CN102623220B - 高压电子灭弧开关 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高压电子灭弧开关，用多支二极管和辅助继电器触点串联组成开关触点保护电路并联在开关触点两端，在二极管导通的期间让开关触点闭合或断开，触点动作时没有浪涌电流且不产生触点打火。具有结构简单、工作可靠、成本低廉和开关过程中无浪涌电流和脉冲高压的特点。

Description

高压电子灭弧开关

技术领域

本发明专利申请涉及一种电气开关，特别是一种具有断路器功能的交流高压负荷开关，属于电气开关领域。

背景技术

负荷开关和断路器是供配电系统必不可少的部件，用于接通或切断电源。传统的开关和断路器都是由机械触点完成闭合或断开过程，高压开关由于触点行程长所以开关触点在闭合或断开瞬间的打火和拉弧是无法避免的，传统的开关是通过各种灭弧的方法来减少和避免开关触点闭合时的打火和开关触点断开时的拉弧。从结构和灭弧原理来分有空气灭弧、油灭弧、六氟化硫灭弧、真空灭弧和产气式灭弧等，负荷开关或断路器在使用了上述的灭弧方式才可以保证开关在闭合和断开的瞬间减少或避免打火或拉弧的产生，从而保证开关触点的完好和开关有效的断开。随着开关分断电压的增加，灭弧装置的复杂程度和成本也相应的增加。从现有的灭弧方式可以分为吹灭电弧和提高触点分断时的绝缘场强两种办法，现有的开关触点灭弧的办法都没有解决触点的负荷问题，开关触点在闭合和断开的瞬间承受了高电压脉冲或大浪涌电流，一方面给开关触点造成的很大的压力，另一方面给电网也造成了污染，这种高电压脉冲或大浪涌电流有可能对电网中的电器造成损坏。如果开关触点动作在电流或电压为零点，没有了打火或拉弧的能量，也就不会产生打火或拉弧了，显然传统的机械触点开关是无法解决这个问题的。

发明内容

本发明提出一种高压电子灭弧开关，解决了传统机械触点开关的在闭合和断开瞬间开关触点承受高电压脉冲和大浪涌电流的问题，以及现有的高压负荷开关和断路器结构复杂和成本高的缺点，开关的触点在闭合时不会产生浪涌电流，开关触点断开时负载电路中也不产生高压脉冲。

为实现上述发明目的，本发明提出如下技术方解决案：本发明的高压电子灭弧开关由主继电器组触点保护电路、主继电器组和开关控制模块组成：主继电器组触点保护电路由多个二极管与多个辅助继电器触点串联组成，并联在主继电器组触点K1两端；主继电器组的触点由多个继电器触点串、并联组成；开关控制模块控制主继电器组和辅助继电器组的闭合和断开的时间顺序。

本发明的高压电子灭弧开关的开关控制模块由电容降压整流滤波电源供电。

本发明的高压电子灭弧开关的开关控制模块可以接收和处理用电负载电流互感器的信号，控制主继电器组的触点断开实现过流和短路保护的功能。

本发明的高压电子灭弧开关不需要对开关触点进行特殊的物理保护，因而具有结构简单成本低的特点，由于在开关动作过程中，开关触点不承受负载压力，开关正常工作时几乎没有开关触点的损耗，大大延长开关触点的寿命，开关的寿命大大长于现有的各种负荷开关和断路器。另外开关工作时不会给电网产生额外的浪涌电流和浪涌电压，对于电网还有保护作用。

附图说明

图1、本发明的高压电子灭弧开关电路原理图1；

图2、本发明的高压电子灭弧开关动作过程电流、电压波形图；

图3、本发明的高压电子灭弧开关原理图2；

具体实施例

图1为本发明的高压电子灭弧开关电路原理图。本发明的高压电子灭弧开关由三部分组成：①主继电器组J₁触点K₁的保护电路：是并联在主继电器触点组K₁两端的多支二极管D₁-D_n和辅助继电器组J₂₁-J_2n触点K₂₁-K_2n的串联电路，这个保护电路的作用是在触点K₁闭合或断开时防止触点打火或拉弧；②主继电器组J₁：主继电器组J₁由J₁₁₁-J_1nn多个继电器组成，主继电器组触点K₁是由K₁₁₁-K_1nn的触点串、并联组成；③开关控制模块：由单片机及外围电路组成，其作用是控制主继电器组J₁₁₁-J_1nn和辅助继电器J₂₁-J_2n触点的闭合或断开的时间顺序。

