專利名稱：具有選相功能的光控模塊化智能真空開關的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種光控模塊化智能真空開關，特別是一種實用化的具有選相功能 的光控模塊化智能真空開關，屬于電力高壓開關技術領域。
背景技術：
在高壓和超高壓領域六氟化硫(SF6)開關一直占主導地位，但由于SF6對地球大 氣層有很強的溫室效應，因此必須找出更好的替代品。真空開關作為一種極具發展潛力 的新型電力開關，但由于真空介質的特殊性質，導致真空開關目前只在中低壓電壓等級 有很強的優勢；且由于技術及加工工藝等方面的限制，真空開關額定電流及額定短路電 流等參數無法大幅提高，不能滿足大電流應用場合。上述原因限制了真空開關在高壓、 大電流等領域的應用。采取單斷口技術路線的真空開關存在很大的困難，而采取多斷口 技術路線的傳統真空開關由于結構復雜、操動機構元件數目多，很容易出現機械故障。
應用于投切容性負載(電容器組、空載輸電線)或感性負載(空載變壓器、電抗器) 的真空開關，分合閘操作所帶來的開關暫態過程會對電力系統產生各種干擾，引起過壓 過流，甚至會傳播到遠端影響用戶。這在對電能質量要求越來越嚴格的電網背景下需引 起重視。
發明內容
本實用新型的目的在于提供一種具有選相功能的光控模塊化智能真空開關，它采用 高性能的DSP處理器(數字信號處理器)和靈活的控制技術，能快速準確地判斷出開 關的最佳投切相位并進行可靠操作；采用光纖控制接口來進行控制信號傳輸，可實現高 低壓隔離，簡化絕緣結構，抗干擾能力強；采用電流取能、電壓取能和低位送能的多方 取能操作電源系統的新型可靠電源方案；采用新型永磁操動機構，結構簡單，控制靈活， 可靠性高；采用包括無線通訊和串口通訊在內的多種通訊技術，實現與電站計算機系統 的實時信息交換。根據需要，可對具有選相功能的光控智能真空開關模塊進行串、并聯 積木組合，實現更高電壓等級的智能真空開關。
本實用新型的技術方案是 一種具有選相功能的光控模塊化智能真空開關，其特征在于它包括智能選相控制器低電位單元、智能選相控制器高電位單元，功率驅動單元， 多方取能操作電源系統，永磁操動機構，真空滅弧室和外絕緣系統；
智能選相控制器低電位單元、智能選相控制器高電位單元、功率驅動單元和永磁操 動機構依次電連接；
智能選相控制器高、低電位單元中采用數字信號處理器；
靜觸頭、動觸頭和分閘彈簧位于真空滅弧室內，動觸頭與永磁操動機構的驅動桿直 接相連；
多方取能操作電源系統與功率驅動單元電連接，多方取能操作電源系統包括電流取 能、電壓取能和低位送能；
外絕緣系統包圍真空滅弧室。如上所述的具有選相功能的光控模塊化智能真空開關，其特征在于智能選相控制 器高、低電位單元間信號傳輸采用光纖控制接口。
如上所述的具有選相功能的光控模塊化智能真空開關，其特征在于真空開關三相 中每相配置獨立的永磁操動機構。
如上所述的具有選相功能的光控模塊化智能真空開關，其特征在于智能選相控制 器低電位單元中的通訊接口包括無線通訊和串口通訊。
如上所述的具有選相功能的光控模塊化智能真空開關，其特征在于對具有選相功 能的光控模塊化智能真空開關進行串、并聯積木組合。
