CN115498609A - 一种快速转移开关 - Google Patents

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  • Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)

Abstract

一种快速转移开关由通流支路、转移模块、限流模块、电力电子支路和耗能支路组成，通流支路包括高速机械开关HSS，磁耦合线圈L1的一端连接高速机械开关HSS的一端，磁耦合线圈L2电感连接磁耦合线圈L1，电容C1、晶闸管T1串联磁耦合线圈L2，限流模块包括连接磁耦合线圈L1另一端的液态金属限流器LMCL1，电力电子支路一端连接液态金属限流器LMCL1，另一端连接高速机械开关HSS的另一端，耗能支路并联电力电子支路，金属避雷器MOV一端连接液态金属限流器LMCL1，另一端连接高速机械开关HSS的另一端，电力电子组件由集成门极换流晶闸管IGCT、缓冲电路及双向开断的二级管桥构成。

Description

一种快速转移开关
技术领域
本发明涉及转移开关技术领域，特别是一种快速转移开关。
背景技术
中压直流配电技术具有新能源并网友好，配网容量大、效率高等优点，近年来直流电力系统的规模及容量持续增长。直流断路器用于实现直流电网的故障隔离和清除，同时直流断路器还需要吸收开断后储存在系统电感中的能量，是直流构网必不可少的核心装备。目前主要有机械式、固态式和混合式三种断路器拓扑。其中，混合式直流断路器以分断时间短、损耗低等优势而具备工程应用前景，但仍然存在成本高昂等实际缺陷，阻碍了中压直流断路器在电网中的规模化应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快速转移开关，可以开断额定电流，同时可以利用液态金属限流器限制短路故障电流上升率并进行开断，也可以实现快速重合闸。
具体的，本发明采用如下技术方案：
一种快速转移开关由通流支路、转移模块、限流模块、电力电子支路和耗能支路组成，通流支路包括高速机械开关HSS，转移模块包括磁耦合线圈L1、磁耦合线圈L2，晶闸管T1和电容C1、电容C2，其中，磁耦合线圈L1的一端连接高速机械开关HSS的一端，磁耦合线圈L2电感连接所述磁耦合线圈L1，电容C1、晶闸管T1串联磁耦合线圈L2，限流模块包括连接所述磁耦合线圈L1另一端的液态金属限流器LMCL1，电力电子支路一端连接所述液态金属限流器LMCL1，另一端连接高速机械开关HSS的另一端，耗能支路并联所述电力电子支路，耗能支路包括金属避雷器MOV，其一端连接液态金属限流器LMCL1，另一端连接高速机械开关HSS的另一端，电力电子支路包括串联的电力电子组件，所述电力电子组件由集成门极换流晶闸管IGCT、缓冲电路及双向开断的二级管桥构成。
所述的快速转移开关中，二级管桥包括两个阴极相连的二极管VD1和VD2以及两个阳极相连的二极管VD3和VD4，二极管VD3的阴极连接二极管VD1的阳极，二极管VD4的阴极连接二极管VD2的阳极。
所述的快速转移开关中，集成门极换流晶闸管IGCT一端连接于二极管VD1的阴极和VD2的阴极之间，另一端连接二极管VD3的阳极和VD4的阳极之间。
所述的快速转移开关中，所述缓冲电路一端连接于二极管VD1的阴极和VD2的阴极之间，另一端连接二极管VD3的阳极和VD4的阳极之间，缓冲电路包括缓冲电阻Rs、并联缓冲电阻Rs的二极管Ds以及串联所述缓冲电阻Rs及二极管Ds的缓冲电容Cs。
所述的快速转移开关中，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。
所述的快速转移开关中，系统正常通流情况下，系统电流仅流经闭合的高速机械开关HSS，系统发生额定故障时，高速机械开关HSS分闸，同时导通晶闸管T1和集成门极换流晶闸管IGCT，液态金属限流器LMCL1不动作视为短路，磁耦合线圈L2上感应出负压，电流向集成门极换流晶闸管IGCT快速转移，当高速机械开关HSS电流接近过零时关断集成门极换流晶闸管IGCT，建立过电压使得金属避雷器MOV导通，故障电流通过金属避雷器MOV耗散，完成额定开断。
