用于中断传输线上的电流的装置的制作方法

本发明涉及一种用于中断传输线上的电流的断路器装置。

优选地，所期望中断的电流是高电压传输和/或配电线路上存在的大直流电流(DC)或交流电流(AC)，典型地，对于DC而言，所期望中断的电流为电压大于50千伏(kVDC)的电流，或者对于AC而言，所期望中断的电流为电压大于50千伏均方根(kVrms)的电流。更一般地，本发明还适用于中断传输和/或配电线路在电压值小于上述值的情况下的电流。用于中断电流的断开时间必须非常短暂，通常大约为几毫秒。

背景技术：

申请人于2011年12月23日提交了一项国家登记号为No.2985082、题目为“Dispositif disjoncteur mécatronique et procédé de déclenchement associé et application à la coupure de courant continu élevé(机械断路器装置、相关的断开方法以及在大连续电流断路中的应用)”的法国专利申请。

专利申请FR 2985082公开了一种适用于中断在电传输装置中流动的电流的机电电路断路器装置。该机电电路断路器装置包括三个并联支路，即，主支路，待中断的电流流过该主支路；辅支路；以及主电压限制器，又称为避雷器。辅支路自身包括至少一个延迟子支路和至少一个启动子支路(une sous-branche d'armement)，所述至少一个定时器子支路与所述至少一个布防子支路并联。

一个或多个定时器子支路的存在导致辅支路具有大量部件。此外，一个或多个定时器子支路中使用的电子功率部件不是标准组件。部件的断开时间必须非常短。该技术要求导致使用昂贵的部件。

本发明不存在这个缺点。

技术实现要素：

本发明涉及一种用于中断传输线上流动的电流的断路器装置，所述装置包括并联连接的三个电气支路，即，主支路，待中断的电流在该主支路中流动；辅支路；以及电压限制器支路；主支路包括与至少一个机械断续器/切断器串联连接的至少一个半导体断路器单元，半导体断路器单元包括适用于被命令断开或闭合并且与电压限制器并联连接的至少一个半导体元件，辅支路包括至少一个组件，所述至少一个组件由与至少一个电阻器并联连接的至少一个电容器组成，该组件与至少一个晶闸管串联连接，所述装置还包括控制模块，该控制模块适用于命令半导体断路器单元的半导体元件断开以及命令机械断续器/切断器断开。

控制模块还包括适用于起如下作用的模块：一旦电流在半导体断路器单元的半导体元件中被中断，该模块就在电压限制器中流动的电流达到所述传输线上流动的电流的值的时刻或之后命令所述辅支路的晶闸管进入导通状态。在本发明的第一实施例中，控制模块包括：

适用于在t₀时刻将断开命令应用于机械断续器/切断器的模块；

适用于在所述t₀时刻之后的t₁时刻将断开命令应用于所述半导体断路器单元的半导体元件的模块，所述将断开命令应用于所述半导体断路器单元的半导体元件使得：通过所述半导体元件的电流减小，直到该电流为零为止，以及使得通过所述电压限制器的电流增大，直到该电流达到所述传输线上流动的电流的值为止；以及

适用于在t₂时刻应用用于使得辅支路的晶闸管进入导通状态的命令的模块，所述t₂时刻是所述电压限制器中流动的电流达到传输线上流动的电流的值的时刻或之后的时刻。

在本发明的第一实施例的改进中，该装置还包括：

控制模块，所述控制模块适用于在早于所述t₀时刻的时刻将预备断开命令应用于主支路的断路器单元的半导体元件；

适用于当预备断开命令应用于主支路的断路器单元的半导体元件时对与辅支路的晶闸管并联连接的存储电容器中的电荷进行测量的模块；以及

适用于当存储电容器的电荷的测量值与预定电荷值相匹配时，使得断开命令能够在t₀时刻应用于机械断续器/切断器的模块。

在本发明的第二实施例中，设置有与半导体断路器单元并联的至少一个附加半导体断路器单元，该附加半导体断路器单元的断开能力大于半导体断路器单元的断开能力。

本领域的技术人员应当将断路器单元的术语“断开能力”理解为表示断路器单元中断大电流的能力。断路器单元的断开能力越大，则能够被该断路器单元中断的电流的幅值越大。

在本发明的第二实施例的第一变型中，附加半导体断路器单元包括与其所包括的半导体并联连接的至少一个电压限制器。电压限制器的尺寸被设置为使得能够通过与由附加断路器单元中断的电流相等的电流。

