混合电流开关装置 |
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| 申请号 | CN201310011821.0 | 申请日 | 2013-01-11 | 公开(公告)号 | CN103247499A | 公开(公告)日 | 2013-08-14 |
| 申请人 | ABB公司; | 发明人 | 卢西奥·阿佐拉; 安东内洛·安东尼亚齐; | ||||
| 摘要 | 一种混合 电流 开关 装置，包括两个 端子 ，用于与相关联的 电路 和 外壳 电连接，该装置包括：主电流开关，其包括第一固定触头和相对应的第一可动触头，这两个触头与两个端子 串联 连接并且 定位 在两个端子之间；功率开关装置，其与主电流开关并联连接并且可在接通状态和关断状态之间切换；副电流开关，其具有第二固定触头和第二可动触头，副电流开关至少与功率开关装置串联连接；可动的触头保持轴，第一和第二可动触头安装在该轴上。触头保持轴定位在外壳内并绕旋 转轴 线旋转，以便使可动触头在它们与相对应的固定触头联接的闭合 位置 和它们与固定触头电分离的断开位置之间移动；当处于断开位置时，第一和第二可动触头以相对于彼此的 角 偏移量安装在 旋转轴 上。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种混合电流开关装置（100），包括外壳（1），从所述外壳（1）向外突出有至少第一端子和第二端子，所述至少第一端子和第二端子分别适于与相关联的电路的输入电连接和输出电连接，其特征在于，所述混合电流开关装置（100）还包括定位在所述外壳（1）内的如下部件： |
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| 说明书全文 | 混合电流开关装置技术领域背景技术[0005] 可在市场上得到用于上述装置的多种工业解决方案。常规的电机械开关装置通常具有容纳一个或多个电极的外壳；各个极包括一对可分离的触头以接通、断开和传导电流；具体地，驱动机构使可动触头在它们联接到相对应的固定触头的第一闭合位置和它们与相对应的固定触部头间隔开的第二断开位置之间移动。 [0006] 在闭合位置，良好设计的触头导致相当低的功率损失，然而在断开位置，它们确保了下游电路的由触头之间的物理分离所提供的电流（电气）隔离高于最小值；这种电流隔离在常见电气实践中极其重要，因为其能够对其内插入有开关装置的电路进行安全的修复和维护工作。 [0007] 尽管这种常规的开关装置已经被证实是极其稳健且可靠的，但在直流电流（“DC”）应用中，并且主要在相对高压（高达1500V）的情况下，中断时间可以相当长，从而在分离期间通常在机械触头之间划燃的电弧因此可以相当长。 [0008] 如此长的成弧时间导致触头的严重磨损，由此显著地降低电气耐久性，即开关装置可以执行的开关操作的次数。 [0009] 为了解决DC应用中的这种问题，设计了使用功率电子开关（“PES”）的所谓的固态断路器（“SSCBs”），其使用基于半导体的功率装置，例如功率MOSFET、绝缘栅双极型晶体管（“IGBTs”）、门极关断晶闸管（GTO）或集成门极换向型晶闸管（“IGCTs”），这些功率装置可以通过电子驱动单元来接通和关掉以便得到接通和（更重要地）断开操作的无弧电流。 [0010] 这种SSCBs的主要优点是它们由于无弧操作而具有潜在的无限电气耐久性；另一方面，PES装置适于例如大于100A的高电流，具有极高的通路状态传导损失。 [0012] 为了缓解这些问题，已设计了常规开关装置或主开关（“MS”）装置与PES装置并联连接的混合解决方案；主开关装置在正常操作中传导电流，而PES装置仅在断开或者接通时使用。 [0013] 这种混合解决方案具有原则上不高于常规开关装置功率损失的低功率损失，从而在以全功率连续负载时也无需特殊的冷却。 [0014] 但是PES装置的另一重大缺点是，在断开状态下，如果电压施加到PES装置的端子，即IGCT的阳极和阴极、IGBT的集电极和发射极，则PES装置传导例如高达数十mA的小的电流（泄漏电流）。