CN102592807A

CN102592807A - 一种开关特性饱和电抗器有载分接开关

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Publication number: CN102592807A
Application number: CN2012100287089A
Authority: CN
Inventors: 李晓明
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2012-02-09
Filing date: 2012-02-09
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-02-09
Also published as: CN102592807B

Abstract

本发明涉及一种开关特性饱和电抗器有载分接开关。本发明的有益效果是：切换速度快、切换过程电弧很小、可靠性高。它有两个开关特性饱和电抗器，交流线圈L1的一端为开关特性饱和电抗器有载分接开关的一个输入端，交流线圈L3的一端为开关特性饱和电抗器有载分接开关的另一个输入端；交流线圈L1与交流线圈L3的另一端分别与两个全桥整流电路的一个输入端连接，两个全桥整流电路的剩余端子连接，并作为输出端子；两个全桥整流电路的输出端分别连接两个开关特性饱和电抗器的直流线圈，并形成闭环；在两个全桥整流电路的输入端之间分别并联一个继电器常闭触点和一个继电器常开触点；继电器失电与通电，有载分接开关的输出分别取不同输入端子的功率，切换过程有载分接开关的输出不会中断。

Description

一种开关特性饱和电抗器有载分接开关

技术领域

本发明涉及电力系统送变电技术领域，特别涉及一种开关特性饱和电抗器有载分接开关。

背景技术

电力系统的运行方式随时发生变化，运行方式的变化会引起母线电压的变动。电力系统对母线电压的变动范围有严格的要求，因此，需要调节母线电压的技术。改变变压器分接头的方式进行电压调节最直接。但是，在电力系统输送负荷的过程中，不停电地改变变压器分接头，要求使用技术含量非常高的有载分接开关。

目前世界上主要使用电抗型有载分接开关和电阻型有载分接开关。发明专利号：USP3176089、USP5128605、USP7880341B2是电抗型有载分接开关，发明专利号：USP4081741、USP4520246是电阻型有载分接开关。这两种有载分接开关，在开关切换过程中，都存在切换速度不够快、切换过程会有较大电弧的缺点；使用一段时间以后，需要停电检修；且容易发生故障。为了解决有载分接开关切换过程的电弧问题，USP5594223、USP4301489、USP4201938提出各种措施；但是，结构复杂、操作不方便。为了解决有载分接开关切换速度慢问题，也提出采用大功率电力电子器件代替机械开关的措施；但是，大功率电力电子器件的运行可靠性差，没有得到实际应用。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种切换速度快、切换过程电弧很小、且可靠性高的开关特性饱和电抗器有载分接开关。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种开关特性饱和电抗器有载分接开关，它包括：具有两个开关特性的饱和电抗器，所述饱和电抗器有交流线圈作为交流电流通路，有直流线圈作为直流电流通路，所述交流线圈与直流线圈通过闭环铁芯相互作用；其中，交流线圈L1的一端为开关特性饱和电抗器有载分接开关的一个输入端子I，交流线圈L3的一端为开关特性饱和电抗器有载分接开关的另一个输入端子II；交流线圈L1与交流线圈L3的另一端分别与各自对应的全桥整流电路的一个输入端连接，两个全桥整流电路的剩余输入端连接，并作为有载分接开关的输出端子；两个全桥整流电路的输出端分别连接饱和电抗器的直流线圈L2、L4，并形成闭环；在两个全桥整流电路的输入端之间还分别并联一个继电器的常开触点K1-1和常闭触点K1-2，所述继电器则与控制电路连接。

所述两个直流线圈L2、L4两端还分别并联大功率稳压管和电容。

所述两交流线圈L1、L3结构相同，均为一个线圈，或多个线圈串/并联组成；交流线圈匝数应保证：在直流线圈的电流等于零的条件下，有载分接开关两输入端子I、II的电压施加在交流线圈两端时，交流线圈流过励磁电流。

所述两直流线圈结构相同，均为一个线圈，或多个线圈串和/或并联组成；每个直流线圈的匝数等于1-3倍相应交流线圈匝数。

所述全桥整流电路的输入端被短接时，全桥整流电路的输出为零，流入两直流线圈的电流为零，与各直流线圈同一铁芯的相应交流线圈的电抗值很大，该开关特性饱和电抗器呈现关断特性；

