專利名稱：一種中高壓串聯(lián)電子開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種電子開關(guān)，尤其是涉及一種應(yīng)用于中高電壓電力系統(tǒng)的新型電子開關(guān)。
背景技術(shù)：
隨著精細(xì)化工及高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，用戶對(duì)電能質(zhì)量的需求呈現(xiàn)了不同的層次，電能質(zhì)量問題對(duì)敏感負(fù)荷的影響巨大。電壓、頻率、波形是衡量電能質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，超出一定范圍的頻率或電壓偏差或波形的畸變，都會(huì)對(duì)電力用戶以及電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等 帶來不良的影響。電壓跌落及電壓短時(shí)中斷故障占所有電能質(zhì)量問題的90%左右。當(dāng)電壓低于額定值的90%時(shí)，敏感負(fù)載的運(yùn)行將受影響，帶來巨大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。因此，治理電壓跌落及電壓短時(shí)中斷，改善電能質(zhì)量具有極其重要的作用和長遠(yuǎn)的意義。開關(guān)器件作為開關(guān)電路的重要部分，長久以來都是電力裝置研究的重要課題。傳統(tǒng)的機(jī)械開關(guān)經(jīng)過長時(shí)間的研究應(yīng)用，從低電壓等級(jí)到高電壓等級(jí)應(yīng)用已非常廣泛。機(jī)械開關(guān)導(dǎo)通穩(wěn)定，帶負(fù)載能力強(qiáng)。機(jī)械開關(guān)的缺點(diǎn)非常明顯，首先需要很大的滅弧裝置，使開關(guān)的體積一般都較大，其次開斷速度受機(jī)械動(dòng)作部分速度的限制，另外機(jī)械開關(guān)電氣壽命受到開斷次數(shù)的限制。因此難以滿足一些電力用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求。隨著電力電子器件技術(shù)的發(fā)展，可控電力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(jī)械開關(guān)，用作電力系統(tǒng)的開關(guān)，可以達(dá)到毫秒級(jí)的切換速度，適合用于一些對(duì)電能質(zhì)量要求嚴(yán)格的敏感用戶。目前這一技術(shù)在低壓場合已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。但在中高壓場合例如IOKV時(shí)相關(guān)產(chǎn)品較少。對(duì)于中高壓應(yīng)用場合例如IOKV時(shí)，由于單一器件耐壓等級(jí)無法達(dá)到要求，因此必須采用串聯(lián)或級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)。由于電力電子器件的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)參數(shù)不完全相同，因此串聯(lián)使用時(shí)，可能出現(xiàn)器件誤導(dǎo)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(guān)斷過程中，反向恢復(fù)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(shí)，即使同時(shí)發(fā)出晶閘管控制信號(hào)，各個(gè)晶閘管動(dòng)作也可能不一致。后閉合的晶閘管會(huì)承受更多的系統(tǒng)電壓，導(dǎo)致過壓損毀。因此需要選擇合適的阻容回路參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)中高壓串聯(lián)晶閘管閥換流時(shí)的動(dòng)態(tài)均壓功能。各種研究表明，動(dòng)態(tài)均壓電路中的電容選取的越大，電阻選取的越小，其對(duì)浪涌電壓吸收能力越強(qiáng)，且響應(yīng)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(shí)的電流沖擊也就越大，在設(shè)計(jì)上很難兩全。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題，就在于提供一種吸收電流浪涌能力強(qiáng)響應(yīng)迅速且電流沖擊較小的中聞壓串聯(lián)電子開關(guān)。解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下一種中高壓串聯(lián)電子開關(guān)，包括主電力電子開關(guān)模塊和基本動(dòng)態(tài)均壓阻容支路，所述的基本動(dòng)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(shè)有H橋二極管整流模塊、附屬動(dòng)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(dòng)態(tài)均壓阻容支路相連、輸出端與附屬動(dòng)態(tài)均壓阻容支路相連，附屬動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(guān)(K)。所述的主電力電子開關(guān)模塊的可控電力電子開關(guān)Tl是普通晶閘管或門極可關(guān)斷晶閘管GT0、電力晶體管GTR,電力場效應(yīng)晶體管、絕緣棚雙極晶體管。 