CN101536131B - 快速作用开关机构及包括其的电路断路器 - Google Patents

Abstract

一种用于电路断路器的快速作用开关机构(15)，包括驱动杆(44)、接触弹簧单元(48)和闩锁装置(49)，驱动杆(44)关节式连接至驱动模块(47)并在其一端支撑接触桥(42)，接触桥(42)在其相对的端部具有各自的可动接触部(43)，可动接触部(43)用于可开关地接合断路器的一对固定接触部(41)；接触弹簧单元(48)可操作地耦合至驱动模块，以施加大约200Kg的闭合压力；闩锁装置(49)在断路器工作后将驱动杆闩锁在打开或者闭合位置并防止反弹。接触桥(42)包括一对侧置导体(101)和插在侧置导体(101)之间的加固元件(102)，该侧置导体在其上方边缘支撑框架(103)，框架(103)在其相对端部具有支撑可动接触部(43)的暴露的上表面。

Description

快速作用开关机构及包括其的电路断路器

发明领域

本发明涉及限流中压电路断路器(current limiting medium-voltage circuit-breaker)。 

发明背景 

电力系统中的故障是不可避免的。除了故障附近的损害，由于电弧的影响，故障电流(也被称为“短路电流”)可以损毁设备，例如架空线、电缆、变压器和开关装置。故障电流断路器(current-breaker)可以限制或者切断故障电流。 

传统的AC故障电流断路器包括可动和静止接触部(contact)。当发出开关打开命令之后，可动开关接触部移开，因此在可动接触部和静止接触部之间产生电弧。在电流的过零点，电弧熄灭。假如接触部之间的绝缘距离大得足以消除接触部之间的任何介质击穿，则电弧将不会点燃。如果这个距离太短，电弧将重新点燃，也就是说，这些开关中的电弧持续时间是电弧区域的绝缘距离、断路电流值和跳闸时间(tripping time)的函数。电弧将持续直到过零点。多数已知开关没有任何短路电流限制。然而，在电弧期间网络释放的热和对接触材料的侵蚀将取决于电流和电弧持续时间。电弧持续时间可以足够长(平均时间为5毫秒)。最大电流可达 

其中I_no min al是标称额定电流。这导致接触材料的深度腐蚀，并因此导致了设备的较短服务寿命，并且，最重要的是导致了较少数量的故障跳闸(fault trip)。这些是设备的主要缺陷。 

 在本技术领域中，限流开关也是已知的，也被称为“故障电流限制器”，其是一种不但换向(commute)额定电流和过载电流而且切断流入保护电路的故障电流的电子设备。在现有网络中使用限流开关可以避免置换现有网络设备和线路。 

限流开关的主要要求是在被保护的网络中对故障电流的绝对值的多重限制。为了达到操作规格要求，限流时间必须尽可能短(优选地，t_lim＜0.8ms)。当电能从电源(例如，变压器)传送到负载时，网络线路的机械强度都要适应于额定电流和故障电流。当在自然过程和发展期间功率消耗增加因而需要额外的变压器和发电机时，故障电流增加，因此要求比较高的网络电动稳定性和线路和设备的可能的升级。 

各种类型的故障电流限制器，例如无源限制器、固态限制器和混合故障电流限制器在本领域中已知晓。(例如，参见G.Tang和M.R.Iravani在2005年6月19-23日的the International Conference on Power Systems Transients(IPST′05)in Montreal，Canada会议上发表的论文No.IPST05-158；以及CIRGE数据：Report No.239of December 2003 of Working Group A3.10关于″Fault Current Limiters in Electrical Medium and High Voltage Systems(电气中压和高压系统中的故障电流限制器)″)。图1示出混合故障电流限制器的电路原理图，该混合故障电流限制器包括与负载开关并联的超快转换开关S1，该负载开关与具有正温度系数(PCT)的低电感非线性电阻器串联。同样跨越转换开关两端连接的是与晶闸管桥串联耦合的快速作用分离器，该晶闸管桥可以基于例如门极可关断晶闸管(gate-turn-off，GTO)或者集成的门极换向晶闸管(GCT)。三个开关是机械的，且在系统的稳态工作期间所有三个开关为闭合且桥中的GTO晶闸管为门极导通。当故障发生时，超快机械转换开关在几百微秒内打开，并且将持续上升的电流转换向到换向路径，该换向路径由与半导体放电电子开关串联的分离器组成。半导体放电电子开关为转换开关提供时间延迟，以恢复到特定的承受电压并随后被切断，迫使电流进入由非线性电阻器组成的限制路径。在电阻器被明显加热前如此限制电流，断路器被打开以使半导体与持续升高的电压隔绝。最终，具有不到半个周期的打开时间的负载开关在第一过零点切断故障电流。在故障检测和电流限制之间的时间延迟可以小于1毫秒。 

混合故障电流限制器的缺点与运动复杂性、元件的高价格、相对低的标称电压(通常，达到15千伏)以及设备的无效特性有关。 

在本技术领域中，同步开关也是已知的(例如参见，Electric control devices(电子控制设备)，pp.430，431，″Vyshaya Shkola″Publishing House，Moscow，1969)，其是将额定电流、过载电流以及流入保护电路的故障电流进行换向的电气装置。通过使用这样一种设备，流入保护电路中的电流在接近过零点被切断(例如＜1毫秒)。 

发明内容

根据本发明的一个方面，其中提供了一种用于电路断路器的快速作用开关机构，所述快速作用开关机构包括： 

驱动杆，其被关节式连接(articulate)至电动装置，并在所述驱动杆的末端支撑接触桥，所述接触桥在其相对的端部具有各自的可动接触部，用于可开关地接合电路断路器的一对固定接触部； 

接触弹簧单元，其可操作地耦合至电动装置，以施加例如约200Kg(即100Kg/接触部)的总的闭合力；和 

闩锁装置(latch)，其用于在断路器工作后将驱动杆闩锁在打开或者闭合位置并防止反弹； 

其中，接触桥包括： 

一对侧置导体，所述侧置导体在其上方边缘支撑框架(armature)， 

所述框架具有在框架的相对的端部支撑所述可动接触部的暴露的上表面；和 

加固元件，其被插在侧置导体之间； 

使得当电流通过接触桥时，由侧置元件产生的对应磁通量在侧置元件之间的区域内相互抵消，因此实质上没有磁通量通过加固元件。 

根据本发明的另一方面，提供了一种具有快速作用开关机构的低成本中压电路断路器。在一种实施方式中，电路断路器操作为用于切断工作电 流和故障电流的限流开关，以提供对短路(故障)电流绝对值的多重限制。在另一实施方式中，断路器操作为同步开关。在本申请和所附权利要求范围内，术语“中压”包含在大约1至55千伏范围内的电压。 

