开关器件的制作方法

本发明涉及用于低压或中压配电网的开关设备(switchgear)领域。

更具体地说，本发明涉及用于中压或低压配电网络的改进开关器件。

另一方面，本发明涉及包括上述开关器件的开关设备(switchingdevice)。

背景技术：

在本发明的框架内，术语“低压”(lv)涉及低于1kvac和1.5kvdc的标称工作电压，而术语“中压”(mv)涉及高于1kvac和1.5kvdc直到几十kv(例如，高达72kvac和100kvdc)的标称工作电压。

如已知的那样，开关器件安装在配电网络中，用于将电力线与一个或多个相关联的电负载连接/断开。

传统的开关器件包括一个或多个电杆(electricpole)，每个电杆具有能够在第一操作位置和第二操作位置之间移动的可移动触点，在第一操作位置，它耦合到对应的固定触点，而在第二操作位置，它从该固定触点解耦。

每个电杆电连接到电力线和相关联的电负载，使得电流可以通过由耦合的固定触点和可移动触点提供的主导电路径在电力线和电负载之间流动。

另一方面，当可移动触点从对应的固定触点解耦时，例如在故障的情况下，流向电负载的电流中断。

在现有技术的一些开关器件(诸如专利文献us8064173和ep2523203中公开的那些开关器件)中，每个电杆提供有多个被配置为仅允许根据预定方向流动的电流通过的半导体器件(通常是功率二极管)。

这种半导体器件彼此串联电连接，并且被布置成允许/阻断沿着与上述主电流路径并联电连接的辅助电流路径流动的电流的通过。

如已知的，在这些开关器件中，可移动触点的移动与电力线电压和负载电流的波形的适当同步允许在开关器件的操作期间减少显著的寄生现象，诸如在打开操纵(manoeuvres)期间(当电力线与电负载(例如，电容器组)断开时)电弧的生成，并且另一方面，限制在关闭操纵期间(当电力线与电负载电耦合时)生成的可能的涌入电流和瞬时过电压。

不幸的是，上述类型的当前开关器件具有一些危险方面。

考虑到标称工作电压可以达到几十kv的事实，当所述功率二极管具有小尺寸并且不能承受高于给定阈值(对于标准器件通常大约为1kv)的操作电压时，必须采用大量的功率二极管。

经验表明，存在大量的功率二极管使得可移动触点的移动与和电杆相关的电气量的波形的同步变得困难，特别是在开关器件的打开操纵期间。

当移动触点从对应的固定触点解耦时，这会导致微弧的形成。

由于所述微弧会显著降低电杆的电触点的使用寿命，因此常常需要用保护材料覆盖这种电触点，其结果就是增加了制造开关器件的时间和成本。

技术实现要素：

本发明的主要目标是提供用于lv或mv配电网络的开关器件，其允许克服已知技术的缺点。

在这个目标内，本发明的目的是提供一种开关器件，其在开关器件的打开/闭合操纵器期间在减少寄生现象方面显示出改进的性能。

本发明的另一个目的是提供一种开关器件，其在打开/关闭操纵器期间显示出改进的换向效率。

本发明的另一个目的是提供一种开关器件，其对于以工业水平制造来说相对简单和便宜。

从以下描述和附图将清楚地显现的以上目标和目的是根据本发明通过根据以下权利要求1和相关从属权利要求的用于lv或mv配电网络的开关器件来提供的。

另一方面，本发明提供了一种根据以下权利要求15的用于lv或mv装置的开关设备。

附图说明

本发明的进一步的特点和优点将通过仅作为非限制性示例示出的优选实施例的详细描述而变得更加明显，在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的开关器件；

