專利名稱：具有選相功能的光控模塊化智能真空開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種光控模塊化智能真空開關(guān)，特別是一種實用化的具有選相功能 的光控模塊化智能真空開關(guān)，屬于電力高壓開關(guān)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在高壓和超高壓領(lǐng)域六氟化硫(SF6)開關(guān)一直占主導(dǎo)地位，但由于SF6對地球大 氣層有很強的溫室效應(yīng)，因此必須找出更好的替代品。真空開關(guān)作為一種極具發(fā)展?jié)摿?的新型電力開關(guān)，但由于真空介質(zhì)的特殊性質(zhì)，導(dǎo)致真空開關(guān)目前只在中低壓電壓等級 有很強的優(yōu)勢；且由于技術(shù)及加工工藝等方面的限制，真空開關(guān)額定電流及額定短路電 流等參數(shù)無法大幅提高，不能滿足大電流應(yīng)用場合。上述原因限制了真空開關(guān)在高壓、 大電流等領(lǐng)域的應(yīng)用。采取單斷口技術(shù)路線的真空開關(guān)存在很大的困難，而采取多斷口 技術(shù)路線的傳統(tǒng)真空開關(guān)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操動機構(gòu)元件數(shù)目多，很容易出現(xiàn)機械故障。
應(yīng)用于投切容性負(fù)載(電容器組、空載輸電線)或感性負(fù)載(空載變壓器、電抗器) 的真空開關(guān)，分合閘操作所帶來的開關(guān)暫態(tài)過程會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生各種干擾，引起過壓 過流，甚至?xí)鞑サ竭h(yuǎn)端影響用戶。這在對電能質(zhì)量要求越來越嚴(yán)格的電網(wǎng)背景下需引 起重視。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種具有選相功能的光控模塊化智能真空開關(guān)，它采用 高性能的DSP處理器(數(shù)字信號處理器)和靈活的控制技術(shù)，能快速準(zhǔn)確地判斷出開 關(guān)的最佳投切相位并進行可靠操作；采用光纖控制接口來進行控制信號傳輸，可實現(xiàn)高 低壓隔離，簡化絕緣結(jié)構(gòu)，抗干擾能力強；采用電流取能、電壓取能和低位送能的多方 取能操作電源系統(tǒng)的新型可靠電源方案；采用新型永磁操動機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活， 可靠性高；采用包括無線通訊和串口通訊在內(nèi)的多種通訊技術(shù)，實現(xiàn)與電站計算機系統(tǒng) 的實時信息交換。根據(jù)需要，可對具有選相功能的光控智能真空開關(guān)模塊進行串、并聯(lián) 積木組合，實現(xiàn)更高電壓等級的智能真空開關(guān)。
本實用新型的技術(shù)方案是 一種具有選相功能的光控模塊化智能真空開關(guān)，其特征在于它包括智能選相控制器低電位單元、智能選相控制器高電位單元，功率驅(qū)動單元， 多方取能操作電源系統(tǒng)，永磁操動機構(gòu)，真空滅弧室和外絕緣系統(tǒng)；
智能選相控制器低電位單元、智能選相控制器高電位單元、功率驅(qū)動單元和永磁操 動機構(gòu)依次電連接；
智能選相控制器高、低電位單元中采用數(shù)字信號處理器；
靜觸頭、動觸頭和分閘彈簧位于真空滅弧室內(nèi)，動觸頭與永磁操動機構(gòu)的驅(qū)動桿直 接相連；
多方取能操作電源系統(tǒng)與功率驅(qū)動單元電連接，多方取能操作電源系統(tǒng)包括電流取 能、電壓取能和低位送能；
