专利名称：开关设备的无弧切换电路及其方法
技术领域：
本发明涉及电力输配电、发电机、电气控制技术，尤其是涉及如负荷开关、断路器、接触器等现行开关设备及其补充电器技术。
背景技术：
现行的开关设备为了消除电弧，尤其是在高压大电流领域，广泛采用真空或SF6灭弧装置，此类开关都存在结构庞杂、维修困难的缺点；另一方面，断路器等开关设备的开断能力受到灭弧能力的制约，往往使开关脱扣失败，造成严重的经济损失。
在2000年9月22日申请的、授权公告号为CN 2468145Y的中国实用新型专利说明书中提供的电子组合开关，在切断高达额定电流数十倍以至数百倍的短路电流的情况下，由于晶闸管开关器件过载能力的限制，晶闸管极易被烧毁。试验证明，在短路电流达到晶闸管额定通态电流的数十倍以上时，晶闸管将被击穿从而使开关失效。
在1998年7月2日申请的、授权公告号为CN 1074187C的中国发明专利说明书中提供的无触点智能开关装置，取消了开关所有电器部分的机械装置，但是同样原因，在开断大短路电流方面并不理想。特别是在高压、大电流领域的应用有很大局限性。
发明内容
本发明的目的是为了消除开合额定电流时在主触头及辅助触头上产生的电弧，并能安全、有效消除或抑制故障状态开关分断时产生的电弧，从根本上抑制电弧的产生，避免开关主触头的烧损，减少维护工作；特别是在高电压、大电流的情况下，晶闸管也能工作在其所能承受的过载范围以内，以防止晶闸管损坏；而发明的一种适合于高、中、低电压输配电线路以及各种工业设备，并能代替断路器、负荷开关、接触器使用的开关设备的无弧切换电路及其方法。
为达到上述目的而采用的技术方案为一种开关设备的无弧切换电路，包括开关设备的主触头、换流电路，换流电路中包括开关、反向并联的二晶闸管组以及正温度系数的PTC热敏电阻器组，其中，换流电路中还包括取样电阻、二个电压箝位器；换流电路由开关与反向并联的二晶闸管组、取样电阻、正温度系数的PTC热敏电阻器组串联后，再并联于开关设备的主触头的二端，换流电路中的一个电压箝位器也并联于开关设备的主触头的二端；另一个电压箝位器的一端分别连接开关、反向并联的二晶闸管组，另一端分别连接取样电阻、正温度系数的PTC热敏电阻器组。
一种开关设备的无弧切换电路的切换方法，包括合闸过程和分闸过程。
合闸过程的步骤如下闭合开关；延时1～10ms使反向并联的晶闸管组被触发而交替导通；然后在一到二个周波内开关设备的主触头闭合；在闭合瞬间电流大于开关设备的主触头额定电流5～20倍时，电压箝位器处于低阻态，部分电流流经电压箝位器件；分闸过程的步骤如下开关设备的主触头先断开，在主触头开断的同时反向并联的晶闸管组被触发而交替导通，触发电流使反向并联的晶闸管导通然后在一到二个周波内过零关断；然后经延时再断开开关；在分断电路瞬间的电流大于开关设备的主触头额定电流5～20倍的情况下，反向并联的晶闸管组导通，同时由于电压箝位器也变为低阻态，部分电流流经电压箝位器件；然后正温度系数的PTC热敏电阻组在20～30ms内动作；所以开关在断开时流过其机械触点的电流已经降低到非常小的数值，在开关触头上可以抑制电弧或消除电弧。
本发明的有益效果由于采用开关设备的无弧切换装置，一方面，开关不再需要复杂的灭弧装置，消除各种误动、拒动事故；另一方面，可以显著减少触头烧损，避免开关的截流与开合事故，因此可以延长开关主触头系统的电气寿命和大修周期、保证设备安全；同时，还可以避免操作过电压或者工频过电压对电力系统的危害。由于无弧切换开关装置中采用的取样电阻，对切换过程中流过晶闸管的电流进行取样，并利用金属氧化物压敏电阻、固体放电管等电压箝位器件对晶闸管形成可靠的过电流保护；即使在大电流短路的情况下晶闸管也能工作在其所能承受的过载范围以内，有效地防止了晶闸管的损坏，从而避免开断失败的恶性故障的发生，并省却了结构庞杂、不易维护的灭弧装置，有利于减小开关的体积、降低运行成本、提高设备的可靠性。
综上所述，无弧切换开关装置在额定电流以下投切时，可以完全避免电弧的产生；特别是在切换过载或短路大电流时，由于电压箝位器的保护作用，保证了晶闸管的正常工作，从而可以安全、有效地消除电弧或抑制电弧的强度，保护触点不至于熔焊或烧损，保证开关设备的可靠切换。
图1为380V配电系统单极开关设备的无弧切换电路装置的电路原理图。
图2为380V配电系统三极开关设备的无弧切换电路装置的电路原理图。
图3为10.5KV配电、输电系统三极开关设备的无弧切换电路装置的电路原理图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
