CN201282091Y - 高压、超高压大电流断路器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种高压、超高压大电流断路器，它由具有选相功能的光控智能真空断路器模块通过串和/或并联组合而成。每个真空断路器模块在并联电阻电容装置或电阻电容装置和氧化锌避雷器阀片后，进行串联；在上述真空断路器模块的多条串联支路同时连接紧耦合电抗器，实现多条真空断路器模块串联支路的并联；本实用新型把高压、大电流分配到相对低压、小电流的各个串联、并联真空断路器模块共同承担。由于每个模块的动触头质量小、行程短、时间分散性小，可以保证触头动作的快速、精确控制，从而实现大容量高压、超高压断路器的快速、精确选相分合闸操作。

Description

高压、超高压大电流断路器

技术领域

本实用新型涉及一种高压、超高压断路器，特别涉及一种由具有选相功能的光控智能真空断路器模块串并联组合方法构成的高压、超高压大电流断路器，属于电力保护设备技术领域。

背景技术

在电力系统可能发生的各种故障中，对电力系统稳定运行和电力设备危害最大、导致大面积停电事故而且发生概率较大的首推短路故障。随着电力系统通过自身扩容和网际互联，系统结构更加趋于复杂化，短路容量和短路电流也越来越大。当短路电流超过断路器的开断能力后，断路器无法有效切除短路故障，这会严重威胁到电力设备乃至整个电力系统的安全运行。目前，我国输电网中部分节点的短路电流水平已经超过100kA；发电机出口短路电流也越来越大：300MW机组短路电流可达128.7～194.7kA，600MW机组短路电流可达180kA以上，三峡机组短路电流甚至可达到315kA。国内断路器开断能力远不能满足要求，进口断路器价格太高，限制了其在国内电厂中的应用，而且也难以满足类似三峡机组的过大短路电流的开断要求。因此，断路器已经成为制约电力行业发展的主要技术瓶颈。

同时，在高压、超高压及大电流领域目前应用最为广泛的SF₆断路器由于环保原因将逐渐被限制使用。真空被认为是最可能代替SF₆的绝缘、灭弧介质，但由于真空介质的特殊性质，导致真空断路器目前只适用于中低压场合；且由于技术及加工工艺等方面的限制，真空断路器额定电流及额定短路电流等参数无法大幅提高，不能满足大电流应用场合。上述原因限制了真空断路器在高压、大电流等领域的应用。

另外，随着系统规模和容量增大，故障电流增大，内部过电压升高，传统的开关操作容易引起系统的不稳定，而同时用户对供电质量的要求却日益提高。选相分合闸可以根据不同的负载特性，控制断路器在电压或电流最有利的相位完成合闸或分闸，可以主动消除开关过程所产生的涌流和过电压等电磁暂态效应，避免系统的不稳定。但是，对于传统高压、大电流断路器而言由于触头间隙长，动触头质量大，分合闸操作时间长，且分散性大，很难实现分合闸的快速、精确选相控制。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种高压、超高压大电流断路器，它由具有选相功能的光控智能真空断路器模块串并联构成，既可应用于高压、大电流系统；又能够精确快速实现高压、超高压大电流断路器包括故障电流选相开断在内的智能选相分合闸操作。

本实用新型的技术方案是：一种高压、超高压大电流断路器，其特征在于：它由具有选相功能的光控智能真空断路器模块通过串和/或并联组合而成。

如上所述的高压、超高压大电流断路器，其特征在于：每个真空断路器模块包括智能选相控制器低电位单元、智能选相控制器高电位单元，功率驱动单元，多方取能操作电源系统，永磁操动机构，真空灭弧室和外绝缘系统；智能选相控制器低电位单元、智能选相控制器高电位单元、功率驱动单元和永磁操动机构依次电连接，静触头、动触头和分闸弹簧位于真空灭弧室内，动触头与永磁操动机构的驱动杆直接相连，多方取能操作电源系统与功率驱动单元电连接，多方取能操作电源系统包括电流取能、电压取能和低位送能；外绝缘系统包围真空灭弧室。

