一种10kV开关的设计方法与流程

本发明涉及开关柜设计领域，具体涉及一种10kV开关的设计方法。

背景技术：

开关柜的主要作用是在电力系统进行发电、输电、配电和电能转换的过程中，进行开合、控制和保护用电设备。开关柜内的部件主要有断路器、隔离开关、负荷开关、操作机构、互感器以及各种保护装置等组成。其主要适用于发电厂、变电站、石油化工、冶金轧钢、轻工纺织、厂矿企业和住宅小区、高层建筑等各种不同场合。以晶闸管器件作开关元件的电子式固态开关可代替传统机械开关。由于该类型的开关中没有机械运动部件，被称为固态开关。根据固态开关的发展历程,可分为混合型开关和全固态开关其中混合型开关是由电力电子器件作为无触点开关与机械式开关并联构成。

国内现有的变电站中的开关多采用上述常规设备简单堆积的模式，，虽然其工作时几乎没有损耗，但是其对故障电流的开断时间仍然受到机械式开关动作时间的限制，并存在动作速度慢、机械寿命短、噪音大等缺点，无法实现在变电站的快速灵活的现场投运。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供的一种10kV开关的设计方法，该方法简单、有效且可靠；在设备源头对高压开关重新优化设计，其设计的10kV全电子式的固态开关的合分闸速度快、无弧、无光且动作无声响，在替代传统机械断路器的同时，避免了动作速度慢、机械寿命短、噪音大等缺陷，能够全面实现了在变电站的更快速灵活的现场投运，保证了变电站的正常运行并提高了变电站的运行效率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种10kV开关的设计方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1.计算构成晶闸管阀所需的晶闸管单元的数量；

步骤2.分别选取构成所述晶闸管单元所需的静态均压电阻、动态均压电容和动态均压电阻；

步骤3.将所述静态均压电阻、动态均压电容和动态均压电阻均与晶闸管组件并联，进而组成所述晶闸管单元；所述晶闸管组件包括2个并联且方向相反的晶闸管；

步骤4.串联所述晶闸管单元，进而组成所述晶闸管阀；

步骤5.依次连接的第一隔离刀闸、所述晶闸管阀、电流互感器和第二隔离刀闸；所述第一隔离刀闸与母线连接；所述第二隔离刀闸与接地电源连接。

优选的，所述步骤1，包括：

根据晶闸管阀在运行过程中的最大电压及单层晶闸管的电压限值，得到所述晶闸管阀不导通时的阀端电压的表达式如下：

$\frac{V_{\max }}{n}\×f_v\×f_s\≤V_{\mathrm{BOD}}---\left(1\right)$

进而计算得到晶闸管单元的数量n的取值范围，并选取该取值范围中的n的值；其中，V_max为晶闸管阀的最大阀端电压；f_v为电压分布因子；f_s为设计安全因子；V_BOD为单层晶闸管正向击穿的电压限值。

优选的，所述步骤2，包括：

2-1.根据晶闸管的静态特性，选取所述静态均压电阻；

2-2.根据所述晶闸管的反向恢复电荷的最大差值及最大阀端电压，选取所述动态均压电容；

2-3.根据回路电感与所述动态均压电容，选取所述动态均压电阻。

优选的，所述步骤2-1，包括：

根据所述晶闸管的静态特性，需使得流过所述静态均压电阻的电流大于所述晶闸管的漏电流；因此，需选取的所述静态均压电阻R_P的阻值为：

$R_P\≤(\frac{1}{K_u}-1)\frac{U_{\mathrm{RRM}}}{I_{\mathrm{RRM}}}---\left(2\right)$

