CN107919722B - 避免中性极危险电压的自动转换开关及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种避免中性极危险电压的自动转换开关，包括连接在包括第一电源和第二电源的电源以及负载之间的两个开关模块，其中，第一开关模块的相极的输入端与第一电源的相极电连接，第一开关模块的中性极的输入端与第二电源的中性极电连接，并且第二开关模块的相极的输入端与第二电源的相极电连接，第二开关模块的中性极的输入端与第一电源的中性极电连接，并且在每一个开关模块中，相极和中性极的状态相反。本发明提出的自动转换开关能够解决零线腾空现象、避免中性极危险电压，同时成本较低、实现方式简单，具有较高的可靠性。

Description

避免中性极危险电压的自动转换开关及方法

技术领域

本发明涉及一种自动转换开关，特别地，涉及用于避免中性极危险电压的自动转换开关，本发明还涉及一种避免中性极危险电压的方法。

背景技术

自动转换开关(ATS)，也被称为“双电源自动转换开关”或“双电源开关”，是用于将一个或几个负载电路从一个供电电源自动转换至另一个供电电源从而向负载持续供电的电器。

为了避免两路电源出现短路，自动转换开关在切换电源过程中，往往是先完全切断一路电源，然后再闭合另外一路电源。这种转换策略确实可以保证两路电源不发生短路，但在转换过程中，不可避免地会出现短时间的负载侧中性线完全断开，出现负载侧中性线悬空的情况，称作“零线腾空”现象。零线腾空会造成中性极电压抬升，致使敏感设备比如IT设备损坏。在很多采用UPS(Uninterrupted Power Supply，不间断电源)的配电系统中，当ATS后接UPS时，UPS的输出端(负载侧)零地电压有可能高达几十伏甚至上百伏，导致服务器重启或烧坏，造成一系列严重后果。为此，很多配电系统要求在自动转换开关转换过程中避免出现零线腾空现象。

现有的大部分自动转换开关无法避免上述的零线腾空现象，少数能实现中性极重叠转换以解决零线腾空问题的产品一般都是原生型，不仅成本高，而且通用性也不好。

因此，存在这样一种需求，即，提供一种能够解决零线腾空现象、避免中性极危险电压的自动转换开关，该自动转换开关的成本较低、实现方式简单，同时具有较高的可靠性。

发明内容

根据上述的缺点和不足，本发明的目的是至少解决现有技术中存在的上述问题。

在本发明的一优选实施例中，提供一种避免中性极危险电压的自动转换开关，包括连接在包括第一电源和第二电源的电源以及负载之间的两个开关模块，其中，第一开关模块的相极的输入端与第一电源的相极电连接，第一开关模块的中性极的输入端与第二电源的中性极电连接，并且第二开关模块的相极的输入端与第二电源的相极电连接，第二开关模块的中性极的输入端与第一电源的中性极电连接，并且在每一个开关模块中，相极和中性极的状态相反。

优选地，在每一个开关模块中，该开关模块的相极和中性极同时动作。

优选地，当第一电源闭合、第二电源断开时，第一电源的相极和第一开关模块的相极之间电力连通，第一电源的中性极和第二开关模块的中性极之间电力连通，并且第二电源的相极和第二开关模块的相极之间电力断开，第二电源的中性极和第一开关模块的相极之间电力断开。

优选地，当第一电源从闭合切换至断开时，第一电源的相极和第一开关模块的相极之间电力断开，同时第二电源的中性极和第一开关模块的中性极之间电力连通。

优选地，当第二电源从断开切换至闭合时，第二电源的相极和第二开关模块的相极之间电力连通，同时第一电源的中性极和第二开关模块的中性极之间电力断开。

优选地，当第一电源断开、第二电源闭合时，第一电源的相极和第一开关模块的相极之间电力断开，第一电源的中性极和第二开关模块的中性极之间电力断开，并且第二电源的相极和第二开关模块的相极之间电力连通，第二电源的中性极和第一开关模块的相极之间电力连通。

