具有阻断半导体的换向开关的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种换向开关(commutating switch)，例如断路器。
【背景技术】
[0002]为了断开任意DC电路，由于流动的电流而储存在磁场中的感应能量必须被吸收； 所述感应能量可以在电容器中储存，或在电阻器中耗散(在断开电路期间形成的电弧在这 一意义上是电阻器的特例）。使用欧姆电阻器限定用于换向断路器的失跌点（resistance level)的主要困难在于：（1)对于每一个失跌点，瞬态电压的增加取决于流动的电流和在换 向时引入的电阻，以及(2)(在故障期间的）电流的增加率或(在电阻引入之后的）衰减的速 率主要取决于最严重的故障类型的"完全短路"中的电感，在完全短路中系统电阻几乎为 零；电感和(断路器外部的）系统电阻在实际故障中可以有很多变化。因此，理想的是，计算 并且限定合适的失跌点，以在每一次断路器操作时插入电阻器，以获得插入的电阻器两端 的目标的最大瞬态电压差，但是如果使用欧姆电阻器，这是不实际的。
[0003] 当在电路中插入变阻器、反向齐纳二极管或瞬态吸收器(transrob)时，它们形成 了吸收在故障中储存的能量的反向电动势(EMF);这可以被看作为高度非线性的电阻，但 是，将其看作电池也是合理的，所述电池在充电期间失去所有的存入能量，但是仍设法较好 地控制"充电电流"的电压。
[0004] 由于短路时电流的迅速涌入，感应能量可以轻易地远大于仅在正常满负载下储存 在系统中的感应能量;如果电流在被控制之前达到正常满负载安培数的五倍，感应能量将 达到正常满负载下电路的感应能量的二十五倍(取决于短路的位置）。直到最近，针对DC断 路器的测试标准已经采取了与电弧隔板(arc chute)断路器（自爱迪生时代以来的标准DC 断路器设计)对应的缓慢操作，其中在接收到脱扣(trip)信号之后，断开电极的时间典型地 大于或等于三毫秒(ms);达到电流开始下降的时刻可以花费甚至更长的时间（达到十毫 秒）。这意味着，在短路中通过电弧隔板断路器可以建立高电流，可能到达DC电源的最大能 力。为此，适用于美国的电气列车(ANSI/IEEE37.20)的断路器的DC断路器标准要求断路器 能够处理200，000安培(200千安培，"kA"）的电流，大约是电气列车地铁系统中的DC故障的 最大短路电流。
[0005] 第二类机械切换的DC断路器包括来自日立的创新的、快速动作的高速真空断路器 (HSVCB)DC断路器(参见例如美国专利4,216,513)，所述DC断路器基于使用电感器和电容器 建立L-C谐振电路，所述谐振电路与AC真空断路器联接，从而在电流通过零点时中断电流。 这些断路器使正常DC电路的绝缘件和电路部件处于迅速的电压反转和电压峰值的影响之 下。针对用于DC轨道应用的L-C谐振电路断路器，相较于较慢的电弧隔板轨道断路器必须经 受的200kA，日本的调节器(标准JEC-7152)允许较低的最大电流(50kA)。基于L-C谐振断路 器的更快速地电路断开动作使之成为可能。实质上，在这样的断路器中，电容器的放电（电 子触发)建立了引起电流振荡穿过零点的L-C谐振(非常类似AC电路）。这一振荡迅速衰减， 但是在衰减期间，真空断路器在电流穿过零点时断开电路。近期的美国专利申请（13/697， 204)显示这一机构也适用于高压DC(HVDC)电路。
[0006] 已知的切断DC电力的最快方式是使用可切换的电力电子设备断开电路;这些设备 典型地是半导体(晶闸管或晶体管），但是真空管也能够被使用。在这些设计中，开关本身的 电阻是重要的考虑因素，因为在导通状态下整个电路的负载通过开关。在最常用类型的电 力电子开关(即集成栅极的双极晶体管（IGBT))的情况下，通常导通时的损耗可以是传输功 率的0.25-0.50%，这一损耗对于许多应用不可接受地大，并且还暗含着针对高功率电路的 非常大的冷却负载，所述冷却负载典型地要求栗送的液体冷却剂。主动式冷却的需要增加 了成本和环境影响，并且降低了开关的可靠性。
