直流电流切换设备、电子装置和切换关联直流电路的方法

直流电流切换设备、电子装置和切换关联直流电路的方法
【专利摘要】本公开涉及直流电流切换设备、电子装置和切换关联直流电路的方法。直流切换设备包括：至少第一机械切换装置，其适合于沿着关联电路的操作路径安置，并且包括固定接触件和相应的活动接触件，后者可以在其中它们耦合到彼此并且电流沿着操作路径流动的闭合位置和其中它们彼此分离以便使电流沿着操作路径的流动中断的开启位置之间开动，其中，电弧可以在分离之下的接触件之间点燃。该设备还包括：电子装置，其包括适合于沿着第二路径安置并且与第一机械切换装置并联连接的半导体器件。电子装置配置成：当第一机械切换装置未能熄灭当活动接触件从固定接触件分离时点燃的电弧时，允许电流的流动从操作路径换向到第二路径，并且通过半导体器件熄灭电弧。
【专利说明】直流电流切换设备、电子装置和切换关联直流电路的方法

【技术领域】
[0001] 本公开涉及直流("DC"）切换设备、电子装置和用于切换沿着关联的DC电路流通 的DC电流的方法。

【背景技术】
[0002] 在电气领域中使用保护装置、典型地使用电流开关如断路器或负荷开关是众所周 知的，所述保护装置被设计成切换它们安装于其中的电气系统，以便例如使其免于故障事 件如过载和短路，或者用于连接和断开负载。
[0003] 普通的电气机械切换装置包括成对的可分离接触件以造成、断开和传导电流；在 断开操作中，驱动机构触发活动接触件，以从它们耦合到相应固定接触件的第一闭合位置 移动到它们与之分离的第二开启位置。通常，在接触件开始在物理上彼此分离时，电流通过 以下方式继续流过开启的间隙：加热包围接触件自身的绝缘气体，直到气体被电离并且变 得导电、亦即达到所谓的等离子态为止；以这种方式，在接触件之间点燃电弧，所述电弧必 须尽可能快地被熄灭，以便明确地断开电流的流动。特别地，在直流("DC")应用中，中断时 间可能非常高，电弧因此可能持续相当长的时间。
[0004] 这样长的起弧时间导致接触件的严重损耗，这样一来就显著减少了电气耐久性、 亦即机械电流开关可以执行的切换操作的数目。
[0005] 特别地，为了迅速地熄灭电弧并且使这样的问题最小化，有必要将流动的电流和 随之而来的加热功率降低至一定的阈值之下，在所述阈值下，加热不足以维持电弧；等离子 体冷却并且丧失其导电性。
[0006] 在低电压DC电路中，通过建立超过施加的系统电压的反电压来减少电流。超过系 统电压的建立的电压必须被维持，直到电流被切断为止；通常通过使用一系列的分隔板将 电弧分裂成许多短片段来产生这个电压。
[0007] 为此目的，对于标准的LV断路器几何形状而言，必须将电弧从接触件开启的点火 区移动到分隔板所位于的电弧室；通常通过利用在弧柱上生成洛伦兹力的磁场来做到这一 点。
[0008] 可以通过流过切换装置的相同电流来生成这个磁场；然而，虽然能够用非常高的 短路电流十分容易地熄灭电弧，但是已知的机械电流开关努力建立一定值如600-1000V之 上的电压，并且当以低电流如几十安培来执行切换操作时，熄灭电弧有困难。
[0009] 在这些情况下，因此有可能的是，在低电流下电弧继续在接触件上燃烧，而不会从 接触件朝向电弧分隔板移开：结果，建立的弧电压低，并且电流既未受限也不中断。
[0010] 在一些断路器中，通常需要另外的永久磁铁，以便加强作用于弧柱上的磁场，从而 使其朝向电弧分隔板移动；然而，在这种情况下，除了与针对这个额外部件的成本、位置和 空间可用性相关的问题之外，断路器只能使用由永久磁铁的布局限定的给定极性来中断电 流；如果电流在相反的方向上流动，则电弧保持在接触件处，所述接触件通过持续在它们上 面燃烧的电弧而损耗。 toon] 使用混合电流切换装置也是已知的，其中，传统或主要的机械断路器并联连接到 基于半导体的电流切换装置。
[0012] 这些混合方案旨在具有理想地电弧较少的切换操作，或者至少尽可能快地熄灭电 弧。
[0013] 为此目的，当机械断路器的接触件必须开启时，使电流的流动朝向半导体器件换 向；在一些情况下，甚至在机械断路器的接触件被开动之前，就将半导体驱动到其导电状 态；在其它情况下，紧接着在机械断路器的接触件被开动之后将半导体驱动到其导电状态， 以便尽可能早地将电弧从机械接触件移开。
[0014] 尽管这样的混合方案执行得非常好，但是它们的缺点之一是，当在导电状态下驱 动时，半导体器件总是暴露于并且必须面对可能达到非常高的水平的流动电流；因此，存在 可能遭到破坏的很高风险，并且在任何情况下，由于在许多操作条件下所涉及的电流可能 相当高，所以有必要采用特别的保护方案和/或相当昂贵的部件。


【发明内容】

[0015] 本公开旨在面对这样的问题，并且特别地旨在尤其是在低电流下有效地熄灭电 弧，亦即，当流动电流的电平使得电弧没有朝向分隔板移动并且相应的弧电压对于其自我 熄灭而言不足时有效地熄灭电弧。
