包括柱塞、第一触头设备以及第二触头设备的旁路开关的制作方法

本发明涉及用于提供第一端子与第二端子之间的导电路径的旁路开关、功率系统以及方法。

背景技术：

功率系统(诸如电功率分配或传输系统)用于供给、传输并使用电功率。高压直流(hvdc)功率传输由于越来越需要具有低传输损耗和灵活互连可能性的功率传输而变得更普遍。

功率系统(诸如电功率传输系统)通常包括用于保护、监测以及控制功率系统中的电气设备的操作的保护系统。这种保护系统例如可以能够检测功率系统的功率线、变压器和/或其他零件或组件中的短路、过电流以及过电压。保护系统可以包括保护设备(诸如断路器)，该保护设备用于通过使断路器断开或跳闸来隔离例如发生在功率传输和分配线中的任意可能故障。在例如通过对已经检测到故障的组件执行修理和/或维护而清除故障之后，可以通过闭合断路器来恢复功率流。

而且，保护系统可以被布置为，在检测到特定电气设备中的故障时，通过使用旁路开关绕开电气设备来隔离有故障的电气设备。旁路开关然后提供绕开电气设备的导电路径，直到电气设备被修理或更换为止。

hvdc换流站将高压直流(dc)转换成交流(ac)或反之亦然。hvdc换流站可以包括多个元件，例如换流器设备(或串联或并联的多个换流器设备)、ac开关装置、变压器、电容器、滤波器、dc开关装置和/或其他辅助元件。换流器设备可以包括多个诸如半导体设备的基于固态的设备，并且可以被分类为将例如晶闸管用作开关的线换向换流器或将晶体管(诸如绝缘栅双极型晶体管(igbt))用作开关的电压源换流器。诸如晶闸管或igbt的多个固态半导体设备例如可以串联连接在一起，以形成hvdc换流器的构件块或单元，该构件块或单元还可以被称为hvdc换流器阀。

根据一个示例，诸如晶闸管或igbt的多个固态半导体设备在hvdc换流器的单元中可以串联连接。在例如包括hvdc换流器的hvdc功率传输系统或hvdc电网的正常操作期间，hvdc换流器中的固态半导体设备有时可以处于它们传导电流的导电模式，并且在其他时间处于阻断模式，以便获得期望的(例如，正弦的)电流波形。这可能将固态半导体设备暴露到持续的电流应力，该电流应力特别是在hvdc应用中可能具有相当大的量级。如果固态半导体设备中的任意一个出故障，则穿过hvdc换流器的电流可能被中断，并且为了使hvdc换流器返回操作，任何故障固态半导体设备的修理和/或更换然后可能变得必要。在基于电压源换流器的hvdc换流站中，可以存在dc电容器或dc电容器组，这些电容器或电容器组充当电压源，并且例如并联连接到被包括在hvdc换流器的单元中的一个或若干诸如igbt的固态半导体设备。

如上所述，在检测到特定电气设备中的故障时，可以通过使用旁路开关绕开电气设备来隔离有故障的电气设备。这种故障操作可以应用于有故障的半导体和/或电容器组。然而，由于所涉及的高压、电弧放电在切换期间发生，这使旁路开关的触头劣化，从而导致损耗和/或不稳定的旁路状态。

期望提供一种旁路开关，以减少由于电弧放电而产生的不良作用。

技术实现要素：

根据第一方面，提出了一种用于提供第一端子与第二端子之间的旁路路径的旁路开关。旁路开关包括：第一触头设备；第二触头设备；以及柱塞，该柱塞可从初始状态经由第一状态移动到第二状态，其中在初始状态下，第一端子和第二端子导电地分离；在第一状态下，柱塞的移动使得第一触头设备闭合第一端子与第二端子之间的第一导电连接；并且在第二状态下，柱塞机械地向第二触头设备施力，以闭合第一端子与第二端子之间的第二导电连接。

