CN112509858B - 一体化串补限流装置用双断口互锁快速开关 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种一体化串补限流装置用双断口互锁快速开关及其工作方法，其特征在于：包括斥力机构第一线圈，斥力机构第二线圈，斥力盘，与斥力盘固定连接的传动杆，与传动杆一侧固定连接的第一绝缘拉杆，与传动杆另一侧固定连接的第二绝缘拉杆，与第一绝缘拉杆固定连接的第一断口真空灭弧室，与第二绝缘拉杆固定连接的第二断口真空灭弧室。斥力盘在第一线圈或第二线圈的作用下，带动第一断口真空灭弧室实现分闸操作的同时，可带动第二断口真空灭弧室合闸操作，实现电气结构的互锁。双断口互锁快速开关可通过与其各真空灭弧室断口构成的串补支路和限流支路的串联或并联连接，经济灵活地实现紧凑型一体化串补限流装置的研制。
Description
技术领域
本发明涉及快速真空开关技术领域，特别涉及一体化串补限流装置用双断口互锁快速真空开关。
背景技术
随着我国电力系统规模的快速发展，各电压等级电网短路电流逐年攀升，严重影响电力系统和设备的安全稳定运行，同时长距离输/配电，线路杂散电感或分布电容的存在，易导致线路末端电压降低幅度过大，严重影响电力系统供电质量。快速开关型限流器技术的发展，为电网短路电流的限制提供了经济有效的解决方案；同时线路串联补偿技术或柔性可控串联补偿技术的发展，对电网线路末端电压的抬升，供电质量的改善提供了有效解决措施。
此外，牵引系统向高速和重载两大方向加速迈进。供电系统线路末端电压损失严重、短路电流动热稳定冲击显著，尤其在重载线路和长大坡道等区段，严重威胁系统及设备的安全稳定运行。在正常运行条件下，提升牵引网电压，使电机机车安全可靠的运行；同时在短路故障条件下减小短路电流对牵引变压器等各种电气设备的冲击，已成为牵引供电系统快速发展和安全稳定运行亟待解决的关键技术难题。
串补限流装置技术的发展，综合了限流器技术和串联补偿技术的优势，在显著降低线路末端电压损失的同时，可实现系统短路电流的快速限制，是现阶段国内外研究热点。现有串联谐振型、饱和电抗器型等串联补偿型限流器装置，通过电力电子开关、快速开关或真空触发开关等，控制装置容抗与感抗的匹配，以达到电压补偿或限流的目的，分别存在运行损耗大、谐振过电压高、短路电流限制率低等问题，难以实现规模化制造和大范围推广。
快速真空开关型的串补和限流装置可为以上问题的解决提供有效技术方案，然而现有快速开关型串补限流装置仍缺乏双断口互锁的快速真空开关产品。专利CN201611260519.9和CN201810113010.4针对以往串补和限流装置存在的问题分别提出了基于快速真空开关的一体化串补限流装置，其所采用的快速真空开关为单断口开关；专利CN201810058287.1提出了一种互锁真空开关及应用的串联补偿型限流装置及方法，其采用的互锁真空开关为三工位真空灭弧室，经实验研究发现，其在灭弧室内部设置的动导电环和动副触头，在快速合分闸操动过程易发生损坏。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一体化串补限流装置用双断口互锁快速开关，一方面体现在解决了电力电子开关型串补限流装置运行损耗大、串联谐振型串补限流装置谐振过电压高、饱和电抗器型串补限流装置短路电流限制率难以提升等问题，另一方面双断口互锁的快速真空开关，在不增加额外驱动线圈和储能装置的前提下，可高效利用快速斥力机构的电磁驱动力，实现两个真空断口的电气和结构的互锁。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一体化串补限流装置用双断口互锁快速开关，包括机构箱，置于机构箱内的斥力机构第一线圈、斥力机构第二线圈和斥力盘，与斥力盘固定连接的传动杆，与传动杆一侧固定连接的第一绝缘拉杆，与传动杆另一侧固定连接的第二绝缘拉杆，与第一绝缘拉杆固定连接的第一断口真空灭弧室，与第二绝缘拉杆固定连接的第二断口真空灭弧室；斥力盘在斥力机构第一线圈或斥力机构第二线圈的作用下，带动传动杆、第一绝缘拉杆和第二绝缘拉杆实现第一断口真空灭弧室分闸操作的同时，带动第二断口真空灭弧室合闸操作，实现电气互锁功能；
