CN116936298A - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明属于断路器技术领域，其提供了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。柔性直流电网中的快速机械开关设备包括：真空灭弧室，真空灭弧室具有静触头和动触头；驱动机构，驱动机构与真空灭弧室的动触头连接，驱动机构能够带动动触头离开或接触静触头。一种直流断路器包括：多个依次串联的直流断路器模块，直流断路器模块包括：主回路，由上述的快速机械开关设备和第一全桥结构串联构成；转移支路，由多个第二全桥结构相互串联构成；和避雷器，构成耗能回路。通过上述技术方案使得柔性直流电网中的快速机械开关设备可以模块化串联设计，实现本设备在超高压、特高压等级直流输电领域的应用；还可以实现电路的毫秒级切断。
Description
技术领域
本发明涉及断路器技术领域，特别涉及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。
背景技术
基于柔性直流输电的直流电网技术是解决新能源并网和消纳的有效手段，近年来得到快速发展。由于直流系统的阻尼较低，与交流输电系统相比，直流系统短路的电流上升很快。柔性直流换流阀、高压直流断路器等高压电力电子装备核心半导体组件故障电流耐受能力差，如果不在数毫秒内实施快速保护，就难以保障设备安全。
发明内容
本发明的目的在于提供一种柔性直流电网中的快速机械开关设备，实现了对输电系统的快速保护。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一方面，一种柔性直流电网中的快速机械开关设备，其包括：真空灭弧室，所述真空灭弧室具有静触头和动触头；驱动机构，所述驱动机构与所述真空灭弧室的动触头连接，所述驱动机构能够带动所述动触头离开或接触所述静触头。
在如上所述的一种柔性直流电网中的快速机械开关设备中，可选地，所述驱动机构包括动导电杆和电磁斥力操动机构，所述动导电杆的一端直接与所述动触头连接，所述电磁斥力操动机构用于控制所述动导电杆移动。
在如上所述的一种柔性直流电网中的快速机械开关设备中，可选地，所述电磁斥力操动机构包括：运动金属盘、固定金属盘、线圈、储能电容和控制单元；所述固定金属盘的数量为两个，所述动导电杆同时穿过相对设置的两个所述固定金属盘，两个所述固定金属盘上分别设有分闸线圈和合闸线圈，且所述分闸线圈和所述合闸线圈均位于两个所述固定金属盘之间；所述控制单元与所述分闸线圈、所述合闸线圈和所述储能电容连接，用于控制所述储能电容对所述分闸线圈和所述合闸线圈进行供电；所述运动金属盘设于所述分闸线圈和所述合闸线圈之间且与所述动导电杆固定连接，所述合闸线圈或所述分闸线圈通电时产生的电磁斥力能够推动所述运动金属盘移动。
在如上所述的一种柔性直流电网中的快速机械开关设备中，可选地，还包括缓冲装置，所述缓冲装置与所述动导电杆的另一端连接，当所述动触头离开所述静触头时，所述缓冲装置能够对所述动导电杆进行缓冲。
在如上所述的一种柔性直流电网中的快速机械开关设备中，可选地，还包括固封极柱，所述固封极柱包裹于所述真空灭弧室的外侧；所述固封极柱的材质为环氧树脂。
在如上所述的一种柔性直流电网中的快速机械开关设备中，可选地，还包括弹簧保持机构，所述弹簧保持机构位于所述合闸线圈的下方，所述弹簧保持机构与所述动导电杆连接，所述弹簧保持机构用于保持所述动导电杆的位置。
在如上所述的一种柔性直流电网中的快速机械开关设备中，可选地，所述弹簧保持机构包括连接杆、连接块、弹簧和基座；所述连接杆的两端分别与动导电杆和连接块的铰接，所述弹簧设于基座和连接块之间；所述弹簧的伸缩方向与所述动导电杆的运动方向相垂直，当所述动导电杆移动时能够带动所述弹簧伸缩；
