CN107251351B - 用于断开电流的开关系统和执行电流断开操作的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种用于断开电流的开关系统(1)，包括：触头装置(3)，具有第一端子(3a)和第二端子(3b)，谐振电路(5)，可横跨触头装置(3)连接，第一开关(S1)，被连接至谐振电路(5)和第一端子(3a)，其中第一开关(S1)可在打开状态与闭合状态之间切换，其中在闭合状态下第一开关(S1)被设置成使得电流能够在第一流动方向上流过谐振电路(5)并且在与触头装置电弧电流流动方向相反的方向上流入触头装置(3)，第二开关(S2)，被连接至谐振电路(5)和触头装置(3)的第二端子(3b)，其中第二开关(S2)可在打开状态与闭合状态之间切换，其中在闭合状态下第二开关被设置成使得电流能够在与第一流动方向相反的第二流动方向上流过谐振电路(5)，和控制系统(7)，其中控制系统(7)被设置成在电流断开操作时交替地首先将第一开关(S1)并接着将第二开关(S2)设定首先处于闭合状态并接着处于打开状态，直到发源于由触头装置电弧电流供给的能量的、流过谐振电路(5)并流入触头装置(3)的电流脉冲达到等于或大于触头装置电弧电流的幅值的幅度。本公开还涉及执行电流断开操作的方法。

Description

用于断开电流的开关系统和执行电流断开操作的方法
技术领域
本公开大体涉及用于断开电流的开关系统。特别地其涉及用于执行电流断开操作的不依赖于自然过零的类型的开关系统，和执行电流断开操作的方法。
背景技术
开关系统用于在例如由于短路的电气故障的事件中中断电流或保护电路。开关系统可以包括在正常操作期间处于机械连接的触头。当触头彼此分离时实现电流断开操作。除了使触头分离之外，电流断开操作牵涉到熄灭触头之间的电弧，和迫使电流为零。
交流电流(AC)开关系统利用流过开关系统的交流电流的自然出现的过零来熄灭电弧。
直流电流(DC)开关系统由于没有而不能利用自然过零。已知为DC开关系统创建人工过零以便能够执行电流断开操作。用以获得人工过零的一个方式是通过利用横跨触头连接的谐振电路。谐振电路包括由能量源连续地充电的电容器。电容器被充电以获得使得电容器放电电流能够在相对于流过电弧的电弧电流的相反方向上流过触头的极性。该装置进一步包括在正常状态中处于其打开状态的开关。当实现电流断开操作并使触头分离时，开关被闭合，其中电容器将其电荷放电并且谐振电路向触头中提供电流脉冲。电流脉冲在相对于电弧电流的相反方向上流动。通过选择电容器和谐振电路中的电感的合适的值，获得人工过零。此时，在触头处产生的使得电弧电流能够在触头的分离的断开之后继续流动的电弧可以通过触头之间的间隙中的热等离子体和/或气体的消电离来熄灭。以该方式可以断开电弧电流。
上述人工过零的创建要求电容器始终被充电。此外需要电源持续不断地给电容器充电。此外，人工过零仅提供了成功熄灭电弧并因此断开电弧电流的单次机会。
发明内容
本公开的目的是解决或至少减轻现有技术的问题。
因此，根据本公开的第一方面，提供有一种用于断开电流的开关系统，包括：触头装置，具有第一端子和第二端子，谐振电路，可横跨触头装置连接，第一开关，被连接至谐振电路和第一端子，其中第一开关可在打开状态与闭合状态之间切换，其中在闭合状态下第一开关被设置成使得电流能够在第一流动方向上流过谐振电路并且在与触头装置电弧电流流动方向相反的方向上流入触头装置，第二开关，被连接至谐振电路和触头装置的第二端子，其中第二开关可在打开状态与闭合状态之间切换，其中在闭合状态下第二开关被设置成使得电流能够在与第一流动方向相反的第二流动方向上流过谐振电路，和控制系统，其中控制系统被成在电流断开操作时交替地首先将第一开关并接着将第二开关设定首先处于闭合状态并接着处于打开状态，直到发源于由电流断开操作产生的电弧中的能量的、流过谐振电路并流入触头装置的电流脉冲达到等于或大于触头装置电弧电流的幅值的幅度幅度。
