換流斷路器的制造方法
【專利摘要】一種換流斷路器，該換流斷路器通過(guò)滑梭的物理運(yùn)動(dòng)向電路中逐步插入漸增的電阻，滑梭通過(guò)其上的一組滑動(dòng)電觸點(diǎn)連入電路中，這些滑動(dòng)電觸點(diǎn)通過(guò)移動(dòng)的滑梭把電力連接至具有漸增電阻的一系列不同電阻路徑中；滑梭的運(yùn)動(dòng)可以是直線式的，也可以是旋轉(zhuǎn)式的。本發(fā)明的一個(gè)特點(diǎn)是，滑梭電極與相配的固定定子電極之間沒(méi)有會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)電弧的分?jǐn)帱c(diǎn)。相反，電流從一條電阻通路轉(zhuǎn)換至下一條電阻通路，每級(jí)的電阻變化很小，足以抑制電弧的產(chǎn)生。可變電阻可在移動(dòng)的滑梭中，或者，滑梭可包括在一系列固定電阻上轉(zhuǎn)移電流的換流滑梭。
【專利說(shuō)明】換流斷路器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及斷路器。

【背景技術(shù)】
[0002] 為了使任何直流電路斷開，必須吸收由于電流流動(dòng)而在磁場(chǎng)中存儲(chǔ)的感生能量； 這種能量可以存儲(chǔ)到電容中，或者在電阻中消散（在這種意義上講，電路斷開時(shí)形成的閃 弧是電阻的一種特例）。在短路時(shí)，由于電流的快速涌入，感生的能量能輕易地遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)正 常滿載系統(tǒng)中存儲(chǔ)的感生能量；若電流在受控之前達(dá)到正常滿載電流的五倍，則感生的能 量會(huì)高達(dá)正常滿載電路中的感生能量的二十五倍（取決于短接的位置）。為了斷開高壓直 流（HVDC)輸電線回路，必須消散的感生能量可能高達(dá)數(shù)百兆焦（MJ)。在斷開直流電路時(shí)， 另一個(gè)主要問(wèn)題是，由于電流和電壓不像交流電那樣周期性地穿越零點(diǎn)，因此很難熄滅直 流電弧。
[0003] 在現(xiàn)有技術(shù)中，有一些斷開高功率直流電路的已知策略。對(duì)于800伏（0. 8千伏） 的8000安（8.0千安）以下直流電路，或者1600伏（1.6千伏）的4000安以下直流電路， 消弧柵斷路器（例如美國(guó)專利2, 270, 723 ;3, 735, 074 ;7, 521，625 ;7, 541，902所揭示的消 弧柵斷路器）能夠有效地實(shí)現(xiàn)斷路。使用消弧柵斷路器，能夠應(yīng)對(duì)更高的電壓，但是在這種 裝置中，需要對(duì)電極進(jìn)行物理隔離，并且消弧柵中的柵板數(shù)目隨電壓的升高而線性升高，因 此在應(yīng)對(duì)3. 5千伏以上的電壓時(shí)，消弧柵斷路器的尺寸會(huì)變得很大。
[0004] 消弧柵斷路器的基本構(gòu)思是把電弧電流在平行金屬板之間的很大表面面積上延 展為多個(gè)小弧。由于電弧溫度很高，因此許多小弧的較大表面面積意味著輻射冷卻要快得 多。隨著電弧的冷卻，電阻會(huì)不斷升高，直到最終抑制電弧電流；這個(gè)過(guò)程需要一些時(shí)間： 在兆瓦（MW)級(jí)消弧柵斷路器中，引弧和消弧之間的時(shí)間通常為50-300毫秒（ms)。這么長(zhǎng) 的電路斷開時(shí)間與電極的運(yùn)動(dòng)速度關(guān)系不大；例如，在通用電氣（GE)生產(chǎn)的Gerapid?斷路 器中，電極在3毫秒（ms)內(nèi)分開，但是使電弧冷卻需要比這長(zhǎng)100倍的時(shí)間，并且，在發(fā)生 短路的情況中，消弧柵斷路器內(nèi)的電流可能持續(xù)增大，需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)十毫秒的時(shí)間才開始 減小。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)中的另一個(gè)已知手段是，為了產(chǎn)生高功率直流斷路器，可以利用電容的 充電或放電，從而在瞬間把電壓和電流減小到速動(dòng)交流型開關(guān)能夠關(guān)斷電路的水平。美國(guó) 專利3, 809, 959說(shuō)明了一種裝置，在該裝置中，兩個(gè)交流型開關(guān)、一個(gè)電阻、一個(gè)火花放電 器和一個(gè)電容組合在一起，產(chǎn)生一種能夠有效應(yīng)對(duì)高壓直流（HVDC)電壓的直流斷路器。這 種斷路器比消弧柵斷路器更快，并可用于HVDC電壓級(jí)。這一思想的后續(xù)改進(jìn)包括：把電容 預(yù)充至與待切斷的電流的極性相反的狀態(tài)。
