專利名稱：混合式斷路器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種混合式斷路器，包括第一電路，其包括主電流路徑，其包括機(jī)械開(kāi)關(guān)元件、以及與該主電流路徑并聯(lián)地布置并包括可控半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的至少ー個(gè)換流路徑。本發(fā)明還涉及包括根據(jù)本發(fā)明的混合式斷路器的電源系統(tǒng)。所述斷路器是電流斷路器。特別地，其可以形成AC電カ系統(tǒng)的一部分。特別地，其可以形成中壓或高壓電カ系統(tǒng)的一部分，中壓或高壓指的是400V或以上的電壓。然而，不排除較低電壓應(yīng)用。機(jī)械開(kāi)關(guān)元件可以包括任何類型的機(jī)械開(kāi)關(guān)，該機(jī)械開(kāi)關(guān)包括可關(guān)于其開(kāi)關(guān)操作可相對(duì)于彼此移動(dòng)的第一和第二接觸元件。通常，機(jī)械開(kāi)關(guān)包括機(jī)械斷路器。·可控半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件可以是基于半導(dǎo)體技術(shù)且具有可控特性的任何種類的固態(tài)斷路器，諸如可控晶閘管、IGBT (絕緣柵雙極晶體管)、IGCT (絕緣柵換流晶閘管)或GT0，其全部是本領(lǐng)域中眾所周知的。措辭“可控”指示正在討論中的元件只要向其施加適當(dāng)?shù)目刂破渚痛蜷_(kāi)或閉合。因此，在這方面，可控半導(dǎo)體元件是有源元件，至少不是無(wú)源的。
背景技術(shù)：
常規(guī)機(jī)械斷路器長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)已被用于故障電流的中斷。在已檢測(cè)到短路或過(guò)載情況之后，在開(kāi)關(guān)機(jī)械地打開(kāi)之前經(jīng)歷一定的時(shí)間(電線頻率的多個(gè)周期)。隨后，發(fā)生電弧，其最初對(duì)電流幾乎沒(méi)有影響。假設(shè)機(jī)械斷路器的觸點(diǎn)的區(qū)域中的等離子體被顯著地冷卻以避免再次點(diǎn)火，該電流只能在其固有過(guò)零點(diǎn)處被熄滅。結(jié)果，關(guān)閉短路將花費(fèi)至少I(mǎi)OOms (沒(méi)有檢測(cè)時(shí)間)，即多個(gè)線路周期。由于常規(guī)斷路器的打開(kāi)和閉合所固有的熱和電應(yīng)力，此類斷路器傳統(tǒng)上是非常大且昂貴的設(shè)備，在許多開(kāi)關(guān)操作之后要求昂貴的維護(hù)。在故障電流的中斷期間跨觸點(diǎn)發(fā)生的起弧可能損壞接觸電極并限制機(jī)械斷路器的噴嘴。為此，常規(guī)斷路器要求頻繁的檢查和昂貴的維護(hù)。起弧的問(wèn)題對(duì)于其中要求高開(kāi)關(guān)頻率的斷路器應(yīng)用(諸如傳送機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、微動(dòng)和反向操作、エ業(yè)加熱器、測(cè)試床等)而言變得非常嚴(yán)重。高電流短路間隙的數(shù)目對(duì)于當(dāng)代機(jī)械設(shè)備而言不限于約10至15次。使用這些傳統(tǒng)機(jī)械斷路器不能影響峰值電流。因此，所有網(wǎng)絡(luò)組件在開(kāi)關(guān)期間必須耐受峰值電流。機(jī)械斷路器還具有最大短路電流額定值。此電流限制迫使電網(wǎng)的設(shè)計(jì)者例如通過(guò)使用附加線路電感來(lái)限制電網(wǎng)的短路功率。然而，這些措施還降低電網(wǎng)的最大可傳輸功率和“硬度”，導(dǎo)致電壓畸變的増加。在短路時(shí)間期間，整個(gè)電網(wǎng)上的電壓被顯著地降低。由于斷路器的長(zhǎng)關(guān)斷延遲，可感測(cè)負(fù)載要求UPS支持以幸免于此下降，這對(duì)于成套廠房設(shè)備而言是昂貴且可能并是不可行的。功率電子學(xué)的最新發(fā)展使得用半導(dǎo)體來(lái)替換這些機(jī)械式斷路器、以便獲得非?？焖俚南到y(tǒng)變得實(shí)際?；诟吖β拾雽?dǎo)體的此類靜態(tài)斷路器在與常規(guī)解決方案相比較時(shí)潛在地提供許多優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)楣虘B(tài)斷路器能夠在幾微秒內(nèi)開(kāi)關(guān)。其還要求非常少的維護(hù)。由于不存在移動(dòng)部分，所以不存在起弧、觸點(diǎn)顫動(dòng)或腐蝕。最近，在用于AC和DC應(yīng)用的低功率固態(tài)斷路器的開(kāi)發(fā)中已實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)大的進(jìn)展。固態(tài)斷路器的主要缺點(diǎn)是由連續(xù)負(fù)載電流產(chǎn)生的高熱損耗。