一种真空机械开关与气体机械开关电压分配方法

1.本发明属于直流电网的关键设备之一——直流断路器领域，特别涉及一种真空机械开关与气体机械开关电压分配方法。


背景技术：

2.柔性直流电网因其系统主接线结构、运行方式复杂多样，进而导致直流系统故障方式多、故障发展快、影响范围广。因此，迫切需要柔性直流电网的故障隔离技术，以保障柔性直流电网的安全可靠运行。直流断路器是直流输配电系统中实现直流故障隔离最为理想的选择。由于兼具固态式直流断路器的快速开断特性和机械式直流断路器的低损耗特性，混合式直流断路器成为高压直流断路器的主要发展方向之一。
3.对于一种真空机械开关与气体机械开关串联的自然换流型混合式直流断路器(拓扑结构如图1所示)，在其开断过程和稳态情况下，真空机械开关与气体机械开关会因断口分布电容不同而出现电压分配不均现象。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提供一种真空机械开关与气体机械开关电压分配方法。
5.本发明的真空机械开关与气体机械开关电压分配方法中，所述真空机械开关的静触头、动触头间为第一断口c
断口1
，所述气体机械开关的静触头、动触头间为第二断口c
断口2
，
6.所述电压分配方法包括步骤：
7.计算不同开距下所述第一断口c
断口1
和所述第二断口c
断口2
的分布电容，搭建等值电容模型；
8.设计rc电压分配电路；
9.在所述第一断口c
断口1
和所述第二断口c
断口2
处均并联所述rc电压分配电路。
10.进一步，
11.所述分布电容包括：所述第一断口c
断口1
的分布电容c
12
、所述第二断口c
断口2
的分布电容c
23
、所述第一断口c
断口1
和第二断口c
断口2
的整体的分布电容c
13
。
12.进一步，
13.采用额定开距下的所述第一断口c
断口1
和所述第二断口c
断口2
的分布电容来进行电压分配设计。
14.进一步，
15.所述rc电压分配电路包括电压分配电容c、电压分配电阻r1和限流电阻r2，
16.其中，
17.电压分配电容c与限流电阻r2构成电压分配串联结构c-r2，电压分配串联结构c-r2与电压分配电阻r1并联。
18.进一步，
19.设计所述电压分配电阻r1时，需满足发热功率和断路器绝缘能力的约束，且缩短
过渡过程的时间常数。
20.进一步，
21.设所述第一断口c
断口1
的电压分配电阻r1大小为r11，第二断口c
断口2
的电压分配电阻r1大小为r12，双断口稳态总承压为u，则所述第一断口c
断口1
的电压分配电阻r1的发热功率计算公式为所述第二断口c
断口2
的电压分配电阻r1的发热功率计算公式为
22.所述真空机械开关和气体机械开关绝缘能力表征为断态漏电流，所述断态漏电流表达式为
23.进一步，
24.电压分配电容c的设计方法为：基于并联所述rc电压分配电路后的真空机械开关与气体机械开关串联结构，进行固态开关开断后的电磁暂态过程仿真，暂定所述限流电阻r2的值，改变两个所述rc电压分配电路中电压分配电容c的取值，计算不同电压分配电容c组合下的电压分配系数与所述第一断口c
断口1
和第二断口c
断口2
的最大暂态过电压，并选取所述第一断口c
断口1
和第二断口c
断口2
的暂态过电压均在各自耐受阈值内的电压分配电容c组合。
25.进一步，
26.所述电压分配电容c的取值模式可以取所述电压分配电容c
12
、c
23
相等，也可以遍历两个所诉电压分配电容c
12
、c
23
的取值组合。
27.进一步，
28.根据电压分配电容c的期望暂态电流的取值确定所述限流电阻r2的取值。
29.进一步，
30.仿真测量所述电压分配电容c在暂态过电压下的暂态电流及其暂态发热量，以确定所述限流电阻r2的取值，
31.其中，
32.通过修改所述限流电阻r2的数值，在所述暂态电流和暂态发热量要求得到满足的条件下，得到所述限流电阻r2的取值。
33.本发明通过rc电路实现真空机械开关与气体机械开关串联电压分配，方法简单可靠，可实现真空机械开关与气体机械开关的可靠串联电压分配，进而防止因电压分配不合理造成弧后暂态恢复电压对机械开关的重击穿，保证混合式直流断路器的可靠开断。
34.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
35.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明
的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
36.图1示出了根据现有技术的真空机械开关与气体机械开关串联的自然换流型混合式直流断路器的拓扑结构图；
37.图2示出了根据本发明实施例的机械开关三维仿真计算模型示例图；
38.图3示出了根据本发明实施例的双断口串联等值电容模型示例图；
39.图4示出了根据本发明实施例的rc电压分配电路拓扑结构图。
具体实施方式
40.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.图1所示为采用本发明的电压分配方法的真空机械开关与气体机械开关串联的自然换流型混合式直流断路器的拓扑结构图。所述自然换流型混合式直流断路器包括：主通流支路、转移支路和能量吸收支路，且主通流支路、转移支路和能量吸收支路三者并联。其中，主通流支路是由真空机械开关和气体机械开关串联组成，构成真空机械开关和气体机械开关串联结构；转移支路由双向固态开关模块串联构成；能量吸收支路由金属氧化物压敏电阻(metal oxide varistors，mov)组成。
