專利名稱：高壓交流開關(guān)多步滅弧方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種高電壓交流開關(guān)多步滅弧方法。
中國(guó)專利局在1989年12月27日出版的發(fā)明專利公報(bào)第5卷，第52號(hào)上公布的交流開關(guān)兩步滅弧方法對(duì)交流開關(guān)滅弧是有效的而且具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但是沒有對(duì)電流過零后在二分之一工頻周期內(nèi)觸頭間絕緣強(qiáng)度的恢復(fù)程度進(jìn)行分析和闡述。我們知道斷路器在開斷過程中出現(xiàn)的復(fù)燃或重?fù)舸┚桶l(fā)生在四分之一或大于四分之一工頻周期內(nèi)，而交流開關(guān)兩步滅弧方法必須要求在電流過零后的二分之一工頻周期內(nèi)觸頭間絕緣強(qiáng)度恢復(fù)到足夠高的程度，這當(dāng)然可以采用適當(dāng)加大分?jǐn)嗨俣鹊霓k法來實(shí)現(xiàn)，這就是說還需要進(jìn)行試驗(yàn)。
本發(fā)明的任務(wù)在于避免上述實(shí)驗(yàn)過程，提出一套完整的準(zhǔn)確實(shí)用的定量計(jì)算方法從理論上證明了高壓交流開關(guān)多步滅弧方法的性能可靠，從而結(jié)束了高壓交流開關(guān)的滅弧性能必須經(jīng)多次開斷試驗(yàn)來證明的歷史，而且可以大幅度降低高壓交流開關(guān)觸頭間的最大開距，進(jìn)一步減少高壓交流開關(guān)的體積和重量;另外在現(xiàn)有技術(shù)中，理想斷路器系指斷口間的阻抗在電流零點(diǎn)前為零，在零點(diǎn)之后突增為無限大的一種假想的斷路器(參見華中電業(yè)管理局1984年匯編的交流高壓斷路器技術(shù)手冊(cè)第67頁(yè))現(xiàn)有技術(shù)無法制做理想斷路器，由于高壓交流開關(guān)多步滅弧方法的發(fā)明將使假想的理想斷路器成為現(xiàn)實(shí);其次本發(fā)明提供一種對(duì)運(yùn)行著的開關(guān)(無論是合閘狀態(tài)或分閘狀態(tài))中的二極管的監(jiān)測(cè)辦法，保證高壓交流開關(guān)運(yùn)行的可靠性。
本發(fā)明的目的是在交流開關(guān)兩步滅弧方法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)來實(shí)現(xiàn)的，交流開關(guān)兩步滅弧方法的獨(dú)特之處是交流開關(guān)分?jǐn)噙^程中，電流過零前、后觸頭之間有一段時(shí)間[小于二分之一工頻周期內(nèi)]無電弧電流，利用這段時(shí)間來恢復(fù)觸頭之間的絕緣強(qiáng)度?；謴?fù)的程度如何仍然是一個(gè)未知數(shù)。交流開關(guān)開斷電容器時(shí)出現(xiàn)的重?fù)舸┈F(xiàn)象就存在一段大于四分之一工頻周期的時(shí)間間隔無電弧電流，即然重?fù)舸┚驼f明這段時(shí)間不足以使觸頭之間的絕緣強(qiáng)度恢復(fù)到足夠高的程度，本發(fā)明的特征在于不是將觸頭之間的絕緣強(qiáng)度的恢復(fù)作為解決問題的關(guān)鍵，而是利用無電弧電流這段時(shí)間內(nèi)觸頭分離的區(qū)間與有電弧所分離的區(qū)間相隔離，使之成為干凈的僅有清新的絕緣介質(zhì)的區(qū)間，這段區(qū)間電極之間是勻強(qiáng)電場(chǎng)的情形時(shí)，那么其絕緣強(qiáng)度就成為已知數(shù)了。比如觸頭分離的速度為2m/s，則5毫秒時(shí)間觸頭分離的距離是1cm，對(duì)勻強(qiáng)電場(chǎng)情況下，空氣作為絕緣介質(zhì)時(shí)，則絕緣強(qiáng)度為30kv，(峰值電壓)變壓器油作為絕緣介質(zhì)時(shí)則絕緣強(qiáng)度應(yīng)大于180kv(峰值電壓)以上。