柱塞沿着第一方向可以是可位移的，以从初始状态经由第一状态过渡到第二状态。

第二触头设备在第一方向上可以位于第一触头设备的前面。

柱塞可以包括前部和后部，其中，前部可拆卸地连接到后部，并且其中在第一状态下，后部使得第一触头设备闭合第一导电连接。

第二触头设备可以包括多个尖齿，该多个尖齿可被柱塞径向向外施力，以闭合第二导电连接。

第一触头设备在受柱塞施力时可从非导电状态枢转至导电状态。

第一触头设备可以包括导电球，该导电球在受柱塞施力时可位移以使得第一触头设备从非导电状态过渡至导电状态。

在初始状态下，第一触头设备可以附接到柱塞。

旁路开关还可以包括烟火设备，该烟火设备在被点燃时产生冲击波，以使柱塞从初始状态经由第一状态移动至第二状态。

旁路开关还可以包括弹簧，该弹簧在被释放使得柱塞从初始状态经由第一状态移动至第二状态。

在从初始状态经由第一状态到第二状态的过渡期间，柱塞的移动可以足够缓慢，使得在第一状态期间通过第一导电连接传递的能量防止在采取第二状态时对第二触头设备电弧放电。

柱塞可以电绝缘。

根据第二方面，提出了一种功率系统，该功率系统包括：电气设备；和根据前述权利要求中的任一项的旁路开关。旁路开关的第一端子和第二端子然后跨电气设备连接。

根据第三方面，提出了一种用于提供第一端子与第二端子之间的导电路径的方法。该方法在旁路开关中执行，该旁路开关包括第一触头设备；第二触头设备；以及柱塞。方法包括以下步骤：使柱塞从初始状态移动至第一状态，其中在初始状态下，第一端子和第二端子导电地分离，并且在第一状态下，柱塞使得第一触头设备闭合第一端子与第二端子之间的第一导电连接；以及使柱塞从第一状态移动至第二状态，其中在第二状态下，柱塞机械地向第二触头设备施力，以闭合第一端子与第二端子之间的第二导电连接。

方法还可以包括以下步骤：在跨第一端子与第二端子连接的电气设备中检测故障。

从初始状态移动至第一状态和从第一状态移动至第二状态的步骤可以作为柱塞的连续移动的结果而被执行。

通常，在权利要求中使用的所有术语根据它们在技术领域中的普通含义来解释，除非在这里另外明确定义。对“一/一个/该元件、装置、组件、部件、步骤等”的所有参考要被开放地解释为提及元件、装置、组件、部件、步骤等的至少一个实例，除非另外明确叙述。这里所公开的任意方法的步骤不是必须以所公开的确切顺序来执行，除非明确叙述。

附图说明

现在参照附图用示例的方式来描述本发明，在附图中：

图1a至图1c是图示了根据一个实施例的旁路开关的各种状态的示意图；

图2a至图2c是图示了根据一个实施例的旁路开关的各种状态的示意图；

图3是图示了图1a至图1c的第一触头设备的实施例的示意图；

图4是图示了图1a至图1c的第一触头设备的实施例的示意图；

图5a至图5b是图示了图1a至图1c的第二触头设备处于断开状态和闭合状态的实施例的示意图；

图6是图示了用于在旁路开关中提供导电路径的方法的实施例的流程图；以及

图7是图示了采用旁路开关的功率系统的示意图。

具体实施方式

现在将在下文中参照显示了本发明的特定实施例的附图更完全地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同的形式来具体实施，并且不应被解释为限于这里阐述的实施例；相反，这些实施例用示例的方式来提供，使得本公开将全面且完整，并且将向本领域技术人员完全传达本发明的范围。贯穿说明书，同样的附图标记指代同样的元件。

图1a至图1c是图示了根据一个实施例的旁路开关100的各种状态的示意图。图1a图示了初始状态、图1b图示了第一状态、以及图1c图示了旁路开关100的第二状态。附图表示穿过旁路开关100的剖面图。旁路开关100例如可以为环状结构。

旁路开关100用于提供第一端子102与第二端子103之间的旁路路径。旁路路径是允许电流沿任一方向单向或双向地在第一端子102与第二端子103之间流动的导电路径。

外导体107由诸如金属的导电材料制成。分别在左侧和右侧处显示的外导体107的部分可以形成单个外导体107的一部分，或者至少导电连接。当为单个部分时，外导体107例如可以为环状的。

