CN116053094A - 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 - Google Patents

Abstract

本发明属于直流断路器技术领域，公开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，其中操动机构包括第一原边电路、绝缘拉杆、金属盘和线圈支架；第一原边电路包括分闸线圈，线圈支架包括以设定间距设置的第一固定板和第二固定板，分闸线圈设置在第一固定板上，绝缘拉杆与第一固定板滑动连接，绝缘拉杆的两端分别与灭弧室的动触头、金属盘连接，金属盘设置在第一固定板和第二固定板之间；第一原边电路用于调节分闸线圈与金属盘之间的电磁斥力值。本发明通过对快速机械开关开断电流的测量来控制分闸速度，对于小电流开断采用“慢分”，大电流开断采用“快分”，从而降低快速机械开关在大多数分闸工况下的应力，提高开关的机械寿命。

Description

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

技术领域

本发明属于直流断路器技术领域，特别涉及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。

背景技术

直流断路器是柔性直流电网故障隔离的理想选择。由于柔性直流电网的低阻抗特性，故障电流上升率较高，对直流断路器的开断速度提出了极高的要求，而开断速度快的固态式断路器通态损耗较大，因此广泛采用快速机械开关来导通线路电流。

直流断路器中的快速机械开关通常采用电磁斥力机构以满足快速分合闸需求，但工程实际中，直流断路器大多数时候只需要分断额定电流或较小的电流，对快速机械开关的分闸速度要求不及开断额定短路电流的要求，若快速机械开关一直保持最高的分闸速度，则拉杆等组件的机械应力始终较大，使得机械开关的机械寿命变短，目前机械寿命往往成为直流断路器故障检修的重要原因和直流断路器整体寿命提升的瓶颈。

发明内容

针对上述问题，本发明提供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，采用以下技术方案：

一种分闸速度可调的快速机械开关操动机构，包括第一原边电路、绝缘拉杆、金属盘和线圈支架；

其中，所述第一原边电路包括分闸线圈，所述线圈支架包括以设定间距设置的第一固定板和第二固定板，所述分闸线圈设置在所述第一固定板上，所述绝缘拉杆与所述第一固定板滑动连接，所述绝缘拉杆的两端分别与灭弧室的动触头、所述金属盘连接，所述金属盘设置在所述第一固定板和所述第二固定板之间；

所述第一原边电路用于根据快速机械开关流过的电流值，调节流过所述分闸线圈的放电电流值，从而调节所述分闸线圈与所述金属盘之间的电磁斥力值。

进一步的，所述第一原边电路还包括储能电容C、触发开关S、若干调节开关S₁~S_n、和若干电感L₁~L_n，n为大于1的正整数；

其中，分闸线圈与储能电容C、触发开关S、若干调节开关S₁~S_n依次串联，电感L₁~L_n与调节开关S₁~S_n一一对应并联。

进一步的，所述第一原边电路还包括与所述储能电容C并联的续流二极管D，其中，所述续流二极管D的阴极与所述储能电容C的正极连接，所述续流二极管D的阳极与所述储能电容C的负极连接。

进一步的，所述储能电容C为脉冲电容器。

进一步的，所述触发开关S为电控晶闸管或光控晶闸管。

进一步的，所述调节开关S₁~S_n为半控开关器件或全控开关器件。

进一步的，机械开关操动机构还包括第二原边电路，所述第二原边电路包括合闸线圈；

其中，所述合闸线圈设置在所述第二固定板上，所述第二原边电路用于调节流过所述合闸线圈的放电电流值，从而调节所述合闸线圈与所述金属盘之间的电磁斥力值。

进一步的，所述线圈支架还包括多个固定螺杆和多个螺母；

其中，所述第一固定板和所述第二固定板周边设置有与固定螺杆数量一一对应的第一通孔，多个固定螺杆穿过第一固定板和第二固定板周边的第一通孔，通过多个螺母与固定螺杆螺纹连接，将第二固定板固定在多个固定螺杆的下方，并将第一固定板固定在第二固定板的上方。