諸如晶閘管、IGBT和GTO的電子開(kāi)關(guān)器件始終具有跨其端子的電壓降，其導(dǎo)致通過(guò)I2R損耗的加熱。熱量取決于電流。隨著電流増加，此缺點(diǎn)開(kāi)始顯現(xiàn)且大的熱沉變成必需品。在非常高的電流下，機(jī)電斷路器仍被牢固地建立，不存在固態(tài)斷路器替換其的短期可能性?；诮?jīng)驗(yàn)，可以推斷存在斷路器必須滿足的基本上三個(gè)要求。首先，在其導(dǎo)通狀態(tài)期間，其必須以最小的功率損耗傳導(dǎo)大的電流。其次，在檢測(cè)到故障的情況下，應(yīng)能夠在該過(guò)程中沒(méi)有自毀的情況下使其本身轉(zhuǎn)變至其閉鎖狀態(tài)。最后，其隨后當(dāng)然必須阻止任何電流流動(dòng)，盡管在其端子上具有高電位。機(jī)械斷路器通過(guò)其構(gòu)造理想地適合于這些要求中的第一個(gè)和最后ー個(gè)，但是由于大的電路電感，其可能在第二要求中失敗，除非使用足夠的設(shè)計(jì)公差。另ー方面，半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)由于其小但仍有限的通態(tài)電阻而不適合于第一要求，但對(duì)于其它兩個(gè)仍能夠很好地執(zhí)行。因此顯著的可能性是半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)和機(jī)械斷路器的并聯(lián)組合可能很好地將兩者的優(yōu)點(diǎn)組合，并且同時(shí)降低了在単獨(dú)地使用的情況下可能需要的要求。
形成現(xiàn)有技術(shù)的此混合式斷路器的必需思想是通過(guò)正常手段來(lái)檢測(cè)故障并發(fā)起機(jī)械斷路器的打開(kāi)。在已達(dá)到幾百弧伏之后，可以閉合并聯(lián)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)。電流轉(zhuǎn)移至半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)且機(jī)械斷路器完全打開(kāi)并清空(clear)。半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)隨后被其控制電極上的適當(dāng)信號(hào)(或信號(hào)的缺少)打開(kāi)，并且電流被傳遞至第三并聯(lián)器件，其組成用于電感故障電流的耗散網(wǎng)絡(luò)，使混合式斷路器系統(tǒng)打開(kāi)井清空，阻斷可能是幾百kV的滿源電位。機(jī)械斷路器上的介電和機(jī)械應(yīng)カ被大大地降低，因?yàn)樵谄浯蜷_(kāi)過(guò)程期間機(jī)械斷路器絕不會(huì)經(jīng)歷遠(yuǎn)大于觸發(fā)半導(dǎo)體器件所需的低壓，其也不會(huì)在任何時(shí)間在其端子上經(jīng)歷滿故障電流(可能幾kA)起弧。此混合式斷路器因此允許構(gòu)造更可靠且具有更高額定功率和更快響應(yīng)和重新閉合時(shí)間且另外具有多重操作的能力的斷路器。然而，與固態(tài)器件相組合地使用常規(guī)AC機(jī)械斷路器由于以下各項(xiàng)而具有挑戰(zhàn)性I.兩種組件所需的不同反應(yīng)時(shí)間(故障檢測(cè)、中斷時(shí)間)，即常規(guī)AC機(jī)械斷路器的中斷時(shí)間tin在m sec < tint < sec級(jí)別內(nèi)，同時(shí)可控固態(tài)器件IGBT的中斷時(shí)間tint在μ sec < tint < m sec范圍內(nèi)。如果電路的雜散電感是非常低的，則通過(guò)固態(tài)器件的電流中斷可以在幾微秒范圍內(nèi)。2.不同的電流額定值能力，即常規(guī)AC機(jī)械斷路器能夠中斷幾十kA的故障電流，但是另一方面，諸如IGBT的可控固態(tài)器件能夠中斷僅一定kA的電流。3.電弧電壓。事實(shí)是故障電流越高，電弧電壓越高。為了能夠使電流從機(jī)械斷路器換流至固態(tài)器件，要求為固態(tài)器件電壓降的兩倍高的電弧電壓。4.換流時(shí)間。如果環(huán)路電感是高的，則要求高換流時(shí)間。高換流時(shí)間導(dǎo)致故障電流的幅值的進(jìn)ー步增加，因此，迫使固態(tài)器件中斷非常高的電流。5.由于以下各項(xiàng)，固態(tài)器件的傳導(dǎo)時(shí)間是關(guān)鍵的a.要求高傳導(dǎo)時(shí)間，以便完全使電流從機(jī)械斷路器換流至固態(tài)器件。b.當(dāng)環(huán)路電感是高的時(shí)，要求高傳導(dǎo)時(shí)間。c.要求高傳導(dǎo)時(shí)間以便消除機(jī)械斷路器的電弧電壓，即沒(méi)有電流流過(guò)機(jī)械斷路器。
