CN112420443B - 提高开关电弧电压的装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供提高开关电弧电压的装置及其控制方法。所述装置包括真空灭弧室、永磁体、吹弧线圈和吹弧回路，所述真空灭弧室内部设置开关断口，所述开关断开包括动触头和静触头，所述动触头和静触头分离时产生电弧电压；所述永磁体对称布置在所述真空灭弧室的两侧；所述吹弧线圈对称布置在所述真空灭弧室的两侧，布置在所述永磁体的外侧，所述吹弧线圈串联连接；所述吹弧回路与所述吹弧线圈并联连接，工作时为所述吹弧线圈提供电流以提高电弧电压。

Description

提高开关电弧电压的装置及其控制方法

技术领域

本申请涉及高压电力电子技术领域，具体涉及提高开关电弧电压的装置及其控制方法。

背景技术

随着柔性直流技术的大力发展，迫切需要能够快速关断故障电流、带负荷投入和退出功能的直流断路器。

但是由于直流电流无过零点，必须人工创造过零点才能实现直流电流的开断，因此现有的直流断路器的拓扑结构主要包括主通流支路、转移支路和耗能支路。主通流支路正常流过系统额定电流，一般由少量开关断口串联组成，减小直流断路器的稳态损耗。转移支路并联在主通流支路的两端，主要的作用是承载从主通流支路转换过来的故障电流，实现主通流支路的电流过零。

但是由于常规的开关断口的弧压比较低，很难实现直接通过开关断口的弧压将主通流支路的电流转换到转移支路，因此现有的直流断路器的拓扑路线采用很多强制换流的设备。

现有混合式直流断路器，主通流支路通过快速机械开关和主支路阀组进行串联构成，通过闭锁主通流支路阀组实现电流转移，创造过零点，最终通过闭锁转移支路实现电流开断。这种技术基本上可以实现全电流快速开断，但是成本过高，加之主通流支路存在半导体器件，需要额外的散热，可靠性低。

现有混合式直流断路器，利用外加磁耦合设备实现电流转移，将磁耦合设备串联在主通流支路或者转移支路。这种技术能够实现快速开断特性，但是需要外加磁耦合的设备，设备成本高，可靠性低。

综上所述，现有的直流断路器的技术方案复杂、成本高，很难大面积推广广泛使用，严重制约柔性直流工程推广与应用。

发明内容

本申请实施例提供一种提高开关电弧电压的装置，包括真空灭弧室、永磁体、吹弧线圈和吹弧回路，所述真空灭弧室内部设置开关断口，所述开关断口包括动触头和静触头，所述动触头和静触头分离时产生电弧电压；所述永磁体对称布置在所述真空灭弧室的两侧；所述吹弧线圈对称布置在所述真空灭弧室的两侧，布置在所述永磁体的外侧；所述吹弧回路与所述吹弧线圈并联连接，工作时为所述吹弧线圈提供电流以提高电弧电压；所述吹弧回路包括串联连接的储能设备、触发设备和续流设备，所述续流设备的两端作为所述吹弧回路的两端，与所述吹弧线圈并联连接，确保所述吹弧线圈的磁场不会反向导致永磁体消磁。

根据一些实施例，所述装置还包括屏蔽罩，所述屏蔽罩将所述真空灭弧室、所述永磁体和所述吹弧线圈封闭屏蔽。

根据一些实施例，所述吹弧线圈与所述永磁体的磁场方向相同，且磁场方向垂直于所述开关断口。

根据一些实施例，所述对称布置包括间隔180°或者360°/n布置，使所述永磁体形成磁场通路，n为所述永磁体和所述吹弧线圈的组数。

根据一些实施例，所述永磁体在同一个位置可以包括一个或一个以上的永磁体，相反极首尾连接。

根据一些实施例，所述吹弧线圈的绕制导线包括外包绝缘漆皮的导线，所述屏蔽罩的材料包括导磁材料，所述开关断口的介质包括真空、SF6或者空气的至少一种。

根据一些实施例，所述储能设备包括至少一级电容，所述触发设备包括至少一级半控单向导通功率半导体器件或至少一级带有反并联二极管的IGBT，所述续流设备包括至少一级不可控单向导通功率半导体器件，所述半控单向导通功率半导体器件包括晶闸管或IGBT。