由此可以获得的效果在于，谐振电路的能量存储电路被以将在两个开关的交替通断开关的各迭代中增加的电压充电，造成了在与流过电弧的触头装置电弧电流的相反方向上流动的进入到触头装置中的电流脉冲。当电压足够大时，电流脉冲将变成等于或大于触头装置电弧电流，造成了人工过零。该交替的通断开关因此提供了对于每一个迭代都增长更大的电流脉冲的泵浦效果。这造成了可以获得多个相继的人工过零。因此如果证明灭弧与过零结合不成功则总是用于熄灭电弧的附加机会。此外，由于谐振电路接收发源于电弧的能量，所以谐振电路的能量存储电路不必在正常操作期间被充电，而这在现有技术中是必要的。
开关系统可以在DC应用或AC应用中利用。有利地，在后一情况中，人工过零可以在自然过零出现之前创建。
根据一个实施例，在交替地首先将第一开关并接着将第二开关设定首先处于闭合状态并接着处于打开状态的各迭代中，控制系统被设置成：
-将第一开关设定处于闭合位置，使得第一电流脉冲能够在第一流动方向上流过谐振电路，
-当第一电流脉冲变成零时首先将第一开关设定处于打开状态并接着将第二开关设定处于闭合状态，以使得第二电流脉冲能够在第二流动方向上流过谐振电路，和
-当第二电流脉冲首次变成零时将第二开关设定处于打开状态。
一个实施例包括被设置成熄灭横跨触头装置的电弧的灭弧器。
根据一个实施例，谐振电路包括电容器和电感器。由于电容器不必在正常操作期间被充电，因为它仅在与电流断开操作结合的“泵浦”期间被充电，所以电容器可以与现有技术的方案相比更多地承受相当大的应力，将尺寸和成本减小2至4倍的量级，尤其对于薄膜电容器。
根据一个实施例第二开关被横跨谐振电路连接。
一个实施例包括可在打开状态与闭合状态之间切换的第三开关，其中第三开关被连接至触头装置的第二端子和谐振电路，并且其中控制系统被设置成在与将第一开关设定处于闭合状态的同时将第三开关设定处于闭合状态，并且在与将第一开关设定处于打开状态的同时将第三开关设定处于打开状态。
一个实施例包括可在打开状态与闭合状态之间切换的第四开关，其中第四开关被连接至谐振电路和触头装置的第一端子，并且其中控制系统被设置成在与将第二开关设定处于闭合状态的同时将第四开关设定处于闭合状态，并且在与将第二开关设定处于打开状态的同时将第四开关设定处于打开状态。这提供了全波电流脉冲泵浦，其使得电流脉冲能够接收重复序列的半周期中的两者中的能量，即在第一开关和第三开关的同时打开/闭合期间并且还有在第二开关和第四开关的同时打开/闭合期间两者。
根据一个实施例，第一开关和第二开关是半导体开关。
根据一个实施例，第三开关和第四开关是半导体开关。
根据一个实施例，控制系统被配置成：以第一频率持续第一时间间隔并随后以比第一频率慢的第二频率持续第二时间间隔，交替地首先将第一开关并接着将第二开关切换首先处于闭合状态并接着处于打开状态。
根据本公开的第二方面，提供有一种借助于开关系统执行电流断开操作的方法，开关系统包括：触头装置，具有第一端子和第二端子；谐振电路，可横跨触头装置连接；第一开关，被连接至谐振电路和第一端子，其中第一开关可在打开状态与闭合状态之间切换，其中在闭合状态下第一开关被设置成使得电流能够在第一流动方向上流过谐振电路并且在与触头装置电弧电流流动方向相反的方向上流入触头装置；第二开关，被连接至谐振电路和第二端子，其中第二开关可在打开状态与闭合状态之间切换，其中在闭合状态下第二开关被设置成使得电流能够在与第一流动方向相反的第二流动方向上流过谐振电路，和控制系统，其中该方法包括：在电流断开操作时，借助于控制系统交替地首先将第一开关并接着将第二开关设定首先处于闭合状态并接着处于打开状态，直到发源于由触头装置电弧电流供给的能量的、流过谐振电路的电流脉冲达到等于或大于触头装置电弧电流的幅值的幅度。
根据一个实施例，交替地首先将第一开关并接着将第二开关设定首先处于闭合状态并接着处于打开状态的步骤的各迭代包括：
a)将第一开关设定处于闭合状态，使得第一电流脉冲能够在第一流动方向上流过谐振电路，
b)当第一电流脉冲已经变成零时首先将第一开关设定处于打开状态并接着将第二开关设定处于闭合状态，以使得第二电流脉冲能够在第二流动方向上流过谐振电路，和
c)当第二电流脉冲已经首次变成零时将第二开关设定处于打开状态。
根据一个实施例，用于断开电流的开关系统包括可在打开状态与闭合状态之间切换的第三开关，其中第三开关被连接至触头装置的第二端子和谐振电路，其中交替地首先将第一开关并接着将第二开关设定首先处于闭合状态并接着处于打开状态的步骤包括：