[0006] 美國(guó)專利3, 534, 226說(shuō)明了向直流電路插入電阻和電容來(lái)斷開電路的獨(dú)特方式； 該專利通過(guò)完整引用被結(jié)合于本申請(qǐng)。在美國(guó)專利3, 534, 226中詳細(xì)說(shuō)明了一種通過(guò)切 入電阻來(lái)斷開直流電路的基本構(gòu)思，即，在斷開直流電路的過(guò)程中切入電阻，以逐步減小電 流，從而控制斷開直流電路時(shí)的瞬態(tài)電壓數(shù)值，這種方法需要使用許多獨(dú)立的開關(guān)和電阻。 專利3, 534, 226中說(shuō)明的方法包括兩種不同的開關(guān)，這些開關(guān)必須按精確的順序斷開：首 先要斷開低電阻的機(jī)械開關(guān)（當(dāng)斷路器閉合時(shí)，大部分電力流過(guò)這些開關(guān)）。這種開關(guān)是常 規(guī)開關(guān)，其中的電觸點(diǎn)是處于分開狀態(tài)的。雖然在低電阻開關(guān)的分離電極形式可能短暫地 形成等離子弧，但是由于電流被通過(guò)電阻轉(zhuǎn)換到并聯(lián)路徑上，因此這種電弧會(huì)很快被熄滅， 而并聯(lián)路徑通過(guò)速動(dòng)開關(guān)斷開。為了能熄滅初始電弧并向并聯(lián)的電阻路徑轉(zhuǎn)換，電阻網(wǎng)絡(luò) 的初始電阻必須相當(dāng)?shù)?。在最后一個(gè)速動(dòng)開關(guān)斷開之前，電流已被減小至其最大值的10% (這意味著99%以上的磁能已被消散），這樣，最終的電容緩沖裝置可以較小，并且比較經(jīng) 濟(jì)，相比之下，若該緩沖裝置不得不吸收在初始斷開時(shí)存儲(chǔ)在電路中的大部分磁能，則其尺 寸會(huì)大得多。美國(guó)專利3, 534, 226構(gòu)成了多個(gè)后續(xù)專利的基礎(chǔ)，包括美國(guó)專利3, 611，031 和3, 660, 723 (這兩個(gè)專利也使用低損耗機(jī)械開關(guān)把電流轉(zhuǎn)換至基于快速電子開關(guān)的電阻 網(wǎng)絡(luò)中）、以及美國(guó)專利6, 075, 684,該專利使用快速電子開關(guān)代替換流機(jī)械開關(guān)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 以下美國(guó)專利申請(qǐng)的揭示內(nèi)容通過(guò)引用結(jié)合在此：
[0008] 1.申請(qǐng)?zhí)?1/541301 ;提交日期為2011年9月30日
[0009] 2.申請(qǐng)?zhí)?3/366611 ;提交日期為2012年2月6日
[0010] 3.申請(qǐng)?zhí)?1/619531 ;提交日期為2012年4月4日
[0011] 換流斷路器（commutating circuit breaker)的工作原理是：按預(yù)定順序向電路 切入漸增的電阻，直到電流被充分減小，從而能使用較小的緩沖電路（例如可變電阻或電 容）吸收存儲(chǔ)的最后一點(diǎn)兒磁能，最終實(shí)現(xiàn)斷開電路。電阻需要足夠緩慢地增大，以保證在 抑制感生能量的同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生高于系統(tǒng)能夠承受的最高電壓的電壓尖峰。在換流斷路器 中，使電路按順序切換電阻是通過(guò)一個(gè)滑梭的運(yùn)動(dòng)完成的。由于下面的三種"情況"之一， 隨著滑梭的移動(dòng)，電阻會(huì)增大：
[0012] 1.隨著滑梭的移動(dòng)，可變電阻滑梭上的電阻增大；
[0013] 2.隨著換流滑梭在一系列固定電阻上轉(zhuǎn)換電流，斷路器上的電阻增大；或
[0014] 3.使用換流可變電阻滑梭來(lái)在一系列固定電阻上轉(zhuǎn)換，但是一部分插入電阻位于 滑梭上。
