CN105723489B - 具有阻断半导体的换向开关 - Google Patents

Abstract

一种机械开关，其通过将电流换向到能量吸收路径，或者穿过至少一个阻断半导体的路径序列，以断开电路来工作，其中，所述换向由至少一个梭电极在至少一个固定电极上的滑动运动引起。

Description

具有阻断半导体的换向开关

技术领域

本发明涉及一种换向开关(commutating switch)，例如断路器。

背景技术

为了断开任意DC电路，由于流动的电流而储存在磁场中的感应能量必须被吸收；所述感应能量可以在电容器中储存，或在电阻器中耗散(在断开电路期间形成的电弧在这一意义上是电阻器的特例)。使用欧姆电阻器限定用于换向断路器的失跌点(resistancelevel)的主要困难在于：(1)对于每一个失跌点，瞬态电压的增加取决于流动的电流和在换向时引入的电阻，以及(2)(在故障期间的)电流的增加率或(在电阻引入之后的)衰减的速率主要取决于最严重的故障类型的“完全短路”中的电感，在完全短路中系统电阻几乎为零；电感和(断路器外部的)系统电阻在实际故障中可以有很多变化。因此，理想的是，计算并且限定合适的失跌点，以在每一次断路器操作时插入电阻器，以获得插入的电阻器两端的目标的最大瞬态电压差，但是如果使用欧姆电阻器，这是不实际的。

当在电路中插入变阻器、反向齐纳二极管或瞬态吸收器(transrob)时，它们形成了吸收在故障中储存的能量的反向电动势(EMF)；这可以被看作为高度非线性的电阻，但是，将其看作电池也是合理的，所述电池在充电期间失去所有的存入能量，但是仍设法较好地控制“充电电流”的电压。

由于短路时电流的迅速涌入，感应能量可以轻易地远大于仅在正常满负载下储存在系统中的感应能量；如果电流在被控制之前达到正常满负载安培数的五倍，感应能量将达到正常满负载下电路的感应能量的二十五倍(取决于短路的位置)。直到最近，针对DC断路器的测试标准已经采取了与电弧隔板(arc chute)断路器(自爱迪生时代以来的标准DC断路器设计)对应的缓慢操作，其中在接收到脱扣(trip)信号之后，断开电极的时间典型地大于或等于三毫秒(ms)；达到电流开始下降的时刻可以花费甚至更长的时间(达到十毫秒)。这意味着，在短路中通过电弧隔板断路器可以建立高电流，可能到达DC电源的最大能力。为此，适用于美国的电气列车(ANSI/IEEE37.20)的断路器的DC断路器标准要求断路器能够处理200,000安培(200千安培，“kA”)的电流，大约是电气列车地铁系统中的DC故障的最大短路电流。

第二类机械切换的DC断路器包括来自日立的创新的、快速动作的高速真空断路器(HSVCB)DC断路器(参见例如美国专利4,216,513)，所述DC断路器基于使用电感器和电容器建立L-C谐振电路，所述谐振电路与AC真空断路器联接，从而在电流通过零点时中断电流。这些断路器使正常DC电路的绝缘件和电路部件处于迅速的电压反转和电压峰值的影响之下。针对用于DC轨道应用的L-C谐振电路断路器，相较于较慢的电弧隔板轨道断路器必须经受的200kA，日本的调节器(标准JEC-7152)允许较低的最大电流(50kA)。基于L-C谐振断路器的更快速地电路断开动作使之成为可能。实质上，在这样的断路器中，电容器的放电(电子触发)建立了引起电流振荡穿过零点的L-C谐振(非常类似AC电路)。这一振荡迅速衰减，但是在衰减期间，真空断路器在电流穿过零点时断开电路。近期的美国专利申请(13/697,204)显示这一机构也适用于高压DC(HVDC)电路。

已知的切断DC电力的最快方式是使用可切换的电力电子设备断开电路；这些设备典型地是半导体(晶闸管或晶体管)，但是真空管也能够被使用。在这些设计中，开关本身的电阻是重要的考虑因素，因为在导通状态下整个电路的负载通过开关。在最常用类型的电力电子开关(即集成栅极的双极晶体管(IGBT))的情况下，通常导通时的损耗可以是传输功率的0.25-0.50％，这一损耗对于许多应用不可接受地大，并且还暗含着针对高功率电路的非常大的冷却负载，所述冷却负载典型地要求泵送的液体冷却剂。主动式冷却的需要增加了成本和环境影响，并且降低了开关的可靠性。

ABB是DC开关的加速操作的另一方法的主要开发者，所述DC开关包括断路器，所述断路器是一种电力电子开关和机械开关的混合体，但是维持了低于纯电力电子断路器的导通状态的损耗。在这一混合方法中，存在至少两个与快速机械开关结合的电力电子开关。第一电力电子开关是低损耗的、耐低压开关，所述第一电力电子开关将电流换向至穿过具有耐高电压能力的第二电力电子开关到第二路径(但具有更高的导通状态损耗)。所述第二电力电子开关可由一堆IGBT晶体管、一堆门极关断(GTO)晶闸管，或各种能够切断电流的管件组成。在所述第二电力电子开关可以被电子地关断之前，耐低压的第一电子开关必须通过串联连接的机械开关保护其免受组合的电压冲击的影响；第二高电压能力的断路开关不可以断开电路，直到机械开关的可动电极到达防止触发或再触发电弧的最小间隔。这一串联连接的机械开关是开关中最慢的部件，因此使机械开关更快可使得混合开关更快。目前使用的快速机械开关具有电极，所述电极经由电磁排斥或借助穿过汤普森线圈(感应磁性排斥)的电容器放电而被磁性地加速，并且，这些电极在真空中或在气体中分离，所述气体可以是六氟化硫气体或气体混合物。

在用于中电压DC(MVDC)的混合断路器中，所述第一耐低电压开关可期望地是IGCT(集成栅极换向晶闸管)；对于高电压DC(HVDC)混合断路器，所述第一耐低电压开关可期望地是单级IGBT，所述单级IGBT将电流换向到具有多个串联连接的IGBT的IGBT阵列，每一个IGBT与金属氧化物变阻器(MOV)并联。第二高电压能力的断路开关可以包括串联连接的IGBT晶体管阵列、一堆门极关断晶闸管(GTO)、冷阴极真空管，或能够切断功率流的类似的电力电子开关。

有报道称，汤普森线圈致动的机械开关中存在大约100微秒的响应延迟时间，这是由于所连接的电极的机械式响应，。

如果混合开关也是断路器，则还必需存在一种能量吸收减振器(例如半导体阻断器件或电容器组)，以吸收储存在由电流建立的磁场中的感应能量。上文所述的混合断路器是一个举例，其中，在HVDC电路储存的感应能量(可以超过100兆焦耳)的大部分在断路器的操作期间被半导体阻断器件吸收。