在与将第一开关设定处于闭合状态的同时将第三开关设定处于闭合状态，和
在与将第一开关设定处于打开状态的同时将第三开关设定处于打开状态。
根据一个实施例，用于断开电流的开关系统包括可在打开状态与闭合状态之间切换的第四开关，其中第四开关被连接至谐振电路和触头装置的第一端子，其中交替地首先将第一开关并接着将第二开关设定首先处于闭合状态并接着处于打开状态的步骤包括：
在与将第二开关设定处于闭合状态的同时将第四开关设定处于闭合状态，和
在与将第二开关设定处于打开状态的同时将第四开关设定处于打开状态。
根据一个实施例，用于断开电流的开关系统包括灭弧器，其中该方法包括当流过谐振电路的电流脉冲达到等于或大于触头装置电弧电流的幅值的幅度时借助于灭弧器熄灭横跨触头装置的电弧。
根据一个实施例，谐振电路包括电容器和电感器。
根据一个实施例，交替地首先将第一开关并接着将第二开关设定首先处于闭合状态并接着处于打开状态的步骤以第一频率执行持续第一时间间隔并随后以比第一频率慢的第二频率执行持续第二时间间隔。
一般地，权利要求中所使用的所有术语都应该根据它们在本技术领域中的普通含义来解释，除非本文中另有明确限定。对“一/一个/该元件、设备、组件、部件等”的所有引用应该被开放地解释为是指元件、设备、组件、部件等中的至少一个实例，除非另有明确陈述。
附图说明
现在将通过示例的方式参照附图来描述本发明的概念的具体实施例，其中：
图1示出用于断开电流的开关系统的示例；
图2a-2b示出处于操作中的图1中的用于断开电流的开关系统；
图3a-3b示出借助于处于操作中的图1中的断路器获得的电流脉冲的图表；
图4是用于断开电流的开关系统的另一示例；
图5a-5b示出处于操作中的图4中的用于断开电流的开关系统；
图6示出借助于图4中的断路器获得的电流脉冲的图表；
图7是执行电流断开操作的方法的流程图；和
图8a-8c示出能够处理双向电流流动、即交流电流的用于断开电流的开关系统的示例。
具体实施方式
现在将在下文中参照其中示出示例性实施例的附图更充分地描述本发明的概念。然而本发明的概念可以以很多不同的形式来体现并且不应该被解释为限于本文所陈述的实施例；而是，这些实施例是通过示例的方式提供的使得该公开将是彻底且完整的，并且会将本发明的概念充分地传达给本领域技术人员。类似的附图标记在整个描述中是指类似的元件。
将在本文中描述用于断开电流的开关系统的许多变型。开关系统可以用在AC应用或DC应用中。开关系统包括具有可动断路器触头和固定触头的触头装置。断路器触头可以在其与固定触头机械接触的闭合位置和断路器触头与固定触头机械分离的打开位置之间被致动。可动断路器触头限定了触头装置的第一端子并且固定触头限定了触头装置的第二端子。
开关系统包括谐振电路，这是包括电容器和电感器的LC电路。电容器可以例如是薄膜电容器。谐振电路可横跨触头装置连接。
开关系统此外包括第一开关和第二开关。第一开关可在闭合状态与打开状态之间切换。第二开关可在闭合状态与打开状态之间切换。第一开关被连接至谐振电路和触头装置的第一端子。第二开关被连接至谐振电路和触头装置的第二端子。
第一开关被设置成在闭合状态下使得电流能够在第一流动方向上流过谐振电路并且使得电流能够在与触头装置电弧电流流动方向相反的方向上从谐振电路流入触头装置。该相反方向电流影响触头装置电弧电流的幅值。
第二开关被设置成在闭合状态下使得电流能够在与第一流动方向相反的第二流动方向上流过谐振电路。
开关系统包括被设置成控制第一开关和第二开关的控制系统。控制系统被设置成通过电流断开操作、例如通过发源于由触头装置电弧电流供给的能量来触发。控制系统被设置成：通过牵涉到断路器触头被打开、即远离固定触头移动以及作为结果的在间隔开的断路器触头与固定触头之间的电弧的产生的电流断开操作触发，交替地首先将第一开关并接着将第二开关设定首先处于闭合状态并接着处于打开状态。控制系统特别地被设置成使第一开关和第二开关在其各自的打开状态与闭合状态之间交替地切换，直到发源于由触头装置电弧电流供给的能量的、流过谐振电路并流入触头装置的电流脉冲达到等于或大于触头装置电弧电流的幅值的幅度。