外絕緣系統(tǒng)包圍真空滅弧室。如上所述的具有選相功能的光控模塊化智能真空開關(guān)，其特征在于智能選相控制 器高、低電位單元間信號傳輸采用光纖控制接口。
如上所述的具有選相功能的光控模塊化智能真空開關(guān)，其特征在于真空開關(guān)三相 中每相配置獨立的永磁操動機構(gòu)。
如上所述的具有選相功能的光控模塊化智能真空開關(guān)，其特征在于智能選相控制 器低電位單元中的通訊接口包括無線通訊和串口通訊。
如上所述的具有選相功能的光控模塊化智能真空開關(guān)，其特征在于對具有選相功 能的光控模塊化智能真空開關(guān)進行串、并聯(lián)積木組合。
本實用新型的工作原理是智能選相控制器低電位單元能實時判斷輸入信息，接到 就地/遠(yuǎn)動操作指令后，根據(jù)不同負(fù)載特性，調(diào)用相關(guān)控制策略子程序，按照預(yù)定算法給 出分合閘信號，控制開關(guān)在最佳相位動作，從而減少開關(guān)操動暫態(tài)，提高電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定 性和電能質(zhì)量。智能選相控制器低、高電位單元的主要功能有①實時采集各類信號， 并能快速數(shù)學(xué)運算和精確邏輯控制；②高、低電位單元利用光纖技術(shù)進行光電隔離，實 現(xiàn)低電位控制，高電位動作；③記錄開關(guān)的動作次數(shù)、開關(guān)操作事件記錄、開關(guān)操作暫 態(tài)電流和電壓波形，便于系統(tǒng)診斷分析；④通過包括無線通訊和串口通訊在內(nèi)的多種通 訊接口連接電站計算機系統(tǒng)，易實現(xiàn)與電站計算機系統(tǒng)的多機通訊。
本實用新型的有益效果是(1)整體結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計，體積小、重量輕、絕緣
4、并聯(lián)積木組合，可完全替代SF6開關(guān)；(2)采用智 能選相控制器高、低電位單元，控制精度高，既可實現(xiàn)單個真空開關(guān)模塊的選相控制，
又可實現(xiàn)組合模塊的選相控制；(3)真空開關(guān)三相每相配置獨立的永磁操動機構(gòu)，以實
現(xiàn)三相選相操作；運用永磁操動機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好，便于分相獨立操動；真空 滅弧室的動觸頭與永磁操動機構(gòu)的驅(qū)動桿直接相連，取消了與傳統(tǒng)操動機構(gòu)之間的絕緣 拉桿；永磁操動機構(gòu)與真空滅弧室同電位，絕緣成本低，進一步提高可靠性；(4)采用 電流取能、電壓取能和低位送能的多方取能操作電源系統(tǒng)的新型可靠電源方案，解決了 高壓端電子線路的電源供給問題；(5)電氣部分與信號傳輸通道隔離，與光纖控制技術(shù) 結(jié)合真正實現(xiàn)了智能真空開關(guān)模塊的低電位端控制、高電位端操動；光纖控制接口簡化 了絕緣結(jié)構(gòu)，抗干擾能力強；(6)采用包括無線通訊和串口通訊在內(nèi)的多種通訊技術(shù)， 便于實現(xiàn)與電站計算機系統(tǒng)的實時信息交換


圖l，本實用新型實施例的工作原理圖。
圖2,圖1中的智能選相控制器低電位單元工作原理圖。
圖3，圖1中的智能選相控制器高電位單元工作原理圖。
圖4，圖1中的永磁操動機構(gòu)與真空滅弧室結(jié)構(gòu)原理圖。
圖5，圖1中的功率驅(qū)動單元及電流取能方式電源工作原理圖。
圖6，圖1中的電壓取能方式電源工作原理圖。
圖7，圖1中的低位送能方式電源工作原理圖。
