一种新型的快速机械式高压直流断路器的制作方法

本实用新型涉及直流断路器技术领域，特别是涉及一种新型的快速机械式高压直流断路器。

背景技术：

多端柔性直流输电系统对直流侧短路故障非常敏感，当多端柔性直流输电系统发生短路故障时，高压直流断路器能在换流器闭锁前直接切除并隔离故障点，除发生故障的线路外，整个系统还能正常运行。因此高压直流断路器是保证多端柔性直流输电系统稳定可靠运行的关键设备之一。

直流断路器从原理上主要可分为新型的快速机械式高压直流断路器、固态式直流断路器和混合式直流断路器三种类型。其中，新型的快速机械式高压直流断路器具有通态损耗低、可以户外敞开式布置、造价低等优势。

传统新型的快速机械式高压直流断路器通常采用交流开断在电流过零时灭弧实现开断，然而开断过程中过零点前故障电流容易下降过快导致开断失败，使得开断可靠性降低。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统新型的快速机械式高压直流断路器可靠性低的问题，提供一种新型的快速机械式高压直流断路器。

一种新型的快速机械式高压直流断路器，包括：主断口支路、换流支路、吸能支路以及换流充电支路；

所述换流支路、吸能支路与主断口支路并联连接，并联连接的两端串联接入直流输电的线路中；所述换流充电支路与换流支路中的预充电电容并联连接，用于对预充电电容进行充电；

所述主断口支路包括机械开关和饱和电抗器，所述机械开关和饱和电抗器串联连接并接入直流输电的线路中。

上述新型的快速机械式高压直流断路器，在故障电流上升阶段，饱和电抗器可抑制直流故障电流的上升率，降低系统对故障判断灵敏性的要求，同时也减小了故障电流对系统的冲击；在开断故障电流过零点之前，饱和电抗器可降低过零点前故障电流的下降率，避免由于故障电流下降过快导致开断失败，能够增加开断的可靠性，降低装置的成本。

附图说明

图1为新型的快速机械式高压直流断路器结构示意图；

图2为一个实施例的新型的快速机械式高压直流断路器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的新型的快速机械式高压直流断路器的具体实施方式作详细地描述。

参考图1和图2，图1为新型的快速机械式高压直流断路器结构示意图，图2为一个实施例的新型的快速机械式高压直流断路器结构示意图，所述新型的快速机械式高压直流断路器包括：主断口支路10、换流支路20、吸能支路30以及换流充电支路40；

所述换流支路20、吸能支路30与主断口支路10并联连接，并联连接的两端串联接入直流输电的线路中；所述换流充电支路40与换流支路20中的预充电电容201并联连接，用于对预充电电容201进行充电；

所述主断口支路10包括机械开关101和饱和电抗器102，所述机械开关101和饱和电抗器102串联连接并接入直流输电的线路中。

其中，所述主断口支路10用于开断直流线路产生的故障电流，所述机械开关101为可燃弧且在电流过零时可熄弧的开关；

换流支路20用于产生与短路电流反向的高频振荡电流，使机械开关101电流过零点开断；

换流充电支路40用于对预充电电容201充电；

吸能支路30用于吸收直流系统中感性元件存储的能量，限制主断口支路10两端的电压。

所述饱和电抗器102在流过饱和电抗器102的暂态电流大于或等于设定值时，饱和电抗器102处于饱和区域，电感值为设定电感值，所述饱和电抗器102在流过饱和电抗器102的暂态电流小于设定值时，饱和电抗器102处于不饱和区域，电感值大于设定电感值；所述饱和电抗器102用于在流过饱和电抗器102的暂态电流小于设定值时减小该电流的变化率。