(參考電機(jī)工程手冊(cè)中1卷高電壓技術(shù)篇)這樣，關(guān)鍵問題就是設(shè)置隔弧板將有電弧的區(qū)間與無電弧的區(qū)間及時(shí)相隔離，有電弧區(qū)間恢復(fù)的絕緣強(qiáng)度作為開關(guān)滅弧的保險(xiǎn)系數(shù)來考慮，不作為設(shè)計(jì)開關(guān)時(shí)觸頭間絕緣強(qiáng)度的計(jì)算依據(jù);用無電弧區(qū)間的絕緣強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)高壓交流開關(guān)時(shí)的計(jì)算依據(jù)就足夠用了。因此就可以用已知的知識(shí)對(duì)高壓交流開關(guān)多步滅弧方法的絕緣強(qiáng)度進(jìn)行有根據(jù)的理論計(jì)算了。
本發(fā)明的另一個(gè)特征是高壓交流開關(guān)多步滅弧方法具有理想斷路器的性能。交流開關(guān)有兩個(gè)斷口相串聯(lián)，其中一個(gè)斷口在分?jǐn)噙^程中并聯(lián)有半導(dǎo)體二極管，當(dāng)開關(guān)分?jǐn)鄷r(shí)，兩個(gè)斷口同時(shí)分離，首開相電弧電流過零前，二極管正向?qū)?，阻抗近似為零，相串?lián)的斷口，因沒有外能作用(沒有滅弧系統(tǒng))電弧電壓很低，對(duì)高壓來說，可以忽略不計(jì)，沒有外能吹熄的電弧，阻抗也近似為零，故電流過零前阻抗為零;電弧電流過零后，二極管反向截止，其阻值視為無窮大，而并聯(lián)斷口是在無電弧的情況下分離的，故該斷口的阻抗此時(shí)也可視為無窮大，所以電流過零后其阻抗變?yōu)闊o窮大。具有這一性能的交流開關(guān)，當(dāng)開斷感性負(fù)荷時(shí)，因電流是自然過零，故不會(huì)出現(xiàn)操作過電壓;當(dāng)開斷電容性負(fù)荷時(shí)，故電流過零的同時(shí)斷口間的阻抗可以視為突增為無窮大因此不會(huì)出現(xiàn)重燃和重?fù)舸?，也就是說不會(huì)出現(xiàn)操作過電壓，在以前的現(xiàn)有技術(shù)中，理想斷路器只能是假想的，可是由于交流開關(guān)兩步滅弧方法的發(fā)明，可使假想的理想斷路器成為現(xiàn)實(shí);也就是說利用高壓交流開關(guān)多步滅弧方法這一方法可以設(shè)計(jì)制造出理想斷路器。
本發(fā)明是在交流開關(guān)兩步滅弧方法的基礎(chǔ)上發(fā)展的，因此我們?nèi)圆捎媒涣鏖_關(guān)兩步滅弧方法中的

圖1和圖2進(jìn)一步分析每個(gè)斷口當(dāng)分?jǐn)嗖煌再|(zhì)的負(fù)載時(shí)所承受電壓大小和時(shí)間的關(guān)系。
圖2是開斷電感負(fù)荷時(shí)電流，電壓波形圖，從圖中得知，首開相并有二極管的斷口(8)當(dāng)電流過零的T4一瞬間所承受的電壓是瞬態(tài)恢復(fù)電壓，然后逐漸下降經(jīng)四分之一周期后下降為零;與之相串聯(lián)的斷口(7)從電壓降為零后開始承受電壓，經(jīng)四分之一周期上升為相電壓峰值。因此斷口(7)從無電流開始到承受相電壓峰值電壓時(shí)止要經(jīng)過二分之一周期的時(shí)間。同樣當(dāng)T5時(shí)其余兩相電流同時(shí)過零，這時(shí)斷口(2)所承受的電壓為線電壓峰值與振蕩電壓的疊加值，經(jīng)四分之一周期后下降為零，斷口(1)、(4)、(5)相串聯(lián)經(jīng)四分之一周期開始承受電壓，到二分之一周期時(shí)共同承受線電壓峰值。
當(dāng)開斷電阻性負(fù)荷時(shí)，因電壓、電流同相位，所以電流過零后，電壓也為零，并聯(lián)二極管的斷口(8)經(jīng)四分之一周期后承受相電壓峰值，然后經(jīng)四分之一周期后下降為零。換向后二極管導(dǎo)通，相串聯(lián)斷口(7)才承受由零開始上升的電壓。同樣斷口(1)、(4)也是在電流過零后的四分之三周期后才承受峰值電壓，正好比電感時(shí)推遲四分之一周期。
