CN113872155A - 一种用于发电机出口的机械式断路器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于发电机出口的机械式断路器及其控制方法，所述机械式断路器包括：并联的主通流支路(C1)、转移支路(C2)和限压支路(C3)，所述主通流支路(C1)包括机械开关(A)，所述转移支路(C2)包括串联的换流装置(B)和固态开关(C)，所述换流装置(B)包括电感(Ls)和与其串联的C‑MOV并联支路，所述C‑MOV并联支路由电容(Cm)和第二金属氧化物压敏电阻(MOV2)并联构成。本发明的机械式直流断路器可应用于发电机出口短路的保护中，可在极短的时间内完成故障电流的开断，大大减少了机械开关的烧蚀时间，提高了断路器的开断次数和工作寿命。同时，本发明的机械式直流断路器的成本和体积较低。

Description

一种用于发电机出口的机械式断路器及其控制方法
技术领域
本发明属于机械式断路器领域，特别涉及一种用于发电机出口的机械式断路器及其控制方法。
背景技术
发电机出口短路会引起上百kA的故障电流，对线路造成巨大的影响。目前的应对方法是用特制的交流断流器来开断所述故障电流，即在电流过零的时候对交流断流器中的机械端口熄弧，开断故障电流。但发电机出口短路故障电流中会叠加直流分量，导致故障电流的自然过零点出现的晚，开断的时间较长，达到几十毫秒甚至更长。这使得机械开关的烧蚀非常严重，大大缩短了机械开关的寿命。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种用于发电机出口的机械式断路器及其控制方法。
本发明的用于发电机出口的机械式断路器，包括：并联的主通流支路(C1)、转移支路(C2)和限压支路(C3)。
进一步，
所述主通流支路(C1)包括机械开关(A)。
进一步，
所述转移支路(C2)包括串联的换流装置(B)和固态开关(C)。
进一步，
所述换流装置(B)包括电感(Ls)，电容(Cm)和第二金属氧化物压敏电阻(MOV2)，
其中，
所述电容(Cm)和第二金属氧化物压敏电阻(MOV2)并联构成C-MOV并联支路；
所述电感(Ls)和C-MOV并联支路串联。
进一步，
所述电感(Ls)的第一端作为所述转移支路(C2)的第一端，所述电感(Ls)的第二端连接所述电容(Cm)的第一端，所述电容(Cm)的第二端连接所述固态开关(C)的第一端，固态开关(C)的第二端作为所述转移支路(C2)的第二端。
进一步，
所述固态开关(C)包括三个并联的支路：第一支路，第二支路和第三支路，
其中，
第一支路包括金属氧化物压敏电阻；
第二支路包括串联的第一开关管单元，所述第一开关管单元包括由两个反并联的开关管构成的第一开关管对；
第三支路包括串联的第二开关管单元，所述第二开关管单元包括由两个反并联的开关管构成的第二开关管对。
进一步，
所述第二开关管单元还包括MOV-C串联支路，所述MOV-C串联支路包括串联的金属氧化物压敏电阻和电容；
每个所述第二开关管对均并联一个所述MOV-C串联支路。
进一步，
所述开关管为晶闸管。
进一步，
所述开关管为半控型晶闸管。
本发明还提供用于发电机出口的机械式断路器控制方法，用于控制上述用于发电机出口的机械式断路器，包括步骤：
正常工作时，控制主通流支路(C1)中的机械开关(A)闭合通流，并在换流装置(B)中的电容(Cm)上预充电，同时控制固态开关(C)处于关断状态。
进一步，还包括步骤：
发电机出口发生短路故障后，当故障电流经过峰值开始下降后，控制机械开关(A)分闸。
进一步，包括步骤：
所述机械开关(A)达到刚分距离后，控制换流装置(B)中的固态开关(C)导通，以利用电容(Cm)上的预充电压将所述故障电流从所述机械开关(A)换流到转移支路(C2)；
当所述转移支路(C2)上转移支路电流I2下降到0后，关断所述固态开关(C)。
本发明的机械式直流断路器可应用于发电机出口短路的保护中，可在极短的时间内完成故障电流的开断，大大减少了机械开关的烧蚀时间，提高了断路器的开断次数和工作寿命。同时，本发明的机械式直流断路器的成本和体积较低。
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
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。
图1示出了根据本发明实施例的用于发电机出口的机械式断路器拓扑结构示意图；
图2示出了根据本发明实施例的用于发电机出口的机械式断路器的动作时序示意图，
C1：主通流支路；C2：转移支路；C3：限压支路；A：机械开关；B：换流装置；C：固态开关；I1：主通流支路电流；I2：转移支路电流；I3：限压支路电流。
具体实施方式
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。
图1为本发明的用于发电机出口的机械式断路器的拓扑结构示意图。参见图1，本发明的用于发电机出口的机械式断路器包括主通流支路C1、转移支路C2和限压支路C3，主通流支路C1、转移支路C2和限压支路C3三者并联。
其中，
主通流支路C1包括机械开关A。
转移支路C2包括串联的换流装置B和固态开关C。换流装置B包括电感Ls，电容Cm和第二金属氧化物压敏电阻(Metal Oxide Varistors，MOV)MOV2，其中，电容Cm和第二金属氧化物压敏电阻MOV2并联构成C-MOV并联支路。电感Ls和C-MOV并联支路串联，电感Ls的第一端作为转移支路C2的第一端，电感Ls的第二端连接电容Cm的第一端，电容Cm的第二端连接固态开关的第一端，固态开关的第二端作为转移支路C2的第二端。
限压支路C3包括第一金属氧化物压敏电阻MOV1。
电感Ls的第一端连接机械开关A的第一端和第一金属氧化物压敏电阻MOV1的第一端，电感Ls的第二端连接机械开关A的第二端和第一金属氧化物压敏电阻MOV1的第二端。
转移支路C2中的固态开关C包括三个并联的支路：第一支路，第二支路和第三支路。第一支路包括MOV。第二支路包括串联的第一开关管单元，第一开关管单元包括由两个反并联的开关管构成的第一开关管对。第三支路包括串联的第二开关管单元，第二开关管单元包括由两个反并联的开关管构成的第二开关管对，第二开关管单元还包括MOV-C串联支路，MOV-C串联支路由串联的MOV和电容构成，每个第二开关管对均并联一个MOV-C串联支路。为了降低固态开关成本，固态开关C中的开关管为晶闸管。
图2为本发明的用于发电机出口的机械式断路器的动作时序示意图。下面参考图2，对本发明的用于发电机出口的机械式断路器的工作过程和控制方法加以说明。
正常工作时，控制主通流支路C1中的机械开关A使其闭合通流，并在换流装置B中的电容Cm上预充电一定的电压，固态开关C处于关断状态。当在时刻t0故障发生后，机械开关A上的电流(即主通流支路电流I1)迅速增加，当故障电流经过峰值开始下降后，给机械开关A下达分闸指令。机械开关A达到刚分距离后，在t1时刻导通换流装置B中的固态开关C，利用电容Cm上的预充电压将故障电流从机械开关A换流到转移支路C2，大大减少了机械开关A的烧蚀，其中，t1时刻在转移支路C2中产生转移支路电流I2并迅速增大，主通流支路电流I1在t1时刻后略有增加然后随着故障电流从机械开关A换流到转移支路C2而迅速减小。在转移支路C2上，故障电流先给电容Cm充电。在t2时刻电容Cm上的电压达到第二金属氧化物压敏电阻MOV2的动作电压后，第二金属氧化物压敏电阻MOV2开始起作用，抑制电容Cm上的电压增长，同时线路上的能量被第二金属氧化物压敏电阻MOV2吸收，转移支路电流I2从t2时刻起转为平缓，而主通流支路电流I1在t2时刻后迅速降低为0。当第二金属氧化物压敏电阻MOV2吸收了大部分能量后，转移支路C2上的转移支路电流I2迅速下降到0，从而为固态开关C的关断创造条件，该固态开关的开关管只需选择成本比较低的半控型晶闸管。转移支路C2上转移支路电流I2下降到0后，关断固态开关C，断路器两端开始建立电压，当在t3时刻断路器两端的电压达到第一金属氧化物压敏电阻MOV1的动作电压后，限压支路C3中的第一金属氧化物压敏电阻MOV1开始吸收***中残留的能量，完成开断，并将电压钳位在一定的值，保证其他元器件的安全。限压支路C3中的限压支路电流I3在t3时刻后迅速增加至峰值后迅速减小，在t4时刻下降到0。
