本發(fā)明涉及電氣工程的電氣負荷開關(guān)領(lǐng)域，尤其涉及一種高電壓大電流相位開關(guān)。

背景技術(shù)：

負荷開關(guān)和斷路器是供配電系統(tǒng)必不可少的部件，用于接通或切斷電源。傳統(tǒng)的負荷開關(guān)和斷路器都是由機械觸點完成閉合或斷開過程，高壓開關(guān)由于觸點行程長所以開關(guān)觸點斷開時的拉弧和電弧重燃是很難解決的難題，傳統(tǒng)的開關(guān)是通過各種物理滅弧的方法來減少和避免開關(guān)觸點閉合時的打火和開關(guān)觸點斷開時的拉弧。從滅弧原理、使用電壓的等級來分有產(chǎn)氣式滅弧、真空滅弧、油滅弧、SF6滅弧等，負荷開關(guān)或斷路器在使用了上述的滅弧方式才可以保證開關(guān)在閉合和斷開的瞬間減少或避免打火或拉弧的產(chǎn)生，從而保證開關(guān)觸點的完好和開關(guān)有效的斷開。隨著開關(guān)分?jǐn)嚯妷旱脑黾?，滅弧裝置的復(fù)雜程度和成本也相應(yīng)的增加。SF6的絕緣性能和滅弧特性都大大高于真空或絕緣油，由于SF6氣體應(yīng)用和運行成本很高，故只在110kV以上的電壓等級使用。但由于SF6對環(huán)境的破壞，超高壓負荷開關(guān)領(lǐng)域一直想找一種替代SF6的材料，但一直沒有理想的解決方案。

現(xiàn)有的開關(guān)觸點在閉合和斷開的瞬間承受巨大浪涌電流或高電壓脈沖，一方面給開關(guān)觸點造成的很大的壓力，另一方面給電網(wǎng)也造成了污染，這種高電壓脈沖或浪涌電流有可能對電網(wǎng)中的電器造成損壞。如果開關(guān)觸點在電流或電壓為零點動作，沒有了氣體電離的能量，也就不會產(chǎn)生打火或拉弧了，顯然傳統(tǒng)的機械觸點開關(guān)是無法解決這個問題的?，F(xiàn)有的各種電力開關(guān)都是在滅弧上想辦法，把開關(guān)的觸點置于真空或SF6氣體的環(huán)境下就是為了降低觸點兩端氣體電離的可能性，而產(chǎn)生電弧的另外一個重要因素“電流”卻很少有人去想解決方案，如果能讓開關(guān)觸點在交流電的零點瞬間動作，同樣也可以保證在觸點動作時不產(chǎn)生電弧。但讓開關(guān)觸點在交流電的零點瞬間動作，其難度無異于穿過高速旋轉(zhuǎn)的扇葉打靶，似乎是幾乎不可能的事情。

中國專利ZL201110034379.4公開了一種高壓電子滅弧開關(guān)，是用一組輔助繼電器觸點和二極管的串聯(lián)回路保護主開關(guān)，提出了一種開關(guān)觸點在交流電的零點瞬間動作的解決方案。但這個專利的不足在于，所有的開關(guān)觸點使用一個開關(guān)控制模塊進行控制，每個繼電器開關(guān)的觸點與線圈之間要承受很高的電壓，所以這個高壓負荷開關(guān)方案對于幾萬伏以上的高壓領(lǐng)域沒有太大實際實用價值。

傳統(tǒng)的開關(guān)都是單一觸點的，因為多個開關(guān)并聯(lián)無法解決各個開關(guān)支路的均流問題，結(jié)果是通過電流較大的開關(guān)支路很容易最先被燒毀，之后導(dǎo)致其它開關(guān)支路分配電流增加而加速所有開關(guān)支路的損壞。而對于單觸點開關(guān)，電流越大觸頭的操作機構(gòu)就越復(fù)雜，這也就造成了觸頭操作機構(gòu)的成本上升、可靠性降低。另一方面，電流很大時即使工頻交流電的趨膚效應(yīng)也不可忽視，單觸頭開關(guān)在大電流時趨膚效應(yīng)造成的接線和接觸電阻的增加也是很難解決的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種空氣觸點高電壓大電流相位開關(guān)，即不需要真空、絕緣油或SF6氣體保護方式的高壓開關(guān)，而且這種開關(guān)的觸點的閉合和斷開是在交流電的相位零點瞬間動作，開關(guān)動作時不產(chǎn)生涌流或過電壓。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