本申请实施例还提供一种如上所述的提高开关电弧电压的装置的控制方法，包括：当所述开关断口的动触头和静触头分离并达到一定的开距，所述开关断口的电弧在所述永磁体的磁场作用迅速向触头边缘运动，产生的电弧电压迅速上升时，如果所述开关断口内的电流大于门槛值时，控制吹弧回路工作，使吹弧线圈通流，加速电弧运动，进一步提高电弧电压；当所述开关断口的动触头和静触头达到一定的开距后，如果所述开关断口内的电流小于门槛值时，控制吹弧回路不工作。

本申请实施例还提供一种直流断路器，包括如上所述的提高开关电弧电压的装置。

本申请实施例提供的技术方案，利用外加定向磁场，加快真空灭弧器内的电弧的移动，拉长电弧的长度，能够有效提高电弧电压，从而有效提高基于弧压换流的直流断路器的换流和开断能力，避免增加额外的强制换流的设备，简化直流开断拓扑，减低设备成本，提高设备运行可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的一种提高开关电弧电压的装置的结构示意图。

图2是本申请实施例提供的另一种提高开关电弧电压的装置的结构示意图。

图3是本申请实施例提供的一种提高开关电弧电压的装置中永磁体和吹弧线圈对称布置的结构示意图。

图4是本申请实施例提供的一种提高开关电弧电压的装置中吹弧回路的触发设备采用晶闸管的结构示意图。

图5是本申请实施例提供的一种提高开关电弧电压的装置中吹弧回路的触发设备采用IGBT的结构示意图。

图6是本申请实施例提供的一种提高开关电弧电压的装置的控制方法流程示意图。

图7是本申请实施例提供的一种提高开关电弧电压的装置的电弧电压过程图1。

图8是本申请实施例提供的一种提高开关电弧电压的装置的电弧电压过程图2。

图9是本申请实施例提供的一种提高开关电弧电压的装置的电弧电压过程图3。

图10是本申请实施例提供的一种提高开关电弧电压的装置的电弧电压大小与吹弧线圈关系图。

图11是本申请实施例提供的一种直流断路器的开断原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应当理解，本申请的权利要求、说明书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。本申请的说明书和权利要求书中使用的术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

图1是本申请实施例提供的一种提高开关电弧电压的装置的结构示意图，包括真空灭弧室1、永磁体2、吹弧线圈4、吹弧回路8和屏蔽罩3。

真空灭弧室1的内部设置开关断口，开关断口包括动触头和静触头，动触头和静触头分离时产生电弧电压。永磁体2对称布置在真空灭弧室1的两侧。吹弧线圈4对称布置在真空灭弧室1的两侧，布置在永磁体2的外侧，吹弧线圈4串联连接。吹弧回路8与吹弧线圈4并联连接，工作时为吹弧线圈4提供电流以提高电弧电压。屏蔽罩3将真空灭弧室1、永磁体2和吹弧线圈4封闭屏蔽。

同一个位置的永磁体2可以由多个永磁体按照相反极性串联构成，提高永磁体2的磁场强度。多个永磁体2的NS极性首尾相吸布置，对称分别布置在开关断口两侧，如图2所示。

根据一些实施例，屏蔽罩的材料包括导磁材料，吹弧线圈4的绕制导线包括外包绝缘漆皮的导线，并不以此为限。

吹弧线圈4和永磁体2可以有多种对称布置方式，可以采用2组对称方式布置，或者根据开关断口的尺寸开展更多组数的对称布置方式，包括间隔180°或者360°/n，n为永磁体和吹弧线圈的组数，如图3所示。

