平波电抗器与断路器一体式的电磁斥力驱动直流开断设备

本发明涉及直流开关电器，具体涉及一种平波电抗器与断路器一体式的电磁斥力驱动直流开断设备。

背景技术：

1、目前，随着新能源发电和并网技术的迅速发展，直流电力系统的需求大幅增加，柔性直流系统以其结构灵活、输出谐波小、可控性高等诸多优势，成为当下的研究热点。

2、柔性直流系统的短路故障保护是当下必须解决的难题，一方面，柔直系统中使用大量的电力电子设备，由于其具有“低阻抗，低惯量”的特性，一旦发生短路故障，短路电流上升速度快、峰值高；另一方面，柔性直流系统中的设备耐受短路电流能力差，一旦不能短时间内将短路电流切除，将会威胁柔性直流系统的稳定运行。

3、因此，在柔性直流系统发生短路故障后，如何限制短路电流的发展，并快速有效地对短路故障进行开断，成为制约柔性直流系统发展的一个难题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足和缺陷，本发明的目的在于提出一种平波电抗器与断路器一体式的电磁斥力驱动直流开断设备，兼具限流和开断功能，能够自动分断极大短路故障。短路故障发生时，由短路电流驱动电磁斥力盘动作开关，显著降低柔性直流系统控制时间和故障清除时间。并且利用平波电抗器的内部空间，进一步缩小柔性直流系统中电气设备的占地面积，并利用平波电抗器产生的纵向磁场对电弧的控制作用，提升开断能力。

2、本发明通过以下技术手段解决上述问题：

3、一种平波电抗器与断路器一体式的电磁斥力驱动直流开断设备，包括紧凑型电磁斥力开关、电流转移支路、能量吸收支路、进线端a1、出线端a2；

4、所述紧凑型电磁斥力开关两端分别连接进线端a1和出线端a2；所述的紧凑型电磁斥力开关包括平波电抗器l1、分闸线圈l2、放电电容c1、放电开关k1和机械断口k2，平波电抗器l1和机械断口k2相串联，平波电抗器l1一端连接进线端a1，另一端连接机械断口k2，机械断口k2的另一端连接出线端a2；放电电容c1、放电开关k1、分闸线圈l2依次串联组成主动控制回路；平波电抗器l1或分闸线圈l2通过驱动电磁斥力盘d操纵机械断口k2分闸；

5、所述电流转移支路、能量吸收支路与机械断口k2三者相互并联；所述的电流转移支路包括强迫过零式、电力电子式；所述强迫过零式由依次串联的振荡电容c2、振荡电感l3、振荡开关k3组成；所述电力电子式由相串联的多个全控型电力电子器件组成；

6、所述能量吸收支路由单个或多个串并联的压敏电阻或避雷器b组成。

7、所述紧凑型电磁斥力开关采用一体式结构，外部为带有中空腔体的平波电抗器l1，机械断口k2、分闸线圈l2、放电开关k1、放电电容c1均位于平波电抗器l1的中空腔体内部，电磁斥力盘d位于平波电抗器l1的内部或外端；机械断口k2的静触头f1与动触头f2包裹在灭弧室f3内部，动触头f2的下端通过绝缘拉杆与电磁斥力盘d相连接，分闸线圈l2位于电磁斥力盘d的一端，并与串联的放电电容c1、放电开关k1相连形成回路；分闸线圈l2有串入主回路通流和不串入主回路通流两种接线方式，当分闸线圈l2串入主回路通流时，分别与灭弧室f3的下端和平波电抗器l1的内侧通过导线m相连接；当分闸线圈l2不串入主回路通流时，平波电抗器l1内侧通过导线m与灭弧室f3的下端相连接；紧凑型电磁斥力开关的进线端a1位于平波电抗器l1的外侧，出线端a2位于静触头f1或动触头f2的上端。

8、所述紧凑型电磁斥力开关具有三种分闸动作方式：

9、方式一：主动控制分闸动作：当需要动作紧凑型电磁斥力开关时，通过发送控制信号闭合放电开关k1，预充电的放电电容c1进行放电，放电电流流过分闸线圈l2，通过对电磁斥力盘d产生洛伦兹力，驱动电磁斥力盘d动作，斥开机械断口k2，进行分闸动作；

10、方式二：平波电抗器驱动自动分闸动作：所述分闸线圈l2不串入主回路通流，当发生严重短路故障时，短路电流流经平波电抗器l1，所产生的洛伦兹力达到电磁斥力盘d动作阈值，驱动电磁斥力盘d动作，斥开机械断口k2，进行分闸动作；

11、方式三：分闸线圈驱动自动分闸动作：所述分闸线圈l2串入主回路通流，当发生严重短路故障时，短路电流经平波电抗器l1限流后，流过分闸线圈l2，产生的洛伦兹力达到电磁斥力盘d动作阈值，驱动电磁斥力盘d动作，斥开机械断口k2，进行分闸动作。

12、所述的平波电抗器与断路器一体式的电磁斥力驱动直流开断设备，在正常通流状态下，机械断口k2闭合，振荡开关k3断开，本设备所保护的电力系统电流从进线端a1流入，依次流经所述平波电抗器l1、机械断口k2，再由出线端a2流出；