本發(fā)明提供了一種高電壓大電流等零相位開關(guān)及控制方法，包括：兩個以上開關(guān)單元模塊串聯(lián)，

所述開關(guān)單元模塊由主開關(guān)回路、輔助開關(guān)回路、電源及均壓電路單元和接在主開關(guān)回路的電流互感器組成，輔助開關(guān)回路和電源及均壓電路單元都并聯(lián)在主開關(guān)回路兩端，

所述電流互感器輸出接到電源及均壓電路單元，電源及均壓電路單元為開關(guān)控制及通訊電路單元提供電源，開關(guān)控制及通訊電路單元控制主繼電器和輔助繼電器的閉合或斷開，

所述輔助開關(guān)回路是一個二極管與繼電器觸點的串聯(lián)電路。

所述電源及均壓電路單元在主開關(guān)斷開時使用電容降壓電路作為電源電路，在主開關(guān)閉合時使用互感器輸出整流后作為電源輸入。

所述開關(guān)控制及通訊電路單元連接光耦、光纖、紅外或藍牙等通訊模塊。

所述開關(guān)單元模塊的主開關(guān)可以是真空泡，輔助開關(guān)回路可以是兩個以上普通繼電器開關(guān)觸點和高壓二極管串聯(lián)回路組成。

所述開關(guān)單元模塊由兩個以上的主開關(guān)回路和兩個以上的輔助觸點回路組成大電流開關(guān)單元模塊，所有主開關(guān)回路和輔助觸點回路并聯(lián)在一起，在每個主開關(guān)回路連接有電流互感器。

所述大電流開關(guān)單元模塊的控制方法，包括以下步驟：

多路主開關(guān)閉合后，各路開關(guān)觸點支路的電流互感器檢測每個支路的電流，并把各支路的電流信號通過電源及均壓電路單元送到開關(guān)控制及通訊電路單元，當(dāng)某一支路電流過大時，開關(guān)控制及通訊電路單元控制該支路的觸點瞬間斷開，使該支路通過的平均電流與其它支路電流基本相等，從而達到各支路均流的目的。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明的高電壓大電流等零相位開關(guān)采用空氣觸點即可實現(xiàn)高壓交流電流的接通或斷開，解決了機械觸點開關(guān)不能串聯(lián)的難題，而且開關(guān)觸點閉合時無涌流和打火，開關(guān)觸點斷開時無過電壓和拉弧。開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，理論上本發(fā)明的高電壓大電流等零相位開關(guān)可以實現(xiàn)任意等級高電壓和任意等級高電流的交流電負荷開關(guān)。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖做一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1、開關(guān)單元模塊電路示意圖。

圖2、本發(fā)明的高電壓大電流等零相位開關(guān)電路示意圖。

圖3、本發(fā)明的高電壓大電流等零相位開關(guān)實施例之一。

圖4、本發(fā)明的大電流開關(guān)單元模塊電路示意圖。

圖5、本發(fā)明的高電壓大電流等零相位開關(guān)實施例外形圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