本发明还提供一种分闸速度可调的快速机械开关操动机构的控制方法，快速机械开关操动机构包括第一原边电路、绝缘拉杆、金属盘和线圈支架；其中，第一原边电路包括分闸线圈，线圈支架包括以设定间距设置的第一固定板和第二固定板，分闸线圈设置在第一固定板上，绝缘拉杆与第一固定板滑动连接，绝缘拉杆的两端分别与灭弧室的动触头、金属盘连接，金属盘设置在第一固定板和第二固定板之间，所述控制方法包括以下步骤：

快速机械开关接到上层控保的分闸信号时，使用内置的电流传感器测量快速机械开关流过的电流值；

第一原边电路根据快速机械开关流过的电流值，调节流过分闸线圈的放电电流值，从而调节分闸线圈与金属盘之间的电磁斥力值。

进一步的，第一原边电路还包括储能电容C、触发开关S、若干调节开关S₁~S_n、和若干电感L₁~L_n，n为大于1的正整数；

其中，分闸线圈与储能电容C、触发开关S、若干调节开关S₁~S_n依次串联，电感L₁~L_n与调节开关S₁~S_n一一对应并联。

进一步的，第一原边电路根据快速机械开关流过的电流值，调节流过分闸线圈的放电电流值具体如下：

若快速机械开关流过的电流值大于一个或一系列短路电流阈值I_thX，则导通对应的调节开关S_X，将调节开关S_X所并联的电感L_X旁路，其中，X=1,…,n，，从而使第一原边电路中流经分闸线圈的放电电流值增大。

进一步的，机械开关操动机构的控制方法还包括以下步骤：

确定若干短路电流阈值I_th1~I_thn对应要求的若干断路器反应时间；

根据短路电流阈值I_th1~I_thn对应要求的断路器反应时间，确定对应要求的机械开关分闸速度，结合机械开关机械特性的测试结果，确定第一原边电路中的电流值；

根据短路电流阈值I_th1~I_thn对应的第一原边电路中的电流值，确定电感L₁~L_n值以及分闸线圈的自感L_p的值。

进一步的，快速机械开关操动机构还包括第二原边电路，第二原边电路包括合闸线圈，其中，合闸线圈设置在第二固定板上，所述控制方法还包括以下步骤：

第二原边电路调节流过合闸线圈的放电电流值，从而调节合闸线圈与金属盘之间的电磁斥力值。

本发明的有益效果：本发明通过对快速机械开关开断电流的测量来控制分闸速度，对于小电流开断采用“慢分”，大电流开断采用“快分”，从而降低快速机械开关在大多数分闸工况下的应力，提高开关的机械寿命。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，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。

图1示出了根据本发明实施例的一种分闸速度可调的快速机械开关操动机构结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例的电磁斥力操动机构的等效电路示意图；

图3示出了根据本发明实施例的一种分闸速度可调的快速机械开关操动机构的控制方法的流程示意图。

图中：1、分闸线圈；2、合闸线圈；3、绝缘拉杆；4、金属盘；5、线圈支架；6、第一固定板；7、第二固定板；8、固定螺杆；9、螺母。

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、完整地说明，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

需要说明的是，本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”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。

本发明实施例提出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，通过对快速机械开关开断电流的测量来控制分闸速度，对于小电流开断采用“慢分”，大电流开断采用“快分”，从而降低快速机械开关在大多数分闸工况下的应力，提高开关的机械寿命。

如图1所示，一种分闸速度可调的快速机械开关操动机构，包括分闸线圈1、合闸线圈2、绝缘拉杆3、金属盘4和线圈支架5。

其中，线圈支架5包括以设定间距设置的第一固定板6和第二固定板7，还包括多个固定螺杆8和多个螺母9，具体的，第一固定板6和第二固定板7周边设置有与固定螺杆8数量一一对应的第一通孔，多个固定螺杆8穿过第一固定板6和第二固定板7周边的第一通孔，通过多个螺母9与固定螺杆8螺纹连接，将第二固定板7固定在多个固定螺杆8的下方，将第一固定板6固定在第二固定板7的上方。

