CN212366821U - 一种自动变阻抗转移电流开断的直流断路器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种自动变阻抗转移电流开断的直流断路器，包括并联的自动变阻抗开断回路和电流转移支路，自动变阻抗开断回路串联接入直流系统，直流系统正常时，回路阻值为0，直流系统短路时，回路阻值由0开始逐渐增大，阻值达到一定数值后回路断开；电流转移支路包括串联的整流模块和辅助开关，与整流模块输出端并联的放电支路，直流系统短路时，辅助开关闭合，自动变阻抗开断回路逐渐增大阻值，从而将直流系统中的电流逐步转移至电流转移支路，经放电支路放电，直至直流系统的直流电流下降至零，并通过断开自动变阻抗开断回路以实现断开直流系统的回路；从而大大提高套筒式变阻开关的分断能力，最终实现提高对大电流直流电路的开断能力的目的。
Description
技术领域
本实用新型涉及直流断路器技术领域，尤其涉及一种自动变阻抗转移电流开断的直流断路器。
背景技术
在输电领域，电压源换流器技术具有有功功率与无功功率可以独立控制、无需滤波及无功补偿设备、可向孤岛供电、潮流翻转时电压极性不变等优势。基于电压源换流器的柔性直流高压输电技术的快速发展，多端柔性直流输电系统、乃至进一步发展组成直流电网，成为解决长距离大容量电能输送、新能源发电并网和大城市供电的有效技术途径，受到了人们的广泛关注。然而由于VSC-HVDC中平波电抗器小，直流侧含有较大的电容，系统短路电流上升率可达到10kA/ms。随着短路电流快速上升，直流电压在几个ms的时间内就会跌落至额定电压的80％以下，而VSC在直流电压跌落至额定电压的80％以下时将难以继续工作，作为系统中起着控制和保护双重作用的电力设备，大容量快速直流断路器必须能够限制并切断故障电流，维持直流电网安全稳定运行。高压直流断路器的研制已成为制约直流电网发展的瓶颈。
大容量直流断路器研制的难点之一在于直流电力系统中电流不存在自然过零点，必须采用特殊的方法制造出电流零点。另一方面，由于直流短路电流上升快、峰值高，断路器必须在数ms的时间内完成分断任务，才能满足直流电力系统限流分断的保护需要。断路器分断过程通常包括故障检测、逻辑判断笔脱扣、机构分闸(或固态开关触发)、过电压建立与能量吸收耗散等多个环节。直流断路器必须将全分断时间压缩在几ms内，且短时间内完成大量的系统储能吸收耗散，研制难度非常大。
现在国内外对触头式直流断路器和电子振荡式原理的直流断路器的相关专利公开技术有：“一种高速双断口磁吹中压大电流直流限流断路器”，申请号：200610104965.0；“一种具有自供能力的组合式高压直流断路器及其自供能策略”，申请号：201710253301.9；“混合式直流断路器”，申请号：201210498261.1；
以上专利申请技术仍然不能解决短路电流超过10kV～50kV/250kA以上高、低压系统的直流电流开断问题，因此迫切需要一种能实现对直流大电流回路开断技术的新的解决方法。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种能够解决大容量的直流大电流回路开断，提高分断能力，避免对运行在系统中各个电力设备造成因短路电流冲击损坏的大功率直流断路器装置。
为实现上述目的，本实用新型提供一种自动变阻抗转移电流开断的直流断路器，包括并联的自动变阻抗开断回路和电流转移支路，其中，
所述自动变阻抗开断回路串联接入直流系统，直流系统正常时，回路电阻阻值为0，直流系统短路时，回路电阻阻值由0开始逐渐增大，电阻阻值达到一定数值后回路断开；