[0015] 在換流斷路器中，電流從第一電極A通過(guò)第一定子電極（定子電極#1)流到滑梭 上的第一滑梭電極；從斷路器的電極A至滑梭的這部分電流通路可通過(guò)任何可行的方式實(shí) 現(xiàn)，例如通過(guò)換流連接或穩(wěn)定的連續(xù)連接實(shí)現(xiàn)；穩(wěn)定的連續(xù)連接可通過(guò)軟線、伸縮管、或滑 環(huán)等實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電流到達(dá)滑梭時(shí)，它流入第二滑梭電極，第二滑梭電極連接至一個(gè)或一系列第 二定子電極，以構(gòu)成連接至電極B的電路，使得電阻隨著滑梭移動(dòng)而增大。
[0016] 在上述的可變電阻滑梭的情況#1中，滑梭的可變電阻部分通過(guò)固定定子電極把 換流斷路器的電極A連接至電極B。滑梭的運(yùn)動(dòng)可以是直線式的，也可以是旋轉(zhuǎn)式的。固定 定子電極和移動(dòng)滑梭電極之間的電連接點(diǎn)包括至少一個(gè)孤立的定子電極，在斷路器的操作 過(guò)程中，滑梭沿該定子電極滑動(dòng)，并且電流通過(guò)其傳遞?；笈c電路的另一個(gè)連接同樣可以 是滑動(dòng)接觸型的，但是也可以是軟線連接或伸縮管，當(dāng)滑梭移動(dòng)時(shí)，該軟線連接或伸縮管仍 附在滑梭上（僅在滑梭電路的一側(cè)）。
[0017] 在上述的換流滑梭的情況#2中，電阻保持固定，換流滑梭在移動(dòng)時(shí)向不同的定子 電極送電，這些定子電極通過(guò)一系列固定電阻連接電流，使得在換流斷路器斷開的過(guò)程中 電阻反復(fù)增大。在此情況中，換流滑梭上的至少一個(gè)滑梭電極必須是孤立電極，該電極在至 少一側(cè)被絕緣層隔開，當(dāng)然，在最簡(jiǎn)單的情況下，周圍絕緣層可以是流體或真空。由于斷開 電路所需的電阻的質(zhì)量取決于必須吸收的總能量，并且對(duì)于為高功率、高壓線路設(shè)計(jì)的換 流斷路器來(lái)說(shuō)，電阻的質(zhì)量可能達(dá)到數(shù)百公斤，因此，在高功率應(yīng)用中，優(yōu)選不要去加速情 況#1中的電阻，而是應(yīng)依靠情況#2中的換流滑梭來(lái)在一系列固定電阻上轉(zhuǎn)移電力。與情 況#1中的可變電阻滑梭相比，換流滑梭的重量可以較輕，并且能夠方便地由較結(jié)實(shí)的材料 構(gòu)成。換流滑梭比可變電阻滑梭的質(zhì)量小意味著加速滑梭時(shí)需要傳遞的動(dòng)量小，這能最大 限度地減少由于滑梭的加速而導(dǎo)致的搖晃，并且能減少容納換流斷路器的結(jié)構(gòu)的沖擊、振 動(dòng)和疲勞。
[0018] 上述情況#3的換流可變電阻滑梭對(duì)于緩沖電弧電流很有用，能在換流定子電極 的后緣脫離與特定移動(dòng)滑梭電極的電連接時(shí)避免產(chǎn)生電弧。通過(guò)使滑梭電極的最后一部分 的電導(dǎo)率比第一部分的低，能夠抑制閃弧，同時(shí)仍能保持滑梭電極的第一部分的低電阻通 路，因而在電路閉合時(shí)能夠高效地導(dǎo)電，或者連接至一系列定子電極中由移動(dòng)滑梭電極接 觸的下一個(gè)定子電極。在定子電極與外接電阻連接的定子電極后緣上，采用這種相同的電 阻率梯度也比較有利。為了使電極的后緣的電阻比金屬件的電阻大，意味著需要把換流斷 路器的一部分插入電阻布置在滑梭電極后緣中的滑梭上，或者布置在定子電極后緣中，或 者同時(shí)布置在這兩處。
[0019] 由于在換流斷路器的操作過(guò)程中必須對(duì)滑梭進(jìn)行加速，因此最大限度地減少滑梭 質(zhì)量比較有利，所以后緣電阻梯度優(yōu)選主要限于定子電極，因?yàn)榛箅姌O后緣上的這種電 阻梯度會(huì)使滑梭質(zhì)量增大，這會(huì)使發(fā)射機(jī)構(gòu)較重，并且使加速滑梭所需傳遞的動(dòng)量增大。若 同時(shí)在滑梭電極和這定子電極的后緣上分布電阻率梯度，則當(dāng)特定定子電極脫開與特定滑 梭電極的接觸時(shí)，能夠提供最好的消弧效果。利用經(jīng)路徑A連接的電極的后緣上的有梯度 電阻率分布，可通過(guò)與分?jǐn)嚯姌O共享并聯(lián)連接的下一個(gè)相鄰電極把電流轉(zhuǎn)換至另一條具有 較高電阻的路徑B上。在路徑A中的電極最終分?jǐn)嘀?，最好提前很長(zhǎng)時(shí)間把路徑中A的 電阻增加至并聯(lián)路徑B中的電阻值的十倍以上，這可利用分?jǐn)嗦窂紸的電極后緣中的有梯 度電阻率分布來(lái)完成。