通过设置固定螺杆8与螺母9的连接结构，结构简单，成本低，并使得第一固定板6和第二固定板7之间的间距可以根据需要调节，并且调节简单便于操作。

分闸线圈1设置在第一固定板6上，合闸线圈2设置在第二固定板7上，第一固定板6中间位置还设置有第二通孔，绝缘拉杆3与第一固定板6的第二通孔滑动连接，绝缘拉杆3的第一端与灭弧室的动触头连接，绝缘拉杆3的第二端与金属盘4连接，金属盘4设置在第一固定板6和第二固定板7之间，金属盘4和绝缘拉杆3固定连接后实现可以沿第二通孔在上下运动，金属盘4的上下移动被限制在第一固定板6和第二固定板7之间。

金属盘4向上移动带动绝缘拉杆3向上移动，金属盘4与第一固定板6下端抵接时达到合闸位置，绝缘拉杆3带动灭弧室的动触头与静触头抵接实现合闸；金属盘4向下移动带动绝缘拉杆3向下移动，金属盘4与第二固定板7上端抵接时到达分闸位置，绝缘拉杆3带动灭弧室的动触头远离静触头实现分闸。

进一步的，快速机械开关操动机构还包括与第一原边电路和第二原边电路，其中，第一原边电路包括分闸线圈1、储能电容C、触发开关S、若干调节开关S₁~S_n、续流二极管D和若干电感L₁~L_n，金属盘4本身为副边电路。

如图2所示，具体的，分闸线圈1与储能电容C、触发开关S、若干调节开关S₁~S_n依次串联，续流二极管D与储能电容C并联，其中，续流二极管D的阴极与储能电容C的正极连接，续流二极管D的阳极与储能电容C的负极连接。

电感L₁~L_n与调节开关S₁~S_n一一对应并联，n为大于1的正整数。

需要说明的是，R₁为分闸线圈1的等效电阻，R₂表示金属盘4的等效电阻。L_s表示金属盘4的等效电感，L_p为分闸线圈1的自感，M表示分闸线圈1L_p和金属盘4L_s之间的互感，它的值随着金属盘4与分闸线圈1之间的距离变化而变化。电感L₁~L_n适当放置，使其与分闸线圈1或金属盘4间的互感可忽略不计。

在一个实施例中，储能电容C可采用脉冲电容器，触发开关S可采用电控晶闸管或光控晶闸管；调节开关S₁~S_n可采用晶闸管等半控开关器件或绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)等全控开关器件。

在一个实施例中，若有特殊需求，第二原边电路也可以采用所提第一原边电路的拓扑，用于调节合闸速度，例如，第二原边电路包括合闸线圈2、储能电容C’、触发开关S’、若干调节开关S₁’~S_n’、续流二极管D’和若干电感L₁’~L_n’，具体第二原边电路的拓扑不再赘述。

第一原边电路用于根据快速机械开关流过的电流值，调节流过分闸线圈1的放电电流值，从而调节分闸线圈1与金属盘4之间的电磁斥力值。

具体的，当快速机械开关流过的电流值大于阈值，则增大流过分闸线圈1的放电电流值，根据电磁感应原理，使得金属盘4感应出来的涡流增大，进而使作用在金属盘4上的电磁斥力增大，从而加快动触头的分闸速度。

第二原边电路用于调节流过合闸线圈2的放电电流值，从而调节合闸线圈2与金属盘4之间的电磁斥力值。

如图3所示，本发明实施例还提供一种分闸速度可调的快速机械开关操动机构的控制方法，包括以下步骤：

S1、快速机械开关接到上层控保的分闸信号时，使用内置的电流传感器测量快速机械开关流过的电流值。

S2、第一原边电路根据快速机械开关流过的电流值，调节流过分闸线圈1的放电电流值，从而调节分闸线圈1与金属盘4之间的电磁斥力值。

其中，第一原边电路根据快速机械开关流过的电流值，调节流过分闸线圈1的放电电流值具体如下：

若快速机械开关流过的电流值大于一个或一系列短路电流阈值I_thX，则导通对应的调节开关S_X，将调节开关S_X所并联的电感L_X旁路，其中，X=1,…,n，，从而使第一原边电路中流经分闸线圈1的放电电流I₁的峰值增大，根据电磁感应原理，这会使得金属盘4感应出来的涡流I₂增大，进而使作用在金属盘4上的电磁斥力增大，从而加快动触头的分闸速度。

