CN210839515U

CN210839515U - 高压开关

Info

Publication number: CN210839515U
Application number: CN201921506578.9U
Authority: CN
Inventors: 江思杰; 江传华; 黄波; 杨军; 毛勇
Original assignee: 722th Research Institute of CSIC
Current assignee: 722th Research Institute of CSIC
Priority date: 2019-09-11
Filing date: 2019-09-11
Publication date: 2020-06-23
Anticipated expiration: 2029-09-11

Abstract

本实用新型公开了一种高压开关，属于开关领域。所述高压开关包括激光源、电压变换模块、光电转换模块、以及晶闸管模块，所述晶闸管模块包括多个串联的晶闸管，所述激光源与所述光电转换模块光连接以生成并输出光信号至所述光电转换模块，所述电压变换模块与所述光电转换模块电连接以将外部高压交流电转换为多路低压交流电并输出至所述光电转换模块，所述光电转换模块与各个所述晶闸管电连接以基于所述多路低压交流电生成多路低压直流电，并当接收到所述光信号时控制所述多路低压直流电分别导通各个所述晶闸管。本实用新型提供的高压开关能够较快地响应通断，且未采用机械部件，避免机械部件在冲击电流大时发生打火现象。

Description

高压开关

技术领域

本实用新型涉及开关领域，特别涉及一种高压开关。

背景技术

在对潜通信工程中，甚低频(3kHz～30kHz)通信的发射功率通常很高，工作频段特殊，所使用的电容、电感设备的额定工作电压超过6kv，在此状态下长期工作可能出现由于其自身缺陷引起的器件发热、***等情况，因而在选用高压电容、电感时，对高压电容、电感进行校准至关重要。

传统的校准方法为谐振法，以校准电容为例，该谐振法包括：首先，将标准电感L_s和待测电容C组成串联或并联回路，由高频信号发生器供电；其次，调节高频信号发生器输出信号的频率，使满足LC谐振的谐振频率，并在电压稳定后，断开高频信号发生器并迅速闭合高压机械式开关，使形成LC谐振回路；然后，根据如下公式计算得到待测电容C的电容量，f₀为谐振频率。

在实现本实用新型的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：第一、机械式开关合闸瞬间，包括机械式开关在内的***组成谐振回路，冲击电流大，机械部件易发生打火，导致计算参数时的精度严重降低；第二、机械式开关响应速率低，使得***无法满足被校电容、电感的实际工作条件，影响测试结果的真实性。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种高压开关，能够较快地响应通断，且未采用机械部件，避免机械部件在冲击电流大时发生打火现象。所述技术方案如下：

本实用新型提供了一种高压开关，所述高压开关包括激光源、电压变换模块、光电转换模块、以及晶闸管模块，所述晶闸管模块包括多个串联的晶闸管，所述激光源与所述光电转换模块光连接以生成并输出光信号至所述光电转换模块，所述电压变换模块与所述光电转换模块电连接以将外部高压交流电转换为多路低压交流电并输出至所述光电转换模块，所述光电转换模块与各个所述晶闸管电连接以基于所述多路低压交流电生成多路低压直流电，并当接收到所述光信号时控制所述多路低压直流电分别导通各个所述晶闸管。

可选地，所述电压变换模块为变压器。

可选地，所述变压器的副边路数与所述晶闸管的数量相同。

可选地，所述光电转换模块包括驱动电路单元和光敏探测单元，所述驱动电路单元包括多个驱动电路，所述驱动电路的数量与所述晶闸管的数量相同，各所述驱动电路的输入端与所述变压器的副边中一个副边电连接，所述光敏探测单元与各所述驱动电路的输出端电连接以当接收到所述光信号时控制各所述驱动电路分别与各晶闸管连通、且当未接收到所述光信号时控制各所述驱动电路分别与各晶闸管断开。

可选地，所述光敏探测单元包括多个开关三极管、光敏探测器件、以及直流电压源，所述开关三极管的数量与所述驱动电路的数量相同，所述驱动电路的输出端通过所述开关三极管与所述晶闸管电连接，所述光敏探测器件与所述直流电压源构成串联回路，各所述开关三极管的基极均接入所述串联回路。

可选地，所述光敏探测器件为光敏三极管。

可选地，所述驱动电路包括整流电路、稳压限幅电路、以及滤波电路，所述整流电路与所述变压器的副边中一个副边电连接以对副边输出的低压交流电进行整流并输出目标低压直流电，所述稳压限幅电路与所述整流电路电连接以对所述目标低压直流电进行稳压和限幅，所述滤波电路与所述稳压限幅电路电连接以对稳压限幅后的目标低压直流电进行滤波。

