[发明专利]一种大电流快速机械开关结构及其控制方法

说明书

本发明涉及一种大电流快速机械开关结构，包括真空灭弧室、单稳态永磁操作机构和双线圈电磁斥力机构。分闸时采用电磁斥力机构分闸线圈和永磁操作机构操作线圈同时动作的方法，尽可能的减小分闸时永磁体提供的合闸保持力，缩短分闸时间，减少触头弹簧因分闸时快速压缩而产生反向作用力，减轻电磁斥力机构与合闸保持机构的弹性碰撞，提高分闸过程中的稳定性。

技术领域

本发明涉及柔性直流配电技术领域，具体是指一种大电流快速机械开关结构及其控制方法。

背景技术

随着分布式能源和储能装置的大规模接入、电力电子技术以及大容量电力传输的快速发展，以柔性直流系统为基础的配电是未来重要的发展方向，特别是某些特定场合，如大型船舶供电系统、城市轨道交通供电系统等直流系统得到了长足发展。在大容量直流电网中，需要应用2-3ms内开断超大电流的直流断路器来快速切除故障设备或线路，以保证直流系统非故障部分的稳定运行。

基于混合型式的直流真空断路器是目前直流开断技术的重要发展方向，该类型断路器将机械开关通态损耗低和电力电子开关开断速度快的优点充分结合。电力电子开关关断故障电流时间极短，电流变化率di/dt非常大，由于线路中电感的存在，关断瞬间分闸间隙需要有承受高幅值瞬态恢复电压的开距，故其机械开关分闸速度的快慢直接决定了混合式直流断路器的开断性能，因此，快速机械开关是发展混合式直流断路器的关键技术。

随着中压直流配网系统迈向大容量电力传输时代，混合式直流断路器将承载更大的直流电流，也就意味着作为主通流支路的快速机械开关在电网稳态时需要通以更大的额定电流，在电网故障时快速机械开关需要转移更大的故障电流并且承受更高幅值瞬时恢复电压，因此，此类型的大电流快速机械开关在特性上要求稳定合闸时机构对触头的压力非常大，分闸时速度非常快，由于中压配网所用大电流真空灭弧室触头开距小且运动部件质量大，故在短行程中克服强阻力对大质量运动部件进行加速和减速非常困难。

为保证大电流快速机械开关合闸位置时触头间有足够的压力，目前普遍采用永磁操作机构，它使用永磁体取代了传统的锁扣装置实现了真空开关分闸和合闸位置的保持，永磁操作机构运动部件简单、分合闸电流较小，对操作电源要求相对简单，但就目前技术发展下，永磁操作机构没有办法在分合闸初期速度快速提升。同时，为保证分闸速度足够快，目前电磁斥力机构得以广泛应用，通过电磁涡流效应，放电线圈与斥力板之间产生快速反向磁场，电磁斥力推动斥力板快速运动，放电线圈电流上升梯度越大，斥力板所受斥力增加越快，故电磁斥力机构引其动作零件少、体积小并且加速快广泛用于混合式直流断路器快速机械开关中。

因此，目前大容量中压直流配电网中使用的大电流快速机械开关中的机构多为电磁斥力与永磁操作联合机构，即采用永磁操作机构用作合闸和分闸保持，并永磁操作机构中设计有电磁铁线圈，其机构还会兼具慢分和慢合的功能；同时，采用电磁斥力机构用作故障快速分闸或者合闸缓冲作用，若电磁斥力机构为双驱动线圈，其机构还会兼具分闸缓冲以及快速合闸作用。很明显，电磁斥力与永磁操作联合机构在大电流快速机械开关的应用中优势非常明显，但是目前的联合机构控制方式单一，故障分闸时仅投入电磁斥力机构。由于电磁斥力机构能在1ms内快速达到推力峰值，持续时间非常短，导致电磁斥力机构快速分闸时，斥力盘带动连杆向下移动，此时永磁体仍然提供合闸保持力，分弹簧会因压缩而产生反向作用力，因而会降低快速机械开关的分闸速度，增加分闸时间，若要提升分闸速度，则需要提升电磁斥力机构驱动电容电压，这将会增加驱动电容体积，给驱动电路设计带来巨大的压力，同时会造成电磁斥力机构与合闸保持机构的弹性碰撞，造成弹跳现象，严重情况下甚至导致分闸失败。并且由于在中压配网系统中，真空灭弧室额定开距较小，快速分闸时，该装置基本无法对运动部件进行有效缓冲，导致分闸反弹现象的发生。

发明内容

为了克服上述缺点，本发明的目的是提供一种基于电磁斥力与永磁操作联合机构的大电流快速机械开关的控制方法，该控制方法可以解决联合机构分闸速度降低以及电磁斥力机构与永磁操作机构的弹性碰撞问题，而且可以大大降低驱动电容电压，减小驱动电容体积。