本發(fā)明的高電壓大電流等零相位開關(guān)是由多個相同的開關(guān)單元模塊串聯(lián)組成，圖1是一個開關(guān)單元模塊電路示意圖，由主繼電器J(主開關(guān)觸點K)、輔助繼電器JD(輔助開關(guān)觸點K_D)、二極管D、電流互感器CT、電源及均壓電路單元和開關(guān)及通訊電路單元組成。輔助繼電器觸點K_D和二極管D串聯(lián)組成輔助開關(guān)回路，主開關(guān)回路兩端并聯(lián)輔助開關(guān)回路和電源及均壓電路單元，電流互感器CT與電源及均壓電路單元連接。電源及均壓電路單元為控制及通訊電路單元提供電源和交流電基準(zhǔn)：當(dāng)主開關(guān)處于斷開狀態(tài)時，電源及均壓電路單元①從主開關(guān)兩端電壓取得電源，經(jīng)過降壓、整流、濾波和穩(wěn)壓后為控制及通訊電路單元供電；②從主開關(guān)兩端電壓取得電壓信號為控制及通訊電路單元提供交流電壓時間基準(zhǔn)；③同時電源電路單元也起到當(dāng)開關(guān)單元模塊串聯(lián)時均壓的作用，這個電源電路單元可以采用電容降壓整流電路，降壓電容不僅在電源電路單元里起到降壓的作用，如果所有開關(guān)單元模塊使用的降壓電容器容量一致，即可起到均壓的作用。當(dāng)開關(guān)閉合后，電源及均壓模塊電路單元兩端沒有電壓，電容降壓整流電源沒有電源輸入，這時需要通過電流互感器為控制及通訊電路單元提供電源，同時電流互感器CT還為控制及通訊電路單元提供交流電時間基準(zhǔn)。電容器降壓整流電路單元和電流互感器供電電路單元原理一般技術(shù)人員都可以實現(xiàn)，在此不做敘述。

本發(fā)明的高電壓大電流等零相位開關(guān)由多個圖1的開關(guān)單元模塊串聯(lián)組成的。開關(guān)處于斷開狀態(tài)時，所有開關(guān)單元模塊上的主開關(guān)處于斷開狀態(tài)，所有開關(guān)單元模塊的電容降壓電路工作，降壓電容器有兩個作用，一是保證所有開關(guān)承受相同的電壓，不會由于某個開關(guān)承受電壓過高而發(fā)生擊穿；二是經(jīng)過電容器降壓、整流濾波穩(wěn)壓后，為各個開關(guān)控制及通訊電路單元提供低壓直流電源。當(dāng)開關(guān)閉合時，所有開關(guān)單元模塊上的主開關(guān)處于閉合狀態(tài)，所有開關(guān)單元模塊處于同一電位，所有開關(guān)單元模塊的上的電流互感器為各個開關(guān)控制及通訊電路單元提供低壓直流電源。從電源母線上取電是最經(jīng)濟可靠的辦法，但當(dāng)開關(guān)閉合后且母線電流很小時，電流互感器傳輸?shù)哪芰坎蛔阋跃S持開關(guān)控制及通訊電路單元的用電，可以考慮采用其它的供電方式，如強光照射太陽能電池、微波電能傳輸?shù)绒k法。

下面結(jié)合圖2說明本發(fā)明的高電壓大電流等零相位開關(guān)的動作過程及控制方法(圖2中的“控制電路”是圖1中的電源及均壓電路單元和開關(guān)控制及通訊電路單元的總稱)：當(dāng)所有控制電路接收到開關(guān)閉合指令后，所有控制電路控制輔助繼電器觸點K_D01-K_D0N在同一個電壓(Uab)負半周期間閉合，之后當(dāng)?shù)诫妷赫胫軙r，所有的輔助開關(guān)回路串聯(lián)的二極管D₀₁-D_0N將會同時導(dǎo)通，接著所有的控制電路控制相應(yīng)的主繼電器J₀₁-J_0N在Uab正半周閉合，各個主開關(guān)觸點K₀₁-K_0N不可能同時閉合，但只要保證在正半周完成閉合即可。各個主開關(guān)閉合過程中會發(fā)生觸點的彈跳，當(dāng)觸點跳開瞬間，電流會通過相應(yīng)的輔助開關(guān)支路流過，觸點兩端承受的電壓為二極管的正向?qū)妷杭s0.7V，只要保證各個主開關(guān)在電流正半周期間完成閉合及觸點的彈跳過程，就不會產(chǎn)生開關(guān)觸點的打火和涌流。所有主開關(guān)K₀₁-K_0N閉合后，斷開輔助繼電器觸點K_D01-K_D0N，即完成了高壓開關(guān)的閉合過程。關(guān)于如何縮短繼電器的動作時間和減少觸點的彈跳次數(shù)，可以參考中國專利201310265141.1，在此不做贅述。當(dāng)主開關(guān)K₀₁-K_0N閉合后，將各個開關(guān)單元模塊的電源及均壓電路單元的輸入短路，對應(yīng)的電容降壓整流電源停止工作，這時各個開關(guān)單元模塊上的電流互感器CT₀₁-CT_0N開始為各開關(guān)控制及通訊電路單元供電，并為開關(guān)控制及通訊電路單元提供交流電時間基準(zhǔn)，同時還可測量通過開關(guān)的電流并從通訊電路單元將電流數(shù)據(jù)傳出。當(dāng)所有控制電路收到開關(guān)斷開指令時，控制電路控制所有的輔助繼電器觸點K_D01-K_D0N先閉合，然后在Iab電流正半周期間所有開關(guān)單元模塊的控制電路控制主開關(guān)K₀₁-K_0N斷開，所有主開關(guān)的觸點K₀₁-K_0N不可能在同一瞬間斷開，先斷開的主開關(guān)K電流從輔助繼電器觸點K_D和二極管串聯(lián)支路流過，保證了整個串聯(lián)開關(guān)回路電流連續(xù)，并且斷開的主開關(guān)K兩端只承受二極管的導(dǎo)通電壓約0.7V，主開關(guān)不會發(fā)生拉弧現(xiàn)象。所有開關(guān)單元模塊的主開關(guān)K₀₁到K_0N在電流正半周期間完全斷開后，電流通過K_D01和D₀₁到K_D0N和D_0N輔助開關(guān)回路流過。當(dāng)電流正半周結(jié)束后，所有開關(guān)單元模塊的輔助開關(guān)回路串聯(lián)的二極管立刻截止，在接下來的二極管截止期間內(nèi)控制電路控制所有的輔助開關(guān)觸點K_D01-K_D0N斷開，即完成的高壓開關(guān)的斷開過程。

在開關(guān)的閉合和斷開過程種，所有的二極管是等到交流電變換相位瞬間自動的導(dǎo)通或斷開，無需精確的對導(dǎo)通和斷開時間進行控制，這就是所謂的等零技術(shù)。而且在開關(guān)的閉合和斷開過程中，所有的主開關(guān)和輔助繼電器觸點都不承受電壓，開關(guān)觸點動作過程中不打火、不拉弧，這大大提高的開關(guān)觸點的電氣壽命，這是傳統(tǒng)的機械觸點開關(guān)無法實現(xiàn)的。

每個開關(guān)單元模塊之間需要協(xié)調(diào)動作，需要通訊連接，各個開關(guān)單元模塊與外部控制器之間及各個開關(guān)單元模塊之間可以采用各種通訊方式，如光耦通訊、光纖通訊、紅外通訊及藍牙通訊等方式。采用無線藍牙通訊方式安全性高、通訊速率高、功耗小、成本低。

如上所述，所有的開關(guān)單元模塊使用獨立的電源，開關(guān)在閉合和斷開期間主開關(guān)和輔助開關(guān)觸點都不承受電應(yīng)力，不會打火和拉弧。理論上由多個本發(fā)明的開關(guān)單元模塊串聯(lián)可以組成任意高電壓的交流高壓負荷開關(guān)。

本發(fā)明的高電壓大電流等零相位開關(guān)是使用多個開關(guān)單元模塊串聯(lián)，圖3所示的一個本發(fā)明的一個實施例，圖中所述開關(guān)單元模塊內(nèi)的主開關(guān)K₀₁-K_0N可以采用真空泡，輔助開關(guān)可以采用普通繼電器，一般的真空泡的斷點電壓可以做到35kV。一般普通繼電器的觸點間耐壓可以容易的做到5000Vac耐壓，5個繼電器串聯(lián)耐壓即可超過20kV，并聯(lián)在輔助繼電器觸點兩端的電容器在主開關(guān)斷開時為輔助開關(guān)觸點起均壓作用，多個普通繼電器與高壓二極管串聯(lián)實現(xiàn)輔助開關(guān)回路的功能，一個真空斷路器的耐壓是20kV，5個這樣的開關(guān)單元模塊串聯(lián)即可實現(xiàn)100kV的高壓開關(guān)。

由于交流電趨膚效應(yīng)的限制，單體開關(guān)無法做成電流很大的，本發(fā)明提出一種大電流開關(guān)單元模塊，圖4所示的大電流開關(guān)單元模塊是由三個主開關(guān)回路和三個輔助觸點回路組成，三個主開關(guān)回路和輔助觸點回路并聯(lián)在一起組成大電流開關(guān)單元模塊，在每個主開關(guān)回路連接有電流互感器。開關(guān)的閉合斷開過程和圖2所述的開關(guān)閉合斷開過程類似，在此不再贅述。

大電流開關(guān)單元模塊的均流控制方法如下：多路主開關(guān)閉合后，各路開關(guān)觸點支路的電流互感器檢測每個支路的電流，并把各支路的電流信號通過電源及均壓電路單元送到開關(guān)控制及通訊電路單元，當(dāng)某一支路電流過大時，開關(guān)控制及通訊電路單元控制該支路的觸點短時間斷開，使該支路通過的平均電流減小并與其它支路平均電流基本相等，從而達到各支路電流均衡的目的。也可用熱敏傳感器檢測開關(guān)溫度的辦法實現(xiàn)個支路的均流，開關(guān)閉合后，由于某開關(guān)支路的觸點接觸電阻過大時，會造成該支路發(fā)熱厲害，通過附在開關(guān)觸點旁的熱敏電阻檢測到觸點溫度的變化送到開關(guān)控制及通訊電路單元，當(dāng)某路開關(guān)觸點發(fā)熱比其它開關(guān)熱量大很多時，可以暫時斷開該支路開關(guān)觸點，溫度降低后再閉合該路開關(guān)的觸點。因為開關(guān)發(fā)熱是觸點接觸不好造成的，一般開關(guān)觸點重新動作會減小接觸電阻，讓觸點接觸更好。如果還不能改善觸點的接觸電阻，可以讓該路開關(guān)觸點間歇工作，讓其它路的開關(guān)分擔(dān)工作，這樣可以防止有問題開關(guān)的加速老化損壞。

同樣多個大電流開關(guān)串聯(lián)便可組成高壓大電流開關(guān)，理論上將多個大電流開關(guān)單元模塊并聯(lián)、串聯(lián)，即可實現(xiàn)任意高電壓和任意高電流的交流高壓開關(guān)。

圖5是本發(fā)明高電壓大電流等零相位開關(guān)的外形結(jié)構(gòu)示意圖之一，本發(fā)明的開關(guān)單元模塊可以裝在高壓絕緣端子內(nèi)，即組成高壓開關(guān)單體，高壓開關(guān)單體端子一端為螺絲，另一端為螺母，可以方便的將高壓開關(guān)單體串聯(lián)組成高壓開關(guān)。如一個高壓開關(guān)單體的耐壓是10KVac，用100個這樣的高壓開關(guān)單體即可組成1KKV的開關(guān)，而用傳統(tǒng)技術(shù)只有用SF6氣體保護才能實現(xiàn)，而且開關(guān)的體積非常的龐大，而且還需要龐大的配套設(shè)備，而本發(fā)明的高電壓大電流等零相位開關(guān)無需外接電源和輔助設(shè)備，可以非常方便的安裝和使用。

使用空氣觸點開關(guān)實現(xiàn)了以前只有真空開關(guān)或SF6開關(guān)才能實現(xiàn)的高壓開關(guān)，由于觸點無需真空或SF6保護，開關(guān)的壽命會更長。另外開關(guān)動作時沒有涌流，不會產(chǎn)生拉弧，對電網(wǎng)不會造成污染并大大降低開關(guān)維護成本。

本發(fā)明高電壓大電流等零相位開關(guān)的功耗很低，操作科采用無線遙控的方式，一方面開關(guān)的操作更加安全，另一方面大大降低的開關(guān)的造價。

本發(fā)明的開關(guān)還可應(yīng)用于電網(wǎng)的有載切換，由于本發(fā)明的高電壓大電流等零相位開關(guān)可以實現(xiàn)交流電零點的切入和斷開，在兩路電源對一路負載供電時，可以在一路電源的零點斷開電源而同時在電源的零點接入另一路電源，實現(xiàn)兩路電源的無縫連續(xù)切換，這是真空開關(guān)或GIS開關(guān)很難實現(xiàn)的。本發(fā)明的開關(guān)在電網(wǎng)中廣泛推廣使用，為電網(wǎng)的智能化建設(shè)提供一種新的解決方案。

最后應(yīng)說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。