CN115588583A - 一种单电力电子器件有载分接开关 - Google Patents

一种单电力电子器件有载分接开关 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力电子技术领域，更具体的说，涉及一种单电力电子器件有载分接开关。本发明提供的单电力电子器件有载分接开关，包括第一分接头、第二分接头、第一触点、第二触点、第三触点、第四触点、选择开关、调压开关和电力电子开关：第一触点，与第一分接头连接；第二触点，与第二分接头连接；调压开关，第一端可选择地与第一触点或第二触点连接，第二端与第四触点连接；电力电子开关，第一端与第三触点连接，第二端与第四触点连接；选择开关，第一端可选择地与第三触点或第四触点连接，第二端与输出端连接。本发明采用电力电子单管结构，电力电子器件只在开关分接时灭弧工作，开关静态时无需载流，简易可靠，安全系数高。

Description

一种单电力电子器件有载分接开关
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，更具体的说，涉及一种单电力电子器件有载分接开关。
背景技术
电力电子技术亦可称为大功率电子技术，包括器件、电路和系统三个层次，其中，器件的发展和应用是电力电子技术的基石。几十年来，人们不断地研究探索各种新型大功率器件，取得了许多积极的成果。
电力系统电压控制是保证系统安全运行和供电电压质量的关键电压控制的一个主要措施是变压器有载调压。
有载分接开关在变压器中有非常重要的应用，基本上变压器都设置有载分接开关。在配电网中，有载分接开关能够起到改善电能质量的作用，具有广泛的应用，尤其是当输电线路较长，电压降落比较大的情况下，通过在线路中增加有载调压变压器可以有效地改善电能质量。
当前有载分接开关主要是机械式结构，这种结构的有载分接开关存在燃弧、机械和电气损耗等问题。由于电弧的存在，导致结构比较复杂，这样就会导致可靠性降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种单电力电子器件有载分接开关，解决现有技术的有载分接开关易产生电弧、可靠性低的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种单电力电子器件有载分接开关，包括第一分接头、第二分接头、第一触点、第二触点、第三触点、第四触点、选择开关、调压开关和电力电子开关：
所述第一触点，与第一分接头连接；
所述第二触点，与第二分接头连接；
所述调压开关，第一端可选择地与第一触点或第二触点连接，第二端与第四触点连接；
所述电力电子开关，为单电力电子器件，第一端与第三触点连接，第二端与第四触点连接；
所述选择开关，第一端可选择地与第三触点或第四触点连接，第二端与输出端连接。
在一实施例中，所述单电力电子器件有载分接开关，还包括限流电阻：
所述限流电阻，第一端与第一分接头连接，第二端与第三触点连接。
在一实施例中，当有载分接开关正常工作时，选择开关的第一端与第四触点连接，与第三触点断开。
在一实施例中，当有载分接开关开始切换时，选择开关和调压开关按照预设切换控制策略进行切换，电力电子开关按照预设切换控制策略进行通断。
在一实施例中，所述预设切换控制策略进一步包括：
选择开关与第四触点连接，与第三触点断开，调压开关与第一触点连接，与第二触点断开，电力电子开关导通开始工作；
选择开关与第四触点连接，与第三触点连接，调压开关与第一触点连接，与第二触点断开，电力电子开关导通；
选择开关与第四触点断开，与第三触点连接，调压开关与第一触点连接，与第二触点断开，电力电子开关导通；
选择开关与第四触点断开，与第三触点连接，调压开关与第一触点连接，与第二触点断开，电力电子开关关断；
选择开关与第四触点断开，与第三触点连接，调压开关与第一触点断开，与第二触点连接，电力电子开关关断；
选择开关与第四触点断开，与第三触点连接，调压开关与第一触点断开，与第二触点连接，电力电子开关导通；
选择开关与第四触点连接，与第三触点连接，调压开关与第一触点断开，与第二触点连接，电力电子开关导通；
选择开关与第四触点连接，与第三触点断开，调压开关与第一触点断开，与第二触点连接，电力电子开关导通；
选择开关与第四触点连接，与第三触点断开，调压开关与第一触点断开，与第二触点连接，电力电子开关关断。
在一实施例中，所述第一分接头和第二分接头为相邻分接头。
在一实施例中，所述电力电子器件包括晶闸管或IGBT或MOSFET。
