直流断路器的开关以及直流断路器的制作方法

1.本公开涉及一种直流断路器的开关以及包含该开关的直流断路器。


背景技术：

2.多端柔性直流电网为大规模间歇性可再生能源的并网与消纳提供了有效途径，但面临着由于局部故障而被迫全网停运的难题。直流断路器是构建直流电网的关键设备，能够对区域故障进行快速处理和隔离，因此是构建直流电网的核心设备。在柔性直流系统中，在直流断路器完成一次电流开断后，根据直流系统控制保护策略的需要，可能要求直流断路器具备重合闸且重合闸后可立即再次开断短路电流的能力。因此，研制具备重合闸功能的直流断路器快速开关方案对直流电网的构建具有重要意义。已知的直流断路器通常不具备重合闸功能。此外，在已知的具有重合闸功能的方案中，直流断路器的体积较大、结构复杂且成本较高。


技术实现要素：

3.本公开提供了一种直流断路器的开关以及包含该开关的直流断路器。所述开关可以实现直流断路器的分闸、合闸以及重合闸，并且速度较快。此外，所述开关和直流断路器的结构简单、体积小、成本低、使用寿命长。
4.在一方面，本公开提供了一种直流断路器的开关，所述开关包括：基座；连杆，具有与所述直流断路器的分闸与合闸分别对应的分闸位置与合闸位置；静铁芯，设置在所述基座上；动铁芯，与所述连杆连接且能相对于静铁芯沿分合闸方向运动；弹性件，设置于所述基座或静铁芯与所述动铁芯之间且对所述动铁芯施加朝向合闸方向的弹性偏压力；以及第一线圈，配置为在通电时对所述动铁芯产生沿分闸方向的电磁力，其中，在所述直流断路器的合闸期间，在所述弹性件的弹性偏压力的作用下，所述动铁芯沿所述合闸方向运动，以带动所述连杆从所述分闸位置移动至所述合闸位置。
5.在一实施方式中，所述开关还包括永磁体，所述永磁体设置于所述静铁芯中的空腔内并产生沿所述分闸方向的磁力。
6.在一实施方式中，所述开关还包括第二线圈，其中，在所述直流断路器的合闸期间，所述第二线圈通电以对所述动铁芯产生沿合闸方向的第一电磁力，在所述第一电磁力和所述弹性偏压力的作用下，所述动铁芯克服所述永磁体产生的磁力沿所述合闸方向运动，以带动所述连杆从所述分闸位置移动至所述合闸位置。
7.在一实施方式中，所述开关还包括：斥力线圈；和斥力盘，与所述连杆连接，其中，在所述直流断路器的分闸期间，所述斥力线圈通电以对所述斥力盘产生沿分闸方向的第二电磁力，以使得所述斥力盘沿所述分闸方向运动，以带动所述连杆从所述合闸位置移动至所述分闸位置。
8.在一实施方式中，所述静铁芯设置在所述基座的第一侧上，且所述斥力线圈设置于所述基座的与所述第一侧相反的第二侧上。
9.在一实施方式中，在所述直流断路器的分闸期间，所述第一线圈通电以对动铁芯产生沿所述分闸方向的第三电磁力，以使所述动铁芯沿所述分闸方向运动，以带动所述连杆从所述合闸位置移动至所述分闸位置。
10.在一实施方式中，在所述直流断路器的合闸期间且在所述第二线圈通电并经过一段时间后，所述第一线圈通电以产生沿所述分闸方向的第四电磁力。
11.在一实施方式中，在所述斥力线圈通电期间，通过所述永磁体产生的磁力与所述第一线圈通电对动铁芯产生沿所述分闸方向的第五电磁力的合力将所述动铁芯保持抵靠所述静铁芯。
12.在一实施方式中，在所述直流断路器分闸后，仅通过所述永磁体产生的磁力或所述第一线圈通电对动铁芯产生沿所述分闸方向的第三电磁力将所述动铁芯保持抵靠所述静铁芯。
13.在一实施方式中，所述弹性件围绕所述连杆设置在所述动铁芯的内腔和所述静铁芯的内腔中。
