專利名稱：一種中高壓串聯(lián)電子開關的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及ー種電子開關，尤其是涉及ー種應用于中高電壓電力系統(tǒng)的新型電子開關。
背景技術：
隨著精細化工及高新技術產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，用戶對電能質量的需求呈現(xiàn)了不同的層次，電能質量問題對敏感負荷的影響巨大。電壓、頻率、波形是衡量電能質量的標準，超出一定范圍的頻率或電壓偏差或波形的畸變，都會對電カ用戶以及電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟運行等帶來不良的影響。電壓跌落及電壓短時中斷故障占所有電能質量問題的90%左右。當電壓低于額定值的90%時，敏感負載的運行將受影響，帶來巨大的安全隱患和經(jīng)濟損失。因此，治理電壓跌落及電壓短時中斷，改善電能質量具有極其重要的作用和長遠的意義。
統(tǒng)的機械開關經(jīng)過長時間的研究應用，從低電壓等級到高電壓等級應用已非常廣泛。機械開關導通穩(wěn)定，帶負載能力強。機械開關的缺點非常明顯，首先需要很大的滅弧裝置，使開關的體積一般都較大，其次開斷速度受機械動作部分速度的限制，另外機械開關電氣壽命受到開斷次數(shù)的限制。因此難以滿足ー些電カ用戶對電能質量的要求。隨著電力電子器件技術的發(fā)展，可控電カ電子器件的切換速度越來越快，耐壓水平越來越高，電流越來越大。以此取代機械開關，用作電カ系統(tǒng)的開關，可以達到毫秒級的切換速度，適合用于ー些對電能質量要求嚴格的敏感用戶。目前這ー技術在低壓場合已經(jīng)得到廣泛應用。但在中高壓場合例如IOKV時相關產(chǎn)品較少。對于中高壓應用場合例如IOKV吋，由于單ー器件耐壓等級無法達到要求，因此必須采用串聯(lián)或級聯(lián)的結構。由于電カ電子器件的靜態(tài)特性和動態(tài)參數(shù)不完全相同，因此串聯(lián)使用時，可能出現(xiàn)器件誤導通或反相擊穿等問題。以晶閘管為例，在閉鎖狀態(tài)下，晶閘管的漏電流特性不同，串聯(lián)后承受的電壓也不同；在晶閘管關斷過程中，反向恢復電荷的差異也可能造成閥內(nèi)部電壓分布不均。因此在晶閘管串聯(lián)時，即使同時發(fā)出晶閘管控制信號，各個晶閘管動作也可能不一致。后閉合的晶閘管會承受更多的系統(tǒng)電壓，導致過壓損毀。因此需要選擇合適的阻容回路參數(shù)，來實現(xiàn)中高壓串聯(lián)晶閘管閥換流時的動態(tài)均壓功能。各種研究表明，動態(tài)均壓電路中的電容選取的越大，電阻選取的越小，其對浪涌電壓吸收能力越強，且響應越快。但反之，電容越大，阻容支路的功耗也越大，電阻越小，電容放電時的電流沖擊也就越大，在設計上很難兩全。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題，就在于提供ー種吸收電流浪涌能力強響應迅速且電流沖擊較小的中聞壓串聯(lián)電子開關。解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案如下
