專利名稱：包括用于開關(guān)電源的火花隙的開關(guān)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1前序部分所述的設(shè)備。本發(fā)明所述設(shè)備可以用于為開關(guān)目的而進(jìn)行的任何連接中。本發(fā)明最好應(yīng)用在需要轉(zhuǎn)換大功率的地方。實(shí)際上涉及高壓連接和電力輸送應(yīng)用。本發(fā)明所述設(shè)備最好的應(yīng)用是在發(fā)電廠中保護(hù)電力對(duì)象免遭故障的影響，所述故障主要指電流，也包括電壓，這種應(yīng)用雖然是優(yōu)選的，但本發(fā)明所述設(shè)備并不限于這種應(yīng)用。此外，本發(fā)明還包括保護(hù)對(duì)象的方法。
所討論的電力對(duì)象可以具有任意的特性，只要該對(duì)象是包含在電力網(wǎng)中并且需要保護(hù)以免遭與過流有關(guān)的故障的影響，所述過流即實(shí)際上的短路電流。作為一個(gè)例子，可以指出對(duì)象可以由具有磁路的電力設(shè)備構(gòu)成，例如發(fā)電機(jī)、變壓器或電動(dòng)機(jī)。其它對(duì)象也可以處于討論中，例如電力線和電纜、配電裝置等。本發(fā)明的應(yīng)用將結(jié)合中壓和高壓。根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，中壓指1-72.5kv，而高壓為＞72.5kv。這樣，輸電、中壓輸電和配電電平都包括在內(nèi)。
在具有該特性的現(xiàn)有發(fā)電廠中，為了保護(hù)所討論的對(duì)象，人們已經(jīng)借助于通過為斷開而提供電流分離這種設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)斷路器(開關(guān)設(shè)備)。由于該斷路器必須能夠斷開非常大的電流和電壓，因此造成具有大慣性的較大容量設(shè)計(jì)，這種大慣性反映在較長(zhǎng)的斷開時(shí)間中?？梢灾赋觯A(yù)期的過流主要是發(fā)生在與保護(hù)對(duì)象連接中的短路電流，例如由于故障而在保護(hù)對(duì)象的電絕緣系統(tǒng)中出現(xiàn)的短路電流。這種故障意味著外部電網(wǎng)/設(shè)備的故障電流(短路電流)將流過電弧。所造成的結(jié)果是出現(xiàn)非常嚴(yán)重的擊穿?？梢灾赋觯瑢?duì)于瑞典的電力網(wǎng)來說，短路電流/故障電流的量度是63kA。實(shí)際上，短路電流可以等于40-50kA。
所述斷路器的問題在于其斷開時(shí)間長(zhǎng)。實(shí)現(xiàn)完全斷開的斷開時(shí)間量度(IEC標(biāo)準(zhǔn))是150毫秒(ms)。將該斷開時(shí)間減小到小于50-130ms(根據(jù)實(shí)際情況而定)是很困難的。其后果就是當(dāng)保護(hù)對(duì)象中存在故障時(shí)，在啟動(dòng)斷路器斷開所需的全部時(shí)間內(nèi)很大電流將流過同一對(duì)象。在這段時(shí)間內(nèi)，外部電力網(wǎng)的全部故障電流使相當(dāng)大的負(fù)載卷入到保護(hù)對(duì)象上。為了避免保護(hù)對(duì)象損壞和完全擊穿，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，人們已經(jīng)將對(duì)象構(gòu)造得使其能夠承受斷路器斷開時(shí)間內(nèi)的短路電流/故障電流而沒有明顯的損壞?？梢灾赋?，保護(hù)對(duì)象中的短路電流(故障電流)由對(duì)象本身對(duì)故障電流的影響和由電網(wǎng)/設(shè)備發(fā)出的附加電流組成。對(duì)象本身對(duì)故障電流的影響不受斷路器功能的影響，但電網(wǎng)/設(shè)備對(duì)故障電流的影響卻取決于斷路器的操作。構(gòu)造保護(hù)對(duì)象需要使其可以在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間區(qū)間內(nèi)承受大的短路電流，這意味著實(shí)質(zhì)性的缺陷，即設(shè)備費(fèi)用更高且性能降低。
正如以上本文所指出的，本發(fā)明不僅限于保護(hù)用途。在其它開關(guān)場(chǎng)合，當(dāng)涉及到大功率時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)所針對(duì)的開關(guān)功能而必須借助于如半導(dǎo)體元件組這樣的相當(dāng)昂貴的大容量開關(guān)設(shè)備是不利的。目前的半導(dǎo)體元件(盡管其它材料的半導(dǎo)體元件也在討論范圍內(nèi)，但最好是硅半導(dǎo)體元件)由于實(shí)際原因限制了在半導(dǎo)體材料出現(xiàn)電擊穿之前元件所能承受的最大電場(chǎng)強(qiáng)度。這就馬上暗示著相應(yīng)限制了元件所能承受的最大電壓。尤其在高壓連接中，人們被迫將大量半導(dǎo)體元件串聯(lián)耦合(半導(dǎo)體元件組)，在這種方式下，包含在半導(dǎo)體元件組中的元件沒有一個(gè)承受元件安全電平以上的電壓。
而且，半導(dǎo)體元件的設(shè)計(jì)很復(fù)雜，原因是例如與大氣相比，半導(dǎo)體材料本身保證會(huì)承受很高的電場(chǎng)強(qiáng)度。但對(duì)于必須存在于其間設(shè)置高壓的半導(dǎo)體材料外部那些電極之間的絕緣材料來說該設(shè)計(jì)是無(wú)效的。這也包含一種限制在使用高壓的半導(dǎo)體元件的設(shè)計(jì)中，必須注意在半導(dǎo)體中的電場(chǎng)強(qiáng)度和周圍絕緣介質(zhì)中的電阻之間實(shí)現(xiàn)平衡。
在用于發(fā)電廠的幾個(gè)應(yīng)用中，包括于其中的元件不僅要承受高壓，而且要承受大電流。當(dāng)電流流過具有一定電阻的元件時(shí)，相當(dāng)大的熱量(所說的焦耳熱能)與所說電阻成正比并且與電流的平方成正比。由于每個(gè)半導(dǎo)體元件的電阻很小幾乎可以忽略不計(jì)，元件組所能承受的最大電流受到限制。如果通過半導(dǎo)體元件要輸送很大的電流，人們就不得不通過幾個(gè)同樣的平行的電流路徑來輸送電流。因此，半導(dǎo)體元件的數(shù)量成倍增加。
在高壓和大電流的地方，必須使用大量半導(dǎo)體元件。由于所有元件都必須工作以使發(fā)電廠(例如HVDC閥)投入運(yùn)轉(zhuǎn)，所以可靠性較低。
半導(dǎo)體元件大量堆積的事實(shí)意味著在時(shí)間上必須對(duì)它們進(jìn)行很高精度的控制。錯(cuò)誤的“定時(shí)”例如可能導(dǎo)致有過高的電壓作用于單個(gè)元件上，從而造成某種失敗或使整個(gè)發(fā)電廠不能運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)然，如果必須設(shè)置多個(gè)平行電流路徑且同步運(yùn)行，這種“定時(shí)”問題就會(huì)增加。
本發(fā)明的主要目的是提供一種開關(guān)設(shè)備，與目前所使用的開關(guān)設(shè)備相比，本發(fā)明的設(shè)備更適于快速轉(zhuǎn)換大電功率，且費(fèi)用更低。
本發(fā)明的第二目的是提供設(shè)備的設(shè)計(jì)途徑和方法以便對(duì)任意對(duì)象實(shí)現(xiàn)更好的保護(hù)并因此降低對(duì)象上的負(fù)載，這意味著對(duì)象本身的設(shè)計(jì)不必使其在相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間區(qū)間內(nèi)承受最大短路電流/故障電流。
根據(jù)本發(fā)明，根據(jù)權(quán)利要求1特征部分設(shè)計(jì)開關(guān)裝置。由于為了在電極間隙中建立電離/等離子體而通過直接向電極間隙提供輻射能量使開關(guān)裝置的電極間隙處于導(dǎo)電狀態(tài)，根據(jù)本發(fā)明建立了使開關(guān)裝置快速操作的條件。電極間隙中的電離/等離子體造成/啟動(dòng)具有很高導(dǎo)電性的導(dǎo)電的等離子體通道，使得可以傳送很大的電流，更具體地說是在相對(duì)拉長(zhǎng)的時(shí)間區(qū)間內(nèi)可以傳送很大的電流而沒有負(fù)面影響，這與傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)形成了鮮明的對(duì)照。
根據(jù)本發(fā)明，上述第二目的的實(shí)現(xiàn)在于具有過流減小裝置形式的開關(guān)裝置，它適于借助于過流狀態(tài)檢測(cè)裝置減小過流，連接到發(fā)電廠以保護(hù)對(duì)象。根據(jù)最佳實(shí)施例，開關(guān)裝置可以構(gòu)成過流轉(zhuǎn)向器以便將過流轉(zhuǎn)向到地或具有相對(duì)較低電勢(shì)的另一元件。
因此，就保護(hù)方面來說，本發(fā)明是基于原理利用快速操作的開關(guān)裝置即本文所述的開關(guān)裝置，它并不真的斷開過流，但卻同樣將電流減小到使對(duì)象得到保護(hù)的程度，這種保護(hù)實(shí)質(zhì)上減小了對(duì)象的過度疲勞，從而使對(duì)象受到的損壞更小。因此，過流/故障電流的減小意味著注入保護(hù)對(duì)象的總能量實(shí)質(zhì)上將小于不存在根據(jù)本發(fā)明所述開關(guān)裝置的時(shí)候。
根據(jù)本發(fā)明基于開關(guān)裝置的解決方法隱含著可以有利地滿足需要以實(shí)現(xiàn)另人滿意的保護(hù)功能。因此，通過開關(guān)裝置可以實(shí)現(xiàn)非?？焖俚挠|發(fā)，使得一旦電極間隙已經(jīng)處于導(dǎo)電狀態(tài)，就經(jīng)開關(guān)裝置將出現(xiàn)的與過流有關(guān)的故障以非常小的延遲及時(shí)轉(zhuǎn)向?？梢灾赋觯谠撨B接中術(shù)語(yǔ)“觸發(fā)”意味著將開關(guān)裝置引入導(dǎo)電狀態(tài)。通過開關(guān)裝置的布置，所述開關(guān)裝置的尺寸很容易加工成能夠?qū)ǚ浅４蟮碾娏鳌榱说玫綕M意的保護(hù)功能，希望通過開關(guān)裝置建立起的電流導(dǎo)通通道具有很低阻抗。這意味著最大可能地緩解了對(duì)象的過度疲勞，所述對(duì)象受到保護(hù)以免遭故障電流的影響。此外，用很小的努力就可以使根據(jù)權(quán)利要求1所述的開關(guān)裝置具有很高觸發(fā)安全性的功能。觸發(fā)必須不會(huì)在危急情況下為了盡可能快地使出現(xiàn)的故障電流轉(zhuǎn)向而導(dǎo)致失敗。另一方面，根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)裝置提供了加工尺寸的可能性以便在非觸發(fā)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)很高抗電強(qiáng)度。這樣，自然擊穿的可能性最小。從而，最好是使用至少一個(gè)用于觸發(fā)的激光器。
根據(jù)a.o.的最好改進(jìn)，用于向電極間隙提供輻射能量的裝置在所附權(quán)利要求中作了限定。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，為了實(shí)現(xiàn)使電極間隙呈現(xiàn)導(dǎo)電狀態(tài)的最大可能確定性，在兩個(gè)或多個(gè)點(diǎn)或區(qū)域向電極間隙提供輻射能量。根據(jù)一種可替代的設(shè)計(jì)方式，能量提供裝置可以在位于電極間的導(dǎo)通路徑上沿細(xì)長(zhǎng)區(qū)域提供輻射能量。根據(jù)最佳實(shí)施例，該細(xì)長(zhǎng)區(qū)域完全或基本完全橋接電極之間的間隙。盡管這是可能的，在具有兩個(gè)或多個(gè)提供輻射的點(diǎn)或區(qū)域的情況下，就電極間的導(dǎo)電路徑而論，對(duì)這些點(diǎn)或區(qū)域的連續(xù)施加相當(dāng)于傳播，以這種方式，以一時(shí)間延遲連續(xù)施加于這些點(diǎn)和區(qū)域，根據(jù)本發(fā)明，通常最好基本同時(shí)應(yīng)用于這些點(diǎn)或區(qū)域以便使電極間隙瞬間導(dǎo)通。
再者，根據(jù)本發(fā)明，提供觸發(fā)能量的裝置可以以筒形體積施加輻射能量。當(dāng)其中一個(gè)電極包括提供輻射能量的開口以及以筒形體積提供的輻射能量相對(duì)接近于設(shè)有開口的電極時(shí)，效果尤其好。
根據(jù)另一可替代實(shí)施例，能量提供裝置可設(shè)計(jì)為在電極間延伸的多個(gè)基本平行的細(xì)長(zhǎng)電極區(qū)域中提供輻射能量。
