CN112670112A - 一种混合式无损交流快速开关及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种混合式无损交流快速开关及其控制方法，所述交流快速开关包括相互之间并联设置的通流支路、电流转移支路、能力吸收支路；所述通流支路设有若干台机械开关；电流转移支路设有串联连接的电子开关和电流转移装置；能量吸收支路设有避雷器。所述控制方法为：在开断过程中，同时分别给机械开关发送分闸指令、电子开关发送合闸指令；然后投入电流转移装置，使得机械开关过零熄弧，电流成功转移至电流转移支路；最后闭锁电子开关，截流成功后能量转移至吸能支路，进入衰减过程直到将所有能量被吸收。本发明可降低交流开关通流损耗。
Description
技术领域
本发明涉及电力开关技术领域，更具体地，涉及一种混合式无损交流快速开关及其控制方法。
背景技术
交流开关是变电所主要的电力控制设备，当系统正常运行时，它能切断和接通线路及各种电气设备的空载和负载电流；当系统发生故障时，它和继电保护配合，能迅速切断故障电流，以防止扩大事故范围。随着高新技术产业的飞速发展以及传统产业、现代商业采用计算机管理和自动控制手段，对供电可靠性和电能质量敏感的负荷所占比重越来越大，对供电质量也提出了更严苛的要求。因此，交流开关工作的好坏，直接影响到电力系统的安全运行。
交流开关的开断原理为电流自然过零熄弧，加之常规操纵机构的特性，快速交流开关的最快开断时间为几十微秒。但敏感负荷要求开关需要几微秒内切除故障，一般的快速交流开关无法满足需求。目前较为常用的方案为纯功率器件为核心的固态式交流快速开关，该方案虽然具有开断速度极快的优点(≤1ms)，但是仍然存在诸多问题限制其应用与发展：
(1)效率低，功率器件在通流过程中产生大量的热量，影响整套开关装置的传递效率；
(2)成本高，功率器件是固态式交流快速开关的核心，功率器件占据了其主要的价格成本。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的交流开关通流效率低的缺陷，提供一种混合式无损交流快速开关及其控制方法。
所述交流快速开关包括相互之间并联设置的通流支路、电流转移支路、能力吸收支路；
所述通流支路的两端用来与外部电路连接；
所述通流支路设有若干台机械开关；
电流转移支路设有串联连接的电子开关和电流转移装置；
能量吸收支路设有避雷器MOV1。
优选地，所述机械开关设有至少两台。
优选地，所述机械开关为电磁斥力机械开关。具有通流损耗低，分合闸时间快的特点。
优选地，所述电子开关为无缓冲型电子开关。
优选地，所述电子开关由若干个二极管桥式电路依次串联组成。
优选地，所述电子开关由两个二极管桥式电路依次串联组成。
优选地，所述二极管桥式电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、场效应管G1、避雷器MOV2；
二极管D1的负极与二极管D4的负极连接；二极管D2的正极和二极管D4的正极分别与二极管桥式电路的两个外接端子连接；
二极管D2的负极与二极管D1的正极连接，二极管D2的正极与二极管D3的正极连接，二极管D3的负极与二极管D4的正极连接；
场效应管G1的集电极与二极管D1的负极连接，场效应管G1的发射极与二极管D2的正极连接；场效应管G1的基极与外部控制端连接；
避雷器MOV2的一端与二极管D2的正极连接，另一端与二极管D4的正极连接。
优选地，所述交流快速开关还包括电感lp，电感lp设于通流支路与电流转移支路之间。
优选地，所述场效应管G1为IGBT或IGCT或IEGT。
本发明所述混合式无损交流快速开关控制方法具体为：在开断过程中，同时分别给机械开关发送分闸指令、电子开关发送合闸指令；
然后投入电流转移装置，使得机械开关过零熄弧，电流成功转移至电流转移支路；
最后闭锁电子开关，截流成功后能量转移至吸能支路，进入衰减过程直到将所有能量被吸收。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明所述交流快速开关在正常运行时，机械开关合闸，电流通过机械开关进行通流，相当于一个机械开关在工作，通流损耗极低，机械开关合闸通流，整台装置相当于一个导体，极大的降低通流损耗。开断时，通过人为干预为机械开关创造强迫过零点，无需等待其自然过零，电流转移至电子开关，最终通过电子开关实现开断，截流时间短。
附图说明
图1为实施例1所述混合式无损交流快速开关原理示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1：
本实施例提供一种混合式无损交流快速开关，如图1所示，所述交流快速开关包括相互之间并联设置的通流支路、电流转移支路、能力吸收支路、电感lp；
所述通流支路的两端用来与外部电路连接；
所述通流支路设有若干台机械开关；
电流转移支路设有串联连接的电子开关和电流转移装置；
能量吸收支路设有避雷器MOV1。
具体而言，本发明所述支路包括主通流支路、电流转移支路、能量吸收支路，主通流支路由一台或多台机械开关组成，电流转移支路由电子开关和电流转移装置串联组成，能量吸收支路由避雷器MOV1组成；机械开关采用电磁斥力开关，通流损耗低，分合闸时间快；电子开关以IGBT/IGCT/IEGT为核心功率器件，通过二极管实现电子开关的双向通流，开断时间极短，开断能力强，成本低。
所述电子开关由若干个二极管桥式电路依次串联组成，二极管桥式电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、场效应管G1、避雷器MOV2、电感lp；
二极管D1的负极与二极管D4的负极连接；二极管D2的正极和二极管D4的正极分别与二极管桥式电路的两个外接端子连接；
二极管D2的负极与二极管D1的正极连接，二极管D2的正极与二极管D3的正极连接，二极管D3的负极与二极管D4的正极连接；
场效应管G1的集电极与二极管D1的负极连接，场效应管G1的发射极与二极管D2的正极连接；场效应管G1的基极与外部控制端连接；
避雷器MOV2的一端与二极管D2的正极连接，另一端与二极管D4的正极连接。电感lp设于通流支路与电流转移支路之间。
电流转移支路在电子开关开通的条件下，采用外接的预充电电容对电抗产生高频振荡电流，该过程通过双向可控电子开关控制，高频振荡电流叠加至主支路强迫其过零熄弧，电流转移至电流转移支路，成功换流；换流成功后，电子开关闭锁，产生过电压，当过电压达到避雷器的动作电流后，进入避雷器耗能阶段，直到故障清除；在开断过程中，同时分别给机械开关和电子开关发送分闸和合闸指令，间隔一定时间后投入电流转移装置，使得机械开关过零熄弧，电流成功转移至电子开关支路，间隔一定时间后闭锁电子开关，对转移至电子开关支路的电流进行截流；截流成功后能量转移至吸能支路，进入衰减过程直到将所有能量被吸收。
电流转移支路采用由IGBT/IGCT/IEGT以及普通二极管构成的电子开关；
换流方式采用电流转移装置强迫换流，电流转移装置位于电流转移支路上；
电子开关无缓冲型电子开关，尤其适合于交流电网系统；
本实施例所述开关的技术特点包括以下几个方面：
(1)通流损耗极低:
正常运行时，机械开关合闸，电流通过机械开关进行通流，相当于一个机械开关在工作，通流损耗极低。
(2)开断时间短：
开断时，通过人为干预为机械开关创造强迫过零点，无需等待其自然过零，电流转移至电子开关，最终通过电子开关实现开断，截流时间≤2ms。
(3)电子开关免缓冲：
由于RC缓冲装置中存在电容器件，电容具有通交隔直的特性，因此电子开关不允许存在RC缓冲，否则RC缓冲成为交流电流的另一条支路，因此电子开关不允许缓冲支路。通过巧妙的结构设计降低开断回路的杂散电感，合理的设计功率器件的关断速度，提高保护避雷器的陡波残压等措施降低开断过电压。
(4)采用电流转移装置实现换流：
根据机械开关的动态绝缘水平适时投入电流转移装置，实现机械开关电流的强迫转移，电流转移支路通过预充电电容对电感放电产生谐振电流，迫使机械开关强制过零熄弧实现电流的转移。
实施例2：
本实施例提供一种混合式无损交流快速开关控制方法，本实施例所述方法基于实施例1所述交流快速开关实现，所述控制方法具体为：在开断过程中，同时分别给机械开关发送分闸指令、电子开关发送合闸指令；
然后投入电流转移装置，使得机械开关过零熄弧，电流成功转移至电流转移支路；
最后闭锁电子开关，截流成功后能量转移至吸能支路，进入衰减过程直到将所有能量被吸收。
本实施例所述控制方法为基于时间的顺序控制方法：
在开断过程中，同时分别给机械开关和电子开关发送分闸和合闸指令，间隔一定时间后投入电流转移装置，使得机械开关过零熄弧，电流成功转移至电子开关支路，间隔一定时间后闭锁电子开关，截流成功后能量转移至吸能支路，进入衰减过程直到将所有能量被吸收。
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种混合式无损交流快速开关，其特征在于，所述交流快速开关包括相互之间并联设置的通流支路、电流转移支路、能力吸收支路；
所述通流支路的两端用来与外部电路连接；
所述通流支路设有若干台机械开关；
电流转移支路设有串联连接的电子开关和电流转移装置；
能量吸收支路设有避雷器MOV1。
2.根据权利要求1所述混合式无损交流快速开关，其特征在于，所述机械开关设有至少两台。
3.根据权利要求2所述混合式无损交流快速开关，其特征在于，所述机械开关为电磁斥力机械开关。
4.根据权利要求3所述混合式无损交流快速开关，其特征在于，所述电子开关为无缓冲型电子开关。
5.根据权利要求4所述混合式无损交流快速开关，其特征在于，所述电子开关由若干个二极管桥式电路依次串联组成。
6.根据权利要求5所述混合式无损交流快速开关，其特征在于，所述电子开关由两个二极管桥式电路依次串联组成。
7.根据权利要求5或6所述混合式无损交流快速开关，其特征在于，所述二极管桥式电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、场效应管G1、避雷器MOV2；
二极管D1的负极与二极管D4的负极连接；二极管D2的正极和二极管D4的正极分别与二极管桥式电路的两个外接端子连接；
二极管D2的负极与二极管D1的正极连接，二极管D2的正极与二极管D3的正极连接，二极管D3的负极与二极管D4的正极连接；
场效应管G1的集电极与二极管D1的负极连接，场效应管G1的发射极与二极管D2的正极连接；场效应管G1的基极与外部控制端连接；
避雷器MOV2的一端与二极管D2的正极连接，另一端与二极管D4的正极连接。
8.根据权利要求7所述混合式无损交流快速开关，其特征在于，所述交流快速开关还包括电感lp，电感lp设于通流支路与电流转移支路之间。
9.根据权利要求8所述混合式无损交流快速开关，其特征在于，所述场效应管G1为IGBT或IGCT或IEGT。
10.一种混合式无损交流快速开关控制方法，其特征在于，所述方法具体为：在开断过程中，同时分别给机械开关发送分闸指令、电子开关发送合闸指令；
然后投入电流转移装置，使得机械开关过零熄弧，电流成功转移至电流转移支路；
最后闭锁电子开关，截流成功后能量转移至吸能支路，进入衰减过程直到将所有能量被吸收。
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