CN104115250B - 换流断路器 - Google Patents
换流断路器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104115250B CN104115250B CN201280059389.6A CN201280059389A CN104115250B CN 104115250 B CN104115250 B CN 104115250B CN 201280059389 A CN201280059389 A CN 201280059389A CN 104115250 B CN104115250 B CN 104115250B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- shuttle
- change
- current
- electrode
- resistance
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 230000008859 change Effects 0.000 title claims abstract description 520
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims abstract description 71
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 claims abstract description 12
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 85
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 40
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 31
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 27
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 27
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims description 27
- 230000005381 magnetic domain Effects 0.000 claims description 25
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 23
- 239000012190 activator Substances 0.000 claims description 17
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 17
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 12
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 claims description 10
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 4
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 3
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 3
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 claims 1
- 239000012774 insulation material Substances 0.000 claims 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 abstract description 15
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 66
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 66
- 238000013461 design Methods 0.000 description 57
- 238000000034 method Methods 0.000 description 52
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 43
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 39
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 30
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 28
- 229920003051 synthetic elastomer Polymers 0.000 description 27
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 24
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 24
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 21
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 20
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 20
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 20
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 20
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 19
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 19
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 18
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 description 18
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 17
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 15
- 239000011195 cermet Substances 0.000 description 15
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 15
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 15
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 14
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 14
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 14
- 230000008569 process Effects 0.000 description 14
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 14
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 14
- 230000037361 pathway Effects 0.000 description 12
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 12
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 11
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 11
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 11
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 10
- 230000006870 function Effects 0.000 description 10
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 10
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 10
- 230000009471 action Effects 0.000 description 9
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 9
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 8
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 8
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 8
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 8
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 8
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 8
- 229910000801 Titanium Beta C Inorganic materials 0.000 description 7
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 7
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 7
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 7
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 7
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 7
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 7
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 7
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 6
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 6
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 6
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 6
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 6
- 229910018503 SF6 Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 5
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 5
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 5
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 5
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 5
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 5
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 5
- 239000005060 rubber Substances 0.000 description 5
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 5
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 5
- SFZCNBIFKDRMGX-UHFFFAOYSA-N sulfur hexafluoride Chemical compound FS(F)(F)(F)(F)F SFZCNBIFKDRMGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 description 5
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 241000209094 Oryza Species 0.000 description 4
- 235000007164 Oryza sativa Nutrition 0.000 description 4
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 4
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 4
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 description 4
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 4
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 4
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 235000009566 rice Nutrition 0.000 description 4
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 4
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 4
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 4
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 4
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 4
- 229960000909 sulfur hexafluoride Drugs 0.000 description 4
- 239000004416 thermosoftening plastic Substances 0.000 description 4
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 3
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 3
- 229910000807 Ga alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 3
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 3
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 3
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 3
- 239000013536 elastomeric material Substances 0.000 description 3
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 3
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 3
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 3
- 239000000047 product Substances 0.000 description 3
- 239000013079 quasicrystal Substances 0.000 description 3
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 3
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 3
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 3
- 229920002943 EPDM rubber Polymers 0.000 description 2
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004594 Masterbatch (MB) Substances 0.000 description 2
- CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N Ozone Chemical compound [O-][O+]=O CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000828 alnico Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 2
- 230000003139 buffering effect Effects 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 239000004568 cement Substances 0.000 description 2
- 238000010288 cold spraying Methods 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 2
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 description 2
- 238000010285 flame spraying Methods 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 2
- 238000002386 leaching Methods 0.000 description 2
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 2
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 2
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 2
- CBBVHSHLSCZIHD-UHFFFAOYSA-N mercury silver Chemical compound [Ag].[Hg] CBBVHSHLSCZIHD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 2
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 2
- 230000004043 responsiveness Effects 0.000 description 2