輻射能量也可以在位于電極間的一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)中垂直于電極軸提供給電極間隙。
利用本發(fā)明所述開關(guān)裝置的優(yōu)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)上通過半導(dǎo)體技術(shù)可以獲得的不同開關(guān)功能。換句話說，通過本發(fā)明所述的開關(guān)裝置可以用適當(dāng)數(shù)量的電氣元件構(gòu)建，這些電氣元件的特性與那些在例如半導(dǎo)體技術(shù)范圍內(nèi)所公知的特性相類似。
本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)和特征，尤其是本發(fā)明所述的方法，可以從以下描述和權(quán)利要求中看出。
參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。


圖1用圖解法示出了本發(fā)明所述解決方案的基本方案，圖2a-2d以框圖和比較方式示出了在有本發(fā)明所述設(shè)備和沒有本發(fā)明所述設(shè)備情況下的故障電流產(chǎn)生和能量產(chǎn)生；圖3以框圖示出了本發(fā)明所述設(shè)備的可能設(shè)計(jì)；圖4以框圖詳細(xì)示出了過流減小裝置的可能設(shè)計(jì)；圖5-7是類似于圖4的幾個(gè)不同變形圖；圖8示出了向電極間隙提供能量的光學(xué)系統(tǒng)；圖9示出放置在其中一個(gè)電極側(cè)面的一種可替代的光學(xué)系統(tǒng)；圖10是另一可替代的光學(xué)系統(tǒng)，用于在其中一個(gè)電極周圍提供能量且又相對(duì)同軸而在其中一個(gè)電極中不需開口；圖11是基于使用光纖的光學(xué)系統(tǒng)圖；圖12示出了通過折射斧石從點(diǎn)光源散發(fā)出的光的折射原理圖；圖13與圖16類似，但示出了斧石對(duì)準(zhǔn)直激光束的作用；圖14示出了在電極間產(chǎn)生細(xì)長(zhǎng)聚焦區(qū)的折射斧石的功能；圖15示出了沿圖18中聚焦區(qū)的功率密度曲線圖；圖16與圖18類似，但示出了衍射光學(xué)元件的使用；圖17示出了通過反射斧石在細(xì)長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)聚焦；圖18示出了能產(chǎn)生具有不同幾何形狀的聚焦區(qū)的衍射斧石(開諾全息照片)；圖19概略示出了應(yīng)用于發(fā)電廠中的本發(fā)明所述設(shè)備，發(fā)電廠包括發(fā)電機(jī)、變壓器和連接到發(fā)電廠的電力網(wǎng)；圖20示出了如何向相對(duì)垂直于電極共用軸的電極間隙提供能量，圖20a示出了在單個(gè)點(diǎn)或區(qū)域提供輻射能量，而圖20b示出了在三個(gè)這樣的點(diǎn)或區(qū)域中提供輻射能量；圖21a和b示出了如何提供輻射能量以便在電極間形成幾個(gè)基本平行的導(dǎo)電通道；圖22示出了一個(gè)與圖10有些類似的實(shí)施例的側(cè)視圖，它很明顯從圖23設(shè)置在其中一個(gè)電極周圍的多個(gè)個(gè)別的開諾全息照片(衍射光學(xué)元件)看出；圖24示出了根據(jù)本發(fā)明所述的開關(guān)裝置完成雙向三端雙向晶閘管開關(guān)元件功能的概略形式，圖25示出了單向三端雙向晶閘管開關(guān)元件功能圖，圖26-28是通過本發(fā)明所述的開關(guān)設(shè)備如何實(shí)現(xiàn)雙向三端雙向晶閘管開關(guān)元件功能的三個(gè)不同例子，每個(gè)開關(guān)設(shè)備包括兩個(gè)開關(guān)裝置，圖29a-d示出了根據(jù)本發(fā)明所述的開關(guān)設(shè)備通過與一個(gè)或多個(gè)具有二極管功能的元件串聯(lián)耦合可以提供與晶閘管相似的功能，圖30和31是如何以三端雙向晶閘管開關(guān)元件功能或晶閘管功能來使用根據(jù)本發(fā)明所述的開關(guān)設(shè)備的例子，以及圖32是根據(jù)本發(fā)明所述的開關(guān)設(shè)備串聯(lián)開關(guān)功能的概圖。
圖1所示為包括保護(hù)對(duì)象1的發(fā)電廠。該對(duì)象例如可以由發(fā)電機(jī)構(gòu)成。該對(duì)象經(jīng)線路2連接到外部配電網(wǎng)3。由3表示的單元也可以由包含在發(fā)電廠中的其它設(shè)備來代替該電網(wǎng)。假設(shè)所涉及的發(fā)電廠具有這樣的特性當(dāng)對(duì)象1中出現(xiàn)故障引起故障電流從電網(wǎng)/設(shè)備3流向?qū)ο?而使得故障電流將流過對(duì)象時(shí)，主要保護(hù)對(duì)象1本身不受來自電網(wǎng)/設(shè)備3的故障電流的影響。所述故障可能在于對(duì)象1中形成的短路。短路是兩個(gè)或多個(gè)點(diǎn)之間的導(dǎo)電路徑，這是一種不期望的情況。短路例如可以由電弧構(gòu)成。所述短路以及造成的強(qiáng)電流會(huì)引起相當(dāng)大的破壞，甚至使對(duì)象1整個(gè)擊穿。
已經(jīng)指出，至少對(duì)于有些類型的受保護(hù)的電氣對(duì)象1來說，對(duì)所述對(duì)象有害的短路電流/故障電流會(huì)從保護(hù)對(duì)象流向電網(wǎng)/設(shè)備3。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，是用于保護(hù)目的的，不僅用于保護(hù)對(duì)象使外部發(fā)出的故障電流不流過對(duì)象，而且用于保護(hù)對(duì)象中的內(nèi)部故障電流不以相反方向流動(dòng)。這將在下面更詳細(xì)地討論。
以下，為了描述簡(jiǎn)便起見，標(biāo)記3一直由外部電力網(wǎng)構(gòu)成。但是，應(yīng)當(dāng)記住，除了這個(gè)電網(wǎng)也可以涉及其它別的設(shè)備，只要當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)所述設(shè)備能使強(qiáng)電流流過對(duì)象1。
傳統(tǒng)的斷路器4設(shè)置在線2上的對(duì)象1和電網(wǎng)3之間。該斷路器包括至少一個(gè)固有的檢測(cè)器，該檢測(cè)器用于檢測(cè)環(huán)境以表示出線2中有過電流流動(dòng)的事實(shí)。這種環(huán)境可以是電流/電壓，也可以是其他的，指示出故障即將出現(xiàn)。例如檢測(cè)器可以是電弧檢測(cè)器或記錄短路聲音(short circuit sound)等的檢測(cè)器等。當(dāng)檢測(cè)器指出過電流超過某一電平時(shí)，則起動(dòng)斷路器4斷開對(duì)象1和電網(wǎng)3之間的連接。但斷路器4必須斷開總的短路電流/故障電流。這樣，斷路器必須設(shè)計(jì)得能完成高的放置要求，這在實(shí)際中意味著運(yùn)行將相對(duì)緩慢。圖2a中電流/時(shí)間特性曲線中示出在時(shí)刻tfault對(duì)象1中出現(xiàn)故障例如短路時(shí)，圖1由2表示的線路中的故障電流快速取為幅度i1。通過斷路器4在tfault之后至少150ms之內(nèi)的t1處斷開故障電流i1。圖2d示出了圖表i2·t，以及其中由于短路在保護(hù)對(duì)象1中形成的能量。因此，由于短路電流的結(jié)果而注入對(duì)象中的能量由圖2d中外部矩形的總面積表示。
正是在所指出的該連接中，圖2a-c中的故障電流和圖2d中的電流表示極值的包絡(luò)線。為簡(jiǎn)單起見，在圖表中僅引出一個(gè)極性。
斷路器4的這種設(shè)計(jì)是使得通過分離金屬接點(diǎn)建立電流分離。因此，斷路器4通常包括消弧所需的輔助設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明，對(duì)象1和開關(guān)設(shè)備4之間的線路2連接到通常由5表示的裝置。該裝置通常被指定為開關(guān)裝置。在所示申請(qǐng)中，開關(guān)裝置具有減小過電流流向設(shè)備的裝置的功能。在基本小于斷路器4的斷開時(shí)間的時(shí)期內(nèi)，所述裝置通過過流狀態(tài)檢測(cè)裝置來減小過流。因此，該裝置5的設(shè)計(jì)是使得不必建立任何電流分離。因此，狀態(tài)被建立起來以便快速減少電流而不必完全消除從電網(wǎng)3流向保護(hù)對(duì)象1的電流。與圖2a的情況相對(duì)比，圖2b示出了根據(jù)本發(fā)明所述的過流減小裝置5，在時(shí)刻tfault一旦出現(xiàn)短路電流，就起動(dòng)該裝置在時(shí)刻t2將過電流減小到電平i2。因此時(shí)間間隔tfault-t2表示過流減小裝置5的反應(yīng)時(shí)間。由于裝置5的任務(wù)只是減小而不是斷開故障電流，因此可以使裝置非?？焖俚刈龀龇磻?yīng)，這將在以下做更為詳細(xì)的描述。作為一個(gè)例子，可以指出的是，電流從電平i1減小到電平i2將在檢測(cè)到不能接受的過流狀態(tài)之后的1ms或幾ms之內(nèi)完成。接下來的目的就是在小于1ms的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)電流減小，且最好是小于1微秒。
由圖1可見，設(shè)備還包括另一斷路器6，它設(shè)置在斷路器4和對(duì)象1之間的線路2上。該開關(guān)的設(shè)計(jì)是為了斷開低于斷路器4的電壓和電流，并且由于它的結(jié)果可以以短于斷路器的斷開時(shí)間進(jìn)行操作。直到已經(jīng)通過過流減小裝置5減小了從電網(wǎng)3流向?qū)ο?的過電流之后但實(shí)質(zhì)上早于斷路器4將另一斷路器6設(shè)置為斷開。從所述內(nèi)容看出，另一斷路器6應(yīng)該連接到線路2，連接的方式是通過過流減小裝置5減小的電流流過所述開關(guān)并因此而被它斷開。
圖2b示出了另一斷路器6的動(dòng)作。更準(zhǔn)確地說，該開關(guān)設(shè)計(jì)為在時(shí)刻t3斷開，這意味著通過過流減小裝置5所減小的電流i2的持續(xù)時(shí)間實(shí)質(zhì)上受到了限定，即限定為時(shí)間期間t2-t3。結(jié)果是由來自電網(wǎng)3的故障電流引起能量注入保護(hù)對(duì)象1，在圖2d中由標(biāo)有斜線的表面表示?？雌饋?，實(shí)現(xiàn)了能量注入的大大減少。在該連接中可以指出，根據(jù)特定的模型，由于能量以電流的平方增加，因此電流減小為二分之一則能量注入減小為四分之一。圖2c示出了故障電流將如何流過裝置5。
考慮裝置5和另一斷路器6的尺寸是為了使裝置5通過另一斷路器6把將被斷開的故障電流和電壓減小到實(shí)質(zhì)上較低的電平。另一斷路器6的實(shí)際斷開時(shí)間是1ms。但尺寸應(yīng)當(dāng)做得使得直到裝置5已經(jīng)將流過另一斷路器6的電流減小為至少一基本程度之后才斷開另一斷路器6。
圖3更為詳細(xì)地示出了設(shè)備是如何得以實(shí)現(xiàn)的。接著指出的是，本發(fā)明可以用于直流(也是HVDC＝High Voltage Direct Current)和交流連接。在后面的例子中，可以認(rèn)為線路2形成了多相交流系統(tǒng)中的其中一相。但應(yīng)當(dāng)記住，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明設(shè)備的目的是根據(jù)本發(fā)明在測(cè)得故障的情況下或者是所有的相受到保護(hù)，或者是出現(xiàn)故障電流的那一相或那些相的電流減小。
由圖3可見，過流減小裝置5包括過流轉(zhuǎn)向器7，過流轉(zhuǎn)向器7用于將過電流轉(zhuǎn)向地8或電勢(shì)低于電網(wǎng)3的另一元件。這樣，可以認(rèn)為過流轉(zhuǎn)向器構(gòu)成了快速建立了對(duì)地或低電勢(shì)8短路的電流分配器，目的是至少使線路2中流動(dòng)的電流的實(shí)質(zhì)性部分轉(zhuǎn)向以便所述電流不能到達(dá)保護(hù)對(duì)象1。如果對(duì)象1中出現(xiàn)短路這樣的嚴(yán)重故障，它與過流轉(zhuǎn)向器7所能建立的短路大小相同，可以說在故障接近過流轉(zhuǎn)向器時(shí)，則由于過流轉(zhuǎn)向器7的結(jié)果而實(shí)現(xiàn)了通常所說的將從電網(wǎng)3流到對(duì)象1的電流減小為二分之一。因此與圖2b相比看出，可以說其中所示大約等于i1一半的電流電平i2表示最壞的存在情況。在正常條件下，目的是過流轉(zhuǎn)向器7應(yīng)該能夠建立導(dǎo)電性好于相應(yīng)保護(hù)對(duì)象1中短路故障導(dǎo)電性的短路，以便因此使故障電流的主要部分經(jīng)過流轉(zhuǎn)向器7轉(zhuǎn)向地或較低電勢(shì)。因此可以看出，在普通故障的情況下，如果由于較低電流電平i2及較短時(shí)間跨度t2-t3的結(jié)果故障時(shí)注入對(duì)象1的能量基本小于圖2d所表示的能量。顯然，當(dāng)已經(jīng)建立的短路具有稍微低于與保護(hù)對(duì)象1中短路故障相應(yīng)的導(dǎo)電性時(shí)，也得到了可靠的保護(hù)。
