CN110024069B - 电气dc开关系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于熄灭电弧的电气DC开关系统(1)，其中该电气DC开关系统包括：触点装置(3)，具有第一触点(3a)和第二触点(3b)；电流注入电路(5)，包括谐振电路和第一开关，该谐振电路被配置为跨触点装置(3)连接，该第一开关连接到谐振电路(6)和第一触点(3a)，其中第一开关(S1)被配置为在断开状态与闭合状态之间切换，其中在闭合状态中，第一开关被配置为使得注入电流能够在第一流动方向上流过谐振电路(6)并且在与触点装置电弧电流的流动方向相反的方向上流入触点装置(3)；以及电弧隔板组件(7)，包括多个分离器板，该多个分离器板被配置为熄灭跨第一触点(3a)和第二触点(3b)的电弧，其中多个分离器板中的每个分离器板具有分层配置，该分层配置包括磁性层和两个非磁性层。

Description

电气DC开关系统

技术领域

本公开总体涉及用于熄灭电弧的电气DC开关系统，具体涉及依赖用于灭弧目的的模拟过零点的电气DC开关系统。

背景技术

开关系统用于在电气故障(例如由于短路而导致)的情况下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点。当触点彼此分离时，电流分断操作被实现。除了分离触点之外，电流分断操作还包括熄灭触点之间的电弧，并且迫使电流为零。

交流(AC)开关系统利用流过开关系统的交流电流的固有发生的过零点来熄灭电弧。

直流(DC)开关系统无法利用固有过零点，因为不存在过零点。已知为DC开关系统产生模拟过零点以便能够执行电流分断操作。获得模拟过零点的一种方式是利用跨触点连接的谐振电路。谐振电路包括电容器，该电容器通过能量源连续充电。电容器被充电以获得极性，该极性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点。更进一步地，该布置包括通常处于其断开状态的开关。当电流分断操作被实现并且触点被分离时，开关被闭合，其中电容器释放其电荷并且谐振电路提供电流脉冲到触点中。电流脉冲在相对于电弧电流的相反方向上流动。通过在谐振电路中选择合适的电容器和电感的值，模拟过零点被获得。此时，触点处生成的电弧(其使得电弧电流能够在触点的分离的断开之后继续流动)可以通过触点之间的间隙中的热等离子体和/或气体的去离子化而被熄灭。以这种方式，可以分断电弧电流。

上文所描述的模拟过零点的产生需要始终对电容器充电。更进一步地，需要电源来不断地对电容器充电。而且，模拟过零点仅提供一次成功熄灭电弧并从而分断电弧电流的机会。

WO 2016/131949 A1公开了一种用于分断电流的开关系统，其通过利用谐振电路和开关以使用电弧电流将反向电流反复注入到触点装置中来提供多个随后的模拟过零点，允许了多次用于成功熄灭电弧并因此分断电弧电流的机会。

发明内容

在用于分断电流的常规DC开关系统中，电弧穿过分离器板行进，其中每个分离器板之间的电压可能是DC电压源的大约百分之一。这些电压总和达到了幅度与为触点馈电的DC电压源所提供的电压的幅度相同的反向电压。因此，为了获得与DC电压源的电压相等的反向电压，需要大约一百个这样的分离器板。以这种方式，电流可以相对缓慢地从电弧电流值减小到零。

在与电弧电流相比沿相反方向注入电流的这种DC开关系统中，流过触点装置的电流将相对快速地变为零。结果，一旦产生了模拟过零点，就在分离器板两端获得了等于DC电压源电平的反向电压的非常快速的累积。