需选取的所述静态均压电阻R_P的最大功率值P_P为：

$P_P=\frac{K_p{\left(\frac{V_{\max }}{n}\right)}^2}{R_P}---\left(3\right)$

K_u为均压系数；U_RRM为所述晶闸管的额定重复峰值电压；I_RRM为与U_RRM对应的漏电流；K_p为计算系数。

优选的，所述步骤2-2，包括：

根据所述晶闸管的反向恢复电荷的最大差值及最大阀端电压，得到需选取的所述动态均压电容C的取值范围为：

$C\≥\frac{\mathrm{\Δ}{Q}_{\max }(n-1)}{V_{\max }(\frac{1}{K_u}-1)}---\left(4\right)$

ΔQ_max为所述晶闸管反向恢复电荷的最大差值；Ku为均压系数。

优选的，所述步骤2-3，包括：

根据回路电感L与所述动态均压电容C的电容值，得到需选取的所述动态均压电阻R_s取值范围为：

$0\≤R_s\≤2\sqrt{\frac{L}{C}}---\left(5\right).$

优选的，所述步骤4之后，包括：

在所述晶闸管阀上连接避雷器。

优选的，所述步骤5之后，包括：

a.在所述第二隔离刀闸与所述接地电源之间安装接地显示器；

将所述第一隔离刀闸和所述第二隔离刀闸均安装在隔离出线柜内；

b.将所述晶闸管阀竖直安装在竖直放置的矩形的阀柜中；

c.在所述阀柜的上端盖板安装轴流风机；在所述阀柜的下端盖板安装进风口。

优选的，所述步骤b，包括：

b-1.在所述阀柜内侧的底板上设置槽钢，并将晶闸管阀的底端安装在所述槽钢中；

b-2.将所述晶闸管阀的侧壁与所述阀柜内侧的侧壁用绝缘子固定连接。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供了一种10kV开关的设计方法，通过计算晶闸管单元的数量，选取并连接组成所述晶闸管单元所需的静态均压电阻、动态均压电容和动态均压电阻，再依次连接的第一隔离刀闸、所述晶闸管阀、电流互感器和第二隔离刀闸，并将第一隔离刀闸与母线连接，第二隔离刀闸与接地电源连接。本发明提出的方法简单、有效且可靠；在设备源头对高压开关重新优化设计，其设计的10kV全电子式的固态开关的合分闸速度快、无弧、无光且动作无声响，在替代传统机械断路器的同时，避免了动作速度慢、机械寿命短、噪音大等缺陷，能够全面实现了在变电站的更快速灵活的现场投运，保证了变电站的正常运行并提高了变电站的运行效率。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：

1、本发明所提供的技术方案中，通过计算晶闸管单元的数量，选取并连接组成所述晶闸管单元所需的静态均压电阻、动态均压电容和动态均压电阻，再依次连接的第一隔离刀闸、所述晶闸管阀、电流互感器和第二隔离刀闸，并将第一隔离刀闸与母线连接，第二隔离刀闸与接地电源连接；在设备源头对高压开关重新优化设计，其设计方法简单、有效且可靠，保证了10kV全电子式的固态开关在变电站中的投运，提高了变电站的运行效率。

2、本发明所提供的技术方案，通过精细选取并连接组成所述晶闸管单元所需的静态均压电阻、动态均压电容和动态均压电阻；准确且高效的设计出满足厂家或变电站要 求的10kV全电子式的固态开关，其合分闸速度快、无弧、无光且动作无声响，在替代传统机械断路器的同时，避免了动作速度慢、机械寿命短、噪音大等缺陷，能够全面实现了在变电站的更快速灵活的现场投运，保证了变电站的正常运行并提高了变电站的运行效率。

3、本发明所提供的技术方案，通过将各部件的连接并置于阀柜和出线柜中，保证了10kV全电子式的固态开关在变电站中的安全且高效的使用。

4、本发明所提供的技术方案，通过对动态均压电阻的计算，保证了动态均压电阻能够准确抑制回路电感与电容引起的振荡，同时抑制晶闸管触发开通时电容的放电电流。

5、本发明所提供的技术方案，通过避雷器的使用，由于动态均压电阻、电容对过电压的吸收能力有限，为了进一步保护晶闸管，通常采用金属氧化物避雷器与晶闸管阀并联的方式减少过电压产生的危害。