第一开关、第二开关和谐振电路形成泵浦电路，其被设置成针对各重复、即针对交替地首先将第一开关并接着将第二开关设定首先处于闭合状态并接着处于打开状态的各迭代注入具有越来越高幅度的电流脉冲。取决于开关的数量，及其与谐振电路的连接，可以获得半波泵浦电路或全波泵浦电路。将参照图1至图3b来描述提供半波泵浦的开关系统的示例。将参照图4至图6来描述提供全波泵浦的开关系统的示例。
图1描绘了用于断开电流的开关系统1的第一示例。开关系统1包括具有第一端子3a和第二端子3b的触头装置3。触头装置3包括可动断路器触头和固定触头。触头装置3可以通过使断路器触头远离固定触头移动而被设定处于打开状态，和处于其中断路器触头与固定触头机械接触的闭合状态。
开关系统1此外包括第一开关S1、第二开关S2、谐振电路5、控制系统7、灭弧器9和能量吸收器11。
谐振电路5可横跨触头装置3连接。谐振电路5特别地可借助于第一开关S1和借助于第二开关S2横跨触头装置3连接。谐振电路5包括电容器C和电感器L。电容器C例如可以是薄膜电容器，并且电感器L可以或者是电感器组件或者是电容器C连接所至的导体的固有电感。
第一开关S1可在打开状态与闭合状态之间切换。第一开关S1被连接至开关系统1的第一端子3a和谐振电路5。第一开关S1被以如下方式连接：使得在闭合状态下，其使得发源于由触头装置电弧电流I供给的能量的电流脉冲能够在第一流动方向上流过谐振电路5。其此外使得电流能够在与经由电弧流过触头装置的触头装置电弧电流流动方向相反的方向上流入触头装置。
第二开关S2可在打开状态与闭合状态之间切换。第二开关S2被连接至开关系统1的第二端子3b和谐振电路5。特别地，第二开关S2被横跨谐振电路5连接。
控制系统7被设置成交替地首先使第一开关S1在其打开状态与闭合状态之间切换并接着使第二开关S2在其打开状态与闭合状态之间切换。控制系统7被设置成通过由触头装置电弧电流供给的能量来触发以控制第一开关S1和第二开关S2。控制系统7被设置成交替地首先使第一开关S1在其打开状态与闭合状态之间切换并接着使第二开关S2在其打开状态与闭合状态之间切换，直到发源于由触头装置电弧电流供给的能量的、流过谐振电路5且经由第一开关S1流入触头装置的电流脉冲具有等于或优选大于流过触头装置3的触头装置电弧电流的幅度。在当电流脉冲具有等于触头装置电弧电流的幅值的幅度时的时间处，创建了人工过零，便于电弧的熄灭。
灭弧器9被设置成熄灭横跨触头装置3的电弧。可以是无源灭弧器的灭弧器9被横跨触头装置3连接。灭弧器9可以例如是晶闸管、晶体管、二极管、吹弧法、电弧冷却部件或电弧流道。此外，如此的触头装置可以根据一个变型设置有固有灭弧能力，例如如果触头装置是真空灭弧室的话，在该情况中灭弧器形成触头装置3的一部分。
能量吸收器11被设置成吸收能量以由此在人工过零的创建时迫使触头装置电弧电流为零。图1示出其中可以连接能量吸收器11的许多不同连接。能量吸收器11因此可以例如被横跨触头装置3、横跨电容器C或横跨谐振电路5连接。能量吸收器11可以例如是浪涌保护器。
开关系统1可以可选地包括二次能量源13。经过谐振电路5的电流脉冲因此可以或者由电弧本身中的能量单独地驱动，或者替代地，在包括二次能量源13的变型中，由本身已从电弧接收了能量的二次能量源13驱动。这样的二次能量源可以例如是正温度系数(PTC)电阻器。
现在将参照图2a至图2b、图3a至图3b和图7来描述开关系统1的操作。在正常状况下，电流流过闭合的触头装置3。接着使第一开关S1和第二开关S2两者处于其打开状态。当断路器触头被打开以实现电流断开操作以便将触头装置3设定处于打开状态时或此后的短时间时，控制系统7在步骤a)中被设置成在时间t1处将第一开关S1设定处于闭合状态，如图2a和图3a中所示。由电弧电压U驱动的电流脉冲i1因此开始在第一流动方向上流过谐振电路5，将电容器C充电至正极性。电流脉冲i1在相对于流过电弧并流过触头装置的触头装置电弧电流的相反方向上流过第一开关S1并流入触头装置3。
替代地，在包括二次能量源13的变型中，电流I已被从触头装置3转换至已熄灭电弧的二次能量源13，并且跨越二次能量源13的电压代替驱动电流脉冲i1。
