传统地，电路断路器装置是机械式的，换句话说，切断电流的唯 一方式就是断开机械式开关元件。这类机械式开关元件包括进行接触 的两个导电部件，当开关元件(正常操作)接通时，两个导电部分处 于机械式接触状态，以及当开关元件断开(在过流情况下的异常操作) 时，两个导电部件机械地分开。在所述进行接触的导电部件中，通常 有一个可移动的接触件和至少一个固定的接触件。这些机械式电路断 路器装置具有几个缺点，特别当高电流通过它们的时候。
由于累积在电路中的高能量，机械式切断会导致产生电弧，其中 电路断路器装置设置在该电路中，并且用于保护该电路。
这种电弧首先通过侵蚀而使进行接触的导电部件性能恶化，并且 其次通过电离而恶化开关元件周围的介质。这样，由于电离，在电流 被中断之前，它将持续特定时间。这种电弧使进行接触的导电部件性 能恶化，并且要求严格并且昂贵的维护操作。
为了减少由于不可避免的电弧而引起的破坏以及减少维护，将进 行接触的导电部件放置在断路箱中，换句话说，将导电部件放置在一 个充满特定介质的箱体中，这种特定介质可以是空气、真空、或者例 如六氟化硫SF6的特定气体，但是这种气体在将来可能会因为环境原 因而被禁止。这种特定介质能够阻止由于形成电弧而产生的过压，以 及设计这种介质，以便消灭电弧。
这类具有机械式开关元件的电路断路器装置具有高的断开时间。 通过机械式开关元件进行断开所花费的时间是1毫秒级或者甚至几毫 秒级。
另一个缺点是：它们体积是庞大的，对于较高的电压，断路箱的 尺寸较大。
在电力电子技术方面的最新进展已经使得可以设想利用使用功 率半导体元件的电子断开来代替机电断开。正在研究所谓的静态电路 断路器装置。
开发了在低电压LV(＜1KV)下使用功率晶闸管的第一系统。
然后，对于几千伏的交流电压，测试基于原型的IGBT(绝缘栅双 极型晶体管)以及最近的基于原型的IGCT(集成门极换流晶闸管)。
这些全静态断路器装置具有高的断开速度(小于1毫秒)的优势， 但是也具有特定于半导体元件的缺点。它们承受的最大电流以及它们 所维持的最大电压是有限的。因为正在导通的半导体元件不能承受最 大事故电流，所以不能调节电路断路器装置，因此必须在到达破坏值 之前断开电流。在交流电的情况下，使得该切断小于半周期 (alternation)的一半。
在导通状态下，电路断路器装置具有焦耳效应损失，并且不得不 提供制冷装置。在断开时，包括能量消散系统是很重要的。
因此，对于几千伏的电压和高于1千安培的电流，使用单独基于 半导体元件的“纯静态”电路断路器也是有问题的。
为了克服这些困难，目前正在开发使用半导体和机械式开关元件 的混合式电路断路器装置(机械的和电子的)。例如，在专利申请 WO0054292中描述了这类电路断路器装置。
在图1中示出了类似于在该专利申请中描述的电路断路器10，只 是进行了简化。该电路断路器装置10保护通过电力线L具体化的电力 电路。电路断路器10与待保护电路L串联设置。电路断路器10包括具 有机械式开关元件2的主支路1和与主支路1并联设置的辅助支路3。辅 助支路3包括一个半导体断路单元4。该半导体断路单元4包括Graetz (格拉兹)电桥4，以及至少一个与可变电阻42并联设置的半导体断 路元件41；其中，Graetz电桥具有连接到其对角线两端的四个二极管 D。该断路元件可以是晶闸管。该元件在断开上是可控的，例如IGCT 型晶闸管。
用语“在断开上是可控的”意思是只要合适的控制施加到半导体 断路装置，它就会断开。
简单的晶闸管在“断开”上是不“可控制的”。在控制之后，它 将没有断开，直到到达零电流。
因此，半导体断路元件41或者处于导通(接通)状态或者处于非 导通(断开)状态，这使得半导体断路单元导通(接通)或者非导通 (断开)。
半导体断路单元4在Graetz电桥40的另一条对角线的两端处连极 到主支路1。
在正常操作期间，机械式开关元件2接通。它的进行接触的两个 接触部件处于机械式接触状态。半导体断路元件41处于非导通状态。 待保护电路L可以通过电路断路器装置的主支路1(换句话说，通过机 械式开关元件2)传送电流，并且实际上没有焦耳效应损失。如果过 流出现在待保护电路L中，并且因此出现在电路断路器装置的主支流1 中时，则装置(未示出)控制机械式开关元件2断开，以及同时使半 导体断路元件41处于导通状态。利用机械式开关元件2，在进行接触 的导电部件操作期间，弱的电弧出现在进行接触的导电部件处。对应 于该电弧的电压使在待保扩电路L中循环的电流能够快速地切换到辅 助支路3中，在辅助支路中，半导体断路单元4导通。
只要在机械式开关元件2中进行接触的导电部件之间的距离足以 用来消除电弧，那么在断路单元4中的半导体断路元件41进入非导通 状态，这使得能够最终断开待保护电路L中的电流。
进行构造，使得机械式开关元件2的断开速度尽可能块，以便在 机械式开关元件2中进行接触的导电部件2之间产生的电弧具有最低 可能的能量以及因此没有使所述部件性能恶化。但是，这种电弧具有 很重要的作用，因为低的电弧电压(大约10伏)使半导体断路元件41 极化而高于其阈值电压，这样使得它改变到导通状态，从而电流进入 辅助支路。通常，控制信号是在机械式开关元件2断开时被施加用来 触发晶闸管41的脉冲。
因此，这种混合式断路器装置10解决了纯静态电路断路器装置的 一些技术困难，但是它的性能主要取决于机械式开关元件2的断开速 度。研究显示：当在混合式拓扑结构中电流和电压增加时，对于机械 式开关元件的断开速度的增加，有一个物理限制。为了机械式开关元 件承受高电流，不得不增加进行接触的导电部件之间的接触表面的面 积，这增加了可移动导电部件的质量，以及减小了断开速度。然后这 可能变得太低而不能快速地将电流切换到旁路支路，并且产生低能电 弧。因此，在主支路中的高电流强度会引起与机械式电路断路器2相 同的问题，即使机械式开关元件2机械式接触性能恶化。
目前，没有令人满意的静态或者混合式电路断路器装置，特别是 对于高压高功率之应用的情况。

本发明的目的在于提供一种混合式电路断路器装置，它不具有上 述缺点。
更具体地，本发明的目的之一在于提供一种混合式电路断路器装 置，包括机械式开关元件和半导体断路元件，它能够传送直流或者交 流，并且其中即使在电流很高的情况下，当机械式开关元件断开时， 没有电弧发生。
本发明的另一个目的在于提供一种具有低的维护性的混合式电 路断路器装置。
为了实现这些目的，本发明更具体地涉及一种电路断路器装置， 包括：包含机械式开关元件的主支路，以及包含半导体断路单元的辅 助支路，该辅助支路与该主支路并联设置。主支路包括与机械式开关 元件串联的串联开关辅助模块，该串联切换辅助模块包括与一个阻抗 并联的在断开上可控的半导体断开单元。该辅助支路包括一个并联切 换辅助模块，该并联切换辅助模块包括一个阻抗，该阻抗包括至少一 个电容器型元件。
优选地，串联开关辅助模块的阻抗是一可变电阻。
在断开上可控的半导体断开单元可以包括至少一个具有二极管 和IGCT型晶闸管的串联组件。
如果该电路断路器装置是双向的，在断开上可控的半导体断路单 元可以包括两个头脚并联设置的串联组件。
在辅助支路中的半导体断路单元可以包括至少一个晶闸管。
如果电路断路器装置是双向的，在辅助支路中的半导体断路单元 可以包括两个头脚并联设置的晶闸管。
在另一实施例中，在辅助支路中的断路单元包括一个晶闸管和一 个具有两个对角线的Graetz电桥，该晶闸管形成Graetz电桥的一条对 角线，以及主支路形成Graetz电桥的另一条对角线。