内导体108由诸如金属的导电材料制成。分别在左侧和右侧处显示的内导体108的部分可以形成单个内导体108的一部分，或者至少导电连接。当为单个部分时，内导体108例如可以为环状的。

内导体108连接到第一端子102，并且外导体107连接到第二端子103(或反之亦然)。

一个或更多个第一触头设备104(看到其中两个)被布置为使得柱塞109可以向它们施力以闭合内连接体108与外连接体107之间且由此第一端子102与第二端子103之间的第一导电连接。

一个或更多个第二触头设备105(看到其中两个)被布置为使得柱塞109可以向它们施力以闭合内连接体108与外连接体107之间且由此第一端子102与第二端子103之间的第二导电连接。

柱塞109可以沿着第一方向118位移，并且可以由诸如内连接体108的周围结构在这种移动中被引导。柱塞109还可以为大致环状，当内导体108为环状时，该柱塞严格限定柱塞109沿着第一方向118的移动。柱塞109可从图1a中显示的初始状态经由图1b中显示的第一状态移动至图1c中显示的第二状态。可选地，柱塞包括彼此可分离的前部和后部。

在图1a中显示的初始状态下，第一端子102和第二端子103导电地分离。因此，在该状态下，对应于并联连接在第一端子102与第二端子103之间的受保护电气设备未被绕开的正常操作状态，第一端子102与第二端子103之间不存在导电路径。在这里显示的状态下，柱塞109被定位为使得第一触头设备104和第二触头设备105都不形成内导体108与外导体107之间的导电连接。此外，存在物理分离部，在该物理分离部中、内导体108与外导体107之间提供空气(或其他流体)，以导电地分离内导体108与外导体107。

这里为烟火设备形式的致动器115在要启动旁路设备100时触发。由此在要使柱塞109移动时，致动器115被使用，从而实现穿过旁路设备100的导电路径。致动器可以为可以被控制为使柱塞109沿着第一路径118移动的任意合适设备。例如，致动器还可以使用弹簧、电磁设备等来实施。

在图1b中显示的第一状态下，柱塞109已经移动到机械地向第一触头设备104施力，以闭合第一端子102与第二端子103之间的第一导电连接的程度。更具体地，这通过第一触头设备104形成内导体108与外导体107之间的导电连接来实现。从初始状态到第一状态的过渡在建立第一导电连接时发生。在第一状态下，第二触头设备105处于它不形成第一端子与第二端子103之间的导电连接的一部分的状态。因此，第一端子与第二端子103之间的、可能涉及电弧放电的初始能量传递经由第一触头设备104发生。

然而，柱塞109由于由致动器115提供的其动能而继续移动。一旦柱塞109已经移动到它机械地向第二触头设备105施力，以闭合第一端子102与第二端子103之间的第二导电连接的程度，则如图1c中显示，采取第二状态。在第二状态下，第二触头设备105使得内导体108与外导体107之间的导电连接实现第二导电连接。在第二状态下，第一导电连接可选地仍然有效。在第二状态下，柱塞例如借助于楔固而可选地被固定至周围结构，从而将第二触头设备105保持在维持第二导电连接的状态。

应注意，图1a至图1c仅是更佳说明旁路开关的功能的示意图，并且所显示的组件的几何结构可以与显示的结构显著不同。

图2a至图2c是图示了根据一个实施例的旁路开关100的各种状态的示意图。图2a图示了初始状态，图2b图示了第一状态，并且图2c图示了旁路开关100的第二状态。附图表示穿过旁路开关100的剖面图。旁路开关100例如可以为环状结构。

在该实施例中，第一触头设备104’附接到柱塞109，使得当柱塞109沿着第一方向移动时，第一触头设备104’闭合内连接体108与外连接体107之间且由此第一端子102与第二端子103之间的第一导电连接。

柱塞这里包括前部111、可选的后部112以及附接到前部111和可选的后部112的第一触头设备104’。前部111可分离地连接到第一触头设备104’。

因为前部111和第一触头设备104’彼此可分离，所以当第一触头设备104’形成内导体108与外导体107之间的连接且被阻止沿着第一方向118进一步移动时，前部111可以沿着第一方向118继续移动，从而与第一触头设备104’分离。可分离的连接可以为可以在第一触头设备104’停止时由于第一导电部的动能而释放的任意机械连接。

