CN111630620A

CN111630620A - 开关设备

Info

Publication number: CN111630620A
Application number: CN201980010880.1A
Authority: CN
Inventors: C·C·戴维森
Original assignee: General Electric Technology GmbH
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2018-01-31
Filing date: 2019-01-31
Publication date: 2020-09-04
Anticipated expiration: 2039-01-31
Also published as: WO2019149814A1; US11177099B2; EP3522196B1; US20210082643A1; CN111630620B; EP3522196A1

Abstract

一种开关设备包括：第一电流传导支路（12），其包括第一开关元件（24），第一开关元件（24）配置为可开关以选择性地允许和阻止第一电流传导支路（12）中的电流流动；第二电流传导支路（14），其包括第二开关元件（32），第二开关元件（32）配置为可开关以选择性地允许和阻止第二电流传导支路（14）中的电流流动；以及用于在使用中连接至电网（22）的第一端子（18）和第二端子（20），其中第一电流传导支路（12）和第二电流传导支路（14）在第一端子（18）和第二端子（20）之间延伸，其中第一电流传导支路（12）还包括电联接至第二开关元件（32）的能量存储元件，使得能量存储元件配置为用于使第二开关元件（32）能够操作的电源，并且第一开关元件（24）配置为可开关以选择性地引导在第一电流传导支路（12）中流动的电流流过能量存储元件，以便将能量存储在能量存储元件中。

Description

开关设备

技术领域

本发明涉及一种开关设备，优选用于在电路中断装置中使用的开关设备。

背景技术

已知使用具有并联连接的电流传导支路的开关设备，其中该开关设备能够在并联连接的电流传导支路之间交换电流。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种开关设备，包括：

第一电流传导支路，其包括第一开关元件，第一开关元件配置为可开关以选择性地允许和阻止第一电流传导支路中的电流流动；

第二电流传导支路，其包括第二开关元件，第二开关元件配置为可开关以选择性地允许和阻止第二电流传导支路中的电流流动；以及

用于在使用中连接至电网的第一端子和第二端子，其中第一电流传导支路和第二电流传导支路在第一端子和第二端子之间延伸，

其中第一电流传导支路还包括电联接至第二开关元件的能量存储元件，使得该能量存储元件配置为用于使第二开关元件能够操作的电源，并且第一开关元件配置为可开关以选择性地引导第一电流传导支路中流动的电流流过能量存储元件，以便将能量存储在能量存储元件中。

本发明的开关设备中的第一开关元件、能量存储元件和第二开关元件的配置提供了电源机构，通过该电源机构可从在第一电流传导支路中流动的电流获得用于向第二开关元件供电的能量，例如这可在开关设备的正常或故障操作期间。这有利地消除了对联接至第二开关元件的独立电源的需求，从而在硬件成本、尺寸和重量方面节省了成本。另外，使用能量存储元件来存储从在第一电流传导支路中流动的电流汲取的能量，提供了一种可靠的手段来从在第一电流传导支路中流动的电流获取能量，以即使在第一端子和第二端子处于可能与第二开关元件的操作相关联的功率需求不兼容的电压水平时，也向第二开关元件提供所需的功率量。

另外，通过第一开关元件选择性地引导在第一电流传导支路中流动的电流流过能量存储元件，以便在能量存储元件中存储能量，可使用第一开关元件的开关作为第二开关元件操作的触发器。这可有用地应用于第一开关元件和第二开关元件的顺序操作，特别是第一开关元件和第二开关元件的顺序开关操作，如电流从第一电流传导支路到第二电流传导支路的换向。

能量存储元件可为任何类型的能量存储元件，如电容器，其能够存储和释放能量以选择性地提供电压。

能量存储元件可配置为用于使第二开关元件能够进行开关操作的电源。例如，在本发明的实施例中，第二开关元件的操作可包括以下中的至少一个：

·开启第二开关元件；

·关断第二开关元件。

在本发明的优选实施例中，第二开关元件可包括至少一个气管开关。将理解的是，第二开关元件可包括单个气管开关或多个气管开关（例如，多个串联连接的气管开关）。

单个气管开关能够提供具有数百kV额定电压的单个高压开关。因此，与基于具有带等效组合额定电压的多个半导体开关的开关元件的开关设备相比，第二开关元件中的气管开关的使用允许开关设备的便宜且更紧凑的构造。本发明的开关设备的构造允许以与气管开关的开启和关断操作的功率需求兼容的方式，经由能量存储元件中的能量存储将来自第一电流传导支路中的电流的能量供应至第二开关元件。