第一绝缘拉杆和第一断口真空灭弧室置于第一绝缘套管内部，且第一断口真空灭弧室的静端与第一套管进线法兰固定电气连接，第一断口真空灭弧室动端与第一套管出线法兰通过软连接固定电气连接；第一绝缘套管与机构箱经第一支撑套管固定连接；第二绝缘拉杆和第二断口真空灭弧室置于第二绝缘套管内部，且第二断口真空灭弧室的静端与第二套管进线法兰固定电气连接，第二断口真空灭弧室动端与第二套管出线法兰通过软连接固定电气连接，第二绝缘套管与机构箱经第二支撑套管固定连接；
第一绝缘套管与第一支撑套管、第一套管进线法兰、第一套管出线法兰之间的连接采用密封连接；第一支撑套管与机构箱之间的连接采用密封连接；同理，第二绝缘套管与第二支撑套管、第二套管进线法兰、第二套管出线法兰之间的连接同样采用密封连接；第二支撑套管与机构箱之间的连接采用密封连接；
第一断口真空灭弧室或第二断口真空灭弧室的合闸或分闸保持力，由固定于机构箱上的双稳弹簧通过与其转动连接的连杆和传动杆提供。在斥力机构第一线圈上同轴布置有空心缓冲器和空心限位器；
机构箱通过绝缘支撑套管与双断口互锁快速开关控制箱连接。其中，斥力机构第一线圈和斥力机构第二线圈与机构控制器的连接导线置于绝缘支撑套管内部；第一储能电容、第二储能电容和机构控制器置于开关控制箱内部。
所述第一断口真空灭弧室与限流组件串联连接组成限流支路，第二断口真空灭弧室可以与串补组件串联连接组成串补支路，然后限流支路与串补支路并联连接，构成一体化串补限流装置；当系统正常运行时，第一断口真空灭弧室保持分闸状态，第二断口真空灭弧室保持合闸状态，一体化串补限流装置工作于低损耗串补运行状态；当系统发生短路故障时，第一断口真空灭弧室执行关合操作，第二断口真空灭弧室执行分断操作，一体化串补限流装置工作于限流运行状态；
同时，第一断口真空灭弧室与限流组件并联连接组成限流支路，第二断口真空灭弧室与串补组件并联连接组成串补支路，然后限流支路与串补支路串联连接，构成一体化串补限流装置；当系统正常运行时，第一断口真空灭弧室保持合闸状态，第二断口真空灭弧室保持分闸状态，一体化串补限流装置工作于低损耗串补运行状态；当系统发生短路故障时，第一断口真空灭弧室执行分断状态，第二断口真空灭弧室执行关合操作，一体化串补限流装置工作于限流运行状态。
所述第一断口真空灭弧室或第二断口真空灭弧室的合闸或分闸保持力，由固定于机构箱上的双稳弹簧通过转动连接的连杆和传动杆提供；斥力机构第一线圈对斥力盘产生的电磁斥力，由与斥力机构第一线圈连接的机构控制器通过第一储能电容对斥力机构第一线圈的控制放电来提供；斥力机构第二线圈对斥力盘产生的电磁斥力由机构控制器通过第二储能电容对斥力机构第二线圈的控制放电来提供。
所述斥力盘运动至接近斥力机构第一线圈或斥力机构第二线圈时，通过空心缓冲器降低运动速度，同时通过空心限位器防止斥力盘对斥力机构第一线圈或斥力机构第二线圈的冲击致损。
考虑系统对短路电流限制的快速性要求，当采用限流支路与串补支路并联连接构成的一体化串补限流装置拓扑方案时，与限流组件串联的第一断口真空灭弧室，执行的关合操作具有比其执行分断操作更高的速度特性，该速度特性可通过调节第一断口真空灭弧室处于分闸状态时的连杆与传动杆夹角α，以使夹角α大于第一断口真空灭弧室处于合闸状态时的连杆与传动杆夹角β来实现；当采用限流支路与串补支路串联连接构成的一体化串补限流装置拓扑方案时，与限流组件并联的第一断口真空灭弧室执行的分断操作具有比其执行关合操作更高的速度特性，该速度特性可通过调节第一断口真空灭弧室处于分闸状态时的连杆与传动杆夹角α，以使夹角α小于第一断口真空灭弧室处于合闸状态时的连杆与传动杆夹角β来实现。