发明内容

本公开包括一种机械开关，所述机械开关通过将电流换向到能量吸收路径，或穿过至少一个阻断半导体的路径序列而断开电路，其中，所述换向由至少一个梭电极(shuttle electrode)在至少一个固定电极上的滑动运动引起。所述阻断半导体可以包括变阻器(例如聚合物基体的变阻器，或金属氧化物变阻器，“MOV”)、齐纳二极管(Zenerdiode)(仅对在一个方向(相反方向)的阻断是有效的)，或者瞬态电压抑制二极管(双向阻断直至击穿电压)。所述阻断半导体吸收所储存的感应能量的至少一部分，以使得电路能够断开，且具有控制最高电压(本文中，瞬态电压抑制二极管被称为“瞬态吸收器”)。为了使滑动开关在电极分离时不产生电弧，这些电极中的至少一个优选地具有电阻率增加的区域，所述区域形成所述电极的最后部分，以电连接至匹配电极，从而限定通过所述开关的导通状态的电路。在正常的导通状态下，电流通过匹配电极的低电阻部分，但是随着开关断开，电流被换向到至少一个明确限定的第二能量吸收路径，所述第二能量吸收路径穿过在击穿电压阈值以下阻断电流的非线性的、非欧姆性的电阻器(例如为变阻器(可以是聚合物基体的变阻器，或金属氧化物变阻器，“MOV”)或瞬态电压抑制二极管或齐纳二极管；所有这种电压-限制半导体器件在本文中被称为“阻断半导体”。

所述电极的电阻率可变的后边缘(trailing edge)部分能够附接至梭电极、定子电极，或优选地附接至二者。针对实验限定的一系列关于电压、电流、电容和电感的故障条件范围，电极后边缘中的分级电阻率在电极分离时防止形成电弧；电流和电感尤其重要，因为它们决定了为了断开电路而必须消耗或储存的流动的电流中储存的磁性能量的数量。

所述开关将电流换向到穿过阻断半导体的至少一个并联路径。使用两个或更多阻断半导体能够分配电压，提供有用的安全限度，或者降低切换期间的电压偏移(voltageexcursion)。在一些情况下还期望，所述阻断半导体器件集成地连接至梭电极在其上运动的定子电极，从而在定子电极中产生电压梯度。本公开的开关可等同地适用于AC或DC电力，但是，对于DC电力情况具有特别的优势。

本公开的特征在于换向开关。换向开关可以包括具有固定电极的固定部分，以及具有可动电极的可动部分。当固定电极和可动电极导电接触时，可以限定开关闭合位置，并且，可动部分能够相对于固定部分运动，以中断固定电极和可动电极之间的导电接触，从而限定开关断开位置。在断开开关时电流被换向到还可以存在非线性的、非欧姆性的阻断半导体的电气路径中。

可动部分可包括梭子(shuttle)，或者可包括转子(rotor)。固定电极和可动电极可包含在介电液体中，所述介电液体处于至少1MPa的液压下，更具体地可以大于10MPa。固定部分可以包括两个固定的、隔开的电极，并且，分离电气路径(separate electricalpaths)可通过两个固定的、隔开的电极连接。

固定电极可包括多个相邻的分离导体。当开关断开时，可动电极的每一个能够与分离导体中的一个产生电接触。或者，当开关断开时，可动电极能够同时与分离导体中的至少两个产生电接触。

所述换向开关可以具有处于电气路径中的多个非线性的、非欧姆性的阻断半导体，在开关断开时电流被换向到该电气路径中。所述多个非线性的、非欧姆性的阻断半导体可布置成叠层。非线性的、非欧姆性阻断半导体可以是布置为叠层的金属氧化物变阻器(MOV)，所述金属氧化物变阻器以这种方式布置使得，换向电极的运动让电流运动通过数量增加的MOV，导致叠层两端的电压逐步增加。MOV可以被布置以使得支持MOV的薄片的边缘一直延伸至一区域，在所述区域，薄片的边缘与运动的梭电极直接接触，使得相邻的薄片之间的电压变化在正常工作状态下不超过四伏特。

固定部分可以是定子，并且可动部分可以是转子。转子可以通过摩擦保持部分地固定，所述摩擦来自于在转子的表面区域的相当大部分上与转子接触的紧密装配的定子。定子可以围绕转子，并且定子可以包括可互换的拱顶石形(keystone-shaped)构件。拱顶石形构件可以通过弹性力或施加在防渗膜上的外部液压而保持抵靠转子，所述防渗膜围绕拱顶石形构件。定子可包括多个换向级(commutation stage)、多个定子电极和电阻器：所述换向级的每一级包括两个换向区域，每一个换向区域包括导电导线；所述定子电极的每一个电联接至所述导电导线；所述电阻器位于每一个定子电极和导电导线之间，其中，每一级的两个区域的两个导电导线通过阻断半导体电连接。定子电极中的至少一些可以包括液态金属。

电极可以滑动分离。固定电极和可动电极的中一个或二者可以具有形成电极的最后部分的分级的、电阻率增加的区域，所述电极的最后部分在开关从闭合位置运动到断开位置时与另一个电极电连接。

换向开关可以包括在串联的电气路径中的至少两个阻断半导体。固定部分可以包括一连串叠层的金属氧化物变阻器。变阻器可以是环形的，并且具有不同的外径。开关的可动部分可以在闭合位置处于应力下。阻断半导体可选自于由变阻器、齐纳二极管和瞬态电压抑制二极管组成的半导体组。

附图说明

图1显示具有两个阻断半导体的旋转运动换向开关，所述两个阻断半导体在换向器旋转时连接至承载电流的定子电极；

图2显示将电流换向到单个阻断半导体以断开电路的旋转换向开关；

图3显示三种类型的阻断半导体的对比性的电流电压特性；

图4显示具有六个换向区域的旋转运动的多级换向断路器；

图5显示具有两级的四个换向区域的线性运动的多级换向断路器；

图6显示具有杆、管或线状的梭子的换向断路器。

具体实施方式

本公开涉及一种固态机械开关，其能够断开电路而不在分开的电极之间产生电弧。本公开建立在PCT/US2012/058240的公开内容之上，后者通过引用方式整体并入本文。本公开包括代替所述PCT申请的一些或所有的欧姆电阻器的阻断半导体。这样的阻断半导体包括但不限于变阻器、齐纳二极管和瞬态吸收器；在所有的这些当中，电流在击穿电压下限制(champ)，并根据临界电流密度(例如，0.001安培每平方厘米)进行限定。所有的阻断半导体可以根据击穿电压(电流开始流动的电压)、有效电压控制范围(阻断半导体有用地控制在其端子两侧电压的电压范围)、能量吸收能力以及预期寿命进行比较。基于金属氧化物的变阻器(MOV)和诸如齐纳二极管和瞬态吸收器的晶体管之间的区别在于疲劳寿命。MOV在每次使用时发生退化。大的能量脉冲比小的能量脉冲使得MOV退化更多，并且，保持对MOV的状态的追踪可以成为一维护问题。借助细致的监控，MOV能够被可靠地重复使用，但是，对于设计低维护的开关或断路器，瞬态吸收器在技术上是非常优选的，尽管它们更为昂贵。

由于猝熄(quenching)电能的少电弧机制(arc-less mechanism)，本公开的开关对于DC电力是特别有利的，尽管它们也可用于AC电力。因为相比于空气、真空或者气体的设计，实现给定的耐电压水平的总的电极位移可以被降低，本公开还涉及更为紧凑的开关。在旋转运动开关的特殊情况下，高压介电液体环境(其抑制电弧的形成)能够仅使用较小体积的液体而维持在开关机构周围。

本创新在开关中使用高度非线性的电阻器(阻断半导体)，使得开关不需要经过多个电阻性阶段(resistive steps)的换向以断开电路。现有技术的开关已经有使用变阻器、瞬态吸收器或齐纳二极管来执行最终的电路断开，但是仅在于一系列欧姆电阻器吸收了大部分的储存感应能量之后。本创新认识到，利用高度非线性电阻的半导体器件(例如变阻器或瞬态吸收器)吸收大部分储存的感应能量是期望的。现有技术的换向开关依赖于穿过多个路径的电流的多次换向而猝熄感应能量。在本公开的开关中，到阻断半导体的单个换向能够断开电路。使用阻断半导体实现最终电路断开的一个基础性优点在于，在吸收所述感应能量期间电压几乎是恒定的，然而，使用欧姆电阻器用于吸收大部分的感应能量需要将电阻器插入到电路中的多次换向，在每一次换向之后，电压增加，接着是指数级的电压衰减。除了实现电阻器到电路中的多个换向的机制的复杂性之外，重复的指数级衰减必然具有低于最高电压的平均电压，这是开关绝缘的重要因素。最高电压必须被限制以控制瞬态高电压对介电部件的损坏。因为感应能量作为(电压)×(电流)对时间的积分而被猝熄，在猝熄期间维持接近最高电压的恒定的高电压(这能够利用阻断半导体实现)能够导致本公开的开关相比于其他开关更快速地猝熄。替代地，最大电压可以被降低，而不延长猝熄感应能量的时间。

示例

图1显示本公开的单极旋转开关(例如断路器)的一种简单设计。在这种情况下，断路器的旋转由花键轴101驱动，所述花键轴围绕其轴线100沿箭头120的方向旋转。在开关的操作过程中，转子(包括103、111、131、133和134)顺时针地旋转角度120或角度135。部件103是具有良好的强度的绝缘固体，例如玻璃纤维增强的聚合物或者自增强聚合物(例如液晶聚合物)；部件103还可以由复合泡沫形成，所述复合泡沫围绕转子电极111、131，以及将这两个转子电极电连接在一起的电连接线133、134而浇注。这样的复合泡沫由于结合了的低密度和高刚度，对于103是期望的。整个转子作为刚性主体在由24个拱顶石形的区段形成的共形壳体(conformal shell)内部运动，所述拱顶石形的区段的每一个覆盖所述共形壳体的15度的角度；不同的区段具有不同的电学特性：拱顶石105、107、109、125、127、142和144包括定子电极的部分，其中电流不时地流过这些区段，并且，140是重复地用于共形壳体的大部分的绝缘区段(仅一些绝缘区段140标记在图中)。弹性套管或流体压力可期望地用来推动所有的拱顶石形的区段抵靠转子。

电子从相对负极端子102穿过图1的开关运动到相对正极端子122；电极区段105、107、109和144经由连接线104、106和108连接到端子102，而电极区段125、127、129和144经由连接线124、126和128连接到端子122。电极区段107和127部分地是半导体性的，但是具有邻近109或129的绝缘层，并且还可根据电阻率在其自身的内部分级，使得电阻率从邻近105或125的边缘到邻近109或129的边缘增加。区段107和127电连接至除绝缘边界层136和138外的区段105和125，所述绝缘边界层从定子电极与转子电极相遇的内径处沿着导通状态的定子电极105、125和半导体性的定子电极107和127之间的边界部分地向外延伸。绝缘边界层136和138，其从定子电极与转子电极相遇的内径沿着导通状态的定子电极105、125和半导体性的定子电极107和127之间的边界部分地向外延伸，具有降低显著的局部加热的功能，否则，当转子电极111的后边缘从105运动到107时，所述显著的局部加热会在半导体性的电极107中在电极105和107之间的边界处发生，或者，当转子电极131的后边缘从125运动到127时，所述显著的局部加热会在半导体性的电极127中在电极125和127之间的边界处发生。绝缘边界层的功能还可以通过对半导体性的电极107和127的电阻率进行分级而得以实现；或者甚至更优选地，通过对转子电极111和131的后边缘的电阻率进行分级而得以实现。电极后边缘的分级在PCT/US2012/058240申请中进行了彻底地论述，该申请已经以引用方式并入本文。在绝缘边界层136和138的外侧，存在导电边界层137、139，该导电边界层从绝缘边界层136和138的最外半径处向外延伸到定子电极105和107的外部边缘(针对137)，或者延伸到定子电极107和109的外部边缘(针对139)。

存在两对并排的定子电极区段：109和144，以及第二对定子电极区段129和144，所述并排的定子电极区段通过阻断半导体110或130连接。这些并排的定子电极区段经由连接线108和128彼此电连接，并且电连接到所述阻断半导体110或130。整个旋转开关封装在注满高压介电绝缘油143的压力容器141中。实际情况中，高压介电绝缘油的体积通常比图示中显示的少得多，因为高压力容器141的内部边缘会期望与形成接触转子的实心定子的拱顶石(105、107、109、125、127、129、140、142和144)的外部边缘几乎紧密配合，以便使高压介电流体的体积最小化。保持拱顶石抵靠转子的器件(未显示)也是需要的，例如伸展的弹性体套管或者充液囊(包含比围绕电极的流体压力更高的流体)，所述器件被插入设置在压力容器141和构成定子的24个拱顶石区段的外侧之间。在拱顶石区段通过一个或多个充液囊保持抵靠转子的情况下，所述液囊内的压力能够被调节以调节拱顶石区段抵靠转子的法向力。

图1显示本公开的若干方面。在该装置中，电力通过两个阻断半导体器件110和130而被换向。考虑这样的情况：两个阻断半导体具有比正常线路电压高20％的击穿电压，并且能够在不高于正常线路电压的150％的冲击期间控制电压。考虑这样的情况：转子转动角度120为45度。在该位移的末端，阻断半导体110、130将保持在电路中。在这一给定方案中，在储存的感应能量足以推动电流穿过两个阻断半导体的电路中，操作图1的DC开关会在电路断开过程中产生三倍于正常线路电压的电压。在这种情况下，两个阻断半导体器件以完全关闭状态保持在电路中，并且两个阻断半导体的串联连接产生安全冗余度，其中一个阻断半导体可以失效，而开关仍将关断以抵抗大量的感应(储存的磁性)能量。替代地，这两个阻断半导体110、130的击穿电压可以被选择，使得电流的阻断需要两个装置的串联来阻断电流；这在电路断开时产生较低的过电压(仅1.5倍于正常工作电压，按照上述假设)，但是安全度较低。

在转子旋转角度120的最后，两个阻断半导体器件均在电路中。在高电感故障的情况下，在断开电路期间猝熄的大部分感应能量由阻断半导体吸收，而少量的感应能量由半导体性的定子电极107、127吸收。在低电感、低电流故障情况下，感应能量可以主要地或者甚至完全地由半导体性的定子电极107、127吸收。在断开开关期间，图1的装置还可以旋转角度135(＝90度)，在此情况下，转子电极111和131将旋转超过失去通过阻断半导体的电连接的位点(在旋转60度处)。这在阻断半导体是MOV(MOV是最经济的选择)的情况下提供了一些安全裕度。当MOV由于疲劳而失效时，由于特定路径的重复过热，形成穿过所述装置的短路。对于这一MOV电疲劳故障初始的几毫秒，通常仅有小电流流动，但是因为该电流进一步损坏MOV，所述穿过MOV的故障电流迅速增大。图1的装置通过90度的旋转而具有良好的机会以从这样的MOV故障中幸免，因为在触发开关的几毫秒内将MOV从电路中移除。如果所有的感应能量能够在穿过阻断半导体的连接就位期间被可靠地耗散，这是期望的；否则，当转子转动超过60度时(针对图1的设计)，会发生损坏性过电压瞬态。