在如上所述的一种柔性直流电网中的快速机械开关设备中，可选地，所述弹簧保持机构的数量为两个，两个所述弹簧保持机构位于所述电磁斥力操动机构的同一侧且相对于所述动导电杆对称设置。
在如上所述的一种柔性直流电网中的快速机械开关设备中，可选地，当所述真空灭弧室的数量为多个时，还包括多个阻容均压装置，每个所述阻容均压装置均与一个所述真空灭弧室配合使用，所述阻容均压装置包括：均压电容Cg、并联电阻Rp和串联电阻RL；所述均压电容Cg与所述真空灭弧室并联；所述并联电阻Rp与所述真空灭弧室并联；所述串联电阻RL与所述均压电容Cg串联后再与所述真空灭弧室并联。
另一方面，一种直流断路器，其包括：多个依次串联的直流断路器模块，所述直流断路器模块包括：主回路，由上述的柔性直流电网中的快速机械开关设备和第一全桥结构串联构成；转移支路，由多个第二全桥结构相互串联构成；和避雷器，构成耗能回路。
分析可知，本发明公开一种柔性直流电网中的快速机械开关设备，其可靠性高，实现了对高压直流电路的快速切断。本设备是高压电力电子装备的核心保护设备，可实现故障的快速隔离和旁路；通过固封极柱、真空灭弧室、阻容均压装置、电磁斥力操动机构、液压油缓冲装置、弹簧保持机构技术的组合应用，实现电路的毫秒级切断。弹簧保持机构布置在电磁斥力操动机构下方，真空灭弧室固封内的动触头与电磁斥力操动机构动导电杆间不设置绝缘杆，使电磁斥力操动机构处于高电位，从而实现了本设备的模块化串联设计，可以在超高压、特高压等级直流输电领域的应用。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
图1为本发明一实施例提供的一种柔性直流电网中的快速机械开关设备的结构示意图。
图2为本发明一实施例提供的一种弹簧保持机构的结构示意图。
附图标记说明：
1、真空灭弧室；2、固封极柱；3、静触头；4、动触头；5、固定金属盘；6、动导电杆；7、分闸线圈；8、运动金属盘；9、合闸线圈；10、连接杆；11、连接块；12、弹簧；13、基座；14、阻容均压装置；15、横杆。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”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而不是要求本发明必须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。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，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的具体含义。
如图1和图2所示，根据本发明的实施例，提供了一种柔性直流电网中的快速机械开关设备，其包括：真空灭弧室1和驱动机构。真空灭弧室1具有静触头3和动触头4；驱动机构与真空灭弧室1的动触头4连接，驱动机构能够带动动触头4离开或接触静触头3，从而实现本快速机械开关设备的分闸或合闸动作。
真空灭弧室1主要由气密绝缘外壳、屏蔽系统、静触头3、动触头4、波纹管(起密封和缓冲作用)等部分组成，其作用是通过真空灭弧室1内真空环境优良的绝缘性使中高压电路切断电源后能迅速熄弧并抑制电流。驱动机构包括：动导电杆6和电磁斥力操动机构。动导电杆6的一端直接与动触头4连接，例如螺纹连接。电磁斥力操动机构用于控制动导电杆6的移动；动导电杆6为金属材质。电磁斥力操动机构包括：运动金属盘8、固定金属盘5、合闸线圈9、分闸线圈7、储能电容和控制单元。固定金属盘5的数量为两个，动导电杆6依次穿过相对设置的两个固定金属盘5，两个固定金属盘5上均设有线圈，分别为分闸线圈7和合闸线圈9，两个线圈均位于两个固定金属盘5之间。