CN1049749A - 直流高速真空断路器和装备该断路器的电动机车 - Google Patents

Abstract

在直流馈电区域中运行的电气滚动台座中，通 常，故障电流由直流高速断路器切断，它要求直流高 速真空断路器动作非常快。然而，在传统的直流高速 真空断路器中，不可能获得一个高于1KHz的换向 频率，如果要获得这样高的换向频率，换向电容器和 其它装置体积就变得非常大。由于本发明，考虑了种 种电感，所以在2KHz或更高频率下切断电流成为 可能，从而提供了一种体积减小的，能安装在电气滚 动台座上的直流高速真空断路器。

Description

本发明涉及一种使用真空阀的直流断路器。

电动车辆和电气机车[下文称之为电气滚动台座（electric  rolling  stock）]具有可能引起故障的内部固有因素，例如由于应用在变换器或斩波器主电路内的元件（例如：可控硅、GTO可控硅或晶体管）击穿引起的短路，由于主电路中某些导线的绝缘不良引起的对地漏电，或由控制系统故障导致的异常电流增加。如果这种故障听其自然，设备将烧坏。为了防止这种事故，通常在电气滚动台座上装备断路器以切断过量的电流。

然而，至今所用的空气断路器，由于构造上的原因，从异常电流流过到该电流被切断的断开速度较慢，在断路器自己断开以前，有时在电气滚动台座所在的馈电区域地面部分（分站）内的断路器会先断开电路。当地面部分（分站）的断路器动作时，由该部分供电的馈电区域内的所有电动车辆都不能接收到电源而停止。换句话说，一辆电动汽车的故障扩展到其它的电动车辆。如果这种故障发生在计划排满的火车线上，很容易想象，这种故障不仅影响该馈电区域内的电气滚动台座也影响其它馈电区域的电气滚动台座。

这是由于安装在上述电动车辆上的断路器是慢速断开的空气断路器的缘故。

因此，客观上就需要一种具有高断开速度的直流真空断路器来作用断路器。

如JP-A-54-132776中所述，因为直流电没有零点，因此断开直流比断开交流更困难。作为一种对策措施，为了便于断开直流，通过提供一个开关阀（此后称之为阀）和与之并联的换向（commutat-ing）电容器以及通过与电路的电感形成一振荡电路（换向电路）来人为地产生一个零电流点。实现这个目的方法可以被大致分成两种：预充电方法和非充电方法。

预充电方法是对电容器充电，然后在打开阀时，释放存贮在电容器中的电荷。在这种方法中，振荡由电路中的电容和电感产生。因为这个振荡电路具有纯电阻分量，所以振荡幅度按指数律下降。当早期阶段的振荡幅度通过零电流点时，消除了阀的电弧电流，因此，完成断流。

另一方面在非充电方法中，使用了具有负电弧特性的阀，电容器与此阀平行连接，在打开阀时获得一非周期性的振荡电流。当在发散方向上的振荡幅度通过一零点时，电流被断开。然而，这种方法在振荡形成并通过零电流点之前需要一定的时间。

因此，在这发生之前，地面部分（分站）的断路器有可能先动作。

由于这个原因，在电气滚动台座上安装断路器时，以预充电方法的断路器较为方便。

下面简述一下JP-A-54-132776中所揭示的预充电方法的直流断路器。

一电容器与阀并联，由这个电容器和杂散电感形成谐振电路。然而，在这种电路中，电流变化率[阀的电流越过零电流点时对时间的导数（di/dt）]很大，使断流困难。作为一种解决方案，为了减小电流变化率，除了杂散电感以外，在电容器上串接一个大于几毫享（mH）的电感。

让我们考虑一下改变上面提到的已有技术的电容器及电感大小的后果。如果用几个毫享的电感，电容将达到几千到几万微法。因此，电容器的体积将非常大。

电气滚动台座的设备一般装在地板下和顶上。装配设备的空间非常有限，如果某些装置太大，就不能装配到电气滚动台座上。

本发明的目的是提供一种能装配到电气滚动台座上的预充电方法用的直流真空断路器。

为实现上述目的，直流真空断路器包括：

断开直流电的真空阀;

一包括一电容器和一开关装置的串联件，该串联件并与真空阀并联连接;

对电容器充电的装置;

与真空阀并联连接，消耗存贮在流有直流电流的导线的杂散电感内的能量的元件，其中，包括真空阀电容器和开关装置的闭合电路的振荡频率为2KHz或2KHz以上，换向电流为5000A或更大，包括在闭合电路内的换向电感为1μH或更大。

以上所述的装置允许换向电路的振荡频率达到2KHz或2KHz以上。因此，杂散电感足以用作换向电抗，能使用较小的换向电容器。这样一个小的元件能够安装在电气滚动台座地板下的有限的空间内。

图1  示出了本发明的实施例;

图2  示出了换向电容、换向电感、换向频率和换向电流之间的关系;

