專利名稱：一種投切電容器組的串聯型復合開關電路的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種復合開關電路，尤其涉及一種投切電容器組的串聯型復合開關電路。
背景技術：
投切電容器組常規電路為機械式觸點投切開關，晶閘管投切電容器(TSC)，并聯型復合開關和同步真空開關。
機械式觸點投切開關價格便宜，但是存在電容器組投入時電流沖擊大，最少7倍的額定電流。還存在合閘機械觸點彈跳，打開觸點重燃的危險概率，彈跳重燃使得電容器組過電壓，損壞電容器，容易造成事故。
晶閘管投切電容器(TSC)電路可以準確投入電容器，沒有電流沖擊。不存在彈跳重燃的問題。中壓TSC電路，晶閘管要承受約3倍的電網電壓，由于晶閘管的耐壓只有幾KV，需要多只晶閘管串聯，晶閘管導通存在2V左右的管壓降，幾百安培的電流流過晶閘管，損耗發熱大，一套TSC電路導通時存在幾個KW的熱量，耗能大。這么大的熱量需要由風冷、水冷、熱管等來散熱，散熱設施的技術難度大，造價高。
在低壓380V電網，國內有復合開關投切電容器的裝置。這是并聯型復合開關電路，并聯型復合開關是在晶閘管兩端并聯機械觸點，投切時讓晶閘管首先動作，無沖擊電流，然后，機械觸點開關閉合，沒有能耗，打開時觸點先打開，然后晶閘管打開。在中壓應用并聯型復合開關要串聯多只晶閘管，成本高，幾乎沒有應用。
同步真空開關使用永磁操作機構，開關的合閘相位角精度為±0.2mS。同步開關的原理為在正弦波電壓的過零點閉合，在電容器上沒有電壓時，只有這點投切電容器的效果好。在這一點投切電容器不是理想狀態，所以有沖擊。在正弦波的過零點，電壓變化率最大，在零點的±3.6°即±0.2mS時，電壓幅值變化了電網峰值電壓的6％。這就要求同步開關的精度必須高。由于受溫度，機械磨損，觸發電壓等的影響，需要不斷地校準投切點。如ABB公司的產品，首次投切是對電網有小的沖擊，壽命為1500次。國產低壓同步開關有4倍的沖擊電流，壽命60000次。
在現有的中、低壓投切電容器組的技術方案中，都存在著一些缺欠。
發明內容
本實用新型提出一種投切電容器組的串聯型復合開關電路，該電路投切準確，沒有電流沖擊，成本遠遠小于TSC裝置。
本實用新型通過以下方案實現一個高壓硅堆二極管與一個高壓限流電阻串聯后，并聯一個機械開關，作為慢速低精度高耐壓開關；一個二極管和一個晶閘管的并聯電路組成快速高精度低耐壓開關與上述慢速低精度高耐壓開關串聯；再串接一個電抗器和一個電容器。控制器發出晶閘管通斷命令，產生觸發脈沖，控制晶閘管的導通截止，同時控制器控制機械開關的開合。
所述機械開關為真空接觸器。
可使用一個機械開關并聯在上述晶閘管和二極管的兩端，這樣晶閘管無需散熱器。
本實用新型可以應用在單相電路，也可應用在三相電路。
由于高壓硅堆二極管、二極管和高壓限流電阻對電容器的充電作用，上述慢速低精度高耐壓開關承受了電網電壓加電容器的充電直流電壓，在電網電壓的負峰值附近，上述慢速低精度高耐壓開關和快速高精度低耐壓開關承受的電壓最低，變化緩慢，這時候投切電容器達到了理想的投切狀態，沒有電流沖擊和開關重燃現象。
本實用新型的投切效果像TSC(晶閘管投切電容器組)投切準確沒有電流沖擊，裝置的動作精度要求在同等效果下比同步開關放寬了5.5倍，運行功耗像機械開關幾乎為零功耗，成本遠遠小于TSC裝置。
圖1為本實用新型的原理圖。
圖2為本實用新型的機械開關S1兩端的電壓示意圖。
圖3為本實用新型的開關閉合時序圖。
圖4為本實用新型的開關打開時序圖。
