CN107769195A - 基于lc振荡强迫换流型机械式开关、装置、及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于LC振荡强迫换流型机械式自动切换开关电路、装置及其控制方法，所述开关电路包括机械开关支路、LC振荡支路、固态开关支路和能量吸收支路；所述机械开关支路、所述LC振荡支路、所述固态开关支路和所述能量吸收支路以并联方式连接；其中，所述LC振荡支路包括间隙开关、LC振荡电路。本发明的基于LC振荡强迫换流型机械式自动切换开关电路、装置及其控制方具有高可靠、低损耗、快速切换的特点。

Description

基于LC振荡强迫换流型机械式开关、装置、及控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种基于LC振荡强迫换流型机械式切换开关装置、系统及其控制方法。

背景技术

现代电力系统的用电负荷发生了巨大变化，一方面造成影响电能质量问题的因素不断增长，如大量非线性负荷、大型冲击性用电设备的投入等；另一方面，各种复杂、精密、对电能质量敏感的用电设备也不断增加，如精密实验仪器、某些新型医疗器械、半导体制造业及某些生产自动控制系统等。对电能质量的要求越高，电能质量问题对电网和用电系统造成的直接危害及对人类生产和生活造成的损失就越大。

现在，为解决电压跌落故障，普遍采用在重要场合装设不间断电源、机械切换开关的备自投、装备自备发电机等措施。但是，这些方法存在成本高，效率低，速度慢、容量小等缺点，无法保证高质量电能供给。解决电压突降，提高供电水平的最可靠经济的途径之一则是采用自动转换开关。

这种自动转换开关能实现将负载电路从一个电源自动转接至另一个电源的开关电器，以确保负荷的持续运行。但是这种双电源切换开关仍然存在切换速度慢、可控性差的问题。为此，有研究人员提出了一种混合自动转换开关(HATS，Hybrid Automatic TransferSwitching)。如图1所示，其采用了固态开关IGBT与主机械开关并联的结构，其由IGBT和整流桥组成固态开关换流电路，在机械开关动作前动作，提高了混合式开关的动作速度，并限制了电弧的产生。但是这种电路的可靠性仍然较低，而且功耗大、切换速度慢。

目前，研究得较多的高压强流开关主要有气体间隙开关、半导体开关和触发真空开关。其中，气体间隙开关简便易行，通流容量大，但其欠压比(可靠触发导通电压与自击穿电压之比)太高，即工作电压范围窄，一般仅为85％～100％自击穿电压，使用很不方便。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于LC振荡强迫换流型机械式自动切换开关电路、装置及其控制方法。