ー種中高壓串聯(lián)電子開關，包括主電カ電子開關模塊和基本動態(tài)均壓阻容支路，所述的基本動態(tài)均壓阻容支路由無極性電容(Cl)和電阻(Rl)串聯(lián)組成，其特征是還設有H橋ニ極管整流模塊、附屬動態(tài)均壓阻容支路、放電電阻以及浪涌吸收模塊，所述的H橋ニ極管整流模塊由四只ニ極管(VT1、VT2、VT3、VT4)組成，所述的H橋ニ極管整流模塊的輸入端與基本動態(tài)均壓阻容支路相連、輸出端與附屬動態(tài)均壓阻容支路相連，附屬動態(tài)均壓阻容支路兩端還并聯(lián)有浪涌吸收模塊(MOV)，所述的附屬動態(tài)均壓阻容支路由電容(C2)和限流電阻(R2)串聯(lián)組成，所述的附屬動態(tài)均壓阻容支路的電容C2)兩端還并聯(lián)了放電電阻(Rp)。所述的電容(C2)為有極性的電解電容或無極性的電容。所述的附屬動態(tài)均壓阻容支路的放電電阻(Rp)支路上還串聯(lián)有可控電子開關(K)。所述的主電カ電子開關模塊的可控電カ電子開關Tl是普通晶閘管或門極可關斷晶閘管GT0、電カ晶體管GTR,電カ場效應晶體管、絕緣棚雙極晶體管。
本發(fā)明可應用在固態(tài)電子開關或其他基于串聯(lián)電カ電子開關拓撲的電氣設備中，固態(tài)開關原理如下主供電源和備供電源通過固態(tài)電子轉換開關分別接到負載上，系統(tǒng)平時在主供電源側運行，當其出現(xiàn)電壓跌落時，系統(tǒng)自動通過固態(tài)電子轉換開關把負載投切到備用電源上。當主側電源正常時，再自動切換回主側電源，從而實現(xiàn)電能質量有效的控制。固態(tài)開關的開關支路由主電カ電子開關模塊以及動態(tài)均壓模塊構成。在拓撲結構上，該裝置采用串聯(lián)結構，串聯(lián)單元的個數(shù)由電源的電壓等級確定。每個串聯(lián)單元包括ー個主電カ電子開關模塊和ー個動態(tài)均壓模塊，該裝置的動態(tài)均壓模塊由基本動態(tài)均壓阻容支路、H橋ニ極管整流模塊、附屬動態(tài)均壓阻容支路、放電電阻以及浪涌吸收模塊組成。其中，基本動態(tài)均壓阻容支路由容量較小的無極性電容Cl和電阻Rl串聯(lián)組成。H橋ニ極管整流 模塊由四只ニ極管VT1、VT2、VT3、VT4組成。H橋ニ極管整流模塊輸入端與基本動態(tài)均壓阻容支路相連，H橋ニ極管整流模塊的輸出與附屬動態(tài)均壓阻容支路相連，同時并聯(lián)浪涌吸收模塊MOV。浪涌吸收模塊MOV可以吸收雷電或者感性負載沖擊等造成的電壓沖擊。附屬動態(tài)均壓阻容支路由容量較大的電容C2和較小的限流電阻R2串聯(lián)組成。其中電容C2兩端并聯(lián)了放電電阻Rp。電容C2可以是有極性的電解電容，也可以是無極性的電容。如圖3所示，當開關Tl兩端產(chǎn)生浪涌電壓Ul時，由于Tl兩端并聯(lián)了基本動態(tài)均壓電路R1/C1，將吸收一部分浪涌電壓。當浪涌電壓Ul超過電容C2兩端電壓Uc2吋，H橋ニ極管整流模塊導通。例如，若Ul如圖示方向為正，則ニ極管VT1、VT2導通。C2通過VT1、VT2、R2支路吸收電荷，起到穩(wěn)定電壓作用。若Ul為負，則ニ極管VT3、VT4導通。C2通過VT3、VT4、R2支路充電，吸收電子開關兩端浪涌電壓。由于附加的動態(tài)均壓RC支路通過ニ極管整流模塊接入電子開關兩端。因此，C2存儲能量不能逆變回主電子開關側。所以C2放電不會對主電カ電子開關產(chǎn)生電流沖擊。C2存儲能量通過電阻Rp釋放。該放電電阻阻值很大，因此放電緩慢，例如可設置成幾十秒。因此雖然電容C2較大，但該支路總體平均功耗很小。采用風冷設計即可。中高壓串聯(lián)電子開關大部分時間動態(tài)均壓支路只需要滿足晶閘管換流過程中的動態(tài)均壓需求。