CN112255541A - 实验用多功能电源处理装置及连接器实验检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实验用多功能电源处理装置及连接器实验检测装置，其中该电源处理装置包括三个电控阀组、正极输出端以及转换控制开关组；每一电控阀组包括至少两组电流阀控组件、相电输入端以及相电输出端，每一组电流阀控组件包括若干电性连接在一起的大功率可控半导体开关管；转换控制开关组包括选择开关组和连接开关组；选择开关组用于将每一电控阀组中的电流阀控组件可选择地接入正极输出端或相电输出端；连接开关组用于连通或断开彼此相连的两电控阀组之间的电流通路；基于上述电源处理装置，可在不更换实验场地和实验设备的前提下对断路器或熔断器进行高压大容量的交流实验和直流实验，从而有效节省实验成本。

Description

实验用多功能电源处理装置及连接器实验检测装置

技术领域

本发明涉及高压大容量连接开关检测技术领域，尤其涉及一种大容量实验用多功能电源处理装置及大容器连接器实验检测装置。

背景技术

高压大容量连接开关包括断路器、熔断器等器件。断路器是电力系统发生短路故障时，能够顺利的切除短路故障的重要保障，以及要求开合负载操作时，能够实现正常的投切电气设备。无论是交流断路器还是直流断路器，在开断与关合电力系统故障或负荷时的电弧过程，是一个涉及电磁场、流场、热场相互作用的复杂过程。但是，断路器开断过程中电弧方面的理论研究仍落后于实际的需求，目前还不能完全依靠理论分析和定量计算的方法设计出符合各种开断性能的断路器。因此，断路器的开断和关合试验就显得尤为重要，它是研究、考核断路器的各种开断与关合性能，检验灭弧室与其他部分的结构设计、制造工艺和材料选择是否合理的重要手段。

交流大容量断路器的开断试验回路采用发电机作为电源，电抗器作为试验电流调节元件，配合相应的选相合闸开关、断路器及测量控制部分组成试验系统。进行试验时根据试验要求选定机端电压及电抗器元件参数。由选相合闸装置实现试验回路的连通，样品断路器通过设定的试验电流，试品断路器分断该电流后，由辅助断路器切断试验主回路。传统交流大容量试验回路中选相合闸开关使用的是机械开关如：永磁真空断路器、气动断路器、真空接触器等选相执行元件，实现在交流试验电源电压波形任意选定的相角下使电源和负载回路接通的合闸装置，适用于交流的试验回路。直流试验回路电源由整流桥、分闸断路器、合闸断路器、电阻、电感及数据采集系统组成。电网电源经变压器降压后通过整流桥整流成直流源，再通过设定相应电阻、电感得出所需直流电流，通过数据采集系统能有效采集实时直流电压和直流电流。

由此可知，首先，目前业界应用的高压大电流选相合闸开关都是机械式触点开关，大部分采用气动操控方式或永磁操作机构，控制复杂，且由于中间总控制器件繁多，故障率高，重复性差，使用寿命很短。由于触头材质和装配工艺的问题，运行一定周期后就需要将烧蚀的触头表面进行处理，否则会影响到选相合闸的精度，影响到试验的成功率。而且，由于其传动系统非常复杂、触头烧蚀在一定程度上降低了机械式选相开关的可靠性和使用寿命。

其次，由于高电压的直流试验回路投资大，使用率不高，目前试验站的直流断路器试验电压等级大多低于2000V。受制于直流试验电压较低，目前外对高压直流开关电器的短路能力都是采用低频交流试验模拟直流试验来验证，试验等效性存在较大争议。

另外，目前传统交流试验实现选相合闸功能及直流试验整流功能是采用完全不同的设备，二者设备不能兼容，属于不同试验系统，原理不同，相互独立，没有相应的装置可以实现交直流试验共用回路的目的，这就要求试验站提供更多的场地及相应配套设施。

发明内容

本发明其中一目的是提供一种实验用多功能电源处理装置，以将高压大容量电力连接器交流试验的选相合闸功能与直流试验的整流功能整合在一起，同时提高选相合闸开关的调节精度和使用寿命。