图2-14示意性地示出了根据本发明的开关器件的实施例中电杆的结构和操作；

图15是根据本发明的开关器件的另一个实施例中电杆的结构的部分视图。

具体实施方式

参考所引用的图，本发明涉及开关器件1。

开关器件1特别适用于mv配电网络，并且下文将参考这种具体应用对其进行描述。但是，开关器件1也可以方便地用于lv配电网络。

开关器件1适于将电力线101与一个或多个相关联的电负载102电连接/断开。

开关器件1对于在馈送电容性负载的配电网络中特别有用，并且将在下文中参考这种具体应用来描述。但是，在原则上，根据需要，电负载102可以是任何类型的。

开关器件1包括一个或多个电杆2(例如图1中所示的三个电杆)，其中每一个电杆2电连接到电力线101的对应电相和相关联的电负载102的对应电相。

每个电杆2包括可移动触点4和固定触点5，它们可以彼此耦合/解耦。

固定触点5与第一电杆端子16电连接，第一电杆端子16可与电力线101的对应电相电连接。

有利地，电杆2包括导电基座70，固定触点5机械地安装在导电基座70上。

导电基座70进而固定到第一电杆端子16，以确保适当的电连接。

可移动触点4与电杆2的第二电杆端子17电连接，电杆2的第二电杆端子17可与电负载102的对应电相电连接。

有利地，电杆2包括导电连接组件70a，该导电连接组件70a与可移动触点4以滑动的方式机械连接，以确保与后者的适当的电连接。

导电连接组件70a进而被固定到第二电杆端子17，以确保合适的电连接。

移动触点4适于在开关器件1的开关操纵期间(机械地和电力地)与固定触点5耦合或从其解耦。

在开关器件1的关闭操纵期间，可移动触点4朝向固定触点5移动，以与后者耦合，以便沿着主导通路径300建立杆端子16、17之间的电连续性。

在开关器件1的打开操纵期间，可移动触点4远离固定触点5移动，以与后者断开，以便中断沿着主导通路径300的杆端子16、17之间的电连续性。

优选地，可移动触点4沿着电杆2的纵轴x线性移动。

优选地，每个电杆2包括限定内部体积的绝缘壳体95，电杆2的内部部件(例如，可移动触点4和固定触点5)容纳在该内部体积中。

优选地，开关器件1包括(例如，对于每个电杆2)致动装置91和机械连接装置92，以在开关器件1的开关操纵期间致动可移动触点4。

优选地，开关器件1包括用于控制致动装置91的操作和/或开关器件1的其它功能的控制装置96(例如，包括一个或多个微处理器)。

每个电杆2包括电路组件6，该电路组件6包括多个固态半导体器件601、602、603、604、605、606(其在所引用的附图中也由标号60共同地指示)，适于取决于施加到其上的电压而切换成on状态(导通状态)或off状态(截止状态)。

半导体器件60有利地被配置为作为电二极管来操作。

因此，当它们切换成on状态时，半导体器件60允许电流根据预定义的导通方向流动，而当它们切换成off状态时，半导体器件60阻断从中流过的电流。

作为非限制性示例，半导体器件60可以是功率二极管(如所引用的图中所示)或晶闸管或功率晶体管。

半导体器件60彼此串联电连接，以形成半导体器件的链。

当其半导体器件处于on状态时，半导体器件的链60被配置为允许电流根据预定义的导通方向cd流动。

电路组件6包括输入端子61和输出端子62。

输入端子61电连接到半导体器件的链60的第一半导体器件601(以导通方向cd作为参考)，而输出端子62电连接到半导体器件的链60的最后一个半导体器件604(或者在图15的实施例中是606)。

在所引用的图(其中使用功率二极管)中所示的本发明的实施例中，功率二极管的链60被配置为使得(串联电连接的)这种功率二极管使其阳极和阴极分别朝向输入端子61和输出端子62。

电路组件6包括一个或多个中间端子63，每个中间端子63与位于半导体器件的链60的两个后续半导体器件602、603(以及图15的实施例中的604、605)之间的对应中间电节点64电连接。

在图2-14中所示的实施例中，电路组件6包括与位于两个后续半导体器件602、603之间的对应中间电节点64电连接的单个中间端子63。

更一般而言，电路组件6可以包括多个中间端子63，每个中间端子63与位于半导体器件的链60的两个后续半导体器件之间的对应中间电节点64电连接。

例如，在图15中所示的实施例中，电路组件6包括两个中间端子63，每个中间端子63与位于两对后续半导体器件602、603和604、605之间的对应中间电节点64电连接。

