高速限流开关

本发明涉及一种限流开关，即，涉及权利要求1所述的一种限流 开关。

这种限流开关可以用于高压或中压范围，作为发电机开关、开关 装置部件的汇流条部分之间的耦合开关、DC开关，或者用在网形连 接的网络中以减少工作损耗。

本发明的现有参考技术是一种限流开关，例如尚未公开的欧洲专 利申请，即EP专利申请No.98811251.2所描述的一种限流开关。这 种开关具有一个带电流触点的高速机械开关点和两个与触点并行连 接的转换路径。第一开关设备和隔离开关点串联设置在第一转换路径 (commutation path)，限流器和第二开关设备串联设置在第二转换 路径。限流器以这样一种方式设计，以致于当第一开关打开时，通过 时间延迟来限制电流，该电流由限流器传送并且从第一转换路径流向 第二转换路径。在这种时间延迟期间，在两个转换路径之间没有过压 产生，同时在第一转换路径可以形成一个抗过压的隔离路径。

如权利要求书所限定的那样，本发明的目的是提供一种开头所提 到的那种限流开关，这种限流开关由于特别节省空间的设计和较小的 移动质量，而能够在高压和中压范围内高速接通和关断。

本发明的限流开关具有三个相互并行设置的路径，其中两个包含 机械开关点。仅仅在进行开关时，这两个机械开关点中的一个被用来 传送和开关额定电流，而另一个简单地并且以脉冲的形式来传送转换 电流。机械开关点的触点装置(contact arrangements)被设计成轴 向对称的，并且被同轴地设置。短的、同轴的铜连接可以使杂散电感 非常低，这样就使能电流转换非常快。

如果本发明开关的第三个路径也包含一个机械开关点，该机械 开关点具有同轴设置的触点装置，则不需要任何串联断路器来与常规 的限流开关串联连接。

如果触点装置具有不同的直径，并且它们被设置为一个在另一 个的里面，则减少了轴向开关的长度。这使得其中设置了触点装置的 外壳的尺寸可以减少，以便于防护，例如防灰尘和其它的干扰影响。 在这种情况下，特别有益的是，触点装置设置在一个耐压的外壳内， 该外壳例如以大气压力或以更高的压力充满绝缘气体，这有益于触点 装置的绝缘性能。如果该外壳包含两个相互绝缘的导电部件，则额定 电流可以经过这些外壳部件直接传送到额定电流开关点的连接处。这 样就不需要复杂的额定电流套管来穿过外壳。

如果开关点包含一个高速驱动器来打开和闭合触点装置，则对 于打开和/或闭合开关，可以相应于操作的要求来实现不同的算法。

下面结合附图更详细地说明本发明的实施例和进一步的优点， 附图中：

图1表示一个测试设备的单相基本电路，它模拟一个中压网络， 其中具有本发明的第一实施例的限流开关；

图2是剖视图，所示的部分是沿一个轴、经过具有图1所示开 关的开关点的外壳而剖切的；

图3表示一个测试设备的单相基本电路，它模拟一个中压网络， 其中具有本发明的第二实施例的限流开关；

图4是剖视图，所示的部分是沿一个轴、经过具有图3所示开 关的开关点的外壳而剖切的；

图5是平面图，表示图4所示开关的开关点经放大后的详细情 况。

在所有的图中，相同的参考符号表示具有相同作用的部件。

图1所示的电路是一个测试设备的单相基本电路，它模拟一个 中压网络，其中具有本发明的第一实施例的限流开关S。该测试设备 包含：一个发电机Q，用于模拟一个几十千伏的电源电压UN；开关S； 以及负载L，用于模拟一个无电抗电阻RL和一个电感器LL。短路电流 识别单元E连接在发电机Q和开关S之间，并且包含一个测量和估计 部分，该测量和估计部分用于非常快地识别高达几十千安培的短路电 流。开关S具有一个额定电流开关点S1，该额定电流开关点S1连接 在从发电机Q到负载L的电流路径中。两个转换路径P1和P2与额定 电流开关点S1并联连接。

第一转换路径P1包含一个隔离开关点ST和一个电子功率开关设 备T，该电子功率开关设备T带有二极管电桥D1、D2、能够关断例如 闸门电路断开(GTO)的电力半导体H、以及一个过电压放电器M。二 极管电桥使交流电流在正极性期间和负极性期间都能转换，不需要任 何背对背连接的电力半导体。

第二转换路径P2包含串联连接的一个断路开关点SA和一个限流 器RB，该限流器RB响应延时的电流，并且设计成例如PTC热敏电阻 的形式。断路开关点可以是半导体开关HA的形式，该半导体开关HA 具有能够关断例如闸门电路断开(GTO)的背对背连接的电力半导体， 或者断路开关点可以包括一个电流隔离的机械触点装置KA，最好是一 个真空开关。

图1所示开关的开关点S1和ST的每一个具有一个触点装置K1和 KT，这些触点装置可以在几百微秒内非常快地打开。额定电流开关点 S1的触点装置K1被设计为抗电弧的。

在本发明的开关的一个有益实施例中，开关点S1和ST的两个触 点装置K1和KT被设置在外壳G内。在发电机一侧，开关点S1和ST的 两个触点装置K1和KT经过连接点1、第一外壳部件10、以及初级馈 线11和12连接。在负载一侧，额定电流开关点S1经过次级馈线21 和第二外壳部件20连接到连接点2。第一转换路径P1的隔离开关点 ST经过次级馈线31连接到电子功率开关设备T，该馈线借助于套管5 通过外壳G。

在工作期间，两个开关点S1和ST的触点装置K1和KT与断路开关 点SA一起分别闭合和打开。当短路电流产生时，限流开关S上的识 别单元E在大约100μs内启动一个断路处理过程。在该处理过程中， 位于第一转换路径P1中的半导体元件H被立刻接通。同时，额定电 流开关点S1的触点装置K1被打开。由于在该处理过程中形成两个串 联连接的电弧，因此，仍然上升的短路电流在大约150μs内转换到第 一转换路径P1。半导体元件H保持接通，直到额定电流开关点S1的 触点装置K1两端达到的耐压大于半导体元件H两端的耐压为止。然 后借助于半导体元件H来关断第一转换路径P1的短路电流，并且将 该电流转换到第二转换路径P2。隔离开关点ST的触点装置KT同时打 开。在第二转换处理期间，由于杂散电感而产生一个瞬态过压，在限 流器RB两端而产生一个电阻性电压降。限流器RB采用一个几百微秒 的延迟来进行限流。该延时足以完成额定电流开关点S1的触点装置K1 和隔离开关点ST上触点装置KT的打开处理。一旦隔离开关点ST的触 点装置KT打开，开关S两端的整个电压实际上降落在第一转换路径P1 的隔离开关点ST的两端。因为限流器RB响应一个延迟，因此，直到 额定电流开关点S1的触点装置K1和隔离开关点ST的触点装置KT打开 后，开关S两端的电压才开始上升，从而，额定电流开关点S1和隔 离开关点ST两端的电压才开始上升。借助于瞬态恢复电压非常低的 断路开关点SA，有限的短路电流可以在下一个电流过零点，例如在5 到6毫秒之后关断。

图2表示本发明开关第一实施例的可能的装置。两个开关点S1 和ST的主要部分轴向对称地设置在一个圆柱形外壳G内。外壳G包 括：两个面板形式的导电外壳部件10和20、一个被设计成管子形状 的电绝缘外壳部件7、以及两个电隔离的气密套管5和6。外壳G被 设计为能承受一定的压力，并且外壳G内充满了气体介质，例如以大 气压力或以更高的压力充满空气或SF6。

两个开关点S1和ST分别包括触点装置K1和KT，每个触点装置具 有两个固定的开关触点，以及每个触点装置具有一个移动的桥接开关 触点，并且每个触点装置具有一个驱动器，该驱动器能够独立地启 动，用于打开和/或闭合触点装置。

两个触点装置K1和KT中一个设置在另一个的里面，额定电流开 关点S1的触点装置K1具有最大直径并且被设置在外面，它具有一个 适当的截面来传送额定电流。隔离开关点ST的触点装置KT具有一个 相应较小的直径并且被同轴设置在额定电流开关点S1的触点装置K1 的里面，仅当开关切换发生时，被转换的电流简单地并且以脉冲形式 流过隔离开关点ST的触点装置KT。如图2所示，到触点的馈线被设 计得尽可能短并且轴向对称。圆柱形外壳G上的额定电流连接点1 和2连接到导电外壳部件1和2的外边缘，导电外壳部件1和2采用 面板的形式，也可以设计成例如管子的形式。到触点装置的其它馈线 以及用于控制开关点的所有电缆最好从面板形式的外壳部件1和2 的中心出去。由于额定电流路径中包括了外壳部件1和2，所以不需 要其它的套管，具体地说，不需要用于额定电流的大电流和高电压套 管。

图3表示了图1所示的电路，它具有益本发明优异开关S的第二 实施例。在这种情况下，断路开关点SA包括一个机械触点装置KA， 它同样可以非常快地打开。断路开关点SA的触点装置KA与开关点S1 和ST的两个触点装置K1和KT一起，设置在外壳G中。在发电机一侧， 断路开关点SA同样经过连接点1和第一外壳部件10以及初级馈线13 连接。在负载一侧，断路开关点SA经过次级馈线41连接到限流器RB， 该馈线借助于套管6以及经过连接点4穿过外壳G。

如图4所示，本发明开关的第二实施例的装置大部分对应于图2 所示的装置。除了两个开关点S1和ST以外，还有断路开关点SA也同 轴对称地设置在外壳G中。

利用于这个实施例，通过三个并行的电流路径中每一个的电流 隔离，可以不必使用另外的串联断路器。

除了作为开关点触点装置一部分的移动桥接开关触点以外，一 个用于开关点驱动的优异实施例基本上提供两个线圈和一个电子功 率控制单元。触点装置和线圈被设计成轴对称的，并且相互间同轴地 设置。在图2所示装置的基础上，设计三个开关点的装置，如图5 所示，下面对此作更具体的说明。在这种情况下，两个线圈81和82 作为开关点的驱动部件，这两个线圈81和82中的每一个在相关的桥 接开关触点的两侧的轴向方向上偏置设置，该桥接开关触点设计为接 触环85。通过把能量从电子功率控制单元馈给适当的线圈，接触环 将电动力供给它。接触环可以在两个线圈81和82之间的轴向方向上 向前和向后移动，触点装置在处理过程中再次打开和闭合。当触点装 置闭合时，接触环85卡在两个固定的开关触点84之间，并且使它们 短路。当触点装置打开时，接触环85被保持部件83牢牢地保持。