本发明另一目的是提供一种连接器实验检测装置，以将高压大容量电力连接器交流试验的选相合闸功能与直流试验的整流功能整合在一起，同时提高选相合闸开关的调节精度和使用寿命。

为了实现上述目的，本发明公开了一种大容量实验用多功能电源处理装置，其包括：

三个分别与三相电相对应的电控阀组，每一所述电控阀组包括至少两组电流阀控组件、相电输入端以及相电输出端，每一组所述电流阀控组件包括若干电性连接在一起的大功率可控半导体开关管；任一相所述电控阀组中的至少两组所述电流阀控组件反向并联在所述相电输入端和所述相电输出端之间；

正极输出端；

转换控制开关组，其包括选择开关组和连接开关组；

所述选择开关组，用于将每一所述电控阀组中的所述电流阀控组件可选择接地入所述正极输出端或相电输出端；

所述连接开关组，用于连通或断开彼此相连的两所述电控阀组之间的电流通路；通过控制所述选择开关组和所述连接开关组的工作状态，可使得每一电控阀组中的电流阀控组件用于选相合闸或整流。

较佳地，所述可控半导体开关管为晶闸管。

较佳地，每一组所述电流阀控组件中的若干所述可控半导体开关管通过串并联的方式混连一起，且每一组中若干所述可控半导体开关管的两端并联有阻容吸收回路，以限制所述可控半导体开关管的电压上升率。

较佳地，所述电控阀组包括第一阀组、第二阀组和第三阀组，连接开关组包括电性连接在所述第一阀组和所述第二阀组之间的第一开关和电性连接在第二阀组和第三阀组之间的第二开关。

较佳地，还包括控制装置，所述控制装置与所述电流阀控组件和所述转换控制开关组通信连接，用于控制所述电流阀控组件和所述转换控制开关组的工作状态。

较佳地，所述控制装置包括总控制器和与所述总控制器通信连接的信号采集装置、触发控制装置以及开关控制装置；所述信号采集装置用于采集所述电控阀组的输入或输出端的电信号；所述触发控制装置用于向所述电流阀控组件发送触发信号，以控制所述电流阀控组件的工作状态；所述开关控制装置用于控制所述转换控制开关组中不同开关的工作状态。

较佳地，所述控制装置还包括与所述总控制器通信连接的解锁控制装置，所述解锁控制装置用于锁定或释锁所述电流阀控组件。

较佳地，所述触发控制装置包括分别与所述总控制器通信连接的三个独立的触发控制器，每一所述触发控制器与一组所述电控阀组对应。

较佳地，每一所述触发控制器分别通过一光纤分路器与所述总控制器通信连接，所述光纤分路器用于将所述总控制器发出的触发信号分为若干路与所在相的若干可控半导体开关管分别相对应的并联光控制信号。

本发明还公开一种大容量连接器实验检测装置，其包括实验电源、实验变压器以及如上所述的大容量实验用多功能电源处理装置，所述实验电源的输出端与所述实验变压器的输入端电性连接，所述实验变压器的输出端与所述电控阀组的输入端电性连接，所述电控阀组的输出端与实验用连接器样品电性连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、由于与三相电对应的每一电控阀组中的电流阀控组件由可控半导体开关管构成，因此，通过控制选择开关组和连接开关组的工作状态，可使得每一电控阀组中的电流阀控组件用于选相合闸或整流，也即将实验电源的选相合闸和整流功能整合为一起，减少了实验回路的设置，提高了设备使用率，从而有效节省实验成本；

2、通过将多个大功率可控半导体开关管电性连接在一起，有效保证了电控阀组可处理的功率范围，从而保证了高电压、大容量交直流实验回路的需求；

3、通过控制可控半导体开关管的导通与否和导通角的大小来实现选相合闸，相比通过机械式触点开关进行选相合闸，具有使用寿命长、选相合闸精度高的优点；

4、为每一组电控阀组单独配置独立工作的触发控制器和解锁控制器，同时配合光电隔离措施，确保不同相的控制设备之间在电气上无连接，使得不同相的控制设备具有一定的电气隔离性能和抗干扰性能，从而精确控制可控半导体开关管的触发角。