[0016] 因此，本公开提供了一种直流("DC"）切换设备，该设备包括：
[0017] -至少第一机械切换装置，其适合于沿着关联DC电路的操作路径安置，所述机械 切换装置包括固定接触件和相应的活动接触件，所述活动接触件可以在闭合位置和开启位 置之间开动，在所述闭合位置中，所述接触件耦合到彼此并且电流沿着所述操作路径流动， 在所述开启位置中，所述接触件彼此分离以便使电流沿着所述操作路径的流动中断，其中， 当所述活动接触件开始从所述固定接触件分离时，电弧可以在所述接触件之间点燃；所述 设备特征在于其进一步包括：
[0018] -电子装置，其包括至少一个半导体器件，所述至少一个半导体器件适合于沿着第 二路径安置，并且与所述第一机械切换装置并联连接，其中，所述电子装置配置成：当所述 第一机械切换装置未能熄灭当所述活动接触件从所述固定接触件分离时点燃的电弧时，允 许电流的流动从所述操作路径换向到所述第二路径，并且通过所述半导体器件熄灭所述电 弧。
[0019] 本公开还提供了一种用于切换沿着DC电路流通的直流("DC"）的方法，该方法包 括：
[0020] -沿着所述DC电路的操作路径提供具有固定接触件和相应的活动接触件的至少 第一机械切换装置，其中，当所述活动接触件开始从所述固定接触件分离时，电弧可以在所 述接触件之间点燃；特征在于其进一步包括以下步骤：
[0021] -提供包括至少一个半导体器件的电子装置，所述至少一个半导体器件沿着所述 DC电路的第二路径安置，并且与所述第一机械切换装置并联连接；
[0022] -当所述第一机械切换装置未能熄灭当所述活动接触件从所述固定接触件分离时 点燃的电弧时，将电流的流动从所述操作路径换向到所述第二路径，并且通过所述半导体 器件熄灭所述电弧。
[0023] 有利地，使用根据本公开的设备和方法，以与现有技术方案显著不同的方式利用 半导体器件；事实上，只有当机械切换装置不能通过自身来熄灭机械接触件之间点燃的电 弧时，才将电流的全部流动从标称或操作路径换向到第二路径，以便使半导体器件熄灭该 电弧。
[0024] 在实践中，当机械切换装置的接触件彼此分离并且电弧在它们之间点燃时，虽然 在现有技术方案中基于半导体的装置总是被开动以便迅速地去除电弧，但是根据本公开， 只有当实际的操作条件使得机械断路器不能熄灭电弧、亦即以低电流(例如几十安培的数 量级）进行切换操作时，基于半导体的装置才积极地被用来熄灭电弧。
[0025] 因此，虽然在现有技术方案中使用基于半导体的切换装置的目的是要独立于电流 电平而从机械接触件立即去除电弧，乃至主要是当流动的电流可能达到高电平时防止电弧 在接触件处燃烧，但是在本公开的方案中，当机械接触件处的电流高时基本上防止半导体 器件操作，并且只有当流动电流的电平低时，才利用其实际的介入以明确地熄灭电弧。

【专利附图】

【附图说明】
[0026] 从只是作为非限制性的例子在附图中图示的根据本公开的直流("DC"）切换设备 和用于切换关联DC电流的相关方法的优选但非排他性的实施例的描述中，进一步的特性 和优点将会变得明显，其中：
[0027] 图1是示意性地图示根据本公开的DC切换设备的可能实施例的框图；
[0028] 图2是示意性地图示根据本公开的DC切换设备的另一个实施例的框图；
[0029] 图3是示意性地图示可以在根据本公开的DC切换设备的实施例中使用的某种电 子装置的框图；
[0030] 图4是示意性地图示可以在根据本公开的DC切换设备的实施例中使用的某种电 子装置的框图；
[0031] 图5是示意性地图示根据本公开的DC切换设备的进一步可能的实施例的框图；
[0032] 图6-8是示意性地图示可以在根据本公开的DC切换设备的实施例中使用的某种 电子装置的框图；
[0033] 图9是以多极模制壳体断路器的版本示出根据本公开的DC切换设备的透视图；
[0034] 图10是以电子装置处于与断路器的机械切换部分的装配之下的方式示出图9的 断路器的透视图；
[0035] 图11a、lib和11c是示意性地图示图9和10的断路器的各种机械切换装置和电 子装置之间的连接的一些可能的实施例的框图；
[0036] 图12图示了被实现为单立部件如电子继电器的可以在根据本公开的DC切换设备 中使用的电子装置；
[0037] 图13示出了处于与关联的机械切换装置装配之下的图12的电子装置；以及
[0038] 图14是根据本公开的用于切换沿着关联的DC电路流通的直流电流的方法的流程 图。

【具体实施方式】
[0039] 应当注意的是，在随后的详细描述中，从结构和/或功能的观点来看等同或相似 的部件具有相同的标号，而不管它们是否示出在本公开的不同实施例中；还应当注意的是， 为了清楚而简要地描述本公开，附图可能不一定按比例绘制，并且可能以某种示意性的形 式示出本公开的某些特征。