优选地，当第一电源从闭合切换至断开时，第一电源的相极和第一开关模块的相极之间先电力断开，然后第二电源的中性极和第一开关模块的中性极之间电力连通。

优选地，当第二电源从断开切换至闭合时，第一电源的中性极和第二开关模块的中性极之间先电力断开，然后第二电源的相极和第二开关模块的相极之间电力连通。

优选地，所述开关模块具有中性极触头组件和至少一个相极触头组件，所述中性极触头组件和所述相极触头组件分别包括至少一个可在第一位置和第二位置之间运动的动触头以及相应的静触头，在第一位置，所述动触头与相应的静触头互相接触使得动静触头之间电力连通，在第二位置，所述动触头与相应的静触头互相分离使得动静触头之间电力断开。

优选地，在每一个开关模块中，相极触头组件和中性极触头组件的动静触头接触状态相反。

优选地，在每一个开关模块中，相极触头组件的静触头和中性极触头组件的静触头面对彼此镜像地布置。

本发明还提供一种避免中性极危险电压的方法，包括：将两个开关模块连接在包括第一电源和第二电源的电源以及负载之间，使得自动转换开关的第一开关模块的相极的输入端与第一电源的相极电连接，第一开关模块的中性极的输入端与第二电源的中性极电连接，并且自动转换开关的第二开关模块的相极的输入端与第二电源的相极电连接，第二开关模块的中性极的输入端与第一电源的中性极电连接；以及，将每一个开关模块配置为使得相极和中性极的状态相反。

应当认识到，上述描述仅仅是为了示例性的目的，而不是要限制本发明的范围。

附图说明

本发明的示例性实施例的上述和其它特征以及优点将从下面的结合附图的详细描述变得更加明显，并且该描述和附图仅用于示例性目的而不是以任何方式来限制本发明的范围，其中：

图1是根据本发明优选实施例的自动转换开关的中性线重叠转换原理示意图；

图2A是现有技术的自动转换开关的接线示意图；

图2B是根据本发明优选实施例的自动转换开关的接线示意图；

图3至5示出根据本发明优选实施例的自动转换开关的转换过程；

图3是第一电源闭合、第二电源断开时根据本发明优选实施例的自动转换开关的状态示意图；

图4是第一电源从闭合切换至断开的根据本发明优选实施例的自动转换开关的状态示意图；

图5是第二电源从断开切换至闭合的根据本发明优选实施例的自动转换开关的状态示意图；

图6是根据本发明另一实施例的自动转换开关的第一开关模块的状态示意图；

图7是图6中第一开关模块的沿A-A的局部剖面示意图，仅示出中性极触头组件的动静触头和一个相极触头组件的动静触头，其它部件被省略。

具体实施例

现将参照附图描述本发明的各示例性的实施例。

有关本发明的前述及其它技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前、后、顺时针或逆时针等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明，此外，在全部实施例中，相同的附图标记表示相同的元件。

本发明采用中性线重叠转换的方式，使得转换过程中中性线在闭合时间上出现重叠，以解决零线腾空。图1示出中性线重叠转换的原理，自动转换开关ATS包括连接在电源和负载之间的第一开关模块和第二开关模块，电源包括常用电源和备用电源，也称作第一电源S1和第二电源S2。图中的峰表示电源的中性极(Neutral Pole，N极)或相极(Phase Pole，P极)分别与开关模块的中性极或相极之间电力连通(以下简称“导通”)，谷表示电源的中性极或相极分别与开关模块的中性极或相极之间电力断开(以下简称“断开”)。对于三相交流电，相极包括U、V、W三相极。