能量存储元件可配置为用于使得能够进行第二开关元件的一个或多个辅助操作的电源。第一电流传导支路可配置为允许能量存储元件以与第二开关元件的该辅助操作或各个辅助操作的电气需求相称的方式来供电。

具体而言，能量存储元件可配置为与包括该气管开关或各个气管开关的第二开关元件的一个或多个辅助操作的功率需求兼容的电源。例如，在采用至少一个气管开关的使用的本发明的实施例中，第二开关元件的操作可包括以下中的至少一个：

·操作至少一个监测装置（例如，电流传感器、电压传感器、气压传感器、温度传感器）以监测该气管开关或各个气管开关的操作状态（例如电流、电压、内部气压、温度），其中开关设备包括该监测装置或各个监测装置；

·操作一个电极或相应的电极以控制该气管开关或各个气管开关中的一个电场或相应的电场，以便维持该气管开关或各个气管开关中的一个传导等离子体或相应的传导等离子体，其中该气管开关或各个气管开关包括该电极或相应的电极；

·操作至少一个气压控制器以控制该气管开关或各个气管开关中的内部气压，其中开关设备包括该气压控制器或各个气压控制器。

第一电流传导支路中的电流可被引导以流过能量存储元件，以便在执行第二开关元件的操作之前不久或之时将能量存储在能量存储元件中。

可选地，本发明的开关设备可包括开关控制器，该开关控制器配置为选择性地控制第一开关元件的开关，以周期性地或间断地引导在第一电流传导支路中流动的电流流过能量存储元件，以便维持能量存储元件中存储的非零能量水平。这允许在能量存储元件中维持一定水平的存储能量，以便提供连续的功率供应以使得第二开关元件能够操作，这例如可包括监测该气管开关或各个气管开关的操作状态，维持该气管开关或各个气管开关中的传导等离子体，或控制该气管开关或各个气管开关中的内部气压。

发明人已经确定了将能量存储元件电联接至第二开关元件以便将能量存储元件配置为用于使第二开关元件能够操作的电源的各种方式，其非限制性示例如下所述。

在本发明的实施例中，能量存储元件可电联接至第二开关元件以在能量存储元件和第二开关元件之间形成电流隔离的电连接，并且电流隔离的电连接可布置为将能量存储元件配置为用于使第二开关元件能够操作的电源。

在能量存储元件和第二开关元件之间的电流隔离的电连接的提供允许在开关设备的设计中的灵活性，以适应电源和第二开关元件的电势之间的差异。

在这样的实施例中，电流隔离的电连接可包括隔离转换器，优选隔离DC-DC转换器。包括隔离转换器提供了在能量存储元件和第二开关元件之间形成电流隔离的电连接的可靠手段。

在本发明的实施例中，能量存储元件可电联接至第二开关元件以在能量存储元件和第二开关元件之间形成直接电连接，并且直接电连接可布置成将能量存储元件配置为使第二开关元件能够操作的电源。将理解的是，直接电连接旨在涵盖没有电流隔离的电连接。

能量存储元件和第二开关元件之间的直接电连接的提供允许开关设备的简单和紧凑的布置，例如当与具有前述电流隔离的电连接的开关设备相比时。

在这样的实施例中，直接电连接可包括至少一个第三开关元件。在直接电连接中包括该第三开关元件或各个第三开关元件允许对作为电源的能量存储元件的配置进行选择性的开关控制，以使第二开关元件能够操作。

能量存储元件可电联接至第二开关元件，以形成能量存储元件和第二开关元件之间的电流隔离的电连接和直接电连接两者。这在开关设备的设计中提供了更大的灵活性以适应不同的需求。例如，在本发明的实施例中，电流隔离的电连接可布置成将能量存储元件配置为电源，用于允许以下中的一个：开启第二开关元件；以及关断第二开关元件；并且直接电连接可布置为将能量存储元件配置为电源，以允许以下中的另一个：开启第二开关元件；以及关断第二开关元件。

在本发明的实施例中，第一电流传导支路可包括非线性电阻元件，该非线性电阻元件配置为在达到非线性电阻元件的保护水平时使跨过能量存储元件的电压钳位。当其用作电源以使第二开关元件能够操作时，这提供了跨过能量存储元件的受控电压。可根据跨过能量存储元件的所需的钳位电压量来配置非线性电阻元件的保护水平，以满足第二开关元件的功率需求。