[0040] 另外，当在引用作为整体的任何部件或部件的任何部分或部件的整体组合乃至部 件的组合的任何部分时在此使用术语"适于"、"布置"、"配置"或"成形"时，必须理解的是， 它意味着并且相应地包括这样的术语所引用的相关部件或其部分或者部件或其部分的组 合的结构和/或配置和/或形式和/或定位。
[0041] 进一步，术语"设备"必须在此被理解为涉及单个部件或甚至仅在安装场所彼此可 操作地相关联的两个或更多分开的部件。
[0042] 最后，通过具体参考作为示例性多极模制壳体断路器的本公开的建设性实施例， 来描述根据本公开的DC切换设备，而不会旨在以任何方式将其可能的应用限制到不同类 型的切换装置，并且具有任何适当数目的相或极，比如模块化的断路器，例如双极等等。
[0043] 在图1中示意性地表示了直流("DC")切换设备(在下文中称之为"设备")，全局性 地以标号100来指示。
[0044] 设备100包括：至少第一机械切换装置10,其适合于沿着DC电路的标称或操作路 径200安置；标称或操作路径是由电流在常规操作条件下从源（S)朝向要被供电的负载（L) 所遵循的通常路径。
[0045] 机械切换装置10包括固定接触件11和相应的活动接触件12,该活动接触件12可 以在闭合位置和开启位置之间开动，在所述闭合位置中，接触件11-12耦合到彼此并且电 流沿着操作路径200流动，在所述开启位置中，接触件11-12彼此分离以便使电流沿着操作 路径200的流动中断；如可以知道的那样，当活动接触件12开始在物理上从固定接触件11 分离时，电弧可以在接触件11-12之间点燃。
[0046] 机械切换装置10可以是任何传统的机械电流断续器或其部分，例如是模块化或 模制壳体断路器的机械断续部分或极，就像图9中图示的那个一样。
[0047] 根据本公开的设备100还包括电子装置，全局性地以标号20来指示，该电子装置 20包括至少一个半导体器件21，该电子装置21沿着与第一机械切换装置10并联连接的第 二路径201安置。
[0048] 例如，至少一个半导体器件21包括一个或多个IGBT ;例如可以使用单个反向阻断 IGBT或者具有给定极性的两个半导体器件。
[0049] 有利地，电子装置20配置成只有当第一机械切换装置10未能通过自身熄灭电弧 时，才允许电流的流动从标称路径200换向到第二路径201，并且使这样的电流穿过半导体 器件21，以便造成在机械接触件11-12之间点燃的电弧熄灭。
[0050] 根据优选实施例，电子装置20配置成只有当并且/或者直到流动电流的电平处于 预定阈值（I th)之下时为止，才允许电流的流动通过半导体器件21从操作路径200换向到 第二路径201，以便借助于半导体器件21自身来熄灭电弧。
[0051] 如图2的实施例中示意性地图示的那样，电子装置20包括非线性电阻器30,优选 地为变阻器，其并联连接到半导体器件21 ;这样的非线性电阻器30适合于在电流切换操作 期间吸收并耗散能量，以便允许电流的明确中断，并且防止半导体器件21例如在这样的半 导体器件21关断时发生的可能过电压。
[0052] 根据可能的实施例，电子装置20配置成通过当活动接触件12从固定接触件11分 开时在所述固定接触件11和所述活动接触件12之间点燃的电弧所生成的电压来供电；代 替地，电子装置20可以通过任何其它适当的源来供电。
[0053] 根据示例性实施例，在安装设备100的时候，当固定接触件11和活动接触件12处 于闭合位置、亦即处于正常操作状况下时，所述至少一个半导体器件21处于非传导状态， 并且电子装置20配置成在从活动接触件12从相应的固定接触件11分开的时刻开始已过 去第一预定时间间隔（A)之后，将半导体器件21切换到其电流传导状态。
[0054] 另外，电子装置20还配置成：
[0055] -在半导体器件21处于其传导状态的情况下，在已过去第二预定时间间隔（丨2)之 后；或者
[0056] -在已过去第二预定时间间隔（t2)之前，当通过半导体器件21在第二路径上流动 的电流的电平超过预定阈值（I th)时，
[0057] 随即将半导体器件21从传导状态切换到其非传导状态。
[0058] 可以根据应用来选择第一预定时间间隔（tj和第二预定时间间隔（〇#_，（〇 可以小于500ms，优选地在10和200ms之间，并且（t 2)可以小于10ms，优选地在1和5ms之 间。
[0059] 例如，电流（〇可以选择成使得当半导体器件21接通时，第一机械切换装置10已 经熄灭了电弧，并且因此明确地中断了电流沿着标称路径200的流动（半导体器件21的接 通基本上无效)，或者如果电流还在流动，则表明电流太低，并且机械切换装置不能通过自 身来熄灭电弧。依次地，时间（t 2)可以选择成使得足以进行电流换向和机械接触件11-12 之间的气隙的介电性质的恢复，以便避免当半导体器件21断开时机械开关10中电弧重燃。
[0060] 如本领域技术人员可以意识到的那样，电子装置20可以通过可得到的电子部件 的任何适当组合来实现，如同各个附图中图示的那样，基本上具有用于接通/断开半导体 器件21的驱动器部分22以及根据刚刚描述的实施例的一个或多个计时器。
