一种直流电流转移装置及其应用的直流组合电器的制作方法

1.本发明涉及直流组合电器开断技术领域，具体涉及一种直流电流转移装置及其应用的直流组合电器。


背景技术：

2.随着直流电力系统的高速发展，轨道交通、直流输配电和舰船直流系统等领域对于直流电力系统的需求越来越大，直流电力系统容量持续增大，这一现象导致直流电力系统的短路故障电流在几毫秒内达到数十乃至上百千安，直流电力系统的可靠性受到严重威胁。
3.目前，利用直流开断设备快速切除、隔离直流电力系统的短路故障，是保障直流电力系统供电可靠性的重要举措。
4.直流电流由于不存在自然过零点，直流电流的开断难度相较于交流电流的开断难度大大增加，目前适用于直流电流的开断方式有限流法、人工过零法、混合开断法等等。相对应的直流开断设备有空气式直流断路器、固态式直流断路器、混合式直流断路器和机械式直流断路器等等；其中，绝大部分的混合式直流断路器和机械式直流断路器在主支路中都用到真空开关。
5.但是空气式直流断路器开断能力有限、电气寿命低、噪音大，难以快速可靠开断直流故障电流，并且无法满足系统容量日益增长的需求。固态式直流断路器成本高、通态损耗高，难以应用于中高压直流系统。真空开关不能实现对直流电流的直接开断，其能通过真空灭弧室中触头结构产生的磁场来控制电弧，进而实现对低电压小电流的直流电流的开断；具体来讲，按照触头结构产生的磁场方向，触头结构控制方式分为横向磁场和纵向磁场控制方式。在横向磁场控制方式下，电流通过触头结构会产生横向磁场，该横向磁场驱动电弧在触头表面运动进而实现低电压小电流的直流电流的开断。触头结构采用横向磁场控制方式时能够在很大程度上减少触头烧蚀，提高触头使用寿命。现有技术中为了保证真空开关的直流开断效果，真空开关常采用真空灭弧室外加永磁体结构的基本构成形式，例如专利文献cn110853971a公开的一种环形永磁体强横磁直流真空灭弧室及直流真空开关所示，永磁体结构起到在弧隙中产生横向磁场的作用，其与触头组合结构相结合，可以进一步增强横向磁场，进而促进阴极斑点的熄灭，更有效的实现真空电弧的直流开断。但是这类使用永磁体结构加强灭弧室的横向磁场的真空开关存在永磁体结构复杂，成本高，磁场强度会随使用时间减小，需要经常维护和可靠性不足等等缺陷；同时由于这种类型的真空开关仅能实现对低电压小电流的直流电流的开断，其直流开断水平和实际应用范围也受到限制，难以满足直流系统实际使用的需要。
6.鉴于此，研究人员提出了组合式直流开关的方案，现有的组合式直流开关通常利用熔断器开断过载电流，例如专利文献cn104113057a公开了一种组合式直流开关设备，但是这类利用熔断器开断过载电流的组合式直流开关，由于熔断器过载开断能力差，单独使用熔断器无法很好地切断过载电流。
7.因此，同时考虑经济性和开断性能时，直流开断设备仍需要进行改进。


技术实现要素：

8.为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种直流电流转移装置，所述直流电流转移装置，包括：真空灭弧室和两个水平设置的通电螺线管；
9.所述两个通电螺线管分别与所述真空灭弧室的静导电杆1和动导电杆7连接，用于增强真空灭弧室燃弧期间动静触头间产生横向磁场。
10.优选的，所述两个通电螺线管包括：第一通电螺线管8和第二通电螺线管9；
11.所述真空灭弧室还包括：外壳、置于外壳内部的静触头4、动触头5和波纹管6；所述静导电杆1的上端穿出外壳与第一通电螺线管8连接，下端连接静触头4；所述动导电杆7的上端连接动触头5，下端通过波纹管6穿出外壳与第二通电螺线管9连接。
12.进一步的，所述外壳包括：绝缘外壳2、置于绝缘外壳2内部的屏蔽罩3；
13.所述绝缘外壳2两端具有通孔，供静导电杆1和动导电杆7穿过；
14.所述屏蔽罩3具有包裹结构，能够围绕包裹所述静触头4、动触头5、波纹管6、静导电杆1位于外壳内的部分和动导电杆7位于外壳内的部分。
15.进一步的，所述静触头4和动触头5采用平板触头、横向磁场触头或纵向磁场触头。
16.进一步的，所述横向磁场触头，包括：螺旋槽式触头或杯状横磁触头。
17.进一步的，所述第一通电螺线管8和第二通电螺线管9均与真空灭弧室中的静触头4和动触头5之间的间隙处于同一水平线上。
18.进一步的，所述第一通电螺线管8和第二通电螺线管9通电后磁场方向相同。
19.进一步的，所述第一通电螺线管8和第二通电螺线管9内部设置铁芯。
20.基于同一种发明构思，本发明提供一种直流组合电器，所述直流组合电器，包括：熔断器10、直流机械开关11和直流断路器12；
21.所述熔断器10和所述直流机械开关11并联后与所述直流断路器12串联；
22.所述直流机械开关11包括：如上一发明构思中所述的直流电流转移装置和操动机构。
23.优选的，所述操动机构用于通过带动直流电流转移装置中动导电杆7进行分合闸运动来控制所述直流机械开关11分合闸。
24.优选的，所述熔断器10为直流熔断器，其进线端与直流电流转移装置中第一通电螺线管8连接，熔断器9的出线端与直流电流转移装置中第二通电螺线管9连接。
25.优选的，其特征在于，所述直流断路器12包括：机械式直流断路器、混合式直流断路器或固态式直流断路器。
26.优选的，所述机械式直流断路器由支路iii、iv、v构成，第ⅲ支路包括直流负荷开关13，第ⅳ支路包括电容14与电感15、反向放电开关16串联的反向放电支路，第
ⅴ
支路包括能量吸收装置17。
27.进一步的，所述反向放电开关16包括接触器、触发间隙、球隙、断路器等开关设备；
28.所述能量吸收装置17选用氧化锌避雷器或压敏电阻。基于同一种发明构思，本发明提供一种直流组合电器的控制方法，所述方法包括：
29.当直流组合电器处于正常工作状态时，控制直流机械开关11维持合闸状态，并控
制直流断路器12维持直流电流正常流通状态；
30.当需要利用直流组合电器切断额定电流或过载电流时，控制直流机械开关11维持合闸状态，并利用直流断路器12切断额定电流或过载电流；
31.当需要利用直流组合电器切断短路电流时，控制直流机械开关11分闸，并控制直流断路器12维持直流电流正常流通状态。
32.基于同一种发明构思，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述直流组合电器的控制方法的步骤。
33.基于同一种发明构思，本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述直流组合电器的控制方法的步骤。
34.与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：
35.本发明提供了一种直流电流转移装置及其应用的直流组合电器，所述直流电流转移装置包括：真空灭弧室和两个水平设置的通电螺线管；所述两个通电螺线管分别与所述真空灭弧室的静导电杆1和动导电杆7连接，用于增强真空灭弧室燃弧期间动静触头间产生横向磁场。所述直流电流转移装置应用的直流组合电器，包括：熔断器10、直流机械开关11和直流断路器12；所述熔断器10和所述直流机械开关11并联后与所述直流断路器12串联；所述直流机械开关11包括：直流电流转移装置。本发明直流电流转移装置采用真空灭弧室外加通电螺线管的基础结构，加强了真空灭弧室外部通电螺线管所产生的磁场在真空灭弧室内部的作用强度，进而增大真空灭弧室燃弧期间的电弧电压，达到直流电流转移的效果；其应用的直流组合电器利用不同开关对不同故障电流的开断优势，实现了电流的全范围开断，提高了直流电力系统的安全性、可靠性。
36.本发明直流电流转移装置中的通电螺线管无需额外外接电路，无绝缘问题。
37.本发明直流电流转移装置采用通电螺线管加强真空灭弧室燃弧期间动静触头产生横向磁场，无需使用永磁体，结构简单，成本低，可靠性高。
38.本发明直流电流转移装置开断短路电流时产生的横向磁场能够根据线路中电流变化自适应产生，增强了直流电流转移装置的实用性。
附图说明
39.图1是本发明提供的一种直流电流转移装置的结构示意图；
40.图2是本发明实施例中直流电流转移装置的磁场方向图；
41.图3(a)是本发明实施例中螺旋槽式触头结构示意图；
42.图3(b)是本发明实施例中杯状横磁触头结构示意图；
43.图4是本发明提供的一种直流组合电器的结构示意图；
44.图5(a)是本发明实施例中第一种混合式直流断路器结构示意图；
45.图5(b)是本发明实施例中第二种混合式直流断路器结构示意图；
46.图5(c)是本发明实施例中第三种混合式直流断路器结构示意图；
47.图6是本发明实施例中固态式直流断路器结构示意图；
48.图7是本发明实施例中机械式直流断路器结构示意图；
49.图8是是本发明提供的一种直流组合电器的控制方法流程图；
50.图9是本发明实施例中直流组合电器处于额定负载工作状态时机械式直流断路器的开断状态图；
51.图10是本发明实施例中直流组合电器处于开断额定电流和过载电流工作状态时机械式直流断路器的开断状态图；
52.图11是本发明实施例中直流组合电器处于开断短路电流工作状态时机械式直流断路器的开断状态图；
53.图12是本发明提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
54.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。
55.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、完整地描述，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
56.实施例1：
57.本发明提供一种直流电流转移装置，如图1所示，包括真空灭弧室及与其连接的两个通电螺线管；
58.所述真空灭弧室，包括：静触头4、静导电杆1、动触头5、动导电杆7、波纹管6、屏蔽罩3和绝缘外壳2；
59.所述通电螺线管，包括：第一通电螺线管8和第二通电螺线管9；
60.其中，所述屏蔽罩3放置在绝缘外壳2内部；
61.所述静导电杆1的上端与绝缘外壳2的上部密闭连接并穿出绝缘外壳2，静导电杆1的下端与静触头4连接；
62.所述动导电杆7的上端与动触头5连接，动导电杆7的下端与绝缘外壳2下部之间通过波纹管6连接；
63.所述第一通电螺线管8和第二通电螺线管9与动、静触头间的间隙放置在同一水平线上，第一通电螺线管8的出线端与静导电杆1连接，第二通电螺线管9的进线端与动导电杆7连接。
64.进一步的，所述通电螺线管8和通电螺线管9水平放置；
65.所述通电螺线管8和通电螺线管9的线圈绕制方式可以相同或者相反，但产生的磁场方向相同；
66.例如，图2给出的直流电流转移装置的磁场方向图，该图中通电螺线管8和通电螺线管9产生的横向磁场s级在电流流入方向，n级在电流流出方向；
67.在本实施例中，所述通电螺线管8和通电螺线管9通电时产生的磁场对真空灭弧室燃弧过程中触头间产生横向磁场起到增强作用，该横向磁场作用于真空电弧弧柱。
68.进一步的，所述通电螺线管8和通电螺线管9的线圈内部可以加入铁芯。
69.进一步的，所述静触头4和动触头5采用平板触头、横向磁场触头或纵向磁场触头等触头结构；
70.其中，所述横向磁场触头，包括：如图3(a)所示的螺旋槽式触头或如图3(b)所示的
杯状横磁触头。
71.在本发明中，真空直流电弧电压越低越不利于直流电流转移的，因此大幅提高真空电弧的电压是增强本发明直流组合电器对于短路电流转移能力的关键；通过前期大量的研究和试验发现，真空灭弧室燃弧期间动静触头产生横向磁场作用越强，阴极斑点的波动也增强，真空电弧电压提高的程度也越高，鉴于此，本发明选择采用通电螺线管加强真空灭弧室燃弧期间动静触头产生横向磁场来达到相应的目的。
72.本发明直流电流转移装置也可称为短路电流驱动型横向磁场直流电流转移装置，其核心为开断短路电流时，动静触头于真空灭弧室燃弧期间产生横向磁场，短路电流通过螺线管，大大加强了上述横向磁场作用效果，进而增大真空灭弧室电弧电压，进而实现短路电流的转移。本发明使用通电螺线管加强灭弧室横向磁场，结构简单，成本低，磁场强度随通过电流大小变化，受环境影响小，可靠性更高。
73.实施例2：
74.基于同一发明构思，本发明还提供了一种直流组合电器，如图4所示，该直流电流转移装置可开断直流电力系统中的各种故障电流，解决现有直流电力系统全范围开断故障电流、开断能力大、价格低且体积小无法同时满足的问题，该直流电流转移装置，具体包括：
75.熔断器10、直流机械开关11和直流断路器12；
76.其中，熔断器10组成第ⅰ支路、直流机械开关11组成第ⅱ支路；第ⅰ支路和第ⅱ支路构成的并联结构并与直流断路器12串联，直流机械开关12是由直流电流转移装置以及其对应的操动机构组成的；
77.所述操动机构，用于通过带动直流电流转移装置中动导电杆7进行分合闸运动来控制所述直流机械开关11分合闸。
78.进一步的，所述第一通电螺线管8与熔断器10的进线端连接，第二通电螺线管9与熔断器10的出线端连接；
79.所述熔断器10选用直流熔断器；
80.所述直流断路器可选用如附图5(a)所示的第一种混合式直流断路器、如附图5(b)所示的第二种混合式直流断路器、如附图5(c)所示的第三种混合式直流断路器、如附图6所示的固态式直流断路器或如附图7所示的机械式直流断路器。其中，所述机械式直流断路器由支路iii、iv、v构成，参见附图7、图9、图10、图11，第iii支路包括直流负荷开关13，可选地，第iii支路由直流负荷开关13单独组成；第iv支路是由电容14与电感15、反向放电开关16串联的反向放电支路；第v支路包括能量吸收装置17，可选地，第v支路由能量吸收装置17单独组成。其中，所述反向放电开关16选用接触器、触发间隙、球隙、断路器。所述能量吸收装置17选用氧化锌避雷器或压敏电阻。
81.本发明直流组合电器为熔断器与直流机械开关并联后再与直流断路器串联的结构，熔断器无需开断过载电流，只需开断短路电流，克服了熔断器开断过载困难的问题，而且直流机械开关部分使用直流电流转移装置，该装置在电路通过短路电流时产生较大的横向磁场，进而增大真空灭弧室的电弧电压，最终迫使短路电流向熔断器转移；直流断路器开断额定和过载电流。上述设计使本发明熔断器需要更换的次数降低，直流组合电器可以实现电流的全范围开断。
82.本发明直流组合电器，实现了由熔断器开断短路电流，相串联的直流负荷开关只
用开断过载电流和额定电流，极大的降低了开断难度，减轻了直流组合电器的成本。未来随着柔性直流输配电的发展，本发明由于体积小，重量轻，开断能力强，可广泛应用于电网中。