可选地，所述高压开关还包括防护模块，所述防护模块与所述光电转换模块电连接以当所述晶闸管从导通到阻断时泄放所在回路上的多余电荷。

可选地，所述防护模块包括并联的阻容网络和气体放电管，所述阻容网络为电容和电阻的并联电路，所述阻容网络与所述气体放电管的第一并联点接地，所述阻容网络与所述气体放电管的第二并联点和所述光电转换模块电连接。

可选地，所述高压开关还包括控制器，所述控制器与所述激光源的控制端电连接以控制所述激光源生成并输出所述光信号。

本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过高压开关包括激光源、电压变换模块、光电转换模块、以及晶闸管模块，晶闸管模块包括多个串联的晶闸管，电压变换模块将外部高压交流电转换为多路低压交流电，光电转换模块基于多路低压交流电，生成多路低压直流电，当接收到激光光源模块输出的光信号时，控制多路低压直流电分别导通各晶闸管，这时高压开关导通，当未接收到光信号时，控制各晶闸管阻断，这时高压开关断开；由于是通过光信号触发高压开关的通断，光信号传播速度快，高压开关的通断响应时间快(瞬时切换速率可达到0.11ms)；此外，高压开关中未采用机械部件，避免机械部件在冲击电流大时发生打火现象。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的一种高压开关的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的变压器的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的光电转换模块的结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的一种高压开关的结构示意图；

图5是本实用新型实施例提供的防护模块的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

图1是本实用新型实施例提供的一种高压开关的结构示意图。参见图1，该高压开关100包括激光源1、电压变换模块2、光电转换模块3、以及晶闸管模块4。晶闸管模块4包括多个串联的晶闸管。激光源1与光电转换模块3光连接以生成并输出光信号至光电转换模块3，电压变换模块2与光电转换模块3电连接以将外部高压交流电转换为多路低压交流电并输出至光电转换模块3，光电转换模块3与各个晶闸管电连接以基于多路低压交流电生成多路低压直流电，并当接收到光信号时控制多路低压直流电分别导通各个晶闸管。

光电转换模块3具体用于，基于多路低压交流电，生成多路低压直流电，当接收到光信号时，控制多路低压直流电分别导通各晶闸管，当未接收到光信号时，控制各晶闸管阻断。

本实用新型实施例中，通过高压开关包括激光源、电压变换模块、光电转换模块、以及晶闸管模块，晶闸管模块包括多个串联的晶闸管，电压变换模块将外部高压交流电转换为多路低压交流电，光电转换模块基于多路低压交流电，生成多路低压直流电，当接收到激光光源模块输出的光信号时，控制多路低压直流电分别导通各晶闸管，这时高压开关导通，当未接收到光信号时，控制各晶闸管阻断，这时高压开关断开；由于是通过光信号触发高压开关的通断，光信号传播速度快，高压开关的通断响应时间快(瞬时切换速率可达到0.11ms)；此外，高压开关中未采用机械部件，避免机械部件在冲击电流大时发生打火现象。

示例性地，该高压开关还包括控制器。控制器与激光源1的控制端电连接以控制激光源1生成并输出光信号至光电转换模块3。

上述激光源1可以是小功率激光源，功率范围可以是0.5W～1W，激光源1的主要功能是触发光信号输出，从而控制晶闸管导通。该激光源1可以为5V供电，可通过控制器输出高低电平控制其输出光信号。小功率激光源为定制模块，所有满足上述功能的激光源均可适用。

示例性地，控制器具体用于，接收第一指示信号，在第一指示信号的指示下，输出高电平信号至激光源1的控制端，以使激光源1生成并输出光信号；当接收到第二指示信号时，停止输出高电平信号或者输出低电平信号至激光源1的控制端，以使激光源1停止生成光信号。

第一指示信号和第二指示信号均可由工作人员按照需要发送给控制器。

示例性地，电压变换模块2为变压器，变压器的副边路数与晶闸管的数量相同。一个副边对应一个晶闸管，不同副边对应的晶闸管不同。

示例性地，外部高压交流电的电压为220V，低压交流电的电压为5V。基于此，该变压器可以是高隔离度变压器，所使用的器件耐压等级均超过5kV，变压器的外框采用环氧树脂浇铸而成。高隔离度变压器的隔离重点主要集中在隔离220V交流输入端与主***(高压开关所接入的回路)，因此，在电路设计时采用了非共地的设计方式，使得高隔离度变压器与主***完全隔离，即便晶闸管端受到损伤，220V强高压也不会对主***造成影响。