6、本发明所提供的技术方案，通过在所述阀柜的上端盖板安装轴流风机；在所述阀柜的下端盖板安装进风口，加速了空气的循环散热，保证了10kV全电子式的固态开关的良好运行。

7、本发明提供的技术方案，应用广泛，具有显著的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是本发明的一种10kV开关的设计方法的流程图；

图2是本发明的设计方法中10kV开关的连接示意图；

图3是本发明的设计方法中晶闸管阀的连接示意图；

图4是本发明的设计方法中步骤2的流程图；

图5是本发明的设计方法中步骤5之后的流程图；

图6是本发明的设计方法中的10kV开关的结构示意图；

图7是本发明的应用例的流程示意图。

其中，QS1—第一隔离刀闸、TS—晶闸管阀、TA—电流互感器、QS2—第二隔离刀闸、晶闸管单元T；所述晶闸管单元T包括并联的晶闸管组件、R_p—静态均压电阻、R_s—动态均压电阻、C—动态均压电阻、H—避雷器、1—轴流风机、2—阀柜、3—绝缘子、4—隔离出线柜、5—槽钢、6—进风口。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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。

如图1至3所示，本发明提供一种10kV开关的设计方法，包括如下步骤：

步骤1.计算构成晶闸管阀TS所需的晶闸管单元T的数量，包括：

根据晶闸管阀TS在运行过程中的最大电压及单层晶闸管的电压限值，得到晶闸管阀TS不导通时的阀端电压的表达式如下：

$\frac{V_{\max }}{n}\×f_v\×f_s\≤V_{\mathrm{BOD}}---\left(1\right)$

进而计算得到晶闸管单元的数量n的取值范围，并选取该取值范围中的n的值；其中，V_max为晶闸管阀的最大阀端电压；f_v为电压分布因子；f_s为设计安全因子；V_BOD为单层晶闸管正向击穿的电压限值。

步骤2.分别选取构成晶闸管单元所需的静态均压电阻R_P、动态均压电容C和动态均压电阻R_s；

步骤3.将静态均压电阻R_P、动态均压电容C和动态均压电阻R_s均与晶闸管组件并联，进而组成晶闸管单元T；晶闸管组件包括2个并联且方向相反的晶闸管；

步骤4.串联晶闸管单元T，进而组成晶闸管阀TS；

在晶闸管阀TS上连接避雷器H；

步骤5.依次连接的第一隔离刀闸QS1、晶闸管阀TS、电流互感器TA和第二隔离刀闸QS2；第一隔离刀闸QS1与母线连接；第二隔离刀闸QS2与接地电源连接。

如图4所示，步骤2包括：

2-1.根据晶闸管的静态特性，选取静态均压电阻R_P；即：

根据晶闸管的静态特性，需使得流过静态均压电阻R_P的电流大于晶闸管的漏电流；因此，需选取的静态均压电阻R_P的阻值为：

$R_P\≤(\frac{1}{K_u}-1)\frac{U_{\mathrm{RRM}}}{I_{\mathrm{RRM}}}---\left(2\right)$

需选取的静态均压电阻R_P的最大功率值P_p为：

$P_P=\frac{K_p{\left(\frac{V_{\max }}{n}\right)}^2}{R_P}---\left(3\right)$

K_u为均压系数；U_RRM为晶闸管的额定重复峰值电压；I_RRM为与U_RRM对应的漏电流；K_p为计算系数。

2-2.根据晶闸管的反向恢复电荷的最大差值及最大阀端电压，选取动态均压电容C；即：

根据晶闸管的反向恢复电荷的最大差值及最大阀端电压，得到需选取的动态均压电容C的电容值的取值范围为：

$C\≥\frac{\mathrm{\Δ}{Q}_{\max }(n-1)}{V_{\max }(\frac{1}{K_u}-1)}---\left(4\right)$

