CN204425031U - 一种智能切换开关 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种智能切换开关，包括并联连的机械开关单元、全控型固态开关单元和驱动电路；将智能切换开关串联接入输电线后，每条输电线中开关的全控型固态开关单元的结构完全相同；驱动电路驱动机械开关单元导通或者断开，以及驱动全控型固态开关单元导通或者断开。与现有技术相比，本实用新型提供的一种智能切换开关，能够实现无弧、快速、低损耗、高可靠性的切换操作。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种开关，具体涉及一种智能切换开关。
背景技术
在传统电网中，当某条供电线路出现故障时，为了保障用户的连续供电，常用的方法是用机械开关(真空断路器、SF6断路器等)将用户从故障线段切换到无故障的母线上去。机械开关本身固有的特性使得切换速度和暂态特性都不是十分理想，不可能做到“无缝隙”的切换。对于敏感负荷而言，一般要求在5～20ms内必须切换电源，甚至要求更高，机械开关是远远不能做到的这一点的。另外，机械开关在闭合或开断时，会由于触头震动或起弧现象而造成触发蚀损、电磁干扰与电能损失，这不但限制了其使用范围，而且也降低了电气寿命。
目前，最新技术方向是利用基于半导体器件的电力电子开关代替或改造传统的机械开关，可以有效解决传统机械开关的固有问题，大大提高切换速度和开关的使用寿命，满足敏感负荷对供电可靠性和电能质量的苛刻要求。此类快速切换开关按结构型式可分为纯半导体器件和复合开关(也称组合开头)型式两种，前者可以由晶闸管、门极关断晶闸管(GTO)或集成门极换向晶闸管(IGCT)阀构成，后者可以是半导体器件与机械开关的有机组合。
1、完全基于电力电子器件的切换开关
由于晶闸管的触发次数没有限制，而且导通迅速，因此非常适用于频繁投切场合下的切换。应用时，通常采用两个反并联的晶闸管的阀组件构成投切开关。为了避免合闸涌流对晶闸管的冲击，工程中必须采取过零触发措施。这里过零触发方案一般是指在晶闸管两端电压为零的瞬间发出触发信号。此类技术方案的主要缺点是晶闸管损耗较大，必须采取相应的散热措施。此外，在高电压(10kV级以上)场合应用时，受限于现有晶闸管制造水平，往往需要12～24只晶闸管(5400V)通过串并联构成阀组件，工程造价也高。
2、复合开关
为了避免机械开关动作缓慢、接触器不能频繁动作以及晶闸管损耗大的缺点，人们将机械开关(接触器)与晶闸管有机地并联组合构成复合开关，在切换过程中，对于要投入的线路，首先使用晶闸管过零触发来实现投入，然后接通机械开关来保持负荷的连续供电，这样 就避免了投切时的涌流，又避免了晶闸管连续运行时的损耗。对于要切除的线路，首先发出触发信号使晶闸管导通，然后断开机械开关，最后撤销触发信号使晶闸管电流过零关断，这样就避免了机械开关断开时的电弧，提高了机械开关的寿命。复合开关中的晶闸管只在接通与断开电容器的瞬间使用，损耗很小，无须考虑散热措施。此类复合开关技术方案的主要缺点是，由于使用晶闸管，设备成本较高，并且引入晶闸管驱动电路，需要精确实现过零触发，否则仍存在起弧，降低了设备的整体可靠性。现有工程运行经验来看，接触器触点仍会烧损。
因此，需要提供一种具有无弧、快速、低损耗、高可靠性的切换开关。
发明内容
为了满足现有技术的需要，本实用新型提供了一种智能切换开关，所述开关包括并联连接的机械开关单元和全控型固态开关单元。
优选的，所述全控型固态开关单元包括串联连接的全控型器件和二极管；所述二极管的阴极与全控型器件的集电极连接；所述全控型器件两端反向并联有一个二极管；
优选的，所述全控型固态开关单元包括两个串联连接的全控型器件，每个全控型器件的两端均反向并联有一个二极管；
优选的，所述全控型器件反向连接，一个全控型器件的发射极与另一个全控型器件的集电极相连；
优选的，所述机械开关单元中的机械开关为交流接触器；
优选的，所述机械开关单元中的机械开关为磁保持继电器和单稳态继电器中任一种继电器；
优选的，将所述开关串联接入输电线后，每条输电线中所述开关的全控型固态开关单元的结构完全相同；
优选的，所述开关还包括驱动电路，驱动所述机械开关单元导通或者断开，以及驱动所述全控型固态开关单元导通或者断开。
与最接近的现有技术相比，本实用新型的优异效果是：
1、本实用新型技术方案中，机械开关单元和全控型固态开关单元并联连接，在开关切换过程中，全控型固态开关可以保护机械开关单元的触点，实现无弧切换，极大地延长机械开关的使用寿命；
2、本实用新型技术方案中，全控型固态开关单元包括串联连接的全控型器件和二极管， 利用二极管单向导通的卡关特性，能够对全控型固态开关单元和机械开关单元进行时序配合控制，实现无弧快速切换操作；
3、本实用新型技术方案中，全控型固态开关中全控型器件在开关闭合过程中，可以实现毫秒级切换；
4、本实用新型技术方案中，由于全控器件导通与截止的特性，以及机械开关的无弧切换，智能切换开关的操作时间理论最大值为2-3ms；
5、本实用新型技术方案中，全控器件仅在开关接通和断开的瞬间工作，开开关闭合状态时由机械开关承受电流，因此开关损耗低、无需附加散热电路；
