CN115148519A - 一种基于自能式磁场吹弧实现转移的直流断路器 - Google Patents

Abstract

一种基于自能式磁场吹弧实现转移的直流断路器由第一线端A1、主电流支路、转移支路、能量耗散支路和第二线端A2组成，主电流支路由真空灭弧室和串联的磁吹线圈L组成，真空灭弧室经由高速机械开关HSS控制且直接连接第一线端A1，磁吹线圈磁场L横向作用于真空灭弧室且直接连接第二线端A2，转移支路并联于主电流支路，转移电路包括转移电容C，其一端连接第一线端，另一端连接第二线端A2，能量耗散支路并联在主电流支路两端，能量耗散支路由避雷器MOV组成。

Description

一种基于自能式磁场吹弧实现转移的直流断路器

技术领域

本发明涉及直流断路器技术领域，特别是一种基于自能式磁场吹弧实现转移的直流断路器，其具有双向电流开断能力。

背景技术

随着直流电力系统的规模及容量持续增长，短路故障电流带来的挑战也在不断增长。通常采用断路器作为主要的保护设备，但是由于系统的短路故障形式多样，且直流系统的短路故障有着上升速率快，电流无过零点等特点，使得直接使用直流断路器进行短路保护有着一定困难。目前直流断路器的技术方案包括机械式断路器、固体式断路器和混合式断路器。原来的机械式或者混合式需要预充电电容器或者电力电子，成本高、体积大、难以规模化应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于自能式磁场吹弧实现转移的直流断路器，可以将其应用在利用磁吹进行电流转移的开断场景。磁吹线圈上的短路电流产生横向磁场作用于高速机械开关的真空灭弧室上，使真空断口电流过零。过零后的反向恢复电压使能量耗散电路的避雷器动作，能量通过能量耗散电路释放，进而实现快速开断。

具体的，本发明采用如下技术方案：

一种基于自能式磁场吹弧实现转移的直流断路器由第一线端A1、主电流支路、转移支路、能量耗散支路和第二线端A2组成，所述主电流支路由真空灭弧室和串联的磁吹线圈L组成，所述真空灭弧室经由高速机械开关HSS控制且直接连接第一线端A1，所述磁吹线圈磁场L横向作用于真空灭弧室且直接连接第二线端A2，所述转移支路并联于所述主电流支路，所述转移电路包括转移电容C，其一端连接第一线端，另一端连接第二线端A2，能量耗散支路并联在所述主电流支路两端，能量耗散支路由避雷器MOV组成。

所述的直流断路器中，系统正常通流情况下，系统电流从第一线端A1流入，经过闭合状态下的高速机械开关HSS和磁吹线圈L，再由第二线端A2流出，电流反向时则是从第二线端A2流入再由第一线端A1流出，主电流支路的高速机械开关HSS断口闭合，转移支路和能量耗散支路均无电流流过；在开断电流时，当主电流支路电流超过直流断路器的整定电流，高速机械开关收到分闸信号，高速机械开关HSS动作将真空灭弧室中的触头拉开，触头之间产生真空电弧，同时磁吹线圈L上的短路电流产生横向磁场作用于高速机械开关HSS的真空灭弧室上，使真空断口电流过零，过零后高速机械开关HSS断口建立绝缘，系统电压给转移支路的电容C充电，当电容C两端电压达到避雷器MOV动作电压时，避雷器MOV动作完成能量耗散，主电流支路两端建立电压同时开断结束。

所述的直流断路器中，所述高速机械开关HSS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。

所述的直流断路器中，所述避雷器MOV包括金属氧化物避雷器或可卸式避雷器。

所述的直流断路器中，所述金属氧化物避雷器包括以下器件的单个或者组合：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。

所述的直流断路器中，所述的转移支路包括谐振回路、换向转移电路或电力电子半导体开关组件。

所述的直流断路器中，谐振回路由转移电容和转移电感组成。

所述的直流断路器中，换向转移电路由多个二极管组合而成。

所述的直流断路器中，电力电子半导体开关组件包括IGBT。

所述的直流断路器中，转移支路包括单一电容、串并联电容组、单一电容串联电感或串并联电容组串联电感。

直流断路器相较于传统的机械式、混合式断路器具有不需要储能，不需要额外的磁吹回路，结构简单等优点，可以开断直流短路电流。

附图说明

说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本公开的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本公开的一些实施例，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。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