當(dāng)開斷電容器或空載長(zhǎng)線時(shí)，斷口(8)是在無電弧情況下分離的，因此絕緣強(qiáng)度上升非常快，電流經(jīng)二極管正向?qū)ńo電容器充電到峰值電壓后電流自然過零，二極管反向截止，電容器上的峰值電壓為工頻恢復(fù)電壓的峰值，要保持很長(zhǎng)時(shí)間，這以后二極管總處于截止?fàn)顟B(tài)，因此不會(huì)再有電流出現(xiàn)，與之相串聯(lián)的斷口(7)只是作為隔離斷口，開斷電容器時(shí)斷口(7)不起主要作用，同樣其余兩相經(jīng)斷口(2)中并聯(lián)二極管充電到峰值(線電壓)后，二極管也總處于截止?fàn)顟B(tài)，斷口(1)、(4)串聯(lián)也可以不考慮其作用，只是為了節(jié)省二極管耐壓值，考慮使(1)、(4)承受一部分電壓其負(fù)擔(dān)也是很小的，可見當(dāng)開斷電容器時(shí)斷口(1)、(4)、(7)負(fù)擔(dān)最小，也就是說用兩步滅弧方法開斷電容器時(shí)最容易最適合的了。
從上面分析知道，不論開斷負(fù)荷性質(zhì)如何，電流過零后承受電壓主要由斷口(8)(2)來承擔(dān)，該斷口是在二極管正向?qū)o電弧情況下分離的，因此絕緣強(qiáng)度上升非常快。而斷口(1)、(4)、(7)當(dāng)電流過零后最少有四分之一周期無負(fù)擔(dān)(電感時(shí)是T/4)因此這段時(shí)間是在無電流情形下開斷，接著電壓從零上升，因此是繼續(xù)在無電流情形下開斷。只要將這四分之一周期內(nèi)拉開的區(qū)域與前面的區(qū)域相隔離，其絕緣強(qiáng)度上升的速度完全可以滿足要求。再經(jīng)四分之一周期后電壓才上升到峰值，這后一個(gè)四分之一周期內(nèi)觸頭也是在無電流情況下開斷，故絕緣強(qiáng)度上升的速度也遠(yuǎn)大于電壓上升的速度。因此可以這樣設(shè)置隔弧板，每隔四分之一周期設(shè)一塊隔弧板，電流過零的一瞬間無論落在區(qū)域的那點(diǎn)上，總有一個(gè)區(qū)域無電弧，因?yàn)槎种恢芷趦?nèi)動(dòng)觸頭拉開的距離正好是兩個(gè)區(qū)域，所以電流過零后，這瞬間無論落在區(qū)間的那點(diǎn)上，經(jīng)二分之一周期后，動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)兩個(gè)區(qū)間的距離，最少兩次穿過隔弧板，因此總有一個(gè)完整的區(qū)間無電弧。只要一個(gè)區(qū)間就能滿足斷口間承受電壓的要求了。為什么總是強(qiáng)調(diào)一個(gè)完整的區(qū)間呢？這是因?yàn)橥暾膮^(qū)間內(nèi)是勻強(qiáng)電場(chǎng)，又是清新的絕緣介質(zhì)。因此絕緣強(qiáng)度非常高。
由上面分析知道，不論開斷負(fù)荷的性質(zhì)如何，電感、電阻或電容時(shí)都有共同特點(diǎn)特點(diǎn)之一是斷口(1)、(4)、(7)在首開相電流過零前都有電弧，電流過零后最低有四分之一周期(電感時(shí))時(shí)間內(nèi)不需要該斷口(1)、(4)、(7)承受耐壓負(fù)擔(dān)，因此當(dāng)首開相電流過零后四分之一周期內(nèi)沒有必要使斷口(1)、(4)、(7)動(dòng)靜觸頭分離。這就是說，沒有并聯(lián)二極管側(cè)的斷口最少可以比并聯(lián)二極管側(cè)的斷口推遲四分之一周期分離。另一個(gè)特點(diǎn)是其余兩相電流過零的時(shí)間比首開相推遲四分之一周期，而其余兩相電流過零后斷口(1)、(4)、(7)都沒有電流了;而當(dāng)首開相電流過零后到其余兩相電流過零前的四分之一周期內(nèi)，首開相斷口無電弧，其余兩相有電弧，首開相發(fā)生在哪相上無法確定，不過斷口(1)、(4)、(7)只要分成三個(gè)區(qū)域就可以將有電弧區(qū)和無電弧區(qū)間分隔開來了，即首開相電流過零前為有電弧區(qū)間，首開相電流過零后到其余兩相電流過零前的區(qū)間也許有電弧也許無電弧的區(qū)間，首開相無電弧，其余兩相有電弧，其余兩相電流過零后的區(qū)間為無電弧區(qū)間。首開相只在第一個(gè)區(qū)間內(nèi)可能有電弧，其余二個(gè)區(qū)間肯定不會(huì)有電弧。其余兩相在前兩個(gè)區(qū)間內(nèi)有電弧，而在第三個(gè)區(qū)間內(nèi)肯定沒有電弧。這樣我們只設(shè)置兩塊隔弧板將斷口分成三個(gè)區(qū)間就完全可以將有電弧區(qū)間和無電弧區(qū)間分隔開來了。
