CN110783139A - 一种可变电极形状的耦合式触头开关及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可变电极形状的耦合式触头开关及方法，涉及高压电器技术领域。该触头开关包括触头动端a，触头静端b，触头动端c，触头静端d，双动装置。本发明突破直流断路器中机械式开关设计思想，开关双侧触头均由动端和静端耦合组成。提升整台开关的操作速度至原来2倍。通过设计的可变电极形状的耦合式触头开关结构和提出的全新双动式操作方式，在减小超程、提高分闸速度的同时也提升了击穿电压。双侧触头结构随着开关操作过程而不断变化：在导通时触头间有三处位置提供闭合力，保证可靠接触的同时，使开关超程减小至原来的1/3。在触头运动至分闸位置后，板‑板间的规则电极结构，极大提升了触头间电场均匀度和击穿电压。
Description
技术领域
本发明属于高压电器技术领域，尤其涉及一种可变电极形状的耦合式触头开关及方法。
背景技术
随着1997年第一个基于电压源换流器(VSC)技术的直流输电工程的出现，柔性直流输电技术在大电网互联、新能源并消纳和远距离大容量输电等方面具有突出优势，使得高压直流输电工程迅速发展并受到各国的高度关注。目前在全球范围内，欧洲、美洲、亚洲、大洋洲、非洲的16个国家共有14个柔性直流输电工程投运，其中4个工程用于风电接入、7个工程用于电网互联、1个工程用于大型城市供电、2个工程用于海上钻井平台供电。我国也规划建设了多个多端直流电网工程，解决西北、沿海等地区电网薄弱导致的大规模清洁能源汇集与送出难题：2011年7月在上海南汇建成中国首个±30kV/20MW的柔性直流输电示范工程；2014年在浙江舟山建成±200kV/400MW五端柔性直流输电工程；2015年12月建成世界上电压等级最高、输送容量最大的真双极柔性直流输电工程，厦门±320kV/1000MW的柔性直流输电科技示范工程；2017年12月14日，500kV/3000MW张北柔性直流输电试验示范工程获得国家核准，2018年2月28日，该工程正式开工建设。可见，无论是满足新能源消纳、促进交流电网互联，还是实现远距离大容量输电，高压直流输电都是未来电网的发展方向。
然而，制约高压直流电网发展的最重要的技术瓶颈是直流故障的快速隔离技术。直流电网在故障隔离方面的主要难点表现在如下几方面：(1)故障过程中短路电流没有极性变化，不存在过零点，断路器灭弧困难。(2)对快速切除故障的要求极高，直流电网的故障切除时间一般需要控制在5ms以内，否则会对设备安全构成严重威胁。为保障未来高压大容量柔性直流电网安全、可靠及稳定运行,研究可以实现直流电网故障快速隔离功能的高压直流断路器是当前亟待解决的问题之一。
目前，高压直流断路器根据直流断路器中关键开断器件类型可分为机械式直流断路器、全固态式直流断路器、混合型高压直流断路器三类。混合型直流断路器具有分闸速度快、无电弧开断、带载能力强、绝缘性能等突出优点，近年来已成为直流断路器的研究热点和发展方向。为了在极短时间(5ms内)开断直流输电系统的故障电流，需要混合型直流断路器中快速机械开关具备极高的动作性能和绝缘性能。因此，混合型直流断路器中机械开关设计以及快速隔机理的研究是实现这一技术的关键。
随着直流输电技术的发展，对直流断路器提出了高耐受电压、快速分闸、高机械寿命、动作稳定等要求。然而，受限于机械式开关操作速度、操动机构行程和断口绝缘性能，在当前高电压等级的直流断路器中必须要多个机械式开关串联，极大地增加了电网的运行成本和开关操作故障发生的风险。因此，突破以往混合型直流断路器中机械式开关的分闸速度、操动机构行程、开关机械寿命、断口绝缘性能、动作可靠性的技术瓶颈，研究新型开关及快速隔离机理，对于提高直流断路器的动作可靠性、机械寿命和电压等级，促进电力系统的安全稳定运行具有重要的意义。