图2是本实用新型实施例提供的变压器的结构示意图。参见图2，与一般的变压器不同，高隔离度变压器中，L₀为原边，输入交流220V；L₁、L₂、L₃为副边，输出交流5V，电流≥5A。值得注意的是，副边路数与晶闸管的数量对应，以1wV的耐压等级为例，则只需L₁、L₂两路副边，且L₁、L₂之间的直流耐压为6kV，L₁与L₀之间的直流耐压为6kV，L₂与L₀之间的直流耐压为1.2kV。

基于隔离防护特性，该高压开关可广泛应用于高压所、变电站等高压作业场所，用来配合实现高压电缆实时监测、故障诊断、定期维护等功能，解决了目前国内机械开关所不具备的高速开关切换、瞬态特性精确采集等问题，为高压大电流测试领域了一个良好的技术支撑。

图3是本实用新型实施例提供的光电转换模块3的结构示意图。示例性地，参见图3，光电转换模块3包括：驱动电路单元和光敏探测单元32。驱动电路单元包括多个驱动电路31，驱动电路31的数量与晶闸管的数量相同(一个驱动电路对应一个晶闸管，不同驱动电路对应的晶闸管不同)。各驱动电路31的输入端与变压器的副边中一个副边电连接(不同驱动电路连接的副边不同)。光敏探测单元32与各驱动电路的输出端电连接以当接收到光信号时，控制各驱动电路31分别与各晶闸管连通，当未接收到光信号时，控制各驱动电路31分别与各晶闸管断开。

示例性地，光敏探测单元32包括多个开关三极管、光敏探测器件、以及直流电压源。开关三极管的数量与驱动电路的数量相同，驱动电路的输出端通过开关三极管与晶闸管电连接(具体可以是，开关三极管的发射极和集电极分别与驱动电路和晶闸管的触发端电连接)，光敏探测器件与直流电压源构成串联回路，各开关三极管的基极均接入串联回路。

这样，当光敏探测器件在激光源1发出的光信号作用下导通串联回路，串联回路中的直流电压输出至各个开关三极管的基极，进而导通各个开关三极管，使得连通驱动电路与晶闸管，各个晶闸管导通，整个晶闸管模块构成的“开关”闭合，即高压开关闭合。反之，当晶闸管未导通，整个晶闸管模块构成的“开关”断开，即高压开关断开。

示例性地，光敏探测器件可以为光敏三极管。

示例性地，参见图3，驱动电路31包括整流电路31a、稳压限幅电路31b、以及滤波电路31c。整流电路31a与变压器的副边中一个副边电连接以对输入的低压交流电进行整流，并输出目标低压直流电。稳压限幅电路31b与所述整流电路电连接以对目标低压直流电进行稳压和限幅。滤波电路31c与所述稳压限幅电路电连接以对稳压限幅后的目标低压直流电进行滤波。

示例性地，目标低压直流电的电压为3.3V。稳压限幅后、以及滤波后的目标低压直流电的电压为3.3V，电流为0.3A。

示例性地，整流电路31a可以是桥式整流电路，稳压限幅电路31b可以包括钳位二极管，滤波电路31c可以是LC滤波电路。

光敏探测单元32通过光纤与小功率激光源相连，在获取小功率激光源发出的光信号后引导滤波后的目标低压直流电流向晶闸管触发端，从而触发晶闸管导通。

对于晶闸管，其耐压等级高压5kV，该晶闸管采用PNPN四层半导体结构，其导通时的电阻极小，一般为毫欧级，与所应用领域中通用负载的电阻值相差两到三个数量级，因此其导通电阻可忽略不计，便于无缝接入电力***的整体构架中。同时其具备硅整流器件的通用特性，即能在高电压、大电流条件下持续稳定工作，使得该高压开关能够广泛应用于电力***及高压大电流采样领域。

需要说明的是，晶闸管为定制模块，所有满足上述功能高的晶闸管均可适用。

图4是本实用新型实施例提供的一种高压开关的结构示意图。示例性地，参见图4，该高压开关100还包括防护模块5。防护模块5与光电转换模块3电连接以当晶闸管模块4从导通到阻断时泄放防护模块5所在回路上的多余电荷。

图5是本实用新型实施例提供的防护模块5的结构示意图。示例性地，参见图5，该防护模块5包括并联的阻容网络和气体放电管GDT。阻容网络为电容C和电阻R的并联电路，阻容网络与气体放电管GDT的第一并联点接地，阻容网络与气体放电管GDT的第二并联点和光电转换模块3电连接。