已經(jīng)指出，符號(hào)8不僅包括地而且包括電勢(shì)低于電網(wǎng)/設(shè)備3的另一元件。因此應(yīng)指出，元件8可能由包括在發(fā)電廠中的另一電力網(wǎng)或另一設(shè)備構(gòu)成，所述設(shè)備的電壓電平低于對(duì)連接到保護(hù)對(duì)象1的網(wǎng)絡(luò)/設(shè)備3有效的電壓電平。
過流轉(zhuǎn)向器7包括在對(duì)象1和電網(wǎng)3之間連接在地8或所述較低電勢(shì)和線路2之間的開關(guān)裝置。該開關(guān)裝置包括控制構(gòu)件9和開關(guān)構(gòu)件10。該開關(guān)構(gòu)件在正常狀態(tài)下設(shè)置為打開，即對(duì)地絕緣。但是為了通過對(duì)地導(dǎo)流建立電流減小，可以在非常短的時(shí)間內(nèi)經(jīng)控制構(gòu)件9使開關(guān)構(gòu)件10達(dá)到導(dǎo)通狀態(tài)。
圖3示出的過流狀態(tài)檢測(cè)裝置包括至少一個(gè)且最好包括幾個(gè)傳感器11-13，傳感器適于檢測(cè)需要起動(dòng)保護(hù)功能的這些過流狀態(tài)。從圖3也可看出，這些傳感器可以包括位于對(duì)象1中或其附近的傳感器13。而且，檢測(cè)器裝置包括傳感器11，它適合于檢測(cè)過流減小裝置5和線路2的連接上游的線路2中的過流狀態(tài)。正如以下所解釋的，提供另一傳感器12以檢測(cè)線路2中流向保護(hù)對(duì)象1的電流是合適的，所述電流即已經(jīng)通過過流減小裝置5被減小的電流。此外，可以指出，傳感器12，以及可能的話還有傳感器13，能夠檢測(cè)線路2中以背離對(duì)象1的方向流動(dòng)的電流，例如在有些情況下，磁性存儲(chǔ)在對(duì)象1中的能量產(chǎn)生背離對(duì)象1方向的電流。
可以指出，傳感器11-13不是必須由單獨(dú)的電流和/或電壓檢測(cè)傳感器構(gòu)成。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，傳感器可以具有這樣的特性一般來說它們可以檢測(cè)任何表示出現(xiàn)特性故障而需要起動(dòng)保護(hù)功能的狀態(tài)。
在有些情況下，出現(xiàn)這種故障使得電流將以背離對(duì)象1的方向流動(dòng)，設(shè)備的設(shè)計(jì)目的是其控制元件14控制另一斷路器6閉合，此外一旦它已經(jīng)打開，就起動(dòng)過流減小裝置5使得短路電流通過同樣的方式被轉(zhuǎn)向。例如當(dāng)假設(shè)對(duì)象1由變壓器組成時(shí)，其中出現(xiàn)短路電流的作用是使得短路電流首先導(dǎo)致強(qiáng)電流流過變壓器，這被檢測(cè)到了并且為了達(dá)到電流導(dǎo)流的目的而起動(dòng)裝置5。當(dāng)流向變壓器1的電流已經(jīng)被減小到所需要的程度時(shí)，使另一斷路器6斷開，但是通過開關(guān)元件14對(duì)其進(jìn)行控制，不早于能量的離開時(shí)間，在發(fā)生這種情況時(shí)，磁性存儲(chǔ)在變壓器1中的能量流出變壓器1并經(jīng)裝置5被轉(zhuǎn)向。
此外，設(shè)備包括控制元件14。該元件連接到傳感器11-13、過流減小裝置5和另一斷路器6。設(shè)備的運(yùn)行是使得當(dāng)控制元件14經(jīng)傳感器11-13中的一個(gè)或多個(gè)接收到表示出現(xiàn)不能接受的故障電流流向?qū)ο?的信號(hào)時(shí)，過流減小裝置5立刻受到控制以便快速提供所需的電流減小。控制元件14可以設(shè)置為當(dāng)傳感器12已經(jīng)檢測(cè)到電流或電壓已經(jīng)減小到足夠程度時(shí)，當(dāng)過電流低于預(yù)定電平時(shí)，它控制另一斷路器6斷開其運(yùn)行。這種設(shè)計(jì)保證另一斷路器6直到電流確實(shí)已經(jīng)減小到某一程度時(shí)才斷開，所述程度指所述另一斷路器6沒有任務(wù)去斷開它并未被設(shè)計(jì)來斷開的高電流。但是，也可以對(duì)實(shí)施例進(jìn)行替換，使得在已經(jīng)控制過流減小裝置完成電流減小之后的某一預(yù)定時(shí)刻控制另一斷路器6斷開。
斷路器4可以包括其自己的用于檢測(cè)過流狀態(tài)的檢測(cè)器裝置或相反斷路器可以經(jīng)控制元件14而受到控制，控制元件14基于來自相同傳感器11-13的信息也控制過流減小裝置的操作。
如圖3所示，另一斷路器6包括具有金屬觸點(diǎn)的開關(guān)15。開關(guān)15可通過操作構(gòu)件16在斷開和閉合位置之間進(jìn)行操作，操作構(gòu)件16又受到控制元件14的控制。并聯(lián)線路17并聯(lián)跨過開關(guān)15，所述并聯(lián)線路包括一個(gè)或多個(gè)元件18，通過使并聯(lián)線路17從觸點(diǎn)取代電流導(dǎo)通來避免開關(guān)15的觸點(diǎn)分離電弧。這些元件的設(shè)計(jì)是使得它們可以斷開或限制電流。這樣，目的是元件18通常應(yīng)當(dāng)保持并聯(lián)線路17中的導(dǎo)通路徑是斷開的，但是當(dāng)開關(guān)15將要被打開時(shí)將該并聯(lián)線路閉合，以便電流旁路越過開關(guān)15并且在那條路上電弧不會(huì)出現(xiàn)或可能出現(xiàn)的電弧被有效地熄滅。元件18包括為控制目的連接到控制元件14的一個(gè)或多個(gè)相關(guān)控制構(gòu)件19。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述元件18為具有必要的過壓制動(dòng)裝置30的可控半導(dǎo)體元件，例如GTO晶閘管。
在通過并聯(lián)線路17建立的電路導(dǎo)通路徑中用于電流分離的隔離開關(guān)20與所述一個(gè)或多個(gè)元件18串聯(lián)設(shè)置。該隔離開關(guān)20經(jīng)操作構(gòu)件21由控制元件14控制。圖3所示的隔離開關(guān)20本身放置在并聯(lián)線路17中。這當(dāng)然是非必要的。只要能保證電流分離，隔離開關(guān)20也可以與所述一個(gè)或多個(gè)元件18串聯(lián)耦合放置在線路2中，在通過所述串聯(lián)耦合建立的導(dǎo)通路徑中使得電流沒有任何流過元件18的可能性。
至此，所述設(shè)備是以下列方式運(yùn)行的沒有故障時(shí)，斷路器4與另一斷路器6的開關(guān)15一樣是閉合的。并聯(lián)線路17中的元件18為非導(dǎo)通狀態(tài)。隔離開關(guān)20是閉合的。最后，過流減小裝置5的開關(guān)裝置10是打開的，即它處于非導(dǎo)通狀態(tài)。在這種情況下，開關(guān)裝置10當(dāng)然必須有足夠的電力絕緣強(qiáng)度使得它不會(huì)造成導(dǎo)通狀態(tài)。因此，由于大氣環(huán)境(雷擊)的結(jié)果而出現(xiàn)在線路2中的過電壓狀態(tài)或耦合方法可以使開關(guān)裝置10的電壓強(qiáng)度在其非導(dǎo)通狀態(tài)下不被超過。為此目的，將至少一個(gè)過壓制動(dòng)器22與開關(guān)裝置10并聯(lián)是適當(dāng)?shù)?。本例中，在開關(guān)裝置10的兩側(cè)示出了這種過壓制動(dòng)器。因此，過壓制動(dòng)器的目的是使電壓轉(zhuǎn)向，否則，這種過壓可能帶來無(wú)意間擊穿開關(guān)裝置10的危險(xiǎn)。
圖3所示的過壓轉(zhuǎn)向器22本身在開關(guān)裝置10與線路連接的任一側(cè)連接到線路2。原理上希望至少一個(gè)過壓轉(zhuǎn)向器在上游相對(duì)于開關(guān)裝置10盡可能緊密地連接。過壓轉(zhuǎn)向器22也可以連接到在開關(guān)裝置10和線路2之間形成電連接的支線，這在圖3中也可以用虛線26表示。這種結(jié)構(gòu)使得開關(guān)裝置10和至少一個(gè)過壓轉(zhuǎn)向器22集成為一個(gè)單一的電氣設(shè)備，該設(shè)備可以經(jīng)一個(gè)單一連接而被引入與線路2導(dǎo)電連接。
當(dāng)已經(jīng)通過傳感器11-13中的一些或斷路器4自身的傳感器注冊(cè)了過流狀態(tài)(當(dāng)然實(shí)現(xiàn)了把來自斷路器4自身傳感器的信息用作根據(jù)本發(fā)明過流減小裝置5的控制基礎(chǔ))，該過流狀態(tài)的大小是預(yù)期對(duì)象1的嚴(yán)重故障即將出現(xiàn)，就斷路器4而言要起動(dòng)斷開操作。此外，控制元件14控制過流減小裝置5來影響這種減小，更準(zhǔn)確地說，經(jīng)控制構(gòu)件9將開關(guān)裝置10引入電導(dǎo)通狀態(tài)。如前所述，這可以很快發(fā)生，即在通過斷路器4斷開所需時(shí)間的一小部分，對(duì)象1立刻受到保護(hù)的原因是由于開關(guān)裝置10使至少基本部分、實(shí)際上是電流的主要部分對(duì)地或較低電勢(shì)轉(zhuǎn)向而使其脫離電網(wǎng)3的全(full)短路電流。一旦經(jīng)另一斷路器6流向?qū)ο?的電流已經(jīng)減小為需要的程度，所述程度可以通過在開關(guān)裝置10起動(dòng)和斷路器6操作之間的時(shí)間差或者通過例如傳感器12檢測(cè)線路2中電流而建立在純粹的時(shí)間基礎(chǔ)上，開關(guān)15的操作構(gòu)件16經(jīng)控制元件14控制斷開開關(guān)15的接點(diǎn)。為了消除或避免電弧，元件18經(jīng)控制構(gòu)件19控制建立并聯(lián)線路17的導(dǎo)電性，元件18例如可以是GTO晶閘管或氣體開關(guān)。當(dāng)開關(guān)15已經(jīng)被斷開以及因此而提供了電流分離時(shí)，再次控制元件18將并聯(lián)線路17引入非導(dǎo)通狀態(tài)。那樣，從電網(wǎng)3流向?qū)ο?的電流就被充分地切斷了。將并聯(lián)線路17引入非導(dǎo)通狀態(tài)后，此外可以通過從控制元件14控制其操作構(gòu)件21以隔離開關(guān)20來影響電流分離。當(dāng)所有這些事件發(fā)生時(shí)，在出現(xiàn)最后一個(gè)事件時(shí)通過斷路器4完成斷開。根據(jù)第一實(shí)施例，能夠重復(fù)操作過流減小裝置5和另一斷路器6，這一點(diǎn)是很重要的。這樣，當(dāng)已經(jīng)通過傳感器11-13促使斷路器4斷開時(shí)，開關(guān)裝置10復(fù)位為非導(dǎo)通狀態(tài)且開關(guān)15和隔離開關(guān)20再次被閉合，使得當(dāng)斷路器4下一次閉合時(shí)，保護(hù)裝置是完全可操作的。根據(jù)另一實(shí)施例，預(yù)期過流減小裝置5為了再次操作需要交換一條或多條路徑。
可以指出，根據(jù)本發(fā)明另一可替代的實(shí)施例，一旦過流減小裝置5已經(jīng)變?yōu)殚]合狀態(tài)，就將元件或元件組18引入導(dǎo)通狀態(tài)，這不取決于此后是否開關(guān)15可能未被斷開。然后，如前所述，元件18可能通過控制元件14或通過包含盲目跟從裝置5閉合的控制功能而出現(xiàn)。
圖4示出了具有開關(guān)裝置10a的過流減小裝置5的第一實(shí)施例。開關(guān)裝置10a具有電極23和這些電極之間的間隙24。正如已經(jīng)描述的，為了觸發(fā)電極間隙24以在電極之間形成導(dǎo)電路徑，開關(guān)裝置具有裝置25a。設(shè)置控制構(gòu)件9a以便通過控制元件14a控制構(gòu)件25a的操作。在本例中，裝置25a的設(shè)置是為了通過使間隙或其部分形成等離子體來導(dǎo)致或至少啟動(dòng)電極間隙呈現(xiàn)導(dǎo)電性。從而，裝置25a能夠向電極間隙快速提供觸發(fā)能量是很重要的。最好是，以輻射能量的方式提供觸發(fā)能量，這又能影響電極間隙中等離子體的電離/啟動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例，裝置25a包括至少一個(gè)激光器，它通過向電極間隙提供能量導(dǎo)致至少部分電極間隙中等離子體的電離/形成。
