一种可用于电网交、直流断路器的消弧装置及方法与流程

本发明属于断路器技术领域，具体涉及一种可用于电网交、直流断路器的消弧装置及方法。

背景技术：

变压器及各种用电设备投入或者退出电网时，都由开关电器来完成。当其在大气中开断时，只要电源电压超过12～20v，被关断的电流超过0.25～1a，在触头间(简称弧隙)就会产生一团温度极高、发出强光、能导电的近似圆柱形的等离子气体，等离子气体放电即为电弧。

实际上开关电器在工作时，电路的电压和电流大都大于生弧电压和生弧电流。即开断电路时触头间隙中必然产生电弧这一现象。电弧的产生，一方面使电路仍旧保持导通状态，而延迟了电路的开断；另一方面电弧长久不熄还会烧损触头及附近的绝缘，严重时甚至引起开关电器的爆炸和火灾。建立于电弧理论基础上的各种开关电器的构造和工作原理，都和电弧有关，电弧在众多电气设备火灾事故中，作为一个很重要的点火源，已引起消防界的重视。因此，我们必须掌握电弧的产生和熄灭的原理，以便采取正确的措施，防范爆炸和火灾事故的发生。为了灭弧的目的，运用不同灭弧方法的断路器应运而生，常见的有真空断路器、多油断路器、少油断路器、六氟化硫断路器等。其实空气开关也是断路器的一种，只是因为触点过电压不高其产生的电弧不用灭弧便会自然熄灭，所以不用采用灭弧方法。但是一些高压、超高压或特高压线路中的断路器由于灭弧困难，常采用多种灭弧方法相结合的方式进行灭弧。目前常用的灭弧方法有：

(1)快速拉长电弧，因为电弧的燃烧需要有一定的电弧电压来维持，加快触头分断速度，将电弧快速拉长，会降低触头间的电场强度，使电弧电压不足以维持电弧的燃烧从而会使电弧熄灭；

(2)冷却使电弧与冷却介质接触，带走电弧热量，从而使离子运动速度减慢，又使离子的复合速度加快，使电弧熄灭；

(3)窄缝灭弧将电弧挤入窄缝，使电弧与固体介质接触以加强扩散和冷却，减小离子的运动速度，加快离子复合速度，使电弧熄灭；

(4)短弧灭弧将长电弧分割成几段，增加维持电弧燃烧所需要的电压要求，而且增大了散热面积，使触头间电压不足以击穿各段的所有气隙，短电弧同时熄灭，不再重燃，常用金属灭弧栅分割电弧；

(5)利用气体或油熄灭电弧，利用各种形式的灭弧室使气体或油产生巨大的压力并有力地吹向弧隙，电弧在气流或油流中被强烈地冷却和去游离，并且其中的游离物质被未游离物质所代替，电弧便迅速熄灭；

(6)采用多断口，高压断路器常制成每相有两个或多个串联的断口，使加于每个断口的电压降低，电弧易于熄灭；

(7)断路器断口加装并联电阻，当断开电路时，主触头先断开，这时并联在主触头断口上的电阻在主触头断开过程中起分流作用，有利于主触头断口灭弧；

(8)采用新介质，利用灭弧性能优越的新介质，例如sf6(六氟化硫)断路器和真空断路器等。

以上方法均是采用强制灭弧的方式，迫使电弧所处环境不利于电弧的维持，没有从根本上解决问题。单独的灭弧方法仅对低压线路的断路器起到一定作用，所以高压断路器均是采用几种灭弧方式相结合以解决高压灭弧问题。这将导致高压断路器的器件制作要求高，使其造价高昂。

综上所述，所有断路器所采用的方法均是以在电弧产生后如何熄灭的思路来对断路器进行一系列的改进，却没考虑过从电弧产生的根本原因来对电弧进行消除，电弧产生的原因使触点过电压，只要在触点断开的瞬间消除触点两端的过电压就能够让电弧自始不存在，本发明就是采用这样的方式进行消弧。

断路器在断开瞬间，电流突变将导致过电压后形成电弧，接在变压器—感性回路上的断路器在闭合瞬间同样会产生过电压，这是由于通电瞬间产生很大的电流尖峰所导致的，大多数设备的过电压均是由于电流突变所产生。变压器合闸时正是电源正弦波的波形进入零点的位置，变压器会产生冲击电流，称为浪涌。变压器在空载合闸时会出现激磁涌流，其大小可达稳态激磁电流的80-100倍，或额定电流的6-8倍。涌流对变压器本身不会造成大的危害，但在某些情况下能造成电波动，如不采取相应措施，可能使变压器过电流或差动继电保护误动作。目前，解决浪涌是通过浪涌保护器，也叫避雷器来实现的，它在极短的时间内能导通分流，吸收巨大的能量。本发明由于是解决了电流突变的问题进一步防止了过电压同样能起到浪涌保护器的功效。