在本发明的优选实施例中，能量存储元件可配置为用于第一开关元件的缓冲构件。这为本发明的开关设备提供了进一步的成本、尺寸和重量的节省，因为在这样的实施例中，能量存储元件用于提供电源功能和电缓冲功能两者。

在本发明的另一优选实施例中，第一开关元件的发射极端子和第二开关元件的阴极端子可连接至公共节点。这允许开关设备配置为使得能量存储元件（源）和第二开关元件（负载）处于相同或基本相同的电势，这允许降低能量存储元件的电压隔离需求。

可选地，第一开关元件和第二开关元件中的各个可配置为单向或双向开关元件。本发明适用于作为单向或双向开关设备的开关设备的配置。

根据本发明的第二方面，提供了一种电气组件，其包括至少一个根据本发明的第一方面或其上述实施例中的任何一个的开关设备。可选地，电气组件可包括串联连接的多个开关设备。

在本发明的优选实施例中，电气组件可为电路中断装置，可选地是DC电路中断装置。

为了本说明书的目的，打开电路中断装置是指使用电路中断装置来打开闭合电路以中断电路中的电流流动，而闭合电路中断装置是指使用电路中断装置来接通打开的电路以允许电路中的电流流动。DC电路中断装置可为能够中断DC电路中的直流电流流动的任何装置。这种DC电路中断装置可为但不限于DC断路器。

电路中断装置可进一步包括能量吸收装置，例如电涌放电器，其中第一开关元件和第二开关元件的开关操作可配置为使得通过首先使电流从第一电流传导支路换向至第二电流传导支路，并且然后使电流从第二电流传导支路换向至能量吸收装置来中断最初在第一电流传导支路中流动的电流。

本发明的开关设备的构造即使在电路中断装置被设计为在可能与第二开关元件的操作功率需求不兼容的高电压水平（例如数百kV）下操作时，也允许经由能量存储元件中的能量存储将来自在第一电流传导支路中的电流的能量供应至第二开关元件。

在本发明的优选实施例中，开关设备可配置为在HVDC应用中使用。

将认识到，在本专利说明书中使用用语“第一”和“第二”等仅旨在帮助在相似的特征（例如，第一电流传导支路和第二电流传导支路，第一开关元件和第二开关元件）之间区分，除非另有说明，否则并不旨在表示一个特征相对于另一个特征的相对重要性。

附图说明

现在将参照附图通过非限制性示例来描述本发明的优选实施例，在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的第一实施例的DC断路器；

图2示出了图1的DC断路器的电流中断操作；

图3示意性地示出了图1的DC断路器的电流隔离的电连接；

图4示意性地示出了根据本发明第二实施例的DC断路器；

图5示意性地示出了根据本发明第三实施例的DC断路器；

图6和图7示出了图5的DC断路器的电流中断操作；以及

图8示意性地示出了根据本发明的第四实施例的DC断路器。

具体实施方式

附图不一定按比例绘制，并且出于清楚和简洁的目的，附图的某些特征和某些视图可按比例放大或以示意图形式示出。

本发明的以下实施例主要用于HVDC应用中，但是将认识到，本发明的以下实施例在细节上作必要修改后也可应用于其它开关应用。

在图1中示出了根据本发明的第一实施例的DC断路器，并且该DC断路器大体由参考标记10表示。

DC断路器10包括开关设备，该开关设备包括第一电流传导支路12、第二电流传导支路14和能量吸收支路16。第一电流传导支路12、第二电流传导支路14和能量吸收支路16在第一DC端子18和第二DC端子20之间并联连接。在使用中，第一DC端子18和第二DC端子20连接至DC电网22，使得DC断路器10可配置为承载DC负载电流。

第一电流传导支路12包括第一开关元件24和机械开关元件26。第一开关元件24包括呈绝缘栅双极型晶体管（IGBT）T1形式的低压开关器件，并且进一步包括跨过IGBT T1连接的缓冲电路28。所示实施例中的缓冲电路28是具有与电容器并联连接的金属氧化物电涌放电器的二极管电容器关断缓冲器的示例性形式，并且缓冲电路28可配置为限制关断时跨过IGBT T1的峰值电压和电压变化率。机械开关元件26包括呈真空开关形式的超快机械开关，但是可改为包括另一种类型的机械开关，如气体绝缘中断器，或更特别地是SF₆绝缘中断器。