参见图1，位于运动金属盘8上方的线圈为分闸线圈7，位于运动金属盘8下方的线圈为合闸线圈9，即分闸线圈7相对于合闸线圈9靠近动触头4。控制单元与储能电容和两个线圈连接，控制单元能够控制储能电容对两个线圈进行供电。运动金属盘8设于两个固定金属盘5(也即两个线圈)之间且与动导电杆6固定连接以在运动金属盘8运动时带动动导电杆6运动，分闸线圈7或合闸线圈9通电时产生的电磁斥力能够推动运动金属盘8移动，实现本机械开关设备的关合或分断，具体地，分闸线圈7或合闸线圈9在储能电容放电时，会产生磁场，与运动金属盘8中感应电流形成反向作用力，由于分闸线圈7和合闸线圈9是固定地，所以导致运动金属盘8远离分闸线圈7或远离合闸线圈9运动，从而实现本机械开关设备的关合或分断。
驱动机构采用双层螺旋式线圈结构(即本设备中线圈的结构，该结构与电力变压器中线圈的结构相同)和斥力盘(或称运动金属盘8)，该斥力盘可以由呈环形的分闸斥力盘和带有凸台的分闸斥力盘子同轴套设固定形成；采用预充电的储能电容作为分闸线圈7或合闸线圈9的电源，可向线圈放电产生持续几毫秒的脉冲电流。本设备的相关参数可达：激励时间0.4ms，加速度大于3000g，运动速度为10-13m/s，电动力为100kN，运动10mm时间为1.8-1.9ms。驱动机构可以配置若干组储能电容，分别用于分闸和合闸。由于充电需要时间，若干组储能电容可以应用于不同的工况，例如配置四组储能电容，分别用于快速分闸工况、备用快速分闸工况、慢速分闸工况、合闸工况。控制单元可以通过控制功率晶闸管使与工况对应的储能电容放电，控制单元接收动作命令向相应的功率晶闸管发出触发脉冲，功率晶闸管导通，继而储能电容向分闸线圈7或合闸线圈9放电产生脉冲电磁力，驱动动导电杆6运动。动导电杆6的材质可以铜，使得既有通流能力，又有一定的机械强度。固定金属盘5的材质可以为铜，运动金属盘8的材质可以为铝。控制单元的数量可以为两个，此时为分闸线圈7和合闸线圈9分别配置一个控制单元。
本设备还可以包括：缓冲装置，其与动导电杆6的另一端连接，当动导电杆6带动动触头4离开静触头3时，缓冲装置能够对动导电杆6进行缓冲，从而使得在极短的行程(例如10mm～12mm)内将高速运动的动导电杆6的速度降为零，且控制真空灭弧室1的动触头4的分闸回弹减小到允许范围内，避免较大的分闸回弹导致真空灭弧室1的动触头4和静触头3间隙发生绝缘击穿和波纹管损坏这种现象的发生。优选地，缓冲装置为液压油缓冲装置，可实现缓冲行程15mm，速度范围大于12m/s，最大冲击力为90kN。
本设备还可以包括：固封极柱2，其包裹于真空灭弧室1的外侧；材质为环氧树脂。实际应用中，固封极柱2取代了原来断路器上的绝缘支撑和机械支撑，大大减少了断路器的零件和体积，实现了集成模块化，易安装、免维护、体积小、耐压更稳定和可靠。本设备可以采用环氧树脂自动压力凝胶成型工艺将真空灭弧室1和上出线座、下出线座等载流元件封装成一个整体。由于选用材料性能优异的环氧树脂，保证了设备的机械、电气和耐热老化等性能，具有真空密封性能好、绝缘性能可靠、耐高低温冲击和机械冲击性能好、免维护、小型化、易安装等优点。
本设备还可以包括：弹簧保持机构，其位于合闸线圈9的下方，例如合闸线圈9和缓冲装置之间，如此便于多个快速机械开关的串联使用。弹簧保持机构与动导电杆6连接，用于保持动导电杆6的位置。具体地，弹簧保持机构包括：连接杆10、连接块11、弹簧12和基座13。连接杆10的两端分别与动导电杆6和连接块11的铰接，连接块11呈T型，其具有水平部和竖直部，竖直部位于基座13形成的空腔内，水平部的一端与竖直部连接，另一端位于基座13外，并与连接杆10的一端铰接，连接杆10的另一端与横杆15(横杆的一端)铰接，横杆15套接于动导电杆6上，弹簧12位于基座13内，并位于基座13的侧壁和连接块11之间；弹簧12的伸缩方向与动导电杆6的运动方向相垂直，当动导电杆6移动时能够通过连接杆10、连接块11带动弹簧12伸缩。