一种用于高压电容投切的新型复合开关及其工作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于高压电容投切的新型复合开关及其工作方法，该复合开关包括复合开关控制系统，二极管串以及机械开关；A、C两相具有两个机械开关：主开关和辅助开关，其中的主开关并联有一二极管串，B相则仅有一个辅助机械开关起隔离作用；所述复合开关控制系统，包括电压、电流检测电路，机械开关驱动电路，操动机构储能电容充电控制电路，复合开关状态显示电路以及数字控制系统。本发明可以实现复合开关的电压零点开通和电流零点关断，消除投切过程中的合闸涌流和分闸过电压，还可以实现机械开关的无弧操作；同时采用二极管串来代替晶闸管串，与传统的复合开关相比，它不需要复杂的触发电路，也不存在因雷击等过电压误导通而损坏的问题。
【专利说明】
一种用于高压电容投切的新型复合开关及其工作方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种用于高压电容投切的新型复合开关，属于高压开关领域。【背景技术】
[0002]随着国民经济的快速发展和人们生活水平的不断提高，电网容量和用电设备急剧地增加。由于电力系统的负载大小和分布各不相同，不但改变了电网系统的供电结构，也改变了电网系统的电源分布，给电网系统引入大量无功分量。为了建设资源节约型环境友好型社会，提高电网资源利用率，改善电网供电质量，要对电网系统进行无功补偿。
[0003]开关投切并联电容器依然是目前电网无功补偿中使用最广的一种方式。此类技术存在的最大缺陷就是投切瞬间存在很大的电压震荡和电流冲击，无法进行开关的频繁投切。解决此问题主要有两种方式，一是采用分相同步开关技术，二是采用复合开关技术。同步开关技术能否在各种条件下达到预期效果，关键在于合分闸相位准确度，但由于受到制造工艺和机构运动分散性的影响，其长期效果并不理想。而复合开关对机构运动分散性的要求则会相对宽松，而且它完全可以利用原有的无功补偿设备，新增设备占地面积小，对原有系统无特殊要求，改造投入较低，可实现补偿装置的过零点频繁投切，适合大量推广应用。
[0004]然而，目前常用的复合开关一般采用晶闸管并联机械开关的拓扑结构，由于晶闸管对电压变化率过于敏感，很容易在雷击等过电压情况下误导通而损坏，同时这种结构还需要复杂的触发电路来保证晶闸管触发的同步性，所有这些因素在一定程度上降低了复合开关的可靠性和安全性，限制了其推广使用。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服【背景技术】中的并联晶闸管串所存在的问题而提供一种双机械开关并联二极管的新型复合开关。该复合开关利用二极管串来代替晶闸管串承担动态过程，消除了晶闸管串所带来的隐患，提高的复合开关的可靠性和安全性。
[0006]为实现上述目的，本发明的技术方案:一种用于高压电容投切的新型复合开关，包括复合开关控制系统、机械开关;所述复合开关控制系统接机械开关;其特征在于:所述机械开关包A相主开关、C相主开关、A相辅助开关、C相辅助开关、B辅助机械开关;所述A相主开关一端与A相电连接，另一端与A相辅助开关一端连接;A相辅助开关另一端接负载电容； 所述C相主开关一端与C相电连接，另一端与C相辅助开关一端连接;C相辅助开关另一端接负载电容;所述B辅助机械一端与C相电连接，另一端与负载电容连接;A相主开关、C相主开关、A相辅助开关、C相辅助开关、B辅助机械开关的控制端分别与复合开关控制系统连接;所述A相辅助开关、C相辅助开关分别并联一二极管串。
[0007]进一步的，所述机械开关均为真空机械开关，其操动机构为永磁操动机构或涡流斥力机构。
[0008]进一步的，所述的主控制系统包括电压互感器、电流互感器、信号调理电路、数字控制系统、5个真空机械开关合闸驱动电路、5个真空机械开关分闸驱动电路、5个真空开关电磁操动机构的线圈、复合开关状态显示电路以及机械开关操动机构储能电容充电控制电路;所述电压互感器和信号调理电路用于电压零点和频率的检测，并传递给数字控制系统； 所述信号调理电路输入分别电压互感器、电流互感器连接;信号调理电路输出接数字控制系统输入;所述数字控制系统输出分别接5个真空机械开关合闸驱动电路、5个真空机械开关分闸驱动电路、复合开关状态显示电路以及机械开关操动机构储能电容充电控制电路； 所述电流互感器和信号调理电路用于电流零点和频率的检测，并传递给数字控制系统;所述复合开关状态显示电路主要用于对复合开关工作状态的监视以及提供相应的故障报警和故障信息；由于真空机械开关的电磁操作机构的合闸时间和分闸时间受其储能电容的初始电压影响，为了减小机械开关动作的分散性，引入储能电容充电控制电路，以保证储能电容初始电压的稳定。
