CN114123770B - 叠加式磁耦合电流转移模块及电流开断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叠加式磁耦合电流转移模块及电流开断方法，模块中，原边电感串联，N个原边电感经由第一原边接入端和第二原边接入端连接预充电电容辅助电路，预充电电容辅助电路与系统电流回路被隔开，副边电感串并联，M个副电感经由第一副边接入端和第二副边接入端连接外部电路，N个原边电感和M个副电感中任一电感由矩形沿螺旋线沿径向自内向外绕制而成，且同一电感所有匝线均在同一水平面，电感间以相同的垂直距离沿电感轴向由下往上依次水平摆放，N个原边电感和M个副电感分组由下往上依次间隔摆放，N个原边电感和M个副电感电气绝缘。

Description

叠加式磁耦合电流转移模块及电流开断方法

技术领域

本发明涉及大容量直流开断领域技术领域，尤其涉及一种叠加式磁耦合电流转移模块及电流开断方法。

背景技术

近年来，特高压直流输电工程在电网建设中得到了广泛的应用。大容量直流断路器作为直流电网的重要组成部分，起到开断、承载和关合正常回路条件下的电流、转换系统运行方式以及切断故障电流对系统实行保护的重要作用，是电力系统安全可靠运行的保证。随着供电容量的不断提升，直流电力系统对断路器的大容量开断能力提出了更高的要求。

与交流系统电流相比，直流系统电流不存在自然过零点，因此直流断路器需要创造过零点来实现分断操作。目前，直流断路器主要包括四类，分别是机械式直流断路器，全固态式直流断路器，混合式直流断路器和电流注入式断路器。机械式直流断路器通过在灭弧室中触头分闸时产生的高电弧电压来抵制系统电压，强制系统电流过零完成分断。这种断路器结构简单，开断容量大，但开断电压等级低，仅适用于中低压配电系统。全固态式直流断路器通过半导体器件在关断过程中快速地建立电压来关断电流。这种断路器开断速度快，开断容量高，但开断电压等级与其串并联半导体器件的数量呈正相关。因此，高成本的半导体器件严重制约了全固态断路器在大容量直流系统中的应用。混合式直流断路器由机械开关和半导体器件组合而成，一方面机械开关弥补了半导体器件通流能力不足的缺陷，另一方面半导体器件提高了机械开关的开断能力。然而，在提升开断电压等级的同时，混合式直流断路器同样会面临半导体器件所带来的成本问题。电流注入式断路器由机械开关，电容和电感等组成，利用转移支路的电容产生的电流反向注入到机械开关迫使系统电流为零，从而完成分断。这种断路器开断速度快，开断容量大，并且成本相对较低。然而，电容辅助电路直接与断路器主回路连接，需要耐受开断过电压，且预充电电容长期处于较高的电压等级，不利于开关设备整体的可靠性。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的是提供一种叠加式磁耦合电流转移模块及电流开断方法，解决了基于预充电电容器实现电流转移方案中存在的电容辅助电路需要耐受开断过电压、转移电容器长期带电电压高的难点问题。模块通过预充电电容辅助支路和机械开关支路的电气绝缘，从根本上解决了转移电容器长期带电电压高的问题。该模块通过增加电感的数量和改进电感的串并联形式，显著地提高了分断电压等级和分断容量。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明的一种叠加式磁耦合电流转移模块包括，

第一原边接入端和第二原边接入端，

N个原边电感，所述原边电感串联，N个原边电感经由第一原边接入端和第二原边接入端连接预充电电容辅助电路，预充电电容辅助电路与系统电流回路被隔开，

第一副边接入端和第二副边接入端，

M个副边电感，所述副边电感串并联，M个副电感经由第一副边接入端和第二副边接入端连接外部电路，其中，

N个原边电感和M个副电感中任一电感由矩形沿螺旋线沿径向自内向外绕制而成，且同一电感所有匝线均在同一水平面，电感间以相同的垂直距离沿电感轴向由下往上依次水平摆放，所述N个原边电感和M个副电感分组由下往上依次间隔摆放，所述N个原边电感和M个副电感电气绝缘，N、M为大于2的自然数。

