專(zhuān)利名稱(chēng)：用于中斷電流的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文提出的實(shí)施例大體上涉及電氣開(kāi)關(guān)，并且更具體地涉及用于電氣開(kāi)關(guān)的電流中斷器。
背景技術(shù)：
直流(DC)配電的使用已經(jīng)在過(guò)去十年期間擴(kuò)大，其牽涉例如數(shù)據(jù)中心、太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)、航空和鐵路等應(yīng)用空間。然而，目前缺乏適合的DC電路保護(hù)技術(shù)，其包括DC斷路器。當(dāng)前的DC斷路器通?；诠虘B(tài)開(kāi)關(guān)、磁開(kāi)關(guān)和/或已降低額定值的交流(AC)斷路器。這些裝置中的全部往往是相對(duì)笨重并且昂貴的，以及擁有有限的短路能力和差的接觸可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)方面，提供例如電氣系統(tǒng)等設(shè)備。該電氣系統(tǒng)可以包括一對(duì)導(dǎo)體，跨該對(duì)導(dǎo)體偶發(fā)地維持電弧，該電弧包括來(lái)自負(fù)載電路的負(fù)載電流。該電氣系統(tǒng)還可以包括與該負(fù)載電路分開(kāi)并且配置成選擇性地對(duì)電極組件充電(例如，選擇性地提供高壓脈沖給電極組件)的能量源。導(dǎo)體和電極組件可以配置使得電弧(當(dāng)存在時(shí))將由于電極組件上的電荷而伸長(zhǎng)。例如，該電氣系統(tǒng)可以包括操作地耦合于該能量源的指示裝置，其中能量源配置成響應(yīng)于從該指示裝置接收電弧被建立的指示而對(duì)該電極組件充電。在一些實(shí)施例中，電極組件可以包括一對(duì)設(shè)置在限定在導(dǎo)體之間的間隙的對(duì)立側(cè)上的電極。在一些實(shí)施例中，電極組件可以包括沿著在導(dǎo)體之間限定的軸線(xiàn)而居中并且橫向偏離該軸線(xiàn)的電極。導(dǎo)體可配置成移至互相接觸以及移離至互相失去接觸，以便分別閉合或斷開(kāi)負(fù)載電路的至少一部分。在一些實(shí)施例中，電氣系統(tǒng)可以包括一對(duì)觸頭，其配置成移至互相接觸以及移離至互相失去接觸以便分別閉合或斷開(kāi)負(fù)載電路的至少一部分。這些導(dǎo)體的每個(gè)可以電連接到觸頭中的相應(yīng)一個(gè)，并且導(dǎo)體可以配置成在這些觸頭之間建立電弧之后在導(dǎo)體之間接收來(lái)自觸頭的電弧。電弧轉(zhuǎn)移裝置，例如包括燒蝕等離子體槍的電弧轉(zhuǎn)移裝置，可以配置成驅(qū)使電弧從觸頭到導(dǎo)體。在另一個(gè)方面，提供例如電氣系統(tǒng)等設(shè)備。該電氣系統(tǒng)可以包括一對(duì)導(dǎo)體，跨該對(duì)導(dǎo)體偶發(fā)地維持電弧。能量源可配置成選擇性地對(duì)電極組件充電以便在電弧附近建立時(shí)間上是恒定的電場(chǎng)。導(dǎo)體和電極組件可以配置使得電弧(當(dāng)存在時(shí))將由于該電場(chǎng)而伸長(zhǎng)或收縮。例如，該電氣系統(tǒng)可以包括操作地耦合于該能量源的指示裝置，該指示裝置提供即將建立電弧的指示。該能量源可以配置成響應(yīng)于接收該指示而對(duì)電極組件充電。


下列詳細(xì)說(shuō)明應(yīng)該參照附圖閱讀，其中在所有圖中相似的符號(hào)代表相似的部件，其中圖I是根據(jù)示例實(shí)施例配置的電氣系統(tǒng)的示意圖2-5是圖I的電氣系統(tǒng)的示意圖，其說(shuō)明該系統(tǒng)的示例操作；圖6是圖I的電極組件的示例實(shí)施例的放大示意圖；圖7是圖I的電極組件的另一個(gè)示例實(shí)施例的放大示意圖；圖8是圖I的電極組件的再另一個(gè)示例實(shí)施例的放大示意圖；圖9是作為時(shí)間的函數(shù)的充電和未充電電極組件的電弧電流的示意標(biāo)繪圖；以及圖10是根據(jù)另一個(gè)不例實(shí)施例配置的電氣系統(tǒng)的不意圖。