83.本发明直流断路器开断额定和过载电流时，由于直流电流转移装置中通断螺线管产生磁场较小，对直流断路器产生的影响也小。
84.本发明直流电流转移装置及其应用的直流组合电器具有创新、新颖、实用等特点，顺应了可再生能源的发展趋势以及电网采用新技术、新形式的潮流。本发明直流电流转移装置在真空灭弧室外部创新性的添加了通电螺线管，既加强了真空灭弧室外部通电螺线管所产生的磁场在真空灭弧室内部的作用强度，又使得磁场可以根据线路中电流变化自适应产生，这种方式方法新颖，并能进一步增加其应用的直流组合电器的实用性和适用性。同时本发明直流组合电器利用不同开关对不同故障电流的开断优势，实现了电流的全范围开断，实用性强。
85.实施例3：
86.本发明还提供一种直流组合电器的控制方法，如图8所示，所述方法包括：
87.当直流组合电器处于正常工作状态时，控制直流机械开关11维持合闸状态，并控制直流断路器12维持直流电流正常流通状态；
88.当需要利用直流组合电器切断额定电流或过载电流时，控制直流机械开关11维持合闸状态，并利用直流断路器12切断额定电流或过载电流；
89.当需要利用直流组合电器切断短路电流时，控制直流机械开关11分闸，并控制直流断路器12维持直流电流正常流通状态。
90.用实施例2中机械式直流断路器举例说明，如图9所示，当直流组合电器处于正常工作状态时，直流机械开关11和负荷开关13都处于闭合状态，电流从进线流入后经过直流机械开关11，再流经负荷开关13，再从出线流入负载。
91.如图10所示，当直流组合电器需要切断额定电流和过载电流时，负荷开关13打开，待负荷开关13的触头达到满开距时，反向放电开关16闭合，反向放电支路向负荷开关13注入反向电流，迫使负荷开关13上的电流过零，负荷开关13熄灭电弧，使电路断开。能量吸收装置17限制过电压并吸收开断过程中的能量。
92.如图11所示，当直流组合电器需要切断短路电流时，直流机械开关11打开，动触头5动作，和静触头4分开，产生电弧，同时短路电流使通电螺线管8和通电螺线管9产生横向磁场，真空灭弧室的电弧电压增大，短路电流从直流机械开关11转移到熔断器10上，熔断器10动作切断短路电流。
93.实施例4：
94.本发明还提供了一种电子设备的实体结构示意图，如图12所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)810、通信接口(communications interface)820、存储器(memory)830和通信总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过通信总线840完成相互间的通信。处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令，以执行直流组合电器的控制方法，该方法包括：当直流组合电器处于正常工作状态时，控制直流机械开关11维持合闸状态，并控制直流断路器12维持直流电流正常流通状态；当需要利用直流组合电器切断额定电流或过载电流时，控制直流机械开关11维持合闸状态，并利用直流断路器12切断额定电流或过载电流；当需要利用直流组合电器切断短路电流时，控制直流机械开关11分闸，
并控制直流断路器12维持直流电流正常流通状态。
95.此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
96.实施例5：
97.本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的以执行直流组合电器的控制方法，该方法包括：当直流组合电器处于正常工作状态时，控制直流机械开关11维持合闸状态，并控制直流断路器12维持直流电流正常流通状态；当需要利用直流组合电器切断额定电流或过载电流时，控制直流机械开关11维持合闸状态，并利用直流断路器12切断额定电流或过载电流；当需要利用直流组合电器切断短路电流时，控制直流机械开关11分闸，并控制直流断路器12维持直流电流正常流通状态。
98.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
99.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
100.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
101.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
102.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然
可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。