高傳導(dǎo)時(shí)間導(dǎo)致高傳導(dǎo)損耗，并且結(jié)果導(dǎo)致可能引起器件故障的器件的過(guò)熱。因此，應(yīng)保持傳導(dǎo)時(shí)間盡可能地低。此外，失步間隔可以導(dǎo)致在幾kA范圍內(nèi)的極高的關(guān)斷電流。此高電流將要求具有高峰值電流關(guān)斷能力或與器件的并聯(lián)連接的半導(dǎo)體。由于可允許電壓斜率是恒定的，所以較高的電網(wǎng)電壓將加劇此缺點(diǎn)，因?yàn)楸仨氃黾邮Р介g隔。作為示例，對(duì)于30kV的電網(wǎng)電壓而言，其將是375微秒。對(duì)于低壓斷路器而言，此失步間隔設(shè)置還考慮了過(guò)載條件，導(dǎo)致通過(guò)半導(dǎo)體的類似高電流流動(dòng)要求。如前部分中所述，標(biāo)準(zhǔn)混合式斷路器遭受長(zhǎng)失步間隔的缺點(diǎn)?？梢酝ㄟ^(guò)阻止電弧的點(diǎn)火或限制失步間隔期間的電流峰值來(lái)避免此缺點(diǎn)。本發(fā)明主要g在防止在中斷機(jī)械開(kāi)關(guān)的動(dòng)作期間機(jī)械開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)之間的電弧的點(diǎn)火。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出ー種混合式斷路器，其根據(jù)保持其機(jī)械開(kāi)關(guān)兩端的電壓足夠低以防止關(guān)于機(jī)械開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)操作的機(jī)械開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)之間的起弧的原理進(jìn)行工作。
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本發(fā)明的目的還有提出ー種混合式斷路器，其在中斷期間呈現(xiàn)出減小的失步間隔，并且因此導(dǎo)致其靜態(tài)斷路器中的減少的關(guān)斷電流及較少的過(guò)熱和損耗。借助于在權(quán)利要求I的前序中限定的混合式斷路器來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，其特征在于其還包括在所述換流路徑中提供的與所述可控半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件串聯(lián)的第一電容器，以及與第一電路串聯(lián)地布置且包括被相互串聯(lián)地布置的第二電容器和電感發(fā)生元件的第二電路。在斷路器被連接到的功率系統(tǒng)的線路頻率下，第ニ電路中的第二電容器和電感發(fā)生元件的串聯(lián)組合形成串聯(lián)諧振電路，條件是其組件被調(diào)諧至線路頻率。因此，在此狀態(tài)下，由此提出的布置提供的阻抗與純機(jī)械斷路器的那些幾乎相同，因?yàn)榈诙娙萜骱碗姼邪l(fā)生元件的串聯(lián)組合在線路頻率下提供幾乎零阻杭。在故障的情況下，此提出的配置根據(jù)注入反電壓的原理進(jìn)行工作。雖然機(jī)械開(kāi)關(guān)在失步間隔內(nèi)不能阻止?jié)M電壓，但其阻止能力與時(shí)間成正比地增カロ。這提供在失步間隔期間允許跨斷路器的恒定電壓斜率的機(jī)會(huì)。在功率電子學(xué)中，這是由被并聯(lián)地連接到半導(dǎo)體器件的電容器實(shí)現(xiàn)的。因此，電容器也將被并聯(lián)地連接到機(jī)械開(kāi)關(guān)。在提出的配置中已通過(guò)使用與可控半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)串聯(lián)的所述第一電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)此思想。如上所述，為了在線路頻率下實(shí)現(xiàn)跨第二電路的幾乎零阻抗，第二電路的第二電容器和電感發(fā)生元件被相對(duì)于其中必須布置斷路器的電カ系統(tǒng)的線路頻率進(jìn)行調(diào)諧，使得其在所述線路頻率下形成串聯(lián)諧振電路。根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例，對(duì)于預(yù)定操作條件而言，機(jī)械開(kāi)關(guān)元件具有預(yù)定電弧電壓，并且在換流路徑中提供的第一電容器的電容被確定大小，使得所述第一電容器兩端的電壓在所述預(yù)定操作條件下不超過(guò)電弧電壓。所述預(yù)定條件可以包括斷路器氣氛(機(jī)械開(kāi)關(guān)元件的觸點(diǎn)區(qū)域中的壓力、溫度和氣體混合物的類型)。在故障發(fā)生之后以及當(dāng)機(jī)械開(kāi)關(guān)開(kāi)始打開(kāi)時(shí)，可控半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)被導(dǎo)通。這促使故障電流經(jīng)由接通的半導(dǎo)體換流至第一電容器。為了防止觸點(diǎn)之間的起弧，應(yīng)保持機(jī)械開(kāi)關(guān)兩端的電壓足夠低。為了保證安全的關(guān)斷過(guò)程，電壓必須在氣隙兩端的臨界電壓斜率之下。