[0061] 进一步，根据这个实施例，并且如图3所示，为了保护半导体器件21免于高电平电 流并且必要时在已过去第二预定时间间隔（t 2)之前将其断开，电子装置20包括电压监视装 置23,用于监视半导体器件21的电压并且将监视的电压与预定阈值（V th)相比较。当检测 到的电压超过预定阈值时，这意味着流过半导体器件21的电流（I。）处于预定阈值（Ith)之 上，半导体器件21立即断开成其非传导状态。
[0062] 代替地，根据图5所示的示例性实施例，电子装置20包括沿着第二路径201与半 导体器件21串联连接的电阻器24 ;另外，如图5所示，电子装置20包括沿着第二路径201 与半导体器件21串联连接的电感器25,以便限制电流上升率；阻挡朝向只有单向操作切换 的半导体器件21的逆电流的二极管26可以安置在半导体器件21和电感器25之间。
[0063] 特别地，电阻器24配置成例如制定尺度以便当沿着第二路径201流通的电流超 过预先选择的阈值（I th)时，阻挡电流通过半导体器件21从操作路径200换向到第二路径 201。
[0064] 在实践中，通过机械中断部分的设计来确定针对给定电流的弧电压。电阻器的值 被选择成使得低电流下的弧电压可以换向全部的电流，而在较高电流（> Ith)的情况下，由 额外电流引起的电阻器的电压降不能被弧电压所克服。
[0065] 以这种方式，半导体经历了对于器件而言仍然可允许的电流。如在下文中将会更 加详细地描述的那样，在实践中，从标称路径200向第二路径201的电流换向的实际百分比 由两个路径之间、亦即弧电压和电阻器24的电压之间的电压差来驱动。
[0066] 根据这个实施例，在安装设备100的时候，当固定接触件11和活动接触件12处于 闭合位置、亦即处于正常操作状况下时，所述至少一个半导体器件21优选地也处于非传导 状态；电子装置20配置成在从活动接触件12开始从相应的固定接触件11分开的时刻已过 去第一预定时间间隔（h)之后，将半导体器件21切换到其电流传导状态。
[0067] 像前面的实施例一样，电子装置20也配置成在第二半导体器件21处于其传导状 态的情况下，在已过去第二预定时间间隔（t2)之后，随即将半导体器件21从传导状态切换 到其非传导状态。
[0068] 如果在换向期间，在第二路径201上换向的电流的电平超过预定阈值（Ith)，如上 面指示的那样，则电阻器24防止沿着第二路径201的半导体器件的能力之上的电流换向。
[0069] 在这种情况下，借助于机械切换装置10来清除电弧，并且通过关联的驱动器22来 切断半导体器件21。
[0070] 特别地，根据这个实施例，并且作为针对保护半导体器件21的可能的额外布置， 电子装置20包括电压监视装置27，该电压监视装置27例如包括电压比较器，用于监视电阻 器24之上的电压；如果电阻器24之上的电压超过了设置的阈值，则半导体21被切断，然后 电流被安全地换向返回到标称路径200。
[0071] 在这个配置中，电阻器24因此具有双重作用，亦即它被用来阻挡并行于电弧的过 电流，并且被用来感测在并行的第二路径201中流动的电流。
[0072] 电感器25应当被恰当地制定尺寸，以便确保慢的电流换向，这对于可靠的电压测 量而言是需要的，并且允许由电子控制引入的延迟；电感器25限制了朝向并行路径的电流 换向速率，防止了在半导体切换操作的情况下电流返回到电弧的快速换向，并且使得电阻 器24之上的更加可靠的电压测量成为可能。
[0073] 除了上面的之外或者代替地，还可以通过监视跨越机械切换装置10建立的电压 来直接或间接地监视流通电流的电平。
[0074] 为此目的，电子装置20可以包括用于监视流动电流的电平的装置；例如，电流监 视装置包括分压器，例如如图6所示的分压器配置中的两个电阻器28和晶体管29 ;划分的 弧电压驱动晶体管29,该晶体管29在接通时使半导体器件21保持其传导状态，或者在监视 的电流的电平超过预定阈值时使半导体器件21保持其非传导状态。
[0075] 在实践中，处于预先选择的阈值之上的监视电压是电弧处于电弧隔板中的直接指 示，因此切换操作在高电流下发生。机械断路器能够在这些状况下操作，并且半导体器件被 保持在其非传导状态下。
[0076] 其它代替的实施例当然对于这样的监视装置也是可能的，例如如图7所示，其中 晶体管被比较器290替代。
[0077] 进一步，与前面描述的实施例中的任何一个相结合，电子装置20可以包括进一步 的保护部分，亦即缓冲电路，在图8中用标号40来指示，该缓冲电路40与半导体器件21并 联连接，并且例如包括电阻器和电容器。这个缓冲电路40适合于避免半导体器件21关断 期间的过度电压瞬变。