半导体器件的链60包括多个半导体器件组，每个组基本上由与对应的一个或多个中间端子63电连接的一个或多个电节点64的数量和位置定义。

显然，所述多个半导体器件组串联电连接在输入和输出端子61、62之间。

在图2-14中所示的实施例中，半导体器件的链60包括串联电连接在输入端子61和中间端子63之间的第一组半导体器件611，以及串联电连接在中间端子63和输出端子62之间的第二组半导体器件612。

在图15中所示的实施例中，半导体器件的链60包括串联电连接在输入端子61和中间端子63之间的第一组半导体器件611，串联电连接在所述中间端子63和另一个中间端子63之间的第二组半导体器件612，以及串联电连接在另一个中间端子63和输出端子62之间的第三组半导体器件613。

一般而言，当电路组件6包括n个中间端子(n≥1)时，半导体器件60的链包括串联电连接在电路组件6的端子之间的n+1组半导体器件。

电路组件6的输入端子61电连接到固定触点5。

电路组件6的输入端子61、输出端子62和每个中间端子63可以与可移动触点4电耦合/解耦。

更特别地，电路组件6的输入端子61、输出端子62和每个中间端子63适于在可移动触点4朝着/远离固定触点5的移动期间(即，在开关器件1的闭合或打开操纵期间)可移动触点4到达不同位置时与可移动触点4电耦合/解耦。

参考图2-14中所示的本发明的实施例，在可移动触点4朝着/远离固定触点5的移动期间(即，在开关器件1的闭合或打开操纵期间)可移动触点4到达不同的给定位置p1、p2、p3、p4时，输入端子61、输出端子62和中间端子63与可移动触点4电耦合/解耦。

更特别地，在朝着/远离固定触点5的移动期间，可移动触点4可以到达：

-第一位置p1，在这个位置，它与固定触点5并且与输入端子61、输出端子62和中间端子63电耦合(图5)；

-第二位置p2，在这个位置，它与固定触点5和输入端子61电解耦，并与输出端子62和中间端子63电耦合(图6)；

-第三位置p3，在这个位置，它与固定触点5以及输入端子61和中间端子63电解耦，并且与输出端子62电连接(图7)；

-第四位置p4，在这个位置，它与固定触点5以及输入端子61、输出端子62和中间端子63电解耦(图8)。

一般而言，由于输入端子61、输出端子62和每个中间端子63可在可移动触点4的不同给定位置处与可移动触点4电耦合/解耦，因此半导体器件的链60的不同半导体器件组在可移动触点4移动期间的不同时刻处切换成on状态或off状态，这取决于可移动触点本身相对于端子61、62、63所到达的位置。

实际上，给定输入端子61与固定触点5(并且因此与第一杆端子16)电连接的事实，半导体器件的链60被配置为在杆端子16、17之间形成辅助导通路径400、500，并且端子61、62、63可与可移动触点4(并且因此与第二杆端子17)电耦合/解耦。

取决于可移动触点4相对于端子61、62、63的位置，辅助导通路径400、500可以被中断或被短路，或者包括半导体器件的组611、612(以及在图15的实施例中的613)中的一个或多个。

再次参考图2-14中所示的本发明的实施例，由于输入端子61、输出端子62和中间端子63在不同的给定位置p1、p2、p3、p4处与可移动触点4电耦合/解耦，因此半导体器件的第一组611和第二组612取决于可移动触点本身相对于端子61、62、63的位置在可移动触点4的移动期间的不同时刻处切换成on状态或off状态。

当可移动触点4处于或到达第一位置p1时(图5)，由于所有的端子61、62、63都被短路，因此半导体器件的第一组611和第二组612处于或切换成off状态。

在这种情况下，辅助导通路径400和500整体上短路并且没有电流通过该辅助导通路径(除了可能可以忽略的寄生泄漏之外)。

主导通路径300代替地在固定触点5和可移动触点4电耦合时确保杆端子16、17之间的电连续性。负载电流iload通过主导通路径300。

当可移动触点4到达第二位置p2时(图6)，当在输入和输出端子61、62之间施加高于给定的第一阈值电压值的正电压时(输出端子62与中间端子63短路)，半导体器件的第一组611切换成on状态。

