CN111029190A - 一种快速切换开关装置、系统及快速切换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种快速切换开关装置，包括开关单元，所述开关单元包括动触头和静触头，所述开关装置包括真空灭弧室，所述动触头和静触头设置于真空灭弧室内；所述开关装置包括快速动作单元，所述快速动作单元与所述动触头相连接，用于提供动触头相对于静触头运动的力。本发明所提供的快速切换开关装置与传统的电磁操动机构相比，原理上明显不同，与电磁开关原理相比，由于磁场在空间上的衰减较快，电磁开关的作用力是由小到大，即启动时力小，动作结束时力大(吸合方式)，而涡流盘作用下则是启动时力大，动作结束时力小(距离变大)，利于快速启动。
Description
技术领域
本发明属于电网中大电流开关控制技术领域，涉及大电流超快速电路切换方案，具体涉及一种非固态的实现快速切换的开关装置、快速切换系统以及实现快速切换的控制方法。
背景技术
在大多数有连续供电需求的重要负荷场景中，针对电压暂降和短时电压中断的有源快速切换控制技术是重要负荷运行安全与稳定性的关键技术。
在进行备用电源快速切换时利用分布式电源残压支撑提高敏感负荷的电能质量。对无源用户采用储能电池配合快速切换的方法，要求快速开关在20ms内实现快速开断，这期间由储能电池车对重要负荷380V母线进行电源支撑，在20ms以内闭合母联开关，实现重要负荷连续供电。
在通过快速切换进行电压暂降及短时中断的治理中，相当于缩短了电压暂降或短时中断在母线上的持续时间。目前基于固态开关，业界已有产品可以保证在13ms内完成切换。但是采用固态开关进行切换的方案也存在着一些固有的缺陷：
(1)由于电力电子器件存在导通压降，在电流大的情况下功率损耗大，并且需要专门的冷却设备来防止固态开关过热；
(2)短路电流的关断分为强制切换和过零切换两种，强制切换存在主电源侧晶闸管关断判断不准，导致主备用电源并联运行的危险，而过零切换需要等待主电源侧晶闸管自然过零，在一些情况下会造成切换时间的大幅度延长。
(3)受到耐压能力及容量的限制，为了避免开关被过电压或过电流损坏，往往采用多级半导体器件串并联的结构，由于元件数量的增多会降低开关的整体可靠性，因此目前产品的电压等级主要局限在低压400V，这也导致固态开关快速切换难以列入网侧解决方案。
发明内容
针对现有技术中非固态开关动作/切换时间长以及固态快速切换开关的不足，提出了一种基于非固态开关实现快速动作的解决方案。
依据本发明的一个方面，提供一种快速切换开关装置，包括开关单元，所述开关单元包括动触头和静触头，其特征在于，
所述开关装置包括真空灭弧室，所述动触头和静触头设置于真空灭弧室内；
所述开关装置包括快速动作单元，所述快速动作单元与所述动触头相连接，用于提供动触头相对于静触头运动的力。
作为本发明可选方案的一种，所述开关装置包括绝缘子，所述绝缘子绝缘的两端部分别与动触头和快速动作单元相连接，可实现快速动作单元到动触头的力的传递。
作为本发明可选方案的一种，所述快速动作单元包括分闸线圈、合闸线圈和涡流盘；
所述分闸线圈、合闸线圈与涡流盘同轴设置，所述涡流盘设置于所述分闸线圈和合闸线圈之间。
作为本发明可选方案的一种，所述快速动作单元包括传动轴，所述传动轴与所述涡流盘相连接；
所述传动轴的一端设置为所述快速动作单元的动力输出端，可在快速动作单元动作时提供驱动所述动触头动作的力矩；
所述传动轴的轴线与所述涡流盘的轴线重合。
作为本发明可选方案的一种，所述传动轴连接有双稳态组件，所述双稳态组件用于在所述分闸线圈和合闸线圈非工作状态下，维持所述动触头的位置不变。
作为本发明可选方案的一种，一种快速切换开关系统，其特征在于，
所述分闸线圈连接分闸回路，所述分闸回路包括第一储能单元、充电单元和第一控制开关；
所述第一储能单元用于存储、供给所述分闸线圈的工作电能；
所述第一控制开关与所述分闸线圈串联，并与所述第一储能单元相连接，用于控制所述第一储能单元对所述分闸线圈放电回路的通断状态；