圖5為本實用新型用在電氣化鐵路時的電路原理圖。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本實用新型作進一步詳細描述實施例1以某低壓660V工程為例，如圖1所示，高壓硅堆二極管D1與高壓限流電阻R1串聯后，并聯一個機械開關S1，作為慢速低精度高耐壓開關，接到660V的A相電網上；晶閘管Q1、二極管D2和機械開關S2的并聯組成快速高精度低耐壓開關與上述慢速低精度高耐壓開關串聯；再串接電抗器L1和電容器C1，接到B相電網上。控制器1包括觸發脈沖變壓器T1，發出晶閘管Q1通斷命令，控制觸發脈沖變壓器T1產生觸發脈沖，控制晶閘管Q1的導通截止，同時控制器1控制兩個機械開關S1、S2的開合。
機械開關S1為660V接觸器，D1為4KV，1A的高壓硅堆二極管，R1為30K歐姆高壓限流電阻，電抗器L1為0.546mH、C1為786uF電容器的5次濾波電路，S2為380V400A接觸器，Q1、D2為1000V，100A晶閘管和二極管。
高壓限流電阻R1電阻值應該能夠使得電容器的充電電壓保持不變。電容器內置有放電電阻，按照要求，電容器C1自身的放電電阻R要使電容器的剩余電壓在10分鐘內從1.414Un降至75V以下。電容器C1和R的時間常數為τ，2*τ＝10*60s＝2*R*C1，R約等于381K歐姆，那末，高壓限流電阻R1電阻值為30K歐姆就可以維持電容器的電壓不變。以上述公式可以類推，在不同電壓等級下的高壓限流電阻R1限流電阻值。S2接觸器的電壓值這樣確定電網電壓為660V，電網6％的電壓值為39.6V，那末，S2接觸器的耐壓最低電壓值為380V，取380V400A接觸器。晶閘管和二極管的耐壓有1000V電流100A就滿足要求。
投切原理用高壓硅堆二極管D1通過高壓限流電阻R1對電容器C1充電到電網電壓的峰值。由于高壓限流電阻R1分壓的結果，機械開關S1的電壓約為3倍的電網有效值電壓，由電網正弦波電壓疊加電容器C1的充到電網峰值的直流電壓組成。機械開關S2的電壓幾乎為零。
充電后的機械開關S1的電壓如圖2所示，在負峰值點變化緩慢，電壓值最小，對于50HZ的正弦波，在零電壓的±20°即±1.11mS，電壓上升了電網峰值電壓的6％。
如圖3所示，機械開關S1開關閉合時間為A相電網的正弦波負峰值的±20°即±1.11mS，機械開關S1開關閉合，機械開關S2開關和晶閘管Q1、二極管D2承受的電壓最多只有電網峰值電壓的6％，，機械開關S1閉合后，晶閘管Q1在正弦波的負峰值點觸發導通，投入電容器C1。由于這種投入方式是理想的電容器投入狀態，所以沒有沖擊電流。晶閘管Q1導通1、2個電網電壓的周波后，閉合機械開關S2，電流流過了機械開關S1、S2開關觸點，沒有能耗。
如圖4所示，電容器C1停止工作開關的動作順序是，發出停止命令，首先給晶閘管Q1觸發脈沖，打開機械開關S2，晶閘管Q1導通，在正弦波的負峰值點前10mS里停發觸發脈沖，晶閘管Q1不再工作，在A相電網的負峰值的±20°即±1.11mS打開機械開關S1，電容器C1經過高壓硅堆二極管D1和二極管D2對電容器C1充電，使電容器C1保持電網電壓的峰值不變。
實施例2以電氣化鐵路為例，使用如圖5所述的電路原理圖，高壓硅堆二級管D1與高壓限流電阻R1串聯后和機械開關S1并聯，接到27.5KV的A相電網上。機械開關S1開關的下面接入電感L1為127.4mH、C1為9.39uF電容器的濾波電路，電容器C1的下面接入機械開關S2、晶閘管Q1、二極管D2的并聯電路，機械開關S2、Q1、D2的并聯電路與軌道大地相連接。
機械開關S1為35KV真空接觸器，D1為150KV，1A的高壓硅堆二極管，R1為3M歐姆高壓限流電阻，S2為3000V真空接觸器，Q1、D2為6500V，300A晶閘管和二極管。
