机电断路器设备、相关的触发方法和在高直流断路中的应用的制作方法

机电断路器设备、相关的触发方法和在高直流断路中的应用的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种新的机电断路器(1)及其相关联的用于对高压直流或交流进行断路的触发方法。
【专利说明】机电断路器设备、相关的触发方法和在高直流断路中的应 用

【技术领域】
[0001] 本发明的涉及新的机电断路器设备及其相关的触发方法。
[0002] 本发明涉及的主要应用是断开在传输线和/或配电线上的在通常高于50kVCC直 到800kVCC和更高的电压处的高强度直流。高压直流所涉及的领域也通常以首字母缩写 HVDC来表示。
[0003] 本发明还应用于断开在lkVCC到50kVCC的范围内的更小值的电压的直流，或者用 于断开交流。

【背景技术】
[0004] 断开在HVDC传输网和/或配电网中的电流变成关键挑战，因为对其的控制直接决 定上述网络的发展。
[0005] 目前，在所有网络运营者中似乎出现了对于进行该断路所采用的方法的一致意 见：必须在短于几毫秒的时间中断流，来通过组合与能量吸收器和至少一个机械开关断路 器电气并联的至少一个半导体断路单元来制造用于形成机电断路器的设备，机械开关断路 器能够首先在闭合位置处以最小出入损耗使稳态电流通过并因此避免半导体断路器组件 的高损失并且其次在打开状态中承受该设备的端子处的恢复电压。
[0006] 可以在此提及发起机电断路器原理的专利申请EP1538645。尽管理想地适于用 IGCT晶闸管作为断路器半导体组件来断开高直流，但看上去图5A所示的Thomson型机械 开关实际上不可用。而且，在阅读上述文献时，事实上不清楚是否并且如何在非常高的峰峰 电压电平（通常超过50kV)断开直流。而且，自动关断辅助支路中的晶闸管的模式预先假 定机械开关完全断开的时间短于用于从主支路切换到辅助支路的振荡电路的固有半周期。 这种依赖关系是有害的，因为鉴于可用来制造机械开关的技术，用于选择该振荡电路的固 有频率的标准可能导致太高的固有频率。而且，上述专利申请EP1538645假设可以产生初 级电流自身的振荡以使得电流跨越零点，这是IGCT晶闸管能够自我关断的必需条件。现实 中，在故障发生时在网络L中存在的电磁能量使得振荡电路的插入对于初级电流没有显著 影响。换句话说，当额定初级量值分别超过1千安（KA)电流和100kV电压时，该原理不适 用于直流能量传输应用。
[0007] 近来已经在专利申请W02011057675中提出了制造这种类型的机电断路器设备， 包括主支路和单个辅助支路，主支路在正常条件下承载稳态电流，具有与由IGBT晶体管、 反并联二极管、分路变阻器构成的断路单元电气串联的机械开关断路器；辅助支路具有多 个断路单元，每个断路单元由IGBT晶体管和反并联二极管构成，辅助支路的本征电阻比主 支路的本征电阻低得多。这样的机电断路器假定以以下方式工作：在稳态条件下，IGBT晶 体管处于导通状态并且机械开关断路器闭合，辅助支路的断路单元的所有IGBT晶体管处 于关断状态。在稳态条件下，稳态电流因此流入主支路中。在HVDC传输线上出现故障（至 少由电流浪涌反映）的情况下，辅助支路的断路单元的所有IGBT晶体管切换到导通状态并 且主支路的断路单元的IGBT晶体管切换到关断状态。所有电流切换到辅助支路中，然后机 械开关断路器断开。辅助支路的断路单元的所有IGBT晶体管切换到不导通状态并且然后 电流切换到变阻器。电流然后被断开并且限制了电压浪涌。
[0008] 上述类型的机电断路器具有多个缺点。首先，指出了（参见第19页第7-18行） 如果作为未来发展工作的结果制造出能够与当今的半导体（IGBT晶体管）断路器（通常能 够在小于1毫秒ms内断开2kA的电流并能够承受2kV的电压）实现同样功能的机电断路 器，该类型断路器可以自己被包括在主支路中，而不用IGBT晶体管和串联的机械开关断路 器。现在，制造这样的机电断路器将首先需要非常昂贵的开发工作并其次由于产生电弧并 因此产生相关磨损而需要增加的维护。而且，在上述申请W02011057675中提出的所有实施 例中，没有提出这样的设备：其首先用于允许保护在主支路（即在正常情况下承载稳态电 流）中提供的IGBT晶体管，并然后用于在从导通状态切换到关断状态期间便于把电流切换 到辅助支路。最后，所提出的机电断路器的主要缺点是其操作假定用于进行主支路的所有 IGBT晶体管的瞬时切换的非常高的驱动功率。专利申请W02011057675中描述的机电断路 器将不能工作，由于忽略了用于建立支路中的电流的时间。鉴于在所要求保护的对超过例 如100kV电压的应用中需要的大尺寸，该时间可能极长。此外，以这种方式控制IGBT晶体 管实践中是复杂的。
[0009] 本发明的目的因此是提出新的机电断路器设备，其克服上述现有技术的一些或全 部缺点，并且尤其专利申请EP 1538645和W02011057675中提到的缺点。
[0010] 特别目的是提出同时适于在非常宽电压范围（典型为15kV到145kV的范围）中 断开交流并且适于在40kV(DC)到600kV(DC)的峰峰电压和针对宽范围电流（典型在1. 5kA 到4. 5kA)断开直流的机电断路器设备。


【发明内容】

[0011] 为此，本发明的目的是一种机电断路器设备，用于对流过电能传输装置的电流进 行断路，该设备包括：
[0012] -主支路，包括至少一个主模块，主模块包括至少一个子支路，子支路包括至少一 个机械负荷开关，机械负荷开关与包括至少一个占空比受控的功率半导体元件的至少一个 断路单元串联地安装；
[0013] -辅助支路，与主支路电气并联地安装并且包括：
[0014] -至少一个第一子支路，称为定时子支路，其限定定时子支路相对于主支路的漏电 感以及定时子支路的所有组件的分布电阻，并且其包括至少一个第一断路单元，至少一个 第一断路单元包括多个级联的功率晶闸管，定时子支路中的至少一个还包括至少一个第一 辅助切换模块，第一辅助切换模块具有至少一个第一电容器，第一电容器本身与其放电电 阻和过压限位器电气并联；以及
[0015] -第二子支路，称为装备子支路，其与定时子支路电气并联安装，并且其限定装备 子支路相对于定时子支路的漏电感以及装备子支路的所有组件的分布电阻，并且其包括至 少一个第二断路单元，第二断路单元包括多个级联的功率晶闸管和至少一个第二辅助切换 模块，第二辅助切换模块具有至少一个第二电容器，第二电容器自身又与其放电电阻和过 压限位器电气并联；
[0016] -至少一个主过压限位器，与所述主支路电气并联。
[0017] 在此指出功率晶闸管应包括一般意义上的晶闸管，也就是说，半导体类型电子开 关，其可以备控制为通过其选通来导通而不是截止，截止是通过在输入端的电流的过零来 触发的。因此可还涉及已知为PPT(脉冲功率晶闸管）的变型，或GT0(栅极截止晶闸管） 的变型，其在硅、碳化硅、氮化镓或任何其它适于高压功率切换应用的半导体元件上实现。
[0018] 因此，如此限定的每个漏电感包括所考虑的子支路当与主支路或另一子支路相关 联时的至少一个自电感。对于该自电感，可以与附加串联电感相关联，该附加串联电感的角 色是当在下一子支路中建立电流时限制电流相对于时间的导数di/dt。此外，每个子支路的 功率晶闸管，由于数量多导致的较大尺度，所以贡献于漏电感的值。
