CN112803357A - 基于限流和振荡转移结合的直流断路器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于限流和振荡转移结合的直流断路器及其控制方法,所述直流断路器包括:并联连接的主电流回路、电流转移支路和能量吸收支路;所述主电流回路包括:串联的高速机械开关、一个或多个液态金属单元;所述电流转移支路包括:串联的电感、电容和晶闸管;所述能量吸收支路包括:避雷器;其中,在短路电流冲击下,液态金属单元通过磁致收缩效应起弧,液态金属单元串联使得电弧电压达到系统电源电压等级,实现故障电流限流。本发明具有快速开断短路故障的功能,开断能量小,能够提高系统的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于直流断路器技术领域,特别涉及一种基于限流和振荡转移结合的直流断路器及其控制方法。
背景技术
随着城市建设不断推进,发展高供电密度、大容量、高可靠直流配电系统成为大中城市发展的迫切需求。某些特殊电力系统一般短路电流峰值较高,电流上升快,最高可达几十乃至上百千安。传统的直流断路器,由于其自身开断时间较长、限流能力有限等特点的限制,难以适应直流系统的高电压、大电流的发展需求。
相较于传统交流系统,直流系统短路故障具有:电流上升速率快、短路电流峰值高、没有自然过零点等特点,同时直流断路器还需要吸收储存在系统电感中的能量,直流开断难度大。目前广泛使用的混合式断路器大多通过注入和短路电流相反的电流来制造人工过零点,从而实现直流分段的目的;但当短路电流太大时,注入电流无法抵消系统的短路电流,导致开断时高速机械开关触头间燃弧难以熄灭,延长开断时间,对系统产生不利影响。
综上,亟需一种新的基于限流和振荡转移结合的直流断路器及其控制方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于限流和振荡转移结合的直流断路器及其控制方法,以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明的直流断路器具有快速开断短路故障的功能,且开断能量小,可提高系统的稳定性。
为达到上述目的,本发明采用以下技术方案:
本发明的一种基于限流和振荡转移结合的直流断路器,包括:并联连接的主电流回路、电流转移支路和能量吸收支路;
所述主电流回路包括:串联的高速机械开关、一个或多个液态金属单元;
所述电流转移支路包括:串联的电感、电容和晶闸管;
所述能量吸收支路包括:避雷器;
其中,在短路电流冲击下,液态金属单元通过磁致收缩效应起弧,液态金属单元串联使得电弧电压达到系统电源电压等级,实现故障电流限流。
本发明的进一步改进在于,所述主电流回路还包括:二极管;串联的高速机械开关、一个或多个液态金属单元形成的支路与所述二极管反并联。
本发明的进一步改进在于,所述主电流回路还包括:反并联晶闸管;串联的高速机械开关、一个或多个液态金属单元形成的支路与所述反并联晶闸管并联。
本发明的进一步改进在于,所述电流转移支路的晶闸管为反并联晶闸管。
本发明的进一步改进在于,还包括:出线端A1、出线端A2;
所述主电流回路的高速机械开关的断口一端与出线端A1相连接,最后一个液态金属单元的出线端与出线端A2相连接;
所述电流转移支路中,电感L的一端与出线端A1相连接,另一端与电容C的第一端相连接,电容C的第二端与晶闸管的一端相连接,晶闸管的另一端与出线端A2相连接;其中,电容C预充电,极性为第一端负第二端正;
避雷器的两端分别与出线端A1、出线端A2相连接,当避雷器两端电压达到其导通电压时,避雷器导通;
其中,电容C的耐压值大于避雷器的导通电压。
本发明的进一步改进在于,所述高速机械开关为基于电磁斥力的高速机械开关、基于高速电机驱动的机械开关或基于爆炸驱动的高速机械开关。
本发明的进一步改进在于,所述避雷器为金属氧化物避雷器、线路型金属氧化物避雷器、无间隙线路型金属氧化物避雷器、全绝缘复合外套金属氧化物避雷器或可卸式避雷器。
本发明的一种基于限流和振荡转移结合的直流断路器的控制方法,其特征在于,
系统正常通流状态下,系统电流流经串联的高速机械开关与液态金属单元,系统的通态损耗为电流在高速机械开关和液态金属单元的损耗;所述电流转移支路没有电流流过,所述能量吸收支路的避雷器不会导通;
