CN107833772B - 一种人工过零技术主电路拓扑的电流转移方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种人工过零技术主电路拓扑的电流转移方法，主电路拓扑包括并联的主电流通路和电流转移电路，所述的主电流通路由机械开关S与饱和变压器T的初级线圈L1依次串联构成，所述的电流转移电路由预充电电容C、控制开关FV与饱和变压器T的次级线圈L2依次串联构成，所述的电容C与机械开关S的连接端为预充电负极；本发明饱和变压器T的初级线圈和次级线圈在电流转移过程中励磁磁势方向相反，能在机械开关S电流过零前附近迅速退出饱和状态，使转移回路的电感量显著增加，大幅减小机械开关S电流零点附近的电流变化率，提高机械开关S的大电流分断可靠性。

Description

一种人工过零技术主电路拓扑的电流转移方法
技术领域
本发明属于断路器技术领域，具体涉及一种基于人工过零技术的主电路拓扑结构的电流转移方法。
背景技术
基于人工过零技术实现的典型断路器技术方案如图1所示，通过LC电流转移电路提供的反向高频电流与主机械开关S中的短路电流叠加而快速产生电流过零点，实现电路的快速分断。尤其是针对直流电流分断，利用人工过零技术能快速有效的制造直流电流过零点，由于技术简单成熟，是当前中高压直流断路器的重要发展方向。
为了实现主机械开关S电流快速过零、并减小整个断路器的体积，在典型人工过零型断路器方案中，LC转移电路工作在高频脉冲状态，通常机械开关电流过零时的电流变化率极高，不利于弧后介质的可靠恢复，容易导致大电流分断失败。为了提高大电流分断可靠性，一方面可以通过增大换流电容C和电感L来降低机械开关电流零点附近的电流变化率，但在满足大电流分断能力要求的前提下，换流电容C和电感L的体积会大幅增加。
另一方面通过在机械开关S支路串联饱和电抗器Ls来降低电流零点附近的电流变化率，如图2所示。当绕制在铁芯上的线圈Ls电流较大时，铁芯磁饱和导致磁导率降低，因此线圈电感量很小；当线圈Ls电流减小到零点附近时，铁芯退出饱和使磁导率升高，从而显著增大线圈电感量。但由于实际铁芯存在磁滞特性，在线圈Ls电流减小过程中会沿着磁滞回线退磁，无法使电流零点附近的磁导率明显升高，线圈电感量也没有明显变大，常规的饱和电抗器无法在机械开关电流过零前显著减缓电流减小速度，只能在电流过零后实现对电流减小速度的限制，如图5所示。能够在电流零点前有效减小电流变化率的饱和电抗器需要经过特殊设计，并且体积十分巨大。
发明内容
本发明的目的在于根据现有技术的不足，设计一种人工过零技术主电路拓扑结构，本发明能在满足体积要求的前提下，大幅减小机械开关S电流过零前的电流变化率，显著提高机械开关S的大电流分断可靠性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种人工过零技术主电路拓扑，包括并联的主电流通路和电流转移电路，所述的主电流通路由机械开关S与饱和变压器T的初级线圈L1依次串联构成，所述的电流转移电路由预充电电容C、控制开关FV与饱和变压器T的次级线圈L2依次串联构成，所述的电容C与机械开关S的连接端为预充电负极；所述的饱和变压器T的初级线圈L1和次级线圈L2同名端电流方向相反，所述的初级线圈L1和次级线圈L2的匝数比为N1:N2，其中N1>N2，所述的饱和变压器T在机械开关S的最大转移电流点I0附近开始深度饱和，所述的饱和变压器T具有磁滞特性。
本发明还公开了一种人工过零技术主电路拓扑的电流转移方法，包括以下步骤:
1）正常工作时，所述的机械开关S闭合，电流从机械开关S和饱和变压器T的初级线圈L1中流过，由于饱和变压器T深度饱和，所述的饱和变压器T的初级线圈L1的电感值很小；
2）当需要实现机械开关S过零分断时，所述的机械开关S首先断开产生电弧，然后控制开关FV导通，所述的预充电电容C通过控制开关FV、饱和变压器T的次级线圈L2、饱和变压器T的初级线圈L1和机械开关S弧隙构成的回路放电，导致机械开关S的电流is减小、电容C的电流ic增大，实现电流转移；
3）所述的饱和变压器T的等效励磁磁势为N1*is-N2*ic，在电流开始转移阶段，is较大、ic较小，等效励磁磁势为正值且数值较大，所述的饱和变压器T未明显退出深度饱和状态，所述的饱和变压器T的初级线圈L1和次级线圈L2的电感值很小，电流转移速度很快；
4）随着电流转移过程的进行，所述的饱和变压器T的等效励磁磁势由正值逐渐减小，在机械开关S的电流过零前变为负值，由于磁滞特性，所述的饱和变压器T的初级线圈L1和次级线圈L2的电感值在等效励磁磁势为零时仍然较小，电流转移过程没有明显变慢；
5）当饱和变压器T的等效励磁磁势减小为负值后，在矫顽电流-I1附近，所述的饱和变压器T的初级线圈L1和次级线圈L2的电感值迅速增加，大幅减小机械开关S电流过零附近的电流变化率，从而提高所述机械开关S的分断可靠性。
本发明的有益效果是：本发明通过在电流转移过程中实现饱和变压器T的初级线圈和次级线圈励磁磁势的相互抵消，使其在机械开关S电流过零前迅速退出饱和状态，在满足体积要求的前提下，有效增加转移回路电流零点附近的电感量，大幅减小机械开关S电流过零前的电流变化率，显著提高机械开关S的大电流分断可靠性。