[0019] 类似地，每个分布电阻包括构成所考虑的子支路的导体和组件的至少一个电阻， 该电阻要从高频的角度考虑，也就是说考虑趋肤效应。电阻的值随频率增大。对于该固有 电阻，添加可以分布在多个组件之内的电阻，该电阻的作用是与电感一起控制电流的di/dt 值，同时采用快速切换所需的条件，即比导致临界阻尼状态的值低的值。
[0020] 在变型中，每个辅助切换模块可以包括与多个晶闸管串联连接的电感器和电阻 器。
[0021] 本发明的基础思想因此是提出多支路机电断路结构，其首先具有主支路，主支路 允许在稳态下恒定电流以极小损失通过并且具有用来承受设备端子处在断开位置中建立 的电压的至少一个机械负荷开关、主过压限位器，在主支路中出现过压的情况下主过压限 位器允许：
[0022] 一使电流完全消失；
[0023] -存储在主支路断开时在线路中暂时存在的电磁能量，
[0024] -在维护介入的情况下排出该能量来保证人员安全性，并且足够快以准许在必要 时的快速操作周期。
[0025] 过压限位器的尺寸当然适于其中插入有机电断路器的电能传输装置的电压并且 适于应存储然后消耗的能量。该尺寸确定设备的端子处的瞬时建立电压的最大值。该尺寸 还确定故障的最终排除速度，该速度随着限位器的阈值电压增大而增大。
[0026] 本发明提供辅助支路，该辅助支路在主支路中出现电流浪涌的情况下或接收特定 指令的情况下同时使得：
[0027] 一把电流从主支路转移到主过压限位器；
[0028] -控制设备的端子上的电压以便保证在断路阶段期间该电压保持小于所有组件 的介电强度；
[0029] -控制瞬时建立电压的变化，特别是其增长速度。
[0030] 根据有利的实施方式，为了对可以在一个方向或相反方向穿过能量传输装置的电 流进行断路，主模块的每个子支路包括至少一个机械负荷开关，机械负荷开关使用两个功 率半导体在断路单元之间串联并且彼此之间反串联。
[0031] 根据一个有利变型，根据本发明的机电断路设备还包括电压增速限位器，与主模 块的每个断路单元电气并联；增速限位器包括与电容器电气串联的二极管，二极管自身与 其放电电阻电气并联。有利地可以还提供与主模块的每个断路单元电气并联的过压限位 器。
[0032] 根据优选变型，主模块的子支路的每个断路单元包括占空比受控的至少一个功率 半导体元件，并且其中主模块的每个子支路包括与断路单元反并联的二极管。
[0033] 根据一个实施变型，主模块的断路单元的占空比受控的至少一个功率半导体元件 是绝缘栅双极晶体管IGBT。
[0034] 根据优选变型，主模块的子支路的断路单元的占空比受控的功率半导体元件包括 至少一个场效应晶体管和绝缘栅双极晶体管IGBT，绝缘栅双极晶体管与所述场效应晶体管 电气串联，场效应晶体管的漏极与IGBT晶体管的发射极连接，其栅极G连接到保证级联电 路类型的切换行为的控制电路。根据要通过的恒定电流的值，主支路包括彼此电气并联的 多个主模块，有利地每个主模块包括彼此电气并联的多个子支路。根据优选的实施方式，辅 助支路包括彼此电并联的至少两个定时子支路，第二定时子支路包括至少一个第三断路单 元，第三断路单元包括多个级联的功率晶闸管和至少一个第三辅助切换模块，至少一个第 三辅助切换模块具有至少一个第三电容器、至少一个第三电感以及与第三电容器电气串联 的至少一个第三电阻，第三电容器自身与其放电电阻和过压限位器电气并联，过压限位器 自身与电阻串联。
[0035] 根据优选的变型，每个主模块的每个子支路的每个机械负荷开关包括电气串联的 两个真空断路器。
[0036] 本发明还涉及一电气开关装置组，用于安置在高压直流或交流电能传输装置中， 包括根据如前所述的机电断路器并且至少一个电接地装置串联连接到机电断路器的两侧 的端子。
[0037] 该电气开关装置有利地包括桥接装置组，桥接装置电气并联安装到机电断路器的 端子并且适于在控制下在预定时间期间使大于机电断路器的能力的瞬态电流从该断路器 的一个端子过渡到另一个端子，而不经过该断路器。
[0038] 优选地，在混合断路器的两侧的端子包括切断装置组，切断装置与机电断路器电 气串联并且在接地装置的电连接端子外部安装。有利地，电气开关装置还在接地装置的电 连接端子和切断装置之间包括与切断装置电气串联的电阻插入装置。优选地，要插入的该 电阻的值等于与根据本发明的机电断路器电气串联连接的线路或线缆的特征阻抗。因此， 优选地，电阻具有介于100和1000欧姆之间的值。
[0039] 根据优选变型，电气组件组包括与机电断路设备电气串联的附加断路器，附加断 路器适于对较小电流进行断路。通常，要断开的较小电流小于100A。这样的附加断路器可 以是金属回线转换断路器M. R. T. B。因此其可涉及灭弧机械断路器。
[0040] 有利地，该电器和附加断路器被设计为单个模块形式或多个相关联。
[0041] 本发明还涉及一种触发根据如上所述的机电断路设备的触发方法，根据该方法， 在主支路中仅存在恒定电流并且在没有特定指令的情况下，把每个负荷开关保持在闭合位 置，把占空比受控的功率半导体元件保持在导通状态，并且把辅助支路的所有功率晶闸管 保持为不导通状态，并且根据该方法，在设备主支路中电流强度过大的情况下或收到特定 指令的情况下，该方法包括以下步骤：
[0042] a)在把每个负荷开关保持闭合的同时，使占空比受控的功率半导体元件从导通状 态切换到不导通状态，以便在每个机械负荷开关断开所需的时段期间使全部电流偏离进入 至少一个定时子支路；
[0043] b)与步骤a)同步地把至少一个定时子支路的功率晶闸管从不导通状态切换到导 通状态，以便在主支路和辅助支路的端子处达到电压电平，该电压电平使得没有任何电流 在主支路或在装备支路或在过压限位器中流动，以使得把每个机械负荷开关的处于断开位 置的装备支路的功率晶闸管从不导通状态随后切换到导通状态，并且允许把每个机械负荷 开关的处于断开位置的至少一个定时子支路的功率晶闸管从导通状态随后切换到不导通 状态；
[0044] c) -旦实现了步骤b)，就断开每个机械负荷开关；
[0045] d) -旦实现了步骤c)并且每个机械负荷开关达到其断开位置，则把装备子支路 的功率晶闸管从不导通状态切换到导通状态，用于在其端子处达到允许把所有电流偏离进 入过压限位器中的电压电平；
[0046] e)通过主过压限位器使电流消失。
[0047] 根据有利变型，还实现通过与根据本发明的机电断路器串联的至少一个切断装置 (4)的断开而消除可能有的残余漏电流的步骤f)。
[0048] 本发明最后还涉及一种监控系统，实施根据如上所述的方法。

【专利附图】

【附图说明】
[0049] 根据在下面参照附图进行的详细描述，本发明的其它特性和有利方面将变得更加 清楚，在附图中：
[0050] -图1是根据本发明的机电断路器设备的整体电气结构的示意图；
[0051] 一图2是根据本发明的混合断路器设备的第一实施方式的整体电气示意图；
[0052] -图2A至2H是图2的机电断路器基于产生故障电流按照不同触发步骤的等效电 气示意图；
[0053] -图21是根据本发明的混合断路器设备的第一实施方式的整体电气示意图；
[0054] -图3示出图2的机电断路器的各支路根据与图2A至图2H的各步骤相关的时间 的电流曲线；
[0055] -图4是包括本发明的机电断路器设备的电气开关装置组的整体结构的示意图；