附图简要描述 

为了理解本发明，并知道如何在实践中实现本发明，现参考附图，仅通过非限定性实例来描述实施方式，其中： 

图1是已知的混合故障电流限制器的电路图； 

图2是根据本发明的限流实施方式的单相电路断路器的示意图； 

图3示出根据本发明实施方式的图2所示的快速作用开关机构和接触装置的功能示意图； 

图4示出当闭合时主电路断路器接触部的细节； 

图5和图6示出可如何加固接触桥的机械强度的示意性实例； 

图7示出环绕两个邻近的平坦的平行母线的工作磁通量； 

图8示出图7所示的母线周围的总磁场； 

图9a、9b和9c示意性示出根据本发明实施方式的具有内部高强度加固的强电流桥式接触部； 

图10示出已知的电动装置(EDD)； 

图11示出已知的三线圈EDD； 

图12示出根据本发明实施方式的在开关机构中使用的驱动模块的细节； 

图13a和图13b示出在接触弹簧模块中使用的弹簧装配的细节； 

图14示意性示出如图13所示的三角形片簧的操作； 

图15a和15b示意性示出根据本发明实施方式的盒式低惯性动力弹簧(cassette-type low-inertia power spring)； 

图16a、16b和16c示出根据本发明实施方式的闩锁装置的细节； 

图17示出可被根据本发明的电路断路器所使用的已知DC旁路电路； 

图18和图19示出已知的AC旁路电路； 

图20至26示出根据本发明各种实施方式的高压旁路电路(HVBC)； 

图27示出根据本发明实施方式的中压电路断路器的绝缘介质电弧熄灭包装罩。 

实施方式的详细描述 

图2是显示根据本发明实施方式的多相电路断路器的一个极(pole)10的电路图。通常，n极中压AC电路断路器有n个相同的独立开关，也就是说，每相有一个独立开关。例如，三极开关包括三个同等的独立相。电流传感器11(CS)连接进AC线路12中，用于测量AC线路电流，并向传感器电子板(SEB)13馈送指示该AC线路电流的信号。SEB分析(CS)信号，以进行故障情况检测，并在有故障的情况下提供触发信号给脉冲功率单元(PPU)14，以操作快速作用开关机构(FAM)15，该快速作用开关机构打开连接在AC线路中的接触器(contactor)17的接触部16。SEB 13也馈送触发信号给晶闸管桥18，该晶闸管桥18跨越接触器17两端耦合且包括两个并联支路BC1和BC2，这两个并联支路各自具有多个串联连接的晶闸管19，各个支路中的晶闸管为相反的极性，以便在AC电压的一个半周期期间电流流经一个支路，而在另一个AC半周期期间电流流经另一个支路。同样跨越接触器17两端连接的是两个并联支路，每一支路包含与各自的换向电容器21(也表示为C1和C2)串联连接的半导体放电电子开关20，使得每一支路中的半导体放电电子开关20具有相反的极性，以便在AC电压的一个半周期期间电流流经一个支路，而在另一个半周期期间电流流经另一个支路。最后，多个变阻器22跨越接触器17两端连接。半导体放电电子开关20、换向电容器21和变阻器22共同形成电流和过压限制功率单元23。 

已经描述了电路断路器的布局，现在描述电路断路器的操作。来自电流传感器11的电流信号i(t)供给SEB 13。SEB提供电流变化di/dt和电流 i(t)的指示值，其在短时间周期(可调节)内被监测，并与参考值比较，以检测故障电流并避免故障检测。在故障电流情况下，SEB 13触发脉冲功率单元14，脉冲功率单元操作开关机构FAM15，以打开接触器17的接触部16，当被快速开关机构15施加力时，接触部16中的可动主接触部将从固定接触部移开。一旦发生这一情况，根据电流的方向，其中一个支路(不是两个)中的晶闸管19将打开，电流从接触装置转移至旁路电路(BC)中相应支路的晶闸管。 

功率单元23的一个支路中的半导体放电电子开关20将根据网络中的电流方向在各自的支路中打开，并且各自的换向电容器C1或C2开始以与断路电流(故障电流)流动方向相反的方向放电。 

电容放电电流略高于短路电流。由于“换向电容-旁路电路”的环路自谐振频率以KHz为单位测定，放电电流将在数毫秒内抵制和达到短路电流值。为了确保晶闸管锁止，电容放电至零的时间将被假定≥0.1s(其为锁住旁路电路晶闸管所要求的时间)。然后，随着电流流过，电容器21开始充电，直到电容器电压达到网络电压。在这一点，也叫做限流点，流经开关的故障电流不再增加，并降至零。从这点起，电流不再流过电容器，而断路电流将流经变阻器，直至减小至零。 

图3示意性示出根据本发明实施方式的连同快速作用机构15一起的接触器17。本实施方式适用于限流电路断路器和同步开关。接触器包括一对固定接触部41和可动接触桥42，固定接触部通过供给端子而被连接到AC线路，可动接触桥在其相对的端部支撑接触部43，并可由开关机构15移向或远离固定接触部41，以便使之与固定接触部41进行接触或断开接触。图中示出接触部41和43处于开关的闭合位置。可动接触桥42固定至可动驱动杆44上，可动驱动杆由高强度绝缘材料形成并被滑动支撑在导轨45内。由包含有处于低压状态的致冷剂的导热密封管和支撑性散热片形成的热管46布置在靠近固定接触部41和可动接触部43的各个接合点的位置。来自接触部的热被致冷剂吸收，致冷剂沸腾和蒸发，因此沿着热管上升，在那里致冷剂重新冷凝和回落。这种热管因此提供用于将由接触式开关产生的热传导离开接触部的连续的循环机构。 

快速作用开关机构15包括：电动装置47，其配置成产生牵引(拉)力(Fδ)；接触弹簧单元48，其用于产生固定接触部和可动接触部闭合力，例如约200Kg(即100Kg/接触部)；和闩锁装置49，其用于将开关闩锁在OFF的位置。驱动杆44(例如带绝缘肋，insulation rib)的横截面以及在接触桥42和快速作用电动装置47之间的距离被设计成具有足够的间隙，以确保快速作用开关机构15接地。接触装置被构造成满足下述主要要求： 

1.最小可动接触部质量，即，接触部的可允许的电流密度J＝I/S(A/mm²)应尽可能高。 

2.接触桥42应持有足够的机械强度，以确保大电流高速开关所要求的性能。 

为了满足第一要求，热管46可安装在固定接触部41处，并尽可能地靠近接触点，以从这些接触点提取热(即增加可动接触部的可允许电流密度J)。例如，已经发现，在Vh＝24kV，I_h＝2,500A的填充有SF₆的高速限流开关中，当利用固定接触部处的热管从接触点提取热，且J＝40A/mm²，而弹簧模块产生的接触力为F_ct＝2,000N时，接触桥42和接触部43一起须具有30g的组合质量。不带有安装在固定接触部处的热管，电流密度将为J≤5A/mm²，对应于已知开关的电流密度，并且这种情况的可动接触部质量将不会小于240g，其要求相对较高的驱动功率、质量和价格。 

为了满足第二个要求，接触桥42必须在所要求的机械强度具有最小的可允许质量。 

为了防止接触部41和43熔接，大电流(I_h＝1600A-2500A)开关的接触力F_ct必须达到几千牛顿。在这种情况下，在接触桥上的总的杆力F_∑变成双倍，因为F_∑＝2F_ct。 