针对交流线路，在电流过零点时电弧会自行熄灭，降低电弧产生的可能性，通过以上几种灭弧方式的结合尚能解决灭弧问题；但对于直流线路而言，电流无过零点，熄弧能力很差，几种灭弧方式的结合已经不足以满足高压直流灭弧条件，致使直流断路器成为研究难点。

目前，随着可再生能源发电的发展及用户对电能要求的不断提高，传统交流电网已难以满足可再生能源发电和负荷随机波动性对电网快速反应的要求。随着电压源型高压变流器和高压柔性直流输(配)电技术的迅速发展，国内外对直流输(配)电网的研究正日益深入。近十几年来，基于电压源换流器的轻型直流输电技术的提出和发展，令直流输电的使用延伸到了近距离、小容量的输电场合。另一方面，面对经济社会的快速发展，用户对电力系统提出了很多新的要求:环境友好性、安全可靠性的提升、更加优质经济且支持用户进行与电网的双向互动等等,研究兼具可靠性、安全性、稳定性、经济性的直流输(配)电网具有巨大的市场价值和经济价值。与传统交流输(配)电相比:采用直流输(配)电网络不仅可将可再生能源与传统能源广域互联，充分提高可再生能源的利用率，而且可降低线路损耗，增加传输容量与传输距离，同时解决系统同步运行的稳定性问题。其中，直流输(配)电网的工程化应用关键技术之一就是高压直流断路器的研发。作为规定时间内承载并开断直流电网正常电流以及各种故障电流的开关设备，高压直流断路器是直流输(配)电网络建设的运行、控制与保护基础。

目前，制约柔性直流输(配)电网络实际工程应用的主要原因之一就是缺乏实用的高压直流断路器，主要原因是现有技术不能很好的解决直流电路的灭弧问题。作为承载、开断直流运行回路正常电流以及各种故障电流的开关设备，如何保证直流断路器的有效性、安全性和稳定性是直流线路能否在全国推广的关键，一旦有效解决直流输电系统的灭弧问题，将为成功研制出一款有效、安全、稳定的直流断路器提供基础，推动直流输电技术在我国的进一步应用。

技术实现要素：

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种可用于电网交直流断路器的消弧装置包括控制机构、检测机构和执行机构，内含并联自放电回路；所述执行机构包括一个断路器，在所述断路器支路上串联接入两个并联自放电回路，所述并联自放电回路串联接入的位置分别位于所述断路器前后。

所述的控制机构为接收信号和下达指令的控制器，通过信号线与检测机构、执行机构相连。

所述的并联自放电回路内含电感线圈和电容间隙各1个，所述的电感线圈与所述的电容间隙并联形成并联自放电回路。

所述并联自放电回路的工作原理为：

当所述断路器闭合瞬间，若该断路器在变压器—感性回路中，则会产生涌流—突波。在涌流通过串联在断路器两端的并联自放电回路时，其涌流将在所述电感线圈两端形成极大的感应电动势当感应电动势大于电容间隙的击穿电压时电容间隙被击穿，导致涌流在并联自放电回路的所述电感线圈和所述电容间隙之间形成了感应电流回路，其电流大小与涌流的大小相等，通过所述电感线圈的电流即为所述涌流，通过所述电容间隙的电流的方向与涌流方向相反，是感应电动势将电容间隙击穿所产生的电流。在电容间隙被击穿时，其涌流在线路中所产生的能量从电容间隙之间被释放。涌流被并联自放电回路吸收后通过其电容间隙将能量释放。

当所述断路器断开瞬间，正常情况下电流不能突变，这是由于线路中有电感设备，但在串联有并联自放电回路的回路中当断路器断开，电流将从某个值瞬间突变到零，该电流突波通过串联在断路器两端的并联自放电回路时，其突波将在所述电感线圈两端形成极大的感应电动势当感应电动势大于电容间隙的击穿电压时电容间隙被击穿，导致突波在并联自放电回路的所述电感线圈和所述电容间隙之间形成了感应电流回路，其电流大小与突波的大小相等，通过所述电感线圈的电流即为所述突波，通过所述电容间隙的电流的方向与突波方向相反，是感应电动势将电容间隙击穿所产生的电流。在电容间隙被击穿时，其突波在线路中所产生的能量从电容间隙之间被释放。突波被并联自放电回路吸收后通过其电容间隙将能量释放，将导致电流突变不会在断路器的两端触头上产生过电压，因此不会产生电弧。

此处，重新将思路进行整理：电弧是由于过电压所产生的空气击穿效应，过电压又是由于电流突变所造成的，如果电流突变所产生的能量被并联自放电回路所吸收并通过其电容间隙的击穿将能量释放，那电流突变产生的过电压效应将自始不存在。

