一种多路径电弧转移装置、控制方法及直流断路器与流程

1.本技术涉及柔性直流电网技术领域，具体涉及一种多路径电弧转移装置、控制方法及直流断路器。


背景技术：

2.直流输电是远距离传输电能最佳方案之一，柔性直流输电系统将风能、太阳能和水力发电等可再生清洁能源在不同地区之间互联，使得可再生清洁能源的利用变的越来越高效。但是相比与交流电网，直流电网系统故障电流无过零点，所以传统的交流断路器在直流系统中并不适用，并且直流系统中故障电流上升非常迅速，所以直流电网的迅速推广对直流断路器等保护装置提出了极高的要求。
3.目前用于直流电网系统的直流断路器分为三种。第一种是电力电子式直流断路器，它利用利用电力电子模块承载额定电流和开断故障电流，具有开断时间短的优点，但其存在价格昂贵和通态损耗大的缺点。第二种是机械式直流断路器，主通流支路采用机械开关来承载额定电流，具有通态损耗低的优点，并且通过提高人工过零电流支路中的电容电压来有效地提高分断能力，但其存在开断小电流不理想的问题。第三种是混合式直流断路器，主通流支路中利用固态开关使得电流转移至电力电子支路，由于它的高效稳定，目前成为中高压直流断路器领域发展的核心技术之一，但由于其主支路存在电力电子模块，所以存在通态损耗低的特点。
4.为了减少混合式直流断路器的通态损耗，利用电弧电压换流的直流断路器应运而生，但是由于目前推广的真空灭弧室弧压较低，使得自然换流能力难以提高。而且在电弧室中电弧会始终沿一个方向运动，并在该方向边缘拉伸，所以会导致触头在该区域烧损非常严重