所述充电单元的电极与所述第一储能单元对应的电极相连接，用于对所述第一储能单元充电。
作为本发明可选方案的一种，所述合闸线圈连接合闸回路，所述合闸回路包括第二储能单元、充电单元和第二控制开关；
所述第二储能单元用于存储、供给所述合闸线圈的工作电能；
所述第二控制开关与所述合闸线圈串联，并与所述第二储能单元相连接，用于控制所述第二储能单元对所述合闸线圈放电回路的通断状态；
所述充电单元的电极与所述第二储能单元对应的电极相连接，用于对所述第二储能单元充电。
作为本发明可选方案的一种，所述第一储能单元、和/或第二储能单元为电容。
作为本发明可选方案的一种，所述第一控制开关、和/或第二控制开关为晶闸管开关电路。
作为本发明可选方案的一种，一种快速切换开关装置的快速切换方法，其特征在于，包括步骤：
a、启动系统，充电单元为第一储能单元、和/或第二储能单元充电至备用状态；
b、发送信号至第一控制开关、或第二控制开关，使第一控制开关或第二控制开关导通。
作为本发明可选方案的一种，所述第一控制开关或第二控制开关导通状态下，所述充电单元持续为所述第一储能单元、和/或第二储能单元充电。
本发明所提供的快速切换开关装置、系统及快速切换方法，适用于有源快速切换的电压暂降和短时电压中断的快速检测与切换。通过对检测方法进行仿真测试和对比，能够在2ms内完成电压暂降与区内外故障识别的检测；随后通过对同步机型分布式能源在故障隔离后的过渡过程的分析，得到故障隔离后同步机型分布式能源残压支撑特性的近似解，并通过仿真进行了验证；最后通过物理动态模拟实验，验证了有源支撑快速切换治理电压暂降和短时电压中断的可行性。这种开关解决了固态快速切换开关的以下问题：由于电力电子器件导通压降的存在，在电流大的情况下功率损耗大，并且需要专门的冷却设备来防止固态开关过热；短路电流的关断分为强制切换和过零切换两种，强制切换存在主电源侧晶闸管关断判断不准，导致主备用电源并联运行的危险，而过零切换需要等待主电源侧晶闸管自然过零，在一些情况下会造成切换时间的大幅度延长。受到耐压能力及容量的限制，为了避免开关被过电压或过电流损坏，往往采用多级半导体器件串并联的结构，由于元件数量的增多会降低开关的整体可靠性，因此目前产品的电压等级主要局限在低压400V。该方案的操动机构与传统的电磁操动机构相比，原理上明显不同，结构简单，传动效率高，开关的可靠性及动作速度也得到了很大的提升。实现快速分合闸的主要原理是，通过电容瞬时对分/合闸线圈高速放电，形成瞬间极强且快速变化的磁场，该磁场会作用于涡流盘并在涡流盘上感应出涡流，该涡流形成感应磁场与线圈磁场相互作用形成排斥力。与电磁开关原理相比，由于磁场在空间上的衰减较快，电磁开关的作用力是由小到大，即启动时力小，动作结束时力大(吸合方式)，而涡流盘作用下则是启动时力大，动作结束时力小(距离变大)，利于快速启动。
附图说明
图1为本发明实施例的涡流驱动快速开关原理图。
具体实施方式
以下配合图式及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。
如图1所示，本发明一可选实施例中，提供了一种快速切换开关装置，包括开关单元，所述开关单元包括动触头和静触头，所述开关装置包括真空灭弧室，所述动触头和静触头设置于真空灭弧室内；所述开关装置包括快速动作单元，所述快速动作单元与所述动触头相连接，用于提供动触头相对于静触头运动的力。使用动静触头的开关方式，开关切换接入几乎不存在压降，在大电流情况下几乎没有功率瞬时，对应的开关点发热现象也较弱，适用场景明显增强。
作为本发明可选实施例方案的一种，所述开关装置包括绝缘子，所述绝缘子绝缘的两端部分别与动触头和快速动作单元相连接，可实现快速动作单元到动触头的力的传递。绝缘子用于确保快速动作单元的结构件及控制回路与动静触头所控制的一次回路绝缘，保证设备安全运行。传动结构可以是直接连接的直线运动传动，也可以通过杠杆等力学传动方案实现装置的多样化设计，可以实现设备的小型化(非直线型安装，可改变各功能单元的安装位置)、低功率启动(省力杠杆实现低功率启动)等方案。