根據(jù)本發(fā)明，最好是借助于一個(gè)或幾個(gè)激光器或其它裝置25a向電極間隙24提供能量，以這種方式，整個(gè)電極間隙就會(huì)被電離且分別形成等離子體，并且瞬間使整個(gè)間隙具有導(dǎo)電性。為了節(jié)省或最佳利用(一般來說)受限使用的激光能量/效果，在本發(fā)明的應(yīng)用中，裝置25a的設(shè)置使得它們僅能在間隙24的一個(gè)或多個(gè)部分提供電離/等離子區(qū)。在根據(jù)圖4所示的實(shí)施例中，圖25a在一個(gè)單個(gè)點(diǎn)或區(qū)域28提供輻射能量。正如以下所描述的，本發(fā)明也包括在電極間隙中的多個(gè)點(diǎn)或區(qū)域應(yīng)用輻射能量，也包括在一個(gè)或兩個(gè)電極上應(yīng)用輻射能量，或者在電極間連續(xù)或基本連續(xù)延伸的一個(gè)或多個(gè)桿狀區(qū)域中應(yīng)用輻射能量。
如圖4所示，通過在線路2和地8(或具有較低電勢(shì)的另一元件)之間連接開關(guān)裝置10a，即電極23的一個(gè)電極連接到線路2且另一個(gè)電極連接到地8，在形成電場(chǎng)的電極之間出現(xiàn)電壓差。間隙24中的電場(chǎng)將被利用，目的是一旦裝置25a已經(jīng)受控觸發(fā)即已經(jīng)在電極間隙的一個(gè)或多個(gè)部分中產(chǎn)生等離子體的電離/形成，就在電極之間傳送或造成電擊穿。電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)所建立起的等離子體的電離/形成以旁路電極間的間隙，以便以這種方式產(chǎn)生低電阻的導(dǎo)電通道，即電極23之間的電弧?？梢灾赋?，本發(fā)明不限制為結(jié)合出現(xiàn)這種電場(chǎng)使用。這樣，本發(fā)明是裝置25a應(yīng)當(dāng)在沒有這種電場(chǎng)的情況下也能在電極之間建立導(dǎo)電性。
由于為了電流轉(zhuǎn)向需要非?？焖俚亻]合開關(guān)裝置10a，因此希望當(dāng)僅受限部分如間隙的點(diǎn)狀部分被電離時(shí)，以間隙24中電場(chǎng)強(qiáng)度充分高以安全閉合的方式確定開關(guān)裝置的大小。但另一方面，需要開關(guān)裝置10a有很高的抗電強(qiáng)度在其隔離放置位置防備電極間擊穿。因此間隙24中的電場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)相應(yīng)地低。另一方面這將減小速度，通過它使開關(guān)裝置在電極間建立電流轉(zhuǎn)向電弧。一方面需要安全觸發(fā)開關(guān)裝置，另一方面需要有高抗電強(qiáng)度防備不期望的觸發(fā)，為了在兩者之間實(shí)現(xiàn)一種有利的關(guān)系，根據(jù)本發(fā)明最好是以這種方式形成開關(guān)裝置當(dāng)間隙形成電隔離時(shí)，有關(guān)其整個(gè)運(yùn)行環(huán)境的間隙24中的電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)不超過通常發(fā)生自然擊穿的場(chǎng)強(qiáng)的30％。這相對(duì)減低了自然擊穿的可能性。
在其隔離狀態(tài)下電極間隙24中的電場(chǎng)強(qiáng)度不超過通常發(fā)生自然擊穿的場(chǎng)強(qiáng)的20％比較適當(dāng)，最好是不超過10％。另一方面，為了在電極間隙24中得到電場(chǎng)，它促進(jìn)了以較快方式在部分電極間隙中啟動(dòng)等離子體的電離/形成處形成電弧，最好電場(chǎng)強(qiáng)度為通常發(fā)生自然擊穿的場(chǎng)強(qiáng)的至少0.1％且至少1％(E4)比較適當(dāng)，最好至少5％。
從圖4可以看出，電極間隙24包圍在適當(dāng)?shù)耐鈿?2中。為此目的可以在間隙24中出現(xiàn)真空或氣體或液體形式的適當(dāng)介質(zhì)。在間隙中介質(zhì)為氣體/液體這種情況的形成方式是可以通過觸發(fā)被電離并形成等離子體。在這種情況下，在電極23之間的某一點(diǎn)啟動(dòng)間隙24中的等離子體的電離/形成是適當(dāng)?shù)?。但圖4示出了設(shè)想間隙24中為真空或適當(dāng)介質(zhì)的情況。那么最好如圖4所示，通過使激光器25a經(jīng)適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)27在至少一個(gè)區(qū)域28或在其中一個(gè)電極的附近聚焦發(fā)射出的輻射能量來進(jìn)行閉合啟動(dòng)。這隱含著電極將作為在電極間隙24中建立已電離環(huán)境/等離子體的電子及離子發(fā)射器運(yùn)行，以這種方式，在電極間形成電弧。根據(jù)圖4，電極23中的其中一個(gè)有開口29，通過開口，激光器25a借助光學(xué)系統(tǒng)27向區(qū)域28發(fā)射輻射能量。
圖5示出了開關(guān)裝置的變形10b，其中代之以系統(tǒng)激光器25b/光學(xué)系統(tǒng)27b將輻射能量聚焦在觸發(fā)區(qū)28b，該區(qū)域位于電極之間和這些電極之間的介質(zhì)中。因此，一旦觸發(fā)，將從該區(qū)域到電極的橋接形成等離子體。
圖6中開關(guān)裝置的變形10c與圖4中不同，在圖6中，輔助電極31已經(jīng)設(shè)置在電極23c之間，所述輔助電極適于為環(huán)形，這樣激光器25c發(fā)射的光束就可以穿過輔助電極31。這些電極將工作以平滑電極23c之間的電場(chǎng)，并且這些電極相互隔離，即它們可以處于浮動(dòng)電位上。輔助電極使防止自然擊穿的安全性得到了改進(jìn)，減小了開關(guān)裝置的尺寸，降低了對(duì)外部電場(chǎng)影響的靈敏度。輔助電極也容易受到激光束/激光脈沖的影響使其發(fā)射自由電荷，這進(jìn)一步提高了觸發(fā)能力。
圖7示出了開關(guān)裝置的變形10d，變化是在該圖中又增加了電極31d，與參考圖6所描述的內(nèi)容相類似。
為了得到以上所討論的與在開關(guān)裝置隔離狀態(tài)下的電極23之間電場(chǎng)強(qiáng)度狀態(tài)有關(guān)的關(guān)系，開關(guān)裝置的特征當(dāng)然必須充分適用于預(yù)期的用途，即在電極23上出現(xiàn)電壓狀態(tài)。有用的建設(shè)性步驟當(dāng)然關(guān)系到電極的形成、電極間距離、電極間介質(zhì)以及存在影響電極間元件的另一可能電場(chǎng)。
本發(fā)明可以使用衍射光學(xué)元件。在衍射光學(xué)元件中，光的波前端確定光的傳播，這是通過衍射而不是折射的方式形成的。衍射光學(xué)器件的特殊類型只調(diào)制光的相位，不調(diào)制幅度，原因是這種類型的元件具有很高的透射比。純粹的相位調(diào)制可以通過向光學(xué)元件表面提供起伏結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，其中起伏的高度應(yīng)當(dāng)與波長(zhǎng)同階以便實(shí)現(xiàn)元件的最佳功能。實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制的另一種方法是調(diào)制光學(xué)元件的折射率，但這種調(diào)制相當(dāng)困難。衍射光學(xué)元件可以通過全息照相工藝來制造，但不能實(shí)現(xiàn)任意功能。一種更為靈活的制造模式是計(jì)算機(jī)生成，在這種模式中，可以在計(jì)算機(jī)中計(jì)算光學(xué)函數(shù)。那么原理上就可以實(shí)現(xiàn)完全任意的光學(xué)功能，所述功能通過傳統(tǒng)的折射或反射光學(xué)通常是不可能實(shí)現(xiàn)的。此后所得到的工作面例如通過電子束光刻術(shù)或光刻技術(shù)被轉(zhuǎn)換為起伏，這兩種技術(shù)在半導(dǎo)體領(lǐng)域是眾所周知的。所產(chǎn)生的這種dator，相位控制表面起伏的元件就是通常所說的開諾全息照片。一個(gè)公知的例子就是Fresnell透鏡。象所有衍射光學(xué)元件一樣，這種透鏡可以設(shè)計(jì)為僅由兩個(gè)起伏層構(gòu)成的二元結(jié)構(gòu)，或者設(shè)計(jì)為多層起伏，對(duì)衍射效率(光學(xué)元件的機(jī)能效率)提供實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)。
圖8示出了基于包含透鏡系統(tǒng)35的光學(xué)系統(tǒng)27e的實(shí)施例，經(jīng)過該透鏡系統(tǒng)，到達(dá)的激光脈沖被傳送到衍射光學(xué)相位元件36，即開諾全息照片。該元件被設(shè)計(jì)成從單個(gè)入射激光脈沖產(chǎn)生具有多個(gè)焦點(diǎn)或焦斑28e。這些焦點(diǎn)28e沿電極23e之間的對(duì)稱軸分布。由于焦點(diǎn)28e沿電極23e之間的線分布，可以更安全地在電極之間建立導(dǎo)電路徑，這意味著在盡可能低的電壓/電場(chǎng)強(qiáng)度下以盡可能短的時(shí)間延遲來得到盡可能高的觸發(fā)可能性。
開諾全息照片36是低吸收的，因此可以耐受極高的光學(xué)能量密度。因此開諾全息照片由絕緣材料形成，使得它不會(huì)嚴(yán)重破壞電極之間的電場(chǎng)。
根據(jù)圖8所示的實(shí)施例，輻射能量是通過如前所述的其中一個(gè)電極上的開口29e來提供的。圖9示出了一個(gè)變形，其中一般來說，與圖8實(shí)施例相比唯一的區(qū)別是在其中一個(gè)電極23f的外部徑向放置衍射光學(xué)元件(開諾全息照片36f)。如前所述，光學(xué)元件36f的設(shè)計(jì)是為了偏轉(zhuǎn)激光光線并將它們會(huì)聚在沿電極間預(yù)期的導(dǎo)電路徑分布的多個(gè)斑或點(diǎn)上。形成點(diǎn)28f的波束的聚束每一個(gè)都有它們自己的偏轉(zhuǎn)角。這樣，波束聚束必須行進(jìn)不同的距離到達(dá)各自的點(diǎn)28f。根據(jù)圖9所示的開諾全息照片36f位于其中一個(gè)電極側(cè)面的好處是開諾全息照片將位于最強(qiáng)電場(chǎng)的側(cè)面，從而是電場(chǎng)干擾達(dá)到最小。由于激光光線不需開口，所以也簡(jiǎn)化了電極的設(shè)計(jì)。
圖10示出了一個(gè)實(shí)施例，其中激光器25g經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)27g對(duì)稱地向沿電極間隙長(zhǎng)度分布的多個(gè)斑或點(diǎn)28g提供激光輻射，而不需在電極23g上有任何開口。光學(xué)系統(tǒng)27g包括棱鏡或光束分配器37，用于在毗鄰的電極23g周圍偏轉(zhuǎn)激光束。在該電極23g周圍設(shè)置一個(gè)或最好多個(gè)開諾全息照片36g(衍射光學(xué)元件)將激光束會(huì)聚在期望的焦點(diǎn)28g(有可能通過另外的透鏡(1enses))，使得在這些點(diǎn)產(chǎn)生等離子體形式。
圖11示出了一個(gè)變形，其中激光束是通過包括光纖38的光學(xué)系統(tǒng)27h來傳送的，用于在電極23h之間的不同位置上形成焦點(diǎn)28h。設(shè)置光纖38以便經(jīng)透鏡39發(fā)射光線。
圖12示出了錐形透鏡即所說的斧石的基本原理。這種斧石的定義可以說成是每個(gè)光學(xué)元件關(guān)于轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)稱且能夠通過折射、反射、衍射或它們的結(jié)合從元件對(duì)稱軸上的一個(gè)點(diǎn)光源使光線偏轉(zhuǎn)，以這種方式，光線不是象傳統(tǒng)球面透鏡那樣只在單一的一點(diǎn)與該對(duì)稱軸相交，而是沿著沿該軸基本延伸的連續(xù)的點(diǎn)線或斑線。
如圖13所示，準(zhǔn)直的(不發(fā)散的)光束通過斧石偏轉(zhuǎn)相同的角度。就旋轉(zhuǎn)對(duì)稱來說，每個(gè)光束將在某些點(diǎn)與對(duì)稱軸相交。
從圖14看出，通過斧石36i可將光線會(huì)聚在位于電極23i之間的細(xì)長(zhǎng)聚焦區(qū)28i。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該聚焦區(qū)可以在電極之間的整個(gè)間隙連續(xù)延伸，但也可能是沿電極之間的部分間隙延伸。圖15示出了光強(qiáng)與電極間距離的關(guān)系。實(shí)線表示在最初具有高斯強(qiáng)度分布的光束亮度上的光強(qiáng)分布，虛線表示在具有恒定強(qiáng)度分布的光束亮度上的光強(qiáng)分布。此外，可以指出，本發(fā)明不僅僅限制為這種純粹線性的錐形斧石。因此，外表面與對(duì)焦點(diǎn)強(qiáng)度分布有直接影響的線性圓錐有區(qū)別的斧石都包括在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