例如，若快速机械开关流过的电流值大于短路电流阈值I_th2，则将调节开关S₁所并联的电感L₁，以及调节开关S₂所并联的电感L₂均旁路，第一原边电路中流经分闸线圈1的放电电流I₁的峰值增大至第一电流值。

例如，若快速机械开关流过的电流值大于短路电流阈值I_th4，则将调节开关S₁所并联的电感L₁、调节开关S₂所并联的电感L₂、调节开关S₃所并联的电感L₃以及调节开关S₄所并联的电感L₄均旁路，第一原边电路中流经分闸线圈1的放电电流I₁的峰值增大至第二电流值，第二电流值大于第一电流值，使得金属盘4感应出来的涡流电流值增大，进而使作用在金属盘4上的电磁斥力增大，从而加快动触头的分闸速度，实现了对于小电流开断采用“慢分”，大电流开断采用“快分”。

在一个实施例中，快速机械开关操动机构的控制方法还包括以下步骤：

S3、根据系统仿真确定若干短路电流阈值I_th1~I_thn对应要求的若干断路器反应时间。

S4、根据短路电流阈值I_th1~I_thn对应要求的断路器反应时间，确定对应要求的机械开关分闸速度，结合机械开关机械特性的测试结果，确定第一原边电路中的电流值。

S5、根据短路电流阈值I_th1~I_thn对应的第一原边电路中的电流值，根据电路仿真确定电感L₁~L_n值以及分闸线圈1的自感L_p的值。

需要说明的是，对于直流断路器，短路故障越严重，要求断路器的反应时间越短，本步骤中根据故障严重时，短路电流较大的特点，基于对应要求的反应时间，确定第一原边电路的各器件的参数值，能够保障操动机构的分闸速度根据故障电流大小自适应调整。

在一个实施例中，快速机械开关操动机构的控制方法还包括以下步骤：

S6、第二原边电路调节流过合闸线圈2的放电电流值，从而调节合闸线圈2与金属盘4之间的电磁斥力。

例如，根据合闸速度要求，确定需要导通的调节开关S_X’，将调节开关S_X’所并联的电感L_X’旁路，其中，X=1,…,n，从而使第二原边电路中流经合闸线圈2的放电电流I₁’的峰值增大，根据电磁感应原理，这会使得金属盘4感应出来的涡流I₂’增大，进而使作用在金属盘4上的电磁斥力增大，从而加快动触头的合闸速度。

需要说明的是，由于在大部分情况，直流断路器只需开断额定电流以下的电流，此时基于所提操动机构的机械开关不会快速分闸，降低了拉杆和金属盘4的应力，提高了机械开关的机械寿命。若故障电流较大，分闸速度将根据故障电流大小自适应调整，保证直流断路器的可靠开断和耐压。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (13)

1.一种分闸速度可调的快速机械开关操动机构，其特征在于，包括第一原边电路、绝缘拉杆、金属盘和线圈支架；

其中，所述第一原边电路包括分闸线圈，所述线圈支架包括以设定间距设置的第一固定板和第二固定板，所述分闸线圈设置在所述第一固定板上，所述绝缘拉杆与所述第一固定板滑动连接，所述绝缘拉杆的两端分别与灭弧室的动触头、所述金属盘连接，所述金属盘设置在所述第一固定板和所述第二固定板之间；

所述第一原边电路用于根据快速机械开关流过的电流值，调节流过所述分闸线圈的放电电流值，从而调节所述分闸线圈与所述金属盘之间的电磁斥力值。

2.根据权利要求1所述的分闸速度可调的快速机械开关操动机构，其特征在于，所述第一原边电路还包括储能电容C、触发开关S、若干调节开关S₁~S_n、和若干电感L₁~L_n，n为大于1的正整数；

其中，分闸线圈与储能电容C、触发开关S、若干调节开关S₁~S_n依次串联，电感L₁~L_n与调节开关S₁~S_n一一对应并联。

3.根据权利要求2所述的分闸速度可调的快速机械开关操动机构，其特征在于，所述第一原边电路还包括与所述储能电容C并联的续流二极管D，其中，所述续流二极管D的阴极与所述储能电容C的正极连接，所述续流二极管D的阳极与所述储能电容C的负极连接。