图1是直流断路器结构图；

图2(a)至图2(d)是直流断路器开断短路电流时的工作示意图；

图3是本发明用于振荡型直流断路器实施例的结构示意图；

图4是本发明用于固态型直流断路器实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图1至图4更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公开的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本公开的范围。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。

如图1至图4所示，所述的断路器的一个实施例中，一种基于自能式磁场吹弧实现转移的直流断路器由第一线端A1、主电流支路、转移支路、能量耗散支路和第二线端A2组成，所述主电流支路由真空灭弧室和串联的磁吹线圈L组成，所述真空灭弧室经由高速机械开关HSS控制且直接连接第一线端A1，所述磁吹线圈磁场L横向作用于真空灭弧室且直接连接第二线端A2，所述转移支路并联于所述主电流支路，所述转移电路包括转移电容C，其一端连接第一线端，另一端连接第二线端A2，能量耗散支路并联在所述主电流支路两端，能量耗散支路由避雷器MOV组成。

所述的直流断路器优选实施例中，系统正常通流情况下，系统电流从第一线端A1流入，经过闭合状态下的高速机械开关HSS和磁吹线圈L，再由第二线端A2流出，电流反向时则是从第二线端A2流入再由第一线端A1流出，主电流支路的高速机械开关HSS断口闭合，转移支路和能量耗散支路均无电流流过；在开断电流时，当主电流支路电流超过直流断路器的整定电流，高速机械开关收到分闸信号，高速机械开关HSS动作将真空灭弧室中的触头拉开，触头之间产生真空电弧，同时磁吹线圈L上的短路电流产生横向磁场作用于高速机械开关HSS的真空灭弧室上，使真空断口电流过零，过零后高速机械开关HSS断口建立绝缘，系统电压给转移支路的电容C充电，当电容C两端电压达到避雷器MOV动作电压时，避雷器MOV动作完成能量耗散，主电流支路两端建立电压同时开断结束。

所述的直流断路器优选实施例中，所述高速机械开关HSS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。

所述的直流断路器优选实施例中，所述避雷器MOV包括金属氧化物避雷器或可卸式避雷器。

所述的直流断路器优选实施例中，所述金属氧化物避雷器包括以下器件的单个或者组合：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。

所述的直流断路器优选实施例中，所述的转移支路包括谐振回路、换向转移电路或电力电子半导体开关组件。

所述的直流断路器优选实施例中，谐振回路由转移电容和转移电感组成。

所述的直流断路器优选实施例中，换向转移电路由多个二极管组合而成。

所述的直流断路器优选实施例中，电力电子半导体开关组件包括IGBT。

所述的直流断路器优选实施例中，转移支路包括单一电容、串并联电容组、单一电容串联电感或串并联电容组串联电感。

在一个实施例中，基于自能式磁场吹弧实现转移的直流断路器由主电流支路、转移支路、能量耗散支路组成。其中，主电流支路由高速机械开关控制的真空灭弧室和串联的磁吹线圈组成，转移支路由转移电容组成，能量耗散支路由避雷器组成，磁吹线圈的磁场横向作用于真空灭弧室。所述主电流支路由高速机械开关控制的真空灭弧室和串联的磁吹线圈组成。所述转移支路由转移电容组成，所述能量耗散支路由避雷器组成。系统正常通流情况下，系统电流从第一线端A1流入，经过闭合状态下的高速机械开关和磁吹线圈，再由第二线端A2流出。电流反向时则是从第二线端A2流入再由第一线端A1流出。在开断电流时，当主电流支路电流超过了断路器整定电流，断路器开始动作。高速机械开关收到分闸信号，高速机械开关动作将真空灭弧室中的触头拉开，触头之间产生真空电弧，同时磁吹线圈上的短路电流产生横向磁场作用于高速机械开关的真空灭弧室上，使真空断口电流过零。过零后断口建立绝缘，系统电压给转移支路电容充电，当断电容两端电压达到避雷器动作电压时，避雷器动作完成能量耗散，主回路两端建立电压，同时开断结束。