本實用新型的工作原理是智能選相控制器低電位單元能實時判斷輸入信息，接到 就地/遠動操作指令后，根據不同負載特性，調用相關控制策略子程序，按照預定算法給 出分合閘信號，控制開關在最佳相位動作，從而減少開關操動暫態，提高電網系統穩定 性和電能質量。智能選相控制器低、高電位單元的主要功能有①實時采集各類信號， 并能快速數學運算和精確邏輯控制；②高、低電位單元利用光纖技術進行光電隔離，實 現低電位控制，高電位動作；③記錄開關的動作次數、開關操作事件記錄、開關操作暫 態電流和電壓波形，便于系統診斷分析；④通過包括無線通訊和串口通訊在內的多種通 訊接口連接電站計算機系統，易實現與電站計算機系統的多機通訊。
本實用新型的有益效果是(1)整體結構采用模塊化設計，體積小、重量輕、絕緣
4、并聯積木組合，可完全替代SF6開關；(2)采用智 能選相控制器高、低電位單元，控制精度高，既可實現單個真空開關模塊的選相控制，
又可實現組合模塊的選相控制；(3)真空開關三相每相配置獨立的永磁操動機構，以實
現三相選相操作；運用永磁操動機構，結構簡單、可靠性好，便于分相獨立操動；真空 滅弧室的動觸頭與永磁操動機構的驅動桿直接相連，取消了與傳統操動機構之間的絕緣 拉桿；永磁操動機構與真空滅弧室同電位，絕緣成本低，進一步提高可靠性；(4)采用 電流取能、電壓取能和低位送能的多方取能操作電源系統的新型可靠電源方案，解決了 高壓端電子線路的電源供給問題；(5)電氣部分與信號傳輸通道隔離，與光纖控制技術 結合真正實現了智能真空開關模塊的低電位端控制、高電位端操動；光纖控制接口簡化 了絕緣結構，抗干擾能力強；(6)采用包括無線通訊和串口通訊在內的多種通訊技術， 便于實現與電站計算機系統的實時信息交換
圖l，本實用新型實施例的工作原理圖。
圖2,圖1中的智能選相控制器低電位單元工作原理圖。
圖3，圖1中的智能選相控制器高電位單元工作原理圖。
圖4，圖1中的永磁操動機構與真空滅弧室結構原理圖。
圖5，圖1中的功率驅動單元及電流取能方式電源工作原理圖。
圖6，圖1中的電壓取能方式電源工作原理圖。
圖7，圖1中的低位送能方式電源工作原理圖。
圖8，圖1中的智能選相控制器低電位單元軟件原理圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型具有選相功能的光控模塊化智能真空開關做 詳細的說明。
圖1中標記的說明1-智能選相控制器低電位單元，2-智能選相控制器高電位單元， 3-功率驅動單元，4-多方取能操作電源系統，5-電流取能，6-電壓取能，7-低位送能，8-永磁操動機構，9-真空滅弧室，10-外絕緣系統，PT-電壓互感器，CT-電流互感器。
圖2中標記的說明11-信號采集單元，12-信號調理單元，13-A/D轉換單元，14-
5低電位DSP處理器，15-人機交換單元，16-低電位工作電源，17-監控記錄單元，18-通訊接口， 19-光纖控制接口。
圖3中標記的說明20-高電位DSP處理器，21-高電位工作電源，22-傳感器，23-實時時鐘。
圖4中標記的說明24-靜觸頭，25-分閘彈簧，26-動觸頭，27-蓋板，28-磁路導向 環，29-永磁體，30-靜鐵心，31-充放電線圈，32-動鐵心，33-驅動桿。
圖5中標記的說明TVS-瞬時電壓浪涌抑制器，Bl、 B2-整流橋，Cl-濾波電容， C-儲能電容器，S-大功率可控晶閘管，34-穩壓電路，35-逆變電路，36-蓄電池。
圖6中標記的說明Rl、 R2、 R3-電阻，Dl、 D2、 D3-穩壓二極管，C2、 C3-濾波電 容，Q3-晶閘管，i-電流方向。