开关设备还包括第一开关控制器30，其配置为控制IGBT T1和机械开关元件26的开关，使得在使用中，第一开关元件24和机械开关元件26中的各个可开关以选择性地允许和阻止在第一电流传导支路12中的电流流动。

第二电流传导支路14包括第二开关元件32。第二开关元件32包括气管开关。气管开关包括包围诸如氢、氦或其它合适的气体的可电离气体的室，并且配置为在气管开关中产生电离气体的等离子体。在使用中，电流的受控流动通过室内的气体从阳极34传导到阴极36。气管开关还包括“保持活动”栅极（未示出），该栅极可操作以在室内维持弱传导等离子体，以促进气管开关的操作而无需例如使用点火器。

该开关设备还包括第二开关控制器38，该第二开关控制器配置为控制气管开关的开关，使得在使用中，第二开关元件32是可开关的，以选择性地允许和阻止在第二电流传导支路14中的电流流动。更具体地，第二开关控制器38包括连接至气管开关的阴极36和栅极40的栅极驱动器，其允许栅极驱动器控制跨过阴极36和栅极40的电压以控制气管开关的开启和关断。

能量吸收支路16包括呈金属氧化物电涌放电器42形式的能量吸收装置。

DC断路器10中断DC电网22中的电流的操作描述如下。

在DC断路器10的正常操作模式中，第一开关元件24和机械开关元件26闭合，以允许电流流过第一电流传导支路12，同时第二开关元件32打开以阻止电流流过第二电流传导支路14，使得DC负载电流流过第一电流传导支路12。同时，几乎没有电流流过能量吸收支路16。

DC电网22中的故障或其它异常操作状况可能导致高故障电流流过DC电网22。响应于DC电网22中的高故障电流的事件，如图2中所示，操作DC断路器10以中断高故障电流，图2示出了在故障清除事件期间通过DC断路器10的电流的分布。

在故障开始的瞬间，通过DC断路器10的电流开始以V/L给定的速率快速上升，其中V是DC电网22的电压，并且L是DC电网电源和DC断路器10本身中的任何附加电感的总电感。在发生故障之后的时间t1之后，命令DC断路器10打开，这导致第一电流传导支路12中的IGBT T1关断，以提供换向电动势，通常为几kV，用于将故障电流转移到第二电流传导支路14中。此后不久，开启气管开关以允许故障电流在第二电流传导支路14中流动。

此后，故障电流继续上升，直到在另一时间t2达到峰值电流为止，这是机械开关元件26完全打开并且气管开关关断以将故障电流转移到能量吸收支路16中的时间。在故障电流中断过程结束时（如由图2中的时段t3所示），能量吸收支路16的电涌放电器提供反电动势力，以将故障电流降至零（或接近零的可忽略量）。

气管开关适合用于在第二电流传导支路14中使用，以暂时承载故障电流，直到机械开关元件26完全打开，然后以允许故障电流转移到能量吸收支路16。这主要是由于其紧凑性以及其提供具有数百kV额定电压的单个高压开关的固有能力，这允许第二开关元件32在与基于带等效组合额定电压的多个半导体开关的开关元件相比时更廉价且更紧凑。

为了向气管开关供电，缓冲电路28的电容器电联接至气管开关，使得电容器配置为用于使气管开关能够操作的电源。图3示出了缓冲电路28的电容器到第二开关控制器38的栅极驱动器的示例性联接。在电容器和栅极驱动器之间形成电流隔离的电连接，其中电流隔离的电连接包括隔离DC-DC转换器44，其配置为将功率从电容器传输到栅极驱动器。这允许电容器配置为电源，以向栅极驱动器供电以使得气管开关能够开关。

在故障电流中断过程期间，第一开关元件24的IGBT T1的关断导致故障电流被引导通过缓冲电路28的电容器。这会导致电容器快速充电，直到达到并联连接的电涌放电器的保护水平为止，这会引起跨过电容器的电压被钳位。跨过电容器的电压可用作用于气管开关的栅极驱动器的能量源，以在故障电流中断过程中进行气管开关的开启和关断。

在该开关设备中，IGBT T1的发射极端子和气管开关的阴极36都连接至公共节点，该公共节点是图1和图3中所示的第一DC端子18。这允许缓冲电路28的电容器和栅极驱动器处于相同或基本相同的电势，这允许降低电容器的电压隔离需求。