[0078] 图9和10示出了可能的实施例，其中根据本公开的切换设备100被实现为多极模 制壳体断路器；在图11中表示了相应的示意性布局，而图13则图示了图10的断路器的极 之一，该极用标号10指示，并且与电子装置20连接。
[0079] 如图示的那样，断路器100包括壳体1，从该壳体1向外突出至少第一终端和第二 终端，它们分别适合于与关联的DC电路的输入和输出电连接；在图示的版本中，存在四个 上终端2和四个相应的下终端3,在图13中只有一个输出终端3是可见的，其可以以如图 11a中那样的适当方式连接。
[0080] 清楚地，图11a中图示的内容必须仅被理解为连接的可能例子；例如，在图lib所 示的实施例中，负载连接到两个中间机械切换装置10的相应终端。
[0081] 图11c示意性地图示了适合于特殊应用的进一步的实施例，亦即具有存在双重接 地故障的电路；在这种情况下，具有相应的进一步的至少一个半导体器件21(基本上与前面 描述的等同)的第二电子装置20被提供，并且关联到另一个机械切换装置(例如系列中的最 后一个)。
[0082] 根据这个实施例，第一机械切换装置10安置在壳体1内部，并且在实践中由断路 器的极之一(例如图13的极10)构成；特别地，在图9-11所示的示例性实施例中，断路器 100包括多个第一机械切换装置10,它们容纳在壳体1内部并且相互串联连接，如图11中 示意性地表示的那样。在实践中，每个电流切换装置10都由断路器的相应极构成，就像图 示的极10 -样，并且至少包括固定接触件11和相应的活动接触件12,该活动接触件12可 以被开动，以便从初始的闭合位置移动到开启位置，在所述闭合位置中，活动接触件12与 其关联的固定接触件11耦合，在所述开启位置中，活动接触件12从关联的固定接触件11 分离。
[0083] 如图11中表示的那样，半导体器件21并联连接到多个第一机械切换装置10中的 至少一个。
[0084] 在这个实施例中，在不需要壳体1外部的额外开关的情况下可以实现充分的电隔 离。
[0085] 包括半导体器件21的电子装置20可以安置在壳体1内部或外部。
[0086] 例如如图12所示，具有至少一个半导体器件21的电子装置20可以安置在支撑板 210上并容纳在容器220内，这样一来就采取了单立部件的形式。这样的部件可以容纳在壳 体1内部，如图10所示，例如其中极101的连接销102接合到支撑板210上提供的相应输 入端211中，如图13所示。
[0087] 代替地，电子装置20可以与第一机械切换装置分离地、亦即与断路器100分离地 安置在安装位置，并且可以从壳体1外部可操作地与其连接。
[0088] 现在通过参考图14的流程图来描述设备100的功能，图14图示了根据本公开的 用于切换沿着关联电路流通的直流("DC"）的方法。
[0089] 在方法300的第一步骤301，沿着DC电路的标称或操作路径200至少提供具有固 定接触件11和相应的活动接触件12的第一机械切换装置10 ;如描述的那样，当活动接触 件12开始从固定接触件11分离时，电弧可以在接触件11-12之间点燃。
[0090] 在步骤301，还提供电子装置20，该电子装置20包括至少一个半导体器件21，该半 导体器件21沿着DC电路的第二路径201安置，并且与第一机械切换装置10并联连接。
[0091] 如本领域技术人员将会意识到的那样，第一机械切换装置10和电子装置20可以 同时或者以任何顺序在步骤301提供。
[0092] 在正常操作状况下，固定接触件11和活动接触件12耦合，并且电流沿着DC电路 的标称或操作路径200流过它们。
[0093] 当活动接触件12开始从固定接触件11分离并且电弧在它们之间点燃时，方法300 在步骤302预见到电流的流动（尤其是一直到电流的全部流动）从操作路径200到第二路 径201的换向，并且当第一机械切换装置10未能通过自身熄灭电弧时，使点燃的电弧借助 于半导体器件21而被熄灭。
[0094] 特别地，换向302的步骤包括：只有当并且直到流动电流的电平处于零之上和预 定阈值（I th)之下时，继续通过半导体器件21将电流的流动从操作路径200换向到第二路 径201，一直到全部电流被换向。
[0095] 根据第一示例性实施例，半导体器件21初始处于非传导状态，并且换向302的步 骤包括以下步骤303 :在从活动接触件12开始从相应的固定接触件11离开的时刻已过去 第一预定时间间隔（A)之后，将半导体器件21切换到其电流传导状态。
[0096] 以这种方式，可以沿着第二路径201换向电流的全部流动。
[0097] 根据这个实施例，方法300进一步包括：在已过去第二预定时间间隔（t2)之后，或 者在已过去第二预定时间间隔（t 2)之前当流过第二路径的电流的电平超过预定阈值（Ith) 时，随即在步骤304将半导体器件21切换到其非传导状态。
[0098] 在实践中，以这种方式，如果机械接触件的分离是在一定的电流电平、亦即例如 100A以上的高电流下发生的，则第一机械切换装置10完全切断电流，因此电弧被清除而不 需要沿着第二路径201换向电流；如果相反地机械接触件11-12的分离是在低电流(例如 在10和100A之间)下发生的，则有可能的是，第一机械切换装置10不能熄灭电弧。因此在 第一固定的时间间隔（h)之后，半导体器件21切换到其传导状态；弧电压将电流换向到并 行的第二路径201，并且标称路径200被允许冷却，恢复介电性。在第二预定时间间隔（t 2) (其通常短于第一预定时间间隔（〇,在该第二预定时间间隔（t2)期间，理想地电流的全部 流动沿着第二路径201被换向)之后，半导体器件21被切断，并且接触件11和12之间的电 弧被熄灭。
[0099] 最后，电流被换向到变阻器30并且被明确地切断。
[0100] 根据代替的实施例，例如通过使用图5的配置设备，如果电流超过预定阈值，则电 流沿着第二路径201的换向由于电阻器24而被阻挡。如上面指出的那样，由于以下事实而 获得这一点：机械切换装置10的特性是已知的，并且电阻器24被相应地制定尺寸，以便只 有直到流通的电流没有超过这样的阈值为止，才允许电流流过半导体器件21。
[0101] 在实践中，在这个第二实施例中，切换序列工作如下。
[0102] 跟前面的实施例一样，在标称状态或正常的操作状况下，半导体器件21优选地非 传导，并且机械接触件11-12耦合。在从接触件11-12开始分离的时刻已过去第一预定时间 间隔之后，半导体器件21被切换到传导状态，并且在接触件11-12之间有电弧的情况下开 始换向过程。两个路径、亦即弧电压和电阻器24之上的电压之间的电压差驱动电流换向。 需要的时间与电感25成正比，并且与电压差成反比。如果换向的电流没有超过预定阈值， 例如切换在低电流下发生，则弧电压高于电阻器24之上的电压，并且整个电流被换向到并 行的路径201，以便借助于半导体器件21来熄灭电弧。
[0103] 在实践中，半导体器件21在保持传导状态达第二预定时间间隔之后被切断；在这 个第二时间间隔期间，电流被换向到并行的路径，并且电弧通道被冷却。标称路径200并不 重燃，并且在半导体器件的切断期间，电流被换向到并行的变阻器30,其清除剩余的电流。
[0104] 如果相反地，并行的第二路径201中的电流足够高，则意味着弧电压将会等于或 低于电阻器24之上的电压(忽略半导体器件21之上的小电压降)。在这种情况下，由于缺 乏驱动进一步的电流换向的电压差而停止换向，并且半导体器件21可以被切断。在这种状 况下，电流被换向返回到标称路径200。半导体安全地处于其非传导状态，并且机械断路器 在例如高电流的电流状况下操作，其中能够通过它自身来清除电流。因此通过电阻器24和 已知的电弧特性保护并行的路径201免于过电流。
[0105] 在实践中已观察到，根据本公开的设备100允许实现相对于已知方案的某些改 进，并且尤其是能够解决切换操作以及相关的传统机械DC断路器可能失效的在低电流下 发生的电弧熄灭的问题。这样的状况例如在太阳能发电厂中是十分常见的，在太阳能发电 厂中，需要较高的电压，并且许多切换操作在标称的低电流下发生。
[0106] 通过使用十分简单而便宜的结构来实现这个结果，例如可以使用低功率半导体； 进一步，可以容易地与诸如模制壳体断路器（MCCB)或小型断路器（MCB)之类的不同类型的 机械切换装置一起使用，因为电子装置需要非常小的体积，并且能够解决电流极性的问题。
[0107] 例如，图4示意性地示出了半导体器件21的示例性实施例，其中可以使用两个 IGBT，以便一旦在操作中安装像图9的那个一样的断路器100,可以将电流的可能不同极性 纳入考虑。
[0108] 图5示意性地表示了双极DC断路器，其中，第二机械切换装置10A，例如DC断路器 的第二极，与相对于半导体器件21镜相对称的半导体器件21A并联连接，以便确保半导体 只能够切换一个电流极性情况下的系统双极性。在这个例子中，二极管26A也相对于二极 管26镜相对称。
[0109] 因此，由于本方案，避免了使用永久磁铁来处理低电流。
[0110] 另外，如前面提到的那样，具有关联的半导体器件21的电子装置20可以被实现为 单立的部件，例如它们构成或者成为电子继电器的一部分，或者它们可以是图12和10中用 标号400指不的分开的电子设备。因此，本公开也包括一种电子设备，其特征在于它包括电 子装置20,该电子装置20包括至少一个半导体器件21，所述至少一个半导体器件21适合 于沿着关联的DC电路的第二路径201安置，并且与机械切换装置10并联连接，所述机械切 换装置10适合于沿着所述DC电路的操作路径200安置，所述机械切换装置10包括固定 接触件11和相应的活动接触件12,所述活动接触件12可以在闭合位置和开启位置之间开 动，在所述闭合位置中，所述接触件11-12耦合到彼此并且电流沿着所述操作路径200流 动，在所述开启位置中，所述接触件11-12彼此分离以便使电流沿着所述操作路径的流动 中断，其中，当所述活动接触件12开始从所述固定接触件11分离时，电弧可以在所述接触 件11-12之间点燃。电子装置20配置成：（只有）当所述第一机械切换装置未能通过自身 熄灭当所述活动接触件12从所述固定接触件分离时点燃的电弧时，允许电流的(一直到)全 部流动从所述操作路径换向到所述第二路径，并且使所述半导体器件21熄灭所述电弧。