弹簧保持机构的数量为两个，且两个弹簧保持机构相对于动导电杆6对称设置，在图2中，弹簧保持机构的数量为两个，两个弹簧保持机构相对动导电杆6左右对称设置，此时横杆15的一端与一个弹簧保持机构的连接杆10铰接，横杆15的另一端与另一个弹簧保持机构的连接杆10铰接，连接杆10相对水平部或固定金属盘5或分闸线圈7倾斜设置。弹簧保持机构的作用是在不增加分闸时间的基础上解决电磁斥力操动结构在分合位的保持问题，防止电流通过动触头4和静触头3产生的电动力将动触头4和静触头3斥开以及分闸或合闸末期冲力过大造成的回弹。
为了给处于高电位的储能电容提供可靠的电源，通过隔离电源向处于高电位的储能电容充电电源送能，然后由储能电容充电电源给储能电容充电。通过隔离高压的光纤传递分、合闸信号给控制单元，通过控制储能电容放电回路的功率晶闸管的开通和关断，进行分、合闸控制。控制单元要完成电压、电流的数据采集和计算，分合闸延迟时间的计算以及控制，外部输入、输出接口和通信等功能，具体地，采集和整理电压、电流信号；对储能电容电压进行检测，若电压不足，则进行电容器充电，若收到分合闸命令，判断本设备的运行状态和位置都正确时，则进行相应的分合闸操作。在分合闸完毕或动作时间已经超过设定分合闸时间时，立即停止分合闸操作，在不具备操作条件或机构故障的情况下，报警且禁止本设备动作；当生成控制命令后，控制储能电容放电来驱动电磁斥力操动机构动作。
为了使快速机械开关设备满足分闸时间较小，例如小于等于2ms，以及耐受较大最大暂态过电压，例如330kV，的绝缘性能要求，采用传统的单断口隔离开关很难实现，因此采用多个较短行程的断口串联来提高开断速度，并按照模块化实现快速机械开关设备设计。具体地，配置真空灭弧室1的数量为多个，多个真空灭弧室1顺序串联。
当真空灭弧室1的数量为多个时，还包括多个阻容均压装置14，阻容均压装置14整体采用干式无油一体化设计，内部充六氟化硫气体(微正压)，外部套管采用复合绝缘子，每个阻容均压装置14均与一个真空灭弧室1配合使用，阻容均压装置14包括：均压电容Cg、并联电阻Rp和串联电阻RL。均压电容Cg与真空灭弧室1并联；并联电阻Rp与真空灭弧室1并联；串联电阻RL与均压电容Cg串联后再与真空灭弧室1并联，也就是说，阻容均压装置14与真空灭弧室1并联。优选地，均压电容Cg的电容值为8nF-12nF，优选为10nF；并联电阻Rp的电阻值为180MΩ-220MΩ，优选为200MΩ；串联电阻RL的电阻值为80Ω-120Ω，优选为100Ω。阻容均压装置14的配置不能引起直流断路器的负面影响，需要考核直流断路器在不同工况下的运行边界条件。一是直流断路器开关过程中绝缘要求；二是本机械开关设备的直流静态均压限制；为达到直流断路器运行中期望的静态均压的效果，本设备的均压电容Cg两端并联兆欧至百兆欧的并联电阻Rp，使其达到静态均压的效果。三是阻容回路发热功率限制；对于本快速机械开关设备中的阻容均压回路中的电阻，其最大功率不应超过其额定功率限制；四是直流断路器快速重合闸电荷释放；为了抑制电容电荷的直接放电过程对转移支路电流造成的影响，需要对均压电容Cg串联一个容值适中的电阻来释放电容中储存的能量并限制冲击电流的大小并抑制振荡放电。
基于上述考虑，为实现本设备在分断过程中的动态均压能力，通过提取出直流断路器阀塔杂散电容，进而分析提出机械开关断口的均压电容设计，该电容Cg容值优选为10nF。由于考虑到：快速机械开关的动态均压、静态均压限制，以及阻容回路的温升限制，设计并联电阻Rp的优选值为200MΩ。为避免该阻容均压装置14的回路发生振荡，同时抑制电容电荷的重合闸放电过程对转移支路电流的影响，设计串联电阻RL优选值为100Ω。
