CN105453214B - 真空切换组件 - Google Patents

Abstract

提供一种用于切换AC或DC电流的真空切换组件。真空切换组件包括真空开关。真空开关包括：第一和第二电极(20、22)，位于真空气密外壳中，真空气密外壳包含气体或气体混合物，第一和第二电极(20、22)限定由间隙隔开的相对电极，第一和第二电极(20、22)中的每个能够被连接至携带AC或DC电压的相应电路；以及压力控制器(36)，被配置为控制真空气密外壳的内部压力，其中压力控制器(36)被配置为在第一与第二真空水平之间选择性地切换真空气密外壳的内部压力：第一真空水平允许在真空气密外壳中形成和维持辉光放电，以允许电流经由辉光放电在第一与第二电极(20、22)之间流动，以便导通所述真空开关；以及第二真空水平抑制在真空气密外壳中形成和维持辉光放电，以防止电流经由辉光放电在第一与第二电极(20、22)之间流动，以便断开真空开关。

Description

真空切换组件

技术领域

本发明涉及一种真空切换组件和电力切换装置。

背景技术

多端子高压直流(high voltage direct current，HVDC)输电和配电网络的操作涉及负荷和故障/短路电流切换操作。切换组件执行这种切换的可用性允许规划和设计HVDC应用(诸如，具有抽头线的平行HVDC线或闭环电路)时的灵活性。

负载和故障/短路电流切换的已知解决方案是使用基于半导体的开关，其中基于半导体的开关通常被用在点对点的高功率HVDC传输中。使用基于半导体的开关的结果是更快速的切换和更小的允通故障电流值。然而，使用这种开关的缺点包括高转发损耗、对瞬态敏感和当装置处于其断开状态时缺乏有形隔离。

负载和故障/短路电流切换的另一种已知解决方案是真空断路器。真空断路器的操作依赖于导电电极的机械分离来断开相关联的电路。这种真空断路器能够允许高幅值的连续AC电流具有高的短路电流中断能力。

然而，常规真空断路器由于不存在电流零而在中断DC电流方面展现差的性能。尽管使用传统的真空断路器来中断低至几百安培的DC电流是可行的，但是由于低电流下电弧的不稳定性，这种方法不仅是不可靠的，也与HVDC应用中通常发现的电流发水平不兼容。

通过施加强制电流零或者人工地创建电流零，使用常规真空断路器能够实施DC电流中断。DC电流中断的方法包括在常规真空断路器两端并连辅助电路，该辅助电路包括电容器、电容器和电感器的组合或任何其他振荡电路。在真空断路器的正常操作期间，辅助电路保持有火花间隙隔离。

当真空断路器的电极开始分离时，火花点火间隙被导通以在真空断路器两端引入足够大的振荡电流，并且从而迫使断路器两端的电流穿过电流零。这允许真空断路器成功地中断DC电流。然而，由于这种布置需要整合辅助电路的附加部件，所以是复杂的、昂贵的、并且是占用空间的。

此外，需要使真空断路器的电极分隔开预定的间隙，以使得真空断路器成功地中断DC电流。这意味着，在形成电极之间的预定间隙过程中，真空断路器的响应能力受一个或每个电极的移动速度的限制。

此外，电极的隔离导致产生能够改变或损坏电极表面的金属蒸气电弧。这进而可以引起在真空断路器的寿命期间真空断路器的介电行为波动，从而导致不可靠的真空断路器。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种用于切换AC或DC电流的真空切换组件，所述真空切换组件包括真空开关，所述真空开关包括：

第一电极和第二电极，位于真空气密外壳中，所述真空气密外壳包含气体或气体混合物，所述第一电极和第二电极限定由间隙隔开的相对电极，所述第一电极和第二电极中的每个能够被连接至携带AC或DC电压的相应电路；以及

压力控制器，被配置为控制所述真空气密外壳的内部压力，其中所述压力控制器被配置为在第一真空水平与第二真空水平之间选择性地切换所述真空气密外壳的所述内部压力：

所述第一真空水平允许在所述真空气密外壳中形成和维持辉光放电，以允许电流经由所述辉光放电在所述第一电极与第二电极之间流动，以便导通所述真空开关；以及

所述第二真空水平抑制在所述真空气密外壳中形成和维持辉光放电，以防止电流经由所述辉光放电在所述第一电极与第二电极之间流动，以便断开所述真空开关。

真空气密外壳中的气体可以是，但不限于氢、氮、氩、氦、氖、氙、其化合物或SF₆。类似地，真空气密外壳中的气体混合物可以包括，但不限于氢、氮、氩、氦、氖、氙、其化合物和/或SF₆。

所述第二真空水平可以具有比所述第一真空水平低或高的压力值。

压力控制器的配置可以变化，以使得能够控制真空气密外壳的内部压力。例如，压力控制器可以包括：泵送装置，被配置为从所述真空气密外壳选择性地去除至少部分气体或气体混合物；和/或排气装置或质量流量控制器，被配置为将气体或气体混合物选择性地引入所述真空气密外壳。

在使用中，第一和第二电极中的每个被连接到携带AC或DC电压的相应电路。因此，当真空开关被断开时，在第一电极与第二电极之间出现差分电压，并且当真空开关被导通时，电流在第一电极与第二电极之间流动。

为了导通真空开关，压力控制器将真空气密外壳的内部压力从第二真空水平切换到第一真空水平，其中第一真空水平具有比第二真空水平更高或更低的压力值。这将真空气密外壳中气体或气体混合物的密度增大或减小到允许在真空气密外壳中形成辉光放电的水平。