本實(shí)用新型可應(yīng)用在固態(tài)電子開關(guān)或其他基于串聯(lián)電力電子開關(guān)拓?fù)涞碾姎庠O(shè)備中，固態(tài)開關(guān)原理如下主供電源和備供電源通過固態(tài)電子轉(zhuǎn)換開關(guān)分別接到負(fù)載上，系統(tǒng)平時(shí)在主供電源側(cè)運(yùn)行，當(dāng)其出現(xiàn)電壓跌落時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)通過固態(tài)電子轉(zhuǎn)換開關(guān)把負(fù)載投切到備用電源上。當(dāng)主側(cè)電源正常時(shí)，再自動(dòng)切換回主側(cè)電源，從而實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量有效的控制。固態(tài)開關(guān)的開關(guān)支路由主電力電子開關(guān)模塊以及動(dòng)態(tài)均壓模塊構(gòu)成。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，該裝置采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，串聯(lián)單元的個(gè)數(shù)由電源的電壓等級(jí)確定。每個(gè)串聯(lián)單元包括一個(gè)主電力電子開關(guān)模塊和一個(gè)動(dòng)態(tài)均壓模塊，該裝置的動(dòng)態(tài)均壓模塊由基本動(dòng)態(tài)均壓阻容支路、H橋二極管整流模塊、附屬動(dòng)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(dòng)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橋二極管整流模塊由四只二極管VT1、VT2、VT3、VT4組成。H橋二極管整流模塊輸入端與基本動(dòng)態(tài)均壓阻容支路相連，H橋二極管整流模塊的輸出與附屬動(dòng)態(tài)均壓阻容支路相連，同時(shí)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(fù)載沖擊等造成的電壓沖擊。附屬動(dòng)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(dāng)開關(guān)Tl兩端產(chǎn)生浪涌電壓Ul時(shí)，由于Tl兩端并聯(lián)了基本動(dòng)態(tài)均壓電路R1/C1，將吸收一部分浪涌電壓。當(dāng)浪涌電壓Ul超過電容C2兩端電壓Uc2時(shí)，H橋二極管整流模塊導(dǎo)通。例如，若Ul如圖示方向?yàn)檎?，則二極管VT1、VT2導(dǎo)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(fù)，則二極管VT3、VT4導(dǎo)通。C2通過VT3、VT4、R2支路充電，吸收電子開關(guān)兩端浪涌電壓。由于附加的動(dòng)態(tài)均壓RC支路通過二極管整流模塊接入電子開關(guān)兩端。因此，C2存儲(chǔ)能量不能逆變回主電子開關(guān)側(cè)。所以C2放電不會(huì)對(duì)主電力電子開關(guān)產(chǎn)生電流沖擊。C2存儲(chǔ)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(shè)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(fēng)冷設(shè)計(jì)即可。中高壓串聯(lián)電子開關(guān)大部分時(shí)間動(dòng)態(tài)均壓支路只需要滿足晶閘管換流過程中的動(dòng)態(tài)均壓需求。此時(shí)的動(dòng)態(tài)均壓需求與串聯(lián)的各級(jí)晶閘管參數(shù)、系統(tǒng)耐壓等級(jí)、串聯(lián)級(jí)數(shù)有關(guān)，一般可以通過查表根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(dāng)系統(tǒng)受到在無法預(yù)測的外部擾動(dòng)時(shí)，可能產(chǎn)生較大的電壓沖擊，超出基本動(dòng)態(tài)均壓阻容支路的吸收能力。此時(shí)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(shí)才自動(dòng)投入運(yùn)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。本實(shí)用新型采用基于H橋二極管整流模塊的附屬動(dòng)態(tài)均壓模塊。根據(jù)參數(shù)設(shè)計(jì)，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(shí)才會(huì)接入，由于放電常數(shù)一般設(shè)計(jì)很大，因此大部分時(shí)間不工作，損耗很小。本實(shí)用新型采用了一種新型的動(dòng)態(tài)均壓拓?fù)?。在傳統(tǒng)的阻容均壓電路上并聯(lián)了基于H橋二極管整流模塊的附屬動(dòng)態(tài)均壓模塊。采用該結(jié)構(gòu)的固態(tài)開關(guān)在常規(guī)運(yùn)行時(shí)，基本動(dòng)態(tài)均壓阻容支路投入運(yùn)行，其功耗小，附屬動(dòng)態(tài)均壓模塊不投入運(yùn)行，功耗幾乎為O。