圖8，圖1中的智能選相控制器低電位單元軟件原理圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型具有選相功能的光控模塊化智能真空開關(guān)做 詳細(xì)的說明。
圖1中標(biāo)記的說明1-智能選相控制器低電位單元，2-智能選相控制器高電位單元， 3-功率驅(qū)動單元，4-多方取能操作電源系統(tǒng)，5-電流取能，6-電壓取能，7-低位送能，8-永磁操動機構(gòu)，9-真空滅弧室，10-外絕緣系統(tǒng)，PT-電壓互感器，CT-電流互感器。
圖2中標(biāo)記的說明11-信號采集單元，12-信號調(diào)理單元，13-A/D轉(zhuǎn)換單元，14-
5低電位DSP處理器，15-人機交換單元，16-低電位工作電源，17-監(jiān)控記錄單元，18-通訊接口， 19-光纖控制接口。
圖3中標(biāo)記的說明20-高電位DSP處理器，21-高電位工作電源，22-傳感器，23-實時時鐘。
圖4中標(biāo)記的說明24-靜觸頭，25-分閘彈簧，26-動觸頭，27-蓋板，28-磁路導(dǎo)向 環(huán)，29-永磁體，30-靜鐵心，31-充放電線圈，32-動鐵心，33-驅(qū)動桿。
圖5中標(biāo)記的說明TVS-瞬時電壓浪涌抑制器，Bl、 B2-整流橋，Cl-濾波電容， C-儲能電容器，S-大功率可控晶閘管，34-穩(wěn)壓電路，35-逆變電路，36-蓄電池。
圖6中標(biāo)記的說明Rl、 R2、 R3-電阻，Dl、 D2、 D3-穩(wěn)壓二極管，C2、 C3-濾波電 容，Q3-晶閘管，i-電流方向。
圖7中標(biāo)記的說明37-逆變器，K-開關(guān)，T-磁環(huán)，B3-整流橋。
本實用新型實施例具有選相功能的光控模塊化智能真空開關(guān)可以根據(jù)不同電壓等 級，將真空開關(guān)模塊進行串、并聯(lián)積木組合，實現(xiàn)更高電壓等級的智能真空開關(guān)。
本實用新型實施例的工作原理圖如圖1所示，包括智能選相控制器低電位單元1、 高電位單元2，功率驅(qū)動單元3，多方取能操作電源系統(tǒng)4，永磁操動機構(gòu)8，真空滅弧 室9和外絕緣系統(tǒng)10等；智能選相控制器低電位單元1、智能選相控制器高電位單元2、 功率驅(qū)動單元3和永磁操動機構(gòu)8順序電連接，多方取能操作電源系統(tǒng)4與功率驅(qū)動單 元3電連接，它包括電流取能5、電壓取能6和低位送能7;外絕緣系統(tǒng)10包圍真空滅 弧室9，真空開關(guān)三相中每相配置獨立的永磁操動機構(gòu)8;
智能選相控制器低電位單元1接收電站計算機系統(tǒng)發(fā)出的遠(yuǎn)動/就地操作指令，并反 饋真空開關(guān)狀態(tài)信息，且從電壓互感器PT和電流互感器CT采集電網(wǎng)三相電壓與三相 電流信號；
智能選相控制器高電位單元2釆集到開關(guān)位置狀態(tài)、控制電壓和環(huán)境溫度等真空開 關(guān)狀態(tài)信息，傳給智能選相控制器低電位單元l;智能選相控制器低電位單元l發(fā)出操 作指令傳給智能選相控制器高電位單元2，智能選相控制器高電位單元2收到操作指令 后，向功率驅(qū)動單元3發(fā)出分/合閘信號，與多方取能操作電源系統(tǒng)4電連接的功率驅(qū)動 單元3驅(qū)動永磁操動機構(gòu)8，實現(xiàn)真空開關(guān)的分/合閘操動。
圖1中的智能選相控制器低電位單元1工作原理圖如圖2所示，主要由模擬信號采 集單元11、模擬信號調(diào)理單元12、 A/D轉(zhuǎn)換單元13、低電位DSP處理器14、人機交換單元15、低電位工作電源16、系統(tǒng)參數(shù)和波形監(jiān)控記錄單元17、和多種通訊接口 18 等組成；