图3  示出了本发明的换向原理;

图4  示出了装在箱子里的按照本发明的直流高速真空断路器;

图5  示出了工作波形;

图6  示出了按照本发明的直流高速真空断路器在电气滚动台座中的应用;

图7  到图10示出了本发明的其它实施例;

图11示出了一种实验设备;

图12示出了本发明的另一个实施例;

图13示出了可饱和电抗器的特性;

图14示出了图12中实施例的效果;

图15示出了图12中实施例的变形;

图16示出了安装在电气滚动台座内的传统的空气断路器;

图17到图19示出了安装在电气滚动台座内的直流高速真空断路器。

按照上面提到的JP-A-54-132776，在预充电的方法中，如果与阀并联的换向电容器和电感产生的振荡电流的频率在1KHz或以上时，电流就不能可靠地被断开。原因是，在上述情况下，电流变化率太大。

下面将简单描述直流断路器的振荡频率、电感和电容之间的关系。

断路器的断路能力（即能够断开多大的主电流）依赖于从预先充电的换向电容器流出的与主电流方向相反的换向电流的大小。换句话说，为了消除阀内产生的电弧，就需要换向电流的峰值大于主电流。换向电流i由下式给出：

$i=\frac{2V}{\sqrt{\frac{4L}{C}-R^2}}e-\mathrm{atSin\βt}......\left(1\right)$

其中α＝ (R)/(2L) ，

$\mathrm{\β}=\sqrt{\frac{1}{\mathrm{LC}}-\left(\frac{R}{2L}\right)}$

R：换向电路的纯电阻分量

L：换向电路的电感分量

C：换向电容器的电容量

如果换向电路是由有足够截面面积的导线组成，那么电阻分量可以看作约为0。因此，等式（1）成为：

$i=\frac{V}{\sqrt{\frac{L}{C}}}\sin \sqrt{\frac{1}{\mathrm{LC}}}......\left(2\right)$

从等式（2），换向电流的峰值为

$I_P=\frac{V}{\sqrt{\frac{L}{C}}}......\left(3\right)$

为了增加换向电流Ip，只要增加充电压V或换向电容器容量C或减小电感L。

换向电路的固有频率由下式给出

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}......\left(4\right)$

因此，如果决定了频率f_o和最大电流Ip，就可以由下式来决定电感L和换向电容C。

C = (I_P)/(2πfV) ……（5）

V = (V)/(2πfI_P) ……（6）

因此，不改变换向能力而减小换向电容C的一种可能的方法是增加换向电容器的充电电压。然而，这种方法存在一个问题，即电感L度得很大。从设计绝缘电阻的观点来看，使用大大高于电路电压的电容器充电电压V是不足取的，因为这增加了电路和元件的尺寸大小。

图2示出了按照上式得出的电容、电感L和换向电流的峰值Ip之间的关系。

例如，假设频率为1KHz，换向电流为10KA，那么电容器容量为1000μF，电感为20μH。这种容量的电容器的体积近似为800mm（宽）×500mm（长）×500mm（高）。这种尺寸的电容器要安装在电气滚动台座地板下就太大了。

要减小换向电容C和换向电感L，从图2可以看出，只要增加换向电路的频率f就行。

然而，在上面提到的JP-A-54-132776以及日本电气工程协会杂志1978年6月出版的第98卷第6号第44页题为“用于临界等离子试验设备JT-60的直流断路器”一文中，认为换向电流的频率上限约为1KHz。原因据说是因为接近零电流点的电流下降率太大使得断流变得非常困难。

在目前情况下，减小换向电容C和换向电感L是不可能的。

下面将简单地描述真空断路器。

如果流有电流的阀在空气中被断开，在电极之间的原子被电离。这些原子的流动为电弧。另一方面，由于真空中电极之间不存在原子，原则上，当阀在真空中断开时不形成电弧。真空断路器就是基于这个原理工作。这就是真空断路器能高速动作的原因。然而，要产生一个理想的真空状态是非常困难的。事实是当阀被断开时，因为断开阀时被熔融的电极的金属原子使得电流继续流动，所以几十伏的电弧电压仍将产生电弧。为了消除此弧，就需要换向电路。

回到以前我们讨论过的内容，如果增加换向频率，电容和电感均能减小。这被认为是不可能实现的，因为换向频率的最大值是上限的。

下面将描述本发明的发明人所进行的实验。

图11A示出了一个测量电路。从直流电源7来的电流通过可变负载9a、9b时成了异常电流。起初，电流断路器16被设置于断开状态，真空阀2被设置在连接状态。主电流I、I和电压V是被测的主要项目。实验步骤改进如下。断开的电流断路器16被接面，以产生异常电流。如果过电流检测器8a的测得值超过设定值，控制部分发出一个跳闸命令，电抗线圈2b被激励，真空阀2被断开，以切断电流。然后，电流断路器16关断，发出一个复位命令使真空阀闭合。进行下一个实验。