- 230000000452 restraining effect Effects 0.000 description 2
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910017083 AlN Inorganic materials 0.000 description 1
- PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N Aluminum nitride Chemical compound [Al]#N PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- 229910000645 Hg alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 101000573901 Homo sapiens Major prion protein Proteins 0.000 description 1
- 102100025818 Major prion protein Human genes 0.000 description 1
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000459 Nitrile rubber Polymers 0.000 description 1
- 229910003978 SiClx Inorganic materials 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N alumane Chemical group [AlH3] AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001408 amides Chemical class 0.000 description 1
- 230000003064 anti-oxidating effect Effects 0.000 description 1
- 239000003963 antioxidant agent Substances 0.000 description 1
- 230000003078 antioxidant effect Effects 0.000 description 1
- 235000006708 antioxidants Nutrition 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000001174 ascending effect Effects 0.000 description 1
- 230000004323 axial length Effects 0.000 description 1
- 239000010953 base metal Substances 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N carbon carbon Chemical compound C.C CREMABGTGYGIQB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011203 carbon fibre reinforced carbon Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 210000000080 chela (arthropods) Anatomy 0.000 description 1
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 239000002322 conducting polymer Substances 0.000 description 1
- 239000011231 conductive filler Substances 0.000 description 1
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000012792 core layer Substances 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- IDLFZVILOHSSID-OVLDLUHVSA-N corticotropin Chemical compound C([C@@H](C(=O)N[C@@H](CO)C(=O)N[C@@H](CCSC)C(=O)N[C@@H](CCC(O)=O)C(=O)N[C@@H](CC=1NC=NC=1)C(=O)N[C@@H](CC=1C=CC=CC=1)C(=O)N[C@@H](CCCNC(N)=N)C(=O)N[C@@H](CC=1C2=CC=CC=C2NC=1)C(=O)NCC(=O)N[C@@H](CCCCN)C(=O)N1[C@@H](CCC1)C(=O)N[C@@H](C(C)C)C(=O)NCC(=O)N[C@@H](CCCCN)C(=O)N[C@@H](CCCCN)C(=O)N[C@@H](CCCNC(N)=N)C(=O)N[C@@H](CCCNC(N)=N)C(=O)N1[C@@H](CCC1)C(=O)N[C@@H](C(C)C)C(=O)N[C@@H](CCCCN)C(=O)N[C@@H](C(C)C)C(=O)N[C@@H](CC=1C=CC(O)=CC=1)C(=O)N1[C@@H](CCC1)C(=O)N[C@@H](CC(N)=O)C(=O)NCC(=O)N[C@@H](C)C(=O)N[C@@H](CCC(O)=O)C(=O)N[C@@H](CC(O)=O)C(=O)N[C@@H](CCC(O)=O)C(=O)N[C@@H](CO)C(=O)N[C@@H](C)C(=O)N[C@@H](CCC(O)=O)C(=O)N[C@@H](C)C(=O)N[C@@H](CC=1C=CC=CC=1)C(=O)N1[C@@H](CCC1)C(=O)N[C@@H](CC(C)C)C(=O)N[C@@H](CCC(O)=O)C(=O)N[C@@H](CC=1C=CC=CC=1)C(O)=O)NC(=O)[C@@H](N)CO)C1=CC=C(O)C=C1 IDLFZVILOHSSID-OVLDLUHVSA-N 0.000 description 1
- 238000004132 cross linking Methods 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 235000013399 edible fruits Nutrition 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 239000012777 electrically insulating material Substances 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 1
- 229920000295 expanded polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 238000013213 extrapolation Methods 0.000 description 1
- 235000019387 fatty acid methyl ester Nutrition 0.000 description 1
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 1
- 239000003205 fragrance Substances 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 238000001746 injection moulding Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000003350 kerosene Substances 0.000 description 1
- 238000003698 laser cutting Methods 0.000 description 1
- 238000012886 linear function Methods 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 1
- 230000005226 mechanical processes and functions Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 239000002905 metal composite material Substances 0.000 description 1
- 239000011156 metal matrix composite Substances 0.000 description 1
- 239000002480 mineral oil Substances 0.000 description 1
- 235000010446 mineral oil Nutrition 0.000 description 1
- 238000005065 mining Methods 0.000 description 1
- 230000005404 monopole Effects 0.000 description 1
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012188 paraffin wax Substances 0.000 description 1
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 150000002978 peroxides Chemical class 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 229920000728 polyester Polymers 0.000 description 1
- 239000013047 polymeric layer Substances 0.000 description 1
- 229920005749 polyurethane resin Polymers 0.000 description 1
- 229910052573 porcelain Inorganic materials 0.000 description 1
- BITYAPCSNKJESK-UHFFFAOYSA-N potassiosodium Chemical compound [Na].[K] BITYAPCSNKJESK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000010107 reaction injection moulding Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000001846 repelling effect Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 1
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 1
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 210000003518 stress fiber Anatomy 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000002887 superconductor Substances 0.000 description 1
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- TXEYQDLBPFQVAA-UHFFFAOYSA-N tetrafluoromethane Chemical compound FC(F)(F)F TXEYQDLBPFQVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- 235000015112 vegetable and seed oil Nutrition 0.000 description 1
- 239000008158 vegetable oil Substances 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
- H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
- H01H33/02—Details
- H01H33/59—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switch and not otherwise provided for, e.g. for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle
- H01H33/596—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switch and not otherwise provided for, e.g. for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle for interrupting dc
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01C—RESISTORS
- H01C10/00—Adjustable resistors
- H01C10/04—Adjustable resistors with specified mathematical relationship between movement of resistor actuating means and value of resistance, other than direct proportional relationship
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01C—RESISTORS
- H01C10/00—Adjustable resistors
- H01C10/16—Adjustable resistors including plural resistive elements
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
- H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
- H01H33/02—Details
- H01H33/04—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
- H01H33/16—Impedances connected with contacts
- H01H33/161—Variable impedances
Abstract
一种换流断路器，该换流断路器通过滑梭的物理运动向电路中逐步插入渐增的电阻，滑梭通过其上的一组滑动电触点连入电路中，这些滑动电触点通过移动的滑梭把电力连接至具有渐增电阻的一系列不同电阻路径中；滑梭的运动可以是直线式的，也可以是旋转式的。本发明的一个特点是，滑梭电极与相配的固定定子电极之间没有会产生强电弧的分断点。相反，电流从一条电阻通路转换至下一条电阻通路，每级的电阻变化很小，足以抑制电弧的产生。可变电阻可在移动的滑梭中，或者，滑梭可包括在一系列固定电阻上转移电流的换流滑梭。
Description
技术领域
本发明涉及断路器。
背景技术
为了使任何直流电路断开，必须吸收由于电流流动而在磁场中存储的感生能量；这种能量可以存储到电容中，或者在电阻中消散(在这种意义上讲，电路断开时形成的闪弧是电阻的一种特例)。在短路时，由于电流的快速涌入，感生的能量能轻易地远远超过正常满载系统中存储的感生能量；若电流在受控之前达到正常满载电流的五倍，则感生的能量会高达正常满载电路中的感生能量的二十五倍(取决于短接的位置)。为了断开高压直流(HVDC)输电线回路，必须消散的感生能量可能高达数百兆焦(MJ)。在断开直流电路时，另一个主要问题是，由于电流和电压不像交流电那样周期性地穿越零点，因此很难熄灭直流电弧。
在现有技术中，有一些断开高功率直流电路的已知策略。对于800伏(0.8千伏)的8000安(8.0千安)以下直流电路，或者1600伏(1.6千伏)的4000安以下直流电路，消弧栅断路器(例如美国专利2,270,723；3,735,074；7,521,625；7,541,902所揭示的消弧栅断路器)能够有效地实现断路。使用消弧栅断路器，能够应对更高的电压，但是在这种装置中，需要对电极进行物理隔离，并且消弧栅中的栅板数目随电压的升高而线性升高，因此在应对3.5千伏以上的电压时，消弧栅断路器的尺寸会变得很大。
消弧栅断路器的基本构思是把电弧电流在平行金属板之间的很大表面面积上延展为多个小弧。由于电弧温度很高，因此许多小弧的较大表面面积意味着辐射冷却要快得多。随着电弧的冷却，电阻会不断升高，直到最终抑制电弧电流；这个过程需要一些时间：在兆瓦(MW)级消弧栅断路器中，引弧和消弧之间的时间通常为50-300毫秒(ms)。这么长的电路断开时间与电极的运动速度关系不大；例如，在通用电气(GE)生产的GerapidTM断路器中，电极在3毫秒(ms)内分开，但是使电弧冷却需要比这长100倍的时间，并且，在发生短路的情况中，消弧栅断路器内的电流可能持续增大，需要经过长达十毫秒的时间才开始减小。
现有技术中的另一个已知手段是，为了产生高功率直流断路器，可以利用电容的充电或放电，从而在瞬间把电压和电流减小到速动交流型开关能够关断电路的水平。美国专利3,809,959说明了一种装置，在该装置中，两个交流型开关、一个电阻、一个火花放电器和一个电容组合在一起，产生一种能够有效应对高压直流(HVDC)电压的直流断路器。这种断路器比消弧栅断路器更快，并可用于HVDC电压级。这一思想的后续改进包括：把电容预充至与待切断的电流的极性相反的状态。
美国专利3,534,226说明了向直流电路插入电阻和电容来断开电路的独特方式；该专利通过完整引用被结合于本申请。在美国专利3,534,226中详细说明了一种通过切入电阻来断开直流电路的基本构思，即，在断开直流电路的过程中切入电阻，以逐步减小电流，从而控制断开直流电路时的瞬态电压数值，这种方法需要使用许多独立的开关和电阻。专利3,534,226中说明的方法包括两种不同的开关，这些开关必须按精确的顺序断开：首先要断开低电阻的机械开关(当断路器闭合时，大部分电力流过这些开关)。这种开关是常规开关，其中的电触点是处于分开状态的。虽然在低电阻开关的分离电极形式可能短暂地形成等离子弧，但是由于电流被通过电阻转换到并联路径上，因此这种电弧会很快被熄灭，而并联路径通过速动开关断开。为了能熄灭初始电弧并向并联的电阻路径转换，电阻网络的初始电阻必须相当低。在最后一个速动开关断开之前，电流已被减小至其最大值的10％(这意味着99％以上的磁能已被消散)，这样，最终的电容缓冲装置可以较小，并且比较经济，相比之下，若该缓冲装置不得不吸收在初始断开时存储在电路中的大部分磁能，则其尺寸会大得多。美国专利3,534,226构成了多个后续专利的基础，包括美国专利3,611,031和3,660,723(这两个专利也使用低损耗机械开关把电流转换至基于快速电子开关的电阻网络中)、以及美国专利6,075,684，该专利使用快速电子开关代替换流机械开关。
发明内容
以下美国专利申请的揭示内容通过引用结合在此：
1.申请号61/541301；提交日期为2011年9月30日
2.申请号13/366611；提交日期为2012年2月6日
3.申请号61/619531；提交日期为2012年4月4日
换流断路器(commutating circuit breaker)的工作原理是：按预定顺序向电路切入渐增的电阻，直到电流被充分减小，从而能使用较小的缓冲电路(例如可变电阻或电容)吸收存储的最后一点儿磁能，最终实现断开电路。电阻需要足够缓慢地增大，以保证在抑制感生能量的同时不会产生高于系统能够承受的最高电压的电压尖峰。在换流断路器中，使电路按顺序切换电阻是通过一个滑梭的运动完成的。由于下面的三种“情况”之一，随着滑梭的移动，电阻会增大：
1.随着滑梭的移动，可变电阻滑梭上的电阻增大；
2.随着换流滑梭在一系列固定电阻上转换电流，断路器上的电阻增大；或
