CN102262967B - 电磁电路中断器 - Google Patents

Abstract

在一个方面，本发明提供一种用于高压直流(DC)飞行器配电系统的电磁电路中断器100。电磁电路中断器100包括接触机构102，接触结构102可进行操作以便将第一和第二电接点120、130分开第一预定距离d₁持续预定时间τ，以便当接触机构102断开时维持电弧150。接触机构102还可进行操作以便在预定时间τ之后将第一和第二电接点120、130分开第二预定距离d₂，以便熄灭电弧150。第一预定距离d₁小于所述第二预定距离d₂。通过在相对较长的时间周期故意地维持电弧150，本发明的这个方面对于延长接点120、130的工作寿命、从而延长电磁电路中断器100本身的工作寿命尤其有用。

Description

电磁电路中断器

技术领域

本发明一般涉及用于高压直流(DC)飞行器配电系统的电磁电路中断器(interrupter)。

背景技术

飞行器配电中的新近发展涉及迈向使用高压DC配电系统，以便允许用于在飞行器内分配电功率的线束的重量减轻。

但是，在设计飞行器配电系统时，这样的高压DC系统会引起额外的问题。例如，所用的高DC电压可导致组件寿命缩短，尤其对于用于中断来自线束的汲取功率的电路的电磁开关更是如此。这些开关优选为固态装置，因为它们的额定功率较高并且能够抵抗增加的开关电压。但是，即使是这些高功率装置也无法不受由于在设置在其中的开关接点分开以便使电路断开时由这些开关接点的电弧放电引起的接点飞溅的影响。

因此，开发了各种装置和技术以试图通过缓解由储存在电路中并且一旦接点分开便导致电弧放电的感应能引起的影响来增强这些可开关的接点的寿命。

例如，各种已知技术可采用常规的电磁开关以及额外的电路，该额外电路用于消耗电路的感应能以便将电磁开关本身中消耗的能量减至最少[1-3]。或者，制造了各种非常规电磁开关，它们可例如设法限制电弧的物理位置以试图将接点侵蚀减至最小[4]。

但是，尽管这些技术可增强电磁开关的有用工作寿命，但是本领域中仍然需要具有进一步增强的工作寿命的高压DC电磁电路中断器，尤其当用于诸如飞行器配电系统的安全关键的应用时更是如此。

发明内容

因此，在记住与常规高压DC电磁开关装置相关联的上述缺点的同时，设计了本发明。

根据本发明的一个方面，因而提供一种用于高压DC飞行器配电系统的电磁电路中断器。该电磁电路中断器包括接触机构，该接触结构可进行操作以便将第一和第二电接点分开第一预定距离持续预定时间，以便当接触机构断开时维持电弧。该接触机构还可进行操作以便在预定时间之后将第一和第二电接点分开第二预定距离，以便熄灭电弧。另外，第一预定距离小于所述第二预定距离。

该电磁电路中断器与常规装置形成对照，因为它不是设法尽可能快地大大断开接点，而是使得接点能够在相对较长的时间(例如，与以微秒计断开的现有技术的装置相比为几个毫秒)分开，以便产生电弧并使电弧维持相对较长的周期。这样做的优点是，在电磁电路中断器的接点变得足够热而熔融之前，可在预定时间周期期间消耗储存在电路中的许多感应能。随后，可进一步或完全断开接点以使电路断开，电弧熄灭，从而将任何接点飞溅减至最少或基本上消除任何接点飞溅。

因此，尽管电磁电路中断器的总的开关时间比常规装置有所增加，但是接点的工作寿命和可靠性可大大增强。

附图说明

现在将结合附图描述本发明的各个方面和实施例，附图中：

图1A示出根据本发明的各种实施例处于闭合接点位置的高压直流(DC)飞行器配电系统的电磁电路中断器；

图1B示出处于中间断开接点位置的图1A中的电磁电路中断器；

图1C示出处于完全断开的接点位置的图1A中的电磁电路中断器；

图2示出低压DC电路中断的时间I-V曲线；

图3示出低压电弧的I-V特性曲线图；以及

图4示出通过操作本发明的各个实施例提供的各种高压电弧电压波形。

具体实施方式

图1A示出根据本发明的各种实施例处于闭合接点位置的高压直流(DC)飞行器配电系统的电磁电路中断器100。

电磁电路中断器100包括气密地密封在外壳110中的第一电接点120和第二电接点130。第一和第二电接点120、130可在外壳110内通过启动接触机构102而在闭合位置、中间断开接点位置和完全断开接点位置之间移动。图1A-1C中分别示出这三个位置。外壳110可包含填充气体。在各种实施例中，填充气体可包括干空气、氮、氩、氖、氪等中的一种或多种。在各种优选实施例中，可使用氮气或另一种惰性气体或气体混合物。