在图4中示出了根据本发明的第二实施例的DC断路器，并且该DC断路器大体由参考标记110表示。图4的DC断路器110在结构和操作上与图1和图3的DC断路器10相似，并且相似的特征共享相同的参考标记。

图4的DC断路器110与图1和图3的DC断路器10的不同之处在于，除了电流隔离的电连接之外，在缓冲电路28的电容器和气管开关的栅极40之间形成直接电连接。直接电连接包括附加的IGBT T3，其配置为将电容器的正端子直接连接至气管开关的栅极40。

在DC断路器110的正常操作期间，附加的IGBT T3保持在断状态。在故障电流中断过程期间，通过开启附加的IGBT T3来执行气管开关的开启，以使电容器能够在栅极40上直接施加电压，同时使用隔离DC-DC转换器44以上述方式执行气管开关的关断，以将功率从电容器传输到栅极驱动器。

使用附加的IGBT T3来使气管开关能够开启改善了DC断路器110对故障发生的响应性。这是因为隔离DC-DC转换器44可能花费有限的时间来启动。由于气管开关的关断通常在气管开关开启后的几毫秒内发生，因此有足够的时间可用于隔离DC-DC转换器44启动。

在图5中示出了根据本发明的第三实施例的DC断路器，并且该DC断路器大体由参考标记210表示。图5的DC断路器210在结构和操作上与图4的DC断路器110相似，并且相似的特征共享相同的参考标记。

图5的DC断路器210与图4的DC断路器110的不同之处在于，图5的DC断路器210省略了电流隔离电连接和栅极驱动器，并且电容器经由另外的直接电连接来连接至气管开关的阴极36和栅极40。更具体地，电容器的正端子经由另一附加的IGBT T4连接至气管开关的阴极36，并且电容器的负端子经由另一附加的IGBT T5而连接至气管开关的栅极40。

从DC断路器省略隔离DC-DC转换器44导致DC断路器的更简单和更紧凑的布置。

参考图6和图7在如下描述附加的IGBT T3、T4、T5的操作。

参考图6，在DC断路器210的正常操作期间，所有三个附加的IGBT T3、T4、T5保持在断状态。在故障电流中断过程中，附加的IGBT T3短暂开启（例如，持续约1μs）且然后再次关断。这将电容器的正端子连接至气管开关的栅极40，使得小电流脉冲从电容器的正端子流出而进入气管开关的栅极40，并然后经由缓冲电路28的二极管返回到电容器的负端子。只要栅极40中的瞬态电流小于故障电流，则缓冲电路28的二极管就保持正向偏置，并且传导环路接通。这使气管开关能够锁定到其传导状态，使得可通过缓冲电路28的电容器上的电压驱动来使电流从第一电流传导支路12换向至第二电流传导支路14。

当超快机械开关完全打开时，然后通过开启附加的IGBT T4、T5来关断气管开关，其效果是将电容器的负端子连接至气管开关的栅极40并且将电容器的正端子连接至气管开关的阴极36。这允许电容器用作电流吸收器，以将故障电流转移出栅极40，直到气管开关关断。此后，故障电流从第二电流传导支路14换向进入能量吸收支路16。

上述实施例适用于单向DC断路器，用于清除一个方向上的故障电流，在图1和图3至图7中该方向是从右到左。

本发明还适用于双向DC断路器，用于如下双向清除故障电流。

在图8中示出了根据本发明的第四实施例的DC断路器，并且该DC断路器大体由参考标记310表示。图8的DC断路器310在结构和操作上与图1和图3的DC断路器10相似，并且相似的特征共享相同的参考标记。

图8的DC断路器310与图1和图3的DC断路器10的不同之处在于，在图8的DC断路器310中，第一开关元件24包括一对IGBT T1、T2，它们与机械开关元件26的相应端部串联连接，并且第二开关元件32包括反并联连接的一对气管开关。在第一电流传导支路12中，IGBTT1、T2反向串联连接，并且各个IGBT T1、T2与相应的缓冲电路28并联连接。在第二电流传导支路14中，各个气管开关连接至相应的栅极驱动器，并且栅极驱动器连接至缓冲电路28的相应的电容器。