在本发明的第二实施例的第二变型中，第二断路器单元其自身不包括电压限制器，并且该第二断路器单元是半导体断路器单元的电压限制器，该第二断路器单元的尺寸被设置成能够通过与由附加断路器单元中断的电流相等的电流。

在本发明的第二实施例中，控制模块包括：

适用于在t_a时刻将断开命令应用于半导体断路器单元的半导体元件的模块；

适用于在所述t_a时刻之后的t_b时刻将断开命令应用于机械断续器/切断器并且将闭合命令应用于附加半导体断路器单元的半导体元件的模块，将断开命令应用于机械断续器/切断器并且将闭合命令应用于附加半导体断路器单元的半导体元件使得：附加半导体断路器单元的半导体元件变得导通。

适用于在所述t_b时刻之后的t_c时刻将断开命令应用于附加半导体断路器单元的半导体元件的模块，所述将断开命令应用于附加半导体断路器单元的半导体元件使得：通过所述附加半导体断路器单元的半导体元件的电流减小，直到该电流为零为止，以及使得通过所述电压限制器的电流增大，直到该电流达到所述传输线上流动的电流的值为止；以及

适用于在t_d时刻应用用于使得所述辅支路的所述晶闸管进入导通状态的命令的模块，所述t_d时刻是所述电压限制器中流动的电流达到所述传输线上流动的所述电流的值的时刻或之后的时刻。

在本发明的第二实施例的改进中，控制模块包括适用于在t_a时刻将预备断开命令应用于主支路的断路器单元的半导体元件的控制模块，并且该装置还包括：

用于当预备断开命令应用于主支路的断路器单元的半导体元件时对与辅支路的晶闸管并联连接的存储电容器中的电荷进行测量的模块；以及

适用于当存储电容器的电荷的测量值与预定电荷值相匹配时使得断开命令应用于机械断续器/切断器的模块。

本发明的断路器装置并不包括延迟子支路。本发明的优点在于减小了断路器装置的尺寸和成本，并且增大了断路器装置的可靠性。

主支路中流动的中断电流可以是标称电流或一些其它电流，例如，大于标称电流的电流并且由断路器装置所属的电气设备中的故障的出现引起的电流。

附图说明

通过阅读下文参考附图所给出的描述，本发明的其他特征和优点会体现出来，在附图中：

图1A和图1B示出了本发明的第一实施例中的断路器装置的第一变型；

图2示出了本发明的第一实施例中的断路器装置的第二变型；

图3示出了本发明的第一实施例中的断路器装置的第三变型；

图4示出了本发明的第一实施例中的断路器装置的第四变型；

图5A至图5C示出了图1A至图4中所示的电路中出现的作为时间的函数的电流中断现象；

图6示出了本发明的第二实施例中的断路器装置；

图7A至图7D示出了图6中所示的电路中出现的作为时间的函数的电流中断现象；以及

图8A至图8D作为非限制性示例示出了与本发明的多个实施例相容的多个辅支路变型。

在所有的附图中，类似的附图标记表示类似的元件。

具体实施方式

图1A和图1B示出了本发明的第一实施例中的断路器装置的第一变型。

图1A在整体上示出了组成断路器装置的主要电气元件，以及图1B示出了图1A中所示出的元件之一的细节视图。

断路器装置包括三个并联支路B₁、B₂、B₃，以及控制电路CM。所述支路由主支路B₁、辅支路B₂以及支路B₃组成，其中，主支路B₁中流过待中断的电流，以及支路B₃由避雷器组成。

作为非限制性示例，主支路B₁包括两个并联的子支路，每个子支路包括两个半导体断路器单元CEL₁、CEL₂和至少一个机械断续器/切断器S_m。优选地，每个断路器单元CEL_i(i＝1，2)被设置在子支路的相应端部处，以及一个或多个机械切断器被设置在断路器单元之间。例如，每个半导体断路器单元CEL_i(i＝1，2)包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)1、二极管2以及电压限制器3(参见图1B)。二极管2与晶体管1反向并联连接，并且电压限制器3与晶体管1并联连接。断路器单元CEL₁、CEL₂连接在机械断续器/切断器S_m的相对侧以沿着相反的方向导通。