ABB公司于2012年在国际上率先研制出世界首个具备工程应用意义的80kV基于IGBT直接串联混合型直流断路器样机，其分断时间5ms，分断电流9kA；南方电网公司依托国家863项目“直流断路器关键技术研究”，于2014年年底研制出额定电压55kV、分断电流16kA、分断时间5ms的直流断路器样机，并己经通过实验，目前正在积极推动断路器在南澳工程中示范应用。ALSTOM公司于2014年研制出额定电压120kV混合型直流断路器，其额定电流1.5kA、分断时间5.5ms、分断电流5.2kA，并通过了试验验证。在国家电网公司科技项目的支持下，国网智能电网研究院采用自主提出的全桥级联混合型直流断路器拓扑结构，于2014年开发出国际上首台额定电压200kV、额定电流2kA、分断电流15kA、分断时间3ms的直流断路器，并于2016年12月在舟山五端直流工程中示范应用。
综上所述，当前的直流输电系统的故障隔离技术已取得一定进展，然而，混合型直流断路器的研究领域仍然存在以下的技术局限：(1)受限于机械式开关的操作速度，目前160kV以上电压等级的混合型直流断路器，必须采用4-10台开关模块串联操作，要求多开关在极短时间内同时完成分闸动作，增加建设成本的同时，长期运行会带来多开关动作分散性等难题；(2)由于气体开关超程较大，影响开关的分闸时间，目前混合型直流断路器中的机械式开关采用真空断口进行隔离，真空隔离断口存在绝缘饱和的局限，为了提高开关的绝缘性能，目前解决方案普遍采用多个真空断口串联，以制造足够的绝缘距离，不可避免地带来了多断口绝缘配合同期性的问题，极大降低了开关的可靠性。因此，当前的混合型直流断路器中的机械式开关与隔离操作技术难以满足直流输电的建设需求与发展趋势。随着直流输电技术的发展，对直流断路器提出了高耐受电压、快速分闸、动作稳定等要求。因此，为了满足高压直流输电工程的需求，必须攻克混合型直流断路器中机械式开关的分闸速度、绝缘性能和动作可靠性等难题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种可变电极形状的耦合式触头开关及方法。突破直流断路器中机械式开关设计思想，提出一种机械开关的可变电极形状的耦合式触头开关和新型双动式操作方式。开关双侧触头均由动端和静端耦合组成。提升整台开关的操作速度至原来2倍。通过设计的可变电极形状的耦合式触头开关结构和提出的全新双动式操作方式，在减小超程、提高分闸速度的同时也提升了击穿电压。使开关满足更高的电压等级的直流电网操作任务。双侧触头结构随着开关操作过程而不断变化：在导通时触头间有三处位置提供闭合力，保证可靠接触的同时，使开关超程减小至原来的1/3。在触头运动至分闸位置后，原来的圆环-棒间不规则电极结构，变成了板-板间的规则电极结构，极大提升了触头间电场均匀度和击穿电压。
本发明所采取的技术方案是：
一方面，本发明提供一种可变电极形状的耦合式触头开关，包括包括触头动端a，触头静端b，触头动端c，触头静端d，双动装置；
触头动端a一端与触头静端b滑动接触，触头动端a另一端与双动装置一端由转动螺栓连接，双动装置另一端与触头动端c一端由固定螺栓连接，触头动端c一端与触头静端d滑动接触；
在双侧触头的动端和静端接触位置呈瓣状结构，合闸位置提供足够的闭合力，保证双侧的4个触头在开关导通时可靠接触。
另一方面，一种可变电极形状的耦合式触头开关方法，通过前述一种可变电极形状的耦合式触头开关实现：
合闸状态时，触头动端a与触头静端b，触头动端a与触头动端c，触头静端b与触头动端c接触导通；在合闸时触头闭合位置与有效电接触区域，有三个触头同时接触导通，在触头接触时，合闸时触头闭合位置为触头动端a与触头静端b提供闭合力；合闸时触头闭合位置为触头动端a与触头动端c提供闭合力；合闸时触头闭合位置为触头动端c与触头静端d提供闭合力；
合闸过程中：触头动端a向双动装置方向运动；联动双动装置向触头动端a方向运动；通过双动装置与触头动端c固定螺栓的作用，带动触头动端c向触头静端方向运动；从而实现合闸过程中触头动端a驱动触头动端同时相对运动的目的，提高合闸速度至以往的2倍；