所述的一种叠加式磁耦合电流转移模块中，所述预充电电容辅助电路包括串联的电容和二极管。

所述的一种叠加式磁耦合电流转移模块中，所述第一原边接入端和第二原边接入端分别连接所述电容和二极管。

所述的一种叠加式磁耦合电流转移模块中，所述外部电路包括并联的耗能器件和机械开关及串联所述耗能器件和机械开关的IGCT组件。

所述的一种叠加式磁耦合电流转移模块中，所述第一副边接入端和第二副边接入端分别连接并联的耗能器件和机械开关的一端以及所述IGCT组件的一端。

所述的一种叠加式磁耦合电流转移模块中，N为6，M为6，N个原边电感包括串联的原边电感L3、原边电感L4、原边电感L7、原边电感L8、原边电感L11、原边电感L12，M个副边电感包括副边电感L1、副边电感L2、副边电感L5、副边电感L6、副边电感L9、副边电感L10，其中，副边电感L1与副边电感L2串联、副边电感L5与副边电感L6串联、副边电感L9与副边电感L10串联后三组并联。

所述的一种叠加式磁耦合电流转移模块中，所述N个原边电感和M个副电感由下往上依次摆放为：原边电感L3、原边电感L4、副边电感L1、副边电感L2、原边电感L7、原边电感L8、副边电感L5、副边电感L6、原边电感L11、原边电感L12、副边电感L9、副边电感L10。

所述的一种叠加式磁耦合电流转移模块中，N为6，M为12，N个原边电感包括串联的原边电感L7、原边电感L8、原边电感L12、原边电感L13、原边电感L17、原边电感L18，M个副边电感包括副边电感L1、副边电感L2、副边电感L3、副边电感L4、副边电感L5、副边电感L6、副边电感L9、副边电感L10、副边电感L11、副边电感L14、副边电感L15、副边电感L16，其中，副边电感L1与副边电感L2、副边电感L3串联、副边电感L4与副边电感L5、副边电感L6串联、副边电感L9与副边电感L10、副边电感L11串联、副边电感L14与副边电感L15、副边电感L16串联后四组并联。

所述的一种叠加式磁耦合电流转移模块中，所述N个原边电感和M个副电感由下往上依次摆放为：副边电感L1、原边电感L7、副边电感L4、副边电感L2、原边电感L8、副边电感L5、副边电感L3、原边电感L12、副边电感L6、副边电感L9、原边电感L13、副边电感L10、副边电感L11、原边电感L17、副边电感L14、副边电感L15、原边电感L18、副边电感L16。

一种所述叠加式磁耦合电流转移模块的电流开断方法包括以下步骤，

连接并依序摆放N个原边电感和M个副电感，

N个原边电感经由第一原边接入端和第二原边接入端连接预充电电容辅助电路，M个副电感经由第一副边接入端和第二副边接入端连接外部电路，

预充电电容辅助电路中的电容放电，原边电感流过电流，

在电磁感应作用下，副边电感中产生反向电流，所述反向电流为IGCT组件中的电容充电，利用充电后的副边电感及耗能器件共同作用以完成系统电流的分断。

在上述技术方案中，本发明提供的一种叠加式磁耦合电流转移模块及电流开断方法，具有以下有益效果：本发明通过原边绕组与副边绕组之间的电气绝缘，将预充电电容的辅助电路和机械开关支路隔离，解决了电容辅助电路需要耐受开断过电压的缺陷，显著地提高了开断的可靠性。通过增加原边绕组和副边绕组的电感数量，改进原边绕组和副边绕组的串并联形式，显著地提升了直流断路器的额定电压分断等级和分断能力。本发明提升了原边绕组和副边绕组间电磁感应的能量传递效率。相对于没有电感数量叠加和电感串并联关系优化的磁耦合电流转移模块，在相同的分断电压等级和分断容量的需求下，该发明可以降低原边电容的充电电压，提高充电电容寿命和长期运行的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施例的叠加式磁耦合电流转移模块的电路示意图；

图2是本发明一个实施例的叠加式磁耦合电流转移模块的三维结构示意图；

图3是本发明一个实施例的叠加式磁耦合电流转移模块的电路示意图；

图4是本发明一个实施例的叠加式磁耦合电流转移模块电流的三维结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图图1至图4，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。

