具有阻断半导体的换向开关制造技术

一种机械开关，其通过将电流换向到能量吸收路径，或者穿过至少一个阻断半导体的路径序列，以断开电路来工作，其中，所述换向由至少一个梭电极在至少一个固定电极上的滑动运动引起。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种换向开关(commutatingswitch)，例如断路器。
技术介绍
为了断开任意DC电路，由于流动的电流而储存在磁场中的感应能量必须被吸收；所述感应能量可以在电容器中储存，或在电阻器中耗散(在断开电路期间形成的电弧在这一意义上是电阻器的特例)。使用欧姆电阻器限定用于换向断路器的失跌点(resistancelevel)的主要困难在于：(1)对于每一个失跌点，瞬态电压的增加取决于流动的电流和在换向时引入的电阻，以及(2)(在故障期间的)电流的增加率或(在电阻引入之后的)衰减的速率主要取决于最严重的故障类型的“完全短路”中的电感，在完全短路中系统电阻几乎为零；电感和(断路器外部的)系统电阻在实际故障中可以有很多变化。因此，理想的是，计算并且限定合适的失跌点，以在每一次断路器操作时插入电阻器，以获得插入的电阻器两端的目标的最大瞬态电压差，但是如果使用欧姆电阻器，这是不实际的。当在电路中插入变阻器、反向齐纳二极管或瞬态吸收器(transrob)时，它们形成了吸收在故障中储存的能量的反向电动势(EMF)；这可以被看作为高度非线性的电阻，但是，将其看作电池也是合理的，所述电池在充电期间失去所有的存入能量，但是仍设法较好地控制“充电电流”的电压。由于短路时电流的迅速涌入，感应能量可以轻易地远大于仅在正常满负载下储存在系统中的感应能量；如果电流在被控制之前达到正常满负载安培数的五倍，感应能量将达到正常满负载下电路的感应能量的二十五倍(取决于短路的位置)。直到最近，针对DC断路器的测试标准已经采取了与电弧隔板(arcchute)断路器(自爱迪生时代以来的标准DC断路器设计)对应的缓慢操作，其中在接收到脱扣(trip)信号之后，断开电极的时间典型地大于或等于三毫秒(ms)；达到电流开始下降的时刻可以花费甚至更长的时间(达到十毫秒)。这意味着，在短路中通过电弧隔板断路器可以建立高电流，可能到达DC电源的最大能力。为此，适用于美国的电气列车(ANSI/IEEE37.20)的断路器的DC断路器标准要求断路器能够处理200,000安培(200千安培，“kA”)的电流，大约是电气列车地铁系统中的DC故障的最大短路电流。第二类机械切换的DC断路器包括来自日立的创新的、快速动作的高速真空断路器(HSVCB)DC断路器(参见例如美国专利4,216,513)，所述DC断路器基于使用电感器和电容器建立L-C谐振电路，所述谐振电路与AC真空断路器联接，从而在电流通过零点时中断电流。这些断路器使正常DC电路的绝缘件和电路部件处于迅速的电压反转和电压峰值的影响之下。针对用于DC轨道应用的L-C谐振电路断路器，相较于较慢的电弧隔板轨道断路器必须经受的200kA，日本的调节器(标准JEC-7152)允许较低的最大电流(50kA)。基于L-C谐振断路器的更快速地电路断开动作使之成为可能。实质上，在这样的断路器中，电容器的放电(电子触发)建立了引起电流振荡穿过零点的L-C谐振(非常类似AC电路)。这一振荡迅速衰减，但是在衰减期间，真空断路器在电流穿过零点时断开电路。近期的美国专利申请(13/697,204)显示这一机构也适用于高压DC(HVDC)电路。已知的切断DC电力的最快方式是使用可切换的电力电子设备断开电路；这些设备典型地是半导体(晶闸管或晶体管)，但是真空管也能够被使用。在这些设计中，开关本身的电阻是重要的考虑因素，因为在导通状态下整个电路的负载通过开关。在最常用类型的电力电子开关(即集成栅极的双极晶体管(IGBT))的情况下，通常导通时的损耗可以是传输功率的0.25-0.50％，这一损耗对于许多应用不可接受地大，并且还暗含着针对高功率电路的非常大的冷却负载，所述冷却负载典型地要求泵送的液体冷却剂。主动式冷却的需要增加了成本和环境影响，并且降低了开关的可靠性。ABB是DC开关的加速操作的另一方法的主要开发者，所述DC开关包括断路器，所述断路器是一种电力电子开关和机械开关的混合体，但是维持了低于纯电力电子断路器的导通状态的损耗。在这一混合方法中，存在至少两个与快速机械开关结合的电力电子开关。第一电力电子开关是低损耗的、耐低压开关，所述第一电力电子开关将电流换向至穿过具有耐高电压能力的第二电力电子开关到第二路径(但具有更高的导通状态损耗)。所述第二电力电子开关可由一堆IGBT晶体管、一堆门极关断(GTO)晶闸管，或各种能够切断电流的管件组成。