图2是图1的单极开关的可对照但更为简单的方案。电路的断开通过转子155顺时针旋转角度150而完成，所述转子具有对称轴152和半径151，所述角度越过转子电极和定子电极失去接触的角度。在这种情况下，阻断半导体160处于与所述开关并联的电路中；当转子的旋转导致两个定子电极162和166之间的电压超过阻断半导体160的击穿电压时，电流被换向至阻断半导体160。定子电极162和166在导通状态下接触转子电极154和156，如图2所示。所有四个导通状态的电极(154、156、162、166)是高导电的，例如铜或银，或基于铜或银的复合结构，并且所述电极中的每一个接合至具有分级电阻率的后边缘电极(157、168、155或164)。随着高导电电极分离，分级电阻率电极继续以增加的电阻承载电流，直到大部分电流被换向到穿过阻断半导体160的并联路径。当分级电阻率电极分离时，在它们之间流动的电流非常小(小于0.1安培)，并且电压被控制在阻断半导体160的有效电压控制范围内。这防止在电极分离时形成大量电弧，虽然小的火花仍会出现。

图3显示两类MOV的垂直轴线上的每平方厘米的电流与水平轴线上的电压的关系曲线。图示的MOV特性针对于碳化硅MOV(SiC；171、181)和氧化锌MOV(ZnO；172、182)；还增加了瞬态吸收器(173、183)的近似特性用于对比。相比于基于碳化硅基的MOV，基于氧化锌的MOV在击穿电压正上方区域中显示明显更高的电压灵敏度。瞬态吸收器具有更高的电压灵敏度，并且在电流-电压曲线中的在击穿电压正上方区域中具有大于基于氧化锌的MOV的斜率；图3中，瞬态吸收器的电流-电压曲线173、183位于基于氧化锌的MOV曲线172、182内部，基于氧化锌的MOV的曲线以同样的方式位于基于碳化硅的MOV曲线171、181的曲线内部。齐纳二极管对于负电压(183)(反向偏压)将遵循瞬态吸收器的曲线，但是在向前方向上简单地传导电流(正电压)。每单位能量吸收能力的瞬态吸收器和齐纳二极管二者的成本明显高于变阻器。存在这样的方案，其中基于氧化锌的MOV、基于碳化硅的MOV、瞬态吸收器和齐纳二极管的每一个在本公开的至少一些开关中可以适用。

图4表示设计成用于高电压DC或AC电力断路器的媒介的一极的概念性旋转多级换向断路器。在这种情况下，显示了六个换向区域：区域1包括元件221-229(包括转子电极221；定子电极222、223、224和225；导电引线(conductive lead)226；以及电阻器227、228和229)；区域2包括元件231-239(包括转子电极231；定子电极232、233、234和235；导电引线236；以及电阻器237、238和239)；区域3包括元件241-249(包括转子电极241；定子电极242、243、244和245；导电引线246；以及电阻器247、248和249)；区域4包括元件251-259(包括转子电极251；定子电极252、253、254和255；导电引线256；以及电阻器257、258和259)；区域5包括元件261-269(包括转子电极261；定子电极262、263、264和265；导电引线266；以及电阻器267、268和269)；以及区域6包括元件271-279(包括转子电极271；定子电极272、273、274和275；导电引线276；以及电阻器277、278和279)。这些区域被布置成包括换向级的配对：第一换向区域(由图4中的221-229限定)最接近极A，并且经由绝缘导体220连接至第二换向区域(由图4中的231-239限定)；第一换向区域然后穿过根据转子280已转动多远而可变的一组电阻连接至接合点B。阻断半导体292被插入在极A和接合点B之间；阻断半导体具有限制电路断开期间的最大电压的作用。

第一换向区域、第二换向区域和绝缘导体220形成图4中的换向断路器中的三个换向级的第一个。其他两个级包括部件240-259加上在接合点C和D之间插入的阻断半导体294，以及260-279加上在接合点E和F之间插入的阻断半导体296。一级被限定为使电力传导至换向转子上，并且随后离开转子的闭合电路；在图4中存在三个级。

图4的多级旋转换向断路器经由圆柱形的换向转子280的旋转而被致动(actuated)。图4的断路器具有六个换向区域，所述换向区域通过一系列传统电阻器换向电力。每单位能量损耗能力所需的这样的电阻器比阻断半导体成本低。图4的装置可被经济性地设计，使得感应能量的90-95％能够在传统欧姆电阻器中被吸收(这意味着MOV可以是较小的和较便宜的)。这会降低购置成本、维护成本和操作成本。

在图4的装置中，换向转子采用这样一种转子的形式：所述转子逆时针转动大约18.2度以断开电路，然后进一步转动7.9度到最终断路位置，使得在致动换向断路器期间总的旋转是26.1度(281)。转子由结实的、电绝缘的材料(例如玻璃纤维增强的聚合物复合材料、工业级热塑塑料合成物，或聚合物基复合泡沫)制成，除了转子电极221、231、241、251、261和271，以及在所述转子内连接成对的转子电极(例如221和231)的绝缘导电路径(以深黑色线(220、240和260)表示)。轴期望是金属的，但是与导体220、240和260电绝缘。整个旋转部分由其中安装有定子电极的定子290围绕。电阻器和阻断半导体优选地位于定子外侧，以在断路器脱扣(trip)之后促进热的移除。

图4中的透视图是具有圆柱体形状的换向转子的端部视图。(垂直于图4中所示的横截面的)圆柱体的长度可以被调节以保持电极接触区域的每平方厘米的正常满负载安培值处于设计极限以内；由此，根据电流，圆柱体280可以是盘状件或桶状件。定子电极(例如222、223、224、225)之间的周向绝缘距离可以被调节以处理在每一级换向处的电压梯度；原则上，可以对每一个定子电极的宽度和每一对相邻的定子电极之间的距离二者进行调节，以达到最优设计。应注意到，通过限制用于每一级的最大电压，阻断半导体也防范相邻定子电极之间的电弧。定子电极之间的距离，或定子电极的宽度，或不同的定子电极的组成物不需要针对任意两个定子电极都是相同的。而且，多个串联连接的换向断路器(例如图4的换向断路器)可以被安装到单一的轴上，以产生更多换向级(6、9等)。在这种情况下，开关触点221、231、241、251、261和271中的每一个，以及它们的配合触点222等仅跨越通过引入绝缘区段和/或扭矩驱动区段而分离的驱动轴的长度的一小部分。

在图4的具体设计中，导通状态的定子电极222、232、242、252、262和272期望是液态金属电极；这些是最合适的在导通状态下承载大电流的定子电极。根据接触电阻，液态金属电极的导电性是滑动固体金属电极的大约10⁴倍。液态金属电极因此还可以比滑动固体接触电极更窄，这是用于换向断路器的最初几个换向阶段的主要优点。液态金属定子电极222、232、242、252、262和272可以是例如固体定子电极223、224和225的宽度的十分之一，并且仍具有所述固体定子电极的接触电阻的千分之一。作为具体示例，考虑这一情况，图4的换向转子是针对30kV DC或AC电力设计的31.5厘米直径的桶形换向转子。使液态金属定子电极222、232、242、252、262和272中的一个在圆周方向上的宽度为一毫米(mm)，意味着如果第一定子电极与转子电极对准，以使得仅需要运动一毫米以导致所述第一换向(例如)，则通过将转子280仅旋转0.36度就可以实现第一换向。这一第一换向在任意断路器中是非常重要的，在所述断路器中控制最大故障电流是关键的，因为第一电阻一经插入，所述故障电流就被控制。使用窄的液态金属电极是加速第一换向的一种方法，所述方法借助于减小必须由换向转子运动以达到第一换向的距离。

图4的六个换向区域以及三个阻断半导体292、294、296给予这一设计高的切断冗余度和可靠性。如果作为设计的一部分，三个阻断半导体中的一个的失效是可以幸免的，那么仅两个串联连接的阻断半导体必须能够阻断故障时的电流。让我们考虑(如我们在上文已经考虑到的)这一情况：阻断半导体是MOV，该MOV具有比正常线路电压高20％的击穿电压，并且具有在超出正常线路电压20％到50％的电压控制范围内切换开关期间控制电压的能力。这意味着三个MOV(每一个在正常系统电压的0.60到0.75倍之间是有效的)可以保护所述开关防止在切换期间超过正常电压的2.25倍，同时仍允许一个MOV发生故障。当配置超过三级，MOV的电压继续降低，因为电压在更多器件之间分配。在极端示例中，图4显示的所有十八个电阻器可以是MOV，所述MOV具有0.0666倍(1.2/18)于正常电压的击穿电压，且在正常操作下具有0.0833(1.5/18)倍于正常电压的最大电压。同样真实的是，图4中显示的三个阻断半导体292、294和296的每一个在其自身内部可能是串联连接的MOV堆叠，所述MOV堆叠固有地比三个单独的MOV的情况更能容错。

图4的导电电极的后边缘期望根据组成和电阻率进行分级，以减少在电极分离时引发电弧的机会。最佳地，转子电极的最外表面由高导电的金属或复合材料制成，所述复合材料耐磨并且不氧化、不再结晶，或在使用期间不与面对的导通状态的定子电极互相扩散。通过排除氧气或使用抗氧化金属(例如金、铂或钼)可以防止氧化。在排除氧气的情况下，具有良好的导电性的软质金属基体/微粒状硬质颗粒的复合材料是合适的，例如基于烧结金属的浸渍银-或铜-的多孔结构；例如美国专利7,662,208中的铬粉，或例如从MitsubishiMaterials C.M.I Co.Ltd.获得的商用电极中的钨粉。铝/碳化硅电极在不含氧的环境中也是合适的。在不排除氧气的情况下，钼是用于金属电极的有利的接触表面材料；等离子体喷涂到铝/碳化硅电极上的钼是尤其有利的。

为了实现在闭合电路条件下在2000安培电流时导通状态的损耗为1.0kW的目标，从图4中的极A到极F的路径的总电阻至多是2.5E-4欧姆。如此低的电阻仅可能可行的是，液态金属的导通状态电极接头，或具有大接触面积的固体金属电极。经由大的接触面积实现较低电阻需要使用更大的转子，所述转子需要更大的扭矩来加速；存在基于导通状态电阻目标的最佳设计，其对每个具体情况稍有不同；在一些情况下，高于一kW的放热将通过结合风扇或液体冷却而较好地调整，这使得制造工作开关更容易，而不依靠用于导通状态的电极连接的液态金属电极。

用来引起图4的逆时针方向的径向加速度的弹簧或其他的驱动器可在换向的整个时间内加速所述转子，或者替代地，刚性很大的弹簧可施加初始加速度，用于只对换向转子在换向期间的运动的18.2度的径向运动的一小部分加速。在这一方案中，换向转子在开关转子正在运动和引起换向的大部分时间内自由转动。

在图4的电路断开期间，发生十八欧姆电阻的引入；结果的电压、电流和感应能量根据第一换向时的初始电流以及故障系统的电感和电阻而改变。如果精确的初始条件是已知的，那么大量的感应能量能够单独由图4的欧姆电阻器有效吸收，同时保持电压在设计极限以内。这在PCT/US2012/058240中显示在有关图6的论述中。然而，更为实际的是，第一换向时的初始电流和故障系统的电感是未知的，在这一情况下，电流与用来计算所述水平的目标电阻的假定值相比可能过高或过低。如果电流过高，阻断半导体292、294、296将被激活，并且将限制由切换动作产生的最大瞬态电压。如果在第一换向时的实际电流不超过100安培，但是在第一换向处的电流假定值是10千安培(kA)，那么图4的欧姆电阻引入的顺序多半是没有意义的，除了上次较少的电阻引入之外。在这种情况下，感应储存能量实际上是不重要的，并且构建能够处理所述存储能量的开关是不经济的。在这一低电流开关的情况下，如图2所示的简单的换向开关除去平行的阻断半导体160是更好的选择。图4的设计对于高电感HVDC故障是十分重要的，其中可能存在从几千焦耳到几百兆焦耳(MJ)的储存感应能量要耗散；使用传统的欧姆电阻器用于吸收所述能量的大部分，用于耗散短路感应能量所需的多个电阻器的花费相比于吸收所有所述能量的MOV或晶体管的花费可以节省大量经费。

图4的设计的一个有用的更改是，在换向到阻断半导体之前仅在传统电阻器上设计六个换向以猝熄任意剩余的感应能量。这允许使用经济的传统欧姆电阻器吸收大约95％的感应能量，但是通过使每一个转子电极仅具有两个定子电极而简化设计(这意味着，特征部224、225、228、229、234、235、238、239、244、245、248、249、254、255、258、259、254、255、258、259、264、265、268、269、274、275、278、279将从该设计中排除)。随着转子电极的后边缘从特定的定子电极的后边缘移开，第一六个换向可通过将确切的旋转角度调整到定子电极和转子电极第一六个分离中的每一个发生的位置而被精确地定时。尽管图4显示位于换向转子的外半径上的转子电极，但是同样可以将转子电极放置在柱形转子的平坦端部上。两种设计都具有优点和缺点。图4的设计类似于鼓式制动器，其中制动器垫具有与定子电极类似的角色，而鼓类似于换向转子。在换向转子的端部具有转子电极的替代设计类似于盘式制动器。

图5是本公开的两级线性运动换向开关，其具有运动距离405以断开电路的换向梭358。换向梭包括具有410、411和412(梭电极对#1)和415、416、417(梭电极对#2)的两个梭电极对，所述两个梭电极对被嵌入结构绝缘体359中。存在四个换向区域361到364：361和362一起形成第一级357；363和364一起形成该两级换向断路器的第二级419。每一级有一个阻断半导体：级357具有通过阻断半导体420的并联路径，级419具有通过阻断半导体421的并联路径。在这些区域中的每一个中存在四个定子电极；例如换向区域361包含定子电极366、368、370和372；定子电极366通过低电阻导体374连接到极A。定子电极368通过电阻器376连接到极A；定子电极370通过串联的电阻器378和376连接到极A；定子电极372通过串联的电阻器380、378和376连接到极A；并且，对于其他换向区域也是类似的。换向区域362包含定子电极381、383、385和387。定子电极381通过低电阻导体382连接到定子电极389。定子电极383通过电阻器384连接到低电阻导体382；定子电极385通过串联的电阻器386和384连接到低电阻导体382；定子电极387通过串联的电阻器388、386和384连接到低电阻导体382。换向区域363包含定子电极389、390、392和394。定子电极389通过低电阻导体382连接到定子电极381；定子电极390通过电阻器391连接到低电阻导体382；定子电极392通过串联的电阻器391和393连接到低电阻导体382；定子电极394通过串联的电阻器395、393和391连接到低电阻导体382。换向区域364包含定子电极396、398、400和402。定子电极396通过低电阻导体397连接到极B。定子电极398通过电阻器399连接到极B；定子电极400通过串联的电阻器401和399连接到极B；定子电极402通过串联的电阻器403、401和399连接到极B。

当电路闭合时，存在从极A通过换向断路器到极B的低电阻路径，以这样的方式：极A通过导体374连接到定子电极366并且连接到梭电极411，梭电极411然后通过绝缘导体410连接到梭电极412，梭电极412然后连接到定子电极381，并从该位置通过导体382。还存在从极A穿过阻断半导体420到382的并联连接；这一通过420的连接限制了级357两端的最大电压。导体382将电流传送到定子电极389，然后到梭电极216，然后通过绝缘导体415到梭电极417，然后到定子电极396，然后通过导体397到极B。还存在从382通过阻断半导体421到极B的并联连接；这一通过421的连接限制了级419两端的最大电压。

在这一情况下，多级的线性运动开关必要地是刚性主体，所述刚性主体在其运动到右侧以断开电路时，维持四个梭电极411、412、416和417之间设定的几何关系。在插入图5隐含的十二个电阻器之后，电流足够低，从而梭电极可以运动越过它们的具有大幅减小的电流的通过电阻器的最后连接位置，所述大幅减小的电流然后被阻断半导体420和421切断。两个阻断半导体420和421的存在拓宽了开关可充分响应的初始条件的范围，同时它们还将在通过各种欧姆电阻器的插入的前行期间控制电压。

如图5所示的多级长链式换向断路器可用来中断任意高的电压。为了有效地运动例如本文所述的长换向梭，期望使用沿着换向梭的长度的多个驱动器，例如被定位为在换向区域之间加速所述梭的多个弹簧或气缸，或在换向区域之间作用的多个线性电机。具有嵌入的永磁体的长多级断路器还可由例如已知的电磁装置驱动(然而，用弹簧或电磁体可以施加比联接至永磁体更大的力)。驱动机构的组合也可以用来实现比单独一种机构可产生的更大的加速度。在这样的多级线性断路器中，可以配置各种触发器和释放器，如在PCT/US2012/058240中更详细论述的。

与例如图5所示的线性运动换向断路器相比，将图1、图2或图4的圆柱形换向转子浸没到加压的灭弧流体中更为容易，因为循环对称的圆柱体的旋转不产生形状阻力，然而，在流体中的线性运动必然地涉及形状阻力，所述形状阻力可以显著地抑制换向梭在液体中的快速运动，或导致空穴作用，即形成易于诱发电弧的位置。圆柱形的设计还能使液体浸没系统具有与线性致动设计相比非常低的液体体积。火花可以通过围绕分离的电极的流体而被很好地抑制，尤其是在高压保持的流体的情况下。将介电流体限制到仅几个立方厘米，这在圆柱形的换向断路器(例如图1、图2或图4)中是可行的，但是在图5的线性运动开关中是不可能的。这意味着高介电强度的流体(例如全氟化碳流体)可以经济地用于本公开的旋转开关中。在换向断路器中使用高压液体电介质的主要优点在于，如果固体电介质之间的间隙由高介电强度的高压流体充满，则相邻定子电极之间的避开距离(standoff)可以减小。这将允许更为紧凑的换向断路器。在高液体压力下操作开关装置，这在现有技术中尚未被商业实施。图1、图2或图4的旋转换向开关的独特形状允许非常小体积的高压液体，根据储存能量这并不危险。从十倍于大气压力(1.0兆帕，MPa)到200倍于大气压力(20MPa)的水压是期望的和可行的。

MOV可以方便地形成为金属薄层上的叠层变阻器膜。下一个示例显示成这样的变阻器膜的叠层如何能够结合到本公开的换向开关的定子中。图6显示本发明的线性运动开关，但是这样的MOV/薄片叠层也可以结合到旋转开关的定子中。在图6中，中空的盘形MOV层组件460的叠层形成该开关的可变电阻部分。单独的MOV层组件类似461，其两侧具有金属垫圈451、452，并且结合至中空的盘形MOV芯体450。实际的盘形MOV层组件(例如450)，如果仅包括一个MOV层，则会比图6中所显示的更薄；然而，MOV盘状件(例如450)本身通常包括在金属薄片或印刷导电层上的多个(印刷然后烧制的)MOV层。其中，单层MOV陶瓷被涂在薄片上，接着通过陶瓷制造工艺，最终的MOV层典型地为25-50微米厚。每个单层的击穿电压取决其组分，典型地为3-3.5伏特，这导致在击穿时沿着MOV/薄片层叠层的边缘的量级大约为300volts/mm的平均电压梯度。如图6所示，将多个MOV层结合到MOV盘状件中，会导致每个MOV盘状件有几百伏特的电压改变。替代地，由3.5伏特的单独MOV层组成的特殊组件可以用来形成类似图6的金字塔式MOV，但是具有非常薄的层。这可能具有以下缺点：如果发生故障，整个MOV组件不得不被更换，而不是更换其中发生故障的盘状部件，例如461。

每对相邻的盘状MOV层组件(例如461)通过一些合适的方法(例如导电粘合剂、锡焊或铜焊)结合在一起。金属垫圈451、452是定子电极的非常简单的示例，优选地具有比穿过MOV层自身(例如450)的孔455略小的穿过金属垫圈的孔456，以使得金属垫圈比MOV元件的内径稍进一步地突出至中间腔室中；在这一情况下，优选的是，将具有良好的耐电性、大约10到10^5欧姆-米的电阻率、低摩擦和良好的爬电电阻(tracking resistance)的聚合物放置在金属盘(例如451、452)的内部边缘之间。这保护实际的MOV(例如450)的内表面免受经由直接接触运动梭电极465的损坏，在这一情况下，所述梭电极是完全地延伸穿过叠层的MOV层组件460的简单金属杆或管。在梭电极465的底端是换向梭465的可选端部466，所述可选端部充当与图2的后边缘电阻器155、164、157和168的功能相似的电应力控制装置，防止电弧的产生，但是，所述可选端部通过提供夹紧表面以阻碍导通状态下的梭电极465(如图6所示)，还可以具有如下文所述的附加功能。

在导通状态下，到极A的电连接通过低电阻定子电极490实现，所述低电阻定子电极可以是与梭电极465的端部配合的高导电性金属电极或液态金属电极。存在这样的并联路径：从极A经由电触点485到MOV层组件叠层的底部，然后从MOV叠层的上边缘通过连接器486和导体487到极B。当梭电极465在操作开关期间被抽回时，通过长度增加的MOV叠层460的连接成为所述极之间仅有的电连接。这一通过MOV叠层460的并联路径在操作图6所示的开关之前和之后保持连接。(替代地，如果486和487不存在，一旦梭电极465从MOV叠层中抽出，则到极B的MOV连接会被切断)。从极B到换向梭465的连接是通过电滑环470实现的，但是也可以使用其他器件。在换向梭475的上端是用于连接到力480的特征部，所述力480将换向梭从盘状MOV层组件叠层460中拉出以断开电路。图6显示第一盘形MOV层组件具有最大的外径，因为它是被接入电路的第一盘形MOV层组件，并且通常经受最长持续时间的最大电流。盘形MOV层组件的横截面面积通常与单个盘形MOV层组件耗散的能量的多少成比例地变化，并且因此随叠层460的高度而减小。

期望的是，图6中最低的盘形MOV层组件(这是接入电路中的第一个)应当具有最大的质量以及因此具有最大的外径。重要的是，金属盘(例如451、452)应该覆盖它们所附连的MOV层组件的整个面，从而电流能够均匀地穿过每个盘形MOV层组件的整个体积而流动。

