一種耦合變壓器型直流斷路器用空芯脈沖變壓器及其參數(shù)獲取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高壓電器和脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種耦合變壓器型直 流斷路器用空芯脈沖變壓器及其參數(shù)獲取方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 直流斷路器作為直流輸電系統(tǒng)中的主要設(shè)備之一，對(duì)于建設(shè)大規(guī)模直流電網(wǎng)起著 至關(guān)重要的作用。與無(wú)源自激振蕩型和有源預(yù)充電型直流斷路器相比較，耦合變壓器型直 流斷路器既能保證快速形成過(guò)零點(diǎn)完成故障電流快速開(kāi)斷，也避免了使用難以同時(shí)滿(mǎn)足不 誤動(dòng)和不拒動(dòng)的高壓閉合開(kāi)關(guān)。
[0003] 在耦合變壓器型直流斷路器中，脈沖變壓器主要用于提供與故障電流方向相反， 幅值為幾十千安的高頻脈沖電流。與磁心式脈沖變壓器相比較，空芯變壓器由于直接依靠 原副方繞組間的緊密耦合來(lái)傳遞能量，不存在磁心飽和的問(wèn)題，避免了磁滯效應(yīng)和渦流損 耗，適用于大功率應(yīng)用場(chǎng)合。但與常用的空芯脈沖變壓器相比較，由于直流斷路器正常掛網(wǎng) 運(yùn)行時(shí)，脈沖變壓器副方繞組的高低壓端電位均為母線電壓，因此耦合變壓器型直流斷路 器用空芯脈沖變壓器不僅需要耐受較高的匝間絕緣，還需耐受較大的原副方繞組間絕緣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種耦合變壓器型直流斷路器用空 芯脈沖變壓器及其參數(shù)獲取方法，旨在解決耦合變壓器型直流斷路器用空芯脈沖變壓器需 耐受直流母線電壓等級(jí)的原副方繞組間主絕緣，以及此型脈沖變壓器具體參數(shù)獲取方法的 問(wèn)題。
[0005] 本發(fā)明提供了一種耦合變壓器型直流斷路器用空芯脈沖變壓器，包括原方繞組、 副方繞組、原方繞組高壓端、原方繞組低壓端、副方繞組高壓端、副方繞組低壓端、副方繞組 匝間絕緣膜、原方繞組匝間絕緣膜、主絕緣膜和絕緣支撐架;所述副方繞組沿所述絕緣支撐 架徑向繞制，所述副方繞組具有徑向電壓梯度，且所述副方繞組的匝間絕緣由所述副方繞 組匝間絕緣膜實(shí)現(xiàn);所述副方繞組低壓端和所述原方繞組低壓端之間采用所述主絕緣膜絕 緣;所述原方繞組繞制在所述主絕緣膜外，且所述原方繞組的匝間絕緣由所述原方繞組匝 間絕緣膜實(shí)現(xiàn)。
[0006] 其中，耦合變壓器型直流斷路器正常掛網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，副方繞組高壓端和副方繞組低 壓端的電位均為母線電壓。
[0007] 其中，空芯脈沖變壓器的參數(shù)包括原、副方繞組匝數(shù)，原、副方繞組電感，原、副方 電容，支撐架外徑，銅帶寬度，銅帶厚度。
[0008] 本發(fā)明還提供了一種基于上述的耦合變壓器型直流斷路器用空芯脈沖變壓器的 參數(shù)獲取方法，所述空芯脈沖變壓器的參數(shù)包括原、副方繞組匝數(shù)，原、副方繞組電感，原、 副方電容，支撐架外徑，銅帶寬度，銅帶厚度，包括下述步驟：
[0009] (1)根據(jù)最大開(kāi)斷電流Imax確定脈沖變壓器副方電流i2的第一幅值i 2max，并獲得脈 沖變壓器副方電流i2的第一上升沿時(shí)間
[0011] 其中Un為直流母線電壓，In為額定電流，為最大故障電流下降率，TP為真空斷口
拉開(kāi)至最大開(kāi)距的時(shí)間;L〇為平波電抗器的電感值，
[0012] ⑵通過(guò)公式
獲得的值，進(jìn)而由
謫定 一組脈沖變壓器副方電感L2和副方電容C2的值;通過(guò)公式
獲得原方電感U的值，再由
_確定原方電容&的值；
[0013] 其中
，UQ為原方電容充 電電壓，k為耦合系數(shù)，k大于等于0.8，x為調(diào)諧度；
[0014] (3)獲得原、副方電流i#Pi2的頻率f jPf 2，并根據(jù)原、副方電流的頻率獲得原、副 方繞組銅帶的厚度
[0015] 其中，0 = 1.72父1〇-8〇/111，為銅電阻率$。= 431\1〇-711/111，為真空磁導(dǎo)率；
[0016] (4)根據(jù)副方繞組需耐受1.5~2倍母線電壓，選定副方繞組匝間絕緣材料的耐壓 值為UN2,厚度為d2,并獲得副方繞組匝數(shù)
進(jìn)而選定原方繞組匝間絕緣 材料:耐壓值為UN1(UN1 < UN2)，厚度為cU;原副方繞組間需耐受1.5倍左右的母線電壓，選定 主絕緣材料:耐壓值為UN，厚度為d;
[0017] (5)由公式III~公式VIII獲得原方繞組匝數(shù)他，支撐架外徑r和繞組寬度1;并獲 得變壓器原方雜散電阻
和副方雜散電 阻
[0018] 其中，公式in為
，公式ivS-
公式v為
[0019] (6)根據(jù)公式
獲得電 流12的第二幅值12以及第二上升沿時(shí)間Vnse，并通過(guò)調(diào)整U〇的值和C2的值使得所述第一幅 值等于所述第二幅值，且所述第一上升沿時(shí)間等于所述第二上升沿時(shí)間；
[0020] 其中，
'Lki和Lk2為原副方雜散電 感，取微亨即可。
[0021] 更進(jìn)一步地，步驟(6)中，調(diào)整Uo的值和C2的值具體為：
[0022] 當(dāng)12大于i2降低Uo的值，當(dāng)12小于i 2增大Uo的值；
[0023] 當(dāng)t'rise大于trise降低C2的值，當(dāng)t'rise小于trise增大C2的值。
[0024] 更進(jìn)一步地，采用公式X~公式XIV將直流斷路器的母線電壓Un、額定電流I n、電流 下降車(chē)
、最大開(kāi)斷電流Imax和真空斷口拉開(kāi)至最大開(kāi)距的時(shí)間^轉(zhuǎn)化為對(duì)耦合變壓器副 方電流的第一幅值i2max> Imax以及第一上升沿時(shí)間t rise;其中，公式X為
，公式XI 為
公式XIV為
[0025] 本發(fā)明中充分考慮了脈沖變壓器原副方繞組間主絕緣的影響，
:，其中，h為原方繞組銅帶的長(zhǎng)度。
[0026] 通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于在脈沖變壓器副方繞 組低壓端與原方繞組低壓端之間采用了主絕緣膜絕緣，脈沖變壓器能夠取得可耐受直流母 線電壓等級(jí)的原副方繞組間主絕緣的有益效果；與此同時(shí)，由于本發(fā)明提出的脈沖變壓器 參數(shù)獲取方法充分考慮了直流斷路器的具體工況以及變壓器原副方繞組間的主絕緣問(wèn)題， 能夠取得針對(duì)不同電壓等級(jí)的耦合變壓器型直流斷路器，有科學(xué)依據(jù)地設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的空芯 脈沖變壓器，也可以用于計(jì)算檢驗(yàn)?zāi)晨招久}沖變壓器是否適用于某個(gè)特定的耦合變壓器型 直流斷路器的有益效果。
【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1是本發(fā)明所涉及耦合變壓器型直流斷路器用空芯脈沖變壓器設(shè)計(jì)流程圖。 [0028]圖2是本發(fā)明所涉及耦合變壓器型直流斷路器用空芯脈沖變壓器原理電路圖。
[0029] 圖3是本發(fā)明所涉及耦合變壓器型直流斷路器用空芯脈沖變壓器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030] 圖4是本發(fā)明所涉及耦合變壓器型直流斷路器原理電路圖。
[0031] 在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來(lái)表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：1為原方繞組； 2為副方繞組;3為原方繞組高壓端;4為原方繞組低壓端;5為副方繞組高壓端;6為副方繞組 低壓端；7為副方繞組匝間絕緣膜;8為原方繞組匝間絕緣膜;9為主絕緣膜；10為絕緣支撐 架為原方電容;C 2為副方電容山為原方電感;L2為副方電感;Rki為原方雜散電阻;Rk2為副 方雜散電阻;L kl為原方雜散電感;Lk2為副方雜散電感;M為變壓器互感;S為閉合開(kāi)關(guān)。
【具體實(shí)施方式】
[0032]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0033] 本發(fā)明的目的是針對(duì)耦合變壓器型高壓直流斷路器，提出了一種適用于此型直流 斷路器的空芯脈沖變壓器設(shè)計(jì)方法，該方法可以根據(jù)特定的工程技術(shù)要求(包括母線電壓、 額定電流、電流下降率、最大開(kāi)斷電流、真空斷口拉開(kāi)至最大開(kāi)距的時(shí)間等），設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足要 求的脈沖變壓器重要參數(shù)(包括原副方繞組匝數(shù)、原副方繞組電感、原副方電容、支撐架外 徑、銅帶寬度與厚度等）。
[0034] 本發(fā)明提供的耦合變壓器型直流斷路器用空芯脈沖變壓器的設(shè)計(jì)方法，包括下述 步驟：
[0035] 第一步由最大開(kāi)斷電流Imax確定脈沖變壓器副方電流i2的幅值i 2max，由公式（1)選 定平波電抗器的值，由公式⑵~公式(5 )確定i2的上升沿時(shí)間trise ;其中，

U Un為直流母線電壓，In為額定電 流
為最大故障電流下降率，^為真空斷口拉開(kāi)至最大開(kāi)距的時(shí)間，L〇為平波電抗器電感 值，i (t = TP)STP時(shí)刻故障電流i的值，To為故障電流i從Tdt刻到形成第一個(gè)過(guò)零點(diǎn)的時(shí) 間：
為i2的上升率，TriseSi 2的最小上升沿時(shí)間；
[0036] 第二步初步設(shè)定原方電容充電電壓為Uo，耦合系數(shù)為k(大于等于0.8 )，調(diào)諧度為 X，利用公式(6)和公式(7)確定脈沖變壓器原方電感U、副方電感L2、原方電容&和副方電容 C2。其中，
[0037](6.)，
[0038]第三步由公式(8)和第一步中副方電流i2的上升沿時(shí)間trise，分別求出原副方電流 il和i2的頻率fl和f2,從而確定原副方繞組銅帶的厚度〇1和〇2