专利名称：一种固态复合开关装置的制作方法
技术领域：
本发明属于电力系统器件领域，具体涉及一种通过自动计算电力系统的无功实时
值，控制装置在保证无弧的情况下分相触发晶闸管并自动投切接触器，从而控制电容器组 的接入和切除的固态复合开关装置。
背景技术：
固态复合开关装置是一种安装在配电柜内，通过时刻计算电力系统的无功从而自 动投切电力电容器组的智能型开关装置。复合开关采用晶闸管和接触器并联运行的方式。 在投入时，首先触发晶闸管，经过短时间延时再投入接触器，实现在系统电压过零点投入； 在切除时，首先触发晶闸管，经过短时间延时断开接触器，然后再关断晶闸管，接触器在断 开时，电流流过晶闸管，实现接触器在电流过零点关断。在接触器分合时，不拉弧，大大延长 了接触器寿命，并可频繁投切。 目前，电力系统常用的固定电容器组的投切方式是采用投切断路器或接触器的方 式，通过手动分合断路器控制电容器组的接入和切除系统。这种方式存在两个问题一是手 动分合并联电容器组，需要变电站值班人员时刻注意系统的无功情况，一旦需要补偿无功 再进行手动分合断路器控制并联电容器组的投入和切除补偿系统的无功，实时性较差；二 是由于系统的无功时刻发生变化，需要频繁的投切断路器，而断路器在电流非过零点的切 除和电压的非过零点的投入时存在着拉弧的情况，这样对断路器的使用寿命存在着很大的 影响。 在低压配电系统已有一种智能型复合开关，如中国专利申请200720178283所述， 采用晶闸管与继电器并联，并采用模拟电路进行控制。它存在的问题有
1.无法自行计算系统无功情况，并自动进行电力电容器组的投切，由此带来无功 补偿实时性差； 2.继电器分断电流能力差，限制了此智能型复合开关只能用在低压配电系统； 3.在触发晶闸管之前没有对晶闸管工作状态的监测，如果晶闸管出现了损坏，则
复合开关一直处于短路状态，无故障报警，并且无法将复合开关退出运行。 4.当系统电压高需要多只晶闸管串联时，专利中的控制回路无法保证同时触发晶
闸管，易出现晶闸管触发不同步被高压击穿烧毁的现象。 因此，针对目前手动投切电力电容器组以及现有的复合开关的诸多不完善的问 题，本发明提供一种固态复合开关装置，解决上述问题。
发明内容
为了减少断路器的使用损耗，增加其使用寿命，本发明的目的是通过自动计算电
力系统的无功实时值，在需要补偿无功时通过控制晶闸管的导通和关断实现接触器以及 电容器组在电压的过零点投入以及支路电流的过零点切除，既保证了系统无功补偿的实时 性，方便了值班人员，同时也克服了频繁分合断路器对其使用寿命的有较大影响的缺陷。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是 —种固态复合开关装置，包括一个机柜，三只穿墙套管，三只穿墙套管一端接三相 母线，其中位于两边的两只穿墙套管另一端接两组晶闸管阀串(由多个下反并联的晶闸管 串联构成)首端，每组晶闸管阀串两端并联一只真空接触器，晶闸管阀串尾端以及真空接 触器尾端和中间那只穿墙套管短接，每组晶闸管阀串的正反并联的晶闸管阀的门极和阴极 都外接触发板，触发板通过光纤和控制系统相连，其特征在于独立一个机柜，晶闸管阀体和 控制系统在同一个机柜中，外部电压接线采用穿墙套管，内部晶闸管阀体每两只正反并联， 并采用多对串联的形式连接，晶闸管阀串和三相接触器并联，晶闸管阀串与地面垂直，采用 立式紧凑型结构，中性点通过绝缘子与柜体相连，晶闸管阀体最上端两侧分别用绝缘子与 柜体相连。 其中，控制系统包括调节单元和阀基电子单元(VBE)，其中调节单元包括电源板 和DSP板(数字信号处理板)以及输入输出板、液晶板和人机操作按钮；阀基电子单元包括 电源板、触发逻辑板、回报板、触发信号输出板、晶闸管工作状态LED显示面板、工作状态扳 手和分合扳手。控制系统在系统电压过零点产生控制脉冲信号通过光纤传给触发板触发晶 闸管并控制分合与晶闸管阀串并联的接触器。 其中，该装置应用于10kV及以上高压电力系统，设该高压电力系统为A、B、C三相， 固态复合开关装置由两组晶闸管阀串接于A、 C两相，每相触发板的能量由一个逆变电源将 直流电变成高频交流电，输出给一个高频脉冲变流器，高频脉冲变流器的输出接在一个高 压电缆两端，高压电缆串联高频升压变压器，变压器二次输出经过整流，变成直流电给触发 板提供能量。 本发明的有益效果是从整体结构的角度来看，本发明的固态复合开关装置为紧 凑型装置，占地面积小，外部接线少；并且本装置为自动控制设备，无须变电站值班人员手 动操作，方便了值班人员；只在系统的A、C两相接入晶闸管，在接触器断开时由于B相无电 流回路，不会产生三相不平衡运行，既节省了晶闸管的使用，而且造价相对低廉，整体结构 简单。本装置可以用在高低压电力系统内，采用多只晶闸管串联，仍然解决了同步触发晶闸
管的问题，在平时运行时增加了对晶闸管的监控，防止晶闸管出现击穿损坏使接触器处于 被短路状态，电容器组无法退出运行。由于分合接触器，减少了电容器组支路断路器的分合 次数，增加了断路器的使用寿命。
图1为本发明的固态复合开关装置前视图； 图2是本发明的固态复合开关装置的纵剖面构造图，其中图2-1为固态复合开关 装置拆去前门前视图，图2-2为固态复合开关装置拆去前门侧视图；
图3是本发明的固态复合开关装置控制原理图；
图4是本发明的固态复合开关装置的系统结构图；
图5是本发明的固态复合开关装置系统电压矢量图； 其中，1-前柜门，2-阀基电子控制单元，3-调节单元，4-分合扳手，5-工作状态扳 手，6-接触器分合指示灯，7-空气开关，8_穿墙套管，9-晶闸管触发板送能电源，10_高频 变流器，11-绝缘子，12-高压电缆，13-高频升压变压器，14-晶闸管触发板，15-晶闸管，16-真空接触器。
具体实施例方式
下面，结合附图对本发明固态复合开关装置进一步说明。 本发明的固态复合开关装置整体安装在一个配电柜内，包括两相晶闸管阀串，三 相接触器，晶闸管触发板、晶闸管触发板送能逆变电源、高频变流器、升压变压器、调节单 元、阀基电子单元、触发和回报光纤、工作状态扳手、接触器分合扳手、交直流空气开关、接 触器分合指示灯。 根据电压等级的不同，将本固态复合开关装置分为高压一次系统部分和低压二次 系统部分。 一次系统方案在一个长方体的配电柜里，将三相电压通过穿墙套管接母线铜 排，然后以星型接法接三相接触器，即三相接触器的首端分别接三相电压源进线，尾端相连 构成中性点，中性点通过绝缘子接地，同时在三相电压源的A相和C相的接触器首尾分别并 联一串晶闸管。因为在晶闸管不导通时，即使接触器闭合，B相导通，由于电流无回路，所以 B相仍然相当于电容没有接入系统内。 二次系统方案为二次系统主要由控制系统和晶闸管触发系统组成。控制系统包 括调节单元和阀基电子(VBE)单元，其中调节单元包括电源板和DSP板(数字信号处理 板)以及输入输出板、液晶板和人机操作按钮；阀基电子单元包括电源板、触发逻辑板、回 报板、触发信号输出板、晶闸管工作状态LED显示面板工作状态扳手和分合扳手。晶闸管触 发系统包括晶闸管触发板、逆变电源、高频脉冲变流器、高压电缆、高频升压变压器组成。
本发明的工作原理将三相电压互感器二次信号和电流互感器二次信号并接在调 节单元的输入输出板和阀基电子单元触发逻辑板，既作为调节单元的计算无功的依据，又 是阀基电子单元作为触发晶闸管的同步电压。阀基电子单元的触发逻辑板会在晶闸管工 作状态LED显示面板上显示工作状态扳手目前的工作状态，触发逻辑板上相应的继电器节 点闭合，可以给变电站内一个节点信号，使值班人员在站内就可以监控固态复合开关装置 的工作状态。在工作状态扳手在自动工作方式时，调节单元通过自动计算得到系统无功实 时值，与液晶板上的人机操作按钮事先设定的无功限值进行比较，设定值的上下限之间为 无功死区，系统无功在无功死区范围内则电容器支路不进行分合切换操作。如果系统无功 定值超过设定定值上限要投入电容器组；无功定值低于设定定值下限要切除电容器组。在 需要投入或者切除电容器组时，调节单元通过输入输出板给阀基电子单元一个继电器节点 闭合信号。阀基电子单元的触发逻辑板平时在系统每个周波发出一个监测脉冲，通过触发 信号输出板由光纤统一发送给每个晶闸管触发板，晶闸管触发板接收到监测脉冲信号后， 如果接触器处于断开状态，则回报晶闸管工作状态，如果接触器处于闭合状态，则回报晶闸 管触发板的送能状态，通过光纤回报给回报板，由回报板回报给触发逻辑板，触发逻辑板在 晶闸管工作状态LED显示面板进行显示。在接收到调节单元信号后，如果所有的回报信号 都是正常的，阀基电子单元触发逻辑板会在系统电压过零点给触发信号输出板发送触发命 令，触发信号输出板得到命令后由光纤同时发给晶闸管触发板触发晶闸管，然后分合接触 器。如果回报信号出现某个晶闸管故障或者晶闸管触发板故障，则不会触发晶闸管，并在晶 闸管工作状态LED显示面板上报故障，故障灯亮，并且触发逻辑板上的相应继电器闭合，给 站内输出一个节点信号。
5
如果工作状态扳手在手动工作方式时，则此时阀基电子单元不接收调节单元的指 令，直接由人工在机柜外手动拧动分合扳手开关或者变电站内综合自动控制系统发出分合 接触器的节点信号指令，阀基电子单元得到分合信号指令后，如果晶闸管触发板回报的信 号为正常，则在系统电压过零点发触发命令，由触发信号输出板通过光纤发送给每个晶闸 管触发板，晶闸管触发板触发晶闸管，当晶闸管导通后分合接触器。由于接触器与晶闸管并 联，在分合过程中被晶闸管短路，所以接触器在分合过程中不承受电压，同时也无电流。如 果晶闸管或者晶闸管触发板出现了故障，阀基电子单元的触发逻辑板以无缘节点的方式回 报给变电站控制室，通知值班人员需要维修，值班人员可以通过工作状态扳手的转换退出 复合开关的运行，由值班人员在柜体上拧动分合扳手直接控制接触器的分合。
图1为固态复合开关装置前视图。根据图中标示1.前柜门；2.阀基电子控制单 元，如果VBE机箱前面板显示的阀或晶闸管触发板的工作状态都正常工作状态扳手位于 自动方式时，接收调节单元的指令在系统电压过零点触发晶闸管并分合接触器；工作状态 扳手位于手动方式时，接收分合扳手或者站内综合自动控制系统的分合命令在系统电压过 零点触发晶闸管并分合接触器；工作状态扳手位于退出方式时，由变电站人员通过拧动柜 体上的分合扳手直接控制接触器的分合；3.调节单元，计算系统的无功实时值，并在需要 投切电容器组的时候给阀基电子单元发出投切指令；4.分合扳手，当工作状态扳手位于手 动工作方式时，可以拧动分合扳手给阀基电子单元发送分合指令；5.工作状态扳手，分为 三种工作方式，手动方式、自动方式和退出控制方式；6.接触器分合指示灯，指示接触器的 断开和闭合；7.空气开关，是将外部的电源或者电压信号接入固态复合开关装置。从左到 右的顺序为调节机箱直流电源空气开关、VBE机箱直流电源空气开关、A相晶闸管触发板 送能电源、C相晶闸管触发板送能电源、风机及照明电源(风机是为了对机柜内设备起到一 定的降温作用)、调节机箱交流电压电源(接入系统电压互感器二次电压，作为无功计算数 据)、VBE机箱交流电压电源(接入系统电压互感器二次电压，作为触发晶闸管同步电压)；
图2是固态复合开关装置第一个实施例的纵剖面构造图。根据图中标示8.穿墙 套管，直接接系统高压母线，并起到和柜体绝缘的作用；9.晶闸管触发板送能电源，把直流 电变成高频交流电；IO.高频变流器，把送能电源的高频交流电降压升流；ll.绝缘子，起到 对立式晶闸管阀串的横向支撑作用，并与固态复合开关装置柜门绝缘；12.高压电缆，接在 高频变流器低压侧，为晶闸管触发板的高频升压变压器提供能量。13.高频升压变压器，作 为晶闸管触发板电源。14.晶闸管触发板，通过光纤与VBE机箱的触发信号输出板和回报 板相连，接收VBE机箱的触发命令，并将阀和取能状态反馈给阀基电子单元；15.晶闸管；16 真空接触器； 图3是固态复合开关装置总体控制原理图。将系统的电压互感器和电流互感器的 二次电压作为同步信号接在调解单元作为计算无功的依据，同时将电压互感器的二次电压 作为同步电压接入阀基电子单元。调节单元通过计算得到系统无功的实时值，与调节单元 的无功控制死区进行比较，如果系统无功定值超过设定定值上限要投入电容器组；无功定 值低于设定定值下限要切除电容器组。在需要投切电容器组时调解单元给阀基电子单元发 出继电器节点信号，阀基电子单元收到信号后在同步电压过零点发出触发信号，触发信号 通过光电转换给TE板，TE板触发晶闸管，经过一定延时后，阀基电子单元投切电容器组。
图4是固态复合开关装置的系统结构图。图中，A、B、C为系统三相母线，N为电容器组滤波支路中性点。此种接法主要针对于同步投切三相电容器组的投切方式，在接触器 断开且晶闸管不触发的情况下，B相无法与其它相构成电流回路，所以B相电容器相当于没 有投入系统。由调节电源和阀基电子单元组成的固态复合开关装置控制系统首先触发晶闸 管，再分合接触器，此时B相与导通后的其它两相存在电流回路，三相滤波支路电容器组接 入了系统。这样既不耽误三相电容器组的投切，又节省了一组晶闸管阀串，节省了投资。
图5是系统电压矢量图。其中图5-l是线电压和相电压的矢量关系。图5-2为C 相电压和AB线电压的矢量关系。当接触器处于分闸位置时，不触发时A相晶闸管承受电压 为AB线电压，首先选择在UAB的过零点触发A相晶闸管，AB两相导通，则此时C相晶闸管 承受C相电压，根据图5-1和图5-2，由于系统电压矢量为等边三角形，所以C相电压和AB 线电压垂直，UAB过零经过90度正好是C相电压过零点，此时触发C相晶闸管，为过零点触 发。 上面通过特别的实施例内容描述了本发明，但是本领域技术人员还可意识到变型 和可选的实施例的多种可能性，例如，通过组合和/或改变单个实施例的特征。因此，可以 理解的是这些变型和可选的实施例将被认为是包括在本发明中，本发明的范围仅仅被附上 的专利权利要求书及其同等物限制。
权利要求
一种固态复合开关装置，包括一个机柜，三只穿墙套管，三只穿墙套管一端接三相母线，其中位于两边的两只穿墙套管另一端接两组晶闸管阀串(由多个正反并联的晶闸管串联构成)首端，每组晶闸管阀串两端并联一只真空接触器，晶闸管阀串尾端以及真空接触器尾端和中间那只穿墙套管短接，每组晶闸管阀串的正反并联的晶闸管阀的门极和阴极都外接触发板，触发板通过光纤和控制系统相连，其特征在于独立一个机柜，晶闸管阀体和控制系统在同一个机柜中，外部电压接线采用穿墙套管，内部晶闸管阀体每两只正反并联，并采用多对串联的形式连接，晶闸管阀串和三相接触器并联，晶闸管阀串与地面垂直，采用立式紧凑型结构，中性点通过绝缘子与柜体相连，晶闸管阀体最上端两侧分别用绝缘子与柜体相连。
2. 如权利要求1所述的固态复合开关装置，其特征在于控制系统包括调节单元和阀基电子单元(VBE)，其中调节单元包括电源板和DSP板以及输入输出板、液晶板和人机操 作按钮；阀基电子单元包括电源板、触发逻辑板、回报板、触发信号输出板、晶闸管工作状态 LED显示面板、工作状态扳手和分合扳手。控制系统在系统电压过零点产生控制脉冲信号通 过光纤传给触发板触发晶闸管并控制分合与晶闸管阀串并联的接触器。
3. 如权利要求2所述的固态复合开关装置，其特征在于该装置应用于10kV及以上高 压电力系统，设该高压电力系统为A、B、 C三相，固态复合开关装置由两组晶闸管阀串接于 A、C两相，每相触发板的能量由一个逆变电源将直流电变成高频交流电，输出给一个高频脉 冲变流器，高频脉冲变流器的输出接在一个高压电缆两端，高压电缆串联高频升压变压器， 变压器二次输出经过整流，变成直流电给触发板提供能量。
全文摘要
本发明提供了一种能够自动将并联电容器组投切到系统的固态复合开关装置，主要用于高压电力系统的无功补偿，通过计算系统的无功值，自动对高压电力电容器组过零(无弧)导通与开断。主要构成包括由一个机柜内完成包括晶闸管、接触器、晶闸管送能系统和控制系统为一体的复合式机构，外部接线只需三相电压和电流信号以及直流220V控制电源即可实现自动投切并联电容器组的复合开关。
文档编号H02J3/18GK101795003SQ20091025065
公开日2010年8月4日 申请日期2009年12月11日 优先权日2009年12月11日
发明者刘宏, 李卫国, 李志友, 李鹏, 赵刚, 马海超 申请人:中电普瑞科技有限公司;中国电力科学研究院