[0111] 如此设想的设备100和方法容许有修改和变更，它们全都处于如所附权利要求中 限定的和前面描述的那样的本发明概念的范围之内，包括上面描述的实施例的任何局部或 总体组合，它们必须被认为包括在本公开内，即使没有明确地描述这一点；所有的细节都 可以进一步用其它的技术上等效的元件来替换。例如，已参考模制壳体断路器描述了设备 100,但设备100可以是任何类型的类似电流保护装置，例如小型断路器(MCB)、断开器等； 电子器件可以包括其它类型的部件等；在正常的操作状况下，例如根据图5的实施例，半导 体器件21也可以初始保持接通状态。在实践中，材料以及尺度可以根据需要和技术现状而 具有任何类型。
【权利要求】
1. 一种直流("DC"）切换设备（100)，包括： -至少第一机械切换装置（10)，其适合于沿着关联DC电路的操作路径（200)安置，所述 机械切换装置（10)包括固定接触件（11)和相应的活动接触件（12)，所述活动接触件（12) 可以在闭合位置和开启位置之间开动，在所述闭合位置中，所述接触件（11，12)耦合到彼此 并且电流沿着所述操作路径（200)流动，在所述开启位置中，所述接触件（11，12)彼此分离 以便使电流沿着所述操作路径的流动中断，其中，当所述活动接触件（12)开始从所述固定 接触件（11)分离时，电弧可以在所述接触件（11，12)之间点燃；所述设备特征在于其进一 步包括： -电子装置（20)，其包括至少一个半导体器件（21)，所述至少一个半导体器件（21)适 合于沿着第二路径（201)安置，并且与所述第一机械切换装置（10)并联连接，其中，所述电 子装置（20)配置成：当所述第一机械切换装置未能熄灭当所述活动接触件（12)从所述固 定接触件分离时点燃的电弧时，允许电流的流动从所述操作路径换向到所述第二路径，并 且通过所述半导体器件（21)熄灭所述电弧。
2. 根据权利要求1所述的切换设备（100)，其中，所述电子装置（20)配置成：当流动电 流的电平处于预定阈值（Ith)之下时，允许电流的流动从所述操作路径换向到所述第二路 径。
3. 根据权利要求1所述的切换设备（100)，其中，所述电子装置（20)包括与所述半导体 器件（21)并联连接的非线性电阻器（30)。
4. 根据权利要求1所述的切换设备，其中，当所述固定接触件（11)和所述活动接触件 (12)处于所述闭合位置时，所述至少一个半导体器件（21)处于非传导状态，并且 其中，所述电子装置（20 )配置成：在从所述活动接触件（12 )从相应的固定接触件（11) 分开的时刻开始已过去第一预定时间间隔（A)之后，将所述半导体器件（21)切换到其电流 传导状态。
5. 根据权利要求4所述的切换设备，其中，所述电子装置（20)配置成： 在所述第二半导体器件（20)处于其传导状态的情况下，在已过去第二预定时间间隔 (t2)之后，或者 在已过去所述第二预定时间间隔之前，当流过所述第二路径的电流（I。）的电平超过所 述预定阈值（Ith)时， 随即将所述半导体器件（21)切换到其非传导状态。
6. 根据权利要求5所述的切换设备，其中，所述电子装置（20)包括： 电压监视装置（23)，用于监视所述半导体器件（21)的电压并且将监视的电压与预定 阈值相比较。
7. 根据在先权利要求中的一项或多项所述的切换设备（100)，其中，所述电子装置 (20)包括： 电阻器（24)，其沿着所述第二路径（201)与所述半导体器件（21)串联连接，所述电阻 器（24)配置成：当沿着所述第二路径（201)流动的电流超过预先选择的阈值（Ith)时，防止 额外的电流从所述操作路径（200 )换向到所述第二路径（201)。
8. 根据权利要求1所述的切换设备（100)，其中，所述电子装置（20)包括： 电感器（25 )，其沿着所述第二路径与所述半导体器件（21)串联连接。
9. 根据权利要求7所述的切换设备（100)，其中，所述电子装置（20)包括： 电压监视装置（47 )，用于监视所述电阻器（24 )之上的电压。
10. 根据权利要求6所述的切换设备（100)，其中，所述电子装置（20)包括用于监视流 动电流的电平的装置， 其中，所述电流监视装置包括： 分压器配置中的两个电阻器（28);以及 晶体管（29)，当监视的电流的电平超过所述预定阈值时，所述晶体管（29)使所述半导 体器件（21)保持其非传导状态。
11. 根据权利要求1所述的切换设备（100)，其中，所述电子装置（20)包括并联连接到 所述半导体器件（21)的缓冲电路（40)。