[0007] ABB是DC开关的加速操作的另一方法的主要开发者，所述DC开关包括断路器，所述 断路器是一种电力电子开关和机械开关的混合体，但是维持了低于纯电力电子断路器的导 通状态的损耗。在这一混合方法中，存在至少两个与快速机械开关结合的电力电子开关。第 一电力电子开关是低损耗的、耐低压开关，所述第一电力电子开关将电流换向至穿过具有 耐高电压能力的第二电力电子开关到第二路径(但具有更高的导通状态损耗）。所述第二电 力电子开关可由一堆IGBT晶体管、一堆门极关断(GT0)晶闸管，或各种能够切断电流的管件 组成。在所述第二电力电子开关可以被电子地关断之前，耐低压的第一电子开关必须通过 串联连接的机械开关保护其免受组合的电压冲击的影响;第二高电压能力的断路开关不可 以断开电路，直到机械开关的可动电极到达防止触发或再触发电弧的最小间隔。这一串联 连接的机械开关是开关中最慢的部件，因此使机械开关更快可使得混合开关更快。目前使 用的快速机械开关具有电极，所述电极经由电磁排斥或借助穿过汤普森线圈（感应磁性排 斥）的电容器放电而被磁性地加速，并且，这些电极在真空中或在气体中分离，所述气体可 以是六氟化硫气体或气体混合物。
[0008] 在用于中电压DC(MVDC)的混合断路器中，所述第一耐低电压开关可期望地是IGCT (集成栅极换向晶闸管）；对于高电压DC(HVDC)混合断路器，所述第一耐低电压开关可期望 地是单级IGBT，所述单级IGBT将电流换向到具有多个串联连接的IGBT的IGBT阵列，每一个 IGBT与金属氧化物变阻器(MOV)并联。第二高电压能力的断路开关可以包括串联连接的 IGBT晶体管阵列、一堆门极关断晶闸管(GT0)、冷阴极真空管，或能够切断功率流的类似的 电力电子开关。
[0009] 有报道称，汤普森线圈致动的机械开关中存在大约100微秒的响应延迟时间，这是 由于所连接的电极的机械式响应，。
[0010] 如果混合开关也是断路器，则还必需存在一种能量吸收减振器（例如半导体阻断 器件或电容器组），以吸收储存在由电流建立的磁场中的感应能量。上文所述的混合断路器 是一个举例，其中，在HVDC电路储存的感应能量(可以超过100兆焦耳)的大部分在断路器的 操作期间被半导体阻断器件吸收。
【发明内容】
[0011] 本公开包括一种机械开关，所述机械开关通过将电流换向到能量吸收路径，或穿 过至少一个阻断半导体的路径序列而断开电路，其中，所述换向由至少一个梭电极 (shuttle electrode)在至少一个固定电极上的滑动运动引起。所述阻断半导体可以包括 变阻器（例如聚合物基体的变阻器，或金属氧化物变阻器，"MOV"）、齐纳二极管（Zener diode)(仅对在一个方向（相反方向）的阻断是有效的），或者瞬态电压抑制二极管(双向阻 断直至击穿电压）。所述阻断半导体吸收所储存的感应能量的至少一部分，以使得电路能够 断开，且具有控制最高电压(本文中，瞬态电压抑制二极管被称为"瞬态吸收器"）。为了使滑 动开关在电极分离时不产生电弧，这些电极中的至少一个优选地具有电阻率增加的区域， 所述区域形成所述电极的最后部分，以电连接至匹配电极，从而限定通过所述开关的导通 状态的电路。在正常的导通状态下，电流通过匹配电极的低电阻部分，但是随着开关断开， 电流被换向到至少一个明确限定的第二能量吸收路径，所述第二能量吸收路径穿过在击穿 电压阈值以下阻断电流的非线性的、非欧姆性的电阻器(例如为变阻器(可以是聚合物基体 的变阻器，或金属氧化物变阻器，"MOV"）或瞬态电压抑制二极管或齐纳二极管;所有这种电 压-限制半导体器件在本文中被称为"阻断半导体"。
