CN104362751A - 一种智能切换开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能切换开关，所述智能切换开关由多路子开关、电流互感器、切换开关控制电路和通信总线组成，所述多路子开关分别与对应的一条线路连接，所述多路子开关并联后与所述电流互感器和控制电路依次串联；所多路子开关的结构相同，均包括一个接触器、一个辅助继电器和一个二极管，其中，所述二极管的负极与辅助继电器串联后与接触器并联。所述智能切换开关使用二极管作为电子电力开关，切换时间短，能够满足敏感负荷的要求，具有损耗极低、无需附加散热电路、体积小、节省成本等优点，并且实现了无弧切换，可以极大地延长接触器和辅助继电器的寿命。

Description

一种智能切换开关

技术领域

本发明涉及输配电技术领域，特别涉及一种智能切换开关。

背景技术

在传统电网中，当某条供电线路出现故障时，为了保障用户的连续供电，常用的方法是用机械开关(真空断路器、SF6断路器等)将用户从故障线段切换到无故障的母线上去。机械开关本身固有的特性使得切换速度和暂态特性都不是十分理想，不可能做到“无缝隙”的切换。对于敏感负荷而言，一般要求在5～20ms内必须切换电源，甚至要求更高，机械开关是远远不能做到的这一点的。另外，机械开关在闭合或开断时，会由于触头震动或起弧现象而造成触发蚀损、电磁干扰与电能损失，这不但限制了其使用范围，而且也降低了电气寿命。

目前，最新技术方向是利用基于半导体器件的电力电子开关代替或改造传统的机械开关，可以有效解决传统机械开关的固有问题，大大提高切换速度和开关的使用寿命，满足敏感负荷对供电可靠性和电能质量的苛刻要求。此类快速切换开关按结构型式可分为纯半导体器件和复合开关(也称组合开头)型式两种，前者可以由晶闸管、门极关断晶闸管(GTO)或集成门极换向晶闸管(IGCT)阀构成，后者可以是半导体器件与机械开关的有机组合。

1、完全基于电力电子器件的切换开关

以晶闸管阀组为例，基于纯晶闸管阀的切换开关如图1所示。

由于晶闸管的触发次数没有限制，而且导通迅速，因此非常适用于频繁投切场合下的切换。应用时，通常采用两个反并联的晶闸管的阀组件构成投切开关。为了避免合闸涌流对晶闸管的冲击，工程中必须采取过零触发措施。这里过零触发方案一般是指在晶闸管两端电压为零的瞬间发出触发信号。此类技术方案的主要缺点是晶闸管损耗较大。如果负载额定电流约为145A，晶闸管导通压降约为1V，则晶闸管额定导通损耗为145×1×3＝435W，因此必须采取相应的散热措施。此外，在高电压(10kV级以上)场合应用时，受限于现有晶闸管制造水平，往往需要12～24只晶闸管(5400V)通过串并联构成阀组件，工程造价也高。

2、复合开关

为了避免机械开关动作缓慢、接触器不能频繁动作以及晶闸管损耗大的缺点，人们将机械开关(接触器)与晶闸管有机地并联组合构成复合开关，如图2所示。

在切换过程中，对于要投入的线路，首先使用晶闸管过零触发来实现投入，然后接通机械开关来保持负荷的连续供电，这样就避免了投切时的涌流，又避免了晶闸管连续运行时的损耗。对于要切除的线路，首先发出触发信号使晶闸管导通，然后断开机械开关，最后撤销触发信号使晶闸管电流过零关断，这样就避免了机械开关断开时的电弧，提高了机械开关的寿命。复合开关中的机械开关也可以使用交流接触器或磁保持继电器。磁保持继电器只有在接通或者断开瞬间控制线圈耗电，其余时间控制线圈不耗电，因此可以使补偿装置的损耗降至最小。复合开关中的晶闸管只在接通与断开电容器的瞬间使用，损耗很小，无须考虑散热措施。此类复合开关技术方案的主要缺点是，由于使用晶闸管，设备成本较高，并且引入晶闸管驱动电路，需要精确实现过零触发，否则仍存在起弧，降低了设备的整体可靠性。现有工程运行经验来看，接触器触点仍会烧损。