图4示出当闭合时接触部的细节。固定接触部41具有相互间隔A，其界定接触桥42的有效长度并且由非传导性介质(空气，SF₆气体等)和开关的额定电压来限定。可动接触部质量可考虑成实质上包括接触桥42，因为，大致上，接触部43的焊接质量可忽略。为了降低接触桥42的质量，它的横截面和有效长度A应尽可能小。有效长度A的值由于给定额定和非 传导介质的电路断路器而不能减少。因为铜是好的电流导体，桥横截面的几倍减少不成问题，并且施加额定电流时将不会出现桥的过热。然而，铜具有差的机械特性，且因此以几倍减少桥的横截面积，在如图中所示的大驱动力F_∑的作用下，桥弯下来。 

通过加强桥的制造材料肋来改善铜接触部的机械强度的现有尝试已经碰到了失败。基本上，通过将高强度材料板(例如钢)附着在如图5所示的桥的侧表面上，或者通过将桥放置在例如图6所示的由钢制成的保持件中，可以改进接触桥的机械强度。然而，在大于1kA额定的AC电路中，诸如钢的高强度磁性材料和诸如不锈钢或钛的非磁性导体将被流过不同材料之间的接合点的涡流引起的各种磁场加热。这种热不利于减少桥的横截面以便减少其质量。 

已知的接触部设计基于这样的假设：相同尺寸的两个平坦的平行母线之间的磁通量几乎完全抵消，条件是，流入母线的电流具有相同的值和方向，同时，母线高度H远大于它们之间的距离A，如图7所示。因此，组合磁场将如图8所示。应注意，图7所示的元件102与根据本发明的接触桥有关，而不是与现有技术有关。从下文描述中，这一点的重要性将变得显然。 

图9a、9b和9c是示出根据本发明的实施方式的接触桥的细节的正交视图。此实施方式适合用在限流电路断路器和同步开关中。接触桥42包括一对平坦的平行的侧置导体101，其上边缘支撑框架103，相应的接触部43被焊接在框架103的另一端。例如由诸如钢的磁性材料或钛形成的加固元件102插入在侧置导体101之间，所产生的夹层结构(sandwich structure)通过销104被固定住。这样的设置允许利用高强度加固元件将力F∑从杆传递至焊接的接触部，并且桥的机械上差的传导部分(铜母线)因此减轻机械负载。这种设置利用了此事实：由于参考图7的上述解释的原因，在侧置导体101之间的空间中净磁场为零。这意味着没有磁场通过加固元件102，如图7中所示所述加固元件位于侧置元件之间的区域中，所述区域的净磁通量为零。 

从前述描述显现出根据本发明的接触装置和本领域已知接触装置之 间的主要区别如下： 

1.大电流高速AC桥式接触部具有由导体材料制成的载流元件和由高强度材料(包括磁性导体)制成的加固元件，使加固元件位于载流元件之间并位于分开的载流元件的磁场几乎完全抵消的区域。 

2.如上的大电流高速AC桥式接触部，其中载流元件制成为在边缘上具有焊接的接触部的相同大小的两个平行的平坦的母线，且加固元件是放置在载流元件之间的高强度磁导体板(钢)或非磁电流导体(钛)。 

3.热管安装在固定接触部处，并尽可能接近接触点，以便从这些点提取热，因此允许可动接触桥42中的可容许电流密度J增加。 

开关机构(FAM)15应满足下面的要求： 

1.驱动启动时间t_op(即从关断命令到开关接触部释放的开始时刻的时间)应尽可能小(≤0.1ms) 

2.从接触部释放的开始到获得确保可靠换向必需的间隙δ的接触部行程时间T_δ应尽可能短(≤0.5ms) 

3.在打开开关期间一旦接触部达到间隙δ后，应进行无冲击制动(shock-free braking)，以避免跳闸反弹(tripping rebound)和接触部的重新桥接。 

4.当接触部断裂时，它们应可靠地被安装。 

5.由可动接触桥42对固定接触部41产生的接触力F_ct应与开关的额定电流、短路能力和保护特性相一致。 

6.当闭合接触部时不允许反弹。 

7.当操作的时候，开关机构15的功率消耗应仅可能低。 

8.FAM应允许多个操作和自动重闭合。 

9.FAM不应暴露于保护网络的高电压。 

10.FAM应允许打开开关，即使在网络中有短路电流。 

要求1需要无故障且基本上无松弛FAM运动系统。 

要求2需要由驱动系统产生预定的力Ft。平均的Ft可由已知公式确定： 

$F=\frac{2\mathrm{m\δ}}{t^2}$

例如，对于开关接触装置壳，具有5大气压力的SF₆气体(Vn＝24Kv)，In＝2,500A)，且t＝t_δ＝0.5*10^-3s，间隙δ＝0.5*10^-3m(正如根据绝缘性质所要求的)，以及可动部件的最小质量M＝M_∑＝0.2kg，平均Ft由下式给定： 

$F=\frac{2\×0.2\×5\×{10}^{-3}}{{(0.5\×{10}^{-3})}^2}=\mathrm{8,000}N$

考虑Ft的值，要求3仅请求无冲击制动，否则将发生反弹。而且，这将使要求8更加难以得到。满足其它要求将依赖于如各自标准中陈述的对高电压和高电流装置的通常技术要求。电动装置47设计成沿着工作行程产生牵引力Ft，并且电动装置47是本发明的重要特征。 

电动式装置(EDD)可用作基本的结构，该电动式装置广泛用于功率电子设备以基于导体电流相互作用而产生Ft和工作行程。应注意，Ft、δ、以及质量的大数值要求EDD的可动部件的较高材料强度，这反过来要求Ft尽可能是常数，即Ft＝F_av～常数(在这种情况，F_max将是最小值)。然而，已知的EDD不能够完全满足这些要求。 

图10示意性示出已知的EDD，其包括第一线圈111和第二线圈112，所述线圈形成提供下降的Fδ的各自的电磁部件，其特征在于以箭头所示方向流过两个线圈的电流产生相互排斥磁场，当开关闭合期间两个线圈相遇时，相互排斥磁场可减小影响。当在开关打开期间接触部被分开时，这种EDD不是自制动的，且要求另一装置来制动可动质量。传统的EDD的主要缺陷是，其牵引力在线圈绕组中以高di/dt产生，即它们基本上仅工作在峰值脉冲上升过程，且因此具有低效率因子。 

图11示意性示出已知的三线圈EDD，其具有两个固定线圈121、122和位于它们之间的可动线圈123。虽然够能在几乎整个电流脉冲期间工作(其提高性能因子)并具有自制动特征，但它们也具有下降的Fδ特性。应注意，三线圈EDD可具有近似常数Ft，条件是在线圈中的合适的电流 极性下，它的固定线圈121排斥移动线圈123，同时固定线圈122吸引移动线圈123。然而，这基本上排除了自制动，因为它要求至少在线圈122中使电流方向反向，以便现在排斥运动线圈123而不是吸引它。这是困难的，因为线圈122的电感对抗电流的突然变化，且需要在在可动线圈123仍在移动时的很窄的时间帧内产生期望的电流反转。这种已知设备因此不能用在采用无故障直接动力驱动的高压快速作用限流开关中，所述无故障直接动力驱动当短路故障期间闭合时不要求快速的跳闸机构(trip mechanism)。 

与此相反，根据本发明的快速作用开关机构15当短路故障期间闭合时不需要快速的跳闸机构。根据本发明的实施方式，快速作用开关机构操作如下。当开关如图3所示闭合时，所要求的接触桥42对固定接触部41的接触力F_ct由接触弹簧单元48形成。接触弹簧单元保持接触桥位于闭合的位置。当开关打开，电动装置47施加牵引力Ft以驱使接触桥42离开固定接触部41。因为Ft＞＞F_ct，接触弹簧单元48将不会阻止接触桥42跳闸，因此在驱动杆的牵引过程中，不需要至今为止提出的装置中必需的快速跳闸机构将接触弹簧单元48从驱动杆44断开。 

当接触桥42移开达到要求的距离δ，其通过闩锁装置49被保持在打开的位置。开关机构15一直保持在此位置，同时开关是打开的。为了闭合开关，闩锁装置49释放驱动杆44，驱动杆在接触弹簧单元48的影响下开始移动，之后，固定接触部41被接触单元42桥接，如此闭合了电路，并且电动装置47的可动部件被设置至“开始”位置。这样，电动装置47被动力地转换至准备打开的位置。如果在短路电流状况期间开关被闭合，电流传感器11触发电动装置47。由于由电动装置47产生的牵引力Ft远大于由接触弹簧单元48产生的弹力Tct，因此开关被打开，且短路电流因此中断。不需要自动跳闸释放。 

图12示出具有固定在壳132内的排斥线圈131的电动装置47的细节，壳132固定地安装在电路断路器内，以便当驱动杆44在壳132内移动时，由驱动杆支撑的接触桥42相对于固定接触部41移动。致动线圈(actuation coil)133支撑在枢轴环(pivot ring)134上，该枢轴环适合于啮合驱动杆 44，因此当致动线圈133在壳内移动时引起驱动杆44的移动。加速线圈135可滑动地安装在驱动杆44上，以便当开关闭合时相对于驱动杆移动，且最初被通过轻型弹簧136保持在壳132的环状轴衬137上(构成保持装置)。制动线圈138固定在壳132的底座上，且环状轴衬139(由弹簧136辅助)用作保持致动线圈133和加速线圈135之间的最小间隙的隔离件。 

电动装置47操作如下。在图12所示的正常即无故障情况下，由接触部41、43形成的开关在接触弹簧单元的作用下是闭合的，没有功率供给电动装置47，致动线圈133位于排斥线圈131附近，且加速线圈135被弹簧136推进到开始的最上端位置。该处仍然存在由设计和制造公差限定的线圈之间的微小的间隙(例如0.5mm)。在图12所示的闭合位置，加速线圈135停靠在由壳132内的环状轴衬139形成的隔离件上，因此通过“加速间隙(speeding clearance)”δ1将线圈133和135隔开。线圈135和138由“制动间隙(braking clearance)”δ2隔开，δ2大于δ1，例如为其2倍。为打开开关，电流脉冲I_pulse同时施加到排斥线圈131、致动线圈133和加速线圈135。线圈133和135中的电流极性设置成使得在打开开关期间，致动线圈133被排斥离开固定的排斥线圈131，并被吸引向加速线圈135。驱动杆44不是均一直径，而是具有稍微窄的上部分，该稍微窄的上部分界定了当电路断路器闭合时(如图2所示)，啮合枢轴环134的外围脊(peripheral ridge)。在这种情况下，壳132内的枢轴环134和致动线圈133的向下运动相对于壳向下推动驱动杆44，因此，将电路断路器接触部41和43分开。只要排斥线圈131和致动线圈133之间的间隙增加，由排斥线圈131对致动线圈133产生的推进力会下降，推进力下降几乎正比于间隙，同时致动线圈133对加速线圈135的吸引力的增加几乎正比于排斥线圈131和致动线圈133之间的间隙，假设该间隙远小于两线圈的绕组的平均直径。 

如果线圈131和135的安培绕组是一样的，则所施加到致动线圈133上一样的所产生的吸引力Ft大致上可假设为常数。相应地，在致动线圈133移动经过加速间隙δ1期间，搁置在驱动杆44的外围脊上的致动线圈133以等加速度推动驱动杆44，从而以等加速度推动固定到驱动杆的接触 桥42，这是确保电动装置47的最优操作所需要的。 

当致动线圈133经过加速间隙δ1时，其啮合加速线圈135，且两者逆着弹簧136的微小的力，开始相对于固定的壳132一前一后地移动，弹簧136因此压缩。从此刻起，致动线圈133停止加速，由此引起吸引力Ft和速度的快速地成倍下降。由制动线圈138施加的效果产生了作用在线圈133和135上的制动力F_br。结果，线圈133和135、驱动杆44和接触桥42的移动减缓下来。当线圈133和135靠近制动线圈138时，制动力F_br增加，同时壳132内的可动部件的速度也进一步下降。当相邻的线圈133、135和制动线圈138之间的间隙小于相邻的线圈133、135和排斥线圈131之间的间隙时，制动力F_br相当多地超过吸引力Ft，因此引起相邻线圈133、135减速，且因此引起驱动杆44减速。结果，壳132内的电动装置47的可动部件和驱动杆44的速度急剧下降。这得益于接触弹簧单元48的增加的压缩量，直到在某个点，可动部件的速度减少到零为止，这时，驱动杆44到达瞬间静止。然而，由于F_br＞＞Ft，驱动杆的可动部件现在开始朝着固定的接触部41以向上的方向移动。此时，闩锁装置49阻止电动装置47的可动部件，以便将接触桥保持在离开固定接触部41的打开的位置。为了减少打开开关的时间，制动线圈138应仅当制动需要开始时才被激励。 

因此形成了如下的电动装置47的有区别性的特征： 

1.致动线圈133位于排斥线圈131和加速线圈135之间，并由于基本上不变的磁场而在加速期间产生基本上不变的吸引力。 

2.在制动阶段，在致动线圈133啮合加速线圈135之后，它们共同地靠近制动线圈138，由此产生制动效果。 

接触弹簧单元48可以是盒式的低惯性动力弹簧，在开关闭合期间其施加接触力给接触桥42。比较而言，在典型的现有技术配置中，开关机构15中的弹簧质量与它的其余可动部件的总质量是可比较的，有时甚至更高。这增加了可动部件的惯性，并且不利于形成具有所要求的动力学特性的驱动模块，正如本发明使用更低惯性弹簧所实现的。 

为了提供具有所要求的动力学特性的驱动，应使用高强度动力弹簧 (F＝1,000N-10,000N)，其惯性数倍地低于多数广泛应用的现有技术的线圈螺旋式圆柱体弹簧(coil helical cylinder spring)的惯性。如已知的，弹簧的惯性可利用所谓的“动力学比”来计算： 

$\mathrm{Kd}=\frac{F_m\·f}{f_{\mathrm{cg}}\·M_{\mathrm{st}}}\left(\frac{N}{\mathrm{kg}}\right)$