这种第一电压阈值(例如，几伏)取决于半导体器件601、602的物理特点，并且通常比电力线101的电压的峰值小得多。

由于输出端子62和中间端子63被短路并且没有电流通过半导体器件603、604(除了可能可以忽略的寄生泄漏之外)，因此半导体器件的第二组612替代地处于off状态。

负载电流iload通过第一辅助导通路径400，在这种情况下，其包括输入端子61、半导体器件的第一组611和中间端子63。

第一辅助导通路径400确保杆端子16、17之间的电连续性，而主导通路径300随着固定触点5和可移动触点4电解耦而中断。

当可移动触点4到达第三位置p3时(图7)，当高于给定第二阈值电压值的正电压被施加在输入和输出端子61、62之间时，半导体器件的第一组611和第二组612切换成on状态。

第二阈值电压值(几伏–但高于第一阈值电压值)取决于半导体器件601、602、603、604的特点并且比电力线101的电压的峰值小得多。

负载电流iload通过第二辅助导通路径500，在这种情况下，其包括输入端子61、半导体器件的第一组611和第二组612以及输出端子62。

第二辅助导通路径500确保杆端子16、17之间的电连续性，而主导通路径300在固定触点5和可移动触点4电解耦时中断。

当可移动触点4处于或到达第四位置p4时(图8)，半导体器件的第一组611和第二组612切换成off状态。

中间端子63和输出端子62与可移动触点4电解耦，并且没有电流通过辅助导通路径400和/或500。

而且，当固定触点5和可移动触点4电解耦时，主导通路径300被中断。

参考图2-14中所示的本发明的实施例，图9-10示意性地示出了一些相关电气量的示例性行为，诸如电力线101的线电压vline、施加到电负载102(假定为电容型)的负载电压vload以及在开关器件1的关闭操纵期间通过电杆2的负载电流iload。

当分析上述相关电气量的行为时，上面提到的第一和第二阈值电压值可以近似为0v，因为它们相对于线电压vline的峰值可以忽略不计。

在时刻t0，假定可移动触点4开始朝着固定触点5移动。

在这种情况下，可移动触点4仍然与输入端子61、输出端子62和中间端子63并与固定触点5电解耦(第四位置p4)。

当主导通路径300和辅助导通路径400和500仍然中断时，没有负载电流iload流向电负载102。

在时刻t1，假定可移动触点4到达第三位置p3，由此与输出端子62电耦合，并且从输入端子61和中间端子63以及固定触点5电解耦。

假定负载电压vload初始为0v，线电压vline被施加在电路组件6的输入端子61和输出端子62之间。

在图9-10中所示的示例中，半导体器件的第一组611和第二组612在时刻t1保持off状态，因为线电压vline仍为负。

一旦线电压vline变为正(过零)，半导体器件的第一组611和第二组612就在时刻t2切换成on状态。

在时刻t2，负载电流iload开始通过第二辅助导通路径500，在这种情况下，其包括输入端子61、半导体器件的第一组611和第二组612以及输出端子62。

第二辅助导通路径500确保杆端子16、17之间的电连续性并且负载电压vload开始跟随线电压vline(除了由处于on状态的半导体器件601、602、603、604提供的小的电阻性电压降之外)。

在时刻t3，假定可移动触点4到达第二位置p2，由此与中间端子63和输出端子62电耦合，并且与输入端子61和固定触点5电解耦。

半导体器件的第一组611保持处于on状态，因为在输入端子61和中间端子63之间(输出端子62和中间端子63短路)施加了正电压(基本上是由于由处于on状态的半导体器件601、602提供的电阻性电压降)。

当中间端子63和输出端子62短路时，半导体器件的第二组612代替地被切换成off状态。

在时刻t3，负载电流iload继续通过辅助导通路径400，在这种情况下，其包括输入端子61、半导体器件的仅第一组611以及输出端子62。

辅助导通路径400确保杆端子16、17之间的电连续性，并且负载电压vload跟随线电压vline(除了由处于on状态的半导体器件601、602提供的小电阻性电压降之外)。

