CN102592808A

CN102592808A - 一种有载分接开关及其工作方法

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Publication number: CN102592808A
Application number: CN2012100319785A
Authority: CN
Inventors: 李晓明
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2012-02-14
Filing date: 2012-02-14
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-02-14
Also published as: CN102592808B

Abstract

本发明涉及一种有载分接开关及其工作方法。本发明的有益效果是：体积、重量都比较小；不会发热。它有两个开关特性的饱和电抗器，输入端子I经一个开关连接交流线圈L1的其中一个端子，输入端子II经另一个开关连接交流线圈L3的其中一个端子；交流线圈L1与交流线圈L3的另一端分别与各自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直流线圈L2、L4；在两个全桥整流电路的输入端之间分别并联开关K1-1和开关K1-2；一个开关与一个不带灭弧功能的开关并联后连接在输入端子I与输出端子之间；另一个开关与另一个不带灭弧功能的开关并联后连接在输入端子II与输出端子之间。

Description

一种有载分接开关及其工作方法

技术领域

本发明涉及电力系统送变电技术领域，特别涉及一种有载分接开关及其方法。

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。

为了解决上述问题，出现了一种切换速度快、切换过程电弧很小、且可靠性高的有载分接开关。这种有载分接开关采用一种开关特性饱和电抗器，该发明的饱和电抗器长期串联在输电回路工作，必须按照最大额定电流来设计饱和电抗器，因此，体积、重量都比较大。在体积、重量有限制的场合不能应用。并且，饱和电抗器长期串联在输电回路工作，会产生损耗。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种饱和电抗器短暂工作，饱和电抗器体积、重量都比较小，饱和电抗器损耗很小，不会发热的有载分接开关。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

它包括：两个具有开关特性的饱和电抗器，所述的各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，有载分接开关输入端子I经一个开关K4连接交流线圈L1的一个端子，有载分接开关输入端子II经另一个开关K7连接交流线圈L3的一个端子；交流线圈L1与交流线圈L3的另一端子则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常开开关K1-1和一个常闭开关K1-2；一个带灭弧功能的开关K3与一个不带灭弧功能的开关K2并联后连接在有载分接开关输入端子I与输出端子之间；另一个带灭弧功能的开关K6与另一个不带灭弧功能的开关K5并联后连接在有载分接开关输入端子II与输出端子之间。

与所述开关K4连接的交流线圈L1的端子与输出端子间还连接有一个电容器C2；与所述开关K7连接的交流线圈L3的端子与输出端子间还连接有另一个电容器C4；所述直流线圈L2和直流线圈L4的两端还分别并联相应的大功率稳压管和电容。

所述有载分接开关从输入端子I导通切换至输入端子II导通的方法为：切换前状态为开关K2、K1-2闭合，开关K1-1、K3、K4、K5、K6、K7开断；第1步，开关K3、K4闭合；第2步，开关K2开断；第3步，开关K3开断；第4步，开关K7闭合；第5步，开关K3开断以后的大于30毫秒小于1秒的时间内，开关K1-1闭合与K1-2开断；第6步，开关K1-1闭合与K1-2开断以后的大于30毫秒小于1秒的时间内，开关K6闭合；第7步，开关K5闭合；第8步，开关K4、K6、K7开断。

所述有载分接开关从输入端子II导通切换至输入端子I导通的方法为：切换前状态为开关K5、K1-1闭合，开关K1-2、K2、K3、K4、K6、K7开断；第1步，开关K6、K7闭合；第2步，开关K5开断；第3步，开关K6开断；第4步，开关K4闭合；第5步，开关K6开断以后的大于30毫秒小于1秒时间内，开关K1-2闭合与K1-1开断；第6步，开关K1-2闭合与K1-1开断以后的大于30毫秒小于1秒的时间内，开关K3闭合；第7步，开关K2闭合；第8步，开关K3、K4、K7开断。

它包括：两个具有开关特性的饱和电抗器，所述各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的其中一个端子为有载分接开关输入端子I，交流线圈L3的其中一个端子为有载分接开关输入端子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两个开关特性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常开开关K1-1和一个常闭开关K1-2；一个带灭弧功能的开关K3连接在有载分接开关输入端子I与输出端子之间；另一个带灭弧功能的开关K6连接在有载分接开关输入端子II与输出端子之间。

所述交流线圈L1与输入端子I连接的一端与输出端子间还连接有一个电容器C2；所述交流线圈L3与输入端子II连接一端与输出端子间还连接有另一个电容器C4；所述直流线圈L2和直流线圈L4的两端还分别并联大功率稳压管和电容。

所述有载分接开关从输入端子I导通切换至输入端子II导通的方法为：切换前状态为开关K3、K1-2闭合，开关K6、K1-1开断；第1步，开关K3开断；第2步，开关K3开断以后的大于30毫秒小于1秒的时间内，开关K1-1闭合与K1-2开断；第3步，开关K1-1闭合与K1-2开断以后的大于30毫秒小于1秒的时间内，开关K6闭合。

有载分接开关从输入端子II导通切换至输入端子I导通的方法为：切换前状态为开关K6、K1-1闭合，开关K3、K1-2开断；第1步，开关K6开断；第2步，开关K6开断以后的大于30毫秒小于1秒的时间内，开关K1-2闭合与K1-1开断；第3步，开关K1-2闭合与K1-1开断以后的大于30毫秒小于1秒的时间内，开关K3闭合。

本发明的有益效果是：饱和电抗器短暂工作，饱和电抗器体积、重量都比较小；饱和电抗器短暂工作，饱和电抗器损耗很小，不会发热。与现在世界上普遍应用的电阻式有载分接开关相比较，减小了灭弧开关数量，减轻了灭弧开关熄灭电弧的困难，减小了有载分接开关散热要求。

附图说明

图1表示一种有载分接开关的结构与连接方式。

图2为开关特性饱和电抗器的结构与连接方式。

图3为本发明另一实施例结构图。

其中，1.输入端子I，2.输入端子II，3.输出端子，4. 交流线圈端子I， 5. 交流线圈端子II，6. 直流线圈端子I，7. 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。

实施例1：

一种有载分接开关的结构与连接方式如图1所示。它包括：两个开关特性的饱和电抗器，分别由一个由交流线圈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。有载分接开关输入端子I经一个开关K4连接交流线圈L1的一个端子，有载分接开关输入端子II经另一个开关K7连接交流线圈L3的一个端子；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3；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常闭开关K1-2和一个常开开关K1-1；一个带灭弧功能的开关K3与一个不带灭弧功能的开关并K2联后连接在有载分接开关输入端子I1与输出端子3之间；另一个带灭弧功能的开关K6与另一个不带灭弧功能的开关K5并联后连接在有载分接开关输入端子II2与输出端子3之间。

在开关K4与K7闭合，开关K2、K3、K5、K6断开条件下，图1表述的一种有载分接开关的工作原理为：

常规状态为常开开关K1-1断开与常闭开关K1-2闭合。常开开关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。常闭开关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。

动作状态为常开开关K1-1闭合与常闭开关K1-2断开。常开开关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。常闭开关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。

常开开关K1-1断开时，常闭开关K1-2闭合；常开开关K1-1闭合时，常闭开关K1-2断开。常开开关K1-1与常闭开关K1-2可以是两个独立的开关。为了保证常开开关K1-1与常闭开关K1-2的通断状态相反，常开开关K1-1与常闭开关K1-2最好是有联动机构的机械开关。这样，就可以确保有载分接开关的两个输入只能有一个与输出导通。不论是常规状态到动作状态，还是动作状态到常规状态，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。

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2所示。开关特性饱和电抗器有四个端子；交流线圈端子I4和交流线圈端子II5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I6和直流线圈端子II7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。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。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。

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。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。

在开关K4与K7闭合，开关K2、K3、K5、K6断开条件下，其缺点是饱和电抗器长期串联在输电回路工作，必须按照最大额定电流来设计饱和电抗器，因此，体积、重量都比较大。在体积、重量有限制的场合不能应用。并且，饱和电抗器长期串联在输电回路工作，会产生损耗。

增加开关K2、K3、K4、K5、K6、K7以后，有载分接开关从输入端子I1导通切换至输入端子II2导通的方法为：切换前状态为开关K2、K1-2闭合，开关K1-1、K3、K4、K5、K6、K7开断；第1步，开关K3、K4闭合；第2步，开关K2开断；第3步，开关K3开断；第4步，开关K7闭合；第5步，开关K3开断以后的大于30毫秒小于1秒的时间内，开关K1-1闭合与K1-2开断；第6步，开关K1-1闭合与K1-2开断以后的大于30毫秒小于1秒的时间内，开关K6闭合；第7步，开关K5闭合；第8步，开关K4、K6、K7开断。

有载分接开关切换前的正常运行时，负荷电流通过开关K2流通，饱和电抗器不工作。开关K2按最大负荷电流设计。开关K2开断时，K3开关总是闭合的，所以，开关K2不必考虑熄灭电弧问题。开关K3开断时，需要考虑灭弧问题；开关K3大部分时间不流通电流，开关安全性高。另外，开关K3开断后，与其并联的饱和电抗器交流线圈处于饱和状态，两端电压很低，有助于开关K3开断过程的灭弧。开关K4开断时是切断饱和电抗器的励磁电流，需要考虑灭弧问题，但电弧很小。开关K6、K7开断时，开关K5已经闭合，所以，不必考虑电弧问题。

有载分接开关切换后的正常运行时，负荷电流通过开关K5流通，饱和电抗器不工作。开关K5按最大负荷电流设计。

可见，饱和电抗器在整个切换过程中，通过的电流不大于2秒。所以，饱和电抗器可以按短时间通电设计，线圈直径可以较小。饱和电抗器重量、体积都可以减小。

有载分接开关从输入端子II2导通切换至输入端子I1导通的方法为：切换前状态为开关K5、K1-1闭合，开关K1-2、K2、K3、K4、K6、K7开断；第1步，开关K6、K7闭合；第2步，开关K5开断；第3步，开关K6开断；第4步，开关K4闭合；第5步，开关K6开断以后的大于30毫秒小于1秒时间内，开关K1-2闭合与K1-1开断；第6步，开关K1-2闭合与K1-1开断以后的大于30毫秒小于1秒的时间内，开关K3闭合；第7步，开关K2闭合；第8步，开关K3、K4、K7开断。

过程分析等同于有载分接开关从输入端子I1导通切换至输入端子II2导通的方法，不再累赘。

所述有载分接开关输入端子I1经一个开关连接交流线圈L1的其中一个端子，该端子与输出端子还连接有一个电容器C2；有载分接开关输入端子II经一个开关连接交流线圈L3的其中一个端子，该端子与输出端子还连接有另一个电容器C4。这两个电容器可减轻饱和电抗器暂态过程过电压，开关K3、K6开断过程可有利于熄灭电弧。

实施例2：

图3为本发明另一实施例结构图。

图3中，如果K3、K6选用长期工作于额定电流且开关仍然有较高可靠性的开关，开关K2的作用可由开关K3代替，开关K5的作用可由开关K6代替。这样，既减少了开关数量，又减少了操作步骤。

图3中，如果取消开关K4、K7，有载分接开关仍然可以正常工作。只是其中一个饱和电抗器长期流过励磁电流，有轻微发热。带来的好处是减少了开关数量，又减少了操作步骤。

取消开关K2、K4、K5、K7以后，有载分接开关的结构如图3所示。有载分接开关从输入端子I1导通切换至输入端子II2导通的方法为：切换前状态为开关K3、K1-2闭合，开关K6、K1-1开断；第1步，开关K3开断；第2步，开关K3开断以后的大于30毫秒小于1秒的时间内，开关K1-1闭合与K1-2开断；第3步，开关K1-1闭合与K1-2开断以后的大于30毫秒小于1秒的时间内，开关K6闭合。

取消开关K2、K4、K5、K7以后，有载分接开关从输入端子II2导通切换至输入端子I1导通的方法为：切换前状态为开关K6、K1-1闭合，开关K3、K1-2开断；第1步，开关K6开断；第2步，开关K6开断以后的大于30毫秒小于1秒的时间内，开关K1-2闭合与K1-1开断；第3步，开关K1-2闭合与K1-1开断以后的大于30毫秒小于1秒的时间内，开关K3闭合。

其余结构与实施例1相同，不再赘述。

本发明的一种有载分接开关及其工作方法可用现有技术设计制造，完全可以实现。有广阔应用前景。

Claims

1.一种有载分接开关，其特征是，它包括：两个具有开关特性的饱和电抗器，所述的各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，有载分接开关输入端子I经一个开关K4连接交流线圈L1的一个端子，有载分接开关输入端子II经另一个开关K7连接交流线圈L3的一个端子；交流线圈L1与交流线圈L3的另一端子则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常开开关K1-1和一个常闭开关K1-2；一个带灭弧功能的开关K3与一个不带灭弧功能的开关K2并联后连接在有载分接开关输入端子I与输出端子之间；另一个带灭弧功能的开关K6与另一个不带灭弧功能的开关K5并联后连接在有载分接开关输入端子II与输出端子之间。

2.如权利要求1所述的一种有载分接开关，其特征是，与所述开关K4连接的交流线圈L1的端子与输出端子间还连接有一个电容器C2；与所述开关K7连接的交流线圈L3的端子与输出端子间还连接有另一个电容器C4；所述直流线圈L2和直流线圈L4的两端还分别并联相应的大功率稳压管和电容。

3.如权利要求1-2任一所述的一种有载分接开关的工作方法，其特征是，所述有载分接开关从输入端子I导通切换至输入端子II导通的方法为：切换前状态为开关K2、K1-2闭合，开关K1-1、K3、K4、K5、K6、K7开断；第1步，开关K3、K4闭合；第2步，开关K2开断；第3步，开关K3开断；第4步，开关K7闭合；第5步，开关K3开断以后的大于30毫秒小于1秒的时间内，开关K1-1闭合与K1-2开断；第6步，开关K1-1闭合与K1-2开断以后的大于30毫秒小于1秒的时间内，开关K6闭合；第7步，开关K5闭合；第8步，开关K4、K6、K7开断。

4.如权利要求1-2任一所述的一种有载分接开关的工作方法，其特征是，所述有载分接开关从输入端子II导通切换至输入端子I导通的方法为：切换前状态为开关K5、K1-1闭合，开关K1-2、K2、K3、K4、K6、K7开断；第1步，开关K6、K7闭合；第2步，开关K5开断；第3步，开关K6开断；第4步，开关K4闭合；第5步，开关K6开断以后的大于30毫秒小于1秒时间内，开关K1-2闭合与K1-1开断；第6步，开关K1-2闭合与K1-1开断以后的大于30毫秒小于1秒的时间内，开关K3闭合；第7步，开关K2闭合；第8步，开关K3、K4、K7开断。

5.一种有载分接开关，其特征是，它包括：两个具有开关特性的饱和电抗器，所述各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的其中一个端子为有载分接开关输入端子I，交流线圈L3的其中一个端子为有载分接开关输入端子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两个开关特性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常开开关K1-1和一个常闭开关K1-2；一个带灭弧功能的开关K3连接在有载分接开关输入端子I与输出端子之间；另一个带灭弧功能的开关K6连接在有载分接开关输入端子II与输出端子之间。

6.如权利要求5所述的一种有载分接开关，其特征是，所述交流线圈L1与输入端子I连接的一端与输出端子间还连接有一个电容器C2；所述交流线圈L3与输入端子II连接一端与输出端子间还连接有另一个电容器C4；所述直流线圈L2和直流线圈L4的两端还分别并联相应的大功率稳压管和电容。

7.如权利要求5-6任一所述的一种有载分接开关的工作方法，其特征是，所述有载分接开关从输入端子I导通切换至输入端子II导通的方法为：切换前状态为开关K3、K1-2闭合，开关K6、K1-1开断；第1步，开关K3开断；第2步，开关K3开断以后的大于30毫秒小于1秒的时间内，开关K1-1闭合与K1-2开断；第3步，开关K1-1闭合与K1-2开断以后的大于30毫秒小于1秒的时间内，开关K6闭合。

8.如权利要求5-6任一所述的一种有载分接开关的工作方法，其特征是，所述有载分接开关从输入端子II导通切换至输入端子I导通的方法为：切换前状态为开关K6、K1-1闭合，开关K3、K1-2开断；第1步，开关K6开断；第2步，开关K6开断以后的大于30毫秒小于1秒的时间内，开关K1-2闭合与K1-1开断；第3步，开关K1-2闭合与K1-1开断以后的大于30毫秒小于1秒的时间内，开关K3闭合。