42.本发明的真空机械开关与气体机械开关电压分配方法包括如下步骤：
43.a、首先分别建立真空机械开关和气体机械开关的三维仿真计算模型。图2为真空机械开关和气体机械开关中任一个机械开关的模型示例，由所述模型可知，所述机械开关设于开关底座上，在斥力机构箱上设有动触头，静触头与动触头间隔相对。真空机械开关和气体机械开关均具有机械断口(每一个机械断口均由对应的机械开关的动触头、静触头构成)。在所述模型中，把相邻的机械断口的电气连接位置设置成相等电位。图3示出了真空机械开关与气体机械开关串联的双断口串联等值电容模型示例图，其中，c
断口1
和c
断口2
分别为真空机械开关和气体机械开关中的机械断口，c
12
和c
23
分别为c
断口1
和c
断口2
的分布电容，c
13
为c
断口1
和c
断口2
的整体的分布电容。
44.可选择仅对机械开关建模，也可以根据实际的整机结构，把避雷器和固态开关等其他组件考虑在内一起建模，即可只针对主通流支路建模，也可以以主通流支路为基础，然后结合转移支路和/或能量吸收支路一同建模。
45.b、在三维计算软件中计算不同开距下的分布电容c
12
、c
23
和c
13
图3中，通常情况下，机械开关的动触头、静触头之间的开距达到额定开距时断口电容最小，且电压不均匀程度最大，可采用该开距下的机械断口的分布电容来进行电压分配设计。其中，在一定电压下，机械开关的动触头、静触头之间达到一定距离而机械开关未发生重击穿时，该距离为额定开距。
46.c、设计rc电压分配电路，在串联等值电容模型的真空机械断口、气体机械断口均并联rc电压分配电路，其拓扑结构如图4所示。图4所示的rc电压分配电路中，r1为电压分配电阻，c为电压分配电容，r2为限流电阻。电压分配电容c与限流电阻r2构成电压分配串联结
构c-r2，电压分配串联结构c-r2与电压分配电阻r1并联。
47.电压分配电阻r1的作用是进行稳态情况下的电压分配，其设计原则为，在满足发热功率和断路器绝缘能力的约束下，电压分配电阻r1的目标值不应过大，以缩短过渡过程的时间常数。电压分配电阻r1的目标值可根据所选择的具体的真空机械开关与气体机械开关而调整。其中，所述过渡过程是指真空机械开关和气体机械开关的断口在分闸状态下，从承受动态过电压(也就是电容电压分配阶段)，到承受稳态电压(也就是电阻电压分配阶段)的过渡过程；设并联在第一断口c
断口1
的电压分配电阻r1大小为r11，并联在第二断口c
断口2
的电压分配电阻r1大小为r12，真空机械开关和气体机械开关的双断口稳态总承压为u。则第一断口c
断口1
的电压分配电阻r1的发热功率计算公式为第二断口c
断口2
的电压分配电阻r1的发热功率计算公式为发热功率的上限约束可从电阻的元件手册中获取。真空机械开关和气体机械开关绝缘能力表征为断态漏电流，其表达式为真空机械开关和气体机械开关漏电流的约束可从真空机械开关和气体机械开关的技术参数需求中获取。
48.电压分配电容c对暂态过程的电压分配效果起决定作用，其设计方法为，基于并联rc电压分配电路后的真空机械开关与气体机械开关串联结构，进行固态开关开断后的电磁暂态过程仿真，暂定限流电阻r2的值，改变两个rc电压分配电路中电压分配电容c的取值，计算不同电压分配电容c组合下电压分配系数与第一断口c
断口1
和第二断口c
断口2
的最大暂态过电压，并选取第一断口c
断口1
和第二断口c
断口2
的暂态过电压均在各自耐受阈值内的电压分配电容c组合。
49.通常来说，在介质恢复结束后，气体断口能承受的最大暂态过电压较真空断口更大，设定过电压阈值时需要考虑这一点。
50.电压分配电容c的取值模式可以取两个电压分配电容c
12
、c
23
相等，也可以遍历两个电压分配电容c
12
、c
23
的取值组合。
51.在满足各断口的最大暂态过电压未超过额定耐压的条件下，电压分配电容不应过大。因为电压分配电容c越大，其暂态电流峰值也越大，不仅不利于电压分配电容c的安全性，也会影响直流断路器的其他设备。
52.确定了r1和c后，最后确定限流电阻r2，限流电阻r2的作用是改善电压分配电容暂态电流过大的问题，r2越大，电压分配电容暂态电流越小，可根据电压分配电容c的期望暂态电流，通过仿真来确定其取值，仿真取值过程为：在确定了r1和c的前提下，可以在电磁暂态仿真软件emtdc中搭建包含双断口等值电容网络和并联电压分配电路的电路模型。仿真测量电压分配电容c在所研究暂态过电压下的暂态电流及其暂态发热量。暂态电流上限可参考电压分配电容c的元件手册，暂态发热量的上限可参考r2的元件手册。通过修改r2的数值，在暂态电流和暂态发热量要求得到满足的条件下，得到限流电阻r2的取值，这是因为较大的限流电阻对暂态电压分配有一定的负面效应。限流电阻r2的取值可根据所选择的具体的真空机械开关与气体机械开关而调整。
53.500kv混合式直流断路器的mov限电压水平800kv确定所需要承受的暂态电压峰值，实际元件按满足该值为条件定制。
54.4)限流电阻和电压分配电容选型时应满足电压分配系数达标，且电压分配电容暂态电流峰值在可承受范围内，同时限流电阻还需考虑吸能容量满足暂态发热功要求。
55.d、对最终确定的参数进行再次仿真验证，并搭建试验平台，验证仿真的准确性和电压分配电路的可靠性。
56.本发明的真空机械开关与气体机械开关电压分配方法可防止弧后暂态恢复电压对机械开关的重击穿，保证混合式直流断路器的可靠开断。
57.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。