一种耦合变压器型直流断路器用空芯脉冲变压器及其参数获取方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高压电器和脉冲功率技术领域，更具体地，涉及一种耦合变压器型直 流断路器用空芯脉冲变压器及其参数获取方法。
【背景技术】
[0002] 直流断路器作为直流输电系统中的主要设备之一，对于建设大规模直流电网起着 至关重要的作用。与无源自激振荡型和有源预充电型直流断路器相比较，耦合变压器型直 流断路器既能保证快速形成过零点完成故障电流快速开断，也避免了使用难以同时满足不 误动和不拒动的高压闭合开关。
[0003] 在耦合变压器型直流断路器中，脉冲变压器主要用于提供与故障电流方向相反， 幅值为几十千安的高频脉冲电流。与磁心式脉冲变压器相比较，空芯变压器由于直接依靠 原副方绕组间的紧密耦合来传递能量，不存在磁心饱和的问题，避免了磁滞效应和涡流损 耗，适用于大功率应用场合。但与常用的空芯脉冲变压器相比较，由于直流断路器正常挂网 运行时，脉冲变压器副方绕组的高低压端电位均为母线电压，因此耦合变压器型直流断路 器用空芯脉冲变压器不仅需要耐受较高的匝间绝缘，还需耐受较大的原副方绕组间绝缘。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种耦合变压器型直流断路器用空 芯脉冲变压器及其参数获取方法，旨在解决耦合变压器型直流断路器用空芯脉冲变压器需 耐受直流母线电压等级的原副方绕组间主绝缘，以及此型脉冲变压器具体参数获取方法的 问题。
[0005] 本发明提供了一种耦合变压器型直流断路器用空芯脉冲变压器，包括原方绕组、 副方绕组、原方绕组高压端、原方绕组低压端、副方绕组高压端、副方绕组低压端、副方绕组 匝间绝缘膜、原方绕组匝间绝缘膜、主绝缘膜和绝缘支撑架;所述副方绕组沿所述绝缘支撑 架径向绕制，所述副方绕组具有径向电压梯度，且所述副方绕组的匝间绝缘由所述副方绕 组匝间绝缘膜实现;所述副方绕组低压端和所述原方绕组低压端之间采用所述主绝缘膜绝 缘;所述原方绕组绕制在所述主绝缘膜外，且所述原方绕组的匝间绝缘由所述原方绕组匝 间绝缘膜实现。
[0006] 其中，耦合变压器型直流断路器正常挂网运行时，副方绕组高压端和副方绕组低 压端的电位均为母线电压。
[0007] 其中，空芯脉冲变压器的参数包括原、副方绕组匝数，原、副方绕组电感，原、副方 电容，支撑架外径，铜带宽度，铜带厚度。
[0008] 本发明还提供了一种基于上述的耦合变压器型直流断路器用空芯脉冲变压器的 参数获取方法，所述空芯脉冲变压器的参数包括原、副方绕组匝数，原、副方绕组电感，原、 副方电容，支撑架外径，铜带宽度，铜带厚度，包括下述步骤：
[0009] (1)根据最大开断电流Imax确定脉冲变压器副方电流i2的第一幅值i 2max，并获得脉 冲变压器副方电流i2的第一上升沿时间
[0011] 其中Un为直流母线电压，In为额定电流，为最大故障电流下降率，TP为真空断口
拉开至最大开距的时间;L〇为平波电抗器的电感值，
[0012] ⑵通过公式
获得的值，进而由
谪定 一组脉冲变压器副方电感L2和副方电容C2的值;通过公式
获得原方电感U的值，再由
_确定原方电容&的值；
[0013] 其中
，UQ为原方电容充 电电压，k为耦合系数，k大于等于0.8，x为调谐度；
[0014] (3)获得原、副方电流i#Pi2的频率f jPf 2，并根据原、副方电流的频率获得原、副 方绕组铜带的厚度
[0015] 其中，0 = 1.72父1〇-8〇/111，为铜电阻率$。= 431\1〇-711/111，为真空磁导率；
[0016] (4)根据副方绕组需耐受1.5~2倍母线电压，选定副方绕组匝间绝缘材料的耐压 值为UN2,厚度为d2,并获得副方绕组匝数
进而选定原方绕组匝间绝缘 材料:耐压值为UN1(UN1 < UN2)，厚度为cU;原副方绕组间需耐受1.5倍左右的母线电压，选定 主绝缘材料:耐压值为UN，厚度为d;
[0017] (5)由公式III~公式VIII获得原方绕组匝数他，支撑架外径r和绕组宽度1;并获 得变压器原方杂散电阻
和副方杂散电 阻
[0018] 其中，公式in为
，公式ivS-
公式v为
[0019] (6)根据公式