具體實(shí)施方式

示例實(shí)施例在下文參照附圖(其中所有圖中相同的標(biāo)號(hào)指示相同的部件)詳細(xì)描述。這些實(shí)施例中的一些可解決上文的以及其他需求。參照?qǐng)D1，其中示出電氣系統(tǒng)100。該系統(tǒng)100可以包括跨接電氣負(fù)載104連接的能量源，例如電壓源102。該負(fù)載104可與開(kāi)關(guān)106(例如，機(jī)電開(kāi)關(guān))串聯(lián)連接，該開(kāi)關(guān)106具有一對(duì)配置成移至互相接觸以及移離至互相失去接觸的觸頭108。該系統(tǒng)100可以進(jìn)一步包括一對(duì)導(dǎo)體110。每個(gè)導(dǎo)體110可以電連接到開(kāi)關(guān)106的相應(yīng)的側(cè)(例如，連接到相應(yīng)的觸頭108)，并且可以被設(shè)置以便在其之間形成間隙112。電壓源102、負(fù)載104、開(kāi)關(guān)106和導(dǎo)體可以一起被認(rèn)為是負(fù)載電路114。參照?qǐng)D1-3，一般，開(kāi)關(guān)106可以用于控制負(fù)載電路114的操作。具體地，當(dāng)開(kāi)關(guān)106斷開(kāi)以及閉合(S卩，相應(yīng)地，當(dāng)這些觸頭108移離至失去接觸以及移至接觸)時(shí)，并且假設(shè)沒(méi)有任何東西橋接導(dǎo)體110之間的間隙112，負(fù)載電路114對(duì)應(yīng)地?cái)嚅_(kāi)和閉合(在一些情況下，負(fù)載電路可包括若干支路，僅這些支路中的一些由開(kāi)關(guān)控制)。為了能夠選擇斷開(kāi)和閉合開(kāi)關(guān)106，系統(tǒng)100可包括開(kāi)關(guān)控制器116，其例如監(jiān)測(cè)負(fù)載電路114中的狀況并且當(dāng)檢測(cè)到負(fù)載電路中的故障時(shí)選擇性地?cái)嚅_(kāi)開(kāi)關(guān)106。在一個(gè)實(shí)施例中，該開(kāi)關(guān)控制器116可包括電流監(jiān)測(cè)器118，其提供負(fù)載電路114中的電流指示。該開(kāi)關(guān)控制器116可從該電流指示確定開(kāi)關(guān)106應(yīng)該斷開(kāi)并且可發(fā)送信號(hào)至開(kāi)關(guān)的柵極120來(lái)發(fā)起開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。盡管上文描述了用于斷開(kāi)和閉合開(kāi)關(guān)106的過(guò)程，實(shí)際上，當(dāng)斷開(kāi)和閉合開(kāi)關(guān)時(shí)，可不直接調(diào)制負(fù)載電路中的電流。相反，如果開(kāi)關(guān)106處于閉合位置并且電流通過(guò)負(fù)載電路114 (例如，圖2中的電流Ium，其等于通過(guò)開(kāi)關(guān)的電流Is)，那么當(dāng)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)時(shí)，通過(guò)負(fù)載電路114的電流1_將不立即轉(zhuǎn)為零。反而，電弧122可在觸頭108之間形成(如示出的，例如，在圖3中)，由此允許非零電流Is繼續(xù)流過(guò)開(kāi)關(guān)106。參照?qǐng)D1-4，系統(tǒng)100還可以包括電弧轉(zhuǎn)移裝置124。