[0020] 在換流斷路器中必須有至少一個(gè)換流區(qū)，在該換流區(qū)中，滑梭的移動(dòng)改變斷路器 中的電流路徑，從而在斷路器斷開的過(guò)程中，電流被轉(zhuǎn)換至電阻漸增的路徑上。此區(qū)可從滑 梭電極通過(guò)一系列彼此電氣分離的固定定子電極把電力轉(zhuǎn)換至具有漸增電阻的路徑上，或 者，定子換流區(qū)可包括一疊串聯(lián)的固定定子電極，使得通過(guò)電阻器的路徑長(zhǎng)度增大，導(dǎo)致插 入電阻隨著換流滑梭的移動(dòng)而增大，或者，可變電阻滑梭的移動(dòng)能使電極A與連接至電極B 的定子電極之間的電阻增大。
[0021] 換流斷路器支持3500伏以上的高功率直流輸配電。與中壓交流（MVAC)配電相比， 2000-36000伏（2-36千伏）的中壓直流（MVDC)配電的資本效率和能效都較高，但是，到目 前為止，由于直流斷路器的成本高、效率低和/或動(dòng)作緩慢等原因，這種中壓直流配電在經(jīng) 濟(jì)上不可行。MVDC支持把具有許多不同的發(fā)電機(jī)、功率需求和儲(chǔ)能裝置的微網(wǎng)聯(lián)為一個(gè)電 網(wǎng)，而是用交流配電來(lái)實(shí)現(xiàn)這種能力則要困難得多。
[0022] MVDC支持在工業(yè)設(shè)施（尤其是是用大量變速電動(dòng)機(jī)的制造廠和加工廠）中、艦船 上、礦場(chǎng)內(nèi)、以及其它孤立的離網(wǎng)場(chǎng)所高效地配電。向許多不同的變速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置提供 直流電能夠比普通運(yùn)轉(zhuǎn)方式節(jié)省投資和能源成本，在普通運(yùn)轉(zhuǎn)方式中，變速驅(qū)動(dòng)裝置的每 個(gè)電動(dòng)機(jī)控制器必須首先在驅(qū)動(dòng)裝置內(nèi)從交流電產(chǎn)生直流電，然后驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，或者 轉(zhuǎn)換為具有受控頻率的交流電，以驅(qū)動(dòng)變速電動(dòng)機(jī)。若通過(guò)MVDC向變速驅(qū)動(dòng)裝置供電，則 變速驅(qū)動(dòng)裝置會(huì)更廉價(jià)，效率更高，但是如上文所述，由于沒(méi)有快速、高效、經(jīng)濟(jì)的MVDC斷 路器，這種方法不可行。
[0023] 高壓直流（HVDC)輸電是向1000公里以上的距離輸送高功率電力（例如一千兆瓦 (GW)以上）的最有效方法。與交流電不同的是，直流線路可輕松地置于地下或海底，出于這 些原因，HVDC是從遙遠(yuǎn)的風(fēng)電場(chǎng)或太陽(yáng)能電池陣列向城市和經(jīng)濟(jì)的遠(yuǎn)程儲(chǔ)能場(chǎng)所輸送大量 可再生電力的最高效、最可行的方法，能夠滿足基于可再生能源建設(shè)高效能源經(jīng)濟(jì)的要求。 在不久前，HVDC輸電還僅限于通過(guò)"線路換流轉(zhuǎn)換器"(LCC)來(lái)進(jìn)行，LCC線路僅作為點(diǎn)對(duì)點(diǎn) 輸電線路，它連接交流電網(wǎng)的兩個(gè)或幾個(gè)節(jié)點(diǎn)，在連接至交流電話的每個(gè)連接點(diǎn)布置有LCC 轉(zhuǎn)換器。LCC HVDC系統(tǒng)不需要HVDC斷路器，因?yàn)殡娏骺稍诮涣鱾?cè)切斷。一些較新型的交 流/直流轉(zhuǎn)換器一"電壓源轉(zhuǎn)換器"(VSC)首次允許真正的多端HVDC ;但是，這些多端HVDC 系統(tǒng)需要HVDC斷路器。現(xiàn)有技術(shù)的HVDC斷路器的高成本、低效率和低可靠性阻礙了多端 HVDC電力線和最終的HVDC超級(jí)網(wǎng)的開發(fā)。
