無電弧型矩陣智能橋強控式高壓斷路器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉主要涉及高壓電力領(lǐng)域，特別是涉及3KV以上電壓級別的高壓斷路器。
【背景技術(shù)】
[0002]有史以來，安裝在電力系統(tǒng)的供配電設(shè)備內(nèi)的各類大功率斷路器之所以可按照人的意志接通或斷開各類負(fù)載電路，特別是能可靠地斷開短路類故障電路，關(guān)鍵在于斷路器滅弧系統(tǒng)的滅弧功能。
[0003]眾所周知，在操控非空載電路時，斷路器的動觸點和靜觸點在接通前或斷開后的瞬間，因間距很小而在額定電壓下形成強電場、造成介質(zhì)或空氣電離擊穿，從而產(chǎn)生動、靜觸點之間的電弧。電路中工作電流越大、額定電壓越高則電弧越嚴(yán)重。在ικν(ιοοον)及以下系統(tǒng)中，防電弧的技術(shù)相對容易，成本相對偏低。但3KV(3000V)及以上高壓系統(tǒng)的防電弧技術(shù)和成本則不容忽視。對1KV少油斷路器而言，僅在開斷20ΚΑ級別的短路電流時，其所產(chǎn)生的電弧功率就可達(dá)10兆瓦(10000KW)以上，斷路器動、靜觸頭之間的電弧柱溫度可達(dá)6000-7000攝氏度，甚至超過10000攝氏度，電弧可以導(dǎo)致所在電路發(fā)生相間短路故障，而短路電弧會造成電力系統(tǒng)的巨大惡性事故。因此，沒有滅弧技術(shù)則大功率負(fù)載電路的接通和斷開是無法實現(xiàn)的，故障電路的切除更是不可能的。只有保證安全滅弧才能保證斷路器接通或斷開負(fù)載電路的動作成功，特別是斷路器主觸點在斷開短路故障電流的瞬間，若不能可靠滅弧必然會引發(fā)毀滅性的災(zāi)難。
[0004]迄今為止，電力系統(tǒng)普遍在線運行的3KV以上的高壓斷路器主要和常見的分為三大類:即“油斷路器”(分“多油開關(guān)”與“少油開關(guān)”)、真空斷路器和SF6(六氟化硫)斷路器。其中油斷路器的密閉滅弧室內(nèi)裝有絕緣油，斷路器主觸頭是浸泡在油里工作的，靠油的絕緣作用和與空氣的隔絕作用加速熄滅通斷電路瞬間產(chǎn)生的強烈電??；真空斷路器的密閉滅弧室內(nèi)是高度真空的，利用真空的絕緣作用來抑制電?。欢鳶F6斷路器的滅弧室內(nèi)則裝有用于滅弧的六氟化硫液體。油斷路器存在著故障情況下隨時可能引起爆炸、噴濺、燃燒等擴(kuò)大事故范圍的危險，因此正在逐步被真空斷路器和SF6斷路器替代；而真空斷路器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修復(fù)雜、且分?jǐn)啻箅娏髂芰τ邢?；SF6斷路器斷流和滅弧效果比較理想但復(fù)雜程度和成本超過真空斷路器；也有一些其他方式滅弧的斷路器但由于技術(shù)或安全等原因而應(yīng)用不夠普及。以滅弧為前沿課題的中高壓斷路器產(chǎn)品自問世以來，不斷地演繹、變化和推陳出新，其壽命已超過一個世紀(jì)，但基本原理一直沒有革新，所面臨的前沿課題一直沒有改變，任何一代產(chǎn)品的設(shè)計首先必須解決好滅弧功能，任何種類的高壓斷路器的主觸頭的開或閉都必須同時具備“密閉空間、滅弧介質(zhì)、吹弧氣流和觸點耐高溫”四個條件。為此，要考慮滅弧室工藝的高度可靠，要保證弧吹系統(tǒng)的科學(xué)合理，開關(guān)觸點要采用耐高溫的貴重合金材料，要考慮滅弧介質(zhì)的質(zhì)量和純度......為了滅弧，斷路器的結(jié)構(gòu)無法簡化，成本居高不下。
[0005]油斷路器誕生于1895年，推廣于1930年之前，目前主要應(yīng)用于3、6、10KV及以上的高壓系統(tǒng)中。真空斷路器始見于50年代(我國獨立研制真空斷路器始于70年代)，最初常見于?380/220V系統(tǒng)和?690V系統(tǒng)，后來逐步進(jìn)入3、6、10KV系統(tǒng)。而SF6斷路器是近年來發(fā)展起來的新型斷路器，最常見于1KV配電系統(tǒng)。這些斷路器的成本、使用壽命、結(jié)構(gòu)形式和電氣性能主要決定于滅弧功能和主觸頭合金的質(zhì)量，如何保證主觸點在接通和斷開有載電路(特別是斷開短路故障電路)瞬間所產(chǎn)生的強大電弧不造成事故，始終是產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計的最關(guān)鍵點。雖然滅弧要求使斷路器結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，成本增加數(shù)倍，但一直在實踐中延續(xù)；雖然國內(nèi)外的滅弧技術(shù)一直在提高和創(chuàng)新，但始終沒有找到最廉價的科學(xué)方法，滅弧的主題始終無法避免。