如上所述的高压、超高压大电流断路器，其特征在于：智能选相控制器高、低电位单元中采用数字信号处理器。

如上所述的高压、超高压大电流断路器，其特征在于：智能选相控制器低电位单元和智能选相控制器高电位单元间采用光纤控制接口连接。

如上所述的高压、超高压大电流断路器，其特征在于：真空断路器三相中每相配置独立的永磁操动机构。

如上所述的高压、超高压大电流断路器，其特征在于：每个真空断路器模块在并联电阻电容装置或电阻电容装置和氧化锌避雷器阀片后，进行串联。

如上所述的高压、超高压大电流断路器，其特征在于：真空断路器模块的多条串联支路同时连接紧耦合电抗器，实现多条真空断路器模块串联支路的并联。

本实用新型的工作原理是：在每个真空断路器模块中，电站计算机系统发出动作指令，智能选相控制器低电位单元根据从电压互感器PT和电流互感器CT采集到的电网三相电压与三相电流信号，计算出最佳分/合闸相位，同时根据由光纤控制接口传送的智能选相控制器高电位单元实时采集到的真空断路器状态信息(开关位置、控制电压和环境温度等)，分别来自智能选相控制器高电位单元中的开关位置传感器、控制电压传感器和环境温度传感器，不断调整开关动作时间的补偿参数，计算出需要的延时后发出操作指令；智能选相控制器高电位单元通过光纤控制接口收到操作指令后，向功率驱动单元发出分、合闸信号；凭借多方取能操作电源系统的可靠供电，功率驱动单元在智能选相控制器高电位单元的控制下给永磁操动机构的充放电线圈充电，实现真空断路器的分/合闸操动；真空断路器动作结束后，智能选相控制器低电位单元记录操作结果，并把真空断路器状态信息和操作结果回送到电站计算机系统。

本实用新型的有益效果是：(1)本实用新型把高压、大电流分配到相对低压、小电流的各个串联、并联真空断路器模块共同承担。这种基于真空断路器模块串并联组合的开关结构形式，可以成倍提高单个真空灭弧室的工作电压等级、载流能力和遮断容量，可以将真空断路器应用于高压、大电流系统。(2)每个真空断路器模块的动触头质量小，开距短，因此分、合闸时间及触头满行程运动时间短，时间分散性小，可精确预测并控制分、合闸时间，可以基于各自的独立操动机构实现精确快速的选相分合闸操作，从根本上改变电力系统在开关操作时的过电压和涌流特性，同时选相功能的实现将大幅提高开关的分断能力(3)而以各个真空断路器模块的精确选相操作为基础，通过电阻电容装置并联氧化锌避雷器阀片均压的方式和紧耦合电抗器技术，串并联组合式高压、超高压大电流断路器，能够实现包括故障电流选相开断在内的智能选相分合闸操作。

附图说明

图1，本实用新型实施例的单个真空断路器模块工作原理简图。

图2，图1中的永磁操动机构与真空灭弧室结构原理图。

图3，本实用新型实施例采用电阻电容装置和氧化锌避雷器阀片组成的双重均压结构原理简图。

图4(1)，单个高压大电流断路器示意简图。

图4(2)，本实用新型实施例多个真空断路器模块工作的结构示意简图。

图5，图1中的功率驱动单元及电流取能方式电源工作原理图。

图6，图1中的电压取能方式电源工作原理图。

图7，图1中的低位送能方式电源工作原理图。

图8，图1中的智能选相控制器低电位单元软件原理图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型高压、超高压大电流断路器做详细的说明。

图1中标记的说明：1-智能选相控制器低电位单元，2-智能选相控制器高电位单元，3-功率驱动单元，4-多方取能操作电源系统，5-电流取能，6-电压取能，7-低位送能，8-永磁操动机构，9-真空灭弧室，10-外绝缘系统，PT-电压互感器，CT-电流互感器。

图2中标记的说明：11-静触头，12-分闸弹簧，13-动触头，14-盖板，15-磁路导向环，16-永磁体，17-静铁心，18-充放电线圈，19-动铁心，20-驱动杆。