作为本发明可选实施例方案的一种，所述快速动作单元包括分闸线圈、合闸线圈和涡流盘；所述分闸线圈、合闸线圈与涡流盘同轴设置，所述涡流盘设置于所述分闸线圈和合闸线圈之间。实现快速分合闸的主要原理是，通过电容瞬时对分/合闸线圈高速放电，形成瞬间极强且快速变化的磁场，该磁场会作用于涡流盘并在涡流盘上感应出涡流，该涡流形成感应磁场与线圈磁场相互作用形成排斥力。与电磁开关原理相比，由于磁场在空间上的衰减较快，电磁开关的作用力是由小到大，即启动时力小，动作结束时力大(吸合方式)，而涡流盘作用下则是启动时力大，动作结束时力小(距离变大)，利于快速启动。
作为本发明可选实施例方案的一种，所述快速动作单元包括传动轴，所述传动轴与所述涡流盘相连接；所述传动轴的一端设置为所述快速动作单元的动力输出端，可在快速动作单元动作时提供驱动所述动触头动作的力矩；所述传动轴的轴线与所述涡流盘的轴线重合。
作为本发明可选实施例方案的一种，所述传动轴连接有双稳态组件，所述双稳态组件用于在所述分闸线圈和合闸线圈非工作状态下，维持所述动触头的位置不变。双稳态组件可以是基于永磁铁的双稳态装置，也可以使用电磁铁提供各稳态的稳定力矩。比如，设置动吸盘和电磁铁，电磁铁提供两个位置用于与动洗盘通过电磁吸合连接。两个位置对应为系统的两个稳态。动吸盘则与传动轴相连接。传动轴运动过程中，双稳态组件的电磁铁不提供稳态电流，运动结束时电磁铁工作，提供动吸盘的稳定力矩。电磁铁的控制开关可与系统控制过程联合控制，实现开关的稳态和动作过程的顺畅。
作为本发明可选实施例方案的一种，一种快速切换开关系统，所述分闸线圈连接分闸回路，所述分闸回路包括第一储能单元、充电单元和第一控制开关；所述第一储能单元用于存储、供给所述分闸线圈的工作电能；所述第一控制开关与所述分闸线圈串联，并与所述第一储能单元相连接，用于控制所述第一储能单元对所述分闸线圈放电回路的通断状态；所述充电单元的电极与所述第一储能单元对应的电极相连接，用于对所述第一储能单元充电。
作为本发明可选实施例方案的一种，所述合闸线圈连接合闸回路，所述合闸回路包括第二储能单元、充电单元和第二控制开关；所述第二储能单元用于存储、供给所述合闸线圈的工作电能；所述第二控制开关与所述合闸线圈串联，并与所述第二储能单元相连接，用于控制所述第二储能单元对所述合闸线圈放电回路的通断状态；所述充电单元的电极与所述第二储能单元对应的电极相连接，用于对所述第二储能单元充电。
作为本发明可选实施例方案的一种，所述第一储能单元、和/或第二储能单元为电容。电容与线圈实现快速无阻碍放电，可形成强变化电流，而线圈充电过程的电流强度和变化速度是影响开关动作速度的关键。
作为本发明可选实施例方案的一种，所述第一控制开关、和/或第二控制开关为晶闸管开关电路。晶闸管用于此处开关，使控制相应时间极短。
作为本发明可选实施例方案的一种，一种快速切换开关装置的快速切换方法，包括步骤：
启动系统，充电单元为第一储能单元、和/或第二储能单元充电至备用状态；
发送信号至第一控制开关、或第二控制开关，使第一控制开关或第二控制开关导通。所述第一控制开关或第二控制开关导通状态下，所述充电单元持续为所述第一储能单元、和/或第二储能单元充电。
本发明所提供的快速切换开关装置、系统及快速切换方法，适用于有源快速切换的电压暂降和短时电压中断的快速检测与切换。通过对检测方法进行仿真测试和对比，能够在2ms内完成电压暂降与区内外故障识别的检测；随后通过对同步机型分布式能源在故障隔离后的过渡过程的分析，得到故障隔离后同步机型分布式能源残压支撑特性的近似解，并通过仿真进行了验证；最后通过物理动态模拟实验，验证了有源支撑快速切换治理电压暂降和短时电压中断的可行性。这种开关解决了固态快速切换开关的以下问题：由于电力电子器件导通压降的存在，在电流大的情况下功率损耗大，并且需要专门的冷却设备来防止固态开关过热；短路电流的关断分为强制切换和过零切换两种，强制切换存在主电源侧晶闸管关断判断不准，导致主备用电源并联运行的危险，而过零切换需要等待主电源侧晶闸管自然过零，在一些情况下会造成切换时间的大幅度延长。