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)一些無法預(yù)測的短時(shí)電壓沖擊時(shí)，基本動(dòng)態(tài)均壓組容支路已無法吸收超額的電壓沖擊，此時(shí)附屬動(dòng)態(tài)均壓模塊投入運(yùn)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(dòng)態(tài)均壓電容內(nèi)存儲(chǔ)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。有益效果本實(shí)用新型提出了一種新型中高壓串聯(lián)電子開關(guān)的動(dòng)態(tài)均壓拓?fù)洌梢钥朔鹘y(tǒng)的動(dòng)態(tài)均壓阻容支路參數(shù)設(shè)計(jì)的缺陷，使得系統(tǒng)在不增加阻容支路功耗的條件下，既可以滿足一般的動(dòng)態(tài)均壓要求，又可以滿足對(duì)短時(shí)電壓沖擊吸收的要求。其壽命長、自適應(yīng)程度高。具體有以下優(yōu)點(diǎn)1.系統(tǒng)在不增加動(dòng)態(tài)均壓電路功耗的條件下，可實(shí)現(xiàn)更大動(dòng)態(tài)沖擊電壓的吸收能力。2.由于采用整流橋模塊，附屬動(dòng)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(dòng)態(tài)均壓阻容支路的參數(shù)設(shè)計(jì)?？梢赃x取較小的電容和較大的電阻。從而功耗更低，對(duì)開關(guān)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(dòng)態(tài)均壓RC支路通過二極管整流模塊接入電子開關(guān)兩端。因此，電容上的能量不能通過電阻R2流回電子開關(guān)支路，因此避免了電容放電對(duì)電子開關(guān)的電路沖擊。

圖1為固態(tài)電子開關(guān)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用；圖2為基本動(dòng)態(tài)均壓電路拓?fù)洌粓D3為本實(shí)用新型的中高壓串聯(lián)電子開關(guān)實(shí)施例一的組成及連接示意圖；圖4為本實(shí)用新型的中高壓串聯(lián)電子開關(guān)實(shí)施例二放電參數(shù)實(shí)時(shí)可調(diào)的組成及連接示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示為固態(tài)電子開關(guān)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，主供電源和備供電源通過固態(tài)電子轉(zhuǎn)換開關(guān)分別接到負(fù)載上，正常情況下，系統(tǒng)在主供電源側(cè)運(yùn)行，當(dāng)其出現(xiàn)電壓跌落時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)通過固態(tài)電子轉(zhuǎn)換開關(guān)把負(fù)載投切到備用電源上。當(dāng)主側(cè)電源恢復(fù)正常時(shí)，再自動(dòng)切換回主側(cè)電源，從而實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量有效的控制。如圖2所示，為現(xiàn)有的串聯(lián)電子開關(guān)動(dòng)態(tài)均壓電路的電路拓?fù)?，其?dòng)態(tài)均壓功能由電容Cl、電阻Rl構(gòu)成。在串聯(lián)結(jié)構(gòu)中，主電子開關(guān)的開通時(shí)間會(huì)有所差異。從而導(dǎo)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(dǎo)通的晶閘管上。當(dāng)系統(tǒng)遭受感性負(fù)載沖擊時(shí)，主電子開關(guān)兩端會(huì)產(chǎn)生超大過電壓，超出電容Cl吸收能力，容易對(duì)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。但電容容值增大，會(huì)增大了支路熱功耗，導(dǎo)致熱設(shè)計(jì)困難，成本升高，裝置體積增大。且若電容Cl較大，當(dāng)晶閘管導(dǎo)通時(shí)，動(dòng)態(tài)均壓過程中電容吸收的能量將在很短時(shí)間內(nèi)通過主電子開關(guān)釋放，從而對(duì)電子開關(guān)造成電流沖擊。若增大R1，可限制開關(guān)開通時(shí)的沖擊電流。但動(dòng)態(tài)支路的響應(yīng)速度會(huì)減慢。綜上所述，傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)均壓阻容電路拓?fù)鋮?shù)設(shè)計(jì)困難很難兩全。本實(shí)用新型的中高壓串聯(lián)電子開關(guān)實(shí)施例一如圖3所示，包括3個(gè)串聯(lián)的由主電力電子開關(guān)模塊和基本動(dòng)態(tài)均壓阻容支路構(gòu)成的單元。每個(gè)單元中主電力電子開關(guān)模塊的可控電力電子開關(guān)Tl是普通晶閘管或門極可關(guān)斷晶閘管GT0、電力晶體管GTR，電力場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管，基本動(dòng)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(shè)有H橋二極管整流模塊、附屬動(dòng)態(tài)均壓阻容支路、放電電阻以及浪涌吸收模塊，H橋二極管整流模塊由四只二極管VT1、VT2、VT3、VT4組成，H橋二極管整流模塊的輸入端與基本動(dòng)態(tài)均壓阻容支路相連、輸出端與附屬動(dòng)態(tài)均壓阻容支路相連，附屬動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(gè)改進(jìn)的拓?fù)潆娐吩谠瓉砘镜木鶋和負(fù)涞腞C串聯(lián)均壓的基礎(chǔ)上加了 H橋二極管整流模塊和附屬動(dòng)態(tài)均壓阻容支路。