所述连杆与传动杆夹角α或连杆与传动杆夹角β，与连杆长度l和第一断口真空灭弧室合分闸行程s的比值紧密相关，且满足如下关系式：
式中，d为双稳弹簧的中心线到第一断口真空灭弧室处于合闸状态时连杆与传动杆连接中心点的距离。
本发明提出了一体化串补限流装置用双断口互锁快速真空开关及其工作方法，其有益效果一方面体现在解决了电力电子开关型串补限流装置运行损耗大、串联谐振型串补限流装置谐振过电压高、饱和电抗器型串补限流装置短路电流限制率难以提升等问题，另一方面双断口互锁的快速真空开关，在不增加额外驱动线圈和储能装置的前提下，可高效利用快速斥力机构的电磁驱动力，实现两个真空断口的电气和结构的互锁。此外，双断口互锁的快速真空开关易于实现限流支路和串补支路的电气串并联连接，为经济灵活地实现紧凑型一体化串补限流装置的研制提供依据，更便于一体化串补限流装置的规模化制造和大范围推广。
附图说明
图1为本发明一体化串补限流装置用双断口互锁快速真空开关结构示意图。
图2为串补支路和限流支路并联的双断口互锁快速开关型一体化串补限流装置电气拓扑图。
图3为串补支路和限流支路串联的双断口互锁快速开关型一体化串补限流装置电气拓扑图。
图4为真空灭弧室执行关合操作需要相比分断操作需要更高速度特性时的连杆与传动杆夹角示意图。
具体实施方式
以下以31.5kV双断口互锁快速开关的具体实施方案为例，结合附图对本发明提一体化串补限流装置用双断口互锁快速开关进一步介绍。
图1所示为本发明用于一体化串补限流装置的31.5kV双断口互锁快速真空开关，包括机构箱105，置于机构箱105内的斥力机构第一线圈101、斥力机构第二线圈102和斥力盘103，与斥力盘固定连接的传动杆104，与传动104杆一侧固定连接的第一绝缘拉杆201，与传动杆104另一侧固定连接的第二绝缘拉杆301，与第一绝缘拉杆201固定连接的第一断口真空灭弧室202，与第二绝缘拉杆301固定连接的第二断口真空灭弧室302。斥力盘103在斥力机构第一线圈101或斥力机构第二线圈102的作用下，带动传动杆104、第一绝缘拉杆201和第二绝缘拉杆301实现第一断口真空灭弧室202分闸操作的同时，可带动第二断口真空灭弧室302合闸操作，实现电气性能的互锁结构。
图1中所示31.5kV双断口互锁快速开关的各部件典型结构和电气参数如下：第一断口真空灭弧室202和第一断口真空灭弧室302采用额定电压为40.5kV、额定电流为2500A、额定短路开断电流为31.5kA的商用真空灭弧室，其分闸状态下的额定触头开距为20mm；斥力机构第一线圈101和斥力机构第二线圈201采用环氧浇筑工艺制备，其外径为220mm、内径为80mm、高度为15mm；斥力盘103和传动杆104采用调制铝合金材质制备，斥力盘外径为220mm；机构箱105采用铸铝材质，并内置斥力机构第一线圈101、斥力机构第二线圈201、斥力盘103、双稳弹簧105等部件。第一绝缘拉杆201和第二绝缘拉杆301采用直径Φ50mm、长度为450mm的绝缘浸胶管制备；第一绝缘套管402和第二绝缘套管502采用额定电压40.5kV的硅橡胶绝缘套管。第一绝缘拉杆201和第一断口真空灭弧室202置于第一绝缘套管402内部，且第一断口真空灭弧室202的静端与第一套管进线法兰401固定电气连接，第一断口真空灭弧室202动端与第一套管出线法兰404通过第一软连接403固定电气连接，第一绝缘套管402与机构箱105经第一支撑套管405固定连接；第二绝缘拉杆301和第二断口真空灭弧室302置于第二绝缘套管502内部，且第二断口真空灭弧室302的静端与第二套管进线法兰501固定电气连接，第二断口真空灭弧室302动端与第二套管出线法兰504通过第二软连接503固定电气连接，第二绝缘套管502与机构箱105经第二支撑套管505固定连接。为满足户外应用的防水性要求，第一绝缘套管402与第一支撑套管405、第一套管进线法兰401、第一套管出线法兰404之间的连接采用O型圈密封的固定连接；同理，第二绝缘套管502与第二支撑套管505、第二套管进线法兰501、第二套管出线法兰504、之间的连接同样采用O型圈密封连接；第一支撑套管405和第二支撑套管505与机构箱105的连接，同样分别采用O型圈密封连接。