为了实现上述目的，本发明提供了一种有载调压变压器，包括如上述任一项所述的单电力电子器件有载分接开关。
本发明提供的单电力电子器件有载分接开关，采用电力电子单管结构，电力电子器件只在开关分接时灭弧工作，开关静态时无需载流，安全系数高，分接开关机械动作顺序生成电力电子器件触发时序，简易可靠。
附图说明
本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：
图1a揭示了根据本发明一实施例的的第T0时刻的开关电流流向示意图；
图1b揭示了根据本发明一实施例的单电力电子器件有载分接开关的第T1时刻的开关电流流向示意图；
图2a揭示了根据本发明一实施例的单电力电子器件有载分接开关的第T2时刻的开关电流流向示意图；
图2b揭示了根据本发明一实施例的单电力电子器件有载分接开关的第T3时刻的开关电流流向示意图；
图3a揭示了根据本发明一实施例的单电力电子器件有载分接开关的第T4时刻的开关电流流向示意图；
图3b揭示了根据本发明一实施例的单电力电子器件有载分接开关的第T5时刻的开关电流流向示意图；
图4a揭示了根据本发明一实施例的单电力电子器件有载分接开关的第T6时刻的开关电流流向示意图；
图4b揭示了根据本发明一实施例的单电力电子器件有载分接开关的第T7时刻的开关电流流向示意图；
图5a揭示了根据本发明一实施例的单电力电子器件有载分接开关的第T8时刻的开关电流流向示意图；
图5b揭示了根据本发明一实施例的单电力电子器件有载分接开关的第T9时刻的开关电流流向示意图；
图6揭示了图1a至图5b条件下的控制时序和输出电压波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释发明，并不用于限定发明。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
图1揭示了根据本发明一实施例的单电力电子器件有载分接开关的第T0时刻的开关电流流向示意图，如图1所示，本发明提出的单电力电子器件有载分接开关包括：第一分接头N、第二分接头N+1、第一触点1、第二触点2、第三触点3、第四触点4、选择开关J、调压开关K、电力电子开关T、限流电阻R。
所述第一分接头N和第二分接头N+1为相邻分接头；
所述第一触点1，与第一分接头N连接；
所述第二触点2，与第二分接头N+1连接；
所述限流电阻R，第一端与第一分接头N连接，第二端与第三触点3连接；
所述调压开关K，第一端可选择地与第一触点1或第二触点2连接，第二端与第四触点4连接；
所述电力电子开关T，为单电力电子器件，第一端与第三触点3连接，第二端与第四触点4连接；
所述第三触点3和第四触点4，可选择地与选择开关J的第一端连接；
所述选择开关J的第二端，与输出端连接。
本发明提出的单电力电子器件有载分接开关，利用单电力电子器件和机械开关相互配合实现无弧切换，只需一只电力电子功率器件，成本低，可靠性高。
较佳的，所述电力电子开关T可以包括晶闸管、IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)或MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)等。
本发明提出的单电力电子器件有载分接开关的切换时序如下：
当有载分接开关正常工作，即未进行切换时，选择开关J的第一端与第四触点4连接，与第三触点3断开。
当有载分接开关开始切换时，选择开关J和调压开关K按照预设切换控制策略进行切换，电力电子开关T按照预设切换控制策略进行通断。
图1a至图5b分别揭示了根据本发明一实施例的单电力电子器件有载分接开关的第T0时刻至第T9时刻的开关电流流向示意图，下面结合图1a至图5b，说明本发明单电力电子器件有载分接开关的预设切换控制策略，电流导通路径在图1a至图5b中通过粗线表示。
图1a揭示了根据本发明一实施例的单电力电子器件有载分接开关的第T0时刻的开关电流流向示意图，如图1a所示，
选择开关J与第四触点4连接，选择开关J与第三触点3断开；
调压开关K与第一触点1连接，调压开关K与第二触点2断开；
电力电子开关T不工作，电力电子开关T未导通；
电流依次流经第一分接头N、第一触点1、调压开关K、第四触点4和选择开关J。
图1b揭示了根据本发明一实施例的单电力电子器件有载分接开关的第T1时刻的开关电流流向示意图，如图1b所示，
选择开关J与第四触点4连接，选择开关J与第三触点3断开；
选择开关J起始动作时，触发电力电子开关T，电力电子开关T工作，电力电子开关T导通；
调压开关K与第一触点1连接，调压开关K与第二触点2断开；
电流依次流经第一分接头N、第一触点1、调压开关K、第四触点4和选择开关J。
图2a揭示了根据本发明一实施例的单电力电子器件有载分接开关的第T2时刻的开关电流流向示意图，如图2a所示，
选择开关J与第四触点4连接，选择开关J与第三触点3连接；
电力电子开关T工作；
调压开关K与第一触点1连接，调压开关K与第二触点2断开；
电流依次流经第一分接头N、第一触点1、调压开关K、第四触点4和选择开关J，以及电流依次流经第一分接头N、第一触点1、调压开关K、电力电子开关T、第三触点3和选择开关J。
图2b揭示了根据本发明一实施例的单电力电子器件有载分接开关的第T3时刻的开关电流流向示意图，如图2b所示，
选择开关J与第三触点3连接，选择开关J与第四触点4断开；
调压开关K与第一触点1连接，调压开关K与第二触点2断开；
电力电子开关T工作，电力电子开关T导通；
电流依次流经第一分接头N、第一触点1、调压开关K、电力电子开关T、第三触点3和选择开关J。
图3a揭示了根据本发明一实施例的单电力电子器件有载分接开关的第T4时刻的开关电流流向示意图，如图3a所示，
选择开关J与第三触点3连接，选择开关J与第四触点4断开；
调压开关K与第一触点1连接，调压开关K与第二触点2断开；
电力电子开关T不工作，电力电子开关T关断；
电流依次流经第一分接头N、限流电阻R、第三触点3和选择开关J。
图3b揭示了根据本发明一实施例的单电力电子器件有载分接开关的第T5时刻的开关电流流向示意图，如图3b所示，
选择开关J与第三触点3连接，选择开关J与第四触点4断开；
调压开关K与第一触点1断开，调压开关K与第二触点2连接；
电力电子开关T不工作，电力电子开关T关断；
电流依次流经第一分接头N、限流电阻R、第三触点3和选择开关J。
图4a揭示了根据本发明一实施例的单电力电子器件有载分接开关的第T6时刻的开关电流流向示意图，如图4a所示，
选择开关J与第三触点3连接，选择开关J与第四触点4断开；
调压开关K与第一触点1断开，调压开关K与第二触点2连接；
电力电子开关T工作，电力电子开关T导通；
电流依次流经第一分接头N、限流电阻R、第三触点3和选择开关J以及电流依次流经第二分接头N+1、第二触点2、调压开关K、电力电子开关T、第三触点3和选择开关J。
图4b揭示了根据本发明一实施例的单电力电子器件有载分接开关的第T7时刻的开关电流流向示意图，如图4b所示，
选择开关J与第三触点3连接，选择开关J与第四触点4连接；
调压开关K与第一触点1断开，调压开关K与第二触点2连接；
电力电子开关T工作，电力电子开关T导通；
电流依次流经第一分接头N、限流电阻R、第三触点3和选择开关J以及电流依次流经第二分接头N+1、第二触点2、调压开关K、第四触点4和选择开关J。
图5a揭示了根据本发明一实施例的单电力电子器件有载分接开关的第T8时刻的开关电流流向示意图，如图5a所示，
选择开关J与第三触点3断开，选择开关J与第四触点4连接；
调压开关K与第一触点1断开，调压开关K与第二触点2连接；
电力电子开关T工作，电力电子开关T导通；
电流依次流经第一分接头N、限流电阻R、电力电子开关T、第四触点4和选择开关J以及电流依次流经第二分接头N+1、第二触点2、调压开关K、第四触点4和选择开关J。
图5b揭示了根据本发明一实施例的单电力电子器件有载分接开关的第T9时刻的开关电流流向示意图，如图5b所示，
选择开关J与第三触点3断开，选择开关J与第四触点4连接；
调压开关K与第一触点1断开，调压开关K与第二触点2连接；
电力电子开关T不工作；
电流依次流经第二分接头N+1、第二触点2、调压开关K、第四触点4和选择开关J。
图6揭示了图1a至图5b条件下的控制时序和输出电压波形图，如图6所示，在第T1(t1)时刻，T导通(电力电子开关T导通)；
在第T2(t2)时刻，J-3导通(选择开关J与第三触点3连接)；
在第T3(t3)时刻，J-4关断(选择开关J与第四触点4断开)；
在第T4(t4)时刻，T关断(电力电子开关T关断)；
在第T5(t5)时刻，K-1关断(调压开关K与第一触点1断开)；
在第T6(t6)时刻，K-2导通(调压开关K与第二触点2连接)；
在第T7(t7)时刻，T导通(电力电子开关T导通)；
在第T8(t8)时刻，J-3导通(选择开关J与第三触点3连接)；
在第T9(t9)时刻，T关断(电力电子开关T关断)。
J选择器起始动作时、触发T电力电子开；J-4分离断开后、关断电力电子开关T；K-2导通后、触发电力电子开关T；J-3分离断开后、关断电力电子开关T。
如图6所示，电力电子开关T在静态时无需载流，在开关切换前后不需要长时间载流，电力电子开关T只耐受级间电压，对模块耐压要求不高。在分接开关进行切换动作时电力电子开关T才开始载流灭弧工作，一方面可以降低能留损耗，也可以提高安全系数。
如图6所述，电力电器开关T的触发时序与机械开关的动作顺序相关，可以实现准确地无弧切换。
进一步地，本发明实施例还提供一种有载调压变压器，所述有载调压变压器包括上述实施例所述的单电力电子器件有载分接开关。
与现有技术相比，本发明揭示的有载调压变压器，通过单电力电子器件有载分接开关，采用单电力电子器件在开关分接时灭弧工作，能够增加电路可靠性和降低成本。
本发明提出的一种单电力电子器件有载分接开关，具体具有以下有益效果：
1)分接开关机械动作顺序生成电力电子器件触发时序，简易可靠；
2)只需一只电力电子功率器件，电力电子单管结构，成本较低；
3)电力电子器件只在开关分接时灭弧工作，开关静态时无需载流，安全系数高；
4)静态时机械触头载流、电力电子器件只需承受级间耐压。
尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。
如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连同。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (8)

1.一种单电力电子器件有载分接开关，其特征在于，包括第一分接头、第二分接头、第一触点、第二触点、第三触点、第四触点、选择开关、调压开关和电力电子开关：
所述第一触点，与第一分接头连接；
所述第二触点，与第二分接头连接；
所述调压开关，第一端可选择地与第一触点或第二触点连接，第二端与第四触点连接；
所述电力电子开关，为单电力电子器件，第一端与第三触点连接，第二端与第四触点连接；
所述选择开关，第一端可选择地与第三触点或第四触点连接，第二端与输出端连接。
2.根据权利要求1所述的单电力电子器件有载分接开关，其特征在于，还包括限流电阻：
所述限流电阻，第一端与第一分接头连接，第二端与第三触点连接。
3.根据权利要求1所述的单电力电子器件有载分接开关，其特征在于，当有载分接开关正常工作时，选择开关的第一端与第四触点连接，与第三触点断开。
4.根据权利要求1所述的单电力电子器件有载分接开关，其特征在于，当有载分接开关开始切换时，选择开关和调压开关按照预设切换控制策略进行切换，电力电子开关按照预设切换控制策略进行通断。
5.根据权利要求4所述的单电力电子器件有载分接开关，其特征在于，所述预设切换控制策略进一步包括：
选择开关与第四触点连接，与第三触点断开，调压开关与第一触点连接，与第二触点断开，电力电子开关导通开始工作；
选择开关与第四触点连接，与第三触点连接，调压开关与第一触点连接，与第二触点断开，电力电子开关导通；
选择开关与第四触点断开，与第三触点连接，调压开关与第一触点连接，与第二触点断开，电力电子开关导通；
选择开关与第四触点断开，与第三触点连接，调压开关与第一触点连接，与第二触点断开，电力电子开关关断；
选择开关与第四触点断开，与第三触点连接，调压开关与第一触点断开，与第二触点连接，电力电子开关关断；
选择开关与第四触点断开，与第三触点连接，调压开关与第一触点断开，与第二触点连接，电力电子开关导通；
选择开关与第四触点连接，与第三触点连接，调压开关与第一触点断开，与第二触点连接，电力电子开关导通；
选择开关与第四触点连接，与第三触点断开，调压开关与第一触点断开，与第二触点连接，电力电子开关导通；
选择开关与第四触点连接，与第三触点断开，调压开关与第一触点断开，与第二触点连接，电力电子开关关断。
6.根据权利要求1所述的单电力电子器件有载分接开关，其特征在于，所述第一分接头和第二分接头为相邻分接头。
7.根据权利要求1所述的单电力电子器件有载分接开关，其特征在于，所述电力电子器件包括晶闸管或IGBT或MOSFET。
8.一种有载调压变压器，其特征在于，包括如上述权利要求1至权利要求7中任一项所述的单电力电子器件有载分接开关。
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