因为该实验是在被认为切断电流是不可能的电流的范围内进行的，跳闸命令的发出的在控制部分内设定的最初几次时间内（下表中第1到第4）没有使用过电流检测器8a。因此，将在以后描述的设定值没有示出。

参照图11B，下面解释几个术语。

图11B中的实线示出了电流I_L，点划线示出了异常电流没被断开而是继续流动的电流曲线。设定值是工作电流值，由过电流检测器8a测量，并且断路器是工作的。实际断路电流是断路器的工作点。断路电流表示断路器的断路能力。

下表示出了成功地切断电流地实验结果。

表

此表证明，在电源电压为1600V，设定值为2080A，和换向频率为11.1KHz时，是能够切断电流的。换向频率约大于过去被人们认为的可用值的十倍。由于提高了换向频率，可以不要电抗器，可用导线的杂散电感作为唯一的电感分量。另一个优点是换向电容器可以减少到50μF。

即使导线缩短到可能的最短长度，仍留有约1μH的杂散电感。因此，可能的最大换向频率约为30到40KHz。顺便说一句，这种情况下换向电容器值约为30μF。

下面参照图1描述本发明的一个实施例。

从直流电源7来的主电流通过真空阀2a和静态过电流跳闸装置8、8a，来到负载9。真空阀2a两极之间并联连接的是一串联的换向电容4和作为阀开关装置的转换开关6。包含在与含有换向电容4等的电路不是同一回路的另一回路内的是与真空阀2并联连接的非线性氧化锌电阻3。这个闭合电路的杂散电感比包括换向电容器4等的闭合电路小。换句话说，由非线性氧化锌电阻3和真空阀2a形成的闭合电路的导线长度较短。

充电电路连接在换向电容4的两端，但图中未画出。

当静态过电流跳闸装置8检测到一个异常电流，主推斥线圈2b被激励，把短环2c从主推斥线圈2b推开，使真空阀2a打开。

请参阅图3，下面描述本发明的工作原理。

图3A示出了主电流是怎样流过真空阀2a的。电容器如图所示的方向被充电。当发生故障而发出打开命令时，真空阀如图3B所示被打开。阀被打开后，主电流以电弧的形式继续在真空中流动。然后给换向开关6一个闭合命令，开关如图3C所示闭合。此时，形成流过换向电容器4→杂散电感5→换向开关6→真空阀2a→和返回到换向电容器4的闭合电路，此时，存贮在换向电容器C中的电荷作为振荡电流开始流动，方向与主电流相反。当在一定的时候真空阀2a内的电流接近零（几个安培）时，电弧熄灭。然而，在电弧熄灭的瞬时，在此之前存在的后电弧电流（以电弧形式流过真空阀2a的残余电流）消失了，并且以作用在真空阀2a两端的峰值电压dv/dt呈现出来。由此再一次触发电弧。在这个实施例中，与真空阀2a并联的非线性氧化锌电阻3的导线长度做得比换向电路的导线长度短，因此，非线性氧化锌电阻的电感较小。与相对于变化电流电感较大的情况相比，电流更容易流过非线性氧化锌电阻3一边。

非线性氧化锌电阻3具有一个容性分量，并且它的大小约为真空阀打开的真空阀2a的电容的2000倍。

有了以上的了解后，下面描述如何防止真空阀2a的再触发现象。

在电弧熄灭的瞬时，后电弧电流流向最容易流入容性分量。在这种情况下，后电弧电流流入非线性氧化锌电阻3，从而防止了峰值电压作用于真空阀2a，从而防止了电弧的再触发。

在上述实施例中，用的是非线性氧化锌电阻。然而，也能用其它元件来代替，只要它是具有恒压特性和具有一些容性分量的耗能元件就可以。

换向电流的峰值Ip最好大于实际断路电流的1.2倍。实际断路电流的大小由负载的输出决定，如弹性滚动台座和直流电源电压。如果电气滚动台座输出为500到6000KW，直流电源电压为600到3000V，理想的换向电流峰值电流Ip应当为5000A或更高。

因此，电弧完全熄灭，主电流如图3D所示对换向电容器充电。

非线性氧化锌电阻3的恒定电压选择得高于电源电压E。当换向电容器4的电压上升并且换向开关6如图3E所示打开时，存贮在主电路的电感中的能量被消耗。在这种情况下，非线性氧化锌电阻3起电阻的作用。

请参照图5，下面描述断路器跳闸时的各种波形。

在图5中，横轴表示过去的时间。

假设主电流由于故障增加并在（a）点超过过电流设定值。检测到过流电流后，就发出一打开命令到主极，并且真空阀在（b）点打开。通过在真空中间隙间的电弧放电主电流继续流动。在（c）点，换向开关6闭合，换向电流开始流动。与换向电流彼此相消，在一定的时候，流过真空阀2a的电流在（d）点变为零。后电弧主电流流向非线性氧化锌电阻3，因此，阻止了真空阀2a两端峰值电压的上升。这之后，流向换向电容器4的电流增加，并且在适当时候，非线性氧化锌电阻3的放电起始电压在（e）点达到。电流流向消耗存贮在主电路电感内的能量的非线性氧化锌电阻3，使主电流减少，并在（f）点完成完全切断电流。

