专利名称：一种具有选相功能的光控模块化智能真空开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光控模块化智能真空开关，特别是一种实用化的具有选相功能的
光控模块化智能真空开关，属于电力高压开关技术领域。
背景技术：
在高压和超高压领域六氟化硫(SF6)开关一直占主导地位，但由于SFe对地球大气层有很强的温室效应，因此必须找出更好的替代品。真空开关作为一种极具发展潜力的新型电力开关，但由于真空介质的特殊性质，导致真空开关目前只在中低压电压等级有很强的优势；且由于技术及加工工艺等方面的限制，真空开关额定电流及额定短路电流等参数无法大幅提高，不能满足大电流应用场合。上述原因限制了真空开关在高压、大电流等领域的应用。采取单断口技术路线的真空开关存在很大的困难，而采取多断口技术路线的传统真空开关由于结构复杂、操动机构元件数目多，很容易出现机械故障。 应用于投切容性负载(电容器组、空载输电线)或感性负载(空载变压器、电抗器)的真空开关，分合闸操作所带来的开关暂态过程会对电力系统产生各种干扰，引起过压过流，甚至会传播到远端影响用户。这在对电能质量要求越来越严格的电网背景下需引起重视。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有选相功能的光控模块化智能真空开关，它采用高性能的DSP处理器(数字信号处理器)和灵活的控制技术，能快速准确地判断出开关的最佳投切相位并进行可靠操作；采用光纤控制接口来进行控制信号传输，可实现高低压隔离，简化绝缘结构，抗干扰能力强；采用电流取能、电压取能和低位送能的多方取能操作电源系统的新型可靠电源方案；采用新型永磁操动机构，结构简单，控制灵活，可靠性高；采用包括无线通讯和串口通讯在内的多种通讯技术，实现与电站计算机系统的实时信息交换。根据需要，可对具有选相功能的光控智能真空开关模块进行串、并联积木组合，实现更高电压等级的智能真空开关。 本发明的技术方案是一种具有选相功能的光控模块化智能真空开关，其特征在于它包括智能选相控制器低电位单元、智能选相控制器高电位单元，功率驱动单元，多方取能操作电源系统，永磁操动机构，真空灭弧室和外绝缘系统； 智能选相控制器低电位单元、智能选相控制器高电位单元、功率驱动单元和永磁操动机构依次电连接； 智能选相控制器高、低电位单元中采用数字信号处理器； 静触头、动触头和分闸弹簧位于真空灭弧室内，动触头与永磁操动机构的驱动杆直接相连； 多方取能操作电源系统与功率驱动单元电连接，多方取能操作电源系统包括电流取能、电压取能和低位送能；
外绝缘系统包围真空灭弧室。 如上所述的具有选相功能的光控模块化智能真空开关，其特征在于智能选相控 制器高、低电位单元间信号传输采用光纤控制接口。 如上所述的具有选相功能的光控模块化智能真空开关，其特征在于真空开关三 相中每相配置独立的永磁操动机构。 如上所述的具有选相功能的光控模块化智能真空开关，其特征在于智能选相控 制器低电位单元中的通讯接口包括无线通讯和串口通讯。 如上所述的具有选相功能的光控模块化智能真空开关，其特征在于对具有选相 功能的光控模块化智能真空开关进行串、并联积木组合。 本发明的工作原理是智能选相控制器低电位单元能实时判断输入信息，接到就 地/远动操作指令后，根据不同负载特性，调用相关控制策略子程序，按照预定算法给出分 合闸信号，控制开关在最佳相位动作，从而减少开关操动暂态，提高电网系统稳定性和电能 质量。智能选相控制器低、高电位单元的主要功能有①实时采集各类信号，并能快速数学 运算和精确逻辑控制；②高、低电位单元利用光纤技术进行光电隔离，实现低电位控制，高 电位动作；③记录开关的动作次数、开关操作事件记录、开关操作暂态电流和电压波形，便 于系统诊断分析；④通过包括无线通讯和串口通讯在内的多种通讯接口连接电站计算机系 统，易实现与电站计算机系统的多机通讯。 