当电流脉冲i1往回振荡并且在时间t2处变成零时，在步骤b)中控制系统7被设置成切断第一开关S1。电容器C现在被近似充电到电压2U。
在当电流脉冲i1变成零时或此后的短时间时的时间t2处，在步骤c)中控制系统7被设置成将第二开关S2设定处于闭合状态，如图2b中所示。电流脉冲i2现在将在与第一流动方向相反的第二流动方向上流动，使电容器C的极性反转。控制系统7被设置成电流脉冲i2一变成零且电容器C一被充电到电压-2U就将第二开关S2设定处于打开状态。第一开关S1和第二开关S2两者现在都处于打开状态。
控制系统7重复步骤a)至c)并且跨越电容器C的电压将在执行步骤a)至c)的各迭代中以2U增加。在一些迭代或循环之后，电流脉冲i1的幅度已增长并且当它变成等于触头装置电弧电流I时，例如在时间t3处，电弧将被即刻熄灭。
在当电流脉冲i1等于触头装置电弧电流I时的各情况下，存在有借助于灭弧器9永久熄灭电弧并断开触头装置电弧电流I的机会。在时间t4处的成功灭弧之后，触头装置电弧电流I将流过电容器C并且最终能量吸收器11将迫使触头装置电弧电流I下降至零。
在示例性的半波泵浦电路中，电流脉冲仅在重复序列的两个半周期中的一个中接收能量。在第一半部中，电容器从电弧电压U接收附加能量电荷，并且在另一半部中，电容器的极性被反转，由于在电流路径中的损耗而损失一些电荷。
参照图4来说明具有全波泵浦能力的开关系统的示例。益处在于注入电流的峰值可以几乎被加倍并且以较高速率增加。
开关系统1’与开关系统1一样，除了其包括四个开关S1至S4，各开关可在打开状态与闭合状态之间切换。开关S1至S4和谐振电路5被以“H桥”型配置连接。第一开关S1被连接至触头装置3的第一端子3a和谐振电路5。第二开关被连接至谐振电路5和触头装置3的第二端子3b。第一开关S1和第二开关S2两者都连接至谐振电路5的第一端子。第三开关S3被连接至谐振电路5和触头装置3的第二端子3b。第四开关S4被连接至谐振电路和触头装置3的第一端子3a。第三开关S3和第四开关S4两者都连接至谐振电路5的第二端子。
控制系统7’被设置成：在牵涉到断路器触头相对于固定触头的打开的电流断开操作的开始时，交替地首先将第一开关S1和第三开关S3两者同时设定首先处于打开状态并接着处于闭合状态，并且接着将第二开关S2和第四开关S4两者同时设定首先处于打开状态并接着处于闭合状态。控制系统7’被设置成使开关S1至S4交替地切换直到发源于由触头装置电弧电流供给的能量的、流过谐振电路5并经由第一开关S1流入触头装置的电流脉冲具有等于或优选大于流过触头装置3的触头装置电弧电流的幅度。
现在将参照图5a至图5b和图6来描述开关系统1’的操作。在正常状况下，电流流过闭合的触头装置3。开关S1至S4中的所有都处于其打开状态。当断路器触头被打开以实现电流断开操作以便将触头装置3设定处于打开状态时或此后的短时间时，控制系统7’被设置成在时间t1处将第一开关S1和第三开关S3两者设定处于其闭合状态，如图6中所示。由电弧电压U驱动的电流脉冲i1开始在第一流动方向上流过谐振电路5，将电容器C充电到正极性。
当电流脉冲i1往回振荡且在时间t2处变成零时，控制系统7’被设置成将第一开关和第三开关S3设定处于打开状态，即它们被切断。现在电容器C被近似充电到2U。
在时间t2或此后的短时间处，控制系统7’被设置成将第二开关S2和第四开关S4两者设定处于闭合状态。电流脉冲i1将再次开始但是现在在与第一流动方向相反的第二流动方向上流过谐振电路5和电容器C。控制系统7’被设置成电流脉冲i1一变成零并且电容器C一被充电到近似电压-4U就将第二开关S2和第四开关S4设定处于打开状态。
接着重复以上步骤并且跨越电容器C的电压将在各迭代中以近似2U增加。在一些迭代或循环之后，电流脉冲i1的幅度已增长并且当它变成等于或大于触头装置电弧电流I时，根据图6中的示例在时间t3处，电弧将在电流脉冲i1等于触头装置电弧电流I的情况下被即刻熄灭，并且最终借助于灭弧器9和能量吸收器11被以结合第一示例描述的相同方式在时间t4处永久熄灭。
图8a至图8c示出用于断开电流的开关系统的附加示例。这些开关系统能够处理经过触头装置3的双向电流流动。在所有三个图中，断路器触头与(多个)固定触头分离，其中在分离的触头之间示出电弧。