此時的動態(tài)均壓需求與串聯(lián)的各級晶閘管參數(shù)、系統(tǒng)耐壓等級、串聯(lián)級數(shù)有關，一般可以通過查表根據(jù)經(jīng)驗選取?？紤]到功耗，容值一般小于Iuf，因此吸收浪涌電壓沖擊能力有限。當系統(tǒng)受到在無法預測的外部擾動時，可能產(chǎn)生較大的電壓沖擊，超出基本動態(tài)均壓阻容支路的吸收能力。此時需要額外的吸收模塊。該額外的吸收模塊要求僅在較大的電壓沖擊產(chǎn)生時才自動投入運行，速度快，功耗低，壽命長。常規(guī)的浪涌吸收模塊MOV無法滿足系統(tǒng)需求。本發(fā)明采用基于H橋ニ極管整流模塊的附屬動態(tài)均壓模塊。根據(jù)參數(shù)設計，其吸收浪涌能力大大超過普通阻容支路的吸收能力，且只在系統(tǒng)發(fā)生較大電壓沖擊時才會接入，由于放電常數(shù)一般設計很大，因此大部分時間不工作，損耗很小。本發(fā)明采用了ー種新型的動態(tài)均壓拓撲。在傳統(tǒng)的阻容均壓電路上并聯(lián)了基于H橋ニ極管整流模塊的附屬動態(tài)均壓模塊。采用該結構的固態(tài)開關在常規(guī)運行時，基本動態(tài)均壓阻容支路投入運行，其功耗小，附屬動態(tài)均壓模塊不投入運行，功耗幾乎為O。當系統(tǒng)出現(xiàn)ー些無法預測的短時電壓沖擊時，基本動態(tài)均壓組容支路已無法吸收超額的電壓沖擊，此時附屬動態(tài)均壓模塊投入運行，由于其電容更大，限流電阻更小，因此吸收浪涌能力大大超過普通阻容支路的吸收能力，之后附屬動態(tài)均壓電容內(nèi)存儲的能量通過吸收電阻慢慢釋放，釋放完畢后可再次吸收浪涌電壓。有益效果本發(fā)明提出了ー種新型中高壓串聯(lián)電子開關的動態(tài)均壓拓撲，它可以克服傳統(tǒng)的動態(tài)均壓阻容支路參數(shù)設計的缺陷，使得系統(tǒng)在不増加阻容支路功耗的條件下，既可以滿足一般的動態(tài)均壓要求，又可以滿足對短時電壓沖擊吸收的要求。其壽命長、自適應程度高。具體有以下優(yōu)點
I.系統(tǒng)在不増加動態(tài)均壓電路功耗的條件下，可實現(xiàn)更大動態(tài)沖擊電壓的吸收能力。2.由于采用整流橋模塊，附屬動態(tài)均壓支路為直流，因此其電容可以采用用體積小，電容量大的電解電容。選型范圍大，成本低。3.可以優(yōu)化基本動態(tài)均壓阻容支路的參數(shù)設計?？梢赃x取較小的電容和較大的電阻。從而功耗更低，對開關器件的沖擊更小。4.相比較常用的浪涌抑制模塊M0V，其投入速度更快，且壽命更長。5.由于附加的動態(tài)均壓RC支路通過ニ極管整流模塊接入電子開關兩端。因此，電容上的能量不能通過電阻R2流回電子開關支路，因此避免了電容放電對電子開關的電路沖擊。


圖I為固態(tài)電子開關在電力系統(tǒng)中的應用；
圖2為基本動態(tài)均壓電路拓撲；
圖3為本發(fā)明的中高壓串聯(lián)電子開關實施例一的組成及連接示意 圖4為本發(fā)明的中高壓串聯(lián)電子開關實施例ニ放電參數(shù)實時可調的組成及連接示意圖。
具體實施方式
如圖I所示為固態(tài)電子開關在電カ系統(tǒng)中的應用，主供電源和備供電源通過固態(tài)電子轉換開關分別接到負載上，正常情況下，系統(tǒng)在主供電源側運行，當其出現(xiàn)電壓跌落吋，系統(tǒng)自動通過固態(tài)電子轉換開關把負載投切到備用電源上。當主側電源恢復正常吋，再自動切換回主側電源，從而實現(xiàn)電能質量有效的控制。