圖7中標記的說明37-逆變器，K-開關，T-磁環，B3-整流橋。
本實用新型實施例具有選相功能的光控模塊化智能真空開關可以根據不同電壓等 級，將真空開關模塊進行串、并聯積木組合，實現更高電壓等級的智能真空開關。
本實用新型實施例的工作原理圖如圖1所示，包括智能選相控制器低電位單元1、 高電位單元2，功率驅動單元3，多方取能操作電源系統4，永磁操動機構8，真空滅弧 室9和外絕緣系統10等；智能選相控制器低電位單元1、智能選相控制器高電位單元2、 功率驅動單元3和永磁操動機構8順序電連接，多方取能操作電源系統4與功率驅動單 元3電連接，它包括電流取能5、電壓取能6和低位送能7;外絕緣系統10包圍真空滅 弧室9，真空開關三相中每相配置獨立的永磁操動機構8;
智能選相控制器低電位單元1接收電站計算機系統發出的遠動/就地操作指令，并反 饋真空開關狀態信息，且從電壓互感器PT和電流互感器CT采集電網三相電壓與三相 電流信號；
智能選相控制器高電位單元2釆集到開關位置狀態、控制電壓和環境溫度等真空開 關狀態信息，傳給智能選相控制器低電位單元l;智能選相控制器低電位單元l發出操 作指令傳給智能選相控制器高電位單元2，智能選相控制器高電位單元2收到操作指令 后，向功率驅動單元3發出分/合閘信號，與多方取能操作電源系統4電連接的功率驅動 單元3驅動永磁操動機構8，實現真空開關的分/合閘操動。
圖1中的智能選相控制器低電位單元1工作原理圖如圖2所示，主要由模擬信號采 集單元11、模擬信號調理單元12、 A/D轉換單元13、低電位DSP處理器14、人機交換單元15、低電位工作電源16、系統參數和波形監控記錄單元17、和多種通訊接口 18 等組成；
通過模擬信號采集單元11從電壓互感器PT和電流互感器CT采集到的三相電網電 壓與三相電流信號經過模擬信號調理單元12和A/D轉換單元13后，傳輸到低電位DSP 處理器14;利用光纖技術的高低電位光電隔離單元的光纖通信接口 19將低電位DSP處 理器14發出的操作指令傳給智能選相控制器高電位單元2，并將智能選相控制器高電位 單元2采集到的真空開關狀態信息，傳給低電位DSP處理器14;低電位DSP處理器14 分別連接人機交換單元15、低電位工作電源16、系統參數和波形監控記錄單元17、通 訊接口 18和光纖通信接口 19，通訊接口 18采用包括無線通訊和串口通訊在內的多種通 訊技術。智能選相控制器低電位單元1通過通訊接口 18接收電站計算機系統發出的遠 動/就地操作指令，并反饋真空開關狀態信息。
圖1中的智能選相控制器高電位單元2工作原理圖如圖3所示，其中的高電位DSP 處理器20分別連接光纖通信接口 19、高電位工作電源21、傳感器22和實時時鐘23。 傳感器22包括開關位置傳感器、控制電壓傳感器和環境溫度傳感器，高電位單元2通 過傳感器22實時采集真空開關狀態信息(包括開關位置，控制電壓，環境溫度)通過 光電隔離單元的光纖通信接口 19傳送給低電位DSP處理器14;當高電位DSP處理器 20收到由光纖通信接口 19送來的低電位單元1發出的操作指令后，向功率驅動單元3 發出分、合閘信號。
上述所說的永磁操動機構8以單穩態永磁操動機構為例，圖4中，真空滅弧室9包 括靜觸頭24,分閘彈簧25，動觸頭26;單穩態永磁操動機構8包括蓋板27,磁路導向 環28，永磁體29，靜鐵心30，充放電線圈31，動鐵心32，驅動桿33:
分閘彈簧25連接在靜觸頭24和動觸頭26之間；驅動桿33和動鐵心32相連，并 與真空滅弧室9中的動觸頭26連接；靜鐵心30的上端固定非導磁蓋板27;永磁體29 上端與磁路導向環28連接，下端與充放電線圈31連接。分合閘操作采用同一個單充放 電線圈31，通過給充放電線圈31不同方向電流來實現分合鬧操作，合閘狀態靠磁力保 持，分閘狀態靠分閘彈簧25。在分閘中，是靠釋放分閘彈簧25的能量來完成的，具有 較高的剛分速度；單穩態永磁操動機構8零件數少，運動部件只有一個動鐵心32，機械 壽命和可靠性大大提高；單穩態永磁操動機構8和真空滅弧室9處于同一高電位，簡化 了絕緣；其分合閘操作共用一個充放電線圈31,具有小型化和免維護的優點；動作時間立操動。
圖1中的功率驅動單元3工作原理圖如圖5所示，電流互感器CT，瞬時電壓浪涌 抑制器TVS，整流橋B1，濾波電容Cl,穩壓電路34，逆變電路35，整流橋B2，儲能 電容器C依次電連接，分合閘充放電線圈31和大功率可控晶閘管S串聯后與儲能電容 器C并聯，逆變電路電連接一個蓄電池36;
多方取能操作電源系統4 一直對儲能電容器C進行充電，當大功率可控晶閘管S 收到智能選相控制器高電位單元2的分/合閘信號后，已充滿電的儲能電容器C對單穩 態永磁操動機構8中的充放電線圈31放電，產生脈沖磁場驅動動鐵心32運動。
圖5中，多方取能操作電源系統4采用直接從高壓側母線電流取能的方法。當真空 開關處于閉合狀態時，電流互感器CT直接從電網的負載電流中取出能量，經過瞬時電 壓浪涌抑制器TVS，整流橋B1、濾波電容C1和穩壓電路34后變為低壓直流源，再經 逆變電路35和整流橋B2后給儲能電容器C充電。當真空開關處于分閘狀態或系統空 載時，電流互感器CT無法直接從電網電流中取出能量，可在逆變電路35前增加一個蓄 電池36。經過穩壓電路34后的低壓直流源同時對蓄電池36進行恒壓浮充電，電流取能 方式不成功時，由已經充電的蓄電池36進行逆變電路35和整流橋B2后，給儲能電容 器C充電。
圖1中的電壓取能方式電源工作原理圖如圖6所示，為進一步保證真空開關在長期 分閘條件下的操作電源供應，還采用電壓取能方式電源來保證可靠取能，當電壓在正半 周時，電流i為圖中所示方向，通過濾波電容C2、電阻R1和穩壓二極管D3向儲能電 容器C充電。當儲能電容器C的端電壓超過穩壓二極管D1限幅值時，晶閘管Q3導通， 穩壓二極管D3截止，停止給儲能電容器C充電。儲能電容器C的端電壓保持為限幅值， 儲能電容器C的儲能就是工作電源。
當真空開關兩側斷電時間太長，電流取能和電壓取能方式都不能獲取能量且蓄電池 電源不足時，可采用低位送能方式，圖1中的低位送能方式電源工作原理圖見圖7，處 于地電位的任意直流電源，經逆變器37得到高頻電流源。根據電磁感應原理，通過磁 環T把地電位的能量送到高壓側。由磁環T得到的高頻電源經過濾波、穩壓和整流橋 B3后為儲能電容器C充電。充好后，斷開開關K，停止給儲能電容器C充電。