请参照图4，下面描述上述电路的布置。图4示出了安装在电气滚动台座地板下的箱子10的内部布置。直流高速真空断路器箱子10包含一个真空电子管2a，一激励线圈2b，一换向电容器4，一换向开关6，一非线性氧化锌电阻3和其它元件。包括换向电容器4的闭合回路的导线长度应当在合理的范围内缩短。由图4可以清楚地看到，因为换向电容4太大，所以这是困难的。因此，缩短了非线性氧化锌电阻了的导线。顺便说一句，箱子10的尺寸为500mm（宽）×600mm（长）×500mm（高）。用500mm低高度的原因是使之适用于地铁用的电气滚动台座。

下面概括实验结果和实施例。按照上面所举的两个例子，人们过去认为，换向电流频率为1KHz或更高时不能切断电流。这是因为断路电流变化率过大电弧被触发的缘故。然而，通过本发明的实验，已经清楚，在1KHz或以上的频率下，电流是可以被切断的。

按照实验结果，在上述实施例中的换向电路中不用电抗器。更具体地说，换向电路的电感仅仅是导线的杂散电感（换向电抗器5是杂散电感）。假设电感为5μH，计算换向电容4和换向电流频率。换向电容表示式为：

C = (I_P ²L)/(V²) ……（7）

假设充电电压为1500V，最大换向电流Ip为6000A，计算电容C。

C＝80（μF）

这时，换向频率f为：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}......\left(8\right)$

其中f

8(khz)

除了通过减小换向电容器4取消换向电抗器5外，因为频率较高，本实施例提供一种优点，即使因为某些原因在第一个零点没有切断电流，下一个零点来得非常快。

现在请参照图6，下面对在电气滚动台座内使用直流高速直空断路器的情况作一描述。

通常，直流高速真空断路器处于闭合状态。然后受电弓15升起与高架电力线接触，并且电流断路器16、18被闭合。通过充电电阻19对大电容的滤波电容器21充电。电容器充电以后，电流断路器17闭合，使真空断路器处于可以工作的状态。当工程技术人员操作总控制器（未画出）时，主马达控制器使马达（未画出）按照操纵的变量驱动。

当工程技术人员在运行期间断开触点时，主马达控制器（尤其当使用变换器时）减小主电流，然后打开电流断路器16、17，切断电流。这叫做减少电流断裂。

下面将描述发生故障时的操作。

在两种情况下可以检测出故障。第一种情况是过电流检测器8a检测主电流超过设定值。第二种情况是在主马达控制器的器件之类中检测出故障，发出了一个外部跳闸命令。

当这些信号中的任一个信号被输入直流高速真空断路器1的控制器（此后称之为控制器）时，控制器发出一个跳闸命令到电抗线圈2b，由于反作用力，真空阀2a被打开，并且由锁定机构维持其打开状态。然后，约在真空阀被打开到换向电流有效工作的状态时（按时间顺序操作），控制器发出一个换向命令到推斥线圈6a以操作换向开关6。结果，被预先充电的换向电容器4释放换向电流，以完成如上描述的断开。当断开完成时，主电流为零，其结果是控制器发出一LD断开命令，由此使电流断路器16、17打开。

当真空断路器从故障中恢复时，工程技术人员按下工程台上的复位按钮，开始复位操作。

当复位命令输入到控制器时，控制器发出一个复位命令到复位线圈，锁定机构释放，然后真空阀2a闭合。其后，提供充电电流，把换向电容器4充电至预定值，并且直流高速断路器1置于备用状态。

按照该实施例，能够为电气滚动台座提供一种在体积上大为减小的、可以安装在电气滚动台座内的高性能直流高速真空断路器，使用这个装置，能在地面部分（分站）断路器切断异常电流之前切断异常电流。这可以避免在其它许多电动车辆上引起一系列故障反应。

下面将结合图7描述本发明的另一个实施例。

参见图7。它与图1中的电路结构不同之处是非线性氧化锌电阻3与换向电路（包括换向电容器4和换向开关6）在同一侧并联连接，并且电涌吸收电容器30紧靠着真空阀2a并联连接（以使后者支路的导线长度比换向电路的闭合回路短）。

在这个电路中，由于换向电流流入真空阀2a，并消除了电弧，后电弧电流的较大部分流向电涌吸收电容器30，因此抑制了电压上升率，防止了电弧的再次触发。

为此有必要为电容器30选择一个大于打开的真空阀电容的电容器。重要的是你决不能选择太大的电容。这是因为大电容的电容器体积太大不能安装在电气滚动台座上。

本实施例的效果是你可以按照使用目的选择电涌吸收电容器30的电容量。例如，如果非线性氧化锌电阻3较大，那么杂散电感不可能足够小。这种情况时，仅需要选择一个较小的电涌吸收电容器30。

