CN102710244B - 一种中高压串联电子开关 - Google Patents

Abstract

一种中高压串联电子开关，包括主电力电子开关模块、由无极性电容（C1）和电阻（R1）串联组成的基本动态均压阻容支路、H桥二极管整流模块、附属动态均压阻容支路、放电电阻以及浪涌吸收模块，H桥二极管整流模块的输入端与基本动态均压阻容支路相连、输出端与附属动态均压阻容支路相连，附属动态均压阻容支路两端还并联有浪涌吸收模块（MOV），附属动态均压阻容支路由电容（C2）和限流电阻（R2）串联组成，电容（C2）两端还并联了放电电阻（Rp）。本发明可使系统在不增加阻容支路功耗的条件下，既可以满足一般的动态均压要求，又可以满足对短时电压冲击吸收的要求，且寿命长、自适应程度高。

Description

一种中高压串联电子开关

技术领域

本发明涉及一种电子开关，尤其是涉及一种应用于中高电压电力系统的新型电子开关。

背景技术

随着精细化工及高新技术产业的不断发展，用户对电能质量的需求呈现了不同的层次，电能质量问题对敏感负荷的影响巨大。电压、频率、波形是衡量电能质量的标准，超出一定范围的频率或电压偏差或波形的畸变，都会对电力用户以及电网的安全、经济运行等带来不良的影响。电压跌落及电压短时中断故障占所有电能质量问题的90%左右。当电压低于额定值的90％时，敏感负载的运行将受影响，带来巨大的安全隐患和经济损失。因此，治理电压跌落及电压短时中断，改善电能质量具有极其重要的作用和长远的意义。

开关器件作为开关电路的重要部分，长久以来都是电力装置研究的重要课题。传统的机械开关经过长时间的研究应用，从低电压等级到高电压等级应用已非常广泛。机械开关导通稳定，带负载能力强。机械开关的缺点非常明显，首先需要很大的灭弧装置，使开关的体积一般都较大，其次开断速度受机械动作部分速度的限制，另外机械开关电气寿命受到开断次数的限制。因此难以满足一些电力用户对电能质量的要求。随着电力电子器件技术的发展，可控电力电子器件的切换速度越来越快，耐压水平越来越高，电流越来越大。以此取代机械开关，用作电力系统的开关，可以达到毫秒级的切换速度，适合用于一些对电能质量要求严格的敏感用户。目前这一技术在低压场合已经得到广泛应用。但在中高压场合例如10KV时相关产品较少。

对于中高压应用场合例如10KV时，由于单一器件耐压等级无法达到要求，因此必须采用串联或级联的结构。由于电力电子器件的静态特性和动态参数不完全相同，因此串联使用时，可能出现器件误导通或反相击穿等问题。

以晶闸管为例，在闭锁状态下，晶闸管的漏电流特性不同，串联后承受的电压也不同；在晶闸管关断过程中，反向恢复电荷的差异也可能造成阀内部电压分布不均。因此在晶闸管串联时，即使同时发出晶闸管控制信号，各个晶闸管动作也可能不一致。后闭合的晶闸管会承受更多的系统电压，导致过压损毁。因此需要选择合适的阻容回路参数，来实现中高压串联晶闸管阀换流时的动态均压功能。各种研究表明，动态均压电路中的电容选取的越大，电阻选取的越小，其对浪涌电压吸收能力越强，且响应越快。但反之，电容越大，阻容支路的功耗也越大，电阻越小，电容放电时的电流冲击也就越大，在设计上很难两全。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就在于提供一种吸收电流浪涌能力强响应迅速且电流冲击较小的中高压串联电子开关。

解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种中高压串联电子开关，包括主电力电子开关模块和基本动态均压阻容支路，所述的基本动态均压阻容支路由无极性电容（C1）和电阻（R1）串联组成，其特征是：还设有H桥二极管整流模块、附属动态均压阻容支路、放电电阻以及浪涌吸收模块，所述的H桥二极管整流模块由四只二极管（VT1、VT2、VT3、VT4）组成，所述的H桥二极管整流模块的输入端与基本动态均压阻容支路相连、输出端与附属动态均压阻容支路相连，附属动态均压阻容支路两端还并联有浪涌吸收模块（MOV），所述的附属动态均压阻容支路由电容（C2）和限流电阻（R2）串联组成，所述的附属动态均压阻容支路的电容C2）两端还并联了放电电阻（Rp）。

所述的电容(C2)为有极性的电解电容或无极性的电容。

所述的附属动态均压阻容支路的放电电阻（Rp）支路上还串联有可控电子开关（K）。

所述的主电力电子开关模块的可控电力电子开关T1是普通晶闸管或门极可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR，电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。

本发明可应用在固态电子开关或其他基于串联电力电子开关拓扑的电气设备中，固态开关原理如下:主供电源和备供电源通过固态电子转换开关分别接到负载上，系统平时在主供电源侧运行，当其出现电压跌落时，系统自动通过固态电子转换开关把负载投切到备用电源上。当主侧电源正常时，再自动切换回主侧电源，从而实现电能质量有效的控制。

固态开关的开关支路由主电力电子开关模块以及动态均压模块构成。在拓扑结构上，该装置采用串联结构，串联单元的个数由电源的电压等级确定。每个串联单元包括一个主电力电子开关模块和一个动态均压模块，该装置的动态均压模块由基本动态均压阻容支路、H桥二极管整流模块、附属动态均压阻容支路、放电电阻以及浪涌吸收模块组成。其中，基本动态均压阻容支路由容量较小的无极性电容C1和电阻R1串联组成。H桥二极管整流模块由四只二极管VT1、VT2、VT3、VT4组成。H桥二极管整流模块输入端与基本动态均压阻容支路相连，H桥二极管整流模块的输出与附属动态均压阻容支路相连，同时并联浪涌吸收模块MOV。浪涌吸收模块MOV可以吸收雷电或者感性负载冲击等造成的电压冲击。附属动态均压阻容支路由容量较大的电容C2和较小的限流电阻R2串联组成。其中电容C2两端并联了放电电阻Rp。电容C2可以是有极性的电解电容，也可以是无极性的电容。

如图3所示，当开关T1两端产生浪涌电压U1时，由于T1两端并联了基本动态均压电路R1/C1，将吸收一部分浪涌电压。当浪涌电压U1超过电容C2两端电压Uc2时，H桥二极管整流模块导通。例如，若U1如图示方向为正，则二极管VT1、VT2导通。C2通过VT1、VT2、R2支路吸收电荷，起到稳定电压作用。若U1为负，则二极管VT3、VT4导通。C2通过VT3、VT4、R2支路充电，吸收电子开关两端浪涌电压。

由于附加的动态均压RC支路通过二极管整流模块接入电子开关两端。因此，C2存储能量不能逆变回主电子开关侧。所以C2放电不会对主电力电子开关产生电流冲击。C2存储能量通过电阻Rp释放。该放电电阻阻值很大，因此放电缓慢，例如可设置成几十秒。因此虽然电容C2较大，但该支路总体平均功耗很小。采用风冷设计即可。

中高压串联电子开关大部分时间动态均压支路只需要满足晶闸管换流过程中的动态均压需求。此时的动态均压需求与串联的各级晶闸管参数、系统耐压等级、串联级数有关，一般可以通过查表根据经验选取。考虑到功耗，容值一般小于1uf，因此吸收浪涌电压冲击能力有限。当系统受到在无法预测的外部扰动时，可能产生较大的电压冲击，超出基本动态均压阻容支路的吸收能力。此时需要额外的吸收模块。该额外的吸收模块要求：仅在较大的电压冲击产生时才自动投入运行，速度快，功耗低，寿命长。常规的浪涌吸收模块MOV无法满足系统需求。

本发明采用基于H桥二极管整流模块的附属动态均压模块。根据参数设计，其吸收浪涌能力大大超过普通阻容支路的吸收能力，且只在系统发生较大电压冲击时才会接入，由于放电常数一般设计很大，因此大部分时间不工作，损耗很小。

本发明采用了一种新型的动态均压拓扑。在传统的阻容均压电路上并联了基于H桥二极管整流模块的附属动态均压模块。采用该结构的固态开关在常规运行时，基本动态均压阻容支路投入运行，其功耗小，附属动态均压模块不投入运行，功耗几乎为0。当系统出现一些无法预测的短时电压冲击时，基本动态均压组容支路已无法吸收超额的电压冲击，此时附属动态均压模块投入运行，由于其电容更大，限流电阻更小，因此吸收浪涌能力大大超过普通阻容支路的吸收能力，之后附属动态均压电容内存储的能量通过吸收电阻慢慢释放，释放完毕后可再次吸收浪涌电压。

有益效果：本发明提出了一种新型中高压串联电子开关的动态均压拓扑，它可以克服传统的动态均压阻容支路参数设计的缺陷，使得系统在不增加阻容支路功耗的条件下，既可以满足一般的动态均压要求，又可以满足对短时电压冲击吸收的要求。其寿命长、自适应程度高。具体有以下优点：

1.系统在不增加动态均压电路功耗的条件下，可实现更大动态冲击电压的吸收能力。

2.由于采用整流桥模块，附属动态均压支路为直流，因此其电容可以采用用体积小，电容量大的电解电容。选型范围大，成本低。

3.可以优化基本动态均压阻容支路的参数设计。可以选取较小的电容和较大的电阻。从而功耗更低，对开关器件的冲击更小。

4.相比较常用的浪涌抑制模块MOV，其投入速度更快，且寿命更长。

5.由于附加的动态均压RC支路通过二极管整流模块接入电子开关两端。因此，电容上的能量不能通过电阻R2流回电子开关支路，因此避免了电容放电对电子开关的电路冲击。

附图说明

图1为固态电子开关在电力系统中的应用；

图2为基本动态均压电路拓扑；

图3为本发明的中高压串联电子开关实施例一的组成及连接示意图；

图4为本发明的中高压串联电子开关实施例二放电参数实时可调的组成及连接示意图。

具体实施方式

如图1所示为固态电子开关在电力系统中的应用，主供电源和备供电源通过固态电子转换开关分别接到负载上，正常情况下，系统在主供电源侧运行，当其出现电压跌落时，系统自动通过固态电子转换开关把负载投切到备用电源上。当主侧电源恢复正常时，再自动切换回主侧电源，从而实现电能质量有效的控制。

如图2所示，为现有的串联电子开关动态均压电路的电路拓扑，其动态均压功能由电容C1、电阻R1构成。在串联结构中，主电子开关的开通时间会有所差异。从而导致电压分布不均，引起器件损耗。通过RC组成的均压电路，可以使开通过程均衡，从而避免电压全加在先导通的晶闸管上。当系统遭受感性负载冲击时，主电子开关两端会产生超大过电压，超出电容C1吸收能力，容易对器件产生损坏。减小电压过冲的方法是增大均压电容的容量。但电容容值增大，会增大了支路热功耗，导致热设计困难，成本升高，装置体积增大。且若电容C1较大，当晶闸管导通时，动态均压过程中电容吸收的能量将在很短时间内通过主电子开关释放，从而对电子开关造成电流冲击。若增大R1，可限制开关开通时的冲击电流。但动态支路的响应速度会减慢。综上所述，传统的动态均压阻容电路拓扑参数设计困难很难两全。

本发明的中高压串联电子开关实施例一如图3所示，包括3个串联的由主电力电子开关模块和基本动态均压阻容支路构成的单元。

每个单元中：主电力电子开关模块的可控电力电子开关T1是普通晶闸管或门极可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR，电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管，基本动态均压阻容支路由无极性电容C1和电阻R1串联组成，此外，还设有H桥二极管整流模块、附属动态均压阻容支路、放电电阻以及浪涌吸收模块，H桥二极管整流模块由四只二极管VT1、VT2、VT3、VT4组成，H桥二极管整流模块的输入端与基本动态均压阻容支路相连、输出端与附属动态均压阻容支路相连，附属动态均压阻容支路两端还并联有浪涌吸收模块MOV，附属动态均压阻容支路由电容C2和限流电阻R2串联组成，附属动态均压阻容支路的电容C2两端还并联了放电电阻Rp，电容C2为有极性的电解电容或无极性的电容。

这个改进的拓扑电路在原来基本的均压拓扑的RC串联均压的基础上加了H桥二极管整流模块和附属动态均压阻容支路。附属动态均压阻容支路的R2，C2电路，其中C2的放电电阻为Rp。

由于加了H桥二极管整流模块，C2两端是直流电压，如图3所示，系统在稳态运行时，C2两端的电压值Uc2稳定在R1/C1承受的冲击电压的最大值附近。因此在功率因数稳定，系统无额外冲击时，R2/C2不投入使用。当系统有较大电压冲击时例如大的感性负载冲击、雷击时）。由浪涌电压超出了R1/C1的吸收范围，Ud绝对值将大于Uc2，二极管整流模块导通，给C2充电，起到吸收浪涌电压作用。其中当Ud如图示方向为正时，二极管VT1、VT2导通。Ud如图示方向为负时，二极管VT3、VT4导通。当C2吸收充电后，其存储能量无法通过二极管整流模块逆变回主电路，因此不会对主电子开关产生电流冲击。C2的能量只通过电阻Rp释放。随着能量的释放，C2两端电压下降，再次具备吸收能力。通过合理的参数设计，可使得附属动态均压电路的使用频率相比R1、C1要小很多，因此即使容值加大，平均功耗仍较小。

由于R2/C2支路不对主电子开关产生电流冲击，因此R2可比R1小很多，R2/C2支路的响应速度将更快。同时由于C2两端为直流电压，因此可选用大容量价格低廉的电解电容。

附属动态均压阻容支路的缺点由于Rp很大，C2的放电常数一般较大，导致电压冲击历时较长或者频率较高时，将无法起到作用。

解决方案如图4所示的本发明的中高压串联电子开关实施例二，与实施例一不同之处就在于减小Rp阻值，并串联可控电子开关K后再并联在C2两端。通过控制电子开关K，可根据系统浪涌吸收的需求，动态更改C2的放电常数，从而在投切频率和功耗方面达到平衡。

Claims (1)

1.一种中高压串联电子开关，包括主电力电子开关模块和基本动态均压阻容支路，所述的基本动态均压阻容支路由无极性电容（C1）和电阻（R1）串联组成，其特征是：还设有H桥二极管整流模块、附属动态均压阻容支路、放电电阻以及浪涌吸收模块，所述的H桥二极管整流模块由四只二极管（VT1、VT2、VT3、VT4）组成，所述的H桥二极管整流模块的输入端与基本动态均压阻容支路相连、输出端与附属动态均压阻容支路相连，附属动态均压阻容支路两端还并联有浪涌吸收模块（MOV），所述的附属动态均压阻容支路由电容（C2）和限流电阻（R2）串联组成，所述的附属动态均压阻容支路的电容（C2）两端还并联了放电电阻（Rp）；

所述的电容(C2)为有极性的电解电容或无极性的电容；所述的附属动态均压阻容支路的放电电阻（Rp）支路上还串联有可控电子开关（K）；所述的主电力电子开关模块的可控电力电子开关T1是普通晶闸管或门极可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。