本发明的有益效果是(l)整体结构采用模块化设计，体积小、重量轻、绝缘结构 简单，本发明模块通过串、并联积木组合，可完全替代SFe开关；(2)采用智能选相控制器 高、低电位单元，控制精度高，既可实现单个真空开关模块的选相控制，又可实现组合模块 的选相控制；(3)真空开关三相每相配置独立的永磁操动机构，以实现三相选相操作；运用 永磁操动机构，结构简单、可靠性好，便于分相独立操动；真空灭弧室的动触头与永磁操动 机构的驱动杆直接相连，取消了与传统操动机构之间的绝缘拉杆；永磁操动机构与真空灭 弧室同电位，绝缘成本低，进一步提高可靠性；(4)采用电流取能、电压取能和低位送能的 多方取能操作电源系统的新型可靠电源方案，解决了高压端电子线路的电源供给问题；(5) 电气部分与信号传输通道隔离，与光纤控制技术结合真正实现了智能真空开关模块的低电 位端控制、高电位端操动；光纤控制接口简化了绝缘结构，抗干扰能力强；(6)采用包括无 线通讯和串口通讯在内的多种通讯技术，便于实现与电站计算机系统的实时信息交换
图l，本发明实施例的工作原理图。 图2，图1中的智能选相控制器低电位单元工作原理图。 图3，图1中的智能选相控制器高电位单元工作原理图。 图4，图1中的永磁操动机构与真空灭弧室结构原理图。 图5，图1中的功率驱动单元及电流取能方式电源工作原理图。 图6，图1中的电压取能方式电源工作原理图。 图7，图1中的低位送能方式电源工作原理图。 图8，图1中的智能选相控制器低电位单元软件原理图。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例对本发明具有选相功能的光控模块化智能真空开关做详 细的说明。 图1中标记的说明1-智能选相控制器低电位单元，2_智能选相控制器高电位单 元，3-功率驱动单元，4-多方取能操作电源系统，5-电流取能，6-电压取能，7-低位送能， 8-永磁操动机构，9_真空灭弧室，10-外绝缘系统，PT-电压互感器，CT-电流互感器。
图2中标记的说明11-信号采集单元，12-信号调理单元，13-A/D转换单元， 14-低电位DSP处理器，15-人机交换单元，16-低电位工作电源，17-监控记录单元，18-通 讯接口，19-光纤控制接口。 图3中标记的说明20-高电位DSP处理器，21-高电位工作电源，22-传感器， 23-实时时钟。 图4中标记的说明24-静触头，25-分闸弹簧，26-动触头，27-盖板，28-磁路导
向环，29-永磁体，30-静铁心，31-充放电线圈，32-动铁心，33-驱动杆。 图5中标记的说明TVS-瞬时电压浪涌抑制器，Bl、 B2-整流桥，Cl-滤波电容，
C-储能电容器，S-大功率可控晶闸管，34-稳压电路，35-逆变电路，36-蓄电池。 图6中标记的说明R1、R2、R3-电阻，Dl、 D2、 D3-稳压二极管，C2、C3-滤波电容，
Q3-晶闸管，i-电流方向。 图7中标记的说明37-逆变器，K-开关，T-磁环，B3-整流桥。 本发明实施例具有选相功能的光控模块化智能真空开关可以根据不同电压等级，
将真空开关模块进行串、并联积木组合，实现更高电压等级的智能真空开关。 本发明实施例的工作原理图如图1所示，包括智能选相控制器低电位单元1、高电
位单元2，功率驱动单元3，多方取能操作电源系统4，永磁操动机构8，真空灭弧室9和外绝
缘系统10等；智能选相控制器低电位单元1、智能选相控制器高电位单元2、功率驱动单元
3和永磁操动机构8顺序电连接，多方取能操作电源系统4与功率驱动单元3电连接，它包
括电流取能5、电压取能6和低位送能7 ;外绝缘系统10包围真空灭弧室9，真空开关三相
中每相配置独立的永磁操动机构8 ; 智能选相控制器低电位单元1接收电站计算机系统发出的远动/就地操作指令， 并反馈真空开关状态信息，且从电压互感器PT和电流互感器CT采集电网三相电压与三相 电流信号； 智能选相控制器高电位单元2采集到开关位置状态、控制电压和环境温度等真空 开关状态信息，传给智能选相控制器低电位单元1 ;智能选相控制器低电位单元1发出操作 指令传给智能选相控制器高电位单元2，智能选相控制器高电位单元2收到操作指令后，向 功率驱动单元3发出分/合闸信号，与多方取能操作电源系统4电连接的功率驱动单元3 驱动永磁操动机构8，实现真空开关的分/合闸操动。 图1中的智能选相控制器低电位单元1工作原理图如图2所示，主要由模拟信号 采集单元11、模拟信号调理单元12、A/D转换单元13、低电位DSP处理器14、人机交换单元 15、低电位工作电源16、系统参数和波形监控记录单元17、和多种通讯接口 18等组成；