其中，为了将能量从并联自放电回路释放，所述电感线圈的电感量l需满足所需消纳的产生电弧的过电压能量施加在电感线圈上的电流变化率所产生的感应电动势大于电容间隙的击穿电压以此保证所述电容间隙被击穿。

为使所述断路器支路的载流量变大，可以选择以下两种方式：

(1)所述电感线圈导线截面大于额定尺寸电感线圈导线截面。其中电感线圈的额定尺寸即根据断路器所在线路的额定载流量计算得到的通流截面面积。

(2)所述断路器与两个并联自放电回路的串联支路两端并联一个支路，并在该支路上串联一个副断路器。

一种控制上述附加了一个副断路器的消弧装置的方法包括如下步骤：

s1.当所述检测机构检测到需闭合断路器的信号以后通过信号线传达给控制器；

s2.所述控制器在接收到闭合信号后先向所述断路器下达闭合指令；

s3.所述断路器执行指令闭合；

s4.当所述检测机构检测到断路器闭合后将信号传达给控制器；

s5.所述控制器在接收到断路器闭合信号后向所述副断路器下达闭合指令；

s6.所述副断路器执行指令闭合；

s7.当所述检测机构检测到副断路器闭合后系统认定完成闭合工作；

s8.当所述检测机构检测到需断开断路器的信号以后通过信号线传达给控制器；

s9.所述控制器在接收到断开信号后先向所述副断路器下达断开指令；

s10.所述副断路器执行指令断开；

s11.当所述检测机构检测到副断路器断开后将信号传达给控制器；

s12.所述控制器在接收到副断路器断开信号后向所述断路器下达断开指令；

s13.所述断路器执行指令断开；

s14.当所述检测机构检测到断路器断开后系统认定完成断路工作。

本发明的有益效果：

(1)本发明仅凭简单的电路及接线从原理上消除了电弧产生的条件，解决了至今灭弧困难的难题，且适用于所有交、直流断路器，将不需要运用多种高昂的灭弧手段熄灭电弧，大大地降低了交、直流断路器的制造成本；

(2)本发明不仅消除了断路器断开时的过电压，且消除了闭合时的过电压，包含了浪涌保护器的功能，可以大大降低电网成本，达到了一物多用的效果。

(3)电流突变所产生的能量被并联自放电回路所吸收并通过其电容间隙将能量释放，阻止了电弧的产生，解决了电弧在电网中的各类问题。

附图说明

图1是本发明应用于非变压器的断路器的单条支路装置示意图；

图2是本发明应用于非变压器的断路器的双条支路装置示意图；

图3是未安装本发明的变压器-断路器示意图；

图4是本发明应用于变压器的断路器的单条支路装置示意图；

图5是本发明应用于变压器的断路器的双条支路装置示意图；

实施例一涉及到图1中的标号含义：

1-并联自放电回路；2-电容间隙；3-电感线圈；4-断路器。

实施例二涉及到图2中的标号含义：

5-并联自放电回路；6-电容间隙；7-电感线圈；8-断路器；9-副断路器。

实施例三涉及到图4中的标号含义：

19-并联自放电回路一；20-电容间隙一；21-电感线圈一；22-断路器一；23-并联自放电回路二；25-电容间隙二；24-电感线圈二；26-断路器二。

实施例四涉及到图5中的标号含义：

9-并联自放电回路一；10-电容间隙一；11-电感线圈一；13-断路器一；12-副断路器一；14-并联自放电回路二；16-电容间隙二；15-电感线圈二；18-断路器二；17-副断路器二。

具体实施方法

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例一如图1所示，该实施例针对空气断路器(空气开关)等的接线方式，包括并联自放电回路1、电容间隙2、电感线圈3和断路器4。其中所述断路器支路上串联接入两个并联自放电回路，所述并联自放电回路串联接入的位置分别位于所述断路器前后，所述的电感线圈与所述的电容间隙并联形成并联自放电回路。

实施例二如图2所示，该实施例针对空气断路器(空气开关)等的接线方式，为了使所述断路器支路的载流量变大，在实施例一的基础上并联一个支路，并在该支路上串联一个副断路器9。

实施例三如图4所示，该实施例针对变压器的断路器或接地刀闸等的接线方式，包括并联自放电回路一19、电容间隙一20、电感线圈一21、断路器一22、并联自放电回路二23、电容间隙二25、电感线圈二24、断路器二26。其中所述变压器两端皆设置了，每个断路器支路上串联接入两个并联自放电回路，所述并联自放电回路串联接入的位置分别位于所述断路器前后，所述的电感线圈与所述的电容间隙并联形成并联自放电回路，其中断路器一22和断路器二26同时动作。

实施例四如图5所示，该实施例针对变压器的断路器或接地刀闸等的接线方式，为了使所述断路器支路的载流量变大，在实施例三的基础上在两个同步动作的断路器两端均并联一个支路，并在每个支路上串联一个副断路器，其中副断路器一12和副断路器二17同时动作。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。