13、当电力系统发生故障时，系统短路电流先经平波电抗器l1进行限流，随后机械断口k2在电磁斥力驱动下断开，短路电流转移至电流转移支路，经由电流转移支路动作对短路电流进行开断，随后避雷器动作泄放剩余的能量，完成开断。

14、所述机械断口k2包括真空断口和气体断口。

15、所述放电开关k1和振荡开关k3采用机械式开关、晶闸管、igbt中的一种。

16、所述全控型电力电子器件为igbt或igct和反向并联二极管。

17、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

18、1.当短路电流达到电磁斥力盘自动动作阈值时，短路电流驱动断路器自动动作，节约了系统的控制时间，能够更迅速地对短路故障进行响应

19、2.所保护的电力系统也可以通过主动控制支路控制装置进行分合闸，短路电流驱动动作和主动控制动作相结合，满足系统全电流范围保护的需求。

20、3.在发挥平波电抗器在直流系统中的固有功能的同时，充分利用空心平波电抗器内部的空间，改变了原有的平波电抗器和断路器的连接方式，实现平波电抗器和直流断路器的一体化，进一步缩小直流系统中电气设备的占地面积。

21、4.分闸线圈产生的洛伦兹力随短路电流大小而变化，系统的短路故障电流越大，上升速度越快，则分闸线圈对电磁斥力盘的洛伦兹力越大，机械断口的动作速度越快，断路器就能更快地分断短路电流。

22、5.平波电抗器产生的纵向磁场，对灭弧室内电弧产生控制作用，有利于电弧中电子的扩散，并减小电弧对触头的烧蚀，有效减小电弧中电子浓度密度，加速电弧的熄灭并提升介质恢复强度，进一步提升断路器的开断能力。

技术特征：

1.一种平波电抗器与断路器一体式的电磁斥力驱动直流开断设备，其特征在于：包括紧凑型电磁斥力开关、电流转移支路、能量吸收支路、进线端(a1)、出线端(a2)；

2.根据权利要求1所述的平波电抗器与断路器一体式的电磁斥力驱动直流开断设备，其特征在于，所述紧凑型电磁斥力开关采用一体式结构，外部为带有中空腔体的平波电抗器(l1)，机械断口(k2)、分闸线圈(l2)、放电开关(k1)、放电电容(c1)均位于平波电抗器(l1)的中空腔体内部，电磁斥力盘(d)位于平波电抗器(l1)的内部或外端；机械断口(k2)的静触头(f1)与动触头(f2)包裹在灭弧室(f3)内部，动触头(f2)的下端通过绝缘拉杆与电磁斥力盘(d)相连接，分闸线圈(l2)位于电磁斥力盘(d)的一端，并与串联的放电电容(c1)、放电开关(k1)相连形成回路；分闸线圈(l2)有串入主回路通流和不串入主回路通流两种接线方式，当分闸线圈(l2)串入主回路通流时，分闸线圈(l2)分别与灭弧室(f3)的下端和平波电抗器(l1)的内侧通过导线(m)相连接；当分闸线圈(l2)不串入主回路通流时，平波电抗器(l1)内侧通过导线(m)与灭弧室(f3)的下端相连接；紧凑型电磁斥力开关的进线端(a1)位于平波电抗器(l1)的外侧，出线端(a2)位于静触头(f1)或动触头(f2)的上端。

3.根据权利要求1所述的平波电抗器与断路器一体式的电磁斥力驱动直流开断设备，其特征在于，所述紧凑型电磁斥力开关具有三种分闸动作方式：

4.根据权利要求1所述的平波电抗器与断路器一体式的电磁斥力驱动直流开断设备，其特征在于，在正常通流状态下，机械断口(k2)闭合，振荡开关(k3)断开，本设备所保护的电力系统电流从进线端(a1)流入，依次流经所述平波电抗器(l1)、机械断口(k2)，再由出线端(a2)流出；

5.根据权利要求1所述的平波电抗器与断路器一体式的电磁斥力驱动直流开断设备，其特征在于，所述机械断口(k2)包括真空断口和气体断口。

6.根据权利要求1所述的平波电抗器与断路器一体式的电磁斥力驱动直流开断设备，其特征在于，所述放电开关(k1)和振荡开关(k3)采用机械式开关、晶闸管、igbt中的一种。

7.根据权利要求1所述的平波电抗器与断路器一体式的电磁斥力驱动直流开断设备，其特征在于，所述全控型电力电子器件为igbt或igct和反向并联二极管。

技术总结
本发明公开了一种平波电抗器与断路器一体式的电磁斥力驱动直流开断设备，包括紧凑型电磁斥力开关、电流转移支路、能量吸收支路、进线端、出线端；所述的紧凑型电磁斥力开关采用一体式结构，外部为空心的平波电抗器，其他结构均位于平波电抗器的内部；所述的电流转移支路包含强迫过零式、电力电子式；所述的能量吸收支路由单个或多个串并联的压敏电阻或避雷器组成。本发明兼具限流和开断功能，能够自动分断极大短路故障。短路故障发生时，由短路电流驱动电磁斥力盘动作开关，显著降低系统控制时间和故障清除时间。并且充分利用平波电抗器的内部空间，进一步缩小直流系统中电气设备的占地面积。

技术研发人员：项彬,杜慧鑫,王东宇,李堃,栾荣璇,张琦,刘志远,耿英三,王建华
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29