智能型固态转换开关及其加工方法和转换开关控制系统

摘要

本发明提供一种智能型固态转换开关及应用其的转换开关控制系统，在上、下端板之间固定设置有两组并联的晶闸管，每组包括数量相等的多个串联的晶闸管，两组晶闸管的相对应的每对晶闸管也都反向并联；每对晶闸管还并联有静态均压电阻和动态均压单元；各静态均压电阻还依次串联，各个动态均压单元也都依次串联；多个TE板分别对每对晶闸管的各个晶闸管的门极连接控制；每个TE板还连接有一取能线圈；由高频送能电源通过高压送能电缆输出交流方波，经取能线圈感应为TE板提供触发驱动能量。本发明结构紧凑，布局合理，可实现10KV电力系统线路的关断、开通、快速切换，且具备智能化、自诊断、软开通、软关断、无电弧、无噪声、无机械疲劳等的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统的供电或配电的电路装置，尤其是具有自动转换功 能的智能型固态转换开关，晶闸管是其中核心元件之一。

背景技术

电力电子技术领域已在世界上形成相当的规模。与其他工业门类相比， 虽然它在科学技术领域出现的时间还很短，然而它已在当今的工业自动化中 起着巨大的作用，是信息产业与传统产业之间的重要接口，是强电和弱电之 间联系的桥梁。它的发展，为机电一体化开辟了新的道路，为大幅度节约电 能，降低原材料消耗，提供了新的重要的手段。

随着电力电子技术的发展，尤其是电力半导体器件的参数、性能的提 高，电力电子技术的应用蓬勃发展，各种电力电子装置广泛应用于众多领域， 电力控制、航空航天、能源、交通、电化学、电加热、高性能电源、家电及 其它制造业等。电力控制也是电力电子技术应用的一个重要领域，其中利用 电力电子器件作为电力开关，实现电力线路的开通和关断是电力控制的基本 功能，其突出的好处是电力电子器件导通和关断不会产生电弧、不会产生噪 音，作为交流电路中的电力电子开关，结合现代控制技术还可以实现软开通、 软关断、自诊断及其它功能发挥非常有意义的作用，其优点是传统电力开关 无法具备的。。

电力电子开关基于半导体导电机制，无触点、无电弧、无机械动作，因 此不会有机械疲劳和噪音产生，有利于提高工作寿命和降低噪声污染。由于 可以软开通、软关断，可以使电力线路和电气设备免遭浪涌电流冲击，对保 护电力线路和电力设备颇有意义。

电力电子开关利用半导体器件作为电力开关代替或改造传统的机械切 换开关，将有效解决传统机械开关的固有问题，大大提高切换速度和开关的 使用寿命，以满足敏感和关键负载对供电可靠性和电能质量的苛刻要求。

发明内容

本发明提供一种智能型固态转换开关，它的核心组成部件是电力电子器 件-晶闸管，利用该半导体器件作为电力开关替代传统的机械开关，实现10KV 电力系统线路的关断、开通、快速切换等功能，解决传统机械开关的切换速 度慢、使用寿命短、对敏感和关键负载的供电可靠性低和电能质量较差等固 有问题。

为解决上述问题，本发明的方案为：

智能型固态转换开关，包括

上端板和下端板以及连接上、下端板的多个绝缘拉杆；

上、下端板之间固定设置有两组并联的晶闸管，每组包括数量相等的多 个串联的晶闸管，两组晶闸管的相对应的每对晶闸管也都反向并联；

每对晶闸管还并联有一静态均压电阻和一由一动态均压电阻和一动态 均压电容串联组成的动态均压单元；各个静态均压电阻还依次串联，各个动 态均压单元也都依次串联；

还包括多个TE板，每对晶闸管的各个晶闸管的门极由一个TE板分别连 接控制；每个TE板还连接有一取能线圈，还包括一高频送能电源和与其电 连接的一高压送能电缆，高压送能电缆穿过每个取能线圈；高频送能电源通 过高压送能电缆输出交流方波，经取能线圈感应为TE板提供触发驱动能量；