如图1所示，自动转换开关的转换过程中可分解为如下步骤：

1)第一状态：S1的相极和中性极都导通，S2的相极和中性极都断开；

2)第一转换动作：S1的相极开始断开、S1的中性极保持导通，同时S2的中性极开始导通；

3)第二状态：S1的相极断开，S1的中性极导通，S2的相极断开，S2的中性极导通；

4)第二转换动作：S2的相极开始导通，S2的中性极保持导通，同时S1的中性极开始断开；

5)第三状态：S1的相极和中性极都断开，S2的相极和中性极都导通。

从上述转换过程步骤可以看出，S1的相极动作和S2的中性极动作可同步进行；S2的相极动作和S1的中性极动作可同步进行。如果在接线中，如图中箭头所示，S1的相极和S2的中性极可由同一个开关模块控制，而S1的中性极和S2的相极可共同由另一个开关模块控制。这样，就能实现不同电源的相极和中性极同步动作。

以用于三相电的4极自动转换开关为例，第一电源经由一个开关模块连接于负载，可将该开关模块称作第一开关模块，第二电源经由一个开关模块连接于负载，可将该开关模块称作第二开关模块。在图2A所示的现有技术的自动转换开关接线方案中，第一电源的U、V、W相极和中性极分别与第一开关模块的相应的U、V、W和中性极的输入端连接，通过三根相线和中性线从开关模块的相应的U、V、W和中性极的输出端连接至负载的相应各极；类似地，第二电源的U、V、W相极和中性极分别与第二开关模块的相应的U、V、W和中性极的输入端连接，通过三根相线和中性线从开关模块的相应的U、V、W和中性极的输出端连接至负载的相应各极。本发明提出的接线方案，如图2B所示，对现有技术进行了改造：第一电源的U、V、W三相极仍然与第一开关模块的相应的相极输入端电连接，第一电源的中性极与第二开关模块的中性极输入端电连接；第二电源的U、V、W三相极仍然与第二开关模块的相应的相极输入端电连接，第二电源的中性极与第一开关模块的中性极输入端相连。通常，4极开关模块的相极和中性极是同时动作的。第一开关模块的U、V、W相极和第二开关模块的中性极可以由第一开关模块控制，而第一开关模块的中性极和第二开关模块的相极可以由第二开关模块控制，由此，第一电源和第二电源的相极和中性极可同步动作。

通过这种接线方式，能够实现图1所示的中性线重叠转换，使得电源切换过程中总有一路电源的中性线与负载的中性线保持连接，避免了零线腾空现象的出现。这种新型的接线方式可以是专用的接线方案，也可以利用现有接线片按照电路图接线。

前面已经提到过，外部操作机构操作开关模块开合时，开关模块的相极和中性极通常同时动作。这就需要同一开关模块中的相极和中性极在被同时操作时通断状态相反。如图2B所示的任一4极开关模块中，当开关模块被操作合闸时，U、V、W相极的动静触头接触，使得U、V、W三相极导通，中性极的动静触头分离，中性极断开；当开关模块分闸时，U、V、W三相极的动静触头分离，U、V、W三相极断开，中性极的动静触头接触，中性极导通。

上述通断状态的通过对开关模块的中性极静触头的镜像改造实现。

开关模块具有中性极触头组件和至少一个相极触头组件，中性极触头组件和相极触头组件分别包括至少一个可在第一位置和第二位置之间运动的动触头以及与动触头相应的静触头，在第一位置，动触头与相应的静触头互相接触使得动静触头之间电力连通，在第二位置，所述动触头与相应的静触头互相分离使得动静触头之间电力断开。在本例中，4极开关模块包括U、V、W三相极触头组件和中性极触头组件。每个触头组件包括2个固定的静触头和1个可转动的动触头，其中输入端静触头与电源电连接，输出端静触头与负载或UPS等电器设备电连接，动触头可在第一位置和第二位置之间转动，在第一位置，动触头与静触头接触，在第二位置，动触头与静触头分开。如图3所示，第一开关模块的U、V、W三相极触头组件的输入端分别与第一电源对应的相极电连接，第一开关模块中性极触头组件的输入端与第二电源的中性极电连接；第二开关模块的U、V、W三相极触头组件的输入端分别与第二电源对应的相极电连接，第二开关模块中性极触头组件的输入端与第一电源的中性极电连接。为实现相反的通断状态，每个开关模块的中性极触头组件的静触头被设计成与其它的相极静触头面对彼此镜像地布置：输入端的中性极静触头与输入端的相极静触头镜像布置，输入端的中性极静触头与输出端的相极静触头也镜像布置。如前面所提到的，开关模块的开合操作同时动作，每个开关模块的所有动触头通过外部操作机构实现同时联动，当外部操作机构操作开关模块进行合闸操作时，相极的动静触头接触使得相线导通，而由于中性极静触头的镜像布置，中性极动静触头此时彼此分离，中性线断开。反之，当操作开关模块进行分闸操作，相极的动静触头分离使得相线断开，而中性极动静触头相接触导致中性线导通。

