控制电开关器件的方法和装置

发明领域和先前技术

本发明涉及一种用于控制配置在电流路径中的交流电电开关器 件的设备，用于在电流路径中出现故障电流时，断开所述器件以切 断电流路径中的电流，本发明还涉及用于这种控制的方法。

这样的设备和方法适用于所有类型的使用电开关器件的领域， 在出现故障电流时切断电流路径，例如工业电源的开关设备，或用 于配电或传输网络。当出现这样的故障电流时，重要的是一方面尽 快断开电开关器件以切断电流，使连接到电流路径的不同类型的设 备不会损坏，但另一方面绝对有必要的是交流电可变换方向，即在 切断前具有过零点。但是，当发生所述故障时，交流电通常具有直 流分量(DC分量)，直流分量的大小取决于故障发生时电压的相位 位置及负载，并且该直流分量迭加在交流电之上，最坏的情况可能 意味着，在交流电幅度减小的情况下，将需要几个交流电周期才能 出现过零点。

“电开关器件”是广义说法，不仅包括在两个不同部件之间具 有机械运动，以通过物理分离电流路径中的两个部件得到开路的器 件，还包括半导体器件，如IGBT等，它们通过进入阻断状态来断开， 因而切断通过的电流。“电开关器件”还包括所谓的转接开关，通 过它，电流路径中的电流可以在电流路径中出现故障电流时被切断， 从而切换至连接负载等的另一电流路径中。

图1中示意性地说明了在纯电感负载的情况下，电流路径中电 压U和电流I如何相互移位90°。我们现在假定，当电压最大电流为 零时，即在时间t1时沿电流路径发生短路。这意味着在故障之后， 获得的电流I1相对于零线对称并具有一定的交流(AC)衰减，即幅 度随时间减小。但是，如果在时间t2、即电压U为零而电流I最大时 发生短路，则将产生最大不对称，即电流I2的直流分量获得最大值。 此直流分量也随时间而衰减。但是，如果开始存在直流分量的衰减 慢于交流衰减，则在获得过零点并实现故障电流的切断之前，将要 花一段不可忽略不计的时段。

图2更加详细地说明对于最大非对称的故障情况，总电流Itot如 何随时间t而变化，以及直流分量如何随时间减小。通常，在交流电 的三个周期期间，它衰减到大约1/3。

交流电的这种不对称性的缺陷在于至此有必要考虑切断可能在 所谓的交流电“长半波”期间发生，即切断在紧随具有最高峰值电 流的半波之后的过零点时完成，因此，电开关器件的尺寸必须能够 耐受可能存在的非常高的峰值电流。不需要这样选定开关器件的尺 寸的一种可能性是在切断发生前引入可观的延迟，可以是交流电的3-4 个周期，以使直流分量有时间充分减小。因此，到目前为止，在发 生故障后只是简单地等待相当长的时间，直到在交流电过零点确保 可以完成切断，其中假定故障可能发生在对于直流分量最不适宜的 时间，并且直流分量已降至相对较低的电平。这种长时间等待当然 意味着与在较早时间发生切断相比，对所述设备将产生较大损害的 严峻风险。这样，要切断交流电，在大多数情况下切断可以发生在 出现几个过零点之后，因为必须有确定的安全裕度来避免切断太早。 但是，例如如果出现所述故障电流后立即出现基本对称的电流，则 这样长的切断时间有时太过长了。

因此，有必要在可能的情况下相对更早地切断交流电。

应当指出，本发明适用于断开配置了所有类型电开关器件的电 流路径，因为关注的是获得良好控制的起弧时间，但却不会像常规 断路器那样不必要地太迟切断电流，但本发明更特别地针对所谓的 混合断路器类型，这种类型的断路器在申请人仍未获得公开的瑞典 专利申请9904164-2中有描述。在这样的混合断路器中，在电流路径 中有两个并联分支，一个分支具有换向器(commutator)并位于流经 开关器件的常规电流路径中，另一分支的一个构件具有在至少一个 阻断方向阻断流经电流并在至少一个方向上导通经过电流的能力； 以及与所述构件串联的切断接触部件，具有重要意义的是能够控制 换向器触点断开，以在换向处获得良好控制的小电花。因为所述构 件必须阻断，从而使切断流经接触部件的电流可以发生在零电流时， 当使用整流二极管形式的构件时，它处于这样一种情况：换向器不 断开，直到可以获得交流电的过零点。如果在出现故障电流后要相 对较快地进行换向及断路，则必须选择二极管的尺寸以承受可能相 对较大的电流，这会使二极管成本提高，或在出现故障电流相当长 的延迟后切断电流，但必须接受已经提及的与此相关的缺点。相应 问题也适用于根据申请人的仍未公开的瑞典专利申请9904166-7中所 述的电开关器件。