进一步，每组晶闸管与上端板之间还设有一组为晶闸管提供压装力的顶 压结构组，每组顶压结构组包括一位于下方的压簧导柱，压簧导柱套有多个 碟形弹簧，碟形弹簧抵接一压簧导套的下部，压簧导套具有外螺纹和内导孔， 压簧导柱顶部对应穿入压簧导套的内导孔中，压簧导套上部穿入上端板对应 设置的通孔，压簧导套还套有调整螺母，调整螺母位于上端板下方并与压簧 导套的外螺纹啮合，旋动调整螺母能使其抵接与上端板下表面。

进一步，还包括多个散热器，每个晶闸管对应接触两个传导其热量的散 热器，且每个散热器还接入到电路中进行导电。

进一步，所述动态、静态均压电阻为玻璃釉膜电阻，所述动态均压电容 为薄膜电容。

进一步，所述每个静态均压电阻呈竖立状由上至下依次安装于一组晶闸 管的一侧，相邻的两个静态均压电阻互相平行且首尾对应。所述动态均压电 阻和动态均压电容安装于两组晶闸管的同一侧面，且动态均压电容分布两 边，动态均压电阻位于中间，每个动态均压电阻呈水平状由上至下依次安装。 这种横、纵排列形式既满足了电气联接和绝缘要求又节省了布局空间，使整 个智能型固态转换开关结构紧凑化、一致化。

进一步，所述每组晶闸管包括五个晶闸管；实现10KV电力系统线路的 关断、开通和快速切换。

本发明还提供了智能型固态转换开关的加工方法：

第一步，将下端板固定在支撑工装上，然后将8根绝缘螺杆和8个绝 缘螺母及8个绝缘定位螺母拧紧到下端板上；然后，再将8个绝缘定位螺母 拧到8根绝缘螺杆上，调整绝缘定位螺母的位置，使上下端板的距离为 640.5mm，将上端板放在绝缘定位螺母上，并用绝缘螺母拧紧固定牢靠，要 保证上端板和下端板的平行度在0.2mm之内；此时的阀体框架组件组装完 毕，使之为一个框架整体。

第二步，是将垫块通过止口放在阀体下端板止口内，然后在其中心放 入定位销，将下端母排放入定位销内，然后依次放入散热器、中心定位销、 晶闸管、中心定位销、散热器、晶闸管等，最后将上端母排放入定位销，此 时晶闸管组和散热器组安装完毕。

第三步，是将顶压结构组件通过中心定位销固定在上端母排上，并将 调整螺母放在最松位置，准备压装。

第四步，是将组装好的阀体置在液压机内，装好压导柱、套入碟形弹 簧、放上已旋装调整螺母的压簧导套，将液压机的压装力调整在40KN，开 动液压机，通过下压压簧导套压缩碟形弹簧，然后旋转调整螺母，使调整螺 母紧压在上端板上；然后，松开液压机，此时阀串压装完毕，再按照上述步 骤，将另外一组阀串压装完成。

第五步是将动态均压电容和动态均压电阻及其连接支撑件依次用螺钉 固定在散热器上。

第六步是将静态均压电阻及其连接支撑件依次用螺钉固定在散热器 上。

第七步是将取能组件通过其两侧的绝缘角钢固定在上端板和下端板上。

第八步是将TE板组件通过支撑角板及2侧绝缘角钢固定在上端板和下 端板上。至此组装完毕。

本发明还提供了使用上述智能型固态转换开关的两种转换开关控制系 统结构形式，

其一为主备两路式转换开关控制系统，在10KV的主接电源（供电I路） 和备用电源（供电II路）与负荷之间分别连接有一路电路，每路电路由依 次串联的一断路器、一隔离开关、一智能型固态转换开关和一隔离开关组成， 在负荷输入端前的两路的隔离开关输出端之间还依次串接一隔离开关、一智 能型固态转换开关和一隔离开关，所述每个智能型固态转换开关还并联一机 械式旁路开关。