在所述第二电力电子开关可以被电子地关断之前，耐低压的第一电子开关必须通过串联连接的机械开关保护其免受组合的电压冲击的影响；第二高电压能力的断路开关不可以断开电路，直到机械开关的可动电极到达防止触发或再触发电弧的最小间隔。这一串联连接的机械开关是开关中最慢的部件，因此使机械开关更快可使得混合开关更快。目前使用的快速机械开关具有电极，所述电极经由电磁排斥或借助穿过汤普森线圈(感应磁性排斥)的电容器放电而被磁性地加速，并且，这些电极在真空中或在气体中分离，所述气体可以是六氟化硫气体或气体混合物。在用于中电压DC(MVDC)的混合断路器中，所述第一耐低电压开关可期望地是IGCT(集成栅极换向晶闸管)；对于高电压DC(HVDC)混合断路器，所述第一耐低电压开关可期望地是单级IGBT，所述单级IGBT将电流换向到具有多个串联连接的IGBT的IGBT阵列，每一个IGBT与金属氧化物变阻器(MOV)并联。第二高电压能力的断路开关可以包括串联连接的IGBT晶体管阵列、一堆门极关断晶闸管(GTO)、冷阴极真空管，或能够切断功率流的类似的电力电子开关。有报道称，汤普森线圈致动的机械开关中存在大约100微秒的响应延迟时间，这是由于所连接的电极的机械式响应，。如果混合开关也是断路器，则还必需存在一种能量吸收减振器(例如半导体阻断器件或电容器组)，以吸收储存在由电流建立的磁场中的感应能量。上文所述的混合断路器是一个举例，其中，在HVDC电路储存的感应能量(可以超过100兆焦耳)的大部分在断路器的操作期间被半导体阻断器件吸收。
技术实现思路
本公开包括一种机械开关，所述机械开关通过将电流换向到能量吸收路径，或穿过至少一个阻断半导体的路径序列而断开电路，其中，所述换向由至少一个梭电极(shuttleelectrode)在至少一个固定电极上的滑动运动引起。所述阻断半导体可以包括变阻器(例如聚合物基体的变阻器，或金属氧化物变阻器，“MOV”)、齐纳二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种换向开关，其包括：具有固定电极的固定部分；具有可动电极的可动部分；其中，当所述固定电极和所述可动电极导电接触时，限定开关闭合位置；其中，所述可动部分可以相对于所述固定部分运动，以断开所述固定电极和所述可动电极之间的导电接触，从而限定开关断开位置；以及非线性的、非欧姆性的阻断半导体，其位于在开关断开时将电流换向到其中的电气路径中。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.08.05 US 61/862,1111.一种换向开关，其包括：
具有固定电极的固定部分；
具有可动电极的可动部分；
其中，当所述固定电极和所述可动电极导电接触时，限定开关闭合位置；
其中，所述可动部分可以相对于所述固定部分运动，以断开所述固定电
极和所述可动电极之间的导电接触，从而限定开关断开位置；以及
非线性的、非欧姆性的阻断半导体，其位于在开关断开时将电流换向到
其中的电气路径中。
2.如权利要求1所述的换向开关，其中所述可动部分包括梭。
3.如权利要求1所述的换向开关，其中所述可动部分包括转子。
4.如权利要求3所述的换向开关，其中所述固定电极和所述可动电极包
含在处于至少一MPa的液压下的介电液体中。
5.如权利要求4所述的换向开关，其中所述液压大于10MP。
6.如权利要求1所述的换向开关，其中所述固定部分包括两个固定的、
隔开的电极，并且其中，分离电气路径通过所述两个固定的、隔开的电极连
接。
7.如权利要求1所述的换向开关，其中所述固定电极包括多个相邻的分
离导体。
8.如权利要求7所述的换向开关，其中当所述开关断开时，所述可动电
极每次与所述分离导体中的一个进行电接触。
9.如权利要求7所述的换向开关，其中当所述开关断开时，所述可动电
极同时与所述分离导体中的至少两个进行电接触。
10.如权利要求1所述的换向开关，其包括多个非线性的、非欧姆性阻
断半导体，所述阻断半导体位于在所述开关断开时将电流换向到其中的电气
路径中。
11.如权利要求10所述的换向开关，其中所述多个非线性的、非欧姆性
的阻断半导体被布置成叠层。
12.如权利要求11所述的换向开关，其中所述多个非线性的、非欧姆性
阻断半导体是金属氧化物变阻器(MOV)，所述金属氧化物变阻器被布置成

\t叠层，从而换向电极的运动使得电流运动通过数量增加的MOV，从而导致
所述叠层两端的电压逐步升高。
13.如权利要求12所述的换向开关，其中所述MOV被布置成，使得支
持所述MOV的薄片的边缘一直延伸至所述薄片的边缘与运动...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗杰W福克纳，罗纳德G托德，
申请(专利权)人：罗杰W福克纳，
类型：发明
国别省市：美国;US