然后通过使电流穿过气体或气体混合物以便电离气体或气体混合物而形成辉光放电。为了能够在真空气密外壳中形成辉光放电，真空开关可以被如下配置。

在本发明的实施例中，所述真空开关还可以包括与所述第一电极间隔开的第一触发电极和/或与所述第二电极间隔开的第二触发电极，并且所述真空开关还可以包括第一电压控制器，被配置为控制所述触发电极或每个触发电极的所述电压，所述第一电压控制器被配置为在所述触发电极或每个触发电极与所述第一电极和第二电极中对应一个之间选择性地产生差分电压，以便电离所述气体或气体混合物并且从而在所述真空气密外壳中形成所述辉光放电。

在将真空气密外壳的内部压力从第二真空水平切换到第一真空水平的过程中，在第一电极与第二电极之间可能会发生电击穿，从而导致形成电诱导击穿弧放电，这可以损坏或改变电极的表面。

所述第一电压控制器还可以被配置为当所述真空气密外壳的所述内部压力从所述第二真空水平切换至所述第一真空水平时，在所述真空气密外壳的所述内部压力达到允许形成电诱导击穿弧放电的真空水平之前，在所述触发电极或每个触发电极与所述第一电极和第二电极中对应一个之间选择性地产生差分电压，以便电离所述气体或气体混合物并且从而在所述真空气密外壳中形成所述辉光放电。这确保真空气密外壳的所述内部压力从所述第二真空水平到所述第一真空水平的切换没有导致形成电诱导击穿弧放电。

在本发明的其他实施例中，所述真空开关还可以包括第二电压控制器，被配置为在所述第一电极与第二电极之间选择性地产生差分电压，以便电离所述气体或气体混合物并且从而在所述真空气密外壳中形成所述辉光放电。

随着在真空气密外壳中形成辉光放电，辉光放电提供电流在第一电极与第二电极之间流动的路径。以这种方式，真空开关被导通。将真空气密外壳的内部压力控制在第一真空水平处允许维持真空气密外壳中的辉光放电并且从而能够保持真空开关导通。

与金属蒸气电弧不同，辉光放电不改变或损坏电极的表面，从而使得真空开关能够在真空开关的寿命期间提供一致的介电行为。

优选地，所述第一真空水平为0.01托到0.1托的范围。然而，可以理解地是，在本发明的其他实施例中，第一真空水平的压力值可以变化，只要它允许且维持真空气密外壳中的辉光放电，以允许电流经由辉光放电在第一电极与第二电极之间流动。

可选地，所述第一真空水平可以对应于所述气体或气体混合物的巴邢最小状态。在气体或气体混合物的巴邢最小状态下，第一电极与第二电极之间的介电强度处于其最小值。这使得在第一电极和第二电极两端的电压降被保持在最小值，并且从而当真空开关被导通时最小化电极的表面之间的能量耗散。

在真空开关导通过程中，在第一和第二电极之间的电压降随着真空气密外壳中气体或气体混合物的类型变化。因此，当在所述真空气密外壳的所述内部压力的所述第一真空水平处导通所述真空开关时，所述气体或气体混合物可以被选择为最小化在所述第一电极和第二电极之间出现的电压。

为了断开真空开关，压力控制器将真空气密外壳的内部压力从第一真空水平切换到第二真空水平，其中所述第二真空水平具有比第一真空水平更低或更高的压力值。这将真空气密外壳中的气体或气体混合物的密度增大或减小到抑制在真空气密外壳中维持辉光放电的水平。因此，辉光放电熄灭，从而移除电流在第一电极与第二电极之间流动的路径。以这种方式，真空开关被断开。将真空气密外壳的内部压力控制在第二真空水平处抑制了在真空气密外壳中形成新的辉光放电，由此使得真空开关保持断开。

因此，在真空开关中包括压力控制器得到能够切换AC和DC电流的真空切换组件，而无需使用移动电极并且无需电极之间的金属蒸气电弧，从而消除了在切换常规真空断路器期间与电极的分离相关的前述问题。根据本发明的真空切换组件可以形成电力切换装置的一部分。

在本发明的实施例中，所述压力控制器可以被配置为选择性地改变所述真空气密外壳的所述内部气体压力在所述第一真空水平与第二真空水平之间的变化速率，以便改变所述真空开关的导通或断开速率。这允许压力控制器不仅控制第一和第二电极两端的恢复电压的变化速率，还控制真空气密外壳的内部气体压力在第一真空水平与第二真空水平之间的变化速率，以抑制产生电压瞬变，从而无需增加避雷器来处理任何电压瞬变。

在本发明的其他实施例中，所述压力控制器可以被配置为在真空水平的范围内改变所述真空气密外壳的所述内部压力，所述真空水平中的每个允许在所述真空气密外壳中形成和维持辉光放电，以允许电流经由所述辉光放电在所述第一电极与第二电极之间流动，同时所述真空开关被导通。这允许压力控制器不仅主动地改变真空开关中的电流密度，还主动地改变第一和第二电极之间的电压，从而使得真空开关被操作为电力流控制器，以控制被连接到第一和第二电极的电路中电流的变化速率。

优选地，所述第一电极和第二电极由固定间隙分隔开。然而，可以理解的是，即使真空开关的导通和断开不需要第一和第二电极的移动，所述第一和第二电极的任一个或每个可以被配置为能够移动，以便增加或减小第一电极与第二电极之间的间隙。

