执行有载机械切换操作的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种电气装置，其包括具有初级切换开关的第一电流通路,耦合到电源的装置，以及具有可以旁路初级切换开关的半导体切换装置的分流的电流通路；第一电流可以在半导体切换装置的运作下，沿着分流的电流通路被分流，并绕开初级切换开关；其中分流的电流通路包括可控制的电源，其在半导体切换装置处于导通状态时供给第二电流，第二电流引起零电流流经初级切换开关，以致初级切换开关能在零负载电流的条件下断开。本发明专利技术还提供了一种在该装置内操作机械切换开关的方法，并进一步提供了一种可控制的电源，其包括电源，具有两个输出端子和数个半导体器件的放大器，以及用于操作放大器以在端子上可以有选择性地呈递电流源和电压源特性的控制逻辑器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术属于电力和机电装置领域，并涉及到一种执行有载机械切换操作的装置和对应的方法(即当其切换触点在连接有电力负载时，操作一机械切换开关)。本专利技术尤其适合，但并不限于，在电力变压器中执行有载分接切换。
技术介绍
机械切换装置在带有电力负载时进行切换操作，其切换开关的电接触点上易产生电弧。这样的电弧可以引起对电接触点相当大的耗损，从而缩短装置的有效寿命。这种切换装置的一个实例是用于配电系统的电力变压器，其改变一交流电压的幅度以适合一具体的负载。输入和输出电压之间的比值由该变压器的‘匝数比’或‘变压系数’ 决定。配电等级的有载分接切换变压器用于在规定的范围内，通过改变该变压器内部的变压系数，来维持用户供电电压(不管该系统内的其他偏差)。该有载传统的有载分接切换开关(下文用‘0LTC’表示)使线路电压校正能在不中断负载下进行，因此有助于维持对用户可靠的、管理良好的供电。完全的机械制的(或‘传统的’ )0LTC系统都比较慢，且由于出现在内部电接触点的电弧损害，令其使用寿命有限。由于电力网的不断发展，需要更快的OLTC方案，其在使用寿命内可以执行的操作次数，比传统的OLTC要远远的大得多。传统的有载分接切换开关参照图1，传统的OLTC是一简单的机电系统，其由分接选择器组10，分流器组12及一些配合的传感和控制系统组成。图I所示为一传统的OLTC的其中一相位的原理图。OLTC由其定义在有载下运行，因此一旦分接头换接，在一个变压器分接头内的负载电流必被切断并通过OLTC在另一个分接头内重新形成，而经由这种方式负载电流不会被中断。对持续负载电流的要求，表明了有必要采用一种专门的管理分接转换的系统。该系统通常被称为‘分流器’。传统OLTC分流器的每一相位采用一加载有弹簧的臂，当有一分接切换的需求时，该臂被‘发射’。当被发射时，分流器臂13迅速地移动，轮流跨接四电接触点14中的一组，使负载电流从分流器的一个‘腿’转换到另一个。参见图I中的分流器臂的图解。分流器和选择器的组合使当前分接头n切换到分接头n-1或n+1。因此该传统的OLTC通过重复地操作分流器和选择器，每次增加或减少一个分接选择，使任何一个变压器分接头均能被选中。需要重视的是，分接选择器从不需要接通或断开负载电流，而该操作是通过分流器单独处理的，因此分接选择器触点只需额定用作传导负载电流，其一般比传统OLTC内的分流器触点紧凑得多。需注意的是，尽管一额定240MVA的传统OLTC —般有15_25个分接头，提供总共10%的输出电压调整，其可能需要在4-8秒区间内完成单个分接头升起或分接头下降操作，因此其响应满足不了一迅速变化的电网。