在图1A所示的实施例中，主支路包括两个子支路。然而，更一般地，主支路可以仅由单个支路组成，或者主支路可以包括N个并联子支路(N≥2)。

辅支路B₂包括：与至少一个电阻器Ra并联的至少一个电容器Ca，以及至少两个由级联的晶闸管T_j构成的子组件。所述两个由晶闸管构成的子组件反向并联连接。由电阻器Ra和电容器Ca组成的组件与两个由晶闸管组成的子组件串联连接。按照已知的方式，辅支路的每个晶闸管均包括与该晶闸管并联连接的控制电子器件(附图中未示出)。该控制电子器件包括参与晶闸管的控制过程的存储电容器。

图1A中所示的辅支路B₂是辅支路的一个实施例。辅支路B₂的其他实施例在下文中参考图8A至图8D给出。

图1A和图1B中所示的本发明的第一实施例的第一变型中的断路器装置有利地适合于传导DC或AC。主支路中二极管的存在以及主支路和辅支路中反向并联连接的部件的存在特别地使得可以传导沿着一个方向或另一个方向流动的DC，或者可以沿着相反方向以半个周期传导AC。在所期望的应用中，本领域的技术人员将因此评估是否需要保持二极管的存在以及反向并联连接的部件的存在。

下面参考图5A至图5C对图1A至图1B中所示的装置的操作进行描述。

图5A至图5C示出了当故障的出现导致通过主支路的电流I₁增大到阈值I₀时的电流中断过程，检测到该电流变化会触发断开。更一般地，本领域技术人员应当理解的是，只要给出了触发指令，就可以在任意时间触发断开过程，即使没有出现故障，并且不管电流的值如何，仍然可以触发断开过程。

在正常操作情况下，IGBT 1导通：待中断的电流I₁经过主支路B₁，并且辅支路B₂和避雷器(支路B₃)都不导通。在本发明的第一实施例的以下描述中，主支路的IGBT中流动的电流被标记为I₁，并且电压限制器中流动的电流被标记为I₃。

在时刻t₀，电流I₁达到值I₀，并且控制电路CM向所有的机械断续器/切断器S_m发送同时断开命令K₁。在t₀之后的t₁时刻，控制电路CM则向所有的IGBT发送同时断开命令K₂。根据待中断的电流来选择t₁时刻与t₀时刻之间的时间差。对于具有相同电容的电容器Ca而言，待中断的电流越大，t₁时刻与t₀时刻之间的时间段越长。作为非限制性示例，本发明的实施例使得：当电容器Ca的电容等于34微法(μF)并且待中断的电流的峰值等于8千安(kA)时，t₁时刻与t₀时刻之间的时间差等于250微秒(μs)。

从理论的角度来看，t₀时刻和t₁时刻可以重合。然而，在这种情况下，电容器Ca的电容值会过高。

从t₁时刻开始，IGBT中的电流I₁减小，直到该电流I₁为零为止，并且通过电压限制器3的电流I₃增大，直到该电流I₃达到最大电流值I_max3为止，I_max3等于传输线上流动的电流的值(参见图5B)。

在t₂时刻，即，一个或多个电压限制器中流动的电流达到传输线上流动的电流的值的时刻或之后的时刻，借助于由控制电路CM传送的命令K₃使得辅支路的所有晶闸管都被置于导通状态。在t₂时刻和t₁时刻之间的时间间隔Δt期间，与辅支路的晶闸管并联连接的存储电容器进行充电。

因此，电流I_aux通过辅支路的晶闸管(参见图5C)。电流I_aux增大。在t₂时刻之后的t₃时刻，机械断续器/切断器S_m处于电气断开状态。

t₁时刻(在该时刻，向机械断续器/切断器给出了断开的命令)与t₃时刻之间的时间段是机械断续器/切断器特有的特征。因此，可能存在两种情况，这取决于t₂时刻是在t₃时刻之前还是在t₃时刻之后。