[0024] 就資本成本和工作特性（長(zhǎng)壽命、低開關(guān)瞬變）來(lái)說(shuō)，換流斷路器是一個(gè)突破，它 支持各種直流電網(wǎng)，從用于數(shù)據(jù)中心的最普通的電壓級(jí)（約400伏）至用于微網(wǎng)、艦船、制 造廠和加工廠的MVDC、直至用于長(zhǎng)距離電力共享的HVDC。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1示出了具有可變電阻滑梭的直線運(yùn)動(dòng)沖擊式斷路器，其中，滑梭中的電阻率 有階躍變化，兩個(gè)定子電極以環(huán)形對(duì)稱方式布置，以避免洛倫茲力扭矩。
[0026] 圖2示出了一種用于容納電阻的容器，在本文中，有時(shí)把這種容器稱為"罐"。這種 罐裝有被封裝的盤狀電阻，以構(gòu)成電阻單元。
[0027] 圖3示出了一疊圖2中所示的電阻單元，這些電阻單元以特定方式串聯(lián)起來(lái)，便于 通過(guò)裝在這疊電阻單元周圍的移動(dòng)滑梭進(jìn)行換流，如圖4所示。
[0028] 圖4示出了一種具有管狀換流滑梭的直線運(yùn)動(dòng)型換流斷路器，換流滑梭安裝在一 列固定的盤狀電阻周圍。
[0029] 圖5示出了一種直線運(yùn)動(dòng)型多級(jí)換流斷路器，該換流斷路器具有分布在兩級(jí)中的 四個(gè)換流區(qū)。
[0030] 圖6示出了一種具有六個(gè)換流區(qū)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)型多級(jí)換流斷路器。
[0031] 圖7示出了圖6和表1所示的一種優(yōu)化的18級(jí)換流斷路器的電流和電能抑制情 況。
[0032] 圖8示出了在移動(dòng)電極后面具有電應(yīng)力控制裝置的單級(jí)換流滑梭；所示的電路是 在驅(qū)動(dòng)換流滑梭開始運(yùn)動(dòng)之前的情況。
[0033] 圖9示出了在移動(dòng)電極后面具有電應(yīng)力控制裝置的單級(jí)換流滑梭；所示的電路是 在換流滑梭運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)的情況。
[0034] 圖10示出了具有增大電阻率的后緣的滑梭電極/定子電極接口。
[0035] 圖11示出了具有從電極A至滑梭的軟線的換流斷路器。
[0036] 圖12示出了一種具有桿狀、管狀或線狀滑梭的換流斷路器。
[0037] 圖13示出了一種具有用于電壓應(yīng)力控制的人造橡膠套管的可變電阻滑梭。
[0038] 圖14示出了位于定子電極后面、用于電壓應(yīng)力控制的人造橡膠套管。
[0039] 圖15示出了一種具有平行快速開關(guān)的混合換流斷路器。
[0040] 圖16示出了一種管狀換流滑梭。
[0041] 圖17示出了具有兩個(gè)換流區(qū)和外接電阻的旋轉(zhuǎn)換流斷路器。
[0042] 圖18示出了一種簡(jiǎn)化的旋轉(zhuǎn)式速動(dòng)換流斷路器，其中，定子電極和電阻構(gòu)成定子 壁的楔形拱頂部分。
[0043] 圖19示出了為高壓應(yīng)用設(shè)計(jì)的大直徑旋轉(zhuǎn)換流斷路器的驅(qū)動(dòng)和控制機(jī)構(gòu)。
[0044] 圖20示出了一種安裝在底板上的旋轉(zhuǎn)換流斷路器，該換流斷路器具有扭矩驅(qū)動(dòng) 裝置、軸承、速動(dòng)松脫裝置、以及鎖定制動(dòng)裝置。
[0045] 圖21示出了最壞情況的完全短路電路（無(wú)壓降、無(wú)電阻）與具有內(nèi)阻的電路的電 流與時(shí)間關(guān)系的半對(duì)數(shù)坐標(biāo)對(duì)比圖。

【具體實(shí)施方式】
[0046] 在換流斷路器中，需要加速滑梭?；罂赡苁乔闆r#1中的可變電阻滑梭，或者是 情況#2中的換流滑梭，或者是這兩種情況的混合，其中，插入可變電阻的一部分在滑梭上， 另一部分通過(guò)情況#3中的固定電阻實(shí)現(xiàn)。
[0047] 對(duì)于功率低于一百千瓦（kW)的較低功率電路，換流斷路器可采用可變電阻滑梭 (情況#1)，該可變電阻滑梭連接在兩組觸點(diǎn)之間，如圖1所示。這能簡(jiǎn)化斷路器機(jī)構(gòu)和接線 的設(shè)計(jì)，但是需要制造很復(fù)雜、并且具有較高強(qiáng)度的滑梭。與換流滑梭（情況#2)相比，對(duì) 于相同的功率級(jí)，需要較強(qiáng)的彈簧或發(fā)射機(jī)構(gòu)，因?yàn)楸仨毤铀僬纂娮琛？勺冸娮杌蟊仨?能承受很高的加速載荷，并且必須具有能在定子電極上滑動(dòng)而不會(huì)發(fā)生過(guò)度磨損的表面。
