CN104766765B - 一种基于永磁机构的新型真空断口和co2气体断口串联高压交直流断路器 - Google Patents

Abstract

一种基于永磁机构的新型真空断口和CO₂气体断口串联高压交直流断路器，属于电力高压大容量断路器领域。本发明所涉及断路器中真空断口倾斜60°与竖直放置的CO₂气体断口呈V型串联连接。断路器控制系统负责接收系统的分、合闸信号，并比对两个断口动触头的协同动作情况实时调节使其按照开断策略动作以达到断路器最佳开断效果。使用CO₂气体替代SF₆气体作为灭弧介质，有益于环境保护。该高压断路器并联接入转移支路和能量吸收支路可组成直流断路器。

Description

一种基于永磁机构的新型真空断口和 CO 2 气体断口串联高压交直流断路器

技术领域

本发明属于电力高压大容量断路器领域，涉及一种基于永磁机构的真空断口和CO₂气体断口串联的高压交直流断路器，填补国内空白。

技术背景

目前，我国的交直流输电电压等级已分别达到了1000kV和±800kV，随着输电电压等级不断提升，对断路器的耐压水平与开断容量也提出了更高要求。高压断路器领域目前主要有两种断路器，一种是真空断路器，另一种是SF₆断路器。真空断路器采用真空作为触头间的灭弧和绝缘介质，真空断口具有优异的承受开断电流下降率（di/dt）和弧后电压上升率（RRRV）的能力，在配电领域已经取得了广泛的应用。但真空断口的耐压水平与断口间隙长度的非线性增长关系使真空长间隙绝缘难以实现，制约了单断口真空断路器向更高电压等级发展；多断口真空断路器虽然可实现高电压等级的开断，但其断口间的同步控制、动静态均压技术复杂，制造成本较高，这在很大程度上限制了多断口真空断路器的发展。

SF₆断路器采用SF₆气体作为灭弧介质，其在110kV及以上电压等级中占据主导地位，研究发现较大的开断电流下降率（di/dt）和弧后恢复电压上升率（RRRV）对SF₆断路器的开断能力有很大影响。同时SF₆气体以23900的全球变暖潜能值（GWP）被列为温室效应气体，且其废气一旦泄露对环境带来巨大影响。限制SF₆气体使用寻找SF₆的替代气体是当今断路器研究领域热点之一。

研究表明，CO₂气体的绝缘性能约为SF₆气体的40%，高于氮气15%；灭弧性能方面其电弧时间常数为15us，是SF₆气体电弧时间常数的十五倍，但却只有氮气的十五分之一，可以作为灭弧介质使用。在相同气压条件下开断同一短路电流，CO₂气体可获得比SF₆气体更高的峰值灭弧气压，但其压力衰减速度高于SF₆气体，在燃弧时间较长时CO₂气体很难保持合适的气体压力灭弧，这就需要额外的操作功或是更大的气腔，将增加CO₂气体断路器的制造难度和成本。若能利用真空断路器和气体断路器的优点，将两种断口串联，在电弧电流过零后首先由真空断口承担瞬态起始恢复电压，在CO₂气体介质绝缘强度恢复后再由CO₂气体断口承担主要的恢复电压，可以在最大限度上克服两种断路器的缺点，提升断路器整体开断能力。采用基于“碳捕捉”技术收集大气中的CO₂气体作为断路器的灭弧介质不仅可以避免SF₆气体的使用，还可减少大气中CO₂气体排放量。为保证两串联断口有良好的开断效果，需要CO₂气体断口和真空断口之间协同动作，要求操动机构具有较高的动作精度。国外现有的两断口串联断路器操动结构复杂，动作精度得不到保障，实用性较差且难以推广应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于永磁机构的新型真空断口与CO₂气体断口串联组成的高压交直流断路器；设计具有轨迹曲线比对功能的断路器控制系统实时比对并调节两个断口动触头的协同动作关系，使其按照开断策略动作以达到断路器最佳开断效果；通过并联接入LC转移支路和避雷器能量吸收支路还可实现直流电路开断。

本发明的技术方案是：

该断路器由真空断口与CO₂气体断口串联组成，CO₂气体断口部分由CO₂气体灭弧室端盖法兰、CO₂气体灭弧室静触头、CO₂气体灭弧室、动触头及拉杆、感应线圈、绝缘拉杆、直线电机、断路器控制系统、复合材料绝缘套管（上）、绝缘支柱组成。真空断口包括真空灭弧室端盖法兰、真空灭弧室静触头、真空灭弧室、动触头及导电拉杆、电源感应线圈、永磁操动机构、蓄电池及储能电容、真空断口操动机构控制单元、通信光纤、复合材料绝缘套管（右）。此外该断路器还包括连接室、断路器支座和控制箱。