再看并聯(lián)二極管側(cè)斷口(2)、(5)、(8)承受電壓的情況開斷電容器時(shí)，電流過零的同時(shí)，該斷口電壓為零，一開始上升慢然后變快;開斷電阻時(shí)，電流過零的同時(shí)，該斷口承受電壓為零，然后快速上升，最后上升慢下來，開斷電阻時(shí)發(fā)生重燃時(shí)不會(huì)象開斷電容器時(shí)引起類似倍壓整流情形的過電壓，就等于延長(zhǎng)半個(gè)周期過零一樣;開斷電感時(shí)，電流過零的同時(shí)，因電感電壓可以突變，故斷口同時(shí)承受瞬態(tài)恢復(fù)電壓，所以條件最為苛刻。因此只要滿足開斷電感時(shí)該斷口承受電壓的要求時(shí)，就能滿足開斷電阻及電容時(shí)在該斷口承受電壓的要求。
這里必須指出高壓交流開關(guān)多步滅弧方法設(shè)置隔弧板的數(shù)量與首開相從觸頭分離開始到首開相分?jǐn)喑晒r(shí)間有關(guān)，如果這段時(shí)間不超過半個(gè)周期的時(shí)間，那么前面說的只需要二塊隔弧板分成三個(gè)區(qū)間。就成立，否則，就需要多設(shè)一塊隔弧板而分成四個(gè)區(qū)間，因?yàn)槠溆鄡上啾仁组_相有電流時(shí)間多四分之一周期，故從觸頭分離開始有電弧時(shí)間不能大于四分之三周期，否則觸頭運(yùn)行的三個(gè)區(qū)間都會(huì)有電弧。因此必須注意觸頭分離后有電弧的時(shí)間當(dāng)大于四分之三周期時(shí)，要設(shè)三塊隔弧板分成四個(gè)區(qū)間，那么首開相從觸頭分離后到分?jǐn)喑晒r(shí)間不大于半個(gè)周期的條件是什么呢？條件就是當(dāng)開斷電感時(shí)，動(dòng)觸頭從剛分開開始用六分之一周期的時(shí)間拉開距離可以承受住首開相的瞬態(tài)恢復(fù)電壓，否則，燃弧時(shí)間就可能大于四分之三個(gè)周期。這一點(diǎn)不難從電流波形圖中看出，這里就不加證明了，在無電弧情形下又是勻強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)拉開的距離可以滿足需要。這當(dāng)然與絕緣介質(zhì)和剛分速度有關(guān)系了，勻強(qiáng)電場(chǎng)單位距離的絕緣強(qiáng)度記為Ek(kv/cm)剛分速度記為W(cm/s)，瞬態(tài)恢復(fù)電壓峰值記為Vcm，則關(guān)系式為W·T/6·Ek≥Vcm…………(1)滿足公式(1)的條件時(shí)首開相(指并聯(lián)二極管的斷口)不會(huì)有電弧，有電流時(shí)間也不會(huì)大于二分之一周期;第二開斷相圖2中的A相(指并聯(lián)二極管斷口)最長(zhǎng)有電弧時(shí)間為六分之二周期，總的有電流時(shí)間最長(zhǎng)為四分之三周期。因此我們只要從動(dòng)觸頭分離后六分之一周期時(shí)刻所拉開的距離位置上設(shè)一塊隔弧板在六分之二周期時(shí)刻所拉開的距離位置上設(shè)第二塊隔弧板就可以滿足要求了。就可以將這側(cè)的斷口有電弧區(qū)域和沒電弧區(qū)域分隔開。
從上表歸納的最長(zhǎng)有電流時(shí)間和最長(zhǎng)燃弧時(shí)間可以知道并聯(lián)二極管一側(cè)的斷口設(shè)兩塊隔弧板分成三個(gè)區(qū)間就可以保證該側(cè)斷口總有一個(gè)區(qū)間無電弧，隔弧板分離的時(shí)間分別為1/6T 5/12T時(shí)刻，沒有并聯(lián)二極管側(cè)的斷口應(yīng)設(shè)三塊隔弧板分成四個(gè)區(qū)間其中一個(gè)區(qū)間是為了保險(xiǎn)起見而設(shè)置的。隔弧板分離的時(shí)間分別為從觸頭分離時(shí)刻算起每隔(1/4T)四分之一周期分離一塊隔弧板即可，從上面分析知道，當(dāng)開斷速度加快百分之二十五時(shí)，不會(huì)影響斷口間絕緣強(qiáng)度的變化情況，這就是說開斷速度允許有一定的誤差。