ΔQ_max为晶闸管反向恢复电荷的最大差值；Ku为均压系数。

2-3.根据回路电感与动态均压电容C，选取动态均压电阻R_s；即：

根据回路电感L与动态均压电容C的电容值，得到需选取的动态均压电阻R_s的阻值取值范围为：

$0\≤R_s\≤2\sqrt{\frac{L}{C}}---\left(5\right).$

如图5和6所示，步骤5之后，包括：

a.在第二隔离刀闸QS2与接地电源之间安装接地显示器；

将第一隔离刀闸QS1和第二隔离刀闸QS2均安装在隔离出线柜4内；

b.将晶闸管阀TS竖直安装在竖直放置的矩形的阀柜2中；即：

b-1.在阀柜2内侧的底板上设置槽钢5，并将晶闸管阀TS的底端安装在槽钢5中；

b-2.将晶闸管阀TS的侧壁与阀柜2内侧的侧壁用绝缘子3固定连接；

c.在阀柜2的上端盖板安装轴流风机1；在阀柜2的下端盖板安装进风口6。

如图7所示，以110kV移动变电站主要由1台110kV/10kV主变、若干条10kV出线组成，且用户或供电系统提供的设计边界条件为额定负载为5MVA、额定电压为10.5kV、额定电流有效值为275A及短路电流峰值为22kA为例，提供一种10kV开关的设计方法的应用例，方法包括如下步骤：

第一步：计算构成晶闸管阀所需的晶闸管单元的数量，包括：

根据晶闸管阀在运行过程中的最大电压及单层晶闸管的电压限值，得到晶闸管阀不导通时的阀端电压的表达式如下：

$\frac{V_{\max }}{n}\×f_v\×f_s\≤V_{\mathrm{BOD}}---\left(1\right)$

进而计算得到晶闸管单元的数量n的取值范围，并选取该取值范围中的n的值；其中，V_max为晶闸管阀的最大阀端电压；f_v为电压分布因子，一般取1.15；f_s为设计安全因子，一般取1.6；V_BOD为单层晶闸管正向击穿的电压限值，V_BOD＝6500V；

当V_max＝1.1×10.5×1.414＝16.3kV时，n≥4.6；取n＝5。

第二步：分别选取构成晶闸管单元所需的静态均压电阻、动态均压电容和动态均压电阻；晶闸管组件的作用是开通及关断电流，它是由10只正反并联的晶闸管组成。光控晶闸管结构参数由厂家提供。光控晶闸管的压装力最小为45KN，最大为60KN，这里取其典型值50KN。包括：

(1).根据晶闸管的静态特性，选取静态均压电阻；即：

根据晶闸管的静态特性，为了得到更好的均压效果，需使得流过静态均压电阻的电流大于晶闸管的漏电流；因此，需选取的静态均压电阻R_P的阻值为：

$R_P\≤(\frac{1}{K_u}-1)\frac{U_{\mathrm{RRM}}}{I_{\mathrm{RRM}}}=(\frac{1}{0.8}-1)\frac{7500}{200\×{10}^{-3}}=9.375\mathrm{k\Ω}---\left(2\right)$

考虑在1.1倍过载的情况下，需选取的静态均压电阻R_P的最大功率值P_p为：

$P_P=\frac{K_p{\left(\frac{V_{\max }}{n}\right)}^2}{R_P}=\frac{0.45\×{\left(\frac{1.1\×1.414\×10.5k}{5}\right)}^2}{9.375k}=512W---\left(3\right)$

K_u为均压系数，通常取0.8；U_RRM为晶闸管的额定重复峰值电压，U_RRM＝7500V；I_RRM为与U_RRM对应的漏电流，一般由晶闸管生产厂家提供的I_RRM＝200mA；K_p为计算系数。