[0048] 圖1是換流斷路器100的局部分解圖，其中，插入的電阻在滑梭上。在圖1中，彈 簧101受到張力，它通過(guò)不導(dǎo)電桿103拉動(dòng)滑梭；此桿延伸至滑梭的后端，并連接至永久磁 鐵119- "滑梭磁鐵"。在斷路器處于閉合的狀態(tài)下，在觸發(fā)斷路器動(dòng)作之前，滑梭磁鐵119 與定子磁體121接觸。電磁鐵線圈123以排斥滑梭磁鐵的朝向布置，并且當(dāng)直流電流通過(guò) 該線圈時(shí)，由彈簧觸發(fā)斷路器斷開。圖1示出了滑梭的可變電阻部分110,在滑梭的芯材層 111、112和113中，電阻率有階躍變化。定子107具有電極105和115,電極105和115以 環(huán)狀對(duì)稱方式布置，以避免洛倫茲力在滑梭上產(chǎn)生扭矩。兩個(gè)圓形定子電極105和115相 隔一定的距離，該距離足夠遠(yuǎn)，能夠防止在斷路器斷開過(guò)程中產(chǎn)生電弧。
[0049] 在一個(gè)電阻率層退出定子電極115時(shí)，隨著滑梭向左移動(dòng)，由于在電極A和電極B 之間插入更長(zhǎng)的電阻段，因而電阻平滑增大。隨著每段電阻材料的邊界脫離于定子電極115 的接觸，電阻與時(shí)間關(guān)系曲線會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)點(diǎn)，而這又會(huì)在電阻于時(shí)間關(guān)系曲線中產(chǎn)生斜 率變化，但是在電阻中沒(méi)有階躍變化。
[0050] 圖1所示的滑梭處于其閉合電路位置，但是使用定子磁鐵121和電磁鐵觸發(fā)機(jī)構(gòu) 123的部件分解圖能夠更容易地描述。在閉合電路中，電力從電極A流向定子電極115,然后 通過(guò)滑梭109的一部分流向定子電極105 ;滑梭109由具有很低電阻率（約ΚΓ8歐姆?米） 的良好電導(dǎo)體構(gòu)成。在滑梭開始移動(dòng)后，隨著材料109和材料111之間的邊界退出定子電 極115的左側(cè)，電阻增大；這是第一次換流。隨后，隨著材料111從定子電極115左側(cè)退出， 電阻平滑增大，然后，隨著斜率增大，當(dāng)材料111和112之間的邊界退出定子觸點(diǎn)115的左 側(cè)時(shí)，發(fā)生第二次換流；隨后，電阻再次平滑增大一段時(shí)間，直到材料112和113之間的邊界 退出定子電極115。當(dāng)絕緣材料117從電極115的左側(cè)伸出時(shí)，電路被最終斷開。當(dāng)電路最 終斷開時(shí)，所述領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的某種緩沖裝置（例如可變電阻或電容）吸收最后 一點(diǎn)兒感生的儲(chǔ)能。在電路斷開過(guò)程中，總行程是距離125。阻止滑梭向前運(yùn)動(dòng)的裝置未示 出。
[0051] 圖1所示的類型的兩個(gè)換流斷路器可布置在一個(gè)公共支架上，從而通過(guò)把第二滑 梭向右側(cè)加速的沖力作用來(lái)平衡把滑梭向左側(cè)加速的沖力作用。
[0052] 圖2示出了一疊電阻（如圖3所示）的一個(gè)電阻單元，其中，盤狀電阻127封裝在 罐中，有利于疊置和換流。電阻127為鋁/碳電阻較好，例如美國(guó)紐約州奇克托瓦加市的 HVR Advanced Power Components公司制造的電阻。這些電阻能夠很好地應(yīng)對(duì)在換流斷路 器的工作過(guò)程中所需的脈沖功率，并且其電阻率有三個(gè)數(shù)量級(jí)。此類電阻的物理性質(zhì)（尤 其是密度和強(qiáng)度）不適合于圖1所示的設(shè)計(jì)，即，通過(guò)加速電阻本身來(lái)完成電路斷開，并且 定子電極騎在電阻的表面上。圖2所示的罐由導(dǎo)電的下部129、絕緣的上部133、以及絕緣 套管部分135構(gòu)成。這種罐為盤狀電阻127 (或137、138、139、140或141，如圖3所示）提 供容納空間，該盤狀電阻通過(guò)導(dǎo)電膠131附到罐129的底部。導(dǎo)電膠131最好是金屬銅焊 復(fù)合物、焊錫、或體電阻率比構(gòu)成盤狀電阻127的阻性材料低的導(dǎo)電膠。