高壓限流電阻R1電阻值應該能夠使得電容器C1的充電電壓保持不變。電容器C1內置有放電電阻，按照要求，電容器C1自身的放電電阻R要使電容器C1的剩余電壓在10分鐘內從1.414Un降至75V以下。C1和R的時間常數為τ，2*τ＝10*60s＝2*R*C1，R約等于32M歐姆，那末，R1電阻值為3M歐姆就可以維持電容器的電壓不變。以上述公式可以類推，在不同電壓等級下的R1限流電阻值。S2接觸器的電壓值這樣確定電氣化鐵路電網電壓為27.5KV，電網6％的電壓值為1.65KV，那末，S2接觸器的耐壓有一倍的電壓值就夠了，取3000V真空接觸器。晶閘管Q1和二極管D2的耐壓有6500V就滿足要求，C1、L1的工作電流為123A，取晶閘管Q1和二極管D2的電流值300A。D1高壓硅堆二極管，D1的耐壓約為6倍的電網電壓就滿足要求，27.5KV的電網電壓取150KV，串聯限流電阻R1為3M，充電電流9mA，D1的電流值取1A。
機械開關S1、S2開關沒有動作前，電網通過高壓硅堆二級管D1、高壓限流電阻R1、二極管D2對電容器C1充電，電容器C1充到峰值電壓。
開關閉合動作在A相電網的負峰點±1.1mS，閉合機械開關S1，在A相電網的負峰點對晶閘管Q1發出觸發脈沖列，使得晶閘管Q1導通，濾波電路工作，晶閘管Q1導通1、2個周波后，閉合機械開關S2。由于機械開關S2的導通，晶閘管Q1不工作。
開關打開的動作首先，打開機械開關S2，由于機械開關S2打開，晶閘管Q1工作，打開機械開關S2后，停止觸發晶閘管Q1，晶閘管Q1沒有觸發脈沖，自然關斷，二極管D2導通，A相電網的負峰點±1.1mS，打開S1開關，電路停止工作。電容器C1經過高壓硅堆D1和二極管D2對電容器充電，使電容器C1保持電網電壓的峰值不變。
在中低壓電網中，使用一般要求的機械開關S1，就可以使得機械開關S2、晶閘管Q1、二極管D2工作在低壓的狀態下，設備成本降低，安全可靠。如果機械開關S1開關動作失誤，不再預期的時間范圍內，有兩種方法保護晶閘管，一種晶閘管Q1可以經過過壓轉折二極管BOD的作用，使得晶閘管強迫導通，保護其不被擊穿；另一種通過并聯在晶閘管兩端的氧化鋅避雷器保護。
本實用新型的特定實施例已對發明內容做了詳盡說明。對本領域一般技術人員而言，在不背離本實用新型原理的前提下對它所做的任何顯而易見的改動，都不會超出本申請所附權利要求的保護范圍。
權利要求1.一種投切電容器組的串聯型復合開關電路，其特征在于一個高壓硅堆二極管與一個高壓限流電阻串聯后，并聯一個機械開關，作為慢速低精度高耐壓開關；一個二極管和一個晶閘管的并聯電路組成快速高精度低耐壓開關與上述慢速低精度高耐壓開關串聯；再串接一個電抗器和一個電容器；控制器控制晶閘管的導通截止，同時控制器控制機械開關的開合。
2.根據權利要求1所述的投切電容器組的串聯型復合開關電路，其特征在于所述電抗器和電容器串聯在所述慢速低精度高耐壓開關和快速高精度低耐壓開關之間。
3.根據權利要求1所述的投切電容器組的串聯型復合開關電路，其特征在于一個機械開關并聯在上述晶閘管和二極管的兩端。
4.根據權利要求1所述的投切電容器組的串聯型復合開關電路，其特征在于所述機械開關為真空接觸器。
5.根據權利要求1所述的投切電容器組的串聯型復合開關電路，其特征在于過壓轉折二極管并聯在陽極和控制極之間，保護晶閘管。
6.根據權利要求1所述的投切電容器組的串聯型復合開關電路，其特征在于氧化鋅避雷器并聯在晶閘管陽極和陰極之間保護晶閘管。
專利摘要本實用新型公開了一種投切電容器組的串聯型復合開關電路，一個高壓硅堆二極管與一個高壓限流電阻串聯后，并聯一個機械開關，作為慢速低精度高耐壓開關；一個二極管和一個晶閘管的并聯電路組成快速高精度低耐壓開關與上述慢速低精度高耐壓開關串聯；再串接一個電抗器和一個電容器；控制器控制晶閘管的導通截止，同時控制器控制機械開關的開合。本實用新型的投切效果像TSC(晶閘管投切電容器組)投切準確沒有電流沖擊，裝置的動作精度要求在同等效果下比同步開關放寬了5.5倍，運行功耗像機械開關幾乎為零功耗，成本遠遠小于TSC裝置。
文檔編號H02J3/18GK2907028SQ20062001258
公開日2007年5月30日 申請日期2006年4月29日 優先權日2006年4月29日
發明者楊建寧, 鄧富民, 董兆振, 梁京琴 申請人:楊建寧