通過模擬信號采集單元11從電壓互感器PT和電流互感器CT采集到的三相電網(wǎng)電 壓與三相電流信號經(jīng)過模擬信號調(diào)理單元12和A/D轉(zhuǎn)換單元13后，傳輸?shù)降碗娢籇SP 處理器14;利用光纖技術(shù)的高低電位光電隔離單元的光纖通信接口 19將低電位DSP處 理器14發(fā)出的操作指令傳給智能選相控制器高電位單元2，并將智能選相控制器高電位 單元2采集到的真空開關(guān)狀態(tài)信息，傳給低電位DSP處理器14;低電位DSP處理器14 分別連接人機交換單元15、低電位工作電源16、系統(tǒng)參數(shù)和波形監(jiān)控記錄單元17、通 訊接口 18和光纖通信接口 19，通訊接口 18采用包括無線通訊和串口通訊在內(nèi)的多種通 訊技術(shù)。智能選相控制器低電位單元1通過通訊接口 18接收電站計算機系統(tǒng)發(fā)出的遠(yuǎn) 動/就地操作指令，并反饋真空開關(guān)狀態(tài)信息。
圖1中的智能選相控制器高電位單元2工作原理圖如圖3所示，其中的高電位DSP 處理器20分別連接光纖通信接口 19、高電位工作電源21、傳感器22和實時時鐘23。 傳感器22包括開關(guān)位置傳感器、控制電壓傳感器和環(huán)境溫度傳感器，高電位單元2通 過傳感器22實時采集真空開關(guān)狀態(tài)信息(包括開關(guān)位置，控制電壓，環(huán)境溫度)通過 光電隔離單元的光纖通信接口 19傳送給低電位DSP處理器14;當(dāng)高電位DSP處理器 20收到由光纖通信接口 19送來的低電位單元1發(fā)出的操作指令后，向功率驅(qū)動單元3 發(fā)出分、合閘信號。
上述所說的永磁操動機構(gòu)8以單穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)為例，圖4中，真空滅弧室9包 括靜觸頭24,分閘彈簧25，動觸頭26;單穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)8包括蓋板27,磁路導(dǎo)向 環(huán)28，永磁體29，靜鐵心30，充放電線圈31，動鐵心32，驅(qū)動桿33:
分閘彈簧25連接在靜觸頭24和動觸頭26之間；驅(qū)動桿33和動鐵心32相連，并 與真空滅弧室9中的動觸頭26連接；靜鐵心30的上端固定非導(dǎo)磁蓋板27;永磁體29 上端與磁路導(dǎo)向環(huán)28連接，下端與充放電線圈31連接。分合閘操作采用同一個單充放 電線圈31，通過給充放電線圈31不同方向電流來實現(xiàn)分合鬧操作，合閘狀態(tài)靠磁力保 持，分閘狀態(tài)靠分閘彈簧25。在分閘中，是靠釋放分閘彈簧25的能量來完成的，具有 較高的剛分速度；單穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)8零件數(shù)少，運動部件只有一個動鐵心32，機械 壽命和可靠性大大提高；單穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)8和真空滅弧室9處于同一高電位，簡化 了絕緣；其分合閘操作共用一個充放電線圈31,具有小型化和免維護的優(yōu)點；動作時間立操動。
圖1中的功率驅(qū)動單元3工作原理圖如圖5所示，電流互感器CT，瞬時電壓浪涌 抑制器TVS，整流橋B1，濾波電容Cl,穩(wěn)壓電路34，逆變電路35，整流橋B2，儲能 電容器C依次電連接，分合閘充放電線圈31和大功率可控晶閘管S串聯(lián)后與儲能電容 器C并聯(lián)，逆變電路電連接一個蓄電池36;
多方取能操作電源系統(tǒng)4 一直對儲能電容器C進行充電，當(dāng)大功率可控晶閘管S 收到智能選相控制器高電位單元2的分/合閘信號后，已充滿電的儲能電容器C對單穩(wěn) 態(tài)永磁操動機構(gòu)8中的充放電線圈31放電，產(chǎn)生脈沖磁場驅(qū)動動鐵心32運動。
