CN115346830A - 一种快速机械开关及可控自恢复消能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种快速机械开关及可控自恢复消能装置，涉及高压电力设备领域。一种快速机械开关包括驱动机构和供能变压器，所述供能变压器设置于所述驱动机构的下方并与所述驱动机构电连接；所述驱动机构包括电磁斥力装置，所述电磁斥力装置包括分闸线圈、合闸线圈和斥力盘，所述斥力盘通过所述分闸线圈和合闸线圈的通断电进行移动，所述斥力盘上连接有驱动杆，所述斥力盘与所述驱动杆带动真空灭弧室的触头运动，实现快速触发开关的合分闸动作；其具有很短的合闸时间（几ms），并具有较大的短时峰值电流承受能力，同时能在额定电压下长期可靠地保证绝缘性能。此外本发明还提出一种可控自恢复消能装置，其能够被用于换流阀的过电压保护。
Description
技术领域
本发明涉及高压电力设备技术领域，具体而言，涉及一种快速机械开关及可控自恢复消能装置。
背景技术
电网系统大功率方式下发生双极直流故障(双极换相失败、双极闭锁、双极线路重启动)，直流功率中断期间交流系统和交流滤波器发出大量过剩无功，在换流站造成超过系统控制水平的暂态过电压，是约束直流功率的主要问题。可控自恢复消能装置安装于换流站交流母线之间，可有效解决上述电网系统过电压问题。
然而，可控自恢复消能装置中的机械开关的额定电压为几十kV以上，又要求具有很短的合闸时间，传统机械开关驱动机构难以达到毫秒级动作时间；此外，如此短的合闸时间也导致快速触发开关的断口开距不可能太大，传统机械开关采用真空断口，虽然真空断口具有较高的耐压水平，但单个真空断口难以长期可靠地满足几十kV以上的额定电压；同时，由于开关的对地工频电压上百kV，如果其操动机构和控制系统放置于地电位，势必要求开关采用很长的绝缘拉杆来满足对地绝缘，但绝缘拉杆的重量必然会大大降低开关的合闸速度。
因而传统机械开关难以满足可控自恢复消能装置中的机械开关要求，需要设计一种新型快速机械开关。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快速机械开关，其具有很短的合闸时间（几ms），并具有较大的短时峰值电流承受能力，同时能在额定电压下长期可靠地保证绝缘性能。
本发明的另一目的在于提供一种可控自恢复消能装置，其能够被用于换流阀的过电压保护。
本发明的实施例是这样实现的：
第一方面，本申请实施例提供一种快速机械开关，其包括驱动机构和供能变压器，所述供能变压器设置于所述驱动机构的下方并与所述驱动机构电连接；所述驱动机构包括电磁斥力装置，所述电磁斥力装置包括分闸线圈、合闸线圈和斥力盘，所述斥力盘通过所述分闸线圈和合闸线圈的通断电进行移动，所述斥力盘上连接有驱动杆，所述斥力盘与所述驱动杆带动真空灭弧室的触头运动，实现快速触发开关的合分闸动作。
由于开关的对地工频电压上百kV，如果其驱动机构和控制系统（电网系统中用于控制的系统）放置于地电位，势必要求开关采用很长的绝缘拉杆来满足对地绝缘，但绝缘拉杆的重量必然会大大降低开关的合闸速度，因此快速机械开关取消了绝缘拉杆结构，将整个开关（包括驱动机构和控制系统）整体放置于高电位，并采用供能变压器解决高电位平台开关控制装置与储能装置的供电问题。
通过预充电的储能电容向固定线圈（分闸线圈、合闸线圈）放电产生脉冲电流，脉冲电流在固定线圈（分闸线圈、合闸线圈）周围产生交变磁场，从而使斥力盘（金属材料制成）产生感应涡流。由于感应涡流与固定线圈电流方向相反，斥力盘与线圈间产生电磁斥力。在电磁斥力的作用下，斥力盘与驱动杆带动真空灭弧室的触头运动，实现快速触发开关的合分闸动作。
在本发明的一些实施例中，上述驱动机构上设置有真空断口，所述真空断口采用环氧固封进行外绝缘。
在本发明的一些实施例中，上述驱动机构设置有多个，多个所述真空断口串联，多个所述驱动机构同时动作。
在本发明的一些实施例中，每个所述真空断口均连接有均压电容。
在本发明的一些实施例中，上述驱动机构还包括双稳态保持装置，所述双稳态保持装置包括传动杆和支座，所述支座内设置有活塞和保持弹簧，所述传动杆的一端与所述活塞铰接，所述传动杆的另一端与所述驱动杆固定连接。