因此，根据常规途径，在分离器板两端累积反向电压，从而获得电流减少，其在反向电压累积到DC电压源电平之后，相对缓慢地将电流减小到零。根据常规途径，需要大量的分离器板来累积所需的电压电平。如先前所指出的，所需的分离器板的数目例如可能是大约一百个。另一方面，电流注入途径通过沿反向方向上注入电流将电流设置为零，并且当电流为零时，分离器板两端的反向电压累积到DC电压源的电压的幅度。因此，电流注入途径的灭弧原理可以被视为与常规途径的灭弧原理相反。具体地，根据电流注入方法，分离器板仅用作使弧后气体去离子化的器件，而不是像常规情况那样用作反向电压源，该反向电压源总和达到了幅度与由为触点馈电的DC电压源所提供的电压的幅度相同的反向电压。这意味着不需要从例如一百个分离器板之间的电弧电压之和中累积反向电压，以便产生过零点。在本文中所提出的新型灭弧原理中，所需的分离器板的数目仅受弧后间隙的承受能力的管控，并且在该相同示例中仅约为十个。

换句话说，因为借助于电流注入方法，作为电流达到零的结果而基本上获得了反向电压，所以不需要选择如同常规情况那样多的分离器板的数目，并且因此准许每个相邻分离器板之间的电势差达到比常规情况高得多的电压电平。相邻分离器板之间的电势差尤其可以比常规情况高10倍。这意味着在电流注入情况下，分离器板的数目可以减少约90％。

DE 2362089公开了一种电弧淬熄板，其由镀黄铜的铁板或钢板组成。钢的两侧镀有黄铜。

因此，已经认识到上述考虑因素的本发明人开始意外地意识到同这种分离器板与传统DC开关系统一起使用时相比较，具有某种分层材料配置的分离器板(例如，如DE2362089中所公开的)与基于DC电流注入原理的DC开关系统相结合提供了高度协同效应(synergistic effect)。这使得分离器板的数目减少了约90％，从而显着减少了DC开关系统的占地面积和材料成本。

鉴于上述情况，本公开的目的是提供一种电气DC开关系统，其解决或至少缓解了现有技术的问题。

因此，提供了一种用于熄灭电弧的电气DC开关系统，其中电气DC开关系统包括：触点装置，具有第一触点和第二触点；电流注入电路，包括谐振电路和第一开关，该谐振电路被配置为跨触点装置连接，该第一开关连接到谐振电路和第一触点，其中第一开关被配置为在断开状态与闭合状态之间切换，其中在闭合状态中，第一开关被配置为使得注入电流能够在第一流动方向上流过谐振电路并且在与触点装置电弧电流的流动方向相反的方向上流入触点装置；以及电弧隔板组件，包括多个分离器板，这些分离器板被配置为熄灭跨第一触点和第二触点的电弧，其中多个分离器板中的每个分离器板具有分层配置，该分层配置包括磁性层和两个非磁性层。

能够使用更少的分离器板的一个优点是，在DC开关系统内部产生的总能量是与常规方法相比较的一小部分(小于十分之一)。因此，显着减少了处理热气体和电弧能量的问题。

另一个优点是，如果在分离器板中使用非磁性材料，则紧接在电流零点之后的相邻分离器板之间的耐受电压显着高于电弧电压，通常为十倍。因此，分离器板的数目可以减少到仅约十分之一，因为电弧电压的总和不是常规途径所关注的。

第三个优点是电弧放电时间大大减少，从而防止分离器板表面的严重熔化，因此防止它们之间短路。这会进一步减少总加热以及电弧隔板组件内部和外部的电弧重燃的风险。电弧放电时间减少大约五到十倍，并且是用于注入电流的谐振电路的相对高频率的结果。

根据一个实施例，对于每个分离器板，磁性层被两个非磁性层包围。

根据一个实施例，对于每个分离器板，磁性层是磁性片，以及两个非磁性层是两个非磁性片，并且其中磁性片和非磁性片以可拆卸的堆叠方式布置。

根据一个实施例，对于每个分离器板，磁性层和两个非磁性层被包覆。

根据一个实施例，对于每个分离器板，两个非磁性层是设置在磁性层上的涂层。

根据一个实施例，对于每个分离器板，磁性层是钢层或铁层。

根据一个实施例，对于每个分离器板，两个非磁性层中的每个磁性层都是黄铜层。

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，电流注入电路包括DC电源，DC电源被配置为当第一开关处于断开位置时，对电容器充电。具体地，DC电源被配置为对电容器充电，使得当第一开关设置处于闭合状态时，流过谐振电路并且流入触点装置的注入电流相对于触点装置电弧电流处于反向方向。