当t₂时刻在t₃时刻之前时(如图5A至图5C所示)，在机械断续器/切断器S_m被置于电气断开状态之前，晶闸管闭合。因此，辅支路中流过逐渐增大的电流。电容器Ca进行充电，从而其两端的电压增大。电容器的存在使得可以延迟避雷器两端的电压的上升(为此目的，根据主支路的、所期望中断的电流的值来选择电容器的电容)。在t₄时刻，避雷器两端的电压达到避雷器的导通电压，避雷器开始导通，并且通过避雷器的电流I_para增大，从而导致辅支路中的电流降低。随后，按照已知的方式，避雷器中的电流稳定并减小直到其变为零为止，并且主支路两端的电压稳定在网络电压。

当t₂时刻在t₃时刻之后时，在机械断续器/切断器被置于电气断开状态之后，晶闸管闭合。因此，有利地，可以将电容器Ca的电容选择为小于当t₂时刻在t₃时刻之前时所选择的电容值。

在本发明的改进中，在断开过程之前对辅支路的晶闸管进行初步测试。

按照如下方式执行该测试。在t₀时刻之前的t₀-δt时刻，向IGBT施加断开命令，例如，时间段δt可以等于几微秒。IGBT的断开会导致在每个IGBT的两端都出现电压。因此，所述电压被施加至与辅支路的晶闸管并联连接的存储电容器的两端。这导致对存储电容器逐步进行充电。然后，对存储电容器的电荷进行测量，如果发现正确地执行充电(即，存储电容器两端的电压在要求的时间内达到预定阈值)，则认为辅支路的晶闸管处于正常运转状态。所上文所指出的，在t₀时刻，发送用于断开机械断续器/切断器的命令。

然而，如果存储电容器没有正确地充电(即，存储电容器两端的电压在要求的时间内没有达到预定阈值)，则认为辅支路的晶闸管没有处于正常运转状态，并且不向机械断续器/切断器发送断开命令。

图2示出了本发明的第一实施例中的断路器装置的第二变型。

作为非限制性示例，主支路包括两个具有栅极可关断(GTO)晶闸管的断路器单元CEL_G1、CEL_G2。

每个GTO晶闸管断路器单元CEL_Gi(i＝1，2)至少包括GTO晶闸管GTO_i、二极管2和电压限制器3。二极管2与晶闸管GTO_i反向并联连接。每个单元CEL_Gi(i＝1，2)优选地被设置在主支路的端部。两个单元CEL_G1与CEL_G2连接在多个并联子支路的相对端部处、沿着相反方向导通，每个子支路包括两个电流平衡单元CQ_i和至少一个机械断续器/切断器S_m，所述两个电流平衡单元CQ_i连接成沿着相反方向导通，每个电流平衡单元位于其子支路的相应端部。

电流平衡单元CQ_i(i＝1，2)包括与上述第一变型的断路器单元CEL_i(i＝1，2)相同的部件。然而，在该变型中，形成平衡单元的各部分的IGBT并非用于中断电流，而是仅用于平衡主支路的多个并联子支路中流动的电流。

上文参考第一变型的断路器装置做出的与DC和AC的流动有关说明也适用于断路器装置的第二变型。

图5A至图5C所示的断开过程同样适用于图2所示的装置。

因此，控制电路CM依次执行如下操作：在t₀时刻，传送用于断开机械断续器/切断器的命令K₁；在t₁时刻，传送用于断开主支路的GTO晶闸管的命令K₂；以及在t₂时刻，传送用于闭合辅支路的晶闸管的命令K₃。

图3示出了本发明的第一实施例中的断路器装置的第三变型。

作为非限制性示例，主支路B₁包括两个并联的子支路，每个所述子支路包括两个GTO晶闸管断路器单元CEL_G1和CEL_G2以及至少一个机械断续器/切断器S_m，所述两个GTO晶闸管断路器单元CEL_G1和CEL_G2连接在机械断续器/切断器S_m的相对侧以沿着相反方向导通。优选地，每个断路器单元CEL_Gi(i＝1，2)被设置在子支路的相应端部，并且一个或多个机械切断器被设置在断路器单元之间。每个断路器单元CEL_Gi(i＝1，2)包括：至少一个GTO晶闸管GTO_i、二极管2以及电压限制器3。二极管2与一个或多个GTO晶闸管反向并联连接，并且限压器3与二极管2并联连接。