第一和第二电极的形状和布置可以根据相关电力应用的需求而变化。

在本发明的实施例中，所述第一电极和第二电极可以被定形和布置为限定以下任意一个：

●一对圆柱同轴电极；

●一对平行板电极；

●一对球状同轴电极。

在本发明的其他实施例中，所述第一电极可以包括多个第一伸长子电极，所述第二电极可以包括多个第二伸长子电极，并且所述真空开关还可以包括辅助电极，所述辅助电极布置在所述真空气密外壳内部的所述第一电极与第二电极之间且与所述真空气密外壳内部的所述第一电极与第二电极间隔开，所述辅助电极包括多个第三伸长子电极和多个第四伸长子电极，每组多个子电极与通过所述第一电极和第二电极延伸的纵轴平行地延伸，多个伸长子电极中的每个关于通过所述第一电极和第二电极延伸的所述纵轴径向地布置，每个第一伸长子电极被布置在两个第三伸长子电极之间且与两个第三伸长子电极间隔开，以限定交替的第一伸长子电极和第三伸长子电极的交叉径向阵列，每个第二伸长子电极被布置在两个第四伸长子电极之间且与两个第四伸长子电极间隔开，以限定交替的第二伸长子电极和第四伸长子电极的交叉径向阵列。

在使用中，辅助电极可以被保持在浮置电势，同时第一和第二电极中的每个被连接到携带有AC或DC电压的相应电路。当真空开关被导通时，经由辅助电极和交叉径向阵列的子电极之间的辉光放电，电流在第一电极与第二电极之间流动。当真空开关被断开时，交叉径向阵列的子电极之间的辉光放电熄灭，从而防止电流在第一电极与第二电极之间流动。

在真空开关中包括辅助电极不仅增加了第一电极与第二电极之间的有效间隙从而增大设备的介电耐压能力，还支持在继断开真空开关之后优异的介质恢复。

在本发明的这种实施例中，其中真空开关包括第一触发电极和/或第二触发电极，其中所述第一电极和第二电极中的任一个或每个可以包括与通过所述第一电极和第二电极延伸的所述纵轴同轴布置的管状伸长子电极，所述管状伸长子电极被配置为容纳所述对应触发电极并且与所述对应触发电极间隔开。

以这种方式布置真空开关使得辉光放电能够最初形成在相对于交叉径向阵列的子电极的中央位置中，从而促进交叉径向阵列的子电极中辉光放电的更均匀膨胀。这进而提供电流在第一电极与第二电极之间流动的更均匀路径，并且从而得到真空开关的可靠导通行为，由此提高真空切换组件的可靠性。

在采用伸长子电极的本发明的实施例中，每个伸长子电极包括杆部和位于所述杆部自由端的端部。

可以设想，当每个伸长子电极的杆部的端具有相同的直径时，端部处的电流密度比沿着杆部的电流密度高。

每个端部可以被定形为部分地或完全地球形，并且每个端部具有比对应的杆部更大的直径。以这种方式配置每个端增大了对应子电极的表面积，以这种方式使得伸长子电极的表面上的辉光放电和每个交叉径向阵列两端的电流密度更均匀分布。这提高了真空开关的电流中断能力、耐高电压能力和介质恢复。

在采用伸长子电极的本发明的其他实施例中，每个伸长子电极的至少一部分可以涂覆有、被附着于、或被连接至耐火材料。耐火材料可以选自，但不限于，例如铜-铬、铜-钨、铜钨碳化物、钨，铬和钼的组。每个端部可以由耐火材料制成，其可以选自，但不限于，例如铜-铬、铜-钨、铜钨碳化物、钨、铬和钼的组。这些耐火材料不仅展现优异的导电性，而且还在使用真空开关来中断电流之后表现高介电强度。

当需要真空开关来切换高电流时，作用在电极上的合磁力可以变得足够强以引起电极变形。每个电极可以包括至少一个结构加固元件，所述结构加固元件被布置为抑制由磁力引起所述电极变形，所述磁力是由所述电极中电流流动过程中产生的磁场引起的。例如，每个电极中的所述或每个结构增强元件可以是放置在电极内(优选地沿着其纵轴)的非磁性钢插入件、或者可以是被连接(例如钎焊)至支撑结构的钢管，其中该支撑结构与电极相关联并且在真空气密外壳外部延伸。

所述真空切换组件还可以包括位于所述真空气密外壳外部的磁场发生器，所述磁场发生器关于所述真空气密外壳布置，以使得所述磁场发生器产生磁场，所述磁场的磁场方向横向于所述辉光放电中的电场方向。

产生具有磁场方向横向于辉光放电中的电场方向的磁场有助于辉光放电电压的上升。从而，在真空开关中电流零时刻应用磁场加速了在断开真空开关之后的介质恢复。

真空切换组件中真空开关的数量和布置可以根据真空切换组件的设计需求而变化。真空切换组件可以例如包括多个串联连接的和/或并联连接的真空开关。多个真空开关可以被连接以限定真空切换组件的不同配置，以便改变其操作电压和电流特性来匹配相关电力应用的需求。

当真空开关被导通时，第一和第二电极之间的电压降使得产生热损失，该热损失经由辉光放电快速地分布至真空开关的组件。因此，需要热量去除装置来去除这些热损失并且从而将真空开关的温度维持在容许极限内。例如，可以通过热交换器循环气体或气体混合物来去除热损失。

根据本发明的第二方面，提供一种用于切换AC或DC电流的电力切换装置，所述电力切换装置包括：

根据本发明的第一方面的任意实施例所述的真空切换组件；以及

机械切换组件，与一对端子之间的所述真空切换组件并联连接，所述端子中的每个能够被连接至携带AC或DC电压的相应电路，所述机械切换组件包括至少一个机械开关。

在使用中，在电路的正常操作期间，真空切换组件中的所述或每个真空开关被断开，同时机械切换组件中的所述或每个机械开关闭合以在两个端子之间传导电流。这不仅使得与真空切换组件相比较总体减少的热损失，而且还无需上述热量去除装置。