发明概述

本发明的目的是提供概述中定义的设备和方法类型，它使对于 每一种单独情况，在尽可能优化的时间点上断开所述电流路径中的 电流成为可能。

根据本发明，通过提供这样一种设备来达到这个目的，其中， 所述设备具有适用于检测电流路径中的电流的部件以及这样一种单 元，它适用于控制电开关器件在具有低于预定电流限制值的峰值电 流的交流电的一个半波后立即切断电流路径中的电流，使得在结束 所述半波的交流电过零点处完成切断。

通过这种方法检测电流，并根据断路完成前的半波期间交流电 的峰值电流来切断电流路径中的电流，就有可能在允许时立即切断 电流路径中的电流，这样断路就不必延迟超过各种情况下的所需时 间。这意味着对于常规断路器，不必为对称电流或较低电流引入延 迟，从而可以获得短的断开时间。

根据本发明的优选实施例，设备包括这样一种组件，它适用于 在发生故障电流之后，根据通过所述电流检测获得的电流值来确定 交流电的两个连续半波的电流峰值并将这些峰值电流值互相比较； 以及这样一种单元，它适用于控制开关器件在交流电的一个半波之 后切断电流路径中的电流，其中所述一个半波与所述两个电流峰值 中最低那个半波具有相同符号。通过这种方法，确保切断发生在完 成了所谓的“短半波”之后，常规断路器中积累的电弧能量在断开 电流路径时可以最小化，并可能在较早时间执行电流断路，否则若 有在“长半波”期间断路的危险，后果可想而知。较低的电弧能量 得到较长的电寿命期或较高的性能。在上述的混合型断路器中，本 发明的这个实施例更加有吸引力，因为这意味着所述路径，该路径 可以是诸如二极管的整流半导体器件，无需选择承受电流长半波的 尺寸。这意味着所述部分的制作成本相对便宜。

根据本发明的另一优选实施例，设备包括这样一种部件：适用 于测量在出现故障电流后由所述检测部件检测到的交流电两个连续 过零点之间的时间；还包括这样一种部件：适用于将该时间段与交 流电的周期时间进行比较；还包括这样一种单元：适用于控制开关 器件在对应于所述半波并由被小于交流电周期时间的预定部分的时 间段分隔的两个过零点定义的下一半波之后立即断开电流。通过用 以这种方式测量交流电的连续过零点之间的时间段，有可能在出现 故障电流后确定交流电的不对称程度，并控制电开关器件在个案中 最适合时断开电流路径中的电流。与交流电的周期时间的所述比较 很可能是纯想像的，并可以预定，在比确定的时间间隔短的所述时 间间隔时，电开关器件被控制用来断开电流路径，其中开始是在交 流电周期时间的基础上做出这一限制时间的预定。

根据本发明的另一优选实施例，所述单元适用于控制开关器件， 以在所述时间间隔低于交流电周期时间50％的半周期期间断开。从 上面对本发明的另一优选实施例的讨论中可看出，以这种方式确保 断路发生在所谓的“短半波”期间的优点是毫无疑问的。

根据本发明的另一优选实施例，设备包括这样一种部件，它适 用于根据自出现故障电流以来的所述时间比例和时间长度，计算断 开开关器件的延迟时间，这使它可以执行开关器件的断开，从而如 果所述比例小的话则较早地断开电流，因为这对常规断路器意味着 短的起弧时间，并且在上述类型的所谓混合断路器的所述部件上流 过低电流，虽然事实上那时交流电的直流电平仍相当高。

根据本发明的另一优选实施例，设备适用于切断电流路径中的 电流，以控制电开关器件，其中所述电开关器件包括两个在电流路 径中并联的分支，其中第一分支包括第一接触部件，具有两个可互 相相对移动以断开和闭合的触点；而第二分支包括适用于在至少一 个阻断方向阻断电流通过，并在至少一个方向导通电流的构件，其 中第二接触部件具有两个可互相相对移动以断开和闭合的触点，它 与所述构件串联，其中开关器件还包括适用于根据所述电流检测来 控制切断所述电流路径中的电流的单元，所述控制方法为：当所述 构件处于或进入导通状态时，控制所述第一接触部件断开以将电流 转移至所述构件，然后在交流电的过零点之后，当所述构件处于阻 断流经其中的电流的状态时，控制第二接触部件断开，从而在所述 半波之后立即切断流经开关器件的电流，并使断路永久化。如前面 已经提过的，这使得能够最大化节省所述构件，如二极管，并在尽 可能早的时间断开电流。这对于根据所附权利要求21的设备也是有 效的，该设备被设计用来控制在仍未公开的申请人的瑞典专利申请 9904166-7中所述类型的电开关器件。

根据本发明的另一优选实施例，设备包括可单独控制的电开关 器件，配置在多相交流电形式的交流电各相的电流路径中；部件， 适用于根据发生所述故障后检测到的交流电的值来为交流电的每个 相位分别确定切断各相电流路径中的电流的时间，从而单独地、独 立地断开各个独立开关器件，进而切断相电流。由此，将可能相对 早地切断该相具有小直流分量的相电流，但电流具有较大直流分量 的相将可能通过在所谓的“短半波”之后完成电流的切断来相对早 地断开电开关器件。

根据本发明的一个优选实施例，设备包括：电控驱动部件，用 于断开电开关器件，当该驱动部件是电动机形式的电磁机时特别有 利。通过使用这样的驱动部件，将可能非常精确地控制电开关器件 的一个或多个可活动构件的移动，并确保两个触点的分离发生在交 流电十分特定的相位位置，这样断路就可在所述所需的交流电半波 之后立即完成。当设备中电子单元形式的控制单元被用于控制驱动 部件时则更加有利。本实施例适用于对流经开关器件的电流的将来 发展的预测进行调整，比如对电流的下一过零点，从而用这样的预 测调整电流的断路，以便确保例如仅具有阻断电流能力的半导体器 件在所谓的短半波期间导通电流。

本发明还涉及根据所附的应用权利要求有利地应用上述设备。

本发明还涉及根据相应的所附权利要求的装置、计算机程序及 计算机程序产品。容易理解，在所附的一组方法权利要求中定义的 根据本发明的方法非常适用于执行处理器的程序指令，该处理器可 以受到配置了所述程序步骤的计算机程序的影响。虽然未在权利要 求书中明确表示，但本发明包括结合了根据任何所附方法权利要求 的方法的这些装置、计算机程序及计算机程序产品。

本发明其他的优点及有利特点通过以下说明以及其它从属权利 要求进行阐述。

附图简介

参照附图，以下作为示例具体讲述本发明的优选实施例。

在附图中：

图1是说明两个不同的短路时间中，沿电流路径发生短路时电 压U和电流I随时间的变化，以及在这样的短路发生后电流随时间 的变化的曲线图，

图2示意性地说明在最大不对称时发生短路后的总电流以及直 流分量随时间的变化，

图3说明在沿电流路径发生诸如短路的故障后，三相交流电网 的三个不同相的交流电流的变化，其中应该有利地实现根据本发明 各相电开关器件的断开，

图4-6是说明根据本发明的优选实施例，用于控制配置在电流 路径中的交流电电开关器件的设备的简化图，

图7-9是说明用于控制配置在电流路径中分别处于闭合、暂时 闭合及断开位置的交流电电开关器件的设备的简化电路图。

本发明优选实施例的详细说明

首先将简要说明上述瑞典专利申请9904164-2中所述类型的混 合断路器的构造和功能，以便较容易地理解本发明，并因本发明就 是对于这样的电开关器件具有很特别的优点。本说明参照图4-6进 行。

电开关器件连接在电流路径2中，以能够通过断开它来迅速切 断其中的电流。为每相配置一个这样的开关器件，这样，三相电网 在同一位置有三个这样的开关器件。开关器件具有内圆柱3，它可以 绕轴4旋转并有可活动接触构件5。第二圆柱6被配置在圆柱3的外 圈，它有四个触点7-10，这四个触点沿可活动构件5的运动路径配 置，当压在可活动构件5上时，能够形成良好的电接触。开关器件 分别通过两个外触点7和10连接在电流路径中。

在两个外触点和紧相邻的内触点间连接着二极管11、12形式的 半导体器件，其导电方向是从外触点到相邻触点。二极管也可以同 时将导电方向指向外触点。

开关器件还具有驱动装置，它适用于驱动内圆柱3旋转，以相 对于第二触点7-10移动可活动接触构件5。本例中的驱动装置由示 意性显示的集成电动机13构成，它可以是许多不同的类型。