根据一些实施例，开关断口的介质包括真空、SF6或者空气的至少一种，并不以此为限。吹弧线圈4与永磁体2的磁场方向相同，且磁场方向垂直于开关断口。

吹弧回路8包括串联连接的储能设备5、触发设备6和续流设备7，续流设备7的两端作为吹弧回路8的两端，与吹弧线圈4并联连接，确保吹弧线圈的磁场不会反向导致永磁体消磁。

储能设备5包括至少一级电容，触发设备6包括至少一级半控单向导通功率半导体器件，续流设备7包括至少一级不可控单向导通功率半导体器件。

储能设备5包括至少一级电容（C1到Cn）串联连接，以提高电容的电压和容量。触发设备6包括至少一级晶闸管（T1到Tn），其中T1的阴极和Tn的阳极相连，实现单向电流的控制。续流设备7包括至少一级二极管（D1到Dn）首尾串联构成，其中D1的阴极和Dn的阳极相连，如图4所示。

触发设备6还可以为至少一级带有反并联二极管的IGBT（Q1到Qn）串联构成，其中Q1的发射极和Qn的集电极相连，实现单向电流的控制，如图5所示。

根据图4、图5所示，当触发设备6导通时，储能设备5的电容迅速通过触发设备6向吹弧线圈4提供脉冲电流，根据电弧电压的大小，吹弧线圈4的脉冲电流峰值可达10kA以上。当电流到达峰值时，储能设备5电容电压反向，此时对应的续流设备7二极管导通，吹弧线圈4电流在吹弧线圈4和续流设备7中循环，持续为吹弧线圈4提供能量，同时确保吹弧线圈4的电流方向不变。

本实施例提供的技术方案，利用外加定向磁场，加快真空灭弧器内的电弧的移动，拉长电弧的长度，能够有效提高电弧电压，从而有效提高基于弧压换流的直流断路器的换流和开断能力，避免增加额外的强制换流的设备，简化直流开断拓扑，减低设备成本，提高设备运行可靠性。

开关电弧电压提高装置也可直接用于低压直流的开断，无需额外配置转移支路，拓扑回路简单可靠，大大降低电压直流开断的领域的成本。

图6是本申请实施例提供的一种提高开关电弧电压的装置的控制方法流程示意图，包括如下控制流程。

在S10中，当开关断口的动触头和静触头分离并达到一定的开距，产生的电弧电压迅速上升时，如果开关断口内的电流大于门槛值时，控制吹弧回路8工作，使吹弧线圈通流，加速电弧运动，进一步提高电弧电压。

开关断口的动触头和静触头开始分离时，产生一定大小的电弧电压。对称布置的永磁体2产生的磁场穿过开关断口的动触头和静触头，对应的真开关断口的电弧电压迅速上升，如图10曲线段21所示。

随着动触头和静触头开距的拉开，开关断口在永磁体2的磁场作用下迅速向触头边缘运动，如图7所示。电弧电压迅速上升，如图10曲线段22所示。

如果开关断口内的电流大于门槛值时，控制吹弧回路8工作，触发设备6导通，储能设备5的电容能量系统给吹弧线圈4通流，吹弧线圈4产生与永磁体2相同的磁场方向，如图8所示。

吹弧线圈4电流迅速上升，如图10曲线段31所示，在永磁体2和吹弧线圈4的磁场的共同作用下，开关断口的电压迅速上升，加速电弧运动，进一步提高电弧电压，如图10曲线段23所示。

当吹弧线圈4电流到达峰值时，储能设备5的电容反向，此时对应的续流设备7的二极管导通，吹弧线圈4电流在吹弧线圈4和续流设备7中循环，持续为吹弧线圈4提供能量，同时确保吹弧线圈4的电流方向不变，如图9所示。