在本实施例中，并联切换辅助模块的阻抗可以包括一个与晶闸管 串联的电容器。
串联电感可以与电容器串联设置。
在另一实施例中，并联切换辅助模块的阻抗可以包括由并联设置 的电容和第一电阻形成的组件，该组件与第二电阻以及辅助支路中的 半导体断路单元串联设置。
串联的电感可以与该组件和第二电阻串联设置。
在另一实施例中，并联切换辅助模块可以包括具有两条对角线的 Graetz电桥，一个具有并联的电容器和电阻的组件连接到Graetz电桥 之第一对角线两端，辅助电感连接到另一条对角线的两端，第二对角 线两端其中之一连接到辅助支路中的半导体断路单元。
串联电感可以连接在Graetz电桥与辅助支路中的半导体断路单 元之间。
为了更快，机械式开关元件可以包括一个具有电磁驱动的托马斯 (Thomson)型可移动接触件。
本发明也涉及一种同样方式的用于触发电路断路器装置的方法。 当在主支路存在过流时，它由下列步骤组成，
将在串联切换辅助模块的断开上可控的半导体断路单元从导通 状态切换到非导通状态；
将辅助支路中的半导体断路单元从非导通状态切换到导通状态；
然后，断开开始时接通的机械式开关元件；以及
最后，只要电流变为零，就将辅助支路中的半导体断路单元从导 通状态切换到非导通状态。
附图说明
在参考附图阅读示例性实施例描述之后，将会更好地理解本发 明，其中，示例性实施例之目的仅仅在于提供信息，而并非限定性目 的。
图1，正如以上所述，显示了根据现有技术的混合式电路断路器 装置的示意图；
图2显示了根据本发明的电路断路器装置的示意图；
图3A和图3B更详细地显示了根据本发明的电路断路器装置的两 个实施例；
图4更详细地显示了根据本发明的电路断路器装置的另一个实施 例；
图5A显示了在电路断路器装置中的机械式开关元件的例子；
图5B显示了图5A机械式开关元件的等效电路；以及
图6A和图6B描述了在根据本发明的电路断路器装置、机械式开关 元件和辅助支路的半导体断路单元中循环的电流，以及在主支路存在 过流时，机械式开关元件之两端处的电压。
在以下描述中，不同附图中相同的、类似的或者等效的部件具有 相同的参考数字，以便于参考不同的附图。
在附图中所示的不同部件没有必要按照相同比例绘制，仅用于更 好地理解附图。

现在，我们参考图2，图2示例性显示了根据本发明的电路断路器 装置。正如现有技术中的那样，该装置包括一个主支路1和一个辅助 支路3，其中，主支路1包含一个机械式开关元件2，以及辅助支路3 与主支路1并联设置并且包含一个半导体断路单元4。该半导体断路单 元或者处于导通状态或者处于非导通状态。与图1中的示意图相比， 根据本发明的电路断路器装置包括一个在主支路1中的串联切换辅助 模块M2，该串联辅助模块M2由另一个在断开上可控的半导体断路单元 5和一个阻抗Z1并联形成。用语“串联模块”用于表示该模块位于主 支路1中。所述在断开上可控的半导体断路单元5或者处于导通状态或 者处于非导通状态。串联切换辅助模块M2与机械式开关元件2串联连 接。除了半导体断路单元4之外，辅助支路3也包括一个并联切换辅助 模块M4，并联切换辅助模块M4由具有至少一个电容器型元件C的阻抗 Z2形成。用语“并联模块”用于表示该模块是并联在辅助支路3中的。
使用在本文中的术语“阻抗”意思是阻止任何电流(AC或者DC) 流过的电路部件，并且该电路部件由电感线圈和/或电容器和/或电阻 类元件组成。
优选地，这种电路断路器装置是双向的，以便它可以在交流电下 操作，但是这并不是限制性的，以及它能够是单向的。
现在，我们参考图3A，图3A详细地显示了根据本发明的电路断路 器装置的第一个实施例。该电路断路器装置是双向的，并且它适用于 交流电力网络的一相或者直流电力网络。在单向电路断路器装置中， 虚线所示部件是多余的。
在串联切换辅助模块M2中，在断开上可控的半导体断路单元5包 括至少一个串联组件，该串联组件由一个二极管D1和一个在断开上可 控的半导体元件IG2形成。此元件可以是IGCT型晶闸管；常用的晶闸 管是不合适的，因为它仅仅在零电流断开。当电路断路器装置必须为 双向时，使用两个串联组件，并且在这种情况中，所述两个组件是头 脚并联设置的。在图3中，以虚线示出了第二组件IG’2和D’1，以表 明第二组件是可选的。所述在断开上可控的半导体断路单元5与一个 阻抗Z1并联设置，阻抗Z1是可变电阻型V1。该可变电阻可以是MOV(金 属氧化物可变电阻)型，并且将其尺寸调整为可以消散过去当产生电 弧时所消散的能量。由在断开上可控的半导体断路单元5和阻抗Z1组 成的组件与机械式开关元件2串联。可变电阻V1可以阻止一电压，该 电压仅仅表示网络电压的一部分，例如它的一半。
机械式开关元件2可以基于使用电磁力来移动可移动接触件2.1， 目的是产生一个换位力跳跃(indexing force skip)。图5A显示了机 械式开关元件2的一个例子。该机械式开关元件是不具有电磁材料的 托马斯(Thomson)型。公知的原理是基于楞次(Lenz)定律。
可移动接触件2.1固定到由非磁性导电材料组成的可移动部件 2.2。该部件2.2与包括线圈2.3和电源电路2.4的驱动电路协同操作， 优选地，线圈2.3是扁平的。选择扁平线圈2.3，使得可以获得靠近可 移动部件2.2的垂直磁场。当由电源电路2.4输出的强脉冲电流激励线 圈2.3时，在可移动部件2.2中产生在相反方向的反向电流，并且由于 所述两个电流之间的相互作用，推动力F出现在扁平线圈2.3和可移动 部件2.2之间。该驱动力F促使在初始放置位置的可移动部件2.2移动。 在所述初始放置位置，可移动接触件2.1与至少一个固定接触件2.0 (连接到待保护电路)电接触，并且接通机械式开关元件2。施加在 可移动部件2.2上的驱动力目的在于将可移动接触件2.1和固定接触 件2.0分开，并且因此，断开机械式开关元件2。因为其凹入的环形形 式，可移动部件2.2在移位上垂直移动。从而，移动质量和为驱动所 需的能量低于实心部件，并且/或者增加了移动速度。可移动部件的 其它几何形状也是可以的，例如实心盘。当不再激励线圈2.3时，可 移动部件2.2返回到它的放置位置，并且再次接通开关元件2。
可移动部件2.2和可移动接触件2.1是相互配合的。在此构造中， 例如，可移动部件例如可以由覆盖银的铝制成，以便也用作电接触件。
参考图5B，图5B是与可移动部件2.2协同操作的驱动电路和电源 电路2.4的等效电路。L1表示扁平线圈2.3的电感，以及R10是它的电 阻。M表示扁平线圈2.3和可移动部件2.2之间的互感。
该等效电路连接到电源电路2.4，电源电路2.4由至少一个电容器 C10、二极管D10以及晶闸管TH10形成，其中，电容器C10在放电之前 被充电到一个电压，二极管D10与电容器C10并联设置，以及晶闸管 TH10插入在并联组件C10，D10和等效电路之间。
现在参考图3A，位于辅助支路2中的半导体断路单元4由两个头脚 连接设置的晶闸管TH1，TH’1组成。其中一个晶闸管TH’1可以在单 向设置中省略。
并联切换辅助模块M4与辅助支路3中的半导体断路单元4串联设 置。它包括与一并联组件串联设置的电阻R2，该并联组件由电阻R1 和电容器C1并联组成。并联切换辅助模块M4也可以包括一个串联电感 LS1，其与电阻R2以及并联组件R1，C1串联。当即使在DC电流下，使 半导体断路单元4导通以获得正确接通时，该串联电感LS1限制电流升 高速度。阻抗Z2包括电容器C1、电阻R1和R2、以及串联电感LS1。
图3B图示描述了根据本发明的电路断路器装置的另一个实施例， 其来源于图3A的电路断路器装置。
在该图中，主支路1中的结构是同样的，并且用于辅助支路3中的 半导体断路单元4的结构也是一样的。不同之处在于并联切换辅助模 块M4。该并联模块M4包括具有四个二极管D21导D24的Graetz电桥Pb。 在Graetz电桥Pb的第一条对角线中，具有电容器C11和电阻R11组成的 并联组件。辅助电感LA1并联设置在Graetz电桥Pb的另一条对角线的 两端子。
第二条对角线之两端其中一个连接到主支路1。第二对角线之两 端其中另一个通过串联电感LS1(如果它存在的话)连接到半导体断 路单元4。
阻抗Z2包括电容器C11、电阻R11、辅助电感LA1和串联电感LS1。
图4描述了根据本发明的电路断路装置的另一实施例。与图3A和 3B相比，主支路1的结构是同样的，换句话说，机械式开关元件2与串 联切换辅助模块M2串联。
在辅助支路3中，半导体断路单元4包括具有四个二极管D11到D14 的Graetz电桥Pa，以及设置在Graetz电桥Pa之对角线上的晶闸管Tha。 该Graetz电桥Pa连接到串联组件的两端，该串联组件由串联切换辅助 模块M2和机械式开关元件2形成。上述连接形成在Graetz电桥Pa之另 一对角线的两端。平行切换辅助模块M4包括电容器Ca，电容器Ca与对 角线中的晶闸管Tha串联连接。正如以上所述，串联电感LS1可以插入 在晶闸管Tha和电容器Ca之间。阻抗Z2包括电容器Ca和串联电感LS1。
在上述实施例中，在主支路1中的在断开上可控的半导体元件可 以是IGCT型晶闸管，简单的晶闸管是不合适的，因为不得不控制断开， 同时没有等候电流为零。
现在，我们将参考图2描述这种电路断路器装置的操作。在正常 状态下，换句话说，当在待保护电路L中循环的电流之强度处于正常 状况下时，机械式开关元件2接通以及串联切换辅助模块2导通，换句 话说，在断开上可控的半导体断路单元5处于导通状态。在辅助支路3 中的半导体断路单元4处于非导通状态。在待保护电路L中的整个电流 通过电路断路装置的主支路1。
在待保护电路L并且因此在根据本发明的电路断路器装置的主支 路1中存在过流时，串联切换辅助模块M2的在断开上可控的半导体断 路单元5改变到非导通状态。在阻抗Z1(可变电阻V1)两端之间的电压 增加到它的阈值。在串联切换辅助模块M2两端之间的电压增加，因为 阻抗Z1阻止主支路1中电流的通过。
在辅助支路3中的半导体断路单元4变得导通。在待保护电路L中 循环的电流转移到辅助支路3，其用作一个用于能量的旁路，在出现 破坏它的风险中，能量能够消散到在主支路1的在断开上可控的半导 体断路单元1中。
机械式开关元件2中的电流趋向于零，并且在其两端之间的电压 是零值(null)。然后，机械式开关元件2断开，同时没有引起产生电 弧。
在断开机械式开关元件2之后，在其两端之间的电压立即变得等 于阻抗Z2两端之间的电压，因为在阻抗Z1中的电流消失，使得在其两 端之间的电压变为零。在辅助支路3中的整个电压被施加到断开的机 械式开关元件2中。
通过阻抗Z2的存在来限制在辅助支路3中循环的电流，并且明显 地减小该电流的最大值，阻抗Z2阻止该电流的通过。电容器型元件C 充电。当在阻抗Z2两端之间产生的电压很充足时，使得在辅助支路3 中的半导体断路单元4处于非导通状态。通过在辅助支路3的半导体断 路单元4中的电流变到零，而引起到非导通状态的变化。在双向模式， 在控制晶闸管TH1和TH’1断开(其引入一个暂停时间)之前，可以等 候几个电路LC的振荡交替，该震荡交替由并行切换辅助模块M4和待保 护电路L的电感形成。具有断路之前的电流限制器的功能。
在最终状态，机械式开关元件2断开，在辅助支路3中的半导体断 路单元4和在串联切换辅助模块M2中的在断开上可控的半导体断路单 元5处于非导通状态。然后，在待保护电路L中没有过多的电流循环， 并且电路断路器装置执行它的保护角色。
图3B变型的优势在于部分地通过辅助电感LA1的阻抗，来形成电 流限制功能。在主支路1断路并且电流旁路到并联支路3之后，在通过 半导体断路单元4中的晶闸管TH1和TH’1最终断路之前，部分电流穿 过辅助电感LA1。这减小了使用在本例中的电容器C11的尺寸限制，基 本上其角色在于将主支路1的电流转移到并联支路3。
利用这种结构，可以改变晶闸管的触发角度TH1和TH’1。在辅助 电感LA1中导通阶段期间，晶闸管触发角度的延迟控制将事故电流限 制所要求的值。这改进了断开之前电路断路器的电流限制功能。
参考图6A和6B，现在，我们将讨论模拟通过电路断路器装置的整 个电流A、通过机械式开关元件2的电流B、以及在待保护的电路L中存 在过流而电路断路器装置断开时通过辅助支路3中的半导体断路单元 4的电流D的曲线。由于过流，在机械式开关单元2中的电流B增加，直 到对应于在串联切换辅助模块2的在断开上可控的半导体断路单元5 改变到非导通状态的时间t0。然后，它到达等于大约2500A的值，t0 和电流B开始之间的时间间隔等于大约100微秒。
在机械式开关元件2中的电流B改变到零。因为在并联切换辅助模 块M4中有串联电感LS1，所以该到零的流通持续一段时间。在时间t0， 通过辅助支路3中的半导体断路单元4的电流是来源于转移到主支路1 之电路L的电流。该电流D到达一个最大值(大约5000A)，并且然后， 由于阻抗Z2中的电容器型元件C的存在而减小，电容器元件C充电。在 时间t1，通过降低到零，电流D结束，以及在辅助支路3中的半导体断 路单元4被迫到非导通状态。t0和t1之间的时间间隔等于大约450微 秒。
图6B是大约时间t0时图6A中的突然上升图，并且也表示在机械式 开关元件2两端之间的电压E的形状。在t0之后，该电压E等于零，如 同电流B，使得机械式开关断开，同时没有引起电弧。该断开发生在 时间t2。t0和t2之间的时间间隔等于大约20微秒。然后在机械式开关 元件2两端之间的电压E开始增加，并且到达在阻抗Z2两端之间存在的 电压。
根据本发明的电路断路器装置的优势是很多的。
这种电路断路器装置可以在低电压A或者B下如同高电压A和B一 样相当好的操作。这种电压可以是DC或者AC电压。
这种电路断路器装置具有可以在正常环境中操作的机械式开关 元件。这意味着在没有被局限于合适气体环境或者真空中的断路箱 中，它可以操作。
因为在机械式开关元件断开时，没有电弧，所以没有降低机械式 接触，并且因此没有严重磨损进行接触的导电部件。维修度也是较低 的，并且减小了成本。保证了机械式开关元件的断开操作的重复操作 能力。
由于半导体断路单元的存在，它具有高断开速度，但是并没有要 求很快的机械式切换元件。因此不需要开发新的机械式开关元件技 术。
由于当主支路断开时可控的半导体元件的存在，所以减少了导通 中焦耳效应损失。
这类电路断路器装置是紧凑的。它比具有断路箱结构的装置更加 紧凑。
在双向模式中，暂停时间是可能的，因为混合式电路断路器装置 可以在辅助支路3导通情况下操作一特定时间，以允许LC电路(由电 容器C、并联切换辅助模块M4中的串联电感LS1以及待保护电路中的电 感L)在通过半导体断路单元切断之前震荡。在该周期期间，通过辅 助支路3中的阻抗限制了电流。
如果当电流等于零时发生切断，那么累积在待保护电路中的能量 等于零，并且最小化能量消散。
虽然已经详细地表示和说明了本发明的多个实施例，但是应当理 解，可以做出不同的改变和变形，而没有超出本发明的范围。