技术实现要素：

5.本技术为了解决上述技术问题，提出了如下技术方案：
6.第一方面，本技术实施例提供了一种多路径电弧转移装置，其特征在于，包括：在电弧室内触头位置环绕设置的多组横向强磁线圈，所述横向强磁线圈的第一端与供能装置的第一端电连接，控制驱动装置分别与所述横向强磁线圈的第二端和所述供能装置的第二端电连接。
7.采用上述实现方式，当直流断路器动作产生电弧时，触发外加横向磁电路，横向强磁线圈作为电感存在，供能装置放电在线圈中产生脉冲电流进而激发外部横磁线圈在真空灭弧室两侧产生瞬时外部强磁场，电弧在外部强磁场的作用下运动到触头边缘，并且迅速拉伸到较大的长度使电弧电压显著增大，从而使故障电流转移至电力电子支路。而且多组横向强磁线圈循环作用，使得每次电弧运动方向和电弧拉伸时弧根所在区域不同，提高触头的寿命和弧压增强的稳定性。
8.结合第一方面，在第一方面第一种可能的实现方式中，所述横向强磁线圈包括第
一线圈和第二线圈，所述第一线圈和第二线圈一体设置且设置在所述触头的两侧，所述第一线圈和第二线圈的轴线垂直连接线穿过所述触头的中心。
9.结合第一方面第一种可能的实现方式，在第一方面第二种可能的实现方式中，不同所述横向强磁线圈环绕所述触头交叉设置。
10.结合第一方面第一或二种可能的实现方式，在第一方面第三种可能的实现方式中，所述供能装置包括储能电容和续流二极管，所述储能电容和续流二极管并联设置，所述储能电容的第一端与第一线圈电连接，所述储能电容的第二端与控制驱动装置电连接，所述控制驱动装置与所述第二线圈电连接。
11.结合第一方面第三种可能的实现方式，在第一方面第四种可能的实现方式中，所述控制驱动装置包括控制器和晶闸管，所述控制器与所述晶闸管的驱动端电连接，所述晶闸管的第一端与所述储能电容的第二端电连接，所述晶闸管的第二端与所述第二线圈电连接。
12.结合第一方面或第一方面第一至四种任一可能的实现方式，在第一方面第五种可能的实现方式中，所述横向强磁线圈设置有2
‑
4组。
13.第二方面，本技术实施例提供了一种多路径电弧转移装置控制方法，用于控制第一方面或第一方面任一可能实现方式所述的多路径电弧转移装置，所述方法包括：当电弧室内动触头和静触头之间产生电弧时，控制器控制第一晶闸管导通，所述第一晶闸管为多路径电弧转移装置中的任一晶闸管；第一晶闸管导通后，储能电容为与所述第一晶闸管电连接的第一横向强磁线圈供电产生强磁场，控制电弧运动到垂直于第一横向强磁线圈的两个线圈中心线的触头边沿并迅速拉伸；当再次产生电弧时，保持第一晶闸管关闭，导通其他任一晶闸管，控制电弧运动到触头不同边沿处拉伸。
14.结合第二方面，在第二方面第一种可能的实现方式中，当直流断路器多次动作产生电弧时，控制横向强磁线圈通电的晶闸管依次循环触发，使得电弧运动轨迹和拉伸位置依次出现在触头不同区域。
15.第三方面，本技术实施例提供了一种直流断路器，包括：并联连接的主通流支路、电子电力支路和耗能支路，所述主通流支路内设置有第一方面或第一方面任一可能实现方式所述的多路径电弧转移装置。
附图说明
16.图1为本技术实施例提供的一种多路径电弧转移装置的结构示意图；
17.图2为本技术实施例提供的外加横向强磁场真空灭弧室的结构和原理示意图；
18.图3为本技术实施例提供的多路径电弧转移装置工作示意图；
19.图4为本技术实施例提供的一种多路径电弧转移装置控制方法的流程示意图；
20.图5为本技术实施例提供的一种直流断路器的示意图。
具体实施方式
21.下面结合附图与具体实施方式对本方案进行阐述。
22.图1为本技术实施例提供的一种多路径电弧转移装置的结构示意图，参见图1，本实施例中的多路径电弧转移装置，包括：在电弧室触头位置环绕设置的三组横向强磁线圈，
所述横向强磁线圈的第一端与供能装置的第一端电连接，控制驱动装置分别与所述横向强磁线圈的第二端和所述供能装置的第二端电连接。
23.所述横向强磁线圈包括第一线圈和第二线圈，所述第一线圈和第二线圈一体设置且设置在所述触头的两侧，所述第一线圈和第二线圈的轴线垂直连接线穿过所述触头的中心。具体地，图1中三组横向强磁线圈a、b和c，横向强磁线圈a包括线圈a
‑
1和a
‑
2，横向强磁线圈b包括线圈b
‑
1和b
‑
2，横向强磁线圈c包括线圈c
‑
1和c
‑
2。线圈a
‑
1和a
‑
2的轴线垂直连接中心线、线圈b
‑
1和b
‑
2的轴线垂直连接中心线和线圈c
‑
1和c
‑
2的轴线垂直连接中心线均穿过触头的中心。
24.进一步参见图1，图1中横向强磁线圈a、b和c的线圈环绕触头交叉设置，以线圈a
‑
1未开始顺时针环绕依次为线圈b
‑
1、线圈c
‑
1、线圈a
‑
2、线圈b
‑
2和线圈c
‑
2。
25.本实施例中，所述供能装置包括储能电容c和续流二极管d，所述储能电容c和续流二极管d并联设置，所述储能电容c的第一端与第一线圈电连接，所述储能电容c的第二端与控制驱动装置电连接，所述控制驱动装置与所述第二线圈电连接。本实施例中横向强磁线圈a、b和c中的第一线圈分别为线圈a
‑
2、线圈b
‑