图8a示出能够处理经过触头装置3的双向电流流动的开关系统15-1的第一示例。开关系统15-1包括第一开关S1和第二开关S2。第一开关S1根据示例借助于晶闸管来实现，并且第二开关S2借助于两个串联连接的晶闸管来实现。然而这些开关可以通过任何半导体开关、例如晶体管来实现。
开关系统15-1此外包括谐振电路5，其包括电容器C和电感器L。开关系统15-1还包括呈二极管桥17的形式的整流器，其被设置成在电弧电流的两个电流方向期间向谐振电路5提供电流脉冲。第一开关S1和第二开关S2被以与先前描述的相同的方式操作，借助于控制系统来控制。
图8b描绘了能够处理经过触头装置3的双向电流流动的开关系统15-2的第二示例。开关系统15-2包括借助于两个反并联连接的半导体开关(例如晶闸管或晶体管)实现的第一开关S1，和通过两个反并联连接的半导体开关(例如晶闸管或晶体管)实现的第二开关S2。第二开关S2被横跨谐振电路5连接，并且第一开关S1被连接至触头装置3和谐振电路5。
图8c描绘了能够处理经过触头装置3的双向电流流动的开关系统15-3的第三示例。开关系统15-3包括借助于两个半导体开关(例如晶闸管或晶体管)和两个二极管实现的第一开关S1，和通过两个反并联连接的半导体开关(例如晶闸管或晶体管)实现的第二开关S2。第二开关S2被横跨谐振电路5连接，并且第一开关S1被连接至触头装置3和谐振电路5。
双向开关系统15-1至15-3中的每一个此外包括被设置成在人工过零的创建时迫使触头装置电弧电流为零的浪涌保护器。
在以上示例中，开关可以例如是诸如晶闸管或晶体管等的半导体开关。在以上呈现的示例中的每一个中，控制系统可以例如包括用于半导体开关的栅极驱动单元。
一般情况下，控制单元交替地首先将第一开关并接着将第二开关切换首先处于闭合状态并接着处于打开状态的频率可以取决于电弧的状况或特性。为此，执行电流泵浦或电流注入所采用的频率因此可以被设定为取决于电弧的特性。
如果触头装置电弧电流相对低，那么以相对高的频率执行切换并因此执行电流注入或泵浦是有利的。另一方面，对于高触头装置电弧电流，以与存在低触头装置电流时相比较低的频率执行切换是有利的，这给予被加热的气体更多的时间来消电离。术语“低”和“高”一般难以限定，因为它们可能依赖于诸如触头装置的特定的合金或材料等的参数。一般情况下可以说低触头装置电弧电流可以用直到大约两个100毫安的幅值来表征，而高触头装置电弧电流可以具有高于该值的幅值。
在触头装置电弧电流的幅值已知对于某一应用总是落入“低”和“高”范畴中的一个内的情况中，可以预先设定或编程控制系统使得它使第一开关和第二开关切换所采用的频率被设定为适于该幅值的合适值。
对于某些应用，不可能预先、例如在其发生前知道触头装置电弧电流的幅值。在该情况中，开关系统可以根据一个变型包括被设置成检测触头装置电弧电流的幅值的传感器系统，并且由此控制系统被配置成基于所确定的触头装置电弧电流的大小来调节其控制第一开关和第二开关所采用的频率。开关因此可以以或者相对低的或者相对高的频率来执行，取决于触头装置电弧电流被分别归类为高还是低。
根据另一变型，例如如果不存在传感器系统(例如为了更鲁棒性的开关系统)，由此未提供电流测量，则控制系统可以被设置成：以第一频率持续第一时间间隔并随后以比第一频率慢的第二频率持续第二时间间隔，交替地首先将第一开关并接着将第二开关切换首先处于闭合状态并接着处于打开状态。第一时间间隔可以例如对应于3至5个周期或开关间隔。第二时间间隔可以是直到电弧被成功地熄灭为止的剩余时间，或者它可以对应于多个开关间隔，在这里其具有较长周期。对于半波电路的情况特别如此。在全波电路的情况中，也可以通过控制系统以该方式控制第三开关和第四开关。
根据一个变型，控制系统可以被配置成：在第二时间间隔之后以第三频率持续第三时间间隔，交替地首先将第一开关并接着将第二开关切换首先处于闭合状态并接着处于打开状态，该第三频率比第二频率慢。对于半波电路的情况特别如此。在全波电路的情况中，也可以通过控制系统以该方式控制第三开关和第四开关。
本文中呈现的开关系统可以在AC应用和DC应用中利用，并且可以例如在低压(LV)应用或中压(MV)应用中利用。