第一电接点120形成有导电凸出部分122，凸出部分122可由与第一电接点120的主体相同的材料制成。或者，凸出部分122可由与第一电接点120的主体的材料不同的材料(例如，金属)形成。类似地，第二电接点130形成有导电凸出部分132，凸出部分132可由与第二电接点130的主体相同的材料制成。或者，凸出部分132可由与第二电接点130的主体的材料不同的材料(例如，金属)形成。凸出部分122、132的表面可成某种形状或基本上平坦。

在图1A所示的闭合接点位置，取决于它们的相应形状，凸出部分122、132彼此邻接或嵌合在一起，以便在第一与第二电接点120、130之间形成低电阻电连接。

图1B示出处于中间断开接点位置的电磁电路中断器100。在中间断开接点位置，接触机构102将凸出部分122、132的表面分开第一预定距离d₁持续预定时间τ。用于为本发明的实施例确定第一预定距离d₁和预定时间τ的各种方法将在下文进一步论述。

当在第一与第二电接点120、130之间具有高压DC电势差时，在基本上等于预定时间τ的整个持续时间的周期在凸出部分122、132之间维持电弧150。电弧150的作用就像是电路中的电阻器一样，并且将储存的感应能作为造成邻近电接点120、130的温度上升的热能消耗掉。

在常规装置中接点快速地(例如，μS级)完全间隙断开的情况下，电弧可使接点发热(通过电阻式I²R发热)。该温度上升足以造成飞溅和电弧的间歇式再触发，直到消耗掉足够的感应能而使这个过程停止。

但是，通过选择预定时间τ和第一预定距离d₁以确保将电接点120、130的温度上升限制在用于形成它们的材料的熔融温度以下，可将飞溅减至最少并增加电磁电路中断器100的工作寿命。

所选择的各种参数取决于电磁开关的确切电流、电压和额定功率、所使用的填充气体以及接点材料，因此第一预定距离d₁、第二预定距离d₂和预定时间τ根据所使用的特定实施例而改变。

可运用于确定是否将发生高压电弧放电和/或确定各种距离参数的一个技术涉及为特定电磁电路中断器100实施例寻找Paschen电压。

对于平行导电板，Paschen发现，击穿电压V_b(伏特)可通过下式描述：

$V_b=\frac{k_1(P.d)}{\ln (P.d)+k_2}$ -式1

其中，P是两个平板之间的气体的压力，d是两个平板之间的间隔距离，而K₁和K₂是取决于所用的特定气体或气体混合物的常数。

对式1求导并将导数设为0，得到：

$P.d=e^{(1-k_2)}$ -式2

而这又使得能够从式1得到Paschen电压V_P＝V_bmin。

例如，对于高压应用，为了确保实际上确实发生电弧放电，对于任何特定气体，在任何给定温度，电磁电路中断器100的工作高DC电压必须大于Paschen电压V_P。例如，对于标准大气压的空气中的接点，可选择以下参数：1.5mm＜d₁＜2.5mm，而d₂例如设置成使得d₂≈3mm。

图1C示出处于完全断开接点位置的电磁电路中断器100。在完全断开接点位置，接触机构102使凸出部分122、132的表面分开第二预定距离d₂(其中，d₂＞d₁)，直到使得电磁电路中断器100切换回到闭合接点位置的时间为止。当从完全断开的接点位置切换回到闭合接点位置时，接触机构102将第一和第二电接点120、130快速且直接地移动到一起，而没有任何中间接点分开阶段。

当第一和第二电接点120、130从中间断开接点位置完全断开时，任何电弧150都快速熄灭。另外，由于储存的许多感应能在此时已经耗尽，所以电弧150不太可能再触发，也不太可能对第一和第二电接点120、130或凸出部分122、132造成损坏。

在各种实施例中，接触机构102可包括用于在闭合位置、中间断开接点位置与完全断开接点位置之间移动第一和第二电接点120、130的一个或多个螺线管致动器和/或机械布置。机械致动器设计领域的技术人员将容易地设想到各种这样的实施例。

图2示出低压DC电路中断的时间I-V曲线。该时间I-V曲线包括对于低压DC电路中断的电流(I)分布210的图形描绘和电压(V)分布220的图形描绘。

在时间t＝5mS，电路中断，并且电流分布210显示，随着储存的感应能作为热量消耗掉，在大约5mS的周期内，电路电流从约200安培平稳地下降到约40安培。在大约t＝10mS之后，观察到电流快速下降到0安培，其中在大约1mS的间隔期间，电流从约40安培快速降低到0。