通過(guò)適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)換流路徑中的第一電容器，不允許第一電容器兩端的電壓超過(guò)電弧電壓。可以用以下等式來(lái)估計(jì)換流路徑中的第一電容器的電容。Cs = ibrenkerΔtmech/Varc.如果導(dǎo)致在預(yù)定操作條件期間實(shí)現(xiàn)足夠的電感的話，第二電路中的電感發(fā)生元件可以僅包括電感器本身。然而，根據(jù)第一實(shí)施例，所述電感發(fā)生元件是由電感器L形成的。從而，獲得技術(shù)上不復(fù)雜且可靠的解決方案。根據(jù)替換實(shí)施例，所述電感發(fā)生元件是由變壓器形成的，其次級(jí)繞組被與電阻元件和第二可控半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)串聯(lián)地連接。變壓器的初級(jí)繞組被與第二電路中的第二電容器串聯(lián)地連接。在正常操作條件下，當(dāng)不存在故障時(shí)，第二可控半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)被關(guān)斷，因此，變壓器的初級(jí)繞組的電感和第二電容器形成線路頻率下的串聯(lián)諧振電路。當(dāng)故障電流被換流至換流路徑中的第一電容器吋，與變壓器的次級(jí)繞組串聯(lián)的第二可控半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)被導(dǎo)通，通過(guò)與第一電容器、第二電容器和由變壓器產(chǎn)生的電感形成失諧電路而導(dǎo)致足夠高的阻杭。這將進(jìn)一歩降低半導(dǎo)體以及還被與之連接的網(wǎng)絡(luò)組件的要求的電流額定值。根據(jù)仍另ー實(shí)施例，第二電路包括被與所述第二電容器和電感發(fā)生元件的串聯(lián)連 接并聯(lián)地連接的第二電感發(fā)生元件。此布置導(dǎo)致由第二電容器和第二電感發(fā)生元件形成并聯(lián)諧振電路，其與在換流路徑中提供的第一電容器的電容組合地向故障電流提供極高的阻杭。這將導(dǎo)致流過(guò)半導(dǎo)體的故障電流的進(jìn)ー步減少，從而減少后者的發(fā)熱和損耗。優(yōu)選地，第二電感發(fā)生元件包括電感器。此解決方案在第一電感發(fā)生元件包括具有其關(guān)聯(lián)電阻元件和第二半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件的上述變壓器時(shí)的那些情況下是特別優(yōu)選的。根據(jù)本發(fā)明的仍另ー實(shí)施例，本發(fā)明的混合式斷路器的第一電路包括與所述換流路徑并聯(lián)地布置的耗散電路。該耗散電路還被與主電流路徑并聯(lián)地布置。該耗散電路可以是能夠關(guān)于斷路器的電流中斷活動(dòng)在可控半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的中斷動(dòng)作時(shí)耗散能量的任何種類的電路或系統(tǒng)。通常，此類系統(tǒng)可以包括諸如變阻器等的電壓相關(guān)電阻。作為替換，其可以包括所謂的緩沖電路。然而，在其中電流低或非常低的情況下，可以省略該耗散電路。在優(yōu)選實(shí)施例的以下詳細(xì)描述和所附專利權(quán)利要求中將提出本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)。


現(xiàn)在將參考附圖來(lái)更詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施例，在附圖中，圖Ia和Ib示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電流混合式斷路器的圖，圖2是示出根據(jù)圖I的斷路器的主要工作原理的圖，圖3示出根據(jù)本發(fā)明的混合式斷路器的第一實(shí)施例，圖4示出根據(jù)本發(fā)明的混合式斷路器的第二實(shí)施例，圖5示出根據(jù)本發(fā)明的混合式斷路器的第三實(shí)施例，以及圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的斷路器的主要操作原理的圖，出于比較目的在圖中用點(diǎn)線來(lái)指示根據(jù)圖2的工作原理。