該電弧轉(zhuǎn)移裝置124可以配置成驅(qū)使電弧122到導(dǎo)體110 ( —旦電弧在觸頭108之間建立)，使得電弧可偶發(fā)地跨越間隙112并且通過(guò)導(dǎo)體的電流Ic是負(fù)載電流IMAD(如在圖4中圖示的)。例如，電弧轉(zhuǎn)移裝置可包括燒蝕等離子體槍?zhuān)渑渲贸稍陂g隙112中暫時(shí)產(chǎn)生等離子體，由此對(duì)于電弧中的電磁能形成比跨觸頭108更低阻抗的路徑?？刹⑷胂到y(tǒng)100的燒蝕等離子體槍的示例包括，但不限于在美國(guó)專(zhuān)利號(hào)7，821，749和美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)出版號(hào)2010/0301021、2009/0308845以及2009/0134129中論述的那些，其的內(nèi)容通過(guò)全文引用結(jié)合于此。在另一個(gè)實(shí)施例中，電弧轉(zhuǎn)移裝置可包括電弧流道(arc runner)或電弧隔板(arc chute),這些裝置的示例在美國(guó)專(zhuān)利號(hào)7，705，263 ;7，830，232 ;和7，812，276中論述，其的內(nèi)容通過(guò)全文引用結(jié)合于此。電弧轉(zhuǎn)移裝置可配置成監(jiān)測(cè)負(fù)載電路中的狀況以便當(dāng)電弧存在時(shí)能夠選擇性地操作(例如，在電弧轉(zhuǎn)移裝置包括燒蝕等離子體槍情況下，僅當(dāng)必要時(shí)激活該燒蝕等離子體過(guò)程)。備選地，電弧轉(zhuǎn)移裝置可以是每當(dāng)電弧存在時(shí)能夠固有地操作的無(wú)源裝置，例如在電弧轉(zhuǎn)移裝置由存在于電弧中的能量驅(qū)動(dòng)的情況下；參見(jiàn)，例如美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6，100，491，其的內(nèi)容通過(guò)全文引用結(jié)合于此。再次參照?qǐng)D1，系統(tǒng)100還可以包括電極組件126和能量源，例如電壓源128。電壓源128可以與負(fù)載電路114分開(kāi)(盡管在一些情況下，電壓源和負(fù)載電路可共享共同的接地連接)，并且可以配置成選擇性地對(duì)電極組件126充電。關(guān)于對(duì)電極組件126選擇性充電的另外的細(xì)節(jié)在下文提供。導(dǎo)體110、電極組件126和電壓源128在一起一般稱(chēng)為電流中斷模塊130。參照?qǐng)D1、4和5，如上文提到的，電弧122可在觸頭108之間建立并且然后移至由導(dǎo)體110維持。導(dǎo)體110和電極組件126可配置使得當(dāng)電弧122跨導(dǎo)體存在時(shí)，電弧的配置可由于電極組件上的電荷而修改以便增加電弧的整體阻抗。例如，導(dǎo)體110和電極組件126可配置使得電弧122由于電極組件上的電荷而伸長(zhǎng)(如在圖5中圖示的)。備選地或另外，電弧122可由于電極組件126上的電荷而橫向收縮，由此減小電弧的寬度?？傮w上，修改電弧122的配置可以導(dǎo)致電弧122的阻抗增加到足以使電弧熄滅。電壓源128可以配置成當(dāng)電弧122存在時(shí)提供高壓脈沖。例如，系統(tǒng)100可包括操作地耦合于電壓源128的指示裝置132。該指示裝置132可配置成提供電弧122被建立的指示。例如，該指示裝置132可包括電流監(jiān)測(cè)器134和/或光學(xué)傳感器136，其分別監(jiān)測(cè)通過(guò)導(dǎo)體110的電流(其指示電弧122的存在)以及對(duì)于電弧的存在光學(xué)地監(jiān)測(cè)間隙112。響應(yīng)于檢測(cè)電弧122，指示裝置可以提供電弧指示給電壓源128以便發(fā)起對(duì)電極組件126充電。備選地，可排除指示裝置132，并且開(kāi)關(guān)控制器116可與電壓源128通信以例如在斷開(kāi)開(kāi)關(guān)106后的預(yù)定時(shí)間發(fā)起對(duì)電極組件126充電。在另一個(gè)實(shí)施例中，電壓源128可以配置成選擇性地對(duì)電極組件126充電以便在電弧122附近建立時(shí)間上是大致恒定的電場(chǎng)。例如，可在電極組件正充電的時(shí)間期間(例如，當(dāng)來(lái)自電壓源128的電壓正在爬升時(shí))保護(hù)電弧122免受電極組件126影響。備選地，系統(tǒng)100可以配置使得電壓源128在形成電弧122之前施加電壓于電極組件126。例如，開(kāi)關(guān)控制器116可配置成發(fā)送指示迫切需要斷開(kāi)開(kāi)關(guān)106的信號(hào)給電壓源128，并且電壓源可以在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)之前發(fā)起充電，使得電極組件126上的電荷在形成電弧122前達(dá)到穩(wěn)定態(tài)。參照?qǐng)D1、4和6-8，電極組件126可以采用多種方式配置以便產(chǎn)生電弧122的配置變化，其可增加電弧的阻抗。例如，電極組件126可包括橫向偏離間隙122的單個(gè)電極126a。該電極126a相對(duì)于導(dǎo)體110的位點(diǎn)可隨著例如導(dǎo)體110之間的勢(shì)差(以及該電荷差的極性)、電極126a上的電荷以及/或與電弧122關(guān)聯(lián)的電流而變化。申請(qǐng)人已經(jīng)在試驗(yàn)上確定設(shè)置電極126a以便沿著在導(dǎo)體110之間限定的軸線(xiàn)a大約居中但橫向偏離軸線(xiàn)a，并且在電極上放置正或負(fù)的電荷可導(dǎo)致相對(duì)于其他配置的提高的電弧阻抗增加，但多種其他配置可期望引發(fā)電弧阻抗增加。在電極126a沿著軸線(xiàn)a不居中的情況下，由電極引發(fā)的電弧阻抗增加可通過(guò)將電極更靠近導(dǎo)體110 (其具有與電極相反的電荷)放置而提高。在另一個(gè)實(shí)施例中，電極組件126可以包括一對(duì)設(shè)置在間隙112的對(duì)立側(cè)上的電極126b。電極126b的兩者可以與電壓源120的一側(cè)通信使得可以相似地選擇性地對(duì)電極充電。備選地，電極126b可以連接到電壓源120的對(duì)邊以在電極與電極之間產(chǎn)生勢(shì)差。在再另一個(gè)實(shí)施例中，電極組件126可包括環(huán)形或環(huán)狀電極126c，其圍繞導(dǎo)體110之間限定的軸線(xiàn)a延伸。申請(qǐng)人:已經(jīng)在試驗(yàn)上確定，與上文論述一致的電極組件126的配置可當(dāng)在維持電弧122的導(dǎo)體110附近對(duì)電極組件126充電時(shí)，相對(duì)于不存在充電的電極組件的情況，其明顯地減少與電弧關(guān)聯(lián)的瞬時(shí)電流(例如，減少65-70%)。參照?qǐng)D9，其中示出由申請(qǐng)人收集的對(duì)于在圖6中圖示的系統(tǒng)配置的電弧電流數(shù)據(jù)的示意標(biāo)繪圖。該標(biāo)繪圖顯示對(duì)于電荷施加于電極126a(采用靜態(tài)地提供或作為脈沖提供的粗略地是9kV電壓的形式)以及沒(méi)有施加電荷的情況的作為時(shí)間(采用通用單位)的函數(shù)的電弧電流(也采用通用單位)。如在圖9中看到的，當(dāng)電荷施加于電極126a時(shí)，電弧電流粗略地減少了 65-70%。 沒(méi)有束縛于任何特定理論的情況下，充電的電極組件126在電弧122附近產(chǎn)生電場(chǎng)￡。限定電弧122的電子穿過(guò)電場(chǎng)￡，并且因此，力巧作用于電子。由于力巧和磁場(chǎng)另(其由電弧122的電子的移動(dòng)而建立)兩者的影響，電子采取螺旋軌道。該螺旋軌道可以認(rèn)為是圍繞點(diǎn)(稱(chēng)作“引導(dǎo)中心”)的圓周運(yùn)動(dòng)的重疊，以及該引導(dǎo)中心的相對(duì)更慢的漂移。如果引導(dǎo)中心的速度是^，則速度的某一部分可以歸因于力4。該電場(chǎng)引發(fā)的引導(dǎo)中心速度;由以下描述vF =( I )