半导体辅助的有载分接切换开关可以预料的是，由于电弧，传统OLTC的分流器组件将不可避免地遭受相当大的接触磨损当每次有分接头换接的需求，分流器臂在其行程范围内移动时，分流器触点必须切断和重新形成整个负载电流。实际上，传统OLTC在设计上比起其伴随的变压器要求相对更频繁的维护，一般是检验分流器触点的状态，以及确定绝缘油的完整，该绝缘油可被分流器操作时所产电弧的生成物污染。部分由于该理由，同时为了提高操作速度和减少尺寸，在过去的十年中，研究员和企业提出了若干分接切换的替换方法和各种各样的替换的OLTC设计。其大多数(不一定都是)采用一个或多个半导体装置(一般为晶闸管或门极可关断(GTO)装置)，以求通过在切换的瞬间提供替换的电流通路，来减少或除去一组电接触点之间的电弧。半导体辅助OLTC可在一给定维护周期内，为操作员增加比传统OLTC更多的分接头可换接的次数。这引起两个可能性要么是降低了经一给定次数的分接头换接后的维护和停工期而带来的长期的运行成本，或者是因具有了一种能力而增加了操作灵活性，所述能力即更频繁地进行分接切换而无须招致对应的更短的维护周期。后一种可能性可以用于，例如，由OLTC对不定负载供电时保持更严格的线路电压公差一般地传统OLTC可在 24小时的周期内切换分接头两次以配合白天和夜晚时间用电需求的偏差,然而半导体辅助OLTC可允许每小时进行分接头换接，其更贴切地对整一天里用电需求的波动作出反应。操作员可因此能够容忍更大的负载变动或向他们的用户保证更严格的电压容差。令人遗憾地，半导体辅助OLTC的设计必须抗衡几个问题点，包括通常实质上更大的基建费用和本申请对半导体器件可靠性的担忧。完全半导体有载分接切换开关的问题设计新的半导体OLTC的第一步可能是考虑把分流器替换成一完全固态的系统。以这种方式，在分流器电接触点上的所有电弧将被消除，随之减少了与触点磨损和电介质污染相关的问题。该分流器触点将被简单地替换成一组可控硅阀，以及腿到腿的转换由适当的门驱动的控制器来完成。该方案有两个原理上的缺点，其中两者都与这一事实有关半导体器件将持续不断的传导负载电流。第一，半导体器件在传导路径上，对比起传统OLTC的情况，将产生较大的功率损失，因为半导体结的正向压降比机械接触的电阻性压降要大，导致更大的运行成本和产生对半导体器件的热量处理的需要。第二，对比机械切换装置，一般地半导体器件对故障电流的容许更小，因此半导体器件要么必须超过额定值工作为了应付可能的故障条件，或者必须考虑采用更复杂的保护机制。在文献中的有载分接切换开关设计该文献包括若干OLTC分流器的设计，其中‘稳态’负载电流由机械触点运载，而不是通过半导体器件，因此避免高的传导损失和把半导体可能遭受故障电流的时间减到最小。在这些方案中，采用了一基于半导体的子电路，其仅用作使分接切换迅速且出现更少的电弧，当一分接切换完成时，其从主电路断开。这些设计因此被认为是混合设计，因为他们同时利用了机械触点和半导体器件来实现他们的功能。该混合允许设计者挖掘这两种技术的优点和避免其缺点机械触点对过载电流稳定，但在中断电流时遭受触点磨损；另一方面，半导体器件比如晶闸管在断开电流的过程中丝毫没有耗损，但是相对地在有过载电流时遭受高传导损失和对过载电流敏感。在文献中介绍的‘混合，OLTC设计可以分为两大类，一种使用对负载电流的‘被动分流’，而另一种使用‘主动分流’。被动分流器方案参考文献[2]介绍了被动分流的一个典型实例。在该方案中，一简单的无源电路使用一断路触点两端的、增加的电压降来触发晶闸管导通，从而在触点分离的瞬间为负载电流提供了一条备用的电流通路。该设计是完全由机械驱动，因此正如其分类，‘无源’运作；引导电流分流的先后顺序由一组机械触点的断开来触发，且不要求任何复杂的电子控制机制。