其中： 

F_m是弹簧沿着它的工作行程的平均力； 

f是弹簧的工作行程； 

M_st是弹簧静态质量； 

f_cg是在工作行程f期间弹簧重心的位移。 

Kd的物理重要性是它的分子表示如可以被弹簧执行的功，同时分母是弹簧的惯性特性，其是在工作行程f期间重心处的弹簧质量和这个质量的位移的乘积。因此，Kd的绝对值越大，弹簧的惯性越小。 

如已知的，比率 

普遍影响了任何弹簧的惯性。为了比较的目的，表1示出对包括螺旋式圆柱体弹簧的各种弹簧设计在相同的F_m*f值时(即相同的弹簧做功能力)的f/f_cg和Kd的值。 

表1 

从表1可看出，三角形片簧具有比螺旋式圆柱体弹簧小4.3倍的惯性，且具有比矩形片簧小5.4倍的惯性。因此，如图13a和13b中示意性示出的三角形片簧应该用作低惯性动力弹簧的基本元件。应注意，三角形的底座固定在支撑上，且负载F垂直于弹簧平面而施加到角顶点。当审阅表1时，应考虑到，表中的值在弹簧具有最小应力集中时是有效的，该最小应 力集中涉及到剪应力(对于线圈螺旋式圆柱体弹簧)和弯曲应力(对于矩形和三角形片簧)。低应力集中仅对于具有相对小的线直径(d＜3mm)的线圈螺旋式圆柱体弹簧和低厚度材料(h＜1mm)的片簧是可能的，而这两种情况下，都是相对低的弹簧力。较高值的d或h将降低弹簧材料内部层的性能，导致应力集中在外层和较大的弹簧质量。因此，高Kd高强度低惯性动力弹簧仅可制成具有较大数量(例如几十个)的并联的基本元件的复合(盒式)弹簧。 

合适的盒式低惯性动力弹簧的制造基于下述考虑： 

1.负载F通常以直线施加到弹簧，并且在弹簧的工作行程期间这条线从来没有从它的初始位置移开。 

2.作用力(effort)通常通过沿着其纵轴行进的一种杆传递至弹簧。 

3.高度优选的是驱动杆无径向应力，径向应力在弹簧工作期间会引起它的阻塞。 

而且，必须考虑如图13a和13b所示的三角形片簧的特别特征，即在任何弹簧变位f，它的自由端移动至临界点“a”，使得连接弹簧固定点和点“a”的线位于与水平线成α角到5％的偏差之内，如图14所示，α是弹簧的几何参数和f值的函数。这种弹簧适合用在限流电路断路器和同步开关这两者中。 

例如图15a和15b所示的盒式低惯性动力弹簧满足这些考虑，其包括适于沿着垂直轴移动的杆161。接触隔离件162直接接触一系列三角形片弹簧163的各自的角顶点，在如图15b所示的平面图中，这些三角形片弹簧163被设置成圆的相互邻近的扇区。环状盒164支撑三角形片弹簧163的各自的边缘，且三角形片弹簧对着顶点位于其底座，以便每个片弹簧163的各自的边缘固定至盒的内圆周。 

当处于去载状态时，片弹簧与盒164相附着的线的切线与垂直线成α角。当在负载下弯曲时，它们不得穿过盒的平面。在这种情况下，片弹簧的角顶点几乎平行于杆161的轴移动，这确保了在杆上没有径向应力。为促进此目标，片弹簧163均等地设置在杆的周围。如果必要的话，几个三 角形片弹簧可一个重叠在另一个的顶上以增加弹簧压力F。 

开关机构的闩锁装置49

如上述解释，闩锁装置49将开关固定在打开位置且是快速作用开关机构15的另一重要特征。闩锁装置适合用在限流电路断路器和同步开关这两者中，且满足下列基本要求： 

1.任何时候闩锁装置位于打开位置时，可靠地闩缩(锁止)驱动模块，同时经得起几十kN的应力。 

2.当开关打开时，闩锁装置以最大的接触间隙将开关机构15的可动部件固定住，与此同时，开关机构15的可动部件停止移动。 

3.电动装置47确定地保持固定，而无需能量输入。 

4.响应于“闭合”命令，闩锁装置被释放以便允许电路断路器闭合。 

5.当开关打开时正在移动的部件的质量应最小。 

要求2得自于由于在正常工作情况期间电网电压不可避免的波动而导致触发电动装置的电流脉冲波动，这必然导致开关驱动工作冲程的波动，且结果导致可变的接触间隙。为了确保可靠的开关操作，接触间隙应尽可能大。在本发明方案中，这种间隙将等于当开关机构15的可动部件停止移动时的间隙。 

为了服从上述要求，采用如图16a和16b所示的基于卡滞(jamming)的闩锁装置，且该闩锁装置包括矩形横截面的臂171和一对辊子172，臂171固定至驱动杆44(如图3所示)，这对辊子172的每个布置在臂171的分别的侧面且适合于绕着各自的枢轴173旋转。闩锁装置的壳174具有锥形的内壁表面，其横截面在壳的上端部分是最窄的。锥形内壁表面啮合各自的一个辊子，该辊子的枢轴173被支撑在支架175的细长孔内，以便允许支架内的辊子172的受限水平位移。支架175经由安装在超大孔内的第一销176和通过安装在细长孔内的第二销177关节式连接至壳，以允许支架175相对于壳174的受限的垂直位移。支架175在其底端被固定至锚定板178，该锚定板可通过闭合开关机构15的电磁而被拉下，且在固定至锚定板两侧的弹簧的作用下回到它的正常位置(如16b所示)。在支架175 相对两侧固定至壳的边缘的一对弹性片弹簧179，每个都在其相对两侧啮合至支架175中的相应的外围凹处，由于支架175通过细长孔被关节式连接至壳174，因此其能够在壳174内做受限的垂直运动。 

闩锁装置49操作如下。由于壳174可以绕轴176旋转，因此它相对于臂171和驱动杆44自动居中。同样，由于辊子172所利用来固定至支架175的孔是细长的，辊子172在孔内相对于臂171和壳174自动对准。当开关打开时，驱动杆44和固定臂171布置在如图16a所示的位置，以使安装在驱动杆44的上端的接触桥42脱离固定接触部41。图16a也示出或当开关打开时或开关闭合之后电磁驱动模块在其未激活状态中的布置。在所有这些情况中，在矩形臂171、辊子172和壳174之间没有气隙，使得臂171经由辊子172被壳174的内壁表面紧紧抓住，因此将驱动杆44闩锁至打开位置。本发明主要关注在故障情况下开关如何打开，因此没有给出与开关闭合有关的描述，开关闭合也应快速进行以防止电弧。当开关闭合时，电流供给电磁驱动，电磁驱动因此克服弹簧的约束力拉下锚定板178，并随它拉下支架175和辊子172。由于支架175所借助来固定至壳174的孔177是开槽的，因此，尽管壳174不移动，支架175能够轻微向下移动。由于壳的倾斜内表面，辊子172向下运动使它们与内壁的较宽横截面水平对准，如此允许辊子172轻微的水平位移，因为它们经由开槽的孔被安装在支架上。该位移释放臂171，因而允许臂被闭合机构往上推，直到它到达图16b所示的位置。在这一点，电流不再施加至电磁驱动，锚定板178因此释放，以在弹簧的约束作用下上升，支架上升且辊子与内壁较窄的内部部分重新对准，因此这时在较高的位置再次闩锁住驱动杆。 