就聚焦區(qū)28k來說，圖16示出了通過衍射光學(xué)元件36k即開諾全息照片可以得到與圖14相同的結(jié)果。
圖17示出了通過斧石，更準(zhǔn)確地說是通過反射斧石可以在電極23m之間的間隙中得到細(xì)長(zhǎng)聚焦區(qū)28m。
圖18示出了一個(gè)實(shí)施例，其中特殊設(shè)計(jì)的衍射斧石36n開諾全息照片提供分別具有不同形狀的聚焦區(qū)28n和28n′。在該例中，聚焦區(qū)28n是細(xì)長(zhǎng)的，設(shè)置在斧石36n和電極的對(duì)稱軸上。相反，圖18的左邊指示的，聚焦區(qū)28n′的橫截面為筒形。由于筒形聚焦區(qū)28n′的圓周位置相對(duì)靠近設(shè)有開口的電極29n，因此筒形的好處是最靠近設(shè)有開口29n的電極23n。圖18中聚焦區(qū)28n和28n′沿對(duì)稱軸具有基本恒定的光強(qiáng)，但就聚焦區(qū)28n來說，垂直于該軸的光強(qiáng)分布基本為高斯形或根據(jù)貝塞爾函數(shù)形成。
使用例如圖8、9、10、14、16、18所示的完全或基本錐形或衍射同軸聚焦元件的好處是輻射能量沿有效傳播方向傳播，所述傳播方向?yàn)橹本€，出現(xiàn)在最靠近供以輻射能量的電極的最先形成的等離子體團(tuán)不會(huì)屏蔽、反射或以至嚴(yán)重到影響會(huì)聚在進(jìn)一步遠(yuǎn)離供電電極定位的點(diǎn)/區(qū)域中的輻射能量的程度。否則由最初形成的等離子體團(tuán)帶來的這種“陰影效應(yīng)”就會(huì)阻止輻射能量有效到達(dá)以后的焦點(diǎn)。這是由等離子體具有反射或吸收輻射能量的能力所帶來的后果。
圖19示出了一個(gè)實(shí)施例，其中，發(fā)電機(jī)1b經(jīng)變壓器1a連接到電網(wǎng)3a。因此保護(hù)對(duì)象由變壓器1a和發(fā)電機(jī)1b表示。過流減小裝置5a和另一斷路器6a以及普通斷路器4a顯然以圖1所示的組合方式布置，在本例中，想象圖1中的對(duì)象1構(gòu)成圖19中的對(duì)象1a。因此在此結(jié)合圖1來進(jìn)行說明。對(duì)于發(fā)電機(jī)1b來說，過流減小裝置5c和另一斷路器6c的保護(hù)操作同樣是成立的。因此，本例中的發(fā)電機(jī)1b應(yīng)當(dāng)?shù)葍r(jià)于圖1中的對(duì)象1，而變壓器1a應(yīng)當(dāng)?shù)葍r(jià)于圖1中的設(shè)備3。因此，過流減小裝置5c和另一斷路器6c結(jié)合傳統(tǒng)斷路器4b能夠保護(hù)發(fā)電機(jī)1b，防止來自變壓器1a方向的強(qiáng)電流流動(dòng)。
圖19也示出了另一過流減小裝置5b和另一斷路器6b。顯然，過流減小裝置5a和5b分別設(shè)置在變壓器1a的兩側(cè)。需指出，另一斷路器6a和6b分別定位在過流減小裝置5a和5b以及變壓器1a之間的連接中。另一過流減小裝置5b將保護(hù)變壓器1a，防止強(qiáng)電流從變壓器流向發(fā)電機(jī)1b。顯然，斷路器4b能在對(duì)象1a和1b之間的任何方向斷開以實(shí)現(xiàn)所需的安全功能。
圖20用圖解法示出了如何通過垂直于電極23o之間對(duì)稱軸X的一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)或區(qū)域28o中的一個(gè)或多個(gè)激光器25o向電極23o之間的間隙提供能量。通過使用多個(gè)不同的激光器25o，可以向電極之間的間隙提供大功率用于等離子體的形成。
圖21b示出了在電極23p之間可以形成多個(gè)基本平行的導(dǎo)電通道。圖21a的圖是圖21b的俯視圖，其中，從側(cè)面看，導(dǎo)電通道處于一排。但是，多個(gè)導(dǎo)電等離子體通道在電極之間不僅能以排設(shè)置，而能以列設(shè)置。多個(gè)導(dǎo)電通道的同時(shí)出現(xiàn)提高了開關(guān)裝置的導(dǎo)通容量。
圖22示出了一個(gè)變形，其中，光學(xué)系統(tǒng)27q包括斧石(折射的或衍射的)，該斧石將從激光器或類似物得到的輻射分成若干部分，并且將這些不同的輻射部分引向不同的衍射元件(開諾全息照片36q)。這些開諾全息照片分布在其中一個(gè)電極周圍，即圖22中23q所表示的電極周圍。圖23示出了圖22所示結(jié)構(gòu)的透視圖。從圖23看出，示例的4個(gè)開諾全息照片36q布置在電極23q周圍，導(dǎo)致輻射能量通過衍射會(huì)聚在沿電極對(duì)稱軸呈現(xiàn)的多個(gè)點(diǎn)或區(qū)域28q上。雖然使用連續(xù)環(huán)形開諾全息照片也是可能的，但比較起來，使用幾個(gè)離散開諾全息照片36q實(shí)現(xiàn)起來更簡(jiǎn)單且并不昂貴。
半導(dǎo)體元件，例如晶閘管、三端雙向晶閘管開關(guān)元件、GTO、IGBT以及其它類型的半導(dǎo)體元件在目前的電力系統(tǒng)中是很普遍的，它們主要用作電子閥，用于控制即輸送或阻塞電流流動(dòng)。
雖然半導(dǎo)體元件具有高效率，表現(xiàn)出良好的性能并且隨著現(xiàn)代制造方法的發(fā)展也相對(duì)便宜起來，但也存在問題，主要在很高的電壓電平下，它們需要復(fù)雜、體積大和成本高的工藝方法。
通過本說明書所展示的工藝實(shí)施例/方法，呈現(xiàn)/解釋半導(dǎo)體元件的替代物，所述替代物提供了多種使用相當(dāng)少的元件的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)，從而使成本降低。此外，所述工藝說明了電子閥元件的設(shè)計(jì)，與相應(yīng)的半導(dǎo)體元件相比，所述電子閥元件能確保更高的電壓。再者，基于本文所提出的工藝的元件可以保證幾乎不受電流和電流密度的限制。
在電力領(lǐng)域內(nèi)，半導(dǎo)體元件得到了廣泛的應(yīng)用。電力領(lǐng)域的這一部分通常稱為功率電子學(xué)。這些應(yīng)用是通常所說的轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器是一種操作單元，它包括半導(dǎo)體單元(電子閥)和用于改變電力系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)特征變量和參數(shù)的必要外圍設(shè)備。這樣，轉(zhuǎn)換器可以改變電壓和電流電平、頻率和相數(shù)。電子開關(guān)也可以認(rèn)為是轉(zhuǎn)換器。
將直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)互聯(lián)的設(shè)備也可看作轉(zhuǎn)換器(電流轉(zhuǎn)向器)。當(dāng)電流從AC變成DC時(shí)，轉(zhuǎn)換器作為整流器運(yùn)行。相反，當(dāng)電流從DC變成AC時(shí)，轉(zhuǎn)換器作為逆變器運(yùn)行。AC-AC轉(zhuǎn)換器稱為頻率轉(zhuǎn)換器，它以頻率、幅值、相和相位以及電壓的相數(shù)之間的任意關(guān)系將一種AC信號(hào)轉(zhuǎn)換成另一種AC信號(hào)。DC-DC轉(zhuǎn)換器將一種DC電壓轉(zhuǎn)換成另一種DC電壓。
可以設(shè)計(jì)用于直流或交流的電子開關(guān)。它可以用于設(shè)備的連接或斷開，或者用于控制或檢查有功功率或無(wú)功功率。
如果電子閥能從高壓和低電流的截止?fàn)顟B(tài)(斷開狀態(tài))切換/改變?yōu)榈蛪汉痛箅娏鞯膶?dǎo)通狀態(tài)(接通狀態(tài))，則它是可控的。電子轉(zhuǎn)換器的高效率取決于電子閥的這種雙穩(wěn)態(tài)功能。電子閥本身可以是穩(wěn)定的，例如晶閘管，也可以是可控的以便雙穩(wěn)態(tài)操作，例如晶體管。
很遺憾術(shù)語(yǔ)不完全統(tǒng)一。在“International ElectrotechnicalDictionary”和Publ.60050-551 IEV“Power Electronics”中可以找到IEC-編譯。通過技術(shù)可以完全或部分取代大量不同的半導(dǎo)體元件，這是本專利申請(qǐng)的主題?，F(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)的兩個(gè)例子如“ModernPower Electronics”，Bose et al，IEEE Industrial ElectronicsSociety，ISBN0-87942-282-3，以及K.Thorborg，Chartwell-Bratt的“Power Electronics-in Theory and Practice”，ISBN0-86238-341-2。下面提到的是在這些參考文獻(xiàn)中涉及的可用的半導(dǎo)體元件-晶閘管，二極管，三端雙向晶閘管開關(guān)元件，GTO(門電路斷開晶閘管)，雙極晶體管(BJT)，PWM-晶體管，MOSFET，IGBT(絕緣柵雙極晶體管)，SIT(靜態(tài)感應(yīng)晶體管)，SITH(靜態(tài)感應(yīng)晶閘管)，MCT(MOS控制的晶體管)，等。
I.當(dāng)通過外部裝置使其電流為零時(shí)，晶閘管被關(guān)斷(轉(zhuǎn)入截止?fàn)顟B(tài))。在自整流交流發(fā)電機(jī)中，通過由電容器、電感器和電阻器組成的關(guān)斷電路關(guān)斷電子閥。晶閘管稱為高壓和功率半導(dǎo)體元件。
作為半導(dǎo)體元件的晶閘管具有雙穩(wěn)態(tài)功能。它由三個(gè)pn晶體管組成。它能在一個(gè)或兩個(gè)方向上從斷開狀態(tài)切換為接通狀態(tài)，反之亦然。最常使用的晶閘管類型是所說的“反向阻斷三極晶閘管”。晶閘管具有三個(gè)連接端陽(yáng)極、陰極和控制極。在控制極缺乏控制脈沖時(shí)，晶閘管在兩個(gè)方向上截止電流。當(dāng)在陽(yáng)極上施加正電壓并且在陰極上施加負(fù)電壓時(shí)，晶閘管處于關(guān)斷狀態(tài)并截止電壓。如果施加的電壓極性相反，晶閘管在其相反方向上為截止?fàn)顟B(tài)并且反向截止電壓。
在反向截止和截止?fàn)顟B(tài)下的漏電流隨著晶閘管尺寸和溫度而增加，對(duì)于非常大的晶閘管來說，可以上升到幾百mA。
如果通過在控制極上施加電流或電壓脈沖來觸發(fā)晶閘管，在足夠的幅度和持續(xù)時(shí)間的情況下，晶閘管從關(guān)斷狀態(tài)切換到接通狀態(tài)，電流以前向從陽(yáng)極流到陰極。
對(duì)于接通狀態(tài)電流的正常值來說，電壓降(晶閘管上的電壓)即所說的接通狀態(tài)電壓一般是1-2伏特。
如果截止(前向)電壓超過晶閘管所規(guī)定的擊穿電壓，它自然地從關(guān)斷狀態(tài)變?yōu)榻油顟B(tài)。這種自觸發(fā)電壓會(huì)嚴(yán)重破壞晶閘管，因此應(yīng)避免出現(xiàn)這種超越。
在高壓應(yīng)用中，系統(tǒng)電壓實(shí)質(zhì)上超過了單個(gè)晶閘管元件可以承受的最大電壓，幾個(gè)晶閘管必須串聯(lián)耦合或級(jí)聯(lián)。為了實(shí)現(xiàn)串聯(lián)耦合晶閘管之間的充分的電壓分配，每個(gè)晶閘管都必須配有各自的RC電路和電阻分壓器RC電路充當(dāng)暫態(tài)分壓器，電阻分別將截止電壓和向后截止電壓分成大致同樣的電壓差分給每個(gè)晶閘管，這樣就不會(huì)出現(xiàn)不同晶閘管具有不同漏電流的情況。此外，電阻器使RC電路中電容器兩端電壓大小相等。對(duì)于串聯(lián)晶閘管來說，所有晶閘管的觸發(fā)脈沖同時(shí)出現(xiàn)并且具有相同幅度使非常重要的。不能同時(shí)觸發(fā)導(dǎo)致最后被觸發(fā)的晶閘管上出現(xiàn)過電壓，結(jié)果電流將流過其RC電路以及其它晶閘管。通常，不僅需要使用彼此已經(jīng)匹配的晶閘管，即所選擇的晶閘管表現(xiàn)出與其它晶閘管相適應(yīng)的性能，尤其在高頻應(yīng)用中，這一事實(shí)使結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的同時(shí)造價(jià)更高。
三端雙向晶閘管開關(guān)元件是雙向晶閘管，這意味著它有兩個(gè)截止方向或前向。三端雙向晶閘管開關(guān)元件等價(jià)于兩個(gè)反并聯(lián)且具有共用控制極的晶閘管。三端雙向晶閘管開關(guān)元件最初處于截止?fàn)顟B(tài)。但可以通過控制極上的負(fù)脈沖或正脈沖控制它轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)，這也可以實(shí)現(xiàn)三端雙向晶閘管開關(guān)元件上的雙極性。在大多數(shù)情況下，三端雙向晶閘管開關(guān)元件的工藝性能與具有相同尺寸和性能和晶閘管的工藝性能相應(yīng)。限制性的例外是由三端雙向晶閘管開關(guān)元件沒有與晶閘管同樣短的上升和下降時(shí)間、對(duì)電壓瞬態(tài)(dU/dT)也沒有同樣的電阻而造成的。所以，它們大多數(shù)用于具有電阻性負(fù)載的電壓調(diào)節(jié)器，并且對(duì)于電網(wǎng)頻率來說，其中電流和電壓中不會(huì)出現(xiàn)快速波動(dòng)。三端雙向晶閘管開關(guān)元件具有雙態(tài)且僅需一個(gè)冷卻元件和一個(gè)觸發(fā)脈沖單元的特性使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且相對(duì)便宜，尤其對(duì)低電功率電平來說更是如此。由于固有的原因，光觸發(fā)晶閘管對(duì)高壓是很有好處的，如在HVDC系統(tǒng)和晶閘管切換相位補(bǔ)償系統(tǒng)中。主要原因是對(duì)電絕緣的嚴(yán)格要求。此外，降低了由耦合到其控制極的噪聲所引起的晶閘管啟動(dòng)/導(dǎo)通同時(shí)出現(xiàn)的危險(xiǎn)。進(jìn)入晶閘管的光脈沖經(jīng)光導(dǎo)體從地電位上的控制單元發(fā)送到晶閘管。由于光導(dǎo)體由絕緣材料形成，所以可以實(shí)現(xiàn)高壓絕緣。
但是，通過光導(dǎo)體發(fā)送的光能受到限制，并且存在危險(xiǎn)性，表現(xiàn)在晶閘管系統(tǒng)得到控制信號(hào)需很長(zhǎng)的延遲時(shí)間，因此晶閘管導(dǎo)通狀態(tài)電流的增長(zhǎng)率相對(duì)較低，除非晶閘管設(shè)有更復(fù)雜的控制結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括對(duì)最終應(yīng)用于晶閘管控制極上的信號(hào)具有放大功能。然而，這種結(jié)構(gòu)意味著晶閘管再次對(duì)可能經(jīng)控制極耦合進(jìn)的噪音變得更為敏感并導(dǎo)致偶然的開關(guān)動(dòng)作。激光觸發(fā)等離子體開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)與多個(gè)功率半導(dǎo)體同樣的功能，并且在一些情況下可以得到更大的工藝和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。在本專利申請(qǐng)中，具體說是涉及激光觸發(fā)等離子體開關(guān)作為三端雙向晶閘管開關(guān)元件的功能。激光觸發(fā)等離子體開關(guān)，它基于通過激光光線所產(chǎn)生的細(xì)長(zhǎng)電離的導(dǎo)電通道的充氣的電極間隙的瞬時(shí)短路電流，這種開關(guān)主要由以下好處包含在電極系統(tǒng)中的電極之間的距離可以做大，使得在外部電絕緣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和尺寸上不會(huì)出現(xiàn)更大問題。通過這種方式，可以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，制造成本降低。
另一個(gè)更大的好處是對(duì)于可以通過等離子體開關(guān)導(dǎo)通的最大電流來說，當(dāng)已經(jīng)通過激光觸發(fā)進(jìn)入其導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，最大電流原則上不受任何限制。通過快速形成電弧的激光光線產(chǎn)生的電離通道產(chǎn)生導(dǎo)通電流。就流過同樣的最大電流來說，電弧不受任何根本性的限制，因此電流密度沒有任何半導(dǎo)體元件所遇到的最大值限制。當(dāng)電流上升時(shí)，電弧在能量方面通過快速擴(kuò)展保持有利的電流密度。這種自調(diào)整功能是半導(dǎo)體元件所不具備的。
第三個(gè)基本的好處是等離子體開關(guān)可以被設(shè)計(jì)用于很高電壓電平，并且可以僅由一個(gè)單個(gè)元件構(gòu)成。與具有同樣功能且用于同樣高電壓電平的堆積的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)相比，這種開關(guān)不僅大大降低了結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性，它不必包括大量精確連接的半導(dǎo)體元件，而且大大降低了對(duì)這些元件相互之間定時(shí)的需求。
與使用半導(dǎo)體元件所實(shí)現(xiàn)的用途相比，有源元件數(shù)量的實(shí)質(zhì)性減少增加了可靠性。此外，減少了電損耗，降低了設(shè)備成本，降低了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。
另一個(gè)很的好處是可以以幾百微秒的量級(jí)實(shí)現(xiàn)快速觸發(fā)，這增加了精確調(diào)制的可靠性。
三端雙向晶閘管開關(guān)元件功能細(xì)長(zhǎng)焦點(diǎn)區(qū)內(nèi)的激光觸發(fā)為在任意點(diǎn)及時(shí)從斷開狀態(tài)切換到導(dǎo)通狀態(tài)做了準(zhǔn)備。通過其構(gòu)成，充分結(jié)合電極距離、氣壓、氣體成分和部分氣體的部分壓力以及封裝容器的整個(gè)幾何結(jié)構(gòu)，根據(jù)本發(fā)明所述的等離子體開關(guān)呈現(xiàn)出與三端雙向晶閘管開關(guān)元件同樣的特性。在不觸發(fā)時(shí)，等離子體開關(guān)處于截止的非導(dǎo)通狀態(tài)。這種截止特性是雙向的，即元件對(duì)等離子體開關(guān)上的兩種極性的電壓都是電絕緣的。一旦觸發(fā)，等離子體開關(guān)幾乎在瞬時(shí)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通狀態(tài)，其中，只要電弧中電流保持在某一設(shè)計(jì)的特定值之上并且等離子體開關(guān)的電極電壓也保持在某一設(shè)計(jì)的特定值之上，等離子體開關(guān)就保持導(dǎo)通。這種導(dǎo)通狀態(tài)是雙向的等離子體開關(guān)元件可以通過激光觸發(fā)作成雙極性導(dǎo)通。圖24示出了具有輻射能量觸發(fā)的開關(guān)設(shè)備。例如，激光可以用于觸發(fā)。開關(guān)設(shè)備5是可以在雙極性上觸發(fā)的，它給出了雙向功能。
與斷開電路一起運(yùn)行的三端雙向晶閘管開關(guān)元件功能在申請(qǐng)中，開關(guān)設(shè)備的功能必須具有斷開開關(guān)的可能性，即將其轉(zhuǎn)為斷開狀態(tài)。這是通過開關(guān)的以下功能之一來實(shí)現(xiàn)的(1)通過其充分結(jié)合電極距離、氣壓、氣體成分和部分氣體的部分壓力的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)地自熄滅，或者(2)賦予開關(guān)從外部斷開的特性。在情況(1)中，可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)檢查和確定在時(shí)間區(qū)間后出現(xiàn)的自斷開。DC和AC系統(tǒng)都可以實(shí)現(xiàn)這種自斷開功能。在AC情況下更為簡(jiǎn)單，因?yàn)樽詣?dòng)地自斷開是通過電流流過導(dǎo)通電弧改變極性并因此電流過零來協(xié)助完成的。根據(jù)上述內(nèi)容，用完全等價(jià)于斷開晶閘管所使用的方式建立起有效斷開等離子體開關(guān)的條件。因此，AC情況下降低了對(duì)等離子體開關(guān)結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格要求。在情況(2)下，等離子體開關(guān)可以設(shè)有外部阻抗元件，它保證了導(dǎo)通狀態(tài)電流減小到零，從而使等離子體開關(guān)打開并認(rèn)為其處于斷開狀態(tài)。利用AC系統(tǒng)中的運(yùn)行環(huán)境可以實(shí)現(xiàn)同樣的效果僅在電流過零改變極性之前，等離子體開關(guān)由于沿放電通道的氣體非充分電離而自斷開。在該時(shí)間期間，電流改變極性且新極性達(dá)到一完全電離的等離子體通道導(dǎo)電的電壓，足夠大部分的等離子體成份有時(shí)間重新結(jié)合到以至通道導(dǎo)電性太低而不能支持電弧的重復(fù)導(dǎo)通的程度。因此，重新發(fā)射被阻止，等離子體開關(guān)處于斷開狀態(tài)。
相反，DC情況對(duì)等離子體開關(guān)的結(jié)構(gòu)有更嚴(yán)格的要求。通過對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的準(zhǔn)確平衡選擇，例如電極距離和主要是總氣壓，包括氣體元件和其部分氣壓，但這些需求是可以得到滿足的，使得自斷開得以實(shí)現(xiàn)。固有可替代的是允許電流換向到另一線或元件，等離子體開關(guān)中的電流將到零同時(shí)等離子體開關(guān)斷開。然而，最簡(jiǎn)單的技術(shù)解決方案是用外部電流限制電路元件來完成DC元件。更粗糙但充分地說，解決方案是以適當(dāng)?shù)姆绞浇Y(jié)合等離子體開關(guān)機(jī)械斷路器，通過該斷路器，等離子體開關(guān)可以在電壓之下完全與電網(wǎng)隔開。
單向三端雙向晶閘管開關(guān)元件功能三端雙向晶閘管開關(guān)元件在其導(dǎo)通狀態(tài)下可以雙向?qū)?。正如已?jīng)描述的，等離子體開關(guān)由于不具有任何類型的二極管功能其本質(zhì)上是雙向的。但是，如果激光觸發(fā)僅僅在AC系統(tǒng)的兩種極性之一期間起作用，則這種功能實(shí)際上就變成單向的，假定由于重新結(jié)合之后在前觸發(fā)具有足夠低的導(dǎo)電性阻止非激光觸發(fā)的極性下(AC電壓的半個(gè)周期)的自然觸發(fā)，其余等離子體可能殘存。
圖25示出了根據(jù)本發(fā)明所述的具有雙向三端雙向晶閘管開關(guān)元件功能的等離子體開關(guān)。
帶有兩個(gè)等離子體開關(guān)元件的雙向三端雙向晶閘管開關(guān)元件功能上述實(shí)施例的一種可替換實(shí)施例是由兩個(gè)具有斷開功能(自斷開或外部斷開功能)的等離子體開關(guān)元件形成的，所述等離子體開關(guān)反并聯(lián)連接在較高和較低電位之間。根據(jù)本文以上所述，目前已經(jīng)構(gòu)建的連接到AC系統(tǒng)形成兩個(gè)單向單元的兩個(gè)等離子體開關(guān)連接到電網(wǎng)并且以兩個(gè)開關(guān)電流導(dǎo)通方向相反的方式彼此相連接。由于等離子體開關(guān)本身是雙向的，這意味著兩個(gè)元件被設(shè)計(jì)為在它們各自極性期間是激光觸發(fā)的，即在其自己的AC電壓的半個(gè)周期期間。兩個(gè)等離子體開關(guān)可以由一個(gè)或同一個(gè)激光器觸發(fā)，這需要光學(xué)系統(tǒng)設(shè)有光通量控制閘板。每個(gè)周期激光器至少被觸發(fā)兩次，每半個(gè)周期一次，在一個(gè)實(shí)施例中，閘板的設(shè)計(jì)可以使得發(fā)射的全部激光量交替地引向兩個(gè)等離子體開關(guān)元件中的一個(gè)或另一個(gè)。這種光通量引導(dǎo)閘板例如可以由旋轉(zhuǎn)的高反射鏡構(gòu)成，通過從其兩端位置的反射引導(dǎo)激光到達(dá)分別通向等離子體開關(guān)的兩個(gè)光通道中的每個(gè)通道。另一實(shí)施例是將激光分成兩個(gè)通道，在兩個(gè)通道中具有等量的激光效果。每個(gè)通道通向兩個(gè)等離子體開關(guān)中的其中之一。光通量控制閘板安裝在每個(gè)通道中，通過在每個(gè)觸發(fā)操作中的可控動(dòng)作，所述閘板確保兩個(gè)等離子體開關(guān)元件中只有一個(gè)遭受觸發(fā)激光。兩個(gè)等離子體開關(guān)元件也可以由用于每個(gè)等離子體開關(guān)元件的激光器可靠觸發(fā)，通過外部電子單元來檢查、同步和控制激光器的運(yùn)行。圖26、27和28僅示出了用于形成雙向三端雙向晶閘管開關(guān)元件功能的可能性。
當(dāng)然，用相應(yīng)的兩個(gè)等離子體開關(guān)元件的耦合也可以實(shí)現(xiàn)同樣的雙向性，它不呈現(xiàn)自斷開功能或者不設(shè)有用于斷開的外部裝置。
晶閘管功能正如現(xiàn)有技術(shù)所描述的，對(duì)于兩個(gè)方向上的電壓和電流來說，晶閘管具有截止?fàn)顟B(tài)即所說的斷開狀態(tài)。當(dāng)晶閘管在其控制極被觸發(fā)時(shí)，它出現(xiàn)所說的導(dǎo)通狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，電流以晶閘管的正向流動(dòng)而不是反向。通過激光觸發(fā)的等離子體開關(guān)實(shí)現(xiàn)同樣功能的最佳方式意味著激光觸發(fā)的等離子體開關(guān)與一個(gè)或多個(gè)二極管功能串聯(lián)耦合，該功能可以是半導(dǎo)體類型的。二極管的數(shù)量完全由最大電壓確定，該電壓在應(yīng)用中必須放在它們上。二極管相對(duì)于等離子體開關(guān)定位的兩種不同可能性是前向朝向等離子體開關(guān)和前向背向等離子體開關(guān)。因此，可以實(shí)現(xiàn)兩種不同的晶閘管功能，其中由等離子體開關(guān)與多個(gè)二極管串聯(lián)組成的晶閘管單元得到不同的方向性和極性。最好是，包含在這種合成體中的二極管配有各自的RC網(wǎng)絡(luò)或其它更普通的阻抗網(wǎng)絡(luò)和電阻分壓器，以便實(shí)現(xiàn)等電壓分配。因此，二極管不承受可能超過它們特定的電壓容限的不同的電壓電平。圖29a-d示出了根據(jù)本發(fā)明所述的等離子體開關(guān)通過一個(gè)或多個(gè)二極管可以實(shí)現(xiàn)不同的方向性或極性。
作為一個(gè)例子，參考圖30和31說明如何以三端雙向晶閘管開關(guān)元件功能或晶閘管功能的形式使用以上所述等離子體開關(guān)。圖中所示電路充當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)。圖30的功能如下上方導(dǎo)體L1接交流電壓，而下方導(dǎo)體L2接地或較低電勢(shì)。在等離子體開關(guān)PS1和PS2中任何一個(gè)都沒有被觸發(fā)的情況下，只要上方導(dǎo)體L1中的電壓為正，電流就不會(huì)流過電路。但如果等離子體開關(guān)PS2受到觸發(fā)而閉合，電流將從上方導(dǎo)體L1經(jīng)二極管D1通過PS2流到地。只要電壓具有正極性，電流就流動(dòng)。在上方導(dǎo)體L1上的極性變負(fù)之后，電流就以相反方向流動(dòng)。但這種電流僅在PS1已經(jīng)被觸發(fā)之后才流動(dòng)，它從上方導(dǎo)體經(jīng)二極管D2和PS1到下方導(dǎo)體然后在經(jīng)二極管D2和PS1回到上方導(dǎo)體。由于二極管D2兩端的壓降可能低于從L2向L1方向PS2中電弧上的壓降，電流最好在所述極性改變之后流過D2而不是流過PS2。PS2則不會(huì)以錯(cuò)誤方向重新被起動(dòng)，因此它在目前具有負(fù)極性的半個(gè)周期處于休息狀態(tài)。
在剛剛描述的電路中，等離子體開關(guān)以單極性三端雙向晶閘管開關(guān)元件功能即普通晶閘管功能使用。圖31中的電路設(shè)有分別與等離子體開關(guān)串聯(lián)的另外兩個(gè)二極管，它完全保證了電流在極性改變之后不會(huì)錯(cuò)誤地設(shè)法使等離子體開關(guān)斷開。這樣，作為外部裝置的一個(gè)例子，另外的二極管防止了開關(guān)再次被起動(dòng)(“重新起動(dòng)”(back firing))。
從上文給出的說明顯然可以認(rèn)為在用激光觸發(fā)等離子體開關(guān)作為起動(dòng)點(diǎn)的情況下，除了本文所述功能之外還有更多的技術(shù)功能可以實(shí)現(xiàn)。
圖32圖解法示出了開關(guān)設(shè)備5r串聯(lián)在前面討論的電網(wǎng)3r和對(duì)象1r之間的線路2r中。開關(guān)設(shè)備5r包括具有前述特征的開關(guān)裝置10r，即開關(guān)裝置10r適合于通過輻射能量將電極間隙引入導(dǎo)電閉合。但在圖32中沒有更為詳細(xì)地示出。從圖32看出，開關(guān)設(shè)備5r具有純粹的開關(guān)功能，即當(dāng)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，經(jīng)開關(guān)裝置10r會(huì)出現(xiàn)對(duì)象1r的饋電或可能以相反方向的饋電。當(dāng)需要時(shí)，開關(guān)裝置10r會(huì)較快地抑制電流流動(dòng)，例如，保護(hù)對(duì)象1r或可能甚至電網(wǎng)3r不受來自對(duì)象1d的電流的影響。為了在交流連接中通過開關(guān)裝置10r實(shí)現(xiàn)斷開，使向電極間隙提供能量的裝置終止這種能量提供是充分的。在以下的通道過零時(shí)，就會(huì)使開關(guān)裝置10r中的電弧熄滅，使得電流饋電中止。在直流應(yīng)用中，通過采取措施減小或消除開關(guān)裝置10r兩端的電壓差來支持?jǐn)嚅_功能可能是必要的。這種方式在于并聯(lián)耦合到開關(guān)裝置10r的開關(guān)31。開關(guān)31的閉合意味著電流旁路通過開關(guān)裝置10r，這一事實(shí)導(dǎo)致開關(guān)裝置10r中的電弧被熄滅。一旦這種措施不充分，作為補(bǔ)充可以在線路2r中開關(guān)裝置10d兩側(cè)設(shè)置另外的開關(guān)，以便將開關(guān)裝置10r從線路2r完全斷開。
圖32的目的是示出根據(jù)本發(fā)明所述的開關(guān)設(shè)備5r可以有一般的開關(guān)應(yīng)用，其中只是保護(hù)不同設(shè)備的問題，更一般意義上來說也是不同負(fù)載狀態(tài)下的開關(guān)電源問題。
應(yīng)當(dāng)指出，本文所做描述僅是舉例說明建立本發(fā)明的思想。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以在不背離本發(fā)明范圍的基礎(chǔ)上對(duì)本發(fā)明作出詳細(xì)的修改。作為一個(gè)例子，根據(jù)本發(fā)明可以提出使用激光為間隙24提供形成能量的電離/等離子體不是必要的。只要根據(jù)本發(fā)明滿足了快速性和可靠性的要求，也可以應(yīng)用其它輻射源，例如電子槍或其它提供能量的方法。應(yīng)觀察到，根據(jù)本發(fā)明，開關(guān)裝置10也可以在圖1、3和19所示之外的其它運(yùn)行情況下保護(hù)電氣對(duì)象免遭與過流相關(guān)的故障的影響，其中根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的設(shè)置是為了降低斷路器4的相對(duì)較低的斷開時(shí)間所帶來的負(fù)面影響。這樣，根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)裝置不是必須需要與這種斷路器4相關(guān)的運(yùn)行。本發(fā)明既適用于交流，也適用于直流。
權(quán)利要求
1.用于開關(guān)電源的設(shè)備，包括至少一個(gè)電開關(guān)設(shè)備(5)，其特征在于，開關(guān)設(shè)備(5)包括至少一個(gè)開關(guān)裝置(10)，它包括一個(gè)電極間隙(24)，它在基本電絕緣狀態(tài)和導(dǎo)電狀態(tài)之間是可以轉(zhuǎn)換的，造成或者至少啟動(dòng)電極間隙或至少部分電極間隙呈現(xiàn)導(dǎo)電性的裝置(25)，以及所述用于造成或至少啟動(dòng)電極間隙呈現(xiàn)傳導(dǎo)性的裝置(25)適于以輻射能量的方式向電極間隙提供能量，以使所述間隙或至少部分間隙形成等離子體。
2.根據(jù)前述權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，導(dǎo)致或至少啟動(dòng)電極間隙或部分電極間隙呈現(xiàn)導(dǎo)電性的所述裝置(25)包括至少一個(gè)激光器(25)。
3.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，開關(guān)裝置(10)的形成方式是在其電極(23)之間以其絕緣狀態(tài)表現(xiàn)電場(chǎng)，該電場(chǎng)在電極之間激勵(lì)或產(chǎn)生電飛弧，導(dǎo)致或啟動(dòng)電極間隙呈現(xiàn)導(dǎo)電性。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，處于電極間隙(24)絕緣狀態(tài)中的電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度實(shí)質(zhì)上小于發(fā)生自然擊穿的電場(chǎng)強(qiáng)度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的設(shè)備，其特征在于，處于電極間隙(24)絕緣狀態(tài)的電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度不大于發(fā)生自然擊穿的電場(chǎng)強(qiáng)度的30％，不大于20％比較適當(dāng)，最好不大于10％。
6.根據(jù)權(quán)利要求3-5中任一權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，處于電極間隙(24)絕緣狀態(tài)的電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度至少為發(fā)生自然擊穿的電場(chǎng)強(qiáng)度的0.1％，至少1％比較適當(dāng)，最好至少5％。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，導(dǎo)致或至少啟動(dòng)電極間隙(24)呈現(xiàn)導(dǎo)電性的所述裝置(25)的設(shè)置是為了通過使最低電場(chǎng)強(qiáng)度最小化的方式提供輻射能量，在該電場(chǎng)強(qiáng)度下，可以觸發(fā)電極間隙呈現(xiàn)導(dǎo)電性。
8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，導(dǎo)致或至少啟動(dòng)電極間隙(24)呈現(xiàn)導(dǎo)電性的所述裝置(25)的設(shè)置是為了以這樣的方式向電極間隙提供輻射能量使到達(dá)的輻射能量和形成電極間隙導(dǎo)電能力之間的時(shí)間延遲最小化。
9.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，造成或至少啟動(dòng)電極間隙呈現(xiàn)導(dǎo)電性的開關(guān)裝置(10)和裝置(25)的設(shè)置是使得電極間隙中導(dǎo)電性的建立實(shí)質(zhì)上不取決于在絕緣狀態(tài)下的開關(guān)裝置的電極之間出現(xiàn)的電場(chǎng)強(qiáng)度。
10.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，為電極間隙提供觸發(fā)能量的開關(guān)裝置(25)的設(shè)置是為了將輻射能量應(yīng)用在電極(23)的至少其中一個(gè)電極上或者至少應(yīng)用在電極(23)的至少其中一個(gè)電極的附近。
11.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，為電極間隙提供觸發(fā)能量的開關(guān)裝置(25)的設(shè)置是為了將輻射能量定位在電極(23)之間間隙(24)中的一個(gè)點(diǎn)或區(qū)域。
12.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，為電極間隙提供觸發(fā)能量的構(gòu)件(25，27)的設(shè)置是為了將輻射能量應(yīng)用于電極之間的兩個(gè)或多個(gè)點(diǎn)或區(qū)域(28)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其特征在于，為電極間隙提供觸發(fā)能量的裝置的設(shè)置是為了沿著電極之間延伸的線定位所述輻射能量的兩個(gè)或多個(gè)點(diǎn)或區(qū)域，所述線對(duì)應(yīng)于電極之間期望的導(dǎo)電路徑的延伸。
14.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，為電極間隙提供觸發(fā)能量的裝置(25)的設(shè)置是為了將輻射能量應(yīng)用于一個(gè)或多個(gè)細(xì)長(zhǎng)區(qū)域(28i，k，m，n)，其縱軸基本沿電極間期望的導(dǎo)電路徑方向延伸。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其特征在于，為電極間隙提供觸發(fā)能量的裝置(27)適用于將細(xì)長(zhǎng)聚焦區(qū)形成為筒形。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的設(shè)備，其特征在于，為電極間隙提供觸發(fā)能量的裝置適用于形成細(xì)長(zhǎng)區(qū)域，使得它橋接電極之間的整個(gè)或基本整個(gè)空間。
