ⅳ)并联。
2.根据权利要求1所述的借助限流设备电压充电方式的气体直流断路器，其特征在于：所述第一限流元件(1)和第二限流元件(2)共同限制故障电流，第二限流元件(2)感应电压或者第一限流元件(1)和第二限流元件(2)感应电压之和给电容(7)充电；通过调整第一限流元件(1)、第二限流元件(2)、限流电阻(6)、电容(7)以及电感(9)的值改变充电电压、充电电流以及放电电流。
3.根据权利要求1所述的借助限流设备电压充电方式的气体直流断路器，其特征在于：所述第一限流元件(1)和第二限流元件(2)采用电抗器、超导限流器、液态金属限流器或PTC热敏电阻。
4.根据权利要求1所述的借助限流设备电压充电方式的气体直流断路器，其特征在于：所述气体直流断路器(3)的气体介质采用干燥空气、六氟化硫、氢气和二氧化碳中的一种或多种的混合气体。
5.根据权利要求1所述的借助限流设备电压充电方式的气体直流断路器，其特征在于：所述气体直流断路器(3)采用纵磁、横磁、自能吹弧式或压气式灭弧方式。
6.根据权利要求1所述的借助限流设备电压充电方式的气体直流断路器，其特征在于：所述能量吸收装置(4)采用氧化锌避雷器或压敏电阻吸能元件。
7.根据权利要求1所述的借助限流设备电压充电方式的气体直流断路器，其特征在于：所述第二受控开关(5)和第一受控开关(8)采用真空触发开关、直流接触器或断路器。
8.根据权利要求1所述的借助限流设备电压充电方式的气体直流断路器，其特征在于：所述第一限流元件(1)和第二限流元件(2)采用单个或多个限流器串并联；气体直流断路器(3)采用单个或多个气体断路器串并联；能量吸收装置(4)采用单个或多个能量吸收元件串并联；限流电阻(6)采用单个或多个电阻串并联；电容(7)采用单个或多个电容器串并联；电感(9)采用单个或多个电感元件串并联。
9.权利要求1至8任一项所述的借助限流设备电压充电方式的气体直流断路器的工作方法，其特征在于：直流系统处在正常工作状态，第二受控开关(5)和第一受控开关(8)打开，气体直流断路器(3)闭合，负载电流从第一接入端(E1)进入，经第一支路(Ⅰ)流向第二接入端(E2)；
当第一支路(Ⅰ)出现过载电流或需要切断额定电流供应时，第二受控开关(5)闭合，第二限流元件(2)的感应电压或者第一限流元件(1)和第二限流元件(2)的感应电压之和无法给电容(7)充电，气体直流断路器(3)触头分开，间距增大，气体电弧电压增加，当电弧电压达到几百或几千伏时，闭合第一受控开关(8)，电弧电压给电容(7)充电，基于电弧的负电阻特性，第三支路(Ⅲ)产生幅值不断增大的振荡电流，该电流与流过气体直流断路器(3)的电流方向相反，二者叠加产生过零点，从而开断电流；恢复电压上升至能量吸收装置(4)的导通电压，吸收开断额定或过载电流后的剩余能量；
当第一支路(Ⅰ)出现短路电流时，第二受控开关(5)闭合，由于故障电流的变化，第二限流元件(2)的感应电压或者第一限流元件(1)和第二限流元件(2)的感应电压之和给电容(7)充电，限流电阻(6)限制充电电流幅值；当充电电流降为零，第二受控开关(5)在充电电流降为零后断开，气体直流断路器(3)打开，闭合第一受控开关(8)，第三支路(Ⅲ)产生反向放电电流，气体直流断路器(3)在电流过零点成功开断短路电流，能量吸收装置(4)吸收开断短路电流后的剩余能量。
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