CO₂气体断口部分的复合材料绝缘套管（上）顶端与 CO₂气体灭弧室端盖法兰连接，复合材料绝缘套管（上）内部为CO₂气体灭弧室，感应线圈嵌入复合材料绝缘套管（上）在CO₂气体灭弧室下方；CO₂气体灭弧室底部与连接室垂直等电位相连，同时连接室与倾斜放置的真空灭弧室等电位相连；连接室内，绝缘拉杆与动触头及拉杆相连；直线电机经直线电机动子端与绝缘拉杆连接；绝缘支柱上端与连接室底端垂直连接，其下端与处于低电位的控制箱连接；控制箱内装有直线电机和断路器控制系统；控制箱底部与断路器支座相连。

真空断口部分倾斜60°接于连接室，复合材料绝缘套管（右）底端与连接室相连，上端接真空灭弧室端盖法兰，复合材料绝缘套管（右）内部为真空灭弧室；蓄电池及储能电容与自采集电能的电源感应线圈相连，其置于永磁操动机构和操动机构控制单元下方并共同处于高电位；真空断口操动机构控制单元经通信光纤与断路器控制系统连接；永磁操动机构与真空灭弧室动触头及导电拉杆等电位连接；CO₂气体灭弧室端盖法兰和真空灭弧室端盖法兰分别与电力系统母线相连。

该断路器控制系统负责接收系统分、合闸信号，分析计算后驱动直线电机动作并向位于高电位的真空断口操动机构控制单元发送操作指令实时调控两操动机构运动轨迹，使之按照设定的协同动作策略运动；触头动作行程测量单元实时监测两断口触头协同动作情况反馈给断路器控制系统，断路器控制系统根据两断口协同动作状况调控操动机构运动轨迹；断路器控制系统直接控制运动行程较大的直线电机驱动CO₂气体断口动作，并将协同指令发至真空断口操动机构控制单元控制储能电容对永磁操动机构有序励磁放电实现真空断口的准确动作；真空断口操动机构控制单元通过电源感应线圈、滤波及充电模块向蓄电池及储能电容充电为真空断口操动机构供能，处于低电位的直线电机功能由外部电源负责。

该断路器并联接入LC转移支路和避雷器能量吸收支路可组成直流断路器，断路器断开时转移支路开关闭合，断路器与LC转移支路相互作用并在能量吸收支路避雷器的配合下完成直流断路器的开断过程。

该断路器是在现有的气体灭弧室、真空灭弧室、永磁机构、直线电机及光电测控技术的基础上设计的。断路器控制系统接收来自电力系统的分、合闸信号实现断路器动作响应。采用真空断口和CO₂气体断口串联方式，直线电机驱动CO₂气体断口动作，永磁操动机构驱动真空断口动作，真空断口承担上升率较大的瞬态起始恢复电压，CO₂气体断口承担之后主要的恢复电压；断路器控制系统实时接收触头动作行程测量单元的监测信息并向直线电机和真空断口操动机构控制单元发送信号驱动两操动机构准确动作，使真空断口与CO₂气体断口达到最佳协同动作效果。

本发明的有益效果是在高压等级中应用真空断口与CO₂气体断口串联技术，同时真空断口及其操控系统与电源均处于高电位简化了断路器整体结构，“碳捕捉”技术收集的CO₂气体替代传统的SF₆气体，可减少温室气体排放减小环境污染；断路器的两个灭弧室与操动机构通过拉杆直连，减少了操动机构分散性，同时断路器控制系统通过触头动作行程测量单元监测对比两断口触头协同动作关系并做出调整，可使两断口在最优控制策略下完成分、合闸操作；该断路器并联接入LC转移支路和避雷器能量吸收支路可组成直流断路器，断路器断开时转移支路开关闭合，断路器与LC转移支路相互作用并在能量吸收支路避雷器的配合下完成直流断路器的开断过程。

附图说明

图1是断路器结构示意图

图2是断路器内部结构示意图

图3是断路器控制框图

图4是直流断路器电路示意图

图中：

1 CO₂气体灭弧室端盖法兰；2上复合材料绝缘套管；

3 CO₂气体灭弧室静触头；4 CO₂气体灭弧室；5 动触头及拉杆；

6右复合材料绝缘套管；7 电源感应线圈；8感应线圈；

9 真空灭弧室端盖法兰；10 真空灭弧室；11 真空灭弧室静触头；

12 动触头及导电拉杆；13 永磁操动机构；14 真空断口操动机构控制单元；

15 蓄电池及电容器组；16 通信光纤；17 连接室；18 绝缘拉杆；

19绝缘支柱；20直线电机动子端；21 直线电机；22断路器控制系统；

23 支座；24 滤波及充电模块；25 光纤接收端口；26 光纤发射端口；

27 系统信号；28 触头动作行程测量单元；29 高压断路器；

30 转移支路开关；31 电容器组；32 电感；33 高压避雷器；

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实例。

断路器处于正常导通状态时，母线电流流入CO₂气体灭弧室端盖法兰1， CO₂气体灭弧室静触头3、CO₂气体灭弧室 4，由动触头及拉杆5及相应连接件等电位连接到连接室17；连接室17等电位连接CO₂气体灭弧室4与真空灭弧室10，电流经真空灭弧室动触头及导电拉杆12到真空灭弧室10、真空灭弧室静触头11，并经真空灭弧室端盖法兰9与系统母线相连；感应线圈7从负荷侧获取电能，经滤波及充电模块24为蓄电池及储能电容15充电；CO₂气体断口的绝缘拉杆18与绝缘支柱19将直线电机21和断路器控制系统22与高压部分隔离。

