CN201868842U - 软开关模式单相交流开关 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种软开关模式单相交流开关，由主电路、开关控制支路及与开关控制支路相连接的开关执行机构组成。开关控制支路上设置有采集主电路电量信号的电量检测单元。开关执行机构由在直流侧并联有全控型电力电子器件单元的大功率二极管单元组成的桥式整流电路所构成。本实用新型实现了无冲击的关断或接通电路，从而可避免断开电路时产生截流过电压以及合闸时产生浪涌过电流，降低对开关器件的高强度要求；由于采用电力电子器件构成的开关器件，因此具有较高的开关速度。

Description

软开关模式单相交流开关

技术领域

本实用新型属于电力系统设备，尤其是短时作用场合使用的单相交流开关。

背景技术

断路器是电力系统的重要控制、保护设备。随着电力系统的迅速发展，电网短路电流水平迅速提高。目前广泛应用的传统机械断路器具有动作可靠性高、开断能力强、通态损耗小等优点，但也有动作速度慢、动作一致性差，且在动作过程中常有电弧产生、易损毁触头、使用寿命短的缺点。新型固态断路器（静止型断路器）利用现代大功率电力电子技术，在动作速度上具有较大的优势，但其容量有限、过负载能力差、正常工作时损耗大、不能完全开断隔离电路等缺点限制了固态断路器在电力系统中的应用。

针对固态断路器的缺点，文献提出利用真空断路器良好的静态特性，结合电力电子回路的动态特性构成混合式断路器（hybrid circuit breaker，HCB）。在机械式开关的基础上，用电力电子器件作为无触头开关与机械式开关的触头并联，构成一种新型断路器，即混合式电力电子断路器。

混合式断路器应用于电力系统，关键在于其固态开关部分（电力电子换流装置）电压和电流承受能力的提高。绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）结合了功率MOSFET 易驱动以及电力双极结型晶体管（bipolar junction transistor，BJT）通态损耗低的优点，具有优异的综合性能，已成为当前工业领域应用最广泛的全控型电力电子器件。因此，混合式断路器中选用IGBT作为其固态换流元件。

混合式断路器不是将机械式断路器与固态断路器简单并联，而是在综合机械式断路器与静止式固态断路器二者优点基础上进一步扩展功能。与机械式或静止式固态断路器相比，混合式断路器具有稳态工作时导通损耗小、无弧动作、动作快速等优点。

采用IGBT构成的混合断路器拓扑结构如图1所示，其中SW_main 为主开关，i _main 为流过主开关的电流，i _s为电源电流，i ₁、i ₂、i ₃ 分别为流入IGBT、缓冲回路、吸收回路的电流，D₁～D₄ 为二极管桥式电路、IGBT、缓冲回路、吸收回路、放电回路与隔离开关SW_is 构成固态换流回路。

混合式断路器的工作过程如下：1）闭合过程：为了避免主开关SW_main 动作时产生有害电弧，在SW_main 闭合或断开前，起换流作用的固态开关IGBT 必须首先处于导通状态。断路器需要闭合时，首先投入固态换流回路，在电流达到稳态值时合上主开关，此时因主开关导通电阻小于固态开关的导通电阻，电流开始从固态换流回路流至主开关，完成换流动作后，可以断开固态换流回路。在整个导通过程中，因固态开关的导通电压小于主开关的起弧电压，所以主开关导通时在其触点间将不会产生电弧。2）断开过程：当需要断路器迅速关断时，首先通过驱动电路将固态换流回路投入工作，固态开关完全导通后，断开主开关，利用主开关触点间的电弧电压将电流换流至固态换流回路。因为电弧电压受固态开关导通压降的限制，在主开关触点间不会产生电弧，这样完成了对主开关触点的保护。在主开关触点完全断开并恢复绝缘强度后，关断固态开关。

混合断路器虽然避免了主开关在通断过程中电弧的产生，但是必须由电力电子器件承担开关过程中du/dt及di/dt，对器件的要求较高；另外，断路器的动作时间由传统的机械开关动作时间变成了机械开关动作时间和电力电子器件动作时间。

发明内容

鉴于现有技术的以上缺点，本实用新型的目的是设计一种新型的单相交流开关，使之解决现有技术存在的以下问题：1）开关动作时间较长；2）断开电路时，会生产截流过电压；3）闭合时会产生浪涌电流。

本实用新型的目的是通过如下的手段实现的。

软开关模式单相交流开关，由主电路、开关控制支路及与开关控制支路相连接的开关执行机构组成。所述开关控制支路上设置有采集主电路电量信号的电量检测单元；所述开关执行机构由在直流侧并联有全控型电力电子器件单元的大功率二极管单元组成的桥式整流电路所构成。