[0006]電力電子技術(shù)的發(fā)展推動了大功率電力電子開關(guān)和模塊的誕生，由于電力電子模塊的導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)的改變是靠半導(dǎo)體材料內(nèi)部的自由電子的擴(kuò)散和停止擴(kuò)散的結(jié)果，其過程無電弧發(fā)生，由此啟發(fā)了人們用電力電子開關(guān)(即無觸點開關(guān))替代機械開關(guān)(有觸點開關(guān))的思路。無觸點開關(guān)產(chǎn)品曾經(jīng)在上世紀(jì)90年代如火如荼地發(fā)展和進(jìn)步，業(yè)內(nèi)人士均認(rèn)為各類大功率斷路器都將走進(jìn)“無觸點”時代。然而，實踐中發(fā)現(xiàn):大功率電力電子模塊長時間承載負(fù)荷電流產(chǎn)生較大的功耗，其無法回避的熱隱患給系統(tǒng)安全帶來更大風(fēng)險和隱患，故無法替代機械開關(guān)，更無法代替中、高壓電力斷路器。
[0007]電力斷路器誕生一百多年來，產(chǎn)品研發(fā)的專家們始終鎖定滅弧課題苦苦攻關(guān)；而電力電子技術(shù)誕生幾十年來，產(chǎn)品研發(fā)的專家們始終以高效、高速和低熱為課題苦苦攻關(guān)，無人問津斷路器基本結(jié)構(gòu)和基本模式的改變，無人推出既可以規(guī)避開關(guān)電弧、又可以規(guī)避在線熱損耗風(fēng)險的大功率斷路器方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提供一種無電弧型矩陣智能橋強控式高壓斷路器，由普通機械開關(guān)K、橋式電力電子開關(guān)(簡稱“橋開關(guān)”)、控制器P、輸入輸出監(jiān)測儀表Vl和V2構(gòu)成，將無觸點開關(guān)具有的可無電弧導(dǎo)通和截止的優(yōu)良特性及機械開關(guān)在線承載電流無熱隱患的特性有力結(jié)合，并規(guī)避兩者弊端，合閘時橋開關(guān)先導(dǎo)通、K觸點后閉合，跳閘時K觸點先斷開而橋開關(guān)后截止；長期承載負(fù)荷電流靠K觸點，合閘前或跳閘后的瞬間靠橋開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)消除K觸點入端和出端之間的電壓，從而保證K觸點的斷開或閉合不產(chǎn)生電弧，用這種無電弧型擴(kuò)增橋式高壓斷路器替代前述各類傳統(tǒng)的高壓斷路器，可以廣泛使用在3KV、6KV、10KV、22KV、33kv和66KV等高壓電力系統(tǒng)中，推而廣之，如果研發(fā)成功超高電壓型大功率電力電子開關(guān)，此類斷路器還可以廣泛使用在超高電壓電力系統(tǒng)中。
[0009]實施本專利，可徹底改變已有百年歷史的傳統(tǒng)型高壓斷路器的結(jié)構(gòu)，引發(fā)高壓斷路器在基本結(jié)構(gòu)、控制保護(hù)電路等方面的重大進(jìn)步和變革，能快速刺激電力電子器件研發(fā)商及生產(chǎn)商把電力電子器件的研發(fā)興趣和目標(biāo)指向超高電壓領(lǐng)域，從而促進(jìn)超高電壓領(lǐng)域新型電力開關(guān)產(chǎn)品的誕生，并促進(jìn)超高電壓領(lǐng)域無電弧型斷路器的研發(fā)和生產(chǎn)，從而推動電力開關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)變革和飛躍。