下面结合图2说明本发明的高压电子灭弧开关的工作过程：开关闭合时，开关控制模块首先控制辅助继电器组J₂₁-J_2n的触点K₂₁-K_2n闭合，触点K₂₁-K_2n闭合的时间选择在t₁到t₂的时间段内，在t₁到t₂的时间内为交流电的负半周，即使触点K₂₁-K_2n闭合，二极管D₁₁-D_1n一直处于反向电压，二极管截至，没有电流通过二极管和继电器J21-J2n的触点K₂₁-K_2n，触点K₂₁-K_2n动作过程中不会发生打火现象；交流电到达t2时刻过零，二极管组开始正向偏置，二极管D₁₁-D_1n将迅速导通，开关控制模块控制主继电器组J₁₁₁-J_1nn的触点K₁₁₁-K_1nn在t3时刻闭合，t3是交流电正半周的任意时刻，考虑到一般负载为感性，t3的起始位置应该滞后于电压的过零点，继电器触点组K₁₁₁-K_1nn的闭合的过程中由于二极管组D₁-D_n是导通的，触点K₁₁₁-K_1n承受的电压是二极管的导通电压：nX0.7V(n为串联二极管的个数)，所以继电器组J₁₁₁-J_1nn的触点K₁₁₁-K_1nn在闭合的瞬间承受的功耗是很小的，二极管D₁-D_n起到了继电器触点保护的作用。主继电器组J₁₁₁-J_1nn的触点K₁₁₁-K_1nn完全闭合后，二极管组D₁-D_n即辅助继电器组触点被短路，K₂₁-K_2n的闭合或打开对K₁₁₁-K_1nn没有影响，即完成了开关触点闭合的过程。在开关闭合过程中主继电器组J₁₁₁-J_1nn的触点K₁₁₁-K_1nn的抖动是无法避免的并且各个触点的闭合时刻也是不同的，如果没有二极管的保护，必定会有触点因打火而烧坏，而有了二极管的保护在触点抖动断开的瞬间二极管组D₁-D_n将随时导通，触点只承受nX0.7V电压，触点的打火是很微弱的，只要控制打火的程度在触点可以接受的范围内，即可最大限度的保护主继电器组的触点。

开关断开时先保证辅助继电器触点K₂₁-K_2n稳定闭合，之后开关控制模块控制继电器组J₁₁₁-J_1nn的触点K₁₁₁-K_1nn的断开时间选在t4到t6的时间内，即在负载电流波形的正半周，触点K₁₁₁-K_1nn断开时二极管组D₁-D_n承受的是正向(导通)电压即可随时导通，即在t5时刻触点K₁₁₁-K_1nn一旦稳定断开电流立即从二极管组流过，触点K₁₁₁-K_1nn断开时承受的电压不超过nX0.7V，保证nX0.7V的电压小于触点的断开拉弧电压则即使触点发生抖动也不会发生拉弧现象。继电器组J₁₁₁-J_1nn的触点K₁₁₁-K_1nn断开后二极管组D₁-D_n一直导通到t6时刻自动关断。在t6到t7的时间段内二极管组D₁-D_n反向偏置不导通，开关控制模块控制辅助继电器组J₂₁-J_2n的触点K₂₁-K_2n在t6到t7的时间内完全断开，即完成了开关断开过程，t6到t7的时间内没有电流通过触点K₂₁-K_2n，所以触点K₂₁-K_2n断开时也不会发生拉弧。开关的实际断开点是在电流为零的t6时刻，所以负载系统中不会产生脉冲高压，而这是采用物理灭弧开关所做不到的。触点闭合和断开过程中通过二极管的电流波形和通过主继电器组触点的电流波形如图2所示。

如果图1中二极管反向连接，本发明的高压电子灭弧开关也能正常工作，只是辅助继电器组触点和主继电器组触点的闭合和断开的时间发生相应的变化，一般技术人员可以通过前述可自行推导，在此不再赘述。另外图1中用三支二极管、三个继电器代表多个二极管和继电器触点的串联，所需串联的数量根据单只元件的耐压和实际工作电压的要求进行选择，一般技术人员通过计算和实验可以容易的得到，在此也无需详述。

传统的高压负荷开关或断路器是使用物理的方法将开关闭合和断开过程中触点产生的火花或电弧强行灭掉，而本发明的高压电子灭弧开关是使用电子开关避免了开关过程中触点产生火花或电弧，故称之为电子灭弧开关；传统的高压负荷开关或断路器在开关闭合或断开过程中不可避免的产生浪涌电流和脉冲高压，只是采用物理的方法保护触点不被损坏，无法顾及浪涌电流和脉冲高压对负载系统的影响，而本发明的高压电子灭弧开关是使用二极管这种最简单、最可靠的电子开关避免了开关过程中浪涌电流和脉冲高压的产生。两种方案的优劣是显而易见的。

传统的高压负荷开关只有单个触点，本发明的高压电子灭弧开关是使用多个触点串并联，由于解决了多个触点不能同一时刻闭合或断开所带来的问题，多个触点串联的优势就显现了出来：①每一个触点承受的负荷大大小于总触点的负荷，可以提高每个触点的可靠性和寿命；②可用多个空气触点串联实现高压负荷开关触点，这将大大简化高压负荷开关的结构并降低成本；③增加触点的串并联的数量可以提高了开关触点的可靠性：即使一个触点损坏，开关仍可正常工作。

主继电器组的触点K₁₁₁-K_1nn必须在二极管组导通时完成闭合和断开的过程，辅助继电器组的触点也是在二极管组截止时完成闭合和断开的过程，而继电器触点闭合(包括触点的抖动)是需要一定时间的并且有一定的误差，一般二极管的导通和截止时间为10mS(60Hz交流电为8.3mS)，这对选用的继电器提出比较高的要求，一般的继电器触点的动作稳定时间是大于这个时间的，配合本发明高压电子灭弧开关使用的继电器需要专门的改进和设计，不在本专利申请中详述。

本发明的高压电子灭弧开关中的继电器可以是普通直流或交流电磁继电器、磁保持继电器，也可以是机械自锁继电器。使用磁保持继电器或机械自锁继电器可以降低继电器触点闭合后的电路功耗。配合本发明高压电子灭弧开关使用的继电器应能满足触点抖动时间短和触点动作时间稳定的要求。

图3是由二极管D1-D3、辅助继电器J21-J23、继电器J11-J16和PIC单片机及外围电路为主要部件组成的本发明的高压电子灭弧开关。单片机的电源由电容降压整流电源提供，单片机的4脚测量电网交流电压的过零点，为开关的动作提供时间基准；单片机的7脚测量电流互感器的输出，一方面获得负载的电流波形为开关的断开提供时间基准，另一方面测量负载电流的大小，使开关具有过流和短路保护功能，当7脚测量到的负载电流过大时，控制5脚和6脚输出使主继电器触点断开，即可实现负载的过流和短路保护；5脚和6脚输出分别按时序控制辅助继电器J21-J23和主继电器J11-J16的闭合和断开，实现高压电子灭弧开关的闭合或断开。本发明的高压电子灭弧开关具有体积小、没有发热元件的特点，控制电路可以和继电器开关做成一体。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

本发明的高压电子灭弧开关是在二极管导通期间完成开关触点的闭合和断开过程，二极管在触点闭合和断开的过程中起到了保护机械触点的作用，因而具有电路巧妙、简单和容易控制的特点。机械触点开关广泛的应用与供电系统和电器控制领域，使用微处理芯片精确的控制机械触点的闭合和断开，并配合触点保护电路，这将是机械触点开关的一个革命。

Claims (3)

1.一种高压电子灭弧开关，由主继电器组触点保护电路、主继电器组和开关控制模块组成，其特征在于：主继电器组触点保护电路由多个二极管与多个辅助继电器触点串联组成，并联在主继电器组的触点两端；主继电器组的触点由多个继电器触点串、并联组成；开关控制模块控制主继电器组和辅助继电器组闭合和断开的时间顺序，高压电子灭弧开关闭合时，开关控制模块首先控制辅助继电器组的触点闭合，辅助继电器组的触点闭合的时间选择在交流电的负半周，二极管截止，交流电到达过零时刻二极管导通后，开关控制模块控制主继电器组的触点在交流电正半周的任意时刻闭合；高压电子灭弧开关断开时，先保证辅助继电器组的触点稳定闭合，之后开关控制模块控制主继电器组的触点的断开时间选在负载电流波形的正半周，主继电器组的触点断开后二极管组一直导通到负载电流波形到达过零时刻自动关断，在负载电流波形的负半周内二极管组反向偏置不导通，开关控制模块控制辅助继电器组的触点在负载电流波形的负半周时间内完全断开。

2.如权利要求1所述的高压电子灭弧开关，其特征在于开关控制模块由电容降压整流滤波电源供电。

3.如权利要求1所述的高压电子灭弧开关，其特征在于开关控制模块接收和处理负载电流互感器的信号，控制主继电器组的触点断开实现过流和短路保护的功能。