图6的断路器具有若干独特的特征。它使用可能最简单的换向梭，金属杆或管。可施加在所述杆或管的最大力480取决于材料的强度，以及杆或管壁的横截面面积。如果换向梭上的所有力来源于加速度，那么针对任意给定材料的可能的最大加速度严格地是形成换向梭的材料的强度/密度比和换向梭的长度的函数。如果σ是材料的拉伸屈服强度(帕斯卡)，D是材料的密度(kg/m³)，以及L是换向梭长度(米)，那么可施加到诸如465之类的换向梭的最大加速度(米/秒²)A_max由下式给出：

(3)A_max＝σ/LD

针对如图6所示的从一端拉出的2米长的金属柱，由这一等式得到的结果展现在表1中；最大可行的加速度从钠的小于1000m/s²变化到铝基氧化铝纤维线的114,000m/s²。表1还显示制作2米长、25微欧的材料柱所需的各种材料在20℃下的质量；在该损耗水平，2米长的名义上的换向梭会以产生100瓦特的I²R废热而传送2000安培的电流。(废热与导体质量成线性比例，例如，十分之一质量的导体意味着产生十倍的热量)形成两米长、25微欧的材料柱所需要的金属的质量从钠的3.7kg变化到钼的1118kg。

用于图6中的换向梭465的最好的整体解决方案取决于导电材料的相对成本和机械结构(包括弹簧和触发器，以及在应力状态下维持465，或对其施加应力的结构支撑件)的关系曲线，并且关键地取决于所需的加速度。结构成本与必须被加速的导体的质量乘以加速度成比例。加速度决定关键的第一换向的时间，因此存在充分的理由以大的加速度向前推动，以便使得第一换向的时间最小化，如果并且其中那是重要的话(非常快速地到达第一换向在故障中的系统电感较低的情况下比故障中的系统电感较高的情况下更为重要)。简单地快速拉动导电管件以致管件达到材料的最大抗拉强度的工程极限(见表1“最大加速度”一列)是加速线性运动换向梭的理论上最快的方式。

表1：与加速图6中的导体有关的数据

使用表1中的材料的最快速致动的图6的换向断路器会是基于最高的强度/密度比的材料，即铝基氧化铝-纤维线。该金属陶瓷线是3M^TM铝导体复合材料增强(3M ACCR)线中的机械强度元素(替换更标准的ASCR铝钢芯体增强线中的钢)，所述金属陶瓷线可从3M购得。仅使用表1所示的材料列表，通过由内部具有钠的高强度钛合金壳体制造换向梭465，也可以获得用于加速的合理低的总质量与快速致动的期望的结合。在用于换向梭465的单组分的潜在材料的解决方案中，纯铝和纯镁具有基本上相等的质量以满足25微欧的电阻目标，但是，纯铝更为结实，因而成为用于换向梭465的更好的解决方案。相比于使用镁的情形，高强度铝的导电率与纯金属相比具有相对更小的兼顾性(compromised)，因此高强度铝合金6061T-6是用于换向梭465的良好选择。表1的倒数第二列是无量纲品质因数M，该品质因数M对换向梭465的候选材料进行排名。

M＝{(强度)/[密度×电阻率]}/{退火铜的(强度)/[密度×电阻率]}

相对于1.00的退火铜的参考值指示品质因数M；越高值的M越受期望。表1显示的单组分或合金材料(不是复合材料或制成结构)中，冷加工的铜与铜相比具有适中地提高的品质因数M(1.257)，并且被考察到的所有形式的镁和铝也具有比退火铜略高的M值，高强度铝合金6061-T6的M值为1.147至4.411。表1中具有最大品质因数M(6.424)的是金属陶瓷线，所述金属陶瓷线由纯铝基体中的氧化铝玻璃纤维组成。这样的陶瓷线可以用作图6中的换向梭465的运动的致动器和导体。

因为所述陶瓷线(3M ACCR的芯线)的模量如此之高(4550MPa)，将其拉伸仅几个百分比可以储存大量的可以提供力480的弹性能量(与刚性很高的弹簧可比)，同时排除对滑环470的需要。这一设计可用于能够到非常高的电压的非常快速的致动设计。在十分极端的情况下，可以给陶瓷ACCR线施加应力至接近其断裂强度(1400MPa)，所述线成串地穿过如图6中所示的MOV叠层，然后在MOV层组件的叠层下方释放所述线以断开电路。这一设计，其中高强度纤维增强的线465延伸穿过MOV层组件460叠层，并且被限制在所述叠层下方，给出了特征部466，所述特征部466被牢固地附接至张紧的线465，使得目前已知的最快速的线性运动换向断路器的致动成为可能。存在若干用于迅速地释放这一高应力纤维增强线形式的465的已知选择：

1.特征部466可以是借助压电推进器的环保持就位的刚性的、结实的杆件，所述压电推进器经由可以在20微秒内释放的法向力保持线端466就位(所需要的法向力可以减小，如果466的运动的约束条件的一部分可以是由于466的表面上的与印在套管490的表面上的相似磁畴配合的有关磁畴)；

2.线465或线端466可以用烈性炸药切开；

3.线本身或线端466的断裂可以用脉冲激光器引发。

这类断路器可以重新设置，而无需替换仅用于选择1的部件。最后两种方法作为很少烧断的用于HVDC电路的快速熔断器的形式也是有用的；它们也可以被重新设定，然而一部分(熔断器)需要每次被更换。如果采用压电夹具保持换向梭465的底端，则图6的换向断路器可以通过由图6中的特征部466提供的邻接的杆状夹紧表面而重新设定。

图6的设计通过消除附接至换向梭的大部分的绝缘体，并且使在本公开的其他地方描述的后边缘电场控制技术的质量最小化，而使得换向梭的非必要部分的质量最小化。对于图6的断路器，仅导体是绝对需要的；虽然预期在操作期间减少MOV层组件叠层的芯体内的电弧，但是可选择的分级电阻率的后边缘部件466并非必要条件，而是期望的特征。这一设计还可以配置有围绕换向梭465和MOV层组件叠层460的高真空，或包含六氟化硫的电弧猝熄气体混合物。

所有的机械电气开关面临相似的对动作的最大速度的限制。根据电极花费多长时间运动分离得足够远以猝熄电极之间的电弧或其他电流，并且防止再触发电弧，总是存在可动电极以及断开电路的最大速度。本发明的开关加快了机械开关的动作，因为分离的电极由高介电强度的固体和液体绝缘，所述固体和液体能够在高度接触或液压的情况下使断开电极期间的耐电性最大化。在本发明的设计的一些形式中，在分离的电极之间的区域中不存在气体，这减小了防止再触发电弧所需要的电极间隔；这是真实的，甚至在没有电力流动的情况下断开而在此后不久再度接通的机械开关的情况下，这在各种混合断路器的设计中是正常的。这允许通过各种混合开关设计的机械开关部分而更快速的完成动作，因为本公开的快速的机械开关无需如现有技术开关运动那么远来防止再触发电弧。

本文公开的构思能够在旋转或线性的运动设计中得以实施，以及优选地在电极的后边缘上使用分级电阻率用于具有很少的电弧或没有电弧地换向电力。在PCT/US2012/058240中提到，经由压电制动器和有关的磁畴而定位和限制在导通状态下的张紧的梭电极(其中所述梭在导通状态处于应力下)，该特征还可以适用于本公开的开关。增加到本公开的进一步的改进是，使用由法向力调节的摩擦力，用于限制在导通状态下的换向梭的运动。

