专利名称：用于中断电流的设备的制作方法
技术领域：
本文提出的实施例大体上涉及电气开关，并且更具体地涉及用于电气开关的电流中断器。
背景技术：
直流(DC)配电的使用已经在过去十年期间扩大，其牵涉例如数据中心、太阳能发电场、航空和铁路等应用空间。然而，目前缺乏适合的DC电路保护技术，其包括DC断路器。当前的DC断路器通常基于固态开关、磁开关和/或已降低额定值的交流(AC)断路器。这些装置中的全部往往是相对笨重并且昂贵的，以及拥有有限的短路能力和差的接触可靠性。
发明内容
在一个方面，提供例如电气系统等设备。该电气系统可以包括一对导体，跨该对导体偶发地维持电弧，该电弧包括来自负载电路的负载电流。该电气系统还可以包括与该负载电路分开并且配置成选择性地对电极组件充电(例如，选择性地提供高压脉冲给电极组件)的能量源。导体和电极组件可以配置使得电弧(当存在时)将由于电极组件上的电荷而伸长。例如，该电气系统可以包括操作地耦合于该能量源的指示装置，其中能量源配置成响应于从该指示装置接收电弧被建立的指示而对该电极组件充电。在一些实施例中，电极组件可以包括一对设置在限定在导体之间的间隙的对立侧上的电极。在一些实施例中，电极组件可以包括沿着在导体之间限定的轴线而居中并且横向偏离该轴线的电极。导体可配置成移至互相接触以及移离至互相失去接触，以便分别闭合或断开负载电路的至少一部分。在一些实施例中，电气系统可以包括一对触头，其配置成移至互相接触以及移离至互相失去接触以便分别闭合或断开负载电路的至少一部分。这些导体的每个可以电连接到触头中的相应一个，并且导体可以配置成在这些触头之间建立电弧之后在导体之间接收来自触头的电弧。电弧转移装置，例如包括烧蚀等离子体枪的电弧转移装置，可以配置成驱使电弧从触头到导体。在另一个方面，提供例如电气系统等设备。该电气系统可以包括一对导体，跨该对导体偶发地维持电弧。能量源可配置成选择性地对电极组件充电以便在电弧附近建立时间上是恒定的电场。导体和电极组件可以配置使得电弧(当存在时)将由于该电场而伸长或收缩。例如，该电气系统可以包括操作地耦合于该能量源的指示装置，该指示装置提供即将建立电弧的指示。该能量源可以配置成响应于接收该指示而对电极组件充电。
下列详细说明应该参照附图阅读，其中在所有图中相似的符号代表相似的部件，其中图I是根据示例实施例配置的电气系统的示意图2-5是图I的电气系统的示意图，其说明该系统的示例操作；图6是图I的电极组件的示例实施例的放大示意图；图7是图I的电极组件的另一个示例实施例的放大示意图；图8是图I的电极组件的再另一个示例实施例的放大示意图；图9是作为时间的函数的充电和未充电电极组件的电弧电流的示意标绘图；以及图10是根据另一个不例实施例配置的电气系统的不意图。
具体实施方式
示例实施例在下文参照附图(其中所有图中相同的标号指示相同的部件)详细描述。这些实施例中的一些可解决上文的以及其他需求。参照图1，其中示出电气系统100。该系统100可以包括跨接电气负载104连接的能量源，例如电压源102。该负载104可与开关106(例如，机电开关)串联连接，该开关106具有一对配置成移至互相接触以及移离至互相失去接触的触头108。该系统100可以进一步包括一对导体110。每个导体110可以电连接到开关106的相应的侧(例如，连接到相应的触头108)，并且可以被设置以便在其之间形成间隙112。电压源102、负载104、开关106和导体可以一起被认为是负载电路114。参照图1-3，一般，开关106可以用于控制负载电路114的操作。具体地，当开关106断开以及闭合(S卩，相应地，当这些触头108移离至失去接触以及移至接触)时，并且假设没有任何东西桥接导体110之间的间隙112，负载电路114对应地断开和闭合(在一些情况下，负载电路可包括若干支路，仅这些支路中的一些由开关控制)。