【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及直流断路器，尤其涉及一种变感抗机械式直流断路器。
技术介绍
1、在直流电网中，直流断路器负责快速隔离故障线路，以确保系统其余部分继续安全运行。由于受故障点位置、故障类型等因素影响，直流电网故障电流大小会因此不同。所以，直流断路器必须具备开断所有可能出现的短路故障电流的能力。此外，直流断路器不仅需要开断短路故障电流，也存在开断负载电流的工况。然而，传统机械式直流断路器在小电流开断工况时由于电流过零时电流变化率di/dt过大易发生机械开关电弧重燃，延长电流开断时间、加剧触头烧蚀。因此，提出一种利于小电流开断的机械式直流断路器具有工程意义。
2、传统机械式直流断路器，由主支路、暂态支路和耗能支路三条支路并联组成。机械式直流断路器利用暂态支路上预充电电容与电抗器产生高频谐振电流注入到主支路，机械开关出现人工过零点，实现电流从机械断口向暂态支路转移，电流从机械断口转移到暂态支路后，系统向暂态支路预充电电容器反向充电，导致暂态支路建立起与电源电压相反的电压，直至避雷器动作电流又从该支路转移到避雷器支路，最终系统储存的电磁能被避雷器消耗完后，实现直流开断。由于需要保证随时具备开断额定短路故障电流能力, 机械式直流断路器暂态支路所提供的高频反向谐振电流频率、幅值被设计得很大。然而在开断小电流时，大幅值、高频率的反向电流导致断口电流在注入高频电流作用下过零时的电流变化率di/dt非常大，同时预充电电容器剩余电压大，机械开关将耐受较大的初始暂态开断电压（itiv），机械开关断口更容易发生重燃，对快速机械开关性能及寿命有影响
技术实现思路
1、为了解决传统机械式直流断路器因需随时具备开断额定故障电流能力，而造成开断小电流时快速机械开关耐受大di/dt与大的itiv造成电弧重燃的问题，本专利技术提出一种变感抗机械式直流断路器，利用变感抗设备改变暂态支路等效感抗大小，目的是产生变幅值、变频率的振荡电流，在保证额定故障电流开断的同时，使小电流开断时快速机械式开关电流过零时电流变化率更小，降低机械断口电弧重燃的机率，降低对快速机械开关的灭弧要求。
2、本申请公开了一种变感抗机械式直流断路器，由主支路、暂态支路和耗能支路并联构成；所述主支路由机械开关构成，以低阻正常通流；所述耗能支路由避雷器构成，以限压、吸收能量；所述暂态支路由预充电电容器、变感抗设备和触发开关串联构成。
3、所述暂态支路在开断过程中通过截止/导通感抗变换开关使得变感抗设备在高感抗/低感抗状态切换，改变暂态支路所产生高频谐振电流的频率、幅值，降低小电流开断工况下机械开关电流过零时的电流变化率di/dt, 从而降低机械式直流断路器在小电流开断工况下，由于电流过零时di/dt过大引起电弧重燃的概率，同时保证额定故障电流开断性能。
4、所述暂态支路变频率振荡电流预期波形分为两个阶段，无论开断电流大小，将产生第一阶段高频率、高幅值的电流注入主支路，此时所述感抗变换开关导通；一定时延后，所述感抗变换开关截止，低感抗的暂态支路将产生低频率、低幅值的第二阶段振荡电流。其目的是，开断大电流时，第一阶段高频率、高幅值振荡电流注入主支路，机械开关断口快速出现人工电流过零，完成电流由主支路向暂态之路转移；在开断小电流时，第一阶段高频率、高幅值振荡电流在主支路机械开关断口产生di/dt过大，机械断口可能无法直流开断，此情况下第二阶段低频率、低幅值的振荡电流将使机械开关断口随后的电流过零点di/dt降低而易于开断。