其二是单路式转换开关控制系统，10KV的供电电源与负荷之间依次串联 有一断路器、一智能型固态转换开关和一三相变压器，三相变压器将电源转 换为380V为负荷供电，智能型固态转换开关还分别并联有一机械式旁路开 关和一避雷器。

本发明具有的优点和积极效果是：结构紧凑，布局合理，动态电容器和 电阻器的横向和纵向排列既满足了电气联接和绝缘要求又节省了布局空间， 使整个智能型固态转换开关结构紧凑化、一致化。由8根16mm的绝缘螺杆 和32个绝缘螺母组成的压装结构框架稳固、可靠。利用半导体器件作为电 力开关代替或改造传统的机械开关，可实现10KV电力系统线路的关断、开 通、快速切换，且具备智能化、自诊断、软开通、软关断、无电弧、无噪声、 无机械疲劳等的特点。其无触点转换、无电弧、无机械动作，没有机械疲劳 和噪音产生，有利于提高工作寿命和降低噪声污染。可提高供电系统运行的 可靠性，并具有很好的稳定性能和耐久性，并且可有效解决传统机械开关的 固有问题，大大提高切换速度和开关的使用寿命，以满足敏感和关键负载对 供电可靠性和电能质量的苛刻要求。

附图说明

图1是智能型固态转换开关的结构主视示意图

图2是左视示意图

图3是右视示意图

图4是主视方向为主的立体示意图，即从前右上方观看的立体示意图

图5是后视方向为主的立体示意图，后从后左上方观看的立体示意图

图6是智能型固态转换开关的电路原理图

图中：1、上端板；3、下端板；4、支撑垫块；6、绝缘拉杆；7、绝缘螺 母；8、绝缘定位螺母；9、上端母排；10、下端母排；11、调整螺母；12、 压簧导套；13、碟形弹簧；14、压簧导柱；15、动态均压电阻；16、动态均 压电容；17、晶闸管；18、散热器；19、支柱绝缘子；21、绝缘子固定板； 23、静态均压电阻；24、高频送能电源；25、线圈支架；26、高压送能电缆； 27、取能线圈；28、TE板；29、TE板支撑架；30、支撑角板；31、绝缘角 钢；32、固定角铝

图7是主备两路式转换开关控制系统的电路原理图，CB1、CB2为断路 器，IS1、IS2、IS3、IS4、IS5、IS6为隔离开关，PS1、PS2、PS3为机械式 旁路开关（快速真空开关），TS1、TS2、TS3为晶闸管阀开关（即智能固态 切换开关）。

图8a和8b是单路式转换开关控制系统的电路原理图，分别展示的是软 开通和软关断两种状态

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。

本发明的智能型固态转换开关的核心组成部件是晶闸管，如图1至图5 和图6的电路原理图所示，本智能型固态转换开关包括

上端板1和下端板3以及连接上、下端板的多个绝缘拉杆6；

绝缘拉杆组件，它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，是开关的关键部件，它由8根M16的绝缘螺杆和16个M16 绝缘螺母及16个M16支撑绝缘螺母组成。如图1至图5所示，其承受的力 为40KN。它的最重要特点是8根全绝缘的拉杆即承受电气应力又承受机械应 力，而且绝缘拉杆的阻燃性能为UL94-V0级。

上、下端板之间固定设置有两组并联的晶闸管，如图6所示，每组包括 数量相等的多个串联的晶闸管，两组晶闸管的相对应的每对晶闸管也都反向 并联；晶闸管组的最大通流能力为630A。它的作用是开通及关断电流，通 过触发正反并联的2个晶闸管门极，来实现电力线路的开通、切换和关断。