具體實(shí)施例方式圖Ia和Ib示出現(xiàn)有技術(shù)的混合式斷路器的兩個(gè)實(shí)施例，所述實(shí)施例還形成根據(jù)本發(fā)明的斷路器的第一電路的主要部分的兩個(gè)示例，如稍后將看到的。在圖Ia和Ib中，展示了雙向混合式斷路器的兩個(gè)不同配置。在兩個(gè)實(shí)施例中，提供了具有機(jī)械開(kāi)關(guān)元件2的主電流路徑I、并聯(lián)至主路徑且包括可控半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件4的換流路徑3以及與主路徑I和換流路徑3并聯(lián)地布置且被提供有諸如變阻器等的適當(dāng)耗散元件6的耗散電路5。從這些圖顯而易見(jiàn)的是能夠由本身已知且如圖Ia所示的單個(gè)可控半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件4以及布置在橋中的四個(gè)ニ極管16或者如圖Ib所示単獨(dú)地由兩個(gè)可控半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件4來(lái)實(shí)現(xiàn)電路的雙向能力。應(yīng)注意的是根據(jù)器件的額定值，圖Ia和Ib所示的每個(gè)半導(dǎo)體元件4可以是類似半導(dǎo)體器件的ー組或串聯(lián)或并聯(lián)組合，其整體地充當(dāng)單個(gè)元件或器件。可控開(kāi)關(guān)元件4可以是可控晶閘管、GTO、IGBT或IGCT等。還參考圖2來(lái)描述類似于圖Ia和Ib所示的那些中的任何ー個(gè)的混合式斷路器的操作。在圖2中，Ip是流過(guò)具有圖Ia和Ib的斷路器的網(wǎng)絡(luò)的故障電流的最大值，Ish是圖Ia和Ib的斷路器在操作中時(shí)的故障電流的峰值，Td是故障發(fā)生的時(shí)刻與故障檢測(cè)的時(shí)刻之間的時(shí)間延遲，T是故障發(fā)生的時(shí)刻與半導(dǎo)體元件4開(kāi)始傳導(dǎo)時(shí)之間的時(shí)間間隙，Tg是故障發(fā)生的時(shí)刻與耗散元件6開(kāi)始吸收能量時(shí)之間的時(shí)間間隙，并且Tv是在其間圖Ia和Ib的耗散元件6吸收能量的時(shí)間間隔。在正常操作期間，當(dāng)通過(guò)主路徑I傳導(dǎo)電流時(shí)，只有斷路器的機(jī)械開(kāi)關(guān)元件2實(shí)際上被閉合，從而傳導(dǎo)整個(gè)電流。一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件4處于打開(kāi)、即非傳導(dǎo)狀態(tài)，以避免由于其固有電阻而引起的損耗及其發(fā)熱。當(dāng)檢測(cè)到任何種類的故障且通過(guò)斷路器的電流將被關(guān)斷、即將執(zhí)行斷路吋，必須首先激活半導(dǎo)體元件4，·提供用于電流換流過(guò)程的并聯(lián)支路，即打開(kāi)換流路徑3以便通過(guò)后者來(lái)傳導(dǎo)電流。接下來(lái)，打開(kāi)機(jī)械開(kāi)關(guān)元件2，導(dǎo)致負(fù)責(zé)電流到換流路徑3的換流的電弧電壓。由于機(jī)械開(kāi)關(guān)元件4的觸點(diǎn)(在這里未示出)之間的氣隙不能阻斷滿電壓，所以半導(dǎo)體元件4必須承載電流達(dá)一定量的時(shí)間，導(dǎo)致無(wú)阻礙的電流斜率。一旦經(jīng)歷了此保持間隔，則半導(dǎo)體元件4被關(guān)斷，即再一次使其進(jìn)入其非傳導(dǎo)狀態(tài)。在半導(dǎo)體元件4的關(guān)斷之后，環(huán)路電感中的儲(chǔ)能被耗散電路5中的耗散元件(或過(guò)電壓保護(hù)元件)6吸收?，F(xiàn)在參考圖3，將更詳細(xì)地描述根據(jù)本發(fā)明的電流混合式斷路器的第一實(shí)施例。與現(xiàn)有技術(shù)的混合式斷路器同樣地，本發(fā)明的斷路器包括具有機(jī)械開(kāi)關(guān)元件2的主電流路徑I、并聯(lián)至主路徑且包括可控半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件4的換流路徑3、以及與主路徑I和換流路徑3并聯(lián)地布置且被提供有諸如變阻器等的適當(dāng)耗散元件6的耗散電路5。優(yōu)選地，機(jī)械開(kāi)關(guān)元件2是機(jī)械斷路器，而可控半導(dǎo)體元件可以是可控晶閘管、IGBT、IGCT或GTO或任何類似器件中的任何一個(gè)或組合。優(yōu)選地，斷路器被布置在中壓或高壓配電網(wǎng)中或不同網(wǎng)絡(luò)之間。在圖3中(與圖4和5的實(shí)施例同樣地)，SI和S2指示此類網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)點(diǎn)或此類網(wǎng)絡(luò)之間的結(jié)點(diǎn)，斷路器被布置在所述點(diǎn)或結(jié)點(diǎn)SI、S2之間并將其電連接。該ー個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)是呈現(xiàn)預(yù)定線路頻率的AC網(wǎng)絡(luò)。除被本發(fā)明的斷路器與現(xiàn)有技術(shù)的斷路器共享的上述組件之外，本斷路器還呈現(xiàn)出在換流路徑3中提供的與其可控半導(dǎo)體元件4串聯(lián)的第一電容器7。連同已提到的組件一起，此電容器形成本發(fā)明的斷路器的第一電路8的一部分。此外，本發(fā)明的斷路器還包括與第一電路8串聯(lián)地提供的第二電路9。第二電路9包括被相互串聯(lián)地布置的第二電容器10和電感發(fā)生元件11。在圖3所示的實(shí)施例中，電感發(fā)生元件11包括電感器。