在S20中，当开关断口的动触头和静触头达到一定的开距后，如果开关断口内的电流小于门槛值时，控制吹弧回路8不工作。

本实施例的技术方案，利用永磁体的初始磁场强度，可以实现电弧电压的第一次提高。当动静触头开距达到一定距离时，如果开关断口内的电流大于门槛值时，利用吹弧线圈的脉冲磁场，可以实现电弧电压的第二次提高。两者有效结合可以提高更大的换流和开断能力，降低吹弧回路吹弧能量，减少设备成本。

图11是本申请实施例提供的一种直流断路器的开断原理示意图。

提高开关电弧电压的装置，可以直接应用在混合式直流断路器的技术方案中，如图11所示，包括并联连接的提高开关电弧电压的装置11、转移支路12和耗能支路13。直接用提高开关电弧电压的装置11取代原有的真空灭弧室断口。

当发生直流故障时，利用提高开关电弧电压的装置11产生高弧压，迅速将主通流直流的电流转移到转移支路12，实现主通流支路的电流人工过零，实现直流电流的开断。同时随着电弧电压的进一步提高，可以实现换流的电流可高达数十kA，大大提高基于电弧转移的直流断路器的开断能力。

以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本申请的思想，基于本申请的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本申请保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (9)

1.一种提高开关电弧电压的装置，包括：

真空灭弧室，内部设置开关断口，所述开关断口包括动触头和静触头，所述动触头和静触头分离时产生电弧电压；

永磁体，对称布置在所述真空灭弧室的两侧；

吹弧线圈，对称布置在所述真空灭弧室的两侧，布置在所述永磁体的外侧；

吹弧回路，与所述吹弧线圈并联连接，工作时为所述吹弧线圈提供电流以提高电弧电压；

所述吹弧回路包括串联连接的储能设备、触发设备和续流设备，所述续流设备的两端作为所述吹弧回路的两端，与所述吹弧线圈并联连接，确保所述吹弧线圈的磁场不会反向导致永磁体消磁。

2.如权利要求1所述的装置，还包括：

屏蔽罩，将所述真空灭弧室、所述永磁体和所述吹弧线圈封闭屏蔽。

3.如权利要求1所述的装置，其中，所述吹弧线圈与所述永磁体的磁场方向相同，且磁场方向垂直于所述开关断口。

4.如权利要求1所述的装置，其中，所述对称布置包括间隔180°或者360°/n布置，使所述永磁体形成磁场通路，n为所述永磁体和所述吹弧线圈的组数。

5.如权利要求1所述的装置，其中，所述永磁体在同一个位置可以包括一个或一个以上的永磁体，相反极首尾连接。

6.如权利要求2所述的装置，其中，所述吹弧线圈的绕制导线包括外包绝缘漆皮的导线，所述屏蔽罩的材料包括导磁材料，所述开关断口的介质包括真空、SF6或者空气的至少一种。

7.如权利要求1所述的装置，其中，所述储能设备包括至少一级电容，所述触发设备包括至少一级半控单向导通功率半导体器件或至少一级带有反并联二极管的IGBT，所述续流设备包括至少一级不可控单向导通功率半导体器件，所述半控单向导通功率半导体器件包括晶闸管或IGBT。

8.一种如权利要求1至7之任一项所述的提高开关电弧电压的装置的控制方法，包括：

当所述开关断口的动触头和静触头分离并达到一定的开距，所述开关断口的电弧在所述永磁体的磁场作用迅速向触头边缘运动，产生的电弧电压迅速上升时，如果所述开关断口内的电流大于门槛值时，控制吹弧回路工作，使吹弧线圈通流，加速电弧运动，进一步提高电弧电压；

当所述开关断口的动触头和静触头达到一定的开距后，如果所述开关断口内的电流小于门槛值时，控制吹弧回路不工作。

9.一种直流断路器，包括如权利要求1至7之任一项所述的提高开关电弧电压的装置。

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