[0056] -图5是根据本发明的机电断路器的主支路的主模块的实施方式的电气示意图；
[0057] -图5A是图5的主模块的实施变型的电气示意图，其中模块是模块化结构；
[0058] -图6是图5的主模块的仍然为模块化结构的实施方式的电气示意图；
[0059] -图6A是图6的主模块的实施变型的电气示意图；
[0060] 一图7是根据本发明的断路单元的实施变型的电气示意图。

【具体实施方式】
[0061] 尽管具体结合配电线和/或传输线中的高直流电流的断路应用进行描述，本发明 可以设计用于其它应用。
[0062] 特别地，可以实施根据本发明的用于对交流电流断路的机电断路器。
[0063] 还可以在气体绝缘线（GIL)中实施根据本发明的机电断路器。
[0064] 在图1中示出用于在320kVCC以下的电压范围中对传输网L中的高直流进行断路 的根据本发明的机电断路器设备1的整体电气结构。发明人还设想在将来这样的机电断路 器可以对500kVCC甚至更高电压以下范围中的直流进行断路。
[0065] 这样的设备1首先包括主支路10,在稳态条件下第一电流在主支路10中流动。主 支路10包括多个相同并且彼此电气并联的主模块10. 1、10. 2、10. η。主模块10. 1、10. 2、 10. η中的每个自身都包括多个功能相同并彼此电气并联的子支路。将描述每个支路、子支 路及其相关联的电子组件的功能来进行电流断路操作，即在其中集成有根据本发明的混合 断路器的网络L中产生故障（至少表现为过电流）时的操作。
[0066] 每个主模块包括至少一个机械负荷开关100,其与两个电子切换辅助子模块电气 串联。其中集成有根据本发明的机电断路器的网络的电压越高，串联连接的机械负荷开关 的数量就越增多。优选地，机械负荷开关包括两个串联的真空开关，通常具有能够达到交流 几kA的断路能力。针对根据本发明的机械负荷开关的操纵而专门开发的电磁致动器在以 下专利申请中描述并要求保护：该专利申请与本申请同一天申请并且名称为"永磁体致动 器和由该致动器致动的机械开关"。
[0067] 机械负荷开关两侧的每个电子切换辅助子模块包括一个或多个占空比受控的功 率半导体元件。优选地，其涉及IGBT (绝缘栅双极晶体管）类型的基于硅的晶体管。其还可 涉及基于碳化硅的组件，当前还在开发中，如混合JFET/BJT晶体管，或GT0类型的晶闸管。 每个子模块应实现以下功能：
[0068] -执行多个机械负荷开关的多个子支路的并联；
[0069] 一测量在这些子支路中的每一个中流动的电流；
[0070] -确保这些子支路中的每一个中的电流的动态平衡，以使得子支路的各个组件中 的发热被控制。
[0071] 占空比受控的功率半导体元件应实现以下功能：
[0072] -在导通状态中，其允许，通过控制其导通率或其占空比（定义为其导通时间与 其导通和关断时间之和的比率），确保调节同一主模块10. 1、10. 2··· 10. η的子支路中的每 个子支路中的电流以确保该模块的子支路的组件的热平衡，并且还确保调节主模块10. 1、 10. 2··· 10. η的每个主模块中的电流以确保其热平衡；
[0073] -允许把主支路10的电流向辅助支路11快速切换，如后面所述；
[0074] -允许主支路返回导通状态。
[0075] -当一个子支路的电流异常地不同于通过其它子支路中的电流的平均值时，禁用 主模块10. 1、10. 2··· 10. η的一个或多个子支路，该禁用导致故障的远程通知并且允许使在 故障中涉及的组件安全化。
[0076] 在导通状态中，给定所流经的相对较高电流和在端子处的电压降，电子切换辅助 子模块的电子组件中的每个组件散去大量热量。因此这些组件的安装确保该热量的正确散 去。
[0077] 该散去优选地通过围绕电子切换辅助子模块的空气或气体的自然对流并且通过 优化该对流的电子切换辅助子模块的朝向而以被动方式进行。
[0078] 在优选实施方式中，IGBT晶体管配备有反并联安装的二极管。
[0079] 与主支路10并联地提供具有三个定时子支路11. 1、11. 2、11. 3和一个装备子支路 11.4的辅助支路11。
[0080] 子支路11. 1、11. 2、11. 3和11. 4中的每一个支路包括级联的多个功率晶闸管。对 于某些应用，第一电流的方向可以反向。这显然是交流的情况，以及还是在断路器1的位置 使得通过断路器1的功率通量的方向可以反转的情况。这通常发生在互连的高压直流HDVC 网络中。因此，在该情况下，在每个子支路中复用多个功率晶闸管以使得每多个专用于一个 电流流过方向并且因此多个晶闸管反并联地互连。
[0081] 可以想到通过串联多个组来形成多个功率晶闸管，组的数量取决于根据本发明的 机电断路器受到的使用电压。这样做是出于工业便利性的原因，如要操纵的对象的有限重 量、最大合理高度（若超过该高度则不能保证每多个晶闸管的正确压缩）等。优选地，一组 包括级联并相同的功率晶闸管。
[0082] 每个高压功率晶闸管与其选通控制模块、转移电容器、以及用于贡献于其控制、监 视和安全化措施的多个其它组件相关联，以形成级联的多个晶闸管。
[0083] 选通控制模块控制所关联的功率晶闸管。其因此提供以下功能：
[0084] 一根据在所涉及的子支路中的位置，接收由另一前级选通控制模块或监控系统发 出的状态报告请求；
[0085] 一根据在所涉及的支路中的位置，把该信令复制并转发到下一个选通控制模块或 监控系统，监控系统对该复制的接收意味着所涉及的所有选通控制模块都处于正确的操作 状态，未接收意味着所涉及的控制模块中的至少一些未处于正确的操作状态，该信息使得 监控系统能够在必要时发送远程故障信息并且对于机电电路断路器应用安全策略，例如防 止不能完成的任何操作；
[0086] 一根据在所涉及的子支路中的位置，接收由另一选通控制模块或监控系统发出的 导通指令；
[0087] 一根据在所涉及的支路中的位置，把该指令复制并转发到下一个选通控制模块或 监控系统；
[0088] 一通过把需要从不导通状态（关断）瞬态到导通状态（导通）的控制脉冲传送给 功率晶闸管来执行该指令；
[0089] -存储使晶闸管导通所需的能量。
[0090] -经由ZnO或功率齐纳二极管类型的一个或多个过电流限制器来防止与功率晶 闸管关联的过电流，这些限制器已知是瞬变电压抑制二极管。
[0091] 所给定的功率晶闸管的每个选通控制模块在电压出现在其所关联的转移电容器 的端子上时从通过它的电流提取能量。因此该电容器的功能是把能量转移选通控制模块 中。其形成一个链，链的每个链接包括转移电容器和选通控制模块以及可能有的其它组件 (如阻尼电阻）。（控制模块和转移电容器）组体与多个功率晶闸管电气上并联。
[0092] 第一定时子支路11. 1的功能是确保定时支路的介电性能的主要部分，特别是当 在定时支路的端子上产生建立电压时。
[0093] 第二定时子支路11. 2应实现以下功能：
[0094] 一在足以使每个机械负荷开关开始断开并且能够承受第一电压电平的时段期间 传送电流；
[0095] 一保证足够低的电压降以便不导致与支路10的功率半导体元件并联连接的过压 限位器导通；
[0096] 一保证足够高的电压降以便于在合适的时刻向第三定时子支路11. 3切换电流；
[0097] -存储足以保证在第三定时子支路11. 3导通时关断其专有的功率晶闸管的电 压。