参照图8，下面将描述又一个实施例。

图8与图7电路结构的唯一不同点是与非线性氧化锌电阻并联连接了一个电阻31。

当真空阀2a被打开并且非线性氧化锌电阻3工作时，如果从真流电源7来的存贮在杂散电感5上的能量较大，电阻31将参与消耗能量。这将减轻非线性氧化锌电阻3上的负荷。然而这种情况下，主电流不会完全消失，而是继续按顺序由直流电源7流向电阻31到负载9，所以，需要提供一个切断低电流的开关。

下面，参照图9描述另一个实施例。图9与图8不同的是取消了非线性氧化锌电阻3。只有电阻31消耗存贮在杂散电感中的能量。电阻31不象非线性氧化锌电阻那样具有恒压特性，因此，电流继续流过。在这种情况下，也需要提供另一个断流器。

该实施例的电路结构简单，价格较低。因此，这个实施例适用于切断较小的电流。

下面参照图10再描述另一个实施例。

图10与图7电路结构不同之点在于非线性氧化锌电阻3与电涌吸收电容器30并联连接。

这个实施例在非线性氧化锌电阻3不能满足所需电容量时，有可能再次触发电弧的情况下是有效的。

下面参照图5、12、13、14和15描述另一个实施例。

图5中，（c）点指出了换向开关闭合的时间，（d）点指出了真空阀电压变为零的时间，（e）点指出了非线性氧化锌电阻开始放电的时间，（f）点指出了主电流完全衰减的时间。V₁表示在真空阀刚恢复它的绝缘（介质）强度（大体等于这时的换向电容器电压）以后作用在真空阀两端的电压。V₂表示非线性氧化锌电阻放电开始电压，V₃表示电源电压。

在真空阀中，电弧扩散非常快，在电流减小到零的瞬时，绝缘（介质）强度恢复，使电流断开。然而，如果阀电流变化率（di/dt）太大，当电流变为零时，有时会发生电弧的再次触发。电流再次以反方向流动（切断失败）。原因如下。原理上，在真空阀内电流减小为零的瞬时，阀的绝缘（介质）强度应当恢复，并且从这瞬时起，阀电流应当保持在零。然而，事实上是当阀极间电压为零时，有其上叠加振荡电流的主电路电流流过。

顺便说一句，为了减少装置的尺寸，以便安装在电气滚动台座上，就需要减小上面提到的换向电容器和换向电抗器的值，减小其它常数，和提高具有固定峰值的振荡电流频率。结果，在真空阀电流减小为零时电流变比率变大，提供了再次触发电弧的可能性。

在JP-A-59-163722中揭示了解决这个问题的已有技术的例子，它建议在换向电容器上串接一个电阻。然而，这种技术中，部分换向能量消耗在电阻上，换向电流的峰值减小，最大断路电流变小。

本实施例的解决方法是在闭合的换向电路中，如图12所示插入一个可饱和电抗器32，与真空阀21串联。

图13示出了该可饱和电抗器32的特性，理想上，它的电感在流过阀的电流较小时很大，而在电流增加到大于某一定值时，电感减小很快。

图14示出了这个实施例中电流被切断的波形。总的说来，波形几乎与前面相同，但是从图14中可以观察到，在时间（d）点，或在真空阀刚到零电流点之前，电流变化率显著下降。

这种现象的发生是因为在电流减小并接近零点时电感增加到非常大，阻止了电流的变化。

按照这个实施例，不改变谐振电路的常数值，通过增加振荡电流的频率和保证高的电流峰值，就有可能降低零电流点附近的电流变化率，并且保证真空阀的绝缘（介质）强度的恢复。

下面参照图15描述另外一个实施例。

在前面的实施例中，插入了可饱和电抗器减小真空阀2a的零电流点附近的电流变化率。除了电流变化率之外，在绝缘（介质）强度恢复的过程中，阻碍真空阀的绝缘（介质）强度恢复的另一个因素是电压变化率。高的电压变化率在绝缘（介质）强度恢复过程中导致介质击穿，导致再一次触发电弧和电流流动。

为了防止这种现象，通过在真空阀2a两极之间连接电容器33，并且使之与真空阀2a并联，就可以抑止电压的突然变化。

按照该实施例，可以减少使用真空阀的开关电路的再触发。

下面将对上述真空断路器怎样安装到电气滚动台内作一描述。

如日本实用新型申请公开号No.61-65640所述，传统的电流断路器安装在电气滚动台座上时，整个电流断路器箱用双层绝缘体绝缘。

下面将用图16简单说明。

主电路电流流过高架线14和电流收集器15进入电流断路器箱。在电流断路器箱内顺序串联排布着电流断路器16、17，和高速电路断路器40。经过电流断路器箱41的主电路电流流过滤波电抗器20到达控制装置箱42。（这些部分用固定件45安装在车体50上）。主马达43由从控制设备箱42来的控制电流控制。然后，电流流过车体50和车轮23到导轨24并返回分站（未画出）。