防护模块在进行高压分压的同时有效的防止了主***瞬态大电流或静电对光隔离电控高压开关所造成的干扰。光隔离电控高压开关断开时，防护模块能够及时的泄放回路上多余电荷(高压振荡或静电效应所产生的多余电荷)，起到了很好的高压大电流防护作用，从而对试验人员起到高压大电流保护的作用。

下面介绍该高压开关的一示例性应用场景。

以某型振荡波测试设备为试验对象，该振荡波测试设备原理是通过10KV直流高压源为LCR电路中的电容进行充电，在充电完毕后，切断高压源同时导通光隔离电控高压开关(本实施例提供的高压开关)使得LCR振荡回路形成，之后利用高压探头采集振荡波形，由计算机进行数据分析。实验步骤如下：

步骤1、试验开始，确保设备线路正确。

步骤2、开启高压源为标准电容充电。

步骤3、充电完毕后，断开高压源；同时，通过控制器向光隔离电控高压开关中的激光源提供控制信号。光隔离电控高压开关按照前述工作原理，使得晶闸管饱和导通，LCR振荡回路形成，***高压采样单元采集此时的瞬态波形并存储，用于后期数据处理；

步骤4、通过控制器断开激光源的控制信号，光隔离电控高压开关断开，通过防护模块高压对地泄放。

试验结束。

本实用新型实施例中，高压开关相较于传统机械式开关在瞬态响应、直流损耗及隔离度方面都有极大的提高，能够很好的满足电力***及采样***中的使用需求。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种高压开关，其特征在于，所述高压开关包括激光源、电压变换模块、光电转换模块、以及晶闸管模块，所述晶闸管模块包括多个串联的晶闸管，所述激光源与所述光电转换模块光连接以生成并输出光信号至所述光电转换模块，所述电压变换模块与所述光电转换模块电连接以将外部高压交流电转换为多路低压交流电并输出至所述光电转换模块，所述光电转换模块与各个所述晶闸管电连接以基于所述多路低压交流电生成多路低压直流电，并当接收到所述光信号时控制所述多路低压直流电分别导通各个所述晶闸管。

2.根据权利要求1所述的高压开关，其特征在于，所述电压变换模块为变压器。

3.根据权利要求2所述的高压开关，其特征在于，所述变压器的副边路数与所述晶闸管的数量相同。

4.根据权利要求3所述的高压开关，其特征在于，所述光电转换模块包括驱动电路单元和光敏探测单元，所述驱动电路单元包括多个驱动电路，所述驱动电路的数量与所述晶闸管的数量相同，各所述驱动电路的输入端与所述变压器的副边中一个副边电连接，所述光敏探测单元与各所述驱动电路的输出端电连接以当接收到所述光信号时控制各所述驱动电路分别与各晶闸管连通、且当未接收到所述光信号时控制各所述驱动电路分别与各晶闸管断开。

5.根据权利要求4所述的高压开关，其特征在于，所述光敏探测单元包括多个开关三极管、光敏探测器件、以及直流电压源，所述开关三极管的数量与所述驱动电路的数量相同，所述驱动电路的输出端通过所述开关三极管与所述晶闸管电连接，所述光敏探测器件与所述直流电压源构成串联回路，各所述开关三极管的基极均接入所述串联回路。

6.根据权利要求5所述的高压开关，其特征在于，所述光敏探测器件为光敏三极管。

7.根据权利要求4所述的高压开关，其特征在于，所述驱动电路包括整流电路、稳压限幅电路、以及滤波电路，所述整流电路与所述变压器的副边中一个副边电连接以对副边输出的低压交流电进行整流并输出目标低压直流电，所述稳压限幅电路与所述整流电路电连接以对所述目标低压直流电进行稳压和限幅，所述滤波电路与所述稳压限幅电路电连接以对稳压限幅后的目标低压直流电进行滤波。

8.根据权利要求1-7任一项所述的高压开关，其特征在于，所述高压开关还包括防护模块，所述防护模块与所述光电转换模块电连接以当所述晶闸管从导通到阻断时泄放所在回路上的多余电荷。

9.根据权利要求8所述的高压开关，其特征在于，所述防护模块包括并联的阻容网络和气体放电管，所述阻容网络为电容和电阻的并联电路，所述阻容网络与所述气体放电管的第一并联点接地，所述阻容网络与所述气体放电管的第二并联点和所述光电转换模块电连接。

10.根据权利要求1-7任一项所述的高压开关，其特征在于，所述高压开关还包括控制器，所述控制器与所述激光源的控制端电连接以控制所述激光源生成并输出所述光信号。