在一个实施例中，如图1至图4所示，一种叠加式磁耦合电流转移模块包括，

第一原边接入端1和第二原边接入端2，

N个原边电感，所述原边电感串联，N个原边电感经由第一原边接入端1和第二原边接入端2连接预充电电容辅助电路，预充电电容辅助电路与系统电流回路被隔开，

第一副边接入端3和第二副边接入端4，

M个副边电感，所述副边电感串并联，M个副电感经由第一副边接入端3和第二副边接入端4连接外部电路，其中，

N个原边电感和M个副电感中任一电感由矩形沿螺旋线沿径向自内向外绕制而成，且同一电感所有匝线均在同一水平面，电感间以相同的垂直距离沿电感轴向由下往上依次水平摆放，所述N个原边电感和M个副电感分组由下往上依次间隔摆放，所述N个原边电感和M个副电感电气绝缘，N、M为大于2的自然数。

本发明的原边电感和副边电感间存在电气隔离，能量传递通过电磁感应来完成，有助于解决传统电流注入式断路器中存在的电容辅助电路需耐受开断过电压、转移电容器长期带电电压高的问题。本发明通过原边电感和副边电感数量的叠加和串并联形式的优化，极大地增强了原边电感和副边电感间电磁感应的能量传递效率，显著地提升了磁耦合模块的电流转移能力。

所述的一种叠加式磁耦合电流转移模块的优选实施例中，所述预充电电容辅助电路包括串联的电容和二极管。

所述的一种叠加式磁耦合电流转移模块的优选实施例中，所述第一原边接入端1和第二原边接入端2分别连接所述电容和二极管。

所述的一种叠加式磁耦合电流转移模块的优选实施例中，所述外部电路包括并联的耗能器件和机械开关及串联所述耗能器件和机械开关的IGCT组件。

所述的一种叠加式磁耦合电流转移模块的优选实施例中，所述第一副边接入端3和第二副边接入端4分别连接并联的耗能器件和机械开关的一端以及所述IGCT组件的一端。

所述的一种叠加式磁耦合电流转移模块的优选实施例中，N为6，M为6，N个原边电感包括串联的原边电感L3、原边电感L4、原边电感L7、原边电感L8、原边电感L11、原边电感L12，M个副边电感包括副边电感L1、副边电感L2、副边电感L5、副边电感L6、副边电感L9、副边电感L10，其中，副边电感L1与副边电感L2串联、副边电感L5与副边电感L6串联、副边电感L9与副边电感L10串联后三组并联。

所述的一种叠加式磁耦合电流转移模块的优选实施例中，所述N个原边电感和M个副电感由下往上依次摆放为：原边电感L3、原边电感L4、副边电感L1、副边电感L2、原边电感L7、原边电感L8、副边电感L5、副边电感L6、原边电感L11、原边电感L12、副边电感L9、副边电感L10。

所述的一种叠加式磁耦合电流转移模块的优选实施例中，N为6，M为12，N个原边电感包括串联的原边电感L7、原边电感L8、原边电感L12、原边电感L13、原边电感L17、原边电感L18，M个副边电感包括副边电感L1、副边电感L2、副边电感L3、副边电感L4、副边电感L5、副边电感L6、副边电感L9、副边电感L10、副边电感L11、副边电感L14、副边电感L15、副边电感L16，其中，副边电感L1与副边电感L2、副边电感L3串联、副边电感L4与副边电感L5、副边电感L6串联、副边电感L9与副边电感L10、副边电感L11串联、副边电感L14与副边电感L15、副边电感L16串联后四组并联。

所述的一种叠加式磁耦合电流转移模块的优选实施例中，所述N个原边电感和M个副电感由下往上依次摆放为：副边电感L1、原边电感L7、副边电感L4、副边电感L2、原边电感L8、副边电感L5、副边电感L3、原边电感L12、副边电感L6、副边电感L9、原边电感L13、副边电感L10、副边电感L11、原边电感L17、副边电感L14、副边电感L15、原边电感L18、副边电感L16。