在时刻t4，假定可移动触点4到达第一位置p1，由此与输入端子61、中间端子63和输出端子62以及固定触点5电耦合。

当输入端子61和中间端子63被短路时，半导体器件的第一组611切换成off状态。

当中间端子63和输出端子62被短路时，半导体器件的第二组612保持在off状态。

当可移动触点4和固定触点5电耦合时，辅助导通路径400和500短路并且负载电流iload通过主导通路径300。

主导通路径300确保杆端子16、17之间的电连续性，并且负载电压vload跟随线电压vline。

关于上述示例，显而易见的是，上述电气量(特别是负载电流iload)的行为可以依赖于时刻t1、t2、t3、t4的定时而变化，这进而依赖于关闭操纵的初始时刻、可移动触点4遵循的运动规律以及端子61、62、63和固定触点5之间的相对位置。

但是，上述示例示出了半导体器件的组611、612在可移动触点4的移动期间在不同时刻t2、t3、t4处如何切换成on状态或off状态，这取决于在开关器件1的关闭操纵期间可移动触点4到达的位置。

参考图2-14中所示的本发明的实施例，图11-14示意性地示出了在开关器件1的打开操纵期间电气量vline、vload和iload的示例性行为。

再次，上面提到的第一和第二阈值电压值近似为0v，因为它们相对于线电压vline的峰值可以忽略不计。

在可移动触点4开始远离固定触点5移动之前，可移动触点与输入端子61、输出端子62和中间端子63以及固定触点5电耦合(第一位置p1)。

在这种情况下，半导体器件的第一组611和第二组612都处于off状态，并且辅助导通路径400和500短路。

当可移动触点4和固定触点5电耦合时，负载电流iload通过主导通路径300。

主导通路径300确保杆端子16、17之间的电连续性，并且负载电压vload跟随线电压vline的行为。

在时刻t6，假定可移动触点4到达第二位置p2，由此与中间端子63和输出端子62电耦合，并且与输入端子61和固定触点5电解耦。

可移动触点4和固定触点5之间的分离迫使负载电流iload通过半导体器件的链60。

当正电压(基本上由于由半导体器件601、602提供的电阻性电压降)被施加在不再短路的输入端子61和输出端子62之间时(输出端子62仍与中间端子63短路)，半导体器件的第一组611切换成on状态。

由于中间端子63和输出端子62仍然短路，因此半导体器件的第二组612代替地保持在off状态。

负载电流iload开始通过辅助导通路径400的，在这种情况下，其包括输入端子61、半导体器件的仅第一组611以及输出端子63。

辅助导通路径400确保杆端子16、17之间的电连续性，并且负载电压vload跟随线电压vline(除了由于处于on状态的半导体器件601、602引起的小的电阻性电压降之外)。

在时刻t7，假定可移动触点4到达第三位置p3，由此与输出端子62电耦合，并且与中间端子63和固定触点5电解耦。

当正电压(基本上由于处于on状态的半导体器件601、602提供的电阻降)施加在不再短路的输入端子61和中间端子63之间时，半导体器件的第一组611保持在on状态。

当正电压(基本上由半导体器件603、604提供的电阻降)施加在不再短路的中间端子63和输出端子62之间时，半导体器件的第二组612切换成on状态。

负载电流iload继续通过第二辅助导通路径500，在这种情况下，其包括输入端子61、半导体器件的第一组611和第二组612以及输出端子62。

辅助导通路径500确保杆端子16、17之间的电连续性，并且负载电压vload跟随线电压vline(除了由于处于on状态的半导体器件601、602、603、604引起的小的电阻性电压降之外)。

在时刻t8之后，假定可移动触点4到达第四位置p4，由此与输入端子61、输出端子62和中间端子63以及固定触点5电解耦。

当主导通路径300和辅助导通路径400和500被中断时，没有负载电流iload流向电负载102。

负载电压vload不再跟随线电压vline(其在电压vline的峰值处保持初始恒定)。

关于上述示例，显而易见的是，上述电气量(特别是负载电流iload)的行为可以依赖于时刻t6、t7、t8的时刻而变化，这进而依赖于打开操纵的初始时刻、可移动触点4遵循的运动规律以及端子61、62、63和固定触点5之间的相对位置。作为示例，图11-12和图13-14示出了在打开操纵期间对于提到的时刻t6、t7的不同的可能定时选择。