当开关现在打开时，驱动杆44被用力向下推，因此在辊子上施加了向下的力，这使得支架175也克服片弹簧179的轻微弹性变形向下移动。结果，辊子172也下移，暂时地释放了施加到驱动杆44的握力，使得连接到驱动杆44的较低端的臂171现被释放，以向下行进到图16a所示的位置。当开关打开行程完成时，驱动杆44和臂171暂时停止移动，在此之后，驱动杆44开始以达到几千牛顿的反作用力向固定接触部41退回。再一次地，输送到电磁驱动的电流被中断，允许锚定板178在弹簧的约束力 下上升。支撑架现在上升，且辊子与内壁的较窄的内部部分再次对准，因此此时在较低的位置再次闩锁住驱动杆。结果，电动装置47的可动部件到达最终静止位置，在该位置可实现最大接触间隙。驱动杆44的反作用力越大，固定越可靠。 

高压旁路电路(HVBC)

现有的旁路电路属于电流限制高压AC和DC开关的基本元件。旁路电路对电路断路器的固定接触部和可动接触部进行分路，且基本上确保无弧地打开固定接触部和可动接触部，这是由于从固定接触电路和可动接触电路到旁路电路的电流传输，接着，中断负载电流和短路电流。 

图17示出已知的DC旁路电路且图18和19示出已知的AC旁路电路，所述旁路电路可被根据本发明的电路断路器使用，且通常包括串联连接的功率半导体(PSU)，例如门极可关断晶闸管(GTO)或高压晶闸管，总之该功率晶体管可被阻断。 

当电路断路器固定接触部和可动接触部打开时，由于固定接触部和可动接触部之间产生的电弧电压Va，在长期开关操作期间流入这些电路的电流被转移至旁路电路。只有在Va高于旁路电路中所有串联连接的半导体的总压降(ΔV_∑)时，电流才会将从固定接触电路和可动接触电路传送至旁路电路。 

因此，操作旁路电路的条件为： 

Va＞ΔV_∑                (1)，由此， 

ΔV_∑＝ΔV*n             (2)， 

其中：ΔV是一个半导体的正向压降；和 

n是串联连接的半导体的数目。 

为确保可靠的固定接触电路和可动接触电路、从固定接触电路和可动接触电路到旁路电路的以要求的速率(di/dt)的电流传送，电弧电压Va应至少高出旁路电路中的总压降30％-40％。换句话说： 

Va＝ConstΔV*n，这里Const在大约1.3到1.4的范围        (3) 

在已知的固定接触器和可定接触器系统中，在打开的可动接触部之间的短路电弧中的压降基本上依赖于电极附近的(阳极和阴极)压降。现有技术中接触材料的电极附近压降大约为20V，即，在单个电弧间隙系统中Va～20V。在桥式可动接触系统中，Va～2*20＝40V。在现有半导体中，尤其是在如通常用于旁路电路中的脉冲操作模式中，正向压降通常为2.3-3V，即ΔV＝2.5-3V。 

因此，按式(3)，对单个间隙接触系统(例如工业接触室)进行分路的串联连接的半导体的数目不应超过： 

n＝20/(1.3...1.4)ΔV＝20/(1.3...1.4)(2.5...3)＝5...6 

已知的半导体应设计成承受大约两倍额定电压。这意味着，具有标称电压额定Vn为10kV的半导体应承受～20kV。相应地，在遭受电弧电压Va的旁路电路中，各个PSU应设计成V_n psu＝1.3*20/(5...6)＝4.3...5.2kV，允许非均匀的电压分布，这里(5...6)这一项标示串联连接的PSU的数目。也就是说，如果有5个串联连接的PSU，则每个PSU的标称额定应为5.2kV；而如果有六个串联连接的PSU，则每个PSU的标称额定应为4.3kV。这种半导体通常是可得到的，并不是问题。通过简单比例得出，定额在Vn＝24kV的网络将要求旁路电路中的每个PSU定额在 

Vn≈9...10kV，以及定额在Vn＝35kV的网络要求每个PSU具有大约14...17kV的额定电压Vn。这种PSU不是目前可获得的，因此，重要的问题是：开发这样的过压高压限流开关，其定额在Vn≈15...35kV，带有用作长期的载流媒介的真空和气体填充室，以及使用包括有作为分路元件的PSU的可用的旁路电路。 

根据本发明，其中提供高压旁路电路，包括高压分路元件(PSU)，其Vn＞10kV。高压旁路电路施加的补偿电压的方向、值和持续时间被设置成确保分路电路以要求的速率(di/dt)传送，从而促进两个接触部之间的快速电弧熄灭(fast arc quenching)。通过为总的正向压降(ΔV_∑)提供合适的补偿，电弧电流以要求的速率(di/dt)通过旁路电路进行分路。补偿电压可大于、小于或几乎等于ΔV_∑，所有的都依赖于特定的高压装置参数，即： 

Vc＞ΔV_∑， 

Vc＜ΔV_∑， 

Vc～ΔV_∑。 

因此，分路电弧电压Va将足以以要求的速率(di/dt)传送电流。通常包括有存储电容器、控制单元和电容充电器的脉冲电源(IS)可作为电压源。高压旁路电路可根据高压装置的特定类型和模型进行设计。图20示出DC高压旁路电路，其具有直接连接至高压旁路电路的脉冲源，其中： 

PSU    --是功率半导体； 

D      --是低压参考二极管； 

IS     --脉冲电源； 

MC     --是分路电路固定接触部。 

图20至26示出根据本发明各种实施方式的高压旁路电路，该高压旁路电路与限流电路断路器一起使用，且操作如下。在所有电路中，同一附图标记用来指示相同的或完成等效功能的元件。一旦分路电路固定接触部MC打开，脉冲电源IS激励以在二极管D上施加补偿电压，且补偿电压的方向、值和持续时间设置成确保电弧电流以电路断路器额定所限定的速率(di/dt)经过旁路电路传送。脉冲电源可通过触发旁路半导体电路或使用备用开关被激励。 

图21示出AC高压旁路电路，其具有直接连接到高压旁路电路的脉冲电源。使用如图20中的相同的参考标记。其操作如下：PSU1-PSU4或者PSU2-PSU3依据流过分路电路固定接触部MC的断路电流i的极性被触发。装置的顺序操作像图20所示的操作一样。 