3.使用换流可变电阻滑梭来在一系列固定电阻上转换，但是一部分插入电阻位于滑梭上。
在换流断路器中，电流从第一电极A通过第一定子电极(定子电极#1)流到滑梭上的第一滑梭电极；从断路器的电极A至滑梭的这部分电流通路可通过任何可行的方式实现，例如通过换流连接或稳定的连续连接实现；稳定的连续连接可通过软线、伸缩管、或滑环等实现。当电流到达滑梭时，它流入第二滑梭电极，第二滑梭电极连接至一个或一系列第二定子电极，以构成连接至电极B的电路，使得电阻随着滑梭移动而增大。
在上述的可变电阻滑梭的情况#1中，滑梭的可变电阻部分通过固定定子电极把换流断路器的电极A连接至电极B。滑梭的运动可以是直线式的，也可以是旋转式的。固定定子电极和移动滑梭电极之间的电连接点包括至少一个孤立的定子电极，在断路器的操作过程中，滑梭沿该定子电极滑动，并且电流通过其传递。滑梭与电路的另一个连接同样可以是滑动接触型的，但是也可以是软线连接或伸缩管，当滑梭移动时，该软线连接或伸缩管仍附在滑梭上(仅在滑梭电路的一侧)。
在上述的换流滑梭的情况#2中，电阻保持固定，换流滑梭在移动时向不同的定子电极送电，这些定子电极通过一系列固定电阻连接电流，使得在换流断路器断开的过程中电阻反复增大。在此情况中，换流滑梭上的至少一个滑梭电极必须是孤立电极，该电极在至少一侧被绝缘层隔开，当然，在最简单的情况下，周围绝缘层可以是流体或真空。由于断开电路所需的电阻的质量取决于必须吸收的总能量，并且对于为高功率、高压线路设计的换流断路器来说，电阻的质量可能达到数百公斤，因此，在高功率应用中，优选不要去加速情况#1中的电阻，而是应依靠情况#2中的换流滑梭来在一系列固定电阻上转移电力。与情况#1中的可变电阻滑梭相比，换流滑梭的重量可以较轻，并且能够方便地由较结实的材料构成。换流滑梭比可变电阻滑梭的质量小意味着加速滑梭时需要传递的动量小，这能最大限度地减少由于滑梭的加速而导致的摇晃，并且能减少容纳换流断路器的结构的冲击、振动和疲劳。
上述情况#3的换流可变电阻滑梭对于缓冲电弧电流很有用，能在换流定子电极的后缘脱离与特定移动滑梭电极的电连接时避免产生电弧。通过使滑梭电极的最后一部分的电导率比第一部分的低，能够抑制闪弧，同时仍能保持滑梭电极的第一部分的低电阻通路，因而在电路闭合时能够高效地导电，或者连接至一系列定子电极中由移动滑梭电极接触的下一个定子电极。在定子电极与外接电阻连接的定子电极后缘上，采用这种相同的电阻率梯度也比较有利。为了使电极的后缘的电阻比金属件的电阻大，意味着需要把换流断路器的一部分插入电阻布置在滑梭电极后缘中的滑梭上，或者布置在定子电极后缘中，或者同时布置在这两处。
由于在换流断路器的操作过程中必须对滑梭进行加速，因此最大限度地减少滑梭质量比较有利，所以后缘电阻梯度优选主要限于定子电极，因为滑梭电极后缘上的这种电阻梯度会使滑梭质量增大，这会使发射机构较重，并且使加速滑梭所需传递的动量增大。若同时在滑梭电极和这定子电极的后缘上分布电阻率梯度，则当特定定子电极脱开与特定滑梭电极的接触时，能够提供最好的消弧效果。利用经路径A连接的电极的后缘上的有梯度电阻率分布，可通过与分断电极共享并联连接的下一个相邻电极把电流转换至另一条具有较高电阻的路径B上。在路径A中的电极最终分断之前，最好提前很长时间把路径中A的电阻增加至并联路径B中的电阻值的十倍以上，这可利用分断路径A的电极后缘中的有梯度电阻率分布来完成。
在换流断路器中必须有至少一个换流区，在该换流区中，滑梭的移动改变断路器中的电流路径，从而在断路器断开的过程中，电流被转换至电阻渐增的路径上。此区可从滑梭电极通过一系列彼此电气分离的固定定子电极把电力转换至具有渐增电阻的路径上，或者，定子换流区可包括一叠串联的固定定子电极，使得通过电阻器的路径长度增大，导致插入电阻随着换流滑梭的移动而增大，或者，可变电阻滑梭的移动能使电极A与连接至电极B的定子电极之间的电阻增大。
换流断路器支持3500伏以上的高功率直流输配电。与中压交流(MVAC)配电相比，2000-36000伏(2-36千伏)的中压直流(MVDC)配电的资本效率和能效都较高，但是，到目前为止，由于直流断路器的成本高、效率低和/或动作缓慢等原因，这种中压直流配电在经济上不可行。MVDC支持把具有许多不同的发电机、功率需求和储能装置的微网联为一个电网，而是用交流配电来实现这种能力则要困难得多。
MVDC支持在工业设施(尤其是是用大量变速电动机的制造厂和加工厂)中、舰船上、矿场内、以及其它孤立的离网场所高效地配电。向许多不同的变速电动机驱动装置提供直流电能够比普通运转方式节省投资和能源成本，在普通运转方式中，变速驱动装置的每个电动机控制器必须首先在驱动装置内从交流电产生直流电，然后驱动直流电动机，或者转换为具有受控频率的交流电，以驱动变速电动机。若通过MVDC向变速驱动装置供电，则变速驱动装置会更廉价，效率更高，但是如上文所述，由于没有快速、高效、经济的MVDC断路器，这种方法不可行。
高压直流(HVDC)输电是向1000公里以上的距离输送高功率电力(例如一千兆瓦(GW)以上)的最有效方法。与交流电不同的是，直流线路可轻松地置于地下或海底，出于这些原因，HVDC是从遥远的风电场或太阳能电池阵列向城市和经济的远程储能场所输送大量可再生电力的最高效、最可行的方法，能够满足基于可再生能源建设高效能源经济的要求。在不久前，HVDC输电还仅限于通过“线路换流转换器”(LCC)来进行，LCC线路仅作为点对点输电线路，它连接交流电网的两个或几个节点，在连接至交流电话的每个连接点布置有LCC转换器。LCC HVDC系统不需要HVDC断路器，因为电流可在交流侧切断。一些较新型的交流/直流转换器--“电压源转换器”(VSC)首次允许真正的多端HVDC；但是，这些多端HVDC系统需要HVDC断路器。现有技术的HVDC断路器的高成本、低效率和低可靠性阻碍了多端HVDC电力线和最终的HVDC超级网的开发。
就资本成本和工作特性(长寿命、低开关瞬变)来说，换流断路器是一个突破，它支持各种直流电网，从用于数据中心的最普通的电压级(约400伏)至用于微网、舰船、制造厂和加工厂的MVDC、直至用于长距离电力共享的HVDC。
附图说明
图1示出了具有可变电阻滑梭的直线运动冲击式断路器，其中，滑梭中的电阻率有阶跃变化，两个定子电极以环形对称方式布置，以避免洛伦兹力扭矩。
图2示出了一种用于容纳电阻的容器，在本文中，有时把这种容器称为“罐”。这种罐装有被封装的盘状电阻，以构成电阻单元。
图3示出了一叠图2中所示的电阻单元，这些电阻单元以特定方式串联起来，便于通过装在这叠电阻单元周围的移动滑梭进行换流，如图4所示。
图4示出了一种具有管状换流滑梭的直线运动型换流断路器，换流滑梭安装在一列固定的盘状电阻周围。
图5示出了一种直线运动型多级换流断路器，该换流断路器具有分布在两级中的四个换流区。
图6示出了一种具有六个换流区的旋转运动型多级换流断路器。
图7示出了图6和表1所示的一种优化的18级换流断路器的电流和电能抑制情况。
图8示出了在移动电极后面具有电应力控制装置的单级换流滑梭；所示的电路是在驱动换流滑梭开始运动之前的情况。
图9示出了在移动电极后面具有电应力控制装置的单级换流滑梭；所示的电路是在换流滑梭运动结束时的情况。
图10示出了具有增大电阻率的后缘的滑梭电极/定子电极接口。
图11示出了具有从电极A至滑梭的软线的换流断路器。
图12示出了一种具有杆状、管状或线状滑梭的换流断路器。
图13示出了一种具有用于电压应力控制的人造橡胶套管的可变电阻滑梭。
图14示出了位于定子电极后面、用于电压应力控制的人造橡胶套管。
图15示出了一种具有平行快速开关的混合换流断路器。
图16示出了一种管状换流滑梭。
图17示出了具有两个换流区和外接电阻的旋转换流断路器。
图18示出了一种简化的旋转式速动换流断路器，其中，定子电极和电阻构成定子壁的楔形拱顶部分。
图19示出了为高压应用设计的大直径旋转换流断路器的驱动和控制机构。
图20示出了一种安装在底板上的旋转换流断路器，该换流断路器具有扭矩驱动装置、轴承、速动松脱装置、以及锁定制动装置。
图21示出了最坏情况的完全短路电路(无压降、无电阻)与具有内阻的电路的电流与时间关系的半对数坐标对比图。
具体实施方式
在换流断路器中，需要加速滑梭。滑梭可能是情况#1中的可变电阻滑梭，或者是情况#2中的换流滑梭，或者是这两种情况的混合，其中，插入可变电阻的一部分在滑梭上，另一部分通过情况#3中的固定电阻实现。
对于功率低于一百千瓦(kW)的较低功率电路，换流断路器可采用可变电阻滑梭(情况#1)，该可变电阻滑梭连接在两组触点之间，如图1所示。这能简化断路器机构和接线的设计，但是需要制造很复杂、并且具有较高强度的滑梭。与换流滑梭(情况#2)相比，对于相同的功率级，需要较强的弹簧或发射机构，因为必须加速整套电阻。可变电阻滑梭必须能承受很高的加速载荷，并且必须具有能在定子电极上滑动而不会发生过度磨损的表面。
图1是换流断路器100的局部分解图，其中，插入的电阻在滑梭上。在图1中，弹簧101受到张力，它通过不导电杆103拉动滑梭；此杆延伸至滑梭的后端，并连接至永久磁铁119-“滑梭磁铁”。在断路器处于闭合的状态下，在触发断路器动作之前，滑梭磁铁119与定子磁体121接触。电磁铁线圈123以排斥滑梭磁铁的朝向布置，并且当直流电流通过该线圈时，由弹簧触发断路器断开。图1示出了滑梭的可变电阻部分110，在滑梭的芯材层111、112和113中，电阻率有阶跃变化。定子107具有电极105和115，电极105和115以环状对称方式布置，以避免洛伦兹力在滑梭上产生扭矩。两个圆形定子电极105和115相隔一定的距离，该距离足够远，能够防止在断路器断开过程中产生电弧。
在一个电阻率层退出定子电极115时，随着滑梭向左移动，由于在电极A和电极B之间插入更长的电阻段，因而电阻平滑增大。随着每段电阻材料的边界脱离于定子电极115的接触，电阻与时间关系曲线会出现不连续点，而这又会在电阻于时间关系曲线中产生斜率变化，但是在电阻中没有阶跃变化。
图1所示的滑梭处于其闭合电路位置，但是使用定子磁铁121和电磁铁触发机构123的部件分解图能够更容易地描述。在闭合电路中，电力从电极A流向定子电极115，然后通过滑梭109的一部分流向定子电极105；滑梭109由具有很低电阻率(约10-8欧姆·米)的良好电导体构成。在滑梭开始移动后，随着材料109和材料111之间的边界退出定子电极115的左侧，电阻增大；这是第一次换流。随后，随着材料111从定子电极115左侧退出，电阻平滑增大，然后，随着斜率增大，当材料111和112之间的边界退出定子触点115的左侧时，发生第二次换流；随后，电阻再次平滑增大一段时间，直到材料112和113之间的边界退出定子电极115。当绝缘材料117从电极115的左侧伸出时，电路被最终断开。当电路最终断开时，所述领域的技术人员所熟知的某种缓冲装置(例如可变电阻或电容)吸收最后一点儿感生的储能。在电路断开过程中，总行程是距离125。阻止滑梭向前运动的装置未示出。
图1所示的类型的两个换流断路器可布置在一个公共支架上，从而通过把第二滑梭向右侧加速的冲力作用来平衡把滑梭向左侧加速的冲力作用。
图2示出了一叠电阻(如图3所示)的一个电阻单元，其中，盘状电阻127封装在罐中，有利于叠置和换流。电阻127为铝/碳电阻较好，例如美国纽约州奇克托瓦加市的HVRAdvanced Power Components公司制造的电阻。这些电阻能够很好地应对在换流断路器的工作过程中所需的脉冲功率，并且其电阻率有三个数量级。此类电阻的物理性质(尤其是密度和强度)不适合于图1所示的设计，即，通过加速电阻本身来完成电路断开，并且定子电极骑在电阻的表面上。图2所示的罐由导电的下部129、绝缘的上部133、以及绝缘套管部分135构成。这种罐为盘状电阻127(或137、138、139、140或141，如图3所示)提供容纳空间，该盘状电阻通过导电胶131附到罐129的底部。导电胶131最好是金属铜焊复合物、焊锡、或体电阻率比构成盘状电阻127的阻性材料低的导电胶。罐129的底部由金属材料制成，并具有金属唇缘，该金属唇缘部分地向上延伸，但是距盘状电阻127、137、138、139、140或141的侧面有一定距离。在罐129的金属部分的上方和相邻位置有电绝缘段133，并且该电绝缘段133延伸至与罐129的金属部分大致相同的外半径位置。在罐129的金属部分的上唇缘的公共内径、罐133的绝缘上部、以及盘状电阻127、137、138、139、140或141的外半径之间插入绝缘套管135；此套管保证电流从每个电阻的顶部至底部竖直流动，从而使I R阻性生热分布在整个盘状电阻(例如电阻127)上。在封装到六个罐中的电阻(127、137、138、139、140或141)中，每个电阻分别包括部件129、131、133和135，并具有无孔绝缘聚合物系统(例如，像封装变压器中通常采用的那样)，以形成如图2所示的最终封装电阻单元。
然后，与图2所示的电阻单元类似的六个电阻单元按图3所示的方式堆叠起来，以形成定子基底；每个罐和整个定子的整个径向外壁是通过把多个罐叠置并加上特殊的顶部单元而形成的，该径向外壁是光滑的同心滑动面。底部电阻单元包含盘状电阻127；上面的下一个单元包含盘状电阻137；下一个单元包含盘状电阻138；下一个单元包含盘状电阻139；下一个单元包含盘状电阻140；下一个单元包含盘状电阻141；每个盘状电阻的电阻率水平按127<137<138<139<140<141的顺序增大。在此叠电阻单元的最顶部，有一个特殊的可变电阻率电阻单元，它与其它单元的不同之处在于，它由金属底板145以及布置在底板145上、具有梯度性电阻率的金属陶瓷元件143组成，该金属陶瓷元件143的电阻率在底部处与盘状电阻141的电阻率大致相等，并且沿向上方向逐渐增大，直至该金属陶瓷元件在顶部处变为良好的绝缘体，顶部的电阻率>1012欧姆·米(ohm-m)。所有这些电阻单元通过机械和电气方式接合在一起，使得每个单元的金属基底附到下面的盘状电阻的整个上表面上。
图4示出了图3所示的一叠电阻是如何与换流滑梭147组合在一起的，在此情况中，换流滑梭147采用金属套管形式，它套在这一叠电阻上，并配有连接至电极A和换流滑梭147的导电滑环149、以及连接至电极B的导电底板151，从而形成一个换流断路器。图4示出了在图2、3、4所示的换流断路器断开过程中的一个中间状态，在此中间状态中，包含盘状电阻127、137和138的三个电阻单元在移动换流滑梭147和一叠电阻151的基底之间处于串联状态。应说明的是，金属套管型换流滑梭147的质量比此叠电阻的质量小，因此与按相同的比率加速此叠电阻所需的力相比，加速此换流滑梭所需的力150较小。电流从电极A通过滑环149流至移动换流滑梭147(在此情况中，整个长度147是滑梭电极)。原则上，换流滑梭与电极A的连接还可通过接线来实现。当图4所示的换流断路器闭合时，低阻电流从电极A流过滑环149，然后流过换流滑梭147，并流至最低的电阻单元(包含盘状电阻127)底部的金属部分129，在接通状态的情况下(未示出)，大多数电流直接流入金属底板151，并流到电极B上，撇开盘状电阻127(少量电流仍会流过盘状电阻127)。
当图4所示的断路器被触发时，换流滑梭147被迅速向上加速，导致电流首先通过电阻127，然后通过127+137，随后通过127+137+138(这是图4所示的状态)，等等。换流滑梭继续向上移动，直到移过图3所示的此叠电阻145的最后一个金属部分，然后，最终残余的较小电流被具有梯度性电阻率的单元143抑制。在换流滑梭147的底部，布置有半导电或绝缘的套管153，该套管153紧套在这叠电阻的周围，以抑制当换流滑梭147的导电部分与每个电阻壳底部的一个金属部件分开时可能产生的电弧。所述套管153在于换流滑梭147接触的部分最好是半导体材料的，但是应具有适当的电阻率梯度，从而在另一端(图4中的下端)变为高介电强度、高电阻的材料(大于1012欧姆·米)。所述套管153可由多种材料制成；一种特别符合要求的构成材料是具有光滑的内表面的高强度纤维增强弹性材料。图4中未示出把换流滑梭向上拉的方法、检测故障状况的传感器、以及触发电路断开的方法；这些功能都可通过现有技术中的已知方式实现。虽然在图中未示出，但是在换流滑梭147的内表面上可具有可选的柔性电极，这种电极有利于换流滑梭147和图3所示的一叠电阻的外表面之间更好的电接触。
图5示出了一种两级换流断路器，该换流断路器具有换流滑梭158，换流滑梭158移动距离205可使电路断开。该换流滑梭包含两对滑梭电极，这两对滑梭电极分别由滑梭电极210、211、212(滑梭电极对#1)和215、216、217(滑梭电极对#2)构成，这两对滑梭电极都嵌入在结构绝缘体159中。有四个换流区161至164：161和162共同构成这个两级换流断路器的第一级157；163和164共同构成第二级219。在这些区中，每个区有四个定子电极；例如，换流区161包含定子电极166、168、170和172；定子电极166通过低阻导体174连接至电极A。定子电极168通过电阻176连接至电极A；定子电极170通过串联的电阻178和176连接至电极A；定子电极172通过串联的电阻180、178和176连接至电极A；其它换流区与此类似。换流区162包含定子电极181、183、185和187。定子电极181通过低阻导体182连接至定子电极189。定子电极183通过电阻184连接至低阻导体182；定子电极185通过串联的电阻186和184连接至低阻导体182；定子电极187通过串联的电阻188、186和184连接至低阻导体182。换流区163包含定子电极189、190、192和194。定子电极189通过低阻导体182连接至定子电极181；定子电极190通过电阻191连接至低阻导体182；定子电极192通过串联的电阻191和193连接至低阻导体182；定子电极194通过串联的电阻195、193和191连接至低阻导体182。换流区164包含定子电极196、198、200和202。定子电极196通过低阻导体197连接至电极B。定子电极198通过电阻199连接至电极B；定子电极200通过串联的电阻201和199连接至电极B；定子电极202通过串联的电阻203、201和199连接至电极B。
当电路处于闭合状态时，有从电极A通过换流断路器如下连接至电极B的低阻路径：电极A通过导体174连接至定子电极166，然后连接至滑梭电极211，滑梭电极211然后通过绝缘的导体210连接至滑梭电极212，滑梭电极212然后连接至定子电极181，并从定子电极181通过导体182连接至定子电极189，然后连接至滑梭电极216，然后通过绝缘的导体215连接至滑梭电极217，然后连接至定子电极196，然后通过导体197连接至电极B。在此情况中，换流滑梭基本为刚性体，当它向右移动以断开电路时，它在四个滑梭电极211、212、216和217之间保持既定的几何关系。四个滑梭电极脱离与闭合电路对应的四个通态定子电极(166、181、189和196)的时间最好不是同时的，因为在全部四组电极中同时换流会增大开关瞬变的量级。四个滑梭电极211、212、216、217的后缘的轴向位置可适当调节，以便对四个通态电极的第一次换流进行定时，在第一次换流过程中，与定子电极166、181、189、196的电连接丢失；实际上，所有的后续换流的定时也可通过调节各个换流区内的第二、第三和第四电极的间隔来实现。所述定时可通过调节滑梭电极与定子电极之间的间隔来完成，或者，在滑梭电极之间可采用标准间隔，而所有定时控制通过仅调节定子电极的后缘位置来完成。最佳方式是按受控的时间间隔插入十二个电阻。在图5所示的十二次电阻插入后，电流足够低，使得滑梭电极能够通过电阻移过其最后连接，并且在显著减小的电流别切断时不会产生破坏性的电弧。最好使定子电极的后缘的电阻率具有梯度，尤其是进行最终断电操作的那个定子电极。在图5中，最终切断发生在滑梭电极211丧失其与定子电极172(第1区中的最后一个电极)的连接时。(最好定义这四次最终换流中[在每个区中有一次]哪一次是使电路断开的换流，以便仅在这个特定区中部署必要的超高压绝缘材料；这样可节省成本。)由于定子电极172是使电路断开的电极172，因此最好把这个电极的后缘的电阻率梯度设计为从半导电状态一直转变至高电阻率状态，从而在图5所示的换流断路器进行第十二次换流后能够对残余电流进行最终软切断。
可以使用图5所示的较长的多级换流断路器链来断开任何高压。在此情况中，这意味着换流滑梭较长，为了能够高效地移动较长的换流滑梭，最好采用沿换流滑梭的长度布置的多个驱动装置，例如布置为用于在换流区之间加速滑梭的多个弹簧，或者在换流区之间动作的多个直线式电动机。例如，具有内嵌的永久磁铁的较长多级断路器可通过已知的电磁方式驱动(但是，使用弹簧或电磁体，能够比永久磁铁耦合方式发挥更大的力)。还可以利用驱动机构的组合来实现通过单一方式无法产生的更高加速。在这种多级线性断路器中，可以部署多种触发和释放装置，这将在下文中更详细地说明。