系统发生短路故障时,系统电流上升为短路电流;在短路电流冲击下,液态金属单元由于磁致收缩效应起弧,液态金属单元串联使得电弧电压达到系统电源电压等级,实现故障电流限流;在液态金属限流作用下,主回路故障电流下降;高速机械开关收到分闸动作指令,开始动作;高速机械开关的触头拉开后,触头之间开始燃弧;待触头拉开一定开距后触发电流转移支路晶闸管,预充电电容对主回路加反向电压,迫使主回路电流过零,高速机械开关触头间电弧以及液态金属电弧熄灭;使主回路电流开始流向电流转移支路,给电容C充电;当电容的电压达到避雷器的导通电压时,避雷器导通,短路电流的能量由避雷器耗散,实现短路故障的限流开断。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
本发明提供的限流和振荡转移结合的直流断路器,先将较大的短路电流限制在较低水平,再完成开断,能够缩短短路故障排除时间,提高系统的稳定性。具体地,本发明在主电流回路加入液态金属单元,利用液态金属的磁致收缩效应提高电压,达到限流的目的,把短路电流限制到较低水平,然后再转移及开断,最终实现中压直流系统短路故障的快速限制和开断功能。综上所述,本发明通过设计新型回路拓扑,在主电流回路加入若干个串联的液态金属单元达到限流目的,在较低的短路电流水平下完成开断,本发明的直流断路器具有快速开断短路故障的功能,并且开断能量小,延长断路器中各设备的寿命。
本发明中,在高速机械开关支路反并联二极管作为续流支路,防止断口击穿。
本发明中,在高速机械开关支路反并联晶闸管,防止断口击穿。
本发明中,电流转移支路采用预充电电容以及反并联的晶闸管,保证主回路电流任意方向流过时发生短路故障都能被开断。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍;显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来说,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是本发明实施例的一种基于限流和振荡转移结合的直流断路器的本体结构示意图;
图2是本发明实施例中,断路器额定开断工作原理示意图;
图3是本发明实施例中,断路器短路开断工作原理示意图;其中,图3中的(a)为正常通流状态的示意图;图3中的(b)为系统发生短路故障时的示意图;图3中的(c)为主电流回路电流较低时的示意图;图3中的(d)为触发高速机械开关分闸的示意图;图3中的(e)为转移支路继续注入电流的示意图;图3中的(f)为主回路电流给电流转移支路的电容充电的示意图;图3中的(g)为避雷器被导通的示意图;
图4是本发明实施例中,加入续流二极管的断路器结构示意图;
图5是本发明实施例中,双向断路器的结构示意图;
图6是本发明实施例中,带续流支路的双向断路器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚,下面结合本发明实施例中的附图,对本发明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发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例,都应属于本发明保护的范围。
请参阅图1,本发明实施例的一种基于限流和振荡转移结合的直流断路器,包括:主电流回路、电流转移支路和能量吸收支路;主电流回路,电流转移支路,能量吸收支路并联之后,通过出线端A1和A2引出;
其中,所述主电流回路高速机械开关断口一端和断路器出线端A1相连,最后一个液态金属单元的出线端和断路器出线端A2直接相连;
所述电流转移支路中:电感L与电容C,晶闸管串联连接,其中电容C预充电,极性为左负右正。电感一端与晶闸管的一端分别连接到断路器出线端子A1、A2,实现所述电流转移支路和主电流回路的并联;具体地,本发明实施例中,电流转移支路为电容与电感以及晶闸管的串联。电容的耐压值要大于能量吸收支路中避雷器的导通电压。
所述能量吸收支路由避雷器组成。避雷器两端连接于断路器出线端子A1、A2,与主电流回路以及电流转移支路并联。当避雷器两端电压达到其导通电压时,避雷器导通,可迅速耗散系统能量。具体地,所述避雷器包括但不限于以下几种:金属氧化物避雷器、线路型金属氧化物避雷器、无间隙线路型金属氧化物避雷器、全绝缘复合外套金属氧化物避雷器、可卸式避雷器。
本发明实施例的限流和振荡转移结合的直流断路器工作原理如下:
系统正常通流状态下,系统电流从所述主电流回路流过,方向为A1到A2,系统电流流经高速机械开关与串联的液态金属单元,系统的通态损耗即为电流在这两个模块的损耗;此时电流转移支路没有电流流过,能量吸收支路的避雷器两端电压很低,避雷器不会导通;
请参阅图2,额定开断时,直接打开高速机械开关,由于额定通流小,高速机械开关不会燃弧,直接完成开断。
请参阅图3,当系统发生短路故障时,系统电流快速上升为短路电流。此时在短路电流冲击下,液态金属由于磁致收缩效应起弧,多个液态金属单元串联使得电弧电压达到系统电源电压等级,实现故障电流限流。在液态金属限流作用下,主回路故障电流下降,控制系统对高速机械开关发出分闸指令,高速机械开关收到分闸动作指令,开始动作。高速机械开关的触头拉开后,触头之间开始燃弧。待触头拉开一定开距后触发电流转移支路晶闸管,预充电电容对主回路加反向电压,迫使主回路电流过零,高速机械开关触头间电弧以及液态金属电弧熄灭。使主回路电流开始流向电流转移支路,给其中的电容C充电,当电容的电压达到避雷器的导通电压时,避雷器导通,短路电流的能量由避雷器耗散,实现短路故障的限流开断。
图3给出了断路器在系统短路工况下,电流转移的过程,下面将结合图3说明当系统短路故障发生时的开断过程。
(1)、如图3(a)所示正常通流状态下,系统电流从出线端A1流入,经过高速机械开关以及串联的液态金属单元后从出线端A2流出;
(2)、如图3(b)所示,当系统发生短路故障时,主电流回路的电流迅速上升,由于液态金属单元的磁致收缩效应,其电流通路越来越窄,通流能力下降,液态金属单元的电压上升,每个单元的电压可达几百伏。起到限流的作用,主电流回路的短路电流下降,被限制到较低的水平;
(3)、如图3(c)所示,当主电流回路电流较低时,触发电流转移支路的晶闸管打开,预充电电容C的极性为左负右正,开始为主回路反向注入电流,主回路电流进一步减小;
(4)、如图3(d)所示,触发高速机械开关分闸,由于此时主回路仍有短路电流存在,所以触头间会燃弧;
(5)、如图3(e)所示,转移支路继续注入电流,使主电流回路电流过零,高速机械开关熄弧。此时短路电流开始向电流转移支路转移;
(6)、如图3(f)所示,主回路电流给电流转移支路的电容充电,电容电压升高,此时电容的极性为左正右负;
(7)、如图3(g)所示,当电容的电压超过能量吸收支路中避雷器的导通电压时,避雷器被导通,主电流回路的电流开始向避雷器转移,避雷器吸收短路电流能量并转化为热能耗散,完成系统短路故障的开断。
请参阅图4,图4给出了本发明加入续流二极管的结构图,在高速机械开关支路反并联二极管作为续流支路,防止断口击穿。
请参阅图5,图5给出了基于此限流开断方案的双向断路器结构图,电流转移支路采用预充电电容以及反并联的晶闸管,保证主回路电流任意方向流过时发生短路故障都能被开断。
请参阅图6,图6给出了基于此限流开断方案的带续流支路的双向断路器结构图,在高速机械开关支路反并联晶闸管,防止断口击穿。
本发明实施例中,所述高速机械开关为基于电磁斥力的高速机械开关、基于高速电机驱动的机械开关或基于爆炸驱动的高速机械开关。
本发明实施例中,高速机械开关以及晶闸管控制系统包括:人机交互模块、电流滤波处理模块、主回路电流di/dt计算模块和通信模块。
综上所述,本发明实施例公开了一种限流和振荡转移结合的直流断路器,由主电流回路、电流转移支路、能量吸收支路,和高速机械开关控制系统组成。其中主电流回路,电流转移支路,能量吸收支路并联连接。其中:主电流回路高速机械开关断口一端和断路器出线端A1相连,最后一个液态金属单元的出线端和断路器出线端A2直接相连;转移支路电感L与预充电电容C以及晶闸管串联连接,两端分别连接到断路器出线端子A1、A2,实现所述电流转移支路和主电流回路的并联。能量吸收支路避雷器两端连接于断路器出线端子A1、A2,与主电流回路以及电流转移支路并联。其工作原理为:在额定开断下,直接打开高速机械开关,由于额定通流小,高速机械开关不会燃弧,直接完成开断。在短路开断下,液态金属单元在短路电流磁场作用下起弧,高电弧电压限制故障电流上升;故障电流被限制后,触发高速机械开关分闸,并在其达到一定开距后触发晶闸管,迫使主回路电流过零。并且当电容电压大于避雷器导通电压时,避雷器导通耗散系统能量,完成开断。所述限流和振荡转移结合的直流断路器具有限流开断的能力,可以将短路电流限制在较低水平,降低LC转移支路要求。可以应用于中压直流供电系统中。