顺便说一句，电流断路器16、17和高速断路器40（不同于上述直流高速断路器1）均是空气断路器，因此，当电流切断时，触发电弧。当电流断路器箱41发生电弧时，因为该箱通过绝缘体44与车体绝缘，因此，不会发生漏电。分站上的断路器也不跳开。

在上述的安排下，如果用如图6所示的直流高速真空断路器1代替高速断路器40，将导致以下问题。

直流高速真空断路器不向外发射电弧。然而，空气断路器的电流断路器16、17会发射出电弧并且电弧飞到低电位部分。

同时，在如图6所示的直流高速真空断路器1中，提供了一个能发出各种命令的控制器12。该控制器12通过接线端（未画出）连接到主马达控制器（在变换器电气滚动台座和斩波器电气滚动台座的情况下连到门控制器，或在凸轮轴滚动台座的情况下连至步进触点控制器（notch  step  advance  controller）和工程师台）。

作为接到上述接线端的控制电源，使用低于主电路电压的100VDC、24VDC或15VDC。当电流由于打开电流断路器16、17而切断时，产生的部分电弧流入电流断路器箱41，并且飞到暴露的活动接触弹簧，接线柱和固定接触架（未画出）。这是因为与主电路电压相比控制电压非常低。虽然在易发生电弧的部分加了盖，但电离的空气仍很容易进入。当盖与电流断流器箱41之间的电位差度大时，盖的绝缘性被击穿，导致电弧飞到暴露部分。

连接到接线端上的控制电源线与其它控制线捆扎在一起并连到控制设备箱。当电弧电流流电时，引发的大电流不仅在与控制电源线相连的设备中流动而且也在其它控制线中流动，由此引起连到这些线上的装置的损坏，例如总控制器和变换器控制装置的损坏。

顺便说一句，可以通过加强电源线的绝缘性来防止这些线在电弧流到箱子时与电弧高压相接触。然而，加强暴露部分的绝缘性是困难的。

下面参照图17、18和19描述解决这个问题的一个实施例。

在图17中，与图16不同的电路结构是，在电流断路器箱41中包含有电流断路器16、17的同时，增加了一个包含有直流高速真空断路器1的断路器箱51。

直流高速真空断路器1的断路器箱1用固定件45直接附着在车体50上。因为原则上，直流高速真空断路器不会发出电弧，因此不需要把它与车体50分开。在这种情况下，最好是电流断路器16、17制成双层绝缘结构，但是断路器51不需要。

按照本实施例，断路器51不存在电弧，所以不需要加强各种控制线的绝缘性。

下面参照图18描述另一个实施例。

如前面所述，发到直流高速真空断路器或类似物的外部跳闸命令由例如变换器控制器之类的马达控制装置给出。参见图18，直流高速真空断路器1放在变换器控制装置箱22内，并与箱22形成一个整体。在这种情况下，从变换器控制装置来的跳闸命令线的导线长度较短，所以能很容易进行接口。按照这个实施例，由于感应干扰引起直流高速真空断路器1失误的可能性是极小的。

然而，在上述分布下，滤波电抗器没有受到完全防护，它是在直流高速真空断路器1靠近高架线14的一侧要加以保护的装置之一。这是因为滤波电抗器20放置得比直流高速真空断路器1更靠近电源。

根本不存在电抗器漏电。然而，仍需要防护电抗器以防备万一发生的故障。

图19示出了解决这个问题的实施例。

图19中把滤波电抗器20设置在直流高速真空断路器1的负载侧上，并且整体放置在包括变换器控制装置的控制箱53内。

用这种结构，不仅外形可以做得整齐，而且防护范围也大为增加。

Claims (54)

1、一种直流高速真空断路器，包括：

一个切断直流电的真空阀；

一包括一电容器和一开关装置的串联件，该串联件与所述真空阀并联；和

一个与所述真空阀关联连接的元件，用于消耗存贮有直流电流过的导线的电感中的能量，其中，包括所述真空阀，电容器和开关装置的闭合电路的振荡频率为2KH_z或2KH_z以上，换向电流为5000A或更大，包含在所述闭合电路内的换向电感为1μH或更大。

2、如权利要求1所述的直流高速真空断路器，其特征在于所述能量消耗元件为非线性电阻元件。

3、如权利要求1所述的直流高速真空断路器，其特征在于所述能量消耗元件为一电阻元件。

4、如权利要求1所述的直流高速真空断路器，其特征在于所述能量消耗元件为一由非线性电阻元件和电阻元件并联连接的并联组件。

5、一种直流高速真空断路器，包括：

一个切断直流电的真空阀;

