一种基于超导限流的无弧直流断路器及开断方法

摘要

本发明涉及一种基于超导限流的无弧直流断路器及开断方法，断路器包括串联的隔离开关单元，超导限流单元，无弧开断单元；超导限流单元为电阻型超导限流器，无弧开断单元包括机械开关，换流电容和吸能支路；故障发生时，超导限流单元失超限制短路电流，且两端攀升电压作为无弧开断单元机械开关动作的控制信号；无弧开断单元收到控制信号后，分断直流；最终隔离开关单元零电流分断；本发明中利用超导限流单元限制短路电流，降低换流电容充电速率，由于机械开关与换流电容两端电压相等，机械开关两端电压在开断过程中具有低于维持电弧所需电压的阶段，因此电弧无法产生或者迅速熄灭；同时超导限流单元抑制了电容上电压电流振荡，防止过电压产生。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统断路器，具体涉及一种基于超导限流的无弧直流断路器及开断方法。

背景技术

直流电网因其运行损耗小、负载控制便捷而在舰船，铁路，新能源方面广泛应用。但是由于直流电流没有自然过零点，机械式开关通过熄灭电弧完成开断相对困难。目前常见的振荡式机械断路器两端并联有电容电感组成的振荡回路，在开断时，振荡回路在机械断路器电弧中产生过零点。振荡式机械断路器包括自激振荡断路器和它激振荡断路器。自激振荡开关开断时间长，在振荡过程中容易出现过电压，它激振荡开关的电容器需要额外的充电装置，同时对振荡电流投入的时序控制时间精度要求高。此外，直流开断中产生的电弧，温度高达数千摄氏度，能烧坏触头，甚至导致触头熔焊，造成多次重燃严重损害触头使用寿命。如果电弧不立即熄灭，就可能烧伤操作人员，烧毁设备，破坏系统绝缘性能，甚至酿成火灾。因此，有效地熄灭电弧或者抑制电弧的产生至关重要。现阶段最常见的无弧开断方法为混合式开断，为了能够承受高压大电流需要串联多个IGBT，不仅增大了成本，而且IGBT开断同步性实现复杂。

超导体在一定的温度、磁场和电流密度范围内才能保持零电阻的超导状态，超出任一物理范围，超导体将失超。超导限流器利用超导这一特性，稳态运行时，阻抗接近于零，对电力系统无影响，短路故障时，超导失超，阻抗瞬时增大，有效限制短路电流大小；当故障消除后，超导限流器可以由限流态恢复到稳态，保证电网能够正常运行。引入超导限流器不仅可以显著降低断路器的容量，大大降低电网的改造费用及延长电气设备的使用寿命，还将实现对输电线路故障短路电流快速、平稳、有效地限制，为解决输电网安全稳定运行的关键技术难题奠定基础。

无弧开断即要求开关分断时不燃弧或者电弧瞬时熄灭，为此，需要维持开关两端电压低于起弧电压。现有专利“一种串入电容式高压直流断路器及其控制方法”(201310018003.3)，该专利采用阻容支路作为转换电路实现机械开关无弧打开，阻容支路包括串联的电容器和电阻，并且采用避雷器抑制开断过程中的过电压。

发明内容

针对现有方法的不足，本发明提供一种基于超导限流的无弧直流断路器及开断方法，本发明利用超导限流器的失超特性，在直流系统发生故障时迅速失超，转换为高阻抗，限制短路电流大小，同时多级动作配合，实现机械开关的无弧开断以及故障电路的隔离。

本发明的目的是采用下述技术方案实现：

一种基于超导限流的无弧直流断路器，由隔离开关单元Ⅰ、超导限流单元Ⅱ、无弧开断单元Ⅲ依次串联而成，隔离开关单元Ⅰ为机械隔离开关，超导限流单元Ⅱ由超导带材2与第一电阻1并联组成，构成电阻型超导限流器，无弧开断单元Ⅲ的正常通流支路由机械开关4组成，换流支路由并联电容3组成，吸能支路由第二电阻6与接触器5串联组成。

所述超导限流单元Ⅱ采用超导带材2与第一电阻1并联的电阻型结构；超导带材2失超产生的电压作为无弧开断单元Ⅲ的机械开关4动作的控制信号。

所述超导限流单元Ⅱ通过限制短路电流，使无弧开断单元Ⅲ的机械开关4开断电流减小，限制无弧开断单元Ⅲ的并联电容3充电速率，降低了并联电容3两端的电压上升率；同时抑制并联电容3上电压电流振荡，防止过电压产生。

所述无弧直流开断单元Ⅲ的并联电容3在机械开关4打开时，提供零电压打开条件，机械开关4两端电压始终与并联电容3两端电压相同，由于并联电容3电压上升率低，机械开关4两端电压在开断过程中具有低于维持电弧所需电压的阶段，使电弧无法产生或者迅速熄灭。

所述无弧开断单元Ⅲ具有第二电阻6与接触器5组成的吸能支路，不受过电压影响，无需避雷器，在开断完成后释放电容中储存的能量。

所述隔离开关单元Ⅰ的机械隔离开关在无弧开断单元Ⅲ断开直流电流后，零电流分断，实现故障隔离。

所述的基于超导限流的无弧直流断路器的开断方法，分为三步开断：系统发生故障时，超导限流单元Ⅱ为一级动作，限制短路电流，从而降低无弧开断单元Ⅲ机械开关4开断电流，同时减缓并联电容3的充电速率，为无弧开断创造条件；无弧开断单元Ⅲ为二级动作，实现无弧开断并转移短路电流至并联电容3，并最终隔断直流；隔离开关单元Ⅰ为三级动作，在直流被隔断后机械隔离开关打开，隔离故障电路。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1、超导限流器抑制短路电流，并且使得直流断路器分断的是电阻性电流，无过电压产生。

2、无弧开断方式，让电弧无法产生，提高开关开断寿命，降低对其他设备的不良影响。

附图说明

图1是本发明提供的基于超导限流的无弧直流断路器的结构图。

其中：Ⅰ隔离开关单元；Ⅱ超导限流单元；Ⅲ无弧开断单元

1，第一电阻；2，超导带材；3，并联电容；4机械开关；5，接触器；6，第二电阻。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提供的一种基于超导限流的无弧直流断路器结构图如图1所示，该断路器包含三个单元：隔离开关单元Ⅰ；超导限流单元Ⅱ；无弧开断单元Ⅲ。隔离开关单元Ⅰ由机械隔离开关组成，超导限流单元Ⅱ由超导带材2与第一电阻1并联组成，构成电阻型超导限流器。无弧开断单元Ⅲ的正常通流支路由机械开关4组成，换流支路由并联电容3组成，吸能支路由第二电阻6与接触器5串联组成。

所述断路器可分为三步开断：系统发生故障时，超导限流单元Ⅱ为一级动作，超导限流单元Ⅱ迅速失超，能够大幅度限制短路电流，使无弧开断单元Ⅲ机械开关4开断电流减小，同时减缓换流支路并联电容3的充电速率，且抑制电容器上电压电流振荡，防止过电压产生。同时，超导带材2失超后阻抗骤增，两端电压上升，该电压信号作为无弧开断单元Ⅲ机械开关4动作的控制信号；经过一定延时后，无弧开断单元Ⅲ为二级动作，机械开关4开断，并联在机械开关4两端的并联电容3为机械开关4提供零电压打开条件。短路电流转移至并联电容3，由于短路电流被限制，换流支路的并联电容3充电速率降低，电压上升减缓，机械开关4两端电压始终与并联电容3两端电压相同，使机械开关4两端电压在开断过程中具有低于维持电弧所需电压的阶段，使电弧无法产生或者迅速熄灭，实现无弧开断，同时，提高并联电容3容量也有利于减缓机械开关4两端电压的上升速度，增强无弧开断的稳定性。并联电容3电压上升到系统电压后，隔断直流；隔离开关单元Ⅰ为三级动作，在直流被隔断后机械隔离开关打开，隔离故障电路。无弧开断单元Ⅲ的吸能支路在开断完成后，释放并联电容3中的能量。由于不存在过电压，无需避雷器。