在本公开的换向开关中，电弧抑制依赖于三个特征：

1.在分离电极中的分级电阻率；

2.在换向期间通过阻断半导体对瞬态电压进行控制；

3.电极和周围电介质之间的紧密的间隙；

4.围绕分离电极的高压液体电介质。

PCT/US2012/058240中所描述的一个方面提供了一种开关，所述开关主要由紧密配合在电极周围的固体电介质绝缘，以便使得在分离期间可以形成在电极之间的任意充有流体的缝隙的尺寸最小化；这增加了在电极之间的耐受给定电压的能力。虽然注意到这隐含着梭和定子之间的法向力，所述法向力对于限制施加到定子以引起其运动的力也是有用的。这样的开关通过其自身特性隐含着，在可动梭或转子电极和电介质固体之间存在显著的摩擦相互作用，所述电介质固体结合到具有围绕定子的可动电极，所述围绕定子包括定子电极和定子的绝缘固体电介质部分的那些部分，其在切换之前和在切换期间局部地约束可动电极的运动。所述摩擦相互作用能够被有利地用于触发电子开关的快速方法中，因为摩擦相互作用的滑摩颤振特性可用来在触发之前局部地限制梭电极的运动。具体地，静摩擦通常大于动摩擦或滑动摩擦，因此摩擦锁定的定子能够长时间稳固地保持其位置，在所述定子中，开启运动F(CR)的临界力大于实际施加的力F(AP)，然而一旦运动开始则在相同的施加力下维持运动。这使得可以通过提供使得所述梭运动的触发力F(TR)的额外的“反冲(kick)”，用于触发梭电极的运动。在所述梭运动之后，它将继续运动直到运动的施加力F(AP)降低到临界动力F(DYN)以下。在启动运动的临界力F(CR)与所述梭和定子之间的法向(垂直)力成正比的情况下，通过调节围绕柔性定子的压力来调节F(CR)是实际的，所述柔性定子反过来调节所述梭和定子之间的法向力。

液压缸或充有流体的纤维增强的弹性体袋(类似于高压液压软管)可期望被用于在本公开的开关中的梭和定子之间的分界面施加法向力。这能够通过参考图1而构想到，图1显示在模块化定子组件(由拱顶石形的区段105、107、109、125、127、129、142、144，以及许多140的复制品组成)的外侧和压力容器141的内侧之间的大的空隙。在图1中，这一区域填充了压力下的介电液体，但是容易设想，附加的特征能够增加到这一区域，例如膨胀织物增强的弹性体袋，所述弹性体袋推动模块化定子组件抵靠换向转子445以提供有助于在导通状态下保持转子的摩擦限制力。

模块化的定子组件还可以通过拉伸的弹性体套管而保持紧密地抵靠所述换向转子，所述弹性体套管围绕模块化定子组件的外周。虽然要求保护的发明的特征在一些附图中显示，在其他附图中未显示，但是这不构成对本发明的范围的限制。其他实施例将会被本领域技术人员构想到，并且处于权利要求的范围内。

Claims (26)

1.一种换向开关，其包括：

具有固定电极的固定部分；

具有可动电极的可动部分；

其中，当所述固定电极和所述可动电极导电接触时，限定开关闭合位置；

其中，所述可动部分可以相对于所述固定部分运动，以断开所述固定电极和所述可动电极之间的导电接触，从而限定开关断开位置；

电气路径，在开关断开时将电流换向到该电气路径中，以及

在所述电气路径中的非线性的、非欧姆性的阻断半导体，其中该非线性的、非欧姆性的阻断半导体吸收所储存的感应能量的大部分。

2.如权利要求1所述的换向开关，其中所述可动部分包括梭。

3.如权利要求1所述的换向开关，其中所述可动部分包括转子。

4.如权利要求3所述的换向开关，其中所述固定电极和所述可动电极包含在处于至少一MPa的液压下的介电液体中。

5.如权利要求4所述的换向开关，其中所述液压大于10MPa。

6.如权利要求1所述的换向开关，其中所述固定部分包括两个固定的、隔开的电极，并且其中，分离电气路径通过所述两个固定的、隔开的电极连接。

7.如权利要求1所述的换向开关，其中所述固定电极包括多个相邻的分离导体。

8.如权利要求7所述的换向开关，其中当所述开关断开时，所述可动电极每次与所述分离导体中的一个进行电接触。

9.如权利要求7所述的换向开关，其中当所述开关断开时，所述可动电极同时与所述分离导体中的至少两个进行电接触。

10.如权利要求1所述的换向开关，其包括多个非线性的、非欧姆性阻断半导体，所述阻断半导体位于在所述开关断开时将电流换向到其中的电气路径中。

11.如权利要求10所述的换向开关，其中所述多个非线性的、非欧姆性的阻断半导体被布置成叠层。

12.如权利要求11所述的换向开关，其中所述多个非线性的、非欧姆性阻断半导体是金属氧化物变阻器(MOV)，所述金属氧化物变阻器被布置成叠层，从而换向电极的运动使得电流运动通过数量增加的金属氧化物变阻器，从而导致所述叠层两端的电压逐步升高。

13.如权利要求12所述的换向开关，其中所述金属氧化物变阻器被布置成，使得支持所述金属氧化物变阻器的薄片的边缘一直延伸至所述薄片的边缘与运动的梭电极直接接触的区域，从而在正常工作状态下相邻所述薄片之间的电压改变不超过四伏特。

14.如权利要求1所述的换向开关，其中所述固定部分包括定子，并且所述可动部分包括转子。

15.如权利要求14所述的换向开关，其中借助于与所述转子接触的紧密装配的定子在所述转子的相当大部分的表面区域上引起的摩擦，所述转子被部分地保持固定。

16.如权利要求14所述的换向开关，其中所述定子围绕所述转子，并且所述定子包括可互换的拱顶石形构件。

17.如权利要求16所述的换向开关，其中所述拱顶石形构件通过弹性力或外部液压而被保持抵靠所述转子，所述外部液压施加在围绕所述拱顶石形构件的防透膜上。

18.如权利要求14所述的换向开关，其中所述定子包括多个换向级，每一个所述换向级包括两个换向区域，每一个所述换向区域包括导电引线、多个定子电极和电阻器，每一个所述定子电极电连接至所述导电引线，所述电阻器位于每一个所述定子电极和所述导电引线之间，其中，每一个所述换向级的两个所述换向区域的两个所述导电引线通过阻断半导体被电连接。

19.如权利要求18所述的换向开关，其中所述定子电极中的至少一些包括液态金属。

20.如权利要求1所述的换向开关，其中所述固定电极和所述可动电极滑动分离。

21.如权利要求20所述的换向开关，其中所述固定电极和所述可动电极中的一个或两个具有形成所述固定电极和所述可动电极中的所述一个或两个的最后部分的分级的、电阻率增加的区域，所述固定电极和所述可动电极中的所述一个的最后部分在所述开关从闭合位置运动到断开位置时与所述固定电极和所述可动电极中的相应另一个电连接。

22.如权利要求1所述的换向开关，其包括在串联的电气路径中的至少两个阻断半导体。

23.如权利要求1所述的换向开关，其中所述固定部分包括一系列叠层的金属氧化物变阻器。

24.如权利要求23所述的换向开关，其中所述变阻器是环形的，并且所述变阻器具有不同的外径。

25.如权利要求1所述的换向开关，其中所述开关的可动部分在所述闭合位置处于应力作用下。

26.如权利要求1所述的换向开关，其中所述阻断半导体选自于由变阻器、齐纳二极管和瞬态电压抑制二极管组成的半导体组。