在本发明的一些实施例中，上述驱动机构还包括第一缓冲装置和第二缓冲装置，所述第一缓冲装置和第二缓冲装置分别设置在所述电磁斥力装置的上下两端。
在本发明的一些实施例中，上述第一缓冲装置和第二缓冲装置均为液压缓冲器。
在本发明的一些实施例中，上述传动杆与所述第一缓冲装置通过链接杆抵接。
在本发明的一些实施例中，上述驱动机构周侧连接有均压环。
第二方面，本申请实施例提供一种可控自恢复消能装置，其包括上述一种快速机械开关。
可控自恢复消能装置，是一种能够有效解决电力新能源大规模入网造成的电网扰动问题的新型装置，主要由避雷器、触发开关、供能变压器、光学电流互感器和控制保护系统等多个部分组成。输电过程中，一旦电网电压出现波动，该装置自动开启电网消能保护模式，可为新能源高效并网与消纳提供安全保障。
相对于现有技术，本发明的实施例至少具有如下优点或有益效果：
（1）快速驱动：可控自恢复消能装置需在几ms时间内将避雷器旁路，这就要求快速机械开关在几ms内快速运动到合闸位置，采用可快速响应动作的电磁斥力装置，具有驱动力强、驱动速度快等特点；
由于开关的对地工频电压上百kV，如果其驱动机构和控制系统（电网系统中用于控制的系统）放置于地电位，势必要求开关采用很长的绝缘拉杆来满足对地绝缘，但绝缘拉杆的重量必然会大大降低开关的合闸速度，因此快速机械开关取消了绝缘拉杆结构，将整个开关（包括驱动机构和控制系统）整体放置于高电位，并采用供能变压器解决高电位平台开关控制装置与储能装置的供电问题。
（2）多断口串联均压：由于可控自恢复消能装置要求快速机械开关在几ms内完成合闸操作，同时需耐受所要求的额定短时工频电压，雷电冲击电压和操作冲击电压，因此快速机械开关采用多断口串联实现。由于快速机械开关的真空断口间、阀塔层间都存在杂散电容，快速机械开关两端所承受的稳态和暂态电压会由断口间的杂散电容进行分配，导致断口间动态电压分配不均匀。因此在每个断口并联了均压电容，可有效减少杂散电容的影响，保证各台开关断口稳态和暂态电压的均衡。
（3）缓冲性能：快速机械开关在几ms内高速运动到合闸位置，瞬时速度大于5m/s，远远高于传统的机械开关，因此必须具有良好的缓冲性能。本发明通过第一缓冲装置和第二缓冲装置，能在达到合闸位置前快速缓冲，降低触头运动速度，减少开关合闸弹跳和避免机械损坏。
（4）整体均压：快速机械开关周围连接均压环，保证整体装置电压均匀。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为驱动机构的结构示意图；
图3为双稳态保持装置的内部结构示意图。
图标：1、供能变压器；2、分闸线圈；3、合闸线圈；4、斥力盘；5、驱动杆；6、真空断口；7、固封极柱；8、均压电容；9、双稳态保持装置；10、传动杆；11、支座；12、第一缓冲装置；13、第二缓冲装置；14、链接杆；15、均压环；16、驱动机构；17、保持弹簧；18、活塞；19、活塞连杆；20、销轴；21、超程簧座；22、超程簧。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例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例。基于本发明中的实施例，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例，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。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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装置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”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，“多个”代表至少2个。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。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。