如图6所示，每对晶闸管还并联有一静态均压电阻和一由一动态均压电 阻和一动态均压电容串联组成的动态均压单元；各个静态均压电阻还依次串 联，各个动态均压单元也都依次串联；进一步，所述动态、静态均压电阻为 玻璃釉膜电阻，所述动态均压电容为薄膜电容。

在本实施例中，由5只玻璃釉膜电阻及5只薄膜电容及其导电支架组成 动态均压组件，它的作用是在智能型固态转换开关晶闸管阀瞬态开通及关断 时，使正反并联晶闸管均压。它是利用与正反并联晶闸管并联的电容来吸收 晶闸管关断时杂散电感产生的电压尖峰，而与电容器串联的电阻作用是消耗 过压的能量。

静态均压电阻及其导电支架组成的组件，作用是在智能型固态转换开关 晶闸管阀稳态运行时，使正反并联晶闸管级均压。

还包括多个TE板，如图6所示，每对晶闸管的各个晶闸管的门极由一 个TE板分别连接控制；TE板的作用是根据智能型固态转换开关控制系统的 控制策略要求，触发智能型固态转换开关中的各个晶闸管的门极，使晶闸管 阀开通、切换。它也是智能型固态转换开关晶闸管阀的核心部件，是连接强 电与控制系统弱电之间的桥梁。本实施例中包括5块TE板及其支撑框架组 成。

如图6所示，每个TE板还连接有一取能线圈，还包括一高频送能电源 和与其电连接的一高压送能电缆，高压送能电缆穿过每个取能线圈；高频送 能电源通过高压送能电缆输出交流方波，经取能线圈感应为TE板提供触发 驱动能量；

如图1至图5所示，本实施例中提供了由1个高频送能电源、1根高压 送能电缆及10只取能线圈及线圈支架组成的取能组件，其高频送能电源可 输出15A频率高达100KHZ的交流方波。取能组件的作用是取得足够的能量 来供给晶闸管触发驱动电路。另外，它的最重要的作用是隔离强电高压系统 和弱电控制系统，使高低电位可以很好的隔离。

如图1至图5所示，每组晶闸管与上端板之间还设有一组为晶闸管提供 压装力的顶压结构组，每组顶压结构组包括一位于下方的压簧导柱，压簧导 柱套有多个碟形弹簧，碟形弹簧抵接一压簧导套的下部，压簧导套具有外螺 纹和内导孔，压簧导柱顶部对应穿入压簧导套的内导孔中，压簧导套上部穿 入上端板对应设置的通孔，压簧导套还套有调整螺母，调整螺母位于上端板 下方并与压簧导套的外螺纹啮合，旋动调整螺母能使其抵接与上端板下表 面。

压簧导柱、调整螺母、压簧导套、碟簧组组成顶压结构组，它的作用 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。按照晶闸管压装力要求，碟簧组产生的压装力为40KN。

进一步，还包括多个散热器18，每个晶闸管对应接触两个传导其热量的 散热器，且每个散热器还接入到电路中进行导电。

多个散热器组成的散热器组件，作用是传导晶闸管开通及关断过程中产 生的热量，防止超过晶闸管的最高工作结温。其另外的作用是导电。其导通 的最大稳态电流是630A。在本实施例中，散热器组由12只散热器组成，恰 好使10个晶闸管每个都能对应接触2个散热器。

如图1至图5所示，所述每个静态均压电阻呈竖立状由上至下依次安装 于一组晶闸管的一侧，相邻的两个静态均压电阻互相平行且首尾对应。所述 动态均压电阻和动态均压电容安装于两组晶闸管的同一侧面，且动态均压电 容分布两边，动态均压电阻位于中间，每个动态均压电阻呈水平状由上至下 依次安装。这种横、纵排列形式既满足了电气联接和绝缘要求又节省了布局 空间，使整个智能型固态转换开关结构紧凑化、一致化。