附图说明
图1是现有技术中典型的人工过零型断路器主电路拓扑方案；
图2是现有改进的人工过零技术主电路拓扑方案；
图3是本发明的人工过零技术主电路拓扑方案；
图4是饱和变压器的磁滞特性示意图；
图5是现有技术方案和本发明技术方案中机械开关电流比较。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参照图3所示，本发明公开了一种人工过零技术主电路拓扑，包括并联的主电流通路和电流转移电路，所述的主电流通路由机械开关S与饱和变压器T的初级线圈L1依次串联构成，所述的电流转移电路由预充电电容C、控制开关FV与饱和变压器T的次级线圈L2依次串联构成，所述的电容C与机械开关S的连接端为预充电负极。
所述的饱和变压器T的初级线圈L1和次级线圈L2同名端电流方向相反，所述的初级线圈L1和次级线圈L2的匝数比为N1:N2，其中N1>N2，所述的饱和变压器T在机械开关S的最大转移电流点I0附近开始深度饱和，所述的饱和变压器T具有磁滞特性。
本发明还公开了一种人工过零技术主电路拓扑的电流转移方法，包括以下步骤:
1）正常工作时，所述的机械开关S闭合，电流从机械开关S和饱和变压器T的初级线圈L1中流过，由于饱和变压器T深度饱和，所述的饱和变压器T的初级线圈L1的电感值很小；
2）当需要实现机械开关S过零分断时，所述的机械开关S首先断开产生电弧，然后控制开关FV导通，所述的预充电电容C通过控制开关FV、饱和变压器T的次级线圈L2、饱和变压器T的初级线圈L1和机械开关S弧隙构成的回路放电，导致机械开关S的电流is减小、电容C的电流ic增大，实现电流转移；
3）所述的饱和变压器T的等效励磁磁势为N1*is-N2*ic，在电流开始转移阶段，is较大、ic较小，等效励磁磁势为正值且数值较大，所述的饱和变压器T未明显退出深度饱和状态，所述的饱和变压器T的初级线圈L1和次级线圈L2的电感值很小，电流转移速度很快；
4）随着电流转移过程的进行，所述的饱和变压器T的等效励磁磁势由正值逐渐减小，在机械开关S的电流过零前变为负值，由于磁滞特性，所述的饱和变压器T的初级线圈L1和次级线圈L2的电感值在等效励磁磁势为零时仍然较小，电流转移过程没有明显变慢；
5）当饱和变压器T的等效励磁磁势减小为负值后，在矫顽电流-I1附近，所述的饱和变压器T的初级线圈L1和次级线圈L2的电感值迅速增加，大幅减小机械开关S电流过零附近的电流变化率，从而提高所述机械开关S的分断可靠性。
可以看出，通过分别在主电流通路和电流转移电路中引入饱和变压器T的初级线圈L1和次级线圈L2，并使其在电流转移过程中的励磁磁势相互抵消，结果在机械开关S电流过零前励磁磁势变负，饱和变压器T迅速退出饱和状态，饱和变压器T的磁滞特性如图4所示。在满足体积要求的前提下，实现电流零点附近转移回路等效电感量的有效增加，从而能大幅减小机械开关S电流过零前的电流变化率，如图5所示，显著提高了机械开关S的大电流分断可靠性。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种人工过零技术主电路拓扑的电流转移方法，其特征在于，基于主电流通路和电流转移电路并联形成的主电路拓扑，所述的主电流通路由机械开关S与饱和变压器T的初级线圈L1依次串联构成，所述的电流转移电路由预充电电容C、控制开关FV与饱和变压器T的次级线圈L2依次串联构成，所述的电容C与机械开关S的连接端为预充电负极；所述的饱和变压器T的初级线圈L1和次级线圈L2同名端电流方向相反，所述的初级线圈L1和次级线圈L2的匝数比为N1:N2，其中N1>N2，所述的饱和变压器T在机械开关S的最大转移电流点I0附近开始深度饱和，所述的饱和变压器T具有磁滞特性；
包括以下步骤：
1）正常工作时，所述的机械开关S闭合，电流从机械开关S和饱和变压器T的初级线圈L1中流过；
2）当需要实现机械开关S过零分断时，所述的机械开关S首先断开产生电弧，然后控制开关FV导通，所述的预充电电容C通过控制开关FV、饱和变压器T的次级线圈L2、饱和变压器T的初级线圈L1和机械开关S弧隙构成的回路放电，导致机械开关S的电流is减小、电容C的电流ic增大，实现电流转移；
3）所述的饱和变压器T的等效励磁磁势为N1*is-N2*ic，在电流开始转移阶段，is较大、ic较小，等效励磁磁势为正值且数值较大，所述的饱和变压器T未明显退出深度饱和状态；
4）随着电流转移过程的进行，所述的饱和变压器T的等效励磁磁势由正值逐渐减小，在机械开关S的电流过零前变为负值，由于磁滞特性，所述的饱和变压器T的初级线圈L1和次级线圈L2的电感值在等效励磁磁势为零时仍然较小，电流转移过程没有明显变慢；
5）当饱和变压器T的等效励磁磁势减小为负值后，在矫顽电流-I1附近，所述的饱和变压器T的初级线圈L1和次级线圈L2的电感值迅速增加，大幅减小机械开关S电流过零附近的电流变化率，从而提高所述机械开关S的分断可靠性。
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