14.在一实施方式中，所述连杆穿过所述动铁芯、所述静铁芯、所述基座、以及所述斥力盘延伸。
15.在一实施方式中，所述开关还包括油缓冲装置，其设置于所述连杆的第一端附近并配置为对所述连杆施加抵抗所述连杆沿分闸方向运动的缓冲力。
16.在另一方面，本公开还提供了一种直流断路器，所述直流断路器包括固封极柱、绝缘拉杆、以及如上文所述的开关，其中所述绝缘拉杆连接至所述固封极柱内的动触头，所述开关的连杆的第二端连接至所述绝缘拉杆。
附图说明
17.从下面结合附图详细描述的本公开的优选实施方式中，本公开的优点和目的可以得到更好地理解。为了在附图中更好地显示各部件的关系，附图并非按比例绘制。附图中：
18.图1示出了根据本公开的一个实施例的直流断路器的局部示意图；
19.图2示出了根据本公开的一个实施例的直流断路器的开关的示意图，其中所述直流断路器处于合闸状态；和
20.图3示出了根据本公开的一个实施例的直流断路器的开关的示意图，其中所述直流断路器处于分闸状态。
具体实施方式
21.将参照附图详细描述根据本公开的各个实施例。这里，需要注意的是，在附图中，将相同的附图标记赋予基本上具有相同或类似结构和功能的组成部分，并且将省略关于它们的重复描述。如果没有特别说明，本文中的术语“分闸方向”、“合闸方向”、“上”、“下”、“左”、“右”等均是相对于本公开的附图描述的。术语“依次包括a、b、c等”仅指示所包括的部件a、b、c等的排列顺序，并不排除在a和b之间和/或b和c之间包括其它部件的可能性。“第一”及其变体的描述仅仅是为了区分各部件，并不限制本公开的范围，在不脱离本公开的范围的情况下，“第一部件”可以写为“第二部件”等。
22.本说明书的附图为示意图，辅助说明本公开的构思，示意性地表示各部分的形状
及其相互关系。
23.下面，参照图1至图3，详细描述根据本公开的优选实施方式。
24.如图1所示，本公开的直流断路器包括固封极柱1、绝缘拉杆2、以及开关100。固封极柱1内设置有真空灭弧室，其由环氧树脂包封，并且其内部设置有动触头和静触头。绝缘拉杆2通过导电杆连接至动触头，以驱动动触头与静触头接触或分离，从而实现直流断路器的合闸和分闸。
25.本公开的开关100能够实现直流断路器的用于短路电流的分闸、合闸，换句话说，所述开关可以在直流断路器所在电网发生短路时快速分闸，然后快速合闸，即重合闸。此外，开关100还能够实现直流断路器的用于额定电流的分闸、合闸，即在正常工作时根据操作人员的操作来进行分闸、合闸。
26.如图1至3所示，在一实施例中，开关100可以包括基座3、动铁芯4、静铁芯5、连杆8、弹性件9以及第一线圈12。例如，基座3可以固定于开关100的壳体上。
27.静铁芯5设置于基座3上，例如设置于基座3的第一侧上。动铁芯4可以沿分闸方向s1和与分闸方向相反的合闸方向s2相对于静铁芯5运动。本文所述的分闸方向s1为竖直向下的方向，合闸方向s2为竖直向上的方向。例如，动铁芯4和静铁芯5可以由导磁材料制成。
28.连杆8可以沿分闸方向s1延伸，并且具有与直流断路器的分闸与合闸分别对应的分闸位置与合闸位置。动铁芯4与连杆8连接，因此动铁芯4沿分合闸方向的运动可以带动连杆8一起沿分合闸方向运动。例如，动铁芯4可以固定于连杆8上。