B從方程⑴中明顯的是，電子(并且，從而電弧122)平均來(lái)說(shuō)將具有垂直于電場(chǎng)和磁場(chǎng)f兩者的速度分量。電弧122可因此還被驅(qū)使成除了其中組成電子跟隨導(dǎo)體110
之間的最小阻抗路徑的配置以外的配置。注意，當(dāng)對(duì)電極組件126充電時(shí)，電弧122的配置還可受到由變化電場(chǎng)引發(fā)的磁場(chǎng)的影響。參照?qǐng)D10，其中示出根據(jù)另一個(gè)示例實(shí)施例配置的電氣系統(tǒng)200。該系統(tǒng)200可以包括跨電氣負(fù)載204連接的能量源，例如電壓源202。負(fù)載204可與開(kāi)關(guān)206 (例如，機(jī)電開(kāi)關(guān))串聯(lián)連接，該開(kāi)關(guān)206具有一對(duì)配置成移至互相接觸以及移離至互相失去接觸的導(dǎo)體210 ;即，這些導(dǎo)體充當(dāng)開(kāi)關(guān)的觸頭。當(dāng)這些導(dǎo)體210分開(kāi)時(shí)，間隙212可以在其間限定。開(kāi)關(guān)控制器216可能夠選擇地?cái)嚅_(kāi)和閉合開(kāi)關(guān)206。系統(tǒng)200還可以包括電極組件226，其可由例如電壓源228等能量源選擇性地充電。如先前論述的，當(dāng)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)時(shí)，通過(guò)開(kāi)關(guān)206的電流可不立即停止，而可采用跨越間隙212的電弧222的形式繼續(xù)。電極組件226可相對(duì)于導(dǎo)體210設(shè)置，使得當(dāng)存在跨導(dǎo)體的電弧222時(shí)，電弧的配置將由于電極組件上的電荷而修改以便增加電弧的整體阻抗(并且最終熄滅電弧)。如此，電弧222在熄滅之前不必從這些導(dǎo)體210移到另一組導(dǎo)體。盡管本文僅圖示和描述本發(fā)明的某些特征，本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員將想到許多修改和改變。例如，盡管本文描述的電氣系統(tǒng)已經(jīng)牽涉用于增加電弧的阻抗的電場(chǎng)，系統(tǒng)可另外包括還起到修改電弧配置以便增加其阻抗的永久或電磁體。因此，要理解附上的權(quán)利要求意在涵蓋所有這樣的修改和改變，它們落入本發(fā)明的真正精神內(nèi)。部件列表100電氣系統(tǒng)102電壓源
104電氣負(fù)載106開(kāi)關(guān)
108觸頭110導(dǎo)體
112間隙114負(fù)載電路
116開(kāi)關(guān)控制器118電流監(jiān)測(cè)器120柵極122電弧
124電弧轉(zhuǎn)移裝置126電極組件
126a單個(gè)電極126b電極對(duì)
126c環(huán)狀電極128電壓源
130電流中斷模塊132指示裝置
134電流監(jiān)測(cè)器136光學(xué)傳感器
200電氣系統(tǒng)202電壓源
204電氣負(fù)載206開(kāi)關(guān)
210導(dǎo)體212間隙
216開(kāi)關(guān)控制器222電弧
226電極組件228電壓源
權(quán)利要求
1.一種設(shè)備，包括 一對(duì)導(dǎo)體，跨該對(duì)導(dǎo)體偶發(fā)地維持電弧，所述電弧包括來(lái)自負(fù)載電路的負(fù)載電流； 電極組件；以及 能量源，其與所述負(fù)載電路分開(kāi)并且配置成選擇性地對(duì)所述電極組件充電， 其中所述導(dǎo)體和電極組件配置使得所述電弧當(dāng)存在時(shí)將由于所述電極組件上的電荷而伸長(zhǎng)。