电力切换装置被如下所述地断开。最初地，所述或每个机械开关被打开，从而在其中形成电弧。一旦在所述或每个机械开关中产生足够大的电弧电压，所述或每个真空开关被导通，以将电流从机械切换组件转移至真空切换组件，从而熄灭所述或每个机械开关中的电弧，并且完全断开具有介质恢复的所述或每个机械开关。然后所述或每个真空开关被断开，以完成电力切换装置的断开。

电力切换装置被如下所述地导通。最初地，所述或每个真空开关被导通。然后所述或每个机械开关闭合。一旦所述或每个机械开关完全关闭并且从而携带在端子之间流动的电流，所述或每个真空开关被断开以完成电力切换装置的导通。

与根据本发明的真空切换组件和电力切换装置兼容的应用示例包括，例如，AC电力网络、AC或DC高压断路器、网络电力流控制、AC发电机断路器、传输线、铁路牵引、船舶、超导磁存储设备、高能量聚变反应堆实验、固定电力应用、可再生能源(诸如燃料电池和光伏电池)以及高压直流(HVDC)多端子网络。

附图说明

现在将仅通过非限制示例，参照附图描述本发明的优选实施例，其中：

图1是示出形成根据本发明第一实施例的真空切换组件的一部分的真空开关；

图2示出图1的真空开关的剖视图；

图3以曲线图形式示出压力控制器控制真空气密外壳的内部压力的操作，所述真空气密外壳形成图1的真空开关的一部分；以及

图4示出根据本发明的第二实施例的电力切换装置。

具体实施方式

图1示出根据本发明第一实施例的用于切换DC电流的真空切换组件，其包括真空开关。

真空切换组件包括单个真空开关。

真空开关包括被组装为限定真空气密外壳的一对氧化铝陶瓷圆柱形壳体10、第一端凸缘12和第二端凸缘14。每个端凸缘12、14被钎焊到圆柱形壳体10中的相应一个以形成密封接头。第一和第二端凸缘12、14位于真空开关的相对端处。

每个圆柱形壳体10是金属化的且在两端处是镀镍的。相应圆柱形壳体10的长度和直径根据真空开关的额定工作电压变化，同时第一和第二端凸缘12、14的尺寸和形状可以变化以对应于相应圆柱形壳体10的大小和形状。

真空密闭外壳包含气体。真空气密外壳中的气体可以是，但不限于氢、氮、氩、氦、氖、氙、其化合物或SF₆。可以设想，在本发明的其他实施例中，气体可以被气体混合物取代，该气体混合物可以包括，但不限于氢、氮、氩、氦、氖、氙、其化合物和/或SF₆。

真空开关还包括导电的第一端板16和第二端板18。

第一端板16被保留在第一端凸缘12的中空孔内，而第二端板18被保留在第二端凸缘14的中空孔内，使得每个端板16、18的第一面限定真空气密外壳的内壁并且每个端板16、18的第二面限定真空气密外壳的外壁。

真空开关还包括第一电极20、第二电极22和辅助电极24。

第一电极20包括多个第一伸长子电极20a，其每个从第一端板16的第一面延伸至真空气密外壳中。第二电极22包括多个第二伸长子电极22a，其每个从第二端板18的第一面延伸至真空气密外壳中。

辅助电极24被安装在圆筒形壳体10之间，使得辅助电极24被布置在真空气密外壳内的第一与第二电极20、22之间且与该第一与第二电极20、22间隔开。辅助电极24包括多个第三伸长子电极24a和多个第四伸长子电极24b。辅助电极还包括第一面(其面向第一端板16的第一面)以及第二面(其面向第二端板18的第一面)。多个第三伸长子电极24a从辅助电极24的第一面延伸，而多个第四伸长子电极24b从辅助电极24的第二面延伸。

每个伸长子电极20a、22a、24a、24b与通过第一和第二电极20、22延伸的纵轴平行地延伸。多个伸长子电极20a、22a、24a、24b中的每个关于通过第一和第二电极20、22延伸的纵轴径向地布置。每个第一伸长子电极20a被布置在两个第三伸长子电极24a之间且与两个第三伸长子电极24a间隔开，以限定交替的第一和第三伸长子电极20a、24a的交叉径向阵列，如图2所示，并且每个第二伸长子电极22a被布置在两个第四伸长子电极24b之间且与两个第四伸长子电极24b间隔开，以限定交替的第二和第四伸长子电极22a、24b的交叉径向阵列。

每个伸长子电极20a、22a、24a、24b具有固定的位置，即，它不能移动。因此，在每个第一伸长子电极20a与每个相邻第三伸长子电极24a之间存在固定间隙，并且在每个第二伸长子电极22a与每个相邻第四伸长子电极24b之间存在固定间隙。这意味着第一和第二电极20、22由固定的、有效间隙分隔开，该间隙是通过布置第一、第二和辅助电极20、22、24的伸长子电极20a、22a、24a、24b的交叉径向阵列得到的。在真空开关中包括辅助电极24不仅增加了第一电极20与第二电极22之间的有效间隙从而增大真空开关的电气耐压能力，还支持在断开真空开关之后优异的介质恢复。

每个伸长子电极20a、22a、24a、24b包括杆部和位于杆部自由端的端部26。每个端部26被定形为部分地球形。每个端部26具有比对应杆部更大的直径。在本发明的其他实施例中，可以设想，每个端部可以被定形为完全地球形。

每个端板16、18和电极20、22、24由无氧高导电性(oxygen-free highconductivity，OFHC)铜制成。可选地，每个子电极20a、22a、24a、24b可以涂覆有、被附着于、或被连接至耐火材料，该耐火材料可以选自例如铜-铬、铜-钨、铜钨碳化物、钨、铬或钼的组。可选地，每个端部26可以由耐火材料制成，其可以选自例如铜-铬、铜-钨、铜钨碳化物、钨、铬或钼的组。这些耐火材料不仅展现优异的导电性，而且还在继使用真空开关来中断DC电流之后表现高介电强度。