在一个实施例中，所述磁耦合电流转移模块由原边电感L3，L4，L7，L8，L11，L12、副边电感L1，L2，L5，L6，L9，L10、第一副边接入端3和第二副边接入端4、第一原边接入端1和第二原边接入端2组成。所述原边电感以串联的形式连接在接入端1和接入端2之间，副边电感以两串三并的形式连接在第一副边接入端3和第二副边接入端4之间。所述原边电感通过第一原边接入端1和第二原边接入端2连接到预充电电容辅助回路，副边电感通过第一副边接入端3和第二副边接入端4连接到系统电流回路。所述任一电感均由一个矩形沿螺旋线沿径向自内向外绕制而成，且同一电感所有匝线均在一个水平面。所有电感均由导电材料铜制作而成，电感间以相同的垂直距离沿电感轴向由下往上依次水平摆放。所述原边电感和副边电感的摆放序列自下向上依次式：原边L3，原边L4，副边L1，副边L2，原边L7，原边L8，副边L5，副边L6，原边L11，原边L12，副边L9，副边L10。所述原边侧的预充电电容辅助回路和副边侧的系统电流回路相互隔离，原边电感和副边电感间的能量传递是通过电磁感应来实现的。优选的，可以通过合理地增加磁耦合电流转移模块中原边电感和副边电感的数量来提高直流断路器的额定电压分断等级和分断能力。优选的，可以通过合理地优化磁耦合电流转移模块中原边电感和副边电感的串并联方式来提升直流断路器的额定电压分断等级和分断能力。

在一个实施例中，参照图1，本发明的优选实例为通过增加电感的数量和优化电感的串并联形式来提升大容量直流断路器开断能力的磁耦合电流转移模块。本发明装置由原边电感、副边电感、原边接入端、副边接入端四部分组成。原边电感L3，L4，L7，L8，L11，L12通过接入端1，2连接到预充电电容辅助电路，副边电感L1，L2，L5，L6，L9，L10通过接入端3，4连接到系统电流支路。

在一个实施例中，参照图2，原边电感和副边电感沿电感轴向由下往上依次水平摆放，电感自下向上的排列顺序分别是：原边L3，原边L4，副边L1，副边L2，原边L7，原边L8，副边L5，副边L6，原边L11，原边L12，副边L9，副边L10。各个电感以图1的串并联组合机制进行连接，原边绕组由六个电感串联组成，副边绕组由六个电感以两串三并的连接方式组成。

在一个实施例中，参照图2，原边电感和副边电感均由导电材料铜制作而成，呈同轴扁平螺旋线圈结构。任一电感均由一个矩形沿螺旋线自内向外绕制而成，且所有匝线均在一个水平面。电感间以相同的垂直距离沿电感轴向由下往上依次水平摆放。

在一个实施例中，图3和图4分别是根据本发明另一个实施例的叠加式增强型大电流磁耦合电流转移模块的电路图和三维示意图。参见图3，经过原边电感和副边电感串并联形式的优化，原边绕组由六个电感串联组成，副边绕组由十二个电感以三串四并的连接方式组成。参见图4，原边电感和副边电感自下向上的排列顺序分别是：副边L1，原边L7，副边L4，副边L2，原边L8，副边L5，副边L3，原边L12，副边L6，副边L9，原边L13，副边L10，副边L11，原边L17，副边L14，副边L15，原边L18，副边L16。

一种所述叠加式磁耦合电流转移模块的电流开断方法包括以下步骤，

连接并依序摆放N个原边电感和M个副电感，

N个原边电感经由第一原边接入端和第二原边接入端连接预充电电容辅助电路，M个副电感经由第一副边接入端和第二副边接入端连接外部电路，

预充电电容辅助电路中的电容放电，原边电感流过电流，

在电磁感应作用下，副边电感中产生反向电流，所述反向电流为IGCT组件中的电容充电，利用充电后的副边电感及耗能器件共同作用以完成系统电流的分断。

在一个优选实施方式中，电流开断方法包括以下步骤：

在第一步骤中，辅助电路中的预充电电容放电，原边电感流过电流。

在第二步骤中，在电磁感应作用下，副边电感中产生反向电流。此反向电流为IGCT组件中的电容充电，利用充电后的副边电容及耗能支路的共同作用来完成系统电流的分断。

最后应该说明的是：所描述的实施例仅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的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (10)