6、本实用新型技术方案中，能够依据实际工况对浪涌电流承受能力的要求，选择全控器件的类型，极大的降低了开关成本和体积。
附图说明
下面结合附图对本实用新型进一步说明。
图1：本实用新型实施例中一种智能切换开关的结构示意图；
图2：本实用新型实施例中智能切换开关接入输电线的应用图A；
图3：本实用新型实施例中智能切换开关接入输电线的应用图B；
图4：基于晶闸管的电子电子开关结构示意图；
图5：基于晶闸管和机械开关的复合开关结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
基于半导体器件的电力电子开关主要包括如图4所示的由晶闸管组成的纯半导体器件，以及如图5所示的由晶闸管和机械开关组成的复合开关。为了克服上述两种开关存在的造价高、开关断开瞬间易发生起弧现象等缺陷，本实用新型提供了一种智能切换开关，如图1所示，该开关包括并联连接的机械开关单元和全控型固态开关单元。
1、全控型固态开关单元
本实施例中提供了两种结构的全控型固态开关单元，具体为：
(1)全控型固态开关单元包括串联连接的全控型器件和二极管，该二极管的阴极与全控 型器件的集电极连接。同时，全控型器件两端反向并联有一个二极管。
图2示出了将该全控型固态开关单元串联接入输电线路的应用图。智能切换开关在换相时可以充分利用二极管单相导通的开关特性，对全控型器件和机械开关进行时序配合控制，实现无弧快速切换操作。
(2)全控型固态开关单元包括两个串联连接的全控型器件，每个全控型器件的两端均反向并联有一个二极管。同时，全控型器件反向连接，即一个全控型器件的发射极与另一个全控型器件的集电极相连。
图3示出了将该全控型固态开关单元串联接入输电线路的应用图。
2、机械开关单元
本实施例中机械开关单元的机械开关可以采用交流接触器，也可以采用磁保持继电器，也可以采用单稳态继电器。
如图2和3所示，将智能切换开关串联接入输电线后，每条输电线中开关的全控型固态开关单元的结构完全相同，这样可以便于驱动电路控制所述开关的导通或断开。
3、驱动电路
本实施例中智能切换开关还包括驱动电路，用于驱动机械开关单元导通或者断开，以及驱动全控型固态开关单元导通或者断开。
同时，在输电线末端设置一个电流互感器TA，驱动电路依据电流互感器TA的输出值检测负荷电流，将该负荷电流发送到上级主控系统，从而能够判断系统是否正常运行。
如图2和3所示，本实施例中驱动电路为控制电路(System Control Unit，SCU)，控制所述开关导通和断开的具体过程为：
(1)线路1中开关闭合，线路2～线路n中开关均断开。此时线路1中的机械开关单元闭合，全控型固态开关断开。
(2)上级主控系统向控制电路SCU下发由线路1切换到线路2的切换指令。
(3)断开线路1：控制电路SCU接收到该切换指令后，首先驱动全控型固态开关T1闭合，此时全控型固态开关中没有电流通过；其次驱动机械开关单元K1断开，随着机械开关断开的触点距离增加，触点两端的电压也随即增大，当电压超过全控型器件的导通电压时，全控型固态开关导通，此时全控型固态开关中有电流通过，将机械开关触点分离过程中触点承受的电压钳位在2-3V以下，因此触点可以快速完全断开，不会发生拉弧现象。
(4)接入线路2：控制电路SCU驱动机械开关单元K1完全断开后，首先同时驱动全控型固态开关T2导通以及驱动全控型固态开关T1断开，电流由线路1快速切换到线路2中。 其次驱动机械开关单元K2闭合，完成线路2的接入。
机械开关单元K2闭合过程中，触点之间的距离从完全断开到完全闭合，触点所承受的电压仅为全控型固态开关的导通压降，即2-3V，不会产生浪涌电流或者起弧现象。
最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
Claims (8)
1.一种智能切换开关，其特征在于，所述开关包括并联连接的机械开关单元和全控型固态开关单元。
2.如权利要求1所述的智能切换开关，其特征在于，所述全控型固态开关单元包括串联连接的全控型器件和二极管；所述二极管的阴极与全控型器件的集电极连接；所述全控型器件两端反向并联有一个二极管。
3.如权利要求1所述的智能切换开关，其特征在于，所述全控型固态开关单元包括两个串联连接的全控型器件，每个全控型器件的两端均反向并联有一个二极管。
4.如权利要求3所述的智能切换开关，其特征在于，所述全控型器件反向连接，一个全控型器件的发射极与另一个全控型器件的集电极相连。
5.如权利要求1所述的智能切换开关，其特征在于，所述机械开关单元中的机械开关为交流接触器。
6.如权利要求1所述的智能切换开关，其特征在于，所述机械开关单元中的机械开关为磁保持继电器和单稳态继电器中任一种继电器。
7.如权利要求1所述的智能切换开关，其特征在于，将所述开关串联接入输电线后，每条输电线中所述开关的全控型固态开关单元的结构完全相同。
8.如权利要求1所述的智能切换开关，其特征在于，所述开关还包括驱动电路，驱动所述机械开关单元导通或者断开，以及驱动所述全控型固态开关单元导通或者断开。
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