进一步，所述每组晶闸管包括五个晶闸管；实现10KV电力系统线路的 关断、开通和快速切换。

上下端板及支撑块等组成阀体框架组，它们的作用是支撑晶闸管组及散 热器组及其它电气组件，并通过顶压结构组对各个晶闸管和散热器施加规定 的压装力。

还包括有导电母排组件，由上下端软母排及每一正反并联晶闸管级连接 软母排组成，它的作用是在智能型固态转换开关晶闸管阀两端与触臂相连， 再通过触臂与母线进行电气连接。

还包括支撑组件，它是由2个支柱绝缘子19及固定板21组成，它的作 用是支撑智能型固态转换开关各个组件，且使晶闸管阀电气部分进行绝缘。

整个智能型固定转换开关的组装方法如下：

首先将下端板固定在支撑工装上，然后将8根绝缘螺杆和8个绝缘螺 母及8个绝缘定位螺母拧紧到下端板上。然后，再将8个绝缘定位螺母拧到 8根绝缘螺杆上，调整绝缘定位螺母的位置，使上下端板的距离为640.5mm， 将上端板放在绝缘定位螺母上，并用绝缘螺母拧紧固定牢靠，要保证上端板 和下端板的平行度在0.2mm之内。此时的阀体框架组件组装完毕，使之为 一个框架整体。

第二步是将垫块通过止口放在阀体下端板止口内，然后，在其中心放 入定位销，将下端母排放入定位销内，然后依次放入散热器、中心定位销、 晶闸管、中心定位销、散热器、晶闸管等，最后将上端母排放入定位销，此 时晶闸管组和散热器组安装完毕。

第三步是将顶压结构组件通过中心定位销固定在上端母排上，并将调 整螺母放在最松位置，准备压装。

第四步是将组装好的阀体置在液压机内，装好压导柱、套入碟形弹簧、 放上已旋装调整螺母的压簧导套，将液压机的压装力调整在40KN，开动液 压机，通过下压压簧导套压缩碟形弹簧，然后旋转调整螺母，使调整螺母紧 压在上端板上；然后，松开液压机，此时阀串压装完毕。同理，按照上述步 骤，将另外阀串压装完成。

第五步是将动态均压电容和动态均压电阻及其连接支撑件依次用螺钉 固定在散热器上。

第六步是将静态均压电阻及其连接支撑件依次用螺钉固定在散热器上。

第七步是将取能组件通过其两侧的绝缘角钢固定在上端板和下端板上。

第八步是将TE板组件通过支撑角板及2侧绝缘角钢固定在上端板和下 端板上。至此组装完毕。

本发明还提供了使用上述智能型固态转换开关的两种转换开关控制系 统结构形式，

其一为主备两路式转换开关控制系统，为提高供电可靠性，确保在暂态 电能质量下降如瞬时电压跌落、突升以及短时停电的情况下实现敏感负荷的 不间断供电，保证重要用户正常供电，须采取比常规的备用电源自投速度更 快且可靠性更高的技术措施来满足敏感和关键负荷对供电可靠性和电能质 量的严格要求。结合目前国内外解决暂态电能质量问题的有效途径，采用智 能固态切换开关技术，拟用主、备两路供电、两用户三切换单元的方案，其 拓扑形式如图7所示。

在10KV的主接电源（供电I路）和备用电源（供电II路）与负荷之间 分别连接有一路电路，每路电路由依次串联的一断路器、一隔离开关、一智 能型固态转换开关和一隔离开关组成，在负荷输入端前的两路的隔离开关输 出端之间还依次串接一隔离开关、一智能型固态转换开关和一隔离开关，所 述每个智能型固态转换开关还并联一机械式旁路开关。

由上可知，此系统包括3个切换单元，每个切换单元主要由快速机械开 关PS和晶闸管阀开关TS（即智能型固态切换开关）构成。为了在负荷不停 电状态下检修安全和方便，在每个切换单元的进、出线端都各串联1台隔离 开关。