对这样的系统来说，这是一个重要的性质，其可以在没有外界干预下长期可靠地运行；然而从基本上它受制于其本身控制机械触点上的电弧的能力。这种依赖于触发无源的晶闸管的方法，其电路要求触点两端出现一个非零电压以使晶闸管导通，即总会有那么一段时间，该机械触点流过负载电流且承受为触发该晶闸管所需的电压。这种状态下可能会带来某种程度上的接触电弧。这类电路的另一个问题是导电通路的感应系数图2显示了附加在一简单分流器设计的支流上的两个寄生电感，这些电感的出现正是由该分流器电路的结构设计决定的，因此其可以被最小化但无法完全消除。在稳定状态下，负载电流13完全流过机械切换开关，因此使I1=I3以把传导损失最小化(即分流器子电路未工作本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.09.15 GB 0916190.21.一种电气装置,其包括 第一电流通路，所述第一电流通路具有一初级切换开关，以及耦合到一电源的装置；以及分流的电流通路，所述分流的电流通路具有半导体切换装置，所述所述半导体转换装置可操作以旁路初级切换开关； 所述装置设置为，在使用中，从电源沿着所述第一电流通路流过的第一电流可在所述半导体切换装置的运作下沿着所述分流的电流通路被分流并旁路所述初级切换开关； 其中所述分流的电流通路包括可控制的电源，其可操作以在所述半导体切换装置处于导通状态时供给第二电流，所述第二电流引起大体上的零电流流经所述初级切换开关，以致所述初级切换开关能在大体上零负载电流的条件下断开。2.根据权利要求I所述的电气装置，其中所述初级切换开关是第一初级切换开关，所述半导体切换装置是第一半导体切换装置，以及所述电气装置进一步包括具有第二初级切换开关的第二电流通路，所述第二电流通路可切换到与所述半导体切换装置电连接，以跟一电源耦合；以及 其中所述分流的电流通路具有第二半导体切换装置，所述第二半导体转换装置连接到所述第二电流通路，并可操作以旁路所述第二初级切换开关； 所述装置设置为，在使用中，在所述第一半导体切换装置的运作下，从电源沿着所述分流的电流通路流过的第一电流，可以再次在所述第二半导体切换装置的运作下分流，并旁路所述第二初级切换开关。3.根据权利要求2所述的电气装置，其中所述可控制的电源可进一步在所述第二半导体切换装置处于导通状态时向其施加一电压，该电压设置为，当所述第二初级切换开关断开时，在所述第二初级切换开关两端产生大体上的零电压，如此所述第二初级切换开关能在大体上零电压的条件下闭合。4.根据权利要求3所述的电气装置，其中所述电气装置进一步设置为，在使用中，从电源沿着所述第二电流通路流过的第一电流，可以在所述第二半导体切换装置的运作下，沿着所述分流的电流通路被分流，并旁路所述第二初级切换开关；以及 其中所述可控制的电源进一步可操作以在所述第二半导体切换装置处于导通状态时供给第三电流，所述第三电流引起大体上的零电流流经所述第二初级切换开关，以致所述第二初级切换开关能因此在大体上零负载电流的条件下断开。5.根据权利要求4所述的电气装置，其中所述装置进一步设置为，在使用中，在所述第二半导体切换装置的运作下，从电源沿着所述分流的电流通路流经的第一电流，可以再次在所述第一半导体切换装置的运作下分流，并旁路所述第一初级切换开关；以及 其中所述可控制的电源可进一步在所述第一半导体切换装置处于导通状态时向其施加一电压，该电压设置为，当所述第一初级切换开关断开时，在所述第一初级切换开关两端产生大体上的零电压，如此所述第一初级切换开关能在大体上零电压的条件下闭合。6.根据前述任一权利要求所述的电气装置，其中所述或每一半导体切换装置包括一个或多个晶闸管。7.