一个实施例包括控制系统，其中电流注入电路包括第二开关，第二开关连接到谐振电路和触点装置的第二触点，其中第二开关被配置为在断开状态和闭合状态之间切换，其中在闭合状态中，第二开关被配置为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；以及控制系统，其中控制系统被配置为在电流断开操作时，交替地首先设置第一开关、然后设置第二开关，以首先处于闭合状态、然后处于断开状态，直到电流脉冲的幅度达到等于或大于触点装置电弧电流的幅度为止，该电流脉冲从触点装置电弧电流供应的能量发出，流过谐振电路，并且流入触点装置，然后流入分离器板。

根据一个实施例，在交替地首先设置第一开关、然后设置第二开关，以首先处于闭合状态、然后处于断开状态的每次迭代中，控制系统被配置为：设置第一开关处于闭合位置，使得第一电流脉冲在第一流动方向上流过谐振电路；在第一电流脉冲变为零时，首先设置第一开关处于断开状态，然后设置第二开关处于闭合状态，以使得第二电流脉冲在第二流动方向上流过谐振电路；以及当第二电流脉冲首先变为零时，设置第二开关处于断开状态

根据一个实施例，第二开关跨谐振电路连接。

通常，除非本文另有明确定义，否则权利要求中使用的所有术语将根据其在技术领域中的普通含义来解释。除非另有明确说明，否则对“一/一个/元件、装置、部件、器件等”的所有引用要公开解释为指代元件、装置、部件、器件等的至少一个实例。

附图说明

现在，参考附图通过示例对本发明构思的具体实施例进行描述，其中

图1示出了用于分断电流的电气DC开关系统的示例；

图2示出了具有电流注入电路的第一实现方式的图1中的电气DC开关系统；

图3示出了具有电流注入电路的第二示例的图1中的电气DC开关系统；

图4示出了电弧隔板组件的多个分离器板的侧视图；以及

图5a和图5b示出了使用中的分离器板的两个示例。

具体实施方式

现在，在下文中参考附图对本发明构思进行更全面的描述，附图中示出了示例性实施例。然而，本发明构思可以以许多不同的形式实施，并且不应被解释为限于本文中所阐述的实施例；相反，这些实施例通过示例提供，使得本公开将是彻底和完整的，并且将本发明构思的范围完全传达给本领域技术人员。相同数字在整个说明书中指代相同元件。

在本文中将对用于分断电流的电气DC开关系统的若干种变型进行描述。电气DC开关系统包括触点装置，该触点装置具有可动断路器触点和固定触点。断路器触点可以在闭合位置与断开位置之间致动，在闭合位置中其与固定触点机械接触，在断开位置中断路器触点与固定触点机械分离。可动断路器触点限定了触点装置的第一触点，以及固定触点限定了触点装置的第二触点

电气DC开关系统包括电流注入电路，其包括谐振电路和第一开关，该谐振电路是包括电容器和电感器的LC电路。电感器可以是电感器部件或电容器所连接的导体的固有电感。

谐振电路被配置为跨触点装置连接。第一开关被配置为在闭合状态和断开状态之间切换。当处于闭合状态时，注入电流能够在与触点装置电弧电流的流动方向相反的方向上流过谐振电路并且流入触点装置。电流注入电路经由谐振电路被配置为注入幅度等于或大于触点装置电弧电流的幅度的注入电流。

电气DC开关系统还包括电弧隔板组件，其包括多个分离器板，该多个分离器板被配置为熄灭跨触点装置的电弧。多个分离器板中的每个分离器板具有分层配置，该分层配置包括磁性层和两个非磁性层。电弧隔板组件布置在触点装置附近，使得在电弧熄灭的情况下，即，当获得模拟过零点时，由电流注入电路提供的注入电流将在与触点装置电弧电流的流动方向相反的方向上流入分离器板。

图1示出了用于分断电流并且熄灭电弧的电气DC开关系统1的通用示例。DC开关系统1包括触点装置3，触点装置3具有第一触点3a和第二触点3b。第一触点3a可以是可动断路器触点，并且第二触点3b可以是固定触点。触点装置3可以通过移动断路器触点远离固定触点而设置处于断开状态，并且设置处于其中断路器触点与固定触点机械接触的闭合状态。