分闸过程中，触头动端a向触头静端方向运动；联动双动装置向触头动端a相反方向运动；通过双动装置与触头动端c固定螺栓的作用，带动触头动端c向双动装置方向运动；从而实现分闸过程中触头动端a驱动触头动端同时相反方向运动的目的，提高分闸速度至以往的2倍；
分闸状态时：触头动端a运动至分闸位置，与触头静端b形成平板电极结构；触头动端c运动至分闸位置，与触头静端d形成平板电极结构；4个触头之间原来的圆环-棒间不规则电极结构，变成了板-板间的规则电极结构，从而优化了触头间的场强，在减小超程的同时也提升了击穿电压。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
(1)提出双侧动静触头耦合的开关结构，实现4个触头的3处位置闭合，保证可靠闭合同时，使开关超程减小至原来的1/3，减小气体开关的分闸时间。
(2)合闸时，三个触头的同时接触导通，与以往双触头接触导通相比，导通更可靠，接触面积更大，接触电阻更小，合闸更稳定。
(3)发明可变电极形状的耦合式触头结构和方法，在断口电压最大位置，通过自适应调节触头结构，形成板-板间规则电极形状，可以优化断口的的电场分布，提升击穿电压。
(4)出一种机械开关的新型双动式操作方式，通过设计断口内部的双动结构和操作方式，使整台开关的分闸速度提升至原来的2倍。
(5)发明改进触头结构的SF6双动式开关，提高开关断口绝缘等级，突破以往直流断路器中机械式开关真空断口绝缘饱和的局限。
附图说明
图1为可变电极形状的耦合式触头开关结构示意图；
图中，1-触头动端a，2-触头静端b，3-触头动端c，4-触头静端d，5-双动装置，6-合闸时触头闭合位置，7-合闸时触头闭合位置与有效电接触区域，8-合闸时触头闭合位置；
图2为分闸位置电极结构示意图；
图3为双侧触头瓣状接触结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。
一种可变电极形状的耦合式触头开关，如图1所示，包括1-触头动端a，2-触头静端b，3-触头动端c，4-触头静端d，5-双动装置；
1-触头动端a一端与2-触头静端b滑动接触，1-触头动端a另一端与5-双动装置一端由转动螺栓连接，5-双动装置另一端与3-触头动端c一端由固定螺栓连接，3-触头动端c一端与4-触头静端d滑动接触；
在双侧触头的动端和静端接触位置呈瓣状结构，合闸位置提供足够的闭合力，保证双侧的4个触头在开关导通时可靠接触；
合闸状态时：1-触头动端a与2-触头静端b，1-触头动端a与3-触头动端c，2-触头静端b与3-触头动端c接触导通。在7-合闸时触头闭合位置与有效电接触区域，有三个触头同时接触导通，本实施例中三个触头同时接触导通，与以往双触头接触导通相比，导通更可靠，接触面积更大，接触电阻更小，合闸更稳定。在触头接触时，6-合闸时触头闭合位置为1-触头动端a与2-触头静端b提供闭合力；7-合闸时触头闭合位置为1-触头动端a与3-触头动端c提供闭合力；8-合闸时触头闭合位置为3-触头动端c与4-触头静端d提供闭合力；本实施例中有三处位置提供闭合力，与以前仅一处位置提供闭合力相比，避免了以往由动静触头在单一插接位置提供闭合力的接触方式，需要增大超程的缺点，保证相同闭合力的同时，使超程减小至原来的1/3。
合闸过程中：1-触头动端a向双动装置方向运动；联动5-双动装置向触头动端a方向运动；通过5-双动装置与3-触头动端c固定螺栓的作用，带动3-触头动端c向触头静端方向运动；从而实现合闸过程中1-触头动端a驱动3-触头动端同时相对运动的目的，提高合闸速度至以往的2倍。
分闸过程中，1-触头动端a向触头静端方向运动；联动5-双动装置向1-触头动端a相反方向运动；通过5-双动装置与3-触头动端c固定螺栓的作用，带动3-触头动端c向5-双动装置方向运动；从而实现分闸过程中1-触头动端a驱动3-触头动端同时相反方向运动的目的，提高分闸速度至以往的2倍。