根据权利要求6所述的电气装置，其中所述或每一半导体切换装置包括一晶闸管对，所述晶闸管对包括第一晶闸管及与其并联的第二晶闸管，如此所述第一晶闸管提供在一个方向上的正向电流通路，而所述第二晶闸管提供在相反方向上的正向电流。8.根据权利要求7所述的电气装置，其进一步包括跨越所述或每一晶闸管对的缓冲器。9.根据前述任一权利要求所述的电气装置，其中所述或每一初级切换开关包括一机械切换开关。10.根据权利要求2-9中任一项所述的电气装置，其为一有载分接头切换变压器，其中所述第一和第二初级切换开关是所述变压器的分流器切换开关。11.根据权利要求10所述的电气装置，其中所述第一和第二电流通路进一步包括一个或多个分接选择器切换开关。12.根据前述任一权利要求所述的电气装置，其进一步包括在所述分流的通路内的与每一半导体切换装置串联的机械切换开关。13.根据权利要求10、11或12中任一项所述的电气装置，其进一步包括一用于限制短路电流的装置，所述装置限制因任一所述半导体切换装置在短路状态下失效而产生的分接头之间的短路电流。14.根据前述任一权利要求所述的电气装置，其中所述可控制的电源包括 一电源； 一放大器，其具有两个输出端子以及包括数个半导体器件；以及 控制逻辑器，其用于操作放大器以在所述端子上可以有选择性地呈递电流源和电压源特性。15.根据权利要求14所述的电气装置，其中所述放大器是一开关模式放大器。16.根据权利要求15所述的电气装置,其中所述放大器包括一H型电桥结构。17.根据权利要求16所述的电气装置，其中所述放大器和控制逻辑器设置为提供迟滞电流控制。18.根据权利要求15、16或17中任一项所述的电气装置，其中所述放大器和控制逻辑器设置为提供线性电压控制。19.根据权利要求14-18中任一项所述的电气装置，其进一步包括 一电感器，其与所述放大器的一端子串联；以及 一分流器通路，其跨越所述电感器和所述放大器的一输出，所述分流器通路包括一电压界定阻抗器(voltage-defining impedance)。20.根据权利要求19所述的电气装置，其中所述电压界定阻抗器包括一电容器。21.根据权利要求19或权利要求20所述的电气装置，其中所述电压界定阻抗器包括一电阻器。22.根据权利要求19、20或21中任一项所述的电气装置，其中所述控制逻辑器包括一电流控制环回路，其设置为 直接从所述第一或第二初级切换开关的电流，或间接从负载电流和流经所述放大器端子的电流，提取推导出一电流误差信号；以及 提供所述放大器输出端子的一电压输出以改变流经所述放大器端子的电流； 如此所述电流误差信号大体上为零。23.根据权利要求19-22中任一项所述的电气装置，其中所述控制逻辑器包括一电压控制环回路，其设置为获得初级切换开关两端间的电压； 从所述初级切换开关的两端间的电压提取推导出一电压控制输出信号，从而在所述电流控制环回路上提供一额外的电流需量；以及 注入电流到所述电压界定阻抗器以使所述初级切换开关两端间的电压大体上为零。24.根据权利要求23所述的电气装置，其中所述控制逻辑器进一步包括一电压控制环回路补偿器。25.根据权利要求24所述的电气装置，其中所述电压控制环回路补偿器包括一阶低通滤波器，其具有约比供电频率高20倍的截止频率。26.根据权利要求14-25中任一项所述的电气装置，其中所述电源可操作以提供一电压，其大于所述晶闸管中一个的正向压降。27.根据权利要求14-26中任一项所述的电气装置，其中所述放大器的半导体器件为金属氧化物半导体场效应晶体管器件。28.一种操作电气装置中的机械切换开关的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·C·格林，D·J·罗杰斯，
申请(专利权)人：皇家创新公司，
类型：发明
国别省市：