附屬動(dòng)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橋二極管整流模塊，C2兩端是直流電壓，如圖三所示，系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，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)無額外沖擊時(shí)，R2/C2不投入使用。當(dāng)系統(tǒng)有較大電壓沖擊時(shí)例如大的感性負(fù)載沖擊、雷擊時(shí))。由浪涌電壓超出了 R1/C1的吸收范圍，Ud絕對(duì)值將大于Uc2，二極管整流模塊導(dǎo)通，給C2充電，起到吸收浪涌電壓作用。其中當(dāng)Ud如圖示方向?yàn)檎龝r(shí)，二極管VT1、VT2導(dǎo)通。Ud如圖示方向?yàn)樨?fù)時(shí)，二極管VT3、VT4導(dǎo)通。當(dāng)C2吸收充電后，其存儲(chǔ)能量無法通過二極管整流模塊逆變回主電路，因此不會(huì)對(duì)主電子開關(guān)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(shè)計(jì)，可使得附屬動(dòng)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(duì)主電子開關(guān)產(chǎn)生電流沖擊，因此R2可比Rl小很多，R2/C2支路的響應(yīng)速度將更快。同時(shí)由于C2兩端為直流電壓，因此可選用大容量價(jià)格低廉的電解電容。附屬動(dòng)態(tài)均壓阻容支路的缺點(diǎn)由于Rp很大，C2的放電常數(shù)一般較大，導(dǎo)致電壓沖擊歷時(shí)較長或者頻率較高時(shí)，將無法起到作用。
解決方案如圖4所示的本實(shí)用新型的中高壓串聯(lián)電子開關(guān)實(shí)施例二，與實(shí)施例一不同之處就在于減小Rp阻值，并串聯(lián)可控電子開關(guān)K后再并聯(lián)在C2兩端。通過控制電子開關(guān)K，可根據(jù)系統(tǒng)浪涌吸收的需求，動(dòng)態(tài)更改C2的放電常數(shù)，從而在投切頻率和功耗方面達(dá)到平衡。
權(quán)利要求1.一種中高壓串聯(lián)電子開關(guān)，包括主電力電子開關(guān)模塊和基本動(dòng)態(tài)均壓阻容支路，所述的基本動(dòng)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(shè)有H橋二極管整流模塊、附屬動(dòng)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(dòng)態(tài)均壓阻容支路相連、輸出端與附屬動(dòng)態(tài)均壓阻容支路相連，附屬動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(quán)利要求I所述的中高壓串聯(lián)電子開關(guān)，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(quán)利要求2所述的中高壓串聯(lián)電子開關(guān)，其特征是所述的附屬動(dòng)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(guān)(K)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的中高壓串聯(lián)電子開關(guān)，其特征是所述的主電力電子開關(guān)模塊的可控電力電子開關(guān)Tl是普通晶閘管或門極可關(guān)斷晶閘管GTO、電力晶體管GTR，電力場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。
專利摘要一種中高壓串聯(lián)電子開關(guān)，包括主電力電子開關(guān)模塊、由無極性電容(C1)和電阻(R1)串聯(lián)組成的基本動(dòng)態(tài)均壓阻容支路、H橋二極管整流模塊、附屬動(dòng)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(dòng)態(tài)均壓阻容支路相連、輸出端與附屬動(dòng)態(tài)均壓阻容支路相連，附屬動(dòng)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(dòng)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)。本實(shí)用新型可使系統(tǒng)在不增加阻容支路功耗的條件下，既可以滿足一般的動(dòng)態(tài)均壓要求，又可以滿足對(duì)短時(shí)電壓沖擊吸收的要求，且壽命長、自適應(yīng)程度高。
文檔編號(hào)H03K17/687GK202663374SQ20122022097
公開日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月17日
發(fā)明者翁洪杰, 姚佳, 徐柏榆, 陳蓓蓓, 朱良合 申請(qǐng)人:廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院