第一触头设备104’由导电材料制成。

柱塞109可从图2a中显示的初始状态经由图2b中显示的第一状态移动至图2c中显示的第二状态。

在图2a中显示的初始状态下，第一端子102和第二端子103导电地分离。因此，在该状态下，对应于并联连接在第一端子102与第二端子103之间的受保护电气设备未被绕开的正常操作状态，在第一端子102与第二端子103之间不存在导电路径。在这里显示的状态下，柱塞109被定位为使得第一触头设备104和第二触头设备105都不形成内导体108与外导体107之间的导电连接。此外，存在物理分离部，在该物理分离部中、内导体108与外导体107之间提供空气(或其他流体)以导电地分离内导体108与外导体107。致动器115在要启动旁路开关100时触发。

在图2b中显示的第一状态下，柱塞109已经移动到它使得第一触头设备104’闭合第一端子102与第二端子103之间的第一导电连接的程度。更具体地，这通过第一触头设备104形成内导体108与外导体107之间的导电连接来实现。从初始状态到第一状态的过渡在建立第一导电连接时发生。在第一状态下，第二触头设备105处于它不形成第一端子与第二端子103之间的导电连接的一部分的状态。因此，第一端子102与第二端子103之间的、可能涉及电弧放电的初始能量传递经由第一触头设备104’发生。

然而，柱塞109由于由致动器115提供的其动能而继续移动。与第一触头设备分离的柱塞的前部111继续沿着第一方向118移动。一旦柱塞109的前部111已经移动到它机械地向第二触头设备105施力，以闭合第一端子102与第二端子103之间的第二导电连接的程度，则如图2c中显示，采取第二状态。在第二状态下，第二触头设备105使得内导体108与外导体107之间的导电连接实现第二导电连接。在第二状态下，第一导电连接可选地仍然有效。在第二状态下，柱塞例如借助于楔固而可选地被固定至周围结构，从而将第二触头设备105保持在维持第二导电连接的状态。

应注意，图2a至图2c仅是更佳说明旁路开关的功能的示意图，并且所显示的组件的几何结构可以与显示的结构显著不同。

在图1a至图1c和图2a至图2c的实施例中，第一状态允许在旁路开关100被触发且用于减小旁路开关100的两侧之间的电压时，第一电触头104、104’取得主电气应力，这可能涉及电弧放电。电弧放电经常降低触头的质量，但因为旁路开关100然后进行到第二状态，所以已经电弧放电已被完成，并且第二电触头105在没有(或可忽略)电弧放电的情况下连接。然后在没有电弧放电(或具有可忽略电弧放电)的情况下连接第二电触头105，从而提供稳定且可预测的连接，该连接可以无限期地持续，例如，直到更换或修理被绕开的电气设备为止。

同一推进力用于闭合第一(电弧放电)导电路径和第二(稳定)导电路径，这导致具有到致动器的仅一个触发器和少量组件的旁路开关，并且这仍然实现随后是稳定接触的电弧放电接触。而且，柱塞109本身(除了附接的图2a至图2c的第一触头设备104’之外)不是导电路径的一部分，并且可以(但不需要)电绝缘。

触头的维度和移动的时间控制(例如，在由致动器推进时的速度)可以被配置为使得在第一状态下在旁路开关的两侧之间传递足够的能量。换言之，在从初始状态经由第一状态到第二状态的过渡期间，柱塞109的移动足够缓慢，使得在第一状态期间传递的能量防止在采取第二状态时的电弧放电。

旁路开关100可以用于一次使用，这在使用之后需要更换。可选地，旁路开关可以通过允许柱塞109移回初始状态并将致动器更换或准备为另一个触发器而部署多次。

图3是图示了图1a至图1c的第一触头设备104的实施例的示意图。这里，第一触头设备104固定到内导体108，并且在受柱塞施力时可从非导电状态枢转到导电状态。在一端中可枢转地固定到内导体108，第一触头设备104可以绕该内导体108旋转。在柱塞109中存在对应的凹部117，借此，在图3中显示的状态下，第一触头设备104处于非导电(断开)状态。第一触头设备104的非导电在这里暗示第一触头设备104不提供内导体108与外导体107之间的导电接触。当柱塞沿第一方向118移动时，凹部117的壁向第一触头设备104施力以使其枢转，从而引起内导体108与外导体107之间的导电连接。