[0098] 在此指出两个定时子支路11. 2和11. 3的所需数量主要是由功率晶闸管的di/dt 和du/dt限制决定，但也由占空比受控的功率半导体元件（IGBT)、过压限位器的承受电压 决定，并且还由网络的电压和过压值决定。在开始使装备子支路11. 4导通时，第三定时子 支路11. 3应在机电断路器1的端子上建立起恢复电压的10%至20%量级的电压，以便限 制由于串行电感插入导致的对功率晶闸管的di/dt约束，这增加了保证把支路向下一个支 路切换所需的电压电平。
[0099] 第三定时子支路11. 3应实现以下功能：
[0100] -在每个机械负荷开关能够介电地承受端子上的恢复电压所需的时段期间，一旦 机械负荷开关达到第一开路电平，从第二定时子支路11. 2向其自己传送电流；
[0101] 一保证足够低的电压降以便不导致每个机械开关的介电击穿；
[0102] 一保证足够高的电压降以便于在合适的时刻向装备子支路11. 4切换在所述子支 路11. 3中存在的电流；
[0103] 一存储足以保证在装备子支路11. 4导通时关断其专属的功率晶闸管的电压和能 量。
[0104] 装备子支路11. 4的主要功能是在电路中插入可变的瞬时阻抗。瞬时阻抗可以被 定义为其端子上的瞬时电压和穿过它的瞬时电流之间的比率。换句话说，装备子支路11. 4 因此应：
[0105] -在其导通的时刻具有极低的瞬时阻抗，以使得初级电流的全部被向其发送；
[0106] -在其导通期间具有渐增的瞬时阻抗，以使得其端子上的电压引起主过压限位器 12的导通；
[0107] -在导通时段之后具有极高的阻抗以使得可能有的流经其的残余泄露电流是可忽 略的。
[0108] 在第二定时子支路11. 2和第三定时子支路11. 3和装备子支路11. 4中的每一个 中，提供应该在其专属子支路中实现以下功能的至少一个电子切换辅助模块：
[0109]-限制电流相对于时间的漂移，标记为di/dt ;
[0110] -对于第二定时子支路11. 2的模块，在机电断路器的端子上保持恒定电压；
[0111] -对于第三定时子支路11. 3的模块，建立逐渐增大的电压以便允许向装备子支路 11.4的切换；
[0112] -对于装备子支路11. 4的模块，建立足够高的电压以便允许向主过压限位器12的 切换。
[0113] 电子切换辅助模块包括至少一个电容器、该电容器的放电电阻、以及对于两个定 时子支路11. 2和11. 3的辅助过压限位器（过电压吸收器）的并联。可以将其与串联的一 个或多个电感、以及串联的一个或多个电阻相关联。
[0114] 根据本发明的机电断路器最后包括与主支路10电气并联的主过压限位器12,并 且应该实现以下功能：
[0115] -保证电流的完全截止；
[0116] -在主支路10断开时暂时存储线路中存在的电磁能量；
[0117] -如果需要的话足够快速地排出该能量以便准许同样快的操作周期。
[0118] 在优选的实施方式中，过压限位器12包括ZnO类型的过电压吸收组件。
[0119] 现在参照图2至2H描述根据本发明的机电断路器1的实施方式。
[0120] 在此指出索引〃L"与其中插入了根据本发明的机电断路器的输电线L相关：因此 UL、RL、LL分别指示线路L的高电压电平、电阻和电感。
[0121] 在此指出索引〃a〃与专用于一个电流通过方向（所涉及的图上从右向左的方向） 的机电断路器的电子组件相关。索引"b"与其中专用于与a相反的电流通过方向（所涉及 的图上从右向左的方向）的电子组件相关。为了简明，由于与a相关的组件相同并且与专用 于电流反方向的b的组件电气反并联地示出，仅描述a相关的组件。可容易地理解该设置 是对称的，除了 IGBT晶体管的续流二极管之外，标记为1011a的一个与IGBT晶体管1010a 一起操作，并不与其反并联；标记为1011b的另一个与IGBT晶体管1010b-起操作，也并不 与其反并联。此外指出在图21中，二极管1011a和1011b在其相应的断路单元上而不在占 空比受控的功率半导体元件1010b和1010a上反并联地示出，如图3所示。事实上，二极管 1011a和1011b优选地是完全与断路单元101b和101a分离的元件。
[0122] 还指出已在图2至21示出在主支路10中的单个主模块的单个子支路并且因此在 此仅描述单个子支路。
[0123] 还在图2至图21示出单个机械负荷开关100,但是实际上可以涉及多个串联连接 的机械负荷开关，并且用于保证绝缘配合和把电压分配到子支路中每一个的机械负荷开关 的端子上的线性和非线性组件不再示出。下面参照图5至图6C描述具有多个子支路、多个 串联的负荷开关的主模块10. 1以及相关联的线性和非线性组件。
[0124] 还在图2至图21示出在每个相关位置的单个功率晶闸管，但实际上其涉及多个级 联的晶闸管。因此仅其中之一被描述。
[0125] 最后在图2至图2H上仅符号化示出这样的功率晶闸管而没有示出转移电容器和 相关联的选通控制设备。在图21中，与每个功率晶闸管111a、111b ; 112a、112b ; 113a、113b ; 114a、114b 并联地分别示出过压限位器（限流）1116a、1116b ;1126a、1126b ;1136a、1136b ; 1146a、1146b。因此，当涉及级联的多个功率晶闸管时，提供了彼此之间电气串联的多个过 压限位器，所述多个过压限位器与多个相关联的功率晶闸管电气并联。过压限位器（限 流）1116a、1116b ; 1126a、1126b ; 1136a、1136b ; 1146a、1146b 中每一个的功能因此是把恢复 电压分配到每个功率晶闸管上。
[0126] 主支路10包括与断路单元101a电气串联的机械负荷开关100。该断路单元101a 包括与二极管l〇lb反并联地绝缘栅双极晶体管（IGBT) 1010a。优选地，断路单元101a、101b 安装在机械负荷开关100的两侧的主支路10的端部上。
[0127] 与断路单元101a电气并联地安装电压增速限位器102a。增速限位器包括与电容 器1021a电气串联的二极管1020a，电容器1020a自身与其放电电阻1022a电气并联。电容 器1020a允许在晶体管101a切换到不导通状态时控制其端子上的电压增速。当IBBT晶体 管101a开始导通时，二极管102a防止电容器1021的迅猛放电。最后，电阻1022a允许电 容器102a的慢放电。换句话说，与IGBT晶体管1010a相关联的该电压限位器102a通过在 从导通状态向不导通状态切换时控制其端子上的电压增速来保护晶体管l〇l〇a。该电压增 速限制还具有以下有益效果：把主支路的电流向辅助支路切换，这是在其贡献于控制所述 支路中的电流的di/dt的意义上提及的。
[0128] 还与断路单元101a电气并联地安装过压限位器103a。过压限位器103a被确定为 使得其把电压限制为小于限制IGBT晶体管101a的承受电压的值。通常，对于3300V承受 电压的IGBT晶体管101a，把最大电压值确定为等于由限位器103a限制的2800V。
[0129] 辅助支路11包括第一定时子支路11. 1，其包括级联的多个功率晶闸管111a。