以上参照几个示例主要描述了本发明的概念。然而，如本领域技术人员容易领会的那样，除以上所公开的那些以外的其他实施例同样可能在由随附权利要求限定的本发明的概念的范围内。

Claims (17)

1.一种用于断开电流的开关系统(1；1’)，包括：
触头装置(3)，具有第一端子(3a)和第二端子(3b)，
谐振电路(5)，能够横跨所述触头装置(3)连接，
第一开关(S1)，被连接至所述谐振电路(5)和所述第一端子(3a)，其中所述第一开关(S1)能够在打开状态与闭合状态之间切换，其中在所述闭合状态下所述第一开关(S1)被设置成使得电流能够在第一流动方向上流过所述谐振电路(5)并且在与触头装置电弧电流流动方向相反的方向上流入所述触头装置(3)，
第二开关(S2)，被连接至所述谐振电路(5)和所述触头装置(3)的所述第二端子(3b)，其中所述第二开关(S2)能够在打开状态与闭合状态之间切换，其中在所述闭合状态下所述第二开关被装置成使得电流能够在与所述第一流动方向相反的第二流动方向上流过所述谐振电路(5)，和
控制系统(7；7’)，
其中所述控制系统(7；7’)被设置成在电流断开操作时交替地首先将所述第一开关(S1)并接着将所述第二开关(S2)设定首先处于所述闭合状态并接着处于所述打开状态，直到发源于由触头装置电弧电流供给的能量的、流过所述谐振电路(5)并流入所述触头装置(3)的电流脉冲(i1)达到等于或大于所述触头装置电弧电流(I)的幅值的幅度。
2.如权利要求1所述的开关系统(1；1’)，其中在交替地首先将所述第一开关(S1)并接着将所述第二开关(S2)设定首先处于所述闭合状态并接着处于所述打开状态的各迭代中，所述控制系统(7；7’)被设置成：
-将所述第一开关(S1)设定处于所述闭合位置，使得第一电流脉冲能够在所述第一流动方向上流过所述谐振电路(5)，
-当所述第一电流脉冲变成零时首先将所述第一开关(S1)设定处于所述打开状态并接着将所述第二开关(S2)设定处于所述闭合状态，以使得第二电流脉冲能够在所述第二流动方向上流过所述谐振电路(5)，和
-当所述第二电流脉冲首次变成零时将所述第二开关(S2)设定处于所述打开状态。
3.如权利要求1或2所述的开关系统(1；1’)，包括被设置成熄灭横跨所述触头装置(3)的电弧的灭弧器(9)。
4.如权利要求1或2所述的开关系统(1；1’)，其中所述谐振电路(5)包括电容器(C)和电感器(L)。
5.如权利要求1或2所述的开关系统(1)，其中所述第二开关(S2)被横跨所述谐振电路(5)连接。
6.如权利要求1或2所述的开关系统(1’)，包括能够在打开状态与闭合状态之间切换的第三开关(S3)，其中所述第三开关(S3)被连接至所述触头装置(3)的所述第二端子(3b)和所述谐振电路(5)，并且其中所述控制系统(7’)被设置成：在与将所述第一开关(S1)设定处于所述闭合状态的同时将所述第三开关(S3)设定处于所述闭合状态，并且在与将所述第一开关(S1)设定处于所述打开状态的同时将所述第三开关(S3)设定处于所述打开状态。
7.如权利要求6所述的开关系统(1’)，包括能够在打开状态与闭合状态之间切换的第四开关(S4)，其中所述第四开关(S4)被连接至所述谐振电路(5)和所述触头装置(3)的所述第一端子(3a)，并且其中所述控制系统(7’)被设置成：在与将所述第二开关(S2)设定处于所述闭合状态的同时将所述第四开关(S4)设定处于所述闭合状态，并且在与将所述第二开关(S2)设定处于所述打开状态的同时将所述第四开关(S4)设定处于所述打开状态。
8.如权利要求1、2或7所述的开关系统(1；1’)，其中所述第一开关(S1)和所述第二开关(S2)是半导体开关。
9.如权利要求7所述的开关系统(1；1’)，其中所述第三开关(S3)和所述第四开关(S4)是半导体开关。
10.如权利要求1、2、7或9所述的开关系统(1；1’)，其中所述控制系统(7；7’)被配置成：以第一频率持续第一时间间隔并随后以比所述第一频率慢的第二频率持续第二时间间隔，交替地首先将所述第一开关(S1)并接着将所述第二开关(S2)切换首先处于所述闭合状态并接着处于所述打开状态。