29.如图1至3所示，在另外一些示例中，开关100还可以包括第二线圈11。第一线圈12可以通电以对动铁芯4产生沿分闸方向s1的电磁力。第二线圈11可以通电以对动铁芯4产生沿合闸方向s2的电磁力。例如，第一线圈12和第二线圈11在合闸方向s2上彼此叠置，如图1所示。例如，第一线圈12和第二线圈11可以以连杆8为圆心同心设置于静铁芯5上，如图1、图2和3所示。静铁芯5上设置有用于安装第一线圈和第二线圈的凹部。
30.开关100还可以包括斥力线圈6和斥力盘7，其中斥力盘7与连杆8连接，例如固定于连杆8上。例如，斥力线圈6和斥力盘7在分闸方向s1上叠置。斥力盘7可以沿分闸方向s1和合闸方向s2运动。斥力盘沿分合闸方向的运动可以带动连杆8一起沿分合闸方向运动。斥力线圈6设置于基座3的与第一侧相反的第二侧上。例如，斥力线圈6套设于设置在基座3的第二侧上的另一基座上，或者直接套设于基座3上。
31.开关100所包括的弹性件9设置于基座3与动铁芯4之间且对所述动铁芯4施加朝向合闸方向s2的弹性偏压力，这样可以将拉杆8偏压于合闸位置。考虑到磨损等原因，需在动触头上施加一力以使其保持与静触头接触，所述弹性件9可实现上述作用，即具有超程簧的功能。在另外一些示例中，弹性件9设置于静铁芯5与动铁芯4之间。例如，弹性件9围绕连杆8设置在动铁芯4的内腔和静铁芯5的内腔中。例如，弹性件9可以包括至少一个弹簧，例如两个弹簧。上述弹性件集成到机构内部，因此可以减小开关的体积。
32.开关100还可以包括永磁体10，所述永磁体10设置于静铁芯5中的空腔内并产生沿分闸方向s1的磁力。例如，在直流断路器的分闸后，通过永磁体10产生的磁力可以将动铁芯4保持抵靠所述静铁芯5。或者，在直流断路器的分闸后，通过第一线圈12通电对动铁芯4产生沿分闸方向s1的电磁力将动铁芯4保持抵靠所述静铁芯5。当然，也可以使用其他方式在直流断路器分闸后将动铁芯4保持抵靠静铁芯5，即将直流断路器保持在分闸状态。
33.开关100还可以包括油缓冲装置13，其设置于连杆8的第一端(即，图中的底端)附近并配置为对连杆8施加抵抗连杆8沿分闸方向s1运动的缓冲力。
34.连杆8的第二端(即，图中的顶端，邻近动铁芯4)连接至直流断路器的绝缘拉杆2。例如，连杆8可以穿过动铁芯4、静铁芯5、基座3、以及斥力盘7延伸，例如居中地依次穿过上述各个部分。动铁芯4、静铁芯5、基座3、以及斥力盘7各设置有居中的通孔以供连杆8穿过。连杆8可以在分闸位置与合闸位置之间移动，以实现绝缘拉杆2的移动，进而实现动触头与静触头的接触与分离。
35.在直流断路器的合闸期间，第二线圈11通电以对动铁芯4产生沿合闸方向s2的第一电磁力，在所述第一电磁力和所述弹性偏压力的作用下，动铁芯4沿合闸方向s2运动，以带动连杆8从如图3所示的分闸位置移动至如图2所示的合闸位置。具体来说，所述第一电磁力与弹性件9所施加的弹性偏压力的合力使动铁芯4克服永磁体10的磁力沿合闸方向s2运动，因此弹性件9还具有合闸簧的作用。通过超程簧和合闸簧由单个弹性件实现可以进一步减小开关的体积。例如，第一电磁力可以用于抵消永磁体的磁力，使得动铁芯4在弹性件9所施加的弹性偏压力的作用下沿合闸方向s2运动。例如，在上述合闸的前期，第二线圈11通电，所述第一电磁力与弹性件9所施加的弹性偏压力克服永磁体10的磁力使得动铁芯4离开静铁芯5；在上述合闸的后期，例如在动铁芯4距离静铁芯5或永磁体10足够远而不再受到磁力作用之后，第二线圈11可以不再通电，仅弹性件9所施加的弹性偏压力推动动铁芯4沿合闸方向s2运动，以带动连杆8移动至合闸位置。在另外一些示例中，例如在没有永磁体，分闸状态由第一线圈12通电产生沿分闸方向s1的电磁力来保持的情况下，在直流断路器的合闸期间，第一线圈12断电，仅在弹性件9的弹性偏压力的作用下，动铁芯4沿合闸方向s2运动，以带动连杆8从分闸位置移动至合闸位置。上述合闸过程可以在直流断路器所在电网短路且直流断路器分闸后立即实现，为重合闸过程。另外，上述合闸过程也可以是直流断路器在额定电流下的合闸过程。