所述电流转移支路包括串联的整流模块和辅助开关，与整流模块输出端并联的放电支路；整流模块为桥堆电路，将短路电流引至储能支路充电，并防止储能支路对直流回路反向充电，同时，在现场接线中可不考虑方向性，方便接线操作。
直流系统短路时，辅助开关闭合，自动变阻抗开断回路逐渐增大电阻阻值，从而将直流系统中的电流逐步转移至电流转移支路，经放电支路放电，直至直流系统的直流电流下降至零，并通过断开自动变阻抗开断回路，以实现直流系统主回路的断开。
优选地，所述自动变阻抗开断回路根据电网短路电流容量情况，设置若干并联或串联在一起的套筒式变阻开关，通过串联和/或并联方式达到分流容量的目的。
优选地，所述套筒式变阻开关包括：静触头；动触头，电网正常时与所述静触头之间阻值为0；过渡单元，能在电网短路时往所述静触头和动触头之间接入电阻，且电阻阻值由0开始逐渐增大，电阻阻值达到一定数值后使静触头和动触头之间断路；过渡单元在电网发生故障时往静触头和动触头之间接入电阻，且该电阻的阻值逐渐增大，消耗短路大电流，并在电阻阻值增大到一定数值后使静触头和动触头之间断路。
优选地，所述过渡单元包括绝缘杆、电阻丝和操作机构；所述绝缘杆分成位于上端的绝缘段和位于下端的电阻段，其中电阻段侧壁上制有绕于该绝缘杆上的螺纹状槽沟，该槽沟内嵌入有电阻丝，且电阻丝表面与绝缘杆侧壁齐平；所述静触头套装固定于所述绝缘杆下端，并与绝缘杆上的电阻丝可导电相连；所述动触头可沿所述绝缘杆轴向移动的套装于该绝缘杆上，动触头同轴套装于绝缘杆上的导电套筒，导电套筒下端固定有一圈同轴套装于绝缘杆上并能与下方的所述静触头接触导电的接触环，接触环内制有一圈同轴套装于绝缘杆上的灭弧环，所述导电套筒内壁上制有能与绝缘杆上电阻丝接触导电的接触机构；所述操作机构连接所述动触头，用于带动动触头沿述绝缘杆轴向移动。
优选地，所述套筒式变阻开关还包括用于检测直流系统回路中短路故障信号及控制操作机构动作的继电保护装置，短路故障信号通过套设在一次电路中的电流互感器获取，当有继电保护装置检测到一次电路中短路故障信号后，由保护装置启动自动变阻抗回路中的套筒式变阻开关的操作机构，该操作机构快速改变变阻开关的电阻值，以此为装置的启动过程。
优选地，所述放电支路为若干串联和/或并联的电容器组成的电容器组和电阻串联组成的阻容组件。电容器组的选择：要求电容器的额定电压大于电压回路中的额定电压值，电容器所选择的容量按照充电时间常数计算确定，具体要求为在套筒式变阻开关未分断之前，充电电流对电容器组的充电过程尚未结束为条件，即t1>t2，t1:电容器组充电时间，t2:套筒式变阻开关开断时间；电阻的选择：根据公式t＝RC，选择合适的电阻值。
优选地，所述放电支路包括限压放电支路和与所述限压放电支路并联的储能支路。
优选地，所述限压放电支路包括串联的限压元件、电磁铁，所述储能支路包括若干串联和/或并联的电容器组成的电容器组。转移后的电流通过储能支路存储，当储能支路两端电压超过额定值时，限压元件导通，同时通过限压放电支路中的电磁铁对储能支路中电容器组放电，从而使电容器组能持续吸收转移后的电流，同时也保护整流模块中的桥堆因过电压导致被击穿。电容器组的选择：要求电容器的额定电压大于电压回路中的额定电压值，电容器所选择的容量按照充电时间常数计算确定，具体要求为在套筒式变阻开关未分断之前，充电电流对电容器组的充电过程尚未结束为条件，即t1>t2，t1:电容器组充电时间，t2:套筒式变阻开关开断时间。
优选地，所述自动变阻抗开断回路还包括与所述套筒式变阻开关串联的衔铁式电磁铁电抗器。利用了衔铁式电磁铁的电感特性，在由直流短路电流瞬变的电流量而产生的感应电动势