断路器单元CEL_Gi(i＝1，2)与机械断续器/切断器S_m之间设置有电流平衡单元CQ_i(i＝1，2)。每个电流平衡单元包括不会干预断开过程的IGBT。

在图3所示的变型中，主支路包括两个子支路。然而，更一般地，在本发明的这个变型中，主支路包含N个并联子支路(N≥2)。

上文参考第一变型的断路器装置做出的与DC和AC的流动有关的说明也适用于断路器装置的第三变型。

如上所述，在图5A至图5C中示出图3所示的装置所实现的断开过程的操作。因此，控制电路CM依次执行如下操作：在t₀时刻，传送用于断开机械断续器/切断器的命令K₁；在t₁时刻，传送用于断开主支路的GTO晶闸管的命令K₂；以及在t₂时刻，传送用于闭合辅支路的晶闸管的命令K₃。

图4示出了本发明的第一实施例中的断路器装置的第四变型。

第四变型大体上对应于第一变型，唯一的区别在于：在第四变型中，使用GTO晶闸管替代了第一变型的装置的IGBT。

图4所示的装置所实现的断开过程的操作也通过图5A至图5C示出。因此，控制电路CM依次执行如下操作：在t₀时刻，传送用于同时断开机械断续器/切断器的命令K₁；在t₁时刻，传送用于同时断开主支路的GTO晶闸管的命令K₂；以及在时刻t2，传送用于同时闭合辅支路的晶闸管的命令K₃。关于DC和AC的上述说明也适用于断路器装置的第四变型。

图6示出了本发明的第二实施例中的断路器装置。

本发明的第二实施例对应于第一实施例的第一变型的改进。

在某些应用中，IGBT的断开能力不足。为了处理这种不足，本发明的第二实施例规定，可以存在与设置有至少一个IGBT的至少一个断路器单元并联的至少一个附加断路器单元CEL_Ci(i＝1，2)，该附加断路器单元的断开能力大于设置有所述IGBT的初始断路器单元CEL_i的断开能力。

例如，断路器单元CEL_Ci(i＝1，2)由与控制电子器件5并联连接的至少一个GTO晶闸管4组成。在本发明的第二实施例的第一变型中，控制电子器件5包括至少一个电压限制器，该电压限制器的尺寸被设置成使得能够传导由GTO晶闸管4中断的电流。在第二实施例的第二变型中，控制电子器件5自身不包括电压限制器，但是该控制电子器件5是断路器单元CEL_i的电压限制器，该电压限制器的尺寸被设置成能够传导由GTO晶闸管4中断的电流。

图7A至图7D示出了本发明的第二实施例中用于中断主支路中流动的电流的过程。在本发明的第二实施例的以下描述中，主支路的IGBT中流动的电流被标记为I₁，以及电压限制器中流动的电流被标记为I₃或I₅。

如上面参考图5A至图5C所提到的那样，图7A至图7D中所示的电流中断过程与如下情况相对应：当故障的出现导致在IGBT中流动的电流I₁增大到阈值I₀时，检测到所述电流变化会触发断开。然而，更一般地，只要给出了触发指令，就可以在任意时间触发断开过程，即使没有出现故障，并且不管通过IGBT的电流的值如何，仍然可以触发断开过程。

当t_a时刻电流I₁达到预定值I₀时，控制电路CM则向所有IGBT发送断开命令K_a。IGBT中的电流减小，直到其为零为止，并且与IGBT并联的一个或多个电压限制器中的电流I₃增大，直到其达到最大值I_max3为止。

在t_a之后的t_b时刻，向所有机械断续器/切断器S_m发送断开命令K_b，并且同时向GTO晶闸管4发送闭合命令K_c。GTO晶闸管4因此导通。然后，在t_b之后的t_c时刻，向GTO晶闸管4发送断开命令K_d。晶闸管4中的电流I_GTO减小，直到其为零为止，并且一个或多个电压限制器中的电流I₅增大，直到其达到传输线上流动的电流的值I_max3为止。

在t_d时刻，即，一个或多个电压限制器中流动的电流达到传输线上流动的电流的值的时刻或之后的时刻，由控制电路CM传送的命令K_e使得辅支路的所有晶闸管进入导通状态。