图6示出了为中高压直流或交流断路器的一极设计的一种概念性的旋转式多级换流断路器。在此情况中，示出了六个换流区221-229(包括滑梭电极221；定子电极222、223、224和225；导线226；以及电阻227、228和229)；231-239(包括滑梭电极231；定子电极232、233、234和235；导线236；以及电阻237、238和239)；241-249(包括滑梭电极241；定子电极242、243、244和245；导线246；以及电阻247、248和249)；251-259(包括滑梭电极251；定子电极252、253、254和255；导线256；以及电阻257、258和259)；261-269(包括滑梭电极261；定子电极262、263、264和265；导线266；以及电阻267、268和269)、以及271-279(包括滑梭电极271；定子电极272、273、274和275；导线276；以及电阻277、278和279)。这些区域成对布置，包括下列换流级：第一换流区(由图6中的221-229定义)最靠近电极A，并经由绝缘的导体220连接至第二换流区(由图6中的231-239定义)；第一换流区和第二换流区以及绝缘的导体220构成图6中的换流断路器的是个换流级中的第一级。另外两级包括部件240-259和260-279。每级定义为把电力转移至换流滑梭上、然后再从该滑梭移走的一条完整电路。在图5中有两级，在图6中有三级。
图6的多级旋转换流断路器的工作方式与图5的线性多级换流断路器的工作方式大致相同，不同之处是，致动是通过圆柱状换流转子280的旋转实现的，而不是通过图5所示的换流滑梭的直线运动实现的，并且有三级，而不是图5所示的两级。(在本文中，”换流转子”是“换流滑梭”的一个特例；”滑梭电极”指任何移动电极，不论该电极是按图5所示的那样直线移动，还是按图6所示的那样旋转移动。)图6的断路器有六个换流区，每个换流区的工作方式与图5所示的四个直线运动换流区中的每一个的工作方式相同。在此情况中，换流滑梭逆时针转动约18.2度，以断开电路，然后再转动7.9度至最终开路位置，因而在旋转换流断路器的致动过程中，总转动角度为29.1度(281)。转子由高强度电绝缘材料制成(例如玻璃纤维增强高分子复合材料、工程级热塑复合材料、或者聚合物基微泡塑料材料)，除了滑梭电极221、231、241、251、261和271，以及如图所示的在滑梭中带有粗黑线、用于连接成对滑梭电极(例如221和231)的绝缘导电通路(220、240和260)。轴最好由金属制成，但是与导体220、240和260电绝缘。整个转动部分由定子290围绕，在定子290中安装有定子电极。电阻优选布置在定子之外，以利于在断路器脱扣后散热。
图6中的视图是具有圆筒形状的换流滑梭的端视图。圆筒的长度(垂直于图6所示的横截面)可以调节，以便把电极接触区的单位面积(每平方厘米)的正常满负载值(安培)保持在设计限值之内；因此，根据电流级别，圆筒280的外观可以是盘状或桶状。可以调节定子电极(例如222、223、224、225)之间的周围绝缘距离，以应对每个换流区的电压梯度；应调节每个定子电极的宽度和每个相邻的下一对定子电极之间的距离，以实现最佳设计。对于任何两个定子电极，定子电极之间的距离、定子电极的宽度、以及不同定子电极的组成可以不同。而且，多个串联换流断路器(例如图6所示的换流断路器)可以安装在同一个轴上，以产生更多换流级(6个、9个等)。在此情况中，开关触点221、231、241、251、261和271中的每一个、以及其配合触点222等的尺寸仅占由介入绝缘部分分隔的驱动轴的长度的一小部分。
在图6所示的特定设计中，通态定子电极222、232、242、252、262和272最好为液态金属电极；在通态中，只有这些定子电极承载高电流。从接触电阻来说，液态金属电极的导电能力为滑动固态金属电极的导电能力的104倍左右。因此，液态金属电极可比滑动固态接触电极窄，对于换流断路器的前几个换流步骤，这是一大优点。考虑一种特定情况：在图6中，例如，液态金属定子电极222、232、242、252、262和272的宽度可为固态定子电极223、224和225的宽度的十分之一，并且即使在这种情况下，其接触电阻仍为固态定子电极的接触电阻的千分之一。作为一个具体例子，考虑图6所示的换流转子是为30千伏直流电或交流电设计的31.5厘米直径桶状换流滑梭的情况。若把液态金属定子电极222、232、242、252、262和272中的某一个制成沿圆周方向的宽度为一毫米(mm)，并且(例如)第一定子电极与转子电极的相对位置调整为仅需移动一毫米就能导致第一次换流，则只需把滑梭280转动0.36度，就能完成第一次换流。在任何断路器中，第一次换流非常重要，它对控制最大故障电流非常关键，因为在插入第一个电阻后，故障电流就能立即得到控制。使用窄液态金属电极可缩短换流滑梭到达第一次换流位置所需移动的距离，是加速第一次换流的一种方式。
在使用液态金属电极时，一个考虑因素是需要避免已氧化的固体金属触点与液态金属电极连接。为了避免与液态金属电极配合的滑梭电极表面发生氧化，一个方法是把断路器封闭在密封的无氧环境中；在此情况中，可以把常规的铜基或银基滑梭电极与液体电极结合使用，只要液态金属电极不会与铜或银发生反应。在空气环境中，另一个已知的方法是使用“贵金属”，例如金、铂或钯。一个特别合乎要求的方案是使用镀钼电极，因为在空气中，在低于600摄氏度时钼不会发生氧化；虽然钼比某些金属的电导率低(钼的电阻率比铜的电阻率高85倍)，但是在金属基板电极上镀一层很薄的钼后，能产生与液态金属电极良好结合的无氧化物表面，不会因氧化层而导致电阻增大；如果电极表面的钼层的厚度在毫米以下，那么钼层本身的电阻可以忽略不计，而通过等离子体喷涂或各种物理汽相淀积(PVD)工艺，能够很轻松地获得这种厚度的镀层。
液态金属电极通常包括通过粉末冶金工艺形成的烧结多孔金属结构成分，这种结构成分浸有液态金属，例如镓或低熔点镓合金。在液态金属电极中也可使用钠、钠/钾共溶合金、以及汞，但是这种液态金属电极比不上镓基液态金属电极。镓、镓合金、钠、或钠/钾共熔合金会氧化，因此必须把这种电极保护在无氧容器中，这种容器除了包含图6所示的旋转运动多级换流断路器的固体运动部件外，还可包含气体、液体或真空。在高功率断路器的情况中(例如图6所示的断路器)，为了能够使用镓或钠基液态电极，气密外壳结构导致的附加成本是很值得的。若必须为液态金属保持无氧环境，则原则上非液态金属电极的滑移面也不必是由抗氧化材料制成的(非液态金属电极包括所有滑梭电极以及每个换流区的所有定子电极(除了一个定子电极外))；在这种设计中，滑移电极表面可以基于铜、镍、铬或银等纯金属或合金，或者包括这些金属或合金之一的金属陶瓷复合材料，而不是钼。但是，即使在最终的换流断路器中提供无氧环境，在通态中，与液态金属电极接触的电极的抗氧化表面也可能很重要，这有利于该装置的制造，在制造电极的时间与制造断路器的时间之间的时段无需保持无氧环境。
在图6所示的六个换流区中，每个换流区都可切断电力，这使得这种设计具有很高的切断冗余性和可靠性。例如，请再次考虑图6所示的换流转子是为30千伏直流电或交流电设计的31.5厘米直径桶状换流滑梭的情况。在此例子中，桶状旋转换流器具有99厘米圆周尺寸，包括沿圆周方向布置的6个1.25厘米宽导电滑梭电极(在换流转子的外半径处占4.55度)。滑梭电极具有足够的宽度，除了在最终换流时之外，能够始终接触两个定子电极；所有滑梭电极都嵌入在绝缘聚合材料中。换流转子总体上具有光滑的外表面，能够相对于定子和其电极滑动。在此设计中，电流越大，流过电流的桶的长度就必须越长。在图6所示的第1区的换流的特定情况中，定子电极223、224和225是金属电极，例如，电极的宽度可为1.0厘米，在每两个电极之间有0.25厘米宽的绝缘体，因此1.25厘米宽的滑梭电极在脱离与特定定子电极的接触时能够完全与下一个定子电极接触。第一个定子电极222仅为0.25厘米宽，并且是液态金属电极，其后面是位于定子电极222和223之间的0.25厘米宽绝缘间隙；这意味着换流转子仅需转动0.91度就可实现第1区中的第一次换流。在电极222脱离与滑梭电极221接触的时刻，滑梭电极221完全与电极223接触；在电极223脱离于滑梭电极221接触的时刻，该滑梭电极完全与电极224接触；依此类推。
图6所示的导电电极的后缘的电阻率梯度可根据成分和电阻率来确定，以降低在电极分断时引起电弧的可能性。这适用于本文所述的所有换流断路器的设计，后缘电阻率梯度可以仅分布在滑梭电极上、仅分布在定子电极上，或者同时分布在滑梭和定子电极上。这在其它部分中更广泛地论述；在图6所示的换流断路器的特定情况中，在某个定子电极的后缘处的一个有梯度电阻率区能够轻松吸收在表1所示的最后一次换流后残余的电流中的最后一点儿磁能，或者，使用电容能够更经济地吸收最后一点儿感生能量。
滑梭电极的最外表面最好由具有很高导电能力的金属或复合材料制成，这种材料还应耐磨，不发生氧化、再结晶，在使用过程中也不与相对的通态定子电极发生相互扩散。氧化可通过排除氧来防止，或者利用抗氧化金属(例如金、铂或钼)来防止。在排除氧的情况中，使用具有良好导电性的分散硬颗粒/软金属基体复合材料比较合适，例如基于烧结金属的浸银或浸铜多孔结构；例如在美国专利7,662,208中揭示的铬粉，或者在由MitsubishiMaterials C.M.I Co.Ltd.(三菱材料公司)制造的商售电极中使用的钨粉。铝/碳化硅电极也适合在无氧环境中使用。在不排除氧的情况中，对于所有非液态金属电极，钼是用于接触面的一种很好材料；通过等离子体喷涂在铝/碳化硅电极上涂镀一层钼特别好。虽然图6所示的换流断路器的一个版本可在空气环境中工作，但是在此情况中，除了汞之外，不能使用任何其它液态金属电极。
为了实现在闭合电路条件下在2000安电流时消散1.0千瓦通态功率的目标，从图6中的电极A至电极B的路径的总电阻至多为2.5E-4欧姆。这么低的电阻只能通过液态金属通态电极接点来实现。实现更低的电阻需要使用质量更大的转子，而这需要更大的扭矩来加速；存在基于通态电阻目标的最佳设计，对于每种特定情况来说，这种最佳设计会有所不同；在某些情况中，可能需要与风扇冷却或液体冷却结合使用一千瓦以上的较高发热能力，这能更容易地产生可工作的换流断路器，而无需依赖液态金属电极来实现通态电极连接。
用于导致图6所示的逆时针径向加速的弹簧或其它驱动装置可在整个换流时间内加速转子，或者，可以使用很硬的弹簧，利用换流转子在换流过程中的18.2度径向运动的一小部分提供初始加速度。在此情况中，在换流断路器的转子移动并导致换流的大部分时间内，换流转子处于惯性飞行状态。
利用一些简化假设条件，对于300千伏换流断路器，可以建立图6所示的换流断路器18次换流的十八次电阻切入的最佳顺序模型。表1给出了基于这些假设所算出的目标换流时间和插入电阻：
1.假设电路电感为100毫亨(实际的高压侧估计值)；
2.第一次换流时的最大允许电流为10千安；
3.电压上限值为500千伏(1.67倍正常电压)；在下一次换流前，该值呈指数衰减至较低的360千伏电压限值(1.2倍正常电压)。
由于无法选择电路故障发生的位置，因此把正常系统电感作为故障状况下的系统电感实际估计值不合理；这意味着可能无法使用系统电感来减缓故障状况下的电流涌入。由于这种情况，需要考虑实际高电感故障(100毫亨)；在此情况中，为了切断10千安电流的故障HVDC电路，必须消散的感生存储磁能为500万焦耳(5MJ)。上述的由HVR International制造的碳/氧化铝烧结电阻在正常工作时的吸收能力为111焦/克，这意味着，根据表1中的模型，吸收5兆焦感生能量需要45公斤HVR盘状电阻。基于上述就假定，为了能够吸收三次重复电路断路的能量，需要135公斤HVR International的脉冲型电阻。
表1所示的第一次换流插入50欧姆，这是基于为了限制最大设计电压和电流(500千伏和10千伏)而确定的；为了使故障电流不超过10千安，第一次换流需要在2.667毫秒(ms)内发生(从时间为零时的2千安正常满负载算起)。在第一次插入50欧姆之后，需要经过0.657毫秒才能使电压从500千伏衰减至360千伏；这是第二次换流的时刻，在第二次换流后，电阻为69.4欧姆，并且仅需要0.473毫秒就能使电压从500千伏衰减至360千伏，随后每次插入电阻的经过时间越来越短，因为在较高电阻时，电流的指数式衰减较快。电流(i)的这种重复的指数式衰减的每个步骤按照下列公式发生：
(1) i(t)＝Ie-(R/L)t
其中，I是在首次插入电阻R(单位为欧姆)时的电流，L是电感(在此例子中为0.10亨)，t是自首次插入电阻R算起的时间(单位为秒)。在换流断路器的操作过程中，电阻R重复复位(如表1所示)；这是在断开具有很多存储磁能的直流电路时吸收感生存储磁能的一种很高效的方式。通过在断路器开路的过程中把电压保持在高于正常工作电压20％，能够保证电路中可能存在的任何电池和/或高能电容在电路断开的时间内不会通过故障放电。
表1：图6所示的断路器的最佳换流时间与插入电阻阶跃
在表1中的电路断开过程中，发生十八次电阻插入；导致的电压、电流和感生能量变化在图7中示出；通过调节定子电极与滑梭电极的第一组六次分离中的每一次的精确转动角度(在滑梭电极的后缘移离特定定子电极的后缘时发生)，能够对第一组六次换流精确定时。对于六个换流区中的每一个内的第一次开关事件，通过精心设计旋转换流滑梭280和与之配合的换流定子290的结构，能使这种精密时间调节能力精确至微秒级；但是，在这之后，定子电极之间保持电绝缘所需的最小间距会对每个换流区中的后续换流的定时产生限制。
在图6所示的旋转断路器的实际开路过程中，开关的速度不足以跟上表1所示的最后几次换流的步调，因为对于最后几个电阻级别，表中所示的开关动作之间的时间延迟仅为数微秒。若开关速度是一致的，并且比表1中所示的最后十二次换流的速度慢(在第#6次换流后，每次换流之间的延时为130微秒)，则最终关断会发生在第一次换流后3.453毫秒时，而不是在表1中所示的第一次换流后2.311毫秒时。对于断路器开路过程(电压开关暂态)中的电压偏移，从500千伏至360千伏的电压范围是一个罕见的很窄控制范围，在此情况中，这个电压范围是图6所示的设计所允许的十八个小换流步骤所支持的。当滑梭电极中的某一个滑过该区的一系列定子电极中的最后一个并进入其高绝缘的最终休止区时，发生最终开路状况。在图6的设计中，虽然所有六个滑梭电极都会滑过每个区的一系列定子电极中的最后一个并进入高绝缘的最终休止区，但是只有执行此操作的第一个滑梭电极是切入电阻的断开电路次序的一部分；在电路断开后，在其它五个区中发生的其余五次最终换流是冗余的最终电路开路动作。从表1和图7可以看到，在电路断开时，这种通过电阻进行18次换流的换流断路器把存储的感生能量从500万焦减少至仅有37焦；通过18次换流，电流被从10千安缩减为27安。此时仍需要处理最后一点儿感生能量；这可通过使用一个小电容来完成，或者通过在执行最终切断电路动作的定子电极的后缘中采用有梯度电阻率来完成。为了完成表1所示的换流，需要在所有电极的后缘中使用电阻率梯度，并且电极周围必须为高介电强度流体，这在下文中将更详细地论述。
虽然图6所示滑梭电极在换流滑梭的外半径上，但是也可以把滑梭电极布置在滑梭的扁平端。这两种设计都有优点和缺点。图6的设计类似于鼓式制动器，其中，制动片的作用与定子电极的作用类似，而鼓类似于旋转换流滑梭。滑梭电极处于换流滑梭末端的另一种设计类似于盘式制动器。
与图5所示的直线运动换流断路器相比，把图6所示的圆柱状换流转子浸没在灭弧液中更容易，因为圆形对称的圆柱不产生形状阻力，而在流体中进行直线运动必然涉及形状阻力，这种形状阻力可能显著影响换流滑梭在液体中的快速运动。与直线式致动设计相比，圆柱状设计还允许液体浸没系统具有很少的液体量。分隔电极周围的流体能够显著抑制火花，尤其是在流体处于高压下的情况中。在图6所示的圆柱状换流断路器中，能够把介电流体量限制为几立方厘米。这意味着能够经济地使用高介电强度流体，例如全氟化碳流体。在换流断路器中使用高压润滑液的主要优点是，若固体介电材料之间的空隙充满介电强度很高的高压流体，则可以减小相邻定子电极之间的间距。这能实现更紧凑的换流断路器。在现有技术中，还没有在高液体压力下操作开关设备的商用方法，但是图6的旋转换流断路器的独特形状允许很少量的高压液体，从储能方面来说，这种高压液体不危险。
后续的相邻换流电极之间的必要间距主要取决于在换流步骤中当滑梭电极与定子电极分离时随着流过一条电阻路径的电流被转换至下一条路径而发生的电压变化。承载相同电流的这两条交替路径之间的电压差是随着两个电极的分离而驱动电弧形成的实际电压差的合理估计值；形成电弧的这个驱动力与电极周围的介质(真空、气体或液体)的关系不大，但是是否真的形成电弧还取决于分断导体周围的流体的介电强度。这又取决于流体的压力和化学成分、以及流体中存在的溶解气体(若流体是液体)等因素。特别适合于布置在滑梭电极和定子电极周围的流体包括石蜡烃(包括矿物油和煤油)；植物油；脂肪酸甲酯；全氟化碳流体；液态和气态六氟化硫(包括气体混合物)、以及高真空。在现有技术中，含有六氟化硫的气体混合物因其高介电强度(对于气体)和优异的熄弧特性而出名，但是据本发明人所知，目前还没有专门用作液体介质的商售液相六氟化硫。旋转式换流断路器(例如图6所示的换流断路器)的低液量要求使其能够利用液态SF6作为介电流体。
影响在滑梭电极与定子电极分离的时刻是产生电弧、产生小火花、还是根本无火花的特性包括：
1.分离时的电流；
2.分断电极的电阻率剖面；
3.分断电极周围的流体的介电强度；
4.是否有可通过电流的并联路径。
每次发生换流时，断路器两端间的总电压会被重新分布在六个换流区，分布的比例与适用于给定换流区的从电极A至电极B的总电阻的百分比成正比。当有新的高电阻切入电路中时，刚刚切入的具有最高电阻的换流区中的总电压陡度的比例最大。在图6所示的针对表1中列出的300千伏配置的独立断路器设计中，第一次换流时的电阻增加非常大，使得整个500千伏实际上都加在第一次切入的电阻上，因此在该换流区中的耐压能力必须足够高。
期望产生图5所示的(直线运动)多级换流断路器和图6所示的(旋转运动)多级换流断路器，特别是对于高压直流应用；由于多级分担电压，因此每级的电压可以较低。为了实现这个功能，需要包含一对滑梭电极的换流滑梭，这一对滑梭电极彼此电连接，但是在换流滑梭的表面上彼此绝缘。该绝缘材料可包括聚合材料、无机玻璃、陶瓷、粘结材料、或两种或更多这些成分的复合材料。可用于在滑梭电极周围起到绝缘功能的绝缘体的一些例子有：
1.基于基体相固化聚合物的纤维增强复合材料(例如玻璃纤维环氧材料、芳香聚酰胺环氧材料、硼纤维环氧材料、玻璃纤维聚酯材料、等等)；
2.工程级可模铸塑料(定义为抗拉模数>2.5GPa且抗拉强度>40MPa的聚合材料，可以是未增强的聚合材料，也可以是由不导电增强填料增强的聚合材料)；
3.水泥复合材料，包括纤维增强和聚合物乳液加强水泥复合材料；
4.金属材料上的等离子体喷涂或火焰喷涂涂层；
5.聚合微泡塑料(低密度、高抗压强度、高抗剪强度)；
6.纳米复合材料。
随着滑梭的移动，每个滑梭电极与多个不同的定子电极对正，在大多数情况下，每个滑梭电极还在换流滑梭的不同位置连接至第二个滑梭电极，从而两个滑梭电极在换流滑梭的表面上彼此绝缘。
多区换流滑梭的滑梭电极所占的面积小于换流滑梭的总表面面积的一半，在大多数情况下，它们所占的面积小于换流滑梭的表面面积的10％。换流滑梭可由预成型的金属和绝缘部件制造，也可通过把绝缘体模铸在金属核心上来获得。例如，模铸可通过速聚体系的反应注射成型来完成，或者通过缓聚体系的模铸来完成，或者通过热塑注射成型来完成。
图8和图9示出了一种具有换流滑梭310的单级换流断路器(换流滑梭310包括高导电滑梭电极335、半导电过渡塞312、绝缘塞311、以及围绕高导电连杆337的一部分的绝缘套管347)。连杆337通过导电滑环345和引线346把滑梭电极335连接至电极B。随着滑梭电极335向右移动，滑梭电极335把各个定子电极321、322、323、324连接至电极B。定子电极通过与换流断路器的电极A连接的可变电阻通路连接；在通态(图8)中，定子电极321通过低阻引线331连接至电极A；随着换流滑梭向右移动，定子电极322通过电阻332连接滑梭电极335；随后，定子电极323通过电阻333和332连接至电极A；然后，定子电极324通过串联的电阻334、333和332连接。换流滑梭310被换流滑梭绝缘塞311之后的压力P(301)驱动，这使得换流滑梭从图8所示的闭合(接通)状态转移至图9所示的断开(断路)状态。绝缘塞311必须足够长，以保证其在换流滑梭的行程结束时处于所有定子电极(321、322、323、324)上，并与绝缘层340搭接，如图9所示，并在完全断开状态中，在电极A和电极B之间产生大于108欧姆的总电阻。
图8和图9所示的是仅有一个换流区的简化换流断路器；利用仅有单个换流区并且在电路断开之前仅有三次电阻插入的这种简化形式，能够更方便地论述换流断路器的特定方面。图8和图9所示的换流断路器仅有5个基本电阻级别。电力从电极B通过滑环345连接至滑梭电极335，并从该处通过一系列不同的定子电极连接至大致由下列电阻级别构成的渐增电阻：
1.图8所示的电阻级别一：电流通过最小电阻流过断路器。
2.电阻级别二：电流主要流过定子电极322，然后通过电阻332流至断路器的相对电极A。
3.电阻级别三：电流主要流过定子电极323，然后通过电阻332+333流至断路器的相对电极A。
4.电阻级别四：电流主要流过定子电极324，然后通过电阻332+333+334流至断路器的相对电极A。
5.电阻级别五是图9所示的开路状况，其中，总电阻>10欧姆(参见图9)。
在图8所示的闭合电路状态中，断路器的致动始于换流滑梭310(由部件311、312、335、337和347组成)；在闭合电路情况中，换流断路器的电阻又称为断路器的“通态电阻”。图8所示的断路器的通态电阻实际上由并联电路中的两个电阻R1和R2组成：