一包括一电容器和一开关装置的串联件，该串联件与所述真空阀并联连接;

对所述电容充电的装置;

一个与所述真空阀并联连接的元件，用于消耗存贮在流过直流电的导线的电感中的能量;和

一个与所述真空阀并联连接并靠近所述真空阀的容性元件。

6、如权利要求5所述的直流高速真空断路器，其特征在于所述能量消耗元件为一非线性电阻元件。

7、如权利要求5所述的直流高速真空断路器，其特征在于所述的能量消耗元件为一电阻元件。

8、如权利要求5所述的直流高速真空断路器，其特征在于所述的能量消耗元件为一由非线性电阻元件和电阻元件并联连接的并联组件。

9、如权利要求5所述的直流高速真空断路器，其特征在于所述的容性元件为一具有比在所述阀打开时的阀电容更大容量的元件。

10、如权利要求5所述的直流高速真空断路器，其特征在于所述的容性元件为电容器。

11、如权利要求9所述的直流高速真空断路器，其特征在于所述容性元件为电容器。

12、一种直流高速真空断路器，包括：

一个切断直流电的真空阀;

一包括一电容器和一开关装置的串联件，此串联件与所述真空阀并联连接;

对所述电容器充电的装置;和

一个与所述真空阀并联连接并靠近所述真空阀的元件，用于消耗存贮在流过直流电的导线的电感中的能量。

13、如权利要求12所述的直流高速真空断路器，其特征在于所述的能量消耗元件为一非线性电阻元件。

14、如权利要求12所述的直流高速真空断路器，其特征在于所述的能量消耗元件为一电阻元件。

15、如权利要求12所述的直流高速真空断路器，其特征在于所述能量消耗元件为一由非线性电阻元件和电阻元件并联连接的并联组件。

16、一种直流高速真空断路器，包括：

一个切断直流电的真空阀;

一包括一个电容器和一开关装置的串联件，该串联件与所述真空阀并联连接;

对所述电容器充电的装置;

一个与所述真空阀并联连接的元件，用于消耗存贮在流过直流电的导线的电感中的能量;和

一个与所述真空阀并联连接的容性元件，其中包括所述真空阀和所述容性元件的闭合电路的回路长度做得比包括所述真空阀，电容器，和开关装置的闭合电路的回路长度短。

17、如权利要求16所述的直流高速真空断路器，其特征在于所述的能量消耗元件为一非线性电阻元件。

18、如权利要求16所述的直流高速真空断路器，其特征在于所述的能量消耗元件为一电阻元件。

19、如权利要求16所述的直流高速真空断路器，其特征在于所述的能量消耗元件为一由非线性电阻元件和电阻元件并联连接的并联组件。

20、如权利要求16所述的直流高速真空断路器，其特征在于所述的容性元件为一具有比在所述阀打开时的阀电容更大容量的元件。

21、如权利要求16所述的直流高速真空断路器，其特征在于所述的容性元件为一电容器。

22、如权利要求20所述的直流高速真空断路器，其特征在于所述的容性元件为一电容器。

23、一种直流高速真空断路器，包括：

一个切断直流电的真空阀;

一包括一个电容器和一开关装置的串联件，该串联件与所述真空阀并联连接;

对所述电容器充电的装置;

一个与所述真空阀并联连接的元件，用于消耗存贮在流过直流电的线的电感中的能量，其中包括所述真空阀和用于消耗存贮在导线电感中的能量的所述元件的闭合电路的回路长度做得比包括所述真空阀，电容器，和开关装置的闭合电路的回路长度短。

24、如权利要求23所述的直流高速真空断路器，其特征在于所述的能量消耗元件为非线性电阻元件。

25、如权利要求23所述的直流高速真空断路器，其特征在于所述的能量消耗元件为电阻元件。

26、如权利要求23所述的直流高速真空断路器，其特征在于所述的能量消耗元件为一由非线性电阻元件和电阻元件并联连接的并联组件。

27、具有主马达的，从高架线上接收直流电并由主马达控制装置操作的电气滚动台座，包含：

一个包括下面装置的直流高速真空断路器，包括：

一个切断直流电的真空阀;

一包括一个电容器和一开关装置的串联件，该串联件与所述真空阀并联连接;

对所述电容充电的装置;和

一个与所述真空阀并联连接的元件，用于消耗存贮在流过直流电的导线的电感中的能量。

28、如权利要求27所述的包含一个直流高速真空断路器的电气滚动台座，其特征在于所述能量消耗元件是一非线性电阻元件。

29、如权利要求27所述的包含一个直流高速真空断路器的电气滚动台座，其特征在于所述能量消耗元件是一电阻元件。

30、如权利要求27所述的包含一个直流高速真空断路器的电气滚动台座，其特征在于所述能量消耗元件为一由非线性电阻元件和电阻元件并联连接的并联件。

31、具有主马达的，从高架线上接收直流电并由主马达控制装置控制的电气滚动台座，包含：

一个直流高速真空断路器，包括：

一个切断直流电的真空阀;