全桥整流电路的输入端之间没有被短接时，两交流线圈流出的交流电流全部流入全桥整流电路，经全桥整流电路整流后输出给直流线圈，饱和电抗器铁芯深度饱和，与各直流线圈同一铁芯的相应交流线圈的电抗值很小，该开关特性饱和电抗器呈现导通特性。

所述常开触点K1-1开断时，常闭触点K1-2闭合；常开触点K1-1闭合时，常闭触点K1-2开断；常开触点K1-1与常闭触点K1-2的通断状态相反；常开触点K1-1与常闭触点K1-2出现同时断开状态的暂态过程，小于40毫秒。

所述继电器失电时，受常开触点K1-1控制饱和电抗器呈现导通状态，该饱和电抗器的输入端子I与有载分接开关的输出端子接通；常闭触点K1-2控制的开关特性饱和电抗器呈现截止状态，该饱和电抗器的输入端子II与有载分接开关的输出端子断开；

继电器通电时，受常开触点K1-1控制的饱和电抗器呈现截止状态，该饱和电抗器的输入端子I与有载分接开关的输出端子断开；受常闭触点K1-2控制的饱和电抗器呈现导通状态，该饱和电抗器的输入端子II与有载分接开关的输出端子接通；

有载分接开关分接头的切换过程中，开关特性饱和电抗器的输出功率不会中断。

所述控制电路包括继电器K1，继电器K1一端与控制电路电源端子II连接，另一端则分别经过依次串联手动合闸开关K3、手动断开开关K2与控制电路电源端子I连接，手动断开开关K2还并联继电器K1的常开触点K1-3。

所述常开触点K1-1的另一种结构如下：它包括两反向并联的晶闸管D11、D12，一个电阻R1与一个电容C3并联后连接在晶闸管D11的控制端与负极之间，另一个电阻R2与另一个电容C4并联后连接在晶闸管D12的控制端与负极之间；晶闸管D11、D12的控制端与正极之间分别连接常开触点K1-1-1与K1-1-2。

所述常闭触点K1-2的另一种结构如下：它包括两反向并联的晶闸管D13、D14，一个电阻R3与一个电容C5并联后连接在晶闸管D13的控制端与负极之间，另一个电阻R4与另一个电容C6并联后连接在晶闸管D14的控制端与负极之间；晶闸管D13、D14的控制端与正极之间分别连接常开触点K1-2-1与K1-2-2。

本发明的有益效果是：继电器的触点闭合时，只流过很小的励磁电流。继电器的触点从闭合状态跳开时，只切断很小的励磁电流，产生的电弧很小；继电器的触点处于断开后，继电器触点两端的电压只有直流电流在直流线圈电阻上的电压降, 电压很小。由于继电器触点的工作电流和工作电压都很小，可以选用工作可靠性比较高的小型继电器的触点，减小投资。开关特性饱和电抗器有载分接开关从连接其中一个节点切换到另一个节点，只需对一个继电器执行通电或断电操作即可，操作十分简便。继电器的触点状态变化以后，开关特性饱和电抗器有载分接开关的切换自动完成，切换速度非常快。

附图说明

图1表示一种开关特性饱和电抗器有载分接开关的结构与连接方式。

图2表示一种继电器控制电路。

图3表示一种单相开关特性饱和电抗器的结构与连接方式。

图4为一种三相开关特性饱和电抗器的结构与连接方式。

图5为常开触点K1-1的另一种结构连接方式。

图6为常闭触点K1-2的另一种结构连接方式。

其中，1.输入端子I，2.输入端子II，3.输出端子，4. 控制电路电源端子I，5. 控制电路电源端子II， 6. 交流线圈端子I， 7. 交流线圈端子II，8. 直流线圈端子I，9. 直流线圈端子II，11. A相交流线圈端子I， 12. A相交流线圈端子II，13. A相直流线圈端子I，14. A相直流线圈端子II，15. B相交流线圈端子I， 16. B相交流线圈端子II，17. B相直流线圈端子I，18. B相直流线圈端子II，19. C相交流线圈端子I， 20. C相交流线圈端子II，21. C相直流线圈端子I，22. C相直流线圈端子II。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

一种开关特性饱和电抗器有载分接开关的结构与连接方式如图1所示。它包括：两个开关特性饱和电抗器，一个由交流线圈L1和直流线圈L2组成，交流线圈L1与直流线圈L2通过闭环铁芯相互作用；另一个由交流线圈L3和直流线圈L4组成，交流线圈L1与直流线圈L2通过闭环铁芯相互作用；交流线圈L1、L3作为交流电流通路，直流线圈L2、L4作为直流电流通路。当流入某一个直流线圈的电流为零时，与该直流线圈同一铁芯的相应的交流线圈电抗值很大，该交流线圈流过励磁电流；当流入某一个直流线圈的直流电流足够大时，该直流线圈所在的铁芯深度饱和，与该直流线圈同一铁芯的相应交流线圈的电抗值很小。控制某一个直流线圈中直流电流的通或断，即可使该开关特性饱和电抗器处于几乎导通状态或几乎关断状态。

交流线圈L1的一端为开关特性饱和电抗器有载分接开关的一个输入端I1，交流线圈L3的一端为开关特性饱和电抗器有载分接开关的另一个输入端II2；交流线圈L1与交流线圈L3的另一端分别与两个全桥整流电路的一个输入端连接，两个全桥整流电路的剩余输入端连接，并作为输出端子3；两个全桥整流电路的输出端子分别连接两个开关特性饱和电抗器的直流线圈L2、L4，并形成闭环；二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4组成一个全桥整流电路，二极管D5、二极管D6、二极管D7、二极管D8组成另一个全桥整流电路。在两个全桥整流电路的输入端之间分别并联一个继电器K1的常开触点K1-1和一个常闭触点K1-2；

继电器K1失电时，继电器K1的常开触点K1-1断开，全桥整流电路的输入端没有被短接，交流线圈L1流出的交流电流全部流入全桥整流电路，经全桥整流电路整流后输出给直流线圈L2，直流线圈L2流过直流电流，所在的铁芯深度饱和，与直流线圈L2同一铁芯的交流线圈L1的电抗值很小，有载分接开关的输入端子I1与输出端子3呈现导通特性。继电器K1失电时，继电器K1的常闭触点K1-2闭合，全桥整流电路的输入端被短接，全桥整流电路的输出为零，流入直流线圈L4的电流为零，与直流线圈L4同一铁芯的交流线圈L3的电抗值很大，交流线圈L3流过励磁电流，有载分接开关的输入端子II2与输出端子3呈现关断特性。

继电器K1通电时，继电器K1的常开触点K1-1闭合，全桥整流电路的输入端被短接，全桥整流电路的输出为零，流入直流线圈L2的电流为零，与直流线圈L2同一铁芯的交流线圈L1的电抗值很大，交流线圈L1流过励磁电流，有载分接开关的输入端子I1与输出端子3呈现关断特性。继电器K1通电时，继电器K1的常闭触点K1-2断开，全桥整流电路的输入端没有被短接，交流线圈L3流出的交流电流全部流入全桥整流电路，经全桥整流电路整流后输出给直流线圈L4，直流线圈L4流过直流电流，所在的铁芯深度饱和，与直流线圈L4同一铁芯的交流线圈L3的电抗值很小，有载分接开关的输入端子II2与输出端子3呈现导通特性。

继电器失电时，常开触点K1-1断开时，常闭触点K1-2闭合；继电器通电时，常开触点K1-1闭合时，常闭触点K1-2断开；常开触点K1-1与常闭触点K1-2的通断状态相反。不论继电器K1失电与通电，有载分接开关的两个输入只能有一个与输出导通。当继电器K1从失电变到通电，或者从通电变到失电，有载分接开关必然从某一个输入与输出的导通状态变化到另一个输入与输出的导通状态。由于有载分接开关输入与输出导通状态的切换过程是由饱和电抗器交流线圈电抗值的变化实现的，交流线圈电抗值的变化不能突变，有几十毫秒至数百毫秒的暂态过程。所以，交流线圈L1与交流线圈L3不会同时都是很小电抗状态，两个交流线圈也不会同时都是很大电抗状态。从而保证开关特性饱和电抗器有载分接开关在切换过程，其输出功率不会中断，而且开关特性饱和电抗器有载分接开关两个输入端之间不会发生短路状态。

继电器K1常开触点K1-1与常闭触点K1-2动作过程中，可能出现同时断开的短暂过程。如果两个触点同时断开时间太长，可能造成饱和电抗器的两个输入端子I1、II2直接短路，造成设备严重破坏。为了避免这类现象发生，常开触点K1-1与常闭触点K1-2取同一个继电器的常开触点与常闭触点，常开触点K1-1与常闭触点K1-2机械联动，可靠性很高。只要常开触点K1-1与常闭触点K1-2动作的暂态过程中，常开触点K1-1与常闭触点K1-2出现同时断开状态的暂态过程，不大于40毫秒，就不会形成有载分接开关的两个输入端子长时间直接短路，不会造成有载调压变压器的损坏。

继电器K1失电或通电，可手动控制，也可自动控制。一种典型手动控制电路如图2所示。K1继电器为直流线圈时，控制电路电源端子I 4、控制电路电源端子II 5之间加直流额定电压；K1继电器为交流线圈时，控制电路电源端子I 4、控制电路电源端子II 5之间加交流额定电压。K2为手动合闸开关，K3为手动断开开关。K1-3为继电器K1的自保持触点，K2一旦动作，继电器K1通电，K1-3闭合，自保持继电器K1动作状态，直至K3手动断电。图2所示的只是一种典型控制电路，可以多种方法实现。例如：K1继电器可以用自动控制装置控制，当电力系统电压超过某一电压整定值时，自动控制装置控制继电器K1通电；当电力系统电压低于某一电压整定值时，自动控制装置控制继电器K1断电。

直流线圈L2、L4两端分别并联大功率稳压管D9、D10，电路正常运行时大功率稳压管D9、D10处于关断状态，不会影响电路正常运行。当电路处于暂态状态时，或者外部高电压干扰，直流线圈两端可能出现过电压，为了保护半导体器件，直流线圈两端出现过电压时，大功率稳压管D9、D10导通，限制过电压。过电压消失，大功率稳压管D9、D10恢复正常截止状态。最大负荷电流流过饱和电抗器直流线圈时，饱和电抗器直流线圈两端有最大直流电压值Umax。大功率稳压管的稳压值等于Umax时，如果流过饱和电抗器交流线圈的交流电流超过最大负荷电流，则一部分直流电流被大功率稳压管旁路，直流线圈的直流电流减小，交流线圈的电抗增大，减小交流电流的增大；因此，大功率稳压管有限制饱和电抗器过电流的作用。特别是防止图1所示饱和电抗器交流线圈L1与交流线圈L3意外同时导通引起的短路，可提高有载分接开关的运行可靠性。实际应用中，大功率稳压管的稳压值取kUmax，k=1～2。直流线圈两端还可以并联压敏电阻，以进一步提高抗干扰能力。

直流线圈L2、L4两端分别并联电容C1、C2。电容C1、C2减小干扰脉冲，使直流电流更加平稳。

一种典型的单相开关特性饱和电抗器的结构与连接方式如图3所示。开关特性饱和电抗器有四个端子；交流线圈端子I6和交流线圈端子II7连接开关特性饱和电抗器内部交流线圈L5和交流线圈L6，提供交流电流通路；直流线圈端子I8和直流线圈端子II9连接开关特性饱和电抗器内部直流线圈L7和直流线圈L8，提供直流电流通路；交流线圈与直流线圈通过开关特性饱和电抗器内部的日字型闭环铁芯相互作用。

开关特性饱和电抗器中的交流线圈L1可以是多个线圈串、并联组成，开关特性饱和电抗器中的直流线圈L2可以是多个线圈串、并联组成。这样，可使开关特性饱和电抗器的交流线圈L1的交流电流对直流回路不产生影响。开关特性饱和电抗器可选用发明专利号为：2010105753926的“具有柔性开关特性的电流限制装置及方法”的饱和电抗器，也可选用发明专利号为：2010105840411的“一种开关特性饱和电抗器”所表述的饱和电抗器，或选用其他型式的开关特性饱和电抗器。

一种开关特性饱和电抗器有载分接开关一般用于变压器电压调节。开关特性饱和电抗器有载分接开关两个输入分别连接变压器不同电压的两个分接头。两个分接头之间的交流电压就是开关特性饱和电抗器中交流线圈的额定电压。直流电流为零时，交流线圈的匝数应保证铁芯不饱和，并且减小励磁电流。为了减小开关特性饱和电抗器，交流线圈的匝数又不应太多，以工作于邻近铁芯的饱和点为佳。开关特性饱和电抗器直流线圈匝数应大于交流线圈匝数，太大则开关特性饱和电抗器的损耗加大；直流线圈匝数等于1～3倍交流线圈匝数；典型的参数是：开关特性饱和电抗器直流线圈匝数等于交流线圈匝数的2倍。

电力系统一般是ABC三相，三相变压器的开关特性饱和电抗器有载分接开关可采用A、B、C三个单相的开关特性饱和电抗器有载分接开关，这样，需要6台开关特性饱和电抗器。为了节约投资，可采用如图4所示的三相开关特性饱和电抗器，这样，一套三相变压器的开关特性饱和电抗器有载分接开关，只需2台如图4所示的开关特性饱和电抗器，可节约投资。如图4所示的开关特性饱和电抗器的6个交流线圈L1的匝数都相等，6个直流线圈L2的匝数都相等。A相交流线圈端子I11与A相交流线圈端子II12分别为A相开关特性饱和电抗器交流线圈的输入与输出端子，A相直流线圈端子I13与A相直流线圈端子II14分别为A相开关特性饱和电抗器直流线圈的输入与输出端子；B相交流线圈端子I15与B相交流线圈端子II16分别为B相开关特性饱和电抗器交流线圈的输入与输出端子，B相直流线圈端子I17与B相直流线圈端子II18分别为B相开关特性饱和电抗器直流线圈的输入与输出端子；C相交流线圈端子I19与C相交流线圈端子II20分别为C相开关特性饱和电抗器交流线圈的输入与输出端子，C相直流线圈端子I21与C相直流线圈端子II22分别为C相开关特性饱和电抗器直流线圈的输入与输出端子。直流电流为零时，开关特性饱和电抗器交流线圈的匝数应保证铁芯不饱和。为了减小开关特性饱和电抗器，交流线圈的匝数应工作于邻近铁芯的饱和点。开关特性饱和电抗器直流线圈匝数应大于交流线圈匝数，太大则开关特性饱和电抗器的损耗加大。典型的参数是：开关特性饱和电抗器直流线圈匝数等于交流线圈匝数的2倍。

图1中的常开触点K1-1和常闭触点K1-2触点在正常运行中，流过很小的励磁电流。但是，在触点切换过程中，会瞬时流过较大的冲击电流。如果触点多次切换，可能使触点接触不良。为了提高常开触点K1-1的可靠性，常开触点K1-1触点可用图5所示电路代替；图5中D11、D12为反向并联的晶闸管，R1、R2为电阻，C3、C4为电容；K1-1-1、K1-1-2为常开触点，其工作特性与K1-1一致。为了提高常闭触点K1-2的可靠性，常闭触点K1-2触点可用图6所示电路代替；图6中D13、D14为反向并联的晶闸管，R3、R4为电阻，C5、C6为电容，K1-2-1、K1-2-2为常闭触点，其工作特性与K1-2一致。图5与图6电路的工作原理是一般常识，这里不再累赘。

本发明的一种开关特性饱和电抗器有载分接开关可用现有技术设计制造，完全可以实现。有广阔应用前景。

Claims

1. 一种开关特性饱和电抗器有载分接开关，其特征是，它包括：具有两个开关特性的饱和电抗器，所述饱和电抗器有交流线圈作为交流电流通路，有直流线圈作为直流电流通路，所述交流线圈与直流线圈通过闭环铁芯相互作用；其中，交流线圈L1的一端为开关特性饱和电抗器有载分接开关的一个输入端子I，交流线圈L3的一端为开关特性饱和电抗器有载分接开关的另一个输入端子II；交流线圈L1与交流线圈L3的另一端分别与各自对应的全桥整流电路的一个输入端连接，两个全桥整流电路的剩余输入端连接，并作为有载分接开关的输出端子；两个全桥整流电路的输出端分别连接饱和电抗器的直流线圈L2、L4，并形成闭环；在两个全桥整流电路的输入端之间还分别并联一个继电器的常开触点K1-1和常闭触点K1-2，所述继电器则与控制电路连接。

2.如权利要求1所述的一种开关特性饱和电抗器有载分接开关，其特征是，所述两个直流线圈L2、L4两端还分别并联大功率稳压管和电容。

3.如权利要求1所述的一种开关特性饱和电抗器有载分接开关，其特征是，所述两交流线圈L1、L3结构相同，均为一个线圈，或多个线圈串/并联组成；交流线圈匝数应保证：在直流线圈的电流等于零的条件下，有载分接开关两输入端子I、II的电压施加在交流线圈两端时，交流线圈流过励磁电流。

4.如权利要求1所述的一种开关特性饱和电抗器有载分接开关，其特征是，所述两直流线圈结构相同，均为一个线圈，或多个线圈串和/或并联组成；每个直流线圈的匝数等于1-3倍相应交流线圈匝数。

5.如权利要求1所述的一种开关特性饱和电抗器有载分接开关，其特征是，所述全桥整流电路的输入端被短接时，全桥整流电路的输出为零，流入两直流线圈的电流为零，与各直流线圈同一铁芯的相应交流线圈的电抗值很大，该开关特性饱和电抗器呈现关断特性；

6.如权利要求1所述的一种开关特性饱和电抗器有载分接开关，其特征是，所述常开触点K1-1开断时，常闭触点K1-2闭合；常开触点K1-1闭合时，常闭触点K1-2开断；常开触点K1-1与常闭触点K1-2的通断状态相反；常开触点K1-1与常闭触点K1-2出现同时断开状态的暂态过程，小于40毫秒。

7.如权利要求1所述的一种开关特性饱和电抗器有载分接开关，其特征是，所述继电器失电时，受常开触点K1-1控制饱和电抗器呈现导通状态，该饱和电抗器的输入端子I与有载分接开关的输出端子接通；常闭触点K1-2控制的开关特性饱和电抗器呈现截止状态，该饱和电抗器的输入端子II与有载分接开关的输出端子断开；

有载分接开关分接头的切换过程中，有载分接开关的输出功率不会中断。

8.如权利要求1所述的一种开关特性饱和电抗器有载分接开关，其特征是，所述控制电路包括继电器K1，继电器K1一端与控制电路电源端子II连接，另一端则分别经过依次串联手动合闸开关K3、手动断开开关K2与控制电路电源端子I连接，手动断开开关K2还并联继电器K1的常开触点K1-3。

9.如权利要求1所述的一种开关特性饱和电抗器有载分接开关，其特征是，所述常开触点K1-1的另一种结构如下：它包括两反向并联的晶闸管D11、D12，一个电阻R1与一个电容C3并联后连接在晶闸管D11的控制端与负极之间，另一个电阻R2与另一个电容C4并联后连接在晶闸管D12的控制端与负极之间；晶闸管D11、D12的控制端与正极之间分别连接常开触点K1-1-1与K1-1-2。

10.如权利要求1所述的一种开关特性饱和电抗器有载分接开关，其特征是，所述常闭触点K1-2的另一种结构如下：它包括两反向并联的晶闸管D13、D14，一个电阻R3与一个电容C5并联后连接在晶闸管D13的控制端与负极之间，另一个电阻R4与另一个电容C6并联后连接在晶闸管D14的控制端与负极之间；晶闸管D13、D14的控制端与正极之间分别连接常开触点K1-2-1与K1-2-2。