本发明提供了一种基于LC振荡强迫换流型机械式开关电路，其特征在于，

所述开关电路包括机械开关支路、LC振荡支路、固态开关支路和能量吸收支路；

所述机械开关支路、所述LC振荡支路、所述固态开关支路和所述能量吸收支路以并联方式连接；其中，

所述LC振荡支路包括间隙开关、LC振荡电路。

进一步地，所述LC振荡电路包括串联的电感和电容，所述LC振荡电路与所述间隙开关串联。

进一步地，所述开关装置还包括能量吸收支路。

进一步地，所述能量吸收支路与所述机械开关支路并联。

进一步地，所述能量吸收支路包括避雷吸收系统。

进一步地，所述固态支路包括一个固态开关或多个串联的固态开关。

本发明还提供了一种开关电路控制方法，应用于如上任一所述的开关电路中，其特征在于，

控制所述机械开关支路中的机械开关分闸，触发导通所述间隙开关支路中的间隙开关，在预定时间内再断开所述间隙开关。

进一步地，所述控制所述机械开关支路中的机械开关分闸后，经过一个预先设定的延时后，再触发所述间隙开关支路中的间隙开关导通，和/或

所述在预定时间内再断开所述间隙开关具体为，在所述机械开关分闸运动到间隙能够承受的瞬态恢复电压时，再断开所述间隙开关。

进一步地，在所述延时时间内所述机械开关达到有效开距。

本发明还提供了一种开关电路控制方法，应用于如上任一所述的开关电路中，其特征在于，

导通所述固态开关；

闭合所述机械开关；

断开所述固态开关。

进一步地，导通所述固态开关的同时闭合所述机械开关，和/或

在闭合机械开关后，当电流转移至所述机械开关时，再断开固态开关。

本发明还提供了一种自动切换开关装置，其特征在于，所述自动切换开关装置包括主切换开关部件和备切换开关部件，其中，

所述主切换开关部件包括三个如上所述的任一基于LC振荡强迫换流型机械式开关电路，分别用于三相电的A相、B相、C相支路中；

所述备切换开关部件包括三个如上所述的任一基于LC振荡强迫换流型机械式开关电路，分别用于三相电的A相、B相、C相支路中。

本发明还提供了一种电源切换保护系统，其特征在于，

所述电源保护切换系统包括：

工作电源和备用电源；

如上所述的自动切换开关装置，所述自动切换开关装置中的主切换开关部件与工作电源连接、备切换开关部件与备用电源连接；

监测系统，用于监测工作电源和/或备用电源的工作状态；

控制保护系统，控制所述自动切换开关装置在所述主切换开关部件和备切换开关部件之间切换。

进一步地，所述监测系统还用于将所述工作状态的信息发送给所述控制保护系统，所述控制保护系统根据所述信息控制所述自动切换开关装置在所述主切换开关部件和备切换开关部件之间切换。

进一步地，所述监测系统还检测所述开关装置的开断状态，并将所述开断状态的信息反馈给所述控制保护系统。

本发明的基于LC振荡强迫换流型机械式自动切换开关电路、装置及其控制方法具有低损耗、快速切换的特点，而且结构简洁、性能可靠。

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作一简单地介绍，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示出了现有技术中混合自动转换开关的结构示意图；

图2示出了本发明实施例的基于LC振荡强迫换流型机械式自动切换开关电路结构示意图；

图3示出了根据本发明实施例的基于LC振荡强迫换流型机械式自动切换开关装置结构示意图；

图4示出了根据本发明实施例的双电源冗余供电系统结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、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、完整地说明，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做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。

本发明的切换开关装置采用了一种基于LC振荡强迫换流型机械式自动切换开关电路。本发明实施例以切换开关电路为例进行示例性说明，但本领域技术人员应当认识到，在不偏离本发明的基本发明构思的情况下，切换开关、断路器等所有能够实现电路通断的开关电路、元件、部件、设备、系统等均可实现本发明，这些都属于本发明的保护范围内。

如图2所示，所述基于LC振荡强迫换流型机械式自动切换开关电路主要包括机械开关支路、LC振荡支路、固态开关支路和能量吸收支路，所述LC振荡支路、所述能量吸收支路、所述固态开关支路与所述机械开关支路并联。其中，所述机械开关支路主要包括机械开关。在所述开关电路正常运行时，电流流经所述机械开关实现向负荷供电；所述LC振荡支路主要包括间隙开关、电感L、电容C，并且所述间隙开关、所述电感L和电容C串联；所述固态开关支路包括一个或多个固态开关，在多个固态开关的情况下，多个固态开关串联连接。图2中固态开关所在的支路以断线表示可以一个固态开关或存在多个串联的固态开关，但并不表示固态开关所在的支路是电气断开的。所述能量吸收支路主要包括避雷器，实施例中采用了MOV(金属氧化物压敏电阻)氧化锌避雷器，避雷器吸收在所述机械开关的开合过程中所产生的剩余能量，进而实现对机械开关的过电压保护。本发明以MOV氧化锌避雷器作为示例性的能量吸收装置，但并不仅限于以MOV氧化锌避雷器作为能量吸收装置，所有能够吸收支路中剩余能量的能量吸收电路或系统均可用于本发明。

所述开关电路在正常运行以建立电源与负荷之间的连接时，所述开关支路中的所述机械开关处于闭合状态，间隙开关处于断开状态，通往负荷的电流流经所述机械开关。

实施例所述的基于LC振荡强迫换流型机械式开关电路的分闸控制过程如下：向开关电路中机械开关支路中的机械开关发出分闸命令。机械开关在收到分闸命令后执行分闸动作，并在一定的时间t内，在触头开距达到2-3毫米(mm)后，达到有效开距。在所述机械开关已达到有效开距后，触发所述间隙开关支路中的间隙开关闭合，预充反向电压的振荡电容C与振荡电感L产生的振荡电流被叠加到机械开关支路，所述机械开关过零熄弧。在所述机械开关分闸运动到间隙所能够承受相应的瞬态恢复电压时，控制所述间隙开关断开，同时避雷器吸收系统剩余能量，分闸过程完成。

实施例所述的基于LC振荡强迫换流型机械式开关电路的合闸控制过程如下：先导通固态开关，然后再闭合机械开关，也可以在导通固态开关的同时闭合机械开关，当电流转移至机械开关时，再断开固态开关。

实施例还提供了一种开关部件，其采用了上述基于LC振荡强迫换流型机械式开关电路。该开关部件用于三相交流电系统中，每一相的电路分别采用上述基于LC振荡强迫换流型机械式开关电路。如图3所示，所述开关部件分别在A相、B相、C相中采用了上述自动切换开关电路：主切换开关部件中的A相、B相、C相(图中为了与备切换开关的三相线区分，A1、B1、C1来表示A相、B相、C相线)均采用了上述基于LC振荡强迫换流型机械式开关电路；备切换开关部件中的A相、B相、C相(图中为了与主切换开关的三相线区分，A2、B2、C2来表示A相、B相、C相线)同样均采用了上述基于LC振荡强迫换流型机械式开关电路。

