CN112086859A - 一种超快速动作旁路开关 - Google Patents

Abstract

本公开揭示了一种超快速动作旁路开关，所述旁路开关与机械开关并联，用于提升电力设备发生故障时故障电流的导通速度，包括：绝缘筒，绝缘筒两侧分别连接上电极和下电极，所述绝缘筒和上电极及下电极构成密闭腔体；腔体内包括高压电极，高压电极的一侧通过高压连接杆与上电极相连；腔体内还包括地电极，地电极的一侧通过地电极连接杆与下电极相连；所述高压电极和地电极之间形成间隙；所述地电极内置有若干等离子体喷射腔。本公开通过在等离子体喷射腔内触发金属丝电爆炸形成喷射等离子体并注入到开关间隙中，能够较传统的机械切换开关有更快的动作时间。

Description

一种超快速动作旁路开关

技术领域

本公开属于电力系统快速旁路开关制造领域，具体涉及一种超快速动作旁路开关。

背景技术

快速旁路开关由于其开断速度快等优点而广泛应用于电力系统故障限流、串联补偿电容保护间隙、可控避雷器保护、直流断路器等诸多场合。随着科学技术的发展，混合直流输电作为一种新型直流输电方式，综合利用了常规直流输电(LCC)和柔性直流输电(MMC)技术，具有电压高、容量大、换相失败风险低、控制灵活、能够组网消纳功率、对受端电网影响小等优点，是我国远距离大容量直流输电技术的重点发展方向。白鹤滩—江苏±800kV特高压混合直流输电工程就是混合直流输电的应用示范工程，其中采用了可控避雷器来防止受端交流系统发生故障时导致的功率盈余和电压升高。但是当可控避雷器无法正常动作或泄流能力不足时，为保证电力系统和避雷器等设备的安全，要求旁路开关能在发生故障后的极短时间内迅速动作，将直流高压母线在1ms内快速接地，这对开关的动作时间提出了极为严格的要求。

目前，电力系统中旁路开关通常采用机械开关，其典型开断时间为数秒到数十秒之间，切换速度不能满足高压大容量输电系统对开关快速动作的要求。当采用常规的气体火花开关作为旁路开关时，由于通常采用电脉冲触发，其有效的工作系数范围为60％～85％，如果电压继续降低，则开关不能可靠触发导通，因而当故障发生在交流电压过零点附近时，开关不能可靠动作，无法对此故障快速反应。当采用微腔火花放电喷射、毛细管放电喷射等触发导通的气体火花开关作为旁路开关时，其所产生的等离子体均为气体电离等离子体，产生的等离子体较少，且高速喷出的等离子体易受氛围气体的阻力而减速，导致其电导率和喷射高度有限，限制了其触发导通气体开关的能力。

发明内容

针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种超快速动作旁路开关，通过在增强型等离子体喷射腔内触发金属丝电爆炸形成喷射等离子体并注入到开关间隙中，实现在极低工作系数下开关的快速触发导通。

为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：

一种超快速动作旁路开关，所述旁路开关与机械开关并联，用于提升电力设备发生故障时故障电流的导通速度，包括：绝缘筒，绝缘筒两侧分别连接上电极和下电极，所述绝缘筒和上电极及下电极构成密闭腔体；腔体内包括高压电极，高压电极的一侧通过高压连接杆与上电极相连；腔体内还包括地电极，地电极的一侧通过地电极连接杆与下电极相连；所述高压电极和地电极之间形成间隙；所述地电极内置有若干等离子体喷射腔。

优选的，所述等离子体喷射腔包括丝爆腔，丝爆腔内置有金属丝，金属丝的一侧连接有触发电极，触发电极由绝缘压板固定，且通过电极引线连接至设置于下电极上的触发电极连接端子。

优选的，当电力设备发生故障时，所述旁路开关首先触发导通，触发脉冲通过触发电极使得金属丝在丝爆腔发生爆炸并产生高密度、高电导率的等离子体，等离子体从丝爆腔喷出并向高压电极移动，诱发高压电极和地电极之间发生击穿，使得旁路开关先于机械开关快速导通；当机械开关闭合后，流经旁路开关的系统电流转移至机械开关，旁路开关过零熄弧并自然断开。

优选的，所述高压电极和地电极之间的间隙高度为10-12cm。

优选的，所述金属丝采用如下任一材料制备：铜、铝、银和箔。

优选的，所述高压电极和地电极为板状电极，采用如下任意一种材料制备：钨铜合金、不锈钢和黄铜。

优选的，所述下电极上还设置有气孔。

优选的，所述开关还包括上均压环和下均压环，所述上均压环与上电极相连，所述下均压环与下电极相连。

本公开还提供一种超快速旁路开关的动作方法，包括如下步骤：

S100：触发脉冲经触发电极引线达到触发电极，在金属丝两端产生脉冲电压；

S200：金属丝在脉冲电压作用下爆炸产生等离子体，等离子体在丝爆腔内外巨大的压强差作用下快速喷射至高压电极和地电极之间的间隙中；

S300：等离子体使得间隙的电场分布发生畸变并提供大量的初始带电粒子，带电粒子在电场作用下向高压电极移动，使得间隙击穿导通，从而实现旁路开关触发导通。

与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：

1、本公开通过在增强型等离子体喷射腔内触发金属丝电爆炸形成喷射等离子体并注入到开关间隙中，实现15％极低工作系数下开关的快速触发导通；

2、本公开属于触发型气体间隙，较传统的机械切换开关有更快的动作时间，典型动作时间约为几十微秒到数百微秒；同时，相较于采用微腔火花放电、毛细管放电等喷射等离子体辅助触发技术，金属丝电爆炸能够产生更高喷射高度和更高电导率的等离子体，性能更为优越，能够满足系统发生故障时开关在极低工作系数下进行超快速反应的要求。

附图说明

图1是本公开一个实施例提供的一种超快速动作旁路开关的结构示意图；

图2是本公开另一个实施例提供的增强型等离子体喷射腔的结构示意图。

附图标记说明如下：

1-上电极，2-高压电极连接杆，3-绝缘筒，4-上均压环，5-高压电极，6-地电极，7-丝爆腔，8-触发电极，9-地电极连接杆，10-电极引线，11-触发电极连接端子，12-下电极，13-下均压环，14-绝缘压板，15-金属丝，16-气孔。

具体实施方式

下面将参照附图1至图2详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开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公开，并且能够将本公开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作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。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。本公开的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本公开实施例的理解，下面将结合附图以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公开实施例的限定。

一个实施例中，如图1所示，本公开提供一种超快速动作旁路开关，包括：绝缘筒3，绝缘筒3两侧分别连接上电极1和下电极12，所述绝缘筒3和上电极1及下电极12构成密闭腔体；腔体内包括高压电极5，高压电极5的一侧通过高压连接杆2与上电极1相连；腔体内还包括地电极6，地电极6的一侧通过地电极连接杆9与下电极12相连；所述高压电极5和地电极6之间形成间隙；所述地电极6内置有若干等离子体喷射腔。

本实施例中，旁路开关通常需要配合机械开关使用，一般的，旁路开关与机械开关采用并联连接的方式，当电力设备正常工作时，由于外部高压作用，高压电极和地电极之间的间隙产生电场，在未收到触发信号时，高压电极和地电极之间的绝缘强度有足够的裕度，旁路开关无法导通。当电力设备发生故障，机械开关需要闭合时，旁路开关首先需要快速导通，其导通方式为：地电极内的等离子体喷射腔在外加脉冲电压的作用下能够产生大量具有高温、高压、高电导率的等离子体并喷射进入高压电极和地电极之间的间隙中，实现在耐压2MV、欠压比为15％条件下开关的快速触发导通，且由于旁路开关动作仅需几十微秒到数百微秒，因此相比传统的机械切换开关有更快的动作时间。当机械开关闭合后，因为机械开关呈较理想的低阻抗状态，流经旁路开关的系统电流转移至机械开关，电流仅从机械开关流过，使得流经旁路开关的电流快速衰减至0，当电弧熄灭时，旁路开关自然断开，绝缘恢复。

另一个实施例中，如图2所示，所述等离子体喷射腔包括丝爆腔7，丝爆腔7内置有金属丝15，金属丝15的一侧连接有触发电极8，触发电极8由绝缘压板14固定，且通过电极引线10连接至设置于下电极12上的触发电极连接端子11。

本实施例中，当旁路开关需要动作时，通过触发电极连接端子11施加触发脉冲，触发脉冲经触发电极引线10达到触发电极8，从而在金属丝15两端产生脉冲电压，相较于采用微腔火花放电、毛细管放电等喷射等离子体辅助触发技术，金属丝15在脉冲电压作用下迅速发生爆炸，在丝爆腔7中产生大量的高温、高压、高电导率的等离子体，所产生的等离子体在丝爆腔7内外巨大的压强差作用下快速喷出到开关间隙中，畸变间隙的电场分布并为放电提供了大量的初始带电粒子，同时在电场作用下加速向高压电极5移动，使得间隙击穿导通，从而实现整个开关在极低工作系数下超快速可靠的触发导通。本实施例能够满足系统发生故障时开关在极低工作系数下进行超快速反应的要求，开关可以实现少量次数的重复工作，且具有优异的绝缘能力。