在t_d时刻和t_c时刻之间的时间间隔Δt期间，与辅支路的晶闸管并联连接的存储电容器进行充电。

因此，电流I_aux通过辅支路的晶闸管。在t_d时刻之后的t_e时刻，机械断续器/切断器S_m处于电气断开状态。

t_b时刻(在该时刻，向机械断续器/切断器给出了断开的命令)与t_e时刻之间的时间段是机械断路器/断路器特有的特性。因此，可能存在两种情况，这取决于t_d时刻是在t_e时刻之前还是在t_e时刻之后。

当t_d时刻在时刻t_e之前时，在机械断续器/切断器被置于电气断开状态之前，辅支路的晶闸管闭合。因此，辅支路中流过逐渐增大的电流。电容器Ca进行充电，从而其两端的电压增大。电容器的存在使得可以延迟避雷器两端的电压的上升(为此目的，根据主支路的、所期望中断的电流的值来选择电容器的电容)。在t_f时刻，避雷器两端的电压达到避雷器的导通电压，避雷器开始导通，并且通过避雷器的电流I_para增大，从而导致辅支路中的电流降低。随后，按照已知的方式，避雷器中的电流稳定并减小直到其变为零为止，并且主支路两端的电压稳定在网络电压。

当t_d时刻在t_e时刻之后时，在机械断续器/切断器被置于电气断开状态之后，晶闸管闭合。因此，有利地，可以将电容器Ca的电容选择为小于当t_d时刻在t_e时刻之前时所选择的电容值。t_d越滞后，Ca的电容越小。

在本发明的第二实施例中，可以在t_a时刻与t_b时刻之间对辅支路的晶闸管执行初步测试。t_a时刻和t_b时刻之间的时间段通常等于至少10μs，这是执行测试的充足时间段。在t_a时刻，其中，在该时刻，IGBT在命令K_a的作用下断开，IGBT两端产生电压，该电压对与辅支路的晶闸管并联连接的存储电容器进行充电。然后，对电荷进行测量。如果存储电容器正常充电，则该过程继续，使得断路器单元CEL_Ci(i＝1，2)处于导通状态。如果存储电容器不是正常充电，则中断该过程。

在本发明的上述实施例中，每个断路器单元CEL₁的半导体元件都是IGBT晶闸管或GTO晶闸管。本发明还涉及如下情况：每个断路器单元CEL₁的半导体元件例如是硅晶闸管或碳化硅晶闸管或氮化镓晶闸管。有利地，当这样的晶闸管导通时(晶闸管闭合)，该晶闸管的两端出现非常低的电压。因此，所述晶闸管的使用保证了非常低的消耗。碳化硅或氮化镓晶闸管的另一个优点是它们可以保证了有助于加速中断电流的过程的高开/关频率。

为了获得与上文所描述优点的相同的优点(低消耗，高速)，辅支路的晶闸管也可以是硅晶闸管和/或碳化硅晶闸管和/或氮化镓晶闸管。

作为非限制性示例，图8A至图8D示出了与本发明的多个实施例相容的多个辅支路变型。

参考图8A，支路B₂包括并联连接的第一支路和第二支路。第一支路由晶闸管T_j的第一子组件组成，这些晶闸管T_j与至少一个电容器Ca电气串联连接，所述至少一个电容器Ca与至少一个电阻器Ra并联连接，并且第二支路由晶闸管T_j的第二子组件组成，这些晶闸管T_j与至少一个其他电容器Ca电气串联连接，所述至少一个其他电容器Ca与至少一个其它电阻器Ra并联连接。第二子组件的晶闸管与第一子组件的晶闸管反向并联连接。晶闸管T_j的每个子组件均包括至少一个晶闸管。

参考图8B，支路B₂由至少一个根据图8A中的支路B₂整体截取的子组件E₁组成。

参考图8C，支路B₂由至少一个根据图1A中的支路B₂整体截取的子组件E₂构成。

参考图8D，支路B₂由至少一个子组件E₃组成，该子组件E₃由与如下至少一个组件串联连接的至少一个三端双向可控硅开关元件TR组成，所述至少一个组件由与至少一个电容器Ca并联连接的至少一个电阻器Ra组成。