图3中标记的说明：21-真空断路器模块，22-氧化锌避雷器阀片，23-电容器C，24-电阻R₂，25-电阻R₁。

图5中标记的说明：TVS-瞬时电压浪涌抑制器，B1、B2-整流桥，C1-滤波电容，C-储能电容器，S-大功率可控晶闸管，31-充放电线圈，34-稳压电路，35-逆变电路，36-蓄电池。

图6中标记的说明：R1、R2、R3-电阻，D1、D2、D3-稳压二极管，C2、C3-滤波电容，Q3-晶闸管，i-电流方向。

图7中标记的说明：37-逆变器，K-开关，T-磁环，B3-整流桥。

本实用新型实施例的单个真空断路器模块工作原理简图如图1所示，包括智能选相控制器低电位单元1、高电位单元2，功率驱动单元3，多方取能操作电源系统4，永磁操动机构8，真空灭弧室9和外绝缘系统10等；智能选相控制器低电位单元1、智能选相控制器高电位单元2、功率驱动单元3、永磁操动机构8和真空灭弧室9顺序连接，多方取能操作电源系统4与功率驱动单元3连接，它包括电流取能5、电压取能6和低位送能7；外绝缘系统10包围真空灭弧室9；

智能选相控制器低电位单元1接收电站计算机系统发出的远动/就地操作指令，并反馈真空断路器状态信息，且从电压互感器PT和电流互感器CT采集电网三相电压与三相电流信号；

智能选相控制器高电位单元2采集到开关位置状态、控制电压和环境温度等真空断路器状态信息，传给智能选相控制器低电位单元1；智能选相控制器低电位单元1发出操作指令传给智能选相控制器高电位单元2，智能选相控制器高电位单元2收到操作指令后，向功率驱动单元3发出分/合闸信号，与多方取能操作电源系统4电连接的功率驱动单元3驱动永磁操动机构8，实现真空断路器的分/合闸操动。

智能选相控制器低电位单元1、高电位单元2均采用数字信号处理器(DSP处理器)；两者之间的信号传输采用光纤控制接口；真空断路器三相中每相配置独立的永磁操动机构8。

上述所说的永磁操动机构8以单稳态永磁操动机构为例，图2中，真空灭弧室9包括静触头11，分闸弹簧12，动触头13；单稳态永磁操动机构8包括盖板14，磁路导向环15，永磁体16，静铁心17，充放电线圈18，动铁心19，驱动杆20；

分闸弹簧12连接在静触头11和动触头13之间；驱动杆20和动铁心19相连，并与真空灭弧室9中的动触头13连接；静铁心17的上端固定非导磁盖板14；永磁体16上端与磁路导向环15连接，下端与充放电线圈18连接。分合闸操作采用同一个单充放电线圈18，通过给充放电线圈18不同方向电流来实现分合闸操作，合闸状态靠磁力保持，分闸状态靠分闸弹簧12。在分闸中，是靠释放分闸弹簧12的能量来完成的，具有较高的刚分速度；单稳态永磁操动机构8零件数少，运动部件只有一个动铁心19，机械寿命和可靠性大大提高；单稳态永磁操动机构8和真空灭弧室9处于同一高电位，简化了绝缘；其分合闸操作共用一个充放电线圈18，具有小型化和免维护的优点；动作时间分散性小，便于实现分相独立操动。

本实用新型实施例中多个真空断路器模块的串联技术：每个串联的真空断路器模块21(简画)是图1和图2所述的能够实现选相分合闸功能的光控智能真空断路器，三相独立。单个真空断路器模块21的进出线两端并联电阻电容装置以及氧化锌避雷器阀片22，如图3所示，电阻电容装置包括电容器C23，串联小电阻R₁25和并联大电阻R₂24。真空灭弧室9中电流熄灭后，电容器C23、电阻R₁25串联支路起均压作用，其中电阻R₁25用来限制暂态情况下通过电容器C23的电流；电阻R₂24与电容器C23、电阻R₁25串联支路并联构成回路，用来泻放操作暂态过程中电容器C23中存储的电能。在每个真空断路器模块21的两端同时还并联氧化锌避雷器阀片22，合理选取避雷器残压，限制真空断路器的恢复电压幅值，从而减小重燃或重击穿的可能性，实现多个真空断路器模块21的可靠串联运行。