真空开关还包括第一和第二触发电极28以及第一电压控制器。第一电极还包括第一管状伸长子电极30，其从第一端板16的第一面延伸到真空气密外壳中，并且第二电极还包括第二管状伸长子电极32，其从第二端板18的第一面延伸至真空气密外壳中。每个管状伸长子电极30、32与通过第一和第二电极20、22延伸的纵轴同轴地布置。每个管状伸长子电极30、32被配置为容纳对应触发电极28并且经由陶瓷垫片与对应触发电极28间隔开。

在使用中，每个触发电极28被连接到电压源。第一电压控制器被配置为在每个触发电极28与第一和第二电极20、22中对应一个之间选择性地产生差分电压，以便电离所述气体并且从而在所述真空气密外壳中形成所述辉光放电。

圆筒形壳体10的内壁通过中央罩34免受辉光放电影响，该中央罩34与圆筒形壳体10的内壁重叠。

真空气密外壳具有1升的内体积和2000cm²的内表面积。真空开关还包括压力控制器36，其经由端口被连接到真空气密外壳的内体积。端口的直径为100mm且长度为5cm。应该理解的是，真空气密外壳的内体积和内表面积可以根据真空开关的设计需求而变化。

压力控制器36包括泵送装置和排气装置。

泵送装置包括具有每秒1000升抽速的涡轮分子泵(或任何其它泵)。为了降低真空气密外壳的内部压力(内部压强)，泵送装置可以被操作为从真空气密外壳选择性地去除至少一部分气体。泵送装置的抽速可以根据真空开关的设计需求而变化。

排气装置包括在0.08托的压力水平下包含0.1升气体的存储容量。为了增大真空气密外壳的内部压力，排气装置可以被操作为根据存储容量的压力均衡方式通过2英寸的阀将气体选择性地引入真空气密外壳。

以前述方式，压力控制器36被配置为控制真空气密外壳的内部压力。

压力控制器36被配置为在第一真空水平与第二真空水平之间选择性地切换真空气密外壳的内部压力。第一真空水平被设定为0.01托并且对应于气体的巴邢最小状态。第二真空水平被设定为小于1×10^-3托。从图3可以看出，压力控制器36将真空气密外壳的内部压力从第二真空水平切换38a到第一真空水平所花费的时间是2ms，并且压力控制器36将真空气密外壳的内部压力从第一真空水平切换38b到第二真空水平所花费的时间是7.5ms。

可以设想，在本发明的其他实施例中，排气装置可以被质量流量控制器取代。

如下描述真空切换组件切换DC电流的操作。

在使用中，辅助电极24被保持在浮置电势，同时第一和第二电极20、22中的每个被连接到携带有DC电压的相应电路。应当理解的是，在本发明的其他实施例中，第一和第二电极中的每个可以被连接到携带有AC电压的相应电路，并且因此真空切换组件可以被操作为切换AC电流。

为了导通真空开关，压力控制器36将真空气密外壳的内部压力从第二真空水平切换到第一真空水平。这将真空气密外壳中气体的密度增大至允许在真空气密外壳中形成辉光放电的水平。

然后通过使电流穿过气体以便电离气体而形成辉光放电。更具体地，第一电压控制器在触发电极28之一与第一和第二电极20、22中对应一个之间产生差分电压，以便电离气体并且由此在真空气密外壳中形成辉光放电。

在真空气密外壳中形成辉光放电之后，辉光放电扩散至每个交叉径向阵列中的子电极20a、22a、24a、24b之间的间隙以及每个子电极20a、22a、24a、24b的表面之间。这提供了电流在第一电极20与辅助电极24之间以及第二电极22与辅助电极24之间流动的路径，从而经由辅助电极24和交叉径向阵列的子电极20a、22a、24a、24b之间的辉光放电，提供了电流在第一电极20与第二电极22之间流动的有效路径。以这种方式，真空开关被导通。压力控制器36将真空气密外壳的内部压力控制为停留在第一真空水平处，以允许维持真空气密外壳中的辉光放电且从而使得真空开关保持导通。

使用第一电压控制器在真空气密外壳中形成辉光放电使得在相对于交叉径向阵列的子电极20a、22a、24a、24b的中央位置中能够最初地形成辉光放电，从而促进交叉径向阵列的子电极20a、22a、24a、24b中辉光放电的更均匀膨胀。这进而提供了电流在第一电极20与第二电极22之间流动的更均匀路径，并且从而得到真空开关的可靠导通行为，由此提高真空切换组件的可靠性。

如上所述地配置每个端部26增大了对应子电极20a、22a、24a、24b的表面积，以这种方式使得子电极20a、22a、24a、24b的表面上的辉光放电和每个交叉径向阵列两端的电流密度更均匀分布。这提高了真空开关的电流中断能力、耐高电压能力和介质恢复。

因为第一真空水平对应于气体的巴邢最小状态，所以当真空开关被导通时，在第一电极20与第二电极22之间的介电强度处于其最小值。这使得在第一电极20和第二电极22之间的电压降被保持在最小值，并且从而当真空开关被导通时最小化电极20、22的表面之间的能量耗散。

然而，可以理解的是，在本发明的其他实施例中，第一真空水平的压力值可以变化，只要它允许且维持真空气密外壳中的辉光放电，以允许经由辅助电极和在交叉径向阵列的子电极之间的辉光放电，使电流在第一电极与第二电极之间流动。

在真空开关导通过程中，在第一和第二电极20、22之间的电压降随着真空气密外壳中气体的类型变化。因此，当在真空气密外壳的内部压力的第一真空水平处导通真空开关时，气体可以被选择为最小化在第一和第二电极20、22两端出现的电压。