为保证一体化串补限流装置的可靠动作和保持，第一断口真空灭弧室202或第二断口真空灭弧室302的合闸或分闸保持力，由固定于机构箱105上的双稳弹簧107通过转动连接的连杆106和传动杆104提供。其中，双稳弹簧组件采用外径Φ45的A系列标准化碟簧组件，各碟簧采用串联连接方式。双断口互锁快速真空开关执行操动时，当斥力盘103运动至接近斥力机构第一线圈101或斥力机构第二线圈102时，为防止斥力盘103对斥力机构第一线圈101或斥力机构第二线圈102产生冲击碰撞，通过与斥力机构第一线圈101同轴布置的空心缓冲器108降低斥力盘的运动速度，同时通过与斥力机构第一线圈101同轴布置的空心限位器109防止斥力盘103对斥力机构第一线圈101或斥力机构第二线圈102的冲击碰撞。在本具体实施方案中，最终第一断口真空灭弧室202或第二断口真空灭弧室302保持合闸状态时，斥力盘与斥力机构第一线圈101和斥力机构第二线圈102的空气间隙分别为1.0mm。
图1所示的双断口互锁快速真空开关，机构箱105及与其固定连接的第一绝缘套管402和第二绝缘套管502，通过40.5kV绝缘支撑套管601与开关控制箱602连接，实现高电压隔离。其中，斥力机构第一线圈101和斥力机构第二线圈102与机构控制器110的连接导线置于绝缘支撑套管601内部；第一储能电容112、第二储能电容111和机构控制器110置于开关控制箱602内部。当断口互锁快速真空开关执行操动时，斥力机构第一线圈101对斥力盘103的电磁斥力，由机构控制器110通过对第一储能电容112的放电实现。斥力机构第二线圈102对斥力盘103的电磁斥力由机构控制器110通过对第二储能电容111的放电实现。
图2所示为串补支路和限流支路并联的双断口互锁快速开关型一体化串补限流装置电气拓扑，其中第一断口真空灭弧室202和第二断口真空灭弧室302即为本发明所提31.5kV双断口互锁快速真空开关。第一断口真空灭弧室202与限流组件701串联连接组成限流支路，第二断口真空灭弧室302与串补组件702串联连接组成串补支路，然后限流支路与串补支路并联连接，构成一体化串补限流装置。当系统正常运行时，第一断口真空灭弧室202保持分闸状态，第二断口真空灭弧室302保持合闸状态，一体化串补限流装置工作于低损耗串补运行状态；当系统发生短路故障时，第一断口真空灭弧室202执行关合操作，第二断口真空灭弧室302执行分断操作，一体化串补限流装置工作于限流运行状态。
图3所示为串补支路和限流支路串联的双断口互锁快速开关型一体化串补限流装置电气拓扑，同样第一断口真空灭弧室202和第二断口真空灭弧室302即为本发明所提31.5kV双断口互锁快速真空开关。第一断口真空灭弧室202可以与限流组件701并联连接组成限流支路，第二断口真空灭弧室302可以与串补组件702并联连接组成串补支路，然后限流支路与串补支路串联连接，构成一体化串补限流装置。当系统正常运行时，第一断口真空灭弧室202保持合闸状态，第二断口真空灭弧室302保持分闸状态，一体化串补限流装置工作于低损耗串补运行状态；当系统发生短路故障时，第一断口真空灭弧室202执行分断状态，第二断口真空灭弧室302执行关合操作，一体化串补限流装置工作于限流运行状态。