电气DC开关系统1还包括电流注入电路5，电流注入电路5包括谐振电路6和第一开关S1，谐振电路6跨触点装置3连接，具体地，跨第一触点3a和第二触点3b连接。谐振电路6包括形成LC电路的电容器和电感器，或者可替代地该电感器包括注入电流的电路路径的电感。

电气DC开关系统1还包括电弧隔板组件7，电弧隔板组件7被配置为熄灭跨触点装置的电弧。电弧隔板组件7包括多个分离器板。多个分离器板中的每个分离器板具有分层配置，该分层配置包括三层，即，磁性层和两个非磁性层。根据一个变型，电弧隔板组件7的分离器板中的所有分离器板可以具有分层配置。根据另一变型，仅电弧隔板组件的分离器板中的一些分离器板可以具有分层配置。

磁性材料例如可以是铁或钢。非磁性材料例如可以是黄铜、锌、铜、银、金、镁或上述材料的各种合金。

图2示出了电气DC开关系统1-1的示例，该电气DC开关系统1-1包括被配置为控制第一开关S1的控制系统11。谐振电路6包括电容器C和电感器L(可替代地，电路电感)，并且示例性电流注入电路5-1还包括DC电源9，该DC电源9被配置为对电容器C充电，以获得相对于为触点装置3馈电的电源(未示出)的极性具有反向极性的电压。DC电源9被配置为当第一开关S1处于断开状态时，将电容器C维持处于充电状态。在电路分断操作的情况下，当第一触点3a远离第二触点3b移动时，控制系统11被配置为设置第一开关S1处于闭合状态，从而反向电流被注入到触点装置3中，然后进入分离器板7a-7c。因此，可以在分离器板内部产生模拟过零点。

电气DC开关系统的另一示例如图3所示。根据图3中的示例，电气DC开关系统1-2包括控制系统11和电流注入电路5-2，该电流注入电路5-2包括谐振电路6、第一开关S1和第二开关S2，该谐振电路6包括电容器C和电感器L(或者可替代地为电路电感)。

谐振电路6被配置为跨触点装置3连接。具体地，谐振电路6被配置为借助于第一开关S1和第二开关S2跨触点装置3连接。第一开关S1被配置为在断开状态与闭合状态之间切换。第一开关S1连接到电气DC开关系统1-2的第一触点3a并且连接到谐振电路6。第一开关S1被连接以便在闭合状态下，它使得电流脉冲能够在第一流动方向上流动通过谐振电路6，该电流脉冲从由触点装置电弧电流所供应的能量发出。更进一步地，它使得电流能够在与触点装置电弧电流的流动方向相反的方向上流入触点装置，该触点装置电弧电流经由电弧流过触点装置。

第二开关S2被配置为在断开状态与闭合状态之间切换。第二开关S2连接到开关系统1的第二触点3b并且连接到谐振电路6。具体地，第二开关S2跨谐振电路6连接。

控制系统11被配置为首先在第一开关S1的断开状态和闭合状态之间交替地切换第一开关S1，然后在第二开关S2的断开状态和闭合状态之间切换第二开关S2。控制系统11被配置为通过由触点装置电弧电流供应的能量触发以控制第一开关S1和第二开关S2。控制系统11被配置为首先在第一开关S1的断开状态和闭合状态之间交替地切换第一开关S1，然后在第二开关S2的断开状态和闭合状态之间切换第二开关S2，直到电流脉冲的幅度等于或优选地大于流过触点装置3的触点装置电弧电流的幅度，该电流脉冲从触点装置电弧电流所供应的能量发出，流过谐振电路6，并且经由第一开关S1流入触点装置。当电流脉冲的幅度等于触点装置电弧电流的幅度时，在分离器板7a-7c内部产生模拟过零点，从而有利于熄灭电弧。

第一开关S1、第二开关S2和谐振电路6形成泵浦电路，其被配置为针对每次重复(即，对于交替地首先设置第一开关、然后设置第二开关，以首先处于闭合状态、然后处于断开状态的每次迭代)，注入幅度越来越高的电流脉冲。依据开关的数目以及它们与谐振电路的连接，可以获得如上文所例示的半波泵浦电路或如WO 2016/131949A1中公开的全波泵浦电路。

第一开关S1和第二开关S2例如可以是半导体开关，诸如晶闸管或晶体管。根据本文中所提供的任何示例的控制系统11例如可以包括用于半导体开关的栅极驱动单元。

现在转向图4，现在对电气DC开关系统1、1-1和1-2中的任一个系统的电弧隔板组件7的示例进行更详细的描述。

电弧隔板组件7包括多个分离器板7a-7c，多个分离器板7a-7c以堆叠的间隔开的关系布置。应当注意，尽管在图3的示例中仅示出了三个分离器板，但是应当理解，电弧隔板组件可以包括多于三个的分离器板，或甚至更少的分离器板。

多个分离器板7a-7c中的每个分离器板7a-7c具有分层配置。具体地，每个分离器板7a-7c具有磁性层13和两个非磁性层15。在典型示例中，非磁性层15包围磁性层13。因此，层15和13可以以夹层配置布置，其中磁性层13布置在两个非磁性层15之间。

两个非磁性层15例如可以是设置在磁性层13上的涂层。可替代地，两个非磁性层15和磁性层13可以是已在包覆工艺(cladding process)中被结合的三个单独的板或片。根据又一示例，每个分离器板7a-7c的两个非磁性层15和磁性层13可以是三个不同的片，即，两个非磁性片和一个磁性片，其以可拆卸方式呈堆叠构造或配置布置。在后一情况下，不存在形成分离器板的包覆、涂层或粘合工艺；对于每个分离器板7a-7c，非磁性片和磁性片在这种情况下可以例如借助于诸如螺钉的紧固件彼此紧密地安装。

图5a示出了在分离器板7a-7c的非磁性层15和磁性层13已经被结合的情况下或者在涂层的情况下电弧A可以如何行进穿过分离器板7a-7c的示例。由于在由分离器板7a-7c形成的电弧隔板组件7的每个水平高度处的电弧排斥，吹送力可以指向不同的方向，即，其中电弧如箭头所示的在与分离器板7a-7c平行的平面中移动，因为电弧可以随机行进穿过分离器板7a-7c。

图5b示出了在非磁性层15和磁性层13尚未结合或涂覆的情况下，即，如果它们利用在它们之间紧密安装的可拆卸的方式堆叠的情况下，电弧A可以如何行进穿过分离器板7a-7c的示例。在这种情况下，非磁性片和磁性片在分离器板7a-7c的最靠近电弧进入电弧隔板组件7的部分中焊接在一起。由于热量，这种焊接最初发生在电弧进入电弧隔板组件1时，如附图标记w所示。由于这些焊缝，电弧A将以更受控制的方式移动通过分离器板7a-7c，特别是通过如图5b所示的焊缝。以这种方式，吹送力将始终指向同一方向。因为可以控制方向，所以可以在设计阶段基于电弧将由于吹送力而移动的已知方向来优化分离器板7a-7c的尺寸。

本文中所提出的电气DC开关系统例如可以是断路器、接触器或电流限制器，并且可以用于DC应用中，例如，用于低压(LV)应用或中压(MV)应用。

以上主要参考几个示例对本发明构思进行了描述。然而，如本领域技术人员应当容易领会的，除了上文所公开的实施例之外的其他实施例同样可以落入由所附权利要求限定的本发明构思的范围内。

Claims (12)

1.一种用于熄灭电弧的电气DC开关系统(1；1-1；1-2)，其中所述电气DC开关系统包括：

触点装置(3)，具有第一触点(3a)和第二触点(3b)；

电流注入电路(5；5-1；5-2)，包括谐振电路(6)和第一开关(S1)，所述谐振电路(6)被配置为跨所述触点装置(3)被连接，所述第一开关(S1)连接到所述谐振电路(6)并且连接到所述第一触点(3a)，其中所述第一开关(S1)被配置为在断开状态与闭合状态之间切换，其中在所述闭合状态中，所述第一开关(S1)被配置为使得注入电流能够在第一流动方向上流过所述谐振电路(6)、并且在与触点装置电弧电流的流动方向相反的方向上流入所述触点装置(3)；以及

电弧隔板组件(7)，包括多个分离器板(7a-7c)，所述多个分离器板(7a-7c)被配置为熄灭跨所述第一触点(3a)和所述第二触点(3b)的电弧，其中所述多个分离器板(7a-7c)中的每个分离器板(7a-7c)具有分层配置，所述分层配置包括磁性层(13)和两个非磁性层(15)。

2.根据权利要求1所述的电气DC开关系统(1；1-1；1-2)，其中对于每个分离器板(7a-7c)，所述磁性层被所述两个非磁性层包围。

3.根据权利要求1或2所述的电气DC开关系统(1；1-1；1-2)，其中对于每个分离器板(7a-7c)，所述磁性层(13)是磁性片，以及所述两个非磁性层(15)是两个非磁性片，并且其中所述磁性片和所述非磁性片以可拆卸的堆叠方式布置。

4.根据权利要求1或2所述的电气DC开关系统(1；1-1；1-2)，其中对于每个分离器板(7a-7c)，所述磁性层(13)和所述两个非磁性层(15)被包覆。

5.根据权利要求1或2所述的电气DC开关系统(1；1-1；1-2)，其中对于每个分离器板(7a-7c)，所述两个非磁性层(15)是设置在所述磁性层(13)上的涂层。

6.根据权利要求1或2所述的电气DC开关系统(1；1-1；1-2)，其中对于每个分离器板(7a-7c)，所述磁性层(13)是钢层或铁层。

7.根据权利要求1或2所述的电气DC开关系统(1；1-1；1-2)，其中对于每个分离器板(7a-7c)，所述两个非磁性层(15)中的每个非磁性层是黄铜层。

8.根据权利要求1或2所述的电气DC开关系统(1；1-1；1-2)，其中所述谐振电路(5)包括电容器(C)和电感器(L)。

9.根据权利要求8所述的电气DC开关系统(1；1-1)，其中所述电流注入电路(5-1)包括DC电源(9)，所述DC电源(9)被配置为在所述第一开关(S1)处于所述断开状态时，对所述电容器(C)充电。

10.根据权利要求1、2和9中任一项所述的电气DC开关系统(1；1-2)，包括：

控制系统(11)，

其中所述电流注入电路(5-2)包括第二开关(S2)，所述第二开关(S2)连接到所述谐振电路(6)并且连接到所述触点装置(3)的所述第二触点(3b)，其中所述第二开关(S2)被配置为在断开状态与闭合状态之间切换，其中在所述闭合状态中，所述第二开关被配置为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(6)，

其中所述控制系统(11)被配置为：在电流分断操作时，交替地首先设置所述第一开关(S1)、然后设置所述第二开关(S2)，以首先处于所述闭合状态、然后处于所述断开状态，直到电流脉冲的幅度达到等于或大于所述触点装置电弧电流的幅度为止，所述电流脉冲从由所述触点装置电弧电流所供应的能量发出、流过所述谐振电路(6)、并且流入所述触点装置(3)。

11.根据权利要求10所述的电气DC开关系统(1；1-2)，其中在交替地首先设置所述第一开关(S1)、然后设置所述第二开关(S2)，以首先处于所述闭合状态、然后处于所述断开状态的每次迭代中，所述控制系统(11)被配置为：

-设置所述第一开关(S1)处于闭合位置，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(6)；

-当所述第一电流脉冲变为零时，首先设置所述第一开关(S1)处于所述断开状态，然后设置所述第二开关(S2)处于所述闭合状态，以使得第二电流脉冲在所述第二流动方向上流过所述谐振电路(6)；以及

-当所述第二电流脉冲首先变为零时，设置所述第二开关(S2)处于所述断开状态。

12.根据权利要求10所述的电气DC开关系统(1；1-2)，其中所述第二开关(S2)跨所述谐振电路(6)被连接。

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