[0130] 在第一定时子支路11. 1的延长部分中的第二定时子支路11. 2包括第一辅助切换 模块Ml, Ml具有第一电容器1120、第一电感1121和第一电阻1122,第一电阻1122与第一 电容器1120电气串联，第一电容器1120自身与其放电电阻1125电气并联。辅助过压限位 器1124与电容器1120电气并联，并且允许同时保护电容器1120、保护放电电阻1125并且 还在第二定时子支路11. 2被初级电流流过时限定出现在辅助支路的端子上的电压。
[0131] 在此指出电感1121和电阻1122并非必要的：事实上，其值取决于第一定时子支路 11. 1和第二定时子支路11. 2的分配电流的总值，总值至少由本征电阻和泄露电感定义。
[0132] 与第二定时子支路11. 2电气并联的第三定时子支路11. 3与第二定时子支路11. 2 类似地包括第二辅助切换模块M2, M2具有第二电容器1130、第二电感1131和第二电阻 1132,第二电阻1132与第二电容器电气串联，第二电容器自身与其放电电阻1135电气并 联。辅助过压限位器1134与电容器1130电气并联，并且允许同时保护电容器1130、保护放 电电阻1135并且还在第三定时子支路11. 3被初级电流流过时限定出现在辅助支路的端子 上的电压。此外，提供了与第二辅助过压限位器1134电气串联的辅助电阻1136,该电阻允 许根据辅助过压限位器1134的特性来调节在第三定时子支路11. 3被初级电流流过时出现 在辅助支路的端子上的电压的变化。
[0133] 在此指出如果辅助过压限位器1134的特性固有地符合要求则电阻1136可以被省 略。
[0134] 在此还指出电感1131和电阻1132并非必要的：事实上，其值取决于第一定时子支 路11. 1和第三定时子支路11. 3的分配电流的总值，总值至少由本征电阻和泄露电感定义。
[0135] 辅助支路11最后包括装备支路11. 4,装备支路11. 4还包括级联的多个功率晶闸 管114a和与两个第一辅助切换模块Ml和M2类似的第三辅助切换模块M3。更确切地，该第 三辅助切换模块M3包括第三电容器1140、第三电感1141和第三电阻1142,第三电阻1142 与第三电容器电气串联，第三电容器自身与其放电电阻1145电气并联。辅助过压限位器 1144与电容器1140电气并联，并且允许同时保护电容器1140、保护放电电阻1145并且还 在主过压限位器12被初级电流流过时保护其放电电阻1145。
[0136] 在此指出辅助过压限位器1144对于机电断路器的操作不是必须的，并且其尖峰 电压被选择为大于主过压限位器12的电压。然而，优选地有一个辅助过压限位器1144,这 是因为对于高压电气装备的大尺寸而言，即使系统的端子上的电压被其他装置（在此是主 过压限位器12)限制，也可在高频处出现局部过压。
[0137] 在此还指出电阻1142和电感1141不是必要的：事实上，其值取决于装备子支路 11. 4的分配电流的总值，总值由本征电阻和泄露电感定义。
[0138] 最后，与主支路10和辅助支路11电气并联地，安装有主过压限位器12。该过压限 位器的尺寸被针对其中插入有机电断路器1的网络L的电压以及在故障中使电流消灭时要 吸收或消耗的必需能量。当然，考虑了绝缘配合。
[0139] 因此，结合用所得的等效电路图示出各种结果的图2A至图2H描述了在发生故障 的特别情况下的机电断路器1的操作，注意在由于特定指令而断开的情况下相同的结果相 继发生。在图3中，示出表示不同子支路的电流值随时间变化的曲线。
[0140] 在稳态下，也即是说在网络L正常工作中，在图3中的时刻tl之前，主支路的所有 IGBT晶体管1010a处于导通状态，然后所有电流通过这些晶体管（图2A的电流i 10)。
[0141] 在图3的时刻tl，在网络L上出现表现为过电流（图2中从右到左）的缺陷的情 况下，通过监控系统把IGBT晶体管1010a从导通状态切换为不导通状态。因此把电流从 IGBT晶体管1010a切换到其过压限位器103a。由于电压增速限位器102a的存在，该切换 是逐渐执行的。因此在主支路10和辅助支路11的端子上产生快速的电压升高。同步地， 可将控制能量自动地发送到功率晶闸管111a、112a和113a的选通控制模块。在网络L上 提取的该能量允许在时间到时功率晶闸管的导通。仍是同步地，并且在图2中略大于t2的 时刻，监控系统优选地通过光纤把状态信令请求传送给功率晶体管111a、112a和113a的全 部选通控制模块。
[0142] 如果监控系统优选地通过光纤接收到返回的对于功率晶闸管111a、112a和113a 的所有选通控制模块已经接收到足够的能量等级并且处于保证操作的状态的确认，则其优 选地通过光纤发送功率晶闸管llla、112a的导通指令，并且同时地优选经由光纤向机械 负荷开关1〇〇发送断开指令。考虑机械负荷开关1〇〇的机械惯性，该断开仅在比图3中的 t2_tl时间间隔大得多的延迟之后开始产生。这是为什么监控系统提前给出其断开指令，以 便减少机电断路器的总操作时间。
[0143] 如果监控系统在超过指定的延迟时间之后没有接收到返回的对于功率晶闸管 llla、112a和113a的所有选通控制模块已经接收到足够的能量等级并且处于保证操作的 状态的确认，则其发送远程故障信令并且在该情况下既不向功率晶闸管也不向机械负荷开 关100发送任何导通指令，并且因此执行机电断路器1的安全化策略。
[0144] 在该时刻tl之后，电流因此偏离主支路10并且因此通到定时子支路11. 1和11. 2 中（图2B)。在瞬态阶段期间，也就是说直到图3中的时刻t2的期间，电流从零值瞬态到网 络L的电流值。完全的偏离被由电感121、电阻1122和1125以及电容器1120组成的RLC系 统的值保证，这些值被确定为使得在主支路10和在所涉及的定时子支路11. 1和11. 2之间 具有振荡瞬态状态。该振荡瞬态状态一方面是电流从主支路10向定时子支路11. 2和11. 2 快速切换所需的条件，另一方面用于把电流的di/dt限制为比功率晶体管111a和112a可 接收的等级更低的等级。
[0145] 在图3的时刻t2,所有电流因此偏离进入这些子支路11. 1和11. 2中（图2C)。由 于定时子支路的电子组件的尺度，所以在用于致动以断开机械负荷开关100并且用于允许 其在端子处承受第一电压电平所需的确定的时段期间该拓扑存在。优选地，发明人设定了 足以使致动器充分断开包括串联的两个真空断路器的机械负荷开关100的介于200 μ S和 2000 μ s之间的很短时段td，该致动器是在以 申请人:名义提出的标题为〃Permanent magnet actuator and mechanical switch actuated by such an actuator (永磁体致动器和由该 致动器致动的机械开关）"的专利申请中描述和保护的致动器。
[0146] 过压限位器103a和辅助过压限位器1124分别被设定为在定时子支路11. 1和 11. 2中建立初级电流时，也就是在略大于图3中的t2但是小于t3的时间结束时，主支路 10中的残余电路幅度基本为零，通常比1安培小得多，以便允许机械负荷开关100的真空断 路器在没有显著电腐蚀的情况下断开，这是由于基本没有电弧。