如圖2所示，為現(xiàn)有的串聯(lián)電子開關動態(tài)均壓電路的電路拓撲，其動態(tài)均壓功能由電容Cl、電阻Rl構成。在串聯(lián)結構中，主電子開關的開通時間會有所差異。從而導致電壓分布不均，引起器件損耗。通過RC組成的均壓電路，可以使開通過程均衡，從而避免電壓全加在先導通的晶閘管上。當系統(tǒng)遭受感性負載沖擊時，主電子開關兩端會產(chǎn)生超大過電壓，超出電容Cl吸收能力，容易對器件產(chǎn)生損壞。減小電壓過沖的方法是增大均壓電容的容量。但電容容值増大，會増大了支路熱功耗，導致熱設計困難，成本升高，裝置體積増大。且若電容Cl較大，當晶閘管導通時，動態(tài)均壓過程中電容吸收的能量將在很短時間內(nèi)通過主電子開關釋放，從而對電子開關造成電流沖擊。若増大R1，可限制開關開通時的沖擊電流。但動態(tài)支路的響應速度會減慢。綜上所述，傳統(tǒng)的動態(tài)均壓阻容電路拓撲參數(shù)設計困難很難兩全。本發(fā)明的中高壓串聯(lián)電子開關實施例一如圖3所示，包括3個串聯(lián)的由主電カ電子開關模塊和基本動態(tài)均壓阻容支路構成的単元。 每個單元中主電カ電子開關模塊的可控電カ電子開關Tl是普通晶閘管或門極可關斷晶閘管GT0、電カ晶體管GTR，電カ場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管，基本動態(tài)均壓阻容支路由無極性電容Cl和電阻Rl串聯(lián)組成，此外，還設有H橋ニ極管整流模塊、附屬動態(tài)均壓阻容支路、放電電阻以及浪涌吸收模塊，H橋ニ極管整流模塊由四只ニ極管VT1、VT2、VT3、VT4組成，H橋ニ極管整流模塊的輸入端與基本動態(tài)均壓阻容支路相連、輸出端與附屬動態(tài)均壓阻容支路相連，附屬動態(tài)均壓阻容支路兩端還并聯(lián)有浪涌吸收模塊M0V，附屬動態(tài)均壓阻容支路由電容C2和限流電阻R2串聯(lián)組成，附屬動態(tài)均壓阻容支路的電容C2兩端還并聯(lián)了放電電阻Rp，電容C2為有極性的電解電容或無極性的電容。這個改進的拓撲電路在原來基本的均壓拓撲的RC串聯(lián)均壓的基礎上加了 H橋ニ極管整流模塊和附屬動態(tài)均壓阻容支路。附屬動態(tài)均壓阻容支路的R2，C2電路，其中C2的放電電阻為Rp。由于加了 H橋ニ極管整流模塊，C2兩端是直流電壓，如圖3所示，系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行吋，C2兩端的電壓值Uc2穩(wěn)定在R1/C1承受的沖擊電壓的最大值附近。因此在功率因數(shù)穩(wěn)定，系統(tǒng)無額外沖擊吋，R2/C2不投入使用。當系統(tǒng)有較大電壓沖擊時例如大的感性負載沖擊、雷擊時)。由浪涌電壓超出了 R1/C1的吸收范圍，Ud絕對值將大于Uc2，ニ極管整流模塊導通，給C2充電，起到吸收浪涌電壓作用。其中當Ud如圖示方向為正時，ニ極管VT1、VT2導通。Ud如圖示方向為負時，ニ極管VT3、VT4導通。當C2吸收充電后，其存儲能量無法通過ニ極管整流模塊逆變回主電路，因此不會對主電子開關產(chǎn)生電流沖擊。C2的能量只通過電阻Rp釋放。隨著能量的釋放，C2兩端電壓下降，再次具備吸收能力。通過合理的參數(shù)設計，可使得附屬動態(tài)均壓電路的使用頻率相比R1、Cl要小很多，因此即使容值加大，平均功耗仍較小。