罐129的底部由金 屬材料制成，并具有金屬唇緣，該金屬唇緣部分地向上延伸，但是距盤狀電阻127、137、138、 139、140或141的側(cè)面有一定距離。在罐129的金屬部分的上方和相鄰位置有電絕緣段 133,并且該電絕緣段133延伸至與罐129的金屬部分大致相同的外半徑位置。在罐129的 金屬部分的上唇緣的公共內(nèi)徑、罐133的絕緣上部、以及盤狀電阻127、137、138、139、140或 141的外半徑之間插入絕緣套管135 ;此套管保證電流從每個(gè)電阻的頂部至底部堅(jiān)直流動(dòng)， 從而使I R阻性生熱分布在整個(gè)盤狀電阻（例如電阻127)上。在封裝到六個(gè)罐中的電阻 (127、137、138、139、140或141)中，每個(gè)電阻分別包括部件129、131、133和135,并具有無(wú) 孔絕緣聚合物系統(tǒng)（例如，像封裝變壓器中通常采用的那樣），以形成如圖2所示的最終封 裝電阻單元。
[0053] 然后，與圖2所示的電阻單元類似的六個(gè)電阻單元按圖3所示的方式堆疊起來(lái)， 以形成定子基底；每個(gè)罐和整個(gè)定子的整個(gè)徑向外壁是通過(guò)把多個(gè)罐疊置并加上特殊的頂 部單元而形成的，該徑向外壁是光滑的同心滑動(dòng)面。底部電阻單元包含盤狀電阻127 ;上面 的下一個(gè)單元包含盤狀電阻137 ;下一個(gè)單元包含盤狀電阻138 ;下一個(gè)單元包含盤狀電阻 139 ;下一個(gè)單元包含盤狀電阻140 ;下一個(gè)單元包含盤狀電阻141 ;每個(gè)盤狀電阻的電阻率 水平按127<137<138<139<140<141的順序增大。在此疊電阻單元的最頂部，有一個(gè)特殊的 可變電阻率電阻單元，它與其它單元的不同之處在于，它由金屬底板145以及布置在底板 145上、具有梯度性電阻率的金屬陶瓷元件143組成，該金屬陶瓷元件143的電阻率在底部 處與盤狀電阻141的電阻率大致相等，并且沿向上方向逐漸增大，直至該金屬陶瓷元件在 頂部處變?yōu)榱己玫慕^緣體，頂部的電阻率>1〇 12歐姆?米（〇hm-m)。所有這些電阻單元通過(guò) 機(jī)械和電氣方式接合在一起，使得每個(gè)單元的金屬基底附到下面的盤狀電阻的整個(gè)上表面 上。
[0054] 圖4示出了圖3所示的一疊電阻是如何與換流滑梭147組合在一起的，在此情況 中，換流滑梭147采用金屬套管形式，它套在這一疊電阻上，并配有連接至電極A和換流滑 梭147的導(dǎo)電滑環(huán)149、以及連接至電極B的導(dǎo)電底板151，從而形成一個(gè)換流斷路器。圖 4示出了在圖2、3、4所示的換流斷路器斷開過(guò)程中的一個(gè)中間狀態(tài)，在此中間狀態(tài)中，包含 盤狀電阻127、137和138的三個(gè)電阻單元在移動(dòng)換流滑梭147和一疊電阻151的基底之間 處于串聯(lián)狀態(tài)。應(yīng)說(shuō)明的是，金屬套管型換流滑梭147的質(zhì)量比此疊電阻的質(zhì)量小，因此與 按相同的比率加速此疊電阻所需的力相比，加速此換流滑梭所需的力150較小。電流從電 極A通過(guò)滑環(huán)149流至移動(dòng)換流滑梭147 (在此情況中，整個(gè)長(zhǎng)度147是滑梭電極）。原則 上，換流滑梭與電極A的連接還可通過(guò)接線來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)圖4所示的換流斷路器閉合時(shí)，低阻 電流從電極A流過(guò)滑環(huán)149,然后流過(guò)換流滑梭147,并流至最低的電阻單元（包含盤狀電 阻127)底部的金屬部分129,在接通狀態(tài)的情況下（未示出），大多數(shù)電流直接流入金屬底 板151，并流到電極B上，撇開盤狀電阻127 (少量電流仍會(huì)流過(guò)盤狀電阻127)。