实施例1
本实施例提供一种快速机械开关，如图1-2所示，其包括驱动机构16和供能变压器1，供能变压器1设置于驱动机构16的下方并与驱动机构16电连接；驱动机构16包括电磁斥力装置，电磁斥力装置包括分闸线圈2、合闸线圈3和斥力盘4，斥力盘4通过分闸线圈2和合闸线圈3的通断电进行移动，斥力盘4上连接有驱动杆5，斥力盘4与驱动杆5带动真空灭弧室的触头运动，实现快速触发开关的合分闸动作。
由于开关的对地工频电压上百kV，如果其驱动机构16和控制系统（电网系统中用于控制的系统）放置于地电位，势必要求开关采用很长的绝缘拉杆来满足对地绝缘，但绝缘拉杆的重量必然会大大降低开关的合闸速度，因此快速机械开关取消了绝缘拉杆结构，将整个开关（包括驱动机构16和控制系统）整体放置于高电位，并采用供能变压器1解决高电位平台开关控制装置与储能装置的供电问题。
通过预充电的储能电容向固定线圈（分闸线圈2、合闸线圈3）放电产生励磁电流，励磁电流在固定线圈（分闸线圈2、合闸线圈3）周围产生交变磁场，从而使斥力盘4（金属材料制成）产生感应涡流。由于感应涡流与励磁电流方向相反，斥力盘4与线圈间产生电磁斥力。在电磁斥力的作用下，斥力盘4与驱动杆5带动真空灭弧室的触头运动，实现快速触发开关的合分闸动作。
实施例2
本实施例提供一种快速机械开关，如图2所示，其与实施例1基本相同，二者的主要区别在于：驱动机构16上设置有真空断口6，所述真空断口6采用环氧固封进行外绝缘。
固封极柱7：将真空灭弧室和断路器相关的导电零件同时嵌入到环氧树脂或热塑性材料这类容易固化的固体绝缘材料中形成极柱，使整个断路器极柱成为一个整体的部件。
进一步地，如图1所示，驱动机构16设置有多个，多个所述真空断口6串联，多个所述驱动机构16同时动作。由于可控自恢复消能装置要求快速机械开关在几ms内完成合闸操作，同时需耐受所要求的额定短时工频电压，雷电冲击电压和操作冲击电压，因此快速机械开关采用多断口串联实现。
进一步地，如图1所示，每个真空断口6均连接有均压电容8。由于快速机械开关的真空断口6间、阀塔层间都存在杂散电容，快速机械开关两端所承受的稳态和暂态电压会由断口间的杂散电容进行分配，导致断口间动态电压分配不均匀。因此在每个断口并联了均压电容8，可有效减少杂散电容的影响，保证各台开关断口稳态和暂态电压的均衡。
高压断路器在高电压等级（550KV以上）为使串联的双断口的电压得到平衡分配，并联了均压电容8器。在开关关合状态时，电容不起作用，当开关在分闸状态时，串联的两个断口就相当于两个电容器串联在一起，这时由于电压降的存在，会使两个串联断口间产生电位差，电压分布不均衡，为消除这种不平衡，给串联的两个断口再并联一个大些的电容，这个电容类似一个充电电容，向其它两个串联在一起电容同时充电，这样就使断口间的电压得到平衡。这是均压电容8器的主要用途。其第二个用途就是限制开关在开断过程中断口间恢复电压的幅值，有利于减轻开关开断故障电流时的负荷，利用的是容性元件电压不可跃变的原理。
实施例3
本实施例提供一种快速机械开关，如图3所示，其与实施例1或实施例2基本相同，二者的主要区别在于：驱动机构16还包括双稳态保持装置9，双稳态保持装置9包括传动杆10和支座11，支座11内设置有活塞18和保持弹簧17，传动杆10的一端与活塞18铰接，传动杆10的另一端与驱动杆5固定连接。
双稳态保持装置9能够使得驱动机构16在进行合分闸动作时驱动杆5保持稳定状态，同时在其过中点后为其提供速度；合闸时能够减小其弹跳以及提供触头的额定压力。
具体地，如图3所示，传动杆10的一端抵设有超程簧22，并设置于超程簧座21内，超程簧座21通过销轴20及活塞连杆19与活塞18铰接，活塞18的一侧抵设有保持弹簧17（其可以是圆柱形弹簧、矩形弹簧、碟形弹簧等）。
实施例4