第二電容器10和電感器11被關(guān)于其中布置了斷路器的網(wǎng)絡(luò)的線路頻率進(jìn)行調(diào)諧，使得其在電流僅通過(guò)本發(fā)明的斷路器的主電流路徑I傳導(dǎo)時(shí)的正常操作期間形成在所述線路頻率下的完美諧振電路。從而，當(dāng)斷路器被去激活時(shí)，在正常操作條件期間，由所述第二電容器10和電感器11的組合生成幾乎零阻杭。在斷路器的任ー側(cè)的故障發(fā)生之后，或者當(dāng)機(jī)械開(kāi)關(guān)元件2開(kāi)始打開(kāi)時(shí)，兩個(gè)可控半導(dǎo)體元件4中的相應(yīng)的ー個(gè)被導(dǎo)通，即打開(kāi)以用于通過(guò)它的電流的傳導(dǎo)。這促使故障電流經(jīng)由接通的半導(dǎo)體元件4換流至換流路徑3和第一電容器7。為了防止觸點(diǎn)之間的起弧，應(yīng)保持機(jī)械開(kāi)關(guān)元件2兩端的電壓足夠低。為了保證安全的關(guān)斷過(guò)程，電壓必須在氣隙兩端的臨界電壓斜率之下。通過(guò)適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)第一電容器7，不允許所述第一電容器7兩端的電壓超過(guò)電弧電壓Varc。當(dāng)故障電流流過(guò)第一電容器且通過(guò)電感器11與第二電容器10的串聯(lián)組合吋，結(jié)果得到的SI和S2之間的LC電路不再處于串聯(lián)諧振。這是因?yàn)榇穗娐返牡刃щ娙莠F(xiàn)在是第一電容器7和第二電容器10的串聯(lián)組合。電容器7、10的此特定提供導(dǎo)致針對(duì)流過(guò)半導(dǎo)體元件4的故障電流的高阻抗。根據(jù)結(jié)果得到的電感和電容值，故障電流可能受到重要因素(significant factor)的限制。故障電流另外將受到第一電容器現(xiàn)在已被充電至電弧被熄滅之后的電壓的事實(shí)的限制。此電壓充當(dāng)反電壓，并且也限制故障電流。因此，與參考圖I和2在前述部分中詳述的常規(guī)情況下相反，圖3中的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件4不要求具有非常高的電流額定值。圖3中的變阻器6等具有與前文參考圖I所述的那個(gè) 相同的功能。在圖4中提出本發(fā)明的混合式斷路器的第二實(shí)施例。在本實(shí)施例中，電感發(fā)生元件包括變壓器12。變壓器12的初級(jí)繞組被與第二電容器10串聯(lián)地連接。此變壓器的次級(jí)繞組被與優(yōu)選地由電阻器形成的電阻元件13和第二可控半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件14串聯(lián)地連接。在正常操作條件下，當(dāng)不存在故障時(shí)，第二可控半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件14被關(guān)斷(即處于非傳導(dǎo)狀態(tài))，因此，變壓器12的初級(jí)繞組電感和第二電容器以與上文參考第一實(shí)施例所討論的相同的方式形成線路頻率下的串聯(lián)諧振電路。當(dāng)在檢測(cè)到故障時(shí)故障電流被換流至換流路徑且從而至位于其中的第一電容器7吋，第二可控半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件被導(dǎo)通，這通過(guò)與第一和第二電容器7、10和變壓器12形成失諧電路而導(dǎo)致足夠高的阻杭。這將進(jìn)一歩降低半導(dǎo)體以及被與之相連的任何網(wǎng)絡(luò)組件的要求電流額定值。如果圖4中的電阻元件13的電阻值被取得過(guò)小，例如，如果僅僅將其視為第二可控半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件14的通態(tài)電阻，則在第二半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件14的通態(tài)的時(shí)間間隔期間由變壓器布置提供的結(jié)果得到的阻抗將是可忽略的。在該情況下，故障電路將受到由第一和第二電容器7、10的串聯(lián)連接提供的阻抗的限制。同樣地，對(duì)于電阻元件13的所述電阻的適當(dāng)?shù)母叩闹刀?，故障電流限制程度將是不同的。因此，根?jù)電流限制要求且考慮到各種無(wú)源組件的實(shí)際尺寸，可以選擇適當(dāng)?shù)呐渲?。在圖5中，示出了基于如先前參考圖3和4所討論的類似概念的另ー實(shí)施例。本實(shí)施例與圖4所示的那個(gè)的不同之處在于第二電路9包括與第二電容器10和變壓器12的串聯(lián)連接并聯(lián)地布置的第二電感發(fā)生元件15。優(yōu)選地，如在本實(shí)施例中的情況下，第二電感包括電感器。然而，還可設(shè)想其它解決方案。在不存在故障時(shí)的情況下，線路電流流過(guò)變壓器12和第二電容器10的串聯(lián)諧振電路和機(jī)械觸點(diǎn)，條件是第二可控半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件14被關(guān)斷。