附圖的圖面說明如下圖1是交流開關(guān)兩步滅弧方法電路原理圖。
圖2是兩步滅弧方法的三相交流開關(guān)分?jǐn)噙^程電流，電壓波形圖。
圖3是高壓交流開關(guān)多步滅弧方法隔弧板結(jié)構(gòu)原理圖。(只畫出一相)圖4是二極管監(jiān)測(cè)原理圖本發(fā)明下面將結(jié)合(附圖)實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)敘述。
圖3是高壓交流電開關(guān)多步滅弧方法隔弧板的結(jié)構(gòu)原理圖(只畫出一相)。圖中(1)為電源側(cè)靜觸頭，(2)為負(fù)荷側(cè)靜觸頭，(3)(4)(5)(6)(7)(8)(18)為隔弧板，(10)為短路板，(9)為控制器，(21)為二級(jí)管觸頭，(20)為二級(jí)管，(11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)(19)(22)為絕緣支撐板。分閘時(shí)，控制器(9)開始上升，首先絕緣支撐板(22)脫離二極管觸頭(21)，使二極管觸頭(21)壓緊到隔弧板(18)上，將二極管(20)并聯(lián)到斷口上;控制器9繼續(xù)上升，短路板(10)被絕緣支撐板(11)支開，與靜觸頭(1)和(2)分離，這時(shí)無電弧產(chǎn)生，因?yàn)榇藭r(shí)隔弧板仍壓緊在一起開關(guān)還處于合閘狀態(tài);控制器(9)繼續(xù)上升，絕緣支撐板(12)將隔弧板(7)與電源側(cè)靜觸頭(1)支開，支開的速度要滿足T/6·W·EK≥Vcm的要求，W是隔弧板分離速度，而不是控制器上升的速度，隔弧板(7)與電源側(cè)靜觸頭(1)剛分時(shí)刻為觸頭分離開始時(shí)刻，后面說的時(shí)間都是從此時(shí)算起的。如果是首開相，這時(shí)二極管正向?qū)ǘ鴶嗫谏蠠o電弧，如果不是首開相可能有電弧，經(jīng)四分之一周期后，絕緣支撐板(13)將隔弧板(7)和(8)支開，如果是首開相無電弧，如果是第二開斷相的話，會(huì)出現(xiàn)三種情形，當(dāng)觸頭剛分時(shí)刻只有一相二極管處于正向?qū)〞r(shí)，這樣第二開斷相經(jīng)四分之一周期后二極管已經(jīng)處于正向?qū)?，因此該區(qū)間無電弧;另一種情形是剛分時(shí)刻有兩相二極管處于正向?qū)〞r(shí)，如果這兩相成為首開相和第二開斷相時(shí)該區(qū)間也無電弧;第三種情形是剛分時(shí)刻有兩相二極管正向?qū)?，首先過零的一相因隔弧板分開的距離小沒有分?jǐn)喑晒?只有開斷電感時(shí)才會(huì)出現(xiàn)這種情況)而另一相成為首開相時(shí)，該區(qū)間有電弧。同時(shí)經(jīng)四分之一周期后，絕緣支撐板(14)將隔弧板(3)與負(fù)荷側(cè)靜觸頭(2)支開。經(jīng)二分之一周期時(shí)絕緣支撐板(19)將隔弧板(8)和(18)支開，如果是第二開關(guān)斷相，由于二極管正向?qū)隙ㄔ搮^(qū)間無電弧，同樣經(jīng)二分之一周期后，絕緣支撐板(15)將隔弧板(3)和(4)支開經(jīng)四分之三周期后，絕緣支撐板(16)將隔弧板(4)和(5)支開。經(jīng)一個(gè)周期后絕緣支撐板(17)將隔弧板(5)和(6)支開。到此完成分?jǐn)嗳^程。合閘時(shí)完全是上面所說的逆過程，合閘完成后，絕緣支撐板(22)將二極管觸頭(21)支開，這樣不影響合閘狀態(tài)又給監(jiān)測(cè)二極管提供了條件。所以分閘前要將二極管觸頭(21)壓緊在隔弧板(18)上。隔弧板(7)與電源靜觸頭(1)支開的最大距離為L(zhǎng)1，隔弧板(8)和(18)支開的最大距離記為L(zhǎng)2，其他隔弧板支開的最大距離應(yīng)相等并記為L(zhǎng)。則應(yīng)分別滿足下面三個(gè)公式L1·Ek＞Vcm………(2)L2·Ek>31.5Vcm........(3)]]>L.Ek2Vr........(4)]]>Vcm為首開相瞬時(shí)恢復(fù)電壓峰值，
