[發明專利]一種基于超導限流的無弧直流斷路器及開斷方法

有效

• 申請號: 201710432973.6
• 申請日: 2017-06-09
• 公開（公告）號: CN107134762B
• 公開（公告）日: 2019-05-07
• 發明（設計）人: 王建華;楊騉;閆文龍;劉志遠;耿英三
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H02H7/26
• 分類號: H02H7/26;H02H3/087;H02H9/02
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

本發明涉及一種基于超導限流的無弧直流斷路器及開斷方法，斷路器包括串聯的隔離開關單元，超導限流單元，無弧開斷單元；超導限流單元為電阻型超導限流器，無弧開斷單元包括機械開關，換流電容和吸能支路；故障發生時，超導限流單元失超限制短路電流，且兩端攀升電壓作為無弧開斷單元機械開關動作的控制信號；無弧開斷單元收到控制信號后，分斷直流；最終隔離開關單元零電流分斷；本發明中利用超導限流單元限制短路電流，降低換流電容充電速率，由于機械開關與換流電容兩端電壓相等，機械開關兩端電壓在開斷過程中具有低于維持電弧所需電壓的階段，因此電弧無法產生或者迅速熄滅；同時超導限流單元抑制了電容上電壓電流振蕩，防止過電壓產生。

技術領域

本發明涉及電力系統斷路器，具體涉及一種基于超導限流的無弧直流斷路器及開斷方法。

背景技術

直流電網因其運行損耗小、負載控制便捷而在艦船，鐵路，新能源方面廣泛應用。但是由于直流電流沒有自然過零點，機械式開關通過熄滅電弧完成開斷相對困難。目前常見的振蕩式機械斷路器兩端并聯有電容電感組成的振蕩回路，在開斷時，振蕩回路在機械斷路器電弧中產生過零點。振蕩式機械斷路器包括自激振蕩斷路器和它激振蕩斷路器。自激振蕩開關開斷時間長，在振蕩過程中容易出現過電壓，它激振蕩開關的電容器需要額外的充電裝置，同時對振蕩電流投入的時序控制時間精度要求高。此外，直流開斷中產生的電弧，溫度高達數千攝氏度，能燒壞觸頭，甚至導致觸頭熔焊，造成多次重燃嚴重損害觸頭使用壽命。如果電弧不立即熄滅，就可能燒傷操作人員，燒毀設備，破壞系統絕緣性能，甚至釀成火災。因此，有效地熄滅電弧或者抑制電弧的產生至關重要。現階段最常見的無弧開斷方法為混合式開斷，為了能夠承受高壓大電流需要串聯多個IGBT，不僅增大了成本，而且IGBT開斷同步性實現復雜。

超導體在一定的溫度、磁場和電流密度范圍內才能保持零電阻的超導狀態，超出任一物理范圍，超導體將失超。超導限流器利用超導這一特性，穩態運行時，阻抗接近于零，對電力系統無影響，短路故障時，超導失超，阻抗瞬時增大，有效限制短路電流大小；當故障消除后，超導限流器可以由限流態恢復到穩態，保證電網能夠正常運行。引入超導限流器不僅可以顯著降低斷路器的容量，大大降低電網的改造費用及延長電氣設備的使用壽命，還將實現對輸電線路故障短路電流快速、平穩、有效地限制，為解決輸電網安全穩定運行的關鍵技術難題奠定基礎。

無弧開斷即要求開關分斷時不燃弧或者電弧瞬時熄滅，為此，需要維持開關兩端電壓低于起弧電壓。現有專利“一種串入電容式高壓直流斷路器及其控制方法”(201310018003.3)，該專利采用阻容支路作為轉換電路實現機械開關無弧打開，阻容支路包括串聯的電容器和電阻，并且采用避雷器抑制開斷過程中的過電壓。

發明內容

針對現有方法的不足，本發明提供一種基于超導限流的無弧直流斷路器及開斷方法，本發明利用超導限流器的失超特性，在直流系統發生故障時迅速失超，轉換為高阻抗，限制短路電流大小，同時多級動作配合，實現機械開關的無弧開斷以及故障電路的隔離。

本發明的目的是采用下述技術方案實現：

一種基于超導限流的無弧直流斷路器，由隔離開關單元Ⅰ、超導限流單元Ⅱ、無弧開斷單元Ⅲ依次串聯而成，隔離開關單元Ⅰ為機械隔離開關，超導限流單元Ⅱ由超導帶材2與第一電阻1并聯組成，構成電阻型超導限流器，無弧開斷單元Ⅲ的正常通流支路由機械開關4組成，換流支路由并聯電容3組成，吸能支路由第二電阻6與接觸器5串聯組成。

所述超導限流單元Ⅱ采用超導帶材2與第一電阻1并聯的電阻型結構；超導帶材2失超產生的電壓作為無弧開斷單元Ⅲ的機械開關4動作的控制信號。

所述超導限流單元Ⅱ通過限制短路電流，使無弧開斷單元Ⅲ的機械開關4開斷電流減小，限制無弧開斷單元Ⅲ的并聯電容3充電速率，降低了并聯電容3兩端的電壓上升率；同時抑制并聯電容3上電壓電流振蕩，防止過電壓產生。