[发明专利]直流电流切换设备、电子装置和切换关联直流电路的方法

说明书

本公开涉及直流电流切换设备、电子装置和切换关联直流电路的方法。直流切换设备包括：至少第一机械切换装置，其适合于沿着关联电路的操作路径安置，并且包括固定接触件和相应的活动接触件，后者可以在其中它们耦合到彼此并且电流沿着操作路径流动的闭合位置和其中它们彼此分离以便使电流沿着操作路径的流动中断的开启位置之间开动，其中，电弧可以在分离之下的接触件之间点燃。该设备还包括：电子装置，其包括适合于沿着第二路径安置并且与第一机械切换装置并联连接的半导体器件。电子装置配置成：当第一机械切换装置未能熄灭当活动接触件从固定接触件分离时点燃的电弧时，允许电流的流动从操作路径换向到第二路径，并且通过半导体器件熄灭电弧。

技术领域

本公开涉及直流（“DC”）切换设备、电子装置和用于切换沿着关联的DC电路流通的DC电流的方法。

背景技术

在电气领域中使用保护装置、典型地使用电流开关如断路器或负荷开关是众所周知的，所述保护装置被设计成切换它们安装于其中的电气系统，以便例如使其免于故障事件如过载和短路，或者用于连接和断开负载。

普通的电气机械切换装置包括成对的可分离接触件以造成、断开和传导电流；在断开操作中，驱动机构触发活动接触件，以从它们耦合到相应固定接触件的第一闭合位置移动到它们与之分离的第二开启位置。通常，在接触件开始在物理上彼此分离时，电流通过以下方式继续流过开启的间隙：加热包围接触件自身的绝缘气体，直到气体被电离并且变得导电、亦即达到所谓的等离子态为止；以这种方式，在接触件之间点燃电弧，所述电弧必须尽可能快地被熄灭，以便明确地断开电流的流动。特别地，在直流（“DC”）应用中，中断时间可能非常高，电弧因此可能持续相当长的时间。

这样长的起弧时间导致接触件的严重损耗，这样一来就显著减少了电气耐久性、亦即机械电流开关可以执行的切换操作的数目。

特别地，为了迅速地熄灭电弧并且使这样的问题最小化，有必要将流动的电流和随之而来的加热功率降低至一定的阈值之下，在所述阈值下，加热不足以维持电弧；等离子体冷却并且丧失其导电性。

在低电压DC电路中，通过建立超过施加的系统电压的反电压来减少电流。超过系统电压的建立的电压必须被维持，直到电流被切断为止；通常通过使用一系列的分隔板将电弧分裂成许多短片段来产生这个电压。

为此目的，对于标准的LV断路器几何形状而言，必须将电弧从接触件开启的点火区移动到分隔板所位于的电弧室；通常通过利用在弧柱上生成洛伦兹力的磁场来做到这一点。

可以通过流过切换装置的相同电流来生成这个磁场；然而，虽然能够用非常高的短路电流十分容易地熄灭电弧，但是已知的机械电流开关努力建立一定值如600-1000V之上的电压，并且当以低电流如几十安培来执行切换操作时，熄灭电弧有困难。

在这些情况下，因此有可能的是，在低电流下电弧继续在接触件上燃烧，而不会从接触件朝向电弧分隔板移开：结果，建立的弧电压低，并且电流既未受限也不中断。

在一些断路器中，通常需要另外的永久磁铁，以便加强作用于弧柱上的磁场，从而使其朝向电弧分隔板移动；然而，在这种情况下，除了与针对这个额外部件的成本、位置和空间可用性相关的问题之外，断路器只能使用由永久磁铁的布局限定的给定极性来中断电流；如果电流在相反的方向上流动，则电弧保持在接触件处，所述接触件通过持续在它们上面燃烧的电弧而损耗。

使用混合电流切换装置也是已知的，其中，传统或主要的机械断路器并联连接到基于半导体的电流切换装置。

这些混合方案旨在具有理想地电弧较少的切换操作，或者至少尽可能快地熄灭电弧。

为此目的，当机械断路器的接触件必须开启时，使电流的流动朝向半导体器件换向；在一些情况下，甚至在机械断路器的接触件被开动之前，就将半导体驱动到其导电状态；在其它情况下，紧接着在机械断路器的接触件被开动之后将半导体驱动到其导电状态，以便尽可能早地将电弧从机械接触件移开。