图3至图5示出4极自动转换开关的转换过程。

图3是第一电源供电的自动转换开关的示意图，对应图1中所示的第一状态。此时，第一开关模块的U、V、W三相极的动触头与两个静触头都接触，第一电源的三相线导通，而由于中性极静触头的镜像布置，与第二电源的中性极相连的中性极动触头与两个静触头分离，第二电源的中性线处于断开状态；第二开关模块的U、V、W三相极的动触头与两个静触头分离，第二电源的三相线断开，与第一电源的中性极相连的中性极动触头与两个静触头接触，第一电源的中性线处于导通状态。

当需要从第一电源至第二电源的供电电源切换时，进行对应图1所示的第一电源从闭合切换至断开的第一转换动作，如图4所示，外部操作机构操作第一开关模块分闸，带动第一开关模块的所有动触头逆时针转动，使得U、V、W三相极的动触头与对应的静触头分开，第一电源的相极和第一开关模块的相极之间电力断开，第一电源的三相线断开，而同时，与第二电源的中性极相连的中性极动触头与其对应的静触头相接触，第二电源的中性极和第一开关模块的中性极之间电力连通，第二电源的中性线导通。此时，第一和第二开关模块的中性极都是导通的，两路电源的中性线在闭合时间上出现了重叠，负载侧的中性线没有分断的情况发生，不会影响负载电路运行的安全性。这时自动转换开关进入第一电源的相极断开、中性极导通并且第二电源的相极断开、中性极导通的第二状态。

接着，进行第二电源从断开切换至闭合的第二转换动作，外部操作机构操作第二开关模块合闸，第二开关模块的所有动触头顺时针转动，使得U、V、W三相极的动触头与对应的静触头均接触以导通第二电源的三相线，第二电源的相极和第二开关模块的相极之间电力连通，而同时，与第一电源的中性极相连的中性极动触头与对应的静触头都分开，第一电源的中性线断开，第一电源的中性极和第二开关模块的中性极之间电力断开。自动转换开关进入第一电源的相极和中性极都断开、第二电源的相极和中性极都导通的第三状态。

通过对上述实施例的描述可以看出，本发明提出的自动转换开关在转换过程中能够保证始终有一路中性线保持导通，把零地电压钳制在零电压，从而避免对负载造成损坏。而且，这种自动转换开关不需要对现有开关进行大的改造即可获得，没有增加新的零件，因此实现简单、成本较低，可靠性相对较高。

根据本发明的另一实施例，可以设计开关模块的相极和中性极的通断顺序，使得当第一电源从闭合切换至断开时，第一电源的相极和第一开关模块的相极之间先电力断开，然后第二电源的中性极和第一开关模块的中性极之间电力连通；当第二电源从断开切换至闭合时，第一电源的中性极和第二开关模块的中性极之间先电力断开，然后第二电源的相极和第二开关模块的相极之间电力连通。这样能够避免不同电源的相极和中性极同时导通，防止毫秒级的电压波动。