为了断开真空开关，压力控制器36将真空气密外壳的内部压力从第一真空水平切换到第二真空水平。这将真空气密外壳中气体的密度减小到抑制在真空气密外壳中维持辉光放电的水平。因此，在交叉径向阵列的子电极20a、22a、24a、24b之间的间隙中辉光放电熄灭。这移除了电流在第一电极20与辅助电极24之间以及第二电极22与辅助电极24之间流动的路径，从而移除了电流经由辅助电极24和交叉径向阵列的子电极20a、22a、24a、24b之间的辉光放电在第一电极20与第二电极22之间流动的有效路径。以这种方式，真空开关被断开。压力控制器36将真空气密外壳的内部压力控制为停留在第二真空水平处，以抑制了在真空气密外壳中形成新的辉光放电，由此使得真空开关保持断开。

导通真空开关所花费的时间与压力控制器36将真空气密外壳的内部压力从第二真空水平切换至第一真空水平所花费的时间是一样的，即2ms。断开真空开关所花费的时间与压力控制器36将真空气密外壳的内部压力从第一真空水平切换至第二真空水平所花费的时间是一样的，即7.5ms。

在将真空气密外壳的内部压力从第二真空水平切换到第一真空水平的过程中，在第一电极20与第二电极22之间可能会发生电击穿，从而导致形成电诱导击穿弧放电，这可以损坏或改变电极20、22、24的表面。

为了避免形成电诱导击穿弧放电，第二电压控制器还可以被配置为当所述真空气密外壳的所述内部压力从所述第二真空水平切换至所述第一真空水平时，在所述真空气密外壳的所述内部压力达到允许形成电诱导击穿弧放电的真空水平之前，在触发电极28中之一与所述第一电极20和第二电极22中对应一个之间选择性地产生差分电压，以便电离所述气体并且从而在所述真空气密外壳中形成所述辉光放电。这确保真空气密外壳的所述内部压力从所述第二真空水平到所述第一真空水平的切换没有导致形成电诱导击穿弧放电。

可选地，压力控制器36可以被配置为选择性地改变所述真空气密外壳的所述内部气体压力在所述第一真空水平与第二真空水平之间的变化的速率，以便改变所述真空开关的导通或断开的速率。这允许压力控制器36不仅控制第一和第二电极20、22两端的恢复电压的变化的速率，还控制真空气密外壳的内部气体压力在第一真空水平与第二真空水平之间的变化的速率，以抑制产生电压瞬变，从而无需增加避雷器来处理任何电压瞬变。

另外，可选地，压力控制器36可以被配置为在多个真空水平的范围内改变所述真空气密外壳的所述内部压力，所述真空水平中的每个允许在所述真空气密外壳中形成和维持辉光放电，以允许经由辅助电极24和交叉径向阵列的子电极20a、22a、24a、24b之间的辉光放电，电流在所述第一电极20与第二电极22之间流动，同时所述真空开关被导通。这允许压力控制器36不仅主动地改变真空开关中的电流密度，还主动地改变第一和第二电极20、22之间的电压，从而使得真空开关被操作为电力流控制器，以控制被连接到第一和第二电极的电路中电流的变化率。

使用辉光放电作为电流在电极20、22、24之间流动的路径的益处在于它无需在电极20、22、24之间的金属蒸气电弧，并且从而避免发生阳极点活动，阳极点活动可以导致电极表面侵蚀、熔化、电极20、22、24之间减小的击穿电压、电介质失效和真空开关在电流零之后不能成功地恢复。

因此，在真空开关中包括压力控制器36得到能够切换AC和DC电流的真空切换组件，而无需使用移动电极并且无需电极20、22、24之间的金属蒸气电弧，从而消除了在切换过程中与电极分离相关的前述问题。根据本发明的真空切换组件可以形成电力切换装置的一部分。

可以设想，在本发明的其他实施例中，第二真空水平可以具有比第一真空水平更高的压力值，只要第二真空水平抑制在真空气密外壳中形成和维持辉光放电，以防止电流经由辉光放电在第一电极与第二电极之间流动。

当需要真空开关来切换高电流时，作用在电极上的合磁力可以变得足够强以引起电极20、22、24变形。可以设想，在本发明的其他实施例中，每个电极可以包括至少一个结构加固元件，所述结构加固元件被布置为抑制由磁力引起所述电极变形，所述磁力是由所述电极中电流流动过程中产生的磁场引起的。例如，每个电极中的所述或每个结构增强元件可以是放置在电极内(优选地沿着其纵轴)的非磁性钢插入件、或者可以是被连接(例如钎焊)至支撑结构的钢管，其中该支撑结构与电极相关联并且在真空气密外壳外部延伸。

可选地，真空切换组件还可以包括螺线管形式的磁场发生器(未示出)。螺线管位于真空气密外壳外部并且关于所述真空气密外壳布置，以使得螺线管产生磁场，所述磁场的磁场方向横向于所述辉光放电中的电场方向。

产生具有磁场方向横向于辉光放电中电场方向的磁场有助于辉光放电电压的上升。从而，在真空开关中电流零时刻施加磁场加速了在断开真空开关之后的介质恢复。

可以设想，在本发明的其他实施例中，第一和第二电极可以被定形和布置为限定以下任一个：

●一对圆柱同轴电极；

●一对平行板电极；

●一对球状同轴电极。

还可以设想，在本发明的其他实施例中，即使真空开关的导通和断开不需要第一和第二电极的移动，所述第一和第二电极的任一个或每个可以被配置为能够移动，以便增加或减小第一电极与第二电极之间的间隙。