受到耐压能力及容量的限制，为了避免开关被过电压或过电流损坏，往往采用多级半导体器件串并联的结构，由于元件数量的增多会降低开关的整体可靠性，因此目前产品的电压等级主要局限在低压400V。该方案的操动机构与传统的电磁操动机构相比，原理上明显不同，结构简单，传动效率高，开关的可靠性及动作速度也得到了很大的提升。实现快速分合闸的主要原理是，通过电容瞬时对分/合闸线圈高速放电，形成瞬间极强且快速变化的磁场，该磁场会作用于涡流盘并在涡流盘上感应出涡流，该涡流形成感应磁场与线圈磁场相互作用形成排斥力。与电磁开关原理相比，由于磁场在空间上的衰减较快，电磁开关的作用力是由小到大，即启动时力小，动作结束时力大(吸合方式)，而涡流盘作用下则是启动时力大，动作结束时力小(距离变大)，利于快速启动。
以上所述仅是本发明的优选实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本实用发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种快速切换开关装置，包括开关单元，所述开关单元包括动触头和静触头，其特征在于，
所述开关装置包括真空灭弧室，所述动触头和静触头设置于真空灭弧室内；
所述开关装置包括快速动作单元，所述快速动作单元与所述动触头相连接，用于提供动触头相对于静触头运动的力。
2.根据权利要求1所述的一种快速切换开关装置，其特征在于，
所述开关装置包括绝缘子，所述绝缘子绝缘的两端部分别与动触头和快速动作单元相连接，可实现快速动作单元到动触头的力的传递。
3.根据权利要求1或2所述的一种快速切换开关装置，其特征在于，
所述快速动作单元包括分闸线圈、合闸线圈和涡流盘；
所述分闸线圈、合闸线圈与涡流盘同轴设置，所述涡流盘设置于所述分闸线圈和合闸线圈之间。
4.根据权利要求1至权利要求3之任一项权利要求所述的一种快速切换开关装置，其特征在于，
所述快速动作单元包括传动轴，所述传动轴与所述涡流盘相连接；
所述传动轴的一端设置为所述快速动作单元的动力输出端，可在快速动作单元动作时提供驱动所述动触头动作的力矩；
所述传动轴的轴线与所述涡流盘的轴线重合。
5.根据权利要求4所述的一种快速切换开关装置，其特征在于，
所述传动轴连接有双稳态组件，所述双稳态组件用于在所述分闸线圈和合闸线圈非工作状态下，维持所述动触头的位置不变。
6.一种快速切换开关系统，其特征在于，
所述分闸线圈连接分闸回路，所述分闸回路包括第一储能单元、充电单元和第一控制开关；
所述第一储能单元用于存储、供给所述分闸线圈的工作电能；
所述第一控制开关与所述分闸线圈串联，并与所述第一储能单元相连接，用于控制所述第一储能单元对所述分闸线圈放电回路的通断状态；
所述充电单元的电极与所述第一储能单元对应的电极相连接，用于对所述第一储能单元充电。
7.根据权利要求6所述的一种快速切换开关系统，其特征在于，
所述合闸线圈连接合闸回路，所述合闸回路包括第二储能单元、充电单元和第二控制开关；
所述第二储能单元用于存储、供给所述合闸线圈的工作电能；
所述第二控制开关与所述合闸线圈串联，并与所述第二储能单元相连接，用于控制所述第二储能单元对所述合闸线圈放电回路的通断状态；
所述充电单元的电极与所述第二储能单元对应的电极相连接，用于对所述第二储能单元充电。
8.根据权利要求6所述的一种快速切换开关系统，其特征在于，
所述第一储能单元、和/或第二储能单元为电容。
9.根据权利要求6所述的一种快速切换开关系统，其特征在于，
所述第一控制开关、和/或第二控制开关为晶闸管开关电路。
10.作为本发明可选方案的一种，一种快速切换开关装置的快速切换方法，其特征在于，包括步骤：
启动系统，充电单元为第一储能单元、和/或第二储能单元充电至备用状态；
发送信号至第一控制开关、或第二控制开关，使第一控制开关或第二控制开关导通。作为本发明可选方案的一种，所述第一控制开关或第二控制开关导通状态下，所述充电单元持续为所述第一储能单元、和/或第二储能单元充电。
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