本申请还提供了一种直流断路器，其包括多个顺序串联的直流断路器模块，直流断路器模块包括：主回路、转移支路和避雷器，三者并联连接。其中，主路由由柔性直流电网中的快速机械开关设备和第一全桥结构串联构成。转移支路由多个第二全桥结构依次串联构成。避雷器构成耗能回路。第一全桥结构可以为IGBT全桥结构。第二全桥结构可以为二极管全桥结构。对应上述要求，直流断路器模块可以采用额定40kV DC电压等级的模块，数量为5个，5个模块串联。直流短路模块的电压等级以及数量，可以根据实际情况进行重新设计，本实施例对此不进行限定。本快速机械开关设备采用无弧分断，当系统正常运行时，快速隔离开关串联在主回路中，当故障发生时，其电流转移到转移支路，快速隔离开关可在无电流时分断。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
在真空灭弧室外设计固封极柱2，实现了模块化设计，结构简单，可拆卸零件少，可靠性高；并且具有较高的绝缘性能，降低环境对真空灭弧室的影响；由于传统的快速断路器会在电磁斥力操动机构的动导电杆6与动触头4间设置绝缘杆，绝缘杆的质量较大，再加上运动金属盘8与动触头4的质量将超出驱动机构的驱动能力，即驱动机构在2ms时间内的开断速度和开距，且较大的拉力负荷也已接近绝缘杆的极限负荷。同时，绝缘杆的使用也造成了快速隔离开关难以模块化设计，无法直接用于更高电压等级的高压直流断路器中。所以设计取消绝缘杆的使用，动触头4与驱动机构直接连接，真空灭弧室与驱动机构不再有一二次电位之分，同处于高电位，虽然提高了对驱动机构耐压水平的要求，但实现了单个开关组件的串联使用，从而实现超高压、特高压快速切断。
本发明公开的快速机械开关是高压电力电子装备的核心保护设备，可实现故障的快速隔离和旁路，达到毫米级；单断口额定电压为60-110KV，为了满足分闸速度与绝缘耐压水平要求，采用N个真空断路器模块串联均压使用，其中保留1-2个的断口冗余。固封极柱2、真空灭弧室1、阻容均压装置14、电磁斥力操动机构、液压油缓冲装置、弹簧保持机构等的技术的组合应用，实现电路的毫秒级切断。弹簧保持机构布置在电磁斥力操动机构下方，真空灭弧室1固封内的动触头4与电磁斥力操动机构和动导电杆6间不设置绝缘杆，电磁斥力操动机构处于高电位，从而实现本设备的模块化串联设计，实现本设备在超高压、特高压等级直流输电领域的应用。
以上所述仅为本发明的优选实施例，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)
1.一种柔性直流电网中的快速机械开关设备，其特征在于，包括：
真空灭弧室，所述真空灭弧室具有静触头和动触头；
驱动机构，所述驱动机构与所述真空灭弧室的动触头连接，所述驱动机构能够带动所述动触头离开或接触所述静触头。
2.根据权利要求1所述的一种柔性直流电网中的快速机械开关设备，其特征在于，所述驱动机构包括：动导电杆和电磁斥力操动机构，所述动导电杆的一端直接与所述动触头连接，所述电磁斥力操动机构用于控制所述动导电杆移动。
3.根据权利要求2所述的一种柔性直流电网中的快速机械开关设备，其特征在于，所述电磁斥力操动机构包括：运动金属盘、固定金属盘、线圈、储能电容和控制单元；
所述固定金属盘的数量为两个，所述动导电杆同时穿过相对设置的两个所述固定金属盘，两个所述固定金属盘上分别设有分闸线圈和合闸线圈，且所述分闸线圈和所述合闸线圈均位于两个所述固定金属盘之间；
所述控制单元与所述分闸线圈、所述合闸线圈和所述储能电容连接，用于控制所述储能电容对所述分闸线圈和所述合闸线圈进行供电；