通过模拟信号采集单元11从电压互感器PT和电流互感器CT采集到的三相电网 电压与三相电流信号经过模拟信号调理单元12和A/D转换单元13后，传输到低电位DSP处理器14 ;利用光纤技术的高低电位光电隔离单元的光纤通信接口 19将低电位DSP处理 器14发出的操作指令传给智能选相控制器高电位单元2，并将智能选相控制器高电位单元 2采集到的真空开关状态信息，传给低电位DSP处理器14 ;低电位DSP处理器14分别连接 人机交换单元15、低电位工作电源16、系统参数和波形监控记录单元17、通讯接口 18和光 纤通信接口 19，通讯接口 18采用包括无线通讯和串口通讯在内的多种通讯技术。智能选相 控制器低电位单元1通过通讯接口 18接收电站计算机系统发出的远动/就地操作指令，并 反馈真空开关状态信息。 图1中的智能选相控制器高电位单元2工作原理图如图3所示，其中的高电位DSP 处理器20分别连接光纤通信接口 19、高电位工作电源21、传感器22和实时时钟23。传感 器22包括开关位置传感器、控制电压传感器和环境温度传感器，高电位单元2通过传感器 22实时采集真空开关状态信息(包括开关位置，控制电压，环境温度)通过光电隔离单元的 光纤通信接口 19传送给低电位DSP处理器14 ;当高电位DSP处理器20收到由光纤通信接 口 19送来的低电位单元1发出的操作指令后，向功率驱动单元3发出分、合闸信号。
上述所说的永磁操动机构8以单稳态永磁操动机构为例，图4中，真空灭弧室9包 括静触头24，分闸弹簧25，动触头26 ;单稳态永磁操动机构8包括盖板27，磁路导向环28， 永磁体29，静铁心30，充放电线圈31，动铁心32，驱动杆33 ; 分闸弹簧25连接在静触头24和动触头26之间；驱动杆33和动铁心32相连，并与 真空灭弧室9中的动触头26连接；静铁心30的上端固定非导磁盖板27 ;永磁体29上端与 磁路导向环28连接，下端与充放电线圈31连接。分合闸操作采用同一个单充放电线圈31， 通过给充放电线圈31不同方向电流来实现分合闸操作，合闸状态靠磁力保持，分闸状态靠 分闸弹簧25。在分闸中，是靠释放分闸弹簧25的能量来完成的，具有较高的刚分速度；单稳 态永磁操动机构8零件数少，运动部件只有一个动铁心32，机械寿命和可靠性大大提高；单 稳态永磁操动机构8和真空灭弧室9处于同一高电位，简化了绝缘；其分合闸操作共用一个
充放电线圈31，具有小型化和免维护的优点；动作时间分散性小，便于实现分相独立操动。
图1中的功率驱动单元3工作原理图如图5所示，电流互感器CT，瞬时电压浪涌抑 制器TVS，整流桥Bl，滤波电容Cl，稳压电路34，逆变电路35，整流桥B2，储能电容器C依次 电连接，分合闸充放电线圈31和大功率可控晶闸管S串联后与储能电容器C并联，逆变电 路电连接一个蓄电池36 ; 多方取能操作电源系统4 一直对储能电容器C进行充电，当大功率可控晶闸管S
收到智能选相控制器高电位单元2的分/合闸信号后，已充满电的储能电容器C对单稳态
永磁操动机构8中的充放电线圈31放电，产生脉冲磁场驱动动铁心32运动。 图5中，多方取能操作电源系统4采用直接从高压侧母线电流取能的方法。当真
空开关处于闭合状态时，电流互感器CT直接从电网的负载电流中取出能量，经过瞬时电压
浪涌抑制器TVS，整流桥Bl、滤波电容Cl和稳压电路34后变为低压直流源，再经逆变电路
35和整流桥B2后给储能电容器C充电。当真空开关处于分闸状态或系统空载时，电流互感
器CT无法直接从电网电流中取出能量，可在逆变电路35前增加一个蓄电池36。经过稳压
电路34后的低压直流源同时对蓄电池36进行恒压浮充电，电流取能方式不成功时，由已经