在该支路上产生出很大的电压降△U，从而更快速的将该电压值引导至电流转移支路。
优选地，所述电流转移支路的储能支路还并联有放电回路，用于自动变阻抗开断回路重合闸前对储能支路中的电容器组放电，所述放电回路由放电负荷和放电开关组成，在自动变阻抗开断回路重合闸前，合上放电开关(该开关在平时状态呈分闸位置)，接通放电回路，能量向负荷放电，迅速将电容器电压下降。
本实用新型的有益效果是：直流系统短路时，自动变阻抗开断回路逐渐增大阻值，从而将直流系统中的电流逐步转移至电流转移支路，减少直流系统主回路的自动变阻抗开断回路中流过的电流的绝对值，直至直流系统的直流电流下降至零，并通过断开自动变阻抗开断回路以实现断开直流系统的回路，从而大大提高套筒式变阻开关的分断能力，最终实现提高对大电流直流电路的开断能力的目的。
附图说明
图1为本实用新型实施例的原理示意图；
图2为本实用新型优选实施例的原理示意图；
图3为本实用新型的套筒式变阻开关触头行程位置的等效电路示意图；
图4为本实用新型的套筒式变阻开关的结构示意图。
附图中：1、自动变阻抗开断回路，2、电流转移支路，3、整流模块，4、辅助开关(FK)，5、放电支路，5-1、储能支路，5-2、限压放电支路，7、放电回路，8、衔铁式电磁铁电抗器(1DCT)，9、操作机构(CJ)，10、继电保护装置(JB)，101、过渡单元，102、动触头，103、静触头，104、电阻丝，51、限压元件(Zn0)，52、电磁铁(2DCT)，71、放电开关(KK)，72、放电负荷(FH)。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
直流断路器的开断和灭弧的难点在于直流电流没有过零点，不像工频交流电流每过0.02秒有一个自然过零点，从而使得直流电流的电弧不易熄灭，这对直流开关装置来说是一个大的难题。
如图1所示，当直流系统主回路上发生短路而引起巨大的短路电流时，由自动变阻抗开断回路1中的套筒式变阻开关的阻值逐渐增大，产生一个电压降U1＝IR，优选地，同时利用了衔铁式电磁铁电抗器(1DCT)8的电感特性在由直流短路电流瞬变的电流量而产生的感应电动势
在该支路上产生出很大的电压降△U，从而将该电压值引导至电流转移支路2，使得直流系统主回路中的短路电流通过整流模块3对放电支路5中的电容器组进行充电的一个分流过程。
通过将直流短路电流向电流转移支路2上分流引导，减少直流系统主回路的自动变阻抗开断回路1中流过的电流的绝对值，即将短路电流转移至放电支路5，从而大大提高套筒式变阻开关的分断能力，最终实现提高对大电流直流电路的开断能力。
如图3、4所示，电网正常时，动触头102、静触头103完全接通，这时断路器处于合闸状态，合闸时电阻为零。电网短路时，继电保护装置(JB)10检测到直流系统回路中短路故障信号，控制辅助开关(FK)4合闸，同时控制操作机构(CJ)9带动动触头102沿绝缘杆向上运动与静触头103分离，当动触头102行进至绝缘杆上的电阻段的中间位置时，动触头102通过接触机构与绝缘杆上的电阻丝104接触，将电阻丝104的其中一段串联接入主电路中，此时处于分闸过程状态，在分闸过程中电极的电阻值处于由小变大的变化过程。
操作机构(CJ)9向上拉动动触头102继续行进至电阻丝104顶端的最后一匝位置时，所串联接入的电阻丝104电阻值处于最大值，继续向上将使动、静触头103的电气连接彻底分离，触头分离时会产生电弧，灭弧环滑动压灭方式进行灭弧，动触头102行进至设定位置后终止，形成绝缘间距，此位置称之为断路器的分闸状态。
