[发明专利]混合电流开关装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种尤其用于低压应用的、具有整体隔离的混合电流开关装置，例如断路器或者开关断开器。

背景技术

对于本公开的目的而言，术语“低压”指的是工作电压高达1000VAC/1500V DC的应用。

已知的是，典型地为断路器、开关断开器、接触器的使用在低压电路中的开关装置是设计成用于允许它们所安装的电路中的特定部分和连接到这些电路的电负载或其一部分正确操作的保护装置。

例如，它们确保对于一些电站所需的标称电流的可用性、实现适当地插入负载或者从电路中断开负载、保护（尤其是断路器）电网和安装在电网中的负载免于例如过载或者短路的故障事件。

可在市场上得到用于上述装置的多种工业解决方案。常规的电机械开关装置通常具有容纳一个或多个电极的外壳；各个极包括一对可分离的触头以接通、断开和传导电流；具体地，驱动机构使可动触头在它们联接到相对应的固定触头的第一闭合位置和它们与相对应的固定触部头间隔开的第二断开位置之间移动。

在闭合位置，良好设计的触头导致相当低的功率损失，然而在断开位置，它们确保了下游电路的由触头之间的物理分离所提供的电流（电气）隔离高于最小值；这种电流隔离在常见电气实践中极其重要，因为其能够对其内插入有开关装置的电路进行安全的修复和维护工作。

尽管这种常规的开关装置已经被证实是极其稳健且可靠的，但在直流电流（“DC”）应用中，并且主要在相对高压（高达1500V）的情况下，中断时间可以相当长，从而在分离期间通常在机械触头之间划燃的电弧因此可以相当长。

如此长的成弧时间导致触头的严重磨损，由此显著地降低电气耐久性，即开关装置可以执行的开关操作的次数。

为了解决DC应用中的这种问题，设计了使用功率电子开关（“PES”）的所谓的固态断路器（“SSCBs”），其使用基于半导体的功率装置，例如功率MOSFET、绝缘栅双极型晶体管（“IGBTs”）、门极关断晶闸管（GTO）或集成门极换向型晶闸管（“IGCTs”），这些功率装置可以通过电子驱动单元来接通和关掉以便得到接通和（更重要地）断开操作的无弧电流。

这种SSCBs的主要优点是它们由于无弧操作而具有潜在的无限电气耐久性；另一方面，PES装置适于例如大于100A的高电流，具有极高的通路状态传导损失。

因此，SSCBs浪费了相当大量的能量并且需要加强的冷却以移除所产生的热量并且将温度保持在安全水平上。

为了缓解这些问题，已设计了常规开关装置或主开关（“MS”）装置与PES装置并联连接的混合解决方案；主开关装置在正常操作中传导电流，而PES装置仅在断开或者接通时使用。

这种混合解决方案具有原则上不高于常规开关装置功率损失的低功率损失，从而在以全功率连续负载时也无需特殊的冷却。

但是PES装置的另一重大缺点是，在断开状态下，如果电压施加到PES装置的端子，即IGCT的阳极和阴极、IGBT的集电极和发射极，则PES装置传导例如高达数十mA的小的电流（泄漏电流）。结果，SSCBs和混合解决方案在断开的状态下也具有有限的功率损失并且不适于电流隔离。

通过与PES装置串联连接的另一常规的开关（隔离开关或者“IS”）可以避免这种严重的限制。

这种复杂的装置的正常工作需要IS装置、MS装置和PES装置以极其严格的顺序进行操作并且在断开操作和建立操作时具有密集的时序。例如，在正常操作条件下，MS装置和IS装置闭合，并且PES处于关断状态。当必需中断电流（断开或者电流中断操作）时，接通PES装置（没有电流经过，因为装置两端的电压、即MS装置上的电压降通常低于阈值电压，该阈值电压在IGBT的情况下是集电极-发射极电压（V_CE）并且在IGCT的情况下是通路状态电压（V_T）），断开MS装置并且在其触头之间点燃弧。弧电压使电流转向PES装置并且MS装置的触头之间的弧之后被熄灭。PES装置关断使主电流断开，其中这个步骤仅可以当MS装置的触头之间的距离大到足以避免再点燃弧时才执行。因此，刚好在IS装置断开之后也中断泄漏电流。相反，当必需从MS和IS装置断开的状态并且PES装置处于断开状态开始来闭合触头（接通电流操作）时，首先闭合IS装置，因此仅接通低的泄漏电流，然后PES装置开启以接通主电流或者标称电流，并且因此在MS装置闭合之后将电流随着MS装置本身的触头之间的小弧从PES装置中转移。