●R1是滑环345的电阻+引线电阻346+337+滑梭电极335和定子电极321之间的接触电阻+引线电阻331
●R2是滑环345的电阻+引线电阻346+337+滑梭电极335和定子电极322之间的接触电阻+电阻332；
总通态电阻为：
(2)
因此，总体来说，当滑梭电极335触及两个定子电极时，实际电阻应按并联路径的电阻来计算。在通态闭合电路状况中，R2＞＞R1(因为R2包括电阻332，即，一系列插入电阻中的第一个)；因此大部分电流通过低阻路径R1，并且总电阻R总仅比此路径本身的电阻稍小。为了证明这一点，请考虑1200伏正常电压、1200安正常满负载、以及在通态中因电阻损耗而导致的设计最大热损耗(I R)为100瓦的情况；这要求闭合电路情况(通态)中的R总必须不超过69微欧。第一个插入电阻为0.40欧(基于故障状况下的最大设计电流＝6000安，最高电压＝2400伏)，因此公式2表明，公式2所示的并联电路的电阻仅比一条电阻路径(R1)的简单连接的电阻低0.017％。需要说明的是，在后续换流过程中，例如当有通过定子电极323和324的并联路径时，电流在并联路径之间的分配更平均，但是即使在这种情况中，大部分电流仍通过由电极323构成的较低电阻的路径。
在换流过程中，滑梭电极335和定子电极331之间的接触面积变为零，R1的电阻增大，直到在换流开始前超过R2[因为接触电阻的比例为1/(接触面积)]。通过使滑梭电极335和定子电极331的后缘的电阻率呈梯度分布，可以在两个电极彼此脱离之前的很长时间时强制发生所需的换流。在此情况中，滑梭电极335的半导电后缘由过渡塞312提供。
随着换流滑梭310从图8所示的初始位置向右移动，还会出现通过过渡塞312至一系列定子电极(321、322、323和324)的电流路径。这意味着，在断路器开路过程中的某个时点，会有通过三个不同定子电极的电路径，最左边的连接通过半导电过渡塞312。当滑梭电极335脱离与定子电极321的接触时，通过321和331的电阻会突然增大，因为在金属电极335和321分离之后，流过此路径的电流还必须通过过渡塞312，这能迅速地把电流转换至通过R2的路径，但是与滑梭电极335的后缘(左边)和某个绝缘体(例如311)对接而不是与半导电的过渡塞312对接的情况相比，这种方式要软得多。
在此换流过程中，需要考虑的一点是，流过半导电过渡塞312的电流绝不能导致用于产生半导电过渡塞312的材料发生熔化或损坏。通过使过渡塞312的电阻率足够高，从而在每次换流过程中(不包括最后一次)仅有一小部分电流通过过渡塞312，能够避免此问题。在换流滑梭310运动结束时，半导电过渡塞312对最后一点儿感生能量进行最终抑制。在最后一次换流时，随着滑梭电极335向定子电极324的右侧移动，电极A和电极B之间所剩的唯一电连接是通过半导电过渡塞312的连接。由于在过渡塞312中的电阻率是有梯度的，因此若电流和电压低至在切断过程中不会使构成过渡塞312的半导电材料受损的程度，则可以实现软切断。
在图8和图9所示的换流断路器处于均衡状态时(只有当滑梭电极310为固定电极时，才会发生这种情况)，电流按与路径电阻成反比的比例在所有并联电阻路径之间分配。在换流过程中，实际上不存在真平衡状态，但是在换流断路器断开的过程中，考虑各个时刻的伪平衡状况很有用。通常，与换流滑梭的机械运动或导电滑梭部件的电阻加热相比，电平衡比较快，因此这种伪平衡状况至少是合理的。最好能最大限度地减小图8和图9所示的电阻路径的电感，因为在电流流动时，每条通路会储存一定量的能量L路径T2，为了把电流转换到一条不同的路径，必须消散该能量。在此情况中，L路径仅指从电流从另一条其它路径转至给定路径的转换点算起的电流路径电感，例如L331(从定子电极321通过连接器331至电极A的电感)或L332(从定子电极322通过电阻332和其引线至电极A的电感)。因此，正如电气工程领域的专业人员所熟知的，电阻332、333和334最好具有较低的电感。
图8和图9所示的设备的致动过程的步骤如下：压力301作用在绝缘体311的表面上，产生力300；力300使桶302内的滑梭向右移动总距离305；电阻按阶段增大：
1.在第一次换流前，电阻是并联路径的电阻，其中，如上述的公式2所定义的，R1＝331，R2＝332，包括定子电极321与滑梭电极335之间的接触电阻，以及定子电极322与滑梭电极335之间的接触电阻；
2.在滑梭电极321至335之间的接触断开后，电阻在一段时间内接近R2，但是被通过半导体塞312至电极321的并联路径稍稍减小；
3.然后，在一段时间内，电阻与R2＝332和R3＝333之间的并联路径的电阻对应；
4.在滑梭电极322至335之间的接触断开后，电阻在一段时间内接近R3＝333(一系列电阻连接的情况也类似)。
如上所述，使用公式2计算通过上述并联路径的实际电阻只是稍稍改变了在图8和图9的论述开始时所定义的电阻阶跃。图8和图9中的两个电极(电极A和电极B)的标注也可以相反；由于电极的任意性，换流断路器的极性可以相反。对于任何所示的图形，电极A可与电极B互换，此时换流断路器仍可正常工作。在电路断开时仅有单向电流的情况下，根据在换流断路器断开电路后哪个电极是带电电极，可以把换流断路器划分为不同的断电部分。若电源在图8和图9所示的断路器的A侧，则当断路器断开时(如图9所示)，滑梭电极335和滑环345断电(这有利于滑环345的维护)。如果电源在图8和图9所示的断路器的B侧，则当断路器断开时(如图9所示)，定子电极321-324将断电(这有利于定子电极321-324的维护)。
对于介电绝缘塞311，三种特别合乎要求的材料是：
1.对于绝缘塞311，硬微泡塑料特别符合要求，因为从抗压强度和抗剪强度来说，它有很高的强度-密度比；
2.材料结实坚硬、并在与过渡塞312的边界处带有结实的端帽的空心绝缘管也可用于绝缘塞311；
3.具有很高的绝缘能力、在受到驱动换流滑梭向前运动的压力时可压缩的人造橡胶塞也可用于绝缘塞311；在绝缘塞311或半导体过渡塞312是人造橡胶塞的情况中，这些塞子和管壁302之间的接口应有良好的润滑，并且管302的内表面应非常光滑，并且与人造橡胶塞之间的摩擦很小。
人造橡胶材料至少可用于过渡塞312的一部分，因为用化学方法制备具有可控电阻率的相似人造橡胶层很方便，并且人造橡胶层(例如过渡塞312)的压缩会在管壁上产生压力，有利于与定子桶302紧密接触，这能防止塞子312和管壁302之间产生电弧。产生各层具有很好的固化相容性、相似的机械特性、并且都具有良好的滑动特性的多层人造橡胶复合物比较方便，这使得加工、模铸和制造固化人造橡胶塞的成本较低廉，因而这种材料可用于具有从10-2至1012欧姆·米的有梯度电阻率的过渡塞312；例如，在塑料材料中产生所有这些层更容易。两块相容的人造橡胶母料可用于产生过渡塞312的有梯度电阻部分。过渡塞的这个人造橡胶部分可与导电性更强的材料粘合，例如非晶碳或烧结铝镍钴合金层，可实现从10-4至10-2欧姆·米的电阻率范围，而这个电阻率范围适合于与滑梭电极335相接的过渡塞312的前缘部分。按各种比率混合两种人造橡胶母料来获得具有不同导电性质的弹性材料(从良好的绝缘体至电阻率低至10-2欧姆·米的半导体)是一种常规的已知方法。虽然难以在两块独立模制的半导体热塑性聚合物盘之间或热塑塑料、半导体聚合物以及金属或陶瓷表面之间实现密切的电接触，但是这种弹性材料的高度顺和性有利于提高与表面的电连接，只要人造橡胶/金属接口处于受压状态。
向滑动摩擦中永远存在的表面孔穴中填充润滑剂很有帮助。如果滑梭和定子的配合面比较光滑，并且形状彼此相配，那么滑梭和定子桶302之间的界面润滑层可以较薄。在滑梭和转子的表面不是非常光滑的情况下，如果定子有一定的柔韧性，并且定子与转子之间有压力，那么界面层也可较薄。
换流滑梭或可变电阻滑梭的一个有用设计特性是在滑梭和定子之间的一部分滑移面上(例如在人造橡胶筒311的外侧)使用覆有聚四氟乙烯(PTFE)的人造橡胶。纯PTFE或配制PTFE可以烧结，然后切成PTFE膜片，然后这种膜片可用于产生套管。PTFE和/或PTFE复合材料还可挤制成薄壁管，然后这种薄壁管可切割至所需长度，以用作套管。随后，可以首先对这种套管进行化学浸蚀(例如使用Acton Technologies,Inc.生产的)，然后把其与固化人造橡胶一起模制，从而与人造橡胶结合在一起。但是，改变PTFE层的电阻级别不像改变普通人造橡胶的电阻级别那样容易，因此人造橡胶表面的PTFE涂层更适合于用在图4所示的灭弧绝缘套管(153)中或者在完全绝缘部分中(例如图8和图9所示的绝缘部分311)，而不是用于半导体部件中，例如图8和图9所示的过渡塞312。
图10示意性地示出了两个定子电极和一个移动滑梭电极之间的滑动连接；355、370和371是高导电金属电极，而360、375和376是在功能上与图8和图9所示的部件312类似的半导体电极。部件375和370共同构成第i个定子电极，371和376共同构成第j个定子电极，定子绝缘体380在它们之间，并围绕在它们周围；第i个定子电极通过电阻372连接，而第j个定子电极通过电阻373连接，电阻373的阻值高于电阻372的值。在图10所示的时刻，滑梭电极(由两层355和360组成)电连接至第i和第j个定子电极。滑梭电极355和360被滑梭365的高绝缘区围绕。滑梭电极在定子电极下向左滑动(由350示出)，滑梭电极355的高导电部分的后缘即将脱离与定子电极370的第一个高导电部分的电连接。可以看出，这种情况不会完全断开通过第i个定子电极和电阻372的电路连接，因为电路仍通过半导体电极部分360和375连接。在通过电阻372的电路发生最终断开之前，当两个半导体电极360和375分离时，流过B1的电流将减小至低于一安。
图10示出了在电极后缘上如何实现电平波层的另一种情况，所示的情况为：电平波元件(360、375和376)连接至滑梭电极355和两个定子电极(370、371)的后缘。下面列出了可用于改变电极的电阻率以便在本发明中使用的一些材料：
1.冷喷涂银(电阻率约为1.5x10-8欧姆·米)，或其他低阻金属或复合材料；
2.镍铬合金(电阻率约为1.5x10-6欧姆·米)，或其它高电阻率金属合金或复合材料；
3.金属陶瓷电阻(电阻率约为10-6至10-3欧姆·米)，或其它高电阻率金属合金或复合材料；
4.铝镍钴合金#8(电阻率约为4.7x10-3欧姆·米)；
5.准晶体合金(电阻率约为10-4到100欧姆·米)；
6.非晶碳(电阻率约为10-4至10-2欧姆·米)；
7.导电填料人造橡胶层(电阻率约为10-2至1012欧姆·米)；
8.这些材料或其中的一部分材料可用在金属电极的后缘中，或者用在半导体部件中，例如153、312、360、375和376。但是，可根据需要使用多个电阻率阶跃。
可变电阻率层360是移动滑梭的一部分，因此需要比定子电极370和371的后缘处的固定的有梯度电阻率层375和376更坚固。能实现滑梭电极的有梯度电阻率构造360的适合材料包括金属陶瓷、准晶体金属合金、或者高载荷、坚硬、光滑的聚合材料，而过渡塞375和376可有弱一些的材料制成。另外，最好使参与换流断路器中的摩擦相对运动的所有层的硬度和耐磨性大致相等(以保证较长的设备寿命)。
一个特殊的定子电极与最大限度地减少因电阻损耗而导致的通态发热的目的相关，当电路处于完全闭合状态并且滑梭在通态中是固定滑梭时(例如图8所示的电极321)，通态电流的大部分流过这个特殊的定子电极。承载闭合电路中的大部分通态电流的定子电极(例如321)应由导电能力较高的材料制成(例如铜或银，或者上述的液态金属电极)，而其它定子电极(例如322、323、324)可由各种金属和/或金属陶瓷材料制成，对于这些电极，应更注重摩擦性能、耐磨性、成本和耐腐蚀性，而不是极低的电阻率。对于仅在短时间内承载电流的定子电极，镍和/或镍合金是特别有用的电极材料。
图11示出了电力从电极A通过软线417输送至换流断路器的滑梭的情况。在此情况中，所示的换流滑梭设计有明显的导体/绝缘体边界，但是图8、9、10中所示的可变电阻电极也可与图11所示的系缆连接机构接合使用。连接线417可具有较高强度和很好的抗疲劳性。滑梭电极425向右滑动的总移动距离应保证，在其行程445的末端，电极应由具有高介电强度和高电阻率的管430围绕。在电极425的前面(右侧)的行程末端处有减震绝缘元件427。在图11所示的闭路状态中，几乎所有电流都从滑梭电极425流过定子电极431，然后流过低阻电流路径440，并流至断路器的第二端B。随着滑梭电极425向右滑动，电流依次转至定子电极432、433和434、以及相应的电阻序列；在第一次换流时，电阻从440增大至441，然后增大至441+442，然后增大至441+442+443，随后，当滑梭电极425越过定子电极434的边缘时，电流被通过小火花的形式或向小电容(未示出)充电的形式抑制。运动致动装置400可为任何适当的速动装置；由致动装置提供的推力通过金属轴405传递至电绝缘联接器410，并从联接器410经由不导电轴413传递至联接器415，联接器415把金属轴420经由引线417连接至断路器的电极A。轴420被绝缘套管423围绕，绝缘套管423在不导电定子桶430内定位和支撑该轴，定子电极431、432、433和434通过定子桶430安装。
图12示出了图4中的简单换流断路器概念的一种变化形式。排列成筒形的一叠中空盘状电阻460以及每对相邻盘状电阻(例如450)之间的金属垫圈451通过适当的方法粘结在一起，例如导电胶粘结、锡焊或钎焊。这种实现方式比图3所示的一叠盘状电阻的形式更简单，成本更低，图3所示的方式利用金属罐来容纳图2所示的每个盘状电阻。金属垫圈451是定子电极的一种很简单的例子，它们优选具有比盘状电阻(例如450)本身的通孔455小的通孔，以便垫圈通过电阻探入中央空腔中；这能避免盘状电阻的内表面与移动滑梭电极465直接接触，在此情况中，滑梭电极465是简单的金属杆或金属管的形式，它穿过这叠电阻460。在滑梭电极的底端具有换流滑梭465的可选端件466，该端件可作为具有与图8和图9所示的部件312相似的功能的电应力控制装置，但是通过提供在通态(闭合电路状态)中对杆465进行限位的夹持面，该端件还可具有如下所述的附加功能。在闭合电路状态中，与电极A的电连接是通过低阻定子电极490实现的，该定子电极490可以是高导电性金属电极或液态金属电极，它与换流滑梭465的端件配合。有一条从电极A至一叠电阻485的底部的并联路径。从电极B至换流滑梭465的连接可通过电滑环470实现，或者通过如下所述的其它方式实现。换流滑梭475的上端具有用于连接力480的构造，力480把换流滑梭从一叠盘状电阻460中拉出，以断开电路。虽然图12所示的所有盘状电阻具有相同的外径，但这不是必须的；尤其是因为插入到电路中的第一个盘状电阻吸收的感生能量远多于后续电阻吸收的感生能量。图12中的最低的盘状电阻(这是首先插入到电路中的电阻)应具有最大的质量，因而应具有最大的外径。金属盘(例如451)应覆盖其所连接的电阻的整个面，使电流能够均匀地流过每个盘状电阻的整体。
图12所示的断路器具有几个独特之处。它使用尽可能简单的换流滑梭，即，金属杆或金属管。可施加在杆或管上的最大的力480取决于材料的强度、以及杆或管壁的横截面积。若换流滑梭上的所有力都源自于加速，则任何特定材料的可能的最大加速度是构成换流滑梭的材料的强度/密度比以及换流滑梭的长度的一个函数。若σ是材料的拉伸屈服强度(单位为帕)，D是材料的密度(单位为公斤/立方米)，L是换流滑梭的长度(单位为米)，则可施加在换流滑梭(例如465)上的最大加速度A最大(单位为米/平方秒)为：
(3) A最大＝σ/LD
对于图12所示的从一端拉伸的2米长金属柱，此公式的结果在表2中示出；最大可行加速度从小于1000m/s2(对于钠材料)变化至114000m/s2(对于铝基氧化铝纤维线)。表2还示出了在20℃时产生2米长25微欧材料柱所需的各种材料的质量；在此损耗级别上，2米长概念性换流滑梭能输送2000安，产生的I2R废热为100瓦。(废热的量随导体质量线性变化，例如，若导体质量变化十分之一，则产生的热量变化十倍。)产生25微欧材料柱所需的金属质量从3.7公斤(对于钠材料)变化至618公斤(对于表中所示的最强合金--钛β-C合金，该合金能够实现表2中的金属材料的最大加速度)。表2还也在本文的不同部分中论述了其它金属材料的数据，例如关于电极后缘的电极表面或电阻率梯度的数据。
对于图12中的换流滑梭465，最佳的总体解决方案取决于导电材料与机械结构(包括弹簧、触发装置、以及把部件465保持在应力状态或对其施加应力的结构支撑件)的相对成本，另外还主要取决于所需的加速度。结构成本随必须加速的导体质量乘以加速度的积成比例变化。加速度决定关键的第一次换流的时间，如果最大限度地缩短开始第一次换流的时间很重要(若故障状况中的系统电感很低而不是很高，那么尽快开始第一次换流则更重要)，那么推至较高的加速度是合理的。只需把导电管拉动足够快，使到达材料的最大抗拉强度的工程极限(参见表2的“最大加速度”一栏)的路线是加速直线运动换流滑梭的最快理论路线。
表2：与加速图4和图12所示的导体相关的数据
使用表2的材料制造的图12所示的最快致动换流断路器应基于具有最高强度/密度比的材料，即，铝基氧化铝-纤维线。这种金属陶瓷线是由3M商售的3MTM铝芯复合材料增强(3M ACCR)线的机械强度成分(在越来越多的标准ASCR铝钢芯增强线中代替钢材)。使用表2所示的材料清单，通过使用高强度钛合金壳加钠材内部构件来制造换流滑梭465，还能够获得快速致动与相当低的待加速总质量的理想组合。在可用于换流滑梭465的单组分材料方案中，为了实现25微欧电阻目标，使用纯铝时的质量基本上等于使用纯镁时的质量，但是纯铝的强度较高，因此是换流滑梭465的最佳方案。表2中的倒数第二栏为无量纲的品质因数M：
M＝{(强度)/[密度×电阻率]}/{(强度)/[密度×电阻率](对于退火铜)}
品质因数M表示相对于退火铜的1.00值的参考值，并且所表示的是在表2所示的单组分材料中(不是复合物或组合结构)的参考值，冷加工铜的品质因数M(1.257)比铜的品质因数有一定的改善，所研究的所有形式的镁和铝的品质因数M也比退火铜的品质因数稍高，其范围从1.147至4.411(高强度铝合金6061-T6)。表2中的最高品质因数M(43.4)是由纯铝基体中的氧化铝玻璃纤维构成的金属陶瓷线。由碳纤维增强铝材构成的类似线材也曾见诸报道，但是制备这种线材要难得多，并且(据我所知)目前没有商售产品。这种金属陶瓷线可用于图12所示的换流滑梭465的导体和运动致动装置。
由于金属陶瓷线的模量很高(3M ACCR芯线的模量高达4550MPa)，因此只要把其拉伸一个很小的百分比，就能储存大量弹性能(可与很硬的弹簧相比)，从而能提供力480，并且不需要滑环470。这种设计可用于能够承受很高电压的快速致动设计。在最极端的版本中，可以把金属陶瓷ACCR线拉伸至接近其断裂强度(1400MPa)，使其串起一叠电阻(例如图12所示的电阻)，然后在这叠电阻下松开线，从而使断开电路。在牢固连接至高强度纤维增强线465的区域466中，线465穿过一叠电阻460并被约束在这叠电阻下面的这种设计能实现尽可能快地使直线运动换流断路器致动。有多种已知选项可用于快速松开这种高应力纤维增强线465：
1.构造466可为坚硬、结实的杆，它由一圈压电顶推装置固定就位，压电顶推装置通过法向力把线端466固定就位，该法向力可在20微秒内释放(如果装置466的一部分运动约束力是由布置在466的表面上并与压印在套管490的表面上的相似磁畴配合的配套磁畴产生的，那么可以减小所需的法向力)；
2.线465或线端466可通过高爆炸药切断；
3.可使用脉冲激光切断线本身或线端466。
对于选项1，这种断路器可以复位，而无需更换部件。后两种方法仍可用作HVDC电路的一种速断熔丝(仅在罕见的情况下熔断)；它们也可复位，但是每次复位时需要更换一个部件(熔丝)。若使用压电夹具通过图12中的构造466的邻接杆状夹持面来夹持换流滑梭465的底端，则图12的换流断路器可以复位。
图12的设计能避免附着于换流滑梭的大部分绝缘材料，并能最大限度地减小在本文的其它部分所述的后缘电场控制技术的必要质量，从而最大限度地减小换流滑梭的非基本部件的质量。对于图12的断路器，只有导体是绝对必要的；可选的具有梯度性电阻率的后缘部件466不是必要的，虽然在工作过程中它能够减少一叠电阻的核心之内的闪弧，并且这是一个可取的特性。这种设计还可以部署在高真空环境中，或者在换流滑梭465和一叠电阻460的周围有含六氟化硫的熄弧气体混合物的环境中。
在对换流断路器的滑梭进行加速和减速时，一个主要考虑是滑梭在特定加速度下的机械完整性。图1、4、13中所示的装置仅通过拉力来加速换流滑梭；在这种滑梭加速方法中，不论滑梭的长径比(圆柱形换流滑梭的长度/直径比)是多少，滑梭都不会有弯折的趋势。但是，应注意，在图1、4和12所示的加速细长滑梭的过程中，若制动力施加在前面，则滑梭会有很强的弯折趋势，这会把最大减速度限制为低于最大加速度的值。在换流滑梭周围布置结实、坚硬的定子，能够防止细长换流滑梭(例如图2中的滑梭465)弯折；但是，使定子不仅执行其基本电气功能(显著减小可能发生闪弧的区域的体积)还要执行机械功能会使得整个设备更昂贵。这是旋转运动换流断路器(例如图6所示的旋转运动换流断路器)与具有直线运动滑梭的设计相比的一大优点。鉴于细长换流滑梭在高功率应用中(图12)具有明显的成本优势，因此应讨论从后面对直线运动滑梭进行制动的方案。