如图3所示，实施例还提供了一种自动切换开关装置，所述自动切换开关装置包括两个上述开关部件，其中一个为主切换开关部件、另一个为备切换开关部件。正常工作过程中，所述主切换开关部件导通，实现电源通过所述主切换开关部件向所述负荷提供电流；所述备切换开关部件断开。出现故障需要将供电从主切换开关部件切换到备切换开关部件时，通过上述分闸控制过程断开所述主切换开关部件，并通过上述合闸控制过程接通所述备切换开关部件。

本实施例以双电源冗余供电系统来说明上述基于LC振荡强迫换流型机械式自动切换开关装置的控制使用。但是应该明确的是，上述实施例的基于LC振荡强迫换流型机械式自动切换开关装置并不仅限于双电源冗余供电系统，多电源冗余供电系统以及一般的诸如单电源供电系统、可以使用开关的电力系统等均可以使用上述实施例所述的基于LC振荡强迫换流型机械式自动切换开关装置。

如图4所示的根据本发明实施例的双电源冗余供电系统结构示意图。所述双电源供电系统包括电源、控制保护系统、自动切换开关装置、负荷以及由传感器等监测部件组成的监测系统，其中电源包括工作电源和备用电源两套电源，所述自动切换开关装置中的主切换开关部件与工作电源连接、备切换开关部件与备用电源连接。所述双电源冗余供电系统中工作电源支路上的主切换开关部件和/或备用电源支路上的备切换开关部件均可以使用上述实施例所述的基于LC振荡强迫换流型机械式自动切换开关部件。本实施例以工作电源支路上的切换开关和备用电源支路上的切换开关均使用上述基于LC振荡强迫换流型机械式自动切换开关部件为例进行示例性说明。

双电源冗余供电系统在正常供电状态下，所述自动切换开关装置中工作电源支路的主切换开关部件中的所有开关电路(也就是A、B、C相线路上的开关电路)均处于闭合状态，工作电源的电力通过所述切换开关装置提供给所述负荷；而所述自动切换开关装置中备用电源支路的备切换开关部件中的所有开关电路(也就是A、B、C相线路上的开关电路)均处于断开状态，所述备用电源不向所述负荷提供电力。

所述监测系统持续或周期性监测整个供电系统的工作状态，例如系统中的异常情况：工作电源支路中的传感器监测工作电源的工作状态、备用电源支路中的传感器监测备用电源的工作状态、负荷支路中的传感器监测负荷的工作状态。

所述监测系统检测到工作电源故障或压降过大时，向控制保护系统发送相应的故障信号。控制保护系统在接收到监测系统发来的表示工作电源发生故障的信号后，判断工作电源出现故障，需要将电源从工作电源切换到备用电源上。此时，控制保护系统中的控制单元向工作电源的切换开关部件发送分闸命令、并向备用电源的切换开关部件发送合闸命令，从而控制工作电源的切换开关部件断开连接，而控制备用电源的切换开关部件闭合以建立备用电源与负荷之间的电气连接，从而通过备用电源箱负荷提供电力。

正常运行时，主切换开关部件中A相、B相和C相线上的所有机械开关均处于闭合状态，各个相线上的电流流经各自的机械开关向负荷提供电力。在传感器监测到工作电源发生故障时，向控制保护系统发送报警信息。接收到所述报警信息后，控制保护系统中的控制单元向所述自动切换开关装置中的主切换开关部件的机械开关发出分闸命令。在机械开关达到有效开距后，触发所述主切换开关部件的各个所述间隙开关支路中的间隙开关闭合，预充反向电压的振荡电容C与振荡电感L产生的振荡电流被叠加到其并联的机械开关支路上，各个所述机械开关过零熄弧。在所述机械开关分闸运动到间隙所能够承受相应的瞬态恢复电压时，控制所述间隙开关断开，同时避雷器吸收系统剩余能量，分闸过程完成。

此时，控制保护系统中的控制单元还向备切换开关发出合闸命令。备切换开关部件收到所述控制保护系统发送来的合闸命令后，先导通固态开关，然后再闭合机械开关，也可以在导通固态开关的同时闭合机械开关，当电流转移至机械开关时，再断开固态开关，从而实现对备用电源支路中的切换开关装置的合闸，使得备用工作电源对所述负荷供电。