通过拉动套筒式变阻开关，可自动使丝杆中的电阻丝104直接串联接入主回路中，当套筒拉至顶端时，呈现最大的电阻值R在5000kV电压等级的装置中，设计串入电阻值为0.066Ω/150kA，这在短路电流为150kA时，在变阻器R上可形成的电压降落值为3.3kV的水平，高电位差可以将电流引向整流模块3的回路上。
如图1所示，放电支路5包括限压放电支路5-2和与限压放电支路5-2并联的储能支路5-1，限压放电支路5-2包括串联的限压元件(Zn0)51、电磁铁(2DCT)52，储能支路5-1包括若干串联和/或并联的电容器组成的电容器组。
当短路电流对储能支路5-1中的电容器组C即将充电满时，由于在整流模块3输出的G、H端上还并联限压放电支路5-2，此时，限压元件(Zn0)51氧化锌压敏元件动作接通电磁铁(2DCT)52，起到对储能电容器组的放电作用，又使端口电压UGH迅速下降，这样可继续引导短路电流向着储能电容器支路流动。
当套筒式变阻开关的触头分离后，由于电压下降，当加到压敏元件上的电压在其标称值以内时，电阻器的阻值呈现无穷大状态，从而切断限压放电回路7，使电容器继续充电直至充满至额定电压Ue，尔后，直流系统短路(工作)电流开断完成，由辅助程序拉开辅助开关(FK)4后，再由程序控制器合上放电开关(KK)71，由放电负荷FH对电容器组C1～Ck进行放电的过操作程序。
电容器组耐压值与所接入的电气回路中的电压等级相匹配，电容器组的容量设计值为充电时间t1值大于套筒式变阻开关开断时间t2。
如图2所示，作为优选的实施例，放电支路5为若干串联和/或并联的电容器组成的电容器组和电阻串联组成的阻容组件，通过RC阻容组件对转移的电流进行存储和释放，其电容器组的选择：要求电容器组的额定电压大于电压回路中的额定电压值，电容器组所选择的容量按照充电时间常数计算确定，具体要求为在套筒式变阻开关未分断之前，充电电流对电容器组的充电过程尚未结束为条件，即t1>t2，t1:电容器组充电时间，t2:套筒式变阻开关开断时间；电阻的选择：根据公式t＝RC，选择合适的电阻值。
如图1、2所示，电容器组充满电以后，需要对电容器组进行放电操作，实际在设计中，必须在电容器组充满电荷的时间内，套筒式变阻开关必须完成分闸的操作，当变阻开关分闸后，短路的直流回路电流对电容器组继续充电，当对电容器组充满电的同时，短路电流同时也停止，即实现了对电路的开断，经故障处理完成后，则需要对电容器组进行放电，操作顺序如下：
断开整流模块3上的辅助开关(FK)4；
合上放电回路7的辅助开关KK(该开关在平时状态呈分闸位置)，这样，电容器组的放电回路7接通，能量向放电负荷(FH)72放电，迅速将电容器组电压下降。
电容器组的选择：要求电容器组的额定电压大于电压回路中的额定电压值，电容器组所选择的容量按照Q＝It，t＝RC公式计算，充电时间常数计算确定。取电器容量200000μf～20000000μf；具体要求为在套筒式变阻开关未分断之前时，充电电流对电容器的充电过程尚未结束为条件，即t1>t2，在本实施例中选择电容器型号为：CBB-6800μf/800V，宜以10-1000台电容器串联和/或并联的方式安装，生产厂家为：安徽赛福电子有限公司。
Claims (10)
1.一种自动变阻抗转移电流开断的直流断路器，其特征在于：包括并联的自动变阻抗开断回路和电流转移支路，其中，
所述自动变阻抗开断回路串联接入直流系统，直流系统正常时，回路电阻阻值为0，直流系统短路时，回路电阻阻值由0开始逐渐增大，电阻阻值达到一定数值后回路断开；
所述电流转移支路包括串联的整流模块和辅助开关，与整流模块输出端并联的放电支路；
