CN105745731B - 开关装置以及用于运行开关装置的断开方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开关装置(1,1a)，该开关装置包括第一常规开关位置(2,2a)和第二开关位置(3，3a)，其在与非常规开关位置(4,4a)连接的情况下被电串联。

Description

开关装置以及用于运行开关装置的断开方法

技术领域

本发明涉及一种开关装置，其具有第一常规开关位置、第二常规开关位置以及非常规开关位置。

背景技术

这种开关装置例如从文献DE 10 2011 005 905A1中已知。在那里描述了一种开关装置，其具有气体绝缘的断路器和真空断路器作为常规的开关位置。与真空断路器电并联有用于产生反向电流的装置，其具有晶闸管。用于产生反向电流的装置按照非常规的开关位置构造。

已知的开关装置尤其适于开关直流电流。为了断开直流电流，借助用于产生反向电流的装置将反向电流施加到待中断的直流电流上，以便中断该直流电流。

在使用已知的开关装置的情况下，尤其在高和超高压领域，即在电压为几千伏，待断开的电流为几千安培的情况下，将诸如晶闸管、IGBT或者功率晶体管的昂贵组件用于非常规的开关位置。结构决定了必须对这些非常规的开关位置在其对待中断的电流或驱动电压上的电压负荷性以及电流负荷性方面进行设计。这要求高成本的非常规开关位置，使得非常规的开关位置确定了开关装置的较大部分的成本。

发明内容

相应地，本发明的任务是提出一种开头提及类型的开关装置，其在高度运行安全性的前提下实现了成本降低。

本发明的该任务在开头提及类型的开关装置的情况下通过如下解决，即，将第一常规开关位置、第二常规开关位置和非常规开关位置互相构成串联电路。

常规开关位置是这样的开关位置，其为了建立导电路径而将相对于彼此可运动的开关接触件置于电连接，并且反之在中断电流路径期间将相对于彼此可运动的开关接触件彼此远离，以便使得开关接触件之间出现电绝缘介质。与此相反，非常规开关路径理解为这样的结构，其与机械运动无关地改变开关位置的阻抗特性。无论开关位置的开关状态如何，都保持待分离的电势之间的物理连接。仅开关位置的阻抗被改变。开关位置例如可以通过半导体形成，其根据需要被转移到导电状态中或者电绝缘状态中。因为在使用半导体器件的情况下引起通过半导体本身的电流路径的接通或者中断，所以将这些半导体器件称作断路器。非常规开关位置例如是功率电子装置。功率电子装置可以除了实际的开关位置之外还包括其它用于控制开关位置阻抗的组件。非常规开关位置例如可以是或者使用晶闸管、GTO、IGCT、IGBT或者通用的功率晶体管。必要时，非常规开关位置也可以具有多个半导体元件和必要时模块化地构造。

一组开关位置在串联电路中构成导电轨道，其从点A延伸至点B，其中，每个开关位置被相继地在电学上开关。开关位置的串联电路是电开关装置的开关路径的一部分。由此给出了如下可能性，即将在点A和B之间保持的、在断开过程中出现的电压划分到多个开关位置上。在理想情况下，到开关位置上的电压划分进行为使得在每个开关位置上出现近似相等的压降，并且由此每个开关位置仅针对所有待应对的电压的一部分而设计。开关装置为此可以具有相应的控制装置，例如控制电阻，以便实现尽可能均匀的电压分布。在使用第一和第二分别常规的开关位置以及非常规的开关位置时例如出现如下情况，即，在每个开关位置上降落待由开关装置的开关路径应对的电压的约三分之一。然而根据需要还可以的是，根据各个开关位置的设计而追求其它电压分布，从而例如在更大的程度上为一个开关位置加负荷，由此为另一开关位置减负荷。为了减小开关位置的负荷例如还可能的是，提高常规开关位置的数量，然而还存在提高非常规开关位置数量的可能性。

另一有利的构型为，非常规开关位置串联地处于第一常规开关位置和第二常规开关位置之间。

非常规开关位置在第一和第二常规开关位置之间的布置能够实现或辅助将总电压均匀地分布到各个开关位置中。尤其在断开过程中，可以通过在非常规开关位置之前或之后的常规开关位置来保护该非常规开关位置不过载。于是例如可能的是，在常规开关位置中在中断电流的过程中希望点燃断开电弧，由此基于所出现的电弧电压和开关装置的串联电路中提高的总阻抗来减小非常规开关位置上的负荷。于是，在至少一个、尤其在多个或所有开关位置上点燃断开电弧是有利的，以便在断开过程期间提高开关装置的开关路径的阻抗，以及辅助流经断开电弧的电流的中断。由此可能的是，将非常规开关位置在其规格方面减小，使得其仅需中断已经通过电弧减小的直流电流。相应地形成成本低廉的非常规开关位置，由此改进开关装置的总成本情况。

在另一有利的构型中，多个常规开关位置串联连接，非常规开关位置将多个常规开关位置划分为近似相等的常规开关位置组。

多个常规开关位置具有至少一个第一和第二非常规开关位置。通过将非常规开关位置布置在两个常规开关位置中，将常规开关位置划分为第一和第二组。常规开关位置的这种分组支持非常规开关位置的有效性。尤其在将常规开关位置提高至多于两个开关位置的情况下，总电压可以相应地分布到开关装置的开关位置上，并且减小各个开关位置的电压负荷。通过由多个常规开关位置实现的电压划分，保护了非常规开关位置不受电压过载。有利地，这些组应该具有相同类型的阻抗，从而在组之间得到对称的电压分布。如果例如将常规开关位置的数量提高到十个或几十个常规开关位置，则分别减小了各个开关位置的电压负荷，由此同样减小了在非常规开关位置上的电压分布。到相应的组中的划分有助于补偿电压分布中的不对称性，并且于是防止各个开关位置的过载。应该有利地在每个组中在总体上存在断开情况下相同的电压负荷。这种对称的电压分布可以附加地受到电压分布的控制、例如通过控制电阻而得到支持。

常规开关位置的数目应该优选是偶数的，其中，在这些组中分别布置相同数量的常规开关位置。然而还可以的是，根据常规开关位置的实施方式，在这些组中包含不同数目的常规开关位置，从而例如可以以改进的方式控制在开关位置上的电压分布，尤其是实现在所有开关位置上的电压负荷的均匀分布。

在另一有利的构型中，至少一个常规开关位置具有真空开关室。

真空开关室限制一个真空空间，在其中例如布置有相对于彼此可运动的开关接触件。各个开关接触件在断开过程中被彼此远离，其中，在真空空间内的开关接触件中可以点燃断开电弧。有利地，应该将常规开关位置构建为相同类型的，从而可以实现待应对的电压在各个开关位置上的均匀分布。

例如可以的是，在350000伏特的测量电压中，使用各有十个常规开关位置的两组，其中，第一组十个常规开关位置以串联方式布置在非常规开关位置之前，第二组十个常规开关位置以串联方式布置在非常规开关位置之后。在理想的电压分布的情况下，在每个开关位置上例如给出17500伏特的额定电压。在实际条件下应该基于电压控制，从而常规的开关位置例如应该针对至少20000伏特额定电压设计。对于该20000伏特，在真空开关室的真空空间中需要较短的接触冲程，从而结合较快的驱动也可以通过开关装置实现电流的快速开关。在此，同样针对20000伏特基于串联电路和在两组常规开关位置之间的布置来设计非常规开关位置。如从该示例得知的，通过尤其在非常规开关位置之前和之后的多个常规开关位置的串联电路给出了使用具有降低的额定电压的功率半导体的可能性。

本发明的另一任务是，提出一种用于运行开关装置的断开方法，其中，开关装置具有第一和第二常规开关位置以及非常规开关位置，其中，两个常规开关位置和非常规开关位置串联连接。该任务在前面提及类型的断开方法中如此解决，即，首先断开常规开关位置，此后断开非常规开关位置。