上述新型的快速机械式高压直流断路器，当直流系统正常工作时，机械开关101闭合，饱和电抗器102在稳态电流下电感值接近于零，系统电流流过机械开关101和饱和电抗器102，通态损耗较小，当直流线路发生短路故障，故障电流流过主断口支路10时，所述机械开关101的触头分开并燃弧，所述机械开关101达到设定的开距值，触发所述预充电电容201放电并与所述饱和电抗器102产生振荡电流，当振荡电流幅值超过系统最大故障电流幅值，流过机械开关101的电流产生过零点，机械开关101熄弧开断，从而实现对该直流线路的开断，切断故障电流，保护直流输电系统。之后吸能支路30吸收直流系统中的能量对主断口支路10限压保护。

上述技术方案，在故障电流上升阶段，流过饱和电抗器102的暂态电流较小，饱和电抗器102工作在不饱和区域，电感值较大，抑制直流故障电流的上升率，降低了系统对故障判断灵敏性的要求，同时也减小了故障电流对系统的冲击；在开断故障电流过零点之前，流过饱和电抗器102的暂态电流较小，使其工作在不饱和区域，电感值较大，降低了过零点前故障电流的下降率，在满足直流系统对直流断路器本身动作迅速、开断大电流和承受高电压的基础上，能够增加开断的可靠性，降低装置的成本。

在一个实施例中，所述换流支路20还包括与预充电电容201串联连接的触发开关202，所述触发开关202用于当所述机械开关101开距达到设定的开距值时导通。

在一个实施例中，所述触发开关202可以为由晶闸管组成的电力电子触发开关202。

上述实施例的技术方案，在开断故障电流时，当机械开关101达到设定的开距值即有效开距后，触发开关202导通，与触发开关202串联的预充电电容201由于预充有预充电电压，便会放电并与饱和电抗器102产生高频振荡电流，当振荡电流幅值超过系统最大故障电流幅值，使所述机械开关101产生过零点并熄弧。

在一个实施例中，所述换流充电支路40包括：交流电源401和二极管402，所述交流电源401和二极管402串联连接，串联连接的两端与预充电电容201两端并联连接。

为了保证开断大电流过程中足以形成电流过零点，交流电源401的供电电压幅值需保证预充电电容201充有的电压值足够高以满足产生足够高的振荡电流峰值，并根据实际回路电阻403产生的衰减预留适当裕度，以保证大电流开断成功。交流电源401的电压具体可以根据实际需要设置，例如可以选用220V的市电交流电压源。由于对电容充电需要采用直流电源，相应的，设置二级管与交流电源401串联，用于限制交流电源401按设定的方向对预充电电容201充电。

本实施例的技术方案，通过串联的交流电源401和二级管对预充电电容201充入设定方向的预充电电压，使得该预充电电压能够在开断过程中与饱和电抗器102产生足够幅值的高频振荡电流，以保证机械开关101能够过零点成功开断。

在一个实施例中，所述换流充电支路40还包括与交流电源401和二极管402串联连接的电阻403。

预充电电容201上的预充电电压需要达到足够的电压值才能保证开断过程中产生足够峰值的振荡电流实现开断。然而，如果预充电的电压过高，也会使得振荡电流峰值过高，电流下降过快而对系统产生冲击并影响开断的可靠性，因此需要限制预充电电容201上预充合适的电压值；本实施例的技术方案，通过设置一个合适电阻403值的电阻403，限制预充给预充电电容201合适的电压值，在保证能够实现开断的同时提升直流系统的稳定性和开断的可靠性。

在一个实施例中，所述吸能支路30包括氧化锌避雷器301；所述吸能支路30用于吸收直流系统中感性元件存储的能量，限制主断口支路10两端的电压。

在所述机械开关101过零熄弧之后，电流将转移到换流支路20的预充电电容201上，预充电电容201上电压逐渐上升，并施加在机械开关101断口上，机械开关101两端的恢复电压上升，而机械开关101断口两端的电压过高，容易对机械开关101造成损耗，降低机械开关101的使用寿命。