圖5中，多方取能操作電源系統(tǒng)4采用直接從高壓側(cè)母線電流取能的方法。當(dāng)真空 開關(guān)處于閉合狀態(tài)時，電流互感器CT直接從電網(wǎng)的負(fù)載電流中取出能量，經(jīng)過瞬時電 壓浪涌抑制器TVS，整流橋B1、濾波電容C1和穩(wěn)壓電路34后變?yōu)榈蛪褐绷髟?，再?jīng) 逆變電路35和整流橋B2后給儲能電容器C充電。當(dāng)真空開關(guān)處于分閘狀態(tài)或系統(tǒng)空 載時，電流互感器CT無法直接從電網(wǎng)電流中取出能量，可在逆變電路35前增加一個蓄 電池36。經(jīng)過穩(wěn)壓電路34后的低壓直流源同時對蓄電池36進行恒壓浮充電，電流取能 方式不成功時，由已經(jīng)充電的蓄電池36進行逆變電路35和整流橋B2后，給儲能電容 器C充電。
圖1中的電壓取能方式電源工作原理圖如圖6所示，為進一步保證真空開關(guān)在長期 分閘條件下的操作電源供應(yīng)，還采用電壓取能方式電源來保證可靠取能，當(dāng)電壓在正半 周時，電流i為圖中所示方向，通過濾波電容C2、電阻R1和穩(wěn)壓二極管D3向儲能電 容器C充電。當(dāng)儲能電容器C的端電壓超過穩(wěn)壓二極管D1限幅值時，晶閘管Q3導(dǎo)通， 穩(wěn)壓二極管D3截止，停止給儲能電容器C充電。儲能電容器C的端電壓保持為限幅值， 儲能電容器C的儲能就是工作電源。
當(dāng)真空開關(guān)兩側(cè)斷電時間太長，電流取能和電壓取能方式都不能獲取能量且蓄電池 電源不足時，可采用低位送能方式，圖1中的低位送能方式電源工作原理圖見圖7，處 于地電位的任意直流電源，經(jīng)逆變器37得到高頻電流源。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，通過磁 環(huán)T把地電位的能量送到高壓側(cè)。由磁環(huán)T得到的高頻電源經(jīng)過濾波、穩(wěn)壓和整流橋 B3后為儲能電容器C充電。充好后，斷開開關(guān)K，停止給儲能電容器C充電。
實施例電站計算機系統(tǒng)發(fā)出動作指令，智能選相控制器低電位單元1根據(jù)從電壓 互感器PT和電流互感器CT采集到的電網(wǎng)三相電壓與三相電流信號，計算出最佳分/合閘相位，同時根據(jù)由光纖控制接口 19傳送的智能選相控制器高電位單元2實時采集到 的真空開關(guān)狀態(tài)信息(開關(guān)位置、控制電壓和環(huán)境溫度等)，分別來自開關(guān)位置傳感器、 控制電壓傳感器和環(huán)境溫度傳感器，不斷調(diào)整開關(guān)動作時間的補償參數(shù)，計算出需要的 延時后發(fā)出操作指令；智能選相控制器高電位單元2通過光纖控制接口 19收到操作指 令后，向功率驅(qū)動單元3發(fā)出分、合閘信號；憑借多方取能操作電源系統(tǒng)4的可靠供電， 功率驅(qū)動單元3在智能選相控制器高電位單元2的控制下給永磁操動機構(gòu)8的充放電線 圈31充電，實現(xiàn)真空開關(guān)的分/合閘操動；真空開關(guān)動作結(jié)束后，智能選相控制器低電 位單元1記錄操作結(jié)果，并通過通訊接口 18把真空開關(guān)狀態(tài)信息和操作結(jié)果回送到電 站計算機系統(tǒng)。