断路器控制系统22收到电力系统的分、合闸信号27时，经分析计算分别向真空断口操动机构控制单元14与直线电机21发送动作信号，触发两个操动机构动作；真空断口操动机构控制单元14收到经通信光纤16传来的信号后，控制储能电容15向永磁操动机构13放电，永磁操动机构13带动真空灭弧室动触头12动作，与收到动作指令的直线电机21协同完成分、合闸指令；断路器控制系统22通过触头动作行程测量单元28监测两个断口间触头的协同状态，实时调节直线电机励磁电流并协调真空断口操动机构控制单元14控制储能电容15对永磁操动机构13有序放电，实现两断口触头按照协同控制策略动作，保证断路器的最佳开断性能。

该断路器接入如图4所示电路中可用于直流电流开断。收到系统分闸指令时，断路器29断开，转移支路开关30闭合，断路器29产生的直流电弧与转移支路的电容器31和电感32相互作用产生震荡电流，在合适的电流过零点断路器29完成内部电流开断；电容器组31继续充电，当达到高压避雷器33的阈值时避雷器33导通，系统电流I下降至零，转移支路开关30断开，完成直流电路开断。

Claims (3)

1. 一种基于永磁机构的新型真空断口和CO₂气体断口串联高压交直流断路器，其特征在于：由CO₂气体断口和真空断口串联组成，CO₂气体断口部分包括CO₂气体灭弧室端盖法兰（1）、上复合材料绝缘套管（2）、 CO₂气体灭弧室静触头（3）、CO₂气体灭弧室（4）、动触头及拉杆（5）、感应线圈（8）、绝缘拉杆（18）、直线电机（21）、断路器控制系统（22）、绝缘支柱（19）；真空断口部分包括右复合材料绝缘套管（6）、真空灭弧室端盖法兰（9）、真空灭弧室（10）、真空灭弧室静触头（11）、动触头及导电拉杆（12）、电源感应线圈（7）、永磁操动机构（13）、蓄电池及储能电容（15）、真空断口操动机构控制单元（14）、通信光纤（16），此外还包括连接室（17）、断路器支座（23）和控制箱；

CO₂气体断口部分的上复合材料绝缘套管（2）顶端与 CO₂气体灭弧室端盖法兰（1）连接，上复合材料绝缘套管（2）内部为CO₂气体灭弧室（4），感应线圈（8）嵌入上复合材料绝缘套管（2）在CO₂气体灭弧室（4）下方；CO₂气体灭弧室（4）底部与连接室（17）垂直等电位相连，同时连接室（17）与倾斜放置的真空灭弧室（10）等电位相连，连接室（17）内，绝缘拉杆（18）与动触头及拉杆（5）相连；直线电机（21）经直线电机动子端（20）与绝缘拉杆（18）连接，绝缘支柱（19）上端与连接室（17）底端垂直连接，其下端与装有直线电机（21）和断路器控制系统（22）的控制箱连接，控制箱底部与断路器支座（23）相连；真空断口部分倾斜60°接于连接室（17），右复合材料绝缘套管（6）底端与连接室（17）相连，上端接真空灭弧室端盖法兰（9），右复合材料绝缘套管（6）内部为真空灭弧室（10）；蓄电池及储能电容（15）与自采集电能的电源感应线圈（7）相连，其置于永磁操动机构(13)和真空断口操动机构控制单元（14）下方并共同处于高电位；真空断口操动机构控制单元（14）经通信光纤（16）与断路器控制系统（22）连接；永磁操动机构（13）与真空灭弧室动触头及导电拉杆（12）等电位连接； CO₂气体灭弧室端盖法兰（1）和真空灭弧室端盖法兰（11）分别与电力系统母线相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于永磁机构的新型真空断口和CO₂气体断口串联的高压交直流断路器，其特征还在于：该断路器的断路器控制系统（22）负责接收电力系统的分、合闸信号，发送命令直接驱动直线电机（21）动作，并经过真空断口操动机构控制单元（14）驱动永磁操动机构（13）；触头动作行程测量单元（28）实时监测两断口触头协同动作情况并反馈给断路器控制系统（22），其根据两断口协同动作状况实时调控操动机构运动轨迹，保证两个断口按最佳开断策略动作，达到断路器最大开断容量。

3. 根据权利要求1或2所述的一种基于永磁机构的新型真空断口和CO₂气体断口串联高压交直流断路器，其特征还在于：该断路器并联接入LC转移支路和避雷器能量吸收支路可组成直流断路器；断路器（29）断开时转移支路开关（30）闭合，断路器（29）与电感（32）、电容器组（31）组成的LC转移支路相互作用在能量吸收支路避雷器（33）的配合下完成直流断路器的开断过程。