本实施例提供一种快速机械开关，如图2所示，其与实施例1-3任一个基本相同，二者的主要区别在于：驱动机构16还包括第一缓冲装置12和第二缓冲装置13，第一缓冲装置12和第二缓冲装置13分别设置在电磁斥力装置的上下两端。
快速机械开关在几ms内高速运动到合闸位置，瞬时速度大于5m/s，远远高于传统的机械开关，因此必须具有良好的缓冲性能。本发明通过第一缓冲装置12和第二缓冲装置13，能在达到合闸位置前快速缓冲，降低触头运动速度，减少开关合闸弹跳和避免机械损坏。
进一步地，第一缓冲装置12和第二缓冲装置13均为液压缓冲器。液压缓冲器依靠液压阻尼对作用在其上的物体进行缓冲减速至停止，起到一定程度的保护作用。其作用是在工作过程中防止硬性碰撞导致机构损坏的安全缓冲装置。通常液压缓冲器由液压缸、活塞、活塞杆、液压缸盖、缓冲簧及密封元件组成。
进一步地，如图2所示，传动杆10与第一缓冲装置12通过链接杆14抵接。传动杆10的直径较小，直接与第一缓冲装置12作用会使得其接触面压强过大，因此传动杆10上设置链接杆14，链接杆14的直径较大，与第一缓冲装置12作用时压强较小，能够起到延长工件寿命的作用。
进一步地，如图1所示，驱动机构16周侧连接有均压环15。快速机械开关周围连接均压环15，保证整体装置电压均匀。
均压环15按用处不同，可分为避雷器均压环、防雷均压环、绝缘子均压环、互感器均压环、高压试验设备均压环、输变电线路均压环等。均压环15按材质不同，可分为铝制均压环、不锈钢均压环、铁制均压环等。与均压环15名称相似的有屏蔽环、均压屏蔽环两种。目前我国高压电器和电力系统(变电站、高压线路等)中用的均压环15主要是用铝合金加工而成，一般要求均压环15表面进行抛光处理，达到表面光滑无毛刺。本实施例中的均压环15为避雷器均压环。
实施例5
本实施例提供一种可控自恢复消能装置，其包括实施例1-4任一个所提供的一种快速机械开关。
可控自恢复消能装置，是一种能够有效解决电力新能源大规模入网造成的电网扰动问题的新型装置，主要由避雷器、触发开关、供能变压器1、光学电流互感器和控制保护系统等多个部分组成。输电过程中，一旦电网电压出现波动，该装置自动开启电网消能保护模式，可为新能源高效并网与消纳提供安全保障。
本实施例提供一种可控自恢复消能装置，其能够被用于换流阀的过电压保护。当系统发生过电压时，如果装置两端电压超过换流阀所能承受的最高电压时，将启动与装置可控部分并联的快速机械开关快速合闸，将装置的可控部分旁路掉，从而深度限制可控自恢复消能装置残压，大幅提高可控自恢复消能装置吸收冗余能量能力，避免换流阀器件因过压而损坏。
综上，本发明的实施例提供一种快速机械开关及可控自恢复消能装置，至少具有如下优点或有益效果：
（1）快速驱动：可控自恢复消能装置需在几ms时间内将避雷器旁路，这就要求快速机械开关在几ms内快速运动到合闸位置，采用可快速响应动作的电磁斥力装置，具有驱动力强、驱动速度快等特点；
由于开关的对地工频电压上百kV，如果其驱动机构16和控制系统（电网系统中用于控制的系统）放置于地电位，势必要求开关采用很长的绝缘拉杆来满足对地绝缘，但绝缘拉杆的重量必然会大大降低开关的合闸速度，因此快速机械开关取消了绝缘拉杆结构，将整个开关（包括驱动机构16和控制系统）整体放置于高电位，并采用供能变压器1解决高电位平台开关控制装置与储能装置的供电问题。
（2）多断口串联均压：由于可控自恢复消能装置要求快速机械开关在几ms内完成合闸操作，同时需耐受所要求的额定短时工频电压，雷电冲击电压和操作冲击电压，因此快速机械开关采用多断口串联实现。由于快速机械开关的真空断口6间、阀塔层间都存在杂散电容，快速机械开关两端所承受的稳态和暂态电压会由断口间的杂散电容进行分配，导致断口间动态电压分配不均匀。因此在每个断口并联了均压电容8，可有效减少杂散电容的影响，保证各台开关断口稳态和暂态电压的均衡。
（3）缓冲性能：快速机械开关在几ms内高速运动到合闸位置，瞬时速度大于5m/s，远远高于传统的机械开关，因此必须具有良好的缓冲性能。本发明通过第一缓冲装置12和第二缓冲装置13，能在达到合闸位置前快速缓冲，降低触头运动速度，减少开关合闸弹跳和避免机械损坏。