获得电 流12的第二幅值12以及第二上升沿时间Vnse，并通过调整U〇的值和C2的值使得所述第一幅 值等于所述第二幅值，且所述第一上升沿时间等于所述第二上升沿时间；
[0020] 其中，
'Lki和Lk2为原副方杂散电 感，取微亨即可。
[0021] 更进一步地，步骤(6)中，调整Uo的值和C2的值具体为：
[0022] 当12大于i2降低Uo的值，当12小于i 2增大Uo的值；
[0023] 当t'rise大于trise降低C2的值，当t'rise小于trise增大C2的值。
[0024] 更进一步地，采用公式X~公式XIV将直流断路器的母线电压Un、额定电流I n、电流 下降车
、最大开断电流Imax和真空断口拉开至最大开距的时间^转化为对耦合变压器副 方电流的第一幅值i2max> Imax以及第一上升沿时间t rise;其中，公式X为
，公式XI 为
公式XIV为
[0025] 本发明中充分考虑了脉冲变压器原副方绕组间主绝缘的影响，
:，其中，h为原方绕组铜带的长度。
[0026] 通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于在脉冲变压器副方绕 组低压端与原方绕组低压端之间采用了主绝缘膜绝缘，脉冲变压器能够取得可耐受直流母 线电压等级的原副方绕组间主绝缘的有益效果；与此同时，由于本发明提出的脉冲变压器 参数获取方法充分考虑了直流断路器的具体工况以及变压器原副方绕组间的主绝缘问题， 能够取得针对不同电压等级的耦合变压器型直流断路器，有科学依据地设计出对应的空芯 脉冲变压器，也可以用于计算检验某空芯脉冲变压器是否适用于某个特定的耦合变压器型 直流断路器的有益效果。
【附图说明】
[0027]图1是本发明所涉及耦合变压器型直流断路器用空芯脉冲变压器设计流程图。 [0028]图2是本发明所涉及耦合变压器型直流断路器用空芯脉冲变压器原理电路图。
[0029] 图3是本发明所涉及耦合变压器型直流断路器用空芯脉冲变压器结构示意图。
[0030] 图4是本发明所涉及耦合变压器型直流断路器原理电路图。
[0031] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为原方绕组； 2为副方绕组;3为原方绕组高压端;4为原方绕组低压端;5为副方绕组高压端;6为副方绕组 低压端；7为副方绕组匝间绝缘膜;8为原方绕组匝间绝缘膜;9为主绝缘膜；10为绝缘支撑 架为原方电容;C 2为副方电容山为原方电感;L2为副方电感;Rki为原方杂散电阻;Rk2为副 方杂散电阻;L kl为原方杂散电感;Lk2为副方杂散电感;M为变压器互感;S为闭合开关。
【具体实施方式】
[0032]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0033] 本发明的目的是针对耦合变压器型高压直流断路器，提出了一种适用于此型直流 断路器的空芯脉冲变压器设计方法，该方法可以根据特定的工程技术要求(包括母线电压、 额定电流、电流下降率、最大开断电流、真空断口拉开至最大开距的时间等），设计出满足要 求的脉冲变压器重要参数(包括原副方绕组匝数、原副方绕组电感、原副方电容、支撑架外 径、铜带宽度与厚度等）。
[0034] 本发明提供的耦合变压器型直流断路器用空芯脉冲变压器的设计方法，包括下述 步骤：
[0035] 第一步由最大开断电流Imax确定脉冲变压器副方电流i2的幅值i 2max，由公式（1)选 定平波电抗器的值，由公式⑵~公式(5 )确定i2的上升沿时间trise ;其中，
U Un为直流母线电压，In为额定电 流
为最大故障电流下降率，^为真空断口拉开至最大开距的时间，L〇为平波电抗器电感 值，i (t = TP)STP时刻故障电流i的值，To为故障电流i从Tdt刻到形成第一个过零点的时 间：
为i2的上升率，TriseSi 2的最小上升沿时间；
[0036] 第二步初步设定原方电容充电电压为Uo，耦合系数为k(大于等于0.8 )，调谐度为 X，利用公式(6)和公式(7)确定脉冲变压器原方电感U、副方电感L2、原方电容&和副方电容 C2。其中，
[0037](6.)，
[0038]第三步由公式(8)和第一步中副方电流i2的上升沿时间trise，分别求出原副方电流 il和i2的频率fl和f2,从而确定原副方绕组铜带的厚度〇1和〇2