5、优选的，所述变感抗设备由2n+1个电抗器l0~l2n与2n个感抗变换开关rs1~rs2n组成，所述2n+1个电抗器并联组成2n个网孔，每个网孔包含一个感抗变换开关，感抗变换开关在网孔左右交替分布，通过控制感抗变换开关rs1~rs2n实现电抗器l0~l2n串联-并联拓扑转换，以改变谐振频率及幅值。当变感抗设备处于高感抗状态时，感抗变换开关rs1~rs2n截止，电抗器l0~l2n串联；当变感抗设备处于低感抗状态时，感抗变换开关rs1~rs2n导通，电抗器l0~l2n并联。
6、优选的，所述变感抗设备由感抗变换开关rs与一对高耦合分裂电抗器组成，所述感抗变换开关rs与高耦合分裂电抗器l1串联后与高耦合分裂电抗器l2并联，通过控制感抗变换开关rs实现一对高耦合分裂电抗器单臂-双臂接通，以改变谐振频率及幅值。当变感抗设备处于高感抗状态时，感抗变换开关rs截止，等效感抗为l1；当变感抗设备处于低感抗状态时，感抗变换开关rs导通，高耦合分裂电抗器并联，等效感抗为，其中为耦合系数，高耦合分裂电抗器的耦合系数大，则该等效感抗值小。
7、优选的，所述变感抗设备由电抗器l0、n对高耦合分裂电抗器l1~l2n与2n个感抗变换开关rs1~rs2n组成，所述n对高耦合分裂电抗器l1~l2n并联后再与电抗器l0并联，组成2n个网孔，每个网孔包含一个感抗变换开关，感抗变换开关在网孔左右交替分布，通过控制感抗变换开关rs1~rs2n实现电抗器l0、高耦合分裂电抗器l1~l2n串联-并联拓扑转换，以改变谐振频率及幅值。当变感抗设备处于高感抗状态时，感抗变换开关rs1~rs2n截止，所有高耦合分裂电抗器同名端同向串联，并与电抗器l0串联，等效电抗大小为；当变感抗设备处于低感抗状态时，感抗变换开关rs1~rs2n导通，高耦合分裂电抗器l1~l2n和电抗器l0均并联，等效电感导纳为，其中为耦合系数。
8、优选的，所述触发开关为具有快合功能的开关设备，包括但不限于触发球隙开关、快速关合功能机械开关、晶闸管开关、全控型功率半导体器件。
9、优选的，所述感抗变换开关为具有快分功能并能承受所述电抗器或所述高耦合分裂电抗器电压的固态开关设备，包括但不限于全控型功率半导体器件并联电容、晶闸管并联电容、反串联的带反向二极管igbt。
10、优选的，所述感抗变换开关为具有快分功能并能耐受所述高耦合分裂电抗器电压的开关设备，包括但不限于机械开关、全控型功率半导体器件。
11、本专利技术的有益效果：
12、（1）本专利技术所提出的机械式直流断路器能够降低小电流开断工况下快速机械开关发生电弧重燃概率，缓解触头烧蚀，增加快速机械开关使用寿命；
13、（2）本专利技术的变感抗设备在高感抗状态利于小电流开断，低感抗状态保证额定故障电流开断，既降低了小电流开断电弧重燃概率，又保证了最大电流开断性能；
14、（3）本专利技术所提出的机械式直流断路器无论额定故障电流开断或是小电流开断，快速机械开关耐受相对较低的di/dt与itiv，降低了对直流断路器用快速机械开关灭弧性能的要求。
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1.一种变感抗机械式直流断路器，由主支路、暂态支路和耗能支路并联组成，其特征在于，所述暂态支路由预充电电容器、变感抗设备和触发开关串联构成，所述变感抗设备由电抗器组合和感抗变换开关构成；
2.根据权利要求1所述的变感抗机械式直流断路器，其特征在于，所述主支路由机械开关构成，以低阻正常通流。
3.根据权利要求2所述的变感抗机械式直流断路器，其特征在于，所述耗能支路由避雷器构成，以限压并吸收能量。
4.根据权利要求3所述的变感抗机械式直流断路器，其特征在于，所述变感抗设备由2n+1个电抗器L0~L2n与2n个感抗变换开关RS1~RS2n组成，所述2n+1个电抗器并联组成2n个网孔，每个网孔包含一个感抗变换开关，感抗变换开关在网孔左右交替分布，通过控制感抗变换开关RS1~RS2n实现电抗器L0~L2n串联-并联拓扑转换，以改变谐振频率及幅值。
5.根据权利要求3所述的变感抗机械式直流断路器，其特征在于，所述变感抗设备由感抗变换开关RS与一对高耦合分裂电抗器组成，所述感抗变换开关RS与高耦合分裂电抗器L1串联后与高耦合分裂电抗器L2并联，通
6.根据权利要求3所述的变感抗机械式直流断路器，其特征在于，所述变感抗设备由电抗器L0、n对高耦合分裂电抗器L1~L2n与2n个感抗变换开关RS1~RS2n组成，所述n对高耦合分裂电抗器L1~L2n并联后再与电抗器L0并联，组成2n个网孔，每个网孔包含一个感抗变换开关，感抗变换开关在网孔左右交替分布，通过控制感抗变换开关RS1~RS2n实现电抗器L0、高耦合分裂电抗器L1~L2n串联-并联拓扑转换，以改变谐振频率及幅值。
7.根据权利要求3所述的变感抗机械式直流断路器，其特征在于，所述触发开关为具有快合功能的开关设备，包括但不限于触发球隙开关、快速关合功能机械开关、晶闸管开关、全控型功率半导体器件。
8.根据权利要求4或6所述的变感抗机械式直流断路器，其特征在于，所述感抗变换开关为具有快分功能并能承受电抗器或高耦合分裂电抗器电压的固态开关设备，包括但不限于全控型功率半导体器件并联电容、晶闸管并联电容、反串联的带反向二极管IGBT。
9.根据权利要求5所述的变感抗机械式直流断路器，其特征在于，所述感抗变换开关为具有快分功能并能耐受高耦合分裂电抗器电压的开关设备，包括但不限于机械开关、全控型功率半导体器件。
...【技术特征摘要】
1.一种变感抗机械式直流断路器，由主支路、暂态支路和耗能支路并联组成，其特征在于，所述暂态支路由预充电电容器、变感抗设备和触发开关串联构成，所述变感抗设备由电抗器组合和感抗变换开关构成；
2.根据权利要求1所述的变感抗机械式直流断路器，其特征在于，所述主支路由机械开关构成，以低阻正常通流。
3.根据权利要求2所述的变感抗机械式直流断路器，其特征在于，所述耗能支路由避雷器构成，以限压并吸收能量。
4.根据权利要求3所述的变感抗机械式直流断路器，其特征在于，所述变感抗设备由2n+1个电抗器l0~l2n与2n个感抗变换开关rs1~rs2n组成，所述2n+1个电抗器并联组成2n个网孔，每个网孔包含一个感抗变换开关，感抗变换开关在网孔左右交替分布，通过控制感抗变换开关rs1~rs2n实现电抗器l0~l2n串联-并联拓扑转换，以改变谐振频率及幅值。
5.根据权利要求3所述的变感抗机械式直流断路器，其特征在于，所述变感抗设备由感抗变换开关rs与一对高耦合分裂电抗器组成，所述感抗变换开关rs与高耦合分裂电抗器l1串联后与高耦合分裂电抗器l2并联，通过控制感抗变换开关rs实现一对高耦合分裂电抗器单臂-双臂接通，以改变谐振频率及幅...
【专利技术属性】
技术研发人员：贾申利，廖夕源，黄小龙，杨晨曦，卢俊宇，赵莉华，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：
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