通过上述描述可知，现有技术中的各种开关都存在各自的缺点，因此，需要一种能够克服上述缺点的智能切换开关。

发明内容

为此，本发明提出一种智能切换开关，可充分地消除由于现有技术的限制和缺陷导致的一个或多个问题。

本发明另外的优点、目的和特性，一部分将在下面的说明书中得到阐明，而另一部分对于本领域的普通技术人员通过对下面的说明的考察将是明显的或从本发明的实施中学到。通过在文字的说明书和权利要求书及附图中特别地指出的结构可实现和获得本发明目的和优点。

本发明提供了一种智能切换开关，其特征在于，所述智能切换开关由多路子开关、电流互感器、切换开关控制电路和通信总线组成，所述多路子开关分别与对应的一条线路连接，所述多路子开关并联后与所述电流互感器和控制电路依次串联；所多路子开关的结构相同，均包括一个接触器、一个辅助继电器和一个二极管，其中，所述二极管的负极与辅助继电器串联后与接触器并联。

优选的，所述控制电路利用电流互感器检测负荷电流进行系统状态判断，并根据上级主控的切换指令，切换开关控制电路SCU产生控制信号，控制接触器和辅助继电器的通断电。

优选的，所述自动换相开关通过通信总线与上级主控进行通信。

优选的，所述通信总线为485总线。

优选的，所述智能切换开关用于配电网低压负荷平衡调节装置中，其中，所述多路子开关为A相换相开关、B相换相开关和C相换相开关，并且，所述A相换相开关与A相线连接，所述B相换相开关与B相线连接，所述C相换相开关与C相线连接。

优选的，所述上级主控为智能配变控制终端。

本发明具有以下优点：

智能切换开关使用二极管作为电力电子开关，在开关闭合过程中，二极管正向电压大于0.7V即可导通，无需附加的触发信号，简化了控制电路，同时也提高了设备可靠性。二极管仅在开关接通和断开的瞬间工作，在开关断开状态由辅助继电器承受耐压，在开关闭合状态由接触器承受电流，所以损耗极低，无需附加散热电路。而且与晶闸管相比，二极管的成本和体积占据明显的优势。

在整个切换过程中，二极管起到保护辅助继电器触点和接触器触点的双重作用，辅助继电器和接触器可以互相保护，实现了无弧切换，可以极大地延长接触器和辅助继电器的寿命。

由于二极管自然导通与截止的特性，以及辅助继电器和接触器的无弧切换，智能切换开关的操作时间理论上最大为半个周波(10ms)。如果进行三相供电系统相间切换，切换时间最长为3.3ms，能够满足敏感负荷的要求。

附图说明

图1为现有技术中的基于晶闸管阀的切换开关原理图。

图2为现有技术中的复合开关的结构图。

图3为根据本发明实施例的、智能切换开关的结构示意图。

图4为根据本发明实施例的、具有两条线路的智能切换开关的结构示意图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。

如图3所示，本发明提供的所述智能切换开关使用二极管作为电力电子开关，其由多路子开关、电流互感器、切换开关控制电路和通信总线组成，所述多路子开关分别与对应的一条线路连接，所述多路子开关并联后与所述电流互感器和控制电路依次串联；所多路子开关的结构相同，均包括一个接触器(K11、K21…Kn1)、一个辅助继电器(K12、K22…Kn2)和一个二极管(D1、D2…Dn)，其中，所述二极管(D1、D2…Dn)的负极与辅助继电器(K12、K22…Kn2)串联后与接触器(K11、K21…Kn1)并联。所述自动换相开关通过通信总线与上级主控进行通信，所述控制电路利用电流互感器TA检测负荷电流进行系统状态判断，并根据上级主控的切换指令，切换开关控制电路SCU产生控制信号，控制接触器(K11、K21…Kn1)和辅助继电器(K12、K22…Kn2)的通断电。

作为本发明优选实施例，所述智能切换开关可用于配电网低压负荷平衡调节装置中，其中，所述多路子开关为A相换相开关、B相换相开关和C相换相开关，并且，所述A相换相开关与A相线连接，所述B相换相开关与B相线连接，所述C相换相开关与C相线连接。在该实施例中，所述上级主控为智能配变控制终端。