2和线圈c
‑
2，第二线圈分别为线圈a
‑
1、线圈b
‑
1和线圈c
‑
1。
26.所述控制驱动装置包括控制器和晶闸管，所述控制器与所述晶闸管的驱动端电连接，所述晶闸管的第一端与所述储能电容c的第二端电连接，所述晶闸管的第二端与所述第二线圈电连接。本实施例中对应三组横向强磁线圈a、b和c，分别设置三个晶闸管scr
‑
a、scr
‑
b和scr
‑
c。晶闸管scr
‑
a、scr
‑
b和scr
‑
c的第一端均与储能电容c的第二端电连接，晶闸管scr
‑
a的第二端与线圈a
‑
1电连接，晶闸管scr
‑
b的第二端与线圈b
‑
1电连接，晶闸管scr
‑
c的第二端与线圈c
‑
1电连接。通过控制器分别控制晶闸管scr
‑
a、scr
‑
b和scr
‑
c依次导通，使得储能电容c向横向强磁线圈a、b和c中放电，在线圈中产生脉冲电流进而激发外部横磁线圈在真空灭弧室两侧产生瞬时外部强磁场。
27.需要指出的是，本实施例中提供的多路径电弧转移装置的横向强磁线圈至少为两组，最多也不限于实施例中的三组，也可以更多，具体不再赘述。
28.如果横向强磁线圈设置为一组，参见图2，快速真空开断时，在灭弧室两侧施加一个横向强磁场，将电弧在触头边缘迅速拉伸到较大的长度使其弧压迅速且显著增大，从而实现对电流快速且可靠的转移，但是电弧的运动由外施横磁的方向和电弧电流方向决定，在电弧电流方向不变的情况下，电弧会始终沿一个方向运动，并在该方向边缘拉伸，所以会导致触头在该区域烧损非常严重，进而触头间隙金属粒子密度明显增加，随着开断次数增加电弧背后击穿和弧后重击穿的概率随之增加，迫使电流转移时弧压过低或者触头间隙绝缘介质强度大大下降，最终导致直流断路器开断失败。
29.参见图3，触头表面产生电弧，a
‑
1和a
‑
2在触头周围产生的外部横向强磁b方向蓝色线和箭头所示，电弧在强磁b作用下运动到垂直于a
‑
1和a
‑
2中心线的触头边沿处并迅速拉伸。当需要下一次开断时，外部横向强磁线圈b
‑
1和b
‑
2所在回路触发，电弧在强磁b作用下运动到垂直于b
‑
1和b
‑
2中心线的触头边沿处并迅速拉伸。当需要再一次开断时，外部横向强磁线圈c
‑
1和c
‑
2所在回路触发，电弧在强磁b作用下运动到垂直于c
‑
1和c
‑
2中心线的触头边沿处并迅速拉伸。所以当直流断路器动作时，控制外部横向强磁线圈a、b和c通电的晶闸管依次循环触发，使得电弧运动轨迹和拉伸位置依次出现在不同区域，避免出现触头
某个区域反复烧蚀的现象，进而提高触头的寿命和弧压迅速增大的稳定性。
30.与上述实施例提供的一种多路径电弧转移装置相对应，本技术还提供了一种多路径电弧转移装置控制方法的实施例。
31.参见图4，多路径电弧转移装置控制方法包括：
32.s101，当电弧室内动触头和静触头之间产生电弧时，控制器控制第一晶闸管导通，所述第一晶闸管为多路径电弧转移装置中的任一晶闸管。
33.s102，第一晶闸管导通后，储能电容为与所述第一晶闸管电连接的第一横向强磁线圈供电产生强磁场，控制电弧运动到垂直于第一横向强磁线圈的两个线圈中心线的触头边沿并迅速拉伸。
34.如上述实施例所述，假设第一晶闸管为scr
‑
a，则scr
‑
a导通时，电容c放电在横向强磁线圈a中产生脉冲电流进而激发外部横磁线圈在真空灭弧室两侧产生瞬时外部强磁场。电弧在外部强磁场的作用下运动到触头边缘，并且迅速拉伸到较大的长度使电弧电压显著增大。
35.s103，当再次产生电弧时，保持第一晶闸管关闭，导通其他任一晶闸管，控制电弧运动到触头不同边沿处拉伸。
36.当需要下一次开断时，外部横向强磁线圈b
‑
1和b
‑
2所在回路触发，电弧在强磁作用下运动到垂直于b
‑
1和b
‑
2中心线的触头边沿处并迅速拉伸。当需要再一次开断时，外部横向强磁线圈c
‑
1和c
‑
2所在回路触发，电弧在强磁作用下运动到垂直于c
‑
1和c
‑
2中心线的触头边沿处并迅速拉伸。所以当直流断路器动作时，控制外部横向强磁线圈a、b和c通电的晶闸管依次循环触发，使得电弧运动轨迹和拉伸位置依次出现在不同区域，避免出现触头某个区域反复烧蚀的现象，进而提高触头的寿命和弧压迅速增大的稳定性。
37.本实施例还提供了一种直流断路器，参见图5，本实施例中的直流断路器包括：主通流支路、电子电力支路和耗能支路，其中所述主通流支路内设置有上述实施例提供的多路径电弧转移装置。
38.在直流断路器运行过程中，当故障电流超过阈值时，控制快速真空开关断开和电力电子支路导通，并在短时间机械延迟后产生电弧，同时，触发外加横向磁电路中的晶闸管导通，外部横磁线圈作为电感存在，电容放电在线圈中产生脉冲电流进而激发外部横磁线圈在真空灭弧室触头间隙两侧产生瞬时外部强磁场(激磁电流到达峰值时间大于故障电流转移时间)，真空电弧在外部强磁场的作用下运动到触头边缘，并且迅速拉伸到较大的长度使电弧电压显著增大，从而使故障电流转移至电力电子支路。
39.需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。