本实用新型的结构利用电力电子器件构成开关器件，利用检测单元检测主电路的电压或者电流，在接收到断开信号并且电路中的电压过零或者电流过零时，控制开关关断，实现零电压或零电流关断；在接收到导通信号并且主电路电压为零时，控制开关导通，实现零电压导通。采用本实用新型能够达到：1）减小开关应力，提高开关的使用寿命；2）利用电流过零关断开关时，可以基本消除截流过电压；3）减小合闸浪涌过电流；4）具有较高的开关速度，最大响应时间为10ms。

附图说明

附图1 是现有技术混合断路器的拓扑结构图

附图2 是本实用新型单相交流开关工作原理图

附图3 是本实用新型单相交流开关拓扑结构图

附图4 是一种IGBT器件的串联方案原理图

附图5 是本实用新型单相交流开关控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施案例对本实用新型作进一步说明。

软开关模式单相交流开关，由主电路、开关控制支路及与开关控制支路相连接的开关执行机构组成。所述开关控制支路上设置有采集主电路电量信号的电量检测单元；所述开关执行机构由在直流侧并联有全控型电力电子器件单元的大功率二极管单元组成的桥式整流电路所构成。

软开关模式单相交流开关工作原理如图2所示，拓扑结构如图3所示。结合图2和图3软开关模式单相交流开关由主电路Z、开关控制支路L及与开关控制支路相连接的开关执行机构K组成。开关控制支路上设置有采集主电路电量信号的电量检测单元M，开关执行机构K包含二极管单元D₁～D₄及置于其直流侧的全控型电力电子器件单元IGBT。关断的控制信号由控制器KZ发出。在开关处于接通状态、电源电压在正半周时，电流流通的途径如下：二极管单元D₁→全控型电力电子器件单元→二极管单元D₃；电源电压在负半周时，电流的途径如下：二极管单元D₂→全控型电力电子器件单元→二极管单元D₄。

全控型电力电子器件单元可串联设置一个以上，当主电路电压超过器件的耐压水平时，需要利用串联技术来提高单相交流开关的耐压等级，图4给出了一种IGBT串联方案，图中，电容C₁>>C₂，C₃>>C₄；电阻R₁>>R₂，R₃>>R₄，R₁＋R₂＝R₃＋R₄。

根据在实际实施时的不同选择，电量检测单元M可以为以下单元(传感器)或其组合：电压检测单元、电流检测单元。需要实现电流过零关断时，则设置电流传感器；需要实现电压过零关断与导通时，需要设置电压传感器；需要实现电流过零关断、电压过零导通时，需要设置电压、电流传感器。

控制单元可采用常规的结构，控制单元完成以下功能：控制单元收到闭合信号并且主电路电压信号过零时，闭合开关；控制单元收到断开信号并且电压过零时，断开开关；控制单元收到断开信号并且电流过零时，断开开关。典型的开关控制流程（采用电压传感器时控制流程）如图5所示。

本实用新型通过设计一种新型的单相交流开关，利用电力电子器件构成开关设备，实现了无冲击的关断或接通电路，从而可以避免断开电路时产生截流过电压以及合闸时产生浪涌过电流，从而降低对开关器件的要求。另外，由于是采用电力电子器件构成的开关器件，因此具有较高的开关速度。

显然，其它的全控型电力电子器件：可关断型晶闸管GTO、功率晶体管GTR、绝缘栅双极型晶体管IGBT、集成门极换流晶闸IGCT等在实际使用中与IGBT器件具有等同的效果。在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，本领域技术人员在不偏离本实用新型的范围和精神的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而易见的修改或变化均应落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.软开关模式单相交流开关，由主电路、开关控制支路及与开关控制支路相连接的开关执行机构组成，其特征在于，所述开关控制支路上设置有采集主电路电量信号的电量检测单元；所述开关执行机构由在直流侧并联有全控型电力电子器件单元的大功率二极管单元组成的桥式整流电路所构成。

2.根据权利要求1所述之软开关模式单相交流开关，其特征在于，所述全控型电力电子器件单元为绝缘栅双极型晶体管IGBT。

3.根据权利要求1所述之软开关模式单相交流开关，其特征在于，所述电量检测单元可以为以下单元或其组合：电压检测单元、电流检测单元。

4.根据权利要求1或2所述之软开关模式单相交流开关，其特征在于，所述全控型电力电子器件单元可串联设置一个以上。

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