所述运动金属盘设于所述分闸线圈和所述合闸线圈之间且与所述动导电杆固定连接，所述合闸线圈或所述分闸线圈通电时产生的电磁斥力能够推动所述运动金属盘移动。
4.根据权利要求2所述的一种柔性直流电网中的快速机械开关设备，其特征在于，还包括：缓冲装置，所述缓冲装置与所述动导电杆的另一端连接，当所述动触头离开所述静触头时，所述缓冲装置能够对所述动导电杆进行缓冲。
5.根据权利要求1所述的一种柔性直流电网中的快速机械开关设备，其特征在于，还包括：固封极柱，所述固封极柱包裹于所述真空灭弧室的外侧；
所述固封极柱的材质为环氧树脂。
6.根据权利要求3所述的一种柔性直流电网中的快速机械开关设备，其特征在于，还包括：弹簧保持机构，所述弹簧保持机构位于所述合闸线圈的下方，所述弹簧保持机构与所述动导电杆连接，所述弹簧保持机构用于保持所述动导电杆的位置。
7.根据权利要求6所述的一种柔性直流电网中的快速机械开关设备，其特征在于，所述弹簧保持机构包括：连接杆、连接块、弹簧和基座；
所述连接杆的两端分别与动导电杆和连接块的铰接，所述弹簧设于基座和连接块之间；
所述弹簧的伸缩方向与所述动导电杆的运动方向相垂直，当所述动导电杆移动时能够带动所述弹簧伸缩。
8.根据权利要求6所述的一种柔性直流电网中的快速机械开关设备，其特征在于，所述弹簧保持机构的数量为两个，两个所述弹簧保持机构位于所述电磁斥力操动机构的同一侧且相对于所述动导电杆对称设置。
9.根据权利要求1所述的一种柔性直流电网中的快速机械开关设备，其特征在于，当所述真空灭弧室的数量为多个时，还包括：多个阻容均压装置，每个所述阻容均压装置均与一个所述真空灭弧室配合使用，所述阻容均压装置包括：均压电容Cg、并联电阻Rp和串联电阻RL；
所述均压电容Cg与所述真空灭弧室并联；
所述并联电阻Rp与所述真空灭弧室并联；
所述串联电阻RL与所述均压电容Cg串联后再与所述真空灭弧室并联。
10.一种直流断路器，其特征在于，所述直流断路器包括：多个依次串联的直流断路器模块，所述直流断路器模块包括：
主回路，由权利要求1-9中任一项所述的柔性直流电网中的快速机械开关设备和第一全桥结构串联构成；
转移支路，由多个第二全桥结构相互串联构成；和
避雷器，构成耗能回路。
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|---|---|---|---|
| CN202210331859.5A CN116936298A (zh) | 2022-03-30 | 2022-03-30 | 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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|---|---|---|---|---|
| CN117498284A (zh) * | 2023-10-26 | 2024-02-02 | 武汉大学 | 一种基于短路故障电流智能自驱的串联补偿电容装置 |
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- 2022-03-30 CN CN202210331859.5A patent/CN116936298A/zh active Pending
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| CN117498284B (zh) * | 2023-10-26 | 2024-04-05 | 武汉大学 | 一种基于短路故障电流智能自驱的串联补偿电容装置 |
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