本实施例中所述的直流断路器中，图2(a)至图2(d)是其工作时的一种结构示意图。

如图2(a)所示，在系统正常流通状态下，电流流经主电流支路中闭合的高速机械开关。

如图2(b)所示，当发生短路故障或者收到上级分闸指令时，故障电流高速机械开关，高速机械开关触头拉开，产生电弧，同时磁吹线圈产生的磁场作用在真空电弧上，使真空断口电流过零。

如图2(c)所示，过零后断口建立绝缘，系统电压给转移支路电容充电。

如图2(d)所示，当转移支路电容上电压达到能量耗散支路上避雷器的导通电压，剩余能量通过避雷器泄放，电流转移至能量耗散支路上。

所述的断路器的另一个实施例中，所述能量耗散电路包括但不限于以下器件的单个或者多个组合：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。

如图3所示，所述的断路器的一个实施例中，所述磁吹线圈形成的磁场作用到真空灭弧室上，在振荡型直流断路器的振荡支路形成电流谐振，高速机械开关上的断口电流过零。转移电容C和电感L串联构成转移支路。

如图4所示，所述的断路器的一个实施例中，所述磁吹线圈形成的磁场作用到真空灭弧室上，在固态型直流断路器的高速机械开关断口形成较高的电弧电压，将主电流支路电流向固态断路器的电力电子支路转移，高速机械开关上的断口电流过零。多个串联的IGBT构成转移支路。

尽管以上结合附图对本公开的实施方案进行了描述，但本公开并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本公开权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本公开保护之列。

Claims (10)

1.一种基于自能式磁场吹弧实现转移的直流断路器，其由第一线端A1、主电流支路、转移支路、能量耗散支路和第二线端A2组成，其特征在于：所述主电流支路由真空灭弧室和串联的磁吹线圈L组成，所述真空灭弧室经由高速机械开关HSS控制且直接连接第一线端A1，所述磁吹线圈磁场L横向作用于真空灭弧室且直接连接第二线端A2，所述转移支路并联于所述主电流支路，所述转移电路包括转移电容C，其一端连接第一线端，另一端连接第二线端A2，能量耗散支路并联在所述主电流支路两端，能量耗散支路由避雷器MOV组成。

2.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于：优选的，系统正常通流情况下，系统电流从第一线端A1流入，经过闭合状态下的高速机械开关HSS和磁吹线圈L，再由第二线端A2流出，电流反向时则是从第二线端A2流入再由第一线端A1流出，主电流支路的高速机械开关HSS断口闭合，转移支路和能量耗散支路均无电流流过；在开断电流时，当主电流支路电流超过直流断路器的整定电流，高速机械开关收到分闸信号，高速机械开关HSS动作将真空灭弧室中的触头拉开，触头之间产生真空电弧，同时磁吹线圈L上的短路电流产生横向磁场作用于高速机械开关HSS的真空灭弧室上，使真空断口电流过零，过零后高速机械开关HSS断口建立绝缘，系统电压给转移支路的电容C充电，当电容C两端电压达到避雷器MOV动作电压时，避雷器MOV动作完成能量耗散，主电流支路两端建立电压同时开断结束。

3.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于：所述高速机械开关HSS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。

4.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于：所述避雷器MOV包括金属氧化物避雷器或可卸式避雷器。

5.根据权利要求4所述的直流断路器，其特征在于：所述金属氧化物避雷器包括以下器件的单个或者组合：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。

6.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于：所述的转移支路包括谐振回路、换向转移电路或电力电子半导体开关组件。

7.根据权利要求6所述的直流断路器，其特征在于：谐振回路由转移电容和转移电感组成。

8.根据权利要求6所述的直流断路器，其特征在于：换向转移电路由多个二极管组合而成。

9.根据权利要求6所述的直流断路器，其特征在于：电力电子半导体开关组件包括IGBT。

10.根据权利要求1所述的直流断路器，其特征在于：转移支路包括单一电容、串并联电容组、单一电容串联电感或串并联电容组串联电感。

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