还连接了根据本发明的设备14，用于控制电开关器件。设备具 有示意性表示的部件15，适用于通过检测电流的方向和大小来检测 电流路径中的电流，进而还检测电流过零点的时间。检测部件适用 于将具有关于电流信息的信号进一步发送到模拟/数字转换器16，用 以将模拟信号转换为数字信号。滤波器17、18被配置在信号路径中 转换器之前和之后的位置，用以从来自检测部件15的信号中过滤掉 噪声信号，特别是高频噪声信号。电流信息被进一步发送到组件19， 该组件适用于根据检测部件所检测到的电流值来进行计算，用以确 定通过断开由单元20控制的电开关器件来切断电流路径中电流的时 间。

这里的控制单元20由电子单元构成，所述电子单元适用于控制 电动机形式的电控驱动部件13，以驱动可活动构件5绕轴4旋转。 通过使用这种电动机形式的电控驱动部件以及用于调整的电子单 元，可以非常精确地控制可活动构件5的移动，从而确保电流断路 真正发生在所需的时候，即正好在所述半波之后。若使用这样的电 动机和电子单元，则用对下一电流过零点的预测可以很好地进行调 整。

所述组件可以被设计为用不同方法计算断开电流路径中的电流 的合适时间，这将在下面作进一步说明。

所述类型的开关器件的功能在上面提到的瑞典专利申请 9904164-2中有更详细的描述，在此作简要总结：当有需要切断电流 路径2中的电流时，例如由于检测部件15检测到电流路径2中有非 常高的电流，这可能因其中的短路引起，就有可能检测交流电的方 向，并使圆柱3以及可活动接触构件5的旋转方向与之对应，以尽 可能快地断开，但在以非常高的精确性尽可能快地断路方面，本发 明具有优越性。流经开关器件的全部电流根据图4的闭合位置在两 个外触点7、10间之间流经用电流将它们互连的活动部件5。假定已 做出决定通过使内圆柱3如图1所示沿顺时针方向旋转来执行断路， 那么，这应很好地完成，使得断开由触点7和8构成的接触部件发 生在电流的过零点时，从而使发生时不产生任何明显电弧。这应在 二极管正向偏置时发生，使得电流转接到二极管11。

然后，当开关器件上的电压改变方向时，将没有电流流经，但 在二极管11上将积聚电压，然后反相偏置，现在可活动接触构件继 续按之前的相同方向进行旋转运动，使得触点8和触点10间的电流 连接断开，这样就使电流的断路成为永久性的。断路的发生不产生 任何电弧，因为没有电流流经触点。因而可得到图6所示的完全断 开位置，其中电流永久断开。

作为主要任务，所述组件19必须确定交流电是处在所谓的主波 (长半波)或是在小波(短半波)中，并确保在短半波后完成电流 路径中相电流断路。这是基本的思路，但有时并非如此。最重要的 是确保断路决不会发生在具有很大不对称交流电的相的长半波之 后，以使二极管11、12无需选择承受可能出现的这种峰值电流的尺 寸。但是，在基本对称交流电的任何相中，断路大都可以在任何半 波后发生，使得所述组件可取地适用于在发生故障后，测量由所述 检测部件检测出的交流电的两个连续过零点之间的一段时间，并将 该段时间与交流电的周期时间进行比较；以及所述单元适用于控制 开关器件在下一半波后切断电流，该半波对应于所述半波并由低于 交流电周期时间的预定部分的时间间隔所分离的两个过零点定义。 因此，该部分可能稍大于50％例如最大55％是可以接受的。但是， 这意味着可以确保在很大不对称时，断路的完成始终发生在短半波 之后。

但是，应很可能配置组件23来计算切断电流路径中电流的适当 时间，计算方法为：将交流电的电流峰值与预定的电流限制值和/或 与连续的这些电流峰值进行比较，以确定峰值电流是否足够低以允 许在长半波后断路，或者哪个半波是短半波，以确定在这样的半波 后切断，而不用测量连续过零点之间的时间。

图3显示在时间0发生故障后，三相交流电11、12和13的变 化的可能情况。所有三相电流都显得很不对称，因此重要的是在短 半波期间使电流通过所述二极管换向，并在该半波后完成断路。圆 圈21、22是使所示的三相断路的可能时间间隔。但要指出，每相电 流的不对称性，即其中的直流分量，随时间减小，同时存在交流衰 减，当确定在哪个圆圈中发生断路时也要考虑它。通过断开常规断 路器并在对应相的短半波后切断电流，将得到优化的起弧时间，在 如上的混合断路器中，当断开电流路径中的电流时，将在二极管11 上得到流经所述部件的低电流。根据本发明的方法所引入的延迟占20 毫秒的交流电时段，最大正好为此周期时间。这意味着在实践中， 对于图4-6所示类型的电开关器件，无需选择二极管11、12的尺寸 来承受电流的长半波。对于25kA的断路器，这将意味着例如二极 管仅需承受约为35kA而不是50kA的峰值电流，这当然能使成本减 少许多。

图7示意性地说明根据上述瑞典专利申请9904166-7的电开关 器件的一般构造，所述电开关器件连接到电流路径2中，以便能够 迅速断开和闭合该电流路径。为每相配置这样一个开关器件，这样， 三相电网在同一位置有三个这样的开关器件。开关器件包括两个并 联于电流路径中的分支26、27，每个分支都至少有两个串联的机械 接触部件28-31。二极管形式的半导体器件32被配置为互连每个分 支的两个接触部件之间的中点33、34。

连接了根据本发明的设备14，用以控制电开关器件，其构造与 以上根据图4-6的实施例描述的相同。

电开关器件的功能如下：当需要切断电流路径2中的电流时， 例如由于检测部件15检测到电流路径中有非常高的电流，这可能因 其中的短路引起，按上述方式通过检测结果来确定适合切断流经相 应电开关器件的电流的时间。一旦已经确定应断开给定的电开关器 件，则控制单元20首先决定要断开哪两个接触部件，这里是接触部 件29和30(见图8)，以建立流经半导体器件32的临时电流路径。 因此，该决定的作出取决于该时刻电流路径中电流的位置。在根据 图7的位置中，通过开关器件的全部电流都流经两条分支26、27， 而都不通过二极管。现在要发生切断，则应尽快让电流转为流经二 极管。在交流电周期中紧挨着介于二极管在某个方向正向偏置前的 时间和二极管下次反向偏置时的时间之间的那个部分期间，电流可 从所述方向转接到二极管。这意味着，对于实践中整个周期为20毫 秒的情况下，根据图8接触部件的断开可发生在朝正向偏置方向的 过零点前例如大约2毫秒，直到下一过零点。当根据这些前提出现 在交流电的错误半周期断开接触部件29和30时，接触部件28和31 可以立即被断开以建立临时电流路径。因此，可以在检测到需要和 可能断开开关器件或闭合流经电流之后立即建立临时电流路径。

当通过断开接触部件29、30而得到图8所示的临时闭合位置时， 在对应接触部件的触点之间的空隙中将产生小电花，它能引起通常 为12-15V的电压，这将驱动电流通过二极管32转接。然后，当开 关器件上的电流改变方向时，将没有电流经过它，但在二极管32上 将积聚电压然后反向偏置，并且现在两个另外的接触部件28、31中 至少有一个是断开的，因此临时电流路径被断开，其中该断路的发 生不会出现任何起弧，因为在断开时没有电流流经触点。因而可得 到图9所示开关器件的完全断开位置，其中通过它的电流永久地被 切断。对于该终止断开，重要的是它发生得非常迅速，使得二极管32 上的电压可以不必再改变方向，该二极管然后开始导通。临时电流 路径中不管电流流经开关器件时的方向而利用相同的半导体器件， 这相对于已经知道的这种类型开关器件而言极大地减少了半导体器 件的数目，从而节省了大量的成本。

本发明特别适用于多相交流电，其中为各相在电流路径中配置 了可单独控制的电开关器件，因为可能要在适合每相的时间发生不 同相的断路。

根据本发明的设备有利地被用于控制工业供电或配电或传输网 络的开关器件中电流路径中的电开关器件，并且电流路径的电压则 最好在中等电压电平，即在1到52kV间。但是，本发明并不限于 这些电平的交流电压。

此外，本发明特别适用于能够承受1kA、最好为2kA工作电流 的电开关器件。

当然，本发明不以任何方式局限在上述优选实施例中，在不背 离所附权利要求书中定义的本发明基本思想的前提下，对本领域的 技术人员来说，其中的修改的许多可能性都是显而易见的。

如已经提过的，本发明适用于具有断路功能的所有类型电开关 器件。