充电的蓄电池36进行逆变电路35和整流桥B2后，给储能电容器C充电。 图1中的电压取能方式电源工作原理图如图6所示，为进一步保证真空开关在长期分闸条件下的操作电源供应，还采用电压取能方式电源来保证可靠取能，当电压在正半 周时，电流i为图中所示方向，通过滤波电容C2、电阻Rl和稳压二极管D3向储能电容器C 充电。当储能电容器C的端电压超过稳压二极管D1限幅值时，晶闸管Q3导通，稳压二极管 D3截止，停止给储能电容器C充电。储能电容器C的端电压保持为限幅值，储能电容器C的 储能就是工作电源。 当真空开关两侧断电时间太长，电流取能和电压取能方式都不能获取能量且蓄电 池电源不足时，可采用低位送能方式，图1中的低位送能方式电源工作原理图见图7，处于 地电位的任意直流电源，经逆变器37得到高频电流源。根据电磁感应原理，通过磁环T把 地电位的能量送到高压侧。由磁环T得到的高频电源经过滤波、稳压和整流桥B3后为储能 电容器C充电。充好后，断开开关K，停止给储能电容器C充电。 实施例电站计算机系统发出动作指令，智能选相控制器低电位单元1根据从电 压互感器PT和电流互感器CT采集到的电网三相电压与三相电流信号，计算出最佳分/合 闸相位，同时根据由光纤控制接口 19传送的智能选相控制器高电位单元2实时采集到的真 空开关状态信息(开关位置、控制电压和环境温度等)，分别来自开关位置传感器、控制电 压传感器和环境温度传感器，不断调整开关动作时间的补偿参数，计算出需要的延时后发 出操作指令；智能选相控制器高电位单元2通过光纤控制接口 19收到操作指令后，向功率 驱动单元3发出分、合闸信号；凭借多方取能操作电源系统4的可靠供电，功率驱动单元3 在智能选相控制器高电位单元2的控制下给永磁操动机构8的充放电线圈31充电，实现真 空开关的分/合闸操动；真空开关动作结束后，智能选相控制器低电位单元1记录操作结 果，并通过通讯接口 18把真空开关状态信息和操作结果回送到电站计算机系统。
图1中的智能选相控制器低电位单元1软件原理图如图8所示，为了保证控制系 统正常工作，启动时必须自检。系统自检通过后，程序进入初始化阶段，包括DSP控制寄存 器设置，定时器、内部数据存储器的初始化。系统没有收到就地/远动指令时，完成电网参 数采集、控制电压和环境温度监测、为电站计算机系统上传数据等功能。当通过多种通讯接 口 18收到就地/远动指令后，检测控制电压、环境温度和开关触头位置等开关状态信息是 否满足分合闸条件，进而自适应计算最佳分合闸相位所需的延时触发时间，按照不同负载 特性调用相关子程序，完成选相分合闸的功能并记录操作结果。
权利要求
一种具有选相功能的光控模块化智能真空开关，其特征在于它包括智能选相控制器低电位单元、智能选相控制器高电位单元，功率驱动单元，多方取能操作电源系统，永磁操动机构，真空灭弧室和外绝缘系统；智能选相控制器低电位单元、智能选相控制器高电位单元、功率驱动单元和永磁操动机构依次电连接；智能选相控制器高、低电位单元中采用数字信号处理器；静触头、动触头和分闸弹簧位于真空灭弧室内，动触头与永磁操动机构的驱动杆直接相连；多方取能操作电源系统与功率驱动单元电连接，多方取能操作电源系统包括电流取能、电压取能和低位送能；外绝缘系统包围真空灭弧室。
2. 根据权利要求1所述的具有选相功能的光控模块化智能真空开关，其特征在于智 能选相控制器高、低电位单元间信号传输采用光纤控制接口。
3. 根据权利要求1所述的具有选相功能的光控模块化智能真空开关，其特征在于真 空开关三相中每相配置独立的永磁操动机构。
4. 根据权利要求1所述的具有选相功能的光控模块化智能真空开关，其特征在于智 能选相控制器低电位单元中的通讯接口包括无线通讯和串口通讯。
5. 根据权利要求1所述的具有选相功能的光控模块化智能真空开关，其特征在于对 具有选相功能的光控模块化智能真空开关进行串、并联积木组合。
全文摘要
本发明提供了一种具有选相功能的光控模块化智能真空开关，包括智能选相控制器低电位单元、高电位单元，功率驱动单元，多方取能操作电源系统，永磁操动机构，真空灭弧室和外绝缘系统等。它采用高性能的DSP信号处理器和灵活的控制技术，能快速准确地判断出开关的最佳投切相位并进行可靠操作；采用光纤控制接口可实现高低压隔离，简化绝缘结构，抗干扰能力强；采用新型永磁操动机构，结构简单，控制灵活，可靠性高；采用电流取能、电压取能和低位送能的多方取能操作电源系统的新型可靠电源方案。根据需要，可对具有选相功能的光控智能真空开关模块进行串、并联积木组合，实现更高电压等级的智能真空开关。
文档编号H01H33/66GK101728114SQ20081019741
公开日2010年6月9日 申请日期2008年10月28日 优先权日2008年10月28日
发明者何俊佳, 何妍, 刘飞, 尹婷, 杜砚, 潘垣, 袁召, 陈轩恕 申请人:国网武汉高压研究院