在上述两高压旁路电路中，脉冲电源(IS)连接在高压旁路电路的二极管D两端，并且直接连接至高压旁路电路。然而它也可以被间接连接，例如通过变压器耦合。 

图22示出这种DC高压旁路电路，其中，脉冲源利用脉冲变压器而被连接，其中 

PSU    ---是功率半导体； 

IT     ---是脉冲变压器 

D      ---是低压参考二极管； 

IS     ---是脉冲电源； 

W1     ---是连接VBC的IT绕组； 

W2     ---是连接IS的IT绕组； 

W3     ---是偏置绕组； 

L1     ---是偏置绕组提升电感；和 

MC     ---是分路电路固定接触部。 

装置操作如下。一旦分路电路固定接触部MC被打开，脉冲电源通过承载电流i2的绕组W2放电。绕组的匝数比率W1∶W2确保在绕组W1上产生限流高压电流断路器所要求的足够的补偿电压Vc。脉冲变压器的磁阻反转(magnetic resistance reversal)特意设置成比将电流从分路电路的固定接触部转移到旁路电路所需要的时间更长。在激励之后，要求承载电流i3的偏置绕组W3将脉冲变压器恢复至初始的磁状态。在脉冲电源工作期间，偏置绕组W3增加电感，这是减少电流i3所需的。对比率W1/W2和所要求的Vc的对应值的正确选择，确保对于任意值的n(即旁路电路中串联连接的半导体的数目)，电流从分路电路固定接触部变换至旁路电路。 

图23示出AC高压旁路电路，其具有通过脉冲变压器连接的脉冲电源，该AC高压旁路电路操作如下。PSU1-PSU2或者PSU4-PSU3依据流过固定接触部和可动接触部的断路电流i的极性被触发。此后，装置像图22所示的操作一样。在特定方案的脉冲变压器中，偏置绕组可不连接。在这种情况下，通过引入铁芯(图24)中的气隙y，在激励脉冲变压器之后，脉冲变压器铁芯将恢复它的初始磁状态。气隙提供了脉冲变压器线圈的电感乘以铁芯横截面的乘积的两倍增加，且稍微增加IS功率，同时简化方案并使其更加可靠。 

带有气隙(间隙)y脉冲变压器的DC和AC旁路电路如图25和26 所示，图25和26使用像图22，24中一样的参考标记。与图22和24所示的电路的唯一区别是脉冲变压器的铁芯通过引入气隙(间隙)δ(图24)而不是使用偏置绕组W3来恢复它的初始磁状态。 

为了增加从固定接触部和可动接触部到旁路电路的电流转移速度，线圈绕着它的整个圆周的环形变压器可用作脉冲变压器，以便具有最小的自感应。 

所提出的高压旁路电路因此确保电流以要求的速率从固定接触部和可动接触部转移至旁路电路，同时确保分路电弧电压超过PSU中的总正向压降。这允许开发承受比采用单个分路电弧电压的已知配置的更高标称电压Vn的高压限流开关，该已知配置不足以以所要求的速率提供电流转移。 

因此得出，所提出的高压旁路电路的区别特征如下： 

1.旁路电路使用这样方向、数值和持续时间的补偿增压，其确保通过对总的正向压降的足够补偿而以要求的速率从分路电路转移电流。 

当固定接触部和可动接触部打开时，断路电流被传输至旁路电路(不管短路电流的方向)。 

2.如第1段中的高压旁路电路，其中，存储电容器作为补偿装置的脉冲源。 

3.如第1和2段中的DC和AC高压旁路电路，其中，补偿装置的脉冲源通过脉冲变压器直接连接至高压旁路电路。 

4.如第1、2和3段中的DC和AC高压旁路电路，其中，补偿装置的脉冲源通过偏置绕组脉冲变压器连接至高压旁路电路。 

5.如第1至4段的每一段的DC和AC高压旁路电路，其中，脉冲变压器没有偏置绕组且在其铁芯中有气隙。 

限流开关的密封包装罩

用于具有输出功率端子的中压电子开关的现有技术的包装罩可由不锈钢或塑料材料形成。不锈钢包装罩的输出端子经由绝缘套管穿过包装罩 的壁。 

由塑料材料形成的包装罩的输出端子穿过侧面凸缘，该侧面凸缘使用特殊类型的螺纹和胶粘剂固定至包装罩，侧面凸缘通常由环氧树脂制成。因此，输出功率端子必须由具有体积膨胀系数接近于环氧树脂的体积膨胀系数的材料(例如铝)制成，这导致了更加昂贵和复杂的包装罩子装配。 

而且，在包装罩内设置输出功率端子要求特殊的固定装置(当包装罩由塑料制造成时)或底座绝缘子(对于由不锈钢制造成的包装罩)。所有这些导致更加昂贵和复杂的包装罩装配并增加开关本身的价格。 

参见图27，其示出根据产生价格降低的更简单装置的本发明实施方式的包装罩和输出功率端子组件。该包装罩适用于电流限制电路断路器和同步开关。包装罩包括由塑料形成的圆柱形封壳50，该圆柱形封壳具有可以是钢的圆形固定支架51。包装罩中使用的固定螺栓的数目取决于包装罩内的气压。支架51和输出功率端子52通过橡胶垫53和端子凸缘54使用安装螺栓来装配。 

为实现高密封性，端子凸缘54无间隙焊接至端子52。功率端子可由任何高传导性材料(例如铜)制成，同时凸缘应坚固(例如由黄铜制成)。由流过功率端子52的AC电流产生的傅科电流(Foucault current，即涡流)引起可忽略的过热。例如，发明人以开关功率端子设置成Ir＝2500A的额定电流实现的测试显示了由ΔT＝1.5℃给出的温度增加。 

当开关机构15安装在这种密封包装罩中，机构抗震要求可通过使用例如环氧树脂将端子52粘合至圆柱形封壳50、通过使用两个半圆柱体55来实现，从而保持和对准端子52。虽然封壳50的长度取决于主端子之间的绝缘考虑，它的半径可通过使用T-型封壳的底端部来容纳开关机构而被减小。 

通过使用连接在驱动杆44和密封封壳50之间的波纹管(bellows，一种圆柱薄膜)，开关机构可外置于带有降低半径的封壳50的包装罩。对于具有功率端子输出的中压电子开关，密封的绝缘包装罩用压力高达8Atm.的SF₆气体填充。这允许开关机构外置于包括SF₆气体的接触室且以这种 方式被关节式连接至接触部，以便允许驱动模块的来回运动。可选择地，断路器气体可以是任何合适的惰性气体，例如氮气或干燥空气。 

在封壳50的铸造过程、或通过钻孔和使用橡胶或合适的O型环和/或粘合来进行后面的装配之前，可以插入气体配件(未示出)和电子的壁面端子(未示出)，以满足密封气封壳的要求并经受住高达8Atm.的气压。SF₆气体通过也将用于气体测量的这些配件而可在稍后进行填充。 

Claims (22)

1.一种快速作用开关机构，其用于电路断路器，所述快速作用开关机构包括：

驱动杆，其关节式连接至驱动模块，并且在所述驱动杆的端部支撑接触桥，所述接触桥在其相对的端部具有各自的可动接触部，所述可动接触部用于可开关地接合所述电路断路器的一对固定接触部；