所述双电源冗余供电系统中从备用电源向负荷提供电力切换到从工作电源向所述负荷提供电力的过程与从工作电源向负荷提供电力切换到从备用电源向所述负荷提供电力的过程相似，在此不再赘述。

负荷支路中的传感器在监测到所述负荷出现故障后，会将监测到的故障信息发送给控制保护系统。所述控制保护系统可以根据所述故障信息关闭工作电源支路和备用电源支路中的切换开关部件，以断开任何电源向所述负荷供电。

所述监测系统同时检测切换开断状态，并将状态信息反馈回所述控制保护系统，以确保开断和导通。

控制保护系统还根据接收的信息实现对其他联络开关的控制或接收其他联络开关的状态信息，并将接收的所有信息发送给远程计算机，同时可以从远程计算机中接收信息，例如控制相关切换开关进行开启或闭合的信息。

实施例中以三相交流电为例进行示例性说明，但本领域技术人员应当认识到，在不偏离本发明的基本发明构思的情况下，本发明的开关电路、开关装置、系统及其控制方法并不仅限于说明书中基于示例性说明目的的三相交流电，本发明的开关电路、开关装置、系统及其控制方法适用于包括但不限于直流电和交流电的系统中。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (15)

1.一种基于LC振荡强迫换流型机械式开关电路，其特征在于，

所述开关电路包括机械开关支路、LC振荡支路、固态开关支路和能量吸收支路；

所述机械开关支路、所述LC振荡支路、所述固态开关支路和所述能量吸收支路以并联方式连接；其中，

所述LC振荡支路包括间隙开关、LC振荡电路。

2.根据权利要求1所述的开关电路，其特征在于，

所述LC振荡电路包括串联的电感和电容，所述LC振荡电路与所述间隙开关串联。

3.根据权利要求1或2所述的开关电路，其特征在于，

所述开关装置还包括能量吸收支路。

4.根据权利要求3所述的开关电路，其特征在于，

所述能量吸收支路与所述机械开关支路并联。

5.根据权利要求4所述的开关电路，其特征在于，

所述能量吸收支路包括避雷器。

6.根据权利要求1所述的开关电路，其特征在于，

所述固态支路包括一个固态开关或多个串联的固态开关。

7.一种开关电路控制方法，应用于如权利要求1-6任一所述的开关电路中，其特征在于，

控制所述机械开关支路中的机械开关分闸，触发导通所述间隙开关支路中的间隙开关，在预定时间内再断开所述间隙开关。

8.根据权利要求7所述的开关电路控制方法，其特征在于，

所述控制所述机械开关支路中的机械开关分闸后，经过一个预先设定的延时后，再触发所述间隙开关支路中的间隙开关导通，和/或

所述在预定时间内再断开所述间隙开关具体为，在所述机械开关分闸运动到间隙能够承受的瞬态恢复电压时，再断开所述间隙开关。

9.根据权利要求8所述的开关电路控制方法，其特征在于，

在所述延时时间内所述机械开关达到有效开距。

10.一种开关电路控制方法，应用于如权利要求1-6任一所述的开关电路中，其特征在于，

导通所述固态开关；

闭合所述机械开关；

断开所述固态开关。

11.根据权利要求10所述的开关电路控制方法，其特征在于，

导通所述固态开关的同时闭合所述机械开关，和/或

在闭合机械开关后，当电流转移至所述机械开关时，再断开固态开关。

12.一种自动切换开关装置，其特征在于，所述自动切换开关装置包括主切换开关部件和备切换开关部件，其中，

所述主切换开关部件包括三个如权利要求1-6所述的任一基于LC振荡强迫换流型机械式开关电路，分别用于三相电的A相、B相、C相支路中；

所述备切换开关部件包括三个如权利要求1-6所述的任一基于LC振荡强迫换流型机械式开关电路，分别用于三相电的A相、B相、C相支路中。

13.一种电源切换保护系统，其特征在于，

所述电源保护切换系统包括：

工作电源和备用电源；

如权利要求9所述的自动切换开关装置，所述自动切换开关装置中的主切换开关部件与工作电源连接、备切换开关部件与备用电源连接；

监测系统，用于监测工作电源和/或备用电源的工作状态；

控制保护系统，控制所述自动切换开关装置在所述主切换开关部件和备切换开关部件之间切换。

14.根据权利要求12所述的电源切换保护系统，其特征在于，

所述监测系统还用于将所述工作状态的信息发送给所述控制保护系统，所述控制保护系统根据所述信息控制所述自动切换开关装置在所述主切换开关部件和备切换开关部件之间切换。

15.根据权利要求13或14所述的电源切换保护系统，其特征在于，

所述监测系统还检测所述自动切换开关装置的开断状态，并将所述开断状态的信息反馈给所述控制保护系统。