[0010]傳統(tǒng)斷路器結(jié)構(gòu)與分型復(fù)雜，外部形狀各異，控制保護(hù)繁復(fù)，滅弧室內(nèi)內(nèi)的秘密卻大同小異，載流動觸頭與靜觸頭之間或分或合的物理動作及其簡單，卻危機重重！近百年來，業(yè)內(nèi)人士對高壓斷路器電弧事故的高度恐懼心里和防范意識一直難以解脫。而在無電弧型電力斷路器中則不存在電弧的困擾，能使載流觸點或分或合的簡單動作回歸自然。
[0011]本專利的突出優(yōu)點是規(guī)避了滅弧所面臨的一系列難題，省去了專為滅弧設(shè)計的所有附加機構(gòu)，突破了傳統(tǒng)的高壓斷路器在接通或斷開負(fù)荷電路與短路故障電路時受到電弧嚴(yán)重威脅的瓶頸，除了降耗增安全，還大大簡化了高壓斷路器的控制保護(hù)電路，其智能控制特點還特別適用于實現(xiàn)智能控制，有利于未來智能電網(wǎng)的構(gòu)建。
【附圖說明】
[0012]圖1為本專利產(chǎn)品的單相主接線原理示意圖
[0013]圖2為本專利產(chǎn)品的三相主接線原理示意圖
[0014]圖3為傳統(tǒng)斷路器滅弧室結(jié)構(gòu)的簡單示意圖
[0015]圖4為滅弧室內(nèi)4種弧吹系統(tǒng)的簡化示意圖
[0016]圖1和圖2僅為單相和三相之分，其工作原理完全相同，但三相高壓斷路器中的K，可以是由同一個線圈或驅(qū)動裝置同步帶動三相觸點的一體化機械開關(guān)，也可以由三個單相機械開關(guān)組成。
【具體實施方式】
[0017]如圖1，2所示，無電弧型擴(kuò)增橋式高壓電力斷路器由機械開關(guān)K、橋開關(guān)及其強控電路、控制器P及監(jiān)測儀表Vl和V2構(gòu)成，橋開關(guān)和K的主觸點并聯(lián)后接于電源輸入(IR)和電源輸出(OUT)之間。
[0018]根據(jù)橋開關(guān)中主開關(guān)管的連接方式和數(shù)量的不同，無電弧型智能橋式高壓斷路器的無觸點通道分為智能橋式、并聯(lián)智能橋式、串聯(lián)智能橋式、矩陣智能橋式、智能橋強控式、并聯(lián)智能橋強控式、串聯(lián)智能橋強控式和矩陣智能橋強控式等八種形式，統(tǒng)稱之為“橋開關(guān)”，本專利所述為矩陣智能橋強控式，其組成特點是以二極管Dl、D2、D3、D4為橋壁，以M行(M多2)、N列(N多2)帶有強控電路的開關(guān)矩陣為橋，原理說明如下:
[0019]分閘過程(即跳閘過程):分閘之前K觸點承載電流，橋開關(guān)中的開關(guān)矩陣可以是截止?fàn)顟B(tài)，也可以是導(dǎo)通狀態(tài)(K觸點的閉合使橋開關(guān)的入端和出端之間電壓接近0，其流過的電流也接近于O)，當(dāng)監(jiān)測到電路故障并判定需要分閘或收到人工手動分閘命令后，P首先控制矩陣橋可靠導(dǎo)通，然后控制K觸點分?jǐn)?，流?jīng)K觸點的負(fù)載電流或故障電流會隨著K主觸點的斷開而自動轉(zhuǎn)移至橋開關(guān)，K觸點與橋開關(guān)之間實現(xiàn)負(fù)載電流的無電弧交接后等待K觸點斷開信號，接收到K觸點已可靠開斷的信號后矩陣橋立刻截止，且在截止過程中毫無電弧發(fā)生，整個斷路過程不產(chǎn)生電弧，全過程在1ms-1OOms (可調(diào))內(nèi)可完成。電路開斷(即斷路器分閘)后P保證K觸點處于斷開狀態(tài)而橋開關(guān)始終處于關(guān)閉(開關(guān)矩陣截止)狀態(tài)，確保不會發(fā)生合閘誤動作。
[0020]合閘過程(即接通過程):在橋開關(guān)和K的主觸點均處于斷路狀態(tài)的情況下，當(dāng)監(jiān)測到合閘需求信號(備自投信號)或人工手動合閘指令后，P首先控制矩陣橋?qū)?，監(jiān)測到矩陣橋可靠導(dǎo)通的信號后立即控制K觸點閉合，由于K觸點閉合前橋開關(guān)已經(jīng)承載全部負(fù)荷電流，因此K觸點的入端和出端是在接近O電壓的情況下完成閉合，因此不產(chǎn)生電弧，K觸點閉合后便自動接替橋開關(guān)承載負(fù)載電流(