专利名称：一种投切电容器组的串联型复合开关电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种复合开关电路，尤其涉及一种投切电容器组的串联型复合开关电路。
背景技术：
投切电容器组常规电路为机械式触点投切开关，晶闸管投切电容器(TSC)，并联型复合开关和同步真空开关。
机械式触点投切开关价格便宜，但是存在电容器组投入时电流冲击大，最少7倍的额定电流。还存在合闸机械触点弹跳，打开触点重燃的危险概率，弹跳重燃使得电容器组过电压，损坏电容器，容易造成事故。
晶闸管投切电容器(TSC)电路可以准确投入电容器，没有电流冲击。不存在弹跳重燃的问题。中压TSC电路，晶闸管要承受约3倍的电网电压，由于晶闸管的耐压只有几KV，需要多只晶闸管串联，晶闸管导通存在2V左右的管压降，几百安培的电流流过晶闸管，损耗发热大，一套TSC电路导通时存在几个KW的热量，耗能大。这么大的热量需要由风冷、水冷、热管等来散热，散热设施的技术难度大，造价高。
在低压380V电网，国内有复合开关投切电容器的装置。这是并联型复合开关电路，并联型复合开关是在晶闸管两端并联机械触点，投切时让晶闸管首先动作，无冲击电流，然后，机械触点开关闭合，没有能耗，打开时触点先打开，然后晶闸管打开。在中压应用并联型复合开关要串联多只晶闸管，成本高，几乎没有应用。
同步真空开关使用永磁操作机构，开关的合闸相位角精度为±0.2mS。同步开关的原理为在正弦波电压的过零点闭合，在电容器上没有电压时，只有这点投切电容器的效果好。在这一点投切电容器不是理想状态，所以有冲击。在正弦波的过零点，电压变化率最大，在零点的±3.6°即±0.2mS时，电压幅值变化了电网峰值电压的6％。这就要求同步开关的精度必须高。由于受温度，机械磨损，触发电压等的影响，需要不断地校准投切点。如ABB公司的产品，首次投切是对电网有小的冲击，寿命为1500次。国产低压同步开关有4倍的冲击电流，寿命60000次。
在现有的中、低压投切电容器组的技术方案中，都存在着一些缺欠。
发明内容
本发明提出一种投切电容器组的串联型复合开关电路，该电路投切准确，没有电流冲击，成本远远小于TSC装置。
本发明通过以下方案实现一个高压硅堆二极管与一个高压限流电阻串联后，并联一个机械开关，作为慢速低精度高耐压开关；一个二极管和一个晶闸管的并联电路组成快速高精度低耐压开关与上述慢速低精度高耐压开关串联；再串接一个电抗器和一个电容器。控制器发出晶闸管通断命令，产生触发脉冲，控制晶闸管的导通截止，同时控制器控制机械开关的开合。
所述机械开关为真空接触器。
可使用一个机械开关并联在上述晶闸管和二极管的两端，这样晶闸管无需散热器。
本发明可以应用在单相电路，也可应用在三相电路。
由于高压硅堆二极管、二极管和高压限流电阻对电容器的充电作用，上述慢速低精度高耐压开关承受了电网电压加电容器的充电直流电压，在电网电压的负峰值附近，上述慢速低精度高耐压开关和快速高精度低耐压开关承受的电压最低，变化缓慢，这时候投切电容器达到了理想的投切状态，没有电流冲击和开关重燃现象。
本发明的投切效果像TSC(晶闸管投切电容器组)投切准确没有电流冲击，装置的动作精度要求在同等效果下比同步开关放宽了5.5倍，运行功耗像机械开关几乎为零功耗，成本远远小于TSC装置。
图1为本发明的原理图。
图2为本发明的机械开关S1两端的电压示意图。
图3为本发明的开关闭合时序图。
图4为本发明的开关打开时序图。
图5为本发明用在电气化铁路时的电路原理图。
具体实施例方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述实施例1以某低压660V工程为例，如图1所示，高压硅堆二极管D1与高压限流电阻R1串联后，并联一个机械开关S1，作为慢速低精度高耐压开关，接到660V的A相电网上；晶闸管Q1、二极管D2和机械开关S2的并联组成快速高精度低耐压开关与上述慢速低精度高耐压开关串联；再串接电抗器L1和电容器C1，接到B相电网上。控制器1包括触发脉冲变压器T1，发出晶闸管Q1通断命令，控制触发脉冲变压器T1产生触发脉冲，控制晶闸管Q1的导通截止，同时控制器1控制两个机械开关S1、S2的开合。