正常稳态供电时，CB1、CB2、IS1、IS2、IS3、IS4、IS5、IS6、PS1、 PS2均闭合，PS3分断，TS1、TS2保持触发，TS3触发封锁（断态），此时 供电I路向负荷I段供电、供电II路向负荷II段供电，两供电回路相互独立。

当供电I路出现电压瞬时跌落或掉电时，PS1分闸、TS1触发封锁（断 态），TS3触发解锁,随即PS3合闸，将负荷I段切换到由供电II路供电，即 供电II路同时向负荷I段和II段供电。当供电I路电压恢复正常后，将PS3 分闸，TS3触发封锁（断态），TS1触发解锁，随即将PS1合闸，将负荷I 段切回到由供电I路供电。同理，当供电II路出现瞬时电压跌落或掉电时 PS2分闸、TS2触发封锁，TS3触发解锁,随即将PS3合闸，将负荷II段切 换到由供电I路供电，即供电I路同时向负荷I段和II段供电。当供电II路 电压恢复正常后，将PS3分闸，TS3触发封锁，TS2触发解锁，随即将PS2 合闸，将负荷II段切回到由供电II路供电。

本发明提供的另一种系统形式为：单路式转换开关控制系统，

如图8a和图8b所示，10KV的供电电源与负荷之间依次串联有一断路器、 一智能型固态转换开关和一三相变压器，三相变压器将电源转换为380V为 负荷供电，智能型固态转换开关还分别并联有一机械式旁路开关和一避雷 器。

此系统能实现基本的软开通和软关断功能，具体而言：

软开通：

如图8a所示，当10KV电力线路开通时（即当10KV供电系统给10KV 三相变压器供电，三相变压器变压为380V给负荷供电）。首先合CB断路 器，然后，通过控制系统让TS缓慢导通供电，在经过10-20秒后，再通过 控制系统程序闭合PS开关，同时控制程序让TS断开。此为软开通技术，可 以使电力变压器免遭激磁涌流冲击及延长CB断路器使用寿命，有利于过流 保护的整定，对于保护电力变压器、电力线路和电力设备颇有意义。能够使 变压器及断路器的寿命延长5倍以上。

软关断：

如图8b所示，当10KV电力线路断开时，首先通过控制系统让TS触发 导通，在TS导通的同时通过控制系统程序将PS开关分断，在PS开关分断 后，通过程序将TS分断，然后再将CB断路器分断。此为软关断技术，可 以使TS开关和CB断路器在分断线路时，出头没有电弧产生，延长TS开关 和CB断路器使用寿命，能够使开关及断路器的寿命延长10倍以上。

智能型固态转换开关位于电力系统中，它位于电力变压器前的一次电力 系统中，与进出母线柜、转换开关柜、断路器柜及控制系统柜组成一个切换 系统，该系统由智能型固态转换开关、电动隔离开关、真空断路器、电流互 感器、电压互感器、阀避雷器、接地开关及智能型固态转换开关控制柜等组 成。

智能型固态转换开主要用于电力线路的开通、切换、关断。在开通电力 线路时利用其软开通、软关断的性能，可以使电力变压器免遭激磁涌流冲击， 有利于过流保护的整定，对于保护电力变压器、电力线路和电力设备颇有意 义。

在供电要求较高的行业，如半导体制造业、化工企业、某些生产上的自 动控制系统、医院、发电厂以及其它具有精密仪器的用电单位，它用作电源 的备份投切和转换，是最理想的方案。

在优质电力园区中，将传统的机械转换开关改用智能型固态转换开关 后，利用其超快速转换功能，可以解决两路以上供电线路间的快速转换，从 而解决了高技术产业电能质量中的电压跌落问题，几乎所有的优质电力园区 方案都期望采用固态电力电子开关。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳 实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均 等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。