电压分布220显示接点电极之间的电势如何随时间改变。在t₀(在此情况下等于t＝5mS)，电路中断开始，并且在接点电极间快速形成大约15伏的电势。在t₀，将金属电极结合在一起的力减小。而这又使接触电阻增大，从而导致增加的热量。随着接点力进一步减小，电流流过的区域减小，这也使接点温度进一步升高。在极限时，所有的电路电流都通过极小的表面区域，从而导致电极的这个区域熔融，并且发生受控爆炸。

因此，金属蒸汽或粒子从接点电极飞溅开来，并且在t₀与t₁(在约1mS之后)之间，发生通过金属化空气的传导。在t₁，电极间隙在本质上变成真空，并且形成真空电弧。真空电弧的电压分布遵循如图所示的指数曲线，它最初从t₁时的约15-20伏增大到电流分布210达到0安培时的约48伏。在这个时间周期期间，即，在从约t＝6mS到约t＝11mS期间，储存在电路中的感应能转换为电弧中的热量，并且连接到电路中断器的负载也会消耗一些感应能。

图3示出在图2中产生的低压电弧的I-V特性曲线图300。填充气体为氮。图3示出，随着正被中断的电路中的电流减小，电弧电压上升(负阻抗)。一旦电流减小为0，电弧电压也减小为0伏。

电弧电压还与电弧必须穿过的间隙有关。如果有较高的电压可用，并且电路储存有足够的能量，那么可形成(draw)电弧，并观察到较高的电弧电压。

图4示出通过操作本发明的各种实施例提供的各种高压电弧电压波形402-420。电压波形402基本上等同于如上所述的按照图3的低压电弧分布。

y-轴(V_arc)经校准(单位为伏)。但是，V_arc也可指示相对于环境温度(T₁)的电弧温度(T₂)，以使得x-轴(F(I))是在电弧中流过的电流的函数。

因此，可确定预定时间τ，以使得T_arc＜T_meltmin，其中T_arc是由电弧生成的温度，而T_meltmin是用于制造第一和第二电接点的材料的最低熔融温度。例如，可确定τ以使得T_arc＜＜T_meltmin，例如其中α＝2、5、10、20等，以便将接点飞溅减至最少，并且τ可为例如约1mS到约10mS。

图4中示出有较高电压可用的电路中的可能的电弧电压波形的阵列。第二电压波形404具有等同于电压波形402的低压电弧分布的两倍的分布。第三电压波形406具有等同于电压波形402的低压电弧分布的三倍的分布。第四电压波形408具有等同于电压波形402的低压电弧分布的四倍的分布。第五电压波形410具有等同于电压波形402的低压电弧分布的五倍的分布。第六电压波形412具有等同于电压波形402的低压电弧分布的六倍的分布。第七电压波形414具有等同于电压波形402的低压电弧分布的七倍的分布。第八电压波形416具有等同于电压波形402的低压电弧分布的八倍的分布。第九电压波形418具有等同于电压波形402的低压电弧分布的九倍的分布。第十电压波形420具有等同于电压波形402的低压电弧分布的十倍的分布。

每个电压波形曲线402-420与给定的电弧间隙有关。电压与间隙大小成正比。因此，对于将要实现的较高电压电弧，必须提供较大的间隙大小。例如，第一预定距离d₁可定义为：d₁＝m.λ，其中m是预定因子，而λ是基本上等于第一和第二电接点之间的一个电子平均自由行程的DC低压电弧间隙。然后，第二预定距离d₂可等于等同额定值的(equivalently rated)常规电磁电路断电器的常规间隙距离。

平均自由行程λ可定义成使得：

$\mathrm{\λ}=\frac{\mathrm{kT}}{\mathrm{p\σ}}$ -式3

其中，k是玻尔兹曼常数，T是电弧温度(例如，15,000开)，p是接点之间的气体的压力，而σ是气体特有的横截面积。

在一个实施例中，为了中断270伏电路，可使用以下三阶段过程，以便允许消耗电路的感应能并防止不想要的电弧形成：

1、使接点断开一定距离，该距离可为低压电弧402所需的间隙的六到七倍(例如，m可在从约6到约7的范围内)。当V_arc＝270伏时，这提供从约8到约20的F(I)的工作范围，这在图4中可见，并且确保维持电弧，同时还将接点的温度上升(与V_arc成比例)限制在曲线412和414中可见的峰值以下；

2、对于给定的能量中断能力保持接点持续时间周期τ，或者直到电流达到0安培；以及

3、进一步断开接点以提供绝缘承受能力。

例如，使用式3，其中p＝101321Pa，T＝6000K，并且σ＝πr_i ²，其中r_i是氮的离子半径，它＝30nm，可得到λ。然后，可使用λ的倍数来定义所需的接点间隔距离。可通过确定消耗某一量的能量ΔE所需的时间来计算接点的预定断开时间，以使得根据特定装置额定值，ΔE＝V_arc.I.t.。