附图说明

图1为本发明实施例中大容量连接器实验检测装置的系统结构示意图。

图2为本发明实施例中电控阀组与转换控制开关组之间的电路连接示意图。

图3为将图2调整为选相合闸功能的电路连接示意图。

图4为将图2调整为整流功能的电路连接示意图。

图5为本发明实施例中晶闸管的触发原理示意图。

图6为本发明实施例中晶闸管组内部多个晶闸管之间的连接结构示意图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

本发明公开了一种大容量连接器实验检测装置，该大容量连接器指的是应用于三相电强电力领域的断路器、熔断器等连接器件，该实验装置的作用是，通过对待检测连接器施加高压、大容量的交流或直流实验信号，判断该连接器的性能。如图1所示，本实施例中的连接器实验检测装置包括大容量实验电源1、实验变压器2以及电源处理装置3，实验电源1的输出端与实验变压器2的输入端电性连接，实验变压器2的输出端与电源处理装置3输入端电性连接，电源处理装置3的输出端与实验用连接器样品4电性连接。

具体地，请结合参阅图1和图2，电源处理装置3包括三个分别与三相电相对应的电控阀组30、正极输出端P以及转换控制开关组KM。本实施例中的三个电控阀组30分别为第一阀组30a、第二阀组30b和第三阀组30c，第一阀组30a与A相电连接，第二阀组与B相电连接，第三阀组与C相电连接。

每一电控阀组30包括至少两组电流阀控组件VT、相电输入端IN以及相电输出端OUT，对于第一阀组30a，其相电输入端IN与A相电的输出端Ua电性连接，对于第二阀组30b，其相电输入端IN与B相电的输出端Ub电性连接，对于第三阀组30c，其相电输入端IN与C相电的输出端Uc电性连接。每一组电流阀控组件VT包括若干电性连接在一起的大功率可控半导体开关管。任一相电控阀组30中的至少两组电流阀控组件VT反向并联在相电输入端IN和相电输出端OUT之间，如，第一阀组30a中的两组电流阀控组件VT1与VT4，第二阀组30b中的两组电流阀控组件VT3与VT6，第三阀组30c中的两组电流阀控组件VT5与VT2。本实施例中的可控半导体开关管优选为晶闸管，但不以此为限，如也可选择使用电力晶体管GTR、绝缘栅双极晶体管IGBT等。下述实施例中的电流阀控组件VT皆以晶闸管组(VT1～VT6)为例进行实例说明。

如图2，转换控制开关组KM包括选择开关组和连接开关组。选择开关组用于将每一电控阀组30中的晶闸管组可选择接地入正极输出端P或相电输出端OUT。连接开关组用于连通或断开彼此相连的两电控阀组30之间的电流通路。当电源处理装置3用于选相合闸功能时，通过连接开关组断开电控阀组30之间的电流通路，并通过选择开关组将每一电控阀组30内的晶闸管组接入相电输入端IN和相电输出端OUT之间，从而通过控制每一相内的晶闸管组的导通状态来进行选相合闸操作。当电源处理装置3用于整流功能时，通过连接开关组连通电控阀组30之间的电流通路，并通过选择开关组将每一电控阀组30内的晶闸管组接入所对应的相电输入端IN和正极输出端P之间，从而，从每一相电输入电控阀组30的电信号，皆可通过两组晶闸管进行全波整流，输出直流电。