在這種情況下，電阻元件13的電阻是足夠小的，使得當(dāng)?shù)诙煽匕雽?dǎo)體開(kāi)關(guān)元件14在故障的情況下被導(dǎo)通吋，由變壓器12提供給故障電流的結(jié)果得到的阻抗變得幾乎可忽略。這導(dǎo)致第二電容器10和第二電感發(fā)生元件15的并聯(lián)諧振電路，其與第一電容器7組合地向故障電流提供極高的阻杭。與其它實(shí)施例相比，這將引起流過(guò)第一可控半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件4的故障電流的進(jìn)ー步減小。在圖6中，舉例說(shuō)明通過(guò)根據(jù)本發(fā)明提出的混合式斷路器的電流的不同波形，其中，已示出了斷路器的全開(kāi)序列。參考圖3-圖5，im表示通過(guò)機(jī)械斷路器2的電流，is表示通過(guò)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件4的電流，并且iv表示通過(guò)耗散電路5及其耗散元件/變阻器6的電流。Mech. CB代表機(jī)械電流斷路器。在圖6中，點(diǎn)劃波形表示將在使用類似于圖I的常規(guī)混合電路時(shí)獲得且與先前在圖2中描繪的相同的電流。除與針對(duì)圖2所述且在圖2中示出的那些相同的符號(hào)之外，圖6還呈現(xiàn)出以下符號(hào)1pm是流過(guò)具有圖3、圖4和圖5提出的斷路器中的ー個(gè)的網(wǎng)絡(luò)的故障電流的最大值，Ishm是圖3或圖4或圖5的斷路器在操作中時(shí)的故障電流的峰值，T是故障發(fā)生的時(shí)刻與如圖I、圖3、圖4和圖5中的半導(dǎo)體中的ー個(gè)(取決于故障位置)開(kāi)始傳導(dǎo)時(shí)之間的時(shí)間間隙，并且Tvm是在其間圖3或圖4或圖5中的耗散元件/變阻器6吸收能量的時(shí)間間隔。圖6中的實(shí)線波形對(duì)應(yīng)于使用圖3、圖4和圖5的限流混合式斷路器中的一個(gè)的同時(shí)的電流。由于限流器件，故障電流幅值被從Ish減小至Ishm(參見(jiàn)圖6)。因此，根據(jù)本發(fā)明的斷路器的半導(dǎo)體需要承載減小幅值的電流。在正常條件下，當(dāng)不存在故障吋，線路電流流過(guò)機(jī)械觸點(diǎn)和由第二電容器10和第一電感發(fā)生元件 10,12形成的串聯(lián)諧振電路。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)且直到機(jī)械開(kāi)關(guān)元件2的機(jī)械觸點(diǎn)開(kāi)始分離時(shí)的時(shí)間，故障電流幅值遵循原始故障電流波形(具有峰值Ish)，因?yàn)橄蘖麟娐凡辉谄鹱饔?。?yīng)注意的是此情況是圖3的配置所特有的。如果使用圖4和圖5的配置中的ー個(gè)，則通過(guò)導(dǎo)通第二可控半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件14，一檢測(cè)到故障，就能夠?qū)崿F(xiàn)限流效應(yīng)。在該情況下，機(jī)械開(kāi)關(guān)元件2的機(jī)械觸點(diǎn)還將承載減小的故障電流，直至其觸點(diǎn)被安全地鎖定至打開(kāi)位置且電弧(如果有的話)被完全熄滅的時(shí)間。在機(jī)械觸點(diǎn)開(kāi)始打開(kāi)時(shí)的時(shí)間之后，故障電流換流至具有第一電容器7的并聯(lián)換流電路，并且第一可控半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件4被導(dǎo)通(如果先前未被導(dǎo)通的話)，以得到減小幅值的電流。一旦經(jīng)過(guò)保持間隔，則可控半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件4、15被關(guān)斷。在半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件4、15的關(guān)斷之后，環(huán)路電感中的儲(chǔ)能被耗散電路5用其過(guò)電壓保護(hù)元件6 (諸如圖3-圖5所示的變阻器)吸收。應(yīng)注意的是提出的斷路器配置所需的變阻器6與現(xiàn)有技術(shù)解決方案相比具有較低的電流額定值，因?yàn)橥ㄟ^(guò)第一半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件4的電流與在圖I的常規(guī)混合式斷路器的情況下相比具有較低的值。這還在圖6中有所描繪，其中，變阻器被示為也在較短持續(xù)時(shí)間內(nèi)耐受較低的電流幅值。可以將提出的配置的優(yōu)點(diǎn)概括為I.無(wú)電弧中斷。2.能夠降低機(jī)械觸點(diǎn)的要求故障電流處理能力。3.與常規(guī)混合式斷路器相比在較低的故障電流下的導(dǎo)通。4.較低的關(guān)斷電流。5.固態(tài)器件必須處理(耗散)相比較低的能量。6.緊湊的解決方案，固態(tài)器件不像在常規(guī)混合式斷路器的情況下ー樣笨重。7.由于較低峰值電流而引起的固態(tài)器件中的較低的溫度上升。8.限流能力。9.可以在AC和DC電流中斷兩者中使用。10.要求較低的變阻器額定值。
11.總關(guān)斷過(guò)程較早地完成。12.相比較低的換流時(shí)間是可能的。13.固態(tài)斷路器的傳導(dǎo)時(shí)間的可能的減少。14.不需要相對(duì)于短時(shí)間非常高的故障電流處理能力來(lái)鑒定連接的網(wǎng)絡(luò)組件的等級(jí)?！ぁ?br> 權(quán)利要求
1.ー種混合式斷路器，包括第一電路(8)，其包括 -主電流路徑(I)，其包括機(jī)械開(kāi)關(guān)元件(2)，以及 -至少ー個(gè)換流路徑(3)，其被與主電流路徑(I)并聯(lián)地布置，并且包括可控半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件⑷，以及 其特征在于，還包括 -第一電容器(7)，其在所述換流路徑(3)中與所述可控半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(4)串聯(lián)地提供，以及 -第二電路(9)，其被與第一電路(8)串聯(lián)地布置，并且包括被相互串聯(lián)地布置的第二電容器(10)和電感發(fā)生元件(11，12)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的混合式斷路器，其特征在于，所述第二電路(9)的第二電容器(10)和電感發(fā)生元件(11，12)相對(duì)于其中將布置斷路器的電カ系統(tǒng)的線路頻率而被調(diào)諧，使得其形成所述線路頻率下的串聯(lián)諧振電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的混合式斷路器，其特征在于，對(duì)于預(yù)定操作條件而言，機(jī)械開(kāi)關(guān)元件(2)具有預(yù)定電弧電壓，并且在換流路徑(3)中提供的第一電容器(7)的電容被確定大小，使得所述第一電容器(7)兩端的電壓在所述預(yù)定操作條件下不超過(guò)電弧電壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任一項(xiàng)所述的混合式斷路器，其特征在于，所述電感發(fā)生元件是由電感器(11)形成的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任一項(xiàng)所述的混合式斷路器，其特征在于，所述電感發(fā)生元件是由變壓器(12)形成的，其次級(jí)繞組被與電阻元件(13)和第二可控半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(14)串聯(lián)地連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中的任一項(xiàng)所述的混合式斷路器，其特征在于，所述第二電路包括被與所述第二電容器和電感發(fā)生元件L的串聯(lián)連接并聯(lián)地連接的第二電感發(fā)生元件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中的任一項(xiàng)所述的混合式斷路器，其特征在于，本發(fā)明的混合式斷路器包括與所述換流路徑(2)并聯(lián)地布置的耗散電路(6)。
8.一種電カ供應(yīng)系統(tǒng)，其特征在于，其包括根據(jù)權(quán)利要求1-7中的任一項(xiàng)所述的混合式 斷路器。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電カ供應(yīng)系統(tǒng)，其特征在干，其是AC系統(tǒng)。
全文摘要
一種混合式斷路器，包括第一電路(8)，其包括主電流路徑(1)，其包括機(jī)械開(kāi)關(guān)元件(2)、與主電流路徑(1)并聯(lián)地布置并包括可控半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(4)的至少一個(gè)換流路徑(3)。斷路器還包括在所述換流路徑(3)中提供的與所述可控半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件(4)串聯(lián)的第一電容器(7)、以及與第一電路(8)串聯(lián)地布置且包括被相互串聯(lián)地布置的第二電容器(10)和電感發(fā)生元件(11)的第二電路(9)。
文檔編號(hào)H01H9/54GK102696087SQ200980161933
公開(kāi)日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2009年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月13日
發(fā)明者A·舒克拉, G·德梅特里亞德斯 申請(qǐng)人:Abb研究有限公司