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,这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换,均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于限流和振荡转移结合的直流断路器,其特征在于,包括:并联连接的主电流回路、电流转移支路和能量吸收支路;
所述主电流回路包括:串联的高速机械开关、一个或多个液态金属单元;
所述电流转移支路包括:串联的电感、电容和晶闸管;
所述能量吸收支路包括:避雷器;
其中,在短路电流冲击下,液态金属单元通过磁致收缩效应起弧,液态金属单元串联使得电弧电压达到系统电源电压等级,实现故障电流限流。
2.根据权利要求1所述的一种基于限流和振荡转移结合的直流断路器,其特征在于,所述主电流回路还包括:二极管;
串联的高速机械开关、一个或多个液态金属单元形成的支路与所述二极管反并联。
3.根据权利要求1所述的一种基于限流和振荡转移结合的直流断路器,其特征在于,所述主电流回路还包括:反并联晶闸管;
串联的高速机械开关、一个或多个液态金属单元形成的支路与所述反并联晶闸管并联。
4.根据权利要求1所述的一种基于限流和振荡转移结合的直流断路器,其特征在于,所述电流转移支路的晶闸管为反并联晶闸管。
5.根据权利要求1所述的一种基于限流和振荡转移结合的直流断路器,其特征在于,还包括:出线端A1、出线端A2;
所述主电流回路的高速机械开关的断口一端与出线端A1相连接,最后一个液态金属单元的出线端与出线端A2相连接;
所述电流转移支路中,电感L的一端与出线端A1相连接,另一端与电容C的第一端相连接,电容C的第二端与晶闸管的一端相连接,晶闸管的另一端与出线端A2相连接;其中,电容C预充电,极性为第一端负第二端正;
避雷器的两端分别与出线端A1、出线端A2相连接,当避雷器两端电压达到其导通电压时,避雷器导通;
其中,电容C的耐压值大于避雷器的导通电压。
6.根据权利要求1所述的一种基于限流和振荡转移结合的直流断路器,其特征在于,所述高速机械开关为基于电磁斥力的高速机械开关、基于高速电机驱动的机械开关或基于爆炸驱动的高速机械开关。
7.根据权利要求1所述的一种基于限流和振荡转移结合的直流断路器,其特征在于,所述避雷器为金属氧化物避雷器、线路型金属氧化物避雷器、无间隙线路型金属氧化物避雷器、全绝缘复合外套金属氧化物避雷器或可卸式避雷器。
8.根据权利要求1所述的一种基于限流和振荡转移结合的直流断路器,其特征在于,应用于中压直流供电系统中。
9.一种权利要求1所述的基于限流和振荡转移结合的直流断路器的控制方法,其特征在于,
系统正常通流状态下,系统电流流经串联的高速机械开关与液态金属单元,系统的通态损耗为电流在高速机械开关和液态金属单元的损耗;所述电流转移支路没有电流流过,所述能量吸收支路的避雷器不会导通;
系统发生短路故障时,系统电流上升为短路电流;在短路电流冲击下,液态金属单元由于磁致收缩效应起弧,液态金属单元串联使得电弧电压达到系统电源电压等级,实现故障电流限流;在液态金属限流作用下,主电流回路故障电流下降;高速机械开关收到分闸动作指令,开始动作;高速机械开关的触头拉开后,触头之间开始燃弧;待触头拉开一定开距后触发电流转移支路晶闸管,预充电电容对主电流回路加反向电压,迫使主电流回路电流过零,高速机械开关触头间电弧以及液态金属电弧熄灭;使主电流回路电流开始流向电流转移支路,给电容C充电;当电容的电压达到避雷器的导通电压时,避雷器导通,短路电流的能量由避雷器耗散,实现短路故障的限流开断。
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CN114614455A (zh) * | 2022-04-29 | 2022-06-10 | 国网陕西省电力有限公司电力科学研究院 | 一种多电容分级转移电流的直流断路器 |
CN114743844A (zh) * | 2022-03-30 | 2022-07-12 | 西南交通大学 | 一种基于电磁场调控的复合耗能装置 |
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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