如图6所示，第一开关模块的动触头在第一位置和第二位置之间具有一中间位置，在此中间位置，动静触头均不接触。图7是图6中沿A-A的局部剖面示意图，仅示出中性极触头组件的动静触头和一个相极触头组件的动静触头，其它相极触头组件情况相同，第一开关模块的其它部件被省略。其中，静触头具有倾斜的截面，例如呈三角形突出的形状，动触头具有两个接触面，用于与静触头的两个倾斜的接触面分别接合。相极的动静触头和中性极的动静触头接触面之间的相对位置被设计成，使得第一开关模块的动触头同时逆时针转动、自动转换开关的第一转换动作进行时，相极触头组件的动静触头的接触面先分开，动静触头分离，此时动触头处于中间位置，随着动触头继续逆时针转动，中性极触头组件的动触头再行进至第一位置，中性极触头组件的动触头相接触以使第二电源的中性线电力连通。

类似地，第二开关模块的动触头在第一位置和第二位置之间具有一中间位置(附图未示出)，在此中间位置，动静触头均不接触。相极的动静触头和中性极的动静触头接触面之间的相对位置被设计成，使得在自动转换开关的第二转换动作进行时，外部操作机构带动第二开关模块的动触头顺时针转动，第二开关模块的中性极触头组件的动静触头的接触面先分开，动静触头分离，第一电源的中性线先断开，此时动触头处于中间位置，而相极触头组件的动静触头还未接触，随着动触头从中间位置继续顺时针转动，相极触头组件的动触头行进至第一位置，动静触头相接触以使第二电源的相线电力连通。否则，在进行第二转换动作时，会发生第一电源的中性极和第二电源的相极产生连接的情况而造成电压升高，如果第一电源的中性极能瞬间打开，则会毫秒级的波动，如果打开慢，那么就会造成较严重的危害而无法起到保护作用。

本发明提出的改造现有的自动转换开关以避免中性极危险电压的方法包括以下步骤：

a)将两个开关模块连接在包括第一电源和第二电源的电源以及负载之间，使得自动转换开关的第一开关模块的相极的输入端与第一电源的相极电连接，第一开关模块的中性极的输入端与第二电源的中性极电连接，并且自动转换开关的第二开关模块的相极的输入端与第二电源的相极电连接，第二开关模块的中性极的输入端与第一电源的中性极电连接；以及

b)将每一个开关模块配置为使得相极和中性极的状态相反。

尽管在参照以上实施例的基础上，本发明已经在说明书中被描述并且在附图中被图示，但是本领域的技术人员可以理解，上述实施例仅仅是优选的实施例，本发明并不限于上述实施例。具体地，本发明的最重要的发明点在于通过外部进线的特殊接线方式以及对开关模块中性极静触头的径向改造，以使得ATS在转换过程中总有一路中性线保持导通。相应地，自动转换开关的其它结构可以不同，例如，在附图所示的实施例中，自动转换开关包括用于三相电的4极开关模块，然而，开关模块并不仅限于4极，而与供电电源的实际相数情况有关；再者，如前面的描述中已经提及的，每路电源具体与哪一个开关模块相连并不必拘泥于图示的实施例，只需根据设备具体配置按照接线可靠便利程度安排；另外，每一极触头组件的动静触头可以具有现有产品的其它形状、结构和数量，只要能够在外部操作下实现接触和分离即可，例如，静触头不一定是两个，动触头也不一定如上述实施例所示通过转动的方式与静触头接触。总之，自动转换开关的具体结构和接线方式并无特别限制，可以具有不同于如附图所示的优选实施例的其它构型。当然，应当注意到，本发明的附图所示的实施例是非常优选的实施例，相较于没有图示的其它替代方案或变型实施例而言，其可能具有突出的实质性特点和显著的进步。

最后，还需要理解的是，实施例中的某些技术特征对于解决特定的技术问题可能并不是必需的，从而可以没有或者省略这些技术特征而不影响技术问题的解决或者技术方案的形成；而且，一个实施例的特征、要素和/或功能可以与其它一个或多个实施例的特征、要素和/或功能适当地相互组合、结合或者配合，除非该组合、结合或者配合明显不可实施。

Claims (14)