12. 根据权利要求1所述的切换设备（100)，其中，所述电子装置（20)配置成通过当所 述活动接触件（12 )从所述固定接触件（11)分开时在所述固定接触件（11)和所述活动接触 件（12 )之间点燃的电弧所生成的电压来供电。
13. 根据权利要求1所述的切换设备（100)，其中，它包括： 壳体（1 )，从所述壳体（1)向外突出至少第一终端和第二终端，所述第一终端和所述第 二终端分别适合于与所述关联DC电路的输入和输出电连接， 其中，所述第一机械切换装置（10)安置在所述壳体（1)内部，并且 其中，包括所述半导体器件（21)的所述电子装置（20)安置在所述壳体（1)内部或外 部。
14. 根据权利要求12所述的切换设备（100)，其中，它包括： 多个第一机械切换装置（10)，其容纳在所述壳体（1)内部，每个电流切换装置（10)至 少具有固定接触件（11)和相应的活动接触件（12)，所述活动接触件（12)可以被开动，以便 从初始的闭合位置移动到开启位置，在所述闭合位置中，所述活动接触件（12)与其关联的 固定接触件（11)耦合，在所述开启位置中，所述活动接触件（12)从关联的固定接触件（11) 分离， 其中，所述多个第一机械切换装置（10)相互串联连接，其中所述第二半导体器件（21) 并联连接到所述多个第一机械切换装置（10)中的一个。
15. -种用于切换沿着关联DC电路流通的直流("DC"）的方法（300)，包括： -沿着所述DC电路的操作路径提供（301)具有固定接触件（11)和相应的活动接触件 (12)的至少第一机械切换装置（10)，其中，当所述活动接触件（12)开始从所述固定接触件 (11) 分离时，电弧可以在所述接触件（11，12)之间点燃； 特征在于其进一步包括以下步骤： -提供（301)包括至少一个半导体器件（21)的电子装置（20)，所述至少一个半导体器 件（21)沿着所述DC电路的第二路径安置，并且与所述第一机械切换装置（10)并联连接； -当所述第一机械切换装置（10)未能熄灭当所述活动接触件（12)从所述固定接触件 (12) 分离时点燃的电弧时，将电流的流动从所述操作路径换向（302)到所述第二路径，并且 通过所述半导体器件21造成熄灭所述电弧。
16. 根据权利要求15所述的方法（300)，其中，所述换向（302)的步骤包括： 当流动电流的电平处于零之上和预定阈值之下时，将电流的流动从所述操作路径换向 到所述第二路径。
17. 根据权利要求15或16所述的方法（300)，其中，所述换向的步骤（302)包括： 在从所述活动接触件（12)开始从相应的固定接触件（11)离开的时刻已过去第一预定 时间间隔之后，将所述半导体器件（21)切换到其电流传导状态。
18. 根据权利要求17所述的方法（300)，其中，它进一步包括以下步骤（304): 在所述第二半导体器件（20)处于其传导状态的情况下，在已过去第二预定时间间隔之 后，或者 在已过去所述第二预定时间间隔之前，当流过所述第二路径的电流的电平超过预定阈 值时， 随即将所述半导体器件（21)切换到其非传导状态。
19. 根据权利要求15所述的方法（300)，其中，所述换向的步骤（302)包括： 当沿着所述第二路径（201)流动的电流超过预先选择的阈值（Ith)时，阻挡电流从所述 操作路径（200)换向到所述第二路径（201)。
20. -种电子设备（400 )，其特征在于它包括电子装置（20 )，该电子装置（20 )包括至少 一个半导体器件（21 )，所述至少一个半导体器件（21)适合于沿着关联DC电路的第二路径 (201)安置，并且与机械切换装置（10)并联连接，所述机械切换装置（10)适合于沿着所述 DC电路的操作路径（200)安置，所述机械切换装置（10)包括固定接触件（11)和相应的活 动接触件（12)，所述活动接触件（12)可以在闭合位置和开启位置之间开动，在所述闭合位 置中，所述接触件（11，12)耦合到彼此并且电流沿着所述操作路径（200)流动，在所述开启 位置中，所述接触件（11，12)彼此分离以便使电流沿着所述操作路径的流动中断，其中，当 所述活动接触件（12)开始从所述固定接触件（11)分离时，电弧可以在所述接触件（11，12) 之间点燃，并且其中，所述电子装置（20)配置成：当所述第一机械切换装置未能通过自身 熄灭当所述活动接触件（12)从所述固定接触件分离时点燃的电弧时，允许电流的流动从所 述操作路径换向到所述第二路径，并且通过所述半导体器件（21)熄灭所述电弧。
【文档编号】H02H3/08GK104143809SQ201310363500
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2013年8月20日 优先权日:2013年5月7日
【发明者】达维德·佩西纳, 罗密欧·比安克蒂, 鲁道夫·加蒂, 托尔斯滕·施特拉塞尔 申请人:Abb公司