如图4(2)所示，在图3所述的多个真空断路器模块21串联的基础上，在两组多个真空断路器模块21串联后构成的高压真空断路器的出线上，同时连接紧耦合电抗器，通过其自动均流限流作用，并联运行。实现多个真空断路器模块21串联、并联组合成高压、超高压大电流断路器。

与图4(1)所示的单个高压大电流断路器相比，图4(2)所示的本实用新型实施例的每个真空断路器模块21的动触头13质量小，开距短，因此分、合闸时间及动触头13满行程运动时间短，时间分散性小，可精确预测并控制分、合闸时间；由于每个真空断路器模块21都能够基于各自的独立永磁操动机构8实现精确选相分合闸操作，合理设计模块21间通信，将把每个模块21的精确选相功能体现到串、并联组合后的高压、超高压大电流断路器上。

图1中的功率驱动单元3工作原理图如图5所示，电流互感器CT，瞬时电压浪涌抑制器TVS，整流桥B1，滤波电容C1，稳压电路34，逆变电路35，整流桥B2，储能电容器C依次电连接，分合闸充放电线圈31和大功率可控晶闸管S串联后与储能电容器C并联，逆变电路电连接一个蓄电池36；

多方取能操作电源系统4一直对储能电容器C进行充电，当大功率可控晶闸管S收到智能选相控制器高电位单元2的分/合闸信号后，已充满电的储能电容器C对单稳态永磁操动机构8中的充放电线圈31放电，产生脉冲磁场驱动动铁心32运动。

图5中，多方取能操作电源系统4采用直接从高压侧母线电流取能的方法。当真空断路器处于闭合状态时，电流互感器CT直接从电网的负载电流中取出能量，经过瞬时电压浪涌抑制器TVS，整流桥B1、滤波电容C1和稳压电路34后变为低压直流源，再经逆变电路35和整流桥B2后给储能电容器C充电。当真空断路器处于分闸状态或系统空载时，电流互感器CT无法直接从电网电流中取出能量，可在逆变电路35前增加一个蓄电池36。经过稳压电路34后的低压直流源同时对蓄电池36进行恒压浮充电，电流取能方式不成功时，由已经充电的蓄电池36进行逆变电路35和整流桥B2后，给储能电容器C充电。

图1中的电压取能方式电源工作原理图如图6所示，为进一步保证真空断路器在长期分闸条件下的操作电源供应，还采用电压取能方式电源来保证可靠取能，当电压在正半周时，电流i为图中所示方向，通过滤波电容C2、电阻R1和稳压二极管D3向储能电容器C充电。当储能电容器C的端电压超过稳压二极管D1限幅值时，晶闸管Q3导通，稳压二极管D3截止，停止给储能电容器C充电。储能电容器C的端电压保持为限幅值，储能电容器C的储能就是工作电源。

当真空断路器两侧断电时间太长，电流取能和电压取能方式都不能获取能量且蓄电池电源不足时，可采用低位送能方式，图1中的低位送能方式电源工作原理图见图7，处于地电位的任意直流电源，经逆变器37得到高频电流源。根据电磁感应原理，通过磁环T把地电位的能量送到高压侧。由磁环T得到的高频电源经过滤波、稳压和整流桥B3后为储能电容器C充电。充好后，断开开关K，停止给储能电容器C充电。

实施例：电站计算机系统发出动作指令，智能选相控制器低电位单元1根据从电压互感器PT和电流互感器CT采集到的电网三相电压与三相电流信号，计算出最佳分/合闸相位，同时根据由光纤控制接口传送的智能选相控制器高电位单元2实时采集到的真空断路器状态信息(开关位置、控制电压和环境温度等)，分别来自开关位置传感器、控制电压传感器和环境温度传感器，不断调整开关动作时间的补偿参数，计算出需要的延时后发出操作指令；智能选相控制器高电位单元2通过光纤控制接口收到操作指令后，向功率驱动单元3发出分、合闸信号；凭借多方取能操作电源系统4的可靠供电，功率驱动单元3在智能选相控制器高电位单元2的控制下给永磁操动机构8的充放电线圈31充电，实现真空断路器的分/合闸操动；真空断路器动作结束后，智能选相控制器低电位单元1记录操作结果，并通过通讯接口把真空断路器状态信息和操作结果回送到电站计算机系统。