接触弹簧单元，其可操作地耦合至所述驱动模块，所述驱动模块被配置成施加闭合力；和

闩锁装置，其配置成在操作所述电路断路器之后将所述驱动杆闩锁在打开或闭合的位置并防止反弹；

其中，所述接触桥包括：

一对侧置导体，所述一对侧置导体在其上边缘支撑框架，所述框架具有在所述框架的相对端部支撑所述可动接触部的暴露的上表面；和

加固元件，其插在所述侧置导体之间；

使得当电流流过所述接触桥时，由所述侧置导体产生的对应磁通量在所述侧置导体之间的区域内互相抵消，因此实质上没有磁通量经过所述加固元件。

2.根据权利要求1所述的开关机构，其中，所述加固元件由磁性材料形成。

3.根据权利要求1或2所述的开关机构，其中，所述驱动模块包括具有壳的电动装置，所述壳适合于固定地安装在所述电路断路器内，并允许所述驱动杆在所述壳内移动，所述壳容纳：

排斥线圈；

致动线圈，其适合于啮合所述驱动杆，以便所述致动线圈的移动引起所述驱动杆的移动；

加速线圈，其适合于在所述驱动杆上滑动；

保持装置，其用于抓住所述加速线圈；

弹簧，其用于在操作所述开关机构之前朝着所述保持装置弹性地推进所述加速线圈；

制动线圈；和

隔离件，其用于在操作所述开关机构之前保持所述致动线圈和所述加速线圈之间的最小间隙；

其中，所述开关机构响应于打开信号，所述打开信号用于将电流施加到所述排斥线圈、所述致动线圈和所述加速线圈，并被设置成引起所述排斥线圈和所述致动线圈之间的排斥力，同时引起所述致动线圈和所述加速线圈之间的吸引力，由此将开启力传递至所述驱动杆，并将所述驱动杆移动穿过作为加速间隙的最小间隙(δ1)，直到所述致动线圈邻接所述加速线圈，并且此后将所述致动线圈和所述加速线圈朝着所述制动线圈克服所述弹簧而一起移动通过制动间隙(δ2)，以便减缓所述驱动杆的移动。

4.根据权利要求3所述的开关机构，其中所述致动线圈被支撑在枢轴环上，所述枢轴环可滑动地安装在所述驱动杆上并啮合所述驱动杆的外围脊。

5.根据权利要求3所述的开关机构，其中所述制动间隙(δ2)是所述加速间隙(δ1)的至少两倍。

6.根据权利要求1或2所述的开关机构，其中所述接触弹簧单元包括盒式低惯性动力弹簧，所述盒式低惯性动力弹簧包括：

杆，其适合于沿着垂直轴移动；

环状盒，其支撑一系列三角形的片弹簧的各自边缘，所述片弹簧每个都位于对着各自顶点的各自底座，使得每个片弹簧的所述各自边缘被连接到所述盒的内圆周；和

接触隔离件，其安装在所述杆上，用于接触所述片弹簧的各自角顶点。

7.根据权利要求1或2所述的开关机构，其中所述闩锁装置包括：

壳，其具有锥形的内壁表面，所述壳的横截面在所述壳的上部分最窄；

臂，其适合于连接至所述驱动杆；

一对辊子，每个辊子布置在所述臂的分别的侧面上并且适合于绕着各自的枢轴旋转；

支架，所述支架在其相对侧具有用于容纳所述枢轴的相应的细长的孔，以便允许所述辊子在所述支架内的有限的水平位移；

所述支架经由第一销和第二销关节式连接至所述壳，所述第一销安装在加大尺寸的孔内，所述第二销安装在允许所述支架相对于所述壳的有限的垂直位移的细长孔内；

锚定板，其固定至所述支架的低端，且适合于克服连接至所述锚定板的相对侧的弹簧的弹性偏置力而被所述驱动模块中的闭合电磁体下拉；以及

多个弹性片弹簧，其连接至所述壳的外围边缘并适合于啮合所述支架，以允许所述支架在所述壳内的有限的垂直移动。

8.根据权利要求1所述的开关机构，其中，所述闭合力为200千克。

9.一种电路断路器，其包括根据权利要求1至7中任一权利要求所述的开关机构，所述电路断路器还进一步包括一对热管，所述热管由容纳有低压下的致冷剂的导热密封管和支撑性散热片形成。

10.根据权利要求9所述的包括开关机构的电路断路器，其中所述热管布置在靠近固定接触部和可动接触部的相应接合点的位置，用于从所述固定接触部和所述可动接触部将热传导走。

11.根据权利要求10所述的电路断路器，其还包括旁路电路，所述旁路电路用于在打开所述电路断路器期间从所述固定接触部和所述可动接触部将电弧电流分路掉。

12.根据权利要求11所述的电路断路器，其中所述旁路电路包括脉冲电源，所述脉冲电源用于施加补偿电压，且所述补偿电压的方向、值和持续时间被设置成确保旁路电路以所要求的速率(di/dt)传送电流，从而促进所述固定接触部和所述可动接触部之间的快速电弧熄灭。

13.根据权利要求11或12所述的电路断路器，还包括多个换向电容器，所述换向电容器用于以故障电流流动的相反方向放电。

14.根据权利要求12所述的电路断路器，其中所述脉冲电源利用脉冲变压器连接。

15.根据权利要求14所述的电路断路器，其中：

所述脉冲变压器具有第一绕组(W1)和第二绕组(W2)，所述第一绕组和所述第二绕组具有匝数比率(W1∶W2)，所述匝数比率确保所述补偿电压由所述第一绕组(W1)产生；

所述脉冲变压器的磁阻反转设置为大于将电流从所述电路断路器的所述固定接触部和所述可动接触部转移到所述旁路电路所需要的时间；

所述脉冲变压器具有偏置绕组(W3)，所述偏置绕组按要求承载电流i3，以在激励之后将所述脉冲变压器恢复到初始的磁状态；以及

所述偏置绕组(W3)在所述脉冲电源工作期间增加用于减少所述电流i3所需的电感。

16.根据权利要求14所述的电路断路器，其中：

所述脉冲变压器具有第一绕组(W1)和第二绕组(W2)，所述第一绕组和所述第二绕组具有匝数比率(W1∶W2)，所述匝数比率确保所述补偿电压由所述第一绕组(W1)产生；

所述脉冲变压器的磁阻反转特意设置为大于将电流从所述电路断路器的所述固定接触部和所述可动接触部转移到所述旁路电路所需要的时间；以及

所述脉冲变压器具有气隙，以使得所述脉冲变压器在激励之后恢复其初始磁感应状态。

17.根据权利要求15或16所述的电路断路器，其中，

所述匝数比率(W1∶W2)以及补偿电压的对应值是根据所述旁路电路中串联连接的半导体的数量来选择的，以确保将电流从所述固定接触部和所述可动接触部转移到所述旁路电路。

18.根据权利要求10至12中任一权利要求所述的电路断路器，其中所述固定接触部和所述可动接触部布置在包括有断路介质的密封包装罩内。

19.根据权利要求18所述的电路断路器，其中所述密封包装罩包括由塑料形成的圆柱形封壳，所述圆柱形封壳具有由钢形成的圆形固定支架，用于将线电压耦合到那里。

20.根据权利要求18所述的电路断路器，其中所述断路介质是干燥空气、惰性气体或其组合。

21.根据权利要求20所述的电路断路器，其中所述惰性气体是下述中的一种：SF₆和氮气。

22.一种包括如权利要求1所述的开关机构的电路断路器，其中，所述闭合力为200千克。

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