(2).根据晶闸管的反向恢复电荷的最大差值及最大阀端电压，选取动态均压电容；即：

根据晶闸管的反向恢复电荷的最大差值及最大阀端电压，得到需选取的动态均压电容C的电容值的取值范围为：

$C\≥\frac{\mathrm{\Δ}{Q}_{\max }(n-1)}{V_{\max }(\frac{1}{K_u}-1)}=\frac{1000\×{10}^{-6}\×(5-1)}{1.1\×1.414\×10.5\×{10}^3\×(\frac{1}{0.8}-1)}=0.98\mathrm{uF}---\left(4\right)$

ΔQ_max为晶闸管反向恢复电荷的最大差值，一般由晶闸管生产厂家提供的ΔQmax＝1000uC；Ku为均压系数；

由于串联器件存在开通时间及反向恢复电荷的差异，导致其在开通及关断的过程中 会出现瞬态的电压分配不均衡。动态均压电容的作用主要是吸收瞬态过电压，将不平衡电压控制在允许的范围内。

(3).根据回路电感与动态均压电容，选取动态均压电阻；动态均压电阻主要有两个作用：用于抑制回路电感L与电容C引起的振荡，同时抑制晶闸管触发开通时电容C的放电电流。

电容C串联电阻R可起正阻尼作用，它可以防止R、L、C电路在过渡过程中，因振荡在电容器两端出现的过电压损坏晶闸管。为了给LCR回路提供正阻尼，保证回路处于衰减振荡状态下。即：

根据回路电感L与动态均压电容的电容值C，得到需选取的动态均压电阻R_s的阻值的取值范围为：

$0\≤R_s\≤2\sqrt{\frac{L}{C}}---\left(5\right)$

由上文计算得知，10kV母线短路冲击电流峰值为22kA，求得系统等值阻抗：

$Z=\frac{10.5\mathrm{kV}}{1.732\×22\mathrm{kA}}\≈0.27\mathrm{\Ω}---\left(6\right)$

不计电阻，系统等值电感L为：

$L=\frac{0.995Z}{100\mathrm{\π}}=0.85\mathrm{mH}---\left(7\right)$

$R_s\≤2\sqrt{\frac{L}{C}}=2\sqrt{\frac{0.85\mathrm{mH}}{1\mathrm{uF}}}=58.3\mathrm{\Ω}---\left(8\right)$

动态均压电阻可以抑制晶闸管触发开通时电容C的放电电流。从抑制震荡及抑制开通放电电流的角度分析，通态均压电阻的阻值在上述的计算范围内越大越好，但是过大的R_s会在电容C充电时产生较高的电压，使晶闸管过电压。考虑阀大小和常见规格，R_s选取50Ω。

在线路已连接负载的情况下，晶闸管阀两端已承受电压。晶闸管首次触发时(线路合闸时)，线路电压相位角可能在0～180°中的任意值。当线路电压相位角为90°时， 阀端电压达到最大值，如在此时发送触发信号，晶闸管阀则会在导通的瞬间承受阶跃电压，由正弦电压峰值到0V。在这种情况下，动态均压电容通过晶闸管与动态均压电阻回路放电，流经电阻的电流最大值为：

$I_R=I_C=\frac{\frac{V_{\max }}{n}}{\mathrm{Xc}}=\frac{\frac{V_{\max }}{n}}{\frac{1}{2\mathrm{\πfC}}}=\frac{\frac{1.1\×1.414\×10.5}{5}\mathrm{kV}}{\frac{1}{2\mathrm{\π}\×50\×1\mathrm{\μf}}}=1.02A---\left(9\right)$

电阻功耗为：

P_R＝I_R²R＝1.02²×50＝52W (10)