优选的，本发明所采用的通信总线为485总线。

例如，如图4所示，当从线路1切换到线路2时，工作过程如下：

1、智能配变控制终端下发从线路1切换到线路2的命令。控制电路SCU通过通信总线(例如RS485协议)接收到此切换命令。

2、断开线路1的智能开关(S1)。当控制单元SCU接到开关断开指令后，SCU先控制继电器K12闭合，由于K11处于闭合状态，K12闭合后没有电流通过K12的触点；在电路电流为正半周时，SCU控制接触器K11断电，接触器K11的触点将断开，随着K11触点距离的增加，触点两端的电压也增加，当电压超过二极管D1的导通电压时，二极管D1将导通，并把K11触点分离过程中触点承受的电压钳位在0.7V以下，K11触点在电流正半周内完全断开；当电流为负半周期时，SCU控制辅助继电器K12断开，在电流的负半周期，二极管D1反向偏置不导通，没有电流通过负荷，辅助继电器K12在电流负半周期内完成断开，即智能开关S1完成了断开过程。在开关S1断开的过程中，触点K11承受的电压不超过0.7V，触点不会发生拉弧。辅助继电器在断开时由于没有电流通过，而且反向电压都加在二极管上，所以辅助继电器在断开时触点也不会产生拉弧。

3、闭合线路2的智能开关(S2)。SCU控制继电器K22在电压的负半周通电，继电器触点在电压负半周的时候稳定闭合，由于二极管D2反向偏置，触点闭合过程中没有电流通过，智能开关S2还处于断开状态；当电源电压过零后，二极管D2迅速导通，负荷开始有电流流过，同时SCU控制接触器K21通电，K21的触点在二极管D2正向导通期间完成稳定闭合，即完成了智能开关S2的闭合过程。在S2触点闭合的过程中，触点之间的距离从完全断开的最大到完全闭合期间，触点承受的电压仅为二极管D2的正向电压0.7V，不会产生浪涌电流或起弧。

本发明提供的智能切换开关使用二极管作为电力电子开关，在开关闭合过程中，二极管正向电压大于0.7V即可导通，无需附加的触发信号，简化了控制电路，同时也提高了设备可靠性。二极管仅在开关接通和断开的瞬间工作，在开关断开状态由辅助继电器承受耐压，在开关闭合状态由接触器承受电流，所以损耗极低，无需附加散热电路。而且与晶闸管相比，二极管的成本和体积占据明显的优势。

在整个切换过程中，二极管起到保护辅助继电器触点和接触器触点的双重作用，辅助继电器和接触器可以互相保护，实现了无弧切换，可以极大地延长接触器和辅助继电器的寿命。

由于二极管自然导通与截止的特性，以及辅助继电器和接触器的无弧切换，智能切换开关的操作时间理论上最大为半个周波(10ms)。如果进行三相供电系统相间切换，切换时间最长为3.3ms，能够满足敏感负荷的要求。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种智能切换开关，其特征在于，所述智能切换开关由多路子开关、电流互感器、切换开关控制电路和通信总线组成，所述多路子开关分别与对应的一条线路连接，所述多路子开关并联后与所述电流互感器和控制电路依次串联；所多路子开关的结构相同，均包括一个接触器、一个辅助继电器和一个二极管，其中，所述二极管的负极与辅助继电器串联后与接触器并联。

2.根据权利要求1所述的智能切换开关，其特征在于，所述控制电路利用电流互感器检测负荷电流进行系统状态判断，并根据上级主控的切换指令，切换开关控制电路SCU产生控制信号，控制接触器和辅助继电器的通断电。

3.根据权利要求1所述的智能切换开关，其特征在于，所述自动换相开关通过通信总线与上级主控进行通信。

4.根据权利要求1所述的智能切换开关，其特征在于，所述通信总线为485总线。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的智能切换开关，其特征在于，所述智能切换开关用于配电网低压负荷平衡调节装置中，其中，所述多路子开关为A相换相开关、B相换相开关和C相换相开关，并且，所述A相换相开关与A相线连接，所述B相换相开关与B相线连接，所述C相换相开关与C相线连接。

6.根据权利要求5所述的智能切换开关，其特征在于，所述上级主控为智能配变控制终端。