具有串联连接的真空灭弧室的多区块混合式真空断路器

摘要

本发明涉及一种多区块混合式真空断路器(1)，所述多区块混合式真空断路器包括至少两个带有至少一个半导体元件和一个真空灭弧室(3)的区块(2)，所述真空灭弧室(3)包括用于容置一对电触头的真空开关腔(4)，该对电触头包括固定电触头(5)和轴向可动电触头(6)，所述轴向可动电触头(6)能够平移以用于开关目的，其中，所述至少一个半导体元件与所述真空灭弧室(3)并联地连接。

权利要求

1.一种多区块混合式真空断路器(1)，所述多区块混合式真空断路器包括至少两个区块(2)，所述多区块混合式真空断路器带有至少两个背靠背布置的半导体元件和一个双断口真空灭弧室(10)，所述双断口真空灭弧室包括用于容置至少两个轴向可动电触头(6a，

6b)的真空开关腔(4)，所述轴向可动电触头能够平移运动以用于开关目的，其中所述至少两个背靠背布置的半导体元件与所述双断口真空灭弧室(10)并联地连接，其特征在于，所述真空开关腔(4)还容置静电极(5)，所述静电极隔离所述轴向可动电触头(6a，6b)并形成上真空隔室(11)和下真空隔室(12)，并且所述至少两个背靠背布置的半导体元件具有连接至所述静电极(5)的中间连接点。

2.一种多区块混合式真空断路器(1)，所述多区块混合式真空断路器包括至少两个区块(2)，所述多区块混合式真空断路器带有至少两个背靠背布置的半导体元件和一个双断口真空灭弧室(14)，所述双断口真空灭弧室包括用于容置轴向可动电触头(6a)、固定电触头(6b)、可动中间电触头(15)和固定侧向同轴电触头(17)的真空开关腔(4)，所述轴向可动电触头能够平移运动以用于开关目的，所述可动中间电触头隔离所述轴向可动电触头(6a)和固定电触头(6b)并形成上真空隔室(11)和下真空隔室(12)，所述可动中间电触头连接至弹簧元件(16)，从而允许所述可动中间电触头轴向运动以用于开关目的，所述固定侧向同轴电触头在真空开关腔(4)断开的时候以及之后变为连接至可动中间电触头(15)，其中，所述至少两个背靠背布置的半导体元件与所述双断口真空灭弧室(14)并联地连接，并且所述至少两个背靠背布置的半导体元件具有连接至所述可动中间电触头(15)的中间连接点。

3.如权利要求1或2所述的多区块混合式真空断路器(1)，其特征在于，所述双断口真空灭弧室的上真空隔室(11)和下真空隔室(12)串联地相连接，并构成主电流路径。

4.如权利要求1或2所述的多区块混合式真空断路器(1)，其特征在于，串联连接的上真空隔室(11)和下真空隔室(12)与两个背靠背布置的二极管(7a，7b)并联地连接。

5.如权利要求1或2所述的多区块混合式真空断路器(1)，其特征在于，串联连接的上真空隔室(11)和下真空隔室(12)与两个背靠背布置的晶闸管(9a，9b)并联地连接。

6.如权利要求1或2所述的多区块混合式真空断路器(1)，其特征在于，所述至少两个背靠背布置的半导体元件是二极管(7a，7b)。

7.如权利要求1或2所述的多区块混合式真空断路器(1)，其特征在于，所述至少两个背靠背布置的半导体元件是晶闸管(9a，9b)。

说明书

具有串联连接的真空灭弧室的多区块混合式真空断路器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种多区块混合式真空断路器，所述多区块混合式真空断路器包括至少两个带有至少一个半导体元件和一个真空灭弧室的区块，所述真空灭弧室包括用于容置一对电触头的真空开关腔，该对电触头包括固定电触头和轴向可动电触头，所述轴向可动电触头能够平移以用于开关目的。