导电杆465端部的构造466可包括永久磁铁(如图1中的构造119所示)，该永久磁铁可以防止杆465在通态中移动，并且还能在换流断路器完成其通过一叠电阻的运动后提供制动力(通过在金属中感生电流来产生制动力，这是一种众所周知的制动方式)。其它类型的机械约束方式也是从后面制动的可行选项，包括利用一条不导电绳(绳的一端附接至换流滑梭的端部(例如在图12所示的位置466)、另一端附接至在电路断开后可阻止换流滑梭的前向运动的机械制动器，或者附接至仅在行程末端与构造466结合的摩擦制动器)。
图13示出了处于通态中的换流断路器的可变电阻滑梭设计，其中，高导电性材料540跨接在两个定子电极505和510之间。与图1所示的类似设计相比，这种设计有两大变化：第一，使用连续可变电阻滑梭核心530，而不是图1所示的具有阶跃梯度电阻率的核心110。图1示出的是在具有不同电阻率的材料(111、112、113、117)之间有明确边界的移动电阻核心110的情况，而图13示出的是由具有连续梯度的电阻率的金属陶瓷材料制成的可变电阻核心530的情况，该金属陶瓷材料的电阻率从右至左平滑增大，没有突变。具有从低电阻率至高电阻率的多级电阻率的金属陶瓷电阻可通过已知的方式制备(例如，请参考L.Jaworska等人发表的论文“Functionally Graded Cermets”(功能梯度金属陶瓷)，Journal of Achievements in Materias and Manufacturing Engineering(材料与制造 工程成就期刊)，第17期，2006年6月至8月)。使用连续梯度电阻代替阶跃变化电阻能够消除开关瞬变，因此这是本发明的一种合乎要求的实现方式，这种方式可通过滑梭上的电阻(如图13所示)或固定电阻来实现。第二，在图13和14中示出了一种新构造--定子电极后缘橡胶套管500，它在功能上与图4所示的后缘构造153类似。所述后缘橡胶套管500与电极505交叠，并占据电极505的右侧区域535。图14是定子电极后缘橡胶套管500的近视图，该橡胶套管500附接至定子电极505，如图14所示。套管500能抑制闪弧，并且使图13的换流断路器能在露天环境中工作，而且定子电极505和下游定子电极510之间的差压可以较高，相比之下，若没有套管500，则无法支持这么高的差压。在可变电阻材料530脱离橡胶套管500时，在其暴露在空气中之前，该点的电压梯度比脱离电极505时的电压梯度低得多。与换流滑梭530的可变电阻部分脱离金属定子电极的末端直接进入空气中的情况相比，在使用人造橡胶套管500的情况中，不会导致电击穿的最大电压梯度比在前一种情况中的定子电极505后缘的空气接口处能够维持的不会导致击穿的电压梯度要高。下游定子电极510不需要与套管500类似的套管，因为电流仅在电极A和电极B之间流动。滑梭核心550的总移动距离足够长，使得换流滑梭533的高绝缘部分占满从定子电极505的左侧向右延伸至人造橡胶套管500下的某个位置的区域。图13还提供了利用气压525驱动滑梭运动的一个例子。
套管500套在管状定子电极505的环形截面周围，并有唇缘构造555，用于把人造橡胶套管500附接至所述定子电极的后缘。套管500的模铸形状与图14中所示的变形状态的形状有很大不同。如机械设备用橡胶套(例如转向器防尘套等)设计领域的专业人员所熟知的，可以从人造橡胶套管的最终变形形状(图14)来反推计算用于制造橡胶套的模具的尺寸。一个适当的设计准则是把人造橡胶套管和滑梭之间的接口处(在位置556处)的伸长比X(变形状态直径与膜铸直径的比)设为1.1至1.25左右。橡胶套管500的内表面最好覆有PTFE涂层，并且该套管应由具有较低的应力松弛率的结实的人造橡胶制成。在套管500的情况中，必须在人造橡胶部件的整个寿命中维持应力，因此，优选采用缓弛型人造橡胶，例如具有碳-碳交联结构的过氧化物硫化人造橡胶。另外，套管500的静电消散电阻率应在105至109欧姆·米左右。而且，图14所示的套管必须在电气设备周围的可能含有较多臭氧的环境中以伸长状态工作多年。因此，该套管还必须具有很高的耐臭氧能力；出于这些原因，过氧化物交联HNBR(氢化丁腈橡胶)、EPR(乙丙橡胶)和EPDM(三元乙丙橡胶)特别适合于作为套管500的基体弹性材料。
在刷式电极后面使用按压为与移动电极紧密接触的柔性绝缘材料来抑制换流器中的火花的方法是在尼古拉.特斯拉的美国专利334，823中首先提出的，其中，在直流电动机的电刷后面使用了一块云母板。本发明人发明了此概念的一个改进版本，其中，在定子电极505之后有紧密配合的人造橡胶绝缘层，以抑制当可变电阻滑梭的导电最强部分移离定子电极时可能产生的电弧。通过产生接触压力，橡胶套管500提高了套管和可变电阻滑梭的外表面之间的接触紧密程度。这种机制也可用于换流滑梭，例如图4所示的后缘构造153、以及半导体人造橡胶塞(例如图8和图9所示的部件312的一个版本)。
换流断路器还可部署在如图15所示的混合断路器设计中，其中，关键的第一次换流通过快速开关605完成；此快速换流开关连接至公共母线601，公共母线把快速开关605和换流断路器610连接至电极A。类似地，母线615把605和610通过无载切断开关602连接至电极B，该切断开关602是常闭开关(但是在图15中显示为开路状态)。在通态中，开关602、605和换流断路器610都闭合，电流流过两条连接。当快速开关605断开时，全部电流都快速转换至换流断路器，然后，换流断路器在约10毫秒的时间内完成电路断开。在电流被抑制后，无载开关602也断开，这有利于快速开关605和换流断路器的复位。图15的混合开关仍具有独立换流断路器的软断路能力，但是与纯机电换流断路器相比，它开始第一次电阻插入的速度要快得多。图15的混合断路器设计能降低对换流断路器610的极低通态电阻的要求，因为在通态中，并联路径的大部分电流都通过快速开关605.。例如，当在与图15所示的快速换流开关并联的电路中使用图6和图1的旋转多级换流断路器时，表1中的电阻插入顺序发生变化，使换流断路器的通态电阻(在致动前)等于表1中所示的第一次插入电阻(在此例子中为50欧姆)。在此情况中，在换流断路器中不必使用液态金属电极或具有极低电阻的其它电极，这能显著简化设计，因为快速开关承载大部分通态电流。
图15中所示的快速换流开关可以是：
●设计为在电流超过预定限值时使电阻变得非常高的II型(陶瓷)超导并联电路。[这种陶瓷超导体用在超导故障电流限流器(SFCL)中]；这是最快速的优选方案，其中，短路过电流的控制是主要风险，并且即使在低电感短路的情况下也具有固有的故障保险能力)；
●电子管，包括美国专利7,916,507中提及的冷阴极真空管(如例1所述)；
●汞弧阀；
●半导体开关，例如GTO、IGBT或IGCT(虽然这意味着比机械开关的通态热损耗高)；
●与本发明中的换流断路器不同的快速机械开关，例如美国专利6,501,635中所述的开关；
●MEMS(微电子机械系统)开关阵列；
●真空断路器(例如美国专利7,239,490中所述的真空断路器)。
在图15所示的混合断路器的情况中，基于具有图6所示的设计以及表1的插入电阻的换流断路器610，换流断路器的初始电阻(在转子开始任何移动之前)应为50欧姆，该50欧姆可以在六个换流区中均等分摊，例如，使六条电阻最低的电连接(图6中的226、236、246、256、266和276)中的每一条的电阻分别为8.33欧姆。50欧姆初始电阻还可在六个换流区中的五个之间分配；然后，剩余的低阻换流区将为发生第二次换流的区域(这个第二次换流是由图6所示的旋转换流滑梭280的移动导致的第一次换流)；根据表2，这个第二次换流的插入电阻应为19.4欧姆(插入为与上述的50欧姆串联，使总电阻变为69.4欧姆)。从此点开始，所有后续的换流和电阻插入都将由换流断路器610处理。
在某些情况中，快速开关605能够在不到一微秒的时间内把电力转换至换流断路器，然后换流断路器滑梭开始移动，并且可能需要经过5-50毫秒才能完全断开电路，但是，换流断路器能够瞬间钳制由于完全短路而产生的电流涌入，以保护所连接的部件，例如VSC(电压源转换器)或变压器。在多端HVDC电网中，这种快速换流特征尤其重要。在这种应用种，超导故障电流限流器和冷阴极真空管特别适合于快速开关605。
图16示出了产生在功能上与图5所示的直线式致动换流断路器的两级中的一级157类似的直线运动换流滑梭的一种简单方法。图16的设计基于一个金属或金属基金属陶瓷管620，在其上装配和/或附接有导电套管625、626以及绝缘套管630、631和632。所述导电套管625与图5中的滑梭电极211和212对应，并且是金属滑动电极。套管630、631和632是电绝缘套管，它们与图5中的导体210周围的绝缘材料159对应。所述滑动金属电极可通过基于在不同温度下组装精加工部件的摩擦配合(冷缩配合)、通过锡焊或钎焊、或通过等离子体喷涂或火焰喷涂直接在管状核心620上喷涂金属的方法以机械和电气方式与管状核心620连接。电绝缘套管可作为玻璃层上釉到金属基底620上；精加工的预成型绝缘套管可通过基于在不同温度下组装精确尺寸部件的摩擦配合(冷缩配合)套到管状核心620上，或者通过等离子体喷涂或火焰喷涂直接在管桩核心620上喷涂陶瓷绝缘层的方法喷涂到管状核心620上；或者，在金属基底620上涂装聚合物涂层，从而把金属基底620与其它位置绝缘(除了滑动电极625和626)。或者，图16的换流滑梭可通过对导电管进行车削切割来制备，从而在后面留出高脊，以形成两个滑梭电极625和626，然后对管的剩余部分涂装绝缘材料，例如环氧树脂或聚氨酯树脂，或者使用热塑塑料通过嵌件模塑来制备。在形成导电和绝缘套管后，对有涂层管的表面进行平整，使绝缘部分630、631和632的外半径与两个电极625和626的半径相等，并且，在导电套管和绝缘套管之间的边界不能有锐边。
图17示出了具有外接电阻的单级、双区旋转换流断路器，这种断路器非常适合于高电流、中压直流(MVDC)应用。图17与图16相似的是，它所示的是圆形旋转换流滑梭以及定子的配合件的端视图，但是旋转换流滑梭较小，并且比较简单，可提高致动速度。图17的换流转子(包括主要部件650、671、672、673)的最外层表面670的紧凑的环形横截面具有光滑的外表面，这使其能紧贴地配装在容纳所有定子电极(675、680、690、700、710、676、720、730、740、750)定子组件652中(未详细示出)。定子电极680、690、700和710连接至外部电阻681、691、701和711；类似地，定子电极720、730、740和750连接至外部电阻721、731、741和751。两个通态定子电极675和676是液态金属电极，它们通过低阻引线连接至换流断路器的电极A和电极B。整个定子组件652(包括定子电极的内表面)具有与旋转换流滑梭(650、671、672、673)接触的光滑内表面。除了定子电极外，整个定子表面由高绝缘材料构成，例如聚合材料或聚合物复合材料。在转子外表面670和定子652之间最好有润滑界面膜(在图17中未示出)，定子电极最好在均匀压力下贴靠滑梭，该压力可源自于弹力、柔性定子外侧的压力、或者同时源自于这两种力。
换流转子核心650理想地由铝基碳化硅复合材料轴构成，或者在其外周面上涂镀有某种相似的低密度、低热膨胀性、高电导率材料，并具有粘附的电绝缘壳671，例如陶瓷材料(例如等离子体喷涂氧化铝)、氮化铝、石英玻璃或聚合材料，但是绝缘壳在两个滑梭电极区672、673中有间断，在这两个区中，金属管涂有一层很薄的导电金属材料，该涂层的厚度与绝缘层的厚度相同，但是该涂层是导电的，并且具有可作为滑动电极的良好性质；对于滑梭电极672、673的大部分来说，两种特别适合的金属材料是银、镍和/或钼。滑梭电极672和673的宽度足以使其在通态中与前两个定子电极完全连接。换流时间可通过改变两个通态电极675、676的宽度并调节所述通态定子电极与下两个定子电极680和720之间的间隙682和692来设置。
图18是具有结合在定子中的电阻的一种单级、双区旋转换流断路器800的端视图，但是该旋转换流断路器的其它方面与图17的旋转换流断路器相似。在图18中，中空的拱顶状定子电极电阻(811、821、831、841、861、871、881、891)作为所述的两个定子电极和电阻；这些拱顶状定子电极电阻实际上构成定子内壁的一部分，并且与换流转子接触(在此情况中，换流转子是强度很高的金属空心轴或实心轴855，该轴允许很高的扭矩，以实现最大径向加速度和极其快速的致动)。这种设计允许定子电极电阻具有连续梯度电阻率，这能避免由于通过一系列不同电阻(例如图13所示的直线运动分级电阻)进行换流而导致的电压突增。随着滑梭电极802和852顺时针转动并脱离与液态金属电极801和851的接触，在旋转换流滑梭的两侧发生电阻插入(这是在第一次换流，在此情况中，它在断路器的A侧和B侧同时发生，虽然液态金属电极的第一次换流不必同时发生)。液态金属电极801和851连接至断路器的电极A和电极B，并且还与相邻的定子电极811和861电连接，定子电极811和861可由镍铬合金、金属陶瓷、准晶体合金、或非晶碳等材料制成。定子电极电阻811和861也通过相似的方式与定子电极电阻821和871等电连接，直至最后的定子电极电阻841和891。在这两个系列(电极A侧：801至811至821至831至841；电极B侧：851至861至871至881至891)中的每一个系列中，构成各个相继定子电极电阻的材料的电阻率分别比该系列中的前一个定子电极电阻的电阻率大，并且电阻率在每个定子电极电阻内也呈梯度分布。在通过所有定子电极电阻换流后，有两个高绝缘定子部分(825、826)；当电路断开时，滑梭电极在这两个高绝缘定子部分下旋转。在图17和图18中，在断路器从通态(闭路)至断态(开路)的致动过程中，换流滑梭的总转角为135度。
虽然图18示出所有定子电极电阻都具有相同的外径，但是根据每个定子电极电阻在换流断路器正常工作过程中预计吸收的能量，不同定子电极电阻的外径可以有所不同；待切入到电路中的第一对电阻(811、861)吸收的能量比最后一对电阻(841、891)吸收的能量高得多，因此应具有较大质量。这可通过增大811和861的外半径来实现。中间定子电极电阻(821、831、871、881)的外径的值应在第一对电阻(811、861)的外径与最后一对电阻(841、891)的外径之间。
如图17所示，转子轴855的外表面的大部分覆有绝缘陶瓷、玻璃或聚合物层803、853，但在两个滑梭电极区802和852还覆有适当的金属层，如上所述。换流转子的外壁向外延伸至半径804，并且打磨光滑，因而从外壁绝缘部分(803、853)至相邻的外壁导电部分(802、852)至多仅有很小的不平坦。在转子的外缘与构成定子的内部的拱顶状部件(801、811、821、831、841、826、851、861、871、881、891和825)之间的间隙很小，该间隙在半径804处；在此接口处可有不导电的液体或干式润滑剂。
对于前几个插入电阻(它们吸收在换流断路器的工作过程中消散的大部分能量)以及如图18所示的通过定子壁的渐增电阻完成最后几次换流的定子电极电阻，还可以组合使用如图17所示的与外部电阻连接的定子电极，从而混合图18和图19所示的设计。
为了实现高压，可以使用多级换流断路器，这些换流断路器可以是大直径转子或者较长的轴向运动装置。最好从换流滑梭表面的多个区驱动这种较大的换流滑梭，而不是在较长的轴向运动多级断路器的一端或两端施力，或者在大直径旋转断路器的轴上施力。例如，在为800千伏设计的沿其外表面有六个换流区的三级旋转换流断路器中(如图6所示)，为了使通过转子的备选电连接路径之间有充分的绝缘，转子的直径可能要超过一米。在这种直径级别上，为了驱动转子绕中心轴快速旋转，需要很大的扭矩以及支持该扭矩的结构。利用沿换流滑梭的外半径分布的许多小弹簧或致动装置，能够最有效地驱动较大直径的转子，这种弹簧或致动装置能够在换流滑梭的表面上分配加速换流滑梭所需的力，使加速换流滑梭所需的力能在靠近待加速的滑梭部分的位置提供给滑梭，如图19所示。
图19示出了一种特别适合于驱动如图6所示的多级旋转换流断路器的致动机制。在换流转子900的外半径周围布置有多个片式弹簧或平缓弯曲的弹簧905。每个弹簧通过附接至旋转换流滑梭的配合构造910与转子结合。换流转子通过速释制动装置915保持就位，该制动装置915阻止转子运动，直至通过控制信号线920从控制器925传来松开制动装置的信号。如上所述，制动装置最好基于压电致动器，该压电致动器在抛光面上施加法向力，通过摩擦来阻止运动。当控制器925使压电致动器915快速改变形状以释放法向力时，换向器旋转，使断路器断开。
图20示出了轴驱动旋转换流断路器组件的一种常规设置。在左侧，部件930是向轴945施加扭矩的驱动装置，当快速制动装置950松开时，该扭矩驱动旋转换流断路器940转动。旋转换流断路器940可有多种设计，例如图7、图18或图19所示的设计。所有部件都安装在结实的底板960上(该底板还可为围绕换流断路器组件的管状或构架形式)。扭矩源930可为扭转弹簧，即，作用于驱动轮的一圈片簧，如图19所示，或者，该扭矩源930可为机电或流体驱动装置，甚至是一段扭轴。旋转换流断路器940处于两个轴承935之间。速释制动装置950位于循环换流断路器940上的扭矩驱动装置的相对侧，在断路器的通态中，该制动装置950止住扭矩驱动装置930的扭矩，从而施加在轴945上的扭矩被速释制动装置950阻止；当速释制动装置松开时，轴和旋转断路器转动至开路位置。在通态中，在扭矩驱动装置930和速释制动装置950之间的底板960上有相同但相反的扭矩。轴945穿过速释制动装置950延伸至通过花键安装在轴上的抱轴制动装置955，在换流断路器的断路动作完成前，抱轴制动装置955不会阻止轴的运动，在断路动作完成后，抱轴制动装置955快速停止轴的旋转，并能防止轴的回跳和反转。此时，无载电开关965断开，使旋转换流断路器断电，从而可以安全地复位。
抱轴制动装置955还结合有旋转换流断路器复位功能，在旋转换流断路器断开后，该功能把轴扭转回其初始位置。在轴复位至其初始通态位置后，速动制动装置复位，然后抱轴制动装置返回其正常通态位置并锁定，从而不会相对于底板转动。最后，无载开关965重新接通，使旋转换流断路器组件返回其原来的通态，准备好再一次从电极A向电极B承载电流，同时还能够在需要时快速断开。
快速制动装置可以是现有技术的不同机械释放装置，或者在本文的其它部分中所述的压电制动装置，或者用于阻止施加的一部分扭矩的相配磁畴与支持快速致动的压电制动装置的组合。在旋转致动模式中或线性致动模式中，可以使用相互配合的压印磁畴的原理在施加应力的条件下把换流滑梭保持固定就位。这基于由Correlated Magnetics ofNew Hope,AL开发的精确定位方法(参见美国专利8,098,122)。使用此概念，在换流断路器940的换流滑梭以及配合定子上或构成快速制动装置950的一部分的轴和套管上产生“指纹”图案的相互配合的磁畴，由于相配磁畴之间的总吸引力很大，因而能阻止换流滑梭相对于定子转动；假定在达到Tc扭矩之前相互配合的磁畴图案能防止滑梭从“磁能阱”中旋转出来。这样，可以把压电致动器的制动作用与相配磁畴的制动作用结合；在此情况中，驱动装置930施加的扭矩稍大于相配磁畴本身能够抑制的最大扭矩，例如，驱动装置930施加1.1(Tc)，该扭矩的一部分被相配磁畴抑制，另一部分被向抛光金属或陶瓷片(如图19所示的构造915)垂直施加力的压电致动器抑制。当压电致动器松开时，滑梭开始移动，因为施加的扭矩超过相配磁畴能够抵抗的最大扭矩值。这能减小需要由压电致动器施加的法向力，并且这种方法更经济。这能保持与压电制动装置的情况相同的符合要求的故障模式，因为当控制电路向压电致动器的供电中断时，弹簧力本身会把滑梭从磁能阱中击出，并且使电路断开。
相配磁畴具有一个附加的重要特性，即，它们能够使换流滑梭转子的位置与换流定子保持精确的位置关系(在10微米之内)。对于使用很薄的液态金属电极的换流断路器，这尤其重要，因为液态金属电极在通态中必须精确对位。可以很容易地把各个部件布置为使换流滑梭开始移动时磁畴不会显著抑制运动，但是在换流滑梭旋转结束时，第二组相配磁畴能够把换流滑梭停止在所需的断态。
相配压印磁畴在应力下通过相配的“磁性指纹”把换流滑梭固定就位的原理也可用于抑制可变电阻滑梭的换流滑梭的直线运动。相配磁畴图案能够防止滑梭从“磁能阱”中脱出，直至施加的力达到Fc。在速动直线运动型换流断路器中使用这种相配磁畴有两种不同的可行方案。第一个方案是部署速动弹簧，并使弹簧施加的力低于从磁能阱释放滑梭所需的力，例如0.95(Fc)；在此情况中，磁畴足以阻止滑梭从磁能阱中脱出。可以施加较小的附加力(例如弹簧力的5％或更高一些)，以便把换流滑梭从其“磁能阱”中击出，然后，换流滑梭将被弹簧迅速加速。例如，这种附加力可通过电磁方式施加、或通过压电致动器施加，或者通过气压施加。