进一步地，如图2所示，选择开关组包括三个彼此独立的并分别与每一电控阀组30对应的选择开关K1a、K1b、K1c，本实施例中的每一个选择开关包括两个单刀单掷开关。连接开关组包括电性连接在第一阀组30a和第二阀组30b之间的第一开关K2和电性连接在第二阀组30b和第三阀组30c之间的第二开关K3。当电源处理装置3用于整流功能时，闭合第一开关K2和第二开关K3，同时将位于三个电控阀组30内的选择开关K1a、K1b、K1c的活动端接在触点1处，形成如图4所示的整流电路，此时，晶闸管组中的晶闸管在触发角等于0°时导通，相当于二极管。当电源处理装置3用于选相合闸功能时，断开第一开关K2和第二开关K3，同时将位于三个电控阀组30内的选择开关K1a、K1b、K1c的活动端接在触点2处，形成如图3所示的选相电路，此时晶闸管组中的晶闸管用作交流三相合闸开关，如果需要选择其中一相，如A相进行合闸，那么只需控制A相中的晶闸管组导通，B相和C相中的晶闸管组断开，如果需要选择其中两相，如A相和B相进行合闸，那么只需控制A相和B相中的晶闸管组导通，C相中的晶闸管组断开，如果需要三相同时导通，那么控制A相、B相和C相中的晶闸管组均导通即可。

因此，通过上述实施例中的电源处理装置3的设置，可使得每一电控阀组30中的晶闸管组既可用于三相交流选相合闸，也可用于整流，将高压交流电变为高压直流电，也即将实验电源1的选相合闸和整流功能整合为一起，减少了实验回路的设置，提高了设备使用率，从而有效节省实验成本。同时，通过控制晶闸管的导通与否和导通角的大小来实现选相合闸，相比通过机械式触点开关进行选相合闸，具有使用寿命长、选相合闸精度高的优点。

如图6所示，为有效确保晶闸管组的耐受容量，通过串并联的方式将多个晶闸管混连在一起，同时每一晶闸管组的两端并联有阻容吸收回路，以限制晶闸管组的电压上升率，从而防止晶闸管在没有触发信号时导通。具体地，所述阻容吸收回路包括串联连接的电容器C1和电阻器R1。本实施例中，每一晶闸管组采用六串四并的结构，即包括六个串联单元L，每个串联单元L包括有四个并联在一起的晶闸管JB。

进一步改进，请再次参阅图1，电源处理装置3还包括控制装置，控制装置与晶闸管组和转换控制开关组KM通信连接，用于控制晶闸管组和转换控制开关组KM的工作状态，从而方便调整电源处理装置3的工作状态。具体地，控制装置包括总控制器31(CPU)和与总控制器31通信连接的信号采集装置、触发控制装置33以及开关控制装置34。信号采集装置用于采集电控阀组30的输入或输出端的电信号。触发控制装置33用于向晶闸管组发送触发信号，以控制晶闸管组的工作状态。开关控制装置34用于控制转换控制开关组KM中不同开关的工作状态。本实施例中，信号采集装置包括信号采集器320(电压或电流互感器)以及信号处理器321，信号采集器320将采集到的电压或电流信号传输给信号处理器321，信号处理器321将处理后的电信号发送给总控制器31，总控制器31根据信号处理器321输出的电信号记录实验波形，并检测实验波形过零点时刻，即，本实施例中的信号采集装置具有同步信号发生器的作用，请结合参阅图5，信号采集装置向总控制器31发送的电信号作为总控制器31生成控制信号的同步信号T0，总控制器31根据该同步信号T0向晶闸管组发送具有指定导通角α的触发信号C0，使得控制更加精确。

为避免对晶闸管造成误触发，如图1和图5所示，控制装置还包括与总控制器31通信连接的解锁控制装置35，解锁控制装置35用于锁定或释锁晶闸管组。晶闸管组只有同时收到解锁控制装置发出的解锁信号J0和触发控制装置33发出的触发信号C0才能做出相应的触发动作。

进一步地，触发控制装置33包括分别与总控制器31通信连接的三个独立的触发控制器330，每一触发控制器330与一组电控阀组30对应。同样地，解锁控制装置35包括三个分别与总控制器31通信连接的解锁控制器350，每一解锁控制器350与一组电控阀组30对应。本实施例中，由于三相晶闸管组互相独立，而且为每一相电控阀组30中的晶闸管组单独配置一个触发控制器330和解锁控制器350，从而提高控制设备之间的电气隔离性能和抗干扰性能，方便单独控制某一相电控阀组30。

对于每一相内的晶闸管组来说，通过采用多组晶闸管串并联方式来控制大电流的通断，因此对于控制晶闸管导通的触发信号一致性的要求较高。对此，进一步改进，每一触发控制器330分别通过一光纤分路器331与总控制器31通信连接，光纤分路器331用于将总控制器31发出的触发信号分为若干路与所在相的若干晶闸管JB分别相对应的并联光控制信号。本实施例中，总控制器31发出的一路数字脉冲信号传输给光纤分路器331，然后经光纤分路器331分为若干路并联光信号给触发器控制器330，触发控制器330通过收到的若干路并联光信号同时触发晶闸管组内的每一个晶闸管JB，从而，通过调整总控制器31输出脉冲的宽度和占空比，实现了触发控制一致性，避免使用过程中晶闸管JB出现部分导通的现象。另外，通过光纤分路器331的设置，还使得触发控制器330与总控制器31之间实现光隔离，避免来自于晶闸管的信号对总控制器31造成干扰。

为进一步说明上述电源处理装置3的工作原理，下面具体描述选相合闸和整流过程：

选相合闸：如图2、图3、及图5，首先，总控制器31通过开关控制装置34断开第一开关K2和第二开关K3，同时将位于三个电控阀组30内的选择开关K1a、K1b、K1c的活动端接在触点2处。然后，总控制器31根据信号采集装置采集到的同步信号T0向所选择相的光纤分路器331发送带有导通角α信息的触发信号C0，并向所选择相的解锁控制器35发送解锁信号J0，指定相晶闸管阀组接收到解锁控制器35发送的矩形解锁脉冲后下一周期在所选定相位触发合闸，导通角α可满足0°～180°内调节。当一次同时选择两相或三相进行合闸操作时，剩余所选相晶闸管阀组在第一组晶闸管组合闸后下个过零点自动触发合闸，之后晶闸管一直处于完全导通状态，直至总控制器31给其发出分闸命令或控制装置失电等特殊情况。

整流：如图2、图4、及图5，总控制器31通过开关控制装置34闭合第一开关K2和第二开关K3，同时将位于三个电控阀组30内的选择开关K1a、K1b、K1c的活动端接在触点1处，三相内的晶闸管组在总控制器31发送矩形脉冲(解锁信号J0)后下一周期三相过零触发合闸，从而实现整流功能。

进一步地，转换控制开关组KM作为交流选相合闸和整流功能转换的执行原件，其状态变换过程中容易产生电磁干扰信号，因此，需要对开关控制装置34采取必要的安全隔离措施，具体地：如图1，开关控制装置34包括带动选择开关组和连接开关组动作的驱动件组340以及与驱动件组340通信连接的电磁阀组341，电磁阀组341用于控制驱动件组340的动作，电磁阀组341与总控制器31通信连接。本实施例中，驱动件组340包括有若干分别与每一开关连接的驱动件，电磁阀组341包括若干分别与每一驱动件连接的电磁阀。总控制器31将控制信号传输给电磁阀，电磁阀控制驱动件做出相应的动作，从而通过电磁阀将直接执行元件(驱动件)与总控制器31隔离开来。更具体地，驱动件优选为气缸。

另外，为便于向总控制器31输入控制命令，还可设置与总控制器31通信连接的上位机5和显示装置6，通过上位机5向总控制器31输入控制命令，并通过显示装置6显示实验参数。

另外需要说明的是，为了避免功率器件对控制器件造成干扰，在上述控制电路中，总控制器31与信号采集装置、光纤分路器331、解锁控制器350、上位机5及电磁阀组341之间优选为光纤通讯。