[0009]本发明还提供一种基于上述的用于高压电容投切的新型复合开关的工作方法，其包括以下步骤:S1合闸阶段:接收到合闸指令后，数字控制系统开始对合闸电容进行充电， 并对合闸电容的充电时间进行检测，根据充电时间判断是进入合闸程序还是进入故障报警程序;进入合闸程序后，数字控制系统通过电压互感器和信号调理电路对B相电压过零点和频率进行检测，当检测到电压过零点后，立即闭合B辅助机械开关;延时时间tl后闭合C相主开关，C相主开关在tku时间内可靠闭合;再延时时间t2后闭合C相辅助开关，C相辅助开关在tk2.2时间内可靠闭合;再延时时间t3后闭合A相主开关，A相主开关在tku时间内可靠闭合;最后再延时时间t4后闭合A相辅助开关，A相辅助开关在tk3.2时间内可靠闭合;S2分闸阶段:接收到分闸指令后，数字控制系统开始对分闸电容进行充电，并对分闸电容的充电时间进行检测，根据充电时间判断是进入分闸程序还是进入故障报警程序;进入分闸程序后，数字控制系统通过电流互感器和信号调理电路对B相电流过零点和频率进行检测，当检测到电流过零点后，延时时间t5,断开A相辅助开关，使A相支路的负荷电流转移到与A相辅助开关并联的二极管串上，A相辅助开关在ttk3.2时间内分断;再延时时间t6,断开A相主开关，A 相主开关在ttk3.^间内分断;再延时时间t7,断开C相辅助开关;C相辅助开关在恤2.2时间内分断；再延时时间t8,断开C相主开关，C相主开关在ttku时间内分断；再延时时间t9,断开B辅助机械开关。
[0010]相较于现有技术，本发明具有以下有益效果:通过一定的时序控制，可以实现复合开关的零电压开通和零电流关断，消除投切过程中的合闸涌流和分闸过电压，同时还可以实现机械开关的无弧操作，提高了机械开关触头的电寿命;采用二极管串来代替晶闸管串， 与传统的复合开关相比，它不需要复杂的触发电路，也不存在因雷击等过电压误导通而损坏的问题，减少了电路元件，简化了系统的控制，提高了复合开关的可靠性和安全性。【附图说明】
[0011]图1为本发明新型复合开关拓扑结构(含部分外接电路)的电原理图。
[0012]图2为本发明新型复合开关控制系统的原理框图。[〇〇13]图3为本发明新型复合开关合闸阶段的控制原理图。[〇〇14]图4为本发明新型复合开关分闸阶段的控制原理图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。
[0016]—种用于高压电容投切的新型复合开关，包括复合开关控制系统、机械开关;所述复合开关控制系统接机械开关;所述机械开关包A相主开关、C相主开关、A相辅助开关、C相辅助开关、B辅助机械开关;所述A相主开关一端与A相电连接，另一端与A相辅助开关一端连接;A相辅助开关另一端接分闸电容;所述C相主开关一端与C相电连接，另一端与C相辅助开关一端连接;C相辅助开关另一端接分闸电容;所述B辅助机械一端与C相电连接，另一端与分闸电容连接;A相主开关、C相主开关、A相辅助开关、C相辅助开关、B辅助机械开关的控制端分别与复合开关控制系统连接;所述A相辅助开关、C相辅助开关分别并联一二极管串O
[0017]进一步的，所述机械开关均为真空机械开关，其操动机构为永磁操动机构或涡流斥力机构。
[0018]如图1，根据图中标识，A、B、C为电力系统三相母线，O为高压无功补偿电容器组支路的中性点，I为真空开关，其中1-1为主开关，1-2为辅助开关，2为二极管串，3为高压无功补偿电容。高压无功补偿电容一般采用星形不接地的接法，当A、C支路的开关均断开时，B相也无法与其他相构成闭合回路，B相相当于没有接入系统。因此，可以通过对闭合和分断顺序的控制，使B相开关不操作负荷电流，所以，可以对B相支路进行精简，移去二极管串和主机械开关，只留下一个辅助开关起隔离作用，从而可以节省设备投资。
[0019]下面以图1中A相支路为例(假设此时Kl是闭合的)，介绍一下本发明复合开关的基本工作原理:利用二极管的反向截止特性实现零电压开通和零电流关断。零电压开通的具体工作过程如下:当A、a两端的电压极性为负时，闭合K3.1，此时，由于二极管处于反向截止状态，主回路电流为零，即K3.1是无弧闭合的；当A、a两端的电压极性翻转时，二极管从反向截止过渡到正向导通状态，此时主开关K3.2仍处于断开位置;在二极管导通之后，闭合主开关K3.2，此时由于二极管处于导通状态，K3.2两端电压被二极管钳位，所以K3.2闭合时也不会产生电弧，即电流从无触点开关切换到了有触点开关，最终实现零电压开通。