第二个方案是在快速换流断路器中使用相配磁畴，把压电致动器的制动作用与相配磁畴的制动作用结合，在此情况中，相配磁畴产生的制动作用本身远不足以抑制滑梭的运动(如图20所示的关于旋转运动的论述)。在此情况中，在换流断路器的滑梭上施加比能够由相配磁畴本身抑制的最大运动力高一些的附加力，例如1.1(Fc)，换流断路器的滑梭的运动一部分被相配磁畴抑制，另一部分被向抛光金属或陶瓷片(如图19所示的构造915)垂直施力的压电致动器抑制。这种通过磁畴来提供部分约束作用的方法也可用于代替图1所示的磁性约束构造119和121，或者作为由压电致动器施加的约束图12所示的构造466的约束力的补充。一旦压电致动器松开，滑梭就开始移动，但是压电致动器只须提供总约束力的10％左右，而这比较经济。这种方法的优点是，若失去控制电源，则断路器会自动断开，因此其故障模式比上述的使用相配磁畴抑制运动的方法要安全得多，在上述方法中，若控制电路失电，则弹簧力本身不足以把滑梭从磁能阱中击出。
在任何换流断路器中，可变电阻滑梭或换流滑梭的运动意味着快速加速，这会导致机械摇晃，除非在一个断路器中组合有动量变化相等但方向相反的两个相对运动。为了最大限度地减少断路器和其外壳之间的连接的疲劳，或者减少把外壳固定至建筑或车辆结构上的安装紧固件的疲劳，或减少由于换流断路器的断开而导致的噪音和振动，最好采用两个方向相反的平衡运动，从而最大限度地减小必须传递至断路器外壳和支撑结构的动量。
有三种机制可以把换流断路器的致动冲力作用限制在定子内(换流断路器的运动核心的外壳，不论该运动核心是可变电阻元件还是换流滑梭)：
1.在公共定子外壳内按相对方向加速两个线性可变电阻滑梭或换流滑梭(这能够吸收当滑梭核心达到其行程末端并被制动时产生的冲击载荷)，该定子外壳把沿相对方向轴向移动的两个对称和平衡的圆筒的冲力作用限制在其内部；
2.在旋转滑梭(可包括旋转可变电阻或滑梭环流装置)的情况中，为了实现冲力作用的完美抵消，需要使用逆向旋转的同轴转盘；但是，在一个公共支撑座上使用两个逆向转动的滑梭更容易；在此情况中，能够容忍因两个转盘的转动动量中心稍稍偏置而导致的轻微扭力；与加速和减速旋转换流滑梭所需的转动动量相比，这种旋进力很小；
3.对于直线运动换流断路器或旋转换流断路器，平衡动量部件可为配重，该配重不是换流断路器本身。
在大多数断路器中，必须处理在完全短路情况中的电流涌入。对此问题进行全面分析需要理解断路器所在的整个电气系统，尤其是故障状况下的系统电压响应、电容、电阻和电感。电流在故障状况下的增加速率主要由电感约束，并且原则上只能通过增加电感来减缓故障状况下的电流涌入。这需要在断路器的必要工作速度与系统电感之间进行权衡。增加电感能够使电阻的插入减缓，并同时把涌入电流钳制在可接受的水平，但是这是有代价的：不仅电感本身的成本会增加，而且增加电感会增大为了压制电流而需要的电阻的质量。通常，当系统电压V(伏)与电感L(亨)的比率在4000万以下时，本发明的换流断路器的效果最好，更优选地的是，V/L的比率应小于等于800万。在图15所示的混合断路器中，允许高于4000万的比率。
对于功率较低的电路，换流断路器应在运动可变电阻滑梭(例如图1和图13所示的滑梭)中结合有电阻；此原则也适用于旋转换流断路器，在此情况下应使用可变电阻转子。
对于功率较高的供电电路(超过100千瓦)，换流断路器优选具有通过一系列渐增的电阻路径连接电流的换流滑梭，即，通过与多个固定电阻连接的定子电极顺次接触，如图4、5、6、8、9、11、12、17和18所示。这尤其适用于具有很高的系统电感的电路(例如HVDC输电线)，因为在电路断开时，必须以热量方式消散储存的感生能量，而这意味着需要数百公斤重的电阻。
在某些情况中，需要在换流断路器中集成缓冲电路，当触点从与一组电阻的连接(直接或间接连接)滑下并滑到下一组较高电阻率的电阻上时，该缓冲电路能够最大限度地减小此时出现的电压尖峰。本发明人已经论述了在电极后缘上利用有梯度电阻率来减缓由于换流而导致的电压尖峰的方法，但是还有许多已知的缓冲电路可以减小或“滤除”电压瞬变，例如可变电阻、齐纳二极管、电容、与二极管电路连接的电容、以及其它已知类型的缓冲装置。
下面考虑几种用于产生针对2千安和6千伏中压直流(MVDC)换流断路器的示例性设计的设计方法。在实施例1至4中，使用下列的基本假设：
●满载＝2000安；
●6千伏电压源；建立了两种情况的模型：在情况#4中，由于内阻问题，没有压降(这是最坏情况的假设，类似于大电容器组)；在情况#5中，电流来自于具有0.36欧姆实际内阻的大电池组；
●(6千伏)/(2千安)的正常下降负载电阻＝3欧姆
●完全短路情况下的最大设计电流＝10千安(这决定切入第一级电阻所需的必要切换速度)；
●第一次切入电阻为(最高电压)/(故障状况中的最大电流)＝1.2欧姆(仅足够钳制电流和反向dI/dt)；
●在完全短路情况中，假定的最坏情况的系统电感Lo为1.0微亨；
●附加电感Lx应根据需要增加，以减缓电流涌入；在各个例子1至4中，可以考虑不同的Lx值；
●换流过程中的最高电压＝12千伏(是正常系统电压的两倍；这是因电阻接入造成的)。
表3示出了在不同的过载情况中从满载(2千安)至最大过载(10千安)所需的实算时间：
情况#4：完全短路的最坏情况，零电阻，无压降；电流随时间增大的关系遵循公式(3)；
情况#5：电力由电池提供，电池内阻＝0.36欧姆；电流随时间增大的关系遵循公式(4)。
表3：不同系统电感(6千伏、2千安电路)条件下达到最大电流(10千安)所需的时间
在时间为零时，在情况#4中(完全短路的最坏情况)，电阻变为零，此时仅有系统电感约束电流上升dI/dt。在情况#4中，在发生故障后，故障电流I(t)是时间的线性函数，由公式(4)给出；另一方面，若电路包含电阻R(情况#5)，则电流随时间增大的关系遵循公式(5)：
(4) I(t)＝Vt/L→dI/dt＝V/L (情况#4)
(5) I(t)＝(V/R){1-exp[-t/(L/R)]} (情况#5)
图21示出了这两个公式在中间电感情况下(150微亨)的曲线；在到达2千安正常满载之前，这两条曲线基本一样，但是在更大电流、更长时间的情况下，它们之间有显著的区别。在系统最小电感L极低(1.0微亨，参见表3)的假定条件下，若没有附加电感，则dI/dt(完全短路情况中电流随时间的变化)为60亿安/秒。为了把这种电流上升量限制为不超过10千安(从2千安、正常满载开始)，需要在1.33微秒时插入第一个电阻。对于机械系统，这是不可能的；若系统电感仅为一微亨，则只有如图15所示的具有极快开关(IGBT晶体管、超导故障电流限流器、或冷阴极真空管)的混合设计才能在所要求的两微秒时间内完成此任务。
至第一次电阻插入(换流)所需的时间是换流断路器的一个重要属性，因为第一次电阻插入会阻止或显著减慢电流增大；不论是独立换流断路器还是图15所示的混合设计、甚至是基于相继插入电阻的任何直流断路器，都是这样。(在交流系统系统中，还有很多类型的故障(例如雷击)，在这些情况中，电流涌入非常快，普通的交流型断路器甚至来不及动作。)根据上述基本假定，如果第一次插入的电阻是(最高电压)/(故障状况中的最大电流)＝1.2欧姆，并且电阻是在电路达到10千安最大设计电流(表3)时或在此之前插入的，则第一个电压尖峰会小于或等于最高设计电压，并且电流会从该电回落。若电流＝10千安，则在切入1.2欧姆电阻后，电阻两端间的电压将为12千伏。为第一次插入选择的电阻仅足够钳制电流和反向dI/dt，同时不会使电压升高到超过12千伏。如在上文的图6和表1部分详细说明的(关于高电感输电系统的说明)，在进行下一次换流之前，必须使电流有足够的时间衰减至所需的水平。增加附加电感Lx不仅减缓短路状况中的电流涌入(如公式3和公式4所示)，而且会延长电路断开所需的时间(因为电流按exp[-t(R/L)]衰减)，如下面的例子所示。
本发明的实施例
例1
考虑如图15所示的断路器，其中，快速开关是美国专利7,916,507中揭示的冷阴极真空管。这种真空管具有10伏左右的通态压降，这意味着，根据上述假设，能量损耗约为10/6000，或约为传输功率的17％(好于IGBT，并且不需要水冷)。即使系统电感为一微亨，这种真空管也能在不到0.1微秒的时间内切入，从而在涌入电流超过10千安最高值之前轻松地把电力转换至换流断路器，当然，前提是必须能足够快地触发它。
在此情况中，真空管执行第一次换流，若系统电感仅为一微亨，则几乎没有需要消散的感生能量；若电流在10千安断开，则仅有100焦耳，因此可以使用很小的电容或可变电阻来吸收此能量。在此情况中，换流断路器提供的优点可以忽略，除非故障情况下的电感变化剧烈(通常确实如此，这取决于电感的位置)。在发生故障时电感变化剧烈的情况中，可以依靠真空管实现快速切换，以钳制在低电感故障情况中的电流涌入，并且，可以针对预期的最大电感来优化换流断路器，从而最大限度地减小在断路器断开过程中的电压尖峰。尤其是，若使用可变电阻来吸收感生能量，则可以把电压尖峰保持在较低的水平。
例2
考虑故障状况下的最小电感为150微亨的情况。这意味着必须使换流断路器快速致动和移动，以便在200-333微秒内开始第一次换流(根据表3的基本假设)。这个速度非常快(和例1所示的情况一样)，只有在并联电路中具有快速电子开关的混合换流断路器(例如例1和图15所示的断路器)才能在200微秒内实现第一次换流，但是在达到第一次换流的时间为333微秒的情况中(在情况#5所示的具有内阻的电路中)，使用一个快速换流断路器能够在此时间内实现第一次换流(但是很困难)。这些计算值是基于使用最快速的已知方法使旋转换流断路器脱开来预测的，即，能在20微秒内移动20微米的压电致动器。在旋转装置的情况中，单位角加速度所需的扭矩与半径平方成比例，而圆周距离(可用于布置电极)与半径成比例。因此，对于给定的可用扭矩，在换流转子的工作半径最小时，致动最快。对于扭矩施加在轴上的旋转换流断路器，为了实现尽可能快的致动，应最大限度地减小换流滑梭的半径。这又意味着需要最大限度地减小定子电极的数目、定子电极的宽度、以及定子电极之间的间距，因为每个定子电极以及相邻定子电极之间的每个分隔装置必须沿旋转滑梭的圆周配装。每个定子电极越宽、定子电极的数目越多，则圆周就必须越长。由于这个例子是用于探索换流断路器的极限动作速度，因此使用了多种同时技术，如下文和图18所示。
图18所示的转子在高转矩下的脱开动作发生在故障后50微秒内，这包括控制计算机检测故障并停用一对压电致动器以释放压住抛光金属或陶瓷制动装置的法向力所需的30微秒时间，该制动装置也是旋转换流滑梭的一部分，但是在滑梭电极所在的区域之外，并相对于施加扭矩的装置处于旋转换流滑梭的对侧(如图20所示)。对于如此快速的运动，普通弹簧不足以施加扭矩，只有很硬的材料产生的弹性应力才能跟上所需的运动速度；例如，直径与旋转换流滑梭相同的钛合金扭力管或管状碳纤维增强复合材料能够提供弹力，并跟上旋转换流滑梭的运动。
为了便于计算，本发明人把图18所示的旋转换流滑梭的轴向长度定为10厘米，这意味着，在闭合电路通态中，转子电极802和852与液态金属定子电极801和851的周向交叠部分应小于一毫米；对于工业断路器中的电极，这个接触面积可能太小，无法保证电极精确对位；因此，为了便于论述，本发明人把液态金属定子电极801和851的周向宽度定为2.0毫米，这能允许转子电极后缘和液态金属电极的前缘之间有一定的错位。在旋转滑梭的选定外半径处(2厘米)，这意味着滑梭必须旋转5.73度(0.100弧度)才能开始第一次换流(在该点，滑梭电极802和852从液态金属电极801和851滑下)；为了在150微秒内实现该移动距离，径向加速度必须为889万弧度/秒。这需要2158牛-米扭矩，此值甚至高于2厘米半径的实心钛β-C轴能够承受的最大扭矩。(为了便于计算，假定包含10厘米长旋转换流器的整个转子相当于20厘米长钛β-C合金轴，该轴的外径为4厘米，长度为20厘米，重量为1.214公斤。)在电阻电路的情况中(情况#5)，在完全短路时，内阻会延迟电流突破10千安的时间，因此有283微秒的时间来实现第一次换流(在检测故障并松开压电制动装置所需的50微秒之后)；这样，所需的角加速度减小为250万弧度/秒，所需的扭矩减小为606牛-米，而此值刚好在假定的实心钛合金转子的强度极限之内。这不是现实可行的设计，但是它表明，使用图18所示的旋转设计，在333微秒内实现第一次换流在技术上是可行的。
例3
考虑表3中的电路在故障状况下的最小电感为750微亨的情况。在此，将继续基于图17进行论述，其中很多内容在上述的例2中已经论述，因为对于图18所示的旋转换流断路器，转子直径与上述的相同。把故障状况下的电感增大至750微亨会使电流从假定的2千安起始电流升高至10千安所需的时间延长五分之一；对于最坏情况下的零电阻故障(情况#4)，这意味着有1.0毫秒时间实现第一次换流，对于情况#5中的电路，该时间为1.63毫秒。使用与上述例2相同的假设(制动装置松开需要50微秒，惯性转矩相当于20厘米长钛β-C合金轴(4厘米外径，20厘米长度))，此时，对于情况#4的故障，所需的角加速度降低至222000弧度/秒，对于情况#5的故障，所需的角加速度降低至80100弧度/秒。这些加速度值的对应扭矩分别为54和19牛-米，在可行的扭矩范围之内。实际上，对于这些扭矩，不必像例2那样需要这么强的实心钛轴，这意味着可以使用空心铝合金轴，从而减小转子的重量和转动惯量，而这能进一步减小所需的扭矩。但是应注意，此处所需的致动速度仍无法通过常规的多圈钢盘簧来实现；此时仍需要速动弹簧，虽然弹簧的动作速度不必像例2中的那样快。这表明，能够制造达到第一次换流的时间为一毫秒左右的可实用的旋转换流断路器。
在经过脱离图17所示的液态金属电极的第一次换流之后，其它八个定子电极不是液态金属电极，因此，为了能安全地承载故障电流而不损坏电极，这些电极必须比液态金属电极宽。而且，如表1和图7所示的不同但相似的情况，随着电流和存储的感生能量被反复的电阻插入所抑制，换流之间的最佳时间间隔也发生变化。本发明人还没有把转子650的运动方程与电阻插入的最佳时间(如表1和图7所示的不同情况的最佳时间)相结合，以计算假定的最坏情况故障(10千安，零系统电阻)下的各个定子电极的最佳宽度。但是，本发明人注意到，如果扭矩源和转子的详细数据是已知的，那么这种计算很简单直接。图17示出了这个基本原则，其中，前两个金属滑动定子电极680和720的宽度(沿圆周方向一厘米宽)大于初始液态金属定子电极675和676的宽度(0.2厘米宽)或后续三对定子电极690、700、710、730、740、750的宽度(0.6厘米宽)。在此情况中，两组定子电极(720-750和680-710)的尺寸与相对换流区中的相应电极的尺寸相同。换流区760和770之间的切分点是通过使液态金属定子电极675和定子电极680之间的第一绝缘间隙682为0.45厘米来实现的，而所有其它绝缘间隙(包括绝缘间隙692)为0.30厘米；这使得转子电极672脱离右上方换流区中的定子电极(680、690、700、710)的换流位置发生偏移，与转子电极673脱离左下方换流区中的金属滑动电报(720、730、740、750)的相应换流位置相比向后偏移4.30度。使用这种产生切分换流位置的方法具有标准定子电极宽度的优点，并且允许换流转子采用对称设计。这不是最佳构造，但是示出了使用不对称定子电极圆周间距来使两个不同换流区中的换流在换流断路器工作过程中的不同时间发生的原理；并表明只需改变一组定子电极之间的间距就可在一个换流区(图17中的右上方的换流区)和第二个串联的换流区(图17中的左下方的换流区)之间实现切分换流。
在室温下，最佳的导体是银和铜；例如，通过向烧结的多孔铬或钨金属基板渗银而形成的银基电极是已知的。如果使用银或铜来与液态金属电极接触，可能发生反应；银能与镓和汞发生反应，因此，即使制造银-汞电极，银电极的表面也会是银-汞混合状态。银可与钠-钾低熔点共晶体结合使用，但是这会带来安全问题。对于滑梭电极672、673的表面来说，为了使电极表面与汞或镓合金相容，一种特别符合要求的方法是在非氧化铝或铝复合基板上冷喷涂100-1000微米中等厚度的银层，然后把表面打磨光滑，随后涂钼层，可以使用物理汽相淀积(PVD)方法在抛光后的银表面沉积一层相当薄的钼层(1-5微米)，PVD膜反映下面的银基层的表面光洁度，不需要进一步抛光。原则上，也可使用等离子体喷涂技术在铜、银、铝/碳化硅复合物、或铬基底上涂一层厚钼表层。例如，可以使用基层金属和钼的等离子体共喷技术来产生银和钼之间的模糊边界层，以降低层离的可能性。但是，由于钼与基层之间的热膨胀性差别很大，因此在银、铜或铝基层上涂很厚的钼层会产生内在的不稳定性，不如通过PVD沉积一层很薄的钼。在上述的任何一种情况中，在表面上涂一层钼是为了在固体电极上覆一层不氧化金属(在600℃以下)，这种金属不与镓或汞反应形成混合物。
考虑到图17所示的换流转子650表面上的电极层672、673较薄(小于一毫米)，另外，为了便于制造，整层电极应由钼构成，该钼层通过等离子体喷涂附着到基体金属管651上。在此情况中，绝缘层670可以是通过等离子体喷涂形成的氧化铝层(在此情况中，在等离子体喷涂之后，换流转子的表面应打磨光滑)。由于钼和氧化铝的热膨胀率都比导电金属材料的热膨胀性率，因此在图17所示的换流断路器中，应最大限度地降低基体导电管或轴650的热膨胀率。可作为如图17所示的旋转换流断路器的核心的两种材料是：
●由渗AlSiC-9的复合材料制成的实心轴；
●具有很高的抗冲击载荷能力的空心钛轴。
这两种轴材料的热膨胀性很相似。AlSiC-9是由CPS Technologies生产的渗铝碳化硅复合材料，在从30℃至200℃的范围内，其热膨胀系数为8-9ppm(百万分之一/摄氏度)，不到铝的热膨胀系数的一半；在从30℃至200℃的范围内，钛的热膨胀系数为8.6ppm(百万分之一)。这两种材料都与通过等离子体喷涂的氧化铝和钼形成结合层，与通过等离子喷涂在铝、铜、银或其合金上形成的相似厚度的氧化铝或钼层相比，该结合层抗热机械疲劳的能力更高。当为图17所示的换流转子651的核心采用由AlSiC-9制成的实心轴时，两个滑梭电极之间的电阻为0.0026微欧左右，2千安时的相应电阻热损耗仅为0.01瓦。为了把实心AlSiC-9轴与空心钛管比较，计算了产生与实心AlSiC-9轴相同的转动惯量所需的管壁厚度；在此情况中，用于加速两个管的机构可以相同。与实心AlSiC-9轴的惯性转矩相当的钛管(纯钛)的壁厚仅为0.149厘米(两者的外径都为4.00厘米)。当纯钛管壁厚为0.149厘米时，两个滑梭电极之间的电阻约为88.5微欧，这意味着，在最大满载时(2000安)，电极672和673之间的10厘米长钛轴段的电阻加热产生的通态损耗约为350瓦。另外，还计算了具有与纯钛管相同的惯性转矩的钛β-C合金的这些数值；由于钛β-C合金管的密度与钛管的密度稍有不同(参见表2)，因此其壁厚稍小一些(0.138厘米)；在此情况中，两个滑梭电极之间的电阻约为365微欧，这意味着，在最大满载时(2000安)，电极672和673之间的10厘米长钛轴段的电阻加热产生的通态损耗约为1,460瓦。(虽然本发明人认为这个值是不可接受的，但是它仅相当于输送能量的0.01％，远低于IGBT开关甚至冷阴极管开关消耗的能量。)本发明人注意到，通过从这样一种方式在钛管壳内插入铝管芯以避免在界面处产生任何氧化物，能够显著降低钛管芯旋转电极的电阻。
在需要极快速致动的情况中(这也意味着有冲击载荷)，需要使用很结实并抗冲击的材料作为图17或19所示的换流转子的基体，例如与铝合金芯电联接的钛管或钛合金管。在能够防止换流滑梭受到冲击载荷的任何情况中，AlSiC-9更适合于用作旋转滑梭核心(例如图17所示的部件650)的材料，在某些情况中，还可以使用铝合金管。
例4
在此例子中，最小系统电感定为比例3中的最小电感高五倍(3.75毫亨)。根据表3，此时，在情况#4中，有5毫秒时间实现第一次换流，在情况#5中，有8.13毫秒时间实现第一次换流。对于图17或图18所示的转子的总转动惯量，假设其值与上述的例2和例3中的值相同(相当于20厘米长、4厘米直径的钛β-C合金实心轴)，则在情况#4中，所需的角加速度为8160弧度/秒(所需的扭矩＝2.0牛-米)，在情况#5中，所需的角加速度为3060弧度/秒(所需的扭矩＝0.7牛-米)。这些加速度和扭矩值在可通过标准钢盘簧致动的范围之内。
例5
许多中压直流电路具有“浮电位中性线”(与车用蓄电池和汽车电气系统等装置不同)，这意味着两个电极都是“带电”电极，为了隔离设备或电路，任何断路器必须同时切断两个电极的电力。上文中已提到了实现这种能力的一种适当方式：可同时触发两个单极换流断路器，其中一个用于电路的相对正极侧，另一个用于电路的相对负极侧。在此情况中，特别符合要求的方法是，在对滑梭进行必要的加速时，使一对换流断路器同时触发，从而使加速和减速第一个换流断路器的滑梭导致的冲力作用被加速和减速第二个换流断路器的滑梭导致的冲力作用抵消，以便显著减小必须传递给这对换流断路器的支架系统的动量。
有时，还可以在一个公共滑梭上布置两个独立的换流断路器。例如，对于图5所示的双级轴向断路器，可以除去两级182之间的连接，把现在变为电气独立的两半断路部分同时连接至直流电路的正极侧和负极侧，从而把该断路器修改为同时断开两条电路。类似地，还可以把旋转换流断路器设计为同时断开两条电路。这种旋转双极断路器不能使用如图17和18所示的电路中的导电轴，而是应像图6那样使两级之间保持电气分离。图6中的三个换流级也可以改为同时中断三相交流电路的所有三相，只需除去串联线236和256，并把每级分别连接至三相交流电路的一相。
本文中说明了若干实施例。但是，利用本文所阐述的设计原理，本领域技术人员能够轻而易举地实现本文中未详述的许多其它实施方式。