还可以设想，在本发明的其他实施例中，真空开关还可以包括第二电压控制器，被配置为在所述第一电极与第二电极之间选择性地产生差分电压，以便电离所述气体并且从而在所述真空气密外壳中形成所述辉光放电。

真空切换组件中真空开关的数量和布置可以根据真空切换组件的设计需求而变化。真空切换组件可以例如包括多个串联连接的和/或并联连接的真空开关。多个真空开关可以被连接以限定真空切换组件的不同配置，以便改变其操作电压和电流特性来匹配相关电力应用的需求。

当真空开关被导通时，第一和第二电极20、22之间的电压降使得产生热损失，该热损失经由辉光放电快速地分布至真空开关的组件。真空开关还包括热交换器(未示出)，通过热交换器来循环气体来去除这些热损失并且从而将真空开关的温度维持在容许极限内。

图4示出根据本发明第二实施例的用于切换DC电流的电力切换装置40。

电力切换装置40包括真空切换组件42和机械切换组件44。机械切换组件42在一对端子46、48之间与所述真空切换组件44并联连接。在使用中，端子46、48中的每个被连接至携带DC电压的相应电路。可以理解地是，在本发明的其他实施例中，每个端子可以被连接至携带AC电压的相应电路，并且因此，电力切换装置可以被操作为切换AC电流。

电力切换装置40的真空切换组件42在结构和操作上与图1的真空切换组件类似，并且相似的特征共用相同的附图标记。

机械切换组件44包括机械开关。

在使用中，在电路的正常操作期间，真空切换组件42中的真空开关被断开，同时机械切换组件44中的机械开关闭合以传导在两个端子46、48之间流动的电流。这不仅使得与真空切换组件42相比较总体减少的热损失，而且还无需上述热交换器。

电力切换装置40被如下所述地断开。最初地，机械开关被断开。一旦在机械开关中产生足够大的电弧电压，真空开关被导通，以将电流从机械切换组件44转移至真空切换组件42，从而熄灭机械开关中的电弧并且完全断开具有完全介质恢复的机械开关。然后真空开关被断开，以完成电力切换装置40的断开。

电力切换装置40被如下所述地导通。最初地，真空开关被导通。然后机械开关闭合。一旦机械开关完全闭合并且从而携带在端子46、48之间流动的电流，真空开关被断开以完成电力切换装置40的导通。

Claims (24)

1.一种用于切换AC或DC电流的真空切换组件，所述真空切换组件包括真空开关，所述真空开关包括：

第一电极和第二电极，位于真空气密外壳中，所述真空气密外壳包含气体或气体混合物，所述第一电极和第二电极限定由间隙隔开的相对电极，所述第一电极和第二电极中的每个能够被连接至携带AC或DC电压的相应电路；以及

压力控制器，被配置为控制所述真空气密外壳的内部压力，其中所述压力控制器被配置为在第一真空水平与第二真空水平之间选择性地切换所述真空气密外壳的所述内部压力：

所述第一真空水平允许在所述真空气密外壳中形成和维持辉光放电，以允许电流经由所述辉光放电在所述第一电极与第二电极之间流动，以便导通所述真空开关；以及

所述第二真空水平抑制在所述真空气密外壳中形成和维持辉光放电，以防止电流经由所述辉光放电在所述第一电极与第二电极之间流动，以便断开所述真空开关。

2.根据权利要求1所述的真空切换组件，其中所述第二真空水平具有比所述第一真空水平低或高的压力值。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的真空切换组件，其中所述压力控制器包括：泵送装置，被配置为从所述真空气密外壳选择性地去除至少部分气体或气体混合物；和/或排气装置或质量流量控制器，被配置为将气体或气体混合物选择性地引入所述真空气密外壳。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的真空切换组件，其中所述真空开关还包括与所述第一电极和第二电极中的一个间隔开的触发电极，并且所述真空开关还包括第一电压控制器，被配置为控制所述触发电极的所述电压，所述第一电压控制器被配置为在所述触发电极与所述第一电极和第二电极中的对应一个之间选择性地产生差分电压，以便电离所述气体或气体混合物并且从而在所述真空气密外壳中形成所述辉光放电。

5.根据权利要求4所述的真空切换组件，其中所述第一电压控制器还被配置为当所述真空气密外壳的所述内部压力从所述第二真空水平切换至所述第一真空水平时，在所述真空气密外壳的所述内部压力达到允许形成电诱导击穿弧放电的真空水平之前，在所述触发电极与所述第一电极和第二电极中对应一个之间选择性地产生差分电压，以便电离所述气体或气体混合物并且从而在所述真空气密外壳中形成所述辉光放电。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的真空切换组件，其中所述真空开关还包括与所述第一电极间隔开的第一触发电极和与所述第二电极间隔开的第二触发电极，并且所述真空开关还包括第一电压控制器，被配置为控制所述第一触发电极和第二触发电极中的每个触发电极的所述电压，所述第一电压控制器被配置为在所述第一触发电极和第二触发电极中的每个触发电极与所述第一电极和第二电极中的对应一个之间选择性地产生差分电压，以便电离所述气体或气体混合物并且从而在所述真空气密外壳中形成所述辉光放电。

7.根据权利要求6所述的真空切换组件，其中所述第一电压控制器还被配置为当所述真空气密外壳的所述内部压力从所述第二真空水平切换至所述第一真空水平时，在所述真空气密外壳的所述内部压力达到允许形成电诱导击穿弧放电的真空水平之前，在所述第一触发电极和第二触发电极中的每个触发电极与所述第一电极和第二电极中对应一个之间选择性地产生差分电压，以便电离所述气体或气体混合物并且从而在所述真空气密外壳中形成所述辉光放电。