1.一种避免中性极危险电压的自动转换开关，包括连接在包括第一电源和第二电源的电源以及负载之间的两个开关模块，其特征在于，

第一开关模块的相极的输入端与第一电源的相极电连接，第一开关模块的中性极的输入端与第二电源的中性极电连接，并且第二开关模块的相极的输入端与第二电源的相极电连接，第二开关模块的中性极的输入端与第一电源的中性极电连接，并且

在每一个开关模块中，相极和中性极的状态总是相反的。

2.根据权利要求1所述的自动转换开关，其特征在于，在每一个开关模块中，该开关模块的相极和中性极同时动作。

3.根据权利要求1所述的自动转换开关，其特征在于，当第一电源闭合、第二电源断开时，第一电源的相极和第一开关模块的相极之间电力连通，第一电源的中性极和第二开关模块的中性极之间电力连通，并且第二电源的相极和第二开关模块的相极之间电力断开，第二电源的中性极和第一开关模块的相极之间电力断开。

4.根据权利要求1所述的自动转换开关，其特征在于，当第一电源从闭合切换至断开时，第一电源的相极和第一开关模块的相极之间电力断开，同时第二电源的中性极和第一开关模块的中性极之间电力连通。

5.根据权利要求1所述的自动转换开关，其特征在于，当第二电源从断开切换至闭合时，第二电源的相极和第二开关模块的相极之间电力连通，同时第一电源的中性极和第二开关模块的中性极之间电力断开。

6.根据权利要求1所述的自动转换开关，其特征在于，当第一电源断开、第二电源闭合时，第一电源的相极和第一开关模块的相极之间电力断开，第一电源的中性极和第二开关模块的中性极之间电力断开，并且第二电源的相极和第二开关模块的相极之间电力连通，第二电源的中性极和第一开关模块的相极之间电力连通。

7.根据权利要求4所述的自动转换开关，其特征在于，当第一电源从闭合切换至断开时，第一电源的相极和第一开关模块的相极之间先电力断开，然后第二电源的中性极和第一开关模块的中性极之间电力连通。

8.根据权利要求5所述的自动转换开关，其特征在于，当第二电源从断开切换至闭合时，第一电源的中性极和第二开关模块的中性极之间先电力断开，然后第二电源的相极和第二开关模块的相极之间电力连通。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的自动转换开关，其特征在于，所述开关模块具有中性极触头组件和至少一个相极触头组件，所述中性极触头组件和所述相极触头组件分别包括至少一个可在第一位置和第二位置之间运动的动触头以及相应的静触头，在第一位置，所述动触头与相应的静触头互相接触使得动静触头之间电力连通，在第二位置，所述动触头与相应的静触头互相分离使得动静触头之间电力断开。

10.根据权利要求9所述的自动转换开关，其特征在于，在每一个开关模块中，相极触头组件和中性极触头组件的动静触头接触状态相反。

11.根据权利要求10所述的自动转换开关，其特征在于，在每一个开关模块中，相极触头组件的静触头和中性极触头组件的静触头面对彼此镜像地布置。

12.一种避免中性极危险电压的方法，包括：

将两个开关模块连接在包括第一电源和第二电源的电源以及负载之间，使得自动转换开关的第一开关模块的相极的输入端与第一电源的相极电连接，第一开关模块的中性极的输入端与第二电源的中性极电连接，并且自动转换开关的第二开关模块的相极的输入端与第二电源的相极电连接，第二开关模块的中性极的输入端与第一电源的中性极电连接；以及

将每一个开关模块配置为使得相极和中性极的状态相反。

13.根据权利要求12所述的避免中性极危险电压的方法，其特征在于，当第一电源从闭合切换至断开时，第一电源的相极和第一开关模块的相极之间电力断开，同时第二电源的中性极和第一开关模块的中性极之间电力连通。

14.根据权利要求12所述的避免中性极危险电压的方法，其特征在于，当第二电源从断开切换至闭合时，第二电源的相极和第二开关模块的相极之间电力连通，同时第一电源的中性极和第二开关模块的中性极之间电力断开。

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