11.一种借助于开关系统(1；1’)执行电流断开操作的方法，所述开关系统包括：触头装置(3)，具有第一端子(3a)和第二端子(3b)；谐振电路(5)，能够横跨所述触头装置(3)连接；第一开关(S1)，被连接至所述谐振电路(5)和所述第一端子(3a)，其中所述第一开关(S1)能够在打开状态与闭合状态之间切换，其中在所述闭合状态下所述第一开关(S1)被设置成使得电流能够在第一流动方向上流过所述谐振电路(5)并且在与触头装置电弧电流流动方向相反的方向上流入所述触头装置(3)；第二开关(S2)，被连接至所述谐振电路(5)和所述第二端子(3b)，其中所述第二开关(S2)能够在打开状态与闭合状态之间切换，其中在所述闭合状态下所述第二开关(S2)被设置成使得电流能够在与所述第一流动方向相反的第二流动方向上流过所述谐振电路(5)，和控制系统(7；7’)，其中所述方法包括：
在电流断开操作时，借助于所述控制系统(7；7’)交替地首先将所述第一开关(S1)并接着将所述第二开关(S2)设定首先处于所述闭合状态并接着处于所述打开状态，直到发源于由触头装置电弧电流供给的能量的、流过所述谐振电路(5)的电流脉冲(i1)达到等于或大于所述触头装置电弧电流(I)的幅值的幅度。
12.如权利要求11所述的方法，其中交替地首先将所述第一开关(S1)并接着将所述第二开关(S2)设定首先处于所述闭合状态并接着处于所述打开状态的步骤的各迭代包括：
a)将所述第一开关(S1)设定处于所述闭合状态，使得第一电流脉冲能够在所述第一流动方向上流过所述谐振电路(5)，
b)当所述第一电流脉冲变成零时首先将所述第一开关(S1)设定处于所述打开状态并接着将所述第二开关(S2)设定处于所述闭合状态，以使得第二电流脉冲能够在所述第二流动方向上流过所述谐振电路(5)，和
c)当所述第二电流脉冲首次变成零时将所述第二开关(S2)设定处于所述打开状态。
13.如权利要求11或12所述的方法，其中所述开关系统(1’)包括能够在打开状态与闭合状态之间切换的第三开关(S3)，其中所述第三开关(S3)被连接至所述触头装置(3)的所述第二端子(3b)和所述谐振电路(5)，其中交替地首先将所述第一开关(S1)并接着将所述第二开关(S2)设定首先处于所述闭合状态并接着处于所述打开状态的步骤包括：
在与将所述第一开关(S1)设定处于所述闭合状态的同时将所述第三开关(S3)设定处于所述闭合状态，和
在与将所述第一开关(S1)设定处于所述打开状态的同时将所述第三开关(S3)设定处于所述打开状态。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述开关系统(1’)包括能够在打开状态与闭合状态之间切换的第四开关(S4)，其中所述第四开关(S4)被连接至所述谐振电路(5)和所述触头装置(3)的所述第一端子(3a)，其中交替地首先将所述第一开关(S1)并接着将所述第二开关(S2)设定首先处于所述闭合状态并接着处于所述打开状态的步骤包括：
在与将所述第二开关(S2)设定处于所述闭合状态的同时将所述第四开关(S4)设定处于所述闭合状态，和
在与将所述第二开关(S2)设定处于所述打开状态的同时将所述第四开关(S4)设定处于所述打开状态。
15.如权利要求11、12或14所述的方法，其中所述开关系统(1；1’)包括灭弧器(9)，其中所述方法包括当流过所述谐振电路(5)的所述电流脉冲(i1)达到等于或大于所述触头装置电弧电流(I)的幅值的幅度时借助于所述灭弧器(9)熄灭跨所述触头装置(3)的电弧。
16.如权利要求11、12或14所述的方法，其中所述谐振电路(5)包括电容器(C)和电感器(L)。
17.如权利要求11、12或14所述的方法，其中交替地首先将所述第一开关(S1)并接着将所述第二开关(S2)设定首先处于所述闭合状态并接着处于所述打开状态的步骤以第一频率执行持续第一时间间隔并随后以比所述第一频率慢的第二频率执行持续第二时间间隔。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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