因此，可选择预定时间τ，以使得当接点断开时保留在电路中的感应能不足以将接点间的电压增大到足以使电弧再触发的程度。可使用额外的安全系数，以使得E_stored(τ)＜E_rearc，例如选择τ以使得其中E_stored(t)是在时间t＝0时接点分开并且电路断开之后在时间t时保留在电路中的感应能的量，E_rearc是当第一和第二电接点分开第一预定距离d₁时使电弧再触发所需的能量，而β是大于1的安全系数(例如，β＝2)。

采用这样的释放技术有助于防止电弧过早终止时电弧再触发的可能性。这与常规装置形成对照，在常规装置中，如果金属接点过快断开，并且系统中的能量不能维持原本的电弧温度，那么电弧熄灭并且电流停止流动。然后，仍然储存在系统中的感应能使接点间隙间的电压增大，直到有足够的电压可用于发生击穿并且因此使电弧再触发。

例如，在本发明的各种实施例中，预定时间τ可为约1mS到约15mS，或者更优选地，为约5mS到约8mS。相比之下，常规的电磁装置通常在一定时间周期内使接点断开以断开电路，该时间周期比这些实施例快大约几个数量级，例如约为几微秒或几十微秒。

尽管本文描述了本发明的各个方面和实施例，但本领域技术人员还将意识到，可得出落在权利要求范围内的电磁电路中断器的许多实施例。另外，他们还将知道，可使用各种技术(包括试验和理论技术)来确定这些电磁电路中断器的某些工作参数，例如以便确定第一预定断开距离、预定中间接点断开时间和/或第二预定断开距离。而且，可能的接触机构实施例的许多版本也将显而易见。

参考文献：

1、GB 1 333 685(Hughes)

2、US 4,249,223(Shuey)

3、US 2008/0143462(Belisle)

4、US 5,004,874(Theisen)

在允许的情况下，上述参考文献的内容由此也通过引用全文结合到本申请。

Claims (11)

1.一种用于高压直流(DC)飞行器配电系统的电磁电路中断器，包括：

接触机构，其可进行操作以便将第一和第二电接点分开第一预定距离持续预定时间，以便当所述接触机构断开时维持电弧；

其中所述接触机构还可进行操作以便在所述预定时间之后将所述第一和第二电接点分开第二预定距离，以便熄灭所述电弧；并且其中

所述第一预定距离小于所述第二预定距离。

2.如权利要求1所述的电磁电路中断器，其中所述第一预定距离定义为：d₁＝m.λ，其中m是预定因子，而λ是等于所述第一和第二电接点之间的一个电子平均自由行程的DC低压电弧间隙。

3.如权利要求1所述的电磁电路中断器，其中所述第二预定距离等于等同额定值的常规电磁电路断电器的常规间隙距离。

4.如权利要求1所述的电磁电路中断器，其中确定所述预定时间以使得T_arc＜T_meltmin，其中T_arc是由所述电弧生成的温度，而T_meltmin是用于制造所述第一和第二电接点的材料的最低熔融温度。

5.如前述任一权利要求所述的电磁电路中断器，其中所述预定时间为1mS到15mS。

6.如权利要求5所述的电磁电路中断器，其中所述预定时间为5mS到8mS。

7.一种用于飞行器的高压DC电源系统，包括：

用于在机体内分配电功率的线束；

电连接到所述线束的至少一个电负载；

电连接到所述线束的高压DC电源；

电连接在所述线束与相应电负载之间的根据前述任一权利要求所述的电磁电路中断器，所述电磁电路中断器可进行操作以便将所述相应电负载从所述线束断开。

8.如权利要求7所述的高压DC电源系统，其中所述高压DC电源在大于所述电磁电路中断器的Paschen电压的电压下工作；

其中，Paschen电压V_P＝V_bmin，V_bmin为对V_b求导数为零点所得的最小值；

其中， $V_b=\frac{k_1(P*d)}{\ln (P*d)+k_2}$

其中，P是两个平板之间的气体的压力，d是两个平板之间的间隔距离，而k₁和k₂是取决于所用的特定气体或气体混合物的常数。

9.一种操作电磁电路中断器的方法，所述电磁电路中断器具有可通过操作接触机构分开的第一和第二电接点，所述方法包括：

将所述第一和第二电接点分开第一预定距离持续预定时间，以便当所述接触机构断开时维持电弧；以及

在所述预定时间之后将所述第一和第二电接点分开第二预定距离，以便熄灭所述电弧，所述第一预定距离小于所述第二预定距离。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述预定时间为1mS到15mS。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述预定时间为5mS到8mS。