所述的快速转移开关中，系统发生短路故障时，当电流达到快速转移开关动作整定值时，高速机械开关HSS分闸，同时导通晶闸管T1和集成门极换流晶闸管IGCT并动作液态金属限流器LMCL1以限制短路故障电流上升率，磁耦合线圈L2上感应出负压，电流向集成门极换流晶闸管IGCT快速转移，待电流完全转移至电力电子支路时关断集成门极换流晶闸管IGCT，建立过电压使金属避雷器MOV导通，故障电流通过金属避雷器MOV耗散，完成短路故障开断，开断完成后一段时间后，集成门极换流晶闸管IGCT进行重合闸；若故障未被消除，则集成门极换流晶闸管IGCT直接关断电流，实现快速重合闸开断；若故障被消除，则高速机械开关HSS合闸，电流转移至高速机械开关HSS中，进入正常通流模式。
所述的快速转移开关中，所述液态金属限流器LMCL设定不同的起弧电流门槛值以限制短路故障电流上升率。
所述的快速转移开关中，所述集成门极换流晶闸管IGCT为全控型器件集成门极换流晶闸管、绝缘栅双极晶体管或者栅极注入增强型晶体管。
所述的快速转移开关中，所述晶闸管T1为单向导通的半控型器件。
本快速转移开关具有快速限流重合闸功能且兼具经济性的转移开关，可以将其应用在不同的开断场景。本发明通过磁耦合进行电流转移和重合闸功能实现，利用磁耦合副边感应出的负压将机械开关电流转移至电力电子支路。当开断额定电流时液态金属限流器不动作视为短路，机械开关电流过零待绝缘耐压恢复后关断IGCT，建立过电压导通MOV进行能量耗散，完成额定开断。当当开断故障电流时液态金属限流器动作限制短路故障电流上升率，机械开关电流完全转移至电力电子支路后关断IGCT，建立过电压导通MOV进行能量耗散，完成短路故障电流开断。所述直流断路器具有拓扑灵活、可分级关断、有限流功能及快速重合闸等优点。
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是快速转移开关拓扑图；
图2(a)至图2(d)是本发明的快速转移开关开断额定电流工作原理图；
图3(a)至图3(c)是本发明的快速转移开关开断故障电流工作原理图；
图4是本发明的快速转移开关快速重合闸时转移模块的工作原理示意图；
图5给出了一种本发明的推演示意图；
图6给出了一种本发明的推演示意图。
具体实施方式
下面将参照附图1至图6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，快速转移开关由通流支路、转移模块、限流模块、电力电子支路和耗能支路组成，通流支路包括高速机械开关HSS，转移模块包括磁耦合线圈L1、磁耦合线圈L2，晶闸管T1和电容C1、电容C2，其中，磁耦合线圈L1的一端连接高速机械开关HSS的一端，磁耦合线圈L2电感连接所述磁耦合线圈L1，电容C1、晶闸管T1串联磁耦合线圈L2，限流模块包括连接所述磁耦合线圈L1另一端的液态金属限流器LMCL1，电力电子支路一端连接所述液态金属限流器LMCL1，另一端连接高速机械开关HSS的另一端，耗能支路并联所述电力电子支路，耗能支路包括金属避雷器MOV，其一端连接液态金属限流器LMCL1，另一端连接高速机械开关HSS的另一端，电力电子支路包括串联的电力电子组件，所述电力电子组件由集成门极换流晶闸管IGCT、缓冲电路及双向开断的二级管桥构成。
所述的快速转移开关的优选实施例中，二级管桥包括两个阴极相连的二极管VD1和VD2以及两个阳极相连的二极管VD3和VD4，二极管VD3的阴极连接二极管VD1的阳极，二极管VD4的阴极连接二极管VD2的阳极。
所述的快速转移开关的优选实施例中，集成门极换流晶闸管IGCT一端连接于二极管VD1的阴极和VD2的阴极之间，另一端连接二极管VD3的阳极和VD4的阳极之间。
所述的快速转移开关的优选实施例中，所述缓冲电路一端连接于二极管VD1的阴极和VD2的阴极之间，另一端连接二极管VD3的阳极和VD4的阳极之间，缓冲电路包括缓冲电阻Rs、并联缓冲电阻Rs的二极管Ds以及串联所述缓冲电阻Rs及二极管Ds的缓冲电容Cs。
所述的快速转移开关的优选实施例中，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。
所述的快速转移开关的优选实施例中，系统正常通流情况下，系统电流仅流经闭合的高速机械开关HSS，系统发生额定故障时，高速机械开关HSS分闸，同时导通晶闸管T1和集成门极换流晶闸管IGCT，液态金属限流器LMCL1不动作视为短路，磁耦合线圈L2上感应出负压，电流向集成门极换流晶闸管IGCT快速转移，当高速机械开关HSS电流接近过零时关断集成门极换流晶闸管IGCT，建立过电压使得金属避雷器MOV导通，故障电流通过金属避雷器MOV耗散，完成额定开断。
所述的快速转移开关的优选实施例中，系统发生短路故障时，当电流达到快速转移开关动作整定值时，高速机械开关HSS分闸，同时导通晶闸管T1和集成门极换流晶闸管IGCT并动作液态金属限流器LMCL1以限制短路故障电流上升率，磁耦合线圈L2上感应出负压，电流向集成门极换流晶闸管IGCT快速转移，待电流完全转移至电力电子支路时关断集成门极换流晶闸管IGCT，建立过电压使金属避雷器MOV导通，故障电流通过金属避雷器MOV耗散，完成短路故障开断，开断完成后一段时间后，集成门极换流晶闸管IGCT进行重合闸；若故障未被消除，则集成门极换流晶闸管IGCT直接关断电流，实现快速重合闸开断；若故障被消除，则高速机械开关HSS合闸，电流转移至高速机械开关HSS中，进入正常通流模式。
所述的快速转移开关的优选实施例中，所述液态金属限流器LMCL设定不同的起弧电流门槛值以限制短路故障电流上升率。
所述的快速转移开关的优选实施例中，所述集成门极换流晶闸管IGCT为全控型器件集成门极换流晶闸管、绝缘栅双极晶体管或者栅极注入增强型晶体管。
所述的快速转移开关的优选实施例中，所述晶闸管T1为单向导通的半控型器件。
在一个实施例中，缓冲电路为RCD缓冲电路，也可以是RC缓冲电路或C缓冲电路。
图2(a)至图2(d)给出了断路器的额定开断过程。下文将结合图2(a)至图2(d)说明此开断过程。
(1)如图2(a)所示，在系统正常流通状态下，电流流经高速机械开关HSS。
(2)如图2(b)所示，额定开断时，高速机械开关HSS分闸，同时导通晶闸管T1和集成门极换流晶闸管IGCT，液态金属限流器LMCL1不动作视为短路，L2上感应出负压，主支路电流向集成门极换流晶闸管IGCT快速转移。
(3)如图2(c)所示，当高速机械开关HSS电流接近过零时关断集成门极换流晶闸管IGCT，缓冲电容Cs电压升高，建立电压。
(4)如图2(d)所示，过电压使得金属避雷器MOV导通，故障电流通过MOV耗散，完成额定开断。
图3(a)至图3(c)给出了快速转移开关的短路故障开断过程。下文将结合图3(a)至图3(c)说明此开断过程。
(1)如图3(a)所示，高速机械开关HSS分闸，同时导通晶闸管T1和集成门极换流晶闸管IGCT并动作液态金属限流器LMCL1以限制短路故障电流上升率。L2上感应出负压，主支路电流向集成门极换流晶闸管IGCT快速转移.
(2)如图3(b)所示，待主支路电流完全转移至电力电子支路时关断集成门极换流晶闸管IGCT，缓冲电容Cs电压升高，C3电压反向，建立电压。
(3)如图3(c)所示，过电压使金属避雷器MOV导通，故障电流通过金属避雷器MOV耗散，完成短路故障开断。
图4给出了发生持续故障需快速重合闸时快速转移开关转移模块的动作原理，IGCT导通，若电流超过阈值则关断，否则高速机械开关HSS合闸，电流转移至高速机械开关HSS中。
图5和图6给出了一种本发明的推演。在一个实施例中，快速转移开关通流支路、转移模块、限流模块、电力电子支路和耗能支路组成。其中，通流支路由高速机械开关HSS组成，转移模块由磁耦合线圈L1、L2，晶闸管T1、T2和电容C1、C2组成，限流模块由液态金属限流器LMCL1组成，电力电子支路由集成门极换流晶闸管IGCT、缓冲电路及二级管桥构成的电力电子组件串联组成，耗能支路由金属避雷器MOV组成，磁耦合电感联接通电流支路和其他支路。
(1)所述通流支路由高速机械开关HSS组成。
(2)所述转移模块由磁耦合线圈L1、L2，晶闸管T1、T2和电容C1、C2组成。
(3)所述限流模块由液态金属限流器LMCL1组成，可以限制短路故障电流上升率。
(4)所述电力电子支路由集成门极换流晶闸管IGCT、缓冲电路及二级管桥构成的电力电子组件串联组成，二极管桥可以满足双向开断需求。
(5)所述耗能支路由金属避雷器MOV组成。
系统正常通流情况下，系统电流经由磁耦合电感L21，闭合的高速机械开关HSS流出。此时充电支路和开断支路均无电流流过。系统正常通流情况下，系统电流流经闭合的高速机械开关HSS。此时其他支路均无电流流过。系统在正常通流状态下，系统电流流过所述通流支路的高速机械开关HSS。系统发生额定故障时，高速机械开关HSS分闸，同时导通晶闸管T1和集成门极换流晶闸管IGCT，液态金属限流器LMCL1不动作视为短路，L2上感应出负压，主支路电流向IGCT快速转移，当高速机械开关HSS电流接近过零时关断集成门极换流晶闸管IGCT，建立过电压使得避雷器MOV导通，故障电流通过MOV耗散，完成额定开断。
系统发生短路故障时，主支路电流快速上升，当电流达到断路器动作整定值时，高速机械开关HSS分闸，同时导通晶闸管T1和集成门极换流晶闸管IGCT并动作液态金属限流器LMCL1以限制短路故障电流上升率。L2上感应出负压，主支路电流向集成门极换流晶闸管IGCT快速转移，待主支路电流完全转移至电力电子支路时关断集成门极换流晶闸管IGCT，建立过电压使金属避雷器MOV导通，故障电流通过MOV耗散，完成短路故障开断。
开断完成后一段时间后，集成门极换流晶闸管IGCT进行重合闸；若故障未被消除，则集成门极换流晶闸管IGCT直接关断电流，实现快速重合闸开断；若故障被消除，则高速机械开关HSS合闸，电流转移至高速机械开关HSS中，进入正常通流模式。快速转移开关可以开断额定电流，结合了液态金属限流器可以限制短路故障电流上升率并进行开断，同时可以实现快速重合闸。
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 (8)

1.一种快速转移开关，其由通流支路、转移模块、限流模块、电力电子支路和耗能支路组成，其特征在于：通流支路包括高速机械开关HSS，转移模块包括磁耦合线圈L1、磁耦合线圈L2，晶闸管T1和电容C1、电容C2，其中，磁耦合线圈L1的一端连接高速机械开关HSS的一端，磁耦合线圈L2电感连接所述磁耦合线圈L1，电容C1、晶闸管T1串联磁耦合线圈L2，限流模块包括连接所述磁耦合线圈L1另一端的液态金属限流器LMCL1，电力电子支路一端连接所述液态金属限流器LMCL1，另一端连接高速机械开关HSS的另一端，耗能支路并联所述电力电子支路，耗能支路包括金属避雷器MOV，其一端连接液态金属限流器LMCL1，另一端连接高速机械开关HSS的另一端，电力电子支路包括串联的电力电子组件，所述电力电子组件由集成门极换流晶闸管IGCT、缓冲电路及双向开断的二级管桥构成。
2.根据权利要求1所述的快速转移开关，其特征在于：优选的，二级管桥包括两个阴极相连的二极管VD1和VD2以及两个阳极相连的二极管VD3和VD4，二极管VD3的阴极连接二极管VD1的阳极，二极管VD4的阴极连接二极管VD2的阳极。
3.根据权利要求2所述的快速转移开关，其特征在于：集成门极换流晶闸管IGCT一端连接于二极管VD1的阴极和VD2的阴极之间，另一端连接二极管VD3的阳极和VD4的阳极之间。
4.根据权利要求3所述的快速转移开关，其特征在于：所述缓冲电路一端连接于二极管VD1的阴极和VD2的阴极之间，另一端连接二极管VD3的阳极和VD4的阳极之间，缓冲电路包括缓冲电阻Rs、并联缓冲电阻Rs的二极管Ds以及串联所述缓冲电阻Rs及二极管Ds的缓冲电容Cs。
5.根据权利要求1所述的快速转移开关，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。
6.根据权利要求1所述的快速转移开关，其特征在于：所述液态金属限流器LMCL设定不同的起弧电流门槛值以限制短路故障电流上升率。
7.根据权利要求1所述的快速转移开关，其特征在于：所述集成门极换流晶闸管IGCT为全控型器件集成门极换流晶闸管、绝缘栅双极晶体管或者栅极注入增强型晶体管。
8.根据权利要求1所述的快速转移开关，其特征在于：所述晶闸管T1为单向导通的半控型器件。
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