在380V配电系统单极开关设备的无弧切换电路的实施例中，如图1中所示，单极开关设备的无弧切换电路包括开关设备的主触头1、换流电路2，换流电路2中包括开关21、反向并联的二晶闸管22、23以及正温度系数的PTC热敏电阻器组25，其中，换流电路2中还包括取样电阻24、二个电压箝位器26、27；换流电路2由开关21与反向并联的二晶闸管22和23、取样电阻24、正温度系数的PTC热敏电阻器组25串联后，再并联于开关设备的主触头1的二端，换流电路2中的一个电压箝位器27也并联于开关设备的主触头1的二端；另一个电压箝位器26的一端分别连接开关21、反向并联的二晶闸管，另一端分别连接取样电阻24、正温度系数的PTC热敏电阻器组25。
下面以图1所示的单极开关设备的无弧切换电路为例，从开关正常投切工作以及故障切换两种工作状况论述开关设备的工作过程及原理合闸过程首先闭合开关21，延时1～10ms使反向并联的晶闸管22、23被触发而交替导通，然后在一到二个周波内开关设备的主触头闭合；在闭合瞬间电流大于开关设备的主触头额定电流5～20倍时，电压箝位器26处于低阻态，部分电流流经电压箝位器26；然后正温度系数的PTC热敏电阻器25动作；由于开关设备的主触头1闭合过程中，反向并联的晶闸管22、23已经导通，主触头1两端电压低于起弧电压或电压较低，故而可以抑制甚至消除电弧；另外在开关21闭合时，反向并联的晶闸管22、23尚未导通，没有电流流过，所以开关21在闭合时也不会产生电弧。
分闸过程开关设备的主触头1首先断开，在主触头1开断的同时反向并联的晶闸管22、23被触发而交替导通；触发电流使反向并联的晶闸管22、23导通然后在一到二个周波内过零关断；然后再断开开关21。
在分断较小电流即分断电流小于开关设备的主触头额定电流5～20倍的情况下，电压箝位器26处于高阻态，反向并联的晶闸管22、23在开关设备的主触头1的分断过程中被触发导通，后经延时才断开开关21，所以在主触头1和开关21上均不具备起弧条件。
当分断较大电流即开关开始分断电路瞬间的电流大于开关设备的主触头额定电流5～20倍的情况下，反向并联的晶闸管22、23导通，但同时由于电压箝位器26也变为低阻态，导致PTC热敏电阻25在20～30ms内动作，所以开关21在断开时流过其机械触点的电流已经降低到非常小的数值，在开关21上可以抑制电弧甚至不起电弧。
在图1的实施例中，作为用于380V等级的配电系统的单极开关，其相关元件的选择范围如下晶闸管22、23耐压500V，通态平均电流在开关设备的主触头的额定电流等级或上一个等级选择；电压箝位器26可采用固体放电管，其最高限制电压为1～15V；电压箝位器件27采用金属氧化物压敏电阻器，其U1mA＝560V～700V；采样电阻24的阻值范围10～200mΩ；PTC热敏电阻25室温电阻20～200mΩ；不动作特性满足在电流小于开关设备的主触头额定电流情况下在20～40ms内不动作；其动作特性满足在电流大于开关设备的主触头额定电流5～20倍的情况下在20～40ms内动作。
在380V配电系统三极开关设备的无弧切换电路装置的实施例中，如图2中所示，三极开关设备的无弧切换电路装置包括A相、B相、C相的开关设备的主触头3、换流电路4，换流电路4中包括开关21、反向并联的二晶闸管22、23以及正温度系数的PTC热敏电阻器组25，其中，换流电路4中还包括取样电阻24、二个电压箝位器26、27；换流电路4由开关21与反向并联的二晶闸管22和23、取样电阻24、正温度系数的PTC热敏电阻器组25串联后，再并联于开关设备的主触头3的二端，换流电路4中的一个电压箝位器27也并联于开关设备的主触头3的二端；另一个电压箝位器26的一端分别连接开关21、反向并联的二晶闸管22和23，另一端分别连接取样电阻24、正温度系数的PTC热敏电阻器组25。
在10.5KV配电、输电系统三极开关设备的无弧切换电路装置的实施例中，如图3中所示，10.5KV三极开关设备的无弧切换电路装置包括A相、B相、C相的开关设备的主触头9、换流电路10，换流电路10中包括开关11、反向并联的二晶闸管组12、13以及正温度系数的PTC热敏电阻器组15，其中，换流电路10中还包括取样电阻14、二个电压箝位器16、17；换流电路10由开关11与反向并联的二晶闸管组12和13、取样电阻14、正温度系数的PTC热敏电阻器组15串联后，再并联于开关设备的主触头9的二端，换流电路10中的一个电压箝位器17也并联于开关设备的主触头9的二端；另一个电压箝位器16的一端分别连接开关11、反向并联的二晶闸管组12和13，另一端分别连接取样电阻14、正温度系数的PTC热敏电阻器组15；电压箝位器16采用金属氧化物压敏电阻器，其U1mA为4V到30V，电压箝位器件17采用金属氧化物压敏电阻器，其U1mA为14.5KV到16.5KV。