2.如權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括操作地耦合于所述能量源的指示裝置，所述指示裝置提供電弧被建立的指示，其中所述能量源配置成響應(yīng)于接收所述指示對(duì)所述電極組件充電。
3.如權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中所述電極組件包括一對(duì)設(shè)置在所述導(dǎo)體之間限定的間隙的對(duì)立側(cè)上的電極。
4.如權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中所述電極組件包括沿著所述導(dǎo)體之間限定的軸線(xiàn)居中并且橫向偏離的電極。
5.如權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中所述能量源選擇性地提供靜態(tài)高壓或高壓脈沖中的至少一個(gè)來(lái)對(duì)所述電極組件充電。
6.如權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中所述導(dǎo)體配置成移至互相接觸以及移離至互相失去接觸以便相應(yīng)地閉合或斷開(kāi)所述負(fù)載電路的至少一部分。
7.如權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括一對(duì)配置成移至互相接觸以及移離至互相失去接觸以便相應(yīng)地閉合或斷開(kāi)所述負(fù)載電路的至少一部分的觸頭，其中所述導(dǎo)體的每個(gè)電連接到所述觸頭中的相應(yīng)一個(gè)并且所述導(dǎo)體配置成在所述觸頭之間建立所述電弧后在所述導(dǎo)體之間接收來(lái)自所述觸頭的電弧。
8.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其進(jìn)一步包括配置成將所述電弧從觸頭驅(qū)使到所述導(dǎo)體的電弧轉(zhuǎn)移裝置。
9.如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中所述電弧轉(zhuǎn)移裝置包括燒蝕等離子體槍。
10.一種設(shè)備，包括 一對(duì)導(dǎo)體，跨該對(duì)導(dǎo)體偶發(fā)地維持電弧； 電極組件；以及 能量源，其配置成選擇性地對(duì)所述電極組件充電以便在所述電弧附近建立時(shí)間上是恒定的電場(chǎng)， 其中所述導(dǎo)體和電極組件配置使得所述電弧當(dāng)存在時(shí)將由于所述電場(chǎng)而伸長(zhǎng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于中斷電流的設(shè)備。在一方面，提供例如電氣系統(tǒng)(100)等設(shè)備。該電氣系統(tǒng)可以包括一對(duì)導(dǎo)體(110)，跨該對(duì)導(dǎo)體偶發(fā)地維持電弧，該電弧包括來(lái)自負(fù)載電路(114)的負(fù)載電流。該電氣系統(tǒng)還可以包括與該負(fù)載電路分開(kāi)并且配置成選擇性地對(duì)電極組件(126)充電的能量源(128)。導(dǎo)體和電極組件可以配置使得該電弧當(dāng)存在時(shí)將由于電極組件上的電荷而伸長(zhǎng)或收縮。
文檔編號(hào)H01H9/54GK102623256SQ20121002056
公開(kāi)日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月14日
發(fā)明者G·加尼雷迪, T·F·小帕帕洛, T·阿索肯 申請(qǐng)人:通用電氣公司