另一个实施例中，所述高压电极5和地电极6之间的间隙高度为10-20cm。

本实施例中，通过对高压电极和地电极之间的间隙高度进行合理设置，能够使得开关具有较高的自击穿电压，从而使开关工作在较高的工作电压下。

需要了解的，高压电极和地电极之间的间隙内填充有六氟化硫或空气、氮气及稀有气体等气体介质中的任意一种。同时，为了增加间隙的绝缘强度，使间隙可靠的在较高工作电压条件下运行而不发生自击穿现象，将上述气体介质的压强设定为0.4-0.5MPa。

另一个实施例中，所述高压电极5和地电极6为板状电极，采用如下任意一种材料制备：钨铜合金、不锈钢和黄铜。

另一个实施例中，所述金属丝包括如下任一材料：铜、铝、银和箔。

另一个实施例中，所述下电极上还设置有气孔16。

本实施例，通过气孔16可以对开关内部气体的种类和气压进行调节。

另一个实施例中，所述开关还包括上均压环4和下均压环13，所述上均压环4与上电极1相连，所述下均压环13与下电极12相连。

本实施例中，通过在开关两端安装均压环，可以使开关外部电场分布更加均匀，提高开关外部的绝缘强度，防止沿开关外部表面发生闪络。

本公开还提供一种超快速动作旁路开关的动作方法，包括如下步骤：

S100：触发脉冲经触发电极引线达到触发电极，在金属丝两端产生脉冲电压；

S200：金属丝在脉冲电压作用下爆炸产生等离子体，等离子体在丝爆腔内外巨大的压强差作用下快速喷射至高压电极和地电极之间的间隙中；

S300：等离子体使得间隙的电场分布发生畸变并提供大量的初始带电粒子，带电粒子在电场作用下向高压电极移动，使得间隙击穿导通，从而实现整个开关触发导通。

以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，在本公开中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本公开的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

Claims (9)

1.一种超快速动作旁路开关，所述旁路开关与机械开关并联，用于提升电力设备发生故障时故障电流的导通速度，包括：绝缘筒，绝缘筒两侧分别连接上电极和下电极，所述绝缘筒和上电极及下电极构成密闭腔体；腔体内包括高压电极，高压电极的一侧通过高压连接杆与上电极相连；腔体内还包括地电极，地电极的一侧通过地电极连接杆与下电极相连；所述高压电极和地电极之间形成间隙；所述地电极内置有若干等离子体喷射腔。

2.根据权利要求1所述的开关，其中，优选的，所述等离子体喷射腔包括丝爆腔，丝爆腔内置有金属丝，金属丝的一侧连接有触发电极，触发电极由绝缘压板固定，且通过电极引线连接至设置于下电极上的触发电极连接端子。

3.根据权利要求2所述的开关，其中，当电力设备发生故障时，所述旁路开关首先触发导通，触发脉冲通过触发电极使得金属丝在丝爆腔发生爆炸并产生高密度、高电导率的等离子体，等离子体从丝爆腔喷出并向高压电极移动，诱发高压电极和地电极之间发生击穿，使得旁路开关先于机械开关快速导通；当机械开关闭合后，流经旁路开关的系统电流转移至机械开关，旁路开关过零熄弧并自然断开。

4.根据权利要求1所述的开关，其中，所述高压电极和地电极之间的间隙高度为10-20cm。

5.根据权利要求1所述的开关，其中，所述高压电极和地电极为板状电极，采用如下任意一种材料制备：钨铜合金、不锈钢和黄铜。

6.根据权利要求2所述的开关，其中，所述金属丝采用如下任一材料制备：铜、铝、银和箔。

7.根据权利要求1所述的开关，其中，所述下电极上还设置有气孔。

8.根据权利要求1所述的开关，其中，所述开关还包括上均压环和下均压环，所述上均压环与上电极相连，所述下均压环与下电极相连。

9.一种如权利要求2所述超快速旁路开关的动作方法，包括如下步骤：

S100：触发脉冲经触发电极引线达到触发电极，在金属丝两端产生脉冲电压；

S200：金属丝在脉冲电压作用下爆炸产生等离子体，等离子体在丝爆腔内外巨大的压强差作用下快速喷射至高压电极和地电极之间的间隙中；

S300：等离子体使得间隙的电场分布发生畸变并提供大量的初始带电粒子，带电粒子在电场作用下向高压电极移动，使得间隙击穿导通，从而实现旁路开关触发导通。

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