但是，上述示例示出了半导体器件的组611、612如何在可移动触点4的移动期间的不同时刻t6、t7、t8处切换成on状态或off状态，这取决于在开关器件1的打开操纵期间由可移动触点4到达的位置。

优选地，电杆2包括第一电连接装置，以将电路组件6的输入端子61与固定触点5电连接。

优选地，第一电连接装置包括其上安装有固定触点5的导电基座70和用于将输入端子61与导电基座70(图5)连接的第一固定装置71。第一固定装置71可以是已知类型的，例如，连接螺钉。

优选地，电杆2包括第二电连接装置，以将电路组件6的输出端子62与可移动触点4电连接。

优选地，第二电连接装置包括具有第一通孔730的第一导电板73。有利地，第一导电板73布置成使得可移动触点可以在朝着/远离固定触点5移动期间通过第一通孔730。

优选地，第二电连接装置包括在第一通孔730处与第一导电板73耦合的第一滑动接触环74。有利地，第一接触环74被布置在第一通孔730的边缘处，以便在可移动触点4通过第一通孔730时滑动接触可移动触点4。

优选地，第二电连接装置包括用于将输出端子62与所述第一导电板73连接的第二固定装置(未示出)。第二固定装置可以是已知类型，例如，连接螺钉。

优选地，电杆2包括第三电连接装置，以将电路组件6的每个中间端子63与可移动触点4电连接。

优选地，第三电连接装置包括一个或多个第二导电板77，每个第二导电板77具有至少第二通孔770。有利地，每个第二导电板77被布置为使得可移动触点可以在朝着/远离固定触点5移动期间通过第二通孔770。

优选地，第三电连接装置包括一个或多个第二滑动接触环78，每个第二滑动接触环在第二通孔770处与对应的第二导电板77耦合。有利的是，每个第二接触环78布置在对应的第二通孔770的边缘处，以在可移动触点4通过第二通孔770时滑动接触可移动触点4。

优选地，第二电连接装置包括用于将每个中间端子63与对应的第二导电板77连接的第三固定装置(未示出)。第三固定装置可以是已知类型，例如，连接螺钉。

优选地，电路组件6包括印刷电路板65，半导体器件601、602、603、604、605、606被安装在印刷电路板65上并且通过合适的导电条彼此电连接。

优选地，输入端子61、输出端子62和每个中间端子63利用已知类型的固定装置(例如，连接螺钉、焊接件等)固定到印刷板65。

输入端子61、输出端子62和每个中间端子63可以由对应的电缆形成。

优选地，电路组件6包括绝缘外壳66，绝缘外壳66固定到导电基座70或固定到电杆2的绝缘壳体95。

绝缘外壳66有利地限定印刷电路板65位于其中的体积。

根据在所引用的图中示出的本发明的可能实施例，印刷电路板65具有可以在卷绕位置折叠的柔性结构。

在这种情况下，绝缘外壳66被有利地配置为将柔性印刷电路板65容纳在卷绕位置中。

优选地，如所引用的图中所示，绝缘外壳66具有环形(toroidal)结构，该结构提供有中心孔660(图2)，该中心孔660布置成容纳固定触点5并允许可移动触点4通过。

在这种情况下，电路组件6有利地以这样一种方式配置，使得当可移动触点4耦合到固定触点5时，至少部分地围绕固定触点5和可移动触点4。

根据本发明的开关器件1提供显著的优点。

不同组的半导体器件在不同时刻的激活/停用允许放宽时间同步的要求，以确保在开关器件的开关操纵期间在可移动触点4和固定触点5之间的耦合/解耦之前/之后建立辅助导通路径400和/或500。

这允许相对于现有技术的可用开关器件获得改进的换向效率。

另外，半导体器件的不同组611、612的有区别的激活允许在开关器件1的打开操纵期间减少微弧现象，并且允许改进对在开关器件1的关闭操纵期间的涌入电流和瞬态过电压的降低能力。

因此，开关器件1可以相对于可用的传统开关器件显示出改进的寄生现象的减少。

这允许简化电杆2的结构并降低总体制造成本。

开关器件1具有简单且鲁棒的结构，其特别适于集成在lv或mv开关设备中。

开关器件1对于在工业水平上制造来说特别简单且便宜。