考虑系统对短路电流限制的快速性要求，当采用限流支路与串补支路并联连接构成的一体化串补限流装置拓扑方案时，第一断口真空灭弧室202执行的关合操作具有比其执行分断操作更高的速度特性；当采用限流支路与串补支路串联连接构成的一体化串补限流装置拓扑方案时，第一断口真空灭弧室202执行的分断操作具有比其执行关合操作更高的速度特性。在不同的一体化串补限流装置方案条件下，第一断口真空灭弧室202关合或分断所要求的更高速度特性，可通过调节连杆106与传动杆104的初始夹角，进而使双稳弹簧107在合闸或分闸过程提供不同作用力，最终满足高关合速度特性或高分断速度特性的要求。
图4所示为真空灭弧室执行关合操作需要相比分断操作需要更高速度特性时的连杆与传动杆夹角示意图。在第一断口真空灭弧室202处于分闸状态时，连杆106与传动杆104的夹角α需大于第一断口真空灭弧室202处于合闸状态时连杆106与传动杆104的夹角β。夹角α或夹角β与连杆106长度和第一断口真空灭弧室202分闸开距的比值紧密相关。对于本实施方案，连杆106的长度选择为60mm，第一断口灭弧室602分闸开距为20mm，双稳弹簧107的中心线位置距离第一断口灭弧室处于合闸位置时的距离为15mm。因此，当采用限流支路与串补支路并联连接构成的一体化串补限流装置拓扑方案时，夹角α的取值为85°，夹角β的取值为75.5°。同理，当第一断口真空灭弧室202需要比执行关合操作更高的分断操作速度特性时，夹角α需小于夹角β。
Claims (5)
1.一体化串补限流装置用双断口互锁快速开关，其特征在于：包括机构箱(105)，置于机构箱(105)内的斥力机构第一线圈(101)、斥力机构第二线圈(102)和斥力盘(103)，与斥力盘固定连接的传动杆(104)，与传动杆(104)一侧固定连接的第一绝缘拉杆(201)，与传动杆(104)另一侧固定连接的第二绝缘拉杆(301)，与第一绝缘拉杆(201)固定连接的第一断口真空灭弧室(202)，与第二绝缘拉杆(301)固定连接的第二断口真空灭弧室(302)；斥力盘(103)在斥力机构第一线圈(101)或斥力机构第二线圈(102)的作用下，带动传动杆(104)、第一绝缘拉杆(201)和第二绝缘拉杆(301)实现第一断口真空灭弧室(202)分闸操作的同时，带动第二断口真空灭弧室(302)合闸操作，实现电气互锁功能；
第一绝缘拉杆(201)和第一断口真空灭弧室(202)置于第一绝缘套管(402)内部，且第一断口真空灭弧室(202)的静端与第一套管进线法兰(401)固定电气连接，第一断口真空灭弧室(202)动端与第一套管出线法兰(404)通过第一软连接(403)固定电气连接；第一绝缘套管(402)与机构箱(105)经第一支撑套管(405)固定连接；第二绝缘拉杆(301)和第二断口真空灭弧室(302)置于第二绝缘套管(502)内部，且第二断口真空灭弧室(302)的静端与第二套管进线法兰(501)固定电气连接，第二断口真空灭弧室(302)动端与第二套管出线法兰(504)通过第二软连接(503)固定电气连接，第二绝缘套管(502)与机构箱(105)经第二支撑套管(505)固定连接；
第一绝缘套管(402)与第一支撑套管(405)、第一套管进线法兰(401)、第一套管出线法兰(404)之间的连接采用密封连接；第一支撑套管(405)与机构箱(105)之间的连接采用密封连接；同理，第二绝缘套管(502)与第二支撑套管(505)、第二套管进线法兰(501)、第二套管出线法兰(504)之间的连接同样采用密封连接；第二支撑套管(505)与机构箱之间的连接采用密封连接；
第一断口真空灭弧室(202)或第二断口真空灭弧室(302)的合闸或分闸保持力，由固定于机构箱(105)上的双稳弹簧(107)通过与其转动连接的连杆(106)和传动杆(104)提供；在斥力机构第一线圈(101)上同轴布置有空心缓冲器(108)和空心限位器(109)；