分闸状态时：如图2所示，1-触头动端a运动至分闸位置，与2-触头静端b形成平板电极结构；3-触头动端c运动至分闸位置，与4-触头静端d形成平板电极结构；4个触头之间原来的圆环-棒间不规则电极结构，变成了板-板间的规则电极结构。从而优化了触头间的场强，在减小超程的同时也提升了击穿电压。
在双侧触头的动端和静端接触位置(6、7和8)，设计如图3所示的瓣状结构，合闸位置提供足够的闭合力。保证双侧的4个触头在开关导通时可靠接触。
为了提高分闸速度，提出一种机械开关新型双动式操作方式，双侧触头均由静端和动端耦合组成，在开关一侧触头的动端驱动杆设置了双动装置。当开关分闸操作时，双侧触头静端静止，动端在操动机构和双动装置的作用下同时相反方向高速分开。将原来开关操作时单一动触头运动的操作方式，改进为双侧触头同时运动，提升整台开关的操作速度至原来2倍。
由于触点开关的动触头具有机械惯性，在极短时间(5ms内)，驱动单独的运动系统完成隔离操作任务，其响应速度已接近极限，即增大操动机构的操作功很难再显著提高响应速度，减小单一动触头的响应时间。为此，申请人提出一种机械开关新型双动式操作方式，将原来开关操作时动触头运动，静触头静止的动作方式，改进为双侧触头静端静止，一侧触头动端运动的同时，另一侧触头动端向相反方向运动，提升整台开关的操作速度至原来2倍。通过设计的可变电极形状的耦合式触头开关结构和提出的全新双动式操作方式，在减小超程、提高分闸速度的同时也提升了击穿电压。使开关满足更高的电压等级的直流电网操作任务。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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权利要求所限定的范围。
Claims (3)
1.一种可变电极形状的耦合式触头开关，其特征在于：包括触头动端a，触头静端b，触头动端c，触头静端d，双动装置；
所述触头动端a一端与触头静端b滑动接触，触头动端a另一端与双动装置一端由转动螺栓连接，双动装置另一端与触头动端c的一端由固定螺栓连接，触头动端c一端与触头静端d滑动接触。
2.根据权利要求1所述的一种可变电极形状的耦合式触头开关，其特征在于：
在双侧触头的动端和静端接触位置呈瓣状结构，合闸位置提供足够的闭合力，保证双侧的4个触头在开关导通时可靠接触。
3.一种可变电极形状的耦合式触头开关方法，通过权利要求1所述一种可变电极形状的耦合式触头开关实现，其特征在于：
合闸状态时，触头动端a与触头静端b，触头动端a与触头动端c，触头静端b与触头动端c接触导通；在合闸时触头闭合位置与有效电接触区域，有三个触头同时接触导通，在触头接触时，合闸时触头闭合位置为触头动端a与触头静端b提供闭合力；合闸时触头闭合位置为触头动端a与触头动端c提供闭合力；合闸时触头闭合位置为触头动端c与触头静端d提供闭合力；
合闸过程中：触头动端a向双动装置方向运动；联动双动装置向触头动端a方向运动；通过双动装置与触头动端c固定螺栓的作用，带动触头动端c向触头静端方向运动；从而实现合闸过程中触头动端a驱动触头动端同时相对运动的目的，提高合闸速度至以往的2倍；
分闸过程中，触头动端a向触头静端方向运动；联动双动装置向触头动端a相反方向运动；通过双动装置与触头动端c固定螺栓的作用，带动触头动端c向双动装置方向运动；从而实现分闸过程中触头动端a驱动触头动端同时相反方向运动的目的，提高分闸速度至以往的2倍；
分闸状态时：触头动端a运动至分闸位置，与触头静端b形成平板电极结构；触头动端c运动至分闸位置，与触头静端d形成平板电极结构；4个触头之间原来的圆环-棒间不规则电极结构，变成了板-板间的规则电极结构，从而优化了触头间的场强，在减小超程的同时也提升了击穿电压。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |