CN103401545B - 用于高压回路的开关装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高压回路的开关装置。该用于高压回路的开关装置包括：低压端，连接至低压回路，用于接收来自低压回路的控制信号，其中，高压回路在控制信号的控制下断开或导通；高压端，高压端包括高压端腔体，高压端腔体内的空隙全部采用固体绝缘填充物填充；连接单元，连接单元包括第一端和第二端，第一端连接至低压端，第二端连接至高压端。通过本发明，使得开关在控制高压输电系统进行安全地导通与断开操作时不发生局部放电。

Description

用于高压回路的开关装置

技术领域

本发明涉及开关领域，具体而言，涉及一种用于高压回路的开关装置。

背景技术

随着社会对电力需求的不断增大，电力产业得到了快速发展。电力产业的发展速度受输电系统运行安全与否的制约，因此，输电系统安全运行成为电力行业关注的重大问题。为了确保输电系统的安全运行，电力行业一般要对输电系统等电力设施进行定期检测。在检测过程中，经常需要对输电系统进行断开与导通操作。由于输电系统一般为高压回路，因此，对其进行导通与断开操作对人身与设备安全造成了巨大威胁。

为了确保高压输电系统进行安全地导通与断开操作，在现有技术中提供了一种方案，在该方案中，采取气隙开关来控制高压输电系统进行安全地断开与导通操作。这种技术方案所提供的气隙开关在控制高压输电系统进行安全地断开与导通操作时，一般会发生局部放电现象。气隙开关在运行中发生局部放电现象严重影响了检测结果的正确度。

针对相关技术中开关在控制高压输电系统进行安全地导通与断开操作时发生局部放电的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种无局部放电的开关装置，以解决相关技术中开关在控制高压输电系统进行安全地导通与断开操作时发生局部放电的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，提供了一种用于高压回路的开关装置。该用于高压回路的开关装置包括：低压端，连接至低压回路，用于接收来自低压回路的控制信号，其中，高压回路在控制信号的控制下断开或导通；高压端，高压端包括高压端腔体，高压端腔体内的空隙全部采用固体绝缘填充物填充；连接单元，连接单元包括第一端和第二端，第一端连接至低压端，第二端连接至高压端。

进一步地，连接单元包括：光纤。

进一步地，控制信号为电信号，低压端包括：电光转换模块，电光转换模块的第一端连接至连接单元，用于将电信号转换为光信号；以及驱动电路，驱动电路的第一端连接至低压回路，驱动电路的第二端连接至电光转换模块的第二端，用于驱动电光转换模块。

进一步地，电光转换模块包括：HFBR-1414模块，HFBR-1414模块用于将电信号转换为单一波长的光信号。

进一步地，固体绝缘填充物包括：环氧树脂。

进一步地，高压端还包括：电极；以及PCB板，PCB板设置在高压端腔体的内部。

进一步地，PCB板包括单级IGBT电路或者多级IGBT串联电路，单级IGBT电路包括：光电转换模块，光电转换模块的第一端连接至连接单元，用于将光信号转换为电信号，信号调理与放大电路，信号调理与放大电路的第一端连接至光电转换模块的第二端，用于对电信号进行逻辑调节和信号放大，IGBT驱动电路，IGBT驱动电路的第一端连接至信号调理与放大电路的第二端，用于IGBT的导通与断开，栅极保护电路，栅极保护电路的第一端连接至IGBT驱动电路的第二端，用于保护IGBT的栅极不被击穿，以及IGBT，IGBT的第一端连接至栅极保护电路的第二端，用于控制高压回路的导通与断开。多级IGBT串联电路包括：第一单级IGBT电路，第二单级IGBT电路，第二单级IGBT电路和第一单级IGBT电路串联，以及均压电路，均压电路包括第一均压电路和第二均压电路，第一均压电路与第一单级IGBT电路中的IGBT并联，第二均压电路与第二单级IGBT电路中的IGBT并联，均压电路用于平均第一单级IGBT电路中的IGBT和第二单级IGBT电路中的IGBT上的压降。

进一步地，光电转换模块包括：HFBR-2412模块，HFBR-2412模块用于将光信号转换为电信号。

进一步地，PCB板还包括：供电模块，供电模块连接至光电转换模块、信号调理与放大电路和IGBT驱动电路，用于为光电转换模块、信号调理与放大和IGBT驱动电路提供电源。

进一步地，供电模块包括：锂电池。

通过本发明，采用低压端、高压端和连接单元，其中，低压端连接至低压回路，用于接收来自低压回路的控制信号，其中，高压回路在控制信号的控制下断开或导通；高压端包括高压端腔体，高压端腔体内的空隙全部采用绝缘填充物填充；以及连接单元包括第一端和第二端，第一端连接至所述低压端，第二端连接至高压端，解决了相关技术中开关在控制高压输电系统进行安全地导通与断开操作时发生局部放电的问题，使得开关在控制高压输电系统进行安全地导通与断开操作时不发生局部放电。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的用于高压回路的开关装置的示意图；

图2是根据本发明实施例的高压端的结构示意图；

图3是根据本发明优选实施例的单级绝缘栅双极性晶体管（Insulated GateBipolar Transistor，简称为IGBT）的用于高压回路的开关装置的示意图；以及

图4是根据本发明优选实施例的多级IGBT串联的用于高压回路的开关装置的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明的实施例提供了一种用于高压回路的开关装置，该装置用于控制高压回路的导通与断开。

图1是根据本发明实施例的用于高压回路的开关装置的示意图。

如图1所示，该装置包括低压端10、高压端20和连接单元30，低压端10通过连接单元30连接至高压端20。

低压端10连接至低压回路，可以用于接收来自低压回路的控制信号。低压端10在接收到来自低压回路的控制信号后，可以先将其转换成可以在连接单元30中进行传播的信号。控制信号在低压端转换成可以在连接单元30中进行传播的信号后，可以经过连接单元30的传播，从而到达高压端20，触发高压端20的断开和导通。

例如，假设光信号可以在连接单元30中传播，并且来自低压回路的控制信号可以是电信号。首先，在低压端10处，电信号先转换成光信号，接着，光信号经过连接单元30进行传播，最后，光信号到达高压端20。

来自低压回路的控制信号可以控制高压回路的断开或导通。控制信号可以是数字信号。数字信号可以是高电平数字信号或者低电平数字信号。来自低压回路的控制信号控制高压回路的断开或导通可以是来自低压回路的低电平控制高压回路的断开和来自低压回路的高电平控制高压回路的导通，也可以是来自低压回路的高电平控制高压回路的断开和来自低压回路的低电平控制高压回路的导通。

来自低压回路的控制信号先经过低压端10的转换，再经过连接单元30的传播，最后到达高压端20。控制信号到达高压端20之后，可以先经过与低压端10相反的转换。经过高压端20的相反的转换之后，控制信号可以触发高压端20断开和导通。当高压端20断开时，高压回路断开，当高压端20导通时，高压回路导通。

例如，假设控制信号为电信号。如果电信号在低压端10可以被转换成光信号，并且光信号经过在连接单元30中传播之后到达高压端20，那么该光信号在高压端20可以被转换成电信号。在高压端20完成光信号转换成电信号之后，该电信号可以触发高压端20的断开或导通，当高压端20断开时，高压回路断开，当高压端20导通时，高压回路导通，从而实现控制高压回路的断开或导通。

如图2所示，高压端20可以包括电极201、PCB板202、高压端腔体203和高压端外壳204。

电极201设置在高压端20接入高压回路的一端，其可以是球形或者圆柱体。电极201本身不发生局部放电，也没有电晕。

PCB板202设置在高压端20的高压端腔体203中。高压端20的控制高压回路断开与导通的电路及电路模块都设置在PCB板202上。PCB板可以包括一块或者多块。

高压端腔体203。高压端腔体203内设置有PCB板202。高压端腔体203内的空隙全部采用固体绝缘填充物填充。

固体绝缘填充物可以是介电常数较大的固体绝缘填充物。

优选地，固体绝缘填充物可以是介电常数大于3的环氧材料。环氧材料的介电常数与高压端腔体203内的电场强度成反比。环氧材料的介电常数越小时，高压端腔体203内的电场强度越大；环氧材料的介电常数越大时，高压端腔体203内的电场强度越小。高压端腔体203内的电场强度越大时，开关越容易放电；高压端腔体203内的电场强度越小时，开关越不容易放电。

这样，采用介电常数大于3的环氧材料作为高压端腔体203的固体绝缘填充物，高压端腔体203内的电场强度会很小，因此，开关不会发生局部放电。

环氧材料可以是环氧树脂材料。对高压端腔体203填充环氧树脂材料需要经过严格的工艺。

例如，对高压端腔体203进行环氧树脂材料填充时，可以采用抽空空气或者添加无水乙醇的制作工艺将高压端腔体203内填充的环氧树脂材料的气隙排除。

这样，介电常数较小的空气被排出高压端腔体203，避免了介电常数较小的空气在高压端腔体203内形成较大的电场强度，从而避免了开关局部放电的发生。

高压端外壳204可以是环氧玻璃纤维绝缘板。

这样，高压端外壳204采用环氧玻璃纤维绝缘板可以阻止外界场强对开关的影响，从而提高了开关的抗干扰性，避免了开关局部放电的发生。

连接单元30可以包括第一端和第二端，第一端连接至低压端10，第二端连接至高压端20。连接单元30将低压端10转换的控制信号传送至高压端20，该控制信号到达高压端20之后，再经过高压端20的转换之后，可以出发高压端20断开与导通。

这样，来自低压回路的控制信号先经过低压端10的接收与转换，再经过连接单元30的传播，最后在高压端20进行与低压端10相反的转换之后，触发高压端20的断开与导通，最终达到控制高压回路的断开与导通。高压端腔体内的空隙通过全部采用绝缘填充物填充，达到了开关在控制高压回路的断开与导通时无局部放电的效果。

在本发明实施例中，通过采用本发明实施例开关装置可以实现开关装置在控制高压回路时无局部放电的效果。

图3是根据本发明优选实施例的单级IGBT电路的用于高压回路的开关装置的示意图。

如图3所示，该装置可以包括单级IGBT电路的开关装置，单级IGBT电路可以设置在如图2所示的PCB板202上。单级IGBT电路可以包括单个低压端、单个连接单元和单个高压端。低压端通过连接单元连接至高压端。其中，单个低压端可以包括驱动电路和电光转换模块；连接单元可以包括光纤；单个高压端可以包括光电转换模块、信号调理与放大电路、IGBT驱动电路、供电模块、栅极保护电路和IGBT。

电光转换模块的第一端连接至连接单元，第二端连接至驱动电路。电光转换模块可以将电信号转换成光信号。来自低压回路的控制信号为电信号，该电信号经过电光转换模块可以转换成光信号。

电光转换模块可以是HFBR-1414模块。HFBR-1414模块的工作频率可以为160MBd，通信距离可以为500m。HFBR-1414模块可以将电信号转换为单一波长的光信号。例如，HFBR-1414模块可以将电信号转换波长为820nm的光信号。

驱动电路的第一端连接至低压回路，第二端连接至电光转换模块的第二端。当低压回路发送控制信号时，并且低压端接收到该控制信号后，驱动电路可以驱动电光转换模块以将低压回路发送的控制信号从电信号转换成光信号。

来自低压回路的控制信号可以控制高压回路的断开或导通。控制信号可以为数字信号，数字信号可以为高电平信号或者低电平信号。来自低压回路的控制信号控制高压回路的断开或导通可以是来自低压回路的低电平控制高压回路的断开和来自低压回路的高电平控制高压回路的导通，也可以是来自低压回路的高电平控制高压回路的断开和来自低压回路的低电平控制高压回路的导通。

连接单元的第一端连接至低压端的电光转换模块的第一端，其第二端连接至高压端的光电转换模块的第一端。经过电光转换模块的转换，来自低压回路的控制信号可以由电信号转化为光信号，该光信号沿着连接单元可以转播至高压端。

连接单元可以是光纤。光纤可以是多模光纤。光纤可以有效的将高压回路中运行的设备与低压回路隔离开。

这样，光纤作为连接单元既可以保证人身和设备的安全，又可以避免周围恶劣的电磁环境对信号传输的干扰。同时，光速很快，因此，光信号沿着光纤传播至高压端时，可以节约控制信号的传播时间，从而达到快速断开和导通高压电路的效果。

光纤的两端的接头可以是非金属的。例如，光纤的两端的接头可以是SC接头。

这样，在高电压的情况下，SC接头可以避免悬浮放电，从而达到开关在控制高压输电系统进行安全地导通与断开操作时不发生局部放电效果。

高压端可以包括光电转换模块、信号调理与放大电路、IGBT驱动电路、供电模块、栅极保护电路和IGBT。单级IGBT电路可以设置在如图2所示的PCB板上。

供电模块可以设置在高压端。供电模块连接至光电转换模块、信号调理与放大电路和IGBT驱动电路，用于为光电转换模块、信号调理与放大和IGBT驱动电路提供电源。

优选地，供电模块可以是锂电池或者锂电池组。锂电池的体积大小可以不超过100*50*50（mm*mm*mm），其输出电压幅值可以是不超过20V的电压幅值，其电量值可以是不低于500mAh的电量值。锂电池可以重复充电。例如，锂电池的输出电压幅值可以是16V，其电量值可以是1200mAh的电量值。

光电转换模块的第一端连接至光纤的第二端，光电转换模块的第二端连接至信号调理与放大电路。光信号经过光纤传播到达光电转换模块之后，光电转换模块可以将光信号转换成电信号。

光电转换模块可以是HFBR-2412模块。HFBR-2412模块的工作频率可以为5MBd，通信距离可以为1500m。HFBR-2412模块可以将光信号转换为电信号。例如，HFBR-2412模块可以将波长为820nm的光信号转换为电信号。

信号调理与放大电路。信号调理与放大电路的第一端连接至光电转换模块的第二端，信号调理与放大电路的第二端连接至IGBT驱动电路。信号调理与放大电路可以用于将数字电信号进行逻辑调节和信号放大。例如，该信号调理与放大电路可以将数字信号进行逻辑求反。

例如，当数字信号是逻辑“1”时，数字信号经过信号调理与放大电路进行逻辑求反后可以变成逻辑“0”；当数字信号是逻辑“0”时，数字信号经过信号调理与放大电路进行逻辑求反后可以变成逻辑“1”。

信号调理与放大电路还可以将数字信号进行放大。光信号经过光电转换模块转换之后得到的电信号比较微弱，该比较微弱的电信号经过信号调理与放大电路可以放大成IGBT驱动电路的可用信号较强的电信号。

IGBT驱动电路的第一端连接至信号调理与放大电路的第二端，IGBT驱动电路的第二端连接至栅极保护电路的第一端。IGBT驱动电路可以用于驱动IGBT的导通与断开。

栅极保护电路的第一端连接至IGBT驱动电路的第二端，栅极保护电路的第二端连接至的第一端。因为IGBT的栅极电流比较大，在IGBT的栅极设置栅极保护电路，可以用于保护IGBT的栅极不被击穿。栅极保护电路可以是由无源瞬态抑制二极管TVS组成的电路。

IGBT的第一端连接至栅极保护电路的第二端。IGBT（Insulated Gate BipolarTransistor）是指绝缘栅双极性晶体管。在IGBT驱动电路的作用下，控制信号可以控制IGBT的断开与导通。在断开状态下，IGBT的电阻很大；在导通状态下，IGBT的电阻很小。IGBT可以用于控制高压回路的断开与导通。当处于IGBT断开状态时，高压回路断开；当处于IGBT导通状态时，高压回路导通。

在本发明实施例中，通过采用本发明实施例的单级IGBT电路的开关装置可以实现开关装置的快速导通，其导通时间可以不超过1us，并且单次导通脉宽也可以调节并可以达到100ms以上。通过采用本发明实施例的单级IGBT电路的开关装置也可以实现开关装置导通电阻较小的效果，其等效导通电阻不超过10Ω。由于该固体高压开关的等效导通电阻比较小，因此，其能耗比较小。通过采用本发明实施例的单级IGBT电路的开关装置还可以实现开关装置在控制高压回路时无局部放电的效果。

图4是根据本发明优选实施例的多级IGBT串联的用于高压回路的开关装置的示意图。

如图4所示，在本发明实施例中，该装置可以包括多级IGBT电路的开关装置，其中，多级IGBT电路串联，多级IGBT电路可以设置在如图2所示的一块或者多块PCB板202上。多级IGBT电路可以包括多个低压端、多个连接单元和多个高压端。低压端通过连接单元连接至高压端。其中，单个低压端可以包括驱动电路和电光转换模块；连接单元可以包括光纤；单个高压端可以包括光电转换模块、信号调理与放大电路、IGBT驱动电路、供电模块、栅极保护电路和IGBT。每个低压端通过一个连接单元连接至一个高压端，多级IGBT电路串联。

这样，采用光纤，优选地，可以通过采用多模光纤先将低压端和高压端连接起来形成单级IGBT电路，再将多个单级IGBT电路进行串联，从而形成多个单级IGBT电路串联的开关装置。由于光信号在光纤中传播速度很快，并且每个IGBT的导通时间也很短，因此，多个单级IGBT电路串联的开关装置可以实现同步导通。

在本发明实施例中，该装置还可以包括多个均压电路，每个IGBT可以与一个均压电路并联。均压电路可以实现多级IGBT电路串联之后各个单级IGBT电路承受电压值相等的压降，从而提高了开关装置的耐压性能，其可以承受不低于28kV的高压。均压电路本身不发生局部放电，也没有电晕。