8.根据权利要求1或权利要求2所述的真空切换组件，其中所述真空开关还包括第二电压控制器，被配置为在所述第一电极与第二电极之间选择性地产生差分电压，以便电离所述气体或气体混合物并且从而在所述真空气密外壳中形成所述辉光放电。

9.根据权利要求1或权利要求2所述的真空切换组件，其中所述第一真空水平为0.01托到0.1托的范围。

10.根据权利要求1或权利要求2所述的真空切换组件，其中所述第一真空水平对应于所述气体或气体混合物的巴邢最小状态。

11.根据权利要求1或权利要求2所述的真空切换组件，其中当在所述真空气密外壳的所述内部压力的所述第一真空水平处导通所述真空开关时，所述气体或气体混合物被选择为最小化在所述第一电极和第二电极之间出现的电压。

12.根据权利要求1或权利要求2所述的真空切换组件，其中所述压力控制器被配置为选择性地改变所述真空气密外壳的所述内部气体压力在所述第一真空水平与第二真空水平之间的变化的速率，以便改变导通或断开所述真空开关的速率。

13.根据权利要求1或权利要求2所述的真空切换组件，其中所述压力控制器被配置为在多个真空水平的范围内改变所述真空气密外壳的所述内部压力，所述真空水平中的每个允许在所述真空气密外壳中形成和维持辉光放电，以允许电流经由所述辉光放电在所述第一电极与第二电极之间流动，同时所述真空开关被导通。

14.根据权利要求1或权利要求2所述的真空切换组件，其中所述第一电极和第二电极由固定间隙分隔开。

15.根据权利要求1或权利要求2所述的真空切换组件，其中所述第一电极和第二电极被定形和布置为限定以下任意一个：

●一对圆柱同轴电极；

●一对平行板电极；

●一对球状同轴电极。

16.根据权利要求1或权利要求2所述的真空切换组件，其中所述第一电极包括多个第一伸长子电极，所述第二电极包括多个第二伸长子电极，并且所述真空开关还包括辅助电极，所述辅助电极布置在所述真空气密外壳内部的所述第一电极与第二电极之间且与所述真空气密外壳内部的所述第一电极与第二电极间隔开，所述辅助电极包括多个第三伸长子电极和多个第四伸长子电极，每个子电极与通过所述第一电极和第二电极延伸的纵轴平行地延伸，多个伸长子电极中的每个关于通过所述第一电极和第二电极延伸的所述纵轴径向地布置，每个第一伸长子电极被布置在两个第三伸长子电极之间且与两个第三伸长子电极间隔开，以限定交替的第一伸长子电极和第二伸长子电极的交叉径向阵列，每个第二伸长子电极被布置在两个第四伸长子电极之间且与两个第四伸长子电极间隔开，以限定交替的第二伸长子电极和第四伸长子电极的交叉径向阵列。

17.根据权利要求16所述的真空切换组件，其中所述真空开关还包括与所述第一电极和第二电极中的一个间隔开的触发电极，并且所述真空开关还包括第一电压控制器，被配置为控制所述触发电极的所述电压，所述第一电压控制器被配置为在所述触发电极与所述第一电极和第二电极中的对应一个之间选择性地产生差分电压，以便电离所述气体或气体混合物并且从而在所述真空气密外壳中形成所述辉光放电，以及其中所述第一电极和第二电极中的任一个或每个包括与通过所述第一电极和第二电极延伸的所述纵轴同轴布置的管状伸长子电极，所述管状伸长子电极被配置为容纳所述对应触发电极并且与所述对应触发电极间隔开。

18.根据权利要求16所述的真空切换组件，其中所述真空开关还包括与所述第一电极间隔开的第一触发电极和与所述第二电极间隔开的第二触发电极，并且所述真空开关还包括第一电压控制器，被配置为控制所述第一触发电极和第二触发电极中的每个触发电极的所述电压，所述第一电压控制器被配置为在所述第一触发电极和第二触发电极中的每个触发电极与所述第一电极和第二电极中的对应一个之间选择性地产生差分电压，以便电离所述气体或气体混合物并且从而在所述真空气密外壳中形成所述辉光放电，以及其中所述第一电极和第二电极中的任一个或每个包括与通过所述第一电极和第二电极延伸的所述纵轴同轴布置的管状伸长子电极，所述管状伸长子电极被配置为容纳所述对应触发电极并且与所述对应触发电极间隔开。

19.根据权利要求16所述的真空切换组件，其中每个伸长子电极包括杆部和位于所述杆部自由端的端部，每个端部被定形为部分地或完全地球形，每个端部具有比所述对应杆部更大的直径。

20.根据权利要求16所述的真空切换组件，其中每个伸长子电极的至少一部分涂覆有、被附着于、或被连接至耐火材料。

21.根据权利要求1或权利要求2所述的真空切换组件，其中每个电极包括至少一个结构加固元件，所述结构加固元件被布置为抑制由磁力引起所述电极变形，所述磁力是由所述电极中电流流动过程中产生的磁场引起的。

22.根据权利要求1或权利要求2所述的真空切换组件，还包括位于所述真空气密外壳外部的磁场发生器，所述磁场发生器关于所述真空气密外壳布置，以使得所述磁场发生器产生磁场，所述磁场的磁场方向横向于所述辉光放电中的电场方向。

23.根据权利要求1或权利要求2所述的真空切换组件，包括多个串联连接的和/或并联连接的真空开关。

24.一种用于切换AC或DC电流的电力切换装置，所述电力切换装置包括：

根据权利要求1或权利要求2所述的真空切换组件；以及

机械切换组件，在一对端子之间与所述真空切换组件并联连接，所述端子中的每个能够被连接至携带AC或DC电压的相应电路，所述机械切换组件包括至少一个机械开关。