第三步：将静态均压电阻、动态均压电容和动态均压电阻均与晶闸管组件并联，进而组成晶闸管单元；晶闸管组件包括2个并联且方向相反的晶闸管；晶闸管为光控晶闸管；

第四步：串联晶闸管单元，进而组成晶闸管阀；

第五步：在晶闸管阀上连接避雷器；

由于动态均压电阻、电容对过电压的吸收能力有限，为了进一步保护晶闸管，通常采用金属氧化物避雷器H与晶闸管阀并联的方式减少过电压产生的危害。金属氧化物避雷器H具有良好的非线性伏安特性，当电压达到其拐点后，电流迅速增大，使电压的进一步升高趋于缓慢，从而达到限制过电压的目的。避雷器H的特性参数选取参考标准DL T 605‐1996《高压直流换流站绝缘配合导则》、GB 11032‐2010《交流无间隙金属氧化物避雷器H》及《国际电工委员会(IEC99‐4)》对无间隙金属氧化物避雷器H的要求；

本应用例中的避雷器H的技术参数中的额定电压有效值为13.7kV、持续运行电压有效值为11kV、直流1mA参考电压≥17kV、残压峰值≤31kV及2ms方波通流容量为400A。

第六步：依次连接的第一隔离刀闸QS1、晶闸管阀、电流互感器和第二隔离刀闸QS2；第一隔离刀闸QS1与母线连接；第二隔离刀闸QS2与接地电源连接；

第七步：在第二隔离刀闸QS2与接地电源之间安装接地显示器；

第八步：将第一隔离刀闸QS1和第二隔离刀闸QS2均安装在隔离出线柜内；

第九步：将晶闸管阀竖直安装在竖直放置的矩形的阀柜中；阀柜整体的额定电压为12kV、额定频率为50Hz及额定电流为1250A；即：

(1).在阀柜内侧的底板上设置槽钢，并将晶闸管阀的底端安装在槽钢中；

(2).将晶闸管阀的侧壁与阀柜内侧的侧壁用绝缘子固定连接；

第十步：在阀柜的上端盖板安装轴流风机；在阀柜的下端盖板安装进风口，以利于空气的循环散热，A相B相C相通过左侧及右侧母排与其它开关柜进行电气联接。

本应用例中的晶闸管阀还包括：阀框架组件、绝缘拉杆组件、顶压结构组件、散热器组件、导电母排组件、阀支撑组件、静态均压组件和动态均压组件；

其中，阀框架组件的作用是支撑晶闸管组及热管散热器组及其它电气组件。阀框架通过顶压结构组对各个晶闸管和热管散热器施加规定的压装力；它是由上下端板及支撑块等组成，它承受的力为60KN。

绝缘拉杆组件的作用是承受顶压结构组件中蝶形弹簧通过上下端板施加的压装力，是阀的关键部件，它由8根M30的绝缘螺杆和64个M30绝缘螺母组成，每4根绝缘螺杆承受的力为60KN。

顶压结构组的作用是通过蝶形弹簧，产生足够的压装力，并使晶闸管和散热器阀串保持稳定，以利于导电和导热。它是由压簧导柱、调整螺母、压簧导套、碟簧组组成，按照晶闸管压装力要求，碟簧组产生的压装力为60KN。

热管散热器组件的作用传导晶闸管开通及关断过程中产生的热量，防超过置晶闸管的最高工作结温。另外的作用是导电。其导通的最大稳态电流是1250A。散热器组由12只散热器组成。

导电母排组件的作用是在阀两端与首端支撑框架及尾端支撑框架相连，再通过首端支撑框架及尾端支撑框架与车载变电站其它电气柜进行电气连接。它是由上下端软母排及每一晶闸管级连接软母排组成。

阀支撑组件的作用是支撑固态开关阀，并将阀固定在阀车上，并将固态开关阀A 相B相C相进行绝缘固定安装。它是由4个10KV支柱绝缘子组成。

静态均压组件的作用是在晶闸管阀稳态时，使正反并联晶闸管均压。它是由5只玻璃釉膜电阻及其导电支架组成。

动态均压组件的作用是在晶闸管阀瞬态开通及关断时，使正反并联晶闸管均压。它是由5只玻璃釉膜电阻及10只膜电容其导电支架组成。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。