综上，通过上述实施例公开的大容量连接器实验检测装置，可通过总控制器31向转换控制开关组KM发出转换各个开关状态的命令，以调整电源处理装置3的功能，即使其工作于选相合闸状态或整流状态，从而可在不更换实验场地和实验设备的前提下对连接器样品4进行高压大容量的交流实验和直流实验，从而有效节省实验成本。其次，当用于直流实验时，直流电直接由高压大容量的交流电整流变换得到，从而解决了由于直流实验容量不足而采用交流实验模拟直流实验的问题。另外，通过对晶闸管组的应用，还解决了交流实验时合闸选相开关选相的准确性和重复性问题。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种大容量实验用多功能电源处理装置，其特征在于，包括：

三个分别与三相电相对应的电控阀组，每一所述电控阀组包括至少两组电流阀控组件、相电输入端以及相电输出端，每一组所述电流阀控组件包括若干电性连接在一起的大功率可控半导体开关管；任一相所述电控阀组中的至少两组所述电流阀控组件反向并联在所述相电输入端和所述相电输出端之间；

正极输出端；

转换控制开关组，其包括选择开关组和连接开关组；

所述选择开关组，用于将每一所述电控阀组中的所述电流阀控组件可选择地接入所述正极输出端或相电输出端；

所述连接开关组，用于连通或断开彼此相连的两所述电控阀组之间的电流通路；

通过控制所述选择开关组和所述连接开关组的工作状态，可使得每一电控阀组中的电流阀控组件用于选相合闸或整流。

2.根据权利要求1所述的大容量实验用多功能电源处理装置，其特征在于，所述可控半导体开关管为晶闸管。

3.根据权利要求1所述的大容量实验用多功能电源处理装置，其特征在于，每一组所述电流阀控组件中的若干所述可控半导体开关管通过串并联的方式混连一起，且每一组中若干所述可控半导体开关管的两端并联有阻容吸收回路，以限制所述可控半导体开关管的电压上升率。

4.根据权利要求1所述的大容量实验用多功能电源处理装置，其特征在于，所述电控阀组包括第一阀组、第二阀组和第三阀组，连接开关组包括电性连接在所述第一阀组和所述第二阀组之间的第一开关和电性连接在第二阀组和第三阀组之间的第二开关。

5.根据权利要求1所述的大容量实验用多功能电源处理装置，其特征在于，还包括控制装置，所述控制装置与所述电流阀控组件和所述转换控制开关组通信连接，用于控制所述电流阀控组件和所述转换控制开关组的工作状态。

6.根据权利要求5所述的大容量实验用多功能电源处理装置，其特征在于，所述控制装置包括总控制器和与所述总控制器通信连接的信号采集装置、触发控制装置以及开关控制装置；所述信号采集装置用于采集所述电控阀组的输入或输出端的电信号；所述触发控制装置用于向所述电流阀控组件发送触发信号，以控制所述电流阀控组件的工作状态；所述开关控制装置用于控制所述转换控制开关组中不同开关的工作状态。

7.根据权利要求6所述的大容量实验用多功能电源处理装置，其特征在于，所述控制装置还包括与所述总控制器通信连接的解锁控制装置，所述解锁控制装置用于锁定或释锁所述电流阀控组件。

8.根据权利要求6所述的大容量实验用多功能电源处理装置，其特征在于，所述触发控制装置包括分别与所述总控制器通信连接的三个独立的触发控制器，每一所述触发控制器与一组所述电控阀组对应。

9.根据权利要求8所述的大容量实验用多功能电源处理装置，其特征在于，每一所述触发控制器分别通过一光纤分路器与所述总控制器通信连接，所述光纤分路器用于将所述总控制器发出的触发信号分为若干路与所在相的若干可控半导体开关管分别相对应的并联光控制信号。

10.一种大容量连接器实验检测装置，其特征在于，包括实验电源、实验变压器以及如权利要求1至9任一项所述的大容量实验用多功能电源处理装置，所述实验电源的输出端与所述实验变压器的输入端电性连接，所述实验变压器的输出端与所述电控阀组的输入端电性连接，所述电控阀组的输出端与实验用连接器样品电性连接。

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