1.一种叠加式磁耦合电流转移模块，其特征在于，其包括，

第一原边接入端和第二原边接入端，

N个原边电感，所述原边电感串联，N个原边电感经由第一原边接入端和第二原边接入端连接预充电电容辅助电路，预充电电容辅助电路与系统电流回路被隔开，

第一副边接入端和第二副边接入端，

M个副边电感，所述副边电感串并联，M个副边电感经由第一副边接入端和第二副边接入端连接外部电路，其中，

N个原边电感和M个副边电感中任一电感由矩形沿螺旋线沿径向自内向外绕制而成，且同一电感所有匝线均在同一水平面，电感间以相同的垂直距离沿电感轴向由下往上依次水平摆放，所述N个原边电感和M个副边电感分组由下往上依次间隔摆放，所述N个原边电感和M个副边电感电气绝缘，N、M为大于2的自然数。

2.根据权利要求1所述的一种叠加式磁耦合电流转移模块，其特征在于，优选的，所述预充电电容辅助电路包括串联的电容和二极管。

3.根据权利要求2所述的一种叠加式磁耦合电流转移模块，其特征在于，所述第一原边接入端和第二原边接入端分别连接所述电容和二极管。

4.根据权利要求1所述的一种叠加式磁耦合电流转移模块，其特征在于，所述外部电路包括并联的耗能器件和机械开关及串联所述耗能器件和机械开关的IGCT组件。

5.根据权利要求4所述的一种叠加式磁耦合电流转移模块，其特征在于，所述第一副边接入端和第二副边接入端分别连接并联的耗能器件和机械开关的一端以及所述IGCT组件的一端。

6.根据权利要求1所述的一种叠加式磁耦合电流转移模块，其特征在于，N为6，M为6，N个原边电感包括串联的原边电感L3、原边电感L4、原边电感L7、原边电感L8、原边电感L11、原边电感L12，M个副边电感包括副边电感L1、副边电感L2、副边电感L5、副边电感L6、副边电感L9、副边电感L10，其中，副边电感L1与副边电感L2串联、副边电感L5与副边电感L6串联、副边电感L9与副边电感L10串联后三组并联。

7.根据权利要求6所述的一种叠加式磁耦合电流转移模块，其特征在于，所述N个原边电感和M个副边电感由下往上依次摆放为：原边电感L3、原边电感L4、副边电感L1、副边电感L2、原边电感L7、原边电感L8、副边电感L5、副边电感L6、原边电感L11、原边电感L12、副边电感L9、副边电感L10。

8.根据权利要求1所述的一种叠加式磁耦合电流转移模块，其特征在于，N为6，M为12，N个原边电感包括串联的原边电感L7、原边电感L8、原边电感L12、原边电感L13、原边电感L17、原边电感L18，M个副边电感包括副边电感L1、副边电感L2、副边电感L3、副边电感L4、副边电感L5、副边电感L6、副边电感L9、副边电感L10、副边电感L11、副边电感L14、副边电感L15、副边电感L16，其中，副边电感L1与副边电感L2、副边电感L3串联、副边电感L4与副边电感L5、副边电感L6串联、副边电感L9与副边电感L10、副边电感L11串联、副边电感L14与副边电感L15、副边电感L16串联后四组并联。

9.根据权利要求8所述的一种叠加式磁耦合电流转移模块，其特征在于，所述N个原边电感和M个副边电感由下往上依次摆放为：副边电感L1、原边电感L7、副边电感L4、副边电感L2、原边电感L8、副边电感L5、副边电感L3、原边电感L12、副边电感L6、副边电感L9、原边电感L13、副边电感L10、副边电感L11、原边电感L17、副边电感L14、副边电感L15、原边电感L18、副边电感L16。

10.一种权利要求1-9中任一项所述叠加式磁耦合电流转移模块的电流开断方法，其特征在于，其包括以下步骤，

连接并依序摆放N个原边电感和M个副边电感，

N个原边电感经由第一原边接入端和第二原边接入端连接预充电电容辅助电路，M个副边电感经由第一副边接入端和第二副边接入端连接外部电路，

预充电电容辅助电路中的电容放电，原边电感流过电流，

在电磁感应作用下，副边电感中产生反向电流，所述反向电流为IGCT组件中的电容充电，利用充电后的副边电感及耗能器件共同作用以完成系统电流的分断。