[0147] 在图3中等于t2加上时段td的时间t3,监控系统把第三定时子支路11. 3的功率 晶体管113a从关断状态切换到导通状态。然后电流偏离进入该子支路（图2D)。该子支路 11. 3中的电流i2然后从零值增加到图3中的时间t4处在该子支路（图2E)中的线路L中 的电流的值。电流的完全偏离被由电感1131、电阻1132和1135以及电容器1130构成的 RLC系统的值保证，这些值被确定为获得在定时子支路11. 2和所涉及的该定时子支路11. 3 之间振荡的状态。该振荡瞬态状态一方面是从定时子支路11. 2的电流向定时子支路11. 3 快速切换所需的条件，另一方面用于把电流的di/dt限制为比功率晶体管113a可接收的等 级更低的等级。在该时刻t4,功率晶体管112a自我关断（切换到不导通状态），这是由于 电容器1120执行的瞬态反偏置，并且在子支路11. 2中不再有电流。
[0148] 由于该反偏置是短时段，所以功率晶闸管112a适于具有极短的关断时间并且能 够在介于几微秒和几十微秒之间的时间中支持其完全正向恢复电压。同样的评述出于相同 的原因适用于功率晶体管111a和113a。
[0149] 在介于图3中的时间t4和t5之间的该时段期间，辅助支路11的端子上的电压将 从由辅助过压限位器1124限定的初始值增加到主要由辅助过压限位器1134及其相关电阻 1136(当存在时）限定的值。
[0150] 根据其中植入有根据本发明的机电断路器1的网络L的电压电平，在这些最终电 压与初始电压之间的比率通常可以从5变到20。
[0151] 为了可以提高在辅助支路11的端子处的电压，图5中的时刻t3被确定为使得机 械负荷开关1〇〇的断路足以允许使其承受该电压。
[0152] 辅助支路11的端子处的电压的这样的提高一方面是便于向装备支路11. 4的未来 电流切换所需要的，装备支路11. 4的大尺寸意味着高泄漏电感并且因此要求高切换电压， 这考虑到初级故障电流可达到的高值，通常当其上升速度达到或超过每微秒10安培。
[0153] 另一方面其是用于自动向装备支路11. 4的功率晶闸管114a的选通控制模块传送 足够的能量所需要的。从网络L提取的该能量允许在适当时间使功率晶闸管114a导通。
[0154] 在图3的略小于t5的时刻，监控系统优选地通过光纤向功率晶闸管114a的所有 选通控制模块传送状态信令请求。
[0155] 如果监控系统优选地又通过光纤接收到返回的对于功率晶闸管114a的所有选通 控制模块已经接收到足够的能量等级并且处于保证操作的状态的确认，则其优选地仍通过 光纤在图3中的时刻t5发送功率晶闸管114a的导通指令。
[0156] 如果监控系统在超过指定的延迟时间之后没有接收到返回的对于功率晶闸管 114a的所有选通控制模块已经接收到足够的能量等级并且处于保证操作的状态的确认，则 其发送远程故障信令并且不向功率晶闸管114a发送导通指令，并且因此执行机电断路器 的安全化策略。
[0157] 在在图3中的时刻t4之后即在时刻t5,通过监控系统使装备子支路11. 4的功率 晶闸管114a从不导通状态切换到导通状态，导致电容器1140的快速充电。然后电流偏离 进入该子支路11. 4(图2F)。该子支路11. 4中的电流i3然后从零值瞬态到图3中的时间 t6处在该子支路（图2G)中的线路L中的电流的值。电流的完全偏离被由电感1141、电阻 1142和1145以及电容器1140构成的RLC系统的值保证并被由定时子支路11. 1和11. 3的 RLC系统的值保证，这些值被确定为获得在定时子支路11. 1、11. 3和所涉及的该装备子支 路11. 4之间振荡瞬态状态。该振荡瞬态状态一方面是电流从定时子支路11. 1向装备子支 路11. 4快速切换所需的条件，另一方面用于把电流的di/dt限制为比功率晶体管114a可 接收的等级更低的等级。在该时刻t6,功率晶体管111a和113a自我关断（切换到不导通 状态），这是由于电容器1130执行的瞬态反偏置，并且在各子支路11. 1和11. 3中不再有电 流。
[0158] 由于该反偏置是短时段，所以功率晶闸管111a和113a适于具有极短的关断时间 并且能够在介于几微秒和几十微秒之间的时间中支持其完全正向恢复电压。
[0159] 从该时刻t6开始，装备子支路11. 4的电容器1140继续充电直到达到主过压限位 器12的触发电压。然后，在网络L的无功能量的作用下，该电压将根据由主过压限位器12 的特性确定的规则来继续略微增加。同时，初级电流从装备子支路11. 4向主过压限位器12 转移，主过压限位器12将吸收网络L的无功能量。
[0160] 在网络L中串联插入高压能量吸收元件12将引起初级电流与主过压限位器12的 触发电压相对于网络L的额定电压增加同样快的降低。通常，在主过压限位器12的触发电 压和网络L的额定电压之间的比率可以根据网络L的额定电压而在1到4之间选择，例如 为2。
[0161] 在图3中的时刻t6,网络L的无功能量不再足以维持由主过压限位器12规定的 高过压电平，并且该主过压限位器12的端子上的电压将快速降低。同时，电容器1140的端 子上的电压（该电压将达到接近主过压限位器12的电压的最大值）将以由放电电阻1145 规定的速率较慢下降，该电压被精确确定使得这两个下降速率明显不同。结果导致在给定 时刻，电容器1140的端子上的电压将大于主过压限位器12的端子上存在的电压。电容器 1140因此将执行晶闸管1140的瞬态反偏置。
[0162] 在次注意具有比主过压限位器12的触发电压大的触发电压的主过压限位器 1144,在将描述的顺序中不起任何作用。
[0163] 在图3中的时刻t7,功率晶闸管114a自我关断（切换到不导通状态），这是由于 由电容器1140执行的瞬态反偏置引起的，并且在装备子支路11.4中不再有电流。
[0164] 在超过图3的该时刻t7时，除了由于组件的不完整引起的存在于串联插入高压网 络中的任何装备上的残余泄漏电流之外，没有任何电流流入主支路10并且流入辅助支路 11。如果必要则这些电流由与机电断路器电气串联放置的常规隔离装置移除，如参照图4 在下文所指出的那样。因此初级电流完全偏离进入主过压限位器12中，并且系统的等效示 意图是图2H。在随着主过压限位器12的触发电压和网络的额定电压之间的比率减小而增 大的时段结束处，初级电流减小到机电断路器的泄漏电流：实现断路（图2H)。
[0165] 初始充电到高电压电平的电容器1140在放电电阻1145中放电。
[0166] 在图4中，示出大功率直流高压输电网中集成的一组电气装备，包括上面描述的 机电断路器1。
[0167] 附加电气装备2、3、4、5通过以下各辅助功能来补充断路器1的性能：
[0168] 一允许维护总体安全性；
[0169] 一当实现电流断路时通过不受到电气约束来增加其操作安全性；
[0170] 一限制触发电流；
[0171] 一允许断路小电流；
[0172] 一按照指令准许大于其断路能力的电流通过。
[0173] 因此，首先在断路器端子的两侧提供接地装备2,接地装备2在闭合位置允许主支 路10和辅助支路11的连接端子接地，以便进行维护操作。在正常操作时，接地装备2明显 断开并且应该允许端子和地之间的电绝缘。
[0174] 还提供了桥接装备3,桥接装备3与机电断路器的端子电气并联，适合于根据指令 并且在确定时间期间使机电断路器1从一个端子瞬态到另一个端子并且不使比机电断路 器1的断路能力大的瞬态电流经过该机电断路器1。
[0175] 切断装备4与机电断路器1电气串联并且在接地装备2的电连接端子外部地安 装。其用于在断开位置中允许端子之间和端子与地之间的电气绝缘。在闭合位置中，其允 许主支路的电连续性。因与接地装备相关联，所以其允许使接地断路器1安全以便进行维 护。因此，对混合断路器1的任何人为干预需要断开切断装备4并进行接地。
[0176] 电阻插入装备5被串联安装在每个切断装备4和接地断路器1之间：该装备5用 于在其闭合时如果在闭合时刻在端子上有电位差则限制触发电流。
[0177] 最后，提供了补充断路器6,其与根据本发明的机电断路器1电气串联来实现小电 流的断路。根据直流或交流应用，用于实现该补充断路器的拓扑是不同的。在直流断路应 用中，断路器6可以根据与称作M. R. T. B (金属回线转换断路器）的断路器的拓扑相似的拓 扑来实现。该断路器实际上用于极高压AC/DC和DC/AC转换站中。在交流应用中，断路器 6可以根据与用于极高压站中的交流断路器的拓扑相似的拓扑来实现。因此其涉及气体绝 缘灭弧断路器。
[0178] 在图5中，示出根据本发明的机电断路器的主支路10的实施方式。支路10包括 单个主模块10. 1，单个主模块10. 1包括彼此电气并联并且彼此相同的多个子支路10. 11、 10. 12、10. In。主模块的数量是根据在网络L中经过的初级电流来提供的。通常，发明人采 用以下机电断路设备1 :具有包括数量等于并联的十二个子支路10. ll、l〇. 12、10. In的并 联模块10. 1，以便使1500A的稳态电流经过。两个或三个这样的主模块10. 1的并联允许分 别使3000或4500A的稳态电流经过。
[0179] 每个子支路包括彼此电气串联的多个机械负荷开关100以及两个相同的断路单 元101a、101b，两个相同的断路单元101a、101b也与开关100电气串联但是彼此头尾连接， 以使得其中一个专用于一个电流方向。多个子支路10. 11、10. 12、10. In之间的并联安装具 有多个重要优点。
[0180] 位于子支路10. 11、10. 12的同一侧的断路单元101a、101b可以被分组为单个物理 实体来构成电子切换辅助子模块M4. 1、M4. 2,如图5A中虚线所示。
[0181] 两个电子切换辅助子模块M4. 1、M4. 2中的每一个可以根据前述方法保证并联的 子支路中的每一个的电流平衡。各断路单元当重组为单个实体时的接近程度便于这些电流 的远程测量和比较。
[0182] 因为两个电子切换辅助子模块M4. 1、M4. 2中的每一个能够仅以很有限方式被激 励用于操作，所以提供了对断路单元进行快速激励或禁用所需的能量存储装置。此外，嵌入 电子切换辅助子模块M4. 1、M4. 2中的设备被基于弱消耗电子组件来设计，因此把在没有负 荷的情况下操作所需的电功率最小化。这有利地使得可以从位于地面上的设备经由电磁波 传输来进行能量供给，而不是经受高压，因此连接是通过波导实现的或者通过自由射束实 现的。这些波可以在超高频波的情况下称做毫米波，或者在红外谱中是光波，在从750nm到 1500nm的波长窗口中。优选地，通过掺硅并且被绝缘薄层包围的光纤引导这些波。
[0183] 类似地，不同子支路的机械负荷开关100可以被分组为由图5A、图6和图6A的 虚线符号表示的模块M5. 1、M5. 2、M5. 3、M5. 4、M5. 5。这些分组允许有利地为根据本发明 的机电断路器赋予模块化结构，根据本发明的每个电磁致动器模块在与本申请同日申请并 且标题为 ''Permanent magnet actuator and mechanical switch actuated by such an actuator(永磁体致动器和由该致动器致动的机械开关）"的专利申请中描述和保护。因 此，机电断路器可以被用于根据电气串联的机械负荷开关100的模块M5. 1、M5. 2、M5. 3、 M5. 4、M5. 5的数量而或高或低的电压电平。
[0184] 图6示出包括真空断路器（未示出）的机械负荷开关100的优选实施方式，并且 根据该实施方式每个真空断路器配有电气并联的过压限位器1000,过压限位器1000适于 把电压以足够均匀的方式分配到在同样子支路（当子支路处于断开位置时）中串联连接的 所有断路器之间，和/或用于限制由每个断路器经受的最大电压。优选地，同一子支路中的 串联的断路器的总数相对于需求而有余量以使得一个或两个断路器的故障（也就是说在 断开位置承受电压的能力不足）对根据本发明的机电断路器的操作没有影响。换句话说， 在此涉及其目的在于还考虑一个或多个真空断路器的不能承受电压风险的配合操作。作为 过压限位器1000的非线性系统可以被值较大的电阻单独替换，以使得仅让例如几mA量级 的可忽略的残余电流通过。其还涉及在过压限位器1000、较大值的电阻以及必要时的电容 之间的组合或容量。
[0185] 图6A示出上面描述的优选方式的有利变型。根据该变型，相同机械负荷开关模块 M5. 1、M5. 2、M5. 3、M5. 4、M5. 5的每个子支路的两个断路器100的中点通过线性或非线性电 阻1001而连接到该模块的公共点，电阻1001适于限制在相同机械负荷开关模块的这些中 点之间的电势差。
[0186] 图7示出根据本发明的断路单元101a、101b及其在主支路10的子支路10. 11 中的集成。在该变型中，断路单元l〇la、101b的占空比受控的功率半导体元件包括至 少一个场效应晶体管1012a、1012b和与该场效应晶体管电气串联的绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 1010a、1010b。因此，存在场效应晶体管1012a、1012b的漏极D与晶体管IGBT 1010a、 l〇lb的发射极E的连接，而它们的栅极G连接到控制电路，该控制电路保证通常称为共阴 共栅放大器接法的电路类似的整体切换性能。另外，在本发明的范围内，由于IGBT的集电 极一栅极寄生电容引起的Miller效应的优点是通过不使控制电路经受可能经过初级网络 而注入主支路的高频寄生干扰的影响来使控制电路可靠。
[0187] 在不脱离发明范围的情况下可提供多个改进。
[0188] 因此，如上面所描述的那样，根据本发明的在图2中示出的架构可以被提供来对 可能经过高压线路L在一个方向或另一方向上到来的电流进行断路。在其中要断路的电 流保持总是定向在同一方向上的应用中，该架构可以通过移除图2中的所有双重电子组件 (也就是说以同样索引a或b指示的所有两个组件）而被简化。
【权利要求】
1. 一种机电断路器设备（1)，用于对流过电能传输装置（L)的电流进行断路，该设备包 括： -主支路（10)，其包括至少一个主模块（10. 1，10. 2,10. η)，主模块包括至少一个子 支路（10. 11，10. 12,10. In)，子支路包括至少一个机械负荷开关（100)，机械负荷开关 (100)与包括至少一个占空比受控的功率半导体元件（1010a ;1010b)的至少一个断路单元 (101a ;101b)串联地安装； -辅助支路（11)，与主支路电气并联地安装并且包括： -至少一个第一子支路（11. 1，11. 2,11. 3)，其称为定时子支路并且包括至少一个第一 断路单元，至少一个第一断路单元多个级联的功率晶闸管（111a，112a，113a ;lllb，112b， 113b)，定时子支路中的至少一个还包括至少一个第一辅助切换模块（Ml)，第一辅助切换模 块（Ml)具有至少一个第一电容器（1120)、至少一个第一电感器（1121)、以及至少一个第一 电阻器（1122)，第一电阻器（1122)与第一电容器电气串联，第一电容器本身与其放电电阻 (1125)和过压限位器（1124)电气并联；以及 -称为装备子支路的第二子支路（11. 4)，其与定时子支路电气并联安装并且包括至少 一个第二断路单元，第二断路单元包括多个级联的功率晶闸管（114a ;114b)和至少一个第 二辅助切换模块（M3)，第二辅助切换模块（M3)具有至少一个第二电容器（1140)、至少一个 第二电感（1141)以及至少一个第二电阻（1142)，第二电阻（1142)与第二电容器电气串联， 第二电容器自身又与其放电电阻（1145)和过压限位器（1144)电气并联； -至少一个主过压限位器（12)，与所述主支路电气并联。
2. 根据权利要求1所述的机电断路器，其中，主模块的每个子支路包括在两个功率半 导体断路单元（l〇la，101b)之间串联安装的至少一个机械负荷开关（100);每个断路单元 彼此之间反串联并且使用功率半导体。
3. 根据权利要求1或2所述的机电断路器，还包括电压增速限位器（102a，102b)，与主 模块的每个断路单元电气并联；增速限位器包括与电容器（1021a，1021b)电气串联的二极 管（1020a，1020b)，二极管自身与其放电电阻（1022a，1022b)电气并联。
4. 根据前述权利要求之一所述的机电断路器，还包括与主模块的每个断路单元电气并 联的过压限位器（103a)。
5. 根据前述权利要求之一所述的机电断路器，其中，主模块的子支路的每个断路单元 包括占空比受控的至少一个功率半导体元件（1010a，1010b)，并且其中主模块的每个子支 路包括与断路单元反并联的二极管（1011b，1011a)。
6. 根据前述权利要求之一所述的机电断路器，其中，主模块的断路单元的占空比受控 的至少一个功率半导体元件是绝缘栅双极晶体管IGBT (1010a，1010b)。
7. 根据权利要求1-5之一所述的机电断路器，其中，主模块（10. 1，10. 2,10. η)的子支 路（10. 11，10. 12,10. In)的断路单元（101a，101b)的占空比受控的功率半导体元件包括至 少一个场效应晶体管（1012a，1012b)和绝缘栅双极晶体管（1010a，1010b)，绝缘栅双极晶 体管与所述场效应晶体管电气串联，场效应晶体管的漏极与IGBT晶体管的发射极连接，其 栅极G连接到保证级联电路类型的切换行为的控制电路。
8. 根据前述权利要求之一所述的机电断路器，其中，主支路包括彼此电气并联的多个 主模块（10. 1，10. 2，…，10. η)。
9. 根据前述权利要求之一所述的机电断路器，其中，每个主模块（10. 1，10.2，…，
10. η)包括彼此电气并联的多个子支路（10. 11，10. 12，…10. In)。
10. 根据前述权利要求之一所述的机电断路器，其中，辅助支路（11)包括彼此电并联 的至少两个定时子支路（11. 2, 11. 3)，第二定时子支路包括至少一个第三断路单元，第三断 路单元包括多个级联的功率晶闸管（111a，113a ;lllb，113b)和至少一个第三辅助切换模 块（M2)，至少一个第三辅助切换模块（M2)具有至少一个第三电容器（1130)、至少一个第三 电感（1131)以及与第三电容器电气串联的至少一个第三电阻（1132、1136)，第三电容器自 身与其放电电阻（1135)和过压限位器（1134)电气并联，过压限位器（1134)自身与电阻 (1136)串联。
11. 根据前述权利要求之一所述的机电断路器，其中，每个主模块（10. 1，10.2，…， 10. η)的每个子支路（10. 11，10. 12，…10. In)的每个机械负荷开关（100)包括电气串联 的两个真空断路器。
12. 电气开关装置组，用于安置在高压直流或交流电能传输装置中，包括根据前述权利 要求之一所述的机电断路器以及与机电断路器的两个端子串联连的至少一个电接地装置 ⑵。
13. 根据权利要求12所述的电气开关装置组，包括桥接装置（3)，桥接装置（3)电气并 联连接到机电断路器的端子并且适于基于命令在预定时间期间使大于的机电断路器的断 路能力的瞬态电流从该断路器的一个端子过渡到另一个端子，而不经过该断路器。
14. 根据权利要求12或13所述的电气开关装置组，包括在混合断路器的两侧的端子上 的切断装置（4)，切断装置（4)与机电断路器电气串联并且在接地装置的电连接端子外部 安装。
15. 根据权利要求14所述的电气开关装置组，还在接地装置的电连接端子和切断装置 之间包括与切断装置电气串联的电阻（5)插入装置。
16. 根据权利要求12至15之一所述的电气开关装置组，包括与机电断路设备电气串联 的附加断路器，该附加断路器适于切断较小电流。
17. 根据权利要求16所述的电气开关装置组，其中该附加断路器是金属回线转换断路 器 M. R. T. B。
18. 根据权利要求16所述的电气开关装置组，其中该附加断路器是灭弧断路器。
19. 根据权利要求12至18之一所述的电气开关装置组，其中该电器和附加断路器被设 计为单个模块形式或多个相关联。
20. -种触发根据权利要求1至11之一所述的机电断路设备的触发方法，根据该方法， 在主支路中仅存在恒定电流并且在没有特定指令的情况下，把每个负荷开关保持在闭合位 置，把占空比受控的功率半导体元件保持在导通状态，并且把辅助支路的所有功率晶闸管 保持为不导通状态，并且根据该方法，在设备主支路中电流强度过大的情况下或收到特定 指令的情况下，该方法包括以下步骤： a) 在把每个负荷开关保持闭合的同时，使占空比受控的功率半导体元件从导通状态切 换到不导通状态，以便在每个机械负荷开关断开所需的时段期间使全部电流偏离进入至少 一个定时子支路； b) 与步骤a)同步地把至少一个定时子支路的功率晶闸管从不导通状态切换到导通 状态，以便在主支路和辅助支路的端子处达到电压电平，该电压电平使得没有任何电流在 主支路或在装备支路或在过压限位器中流动，以使得把每个机械负荷开关的处于断开位置 的装备支路的功率晶闸管从不导通状态随后切换到导通状态，并且允许把每个机械负荷开 关的处于断开位置的至少一个定时子支路的功率晶闸管从导通状态随后切换到不导通状 态； C)当实现了步骤b)时，断开每个机械负荷开关； d) 当实现了步骤c)时并且当每个机械负荷开关达到其断开位置时，把装备子支路的 功率晶闸管从不导通状态切换到导通状态，用于在其端子处达到允许把所有电流偏离进入 过压限位器中的电压电平； e) 通过主过压限位器使电流消失。
21. 根据权利要求20所述的触发方法，根据该方法还包括通过至少一个切断装置（4) 的断开而消除任意残余漏电流的步骤f)。
22. -种监控系统，实施根据权利要求20或21所述的方法。
【文档编号】H01H9/54GK104126210SQ201280070575
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2012年12月20日 优先权日:2011年12月23日
【发明者】让-皮埃尔·迪普拉, 沃尔夫冈·格里斯哈伯, 米歇尔·科莱 申请人:阿尔斯通技术有限公司