一种基于真空断口磁控振荡的快速直流转换开关

本发明涉及一种基于真空断口磁控振荡的快速直流转换开关，通过外部磁场吹弧组件施加磁场提高电弧电压，使电弧电压与转移支路产生谐振，实现电流的快速转移。

背景技术：

直流转换开关作为直流配电系统中至关重要的保护元件，广泛应用于换流站的故障的保护切除、运行方式的转换以及检修的隔离等。国外公司如abb、西门子，国内公司如西电集团，河南平高等都有相应的产品。其中，河南平高研制的直流转换开关产品已经在舟山柔性直流输电工程中挂网应用；西电集团研制的zzlw系列产品，包括zzlw1-50和zzlw2-100，针对不同电压等级，已经在葛洲坝换流站，浙-溪线的金华站上应用。上述提到的直流转换开关均采用交流sf6断路器为主断口，sf6断路器具有成本高、开断速度慢、体积庞大等缺点。且sf6作为强温室气体具有很强的温室效应，国际上对该气体的使用和排放均有限制。为解决上述问题，发明了一种基于真空断口磁控振荡的快速直流转换开关，具有成本低、开断速度快、体积小、无污染等优势。

本发明的新型直流转换开关通过磁场吹弧组件施加横向磁场提高电弧电压，电弧电压与转移支路谐振实现电流快速转移与开断。采用本发明的技术后，相同参数等级下，直流转换开关成本降低约50％，体积缩小约70％，开断速度提升为传统方案的10倍，能够满足目前直流配电网安全、可靠、经济的要求。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的不足或缺陷，本发明的目的在于提供一种新型的直流转换开关及其控制方法。通过控制高速机械开关hss动作，然后根据回路电流大小触发磁场吹弧组件产生磁吹，断口电压与转移支路产生谐振，最终完成电流转移。

本发明采用如下技术方案：

一种基于真空断口磁控振荡的快速直流转换开关，由主电流支路、振荡转移支路、能量耗散支路、磁场吹弧组件、在线监测系统和控制系统组成，其中主电流支路，振荡转移支路，能量耗散支路并联之后，通过出线端a1和a2引出。其特征在于：

(1)所述主电流支路高速机械开关两端和转换开关出线端a1和a2直接相连，高速机械开关可采用满足开断速度要求的斥力、永磁或电磁机构，断口可由一个或者多个磁控真空断口串并联；

(2)所述振荡转移支路由一个或多个转移电容组成，振荡转移支路两端并联在主回路两端；

所述在线监测系统特征包括：用于测量系统电流状态的电流传感器g0、用于测量主回路电流状态的电流传感器g1、用于测量振荡转移支路电流状态电流传感器g2，用于测量磁场吹弧组件电流状态电流传感器g3，用于测量高速机械开关hss断口电压的电压传感器vhss，用于测量高速机械开关运动状态的位移传感器pd，以及相应信号调理电路的a/d转换模块、通信模块；

其中，所述直流转换开关能量耗散支路其特征在于：所述能量耗散支路由氧化锌避雷器(mov)构成能量耗散支路，mov并联在高速开关断口两端。

其中所述直流转换开关的高速机械开关特征在于：所述高速机械开关为基于电磁斥力的高速机械开关或永磁开关。

所述直流转换开断开关的磁场吹弧组件特征在于：所述磁场吹弧组件由横磁线圈、预充电电容c、晶闸管t和二极管d组成。磁场吹弧组件并联在主电流支路两端，可采用单个方向、多个方向叠加或旋转式的外加横向磁场。

附图说明

图1是转换开关本体结构示意图；

图2是转换开关控制系统传感器分布示意图；

图3(a)至图3(e)是本发明转换开关开断额定电流时的工作示意图；

图4是本发明中断口与磁场吹弧组件的一种结构示意图；

图5(a)至图5(c)是本发明中磁场吹弧组件的部分驱动电路拓扑图；

图6、图7、图8给出本发明所包含的三种实施例。

具体实施方式

以下结合附图图1至图8来说明本发明的具体实施方式。

图1为转换开关本体结构示意图，包括主电流支路、振荡转移支路、能量耗散支路以及横磁产生支路。图2为传感器在转换开关中的分布。其中包括：用于测量系统电流状态的电流传感器g0、用于测量主回路电流状态的电流传感器g1、用于测量振荡转移支路电流状态电流传感器g2，用于测量磁场吹弧组件电流状态电流传感器g3，用于测量高速机械开关hss断口电压的电压传感器vhss，用于测量高速机械开关运动状态的位移传感器pd以及用于测量转换开关环境温度的温度传感器d4。

图3(a)至图3(e)给出了转换开关具体开断额定电流过程中，电流转移的过程：

(1)如图3(a)所示，正常通流状态下，系统电流从出线端a1流入，经过机械开关hss后从出线端a2流出；

(2)如图3(b)所示，当控制系统接收到额定开断信号时，控制系统发出分闸指令，高速机械开关hss打开，开始燃弧。

(3)如图3(c)所示，控制系统经过一段时间延时后，触发磁场吹弧组件导通对断口施加横向磁吹，主回路电流被转移至振荡转移支路。

(4)如图3(d)所示，在电流转移到振荡转移支路后，由电容暂时存储能量。

(5)如图3(e)所示，系统能量最终在mov中耗散；

图4给出了本发明的一种断口与磁场吹弧组件的摆放结构；

图5(a)至图5(c)给出了本发明的磁场吹弧组件的部分驱动电路拓扑图，包括电容配合半导体组件放电回路，带有二极管续流的放电回路，恒流源放电回路；

图6给出了本发明的一种实例；

图7给出了本发明的一种实例；

图8给出了本发明的一种实例；

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，例如推演出基于单向振荡转移支路和单向振荡支路的单向直流转换开关等，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。

技术特征：

1.一种基于真空断口磁控振荡的直流转换开关，由主电流支路、振荡转移支路、能量耗散支路、磁场吹弧组件和在线监测系统控制系统组成，其中主电流支路，振荡转移支路，能量耗散支路并联之后，通过线端a1和a2引出，磁场吹弧组件为机械断口产生横向磁场，其特征在于：

(1)所述主电流支路高速机械开关断口两端和转换开关出线端a1和a2直接相连，高速机械开关可采用满足开断速度要求的斥力、永磁或电磁机构，断口可由一个或者多个磁控真空断口串并联；

(2)所述振荡转移支路由一个或多个转移电容组成，振荡转移支路两端并联在主回路两端；

(3)所述在线监测系统测量流经所述出线端a1或a2的电流以及电流方向、流经所述主电流支路的电流、流经所述振荡转移支路的电流、流经所述磁场吹弧组件的电流、所述高速机械开关两端的电压和所述高速机械开关的开关位移，当系统电流方向从a1到a2时，通过测量所述主电流支路的电流幅值控制所述高速机械开关hss和磁场吹弧组件的晶闸管动作。

2.根据权利要求1所述的直流转换开关，其特征在于：优选的，

系统正常通流状态下，系统电流从所述主电流支路流过，高速机械开关承受额定通流，能量耗散支路导通阈值比系统电压低，没有电流流过；

当关断额定电流时，控制系统向高速机械开关hss发出分闸动作指令，高速机械开关动作，然后依照传感器返回的信息，控制系统触发晶闸管t，磁场吹弧组件预充电电容c放电对断口电弧产生横向磁吹，电弧电压上升，部分电流转移至振荡转移支路，由于转移支路电容、杂散电感与电弧电压产生谐振，电弧电压幅值振荡式提升，转移电流也逐渐增大，最终实现电流过零与断口熄弧，主回路电流过零后，能量暂时储存在转移支路的电容c2中，当电容电压达到避雷器导通电压后，电流转移至能量耗散支路，完成电流开断。

3.根据权利要求1所述的直流转换开关，其所述在线监测系统特征包括：用于测量系统电流状态的电流传感器g0、用于测量主回路电流状态的电流传感器g1、用于测量振荡转移支路电流状态电流传感器g2，用于测量磁场吹弧组件电流状态电流传感器g3，用于测量高速机械开关hss断口电压的电压传感器vhss，用于测量高速机械开关运动状态的位移传感器pd，以及相应信号调理电路的a/d转换模块、通信模块。

4.根据权利要求1所述的直流转换开关，其特征在于：所述能量耗散支路由氧化锌避雷器(mov)构成能量耗散支路，mov并联在高速开关断口两端。

5.根据权利要求1所述的直流转换开关，其特征在于：所述高速机械开关为基于电磁斥力的高速机械开关或永磁开关。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的直流转换开关，其特征在于：所述磁场吹弧组件由横磁线圈、预充电电容c、晶闸管t和二极管d组成，磁场吹弧组件并联在主电流支路两端，可采用单个方向、多个方向叠加或旋转式的外加横向磁场。

技术总结
一种基于真空断口磁控振荡的直流转换开关，由主电流支路、振荡转移支路、能量耗散支路、磁场吹弧组件、在线监测系统和控制系统组成，其中主电流支路，振荡转移支路，能量耗散支路并联组成。正常通流状态下，系统电流从主回路流过，由高速机械开关承担额定通流。关断额定电流时，触发高速机械开关和磁场吹弧组件晶闸管T导通，在横向磁吹作用下，转移支路电容与杂散电感与电弧电压产生谐振，电压振荡式提升，电流被强迫转移至振荡转移支路，由振荡转移支路关断电流后，电流转移至能量耗散支路，最终完成电流开断。所述新型直流转换开关具有电流转移速度快，开断能力强、断口恢复特性好等特点。

技术研发人员：吴翊;荣命哲;吴益飞;杨飞;肖宇;钟屹霖
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2021.04.22
技术公布日：2021.08.24