在本发明的另一个实施例中，无弧切换开关电路装置中的换流电路装置用于10.5KV输电、配电系统现有开关电器的补充设备(见图3)。为了在不更新现有开关设备的前提下提高设备性能，换流电路装置可以作为现有开关如断路器、接触器、负荷开关的补充电器，利用原开关的辅助触点或者另外加装的一只接触器的常开触点作为开关11。实施了上述改造后，原有开关的开断、关合性能有显著改善，原来的灭弧装置可以保留，也可以去掉真空灭弧室或六氟化硫灭弧装置代之以空气灭弧室。
在本发明的其它实施例中，晶闸管可用双向晶闸管；电压箝位器16、26除了可采用金属氧化物压敏电阻MOV、TVS二极管以外，还可采用固体放电管、气体放电管，并且可以多只、多组串并联的使用；取样电阻可采用正温度系数的热敏电阻，还可采用固定电阻；正温度系数的PTC热敏电阻器组也可以采用多只、多组串并联的方法使用。
权利要求
1.一种开关设备的无弧切换电路，包括开关设备的主触头(1)、换流电路(2)，换流电路(2)中包括开关(21)、反向并联的二晶闸管组(22、23)以及正温度系数的PTC热敏电阻器组(25)，其特征在于换流电路(2)中还包括取样电阻(24)、二个电压箝位器(26、27)；换流电路(2)由开关(21)与反向并联的二晶闸管组(22、23)、取样电阻(24)、正温度系数的PTC热敏电阻器组(25)串联后，再并联于开关设备的主触头(1)的二端，换流电路(2)中的一个电压箝位器(27)也并联于开关设备的主触头(1)的二端；另一个电压箝位器(26)的一端分别连接开关(21)、反向并联的二晶闸管组(22、23)，另一端分别连接取样电阻(24)、正温度系数的PTC热敏电阻器组(25)。
2.根据权利要求1所述的开关设备的无弧切换电路，其特征在于所述的晶闸管包括双向晶闸管。
3.根据权利要求1所述的开关设备的无弧切换电路，其特征在于所述的开关设备包括单极开关设备。
4.根据权利要求1所述的开关设备的无弧切换电路，其特征在于所述的开关设备包括多极开关设备。
5.根据权利要求1至4中任何一项所述的开关设备的无弧切换电路，其特征在于所述的电压箝位器(26)包括金属氧化物压敏电阻MOV、TVS二极管、固体放电管、气体放电管，可以多只、多组串并联的使用；其箝位电压为1～30V。
6.根据权利要求1至4中任何一项所述的开关设备的无弧切换电路，其特征在于所述的取样电阻(24)包括固定电阻。
7.根据权利要求1至4中任何一项所述的开关设备的无弧切换电路，其特征在于所述的取样电阻(24)包括正温度系数的热敏电阻。
8.一种开关设备的无弧切换电路的方法，包括合闸过程和分闸过程；合闸过程的步骤如下闭合开关(21)；延时1～10ms使反向并联的晶闸管组(22、23)被触发而交替导通；然后在一到二个周波内开关设备的主触头(1)闭合；分闸过程的步骤如下开关设备的主触头(1)先断开，在主触头(1)开断的同时反向并联的晶闸管组(22、23)被触发而交替导通，触发电流使反向并联的晶闸管组(22、23)导通，然后在一到二个周波内过零关断；然后经延时再断开开关(21)；其特征在于所述的合闸过程中，在闭合瞬间电流大于开关设备的主触头额定电流5～20倍时，电压箝位器(26)处于低阻态，部分电流流经电压箝位器(26)；所述的分闸过程中，在分断电路瞬间的电流大于开关设备的主触头额定电流5～20倍的情况下，反向并联的晶闸管组(22、23)导通，同时由于电压箝位器(26)也变为低阻态，部分电流流经电压箝位器(26)；然后正温度系数的PTC热敏电阻组(25)在20～30ms内动作。
全文摘要
一种开关设备的无弧切换电路及其方法，包括开关设备的主触头(1)、换流电路(2)，其特征在于换流电路(2)由开关(21)与反向并联的二晶闸管组(22、23)、取样电阻(24)、PTC热敏电阻器组(25)串联后，再并联于主触头(1)的二端，换流电路(2)中的一个电压箝位器(27)也并联于主触头(1)的二端；另一个电压箝位器(26)并联于反向并联的二晶闸管组(22、23)和取样电阻(24)的串联电路的二端；由于电压筘位器的保护作用，特别是在切换过载或短路电流时，保证晶闸管正常工作，从而有效地消除或抑制电弧，保护触点不至于熔焊或烧损，保证开关设备的可靠切换。
文档编号H01H9/54GK1567495SQ03129178
公开日2005年1月19日 申请日期2003年6月12日 优先权日2003年6月12日
发明者高翔, 朱仲彦, 史宇正, 方斌 申请人:上海科特高分子材料有限公司