（4）整体均压：快速机械开关周围连接均压环15，保证整体装置电压均匀。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种快速机械开关，其特征在于，包括驱动机构和供能变压器，所述供能变压器设置于所述驱动机构的下方并与所述驱动机构电连接；所述驱动机构包括电磁斥力装置，所述电磁斥力装置包括分闸线圈、合闸线圈和斥力盘，所述斥力盘通过所述分闸线圈和合闸线圈的通断电进行移动，所述斥力盘上连接有驱动杆，所述斥力盘与所述驱动杆带动真空灭弧室的触头运动，实现快速触发开关的合分闸动作。
2.根据权利要求1所述的一种快速机械开关，其特征在于，所述驱动机构上设置有真空断口，所述真空断口采用环氧固封进行外绝缘。
3.根据权利要求2所述的一种快速机械开关，其特征在于，所述驱动机构设置有多个，多个所述真空断口串联，多个所述驱动机构同时动作。
4.根据权利要求3所述的一种快速机械开关，其特征在于，每个所述真空断口均并联有均压电容。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种快速机械开关，其特征在于，所述驱动机构还包括双稳态保持装置，所述双稳态保持装置包括传动杆和支座，所述支座内设置有活塞和保持弹簧，所述传动杆的一端与所述活塞铰接，所述传动杆的另一端与所述驱动杆固定连接。
6.根据权利要求5所述的一种快速机械开关，其特征在于，所述驱动机构还包括第一缓冲装置和第二缓冲装置，所述第一缓冲装置和第二缓冲装置分别设置在所述电磁斥力装置的上下两端。
7.根据权利要求6所述的一种快速机械开关，其特征在于，所述第一缓冲装置和第二缓冲装置均为液压缓冲器。
8.根据权利要求7所述的一种快速机械开关，其特征在于，所述传动杆与所述第一缓冲装置通过链接杆抵接。
9.根据权利要求1所述的一种快速机械开关，其特征在于，所述驱动机构周侧连接有均压环。
10.一种可控自恢复消能装置，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的一种快速机械开关。
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| CN202211269502.5A CN115346830A (zh) | 2022-10-18 | 2022-10-18 | 一种快速机械开关及可控自恢复消能装置 |
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| CN202211269502.5A Pending CN115346830A (zh) | 2022-10-18 | 2022-10-18 | 一种快速机械开关及可控自恢复消能装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116053094A (zh) * | 2023-03-31 | 2023-05-02 | 清华大学 | 一种分闸速度可调的快速机械开关操动机构及其控制方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN217061898U (zh) * | 2022-03-30 | 2022-07-26 | 北京华茂通益科技有限责任公司 | 一种直流断路器及其柔性直流电网中的快速机械开关设备 |
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2022
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Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN116053094B (zh) * | 2023-03-31 | 2023-05-30 | 清华大学 | 一种分闸速度可调的快速机械开关操动机构及其控制方法 |
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