為相電壓峰值。
從上面所述分閘過程知道，隔弧板每經(jīng)四分之一周期分離一塊，是受控制器上的絕緣支撐板的高低不同來實(shí)現(xiàn)的，因此控制器上升的速度決定隔弧板分離時(shí)間的準(zhǔn)確程度。下面討論控制器上升速度偏離多大時(shí)開關(guān)仍能可靠工作。
先看并聯(lián)二極管一側(cè)的情形，這側(cè)斷口首開相無電弧因此控制器運(yùn)動(dòng)速度不會(huì)影響首開相分?jǐn)嘈阅?，只要滿足T/6·W·EK＞Vcm即可保證首開相無電弧。第二開斷相時(shí)最長(zhǎng)燃弧時(shí)間為(1/3T)三分之一周期。當(dāng)燃弧時(shí)間小于四分之一周期時(shí)隔弧板(7)(8)分離時(shí)已經(jīng)無電弧了，該區(qū)間成為無電弧區(qū)間;該斷口承受電壓的最短時(shí)間為十二分之五周期，因此有六分之一周期時(shí)間作為隔弧板(7)、(8)分離時(shí)間是足夠用了;當(dāng)燃弧時(shí)間大于四分之一周期的時(shí)間，這時(shí)該斷口承受電壓的最短時(shí)間為(T/4+T/6+T/4)三分之二周期時(shí)間，仍有六分之一周期時(shí)間作為隔弧板(8)、(18)分離時(shí)間也是足夠的了。當(dāng)控制器上升速度大于正常速度50%時(shí)，隔弧板(8)、(18)分離時(shí)間提前到三分之一周期時(shí)刻，這時(shí)仍能保證該區(qū)間無電弧，控制器上升速度再大就不允許了，那樣就無法保證該區(qū)間無電弧了。
現(xiàn)在討論沒有并聯(lián)二極管側(cè)斷口的情形，這側(cè)比較簡(jiǎn)單，最長(zhǎng)燃弧時(shí)間為四分之三周期，當(dāng)控制器上升速度正常時(shí)隔弧板(5)(6)經(jīng)一個(gè)周期后分離，因此控制器速度可以在大于30%時(shí)仍能保證該區(qū)間無電弧，如果還怕不保險(xiǎn)，可以再增加一塊隔弧板，但是，若隔弧板分離速度可以滿足T/12·W·EK＞Ucm的要求時(shí)，這時(shí)最長(zhǎng)燃弧時(shí)間為三分之二周期(50H)即為13.3毫秒。這時(shí)控制器上升速度比正常速度大50%時(shí)仍可保證隔弧板(5)(6)分離的區(qū)間為無電弧區(qū)間，這樣的速度變化范圍是有保障的。
為了進(jìn)一步降低控制器的上升速度，還可以將隔弧板(7)與電源靜觸頭(1)之間增加一塊隔弧板，該隔弧板與隔弧板(7)同時(shí)分離，則隔弧板之間分離速度增加一倍，同樣將隔弧板(8)與(18)之間也增加一塊隔弧板，這樣該區(qū)間同時(shí)分離，其分離速度也增加一倍。
沒有并聯(lián)二極管的斷口要比并聯(lián)二極管斷口推遲四分之一周期時(shí)間才分離，這樣有兩個(gè)好處，該三個(gè)斷口都相應(yīng)減少四分之一周期的燃弧時(shí)間，另外節(jié)省一塊隔弧板，因此無論哪個(gè)斷口真正有電弧的時(shí)間最長(zhǎng)不會(huì)超過十二分之七周期的時(shí)間，50H時(shí)為11.66毫秒。
當(dāng)隔弧板分離速度不滿足T/6·W·EK＞Ucm要求時(shí)，而能滿足T/4·W·E＞Ucm要求時(shí)，從圖2中可以算出，這時(shí)最長(zhǎng)燃弧時(shí)間為(3/4T+1/12T)十二分之十周期，因此多設(shè)一塊隔弧板再延長(zhǎng)四分之一周期分離最后一塊隔弧板時(shí)，仍可以滿足開關(guān)分?jǐn)噙^程中斷口間最少出現(xiàn)一個(gè)無電弧區(qū)間，岡樣可以滿足開關(guān)分?jǐn)噙^程對(duì)斷口間絕緣強(qiáng)度的要求，這樣可以降低開關(guān)分?jǐn)嗨俣?，減輕操作機(jī)構(gòu)的負(fù)擔(dān)。
只要隔弧板足夠大，氣泡向上運(yùn)動(dòng)不會(huì)繞過隔弧板而進(jìn)入無電弧板區(qū)間。隔弧板為導(dǎo)體而且相向壓緊，相互之間分離后形成勻強(qiáng)電場(chǎng)，隔弧板下側(cè)固定有絕緣片，絕緣支撐板支撐到絕緣片上使隔弧板分離。
圖4是半導(dǎo)體二極管監(jiān)測(cè)原理圖，用氖燈串聯(lián)電阻后與二極管并聯(lián)，然后經(jīng)限流電阻按星形接線，無論是合閘狀態(tài)還是分閘狀態(tài)都可以進(jìn)行監(jiān)測(cè)，二極管斷線氖燈亮度提高一倍，二極管短路則氖燈熄滅。
本發(fā)明可以演化出多種型式的開關(guān)，比如沒有并聯(lián)二極管側(cè)的斷口比并聯(lián)二極管側(cè)的斷口推遲十二分之七周期后分離時(shí)，該側(cè)斷口不會(huì)有電弧相當(dāng)于隔離開關(guān)的斷口，并有二極管側(cè)的斷口首開相也沒有電弧，這可以成為開斷電容器的專用開關(guān)。
從上面分析知道，由于高壓交流開關(guān)多步滅弧方法的發(fā)明，開關(guān)的開斷過程完全可以用已知的知識(shí)推理出來;哪個(gè)電流過零點(diǎn)能成為分?jǐn)喑晒c(diǎn)，觸頭分離后，斷口有電流時(shí)間;有電弧時(shí)間，開始承受電壓的時(shí)間以及承受峰值電壓的時(shí)間，斷口的絕緣強(qiáng)度上升的速度都變得清清楚楚。因此完全可以用定量計(jì)算的方法設(shè)計(jì)任何電壓等級(jí)的高壓交流斷路器并予先知道其開斷性能，由此終于揭開為人們困擾的交流開并分閘相角的分散性及滅弧介質(zhì)絕緣強(qiáng)度恢復(fù)過程的迷霧，再也不必要做多次開斷試驗(yàn)來證明開關(guān)的開斷性能了。本發(fā)明的最大優(yōu)點(diǎn)是具有理想交流斷路器的性質(zhì)，當(dāng)斷路器分?jǐn)噙^程中，電流過零前斷口間阻抗為零，這對(duì)開斷電感負(fù)荷時(shí)電流當(dāng)然是自然過零決不會(huì)出現(xiàn)截流現(xiàn)象引起的操作過電壓;當(dāng)電流過零后斷口間阻抗突增為無限大，這是因?yàn)槎O管反向電阻可以視為無限大，這對(duì)開斷電容器或空載長(zhǎng)線時(shí)不會(huì)出現(xiàn)復(fù)燃和重?fù)舸?，所以也不?huì)出現(xiàn)像倍壓整流時(shí)的情況似的給電容充以幾倍的過電壓，當(dāng)然也不會(huì)出現(xiàn)操作過電壓了。這一性能可能對(duì)輸變電工程及用電設(shè)備產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。本發(fā)明將擴(kuò)大開關(guān)開斷容量的范圍。采用高壓交流開關(guān)多步滅弧方法設(shè)計(jì)的高壓交流斷路器，其斷口的最大開距要比真空開關(guān)的斷口最大開距還要小，比如22萬伏高壓斷路器，只需要兩個(gè)斷口，而每個(gè)斷口的最大開距小于12厘米即可。每個(gè)斷口中有幾個(gè)隔弧板，而隔弧板分離的最大距離2-3厘米時(shí)就能滿足要求。設(shè)計(jì)開關(guān)時(shí)隔弧板之間耐電壓按長(zhǎng)時(shí)間耐受工頻交流電壓計(jì)算，實(shí)際開斷過程中承受的相當(dāng)于閃絡(luò)電壓，瞬時(shí)恢復(fù)電壓頻率高，電壓作用時(shí)間短，因此該斷口承受電壓的能力是非常保險(xiǎn)的。再比如設(shè)計(jì)10KV交流斷路器時(shí)，同樣是兩個(gè)斷口，每個(gè)斷口的最大開距不會(huì)超過1.2厘米，而且燃弧時(shí)間短，電弧的距離近，這將使在油中開斷時(shí)的產(chǎn)氣量幾十倍的下降，使開關(guān)容器壓力大幅度下降。開關(guān)體積和重量可以縮小到原來的幾分之一，操作機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒有滅弧裝置，不需要維修的周期變長(zhǎng)，這給設(shè)計(jì)制造全封閉組合電器提供了條件。