背景技术

[0002] 真空灭弧室用于短路中断，还用于负载电流开关。为了保护电路免受过电流影响，设置有断路器，所述断路器在故障情形下被触发并断开，从而中断电路中的主电流路径。断路器通常设置为机械开关。这种机械开关典型地具有至少两个电触头，这些电触头初始彼此压靠在一起，在正常运行时传导电流。在此，名义触头被定义为可分离触头，在开关闭合时并且在正常运行时，所述可分离触头传导流过开关的工作电流或传导该工作电流的至少大部分。但是，对于一般的电容性开关应用和高电压开关应用而言，真空灭弧室可能由于电流中断后的高电压应力而失效，这可能导致击穿。

[0003] 在故障情况下，分离该开关的这两个触头的机构被触发。如果在这一刹那有电流流过，该电流将通过加热触头和/或加热触头周围的隔离气体直到触头材料和/或气体被电离并变成可传导性的(即达到等离子态)，而继续流过该断开气隙。因而产生了电弧。在电流足够大的情况下，仅利用该电流对等离子体的电加热就能够维持电弧。这就是故障电流状况的典型情形。

[0004] 为了断开电流，必须熄灭电弧。这可以通过减小电流使之加热功率低于某一阈值而实现，低于该阈值，加热不足以维持该电弧。等离子体冷却而失去其传导性。这种情形典型地仅能够在交流电流的电流过零点附近实现，就像电流消失一样，等离子体的加热同样也消失。

[0005] 因此，传统的断路器在过零点处切断电流。但是，必须要考虑限制断路器的性能的另一个因素：在电流零点附近，电流分布可以在电流-时间图中由线性斜坡近似描述。对于低陡度电流(电流在过零点之后缓慢增大)，冷却功率在一段长的时间内都大于加热功率，因此足以增大电弧的电阻并利用该电阻切断电流。另一方面，如果线性斜坡的陡度持续增大(电流在过零点之后更快地增大)，在某一陡度，冷却时间段将不再足够长，电弧将在过零点之后重燃。对于各种断路器而言，这是限制性能的主要因素之一。

[0006] 依照本领域技术人员的常识，真空灭弧室基本上能够在高达36kV的电压级下运行；对于更高电压应用，应当考虑串联连接至少两个真空灭弧室，也叫做多断口真空断路器。经验表明，带有串联的两个真空灭弧室的真空断路器能够比单个真空灭弧室更好地经受高电压测试，并且其绝缘可靠性更好。但是，当设计带有串联的真空灭弧室的断路器时，人们必须要考虑电压分布的不均衡性。

[0007] 文献US6,498,315B1公开了一种高电压开关装置，该高电压开关装置具有至少两个串联连接的真空开关腔。串联设置的真空开关腔在实体尺寸和/或触头配置方面不同地构造，例如在触头直径、触头间距以及触头类型方面。提供第一种类型的至少一个真空开关腔，并提供第二种类型的至少一个真空开关腔。选择真空开关腔，使得通过第二种类型的至少一个另外的真空开关腔克服第一种类型的真空开关腔室的重燃和重击穿。这两个真空开关腔中的触头在不同时间的断开用作一种另外的用于操作高电压开关装置的方法。

[0008] 此外，文献US7,508,636B2涉及一种断路器装置，所述断路器装置包括具有机械开关元件的主支路和包含半导体断路单元的辅支路，其中辅支路与主支路并联地安装。主支路包括与机械开关元件串联的串联开关辅助模块，所述串联开关辅助模块包括在与阻抗并联的断开可控式半导体断路单元。辅支路包括具有阻抗的并联开关辅助模块，所述阻抗包括至少一个电容器类部件。断开可控式半导体断路单元包括至少一个串联组件，该串联组件具有二极管和IGCT型晶闸管。

发明内容

[0009] 本发明的目标是提供一种具有提高的电流中断性能和减少的中断后击穿概率的多区块混合式真空断路器。该目标是通过独立权利要求1的主题来实现的。其他示例性的实施例根据从属权利要求及下面的描述是显而易见的。

[0010] 依照本发明，每个区块的真空灭弧室与至少一个半导体元件并联地连接。因此，每个区块包括一个真空灭弧室和与该真空灭弧室并联地连接的至少一个半导体元件。

[0011] 优选地，至少两个区块的真空灭弧器串联地相连接，并构成主电流部分。辅半导体路径在每个区块中与真空灭弧室并联地连接，并可以由多个半导体元件形成，所述半导体元件应至少满足一个真空灭弧室的电压需求。

[0012] 依照优选实施例，两个串联连接的真空灭弧室与两个背靠背布置的二极管并联地连接。对于交流电流来说，两个背靠背半导体部件是必需的，而对于直流电流来说，仅一个背靠背半导体部件就足够了。由于使用了两个或更多个真空灭弧室，该实施例具有容易实施的优点。包括具有所需额定值的单个二极管或多个串联二极管的该半导体部件应当与每个真空灭弧室并联地连接。此外，因为一旦经过真空灭弧室触头气隙建立电弧电压，二极管部件就开始导通，所以不需要精确地同步断开。

[0013] 此外，一机械开关布置在这两个真空灭弧室与背靠背布置的二极管之间，以便形成电隔离。该机械开关可能是实现BIL测试要求所必需的。

[0014] 依照又一优选实施例，在这两个真空灭弧室之间布置一第三真空灭弧室，以便形成电隔离。利用三个串联的真空灭弧室代替机械开关的功能，其中一个真空灭弧室不带有半导体元件。

[0015] 依照多区块混合式真空断路器的又一优选实施例，两个串联连接的真空灭弧室与两个背靠背布置的晶闸管并联地连接。其中一个晶闸管处于反向阻断模式，另一个晶闸管处于正向阻断模式。当栅极接收触发电流时，处于正向阻断模式的晶闸管能够快速切换到正向导通模式。当形成经过真空灭弧室的压降时，能够生成触发信号。因此，起弧电压可用于生成施加于栅极的触发信号。

[0016] 依照本发明，另一种多区块混合式真空断路器包括至少两个带有至少两个半导体元件和一个双断口真空灭弧室的区块，所述双断口真空灭弧室包括用于容置一对轴向可动电触头和一静电极的真空开关腔，所述轴向可动电触头能够平移以用于开关目的，所述静电极隔离所述轴向可动电触头，并形成上真空隔室和下真空隔室，其中，所述至少两个半导体元件与所述双断口真空灭弧室并联地连接。优选地，所述至少两个半导体元件是二极管。该实施例的优点是利用单个双断口真空灭弧室代替两个串联的真空灭弧室。这可以在保持相同性能的同时实现相当可观的材料节约。依照优选实施例，所述至少两个半导体元件是晶闸管。

附图说明

[0017] 结合所附的附图，本发明的前述及其他方面将从下文本发明的详细描述中变得显而易见。

[0018] 图1显示了带有机械开关的多区块混合式真空断路器的示图，所述机械开关布置在两个真空灭弧室与两个二极管之间，以便形成电隔离；

[0019] 图2显示了多区块混合式真空断路器的示图，其中一真空灭弧室布置在两个真空灭弧室之间，以便形成电隔离；

[0020] 图3显示了多区块混合式真空断路器的示图，其中两个串联连接的真空灭弧室与两个背靠背布置的晶闸管并联地连接；

[0021] 图4a显示了带有双断口真空灭弧室和两个二极管的多区块混合式真空断路器的示图，所述两个二极管与所述双断口真空灭弧室并联地连接；

[0022] 图4b显示了带有双断口真空灭弧室和两个晶闸管的多区块混合式真空断路器的示图，所述两个晶闸管与所述双断口真空灭弧室并联地连接；

[0023] 图5a显示了带有双断口真空灭弧室和两个二极管的多区块混合式真空断路器的示图，所述双断口真空灭弧室仅具有单个致动器，所述两个二极管与所述双断口真空灭弧室并联地连接；和

[0024] 图5b显示了带有双断口真空灭弧室和两个晶闸管的多区块混合式真空断路器的示图，所述双断口真空灭弧室仅具有单个致动器，所述两个晶闸管与所述双断口真空灭弧室并联地连接。

[0025] 附图中使用的参考标记以及它们的含义以概要形式列于参考标记列表中。所有附图都是示意性的。

具体实施方式

[0026] 图1显示了依照本发明的多区块混合式真空断路器1，该多区块混合式真空断路器1包括两个区块2a和2b，这两个区块2a和2b分别具有真空灭弧室3a和3b以及一个二极管7a和7b。真空灭弧室3a和3b分别具有真空开关腔4a和4b，真空开关腔4a和4b分别包括固定电触头5a和5b以及轴向可动电触头6a和6b，所述轴向可动电触头6a和6b能够平移以用于开关目的。电触头5a、6a和5b、6b彼此同轴地布置并由数个弹簧元件14保持在接触位置。二极管
7a和7b背靠背地相连接，其中，中间连接点通过机械开关8连接至两个真空灭弧室3a和3b的中间连接处。机械开关8布置在两个真空灭弧室3a、3b与背靠背布置的二极管7a、7b之间，以便形成电隔离。

[0027] 为了正常运行，名义电流流过两个真空灭弧室3a和3b，其中，电触头5a、6a和5b、6b处于闭合位置。在电路中断操作时，电触头5a、6a和5b、6b同时断开，其中不需要精确地同步断开。电流将首先流过真空灭弧室3a中的触头6a和5a之间以及真空灭弧室3b中的触头5b和6b之间点燃的初始真空电弧，其中机械开关8闭合。经过每个电弧的压降(通常在20V的范围内)比二极管支路的导通电压高得多，电流将立即换向至与真空灭弧室3b或3a并联连接的正向偏置二极管7b或7a(取决于电流极性)。在电流换向至正向偏置二极管7a或7b之前，存在非常短的燃弧阶段。如果二极管7b对于一种电流极性正向偏置，则在电流过零点，触头5a和6a之间的真空电弧消失，从而中断电流，并且正向偏置二极管7b转至阻断模式。由于几乎没有形成电弧，并联真空灭弧室3b的真空触头5b和6b温度低得足以承受随后的TRV。

[0028] 图2显示了依照本发明的优选实施例，由图2可见，一第三真空灭弧室3c布置在区块2a和2b的两个真空灭弧室3a和3b之间。第三真空灭弧室3c不带二极管7。该真空灭弧室提供了这两个真空灭弧室3a和3b之间的电隔离，因而不需要机械开关。该电隔离是通过布置在真空开关腔4c中的固定电触头5c和轴向可动电触头6c实现的。

[0029] 依照图3，多区块混合式真空断路器1的另一个实施例包括两个区块2a和2b，这两个区块2a和2b分别具有真空灭弧室3a和3b以及晶闸管9a和9b。图3的构思与图1相同，区别在于没有机械开关8。此外，将二极管7a和7b替换为晶闸管9a和9b。将二极管7a和7b替换为晶闸管9a和9b产生了独特的优点，其中中断过程采取稍有不同的方案。

[0030] 当真空灭弧室3a和3b处于闭合位置时，电流以最小电流损耗流过真空灭弧室3a和3b，这代表了电流的主路径。一旦电触头5a、6a和5b、6b断开，电流将继续流过主电流路径，即流过两个真空灭弧室3a和3b的电触头5a、6a和5b、6b之间点燃的真空电弧。其中一个晶闸管9a处于反向阻断模式，另一个晶闸管9b处于正向阻断模式。当栅极接收触发电流时，处于正向阻断模式的晶闸管9b能够快速切换到正向导通模式。当经过真空灭弧室3形成压降时，能够生成触发信号。起弧电压可用于生成施加于栅极的触发信号。真空灭弧室中的起弧电压在电弧点燃时通常约等于20V，接着随着电流和触头间距而快速增大。

[0031] 一旦晶闸管9b开始电流导通，由于与经过晶闸管9b的正向压降相比，起弧电压高，所以真空电弧将很快就会消失，从而建立全电流换向。电流将继续流过正向偏置晶闸管9b和真空灭弧室3a的真空电弧，直到电流过零点。在电流过零点，燃烧电弧熄灭，晶闸管9b转至反向阻断模式。晶闸管9a此刻处于正向阻断模式，同时真空灭弧室3a中不存在电弧点燃。真空灭弧室3b的电触头5b和6b温度低得足以承受随后的TRV。

[0032] 图4a显示了用双断口真空灭弧室10代替两个串联的真空灭弧室3a和3b的多区块混合式真空断路器1的替换实施例。双断口真空灭弧室10包括上真空隔室11和下真空隔室12，在一个优选实施例中，上真空隔室11和下真空隔室12是封闭隔离的。在另一个实施例中，上真空隔室11和下真空隔室12不是封闭隔离的。真空隔室分别包括轴向可动电触头6a和6b。隔离两个隔室11和12的固定电触头5布置在轴向可动电触头6a和6b之间。固定电触头
5连接至中间护罩13。为了传导名义电流，两个轴向可动电触头6a和6b闭合。当需要电流中断时，轴向可动电触头6a和6b同时断开，其中不需要精确地同步断开。该电流中断方案与图
1的描述中所解释的方案相同。

[0033] 依照图4b，多区块混合式真空断路器1的替换实施例包括代替图4a的二极管7a和7b的晶闸管9a和9b。该电流中断方案与图3的描述中所描述的方案相同。

[0034] 作为图4a中双断口构思的替换实施例，双断口组件可以采取图5a的形式，在该形式中，仅有一个触头6a移动，因而仅需要单个致动器。双断口真空灭弧室14包括上真空隔室11和下真空隔室12。真空隔室包括轴向可动电触头6a、固定电触头6b和可动中间电触头15，所述可动中间电触头15连接至内部弹簧元件16。为了传导名义电流，轴向可动电触头6a和可动中间电触头15闭合。在该位置，弹簧元件16被施加于轴向可动电触头6a的闭合力压缩。
可动中间电触头15与侧向同轴电触头17分离以与固定电触头6b接触。当开关处于闭合位置时，名义电流流过触头6a、15和6b。当需要电流中断时，轴向可动电触头6a被拉动，以用于断开操作目的，其中不需要精确地同步断开。该操作导致触头15和6b在被释放的弹簧16的反作用力下同时分离。接着，可动中间电触头15和固定电触头6b之间点燃电弧，最后在轴向可动电触头6a和可动中间电触头15之间点燃第二电弧。被弹簧16推动的可动中间电触头15紧接着被侧向同轴电触头17停止，从而形成电传导路径。在该阶段，电流中断方案与图1的描述中所解释的方案相同。

[0035] 依照图5b，多区块混合式真空断路器1的替换实施例包括代替图5a的二极管7a和7b的晶闸管9a和9b。电流中断方案与图3的描述中所述的方案相同。

[0036] 参考标记

[0037] 1          多区块混合式真空断路器

[0038] 2a、2b      区块

[0039] 3a、3b、3c  真空灭弧室

[0040] 4a、4b、4c  真空开关腔

[0041] 5a、5b、5c  固定电触头

[0042] 6a、6b、6c  轴向可动电触头

[0043] 7a、7b      二极管

[0044] 8          机械开关

[0045] 9a、9b      晶闸管

[0046] 10         双断口真空灭弧室

[0047] 11         上真空隔室

[0048] 12         下真空隔室

[0049] 13         中间护罩

[0050] 14a、14b    金属波纹管

[0051] 14         带有单个致动器的双断口真空灭弧室

[0052] 15         可动中间电触头

[0053] 16         弹簧元件

[0054] 17         侧向同轴电触头