本实施例的技术方案，通过在电路中并联包括氧化锌避雷器301的吸能支路30，在机械开关101两端的恢复电压上升时，当达到氧化锌避雷器301的动作电压时，吸能支路30动作并吸收故障电流被切断后直流系统中感性元件存储的能量，限制机械开关101两端的电压，来实现对所述机械开关101的限压保护，提升机械开关101的使用寿命。

综合上述各个实施例的技术方案，本实用新型实施例的新型的快速机械式高压直流断路器具有以下优点：

(1)在故障电流发生时，具备双向开断额定小电流和极间短路大电流的能力。

(2)在系统正常运行时，机械开关101闭合，饱和电抗器102在稳态电流下电感值接近于零，系统电流流过机械开关101和饱和电抗器102，通态损耗较小。

(3)在故障电流上升阶段，可抑制直流故障电流的上升率，降低了系统对故障判断灵敏性的要求，同时也减小了故障电流对系统的冲击。

(4)在故障电流过零点之前，饱和电抗器102工作在不饱和区域，其电感值较大，可限制故障电流下降率在开断能力范围之内，提高了开断的可靠性；同时还可以降低预充电电容201器的容量，从而降低成本。

(5)限制预充给预充电电容201合适的电压值，在保证能够实现开断的同时提升直流系统的稳定性和开断的可靠性。

(6)在机械开关101两端的恢复电压上升时，吸能支路30动作并吸收故障电流被切断后直流系统中感性元件存储的能量，限制机械开关101两端的电压，实现对机械开关101的限压保护，提升机械开关101的使用寿命。

下面再以一个具体的实施例来阐述本实用新型的新型的快速机械式高压直流断路器，请参考图2，所述新型的快速机械式高压直流断路器包括主断口支路10、换流支路20、吸能支路30和换流充电支路40，换流支路20、吸能支路30与主断口支路10并联连接，并联连接的两端串联接入直流输电的线路中；

其中，主断口支路10包括串联连接的机械开关101和饱和电抗器102；主断口支路10用于在正常工况下，在小损耗情况下通过直流线路额定电流，在发生短路故障时，开断直流线路产生的故障电流。

换流支路20包括串联连接的预充电电容201和触发开关202，预充电电容201在开断前预充有预充电电压，触发开关202在机械开关101开距达到设定值时开断，换流支路20用于在发生短路故障时，产生反向高频振荡电流，使机械开关101电流过零点完成开断。

换流充电支路40包括依次串联连接的交流电源401、电阻403和二极管402，换流充电支路40两端与预充电电容201两端并联连接，换流充电支路40用于对预充电电容201充电，保证预充电电容201当系统发生故障后，触发换流支路20使其导通。

吸能支路30包括氧化锌避雷器301，吸能支路30用于在主断口支路10开断故障电流后，吸收故障电流被切断后系统中感性元件存储的能量，限压保护主断口支路10。

当系统发生短路故障时，流经机械开关101和饱和电抗器102的电流将会迅速上升，由于饱和电抗器102为感性元件，将会在一定程度限制故障电流的上升率，因而降低了系统对故障判断灵敏性的要求，同时也减小了故障电流对系统的冲击。同时，机械开关101触头分开并燃弧，在机械开关101触头的距离达到可开关的有效开距之后，触发开关202导通，从而预充电电容201与饱和电抗器102振荡产生高频振荡电流，叠加在主回路单元上人工产生一个过零点，使得机械开关101熄弧。在熄弧后机械开关101两端的恢复电压上升，当达到吸能支路30动作电压时，吸能支路30动作吸收系统中感性元件中的能量，完成故障电流的开断。

在开断故障电流的过程中，饱和电抗器102将会从不饱和工作区域转移到饱和工作区域，其电感值将会显著增大，从而限制了电流过零点之前的故障电流下降率，保证了开断的可靠性；同时，由于故障电流下降率的降低，所需电容器的容量也会随之降低，这将有效地降低断路器的制造成本。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。