權(quán)利要求
1.一種高壓交流開關(guān)多步滅弧方法，其特征在于利用交流開關(guān)兩步滅弧方法所提供的在開關(guān)分?jǐn)噙^程中電流過零前、后有一段無電流的時(shí)間，在該時(shí)間內(nèi)斷口間出現(xiàn)一段無電弧區(qū)間，設(shè)置隔弧板將無電弧區(qū)間與有電弧區(qū)間完全隔離開，隔弧板之間為勻強(qiáng)電場(chǎng)，無電弧區(qū)間的絕緣強(qiáng)度不需要恢復(fù)過程，并且成為已知數(shù)，可以根據(jù)不同的電壓等級(jí)的開關(guān)對(duì)絕緣強(qiáng)度的要求設(shè)計(jì)隔弧板的數(shù)量分離速度和距離，每個(gè)斷口只要有一個(gè)無電弧區(qū)間就能滿足開關(guān)分?jǐn)噙^程中對(duì)斷口間的絕緣強(qiáng)度的要求。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隔弧板分離速度滿足如下要求時(shí)，即隔弧板間分離達(dá)六分之一周期時(shí)的絕緣強(qiáng)度大于瞬時(shí)恢復(fù)電壓峰值(T/4.W.Ek＞Ucm).最長(zhǎng)燃弧時(shí)間為四分之三周期，這樣隔弧板每經(jīng)四分之一周期后分離一個(gè)區(qū)間，采用四步分離隔弧板時(shí)就能保證斷口間最少有一個(gè)無電弧區(qū)間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隔弧板分離速度滿足如下要求時(shí)，當(dāng)隔弧板間分離達(dá)四分之一周期時(shí)的絕緣強(qiáng)度大于瞬時(shí)恢復(fù)電壓峰值(T/4.W.Ek＞Ucm)最長(zhǎng)弧燃時(shí)間為十二分之十周期，隔弧板每經(jīng)四分之一周期分離一個(gè)區(qū)間時(shí)，采用五步分離隔弧板時(shí)就能保證每個(gè)斷口間最少有一個(gè)無電弧區(qū)間，這樣可以適當(dāng)降低隔弧板分離的速度。采用五步以上分離隔弧板時(shí)當(dāng)然也可以保證每個(gè)斷口間最少有一個(gè)無電弧區(qū)間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的隔弧板分離時(shí)間可以推導(dǎo)出當(dāng)沒有并聯(lián)二級(jí)管一側(cè)的斷口比關(guān)聯(lián)二級(jí)管一側(cè)的斷口推遲十二分之七周期后分離時(shí)，該側(cè)斷口無電弧，這可以做為開斷電容器的專用開關(guān)。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種高壓交流開關(guān)多步滅弧的方法，根據(jù)交流開關(guān)兩步滅弧方法所提供的在開關(guān)分?jǐn)噙^程中電流過零前，后出現(xiàn)一段無電流時(shí)間，在該時(shí)間內(nèi)斷口中間出現(xiàn)一段無電弧區(qū)間，該區(qū)間為勻強(qiáng)電場(chǎng)，又與有電弧區(qū)間完全相隔離，該區(qū)間不需要絕緣強(qiáng)度的恢復(fù)過程，其絕緣強(qiáng)度成為已知數(shù)了，而且完全能夠滿足對(duì)斷口間的絕緣強(qiáng)度的要求，同時(shí)可以大幅度降低斷口間的最大開距。當(dāng)電流過零前斷口間阻抗為零，電流過零后斷口間阻抗突增為無限大，這樣的開關(guān)分?jǐn)嚯姼谢螂娙輹r(shí)不會(huì)出現(xiàn)操作過電壓。
文檔編號(hào)H01H9/30GK1055621SQ9010210
公開日1991年10月23日 申請(qǐng)日期1990年4月13日 優(yōu)先權(quán)日1990年4月13日
發(fā)明者王有元 申請(qǐng)人:王有元