實施例電站計算機系統發出動作指令，智能選相控制器低電位單元1根據從電壓 互感器PT和電流互感器CT采集到的電網三相電壓與三相電流信號，計算出最佳分/合閘相位，同時根據由光纖控制接口 19傳送的智能選相控制器高電位單元2實時采集到 的真空開關狀態信息(開關位置、控制電壓和環境溫度等)，分別來自開關位置傳感器、 控制電壓傳感器和環境溫度傳感器，不斷調整開關動作時間的補償參數，計算出需要的 延時后發出操作指令；智能選相控制器高電位單元2通過光纖控制接口 19收到操作指 令后，向功率驅動單元3發出分、合閘信號；憑借多方取能操作電源系統4的可靠供電， 功率驅動單元3在智能選相控制器高電位單元2的控制下給永磁操動機構8的充放電線 圈31充電，實現真空開關的分/合閘操動；真空開關動作結束后，智能選相控制器低電 位單元1記錄操作結果，并通過通訊接口 18把真空開關狀態信息和操作結果回送到電 站計算機系統。
圖1中的智能選相控制器低電位單元1軟件原理圖如圖8所示，為了保證控制系統 正常工作，啟動時必須自檢。系統自檢通過后，程序進入初始化階段，包括DSP控制 寄存器設置，定時器、內部數據存儲器的初始化。系統沒有收到就地/遠動指令時，完成 電網參數采集、控制電壓和環境溫度監測、為電站計算機系統上傳數據等功能。當通過 多種通訊接口 18收到就地/遠動指令后，檢測控制電壓、環境溫度和開關觸頭位置等開 關狀態信息是否滿足分合閘條件，進而自適應計算最佳分合閘相位所需的延時觸發時 間，按照不同負載特性調用相關子程序，完成選相分合閘的功能并記錄操作結果。
權利要求1、一種具有選相功能的光控模塊化智能真空開關，其特征在于它包括智能選相控制器低電位單元、智能選相控制器高電位單元，功率驅動單元，多方取能操作電源系統，永磁操動機構，真空滅弧室和外絕緣系統；智能選相控制器低電位單元、智能選相控制器高電位單元、功率驅動單元和永磁操動機構依次電連接；智能選相控制器高、低電位單元中采用數字信號處理器；靜觸頭、動觸頭和分閘彈簧位于真空滅弧室內，動觸頭與永磁操動機構的驅動桿直接相連；多方取能操作電源系統與功率驅動單元電連接，多方取能操作電源系統包括電流取能、電壓取能和低位送能；外絕緣系統包圍真空滅弧室。
2、 根據權利要求1所述的具有選相功能的光控模塊化智能真空開關，其特 征在于智能選相控制器高、低電位單元間信號傳輸采用光纖控制接口。
3、 根據權利要求1所述的具有選相功能的光控模塊化智能真空開關，其特 征在于真空開關三相中每相配置獨立的永磁操動機構。
4、 根據權利要求1所述的具有選相功能的光控模塊化智能真空開關，其特 征在于智能選相控制器低電位單元中的通訊接口包括無線通訊和串口通訊。
5、 根據權利要求1所述的具有選相功能的光控模塊化智能真空開關，其特征在于對具有選相功能的光控模塊化智能真空開關進行串、并聯積木組合。
專利摘要本實用新型提供了一種具有選相功能的光控模塊化智能真空開關，包括智能選相控制器低電位單元、高電位單元，功率驅動單元，多方取能操作電源系統，永磁操動機構，真空滅弧室和外絕緣系統等。它采用高性能的DSP信號處理器和靈活的控制技術，能快速準確地判斷出開關的最佳投切相位并進行可靠操作；采用光纖控制接口可實現高低壓隔離，簡化絕緣結構，抗干擾能力強；采用新型永磁操動機構，結構簡單，控制靈活，可靠性高；采用電流取能、電壓取能和低位送能的多方取能操作電源系統的新型可靠電源方案。根據需要，可對具有選相功能的光控智能真空開關模塊進行串、并聯積木組合，實現更高電壓等級的智能真空開關。
文檔編號H01H33/66GK201282069SQ200820191759
公開日2009年7月29日 申請日期2008年10月28日 優先權日2008年10月28日
發明者妍 何, 何俊佳, 飛 劉, 婷 尹, 硯 杜, 垣 潘, 召 袁, 陳軒恕 申請人:國網武漢高壓研究院