直流系统短路时，辅助开关闭合，同时自动变阻抗开断回路逐渐增大电阻阻值，从而将直流系统中的电流逐步转移至电流转移支路，经放电支路放电，使直流系统的直流电流下降至零，并通过断开自动变阻抗开断回路，以实现直流系统主回路的断开。
2.如权利要求1所述的一种自动变阻抗转移电流开断的直流断路器，其特征在于：所述自动变阻抗开断回路包括若干并联和/或串联在一起的套筒式变阻开关。
3.如权利要求2所述的一种自动变阻抗转移电流开断的直流断路器，其特征在于：所述套筒式变阻开关包括：
静触头；
动触头，电网正常时与所述静触头之间阻值为0；
过渡单元，能在电网短路时往所述静触头和动触头之间接入电阻，且电阻阻值由0开始逐渐增大，电阻阻值达到一定数值后使静触头和动触头之间断路。
4.如权利要求3所述的一种自动变阻抗转移电流开断的直流断路器，其特征在于：所述过渡单元包括绝缘杆、电阻丝和操作机构；
所述绝缘杆分成位于上端的绝缘段和位于下端的电阻段，其中电阻段侧壁上制有绕于该绝缘杆上的螺纹状槽沟，该槽沟内嵌入有电阻丝，且电阻丝表面与绝缘杆侧壁齐平；
所述静触头套装固定于所述绝缘杆下端，并与绝缘杆上的电阻丝可导电相连；
所述动触头可沿所述绝缘杆轴向移动的套装于该绝缘杆上，动触头同轴套装于绝缘杆上的导电套筒，导电套筒下端固定有一圈同轴套装于绝缘杆上并能与下方的所述静触头接触导电的接触环，接触环内制有一圈同轴套装于绝缘杆上的灭弧环，所述导电套筒内壁上制有能与绝缘杆上电阻丝接触导电的接触机构；
所述操作机构连接所述动触头，用于带动动触头沿述绝缘杆轴向移动。
5.如权利要求4所述的一种自动变阻抗转移电流开断的直流断路器，其特征在于：所述套筒式变阻开关还包括用于检测直流系统回路中短路故障信号及控制操作机构和辅助开关动作的继电保护装置。
6.如权利要求1-5任一项所述的一种自动变阻抗转移电流开断的直流断路器，其特征在于：所述放电支路为若干串联和/或并联的电容器组成的电容器组和电阻串联组成的阻容组件。
7.如权利要求1-5任一项所述的一种自动变阻抗转移电流开断的直流断路器，其特征在于：所述放电支路包括限压放电支路和与所述限压放电支路并联的储能支路。
8.如权利要求7所述的一种自动变阻抗转移电流开断的直流断路器，其特征在于：所述限压放电支路包括串联的限压元件、电磁铁，所述储能支路包括若干串联和/或并联的电容器组成的电容器组。
9.如权利要求2、3、4、5或8所述的一种自动变阻抗转移电流开断的直流断路器，其特征在于：所述自动变阻抗开断回路还包括与套筒式变阻开关串联的衔铁式电磁铁电抗器。
10.如权利要求1、2、3、4、5或8所述的一种自动变阻抗转移电流开断的直流断路器，其特征在于：所述电流转移支路的放电支路还并联有放电回路，用于自动变阻抗开断回路重合闸前对放电支路中的电容器组放电。
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Cited By (1)
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| CN113839371A (zh) * | 2020-06-24 | 2021-12-24 | 张健 | 一种自动变阻抗转移电流开断的直流断路器 |
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2020
- 2020-06-24 CN CN202021203831.6U patent/CN212366821U/zh active Active
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |