JP4532735B2

JP4532735B2 - Electrical switching device and method for performing electrical disconnection of a load

Info

Publication number: JP4532735B2
Application number: JP2000539500A
Authority: JP
Inventors: イズベルグ、ヤン; ベルンホフ、ハンス; スキット、ペル; ミン、パン
Original assignee: エレメントシックスリミテッド
Priority date: 1997-12-15
Filing date: 1998-12-10
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2018-12-10
Also published as: SE9803934D0; AU1896999A; JP2002509335A; WO1999031693A1; EP1040497A1

Description

【０００１】
（本発明および先行技術の技術分野）
本発明は、高速機械電気スイッチを有する電気スイッチング・デバイスに関する。このデバイスは、例えば過大電流が起こった時のような、大きな電力を非接続にすることを主として目的としている。
【０００２】
本発明はまた、請求項の方法の前文に従い負荷の電気的非接続を実行する方法に関する。
【０００３】
このデバイスの目的をさらに正確にいえば、電力プラントに含まれている他の装置またはそれに接続されている対象体にまたはからその一部分を接続および非接続にすること、電力プラントまたは電力ネットワークの中の対象体を接続するおよび非接続にすることである。したがって、「対象体」という用語は広い意味で用いられている。ここでの「対象体」は、電力プラントおよび電力ネットワークに含まれるすべての装置およびデバイスを包含しており、およびまた電力プラントおよび／または電力ネットワークの各部分を全体的に包含している。
【０００４】
１つの例として述べるならば、対象体は磁気回路を有する電気装置、例えば発電機、変圧器または電動機であることができる。また他の対象体、例えば電力用線路およびケーブル、開閉装置などを考えることができる。本発明は、中程度の電圧および高電圧に対して用いられることを意図している。ＩＥＣ基準に従い、中程度の電圧は１〜７２．５ｋＶを意味し、一方、高電圧は＞７２．５ｋＶを意味する。したがって、伝送レベル、下位伝送レベルおよび分配レベルが含まれる。
【０００５】
電力プラントでは、既知の回路ブレーカ、例えばＳＦ₆ブレーカ、オイル・ブレーカまたはいわゆる真空ブレーカは、着目している対象体の接続および非接続のために通常は用いられている。非常な高速が要求されるいくつかのまれな場合には、例えばサイリスタまたはＩＧＢＴのような半導体「ブレーカ」を用いることができる。
【０００６】
前記の回路ブレーカはすべて、遮断を行う時、２個の金属接点（アーク作用接点）間の電気的分離（galvanic separation）が起こるように設計される。この２個の金属接点の間で遮断されるべき電流がアークとして流れ続ける。この場合には遮断または中断は、電流がゼロを通過する時にすなわちブレーカを流れる電流がゼロに到達しそして極性を変える時に、このアークが消滅するようにブレーカを構成することにより達成される。ブレーカを流れる電流がゼロに到達しそして極性を変えるのは、５０Ｈｚのネットワークでは２０ミリ秒ごとに２回起こる。したがって、これらの回路ブレーカは交流電流に対してだけ機能し、そしてゼロを通過することが起こらない直流電流に対しては機能しない。
【０００７】
前記に従う構成を有する回路ブレーカは、比較的に中程度の電流、いわゆる動作電流、を有する大部分の遮断の場合と、しかしまた大きな過大電流、故障電流を有する遮断の場合との両方で遮断を行うことができるように設計されなければならない。
【０００８】
回路ブレーカは、アーク作用接点の間のアークの中の過大電流を遮断する時、大量のエネルギを処理することができるように設計されなければならない。アークの再点火が回避されるように、すなわち遮断が確実に持続して存在するように電流の遮断がうまく実行された後、短い時間間隔の間、接点の間の間隙は非常に大きな誘電的強度を有しなければならない。
【０００９】
回路ブレーカ、例えばＳＦ₆ブレーカ、オイル・ブレーカまたはいわゆる真空ブレーカは、短い時間間隔の間に１個の同じ臨界的な領域の中で大きな熱負荷および大きな電気負荷を処理しなければならないから、その構造は比較的に複雑になり、そして遮断時間が比較的に長くなるであろう。
【００１０】
ここで主として目指している過大電流は、例えばスイッチされる対象体の電気絶縁システムの中の故障の結果として、スイッチされる対象体に対する接続の中で発生する短絡回路電流である。このような故障は、外部ネットワーク／装置の故障電流（短絡回路電流）がアークを通じて流れる傾向があるであろうことを意味する。このことは失敗に導くことがある。スエーデン電力ネットワークの最大短絡回路電流（故障電流）の規格は６３ｋＡであることをまた挙げておくことができる。短絡回路電流は実際には４０〜５０ｋＡであることがある。
【００１１】
前記回路ブレーカが有する１つの問題点は、その遮断時間が長いことである。遮断が完全に実行されるための最大遮断時間（ＩＥＣ基準）は１５０ミリ秒（ｍｓ）である。動作状態に応じてこの遮断時間を９０〜１３０ｍｓ以下に小さくすることには、大きな困難が伴う。この結果、回路ブレーカが遮断を行うのに必要な全時間の期間中、その中に故障があると、非常に大きな電流がスイッチされる対象体を通って流れるであろう。外部電力ネットワークの故障電流の総計は、この時間間隔の間にスイッチされる対象体にかなりのストレスを及ぼすことを意味する。この時間間隔の間、ネットワークの動作がまた乱されるであろう。したがって、このネットワークに接続された他の装置もまた大幅に乱され、あるいは大幅に損傷を受けるであろう。スイッチされる対象体に対する損傷および全体のブレークダウンを回避するために、前に説明した損傷をなんら起さないで、回路ブレーカの遮断時間の期間中に短絡回路電流／故障電流に作用して管理できるようにこれが構成される。かなりの時間の間、短絡回路電流／故障電流を引き受けることができるようにスイッチされる対象体を構成する必要性は、その構成をさらに高価にしそして特性が低下するという大幅な欠点を生ずる。ネットワークおよびそれに接続された装置の乱れに関しては、ネットワークの中に保護を集積することは当面はなく、したがってそれぞれの製造業者は「バックアップ」およびネットワーク安定化装置でもって敏感な装置を保護しなければならない。マイクロプロセッサに基づくシステム例えば通信およびコンピュータ・システムのようなもっと敏感な装置は、再開始するにはそれに伴って大幅なコストを必要とすることが多い。
【００１２】
サイリスタ、ＭＯＳＦＥＴおよびＩＧＢＴのような半導体電力用デバイスはそれだけでは着目している電圧に耐えることはできず、したがってその多数個を直列に接続しなければならない。高電圧への応用では、このような部品を１００個程度直列に接続しなければならない。確実に動作させるためには、すなわち電圧と電力を部品に均一に分配するためには、装置の制御システムは複雑になる。シリコンで作成された半導体部品を用いると損失がまた比較的に大きく、効率的な冷却が必要になる。それはもし冷却しないと、部品が熱的にブレークダウンすることがあるからである。直列に接続されたすべての部品を個々の電圧レベルに関して個別に制御、調整および冷却するシステムの全体は非常に複雑になる傾向があり、したがってシステム全体のコストは高くなる。そのコストは回路ブレーカのコストを大幅に越えることがあり、ここで考察される応用に対して電力プラントおよび電力ネットワークにこのような半導体部品を用いることは一般に除外される。
【００１３】
（発明の要約）
本発明の目的は、さらに良好なスイッチングを得ることを可能にし、そしてスイッチされる対象体に及ぼすストレスが小さく、およびまたそれに接続されたネットワークおよび装置に及ぼす攪乱が少なく、そしてこのような状況でコスト的に有利であるデバイスおよび方法を得ることである。
【００１４】
この目的は本発明に従い、請求項１の特徴部分によるデバイスを備えることにより得られる。ここでは、下記で分路素子と呼ばれるスイッチング素子が第１電気スイッチと並列に接続されるように第２電気スイッチが設計される。前記第１電気スイッチは高速機械電気スイッチの形式であり、したがってその接点は金属導電率を有する接点である。前記分路素子は、例えば光ビームまたは電子ビームによって照射されることにより導電状態になることができるように設計される。非接続すなわち遮断が実行される時、分路素子は前記の照射を受けそれにより分路素子が導電状態になり、そして機械スイッチが大きな熱負荷または電気負荷を伴うことなく非接続を実行するように制御されることができる。ブレーカが離れた位置にある時、分路素子に対する照射が止むことが好ましい。分路素子に対する照射が止むことは、この素子の導電率が減少することを意味する。
【００１５】
機械スイッチの接点が離れる際にそこに生じた電気アークが消滅した後、急速に脱イオン化されることが可能なスイッチを前記高速機械電気スイッチとして用いることにより、前記接点が離れるように移動を始めかつそれ故それらの間に電気アークが生ずることによって非接続動作を開始し、そして接点が移動を始めることに対して一定の遅延をもって前記スイッチング素子の照射を開始し、そしてこのデバイスの非接続状態を高速に達成することができる。このように電気アークは発生するが、しかし非接続状態を得るまでの短い時間間隔の期間中にスイッチング素子を十分に照射することができるであろう。前記時間は、前記接点の間の間隙を脱イオン化しそして前記照射が止んだ時に電気アークが再点火するのを防止するのには十分に長い時間である。また先行技術に比べて、デバイスが導電状態になる時に、スイッチング素子が照射されしたがって過渡的電流が全くなく機械電気スイッチが閉じることができるという大きな利点が得られる。
【００１６】
このように本発明は、回路の開閉に対して機械的動作にだけ頼るのではなく、およびコストが高くそして損失の大きい従来の電力用半導体部品をそれに接続して用いるのではなくて、機械電気スイッチとその導電率が照射により制御される分路素子とがその代わりに用いられるという原理に基づいている。着目する動作期間中の電気的ストレスおよび熱的ストレスから機械接点を解放するこの方法は、非常に高速の遮断が得られるようにブレーカを構成することができることを意味する。このスイッチング・デバイスは交流電流と直流電流との両方に対して十分に機能するであろう。
【００１７】
本発明の好ましい実施例に従い、前記機械電気スイッチは真空遮断器である。真空遮断器を用いることはこの形式の電気スイッチング・デバイスにおいて非常に好ましい。それは、接点の間の間隙が１０μｓのような非常に短い時間内に脱イオン化することができるからである。このことは、真空遮断器の中の接点からの金属の蒸気の中で電気アークが発火するという事実によっている。いまの場合分路素子を閉じることにより電流が取り去られる時、金属の蒸気が流出しそして遮断器の内壁およびそれと同等の部分に付着し、したがって間隙を通って電流を流すイオンが存在しなくなり、そして遮断が完了する。このことは、比較的に短い時間間隔の期間中にスイッチング素子を十分に照射しなければならないことを意味し、したがって分路素子を制御するのに必要なエネルギは少量である。このことはまた、短い時間間隔の期間中だけ照射を行うことができる例えば光源のような新しい形式の照射源を用いることが可能であることを意味する。さらに、照射源に及ぼす熱的ストレスもまた減少する。
【００１８】
本発明の好ましいまた別の実施例に従い、前記デバイスは制御装置を有する。この制御装置は、非接続になる時、最初に第１電気スイッチの接点が離れるように移動するように制御することに適合しており、および第１電気スイッチの接点がこのスイッチの閉じた位置から接点間の最大距離までの経路の少なくとも大部分を移動した時に第１電気スイッチの接点が閉じた位置からその最大に離れた位置にまで移動するのに必要な時間に比べて短い時間間隔の間、スイッチング素子を照射することにより十分な導電性を有する電流路を形成するように第２電気スイッチを制御することに適合している。このことは、スイッチング素子を制御するのに必要なエネルギは少量であることを意味する。この素子に及ぼす熱的負荷は比較的に小さいであろう。
【００１９】
すぐ前記で説明した実施例をさらに発展した本発明の好ましいまた別の実施例に従い、接点の間の最大距離までの前記大部分は接点の間の最大距離までの経路の主要部分である。スイッチング素子を通るバイパスを達成するために接点の移動の期間中を長く待つことにより、前記接点の間の間隙を脱イオン化するためにスイッチング素子の短い時間間隔の照射の後、非常に高い電圧を信頼性をもって遮断することができる。
【００２０】
本発明の好ましいまた別の実施例に従い、第１機械スイッチの接点が離れるように移動する終端においてスイッチング素子を照射することにより、十分な導電性を有する電流路を形成するように第２電気スイッチを制御できるよう前記制御装置が構成されている。このことは、このデバイスにより高電圧を信頼性をもって遮断するために前記照射に対して要求されるエネルギは最小限であることを意味する。
【００２１】
本発明の好ましいまた別の実施例に従い、前記スイッチング素子の照射時間は、非接続になる時、第１機械スイッチの接点が閉じた位置から最大距離にまで離れた位置に移動するのに要する時間の１／１０以下であり、好ましくは１／５０以下である。このことは、機械スイッチの中にいかなる電気アークの形成も受け入れられずそして前記接点がその閉じた位置から開放位置までの移動の全体にわたって十分な導電性を有する電流路によるバイパスが保持される場合に関して、前記スイッチング素子の照射に必要なエネルギは非常に小さいことを意味する。スイッチング素子の照射時間の長さと機械スイッチの接点が閉じた位置から最大距離に離れた位置にまで移動するのに要する時間との間の非常に好ましい可能な関係は、本発明の１つの好ましい実施例に従い、約１０μｓから１ｍｓである。
【００２２】
本発明の好ましい実施例に従い、価電子帯と伝導帯との間のエネルギ・ギャップが少なくとも２．５ｅＶである材料で作成された少なくとも１個の層をスイッチング素子が有する。このような「バンド・ギャップの大きい材料」に適合しているのは例えばＳｉＣ、ダイヤモンド、ＡｌＮ、ＧａＮおよびＢＮである。特に、ＳｉＣまたはダイヤモンドで作成されたこのようなスイッチング素子は、これらの材料の特性により、この形式の電気スイッチング・デバイスに非常に好ましい。これらの２つの材料はいずれも非常に高いブレークダウン電圧を有し、したがってこのようなスイッチング素子は、照射されていない時、従来において用いられた半導体材料で作成されたこのようなスイッチング素子よりも大幅に高い電圧を保持することができる。このことは、非常に高い電圧を保持するために従来の材料のこのようなスイッチング素子を用いるよりも、直列接続された複数個のこのようなスイッチング素子または直列接続された少数個のこのようなスイッチング素子を通常は必要とするであろう電圧を、１個のこのようなスイッチング素子が保持することができることを意味する。さらに、ＳｉＣとダイヤモンドはいずれも１０００Ｋまでの非常に高い温度で安定である。大電力を処理しなければない時、このことは非常に有用である。
【００２３】
本発明の好ましいまた別の実施例に従い、スイッチング素子は光導電素子である。このスイッチング素子を制御することは容易である。
【００２４】
本発明の好ましいまた別の実施例に従い、前記第２電気スイッチは直列に接続された複数個の前記スイッチング素子を有する。このことは、このデバイスは非常に高い電圧を遮断する時、十分に機能することを意味する。
【００２５】
本発明の好ましいまた別の実施例に従い、このデバイスは、直列に接続され、かつそれらと並列に接続された第２の電気スイッチを有する最初に述べた複数個の高速機械電気スイッチを有する。このようなデバイスは非常に大きな電力を処理するのに用いることができ、そしてその場合、高速機械電気スイッチはこのデバイスの第２電気スイッチと共に同時に制御されることが好ましい。
【００２６】
本発明の好ましいまた別の実施例に従い、少なくとも１個のバリスタが第１電気スイッチおよびスイッチング素子と並列に接続される。誘導性の負荷を遮断する時に発生するであろう過大電圧は前記バリスタの中に電流を誘起し、そしてこのバリスタの中で磁気エネルギが吸収される。したがって、遮断された回路の中に蓄えられることが可能な磁気エネルギを吸収するのに、バリスタが用いられる。
【００２７】
本発明の好ましいまた別の実施例に従い、前記で説明した本発明のいづれかの実施例に従う電気スイッチング・デバイスを用いて、電力プラントの中に含まれる電力ネットワークまたは他の装置に又はこれらから、それぞれ電力プラントの中の対象体を接続および非接続を行うことができる。これは、この形式の電気スイッチング・デバイスの好ましい利用法である。それは、対象体を高速に接続するおよび非接続にする問題点がそこでは特に強調されているからである。
【００２８】
本発明により、高速機械電気スイッチの手段により、負荷の電気的非接続を実行する方法、特に大電力の非接続を実行する方法が得られる。ここでは、第１機械電気スイッチに並列に接続されそして照射光源とこの照射に敏感なスイッチング素子とを有する第２電気スイッチは、第１電気スイッチの接点が閉じた位置から最大距離に離れた位置までの経路の大部分を移動した後、照射光源によりそれが照射されることにより第１電気スイッチをバイパスする十分な導電性を有する電流路を形成する。したがってこの時、スイッチング素子は絶縁体状態から導電体状態に進み、そして前記スイッチング素子の導電体状態の期間中に第１電気スイッチが脱イオン化される。この方法は、可能な照射光源と、前記で説明したその照射によりスイッチング素子を適切に制御するのに必要なエネルギが少ないこととに関して、前記で説明した利点を有する。
【００２９】
本発明のこの他の利点および好ましい特徴は、下記説明およびその他の請求項から容易に理解される。
【００３０】
下記において添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施例を例として取り上げて詳細に説明する。
【００３１】
（本発明の好ましい実施例の詳細な説明）
図１は、本発明の好ましい第１実施例に従う電気スイッチング・デバイス１の概要図である。このデバイスは、発電装置のようなスイッチされる対象体２を有する電力プラントの中に配置される。この対象体は、線路３を通して、外部電力供給ネットワーク４に接続される。この電気スイッチング・デバイスは、対象体にスイッチングを行うために配置される、すなわち対象体２と電力ネットワーク４とを接続または非接続にするために配置される。けれども、対象体の前記スイッチングは電力プラントの他のすべての部分に対して行うことができることを強調しておく。ネットワークに対して対象体２を非接続にすることは、ネットワークまたは装置からの故障電流に対して対象体を保護する、または対象体に向かう大きな故障電流により生ずる電圧および動作の乱れに対してネットワーク／装置を保護するの両方のために行うことができる。
【００３２】
このスイッチング・デバイスは、２個の接点を備えた高速機械スイッチの形式の第１電気スイッチ５を有する。この第１電気スイッチ５の２個の接点は、このスイッチを閉じるように相互に接触するおよび相互に離れる方向に移動するように制御される。この機械スイッチはこの場合は、スイッチの接点が離れる際その間に発生する電気アークが消滅した後、高速に脱イオン化することができるスイッチである。そしてこのスイッチは、この実施例では真空遮断器であることができる。第１電気スイッチ５と並列に第２電気スイッチ６が接続される。の第２電気スイッチ６は、光導電素子７の形式のスイッチング素子を有する。第２電気スイッチはまた、素子７を照射することに適合した照射光源８を備えている。照射光源８は素子７を照射している間、素子７を導電状態にする。スイッチング素子７に対する照射が止むとすぐに、このスイッチング素子は「開放」状態になり、したがって非導電の阻止状態になるであろう。したがってこのスイッチング素子は、前記素子から電気的に分離された装置である照射光源により制御される。
【００３３】
さらにこのデバイスは、光源８および機械スイッチ５を制御するのに適合した制御ユニット９を有する。このユニットはセンサ１０に接続される。センサ１０は、線路３に過大電流が現れたことを指示するパラメータを検出するのに適合している。
【００３４】
機械スイッチ５と並列にバリスタ１１が接続される。バリスタ１１の機能は下記で詳細に説明されるであろう。
【００３５】
この電気スイッチング・デバイスは従来の回路ブレーカに比べて非常に高速に動作する。このことは、線路３の中の故障電流がその最高レベルにまで上昇しないことを意味する。整流回路を適切に設計することにより、整流回路のインダクタンスおよび整流時間を可能な限り小さくすることがまた好ましい。
【００３６】
図３〜図７は、過大電流がセンサ１０により検出される時および制御ユニット９がこのスイッチング・デバイスを制御して対象体２をネットワーク／装置４から非接続にする時に何が起こるかを示した図である。過大電流の検出のための時刻に対応する時刻ｔ₁において、真空遮断器が接点を分離することを開始するように制御される。これらの接点は、２個の接点の間の距離を示す図３の直線に従って離れるように移動する。このようにして時刻ｔ₂に、接点が最大距離にまで離れた位置に到達する。時刻ｔ₂は時刻ｔ₁よりも約１ｍｓ後であるであろう。図５は、分離が開始した時刻（ｔ₁）の後もまた、真空遮断器の接点の間で電流Ｉ₁（図２をまた見よ）が電気アークの形式でどのように流れ続けるかを示している。時刻ｔ₃に光源８が制御されてスイッチング素子７の照射を開始する。時刻ｔ₃では、真空遮断器の接点は接点間の最大距離ｘ₁までの経路の大部分を移動している。いまの場合、ｔ₃は、接点が離れる移動の終点のすぐ近くにある、すなわちこの移動の最後の１０μｓの期間内にある。図４は、前記照射の結果としてスイッチング素子の導電率σがどのように変化するかを示した図である。図６は、スイッチング素子７を流れる電流Ｉ₂が時間と共にどのように変化するかを示した図である。スイッチング素子７は、１０μｓのような短い時間間隔の間だけ照射される。この時に、ネットワーク／装置４に対する対象体の非接続が完了するであろう。図７は、バリスタ１１を流れる電流Ｉ₃が時間と共にどのように変化するかを示した図である。図に示されているように、スイッチング素子の照射が止んだ後の短い時間間隔の間、バリスタは伝導状態にあり、そしてＩ３が消滅した時に遮断が完了する。
【００３７】
並列に接続された２個の電気スイッチをこのように制御する結果は下記の通りである。真空遮断器５の接点が離れるように移動を開始する時、これらの接点の間の間隙に電気アークが形成される。照射光源８が時刻ｔ３にスイッチング素子７の照射を開始する時、真空遮断器をバイパスする十分な導電性を有する電流路が形成され、したがって電流はスイッチング素子を通って代わって流れるであろう。このことは、真空遮断器の中の電気アークが消滅しそしてその接点の間の間隙が高速に脱イオン化されることを意味する。すなわち、接点の近傍で電気アークから生ずる金属蒸気が消滅しそして真空遮断器の内壁に付着するとすぐに、その内部が真空になることを意味する。このことは、１０μｓの程度の短い時間間隔の間に達成されるであろう。スイッチング素子７の照射が止む時、スイッチング素子７（分路素子）の中で電流路の電気的遮断が起こり、そしてその後、真空遮断器の接点の間の間隙に電流が戻ることはないであろう。それは、この間隙の中は完全な真空であるからである。そして、遮断すなわち非接続が完了するであろう。このことは、非接続工程の期間中の電気的または熱的なストレスの大部分がスイッチング素子７により引き受けられるであろうことを意味する。残っている可能性のある磁気エネルギはバリスタ１１の中に吸収される。したがって、電気アークが電気機械スイッチの中に形成されることを許容することができ、そしてなお、このスイッチング・デバイスにより非常に高速の非接続を得ることができる。それは、電気アークの消滅の後に急速に脱イオン化が可能な機械電気スイッチが用いられ、したがって間隙を脱イオン化しそして遮断を完了するための短い時間間隔の間に、デバイスを流れる電流を光導電スイッチング素子に転ずることが十分にできるからである。このことは、間隙の間に例えば空気がある従来のスイッチでは可能ではないであろう。それは、その場合には機械スイッチから電流を除去するのに、間隙の中のプラズマが冷却するような長い時間が必要であろうからである。このプラズマが冷却するにはかなりの時間を要するであろう。スイッチング素子７の照射により非接続を得るのに必要な時間間隔が短いことは大きな利点である。それは、このことが照射光源８を制御するのに少量のエネルギが要求されることを意味するからである。このことはまた、照射光源に作用する熱ストレスが減少することを意味し、そして短い時間間隔の間だけ照射することができる新しいタイプの照射光源を用いることができることを意味する。このことはまた、付加的なコストが節約できることを意味する。
【００３８】
図８は、その脱イオン化の後に電気アークが再点火することなく、間隙の両端に戻ってくる最大電圧Ｕが２個の接点の間の距離ｘによりどのように変化するかを示した図である。ここで、ａは空気の間隙の場合、ｂはＳＦ₆の間隙の場合、ｃは真空遮断器の場合のように真空の間隙の場合である。図８から分かるように、接点が離れるように移動を開始する際、間隙が耐えるこの電圧は真空の間隙の場合に最も急速に増大する。他方このことは、この電圧が空気またはＳＦ₆の場合よりも速く受入れ可能なレベルを有するであろうことを意味し、したがって過大電流の検出に対する時点に近い時刻ｔ₂に遮断を得ることが可能である。したがって、そのマイナスの影響はすべて低減される。
【００３９】
図１０は、本発明の好ましい第２実施例に従う電気スイッチング・デバイスの一部分の概要図である。この実施例は図１および図２に示された実施例に比べて、１個の機械スイッチ５と並列に、直列接続された２個のスイッチング素子７、７′が配置されている点が異なる。これらのスイッチング素子のおのおのに１個の照射光源８、８′が配置される。このことは、これらのスイッチング素子のブレークダウン電圧がこのスイッチング・デバイスが高電圧を保持する性能を制限しないであろうことを意味する。もちろん、高電圧を保持する性能を改良するために、必要な数のスイッチング素子を直列に接続することが可能である。磁気エネルギを吸収するために、および非接続の際に平等に発生する電力および電圧を２個のスイッチング素子７、７′が分担することが確実に得られるために、スイッチング素子のおのおのの両端にＲＣ回路１１′が接続されることが好ましい。このＲＣ回路はまたバリスタで置き換えることもできる。スイッチング素子７とネットワーク／装置４との間に非接続器を配置することができること、および非接続の状態においてスイッチング素子からの電気的な分離を達成するためにネットワーク／装置から対象体２を非接続にした後、１個または複数個のスイッチング素子からネットワーク／装置４を非接続にするように非接続器を制御することができることを断っておく。
【００４０】
図１１は、本発明のまた別の好ましい実施例の一部分の概要図である。この場合には、２個の機械的電気スイッチ５、５′が直列に接続され、そして１個のスイッチング素子７がこれらの機械スイッチの両端に接続される。スイッチング素子の材料が真性ダイヤモンドを用いた場合のように非常に高いブレークダウン電圧を有している時、したがってこのスイッチング素子により非常に高い電圧を保持することができる時、この実施例は興味深い実施例である。
【００４１】
図１２は、本発明のさらに別の好ましい実施例の一部分の概要図である。この実施例は、２個のスイッチング素子７、７′を照射するのに１個の照射光源８が用いられている点が図１０に示された実施例と異なる。もちろん、１個の照射光源を配置して３個以上のスイッチング素子を照射することも可能である。
【００４２】
図１３は、本発明のまたさらに別の好ましい実施例の一部分の概要図である。この場合には、２個の機械的電気スイッチ５、５′が直列に接続され、そして機械スイッチのおのおのの両端に２個のスイッチング素子７、７′が接続される。したがって、このデバイスはさらに高い電圧を処理するのに適切である。
【００４３】
個々のスイッチング素子のスイッチング特性は用いられる材料によって変わることに注目しなければならない。したがって、これらのスイッチにＳｉＣ、真性ダイヤモンド、ＡｌＮ、ＧａＮまたはＢＮのような「バンドギャップの大きい材料」を用いることにより、非常に高い電圧、例えば１０ｋＶの領域またはさらに高い電圧、を保持することができるスイッチが得られるであろうことに注目されたい。したがって、直列に接続されるスイッチング素子の数およびそれらを制御する装置の複雑さおよびそのコストを減少させることができる。このようなスイッチング素子の材料として、Ｓｉをまた用いることができる。
【００４４】
本発明は前記で説明した好ましい実施例にもちろん限定されるわけではなく、請求項に記載された本発明の基本的概念の範囲内において、多くの変更実施例が可能であることは当業者には容易に理解されるであろう。
【００４５】
スイッチング素子、機械スイッチその他の数は、もちろん任意に変えることができる。
【００４６】
照射光源は、例えば可視光線、ＵＶ光線、ＩＲ光線、または（例えばレーザからの）任意の形式のコヒーレント光線、電子ビーム、イオン・ビーム、ｘ線などを用いた任意の形式の光源であることができる。
【００４７】
最後に、本発明によるスイッチング・デバイスは過大電流を遮断するのに用いられるだけではなく、また正常動作状態における電流路を遮断および設定するのにも用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい第１実施例に従う電気スイッチング・デバイスの最も本質的な部分の概要図である。
【図２】図３〜図９に関連して本発明に従うスイッチング・デバイスの機能を説明するために用いられた図１に従うスイッチング・デバイスの一部分の概要図である。
【図３】図１に従う電気スイッチング・デバイスが非接続になる時、該電気スイッチング・デバイスの機械的電気スイッチ中の２個の接点の間の距離ｘを時間の関数として示した図である。
【図４】電気スイッチング・デバイスが負荷を非接続にする時、図１に従うデバイスの中の光導電スイッチング素子の導電率を時間の関数として示した図である。
【図５】電気スイッチング・デバイスが負荷を非接続にする時、図１に従うデバイスの機械的電気スイッチを流れる電流Ｉ₁を時間の関数として示した図である。
【図６】電気スイッチング・デバイスが負荷を非接続にする時、図１に従うデバイスのスイッチング素子を流れる電流Ｉ₂を時間の関数として示した図である。
【図７】電気スイッチング・デバイスが負荷を非接続にする時、図１に従うデバイスのバリスタを流れる電流Ｉ₃を時間の関数として示した図である。
【図８】異なる環境の中にある接点に対して、電気機械スイッチが耐えることができる戻り電圧をその接点の間の距離の関数として示した図である。
【図９】真空遮断器が閉じた状態から開放された状態に進む時および遮断器が接点の間の間隙にまた別の媒体を有する時、電気機械スイッチの遮断を危険にさらすことなく受入れ可能な戻り電圧の変化を時間の関数として示した図である。
【図１０】本発明の第２実施例に従う電気スイッチング・デバイスの概要図である。
【図１１】本発明の第３実施例に従う電気スイッチング・デバイスの概要図である。
【図１２】本発明の第４実施例に従う電気スイッチング・デバイスの概要図である。
【図１３】本発明の第５実施例に従う電気スイッチング・デバイスの概要図である。[0001]
(Technical Field of the Invention and Prior Art)
The present invention relates to an electrical switching device having a high speed mechanical electrical switch. This device is primarily intended to disconnect large amounts of power, for example when an overcurrent occurs.
[0002]
The invention also relates to a method for performing electrical disconnection of a load according to the preamble of the claimed method.
[0003]
More precisely, the purpose of this device is to connect and disconnect parts of it from or to other equipment contained in the power plant or to the objects connected to it, in the power plant or power network. Is to connect and disconnect objects. Therefore, the term “object” is used in a broad sense. The “subject” herein includes all devices and devices included in the power plant and power network, and also includes all parts of the power plant and / or power network.
[0004]
As an example, the object can be an electrical device having a magnetic circuit, such as a generator, a transformer or a motor. Other objects such as power lines and cables, switchgears, and the like can also be considered. The present invention is intended to be used for medium and high voltages. According to IEC standards, medium voltage means 1-72.5 kV, while high voltage means> 72.5 kV. Therefore, a transmission level, a lower transmission level, and a distribution level are included.
[0005]
In power plants, known circuit breakers, eg SF ₆ A breaker, an oil breaker or a so-called vacuum breaker is usually used for connecting and disconnecting an object of interest. In some rare cases where very high speeds are required, semiconductor “breakers” such as thyristors or IGBTs can be used.
[0006]
All of the above circuit breakers are designed such that an electrical separation between two metal contacts (arcing contacts) occurs when breaking. The current to be interrupted between the two metal contacts continues to flow as an arc. In this case, interruption or interruption is achieved by configuring the breaker so that this arc is extinguished when the current passes through zero, ie when the current through the breaker reaches zero and changes polarity. The current through the breaker reaches zero and changes polarity occurs twice every 20 milliseconds in a 50 Hz network. Thus, these circuit breakers function only for alternating currents and not for direct currents that do not pass through zero.
[0007]
A circuit breaker having a configuration according to the above will cut off both in the case of most interruptions with a relatively moderate current, so-called operating current, but also in the case of interruptions with a large overcurrent, fault current. Must be designed to be able to do.
[0008]
Circuit breakers must be designed to handle large amounts of energy when interrupting excessive current in the arc between arcing contacts. The gap between the contacts is very large for a short time interval after the current has been successfully interrupted so that arc reignition is avoided, i.e. to ensure that the interrupt remains persistent. Must have strength.
[0009]
Circuit breaker, eg SF ₆ Breakers, oil breakers or so-called vacuum breakers have a relatively complex structure because they must handle large heat loads and large electric loads in one and the same critical region during a short time interval. And the shut-off time will be relatively long.
[0010]
The overcurrent that is primarily aimed here is a short circuit current that occurs in the connection to the object to be switched, for example as a result of a failure in the electrical insulation system of the object to be switched. Such a failure means that the external network / device fault current (short circuit current) will tend to flow through the arc. This can lead to failure. It can also be mentioned that the standard for the maximum short circuit current (fault current) of the Swedish power network is 63 kA. The short circuit current may actually be 40-50 kA.
[0011]
One problem with the circuit breaker is its long shut off time. The maximum shut-off time (IEC standard) for shut-off to be fully performed is 150 milliseconds (ms). It is very difficult to reduce the interruption time to 90 to 130 ms or less depending on the operating state. As a result, during the entire time period required for the circuit breaker to shut off, if there is a fault in it, a very large current will flow through the object being switched. The sum of the fault currents in the external power network means that there is considerable stress on the objects switched during this time interval. During this time interval, network operation will also be disturbed. Therefore, other devices connected to this network will also be greatly disturbed or severely damaged. Operate and manage the short circuit current / fault current during the circuit breaker shutdown time without causing any of the previously described damage to avoid damage to the switched object and overall breakdown This is configured so that it can. The need to construct an object that is switched so as to be able to take on the short circuit current / fault current for a considerable amount of time results in significant drawbacks that make the construction more expensive and degrade the characteristics. With respect to disruption of the network and the devices connected to it, there is no immediate integration of protection into the network, so each manufacturer must protect sensitive devices with “backup” and network stabilization devices. Don't be. More sensitive devices such as microprocessor-based systems, such as communication and computer systems, often require significant costs to restart.
[0012]
Semiconductor power devices such as thyristors, MOSFETs, and IGBTs cannot withstand the voltage of interest by themselves, and therefore many of them must be connected in series. In high voltage applications, about 100 such parts must be connected in series. In order to operate reliably, that is, to evenly distribute the voltage and power to the components, the control system of the device is complicated. When using semiconductor parts made of silicon, the losses are also relatively high and require efficient cooling. This is because if it is not cooled, the parts may thermally break down. The overall system that individually controls, regulates and cools all the components connected in series with respect to individual voltage levels tends to be very complex, thus increasing the overall cost of the system. Its cost can greatly exceed the cost of circuit breakers, and the use of such semiconductor components in power plants and networks is generally excluded for the applications discussed here.
[0013]
(Summary of the Invention)
The object of the present invention makes it possible to obtain better switching and less stress on the switched object and also less disturbance on the networks and devices connected to it, and in this situation It is to obtain devices and methods that are cost effective.
[0014]
This object is obtained according to the invention by providing a device according to the features of claim 1. Here, the second electrical switch is designed such that a switching element, referred to below as a shunt element, is connected in parallel with the first electrical switch. Said first electrical switch is in the form of a high-speed mechanical electrical switch, so that its contact is a contact with metal conductivity. The shunt element is designed so that it can become conductive, for example, when irradiated with a light beam or an electron beam. When disconnection or disconnection is performed, the shunt element is subjected to the aforementioned irradiation, so that the shunt element becomes conductive, and the mechanical switch performs disconnection without significant thermal or electrical load. Can be controlled. When the breaker is at a remote position, it is preferred that irradiation to the shunt element stops. Stopping irradiation to the shunt element means that the conductivity of the element decreases.
[0015]
After the electrical arc generated when the contact of the mechanical switch leaves, the switch that can be deionized rapidly is used as the high-speed mechanical electrical switch to start moving the contact away. And therefore initiates a disconnected operation by the occurrence of an electric arc between them, and starts irradiating the switching element with a certain delay relative to the contact starting to move, and the disconnected state of the device Can be achieved at high speed. Thus, an electric arc is generated, but the switching element could be sufficiently illuminated during a short time interval until a disconnected state is obtained. The time is long enough to deionize the gap between the contacts and prevent the electric arc from reigniting when the irradiation stops. Compared to the prior art, there is also the great advantage that when the device becomes conductive, the switching element is illuminated and therefore there is no transient current and the mechano-electric switch can be closed.
[0016]
Thus, the present invention does not rely solely on mechanical operation for circuit opening and closing, and rather than using conventional power semiconductor components that are costly and lossy in connection with them. It is based on the principle that a switch and a shunt element whose conductivity is controlled by irradiation are used instead. This method of releasing the mechanical contacts from electrical and thermal stresses during the operating period of interest means that the breaker can be configured to provide a very fast interruption. This switching device will work well for both alternating current and direct current.
[0017]
According to a preferred embodiment of the present invention, the mechanical electrical switch is a vacuum circuit breaker. The use of a vacuum circuit breaker is highly preferred in this type of electrical switching device. This is because the gap between the contacts can be deionized within a very short time such as 10 μs. This is due to the fact that an electric arc ignites in the metal vapor from the contacts in the vacuum circuit breaker. In this case, when the current is removed by closing the shunt element, the metal vapor flows out and adheres to the inner wall of the circuit breaker and its equivalent, so there are no more ions that carry the current through the gap, And the interruption is completed. This means that the switching element must be adequately illuminated during a relatively short time interval, so that less energy is required to control the shunt element. This also means that it is possible to use a new type of irradiation source, such as a light source, which can be irradiated only during a short time interval. Furthermore, the thermal stress on the irradiation source is also reduced.
[0018]
According to another preferred embodiment of the invention, the device comprises a controller. The control device is adapted to initially control the first electrical switch contact to move away when disconnected, and the first electrical switch contact is in the closed position of the switch. A short time interval compared to the time required to move the contact of the first electrical switch from the closed position to its maximum distant position when moving at least most of the path from to the maximum distance between the contacts. In the meantime, the second electric switch is adapted to form a current path having sufficient conductivity by irradiating the switching element. This means that less energy is required to control the switching element. The thermal load on this element will be relatively small.
[0019]
In accordance with another preferred embodiment of the present invention, which has been further developed immediately above, the majority up to the maximum distance between the contacts is the main part of the path up to the maximum distance between the contacts. By waiting a long time during the movement of the contacts to achieve a bypass through the switching element, a very high voltage is applied after a short time interval irradiation of the switching element to deionize the gap between the contacts. It can be shut down with reliability.
[0020]
According to another preferred embodiment of the present invention, the second electrical switch is formed so as to form a current path with sufficient conductivity by irradiating the switching element at the terminal end where the contacts of the first mechanical switch move away. The control device is configured to control the above. This means that the energy required for the irradiation in order to reliably block high voltages with this device is minimal.
[0021]
According to another preferred embodiment of the present invention, the irradiation time of the switching element is the time required for the contact of the first mechanical switch to move away from the closed position to the maximum distance when disconnected. Of 1/10 or less, and preferably 1/50 or less. This means that any electrical arc formation in the mechanical switch is not accepted and the bypass is maintained by a current path that has sufficient conductivity throughout the movement of the contact from its closed position to its open position. For the above, it means that the energy required for the irradiation of the switching element is very small. The highly preferred possible relationship between the length of irradiation time of the switching element and the time required for the mechanical switch contacts to move from a closed position to a position that is a maximum distance away is one preferred implementation of the present invention. According to an example, about 10 μs to 1 ms.
[0022]
In accordance with a preferred embodiment of the present invention, the switching element has at least one layer made of a material having an energy gap between the valence band and the conduction band of at least 2.5 eV. For example, SiC, diamond, AlN, GaN and BN are suitable for such “material having a large band gap”. In particular, such switching elements made of SiC or diamond are highly preferred for this type of electrical switching device due to the properties of these materials. Both of these two materials have a very high breakdown voltage, so that such switching elements, when not illuminated, are more than such switching elements made of conventionally used semiconductor materials. A significantly higher voltage can be maintained. This means that a plurality of such switching elements connected in series or a small number of such connected elements are used rather than using such switching elements of conventional materials to hold very high voltages. It means that one such switching element can hold a voltage that would normally require a switching element. Furthermore, both SiC and diamond are stable at very high temperatures up to 1000K. This is very useful when high power must be handled.
[0023]
In accordance with another preferred embodiment of the present invention, the switching element is a photoconductive element. It is easy to control this switching element.
[0024]
According to still another preferred embodiment of the present invention, the second electrical switch has a plurality of the switching elements connected in series. This means that the device works well when interrupting very high voltages.
[0025]
In accordance with another preferred embodiment of the present invention, the device has a plurality of high-speed mechanical electrical switches as described above having a second electrical switch connected in series and connected in parallel therewith. Such a device can be used to handle very large power, and in that case, the high speed mechanical electrical switch is preferably controlled simultaneously with the second electrical switch of the device.
[0026]
According to another preferred embodiment of the invention, at least one varistor is connected in parallel with the first electrical switch and the switching element. The overvoltage that will occur when interrupting an inductive load induces a current in the varistor, and magnetic energy is absorbed in the varistor. Thus, a varistor is used to absorb the magnetic energy that can be stored in the interrupted circuit.
[0027]
According to another preferred embodiment of the present invention, an electrical switching device according to any of the embodiments of the present invention described above is used to or from a power network or other equipment contained in a power plant, respectively. Objects in the power plant can be connected and disconnected. This is the preferred use of this type of electrical switching device. This is because the problem of connecting and disconnecting objects at high speed is particularly emphasized there.
[0028]
The present invention provides a method for performing an electrical disconnection of a load, particularly a method for performing a high power disconnection, by means of a high speed mechanical electrical switch. Here, a second electrical switch connected in parallel to the first mechanical electrical switch and having an illumination light source and a switching element sensitive to this illumination is located at a maximum distance from the position where the contacts of the first electrical switch are closed. After the most part of the path is moved, it is irradiated by the irradiation light source to form a current path having sufficient conductivity to bypass the first electrical switch. Therefore, at this time, the switching element proceeds from the insulator state to the conductor state, and the first electrical switch is deionized during the conductor state of the switching element. This method has the advantages described above with respect to the possible illumination light source and the low energy required to properly control the switching element by the illumination described above.
[0029]
Other advantages and preferred features of the invention will be readily apparent from the following description and other claims.
[0030]
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0031]
Detailed Description of the Preferred Embodiments of the Invention
FIG. 1 is a schematic diagram of an electrical switching device 1 according to a first preferred embodiment of the present invention. This device is arranged in a power plant having a switched object 2 such as a power generator. This object is connected to the external power supply network 4 through the line 3. This electrical switching device is arranged for switching the object, i.e. for connecting or disconnecting the object 2 and the power network 4. However, it is emphasized that the switching of the object can be performed for all other parts of the power plant. Disconnecting the object 2 from the network protects the object against fault currents from the network or device, or the network against voltage and operational disturbances caused by large fault currents towards the object. / To protect the device.
[0032]
This switching device has a first electrical switch 5 in the form of a high-speed mechanical switch with two contacts. The two contacts of the first electrical switch 5 are controlled to contact each other and move away from each other to close the switch. In this case, the mechanical switch is a switch that can be deionized at a high speed after the electric arc generated while the contact of the switch leaves is extinguished. And this switch can be a vacuum circuit breaker in this embodiment. A second electrical switch 6 is connected in parallel with the first electrical switch 5. The second electrical switch 6 has a switching element in the form of a photoconductive element 7. The second electrical switch also comprises an illumination light source 8 adapted to illuminate the element 7. While the irradiation light source 8 irradiates the element 7, the element 7 is made conductive. As soon as the irradiation to the switching element 7 stops, this switching element will be in an “open” state and therefore a non-conductive blocking state. Therefore, the switching element is controlled by an irradiation light source which is a device electrically separated from the element.
[0033]
Furthermore, the device has a control unit 9 adapted to control the light source 8 and the mechanical switch 5. This unit is connected to the sensor 10. The sensor 10 is adapted to detect a parameter indicating that an excessive current has appeared on the line 3.
[0034]
A varistor 11 is connected in parallel with the mechanical switch 5. The function of the varistor 11 will be described in detail below.
[0035]
This electrical switching device operates very fast compared to conventional circuit breakers. This means that the fault current in the line 3 does not rise to its highest level. It is also preferable to minimize the inductance and rectification time of the rectifier circuit as much as possible by appropriately designing the rectifier circuit.
[0036]
3-7 show what happens when an overcurrent is detected by the sensor 10 and when the control unit 9 controls this switching device to disconnect the object 2 from the network / device 4. It is a figure. Time t corresponding to the time for detection of excessive current ₁ The vacuum circuit breaker is controlled to begin separating the contacts. These contacts move away according to the straight line in FIG. 3, which shows the distance between the two contacts. In this way, time t ₂ At the same time, the contact point reaches the maximum distance. Time t ₂ Is the time t ₁ Will be about 1 ms later. FIG. 5 shows the time (t ₁ ) Also after the current I between the contacts of the vacuum circuit breaker ₁ (See also FIG. 2) shows how it continues to flow in the form of an electric arc. Time t _Three The light source 8 is controlled to start irradiation of the switching element 7. Time t _Three Then the contact of the vacuum circuit breaker is the maximum distance x between contacts ₁ Travel most of the route to. In this case, t _Three Is in the immediate vicinity of the end point of the movement from which the contact leaves, ie within the last 10 μs of this movement. FIG. 4 is a diagram showing how the conductivity σ of the switching element changes as a result of the irradiation. FIG. 6 shows the current I flowing through the switching element 7. ₂ It is the figure which showed how changes with time. The switching element 7 is irradiated only for a short time interval such as 10 μs. At this time, the disconnection of the object to the network / device 4 will be completed. FIG. 7 shows the current I flowing through the varistor 11. _Three It is the figure which showed how changes with time. As shown in the figure, the varistor is in a conducting state for a short time interval after the irradiation of the switching element stops, and the shut-off is completed when I3 disappears.
[0037]
The result of controlling two electrical switches connected in parallel in this way is as follows. When the movement of the vacuum circuit breaker 5 starts to move away, an electric arc is formed in the gap between these contacts. When the illuminating light source 8 starts irradiating the switching element 7 at time t3, a sufficiently conductive current path is formed that bypasses the vacuum circuit breaker, so that current will flow through the switching element instead. This means that the electric arc in the vacuum circuit breaker disappears and the gap between the contacts is deionized at high speed. That is, it means that as soon as the metal vapor generated from the electric arc disappears in the vicinity of the contact and adheres to the inner wall of the vacuum circuit breaker, the inside becomes a vacuum. This will be achieved during a time interval as short as 10 μs. When the irradiation of the switching element 7 stops, an electrical interruption of the current path occurs in the switching element 7 (shunt element), and then no current returns to the gap between the contacts of the vacuum circuit breaker. Let's go. This is because the inside of this gap is a complete vacuum. Then the disconnection or disconnection will be completed. This means that most of the electrical or thermal stress during the disconnection process will be taken over by the switching element 7. Any magnetic energy that may remain is absorbed into the varistor 11. Thus, an electric arc can be allowed to be formed in the electromechanical switch and still a very fast disconnection can be obtained with this switching device. It uses a mechanical electrical switch that can be rapidly deionized after the extinction of the electric arc, thus photoconductive switching the current through the device during a short time interval to deionize the gap and complete the interruption. This is because it can be sufficiently turned into an element. This would not be possible with a conventional switch with, for example, air between the gaps. This is because in that case it would take a long time for the plasma in the gap to cool to remove the current from the mechanical switch. It will take considerable time for the plasma to cool. It is a great advantage that the time interval necessary for obtaining the disconnection by irradiation of the switching element 7 is short. This is because this means that a small amount of energy is required to control the illumination light source 8. This also means that the thermal stress acting on the illuminating light source is reduced and that a new type of illuminating light source can be used that can only illuminate for a short time interval. This also means that additional costs can be saved.
[0038]
FIG. 8 shows how the maximum voltage U returning across the gap varies with the distance x between the two contacts without the electric arc reigniting after its deionization. is there. Where a is an air gap and b is SF ₆ C is the case of a vacuum gap as in the case of a vacuum circuit breaker. As can be seen from FIG. 8, this voltage that the gap withstands increases most rapidly in the case of a vacuum gap when it begins to move away from the contacts. On the other hand, this means that this voltage is air or SF ₆ Means that it will have an acceptable level faster than in the case of ₂ It is possible to obtain a blocking. Therefore, all the negative effects are reduced.
[0039]
FIG. 10 is a schematic diagram of a portion of an electrical switching device according to a second preferred embodiment of the present invention. This embodiment is different from the embodiment shown in FIGS. 1 and 2 in that two switching elements 7 and 7 'connected in series are arranged in parallel with one mechanical switch 5. . One irradiation light source 8, 8 'is arranged for each of these switching elements. This means that the breakdown voltage of these switching elements will not limit the ability of this switching device to maintain a high voltage. Of course, in order to improve the performance of maintaining a high voltage, it is possible to connect as many switching elements as necessary in series. In order to absorb the magnetic energy and to ensure that the two switching elements 7, 7 'share the power and voltage that are generated evenly when disconnected, the two switching elements 7 and 7' An RC circuit 11 'is preferably connected. This RC circuit can also be replaced by a varistor. A disconnector can be placed between the switching element 7 and the network / device 4 and the object 2 is disconnected from the network / device to achieve electrical isolation from the switching element in the disconnected state. Note that after connection, the disconnector can be controlled to disconnect the network / device 4 from one or more switching elements.
[0040]
FIG. 11 is a schematic diagram of a portion of yet another preferred embodiment of the present invention. In this case, two mechanical electrical switches 5, 5 'are connected in series, and one switching element 7 is connected across the mechanical switches. This embodiment is an interesting implementation when the material of the switching element has a very high breakdown voltage, as in the case of using intrinsic diamond, and therefore can hold a very high voltage with this switching element. It is an example.
[0041]
FIG. 12 is a schematic diagram of a portion of yet another preferred embodiment of the present invention. This embodiment is different from the embodiment shown in FIG. 10 in that one irradiation light source 8 is used to irradiate two switching elements 7, 7 '. Of course, it is also possible to arrange one irradiation light source and irradiate three or more switching elements.
[0042]
FIG. 13 is a schematic diagram of a portion of yet another preferred embodiment of the present invention. In this case, two mechanical electrical switches 5, 5 'are connected in series, and two switching elements 7, 7' are connected to each end of each mechanical switch. This device is therefore suitable for handling higher voltages.
[0043]
It should be noted that the switching characteristics of the individual switching elements vary depending on the material used. Therefore, by using “high bandgap materials” such as SiC, intrinsic diamond, AlN, GaN or BN for these switches, it is possible to maintain very high voltages, for example in the region of 10 kV or even higher. Note that a possible switch will be obtained. Therefore, it is possible to reduce the number of switching elements connected in series and the complexity of the device for controlling them and its cost. Si can also be used as a material for such switching elements.
[0044]
The present invention is of course not limited to the preferred embodiments described above, but it will be apparent to those skilled in the art that many variations are possible within the scope of the basic concept of the invention as defined in the claims. Will be easily understood.
[0045]
Of course, the number of switching elements, mechanical switches, etc. can be varied arbitrarily.
[0046]
The illumination light source can be any type of light source using, for example, visible light, UV light, IR light, or any form of coherent light (eg, from a laser), electron beam, ion beam, x-ray, and the like. it can.
[0047]
Finally, the switching device according to the invention is not only used for interrupting excessive currents, but can also be used for interrupting and setting current paths in normal operating conditions.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of the most essential part of an electrical switching device according to a first preferred embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram of a portion of the switching device according to FIG. 1 used to explain the function of the switching device according to the invention in connection with FIGS.
FIG. 3 shows the distance x as a function of time between two contacts in a mechanical electrical switch of the electrical switching device when the electrical switching device according to FIG. 1 is disconnected.
FIG. 4 shows the conductivity of the photoconductive switching element in the device according to FIG. 1 as a function of time when the electrical switching device disconnects the load.
FIG. 5 shows the current I flowing through the mechanical electrical switch of the device according to FIG. 1 when the electrical switching device disconnects the load. ₁ Is shown as a function of time.
6 shows the current I flowing through the switching element of the device according to FIG. 1 when the electrical switching device disconnects the load. ₂ Is shown as a function of time.
7 shows the current I flowing through the varistor of the device according to FIG. 1 when the electrical switching device disconnects the load. _Three Is shown as a function of time.
FIG. 8 shows the return voltage that an electromechanical switch can withstand for contacts in different environments as a function of the distance between the contacts.
FIG. 9 is acceptable without jeopardizing the breaking of the electromechanical switch when the vacuum breaker goes from closed to open and when the breaker has another medium in the gap between the contacts. FIG. 6 is a diagram showing a change in return voltage as a function of time.
FIG. 10 is a schematic diagram of an electrical switching device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a schematic diagram of an electrical switching device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a schematic diagram of an electrical switching device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a schematic diagram of an electrical switching device according to a fifth embodiment of the present invention.

Claims

真空遮断器である高速機械電気スイッチ（第１の電気スイッチ）（５）と制御装置（９）を有する電気スイッチング・デバイスであって、
第２の電気スイッチ（６）は、第１の電気スイッチ（５）に並列に接続され、第２の電気スイッチは、照射光源（８）と少なくとも１つのスイッチング素子（７）とを有し、スイッチング素子は、照射に感応し、照射光源により照射されると第１の電気スイッチをバイパスすることにより十分な導電路を生成し、照射されない時には電気絶縁状態であり、第１の電気スイッチ（５）は、その接点が離れるとその間に生ずる電気アークが消滅した後に急速に非イオン化され、
前記制御装置（９）は、第２の電気スイッチ（６）を制御し、第１の電気スイッチの接点が閉じた位置から最大距離に離れた位置までの経路の大部分を移動した後その移動の終端において、スイッチング素子（７）に照射することにより十分な導電路を形成し、
スイッチング素子（７）は、ＳｉＣまたはダイヤモンドで形成された少なくとも１つの層を有する半導体デバイスであり、
第１の電気スイッチ（５）は、接点が閉じた位置から最大隔置位置まで移動するのに約１ｍｓを必要とし、十分な導電路を形成するスイッチング素子（７）を照射する時間長は、１０μｓの範囲内にあることを特徴とする前記スイッチング・デバイス。An electrical switching device having a high speed mechanical electrical switch (first electrical switch) (5) and a control device (9) which is a vacuum circuit breaker ,
The second electrical switch (6) is connected in parallel to the first electrical switch (5), the second electrical switch has an illumination light source (8) and at least one switching element (7), The switching element is sensitive to irradiation and generates a sufficient conductive path by bypassing the first electrical switch when irradiated by the irradiation light source. When the switching element is not irradiated, the switching element is electrically insulated, and the first electrical switch (5 ) is rapidly being non-ionized after extinguished electric arc generated therebetween when the contact leaves,
The control device (9) controls the second electrical switch (6), and moves after moving most of the path from the closed position of the first electrical switch to the position away from the maximum distance. A sufficient conductive path is formed by irradiating the switching element (7) at the end of
The switching element (7) is a semiconductor device having at least one layer formed of SiC or diamond ,
The first electrical switch (5) requires about 1 ms for the contact to move from the closed position to the maximum spaced position, and the time length for irradiating the switching element (7) that forms a sufficient conductive path is: Said switching device characterized in that it is in the range of 10 μs .

請求項１に記載のスイッチング・デバイスであって、
前記スイッチング素子（７）は、価電子帯と伝導帯との間のエネルギ・ギャップが少なくとも２．５ｅＶである材料で作成された少なくとも１つの層を有する半導体デバイスであることを特徴とする前記スイッチング・デバイス。A switching device according to claim 1, comprising:
The switching element (7) is a semiconductor device having at least one layer made of a material with an energy gap between the valence band and the conduction band of at least 2.5 eV ·device.

請求項１又は請求項２のいずれかに記載のスイッチング・デバイスであって、
前記スイッチング素子（７）は、光導電素子であることを特徴とする前記スイッチング・デバイス。A switching device according to claim 1 or claim 2 ,
The switching device, characterized in that the switching element (7) is a photoconductive element.

請求項１から３のいずれかに記載のスイッチング・デバイスであって、
前記第２の電気スイッチ（６）は、直列に接続された複数のスイッチング素子（７、７′）を有することを特徴とする前記スイッチング・デバイス。A switching device according to any one of claims 1 to 3 ,
Said switching device characterized in that said second electrical switch (6) comprises a plurality of switching elements (7, 7 ') connected in series.

請求項１から４のいずれかに記載のスイッチング・デバイスであって、
前記第１の電気スイッチは、直列に接続された複数の高速機械電気スイッチ（第１の電気スイッチ）（５、５′）を有し、第１の電気スイッチ（５、５′）のおのおのは、それらと並列に接続された第２の電気スイッチを有することを特徴とする前記スイッチング・デバイス。A switching device according to any one of claims 1-4 ,
The first electrical switch has a plurality of high-speed mechanical electrical switches (first electrical switches) (5, 5 ') connected in series, and each of the first electrical switches (5, 5') And a second electrical switch connected in parallel with them.

請求項１から４のいずれかに記載のスイッチング・デバイスであって、
前記第１の電気スイッチは、直列に接続された複数の高速機械電気スイッチ（第１の電気スイッチ）（５、５′）を有し、第１の電気スイッチ（５、５′）は、これと並列に接続された少なくとも１つの第２の電気スイッチを有することを特徴とする前記スイッチング・デバイス。A switching device according to any one of claims 1-4 ,
The first electrical switch has a plurality of high-speed mechanical electrical switches (first electrical switches) (5, 5 ') connected in series, and the first electrical switch (5, 5') Said switching device comprising at least one second electrical switch connected in parallel with the first and second electrical switches.

請求項１から６のいずれかに記載のスイッチング・デバイスであって、
前記デバイスが開放になる際に発生する可能性のある磁気エネルギを吸収する少なくとも１つの手段（１１）は、第１の電気スイッチ（５）およびスイッチング素子（７）と並列に接続されることを特徴とする前記スイッチング・デバイス。A switching device according to any of claims 1 to 6 , comprising:
At least one means (11) for absorbing magnetic energy that may be generated when the device is opened is connected in parallel with the first electrical switch (5) and the switching element (7). Said switching device characterized.

請求項７記載のスイッチング・デバイスであって、
磁気エネルギを吸収する前記手段は、バリスタ（１１）であることを特徴とする前記スイッチング・デバイス。A switching device according to claim 7 , comprising:
Said switching device, characterized in that said means for absorbing magnetic energy is a varistor (11).

請求項７記載のスイッチング・デバイスであって、
磁気エネルギを吸収する前記手段は、ＲＣ回路であることを特徴とする前記スイッチング・デバイス。A switching device according to claim 7 , comprising:
The switching device, wherein the means for absorbing magnetic energy is an RC circuit.

請求項１から９のいずれかに記載のスイッチング・デバイスであって、
前記スイッチング素子（７）および照射装置（８）は、電気的に相互に分離されていることを特徴とする前記スイッチング・デバイス。A switching device according to any of claims 1 to 9 , comprising:
The switching device, wherein the switching element (7) and the irradiation device (8) are electrically separated from each other.

請求項１から１０のいずれかに記載のスイッチング・デバイスであって、
１つ以上のスイッチング素子（７、７′）を照射するようになされた１つの照射光源（８）を有することを特徴とする前記スイッチング・デバイス。A switching device according to any of claims 1 to 10 , comprising
Said switching device, characterized in that it comprises one illumination light source (8) adapted to illuminate one or more switching elements (7, 7 ').

請求項１から１１のいずれかに記載のスイッチング・デバイスであって、
前記制御装置（９）は、第１の電気スイッチおよび第２の電気スイッチに接続され、制御装置に到達する情報に応じてその機能を制御することを特徴とする前記スイッチング・デバイス。A switching device according to any of claims 1 to 11 , comprising:
The switching device is characterized in that the control device (9) is connected to the first electric switch and the second electric switch and controls its function in accordance with information reaching the control device.

請求項１２記載のスイッチング・デバイスであって、
過大電流状態を検出する装置（１０）は、制御装置（９）に接続され、過大電流を示す状態に関する情報を提供することを特徴とする前記スイッチング・デバイス。A switching device according to claim 12 , comprising:
The switching device, wherein the device (10) for detecting an overcurrent condition is connected to the control device (9) and provides information on a condition indicative of an overcurrent.

請求項１から１３のいずれかに記載のスイッチング・デバイスであって、
電力プラントの電力ネットワーク（４）または電力プラントに含まれる別の装置におよびこれらからそれぞれ対象体（２）を高速に接続および開放し、第１の電気スイッチ（５）および第２の電気スイッチ（６）は、対象体とネットワーク／装置の間に線路（３）で接続されることを特徴とする前記スイッチング・デバイス。A switching device according to any of claims 1 to 13 , comprising
First and second electrical switches (5) and (2) are connected and disconnected at high speed to and from the power network (4) of the power plant or another device included in the power plant, respectively. 6), the switching device which is characterized that you are connected by lines (3) between the subject and the network / equipment.

請求項１から１４のいずれかに記載のスイッチング・デバイスであって、
１ｋＶ以上、適切には５ｋＶ以上、特に１０ｋＶ以上、好ましくは２０ｋＶ以上、特に４０ｋＶ以上、さらに特に７２ｋＶ以上の中間電圧および高電圧に対して用いることを特徴とする前記スイッチング・デバイス。A switching device according to any of claims 1 to 14 , comprising:
Said switching device, characterized in that it is used for intermediate and high voltages of 1 kV or higher, suitably 5 kV or higher, especially 10 kV or higher, preferably 20 kV or higher, especially 40 kV or higher, more particularly 72 kV or higher.

請求項１から１５のいずれかに記載のスイッチング・デバイスであって、
電力ネットワーク（４）または電力プラントに含まれた別の装置におよびこれらからそれぞれ電力プラントの対象体（２）を接続および開放する前記スイッチング・デバイス（１）。A switching device according to any of claims 1 to 15 , comprising:
Said switching device (1) for connecting and disconnecting a power plant object (2) to and from a power network (4) or another device included in the power plant, respectively.