机械开关S1为660V接触器，D1为4KV，1A的高压硅堆二极管，R1为30K欧姆高压限流电阻，电抗器L1为0.546mH、C1为786uF电容器的5次滤波电路，S2为380V400A接触器，Q1、D2为1000V，100A晶闸管和二极管。
高压限流电阻R1电阻值应该能够使得电容器的充电电压保持不变。电容器内置有放电电阻，按照要求，电容器C1自身的放电电阻R要使电容器的剩余电压在10分钟内从1.414Un降至75V以下。电容器C1和R的时间常数为τ，2*τ＝10*60s＝2*R*C1，R约等于381K欧姆，那末，高压限流电阻R1电阻值为30K欧姆就可以维持电容器的电压不变。以上述公式可以类推，在不同电压等级下的高压限流电阻R1限流电阻值。S2接触器的电压值这样确定电网电压为660V，电网6％的电压值为39.6V，那末，S2接触器的耐压最低电压值为380V，取380V400A接触器。晶闸管和二极管的耐压有1000V电流100A就满足要求。
投切原理用高压硅堆二极管D1通过高压限流电阻R1对电容器C1充电到电网电压的峰值。由于高压限流电阻R1分压的结果，机械开关S1的电压约为3倍的电网有效值电压，由电网正弦波电压叠加电容器C1的充到电网峰值的直流电压组成。机械开关S2的电压几乎为零。
充电后的机械开关S1的电压如图2所示，在负峰值点变化缓慢，电压值最小，对于50HZ的正弦波，在零电压的±20°即±1.11mS，电压上升了电网峰值电压的6％。
如图3所示，机械开关S1开关闭合时间为A相电网的正弦波负峰值的±20°即±1.11mS，机械开关S1开关闭合，机械开关S2开关和晶闸管Q1、二极管D2承受的电压最多只有电网峰值电压的6％，，机械开关S1闭合后，晶闸管Q1在正弦波的负峰值点触发导通，投入电容器C1。由于这种投入方式是理想的电容器投入状态，所以没有冲击电流。晶闸管Q1导通1、2个电网电压的周波后，闭合机械开关S2，电流流过了机械开关S1、S2开关触点，没有能耗。
如图4所示，电容器C1停止工作开关的动作顺序是，发出停止命令，首先给晶闸管Q1触发脉冲，打开机械开关S2，晶闸管Q1导通，在正弦波的负峰值点前10mS里停发触发脉冲，晶闸管Q1不再工作，在A相电网的负峰值的±20°即±1.11mS打开机械开关S1，电容器C1经过高压硅堆二极管D1和二极管D2对电容器C1充电，使电容器C1保持电网电压的峰值不变。
实施例2以电气化铁路为例，使用如图5所述的电路原理图，高压硅堆二级管D1与高压限流电阻R1串联后和机械开关S1并联，接到27.5KV的A相电网上。机械开关S1开关的下面接入电感L1为127.4mH、C1为9.39uF电容器的滤波电路，电容器C1的下面接入机械开关S2、晶闸管Q1、二极管D2的并联电路，机械开关S2、Q1、D2的并联电路与轨道大地相连接。
机械开关S1为35KV真空接触器，D1为150KV，1A的高压硅堆二极管，R1为3M欧姆高压限流电阻，S2为3000V真空接触器，Q1、D2为6500V，300A晶闸管和二极管。
高压限流电阻R1电阻值应该能够使得电容器C1的充电电压保持不变。电容器C1内置有放电电阻，按照要求，电容器C1自身的放电电阻R要使电容器C1的剩余电压在10分钟内从1.414Un降至75V以下。C1和R的时间常数为τ，2*τ＝10*60s＝2*R*C1，R约等于32M欧姆，那末，R1电阻值为3M欧姆就可以维持电容器的电压不变。以上述公式可以类推，在不同电压等级下的R1限流电阻值。S2接触器的电压值这样确定电气化铁路电网电压为27.5KV，电网6％的电压值为1.65KV，那末，S2接触器的耐压有一倍的电压值就够了，取3000V真空接触器。晶闸管Q1和二极管D2的耐压有6500V就满足要求，C1、L1的工作电流为123A，取晶闸管Q1和二极管D2的电流值300A。D1高压硅堆二极管，D1的耐压约为6倍的电网电压就满足要求，27.5KV的电网电压取150KV，串联限流电阻R1为3M，充电电流9mA，D1的电流值取1A。
机械开关S1、S2开关没有动作前，电网通过高压硅堆二级管D1、高压限流电阻R1、二极管D2对电容器C1充电，电容器C1充到峰值电压。
开关闭合动作在A相电网的负峰点±1.1mS，闭合机械开关S1，在A相电网的负峰点对晶闸管Q1发出触发脉冲列，使得晶闸管Q1导通，滤波电路工作，晶闸管Q1导通1、2个周波后，闭合机械开关S2。由于机械开关S2的导通，晶闸管Q1不工作。
开关打开的动作首先，打开机械开关S2，由于机械开关S2打开，晶闸管Q1工作，打开机械开关S2后，停止触发晶闸管Q1，晶闸管Q1没有触发脉冲，自然关断，二极管D2导通，A相电网的负峰点±1.1mS，打开S1开关，电路停止工作。电容器C1经过高压硅堆D1和二极管D2对电容器充电，使电容器C1保持电网电压的峰值不变。
在中低压电网中，使用一般要求的机械开关S1，就可以使得机械开关S2、晶闸管Q1、二极管D2工作在低压的状态下，设备成本降低，安全可靠。如果机械开关S1开关动作失误，不再预期的时间范围内，有两种方法保护晶闸管，一种晶闸管Q1可以经过过压转折二极管BOD的作用，使得晶闸管强迫导通，保护其不被击穿；另一种通过并联在晶闸管两端的氧化锌避雷器保护。
本发明的特定实施例已对发明内容做了详尽说明。对本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都不会超出本申请所附权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种投切电容器组的串联型复合开关电路，其特征在于一个高压硅堆二极管与一个高压限流电阻串联后，并联一个机械开关，作为慢速低精度高耐压开关；一个二极管和一个晶闸管的并联电路组成快速高精度低耐压开关与上述慢速低精度高耐压开关串联；再串接一个电抗器和一个电容器；控制器控制晶闸管的导通截止，同时控制器控制机械开关的开合。
2.根据权利要求1所述的投切电容器组的串联型复合开关电路，其特征在于所述电抗器和电容器串联在所述慢速低精度高耐压开关和快速高精度低耐压开关之间。
3.根据权利要求1所述的投切电容器组的串联型复合开关电路，其特征在于一个机械开关并联在上述晶闸管和二极管的两端。
4.根据权利要求1所述的投切电容器组的串联型复合开关电路，其特征在于所述机械开关为真空接触器。
5.根据权利要求1所述的投切电容器组的串联型复合开关电路，其特征在于过压转折二极管并联在晶闸管两端，保护晶闸管。
6.根据权利要求1所述的投切电容器组的串联型复合开关电路，其特征在于氧化锌避雷器并联在晶闸管两端，保护晶闸管。
7.根据权利要求1所述的投切电容器组的串联型复合开关电路，其特征在于本电路可以使用在单相电路，也可使用在三相电路。
全文摘要
本发明公开了一种投切电容器组的串联型复合开关电路，一个高压硅堆二极管与一个高压限流电阻串联后，并联一个机械开关，作为慢速低精度高耐压开关；一个二极管和一个晶闸管的并联电路组成快速高精度低耐压开关与上述慢速低精度高耐压开关串联；再串接一个电抗器和一个电容器；控制器控制晶闸管的导通截止，同时控制器控制机械开关的开合。本发明的投切效果像TSC(晶闸管投切电容器组)投切准确没有电流冲击，装置的动作精度要求在同等效果下比同步开关放宽了5.5倍，运行功耗像机械开关几乎为零功耗，成本远远小于TSC装置。
文档编号H03K17/72GK1845456SQ20061007912
公开日2006年10月11日 申请日期2006年4月29日 优先权日2006年4月29日
发明者杨建宁, 邓富民, 董兆振, 梁京琴 申请人:杨建宁