[0020]关断过程和开通过程相似，不同的是开通过程是按电压极性控制触头的闭合时序，关断过程是按电流方向来控制触头的分断时序。零电流关断的具体工作过程如下:当A、a两端的电流的方向为从上往下时，断开K3.2，那么电流将逐渐从K3.2转移到二极管上，当A、a两端的电流方向翻转时，由于二极管的反向截止特性，主回路电流将变为零，此时K3.2已处于断开位置，K3.1仍处于合闸位置;在二极管反向截止期间内断开辅助开关K3.1，由于主回路电流为零，K3.1断开过程不会产生电弧，最终实现零电流关断。
[0021]进一步的，所述的主控制系统包括电压互感器、电流互感器、信号调理电路、数字控制系统、5个真空机械开关合闸驱动电路、5个真空机械开关分闸驱动电路、5个真空开关电磁操动机构的线圈、复合开关状态显示电路以及机械开关操动机构储能电容充电控制电路;所述电压互感器和信号调理电路用于电压零点和频率的检测，并传递给数字控制系统；所述信号调理电路输入分别电压互感器、电流互感器连接;信号调理电路输出接数字控制系统输入;所述数字控制系统输出分别接5个真空机械开关合闸驱动电路、5个真空机械开关分闸驱动电路、复合开关状态显示电路以及机械开关操动机构储能电容充电控制电路；所述电流互感器和信号调理电路用于电流零点和频率的检测，并传递给数字控制系统;所述复合开关状态显示电路主要用于对复合开关工作状态的监视以及提供相应的故障报警和故障信息；由于真空机械开关的电磁操作机构的合闸时间和分闸时间受其储能电容的初始电压影响，为了减小机械开关动作的分散性，引入储能电容充电控制电路，以保证储能电容初始电压的稳定。
[0022]在图2中，标号说明，V为电压互感器，I为电流互感器，N为信号调理电路，G为数字控制系统，H为5个真空机械开关合闸驱动电路，F为5个真空机械开关分闸驱动电路，B为5个真空机械开关的电磁操动机构的线圈，X为复合开关状态显示电路，C为机械开关操动机构储能电容充电控制电路。
[0023]从图2中可知，电压互感器V和信号调理电路N主要用于B相电压过零点和频率的检测，为复合开关的零电压开通提供控制依据；电流互感器I和信号调理电路主要用于B相电流过零点和频率的检测，为复合开关的零电流关断提供控制依据;复合开关状态显示电路X主要用于对复合开关工作状态的监视以及提供相应的故障报警和故障信息；由于真空机械开关的电磁操作机构的合闸时间和分闸时间受其储能电容的初始电压影响，为了减小机械开关动作的分散性，引入储能电容充电控制电路C，以保证储能电容初始电压的稳定。
[0024]本发明的新型复合开关的工作过程如下:
1、合闸阶段，接收到合闸指令后，数字控制系统G开始对合闸电容进行充电，并对合闸电容的充电时间进行检测，根据充电时间判断是进入合闸程序还是进入故障报警程序;进入合闸程序后，数字控制系统G通过电压互感器V和信号调理电路N对B相电压过零点和频率进行检测，当检测到电压过零点后，立即闭合Kl;延时时间tl后闭合K2.1，为了使K2.2所并联的二极管串在K2.1闭合后所承受的反向耐压不至于过大，应尽量使K2.1在tku这段时间内可靠闭合;再延时时间t2后闭合K2.2，为了保证C相支路电流的可靠换流，K2.2必须在tk2.2这段时间内可靠闭合;再延时时间t3后闭合K3.1，为了使K3.2所并联的二极管串在K3.1闭合后所承受的反向耐压不至于过大，应尽量使K3.1在^^这段时间内可靠闭合;最后再延时时间t4后闭合K3.2，为了保证，A相支路电流的可靠换流，K3.2必须在tk3.2这段时间内可靠闭合，完成合闸过程，其控制原理如图3所示。
[0025]2、分闸阶段，接收到分闸指令后，数字控制系统G开始对分闸电容进行充电，并对分闸电容的充电时间进行检测，根据充电时间判断是进入分闸程序还是进入故障报警程序;进入合闸程序后，数字控制系统G通过电流互感器I和信号调理电路N对B相电流过零点和频率进行检测，当检测到电压过零点后，延时时间t5，断开K3.2，使A相支路的负荷电流转移到与K3.2并联的二极管串上，为了减小二极管串承受负荷电流的时间，应尽量使K3.2在ttk3.2这段时间内分断;再延时时间t6，断开K3.1，为了减小A相支路二极管串承受反向耐压的峰值，应尽量使K3.1在ttk3.1这段时间内分断;再延时时间t7，断开K2.2，使C相支路的负荷电流转移到与K2.2并联的二极管串上，为了减小二极管串承受负荷电流的时间，应尽量使K2.2在ttk2.2这段时间内分断;再延时时间t8，断开K2.1，为了减小C相支路二极管串承受反向耐压的峰值，应尽量使K2.1在ttk2.1这段时间内分断;再延时时间t9，断开Kl，完成分闸过程，其控制原理如图4所示。
[0026]以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种用于高压电容投切的新型复合开关，包括复合开关控制系统、机械开关;所述 复合开关控制系统接机械开关;其特征在于:所述机械开关包A相主开关、C相主开关、A相辅 助开关、C相辅助开关、B辅助机械开关;所述A相主开关一端与A相电连接，另一端与A相辅 助开关一端连接;A相辅助开关另一端接负载电容;所述C相主开关一端与C相电连接，另一 端与C相辅助开关一端连接;C相辅助开关另一端接负载电容;所述B辅助机械一端与C相电 连接，另一端与负载电容连接;A相主开关、C相主开关、A相辅助开关、C相辅助开关、B辅助机 械开关的控制端分别与复合开关控制系统连接;所述A相辅助开关、C相辅助开关分别并联 一二极管串。2.根据权利要求1所述的用于高压电容投切的新型复合开关，其特征在于:所述机械开 关均为真空机械开关，其操动机构为永磁操动机构或涡流斥力机构。3.根据权利要求2所述的用于高压电容投切的新型复合开关，其特征在于:所述的主控 制系统包括电压互感器、电流互感器、信号调理电路、数字控制系统、5个真空机械开关合闸 驱动电路、5个真空机械开关分闸驱动电路、5个真空开关电磁操动机构的线圈、复合开关状 态显示电路以及机械开关操动机构储能电容充电控制电路;所述电压互感器和信号调理电 路用于电压零点和频率的检测，并传递给数字控制系统;所述信号调理电路输入分别电压 互感器、电流互感器连接;信号调理电路输出接数字控制系统输入;所述数字控制系统输出 分别接5个真空机械开关合闸驱动电路、5个真空机械开关分闸驱动电路、复合开关状态显 示电路以及机械开关操动机构储能电容充电控制电路;所述电流互感器和信号调理电路用 于电流零点和频率的检测，并传递给数字控制系统;所述复合开关状态显示电路主要用于 对复合开关工作状态的监视以及提供相应的故障报警和故障信息；由于真空机械开关的电 磁操作机构的合闸时间和分闸时间受其储能电容的初始电压影响，为了减小机械开关动作 的分散性，引入储能电容充电控制电路，以保证储能电容初始电压的稳定。4.一种基于权利要求1-3所述的用于高压电容投切的新型复合开关的工作方法，其特 征在于:包括以下步骤:S1合闸阶段:接收到合闸指令后，数字控制系统开始对合闸电容进行充电，并对合闸电 容的充电时间进行检测，根据充电时间判断是进入合闸程序还是进入故障报警程序;进入 合闸程序后，数字控制系统通过电压互感器和信号调理电路对B相电压过零点和频率进行 检测，当检测到电压过零点后，立即闭合B辅助机械开关;延时时间tl后闭合C相主开关，C 相主开关在tk2.1时间内可靠闭合;再延时时间t2后闭合C相辅助开关，C相辅助开关在tk2.2时 间内可靠闭合;再延时时间t3后闭合A相主开关，A相主开关在tku时间内可靠闭合;最后再 延时时间t4后闭合A相辅助开关，A相辅助开关在tk3.2时间内可靠闭合；S2分闸阶段:接收到分闸指令后，数字控制系统开始对分闸电容进行充电，并对分闸电 容的充电时间进行检测，根据充电时间判断是进入分闸程序还是进入故障报警程序;进入 分闸程序后，数字控制系统通过电流互感器和信号调理电路对B相电流过零点和频率进行 检测，当检测到电流过零点后，延时时间t5,断开A相辅助开关，使A相支路的负荷电流转移 到与A相辅助开关并联的二极管串上，A相辅助开关在ttk3.2时间内分断;再延时时间t6,断 开A相主开关，A相主开关在ttku时间内分断;再延时时间t7,断开C相辅助开关;C相辅助开 关在ttk2.2时间内分断;再延时时间t8，断开C相主开关，C相主开关在ttk2.1时间内分断;再延 时时间t9，断开B辅助机械开关。
【文档编号】H01H33/666GK106057566SQ201610467314
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】徐东晟, 邱志人, 雷志鹏
【申请人】国家电网公司, 福州天宇电气股份有限公司