为了能够选择断开和闭合开关106，系统100可包括开关控制器116，其例如监测负载电路114中的状况并且当检测到负载电路中的故障时选择性地断开开关106。在一个实施例中，该开关控制器116可包括电流监测器118，其提供负载电路114中的电流指示。该开关控制器116可从该电流指示确定开关106应该断开并且可发送信号至开关的栅极120来发起开关断开。尽管上文描述了用于断开和闭合开关106的过程，实际上，当断开和闭合开关时，可不直接调制负载电路中的电流。相反，如果开关106处于闭合位置并且电流通过负载电路114 (例如，图2中的电流Ium，其等于通过开关的电流Is)，那么当断开开关时，通过负载电路114的电流1_将不立即转为零。反而，电弧122可在触头108之间形成(如示出的，例如，在图3中)，由此允许非零电流Is继续流过开关106。参照图1-4，系统100还可以包括电弧转移装置124。该电弧转移装置124可以配置成驱使电弧122到导体110 ( —旦电弧在触头108之间建立)，使得电弧可偶发地跨越间隙112并且通过导体的电流Ic是负载电流IMAD(如在图4中图示的)。例如，电弧转移装置可包括烧蚀等离子体枪，其配置成在间隙112中暂时产生等离子体，由此对于电弧中的电磁能形成比跨触头108更低阻抗的路径。可并入系统100的烧蚀等离子体枪的示例包括，但不限于在美国专利号7，821，749和美国专利申请出版号2010/0301021、2009/0308845以及2009/0134129中论述的那些，其的内容通过全文引用结合于此。在另一个实施例中，电弧转移装置可包括电弧流道(arc runner)或电弧隔板(arc chute),这些装置的示例在美国专利号7，705，263 ;7，830，232 ;和7，812，276中论述，其的内容通过全文引用结合于此。电弧转移装置可配置成监测负载电路中的状况以便当电弧存在时能够选择性地操作(例如，在电弧转移装置包括烧蚀等离子体枪情况下，仅当必要时激活该烧蚀等离子体过程)。备选地，电弧转移装置可以是每当电弧存在时能够固有地操作的无源装置，例如在电弧转移装置由存在于电弧中的能量驱动的情况下；参见，例如美国专利号6，100，491，其的内容通过全文引用结合于此。再次参照图1，系统100还可以包括电极组件126和能量源，例如电压源128。电压源128可以与负载电路114分开(尽管在一些情况下，电压源和负载电路可共享共同的接地连接)，并且可以配置成选择性地对电极组件126充电。关于对电极组件126选择性充电的另外的细节在下文提供。导体110、电极组件126和电压源128在一起一般称为电流中断模块130。参照图1、4和5，如上文提到的，电弧122可在触头108之间建立并且然后移至由导体110维持。导体110和电极组件126可配置使得当电弧122跨导体存在时，电弧的配置可由于电极组件上的电荷而修改以便增加电弧的整体阻抗。例如，导体110和电极组件126可配置使得电弧122由于电极组件上的电荷而伸长(如在图5中图示的)。备选地或另外，电弧122可由于电极组件126上的电荷而横向收缩，由此减小电弧的宽度。总体上，修改电弧122的配置可以导致电弧122的阻抗增加到足以使电弧熄灭。电压源128可以配置成当电弧122存在时提供高压脉冲。例如，系统100可包括操作地耦合于电压源128的指示装置132。该指示装置132可配置成提供电弧122被建立的指示。例如，该指示装置132可包括电流监测器134和/或光学传感器136，其分别监测通过导体110的电流(其指示电弧122的存在)以及对于电弧的存在光学地监测间隙112。响应于检测电弧122，指示装置可以提供电弧指示给电压源128以便发起对电极组件126充电。备选地，可排除指示装置132，并且开关控制器116可与电压源128通信以例如在断开开关106后的预定时间发起对电极组件126充电。