17.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的設(shè)備，其特征在于，為電極間隙提供觸發(fā)能量的裝置(27)適用于在電極間隙內(nèi)形成兩個(gè)或多個(gè)細(xì)長(zhǎng)聚焦區(qū)(28)，所述聚焦區(qū)在彼此沿電極間期望的導(dǎo)電路徑之后縱向定位。
18.根據(jù)權(quán)利要求1和10中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，為電極間隙提供觸發(fā)能量的裝置適用于將輻射能量施加在至少其中一個(gè)電極上或施加在電極之間。
19.根據(jù)權(quán)利要求10-18中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，在電極間隙內(nèi)的至少其中一個(gè)電極上有開口，用于提供觸發(fā)能量的裝置(25)通過該開口引導(dǎo)輻射能量。
20.根據(jù)權(quán)利要求15和19所述的設(shè)備，其特征在于，向電極間隙提供觸發(fā)能量的裝置(27)位于具有開口(29)的那個(gè)電極附近的筒形輻射能量區(qū)域(28)，使得筒形輻射能量區(qū)域的軸基本與電極中開口的軸同心。
21.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，輔助電極(31，31d)設(shè)置在電極之間的間隙上，用于平衡電場(chǎng)和/或積極參與觸發(fā)過程，通過所述輔助電極遭受輻射能量而能夠發(fā)射自由電荷。
22.根據(jù)權(quán)利要求10-21中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，向電極間隙提供觸發(fā)能量的裝置包括控制電磁波能量的系統(tǒng)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的設(shè)備，其特征在于，控制系統(tǒng)包括至少一個(gè)折射、反射和/或衍射元件。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的設(shè)備，其特征在于，元件由斧石形成。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的設(shè)備，其特征在于，元件由開諾全息照片形成。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的設(shè)備，其特征在于，元件包括光纖(38)。
27.根據(jù)權(quán)利要求23-26中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，控制系統(tǒng)(27f，h)位于電極的徑向外部，適應(yīng)于將射線束引入電極之間的間隙。
28.根據(jù)權(quán)利要求23-27中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，控制系統(tǒng)(27g)在其中一個(gè)電極周圍將激光脈沖劃分為環(huán)形結(jié)構(gòu)。
29.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，至少一個(gè)過壓轉(zhuǎn)向器(22)并聯(lián)到開關(guān)裝置(10)。
30.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中電力對(duì)象(1)連接到電網(wǎng)(3)或包含在發(fā)電廠中的另一裝置，所述設(shè)備包括在對(duì)象和電網(wǎng)/裝置之間的線路(2)上的開關(guān)設(shè)備(4)，其特征在于，開關(guān)裝置(10)連接到對(duì)象(1)和開關(guān)設(shè)備(4)之間的線路(2)，且開關(guān)裝置(10)是可啟動(dòng)的，用于在基本短于開關(guān)設(shè)備(4)斷開時(shí)間的時(shí)間區(qū)間內(nèi)使過流轉(zhuǎn)向。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的設(shè)備，其特征在于，開關(guān)設(shè)備(4)由斷路器構(gòu)成。
32.根據(jù)權(quán)利要求21或31所述的設(shè)備，其特征在于，它包括布置在開關(guān)設(shè)備(4)和對(duì)象之間線路上的另一斷路器(6)，所述另一斷路器布置在開關(guān)裝置(10)和對(duì)象(1)之間，適于斷開低于開關(guān)設(shè)備(4)的電壓和電流，因此能夠以短于開關(guān)設(shè)備的斷開時(shí)間執(zhí)行，當(dāng)流向或離開對(duì)象(1)的過流已經(jīng)通過開關(guān)裝置(10)但早于開關(guān)設(shè)備被減小時(shí)，將另一斷路器斷開。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的設(shè)備，其特征在于，它包括連接到檢測(cè)裝置(11-13)和另一斷路器(6)的控制元件(14)，目的是當(dāng)通過檢測(cè)裝置指示出流向或離開對(duì)象(1)的過流低于預(yù)定電平時(shí)，完成另一斷路器的啟動(dòng)以達(dá)到斷開目的。
34.根據(jù)權(quán)利要求32-33中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，另一斷路器(6)包括開關(guān)(15)，在開關(guān)上耦合具有一個(gè)或多個(gè)元件(18)的并聯(lián)線路(18)，用于通過使并聯(lián)線路(17)從觸點(diǎn)接收導(dǎo)通電流來避免開關(guān)(15)觸點(diǎn)分開所產(chǎn)生的電弧。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的設(shè)備，其特征在于，所述并聯(lián)線路(17)上的一個(gè)或多個(gè)元件(18)可以經(jīng)控制元件(14)通過控制而閉合導(dǎo)通。
36.根據(jù)權(quán)利要求34或35所述的設(shè)備，其特征在于，所述一個(gè)或多個(gè)元件(18)由可控半導(dǎo)體元件構(gòu)成。
37.根據(jù)權(quán)利要求34-36中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述一個(gè)或多個(gè)元件(18)裝有至少一個(gè)過壓制動(dòng)器(30)。
38.根據(jù)權(quán)利要求34-37中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，用于電流分離的隔離開關(guān)(20)與所述一個(gè)或多個(gè)元件(18)串聯(lián)設(shè)置。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的設(shè)備，其特征在于，隔離開關(guān)(20)與控制元件(14)耦合，以便在開關(guān)(15)已經(jīng)受控閉合且所述一個(gè)或多個(gè)元件(18)已經(jīng)處于斷開并聯(lián)線路(17)的狀態(tài)后由此控制所述隔離開關(guān)打開。
40.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，保護(hù)對(duì)象(1)由具有磁路的電力設(shè)備構(gòu)成。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的設(shè)備，其特征在于，所述對(duì)象由發(fā)電機(jī)、變壓器或電動(dòng)機(jī)構(gòu)成。
42.根據(jù)權(quán)利要求1-41中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述對(duì)象由電力線例如電纜構(gòu)成。
43.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，兩個(gè)開關(guān)裝置(10)設(shè)置在對(duì)象兩側(cè)以從兩側(cè)保護(hù)同一對(duì)象。
44.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，它包括連接到開關(guān)裝置(10)和過流狀態(tài)檢測(cè)裝置(11-13)的控制元件(14)，所述控制元件(14)的設(shè)置是為了當(dāng)需要保護(hù)時(shí)基于來自過流狀態(tài)檢測(cè)裝置的信息來控制開關(guān)裝置閉合。
45.根據(jù)權(quán)利要求44以及權(quán)利要求34、36和40中的一項(xiàng)或多項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，基于來自過流狀態(tài)檢測(cè)裝置(11-13)的信息，同一個(gè)控制元件(14)控制開關(guān)裝置(10)和另一斷路器(6)。
46.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的設(shè)備用于保護(hù)對(duì)象免遭與過流有關(guān)的故障的影響的用途。
47.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，為電極間隙提供觸發(fā)能量的裝置將輻射能量會(huì)聚在多個(gè)基本平行的細(xì)長(zhǎng)聚焦區(qū)，其縱軸基本位于沿著電極間所定位的導(dǎo)電路徑方向(圖21)。
48.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的設(shè)備，其特征在于，除了補(bǔ)充二極管或其它元件之外，設(shè)置一個(gè)或多個(gè)開關(guān)裝置(10)以形成開關(guān)或轉(zhuǎn)換器功能。
49.根據(jù)權(quán)利要求48所述的設(shè)備，其特征在于，所述功能是三端雙向晶閘管開關(guān)元件和晶閘管功能。
50.在發(fā)電廠中用于保護(hù)電力對(duì)象(1)免遭與過流有關(guān)的故障影響的方法，其特征在于，當(dāng)通過檢測(cè)裝置(11-13)已經(jīng)檢測(cè)出過流狀態(tài)時(shí)通過開關(guān)裝置(10)完成過流轉(zhuǎn)向，為了使過流轉(zhuǎn)向到地(8)或具有相對(duì)低電勢(shì)的另一元件，設(shè)置的所述開關(guān)裝置(10)通過觸發(fā)電極間隙(24)過流轉(zhuǎn)向而閉合，通過借助于觸發(fā)裝置(25)將輻射能量提供給電極間隙使開關(guān)中呈現(xiàn)導(dǎo)電性。
51.根據(jù)權(quán)利要求50所述的設(shè)備，其特征在于，另一斷路器(6)設(shè)置在開關(guān)設(shè)備(4)和對(duì)象(1)之間以及開關(guān)裝置(10)和對(duì)象(1)之間的線路(2)上，在流向或流出對(duì)象(1)的過流已經(jīng)通過開關(guān)裝置(10)被減小后，使所述另一斷路器(6)斷開。
全文摘要
開關(guān)電源設(shè)備包括至少一個(gè)電開關(guān)裝置(5)。該開關(guān)裝置包括至少一個(gè)包含電極間隙(24)的開關(guān)元件(10a)。該間隙可在基本電絕緣狀態(tài)和導(dǎo)電狀態(tài)之間變換。而且,開關(guān)元件包括造成或至少啟動(dòng)電極間隙或至少部分電極間隙呈現(xiàn)導(dǎo)電性的裝置(25)。該造成或至少啟動(dòng)電極間隙呈現(xiàn)導(dǎo)電性的裝置(25)適用于以輻射能量的形式向電極間隙提供能量,以通過該輻射能量將間隙或至少部分間隙帶入等離子體形式。
文檔編號(hào)H02H9/02GK1246208SQ9718183
公開日2000年3月1日 申請(qǐng)日期1997年12月17日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月17日
發(fā)明者M·貝里奎斯特, H·貝恩霍夫, M·?？素惱? T·福格貝里, J·伊斯貝里, M·萊永, 黎明, A·蘇內(nèi)松, D·溫德馬, G·魯斯貝里 申請(qǐng)人:瑞典通用電器勃朗勃威力公司