[发明专利]中压电路断路器

说明书

发明领域

本发明涉及限流中压电路断路器(current limiting medium-voltage circuit-breaker)。 

发明背景 

电力系统中的故障是不可避免的。除了故障附近的损害，由于电弧的影响，故障电流(也被称为“短路电流”)可以损毁设备，例如架空线、电缆、变压器和开关装置。故障电流断路器(current-breaker)可以限制或者切断故障电流。 

传统的AC故障电流断路器包括可动和静止接触部(contact)。当发出开关打开命令之后，可动开关接触部移开，因此在可动接触部和静止接触部之间产生电弧。在电流的过零点，电弧熄灭。假如接触部之间的绝缘距离大得足以消除接触部之间的任何介质击穿，则电弧将不会点燃。如果这个距离太短，电弧将重新点燃，也就是说，这些开关中的电弧持续时间是电弧区域的绝缘距离、断路电流值和跳闸时间(tripping time)的函数。电弧将持续直到过零点。多数已知开关没有任何短路电流限制。然而，在电弧期间网络释放的热和对接触材料的侵蚀将取决于电流和电弧持续时间。电弧持续时间可以足够长(平均时间为5毫秒)。最大电流可达 其中I_no min al是标称额定电流。这导致接触材料的深度腐蚀，并因此导致了设备的较短服务寿命，并且，最重要的是导致了较少数量的故障跳闸(fault trip)。这些是设备的主要缺陷。 

 在本技术领域中，限流开关也是已知的，也被称为“故障电流限制器”，其是一种不但换向(commute)额定电流和过载电流而且切断流入保护电路的故障电流的电子设备。在现有网络中使用限流开关可以避免置换现有网络设备和线路。 

限流开关的主要要求是在被保护的网络中对故障电流的绝对值的多重限制。为了达到操作规格要求，限流时间必须尽可能短(优选地，t_lim＜0.8ms)。当电能从电源(例如，变压器)传送到负载时，网络线路的机械强度都要适应于额定电流和故障电流。当在自然过程和发展期间功率消耗增加因而需要额外的变压器和发电机时，故障电流增加，因此要求比较高的网络电动稳定性和线路和设备的可能的升级。 

各种类型的故障电流限制器，例如无源限制器、固态限制器和混合故障电流限制器在本领域中已知晓。(例如，参见G.Tang和M.R.Iravani在2005年6月19-23日的the International Conference on Power Systems Transients(IPST′05)in Montreal，Canada会议上发表的论文No.IPST05-158；以及CIRGE数据：Report No.239of December 2003 of Working Group A3.10关于″Fault Current Limiters in Electrical Medium and High Voltage Systems(电气中压和高压系统中的故障电流限制器)″)。图1示出混合故障电流限制器的电路原理图，该混合故障电流限制器包括与负载开关并联的超快转换开关S1，该负载开关与具有正温度系数(PCT)的低电感非线性电阻器串联。同样跨越转换开关两端连接的是与晶闸管桥串联耦合的快速作用分离器，该晶闸管桥可以基于例如门极可关断晶闸管(gate-turn-off，GTO)或者集成的门极换向晶闸管(GCT)。三个开关是机械的，且在系统的稳态工作期间所有三个开关为闭合且桥中的GTO晶闸管为门极导通。当故障发生时，超快机械转换开关在几百微秒内打开，并且将持续上升的电流转换向到换向路径，该换向路径由与半导体放电电子开关串联的分离器组成。半导体放电电子开关为转换开关提供时间延迟，以恢复到特定的承受电压并随后被切断，迫使电流进入由非线性电阻器组成的限制路径。在电阻器被明显加热前如此限制电流，断路器被打开以使半导体与持续升高的电压隔绝。最终，具有不到半个周期的打开时间的负载开关在第一过零点切断故障电流。在故障检测和电流限制之间的时间延迟可以小于1毫秒。 

混合故障电流限制器的缺点与运动复杂性、元件的高价格、相对低的标称电压(通常，达到15千伏)以及设备的无效特性有关。