断开方法尤其适于中断由直流电压驱动的直流电流。在断开方法开始之前，所有常规和非常规开关位置处于导通状态，即，待断开的开关位置位于接通状态中并且具有较低阻抗的电流路径。为了发起断开，首先中断常规的开关位置，其中非常规开关位置还固定在其导通状态中。接下来，尤其在至少一个常规开关位置、然而优选在所有常规开关位置中在以分离触点的方式中断直流电流的情况下，在各个开关接触件之间点燃断开电弧。优选地，这分别可以在真空空间内进行。对于移动常规开关位置的可以相对于彼此运动的开关接触件需要有限的时间段。在断开过程中，即在达到常规开关位置的可以相对于彼此运动的开关接触件的最终位置之前，各个开关位置的(尤其总共的)介电强度就足以实现开关装置上的(开关路径的)、例如相对于所谓的反向电压而言的足够的电压强度。反向电压是这样的电压，其由于电源阻抗、振荡过程或类似过程而在断开过程中在开关装置的开关路径上出现，并且可能相比于开关装置的额定电压实现更高的值。时间上在断开常规开关位置之后实现非常规开关位置的断开脉冲。非常规开关位置被截止，从而非常规开关位置中断待中断的电流，并且由此熄灭在各个常规开关位置中燃烧的断开电弧。随着非常规开关位置被截止，由于电流断开而使得非常规开关位置上的反向电压上升。为了阻止电流复燃，非常规开关位置接管在开关装置上的电压保持，直至非常规开关位置断开电弧熄灭后具有足够的耐压强度，以便确保开关装置上的电势分离。

在断开电弧熄灭后，常规开关位置的耐压强度上升。非常规开关位置于是仅需在反向电压上升的开始时段中实现在电开关装置的电势分离。在已经断开的常规开关位置与那里刚熄灭的电弧的短暂的重新复合时间之后，反向电压在由常规开关位置和非常规开关位置构成的串联电路上分布。该断开方法中有利的是，非常规开关位置仅在常规开关位置的重新复合时间期间，仅需应对反向电压。在该时间期间，反向电压上升。在此出现的电压负荷将明显小于非常规开关位置的相应的额定电压。在上面提及的实施例中假设不超过非常规开关位置的、为20000伏特的额定电压，因为在通过反向电压实现非常规开关位置的额定电压数值的情况下，常规开关位置已经接管了电压保持。

在另一有利构型中，在断开常规开关位置的情况下，在至少一个常规开关位置中点燃电弧。

如果考虑常规开关位置中的电弧，则开关装置的总开关路径的阻抗已经被提高。在常规开关位置上出现所谓的电弧电压。由此通过非常规开关位置辅助对(流过电弧的)电流的断开。

在另一有利构型中，通过非常规开关位置维持电势分离，直至常规开关位置稳定(Verfestigen)。常规开关位置由于点燃的电弧和与此关联的混淆而需要有限的时间段来稳定开关接触件之间的绝缘路径。由此在该时间段内改进了在常规开关位置的开关接触件之间的耐压强度。在此，常规开关位置的稳定例如可以在不到一秒内实现。在该不到一秒里，设有非常规开关位置，用于实现、尤其在反向电压提高时实现开关装置的耐压强度，以及阻止电弧的复燃或者电流的重新流动。

在另一有利的构型中，通过非常规开关位置熄灭常规开关位置中点燃的电弧。

通过在常规开关位置中点燃电弧，在开关装置上的开关过程、尤其断开过程期间，开关装置的开关路径已经为最终中断电流做好准备。通过点燃的电弧已经提高了开关装置的开关路径的阻抗，其中，其阻抗还没有大至使得实现电流的完全中断。通过阻断非常规开关路径引起了电流的完全中断，使得在常规开关位置中燃烧的电弧熄灭。

此外有利的会是，常规开关位置几乎同时获得断开脉冲。

常规开关位置的几乎同时熄灭引起了相对于彼此可运动的开关接触件的几乎同步的运动。相应地，在所有常规开关位置中几乎同时地点燃电弧，由此实现了开关装置的开关路径的几乎同时的阻抗提高。每个电弧都被相应的电弧电压驱动，其中，与接通状态中的常规开关位置的阻抗相比，可以将燃烧的电弧的阻抗估计为更高。

附图说明

下面示意性地在附图中示出和更详细地描述本发明的实施例。其中：

图1示出了多个常规开关位置和非常规开关位置的连接，

图2示出了具有第一常规开关位置、第二常规开关位置和非常规开关位置的装置，以及

图3示出了曲线图。

具体实施方式

图1的电路图示出了开关装置1，其用于中断在点A和点B之间的电流路径。电开关装置1优选地设计为用于开关由直流电压驱动的直流电流。电开关装置1具有第一常规开关位置2和第二常规开关位置3。此外，开关装置1具有非常规开关位置4。非常规开关位置4电串联地布置在第一常规开关位置2和第二常规开关位置3之间。在此设有n个第一常规开关位置2和n个第二常规开关位置3。例如可以设有十个第一常规开关位置2和十个第二常规开关位置3。第一常规开关位置2全都电串联，其中，位于非常规开关位置4的一侧的第一常规开关位置2形成第一组5常规开关位置2。第二常规开关位置3形成了第二组6常规开关位置3。在两个组5、6的每个内，各个第一或第二常规开关位置2、3串联连接。由于第一和第二组5、6的常规开关位置2、3与非常规开关位置4串联连接，所以形成了常规开关位置2、3和中间连接的非常规开关位置4的串联电路。当前的非常规开关位置4就其而言同样可以构造为模块化的并且例如具有功率半导体。非常规开关位置4例如可以具有基于半导体的晶闸管、IGBT、功率晶体管等。

图2示出了开关装置1a，其具有非常规开关位置4a、第一常规开关位置2a以及第二开关位置3a。在此，两个常规开关位置2a、3a构建为真空开关管，其分别具有位置固定的开关接触件7和相对于该位置固定的开关接触件7可运动地安置的、可运动的开关接触件8。真空开关管分别具有管体9，其实施为不透流体的，并且在此内部被抽真空。相应的可运动的开关接触件8不透流体地穿过相应的管体9，并且相对于管体9和相应的位置固定的开关接触件7可运动。与相应的可运动的开关接触件8分别连接有驱动装置10，其可以将运动耦合输入到可运动的接触件8上。两个常规开关位置2a、3a的两个位置固定的接触件7就其本身而言分别连接于非常规开关位置4a的端子。在可运动的接触件8上，通过滑动接触装置而设有开关装置1a的接触点A、B的抽头。在根据图2的实施例中，使用恰好一个第一常规开关位置2a和恰好一个第二常规开关位置3a。在两个常规开关位置2a、3a之间布置有非常规开关位置4a。此外，还可以设有其它的第一或其它的第二常规开关位置2a、3a，其同样结构相同，然而也可能具有不同的构造。

图3示出了曲线图，其中图11示出了待断开的直流电流的时间曲线。线图12表示常规开关位置2a、3a的耐压强度。线图13示意性地示出了在中断直流电流之后反向电压的曲线。线图14示出了非常规开关位置4a的耐压强度的曲线。

在时刻t₀，在常规开关位置2a、3a上已经发出了断开信号。常规开关位置2a、3a已经断开。待中断的直流电流首先继续流动。因为直流电流位于开关装置1a的串联电路中，所以在常规开关位置2a、3a中点燃了电弧。非常规开关位置4a恰好还位于其接通状态中，即，非常规开关位置4a具有低阻抗特性。通过在常规开关位置2a、3a中电弧燃烧，开关装置1a的阻抗相对于其接通状态而言首先被提高。在断开常规开关位置2a、3a后也实现对非常规开关位置4a的截止，其中，非常规开关位置的阻抗提高。待中断的直流电流(图11)被压向0，并且通过非常规开关位置4a被中断(时刻t₁)。随着直流电流的中断，每个常规开关位置2a、3a中的每个电弧也中断。直流电流在时刻t₁中断。此后，该电流具有为0安培的数值(图11)。随着在时刻t₁直流电流的中断，常规开关位置2a、3a中的电弧也熄灭。由于常规开关位置2a、3a中的电弧的热效应，绝缘路径被污染，并且还未实现其完全的绝缘强度。常规开关位置2a、3a的耐压强度(图12)还未给出。在时刻t₁和t₂之间的时间段Δt期间，常规开关位置2a、3a稳定。在实现了稳定之后，常规开关位置2a、3a的耐压强度提高(图12)。

在中断直流电流之后，非常规开关位置4a立即接管了在电开关装置1a上的电压保持。随着直流电流(t₁)的中断而出现的反向电压(图13)上升。

在时间段Δt结束时，常规开关位置2a、3a的耐压强度(图12)相比于反向电压(图13)更快地上升。

于是，在时刻t₃给出了其中常规开关位置2a、3a的耐压强度比反向电压的数值大的状态。从该时刻起，常规开关位置2a、3a能够接管开关装置1a上的电压保持。

在时刻t₄，常规开关位置2a、3a的耐压强度也超过了非常规开关位置4a的耐压强度。非常规开关位置4a的耐压强度现在无需再上升，即，非常规开关位置4a可以设计为使得随着常规开关位置2a、3a的耐压强度的上升，非常规开关位置4a的耐压强度无需再增大。相应地给出了这样的可能性，即使用成本低廉的非常规开关位置4a。通过在时间段t₃至t₄中的重叠和非常规开关位置4a的耐压强度的进一步上升，提供了附加的安全性，以便实现断开过程期间开关装置1a的足够的耐压强度。

电开关装置1a在直流电流中断之后被施加了反向电压(图13)。随着直流电流的中断，在电开关装置1a上出现了反向电压。然而，该反向电压(图13)不仅由原来被驱动的电压确定，而且在开关过程之间也可以出现瞬时过程，其附加地放大了反向电压13。也可以出现起振过程，其例如使得反向电压按照E函数的类型上升。

Claims (9)

1.一种开关装置(1,1a)，该开关装置(1,1a)包括第一常规开关位置(2,2a)和第二常规开关位置(3，3a)以及非常规开关位置(4,4a)，

其中，

第一常规开关位置(2,2a)、第二常规开关位置(3，3a)以及非常规开关位置(4,4a)互相构成串联电路，

其特征在于，

非常规开关位置(4,4a)包括半导体元件，并且在断开所述常规开关位置(2，2a，3，3a)时，在至少一个所述常规开关位置(2，2a，3，3a)中点燃电弧。

2.根据权利要求1所述的开关装置(1,1a)，其特征在于，非常规开关位置(4,4a)串联于第一常规开关位置(2,2a)与第二常规开关位置(3，3a)之间。

3.根据权利要求1或2所述的开关装置(1,1a)，其特征在于，多个常规开关位置(2，2a，3，3a)串联连接，并且非常规开关位置(4,4a)将所述多个常规开关位置(2，2a，3，3a)划分为近似相等的常规开关位置(2，2a，3，3a)组(5，6)。

4.根据权利要求1或2所述的开关装置(1,1a)，其特征在于，常规开关位置(2，2a，3，3a)中的至少一个具有真空开关室。

5.一种用于运行开关装置(1,1a)的断开方法，所述开关装置(1,1a)具有第一常规开关位置(2,2a)、第二常规开关位置(3，3a)以及非常规开关位置(4,4a)，其中，两个常规开关位置(2，2a，3，3a)和非常规开关位置(4,4a)串联连接，

其特征在于，

首先断开常规开关位置(2，2a，3，3a)，随后断开非常规开关位置(4,4a)。

6.根据权利要求5所述的断开方法，其特征在于，在断开所述常规开关位置(2，2a，3，3a)时，在至少一个所述常规开关位置(2，2a，3，3a)中点燃电弧。

7.根据权利要求5或6所述的断开方法，其特征在于，通过非常规开关位置(4,4a)维持电势分离，直至所述常规开关位置(2，2a，3，3a)稳定。

8.根据权利要求5或6所述的断开方法，其特征在于，通过非常规开关位置(4,4a)熄灭在常规开关位置(2，2a，3，3a)中燃烧的电弧。

9.根据权利要求5或6所述的断开方法，其特征在于，所述常规开关位置(2，2a，3，3a)几乎同时获得断开脉冲。