图1中的智能选相控制器低电位单元1软件原理图如图8所示，为了保证控制系统正常工作，启动时必须自检。系统自检通过后，程序进入初始化阶段，包括DSP控制寄存器设置，定时器、内部数据存储器的初始化。系统没有收到就地/远动指令时，完成电网参数采集、控制电压和环境温度监测、为电站计算机系统上传数据等功能。当通过多种通讯接口收到就地/远动指令后，检测控制电压、环境温度和开关触头位置等开关状态信息是否满足分合闸条件，进而自适应计算最佳分合闸相位所需的延时触发时间，按照不同负载特性调用相关子程序，完成选相分合闸的功能并记录操作结果。

本实用新型特点还表现为：在每个真空断路器模块的进出线两端并联电阻电容装置后可以加强上下真空灭弧室的分压均匀性。同时，再并联氧化锌避雷器阀片，这样，在弧后介质恢复的过程中，某个真空断路器模块灭弧室承受恢复电压过高时，与之并联的氧化锌避雷器阀片先动作，限制真空灭弧室触头间恢复电压，避免真空灭弧室重燃或重击穿，从而多个真空灭弧室共同完成分断过程。相较单纯由电阻电容装置均压的串联真空断路器模块运行方式，在氧化锌避雷器阀片的辅助均压作用下，开断过程更能减少真空灭弧室重击穿的次数，提高串联真空断路器开断能力。

串联后的真空断路器模块支路通过紧耦合电抗器连接在一起实现并联运行，紧耦合电抗器正常工作时保证并联支路间电流均分，紧耦合电抗器表现为小阻抗，功耗小；而当多个真空断路器模块动作不一致，先动作真空断路器模块过零熄弧后，紧耦合电抗器工作在自动限流状态，紧耦合电抗器表现为大的限流电抗，限制故障电流，从而后开断真空断路器模块可单独完成故障电流的开断，从而实现多个真空断路器串联模块的可靠并联运行。

Claims (7)

1、一种高压、超高压大电流断路器，其特征在于：它由具有选相功能的光控智能真空断路器模块通过串和/或并联组合而成。

2、根据权利要求1所述的高压、超高压大电流断路器，其特征在于：每个真空断路器模块包括智能选相控制器低电位单元、智能选相控制器高电位单元，功率驱动单元，多方取能操作电源系统，永磁操动机构，真空灭弧室和外绝缘系统；智能选相控制器低电位单元、智能选相控制器高电位单元、功率驱动单元和永磁操动机构依次电连接，静触头、动触头和分闸弹簧位于真空灭弧室内，动触头与永磁操动机构的驱动杆直接相连，多方取能操作电源系统与功率驱动单元电连接，多方取能操作电源系统包括电流取能、电压取能和低位送能；外绝缘系统包围真空灭弧室。

3、根据权利要求2所述的高压、超高压大电流断路器，其特征在于：智能选相控制器高、低电位单元中采用数字信号处理器。

4、根据权利要求2所述的高压、超高压大电流断路器，其特征在于：智能选相控制器低电位单元和智能选相控制器高电位单元间采用光纤控制接口连接。

5、根据权利要求2所述的高压、超高压大电流断路器，其特征在于：真空断路器三相中每相配置独立的永磁操动机构。

6、根据权利要求1或2所述的高压、超高压大电流断路器，其特征在于：每个真空断路器模块在并联电阻电容装置或电阻电容装置和氧化锌避雷器阀片后，进行串联。

7、根据权利要求1或2所述的高压、超高压大电流断路器，其特征在于：真空断路器模块的多条串联支路同时连接紧耦合电抗器，实现多条真空断路器模块串联支路的并联。

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