本发明所提出的机械式直流断路器可应用于发电机出口短路的保护中，可在极短的时间内完成故障电流的开断，大大减少了机械开关的烧蚀时间，提高了断路器的开断次数和工作寿命。同时，本发明的机械式直流断路器的成本和体积较低。
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。

Claims (12)

1.一种用于发电机出口的机械式断路器，其特征在于，包括：并联的主通流支路(C1)、转移支路(C2)和限压支路(C3)。
2.根据权利要求1所述的用于发电机出口的机械式断路器，其特征在于，
所述主通流支路(C1)包括机械开关(A)。
3.根据权利要求2所述的用于发电机出口的机械式断路器，其特征在于，
所述转移支路(C2)包括串联的换流装置(B)和固态开关(C)。
4.根据权利要求3所述的用于发电机出口的机械式断路器，其特征在于，
所述换流装置(B)包括电感(Ls)，电容(Cm)和第二金属氧化物压敏电阻(MOV2)，
其中，
所述电容(Cm)和第二金属氧化物压敏电阻(MOV2)并联构成C-MOV并联支路；
所述电感(Ls)和C-MOV并联支路串联。
5.根据权利要求4所述的用于发电机出口的机械式断路器，其特征在于，
所述电感(Ls)的第一端作为所述转移支路(C2)的第一端，所述电感(Ls)的第二端连接所述电容(Cm)的第一端，所述电容(Cm)的第二端连接所述固态开关(C)的第一端，固态开关(C)的第二端作为所述转移支路(C2)的第二端。
6.根据权利要求3-5任一所述的用于发电机出口的机械式断路器，其特征在于，
所述固态开关(C)包括三个并联的支路：第一支路，第二支路和第三支路，
其中，
第一支路包括金属氧化物压敏电阻；
第二支路包括串联的第一开关管单元，所述第一开关管单元包括由两个反并联的开关管构成的第一开关管对；
第三支路包括串联的第二开关管单元，所述第二开关管单元包括由两个反并联的开关管构成的第二开关管对。
7.根据权利要求6所述的用于发电机出口的机械式断路器，其特征在于，
所述第二开关管单元还包括MOV-C串联支路，所述MOV-C串联支路包括串联的金属氧化物压敏电阻和电容；
每个所述第二开关管对均并联一个所述MOV-C串联支路。
8.根据权利要求7所述的用于发电机出口的机械式断路器，其特征在于，
所述开关管为晶闸管。
9.根据权利要求8所述的用于发电机出口的机械式断路器，其特征在于，
所述开关管为半控型晶闸管。
10.一种用于发电机出口的机械式断路器控制方法，其特征在于，用于控制权利要求1-8任一所述的用于发电机出口的机械式断路器，包括步骤：
正常工作时，控制主通流支路(C1)中的机械开关(A)闭合通流，并在换流装置(B)中的电容(Cm)上预充电，同时控制固态开关(C)处于关断状态。
11.根据权利要求10所述的用于发电机出口的机械式断路器控制方法，其特征在于，还包括步骤：
发电机出口发生短路故障后，当故障电流经过峰值开始下降后，控制机械开关(A)分闸。
12.根据权利要求11所述的用于发电机出口的机械式断路器控制方法，其特征在于，包括步骤：
所述机械开关(A)达到刚分距离后，控制换流装置(B)中的固态开关(C)导通，以利用电容(Cm)上的预充电压将所述故障电流从所述机械开关(A)换流到转移支路(C2)；
当所述转移支路(C2)上转移支路电流I2下降到0后，关断所述固态开关(C)。
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