圖1中的智能選相控制器低電位單元1軟件原理圖如圖8所示，為了保證控制系統(tǒng) 正常工作，啟動時必須自檢。系統(tǒng)自檢通過后，程序進入初始化階段，包括DSP控制 寄存器設(shè)置，定時器、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的初始化。系統(tǒng)沒有收到就地/遠(yuǎn)動指令時，完成 電網(wǎng)參數(shù)采集、控制電壓和環(huán)境溫度監(jiān)測、為電站計算機系統(tǒng)上傳數(shù)據(jù)等功能。當(dāng)通過 多種通訊接口 18收到就地/遠(yuǎn)動指令后，檢測控制電壓、環(huán)境溫度和開關(guān)觸頭位置等開 關(guān)狀態(tài)信息是否滿足分合閘條件，進而自適應(yīng)計算最佳分合閘相位所需的延時觸發(fā)時 間，按照不同負(fù)載特性調(diào)用相關(guān)子程序，完成選相分合閘的功能并記錄操作結(jié)果。
權(quán)利要求1、一種具有選相功能的光控模塊化智能真空開關(guān)，其特征在于它包括智能選相控制器低電位單元、智能選相控制器高電位單元，功率驅(qū)動單元，多方取能操作電源系統(tǒng)，永磁操動機構(gòu)，真空滅弧室和外絕緣系統(tǒng)；智能選相控制器低電位單元、智能選相控制器高電位單元、功率驅(qū)動單元和永磁操動機構(gòu)依次電連接；智能選相控制器高、低電位單元中采用數(shù)字信號處理器；靜觸頭、動觸頭和分閘彈簧位于真空滅弧室內(nèi)，動觸頭與永磁操動機構(gòu)的驅(qū)動桿直接相連；多方取能操作電源系統(tǒng)與功率驅(qū)動單元電連接，多方取能操作電源系統(tǒng)包括電流取能、電壓取能和低位送能；外絕緣系統(tǒng)包圍真空滅弧室。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有選相功能的光控模塊化智能真空開關(guān)，其特 征在于智能選相控制器高、低電位單元間信號傳輸采用光纖控制接口。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有選相功能的光控模塊化智能真空開關(guān)，其特 征在于真空開關(guān)三相中每相配置獨立的永磁操動機構(gòu)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有選相功能的光控模塊化智能真空開關(guān)，其特 征在于智能選相控制器低電位單元中的通訊接口包括無線通訊和串口通訊。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有選相功能的光控模塊化智能真空開關(guān)，其特征在于對具有選相功能的光控模塊化智能真空開關(guān)進行串、并聯(lián)積木組合。
專利摘要本實用新型提供了一種具有選相功能的光控模塊化智能真空開關(guān)，包括智能選相控制器低電位單元、高電位單元，功率驅(qū)動單元，多方取能操作電源系統(tǒng)，永磁操動機構(gòu)，真空滅弧室和外絕緣系統(tǒng)等。它采用高性能的DSP信號處理器和靈活的控制技術(shù)，能快速準(zhǔn)確地判斷出開關(guān)的最佳投切相位并進行可靠操作；采用光纖控制接口可實現(xiàn)高低壓隔離，簡化絕緣結(jié)構(gòu)，抗干擾能力強；采用新型永磁操動機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，控制靈活，可靠性高；采用電流取能、電壓取能和低位送能的多方取能操作電源系統(tǒng)的新型可靠電源方案。根據(jù)需要，可對具有選相功能的光控智能真空開關(guān)模塊進行串、并聯(lián)積木組合，實現(xiàn)更高電壓等級的智能真空開關(guān)。
文檔編號H01H33/66GK201282069SQ200820191759
公開日2009年7月29日 申請日期2008年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月28日
發(fā)明者妍 何, 何俊佳, 飛 劉, 婷 尹, 硯 杜, 垣 潘, 召 袁, 陳軒恕 申請人:國網(wǎng)武漢高壓研究院