在另一个实施例中，电压源128可以配置成选择性地对电极组件126充电以便在电弧122附近建立时间上是大致恒定的电场。例如，可在电极组件正充电的时间期间(例如，当来自电压源128的电压正在爬升时)保护电弧122免受电极组件126影响。备选地，系统100可以配置使得电压源128在形成电弧122之前施加电压于电极组件126。例如，开关控制器116可配置成发送指示迫切需要断开开关106的信号给电压源128，并且电压源可以在开关断开之前发起充电，使得电极组件126上的电荷在形成电弧122前达到稳定态。参照图1、4和6-8，电极组件126可以采用多种方式配置以便产生电弧122的配置变化，其可增加电弧的阻抗。例如，电极组件126可包括横向偏离间隙122的单个电极126a。该电极126a相对于导体110的位点可随着例如导体110之间的势差(以及该电荷差的极性)、电极126a上的电荷以及/或与电弧122关联的电流而变化。申请人已经在试验上确定设置电极126a以便沿着在导体110之间限定的轴线a大约居中但横向偏离轴线a，并且在电极上放置正或负的电荷可导致相对于其他配置的提高的电弧阻抗增加，但多种其他配置可期望引发电弧阻抗增加。在电极126a沿着轴线a不居中的情况下，由电极引发的电弧阻抗增加可通过将电极更靠近导体110 (其具有与电极相反的电荷)放置而提高。在另一个实施例中，电极组件126可以包括一对设置在间隙112的对立侧上的电极126b。电极126b的两者可以与电压源120的一侧通信使得可以相似地选择性地对电极充电。备选地，电极126b可以连接到电压源120的对边以在电极与电极之间产生势差。在再另一个实施例中，电极组件126可包括环形或环状电极126c，其围绕导体110之间限定的轴线a延伸。申请人:已经在试验上确定，与上文论述一致的电极组件126的配置可当在维持电弧122的导体110附近对电极组件126充电时，相对于不存在充电的电极组件的情况，其明显地减少与电弧关联的瞬时电流(例如，减少65-70%)。参照图9，其中示出由申请人收集的对于在图6中图示的系统配置的电弧电流数据的示意标绘图。该标绘图显示对于电荷施加于电极126a(采用静态地提供或作为脉冲提供的粗略地是9kV电压的形式)以及没有施加电荷的情况的作为时间(采用通用单位)的函数的电弧电流(也采用通用单位)。如在图9中看到的，当电荷施加于电极126a时，电弧电流粗略地减少了 65-70%。 没有束缚于任何特定理论的情况下，充电的电极组件126在电弧122附近产生电场￡。限定电弧122的电子穿过电场￡，并且因此，力巧作用于电子。由于力巧和磁场另(其由电弧122的电子的移动而建立)两者的影响，电子采取螺旋轨道。该螺旋轨道可以认为是围绕点(称作“引导中心”)的圆周运动的重叠，以及该引导中心的相对更慢的漂移。如果引导中心的速度是^，则速度的某一部分可以归因于力4。该电场引发的引导中心速度;由以下描述vF =( I )
B从方程⑴中明显的是，电子(并且，从而电弧122)平均来说将具有垂直于电场和磁场f两者的速度分量。电弧122可因此还被驱使成除了其中组成电子跟随导体110
之间的最小阻抗路径的配置以外的配置。注意，当对电极组件126充电时，电弧122的配置还可受到由变化电场引发的磁场的影响。参照图10，其中示出根据另一个示例实施例配置的电气系统200。该系统200可以包括跨电气负载204连接的能量源，例如电压源202。负载204可与开关206 (例如，机电开关)串联连接，该开关206具有一对配置成移至互相接触以及移离至互相失去接触的导体210 ;即，这些导体充当开关的触头。当这些导体210分开时，间隙212可以在其间限定。开关控制器216可能够选择地断开和闭合开关206。系统200还可以包括电极组件226，其可由例如电压源228等能量源选择性地充电。