[0012] 所述电极的电阻率可变的后边缘(trailing edge)部分能够附接至梭电极、定子 电极，或优选地附接至二者。针对实验限定的一系列关于电压、电流、电容和电感的故障条 件范围，电极后边缘中的分级电阻率在电极分离时防止形成电弧；电流和电感尤其重要，因 为它们决定了为了断开电路而必须消耗或储存的流动的电流中储存的磁性能量的数量。
[0013] 所述开关将电流换向到穿过阻断半导体的至少一个并联路径。使用两个或更多阻 断半导体能够分配电压，提供有用的安全限度，或者降低切换期间的电压偏移（voltage excursion)。在一些情况下还期望，所述阻断半导体器件集成地连接至梭电极在其上运动 的定子电极，从而在定子电极中产生电压梯度。本公开的开关可等同地适用于AC或DC电力， 但是，对于DC电力情况具有特别的优势。
[0014] 本公开的特征在于换向开关。换向开关可以包括具有固定电极的固定部分，以及 具有可动电极的可动部分。当固定电极和可动电极导电接触时，可以限定开关闭合位置，并 且，可动部分能够相对于固定部分运动，以中断固定电极和可动电极之间的导电接触，从而 限定开关断开位置。在断开开关时电流被换向到还可以存在非线性的、非欧姆性的阻断半 导体的电气路径中。
[0015] 可动部分可包括梭子（shuttle)，或者可包括转子(rotor)。固定电极和可动电极 可包含在介电液体中，所述介电液体处于至少IMPa的液压下，更具体地可以大于1 OMPa。固 定部分可以包括两个固定的、隔开的电极，并且，分离电气路径（separate electrical paths)可通过两个固定的、隔开的电极连接。
[0016]固定电极可包括多个相邻的分离导体。当开关断开时，可动电极的每一个能够与 分离导体中的一个产生电接触。或者，当开关断开时，可动电极能够同时与分离导体中的至 少两个产生电接触。
[0017]所述换向开关可以具有处于电气路径中的多个非线性的、非欧姆性的阻断半导 体，在开关断开时电流被换向到该电气路径中。所述多个非线性的、非欧姆性的阻断半导体 可布置成叠层。非线性的、非欧姆性阻断半导体可以是布置为叠层的金属氧化物变阻器 (M0V)，所述金属氧化物变阻器以这种方式布置使得，换向电极的运动生电流运动通过数量 增加的M0V，导致叠层两端的电压逐步增加。M0V可以被布置以使得支持M0V的薄片的边缘一 直延伸至一区域，在所述区域，薄片的边缘与运动的梭电极直接接触，使得相邻的薄片之间 的电压变化在正常工作状态下不超过四伏特。
[0018]固定部分可以是定子，并且可动部分可以是转子。转子可以通过摩擦保持部分地 固定，所述摩擦来自于在转子的表面区域的相当大部分上与转子接触的紧密装配的定子。 定子可以围绕转子，并且定子可以包括可互换的拱顶石形(keystone-shaped)构件。拱顶石 形构件可以通过弹性力或施加在防渗膜上的外部液压而保持抵靠转子，所述防渗膜围绕拱 顶石形构件。定子可包括多个换向级（commutation stage)、多个定子电极和电阻器:所述 换向级的每一级包括两个换向区域，每一个换向区域包括导电导线;所述定子电极的每一 个电联接至所述导电导线;所述电阻器位于每一个定子电极和导电导线之间，其中，每一级 的两个区域的两个导电导线通过阻断半导体电连接。定子电极中的至少一些可以包括液态 金属。
[0019] 电极可以滑动分离。固定电极和可动电极的中一个或二者可以具有形成电极的最 后部分的分级的、电阻率增加的区域，所述电极的最后部分在开关从闭合位置运动到断开 位置时与另一个电极电连接。
[0020] 换向开关可以包括在串联的电气路径中的至少两个阻断半导体。固定部分可以包 括一连串叠层的金属氧化物变阻器。变阻器可以是环形的，并且具有不同的外径。开关的可 动部分可以在闭合位置处于应力下。阻断半导体可选自于由变阻器、齐纳二极管和瞬态电 压抑制二极管组成的半导体组。
【附图说明】
[0021] 图1显示具有两个阻断半导体的旋转运动换向开关，所述两个阻断半导体在换向 器旋转时连接至承载电流的定子电极；
[0022] 图2显示将电流换向到单个阻断半导体以断开电路的旋转换