由于R2/C2支路不對主電子開關產(chǎn)生電流沖擊，因此R2可比Rl小很多，R2/C2支路的響應速度將更快。同時由于C2兩端為直流電壓，因此可選用大容量價格低廉的電解電容。附屬動態(tài)均壓阻容支路的缺點由于Rp很大，C2的放電常數(shù)一般較大，導致電壓沖擊歷時較長或者頻率較高時，將無法起到作用。解決方案如圖4所示的本發(fā)明的中高壓串聯(lián)電子開關實施例ニ，與實施例一不同之處就在于減小Rp阻值，井串聯(lián)可控電子開關K后再并聯(lián)在C2兩端。通過控制電子開關K，可根據(jù)系統(tǒng)浪涌吸收的需求，動態(tài)更改C2 的放電常數(shù)，從而在投切頻率和功耗方面達到平衡。
權利要求
1.一種中高壓串聯(lián)電子開關，包括主電力電子開關模塊和基本動態(tài)均壓阻容支路，所述的基本動態(tài)均壓阻容支路由無極性電容(Cl)和電阻(Rl)串聯(lián)組成，其特征是還設有H橋二極管整流模塊、附屬動態(tài)均壓阻容支路、放電電阻以及浪涌吸收模塊，所述的H橋二極管整流模塊由四只二極管(VTl、VT2、VT3、VT4)組成，所述的H橋二極管整流模塊的輸入端與基本動態(tài)均壓阻容支路相連、輸出端與附屬動態(tài)均壓阻容支路相連，附屬動態(tài)均壓阻容支路兩端還并聯(lián)有浪涌吸收模塊(MOV)，所述的附屬動態(tài)均壓阻容支路由電容(C2)和限流電阻(R2)串聯(lián)組成，所述的附屬動態(tài)均壓阻容支路的電容(C2)兩端還并聯(lián)了放電電阻(Rp)0
2.根據(jù)權利要求I所述的中高壓串聯(lián)電子開關，其特征是所述的電容(C2)為有極性的電解電容或無極性的電容。
3.根據(jù)權利要求2所述的中高壓串聯(lián)電子開關，其特征是所述的附屬動態(tài)均壓阻容支路的放電電阻(Rp)支路上還串聯(lián)有可控電子開關(K)。
4.根據(jù)權利要求3所述的中高壓串聯(lián)電子開關，其特征是所述的主電力電子開關模塊的可控電力電子開關Tl是普通晶閘管或門極可關斷晶閘管GTO、電力晶體管GTR，電力場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管。
全文摘要
一種中高壓串聯(lián)電子開關，包括主電力電子開關模塊、由無極性電容(C1)和電阻(R1)串聯(lián)組成的基本動態(tài)均壓阻容支路、H橋二極管整流模塊、附屬動態(tài)均壓阻容支路、放電電阻以及浪涌吸收模塊，H橋二極管整流模塊的輸入端與基本動態(tài)均壓阻容支路相連、輸出端與附屬動態(tài)均壓阻容支路相連，附屬動態(tài)均壓阻容支路兩端還并聯(lián)有浪涌吸收模塊(MOV)，附屬動態(tài)均壓阻容支路由電容(C2)和限流電阻(R2)串聯(lián)組成，電容(C2)兩端還并聯(lián)了放電電阻(Rp)。本發(fā)明可使系統(tǒng)在不增加阻容支路功耗的條件下，既可以滿足一般的動態(tài)均壓要求，又可以滿足對短時電壓沖擊吸收的要求，且壽命長、自適應程度高。
文檔編號H03K17/687GK102710244SQ20121015243
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月17日 優(yōu)先權日2012年5月17日
發(fā)明者姚佳, 徐柏榆, 朱良合, 翁洪杰, 陳蓓蓓 申請人:廣東電網(wǎng)公司電力科學研究院