以此方式，一个IGBT-气管开关对T1、32配置为选择性地允许和阻止电流在第一DC端子18和第二DC端子20之间的一个方向上在第一电流传导支路12和第二电流传导支路14中的流动，并且另一个IGBT-气管开关对T2、32配置为选择性地允许和阻止电流在第一DC端子18和第二DC端子20之间的另一方向上在第一电流传导支路12和第二电流传导支路14中的流动。

图8的DC断路器310的配置使得能够针对在第一DC端子18和第二DC端子20之间的两个方向上的故障电流执行故障电流中断过程。更确切地，通过开关一个IGBT-气管开关对T1、32来执行从第一DC端子18流向第二DC端子20的故障电流的故障电流中断过程，并且通过开关另一个IGBT-气管开关对T2、32来执行从第二DC端子20流向第一DC端子18的故障电流的故障电流中断过程。

可设想，在本发明的其它实施例中，DC断路器10、110、210、310可包括多个开关设备，如串联连接的多个开关设备，以增加DC断路器10、110、210、310的中断能力。

在DC断路器10、110、210、310的正常操作期间，气管开关可能需要少量的辅助功率来连续地给气管开关的一个或多个辅助系统供电。为了本说明书的目的，气管开关的辅助系统的目的在于执行气管开关的辅助操作，这不是气管开关的开启或关断。辅助操作可能包括：

·操作至少一个监测装置（例如，电流传感器、电压传感器、气压传感器、温度传感器）以监测该气管开关或各个气管开关的操作状态（例如电流、电压、内部气压、温度）；

·操作该“保持活动”的栅极或各个“保持活动”的栅极以控制该气管开关或各个气管开关中的一个电场或相应的电场，以维持该气管开关或各个气管开关中的一个传导等离子体或相应的传导等离子体；

·操作至少一个气压控制器，如泵送系统，以控制该气管开关或各个气管开关中的内部气压。

为了提供所需的辅助功率，前述实施例中的缓冲电路28的该电容器或各个电容器可配置为与该气体开关或各个气体开关的一个或多个辅助操作的功率需求兼容的电源。在这样的实施例中，缓冲电路28的该电容器或各个电容器可经由电流隔离的电连接和/或直接电连接而连接至该气管开关或各个气管开关的一个或多个辅助系统。

在再次开启IGBT T1、T2以恢复在DC断路器10、110、210、310的正常操作期间传导DC负载电流的主要功能之前，通过周期性地或间歇性地关断第一开关元件24的IGBT T1、T2以将DC负载电流短暂地转移到电容器中来补充电容器中存储的能量，以将辅助功率提供给气管开关的辅助系统。这允许电容器提供辅助功率的连续供应，以使得能够进行气管开关的辅助操作。由于可将电容器配置为长时间保持充电状态，并且可将辅助系统的功耗需求设计得非常低，例如几瓦，因此第一开关元件24的各个IGBT T1、T2可在DC断路器的大多数正常操作中保持其开启状态。

因此，本发明的开关设备的构造不仅提供了一种电源机构，通过该电源机构，可从DC负载或在第一电流传导支路12中流动的故障电流获得用于给气管开关供电的能量，因此避免了需要用于气管开关的独立电源，而且即使在将DC断路器10、110、210、310设计为在可能与气管开关的操作功率需求不兼容的高电压水平下操作时，也允许经由缓冲电路28的电容器中的能量存储来将来自DC负载或在第一电流传导支路12中的故障电流的能量供应至第二开关元件32的气管开关。

将认识到，在所示实施例中选择了DC断路器10、110、210、310以帮助说明本发明的工作，并且不旨在限制可应用开关设备的应用范围。该开关设备可适用于具有开关能力的其它类型的电气组件，特别是需要在并联连接的电流传导支路之间进行电流换向的其它类型的电气组件。

还应当认识到，各个支路12、14、16中的构件的类型和数量可取决于DC断路器10、100、210、310的设计需求而变化。可设想，在本发明的其它实施例中，第一开关元件24可包括多个开关装置（例如，串联连接和/或并联连接的开关装置），机械开关元件26可包括多个机械开关（例如，串联连接和/或并联连接的机械开关），第二开关元件32可包括多个气管开关（例如，串联连接和/或并联连接的气管开关），和/或能量吸收支路16可包括多个能量吸收装置（例如，串联连接和/或并联连接的能量吸收装置）。还可设想，在本发明的还有其它实施例中，各个IGBT T1、T2、T3、T4、T5可由不同类型的半导体开关装置代替，和/或机械开关元件26可附加地或备选地包括不同类型的机械开关。

Claims

1.一种开关设备，包括：

第一电流传导支路（12），其包括第一开关元件（24），所述第一开关元件（24）配置为可开关以选择性地允许和阻止所述第一电流传导支路（12）中的电流流动；

第二电流传导支路（14），其包括第二开关元件（32），所述第二开关元件（32）配置为可开关以选择性地允许和阻止所述第二电流传导支路（14）中的电流流动；以及

用于在使用中连接至电网（22）的第一端子（18）和第二端子（20），其中所述第一电流传导支路（12）和所述第二电流传导支路（14）在所述第一端子（18）和所述第二端子（20）之间延伸，

其中所述第一电流传导支路（12）还包括电联接至所述第二开关元件（32）的能量存储元件，使得所述能量存储元件配置为用于使所述第二开关元件（32）能够操作的电源，并且所述第一开关元件（24）配置为可开关以选择性地引导所述第一电流传导支路（12）中流动的电流流过所述能量存储元件，以便将能量存储在所述能量存储元件中。

2.根据权利要求1所述的开关设备，其中，所述第二开关元件（32）的操作包括以下中的至少一个：

·开启所述第二开关元件（32）；

·关断所述第二开关元件（32）。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的开关设备，其中，所述第二开关元件（32）包括至少一个气管开关。

4.根据权利要求3所述的开关设备，其中，所述第二开关元件（32）的操作包括以下中的至少一个：

·操作至少一个监测装置以监测所述气管开关或各个气管开关的操作状态，其中所述开关设备包括所述监测装置或各个监测装置；

·操作一个电极或相应的电极以控制所述气管开关或各个气管开关中的一个电场或相应的电场，以便维持所述气管开关或各个气管开关中的一个传导等离子体或相应的传导等离子体，其中所述气管开关或各个气管开关包括所述电极或相应的电极；

·操作至少一个气压控制器以控制所述气管开关或各个气管开关中的内部气压，其中所述开关设备包括所述气压控制器或各个气压控制器。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的开关设备，包括开关控制器（30），所述开关控制器配置为选择性地控制所述第一开关元件（24）的开关，以周期性地或间断地引导在所述第一电流传导支路（12）中流动的电流流过所述能量存储元件，以便维持所述能量存储元件中存储的非零能量水平。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的开关设备，其中，所述能量存储元件电联接至所述第二开关元件（32），以在所述能量存储元件与所述第二开关元件（32）之间形成电流隔离的电连接，并且所述电流隔离的电连接布置成将所述能量存储元件配置为用于使所述第二开关元件（32）能够操作的电源，并且优选地，其中所述电流隔离的电连接包括隔离转换器（44）。

7.根据前述权利要求中任一项所述的开关设备，其中，所述能量存储元件电联接至所述第二开关元件（32），以在所述能量存储元件和所述第二开关元件（32）之间形成直接电连接，并且所述直接电连接布置成将所述能量存储元件配置为电源，以使所述第二开关元件（32）能够操作。

8.根据权利要求7所述的开关设备，其中，所述直接电连接包括至少一个第三开关元件（T3、T4、T5）。

9.根据从属于权利要求6时的权利要求7或权利要求8所述的开关设备，其中，所述电流隔离的电连接布置为将所述能量存储元件配置为用于允许以下中的一个的电源：开启所述第二开关元件（32）；以及关断所述第二开关元件（32）；并且其中所述直接电连接布置为将所述能量存储元件配置为用于允许以下中的另一个的电源：开启所述第二开关元件（32）；以及关断所述第二开关元件（32）。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的开关设备，其中，所述第一电流传导支路（12）包括非线性电阻元件，所述非线性电阻元件配置为在达到所述非线性电阻元件的保护水平时，使跨过所述能量存储元件的电压钳位。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的开关设备，其中，所述能量存储元件配置为用于所述第一开关元件（24）的缓冲构件。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的开关设备，其中，所述第一开关元件（24）的发射极端子和所述第二开关元件（32）的阴极端子（36）连接至公共节点。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的开关设备，其中，所述第一开关元件（24）和所述第二开关元件（32）中的各个配置为单向或双向开关元件。

14.一种电气组件，包括至少一个根据前述权利要求中任一项所述的开关设备，优选地其中所述电气组件包括串联连接的多个开关设备。

15.根据权利要求13或权利要求14所述的电气组件，其中，所述电气组件是电路中断装置（10、110、210、310）。