Claims (15)
1.一种在形成电路径的电路中使用的换流断路器，当该换流断路器处于通态时，电流通过该换流断路器，该换流断路器包括：
具有一个或多个定子电极的定子；
具有一个或多个滑梭电极的滑梭，所述滑梭能够相对于定子移动，并构造为在这种运动中相对于定子电极滑动，
其中，定子电极和滑梭电极中的至少一个沿其长度方向具有渐增的电阻率，较高的有梯度电阻率在至少后缘上，该后缘包括定子电极或滑梭电极之一的一部分，当滑梭相对于定子移动时，该定子电极或滑梭电极之一最终接触另一个定子电极或滑梭电极；
多个电阻，电耦合到定子和滑梭之一或两者；以及
一个发射系统，该发射系统布置为在换流断路器的通态位置和断开位置之间相对于定子移动滑梭，在通态位置时，换流断路器在电路中产生相对低的电阻，在断开位置时，换流断路器在电路中产生很高的电阻，
其中，随着滑梭在通态位置和断开位置之间的移动，流过换流断路器的电流被转移至具有渐增电阻的路径中。
2.如权利要求1所述的换流断路器，其中，至少一部分滑梭和定子电极基本上被绝缘材料围绕。
3.如权利要求2所述的换流断路器，其中，所有滑梭和定子电极都基本上被绝缘固体围绕。
4.如权利要求1所述的换流断路器，还包括围绕在滑梭周围的受压的电绝缘流体。
5.如权利要求1所述的换流断路器，其中，电力通过随着滑梭的移动形成的一系列具有渐增电阻的路径的第一系列定子电极传送至滑梭上，并到达位于滑梭外表面上的滑梭电极，然后通过隔离路径到达位于滑梭的不同部分上、但被滑梭表面的绝缘材料围绕的第二滑梭电极，然后从所述第二滑梭电极流出滑梭，流至第二系列定子电极，该第二系列定子电极随着滑梭的移动通过一系列具有渐增电阻的路径连接电力。
6.如权利要求1所述的换流断路器，其中，断路器布置在具有快速换流开关的并联电路中，所述快速换流开关用于在初始电阻级别上执行把电流转向断路器的第一次换流，所述初始电阻级别能够控制完全短路状况下的电流涌入。
7.如权利要求1所述的换流断路器，所述滑梭包括多个级，所述多个级串联地电耦合，并作为一个刚性体一起机械移动。
8.如权利要求1所述的换流断路器，其中，定子还包括通过弹性件在滑梭上产生压力的低摩擦、高介电强度材料。
9.如权利要求1所述的换流断路器，还包括滑梭锁止机构，该滑梭锁止机构包括压电致动器，该压电致动器减除高模量材料的抛光界面上的法向力，从而实现导致滑梭开始移动的快速致动。
10.如权利要求1所述的换流断路器，还包括滑梭和定子上的相配磁畴，所述相配磁畴构造并布置为使滑梭相对于定子保持固定。
11.如权利要求1所述的换流断路器，其中，所述滑梭以直线方式移动，电力通过一条连接到达滑梭上，然后通过与一系列定子电极连接的滑梭电极从滑梭流出，这些定子电极随着滑梭的移动通过一系列具有渐增电阻的路径连接电力。
12.如权利要求11所述的换流断路器，其中，所述滑梭大致为圆柱形，并且具有沿滑梭的纵轴布置的多个换流区。
13.如权利要求1所述的换流断路器，其中，所述滑梭以圆形旋转方式移动，电力通过第一电连接到达滑梭上，然后通过第二电连接从滑梭流出，所述第二电连接电连接至所述第一电连接，但是被滑梭表面上的绝缘材料围绕，并且当滑梭旋转时所述第二电连接与一系列定子电极连接。
14.如权利要求13所述的换流断路器，其中，所述滑梭在小于180度的圆弧中移动，并通过多个串联电阻序列转移电力。
15.如权利要求1所述的换流断路器，其中，至少一部分滑梭和定子电极包括在它们的表面上的钼。
Applications Claiming Priority (7)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201161541301P | 2011-09-30 | 2011-09-30 | |
| US61/541,301 | 2011-09-30 | ||
| US13/366,611 US8890019B2 (en) | 2011-02-05 | 2012-02-06 | Commutating circuit breaker |
| US13/366,611 | 2012-02-06 | ||
| US201261619531P | 2012-04-03 | 2012-04-03 | |
| US61/619,531 | 2012-04-03 | ||
| PCT/US2012/058240 WO2013049790A1 (en) | 2011-09-30 | 2012-10-01 | Commutating circuit breaker |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104115250A CN104115250A (zh) | 2014-10-22 |
| CN104115250B true CN104115250B (zh) | 2017-11-03 |
Family
ID=47996494
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201280059389.6A Expired - Fee Related CN104115250B (zh) | 2011-09-30 | 2012-10-01 | 换流断路器 |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP2761637B1 (zh) |
| CN (1) | CN104115250B (zh) |
| AU (1) | AU2012315502B2 (zh) |
| CA (1) | CA2850601C (zh) |
| ES (1) | ES2613669T3 (zh) |
| HK (1) | HK1200240A1 (zh) |
| PL (1) | PL2761637T3 (zh) |
| WO (1) | WO2013049790A1 (zh) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3031062B1 (en) | 2013-08-05 | 2018-12-12 | Innolith Assets AG | Commutating switch with blocking semiconductor |
| CN106849599B (zh) * | 2017-04-23 | 2023-04-07 | 吉林大学 | 一种电磁摩擦压电复合式能量采集器 |
| CN107564761B (zh) * | 2017-10-20 | 2019-12-17 | 国网新疆电力公司阿勒泰供电公司 | 自动化负荷开关及其控制系统及断路态和导通态方法 |
| CN207367899U (zh) * | 2017-11-07 | 2018-05-15 | 施耐德电气工业公司 | 能够检测预定状态的低压配电装置 |
| CN108963998B (zh) * | 2018-06-05 | 2022-04-15 | 中国电力科学研究院有限公司 | 旋转式液态金属限流器 |
| CN114467161B (zh) * | 2019-11-29 | 2024-03-08 | 株式会社东芝 | 直流断路器 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4433608A (en) * | 1981-12-03 | 1984-02-28 | Westinghouse Electric Corp. | Electromagnetic projectile launcher with an augmented breech |
| US4822961A (en) * | 1988-03-07 | 1989-04-18 | Hugin Peter E | Soft break switch |
| CN1777969A (zh) * | 2003-11-04 | 2006-05-24 | 三菱电机株式会社 | 断路器 |
Family Cites Families (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2066129A (en) * | 1933-05-08 | 1936-12-29 | Schweitzer & Conrad Inc | Fuse |
| US3534226A (en) | 1967-11-09 | 1970-10-13 | Hughes Aircraft Co | Sequential switching circuit breaker for high power ac or dc power transmission circuits |
| US3611031A (en) | 1970-06-11 | 1971-10-05 | Hughes Aircraft Co | Series sequential circuit breaker |
| US3660723A (en) | 1971-03-09 | 1972-05-02 | Hughes Aircraft Co | Current transfer circuit as part of high voltage dc circuit |
| SE361379B (zh) | 1972-03-21 | 1973-10-29 | Asea Ab | |
| US4598332A (en) * | 1984-07-20 | 1986-07-01 | Westinghouse Electric Corp. | Current limiting apparatus utilizing multiple resistive parallel rails |
| FR2677485A1 (fr) * | 1991-06-07 | 1992-12-11 | Stopcircuit Sa | Appareil de coupure en charge pour circuit electrique. |
| CA2279337A1 (en) * | 1997-01-29 | 1998-08-06 | Dieter W. Blum | Dynamo-electric machines and control and operating system for the same |
| US6075684A (en) | 1998-03-23 | 2000-06-13 | Electric Boat Corporation | Method and arrangement for direct current circuit interruption |
| JP3799924B2 (ja) * | 2000-01-11 | 2006-07-19 | 株式会社日立製作所 | 電力用遮断器および発電所電気回路装置 |
| EP1630841B1 (de) * | 2004-08-23 | 2010-10-06 | ABB Technology AG | Schaltkammer und Hochleistungsschalter |
| DE102006004811A1 (de) * | 2006-01-26 | 2007-08-09 | Siemens Ag | Elektrisches Schaltgerät mit Potentialsteuerung |
| EP1939908A1 (en) * | 2006-12-29 | 2008-07-02 | ABB Technology Ltd | Method of operating a circuit breaker |
| KR101503955B1 (ko) * | 2007-09-10 | 2015-03-18 | 에이비비 테크놀로지 아게 | 시작 저항기와 맞물리기 위한 스위치를 갖는 고전압 전력 스위치 |
| EP2370346B1 (en) * | 2008-11-26 | 2017-08-23 | NXP USA, Inc. | Electromechanical transducer device having stress compensation layers |
-
2012
- 2012-10-01 PL PL12834648T patent/PL2761637T3/pl unknown
- 2012-10-01 WO PCT/US2012/058240 patent/WO2013049790A1/en active Application Filing
- 2012-10-01 CA CA2850601A patent/CA2850601C/en not_active Expired - Fee Related
- 2012-10-01 EP EP12834648.3A patent/EP2761637B1/en not_active Not-in-force
- 2012-10-01 AU AU2012315502A patent/AU2012315502B2/en not_active Ceased
- 2012-10-01 ES ES12834648.3T patent/ES2613669T3/es active Active
- 2012-10-01 CN CN201280059389.6A patent/CN104115250B/zh not_active Expired - Fee Related
-
2015
- 2015-01-16 HK HK15100512.2A patent/HK1200240A1/zh not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4433608A (en) * | 1981-12-03 | 1984-02-28 | Westinghouse Electric Corp. | Electromagnetic projectile launcher with an augmented breech |
| US4822961A (en) * | 1988-03-07 | 1989-04-18 | Hugin Peter E | Soft break switch |
| CN1777969A (zh) * | 2003-11-04 | 2006-05-24 | 三菱电机株式会社 | 断路器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CA2850601A1 (en) | 2013-04-04 |
| PL2761637T3 (pl) | 2017-06-30 |
| EP2761637B1 (en) | 2016-12-07 |
| EP2761637A1 (en) | 2014-08-06 |
| CN104115250A (zh) | 2014-10-22 |
| WO2013049790A1 (en) | 2013-04-04 |
| AU2012315502A1 (en) | 2014-04-17 |
| ES2613669T3 (es) | 2017-05-25 |
| CA2850601C (en) | 2018-12-11 |
| EP2761637A4 (en) | 2015-03-18 |
| AU2012315502B2 (en) | 2016-06-30 |
| HK1200240A1 (zh) | 2015-07-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104115250B (zh) | 换流断路器 | |
| US9824838B2 (en) | Commutating circuit breaker | |
| US9384922B2 (en) | Commutating circuit breaker | |
| US8134438B2 (en) | Electromechanical actuator | |
| CN106505514B (zh) | 磁感应转移和电阻限流相结合的直流断路器及其使用方法 | |
| CN106558866B (zh) | 一种无弧直流断路器及其使用方法 | |
| US8138440B2 (en) | Medium-voltage circuit-breaker | |
| CN105723489B (zh) | 具有阻断半导体的换向开关 | |
| CN106026059B (zh) | 一种基于绝缘挡板的液态金属限流装置和方法 | |
| CN105374584B (zh) | 可快速动作、有效缓冲、稳定保持或具磁悬浮效应的装置 | |
| WO2014048483A1 (en) | Electrical switch with thomson coil drive | |
| KR101841859B1 (ko) | 전자기 드라이브를 갖는 회로 차단기 유닛 | |
| CN206272216U (zh) | 一种无弧直流断路器 | |
| Vilchis-Rodriguez et al. | Double-sided Thomson coil based actuator: Finite element design and performance analysis | |
| SE518322C2 (sv) | Elektrisk brytare, samt anläggning, användning och förfarande där sådan utnyttjas | |
| CN106537547A (zh) | 用于电器的不可逆的先断连或断开后续接设备 | |
| EP2365503B1 (en) | Rotary switches | |
| CN206236605U (zh) | 一种真空负荷开关装置及自动控制设备 | |
| CN105513844B (zh) | 基于故障电流能量与变化率的快速电磁拉力机构及其应用 | |
| CN212303177U (zh) | 一种可构成导热网络的导线 | |
| SE518664C2 (sv) | Transferswitch, användning av en sådan transferswitch, anläggning innefattande ett flertal transferswitchar, ställverk och förfarande för överföring av en matning av en last | |
| CN1258083A (zh) | 限流开关的接触装置 | |
| Bird Jr et al. | Pulsed power supplies for laser flashlamps. Final report | |
| Goodyer | The characteristics and applications of metal rectifiers | |
| Depackh | Energy Storage-Contemporary Inductive Systems |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| REG | Reference to a national code |
Ref country code: HK Ref legal event code: DE Ref document number: 1200240 Country of ref document: HK |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20160905 Address after: Swiss Martini Applicant after: O leiwo International Ltd. Address before: Massachusetts, USA Applicant before: FAULKNER ROGER W. |
|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20181129 Address after: Basel Patentee after: INNOL Lithium Assets Company Address before: Swiss Martini Patentee before: O leiwo International Ltd. |
|
| REG | Reference to a national code |
Ref country code: HK Ref legal event code: GR Ref document number: 1200240 Country of ref document: HK |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20171103 Termination date: 20201001 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |