CN104272417B - 弧跳跃电路断路器及电路断开的方法 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于断开AC电流的电路断路器。电路断路器包括具有第一断路器触头部件(22,122,222,422)和第二断路器触头部件(24,124,224,424)的一对断路器触头部件，其中一对断路器触头部件可分开，由此运送电弧电流的弧(40)形成在断路器触头部件之间；构造用于使弧(40)的弧根部从第二断路器触头部件(24,124,224,424)跳跃至电弧触头部件(32,132,232,432)的电弧触头部件(32,132,232,432)，由此电弧电流从第二断路器触头部件(24,124,224,424)传递至电弧触头部件(32,132,232,432)，传递的电弧电流具有第一方向；以及电流整流元件(36,136,236,436)，其电连接于电弧触头部件(32,132,232,432)，并且构造用于传送具有第一方向的传递的电弧电流，并且用于阻挡具有与第一方向相反的第二方向的电流。

Description

弧跳跃电路断路器及电路断开的方法
技术领域
本发明的方面涉及电路断路器，尤其是用于断开AC电流的电路断路器，并且涉及通过此类电路断路器断开电路(尤其是流过电路的AC电流)的方法。
背景技术
为了保护电路免于过流，提供了电路断路器，其在故障情形的情况下触发和开启，从而中断电路中的主电流通路。电路断路器大体上提供为机械开关。这些开关典型地具有至少两个触头(标称触头)，其最初压靠彼此并且在正常操作中传导电流。本文中，标称触头限定为可分开触头，其传导操作电流，或操作电流的至少大部分(超过50%)，当开关闭合并且处于正常操作时，该操作电流流过开关。
在故障的情况下，触发分开开关的两个触头的机构。如果电流在这一刹那流动，则其将继续通过加热触头和/或隔离触头周围的气体来流过开启的间隙，直到触头的材料和/或气体被电离，并且变为传导的，即，达到等离子状态。从而，产生了电弧。只有电流和伴随其的等离子电加热足够高，弧才可维持。这典型地为故障电流状态的情况。
为了断开电流，弧必须熄灭。这可通过减小电流和伴随其的加热功率到一定阈值以下来实现，低于该阈值，加热不足以维持弧。等离子冷却，并且失去其传导性。此类情形典型地仅可在AC电流的电流过零附近达到，正如消失的电流那样，等离子的加热也消失。
因此，常规电路断路器在过零时切断电流。然而，必须考虑电路断路器的性能的另外的限制因素：在电流对时间的图表中，电流分布可由线性斜坡近似描述为在电流零点附近。对于电流的低斜度(过零之后电流缓慢增加)，冷却功率大于长时间段的加热，并且因此足以增大弧和伴随其的切断电流的阻力。在另一方面，如果线性斜坡的斜度连续地增大(在过零之后朝电流的较高增大)，则在一些斜度下，冷却时段将不再足够长，并且弧将在过零之后再点燃。对于多种电路断路器，这是性能的主要限制因素中的一个。
因此，存在对电路断路器的需要，即使电流的电流增加在过零之后相对高，该电路断路器也减小了再点燃的风险。
发明内容
鉴于上文，提供了根据权利要求1的电路断路器和根据权利要求14的方法。可与本文所述的实施例组合的其它优点、特征、方面和细节从从属权利要求、描述和附图中为明显的。
根据方面，提供了一种用于断开AC电流的电路断路器。电路断路器包括具有第一断路器触头部件和第二断路器触头部件的一对断路器触头部件，其中成对的断路器触头部件可分开，由此运送电路电流的弧在第一断路器触头部件与第二断路器触头部件之间形成；电弧触头部件，其构造用于使弧的弧根部从第二断路器触头部件跳跃至电弧触头部件，由此电弧电流从第二断路器触头部件传递至电弧触头部件，传递的电弧电流具有第一方向；以及电流整流元件，其电连接于电弧触头部件，并且构造成用于传送具有第一方向的传递的电弧电流，并且用于阻挡具有与第一方向相反的第二方向的电流。
根据又一个方面，提供了一种使用电路断路器断开AC电路的方法。电路断路器包括具有第一断路器触头部件和第二断路器触头部件的一对断路器触头部件、电弧触头部件，以及电流整流元件。该方法包括分开成对的断路器触头部件，由此弧形成在第一断路器触头部件与第二断路器触头部件之间，弧在第一断路器触头部件与第二断路器触头部件之间运送电弧电流；引起弧根部从第二断路器触头部件跳跃至电弧触头部件，由此电弧电流从第二断路器触头部件传递至电弧触头部件，传递的电弧电流具有第一方向；将传递的电弧电流传送穿过电连接于电弧触头部件的电流整流元件；以及当电弧电流经历过零以使传递的电弧电流的方向反向时，以电流整流元件来阻挡电弧电流。
优点在于，电流整流元件使电弧电流仅在电弧电流具有第一方向的情况下才传送穿过。在电流接着经历过零并且随后改变方向以具有第二方向之后，电流由整流元件阻挡。因此，在过零之后，经由电流整流元件至电弧触头部件的电流通路被阻挡，并且电流不可以以该方式再点燃。
附图说明
在下文中参照附图描述了本发明的方面和实施例的更多细节，在附图中：
图1a到1c为根据本发明的第一实施例的处于闭合构造(图1a)和在电路断开期间(图1b和1c)的电路断路器的示意图；
图2a到2c为根据本发明的第二实施例的处于闭合构造(图2a)和在电路断开期间(图2b和2c)的电路断路器的示意图；
图3为根据本发明的第三实施例的电路断路器的示意图；
图4为根据本发明的第四实施例的电路断路器的示意图；以及
图5a到5d为根据本发明的第五实施例的处于闭合构造(图5a)和在电路断开期间(图5b到5d)的电路断路器的示意图。
具体实施方式
现在将详细参照各种实施例，其实例在附图中示出。各个实例通过举例的方式提供，并且不意在作为限制。本文中，示出和描述为一个实施例的一部分的特征可在任何其它实施例上或连同任何其它实施例使用以产生又一个实施例。意图是本公开内容包括此类改型和变型。
在描述附图之前，本发明的一些方面和实施例将独立于附图来描述。
根据方面，用于断开AC电流的电路断路器包括：
具有第一断路器触头部件和第二断路器触头部件的一对断路器触头部件。一对断路器触头部件可分开，即，第一断路器触头部件和第二断路器触头部件能够与彼此分开，用于中断电流，由此传送电弧电流的弧形成在第一断路器触头部件与第二断路器触头部件之间；
电弧触头部件，其构造用于使弧的弧根部从第二断路器触头部件跳跃至电弧触头部件，由此电路电流从第二断路器触头部件传递至电弧触头部件，传递的电弧电流具有第一方向；以及
电流整流元件，其电连接于电弧触头部件，并且构造用于传送具有第一方向的传递电弧电流(即，使其穿过)，并且用于阻挡具有与第一方向相反的第二方向的电流。
作为有利方面，第一电流整流元件构造用于使电弧电流穿过，只要电弧电流在跳跃至电弧触头部件之后具有第一方向，并且构造用于在其经历过零以具有第二方向之后阻挡电流。这里，经历过零包括接近将为过零的情形，而并未实际实现电流的过零，因为阻挡了反向电流。然而，过零是真实的，并且可例如在电压方面观察到。
作为有利方面，电路断路器适于使得电流的电流通路和对应的弧的大部分有益通路取决于电流的方向而不同。
本文中，断路器触头部件和电弧触头元件大体上具有相应的单个传导表面。断路器触头部件和电弧触头元件可在空间上延伸，并且具有弧可沿其行进的空间上延伸的表面。示出了此类情况，例如，在下文更详细描述的图3(表面222a)中。即使弧以此类方式沿表面行进，这也不被认作是经历跳跃。本文中，弧的跳跃大体上由横跨(非导电)区域的弧根部限定。
因此，根据本发明的方面，(电)绝缘区域设在电弧触头部件与第二断路器触头部件之间，使得弧经由绝缘区域从第二断路器触头部件跳跃至电弧触头部件。例如，绝缘区域可为绝缘间隙或介电材料。作为又一个方面，电弧触头部件和第二断路器触头部件可在电流整流元件的弧面对侧上与彼此电绝缘。
作为又一个方面，电弧触头部件和第二断路器触头部件经由电流整流元件电连接。
根据又一个方面，电流整流元件设在分支中，该分支与断路器电流并联电连接，并且/或者与标称电流通路并联电连接。因此，有利的是，电流整流元件设在分支中，该分支在正常操作期间并未传送标称电流的主要部分，而是与其并联连接。因此，可避免由于电流整流元件而引起的电损失。此类损失将在正常操作期间降低效率，并且将有可能需要电流整流元件的附加冷却。通过在与主标称电流传送分支分开的分支中提供电流整流元件，可避免这些缺点。
对于(第一)电弧触头部件和第二断路器触头部件描述的以上及任何其它方面可同样还适用于第二电弧触头部件(如果存在)和第一断路器触头部件。例如，如果存在，则第二电弧触头部件和第一断路器触头部件可经由第二电流整流元件电连接。
根据又一个方面，断路器触头部件能够相对于彼此移动，用于使断路器触头部件与彼此分开和/或连接。根据又一个方面，(多个)电弧触头部件为静止的。
根据又一个方面，电路断路器还包括弧移动布置，用于使弧根部从第二断路器触头部件移动至电弧触头部件。例如，电弧移动布置可包括磁场发生器，用于生成通过洛伦兹力使弧根部移动至电弧触头部件的磁场。作为备选或此外，弧移动布置可包括触头移动装置，其用于使第一断路器触头部件、第二断路器触头部件和电弧触头部件中的至少一者以如下方式移动，使得第一断路器触头部件与电弧触头部件之间的距离变为短于第一断路器触头部件与第二断路器触头部件之间的距离。弧移动布置的其它实例包括压力梯度生成装置，其用于生成朝电弧触头部件推动弧的压力梯度；用于将气流吹到弧上的吹气布置，气流将弧朝电弧触头部件推动；以及联接于电弧触头部件用于在电弧触头部件处引起高压放电的高压放电布置。
另外，作为备选或此外，弧移动布置可构造成在电弧电流经历过零之前以每次小于2ms来使弧根部移动至电弧触头部件。例如，这可通过同步布置来实现，该同步布置使(多个)断路器触头部件和(多个)电弧触头部件的移动与AC电流的相位同步。
根据又一个方面，第一断路器触头部件构造成使得当弧根部从第二断路器触头部件跳跃至电弧触头部件时，在弧的另一端处的另一个弧根部停留在第一断路器触头部件处，使得传递的电弧电流在第一断路器触头部件与电弧触头部件之间流动。
根据又一个方面，电路断路器还包括第二电弧触头部件，其构造成使得当电弧电流具有第二方向时，弧的第二弧根部从第一断路器触头部件跳跃至第二电弧触头部件，由此电弧电流从第一断路器触头部件传递至第二电弧触头部件，同时第一弧根部仍在第二断路器触头部件处；以及第二电流整流元件，其电连接于第二电弧触头部件，并且构造用于传送具有第二方向的传递的电弧电流，并且用于阻挡具有第一方向的电流。利用这些改型，本文中的(第一)电弧触头部件和(第一)电流整流元件的任何描述还可应用于第二电弧触头部件和第二电流整流元件。
根据又一个方面，电流整流元件包括(或为)固态半导体装置，例如，二极管或晶体管(例如，晶闸管)。在该情况下，电流整流元件的向前方向可为第一方向，并且相反方向可为第二方向。如果存在，则第二电流整流元件可包括(或为)固态半导体装置，例如二极管或晶体管，对于其，向前方向为第二方向，而相反方向为第一方向。(第一和/或第二)电流整流元件可具体包括并联连接且具有相反向前方向的一对晶闸管。
电流整流元件(大体上包括半导体装置)可包括附加元件。例如，其可包括用于限制横过半导体装置的电压的系统或装置，诸如，并联电阻器或电容器，或在半导体装置为晶闸管的情况下，其可包括仅在电弧电流低于预定电流阈值时才使晶闸管进入阻挡模式的门开关。
根据又一个方面，电路断路器还包括具有分流板的电弧室，其中电弧触头部件布置成使得传递的弧横穿电弧室，并且由分流板分流。
根据又一个方面，电路断路器还包括一对标称触头，其具有与一对断路器触头部件并联地电连接的第一标称触头部件和第二标称触头部件。一对标称触头部件可能够在一对断路器触头部件分开之前与彼此分开，用于将电流传递至一对断路器触头部件。
根据又一个方面，电路断路器还包括冷却布置，其用于冷却在一对断路器触头部件分开之后出现在一对断路器触头部件之间的间隙。冷却布置可包括用于将灭弧气体吹至间隙的气体喷嘴系统。
根据又一个方面，提供了一种通过电路断路器断开AC电路的方法。电路断路器包括具有第一断路器触头部件和第二断路器触头部件的一对断路器触头部件、电弧触头部件，以及电流整流元件。该方法包括：
分开一对断路器触头部件，即，使第一断路器触头部件和第二断路器触头部件与彼此分开，由此弧形成在一对断路器触头部件之间，即，在第一触头断路器触头部件和第二触头断路器触头部件之间，弧在一对断路器触头部件之间传送电弧电流；
使弧根部从第一断路器触头部件跳跃至电弧触头部件，由此电弧电流从第二断路器触头部件传递至电弧触头部件，传递的电弧电流具有第一方向；
将传递的电弧电流传送穿过电连接于电弧触头部件的电流整流元件；
当电弧电流经历过零以使传递的电弧电流的方向反向至与第一方向相反的第二方向时，利用电流整流元件来阻挡电弧电流。
具体而言，该方法的电路断路器可根据本文所述的任何其它方面或实施例。
附图和实施例的详细描述
在附图的以下描述内，相同的附图标记表示相同或类似的构件。大体上，仅描述了相对于独立实施例的差异。除非另外指出，一个实施例中的部分或方面的描述也应用于另一个实施例中的对应部分或方面。
图1a到1c为根据本发明的第一实施例的电路断路器10的示意图。电路断路器10具有一对断路器触头部件22,24。第一断路器触头部件22经由线路20a连接于第一端子12，而第二断路器触头部件24经由线路20b连接于第二端子14。
电路断路器10还具有一对电弧触头部件32,34。电弧触头部件32,34通过间隙与彼此分开。第一电弧部件32经由电流整流元件36和线路30b连接于第二端子14。因此，第一电弧部件32经由电流整流元件36(和线路30b,20b)连接于第二断路器触头部件24。同样，第二电弧部件34经由又一个或第二电流整流元件38和线路30a连接于第一端子12。
图1示出了处于闭合构造的电路断路器。这里，断路器触头部件22,24与彼此接触，以建立端子12和14之间经由线路20a、电路断路器部件22,24和线路20b的电通路。断路器触头部件22,24为标称触头部件，即，它们在闭合构造中建立的通路为标称电流通路，沿该标称电流通路，引导操作电流或至少操作电流的大部分(超过50%)。当开关闭合并且处于正常操作时，操作电流为流过开关的电流。流过开关的电流20由粗线指示，并且可为上文所述的正常操作电流，或一些故障电流，诸如短路电流。电流20的方向由箭头"I"指示。
电路断路器10可包括在图1a中省略的其它部分。电路断路器10可为任何类型，其具有两个可分开的断路器触头部件，诸如例如，气体绝缘或真空电路断路器。具体而言，电路断路器可包括气体绝缘壳体、灭弧喷嘴系统和/或常用于具有两个可分开的触头部件的电路断路器中的任何其它元件。
对于断开电流20，断路器触头部件22,24中的任一个或两个移动，使得断路器触头部件22,24与彼此分开。所得的构造在图1b中示出。其中，间隙25形成在断路器触头部件22,24之间。如上文所述，甚至在断开的触头部件22,24与彼此分开之后，现在也称为电弧电流的电流20经由电弧40继续流过开启的间隙25。弧在间隙25中产生，并且在第一断开触头部件22处的第一弧根部与第二断开触头部件24处的第二弧根部之间延伸。
在图1b中所示的弧40产生之后，引起其第二弧根部从第二断路器触头部件24跳跃至电弧触头部件32。因此，第二弧根部跳跃横过绝缘间隙，该间隙布置在电弧触头部件32与第二断路器触头部件24之间。
电流的跳跃由弧移动布置引起，该弧移动布置使弧根部从第二断路器触头部件24移动(引起跳跃)至电弧触头部件32。弧移动布置未在图1a到1c中详细示出，并且可以以许多方式来实施。
例如，电弧移动布置可包括磁场发生器，其用于生成通过洛伦兹力使弧根部移动至电弧触头部件32的磁场。磁场可由电弧电流自身生成。为了该目的，第一和/或第二断路器触头部件22和/或24可包括缝隙，由于该缝隙，电弧电流被迫在断路器触头部件22和24分开之后沿适当的通路流动。该电流生成磁场，并且通过适当选择电流通路的(多个)方向，磁场可定形为使得其迫使弧朝电弧触头部件32。
在另一个实例中，弧可由于吸引弧的电弧触头处的电场而移动。该电场可由电弧触头部件32实现，电弧触头部件32在电路断路器开启期间的一些点处比第二断路器触头部件24更接近第一断路器触头部件22，并且/或者来自第一断路器触头部件22的屏蔽较少。接着，由于电弧触头部件32处的较高场强度，故弧跳跃至电弧触头部件。因此，弧移动布置可包括用于以如下方式移动第一断路器触头部件22、第二断路器触头部件24和/或电弧触头部件32的触头移动装置，使得上述情况在电路断路器开启期间的一些时间实现。例如，距离22-32(即，第一断路器触头部件22与电弧触头部件32之间的距离)首先可大于距离22-24(即，第一断路器触头部件22和第二断路器触头部件24之间的距离)，但触头移动装置可以以如下方式使触头移动，使得在触头部件22和24分开之后的一些点处，距离22-32变得比距离22-24更短。此外，电弧触头部件32可定形为具有高于第二断路器触头部件24的曲率，并且/或者可布置成在触头部件22和24分开之后部分地屏蔽第二断路器触头部件24。
作为弧移动布置的又一个实例，可提供用于朝电弧触头部件生成推动弧的压力梯度的压力梯度生成装置。压力梯度生成装置可通过烧蚀壁来实现，烧蚀壁布置成以便在弧在第一断路器触头部件与第二断路器触头部件之间焚烧时由弧烧蚀，从而生成压力梯度。
作为又一个实例，可提供用于将气流吹到弧上的吹气布置，使得气流朝电弧触头部件推动弧。吹气布置可通过喷嘴系统实现，该喷嘴系统可例如联接于自吹风类型的加热室和/或加压气体储存器。吹风布置在实例中可包括烟囱状的几何形状，其具有烟囱室，该烟囱室具有在底部和顶部处的开口。
作为备选，弧可由高压放电布置移动，该高压放电布置联接于电弧触头部件，用于引起电弧触头部件处的高压放电。高压放电接着生成足以将弧吸引至电弧触头部件且/或足以点燃的电场，并且从而移动电弧触头部件处的弧。另外，弧移动布置可包括本文所述的各种实例的组合。
图1c中示出了弧的跳跃的结果：弧40在第一断开触头部件22(第一弧根部仍位于其处)与电弧触头部件32(第二弧根部跳跃至其，即，在空间上不连续地移动)之间延伸。对应地，电弧电流20从第二断路器触头部件24传递至电弧触头部件32。
在弧40跳跃之后，传递的电流20的总体流动示为图1c中的粗线：电流经由线路20a从端子12流至第一断路器触头部件22(如之前)。接着，传递的电流流过弧40至电弧触头部件32，并且接着经由电流整流元件36和线路30b至端子14。
图1a到1c示出了单个AC半周期内的状态，在该单个AC半周期内，电流不经历过零。因此，在所有图1a到1c中，电流沿相同方向流动，即，如箭头I指示的从左到右。该方向也称为第一方向。在图1c中所示的状态之后的一些时间处，AC电流经历过零，并且改变方向，即，电流接着沿与第一方向相反的第二方向(从右到左)指引。
在过零时，弧以已知方式熄灭，通过由于暂时低电流而不持续，或可能使用附加的灭弧系统(图1a到1c中未示出)，诸如，用于使冷却气体吹到弧上的喷嘴系统，和/或弧分流板，诸如图3中所示。然而，弧的位置处仍可保留电离气体或其它电荷载体，并且在之前已知的开关中，这些剩余的电荷载体引起弧在过零之后再点燃的风险，如上文所述的。
相反，在图1c的断路器中，再点燃的风险减小如下：在过零之后，当电流改变方向而具有第二方向时，电流整流元件36阻挡电流：电流整流元件36确保弧不在电弧触头32处再点燃。因此，图1c的电流通路20在电流改变方向之后不可用，并且防止了电流流过其之前通过的通路。
作为替代，利用具有第二方向的电流，留给弧形成的唯一位置将在第二断路器触头24处。然而，由于之前的弧跳跃(从图1b到图1c过渡)，故断路器触头22,24之间并且尤其是在触头24附近的间隙处的气体具有附加时间来冷却，同时弧在不同位置(在电弧触头32处)焚烧。因此，气体已经冷了，并且在第二断路器触头24的区域中没有留下显著量的电荷载体。因此，弧再点燃的风险显著降低。
因此，由于与电流整流元件36组合的电弧触头部件32，故获得了附加时间，在该附加时间期间，断路器触头部件22,24之间的空气间隙可冷却，同时弧在别处焚烧，例如，在电弧触头部件32处。另外，电弧触头部件32处的再点燃由电流整流元件36抑制。因此，电弧触头部件32与电流整流元件36组合的效果在于改进了电路断路器的短路性能。
第二电弧触头部件34和第二电流整流元件38对于图1a到1c中所示的电路短路不活动。当初始电流从右向左流动时，即，沿与图1a到1c中所示的电流的相反方向，这些元件34,38仅起到断开处于AC电流的另一个半相的电流的作用。在该情况下，上文所述的水平镜像版本的断开操作发生，其中第一电弧触头部件32和第二电弧触头部件34；第一断路器触头部件22和第二断路器触头部件24；以及第一电流整流元件36和第二电流整流元件38分别互换。
在备选实施例中，第二电弧触头部件34、第二电流整流元件38和第二线路30a也可省略，从而节省成本。在该情况下，有利地改进的断开操作可仅在电流沿图1a到1c中所示的方向流动时才执行。如果电流沿相反方向流动，则人们可等待附加的半循环，直到电流具有适合的方向。
图2a到2c为根据本发明的第二实施例的电路断路器100的示意图。电路断路器100具有以与图1a到1c的实施例中相同的方式分别连接于第一端子112或第二端子114的一对断路器触头部件122,124。电路断路器100还具有电弧触头部件132，其对应于图1a到1c的电弧触头部件32。电弧触头部件132经由电流整流元件136和线路130连接于第二端子114，电流整流元件136和线路130分别对应于图1a到1c的元件36和30b。除非另外指出或说明，图1a到1c的部件的描述还应用于图2a到2c的对应部件。
在图2a到2c中，电流整流元件136由一对晶闸管136a,136b实现。晶闸管136a,136b为反并联的，即，它们并联连接并且具有相互相反的向前方向。
在标称操作期间，晶闸管136a,136b停用，使得它们并且因此电流整流元件136不允许电流穿过。作为替代，对于电流可用的唯一通路在于穿过标称电流通路120，即，穿过断路器触头元件122,124。
在故障或过流的情况下，装置跳闸，并且断路器触头部件122,124如图2b中所示以与上文关于图1b所述相同的方式与彼此分开。具体而言，电弧140在断路器触头部件122,124之间产生。
然而，暂时地，晶闸管136a,136b仍未触动。结果，如图2b中所示，没有电流可流过它们，并且因此弧被迫继续在断路器触头元件122,124之间焚烧。以该方式，弧跳跃可在一定时间被抑制，即使断路器100具有上文关于图1a到1c所述的弧跳跃机构。
例如，可有利的是等待弧跳跃，直到电流接近过零(例如，在某一阈值电流值以下)。为该目的，断路器100包括电流测量装置和控制装置，其构造成仅在测量(并且可能处理，例如，平滑化或拟合)的电流信号的大小降低到阈值以下时才触动晶闸管136a,136b。这允许了可靠地避免晶闸管136a,136b的故障，而不需要确定晶闸管的大小以经得起断路器的全额定电流。
当弧跳跃的适合时间到来时，晶闸管136a,136b通过将触发信号(例如，电流或电压脉冲)施加于它们的门来触动。触发信号引起晶闸管136a,136b(这里：晶闸管136b)中的向前偏置的一个变为传导的，同时其在相反偏置的晶闸管136a上无效。作为备选，触发信号可仅施加于向前偏置的晶闸管136b。
因此，电流整流元件136变为对于电流I是传导的。如已经关于以上的图1b和1c所述，这允许了第二弧根部从第二断路器触头部件124跳跃至电弧触头部件132。传递的弧由流过电流整流元件136的电流维持。所得的构造在图2c中示出：这里，由粗线指示的电流类似于图1c的电流。
在实现图2c中所示的状态之后的一些时间，AC电流经历过零，并且改变方向(从第一方向到相反的第二方向)。在过零处，弧熄灭。另外，在过零之后，当电流将方向变成具有第二方向时，晶闸管136b变为相反偏置，并且因此停止传导。结果，电流整流元件136现在阻挡电流。结果，防止了电流采取其之前采取的图2c的通路(粗线)。因此，以与关于图1c所述相同的方式，留给弧形成的唯一位置将在第二断路器触头124处，在第二断路器触头124处，气体已经冷却。
最初反向偏置的晶闸管136a对于图2a到2c中所示的电路短路是不活动的。当初始电流沿图2a到2c中所示的电流的相反方向流动时，该晶闸管仅起到断开处于AC电流的另一个半相的电流的作用。在该情况下，晶闸管136a和136b的作用互换。
第二实施例通过触发晶闸管136a和136b来主动地控制。这可需要相比于第一实施例的更精细的控制。作为优点，主动触发允许弧跳跃至电弧触头132的时间的直接控制。例如，可引起弧在电弧电流经历过零之前在小于2ms时间下跳跃。如上文所述，这可允许甚至在额定值低于断路器的最大额定电流的晶闸管的情况下可靠操作。
在第二实施例的变型中，需要提供晶闸管136a和136b中的仅一个，省略另一个，从而节省成本。在该情况下，有利地改进的断路操作可仅在电流沿一个预定方向(即，第一方向)流动时执行。如果电流沿相反方向流动，则人们可等待附加的半循环，直到电流具有适合的方向。
在第二实施例的又一个变型或其以上变型中，(多个)晶闸管136a和/或136b可由(多个)其它晶体管替换，诸如，一个或更多个IGBT。在该情况下，晶闸管装置可在电流改变方向时不自动地变为不活动的(非传导)，而是可需要受控制来变为不活动的，例如，通过控制装置，其在测量电流信号指示电流的过零时停止将栅电压施加于(多个)晶体管装置。
图3为根据本发明的第三实施例的电路断路器200的示意图。其基本设置对应于图2a到2c的实施例：电路断路器200具有分别连接于第一端子212和第二端子214的一对断路器触头部件222,224；经由电流整流元件236和线路230连接于第二端子214的电弧触头部件232。这些元件分别对应于图2a到2c的元件122,124,112,114；132,114,136和130。除非另外指出或另外清楚，图2a到2c的部件及其功能的描述还应用于图3a到3c的对应部件。电弧触头232通过电绝缘间隙(区域)233与第二断路器触头部件224分开。结果，电弧触头部件232和第二断路器触头部件224仅经由电路整流元件236电连接。
第一断路器触头部件222限定弧引导表面222a。同样，第二断路器触头部件224和电弧触头部件232(或仅其中一个，取决于它们之间的绝缘区域233的位置)限定又一个相对的弧引导表面。这些两个相互相对的弧引导表面界定电弧室，并且从电弧室的一端处的断路器触头部件222,224延伸至电弧室的另一端处的分流板250的叠堆。电弧触头部件232和弧引导表面222a(即，两个相对的弧引导表面)布置成使得引起弧行进穿过电弧室从断路器触头部件222,224到分流板250，并且随后由分流板250分开。
弧引导表面222a形成与断路器触头部件222的单个电连接的单元，并且因此认作是断路器触头部件的一部分。大体上，断路器触头部件和电弧触头部件具有相应的单个传导表面，并且可在空间上延伸。因此，即使弧沿表面222a行进，弧仍认作是属于相同的断路器触头部件222，并且并未经历跳跃。弧的跳跃横过绝缘区域233，例如，非传导间隙233，其使断路器触头部件224与电弧触头部件232分开。
断路器200的断路操作类似于关于图2a到2c所述的断路操作。此外，在弧跳跃至电弧触头部件232(对应于图2c的情形)之后，引起弧行进至分流板250的叠堆，其中，弧分流。这进一步提高了弧的冷却，并且同时，电流过零之前和之后的弧通路的分离。因此，再点燃的风险进一步降低。
在图3中，电流整流元件236示为一对并联连接并且具有相对的向前方向(即，对应于第二实施例)的晶闸管。在该实施例的变型中，可使用本文所述的任何其它电流整流元件，例如，单个晶闸管，或如关于第一实施例所述的二极管。在二极管的情况中，可选的是，可提供对应于图1a到1c的二极管38的第二二极管。
图4为根据本发明的第四实施例的电路断路器300的示意图。电路断路器300包括第一实施例的电路断路器10的所有元件，参照了其以上描述。此外，电路断路器300还包含能够与彼此分开的第一标称触头部件352和第二标称触头部件354。
一对标称触头部件352,354与一对断路器触头部件22,24(见图1a)并联电连接。标称触头部件352,354具有非常低的电阻率，并且因此确保了由于触头处的电阻率在正常操作期间最小化引起的损失。此时，主要部分沿标称电流通路320流动，并且流过穿过标称触头部件352,354。
为了开启电路断路器300，标称触头部件352,354适于在一对断路器触头部件22,24分开之前与彼此分开。当标称触头部件352,354与彼此分开时，电流经由电流通路330传递至一对断路器触头部件。此后，关于图1a到1c描述了其余的电流断开操作。
附加标称触头部件352,354在断路器完全开启时具有它们不由弧形成而退化的优点。因此，即使断路器触头22,24由此类弧而略微退化，在正常操作期间断路器的传导率也未显著地退化。
图5a到5d为根据本发明的第五实施例的电路断路器400的示意图。图5a示出了处于闭合构造的电路断路器400。
电路断路器400具有与第一端子412接触的一对指部450a和450b，以及与第二端子414接触的触头轴450c。触头轴450c能够沿轴线(这里，例如，水平地)关于一对指部450a和450b移动，并且从而能够与一对指部450a和450b分开。
指部450b具有接触区域452，其与触头轴450c的对应接触区域454(下表面)(可分开)接触。因此，接触区域452和454为标称触头部件，其对应于图4的标称触头部件352,354。此外，指部450a具有接触区域422，其与触头轴450c的对应接触区域424(上表面)(可分开)接触。因此，接触区域422和424为对应于其它实施例的断路器触头部件的断路器触头部件，例如，图1a到1c的部件22,24。此外，断路器400具有静止电弧部件432，其对应于其它实施例的电弧部件，例如，图1a到1c的电弧部件32。电弧部件432经由电流整流元件436和线路430连接于第二端子414，电流整流元件436和线路430分别对应于图1a到1c的元件36和30b。除非另外指出或说明，任何其它实施例的部件的描述(例如，图1a到1c)也应用于图5a的对应部件。
在图5a中，电流整流元件136包括类似于图2a到2c的实施例的一对晶闸管。然而，可替代地使用本文所述的任何其它电流整流元件，诸如二极管。
为了开启电路断路器400，触头轴450c移离指部450a和450b，并且与其分开。在该移动期间，如图5b中所示，标称触头部件452和454在如下时间与彼此分开，在该时间，电路器触头部件422,424仍与彼此接触。结果，电流以与上文所述的第四实施例中相同的方式从标称触头部件452,454传递至断路器触头部件422,424。
因此，如图5c中所示，断路器触头部件422,424也与彼此分开，由此，弧440在断路器触头部件422,424之间产生。
因此，如图5d中所示，触头轴450c比电弧触头部件432移离指部450a和450b更远，使得触头轴450c并且具体是断路器触头部件424由电弧触头部件432至少部分地屏蔽。因此，在电弧触头部件432处的场强度变得如此高，以致于引起弧440的正确的弧根部从断路器触头部件424跳跃至电弧触头部件432。在跳跃之后，弧440现在在第一断路器触头部件422与电弧触头部件432之间延伸。其余的断开操作类似于关于之前的实施例描述的断开操作。
尽管前文针对实施例，但其它和另外的实施例可被设想出，而不脱离由权利要求确定的基本范围。例如，可引起弧通过不同于图5a到5d的轴450c的移动的移动来跳跃。例如，电弧触头部件432可朝第一断路器触头422移动，并且/或者弧可由磁场引起。
本文所述的实施例的共同点在于对于电流并且因此对于电弧可用的通路在如下程度上取决于电流方向：第一电流方向上可用的通路不同于相反的第二电流方向上可用的通路。

Claims (22)

1.用于断开AC电流的电路断路器，所述电路断路器包括：
具有第一断路器触头部件(22,122,222,422)和第二断路器触头部件(24,124,224,424)的一对断路器触头部件，其中所述第一断路器触头部件和所述第二断路器触头部件能够与彼此分开，由此运送电弧电流的弧(40,140,440)形成在所述第一断路器触头部件与所述第二断路器触头部件之间；
构造用于使所述弧(40,140)的弧根部从所述第二断路器触头部件(24,124,224,424)跳跃至电弧触头部件(32,132,232,432)的所述电弧触头部件(32,132,232,432)，由此所述电弧电流从所述第二断路器触头部件(24,124,224,424)改向至所述电弧触头部件(32,132,232,432)，所述改向的电弧电流具有第一方向；以及
电流整流元件(36,136,236,436)，其电连接于所述电弧触头部件(32,132,232,432)并且构造用于传送具有所述第一方向的改向的电弧电流，并且用于阻挡具有与所述第一方向相反的第二方向的电流，
所述电路断路器还包括用于使所述弧根部从所述第二断路器触头部件(24,124,224,424)移动至所述电弧触头部件(32,132,232,432)的弧移动布置，其中所述弧移动布置包括以下(i)到(v)中的至少一个：
(i)用于生成通过洛伦兹力使所述弧根部移动至所述电弧触头部件(32,132,232,432)的磁场的磁场发生器；
(ii)触头移动装置，其用于以如下方式使所述第一断路器触头部件(22,122,222,422)、所述第二断路器触头部件(24,124,224,424)和所述电弧触头部件(32,132,232,432)中的至少一个移动，使得所述第一断路器触头部件(22,122,222,422)和所述电弧触头部件(32,132,232,432)之间的距离变得比所述第一断路器触头部件(22,122,222,422)和所述第二断路器触头部件(24,124,224,424)之间的距离更短；
(iii)用于生成朝所述电弧触头部件推动所述弧的压力梯度的压力梯度生成装置；
(iv)用于将气流吹到所述弧上的吹气布置，所述气流朝所述电弧触头部件推动所述弧；
(v)联接于所述电弧触头部件用于引入所述电弧触头部件处的高压放电的高压放电布置；
其中，所述第一断路器触头部件(22,122,222,422)构造成使得当所述弧根部从所述第二断路器触头部件(24,124,224,424)跳跃至所述电弧触头部件(32,132,232,432)时，在所述弧(40,140,440)的另一端处的另一个弧根部停留在所述第一断路器触头部件(22,122,222,422)处，使得改向的电弧电流在所述第一断路器触头部件(22,122,222,422)与所述电弧触头部件(32,132,232,432)之间流动。
2.根据权利要求1所述的电路断路器，其特征在于，所述电弧触头部件(32,132,232,432)经由所述电流整流元件(36,136,236,436)电连接于所述第二断路器触头部件(24,124,224,424)。
3.根据权利要求1所述的电路断路器，其特征在于，所述弧移动布置构造成在所述电弧电流经历过零之前在小于2ms的时间下使所述弧根部移动至所述电弧触头部件(32,132,232,432)。
4.根据权利要求2所述的电路断路器，其特征在于，所述弧移动布置构造成在所述电弧电流经历过零之前在小于2ms的时间下使所述弧根部移动至所述电弧触头部件(32,132,232,432)。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的电路断路器，其特征在于，所述电弧触头部件(32)为第一电弧触头部件，并且所述电流整流部件(36)为第一电流整流部件，并且所述弧根部为第一弧根部，所述电路断路器还包括：
第二电弧触头部件(34)，其构造成使得当所述电弧电流具有所述第二方向时，所述弧(40)的第二弧根部从所述第一断路器触头部件(22)跳跃至所述第二电弧触头部件(34)，由此所述电弧电流从所述第一断路器触头部件(22)改向至所述第二电弧触头部件(34)；以及
第二电流整流元件(38)，其电连接于所述第二电弧触头部件(34)，并且构造用于传送具有所述第二方向的所述改向的电弧电流，并且用于阻挡具有所述第一方向的电流。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的电路断路器，其特征在于，所述电流整流元件(36,136,236,436)包括固态半导体装置。
7.根据权利要求6所述的电路断路器，其特征在于，所述电流整流元件(36,136,236,436)包括用于限制横过所述半导体装置的电压的装置，其为并联的电阻器或电容器。
8.根据权利要求5所述的电路断路器，其特征在于，所述第二电流整流元件(38)包括固态半导体装置。
9.根据权利要求6所述的电路断路器，其特征在于，所述电流整流元件(36)包括二极管，对于所述二极管，向前方向为所述第一方向。
10.根据权利要求8所述的电路断路器，其特征在于，所述第二电流整流元件(38)包括二极管，对于所述二极管，向前方向为所述第二方向。
11.根据权利要求6所述的电路断路器，其特征在于，所述电流整流元件(136,236,436)包括晶体管或晶闸管(136a)。
12.根据权利要求11所述的电路断路器，其特征在于，所述电流整流元件(36,136,236,436)包括门开关，其仅在所述电弧电流低于预定电流阈值的情况下才使所述晶闸管(136a)进入所述阻挡模式。
13.根据权利要求12所述的电路断路器，其特征在于，所述电流整流元件(136,236,436)包括并联连接且具有相对的向前方向的一对晶闸管(136a,136b)。
14.根据权利要求1-4中任一项所述的电路断路器，其特征在于，所述电路断路器还包括具有分流板(250)的电弧室，其中所述电弧触头部件(232)布置成使得所述改向的弧横穿所述电弧室，并且由所述分流板(250)分开。
15.根据权利要求5所述的电路断路器，其特征在于，所述电路断路器还包括具有分流板(250)的电弧室，其中所述电弧触头部件(232)布置成使得所述改向的弧横穿所述电弧室，并且由所述分流板(250)分开。
16.根据权利要求1-4中任一项所述的电路断路器，其特征在于，所述电路断路器还包括一对标称触头，其具有第一标称触头部件(352,452)和第二标称触头部件(354,454)，其中所述第一标称触头部件和所述第二标称触头部件能够与彼此分开用于将电流传送至所述一对断路器触头部件。
17.根据权利要求1-4中任一项所述的电路断路器，其特征在于，所述电路断路器还包括用于冷却间隙(25,125)的冷却布置，所述间隙(25,125)在所述一对断路器触头部件分开之后出现在所述一对断路器触头部件之间。
18.根据权利要求1-4中任一项所述的电路断路器，其特征在于，电绝缘区域(233)设在所述电弧触头部件(32,132,232,432)与所述第二断路器触头部件(24,124,224,424)之间，使得所述弧经由所述电绝缘区域(233)从所述第二断路器触头部件(24,124,224,424)跳跃至所述电弧触头部件(32,132,232,432)。
19.根据权利要求18所述的电路断路器，其特征在于，所述电绝缘区域(233)是非传导间隙(233)或介电材料。
20.根据权利要求1-4中任一项所述的电路断路器，其特征在于，所述电流整流元件(36,136,236,436)设在分支中，所述分支在正常操作期间与运送标称电流的主要部分的通路并联连接。
21.通过电路断路器断开电路的方法，所述电路断路器包括具有第一断路器触头部件(22,122,222,422)和第二断路器触头部件(24,124,224,424)的一对断路器触头部件、电弧触头部件(32,132,232,432)和电流整流元件(36,136,236,436)，所述方法包括：
使所述第一断路器触头部件和所述第二断路器触头部件与彼此分开，由此弧(40,140)形成在所述第一断路器触头部件与所述第二断路器触头部件之间，所述弧在所述第一断路器触头部件与所述第二断路器触头部件之间运送电弧电流；
引起弧根部(40,140,440)从所述第二断路器触头部件(24,124,224,424)跳跃至所述电弧触头部件(32,132,323,432)，由此所述电弧电流从所述第二断路器触头部件(24,124,224,424)改向至所述电弧触头部件(32,132,232,432)，所述改向的电弧电流具有第一方向；
将所述改向的电弧电流传送穿过电连接于所述电弧触头部件(32,132,232,432)的电流整流元件(36,136,236,436)；以及
当所述电弧电流经历过零以使所述改向的电弧电流的方向反向时，通过所述电流整流元件(36,136,236,436)阻挡所述电弧电流；
其中，所述第一断路器触头部件(22,122,222,422)构造成使得当所述弧根部从所述第二断路器触头部件(24,124,224,424)跳跃至所述电弧触头部件(32,132,232,432)时，在所述弧(40,140,440)的另一端处的另一个弧根部停留在所述第一断路器触头部件(22,122,222,422)处，使得改向的电弧电流在所述第一断路器触头部件(22,122,222,422)与所述电弧触头部件(32,132,232,432)之间流动。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述电路断路器为根据权利要求1至权利要求20中任一项所述的电路断路器。
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