在本发明实施例中，低压回路的控制信号可以是PC机通过IN USB-6211控制单元发送的数字控制信号。

在本发明实施例中，通过采用本发明实施例的多级IGBT电路串联的开关装置可以实现开关装置的快速、同步导通，也可以实现提高开关装置的耐压性能。

从以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：

通过本发明，达到了开关在控制高压输电系统进行安全地导通与断开操作时不发生局部放电、抗干扰能力强、导通电阻小、开通时间短和耐压性能高等效果，其等效导通电阻不超过10Ω，由于该固体高压开关的等效导通电阻比较小，因此，其能耗比较小。本发明实施例的开关装置可以实现快速、同步导通，其导通时间可以不超过1us，并且单次导通脉宽也可以调节并可以达到100ms以上。本发明实施例的开关装置可以承受不低于28kV的高压。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于高压回路的开关装置，其特征在于，包括：

低压端(10)，连接至低压回路，用于接收来自所述低压回路的控制信号，其中，所述高压回路在所述控制信号的控制下断开或导通；

高压端(20)，所述高压端(20)包括高压端(20)腔体，所述高压端(20)腔体内的空隙全部采用固体绝缘填充物填充；以及

连接单元(30)，所述连接单元(30)包括第一端和第二端，所述第一端连接至所述低压端(10)，所述第二端连接至所述高压端(20)，

所述控制信号为电信号，所述低压端(10)包括：

电光转换模块，所述电光转换模块的第一端连接至所述连接单元(30)，用于将所述电信号转换为光信号；以及

驱动电路，所述驱动电路的第一端连接至所述低压回路，所述驱动电路的第二端连接至所述电光转换模块的第二端，用于驱动所述电光转换模块,

所述高压端还包括：电极，设置在所述高压端接入所述高压回路的一端；PCB板，设置在所述高压端腔体中，所述高压端的控制所述高压回路断开与导通的电路及电路模块设置在所述PCB板上。

2.根据权利要求1所述的用于高压回路的开关装置，其特征在于，所述连接单元(30)包括：光纤。

3.根据权利要求1所述的用于高压回路的开关装置，其特征在于，所述电光转换模块包括：HFBR-1414模块，所述HFBR-1414模块用于将所述电信号转换为单一波长的光信号。

4.根据权利要求1所述的用于高压回路的开关装置，其特征在于，所述固体绝缘填充物包括：环氧树脂。

5.根据权利要求1所述的用于高压回路的开关装置，其特征在于，所述PCB板包括单级IGBT电路或者多级IGBT串联电路，

所述单级IGBT电路包括：

光电转换模块，所述光电转换模块的第一端连接至所述连接单元(30)，用于将所述光信号转换为电信号，

信号调理与放大电路，所述信号调理与放大电路的第一端连接至所述光电转换模块的第二端，用于对所述电信号进行逻辑调节和信号放大，

IGBT驱动电路，所述IGBT驱动电路的第一端连接至所述信号调理与放大电路的第二端，用于IGBT的导通与断开，

栅极保护电路，所述栅极保护电路的第一端连接至所述IGBT驱动电路的第二端，用于保护所述IGBT的栅极不被击穿，以及

IGBT，所述IGBT的第一端连接至所述栅极保护电路的第二端，用于控制所述高压回路的导通与断开，

所述多级IGBT串联电路包括：

第一单级IGBT电路，

第二单级IGBT电路，所述第二单级IGBT电路和第一单级IGBT电路串联，以及

均压电路，所述均压电路包括第一均压电路和第二均压电路，所述第一均压电路与所述第一单级IGBT电路中的所述IGBT并联，所述第二均压电路与所述第二单级IGBT电路中的所述IGBT并联，所述均压电路用于平均所述第一单级IGBT电路中的所述IGBT和所述第二单级IGBT电路中的所述IGBT上的压降。

6.根据权利要求5所述的用于高压回路的开关装置，其特征在于，所述光电转换模块包括：HFBR-2412模块，所述HFBR-2412模块用于将所述光信号转换为所述电信号。

7.根据权利要求5所述的用于高压回路的开关装置，其特征在于，所述PCB板还包括：供电模块，所述供电模块连接至所述光电转换模块、所述信号调理与放大电路和所述IGBT驱动电路，用于为所述光电转换模块、信号调理与放大和IGBT驱动电路提供电源。

8.根据权利要求7所述的用于高压回路的开关装置，其特征在于，所述供电模块包括：锂电池。