一包括一电容器和一开关装置的串联件，该串联件并与所述真空阀并联;

对所述电容充电的装置;

一个与所述真空阀并联连接的元件，用于消耗存贮在流过直流电的导线的电感中的能量，和

一个具有与所述阀并联连接的容性元件的直流高速真空断路器。

32、如权利要求31所述的包含一个直流高速真空断路器的电气滚动台座，其特征在于所述的能量消耗元件为一非线性电阻元件。

33、如权利要求31所述的包含一个直流高速真空断路器的电气滚动台座，其特征在于所述的能量消耗元件为一电阻元件。

34、如权利要求31所述的包含一个直流高速真空断路器的电气滚动台座，其特征在于所述的能量消耗元件为一由非线性电阻元件和电阻元件并联连接的并联组件。

35、如权利要求31所述的包含一个直流高速真空断路器的电气滚动台座，其特征在于所述容性元件为一具有比在所述阀打开时的阀电容更大容量的元件。

36、如权利要求31所述的包含一个直流高速真空断路器的电气滚动台座，其特征在于所述容性元件为一电容器。

37、如权利要求35所述的包含一个直流高速真空断路器的电气滚动台座，其特征在于所述容性元件为一电容器。

38、一种直流高速真空断路器，包括：

一个切断直流电的真空阀;

一包括一个电容器和一开关装置的串联件，该串联并与所述真空阀并联连接;

对所述电容充电的装置;

一个具有小电感的电路，包括一个容性元件并与所述真空阀并联连接。

39、如权利要求38所述的直流高速真空断路器，其特征在于所述容性元件是一个消耗存贮在流过直流电的导线的电感中的能量的元件。

40、如权利要求39所述的直流高速真空断路器，其特征在于所述能量消耗元件为一非线性电阻元件。

41、如权利要求38所述的直流高速真空断路器，其特征在于包括所述容性元件的所述电路是一具有一个电容器和消耗存贮在流过直流电的导线的电感中的能量的元件并联连接的并联电路。

42、如权利要求41所述的直流高速真空断路器，其特征在于所述能量消耗元件为一非线性电阻元件。

43、如权利要求41所述的直流高速真空断路器，其特征在于所述的能量消耗元件为一电阻元件。

44、如权利要求41所述的直流高速真空断路器，其特征在于所述能量消耗元件为一由非线性电阻元件和电阻元件并联连接的并联件。

45、如权利要求38所述的直流高速真空断路器，其特征在于所述容性元件为一具有比在所述阀打开时的阀电容量更大容量的元件。

46、具有主马达的，从高架线上接收直流电并由主马达控制装置的电气滚动台座，包含：

一个直流高速真空断路器，包括：

一个切断直流电的真空阀;

一包括一个电容器和一开关装置的串联件，该串联件并与所述真空阀并联连接;

对所述电容充电的装置;和

一个与所述真空阀并联连接的元件，用于消耗存贮在流过直流电的导线的电感中的能量，其中，包括所述真空阀和用于消耗贮在所述导线电感中的能量的所述元件的闭合电路的回路长度做得比包括所述真空阀，电容器和开关装置的闭合电路的回路长度短。

47、如权利要求46所述的包含一个直流高速真空断路器的电气滚动台座，其特征在于所述的能量消耗元件为一非线性电阻元件。

48、如权利要求46所述的包含一个直流高速真空断路器的电气滚动台座，其特征在于所述的能量消耗元件为一电阻元件。

49、如权利要求46所述的包含一个直流高速真空断路器的电气滚动台座，其特征在于所述的能量消耗元件为一由非线性电阻元件和电阻元件并联连接的并联组件。

50、如权利要求46所述的包含一个直流高速真空断路器的电气滚动台座，其特征在于所述容性元件为一具有比在所述阀打开时的阀电容更大容量的元件。

51、如权利要求46所述的包含一个直流高速真空断路器的电气滚动台座，其特征在于所述容性元件为一电容器。

52、如权利要求50所述的包含一个直流高速真空断路器的电气滚动台座，其特征在于所述容性元件为一电容器。

53、直流高速真空断路器，包括：

一个切断直流电的真空阀;

一包括一个电容器和一开关装置的串联件，

对所述电容充电的装置;

一个与所述真空阀并联连接的元件，用于消耗存贮在导线电感中的能量;和

一个与所述真空阀串联并与一包括所述电容器和开关装置的串联件并联的可饱和电抗器。

54、具有主马达的，从高架线上接收直流电并由主马达控制装置控制的电气滚动台座，包含：

一个包含用于切断所述直流电流的断路器的电流断路器箱;和

一个包含具有切断直流电的真空阀的直流高速断路器的真空断路器箱。

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