高电压大电流等零相位开关及控制方法与流程

本发明涉及电气工程的电气负荷开关领域，尤其涉及一种高电压大电流相位开关。

背景技术：

负荷开关和断路器是供配电系统必不可少的部件，用于接通或切断电源。传统的负荷开关和断路器都是由机械触点完成闭合或断开过程，高压开关由于触点行程长所以开关触点断开时的拉弧和电弧重燃是很难解决的难题，传统的开关是通过各种物理灭弧的方法来减少和避免开关触点闭合时的打火和开关触点断开时的拉弧。从灭弧原理、使用电压的等级来分有产气式灭弧、真空灭弧、油灭弧、SF6灭弧等，负荷开关或断路器在使用了上述的灭弧方式才可以保证开关在闭合和断开的瞬间减少或避免打火或拉弧的产生，从而保证开关触点的完好和开关有效的断开。随着开关分断电压的增加，灭弧装置的复杂程度和成本也相应的增加。SF6的绝缘性能和灭弧特性都大大高于真空或绝缘油，由于SF6气体应用和运行成本很高，故只在110kV以上的电压等级使用。但由于SF6对环境的破坏，超高压负荷开关领域一直想找一种替代SF6的材料，但一直没有理想的解决方案。

现有的开关触点在闭合和断开的瞬间承受巨大浪涌电流或高电压脉冲，一方面给开关触点造成的很大的压力，另一方面给电网也造成了污染，这种高电压脉冲或浪涌电流有可能对电网中的电器造成损坏。如果开关触点在电流或电压为零点动作，没有了气体电离的能量，也就不会产生打火或拉弧了，显然传统的机械触点开关是无法解决这个问题的。现有的各种电力开关都是在灭弧上想办法，把开关的触点置于真空或SF6气体的环境下就是为了降低触点两端气体电离的可能性，而产生电弧的另外一个重要因素“电流”却很少有人去想解决方案，如果能让开关触点在交流电的零点瞬间动作，同样也可以保证在触点动作时不产生电弧。但让开关触点在交流电的零点瞬间动作，其难度无异于穿过高速旋转的扇叶打靶，似乎是几乎不可能的事情。

中国专利ZL201110034379.4公开了一种高压电子灭弧开关，是用一组辅助继电器触点和二极管的串联回路保护主开关，提出了一种开关触点在交流电的零点瞬间动作的解决方案。但这个专利的不足在于，所有的开关触点使用一个开关控制模块进行控制，每个继电器开关的触点与线圈之间要承受很高的电压，所以这个高压负荷开关方案对于几万伏以上的高压领域没有太大实际实用价值。

传统的开关都是单一触点的，因为多个开关并联无法解决各个开关支路的均流问题，结果是通过电流较大的开关支路很容易最先被烧毁，之后导致其它开关支路分配电流增加而加速所有开关支路的损坏。而对于单触点开关，电流越大触头的操作机构就越复杂，这也就造成了触头操作机构的成本上升、可靠性降低。另一方面，电流很大时即使工频交流电的趋肤效应也不可忽视，单触头开关在大电流时趋肤效应造成的接线和接触电阻的增加也是很难解决的。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种空气触点高电压大电流相位开关，即不需要真空、绝缘油或SF6气体保护方式的高压开关，而且这种开关的触点的闭合和断开是在交流电的相位零点瞬间动作，开关动作时不产生涌流或过电压。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

本发明提供了一种高电压大电流等零相位开关及控制方法，包括：两个以上开关单元模块串联，

所述开关单元模块由主开关回路、辅助开关回路、电源及均压电路单元和接在主开关回路的电流互感器组成，辅助开关回路和电源及均压电路单元都并联在主开关回路两端，

所述电流互感器输出接到电源及均压电路单元，电源及均压电路单元为开关控制及通讯电路单元提供电源，开关控制及通讯电路单元控制主继电器和辅助继电器的闭合或断开，

所述辅助开关回路是一个二极管与继电器触点的串联电路。

所述电源及均压电路单元在主开关断开时使用电容降压电路作为电源电路，在主开关闭合时使用互感器输出整流后作为电源输入。

所述开关控制及通讯电路单元连接光耦、光纤、红外或蓝牙等通讯模块。

所述开关单元模块的主开关可以是真空泡，辅助开关回路可以是两个以上普通继电器开关触点和高压二极管串联回路组成。

所述开关单元模块由两个以上的主开关回路和两个以上的辅助触点回路组成大电流开关单元模块，所有主开关回路和辅助触点回路并联在一起，在每个主开关回路连接有电流互感器。

所述大电流开关单元模块的控制方法，包括以下步骤：

多路主开关闭合后，各路开关触点支路的电流互感器检测每个支路的电流，并把各支路的电流信号通过电源及均压电路单元送到开关控制及通讯电路单元，当某一支路电流过大时，开关控制及通讯电路单元控制该支路的触点瞬间断开，使该支路通过的平均电流与其它支路电流基本相等，从而达到各支路均流的目的。

本发明的有益效果为：

本发明的高电压大电流等零相位开关采用空气触点即可实现高压交流电流的接通或断开，解决了机械触点开关不能串联的难题，而且开关触点闭合时无涌流和打火，开关触点断开时无过电压和拉弧。开关结构简单、可靠性高，理论上本发明的高电压大电流等零相位开关可以实现任意等级高电压和任意等级高电流的交流电负荷开关。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1、开关单元模块电路示意图。

图2、本发明的高电压大电流等零相位开关电路示意图。

图3、本发明的高电压大电流等零相位开关实施例之一。

图4、本发明的大电流开关单元模块电路示意图。

图5、本发明的高电压大电流等零相位开关实施例外形图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的高电压大电流等零相位开关是由多个相同的开关单元模块串联组成，图1是一个开关单元模块电路示意图，由主继电器J(主开关触点K)、辅助继电器JD(辅助开关触点K_D)、二极管D、电流互感器CT、电源及均压电路单元和开关及通讯电路单元组成。辅助继电器触点K_D和二极管D串联组成辅助开关回路，主开关回路两端并联辅助开关回路和电源及均压电路单元，电流互感器CT与电源及均压电路单元连接。电源及均压电路单元为控制及通讯电路单元提供电源和交流电基准：当主开关处于断开状态时，电源及均压电路单元①从主开关两端电压取得电源，经过降压、整流、滤波和稳压后为控制及通讯电路单元供电；②从主开关两端电压取得电压信号为控制及通讯电路单元提供交流电压时间基准；③同时电源电路单元也起到当开关单元模块串联时均压的作用，这个电源电路单元可以采用电容降压整流电路，降压电容不仅在电源电路单元里起到降压的作用，如果所有开关单元模块使用的降压电容器容量一致，即可起到均压的作用。当开关闭合后，电源及均压模块电路单元两端没有电压，电容降压整流电源没有电源输入，这时需要通过电流互感器为控制及通讯电路单元提供电源，同时电流互感器CT还为控制及通讯电路单元提供交流电时间基准。电容器降压整流电路单元和电流互感器供电电路单元原理一般技术人员都可以实现，在此不做叙述。

本发明的高电压大电流等零相位开关由多个图1的开关单元模块串联组成的。开关处于断开状态时，所有开关单元模块上的主开关处于断开状态，所有开关单元模块的电容降压电路工作，降压电容器有两个作用，一是保证所有开关承受相同的电压，不会由于某个开关承受电压过高而发生击穿；二是经过电容器降压、整流滤波稳压后，为各个开关控制及通讯电路单元提供低压直流电源。当开关闭合时，所有开关单元模块上的主开关处于闭合状态，所有开关单元模块处于同一电位，所有开关单元模块的上的电流互感器为各个开关控制及通讯电路单元提供低压直流电源。从电源母线上取电是最经济可靠的办法，但当开关闭合后且母线电流很小时，电流互感器传输的能量不足以维持开关控制及通讯电路单元的用电，可以考虑采用其它的供电方式，如强光照射太阳能电池、微波电能传输等办法。

下面结合图2说明本发明的高电压大电流等零相位开关的动作过程及控制方法(图2中的“控制电路”是图1中的电源及均压电路单元和开关控制及通讯电路单元的总称)：当所有控制电路接收到开关闭合指令后，所有控制电路控制辅助继电器触点K_D01-K_D0N在同一个电压(Uab)负半周期间闭合，之后当到电压正半周时，所有的辅助开关回路串联的二极管D₀₁-D_0N将会同时导通，接着所有的控制电路控制相应的主继电器J₀₁-J_0N在Uab正半周闭合，各个主开关触点K₀₁-K_0N不可能同时闭合，但只要保证在正半周完成闭合即可。各个主开关闭合过程中会发生触点的弹跳，当触点跳开瞬间，电流会通过相应的辅助开关支路流过，触点两端承受的电压为二极管的正向导通电压约0.7V，只要保证各个主开关在电流正半周期间完成闭合及触点的弹跳过程，就不会产生开关触点的打火和涌流。所有主开关K₀₁-K_0N闭合后，断开辅助继电器触点K_D01-K_D0N，即完成了高压开关的闭合过程。关于如何缩短继电器的动作时间和减少触点的弹跳次数，可以参考中国专利201310265141.1，在此不做赘述。当主开关K₀₁-K_0N闭合后，将各个开关单元模块的电源及均压电路单元的输入短路，对应的电容降压整流电源停止工作，这时各个开关单元模块上的电流互感器CT₀₁-CT_0N开始为各开关控制及通讯电路单元供电，并为开关控制及通讯电路单元提供交流电时间基准，同时还可测量通过开关的电流并从通讯电路单元将电流数据传出。当所有控制电路收到开关断开指令时，控制电路控制所有的辅助继电器触点K_D01-K_D0N先闭合，然后在Iab电流正半周期间所有开关单元模块的控制电路控制主开关K₀₁-K_0N断开，所有主开关的触点K₀₁-K_0N不可能在同一瞬间断开，先断开的主开关K电流从辅助继电器触点K_D和二极管串联支路流过，保证了整个串联开关回路电流连续，并且断开的主开关K两端只承受二极管的导通电压约0.7V，主开关不会发生拉弧现象。所有开关单元模块的主开关K₀₁到K_0N在电流正半周期间完全断开后，电流通过K_D01和D₀₁到K_D0N和D_0N辅助开关回路流过。当电流正半周结束后，所有开关单元模块的辅助开关回路串联的二极管立刻截止，在接下来的二极管截止期间内控制电路控制所有的辅助开关触点K_D01-K_D0N断开，即完成的高压开关的断开过程。

在开关的闭合和断开过程种，所有的二极管是等到交流电变换相位瞬间自动的导通或断开，无需精确的对导通和断开时间进行控制，这就是所谓的等零技术。而且在开关的闭合和断开过程中，所有的主开关和辅助继电器触点都不承受电压，开关触点动作过程中不打火、不拉弧，这大大提高的开关触点的电气寿命，这是传统的机械触点开关无法实现的。

每个开关单元模块之间需要协调动作，需要通讯连接，各个开关单元模块与外部控制器之间及各个开关单元模块之间可以采用各种通讯方式，如光耦通讯、光纤通讯、红外通讯及蓝牙通讯等方式。采用无线蓝牙通讯方式安全性高、通讯速率高、功耗小、成本低。

如上所述，所有的开关单元模块使用独立的电源，开关在闭合和断开期间主开关和辅助开关触点都不承受电应力，不会打火和拉弧。理论上由多个本发明的开关单元模块串联可以组成任意高电压的交流高压负荷开关。

本发明的高电压大电流等零相位开关是使用多个开关单元模块串联，图3所示的一个本发明的一个实施例，图中所述开关单元模块内的主开关K₀₁-K_0N可以采用真空泡，辅助开关可以采用普通继电器，一般的真空泡的断点电压可以做到35kV。一般普通继电器的触点间耐压可以容易的做到5000Vac耐压，5个继电器串联耐压即可超过20kV，并联在辅助继电器触点两端的电容器在主开关断开时为辅助开关触点起均压作用，多个普通继电器与高压二极管串联实现辅助开关回路的功能，一个真空断路器的耐压是20kV，5个这样的开关单元模块串联即可实现100kV的高压开关。

由于交流电趋肤效应的限制，单体开关无法做成电流很大的，本发明提出一种大电流开关单元模块，图4所示的大电流开关单元模块是由三个主开关回路和三个辅助触点回路组成，三个主开关回路和辅助触点回路并联在一起组成大电流开关单元模块，在每个主开关回路连接有电流互感器。开关的闭合断开过程和图2所述的开关闭合断开过程类似，在此不再赘述。

大电流开关单元模块的均流控制方法如下：多路主开关闭合后，各路开关触点支路的电流互感器检测每个支路的电流，并把各支路的电流信号通过电源及均压电路单元送到开关控制及通讯电路单元，当某一支路电流过大时，开关控制及通讯电路单元控制该支路的触点短时间断开，使该支路通过的平均电流减小并与其它支路平均电流基本相等，从而达到各支路电流均衡的目的。也可用热敏传感器检测开关温度的办法实现个支路的均流，开关闭合后，由于某开关支路的触点接触电阻过大时，会造成该支路发热厉害，通过附在开关触点旁的热敏电阻检测到触点温度的变化送到开关控制及通讯电路单元，当某路开关触点发热比其它开关热量大很多时，可以暂时断开该支路开关触点，温度降低后再闭合该路开关的触点。因为开关发热是触点接触不好造成的，一般开关触点重新动作会减小接触电阻，让触点接触更好。如果还不能改善触点的接触电阻，可以让该路开关触点间歇工作，让其它路的开关分担工作，这样可以防止有问题开关的加速老化损坏。

同样多个大电流开关串联便可组成高压大电流开关，理论上将多个大电流开关单元模块并联、串联，即可实现任意高电压和任意高电流的交流高压开关。

图5是本发明高电压大电流等零相位开关的外形结构示意图之一，本发明的开关单元模块可以装在高压绝缘端子内，即组成高压开关单体，高压开关单体端子一端为螺丝，另一端为螺母，可以方便的将高压开关单体串联组成高压开关。如一个高压开关单体的耐压是10KVac，用100个这样的高压开关单体即可组成1KKV的开关，而用传统技术只有用SF6气体保护才能实现，而且开关的体积非常的庞大，而且还需要庞大的配套设备，而本发明的高电压大电流等零相位开关无需外接电源和辅助设备，可以非常方便的安装和使用。

使用空气触点开关实现了以前只有真空开关或SF6开关才能实现的高压开关，由于触点无需真空或SF6保护，开关的寿命会更长。另外开关动作时没有涌流，不会产生拉弧，对电网不会造成污染并大大降低开关维护成本。

本发明高电压大电流等零相位开关的功耗很低，操作科采用无线遥控的方式，一方面开关的操作更加安全，另一方面大大降低的开关的造价。

本发明的开关还可应用于电网的有载切换，由于本发明的高电压大电流等零相位开关可以实现交流电零点的切入和断开，在两路电源对一路负载供电时，可以在一路电源的零点断开电源而同时在电源的零点接入另一路电源，实现两路电源的无缝连续切换，这是真空开关或GIS开关很难实现的。本发明的开关在电网中广泛推广使用，为电网的智能化建设提供一种新的解决方案。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。