如先前论述的，当断开开关时，通过开关206的电流可不立即停止，而可采用跨越间隙212的电弧222的形式继续。电极组件226可相对于导体210设置，使得当存在跨导体的电弧222时，电弧的配置将由于电极组件上的电荷而修改以便增加电弧的整体阻抗(并且最终熄灭电弧)。如此，电弧222在熄灭之前不必从这些导体210移到另一组导体。尽管本文仅图示和描述本发明的某些特征，本领域内技术人员将想到许多修改和改变。例如，尽管本文描述的电气系统已经牵涉用于增加电弧的阻抗的电场，系统可另外包括还起到修改电弧配置以便增加其阻抗的永久或电磁体。因此，要理解附上的权利要求意在涵盖所有这样的修改和改变，它们落入本发明的真正精神内。部件列表100电气系统102电压源
104电气负载106开关
108触头110导体
112间隙114负载电路
116开关控制器118电流监测器120栅极122电弧
124电弧转移装置126电极组件
126a单个电极126b电极对
126c环状电极128电压源
130电流中断模块132指示装置
134电流监测器136光学传感器
200电气系统202电压源
204电气负载206开关
210导体212间隙
216开关控制器222电弧
226电极组件228电压源
权利要求
1.一种设备，包括 一对导体，跨该对导体偶发地维持电弧，所述电弧包括来自负载电路的负载电流； 电极组件；以及 能量源，其与所述负载电路分开并且配置成选择性地对所述电极组件充电， 其中所述导体和电极组件配置使得所述电弧当存在时将由于所述电极组件上的电荷而伸长。
2.如权利要求I所述的设备，其进一步包括操作地耦合于所述能量源的指示装置，所述指示装置提供电弧被建立的指示，其中所述能量源配置成响应于接收所述指示对所述电极组件充电。
3.如权利要求I所述的设备，其中所述电极组件包括一对设置在所述导体之间限定的间隙的对立侧上的电极。
4.如权利要求I所述的设备，其中所述电极组件包括沿着所述导体之间限定的轴线居中并且横向偏离的电极。
5.如权利要求I所述的设备，其中所述能量源选择性地提供静态高压或高压脉冲中的至少一个来对所述电极组件充电。
6.如权利要求I所述的设备，其中所述导体配置成移至互相接触以及移离至互相失去接触以便相应地闭合或断开所述负载电路的至少一部分。
7.如权利要求I所述的设备，其进一步包括一对配置成移至互相接触以及移离至互相失去接触以便相应地闭合或断开所述负载电路的至少一部分的触头，其中所述导体的每个电连接到所述触头中的相应一个并且所述导体配置成在所述触头之间建立所述电弧后在所述导体之间接收来自所述触头的电弧。
8.如权利要求7所述的设备，其进一步包括配置成将所述电弧从触头驱使到所述导体的电弧转移装置。
9.如权利要求8所述的设备，其中所述电弧转移装置包括烧蚀等离子体枪。
10.一种设备，包括 一对导体，跨该对导体偶发地维持电弧； 电极组件；以及 能量源，其配置成选择性地对所述电极组件充电以便在所述电弧附近建立时间上是恒定的电场， 其中所述导体和电极组件配置使得所述电弧当存在时将由于所述电场而伸长。
全文摘要
本发明涉及用于中断电流的设备。在一方面，提供例如电气系统(100)等设备。该电气系统可以包括一对导体(110)，跨该对导体偶发地维持电弧，该电弧包括来自负载电路(114)的负载电流。该电气系统还可以包括与该负载电路分开并且配置成选择性地对电极组件(126)充电的能量源(128)。导体和电极组件可以配置使得该电弧当存在时将由于电极组件上的电荷而伸长或收缩。
文档编号H01H9/54GK102623256SQ20121002056
公开日2012年8月1日 申请日期2012年1月13日 优先权日2011年1月14日
发明者G·加尼雷迪, T·F·小帕帕洛, T·阿索肯 申请人:通用电气公司