柱塞这里包括前部111和后部112。前部111可分离地连接到后部112。凹部117的后壁(图3中的下部)位于后部中，借此，在第一状态下，后部112机械地向第一触头设备104施力。

因为前部111和后部112可彼此分离，如果由于某一原因，后部112变得卡到例如第一触头设备104，则前部111可以沿着第一方向118继续移动，从而与后部112分离。可拆卸连接可以为在后部112被卡住时由于第一导电部的动能而可以释放的任意机械连接。

图4是图示了图1a至图1c的第一触头设备的实施例的示意图。这里，第一触头设备104包括导电球，该导电球在受柱塞109施力时可位移为使得第一触头设备104从非导电状态过渡至导电状态。更具体地，在如图4中显示的在初始状态下，柱塞109包括容纳球的一部分的凹部117。球大致为球状。

当柱塞沿第一方向118移动时，凹部117的壁向球施力以使其向外移动，这引起内导体108与外导体107之间的导电连接。可选地，存在阻止第一触头设备104在内导体108与外导体之间的空间外部移动的阻挡器120。

与图3中相同，柱塞这里包括前部111和后部112。前部111可分离地连接到后部112。凹部117的后壁(图3中的下部)位于后部中，借此，在第一状态下，后部112机械地向第一触头设备104施力。

图5a至图5b是图示了图1a至图1c的第二触头设备105的实施例的示意图。图5a显示了(电气)断开状态下的第二触头设备105，并且图5b显示了(电气)闭合状态下的第二触头设备105。第二可移动触头包括固定部131和多个尖齿130。尖齿130在一端上固定到固定部131，并且在另一端上自由，借此，尖齿可被柱塞径向向外施力，以闭合第二导电连接。

在图5a中，尖齿以锥形位置靠近彼此。这里，旁通触头100处于初始状态或第一状态。一旦柱塞(未显示)沿着第一方向118移动，则如图5b中看到的，柱塞向尖齿130向外施力，从而闭合第二导电连接。

可选地，尖齿由在受柱塞施力时而弯折的金属制成。尖齿130然后还可以用来在第二状态下将柱塞楔固在固定位置中。

图6是图示了用于在旁路开关的实施例中提供导电路径的方法的流程图。方法在旁路开关中执行。

在检测故障步骤中，在跨第一端子102与第二端子103连接的电气设备中检测到故障。这使得旁路开关的致动器被触发。

在使初始状态移动至第一状态步骤42中，使柱塞109从初始状态移动至第一状态。如上所述，在初始状态下，导电地分离第一端子102和第二端子103。此外，在第一状态下，柱塞109机械地向第一触头设备104施力，以闭合第一端子102与第二端子103之间的第一导电连接。

在使第一状态移动至第二状态步骤44中，柱塞109从第一状态移动至第二状态。

如上所述，在第二状态下，柱塞109机械地向第二触头设备105施力，以闭合第一端子102与第二端子103之间的第二导电连接。

使初始状态移动至第一状态步骤42和使第一状态移动至第二状态步骤44可以作为柱塞的连续移动的结果而执行。

图7是图示了使用旁路开关100的功率系统200的示意图。功率系统200包括电气设备201和根据上述实施例中的任意一个的旁路开关100。旁路开关的第一端子102和第二端子103跨电气设备201连接。电气设备201为在故障时可以受益于设置旁路的任意适当类型的电气设备，例如，电容器、固态开关等。

提供控制器202，该控制器当在电气设备201中检测到故障201时，向旁路开关100发送信号，以提供旁路路径。信号启动旁路开关的致动器，从而如上所述的触发柱塞的移动。

上面已经主要参照一些实施例描述了本发明。然而，如本领域技术人员容易理解的，除了上面所公开的实施例之外的其他实施例在如由所附专利权利要求限定的、本发明的范围内同样是可能的。