36.在直流断路器的分闸期间，斥力线圈6可以通电以对斥力盘7产生沿分闸方向s1的第二电磁力，以使得斥力盘7沿分闸方向s1运动，以带动连杆8从如图2所示的合闸位置移动至如图3所示的分闸位置。上述分闸过程发生在直流断路器所在电网短路时，为直流断路器的用于短路电流的分闸过程。该过程例如可以以大约2毫秒的时间完成电路的开断，因此实现了直流断路器的快速开关。具体来说，斥力线圈6的通电由直流断路器的电路中的电容放电实现。斥力盘7在斥力线圈6通电时感应出涡流，从而产生沿分闸方向s1的第二电磁力。
37.此外，在直流断路器的分闸期间，第一线圈12可以通电以对动铁芯4产生沿分闸方向s1的第三电磁力，以使动铁芯4沿分闸方向s1运动，以带动连杆8从如图2所示的合闸位置移动至如图3所示的分闸位置。上述分闸过程发生在直流断路器工作于额定电流的情况下，为直流断路器的用于额定电流的分闸过程。
38.为了降低发生合闸弹跳的几率，在直流断路器的合闸期间且在第二线圈11通电并经过一段时间后，第一线圈12通电以产生沿分闸方向s1的第四电磁力。所述第四电磁力与所述第一电磁力的方向相反，可以减小合闸撞击的能量，减缓连杆8移动至合闸位置的速度，从而降低合闸反弹的发生几率。
39.考虑到斥力线圈6通电对斥力盘7产生的沿分闸方向s1的第二电磁力较大，为了降低发生分闸反弹的几率，在直流断路器的用于短路电流的分闸期间，即在斥力线圈6通电期
间，第一线圈12可以通电以对动铁芯4产生沿分闸方向s1的第五电磁力。通过永磁体10产生的磁力与第一线圈12的第五电磁力的合力将动铁芯4保持抵靠静铁芯5，从而可以减小分闸反弹的幅值。此外，还可以进一步使用如上所述的油缓冲装置13来对连杆8施加抵抗连杆8沿分闸方向s1运动的缓冲力，从而减小分闸反弹的幅值。
40.在直流断路器分闸后，可以仅通过永磁体10产生的磁力将动铁芯4保持抵靠静铁芯5，或者如上所述，仅通过第一线圈12通电对动铁芯4产生沿分闸方向s1的第三电磁力将动铁芯4保持抵靠静铁芯5。也就是说，将连杆8保持在分闸位置。此处的分闸可以是直流断路器的用于短路电流的分闸后，也可以是直流断路器的用于额定电流的分闸后。
41.上述第一线圈12在各种情况下通电所产生的第三电磁力、第四电磁力以及第五电磁力可以相同，也可以不同。
42.此外，第一线圈、第二线圈和斥力线圈的通电可以由直流断路器的控制器来控制。
43.具有上述结构的开关可以实现直流断路器的分闸、合闸以及重合闸，并且速度较快。具有上述结构的开关针对短路电流的开断使用包含斥力线圈和斥力盘的斥力机构，针对额定电流的开断使用包含动铁芯、静铁芯、永磁体以及线圈的永磁机构，并且通过永磁机构和弹性件实现重合闸，因此开关和直流断路器的使用寿命可以增加。此外，具有上述结构的开关和直流断路器的结构简单、易于实现、体积小、成本低。
44.上述披露的各技术特征并不限于已披露的与其它特征的组合，本领域技术人员还可根据公开目的进行各技术特征之间的其它组合，以实现本公开之目的为准。