CN102074394A - 灭弧开关及其切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种灭弧开关,包括机械开关和并联在所述机械开关的第一触点支路上的第一电气支路，所述第一电气支路包括第一可控单向导通子支路和第二可控单向导通子支路，所述第一可控单向导通子支路和第二可控单向导通子支路分别由两个晶闸管控制以对应在交流正、负半周导通，并共享有与两个晶闸管串接的第一电容。还公开了一种使用该灭弧开关的切换方法。本发明降低了灭弧开关对晶闸管的大功率要求和产品的成本，且避免了晶闸管发生短路故障时导致机械开关短路。

Description

灭弧开关及其切换方法

技术领域

本发明涉及电力电子开关设备，特别是一种灭弧开关及其切换方法。

背景技术

自动转换开关（ATS）是一种将一个或几个负载电路从一个电源转换至另一个电源的电器，广泛应用于各种场合。由于自动转换开关的主要切换部件为机械开关，所以切换速度慢（20ms左右），容易引起电弧，而电弧会产生高温，灼烧并蒸发机械开关的金属触点，并因此大幅缩短开关的使用寿命。

静态转换开关（STS）也是一种将一个或几个负载电路从一个电源转换至另一个电源的电器，应用于各种对切换速度要求严格的场合。由于静态转换开关的主要切换部件为晶闸管，虽然其切换速度（小于3ms）比ATS快，但因为晶闸管为半导体而非导体的性质，所以比导体性质的机械开关的导通压降大得多，增加了导通损耗。而且，大功率晶闸管造价高昂，也大幅增加了产品成本。一台STS甚至比同容量的不间断电源（Uninterruptable Power Supply, UPS）还要昂贵。

长久以来，人们迫切地要求开关拥有极低的导通损耗、极快的切换速度、极长的使用寿命、故障时对于负载极好的保护以及低廉的价格。

单纯用晶闸管并联机械开关可以部分满足上述要求，但是只适用于小功率场合。例如，当使用场合的电流为1kA或更高的时候，对于晶闸管的高功率要求使得产品造价非常的高昂。同时，当晶闸管发生短路故障时，电源会通过晶闸管支路直接向负载供电，将机械开关短路，从而对负载构成威胁。早在1984年就有人在美国申请了上述单纯使用晶闸管并联机械开关的专利，可20多年后的今天仍未见任何类似产品应用，其不足与缺陷可见一斑。                                                                                                                                                       发明内容

本发明的主要目的就是针对现有技术的不足，提供一种灭弧开关和切换方法，降低了对晶闸管的大功率要求和产品的成本，并当晶闸管发生短路故障时不会导致机械开关短路。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种灭弧开关, 包括机械开关和并联在所述机械开关的第一触点支路上的第一电气支路，所述第一电气支路包括第一可控单向导通子支路和第二可控单向导通子支路，所述第一可控单向导通子支路和第二可控单向导通子支路分别由两个晶闸管控制以对应在交流正、负半周导通，并共享有与两个晶闸管串接的第一电容。

优选地，所述第一可控单向导通子支路包括第一晶闸管、第二二极管和所述第一电容，所述第二可控单向导通子支路包括第二晶闸管、第一二极管和所述第一电容，所述第一晶闸管的阴极与所述第一二极管的阳极相连并接至所述第一触点支路的一端，所述第二晶闸管的阴极与所述第二二极管的阳极相连并接至所述第一触点支路的另一端，所述第一二极管和所述第二二极管的阴极相连并接至所述第一电容的一端，所述第一晶闸管和所述第二晶闸管的阳极相连并接至所述第一电容的另一端。

优选地，所述第一可控单向导通子支路包括第一晶闸管、第二二极管和所述第一电容，所述第二可控单向导通子支路包括第二晶闸管、第一二极管和所述第一电容，所述第一晶闸管的阳极与所述第一二极管的阴极相连并接至所述第一触点支路的一端，所述第二晶闸管的阳极与所述第二二极管的阴极相连并接至所述第一触点支路的另一端，所述第一晶闸管和所述第二晶闸管的阴极相连并接至所述第一电容的一端，所述第一二极管和所述第二二极管的阳极相连并接至所述第一电容的另一端。

优选地，所述第一可控单向导通子支路包括第一晶闸管、第二二极管和所述第一电容，所述第二可控单向导通子支路包括第二晶闸管、第一二极管和所述第一电容，所述第一二极管的阳极和所述第二二极管的阴极相连并接至所述第一触点支路的一端，所述第一晶闸管的阳极和所述第二晶闸管的阴极相连并接至所述第一触点支路的另一端，所述第一二极管和所述第一晶闸管的阴极相连并接至所述第一电容的一端，所述第二二极管和所述第二晶闸管的阳极相连并接至所述第一电容的另一端。

优选地，还包括并联在所述第一电容上的放电电路。

优选地，还包括并联在所述机械开关的第二触点支路上的第二电气支路，所述第二电气支路包括第三可控单向导通子支路和第四可控单向导通子支路，所述第三可控单向导通子支路和第四可控单向导通子支路分别由另两个晶闸管控制以对应在交流正、负半周导通，并共享有与另两个晶闸管串接的第二电容。

优选地，还包括并联在所述第二电容上的放电电路。

一种使用所述灭弧开关的切换方法，其特征在于,包括以下步骤：

a. 系统控制器给出开关切换信号；

b. 根据电流方向相应触发第一可控单向导通子支路的晶闸管或第二可控单向导通子支路的晶闸管导通；

c. 使所述机械开关离开第一触点，电流经由所述第一电气支路向负载继续供电；

d. 检测到所述机械开关完全离开第一触点，并达到不会引发电弧的安全距离时，停止触发所述第一电气支路的晶闸管。

优选地，步骤d之后还包括对所述第一电容进行放电的步骤。

优选地，步骤d之后还包括以下步骤：

e. 检测到所述第一电气支路无电流通过后，根据电流方向相应触发第三可控单向导通子支路的晶闸管或第四可控单向导通子支路的晶闸管导通，使电流经由第二电气支路对负载供电；

f. 检测到所述机械开关到达第二触点后，停止触发所述第二电气支路的晶闸管。

本发明有益的技术效果是：

根据本发明, 在与机械开关第一触点支路并联的第一电气支路包括第一可控单向导通子支路和第二可控单向导通子支路，第一可控单向导通子支路和第二可控单向导通子支路分别由两个晶闸管控制以对应在交流正、负半周导通，并共享有与两个晶闸管串接的第一电容，一方面，由于晶闸管具有电流过零时自动断流以及切换时的高速特性，可以实现自身无触点无电弧静态关断，所以利用第一、二可控单向导通子支路的晶闸管先通电，可为电路主开关即机械开关减轻压力，消除机械开关在切换时出现的电弧，使得机械开关触点不会被电弧的高温所灼烧蒸发，从而大幅延长机械开关的寿命；同时，晶闸管相对机械开关的快速响应还缩短了机械开关的缓慢速度给负载带来的停电时间。另一方面，第一电容的存在可以降低晶闸管的功率，从而可以选择小功率的晶闸管，大幅降低了晶闸管成本；同时，第一电容还可以在晶闸管发生短路故障时代替晶闸管起到灭弧的作用，大幅降低负载电流，避免晶闸管故障使机械开关短路而对负载造成影响；此外，在第一电容发生故障开路后，机械开关将单独工作，也不会对负载造成影响。再一方面，通过晶闸管、二极管和电容的组合实现电流的双向流动，能够减少电容的体积从而降低装置的成本，例如，可实现两条可控单向导通子支路中电流的均从第一电容的同一端流入，电流相对电容来说不存在反向的情况，因此可以采用成本较低的有极性电容。

进一步地，设置类似于第一电气支路的第二电气支路与机械开关第二触点支路并联，可以实现机械开关由正常供电电源向紧急供电电源的无电弧切入，也可以从紧急供电电源向正常供电电源无电弧切入，从而全面实现机械开关的无电弧切换。

附图说明

图1为本发明灭弧开关一个实施例的电路图；

图2为灭弧开关中的第一电气支路的另一种拓扑图；

图3为灭弧开关中的第一电气支路的又一种拓扑图；

图4为具有放电电路的第一电气支路的电路图；

图5为本发明切换方法一个实施例的流程图。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

具体实施方式

在一个实施例中，灭弧开关包括机械开关S和并联在机械开关的第一触点支路P1上的第一电气支路，所述第一电气支路包括第一可控单向导通子支路和第二可控单向导通子支路，所述第一可控单向导通子支路和第二可控单向导通子支路分别由两个晶闸管控制以对应在交流正、负半周导通，并共享有与两个晶闸管串接的第一电容。

参阅图1至图3，第一电气支路包括第一晶闸管SCR1、第二晶闸管SCR2、第一电容C1、第一二极管D1和第二二极管D2，第一晶闸管SCR1、第二晶闸管SCR2、第一二极管D1和第二二极管D2连接成相互反向的两条可控单向导通子支路，第一电容C1同时位于两条可控单向导通子支路上，与相应单向导通子支路中的晶闸管和二极管相串联，即第一可控单向导通子支路包含：第一晶闸管SCR1、第二二极管D2及第一电容C1；第二可控单向导通子支路包含：第二晶闸管SCR2、第一二极管D1及第一电容C1。第一电气支路的两条子支路分别工作于交流正负半周。

在如图1所示的ATS应用中，机械开关的第一触点支路P1与正常供电电源A相耦合，机械开关的第二触点支路P2与紧急供电电源B相耦合，正常供电电源A、紧急供电电源B和负载R接公共接地端。机械开关可在第一触点和第二触点之间切换，以选择通过正常供电电源A或紧急供电电源B向负载R供电。

参阅图1，在更优选的实施例中，灭弧开关还包括并联在机械开关的第二触点支路P2上的第二电气支路。第二电气支路包括第三晶闸管SCR3、第四晶闸管SCR4、第二电容C2、第三二极管D3和第四二极管D4，第三晶闸管SCR3、第四晶闸管SCR4、第三二极管D3和第四二极管D4也连接成相互反向的两条可控单向导通子支路，第二电容C2同时位于两条可控单向导通子支路上，与相应单向导通子支路中的晶闸管和二极管相串联，即这两条子支路分别包含：第三晶闸管SCR3、第四二极管D4以及第二电容C2；第四晶闸管SCR4、第三二极管D3以及第二电容C2。

参阅图1，第一电气支路的一种电路拓扑如下：第一晶闸管SCR1的阴极与第一二极管D1的阳极相连并接至所述第一触点支路P1的一端，所述第二晶闸管SCR2的阴极与所述第二二极管D2的阳极相连并接至所述第一触点支路的另一端，所述第一二极管D1和所述第二二极管D2的阴极相连并接至所述第一电容C1的一端，所述第一晶闸管SCR1和所述第二晶闸管SCR2的阳极相连并接至所述第一电容C1的另一端。第二电气支路的一种电路拓扑如下：第三晶闸管SCR3的阴极与第三二极管D3的阳极相连并接至所述第二触点支路P2的一端，所述第四晶闸管SCR4的阴极与所述第四二极管D4的阳极相连并接至所述第二触点支路的另一端，所述第三二极管D3和所述第四二极管D4的阴极相连并接至所述第二电容C2的一端，所述第三晶闸管SCR3和所述第四晶闸管SCR3的阳极相连并接至所述第二电容C2的另一端。

在图1所示的实施例中，正常供电电源A和紧急供电电源B都采用交流电，通常情况下机械开关S的第一触点支路P1处于闭合状态，正常供电电源A通过机械开关S给负载R供电，与第一触点支路P1并联的第一电气支路中的第一、二晶闸管SCR1、SCR2处于截止状态。

当正常供电电源A发生故障，需要切换到紧急供电电源B时，系统会发出切换指令。通过判断正常供电电源A是正向还是负向，控制器（未图示）给出触发脉冲，使相应的单向导通子支路中的晶闸管导通后，机械开关S再开始动作，离开机械开关第一触点，向机械开关第二触点移动，这一阶段实现机械开关S的无电弧切断。

如图1所示，当正常供电电源A处于上正下负时（“上”和“下”是以图面为参考），触发第二晶闸管SCR2导通，使得电流依次通过第一二极管D1、第一电容C1和第二晶闸管SCR2向负载R供电。当正常供电电源A处于上负下正时，触发第一晶闸管SCR1导通，使得电流依次通过第二二极管D2、第一电容C1和第一晶闸管SCR1向负载R供电。

当晶闸管接收到触发指令而机械开关还没有离开第一触点时，由于机械开关的阻抗很低，而晶闸管、二极管以及电容的阻抗较大，电流全部从机械开关通过，电压降和导通损耗都几乎为零。机械开关在离开第一触点的过程中，其所产生的电弧的能量由电容吸收。在检测装置（未图示）检测到机械开关完全离开机械开关第一触点，并达到不会引发电弧的安全距离后，会停止发送触发信号给第一晶闸管SCR1或第二晶闸管SCR2，第一晶闸管SCR1或第二晶闸管SCR2在电流过零点时自动关断，从而实现了机械开关无电弧的静态关断。

当检测装置检测到第一晶闸管SCR1或第二晶闸管SCR2中没有电流流过时，会触发第三晶闸管SCR3或第四晶闸管SCR4导通，使紧急供电电源B通过第二电气支路对负载供电。优选地，在第一、二电气支路的触发信号间设置一定的死区时间，避免正常供电电源与紧急供电电源并联同时供电的情况发生。在机械开关到达第二触点后，电流才从阻抗较小的机械开关上流过。最后，停止对第三晶闸管SCR3或第四晶闸管SCR4发出触发信号，实现了紧急供电电源的无电弧切入。

触发第三晶闸管SCR3还是第四晶闸管SCR4也需要根据紧急供电电源B电压的正负来判断。如图1所示，当紧急供电电源B处于上正下负时，触发第四晶闸管SCR4导通，使得电流依次通过第三二极管D3、第二电容C2和第四晶闸管SCR4向负载R供电。当紧急供电电源B处于上负下正时，触发第三晶闸管SCR3导通，使得电流依次通过第四二极管D4，第二电容C2和第三晶闸管SCR3向负载R供电。

由于产生电弧的能量是被第一电容和第二电容吸收，因此第一电容和第二电容的容量应根据电弧所产生的能量来设计。电弧产生的条件有两个，一是两个接触点间的电压，只要电压U大于10伏到20伏，电流大于80毫安到100毫安，就会产生电弧；二是两个接触点间的距离d，如果两点间的电场强度E=U/d大于300伏/米就会产生电弧。所以用来吸收电弧能量的电容额定电压可以根据电弧产生条件大电压20伏来选择，电容的容量可以根据开关的额定电流并考虑标准要求的几倍短路电流的大小来计算，而电容的最长充电时间是电源周期的一半，因为在电流过零点时晶闸管会自动关断。

参阅图2，第一电气支路也可以采用另一种电路拓扑：所述第一晶闸管SCR1的阳极与所述第一二极管D1的阴极相连并接至所述第一触点支路的一端，所述第二晶闸管SCR2的阳极与所述第二二极管D2的阴极相连并接至所述第一触点支路的另一端，所述第一晶闸管SCR1和所述第二晶闸管SCR2的阴极相连并接至所述第一电容C1的一端，所述第一二极管D1和所述第二二极管D2的阳极相连并接至所述第一电容的另一端。

参阅图3，第一电气支路还可以采用另一种电路拓扑：所述第一二极管D1的阳极和所述第二二极管D2的阴极相连并接至所述第一触点支路的一端，所述第一晶闸管SCR1的阳极和所述第二晶闸管SCR2的阴极相连并接至所述第一触点支路的另一端，所述第一二极管D1和所述第一晶闸管SCR1的阴极相连并接至所述第一电容C1的一端，所述第二二极管D2和所述第二晶闸管SCR2的阳极相连并接至所述第一电容C1的另一端。

同样的，第二电气支路除了可以采用如图1所示的拓扑，也可以采用如图2和图3所示的类似于第一电气支路的拓扑。

如图4所示，在一个更优选的实施例中，在第一电容C1上并接有放电电路，该放电电路优选包括串联的放电电阻R1以及放电晶闸管SCR5。放电电路可对第一电容C1进行放电，消除第一电容C1所储的剩余电量，以避免在机械开关下次切换回来时电容中的剩余电量对电路产生冲击。同样，对于第二电气支路，也可对第二电容C2设置类似的放电电路，在来回切换的空隙时间，触发相应的放电晶闸管为第一、二电容C1、C2放电。

进一步地，还可以在各晶闸管上分别并联晶闸管缓冲电路（未图示），晶闸管缓冲电路例如由串联的电容和电阻组成，用于吸收产生的电脉冲。晶闸管缓冲电路可采用常见的RCD设计，以保护晶闸管免受脉冲电流电压的冲击，延长晶闸管的使用寿命。

本发明还提供一种使用前述的一种灭弧开关（参阅图1）的切换方法, 该方法一个实施例的流程如图4所示，包括以下具体步骤：

正常情况下，机械开关S应该处于第一触点处，第一电气支路也处于截止状态。这时由于机械开关的阻抗很低，而晶闸管、二极管以及电容的阻抗较大，电流全部从机械开关通过，电压降和导通损耗都几乎为零。

在步骤S0，当正常供电电源A故障，需要切换到紧急供电电源B时，系统会给出切换命令。接着，在步骤S1，根据电流方向触发第一晶闸管SCR1或第二晶闸管SCR2使其导通。然后，在步骤S2，机械开关开始动作，离开第一触点，向第二触点移动，此期间，电流通过第一电气支路向负载R继续供电。

由于第一电气支路中具有较大阻抗的第一电容C1，所以会大幅降低通过第一电气支路的电流，因此第一晶闸管SCR1和第二晶闸管SCR2可以选择采用小功率晶闸管。

在步骤S3，检测到机械开关完全离开第一触点，并达到不会引发电弧的安全距离后，停止对第一电气支路的触发信号，从而第一电气支路的电流将会在过零点的时候自动截止。

上述过程实现了正常供电电源A的无电弧关断。

优选地，在步骤S4，检测到第一电气支路没有电流通过后，根据电流方向触发第三晶闸管SCR3或第四晶闸管SCR4使其导通。在第一、二晶闸管支路相继导通之间可设置一段死区时间，以防止正常供电电源A与紧急供电电源B连在一起而发生短路。机械开关到达第二触点后，电流从阻抗更小的机械开关上流过；在步骤S5，检测到机械开关到达第二触点时，停止对第二电气支路的触发信号。该过程实现了紧急供电电源B的无电弧切入。

在晶闸管出现短路故障时，电容是有效的，因为电容的等效阻抗较大，所以机械开关也不会被短路。即使电容出现故障，也会因为电容故障后为开路而使整个电气支路开路，从而对负载没有影响。

在开关切换完之后，第一电气支路中的电容里会残留有剩余电量，为避免在下一次切换回此回路时剩余电量对此回路造成冲击，优选增加步骤S3.1,在切换中间的空隙时间触发放电电路中的放电双向晶闸管，开通放电回路为电容放电，以便下次使用。在切换回正常供电电源A，对第二电气支路也可以采用类似的处理。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种灭弧开关, 包括机械开关和并联在所述机械开关的第一触点支路上的第一电气支路，其特征在于, 所述第一电气支路包括第一可控单向导通子支路和第二可控单向导通子支路，所述第一可控单向导通子支路和第二可控单向导通子支路分别由两个晶闸管控制以对应在交流正、负半周导通，并共享有与两个晶闸管串接的第一电容。

2.根据权利要求1所述的灭弧开关，其特征在于,所述第一可控单向导通子支路包括第一晶闸管、第二二极管和所述第一电容，所述第二可控单向导通子支路包括第二晶闸管、第一二极管和所述第一电容，所述第一晶闸管的阴极与所述第一二极管的阳极相连并接至所述第一触点支路的一端，所述第二晶闸管的阴极与所述第二二极管的阳极相连并接至所述第一触点支路的另一端，所述第一二极管和所述第二二极管的阴极相连并接至所述第一电容的一端，所述第一晶闸管和所述第二晶闸管的阳极相连并接至所述第一电容的另一端。

3.根据权利要求1所述的灭弧开关，其特征在于, 所述第一可控单向导通子支路包括第一晶闸管、第二二极管和所述第一电容，所述第二可控单向导通子支路包括第二晶闸管、第一二极管和所述第一电容，所述第一晶闸管的阳极与所述第一二极管的阴极相连并接至所述第一触点支路的一端，所述第二晶闸管的阳极与所述第二二极管的阴极相连并接至所述第一触点支路的另一端，所述第一晶闸管和所述第二晶闸管的阴极相连并接至所述第一电容的一端，所述第一二极管和所述第二二极管的阳极相连并接至所述第一电容的另一端。

4.根据权利要求1所述的灭弧开关，其特征在于, 所述第一可控单向导通子支路包括第一晶闸管、第二二极管和所述第一电容，所述第二可控单向导通子支路包括第二晶闸管、第一二极管和所述第一电容，所述第一二极管的阳极和所述第二二极管的阴极相连并接至所述第一触点支路的一端，所述第一晶闸管的阳极和所述第二晶闸管的阴极相连并接至所述第一触点支路的另一端，所述第一二极管和所述第一晶闸管的阴极相连并接至所述第一电容的一端，所述第二二极管和所述第二晶闸管的阳极相连并接至所述第一电容的另一端。

5.如权利要求1所述的灭弧开关，其特征在于,还包括并联在所述第一电容上的放电电路。

6.如权利要求1至5中任一项所述的灭弧开关，其特征在于,还包括并联在所述机械开关的第二触点支路上的第二电气支路，所述第二电气支路包括第三可控单向导通子支路和第四可控单向导通子支路，所述第三可控单向导通子支路和第四可控单向导通子支路分别由另两个晶闸管控制以对应在交流正、负半周导通，并共享有与另两个晶闸管串接的第二电容。

7.如权利要求6所述的灭弧开关，其特征在于, 还包括并联在所述第二电容上的放电电路。

8.一种使用根据权利要求1所述的灭弧开关的切换方法，其特征在于,包括以下步骤：

a. 系统控制器给出开关切换信号；

b. 根据电流方向相应触发所述第一可控单向导通子支路的晶闸管或第二可控单向导通子支路的晶闸管导通；

c. 使所述机械开关离开第一触点，电流经由所述第一电气支路向负载继续供电；

d. 检测到所述机械开关完全离开第一触点，并达到不会引发电弧的安全距离时，停止触发所述第一电气支路的晶闸管。

9.如权利要求8所述的切换方法，其特征在于,步骤d之后还包括对所述第一电容进行放电的步骤。

10.如权利要求8或9所述的切换方法，其特征在于, 步骤d之后还包括以下步骤：

e. 检测到所述第一电气支路无电流通过后，根据电流方向相应触发第三可控单向导通子支路的晶闸管或第四可控单向导通子支路的晶闸管导通，使电流经由第二电气支路对负载供电；

f. 检测到所述机械开关到达第二触点后，停止触发所述第二电气支路的晶闸管。

Images