结果，SSCBs和混合解决方案在断开的状态下也具有有限的功率损失并且不适于电流隔离。 [0016] 这种复杂的装置的正常工作需要IS装置、MS装置和PES装置以极其严格的顺序进行操作并且在断开操作和建立操作时具有密集的时序。例如，在正常操作条件下，MS装置和IS装置闭合，并且PES处于关断状态。当必需中断电流（断开或者电流中断操作）时，接通PES装置（没有电流经过，因为装置两端的电压、即MS装置上的电压降通常低于阈值电压，该阈值电压在IGBT的情况下是集电极-发射极电压（VCE）并且在IGCT的情况下是通路状态电压（VT）），断开MS装置并且在其触头之间点燃弧。弧电压使电流转向PES装置并且MS装置的触头之间的弧之后被熄灭。PES装置关断使主电流断开，其中这个步骤仅可以当MS装置的触头之间的距离大到足以避免再点燃弧时才执行。因此，刚好在IS装置断开之后也中断泄漏电流。相反，当必需从MS和IS装置断开的状态并且PES装置处于断开状态开始来闭合触头（接通电流操作）时，首先闭合IS装置，因此仅接通低的泄漏电流，然后PES装置开启以接通主电流或者标称电流，并且因此在MS装置闭合之后将电流随着MS装置本身的触头之间的小弧从PES装置中转移。 [0017] 实际上，隔离开关装置仅接通或者中断通常小于100mA的小的泄漏电流，并且其触头的磨损是可忽略的。同样地，MS装置的触头也仅暴露于小的且短的弧，并且它们的磨损与传统的机械开关装置相比显著地降低。 [0018] 结果，借助混合解决方案，甚至可以以高电流来执行更大量的接通或者断开电气操作。 [0019] 然而，仍存在进一步改进已知的混合解决方案的期望，尤其在简化其结构布局、实现对其操作更好同步地协调、和在更长的并且可能的话整个工作寿命期间维持这种同步。 发明内容[0020] 因此，本公开为满足这种期望而提出并且提供一种混合电流开关装置，其包括外壳，从所述外壳向外突出有至少第一端子和第二端子，至少第一端子和第二端子分别适于与相关联的电路的输入电连接和输出电连接。具体地，混合电流开关装置的特征在于，其还包括定位在外壳内的如下部件： [0021] -主电流开关，其包括第一固定触头和相对应的第一可动触头，第一固定触头和第一可动触头与第一和第二端子串联连接并且定位在第一和第二端子之间； [0022] -功率开关装置，其与主电流开关并联连接并且可以在接通状态和关断状态之间进行切换； [0023] -副电流开关，其具有第二固定触头和相对应的第二可动触头，副电流开关至少与功率开关装置串联连接； [0024] -可动的触头保持轴，第一可动触头和第二可动触头安装在该可动的触头保持轴上，可动的触头保持轴定位外壳内并绕旋转轴线旋转，以便使第一和第二可动触头在它们分别与第一和第二固定触头联接的闭合位置和它们与第一和第二固定触头电分离的断开位置之间移动，其中，当处于断开位置时，第一和第二可动触头以相对于彼此的角偏移量安装在可动的触头保持轴上。附图说明 [0025] 通过根据本公开的混合电流开关装置的优选但非排他性的实施方式，其他的特征和优点将变得明显，该实施方式仅以在附图中的非限制性的示例进行阐明，其中： [0026] 图1是示出根据本公开的、示例类型的混合电流开关装置的立体图； [0027] 图2和3是示意地示出根据本公开的混合电流开关装置的两个可能的实施方式的框图； [0028] 图4和7分别是示出根据与图2和3的电路布局相关的两个不同的电路布局的图1中的装置的一些部件的立体图； [0029] 图5是示出使用在图1的装置中的、其上安装有可动触头的可动的触头保持轴的立体图； [0030] 图6是图5的侧平面图。 具体实施方式[0031] 应当指出，在下面的详细说明中，相同的或者类似的部件——从结构上和/或功能上的观点来看——具有相同的附图标记，而不论它们是否在本公开的不同的实施方式中示出；还应当指出，为了清楚并且简洁地描述本公开，附图可以不必是按照比例的并且可以以稍微示意性的方式示出本公开的某些特征。 [0032] 此外，根据本公开的混合电流开关装置将通过参考示例性的塑壳断路器来进行描述，而不是意图以任何方式来限制其对于不同类型的开关装置的可能的应用并且其具有任何适当适量的相位或者极。 [0033] 具体地，图1示出了以整体附图标记100表示并且此后为了简单起见而称作“混合装置100”的、类似双极性的塑壳断路器形式的混合电流开关装置的示例性实施方式。如所示出的，混合装置100包括例如由塑料制成的外壳1，从外壳1向外突出有至少两个端子，所述至少两个端子分别适于与图2-3中由附图标记102示意性表示的相关联的电路的导体的输入电连接和输出电连接。图1中仅直接可见位于装置100上部处的端子、即第一端子2和端子105（此后称作第三端子105）；图4和7中还示出位于装置100的下部处的端子、即第二端子3和第四端子106。 [0034] 混合装置100包括定位在外壳1中的具有第一固定触头11和相对应的第一可动触头12的主电流开关（MS）10；第一固定触头11和第一可动触头12与第一端子2和第二端子3串联连接并且定位在第一端子2和第二端子3之间。实际上，主电流开关10组成典型的电流中断单元，该电流中断单元致力于在正常操作条件下传导电流并且在例如由于短路所引起的故障的情况下首先干预并且断开电流在电路102中的流动。 [0035] 在外壳1之内提供有适于与主电流开关10并联连接并且可以在接通状态（即传导状态）和断开状态（即非传导状态）之间进行切换的功率电子开关（PES）20。实际上，这种功率电子开关20是基于半导体的装置并且可以包括例如一个或多个IGBTs，因此实际上其表示固态断路器或开关，有时也表示静态断路器。 [0036] 在外壳1之内还提供有具有第二固定触头31和相对应的第二可动触头32的副电流开关（IS）30。 [0037] 副电流开关30至少与功率开关装置20串联连接。 [0038] 具体地，如在图2和4中所示的，副电流开关30与功率电子开关20串联连接并且副电流开关30和功率电子开关20二者均与主电流开关10并联电连接；例如，可以在点103和104处实现并联电连接，这些点可通过适当的导体而位于外壳1之内或者之外。 [0039] 在图4的示例性实施方式中，副电流开关30和功率电子开关20定位在端子105和106之间，并且电路102通过端子2和3与混合装置100的输入连接和输出连接。进而，端子2通过电导体180连接到端子105，并且端子106通过另一导体181与相电路102连接。 [0040] 替选地，如在图3和7中所示的，副电流开关30与功率电子开关20和主电流开关10二者串联连接；例如，如在图7中所示的，功率电子开关20可以沿着导体107——其在两端部处与端子2和3操作性地连接——定位。进而，可以通过与两个端子106和3电连接的另一导体108实现与副电流开关30串联连接，甚至可以通过实现为单件的两个端子3和 106实现与副电流开关30串联连接等。在该情况下，混合装置100可以通过端子105和2与相电路102输入连接和输出连接。 [0041] 实际上，并且从下面的描述中更加清晰的是，副电流开关30组成隔离开关装置，隔离开关装置仅接通或者中断例如低于1A的小的泄漏电流，并且为了实现沿着电路102的、并且尤其在电路102与混合装置100本身的输入连接和输出连接之间的电流隔离而仅在主电流开关10断开操作之后的期间致力于进行干预。 [0042] 如在多个实施方式中所示的，混合装置100包括可动的触头保持轴（moveable-contacts holding shaft）4，第一可动触头12和第二可动触头32安装在可动的触头保持轴4上；根据本领域众所周知的并且因此不详细描述的解决方案，可动的触头保持轴4定位在外壳1内并且绕旋转轴线101旋转，以便使第一可动触头12和第二可动触头32在它们分别与第一固定触头11和第二固定触头31联接的闭合位置和第一可动触头 12和第二可动触头32分别与第一固定触头11和第二固定触头31电分离的断开位置之间移动。 [0043] 具体地，如在图5和6中所示的，参考旋转轴线101（和在垂直于旋转轴线101本身的平面中所观察的轴4），第一可动触头12和第二可动触头32安装在可动的触头保持轴4上并且沿着可动的触头保持轴4并排地安装并且以相对于彼此的角偏移量进行安装。 [0044] 实际上，当装置100处于断开位置（其对应于安装构型）时，两个可动触头12和32在二者之间形成有角度α，该角度包含在3°与60°之间，优选包含在5°与50°之间。 [0045] 根据这种方式并且出于后文中要更加详细描述的原因，这种角偏移量实际上有助于实现主电流开关10和副电流开关30之间的特定顺序的断开/闭合，尤其以它们之间的期望延迟来实现；角度α的特定值可以基于例如装置100的尺寸和/或类型的特定应用来选择，并且尤其根据轴4的角速度来选择。 [0046] 角度α可以在垂直于旋转轴线101的平面中测量并且例如由始于轴线101并且分别经过点“A”和“B”的两条直线形成（见图6），可动触头32和12的本体的下部在点“A”和“B”处从轴4露出。或者，角度α可以测量为由直接沿着可动触头32和12的本体的相应的表面“C”和“D”的两条直线形成的角度，触头尖端或者触头衬垫32a和12a固定在表面“C”和“D”处，等等。 [0047] 优选地，根据本公开的混合装置100包括在图2、3中由附图标记5示意性表示的单致动机构，单致动机构操作性地连接到可动的触头保持轴4，用于致动主电流开关10和副电流开关30二者，并且尤其用于使得与主电流开关10和副电流开关30相应的可动触头12和32在断开位置与闭合位置之间移动。 [0048] 具体地，单致动机构5构造成使得当在由致动机构5本身施加的作动的情况下而处于闭合位置时，第一和第二可动触头12、32基本上相互对齐。 [0049] 此外，在示例性实施方式中示出的是，致动机构5包括连接到第一可动触头12的第一触头按压弹簧13和连接到第二可动触头32的第二触头按压弹簧33。 [0050] 在闭合位置并且在致动机构作动的情况下，弹簧13和33将可动触头12和32压靠在相应的配合固定触头11和31上，由此避免在高电流时可动触头的电动提升；触头按压弹簧13和33的刚度优选使得在触头32上所产生的接触力高于在触头12上所产生的接触力。例如，根据特定的应用，弹簧可以具有相同或者不同的刚度。 [0051] 实际上，第一和第二可动触头12、32以相对于彼此的角偏移量（即在二者之间形成角度α）安装在可动的触头保持轴4上，其对应于断开位置；当装置100闭合时，可动触头12和32在由致动机构（和相关的弹簧13、33）施加压力的情况下基本上（当在与旋转轴线101的平面垂直的平面中观察可动触头时）相互对齐（例如它们重叠）。 [0052] 当断开主电流开关10和副电流开关30时，例如在由操作性地与单致动机构5相关联的指令单元发出断开指令时，仅当第一可动触头32与第一固定触头11间隔开至少预定的距离时，第二可动触头32才开始与第二固定触头31物理上分离。可以例如为1mm和10mm范围内的这种预定距离表示实际上在主电流开关10的触头11和12之间不可能再点燃电弧的安全距离。 [0053] 根据第一示例性实施方式，至少在使轴4从闭合位置旋转到断开位置时，致动机构5适于以可变的角速度移动可动的触头保持轴4；优选角速度的变化是可控的。 [0054] 根据一个可能的示例性实施方式，单致动机构5包括自锁马达；更优选的是，自锁马达包括压电超声旋转马达，例如由富国（Fukoku）工业株式会社（日本）销售的型号为USR45的产品，出于简单起见，仅在图4中由附图标记50示意性地表示。 [0055] 在这种情况下并且根据应用，上述马达可以定位在外壳1之内或之外，并且可以直接地连接到可动的触头保持轴4或者通过根据对于本领域技术人员而言容易得到的解决方案来插入机械连接元件而连接到可动的触头保持轴4。 [0056] 替选地，单致动机构5可以通过容易得到的弹簧机构来构成、通过例如步进马达的电磁致动器来构成或者通过根据本领域众所周知的解决方案的类似的和/或其他适当的致动装置来构成，并且因此不在此详细描述。 [0057] 根据本公开的混合装置100还包括在图2和3中由附图标记6示意性表示的指令单元。 [0058] 这种指令单元6也可定位在外壳1之内或者之外、甚至定位在远端位置处，指令单元6例如可以是如市场上可得到的任意适当类型的基于微处理器的电子装置，例如智能电子装置（IED）或者继电器或者跳闸单元（trip unit），并且指令单元6适于驱动功率电子开关20并且在接通状态和关断状态之间切换功率电子开关20。 [0059] 具体地，当必须执行断开操作时（即，不得不使主电流开关10的触头电分离并且相继地使副电流开关30的触头电分离），在第一可动触头12开始与第一固定触头11物理上分离之前，指令单元6适于将功率电子开关20从关断状态切换到接通状态。实际上，当执行这种断开操作时，功率电子开关20开启，而可动触头12仍物理上接触相应的固定触头11（即触头11和12的配合表面之间没有间隙）。 [0060] 此外，仍然在执行断开主电流开关10和副电流开关30时，在第一可动触头12与第一固定触头11间隔开至少预定的距离之后且在第二可动触头32开始与第二固定触头31物理上分离之前，指令单元6适于将功率电子装置20从接通状态切换到关断状态。 [0061] 根据另一示例性实施方式，当必需执行闭合操作时，（即，不得不将副电流开关30的触头联接并且相继地将主电流开关10的触头联接），在第二可动触头32与第二固定触头31联接之后且在第一可动触头12开始机械地接触第一固定触头11之前，指令单元6也适于开启功率电子装置20。 [0062] 根据再一实施方式，指令单元6也适于驱动单致动机构5。 [0064] 替选地，可以具有以协调的方式操作的两个分开的指令单元，其中的一个指令单元驱动功率电子开关20并且另一个指令单元驱动致动机构5。 [0065] 现在将更加详细地描述根据本公开的混合装置100的断开操作和闭合操作。 [0066] 例如，在正常操作条件下，流动在电路102中的电流经过混合装置100并且尤其经过主电流开关10的相互联接的触头11-12；因此在该条件下，主电流开关10闭合，副电流开关30也闭合，并且功率电子开关20处于关断状态，即不传导电流。 [0067] 如果例如基于由指令单元6发出的指令信号而需要断开，那么在top0时刻由指令单元6开启功率电子开关20，即功率电子开关20从关断状态切换到接通状态，并且由相关联的致动机构5致动的轴4开始旋转，而主电流开关10和副电流开关30的相应的固定触头op和可动触头仍保持闭合。在旋转初始的空转角之后，在t 1时刻，例如在从0.1ms直至10ms或甚至直至数十ms范围的时间之后，主电流开关10的触头11-12开始相互分离，而副电流开关30的触头31-32仍保持闭合。在该条件下，电流开始转向保持在接通状态下的功率电op op 子开关20。轴4继续旋转直到（在t 2时刻）例如在此从t 1起0.1ms至10ms之间的时间间隔之后为止，主电流开关10的可动触头12到达上面提及的、距固定触头11的安全距离，即触头11和12之间的距离使得在这些触头之间不能发生电弧的再点燃；因此，主电流开关 10是电气上断开的。在该时刻，副电流开关30的触头31-32仍是闭合的，而功率电子开关 20被关掉（例如再次由指令单元6），因此断开主电流。驱动轴4继续其旋转并且副开关30op op 的可动触头32开始与相关联的固定触头31分离直到在t （3 例如在从t 2起计时的0.1ms和10ms之间的范围内的时间间隔之后）时刻完成触头31-32的分离为止，进而副电流开关op op 30断开，也中断泄漏电流。在t 4时刻（如在从t 3起计时的0.1ms和10ms之间的范围内的时间间隔之后），轴4到达端部位置并且止动。因此，从电气和机械的观点来看完成了断开操作。 [0068] 如果从副电流开关30和功率电子开关20均断开的断开位置开始，那么混合装置100必须闭合，例如，遵照例如由指令单元6发出的闭合指令信号，在致动机构5作动的情况clo 下，轴4开始（时刻t 0）旋转，借助其驱动来移动两个开关10和30的触头12和32。在旋clo 转期间，在t 1时刻（例如在从0.1ms直至10ms或者甚至直至数十ms范围内的时间之后），可动触头32与固定触头31联接，即副电流开关30闭合，由此接通泄漏电流，而功率电子开关20仍处于关断状态并且主电流开关10仍为电气上断开的（即触头11和12的距离使得在clo clo 二者之间不存在电传导）。在t 2时刻，（例如在从t 1时刻开始计时起0.1ms和10ms范围之间的时间间隔之后），功率电子开关20例如由指令单元6接通，接通主电流，而主电流开clo clo 关10仍是断开的。轴4继续旋转直到t 3时刻（例如在从tc 2时刻开始计时起0.1ms和 10ms范围内的时间间隔之后），触头11-12联接，即主电流开关10闭合，将电流从功率电子clo clo 开关20转向。轴继续旋转直到（t 4时刻）（例如在从tc 3时刻开始计时起0.1ms和例如 50ms的数十毫秒范围之间的时间间隔之后），该轴到达端部位置并且止动；由此闭合操作完成。 [0069] 如之前指出的是，致动机构5可以至少在断开期间使轴4以受控制的可变角速度旋转。例如，在断开操作的第一阶段期间，轴4可以以确定恒定的或者可变的（例如，渐增的）op角速度从断开操作开始的时刻（t 0）起直到当主电流开关10的可动触头12达到距固定触头11的上述安全距离并由此主电流开关10电气上断开为止进行旋转；在第二阶段期间，即op op 从t 2时刻直到断开操作完成（t 4时刻的终止），轴4可以以与上面描述的第一阶段的角速度不同的角速度、即更低的角速度旋转。在第二阶段期间，相关的角速度也可以是恒定的或者可变的，例如是下降的。 [0070] 如有需要，例如当使用自中断马达作为致动机构5时，甚至可以在主电流开关10op断开时——即t 2时刻终止时——停止旋转，并且然后再启动轴4的旋转以用于完成断开op op 操作（从t 2时刻到t 4时刻）。 [0071] 也可以在执行闭合操作时以相反的方式执行相同的处理。 [0072] 实际上，已观察到，混合电流开关装置100允许根据在整个工作寿命中具有一贯操作顺序和计时的相当简单且紧凑的解决方案对已知的解决方案实现一些改进。 [0073] 实际上，装置100体现为以极其有效和协调的方式进行操作的独特装置，其具有电流断路器（即主电流开关10）的功能、流电的或者隔离的开关（即副电流开关20）的功能和静态断路器或者固态断路器（即功率电子开关20）的功能；通过使用单致动机构5以致动主电流开关10和副电流开关30二者，使得装置的整个结构布局更加简单，并且在工作寿命期间本质上改进并且更好地确保了两个开关10和30之间的机械同步。自锁马达、并且尤其是自锁压电马达的使用变得更加容易，因为它们甚至可以在没有变速箱的情况下直接地联接到轴4；此外，这种马达在没有动力时是自锁的，其可以抵抗接触弹簧的负载而将轴4保持在闭合位置而无需要机械闩锁。具有不同刚度的两个触头按压弹簧的使用有助于增加设计的灵活性和/或改进获得所期望顺序的方式；例如，可以借助不同的装载行程（charging stroke）来实现所需的设计负载。 [0074] 因此，所提出的混合装置100允许进行修改和变化，这些修改和变化的全部在如所附权利要求和之前的描述——包括必需考虑的上述实施方式的任意组合，其包括在本公开中，尽管没有明确地描述——中所限定的发明构思的范围之内；全部细节还可以通过其他技术上等同的元件来替换。例如，混合装置100通过参考塑壳断路器来描述，但是其可以是例如模块化断路器（MCB）、断开器等任何类型的电流保护装置；此外，从结构上的观点来看，所示出的混合装置100类似于仅有一个相位电连接到相关电路的双极（IS30和MS10并排地定位为两个极）AC断路器，但是混合装置100可以明确地使用在DC应用中，并且在AC或DC应用中具有任何适当数量的相位。例如，在混合装置100必需连接到相关联的电路的两个相位的情况下，装置100可以类似于四极断路器，即图3-7中的部件将翻倍，沿着轴4按顺序交替排列第一主电流开关10、相关联的第一副电流开关30、第二主电流开关10以及相关联的第二副电流开关30。功率电子开关20可以包括其他类型的基于半导体的部件，例如ICGTs等。 [0075] 实际上，材料和尺寸根据需要和技术发展水平可以是任意类型的。 |
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