机构箱(105)通过绝缘支撑套管(601)与双断口互锁快速开关控制箱(602)连接；其中，斥力机构第一线圈(101)和斥力机构第二线圈(102)与机构控制器(110)的连接导线置于绝缘支撑套管(601)内部；第一储能电容(112)、第二储能电容(111)和机构控制器(110)置于开关控制箱(602)内部；
所述第一断口真空灭弧室(202)与限流组件(701)串联连接组成限流支路，第二断口真空灭弧室(302)可以与串补组件(702)串联连接组成串补支路，然后限流支路与串补支路并联连接，构成一体化串补限流装置；当系统正常运行时，第一断口真空灭弧室(202)保持分闸状态，第二断口真空灭弧室(302)保持合闸状态，一体化串补限流装置工作于低损耗串补运行状态；当系统发生短路故障时，第一断口真空灭弧室(202)执行关合操作，第二断口真空灭弧室(302)执行分断操作，一体化串补限流装置工作于限流运行状态；
同时，第一断口真空灭弧室(202)与限流组件(701)并联连接组成限流支路，第二断口真空灭弧室(302)与串补组件(702)并联连接组成串补支路，然后限流支路与串补支路串联连接，构成一体化串补限流装置；当系统正常运行时，第一断口真空灭弧室(202)保持合闸状态，第二断口真空灭弧室(302)保持分闸状态，一体化串补限流装置工作于低损耗串补运行状态；当系统发生短路故障时，第一断口真空灭弧室(202)执行分断状态，第二断口真空灭弧室(302)执行关合操作，一体化串补限流装置工作于限流运行状态。
2.根据权利要求1所述的一体化串补限流装置用双断口互锁快速开关，其特征在于：所述斥力机构第一线圈(101)对斥力盘(103)产生的电磁斥力，由与斥力机构第一线圈(101)连接的机构控制器(110)通过第一储能电容(112)对斥力机构第一线圈(101)的控制放电来提供；斥力机构第二线圈(102)对斥力盘(103)产生的电磁斥力由机构控制器(110)通过第二储能电容(111)对斥力机构第二线圈(102)的控制放电来提供。
3.根据权利要求1所述的一体化串补限流装置用双断口互锁快速开关及其工作方法，其特征在于：所述斥力盘(103)运动至接近斥力机构第一线圈(101)或斥力机构第二线圈(102)时，通过空心缓冲器(108)降低运动速度，同时通过空心限位器(109)防止斥力盘(103)对斥力机构第一线圈(101)或斥力机构第二线圈(102)的冲击致损。
4.根据权利要求1所述的一体化串补限流装置用双断口互锁快速开关，其特征在于：考虑系统对短路电流限制的快速性要求，当采用限流支路与串补支路并联连接构成的一体化串补限流装置拓扑方案时，与限流组件(701)串联的第一断口真空灭弧室(202)执行的关合操作具有比其执行分断操作更高的速度特性，该速度特性通过调节第一断口真空灭弧室(202)处于分闸状态时的连杆(106)与传动杆(104)夹角α，以使夹角α大于第一断口真空灭弧室(202)处于合闸状态时的连杆(106)与传动杆(104)夹角β来实现；当采用限流支路与串补支路串联连接构成的一体化串补限流装置拓扑方案时，与限流组件(701)并联的第一断口真空灭弧室(202)执行的分断操作具有比其执行关合操作更高的速度特性，该速度特性通过调节第一断口真空灭弧室(202)处于分闸状态时的连杆(106)与传动杆(104)夹角α，以使夹角α小于第一断口真空灭弧室(202)处于合闸状态时的连杆(106)与传动杆(104)夹角β来实现。
5.根据权利要求4所述的一体化串补限流装置用双断口互锁快速开关，其特征在于：所述连杆(106)与传动杆(104)夹角α或连杆(106)与传动杆(104)夹角β，与连杆(106)长度l和第一断口真空灭弧室(202)合分闸行程s的比值紧密相关，且满足如下关系式：
式中，d为双稳弹簧(107)的中心线到第一断口真空灭弧室处于合闸状态时连杆(106)与传动杆(104)连接中心点的距离。
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