4.根据权利要求2所述的分闸速度可调的快速机械开关操动机构，其特征在于，所述储能电容C为脉冲电容器。

5.根据权利要求2所述的分闸速度可调的快速机械开关操动机构，其特征在于，所述触发开关S为电控晶闸管或光控晶闸管。

6.根据权利要求2所述的分闸速度可调的快速机械开关操动机构，其特征在于，所述调节开关S₁~S_n为半控开关器件或全控开关器件。

7.根据权利要求1-6任一所述的分闸速度可调的快速机械开关操动机构，其特征在于，还包括第二原边电路，所述第二原边电路包括合闸线圈；

其中，所述合闸线圈设置在所述第二固定板上，所述第二原边电路用于调节流过所述合闸线圈的放电电流值，从而调节所述合闸线圈与所述金属盘之间的电磁斥力值。

8.根据权利要求1-6任一所述的分闸速度可调的快速机械开关操动机构，其特征在于，所述线圈支架还包括多个固定螺杆和多个螺母；

其中，所述第一固定板和所述第二固定板周边设置有与固定螺杆数量一一对应的第一通孔，多个固定螺杆穿过第一固定板和第二固定板周边的第一通孔，通过多个螺母与固定螺杆螺纹连接，将第二固定板固定在多个固定螺杆的下方，并将第一固定板固定在第二固定板的上方。

9.一种分闸速度可调的快速机械开关操动机构的控制方法，其特征在于，快速机械开关操动机构包括第一原边电路、绝缘拉杆、金属盘和线圈支架；其中，第一原边电路包括分闸线圈，线圈支架包括以设定间距设置的第一固定板和第二固定板，分闸线圈设置在第一固定板上，绝缘拉杆与第一固定板滑动连接，绝缘拉杆的两端分别与灭弧室的动触头、金属盘连接，金属盘设置在第一固定板和第二固定板之间，所述控制方法包括以下步骤：

快速机械开关接到上层控保的分闸信号时，使用内置的电流传感器测量快速机械开关流过的电流值；

第一原边电路根据快速机械开关流过的电流值，调节流过分闸线圈的放电电流值，从而调节分闸线圈与金属盘之间的电磁斥力值。

10.根据权利要求9所述的分闸速度可调的快速机械开关操动机构的控制方法，其特征在于，第一原边电路还包括储能电容C、触发开关S、若干调节开关S₁~S_n、和若干电感L₁~L_n，n为大于1的正整数；

其中，分闸线圈与储能电容C、触发开关S、若干调节开关S₁~S_n依次串联，电感L₁~L_n与调节开关S₁~S_n一一对应并联。

11.根据权利要求10所述的分闸速度可调的快速机械开关操动机构的控制方法，其特征在于，第一原边电路根据快速机械开关流过的电流值，调节流过分闸线圈的放电电流值具体如下：

若快速机械开关流过的电流值大于一个或一系列短路电流阈值I_thX，则导通对应的调节开关S_X，将调节开关S_X所并联的电感L_X旁路，其中，X=1,…,n，，从而使第一原边电路中流经分闸线圈的放电电流值增大。

12.根据权利要求11所述的分闸速度可调的快速机械开关操动机构的控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：

确定若干短路电流阈值I_th1~I_thn对应要求的若干断路器反应时间；

根据短路电流阈值I_th1~I_thn对应要求的断路器反应时间，确定对应要求的机械开关分闸速度，结合机械开关机械特性的测试结果，确定第一原边电路中的电流值；

根据短路电流阈值I_th1~I_thn对应的第一原边电路中的电流值，确定电感L₁~L_n值以及分闸线圈的自感L_p的值。

13.根据权利要求9-12任一所述的分闸速度可调的快速机械开关操动机构的控制方法，其特征在于，快速机械开关操动机构还包括第二原边电路，第二原边电路包括合闸线圈，其中，合闸线圈设置在第二固定板上，所述控制方法还包括以下步骤：

第二原边电路调节流过合闸线圈的放电电流值，从而调节合闸线圈与金属盘之间的电磁斥力值。

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