[0055] 當(dāng)圖4所示的斷路器被觸發(fā)時(shí)，換流滑梭147被迅速向上加速，導(dǎo)致電流首先通過(guò) 電阻127,然后通過(guò)127+137,隨后通過(guò)127+137+138(這是圖4所示的狀態(tài)），等等。換流 滑梭繼續(xù)向上移動(dòng)，直到移過(guò)圖3所示的此疊電阻145的最后一個(gè)金屬部分，然后，最終殘 余的較小電流被具有梯度性電阻率的單元143抑制。在換流滑梭147的底部，布置有半導(dǎo) 電或絕緣的套管153,該套管153緊套在這疊電阻的周圍，以抑制當(dāng)換流滑梭147的導(dǎo)電部 分與每個(gè)電阻殼底部的一個(gè)金屬部件分開時(shí)可能產(chǎn)生的電弧。所述套管153在于換流滑梭 147接觸的部分最好是半導(dǎo)體材料的，但是應(yīng)具有適當(dāng)?shù)碾娮杪侍荻?，從而在另一端（圖4 中的下端）變?yōu)楦呓殡姀?qiáng)度、高電阻的材料（大于1012歐姆?米）。所述套管153可由多 種材料制成；一種特別符合要求的構(gòu)成材料是具有光滑的內(nèi)表面的高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)彈性材 料。圖4中未示出把換流滑梭向上拉的方法、檢測(cè)故障狀況的傳感器、以及觸發(fā)電路斷開的 方法；這些功能都可通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)中的已知方式實(shí)現(xiàn)。雖然在圖中未示出，但是在換流滑梭 147的內(nèi)表面上可具有可選的柔性電極，這種電極有利于換流滑梭147和圖3所不的一疊電 阻的外表面之間更好的電接觸。
[0056] 圖5示出了一種兩級(jí)換流斷路器，該換流斷路器具有換流滑梭158,換流滑梭158 移動(dòng)距離205可使電路斷開。該換流滑梭包含兩對(duì)滑梭電極，這兩對(duì)滑梭電極分別由滑梭 電極210、211、212(滑梭電極對(duì)#1)和215、216、217(滑梭電極對(duì)#2)構(gòu)成，這兩對(duì)滑梭電 極都嵌入在結(jié)構(gòu)絕緣體159中。有四個(gè)換流區(qū)161至164 :161和162共同構(gòu)成這個(gè)兩級(jí) 換流斷路器的第一級(jí)157 ;163和164共同構(gòu)成第二級(jí)219。在這些區(qū)中，每個(gè)區(qū)有四個(gè)定 子電極；例如，換流區(qū)161包含定子電極166、168、170和172 ;定子電極166通過(guò)低阻導(dǎo)體 174連接至電極A。定子電極168通過(guò)電阻176連接至電極A ;定子電極170通過(guò)串聯(lián)的電 阻178和176連接至電極A ;定子電極172通過(guò)串聯(lián)的電阻180、178和176連接至電極A ; 其它換流區(qū)與此類似。換流區(qū)162包含定子電極181、183、185和187。定子電極181通過(guò) 低阻導(dǎo)體182連接至定子電極189。定子電極183通過(guò)電阻184連接至低阻導(dǎo)體182 ;定子 電極185通過(guò)串聯(lián)的電阻186和184連接至低阻導(dǎo)體182 ;定子電極187通過(guò)串聯(lián)的電阻 188、186和184連接至低阻導(dǎo)體182。換流區(qū)163包含定子電極189、190、192和194。定子 電極189通過(guò)低阻導(dǎo)體182連接至定子電極181 ;定子電極190通過(guò)電阻191連接至低阻導(dǎo) 體182 ;定子電極192通過(guò)串聯(lián)的電阻191和193連接至低阻導(dǎo)體182 ;定子電極194通過(guò) 串聯(lián)的電阻195、193和191連接至低阻導(dǎo)體182。換流區(qū)164包含定子電極196、198、200 和202。定子電極196通過(guò)低阻導(dǎo)體197連接至電極B。定子電極198通過(guò)電阻199連接 至電極B ;定子電極200通過(guò)串聯(lián)的電阻201和199連接至電極B ;定子電極202通過(guò)串聯(lián) 的電阻203、201和199連接至電極B。
[0057] 當(dāng)電路處于閉合狀態(tài)時(shí)，有從電極A通過(guò)換流斷路器如下連接至電極B的低阻路 徑：電極A通過(guò)導(dǎo)體174連接至定子電極166,然后連接至滑梭電極211，滑梭電極211然后 通過(guò)絕緣的導(dǎo)體210連接至滑梭電極212,滑梭電極212然后連接至定子電極181，并從定 子電極181通過(guò)導(dǎo)體182連接至定子電極189,然后連接至滑梭電極216,然后通過(guò)絕緣的 導(dǎo)體215連接至滑梭電極217,然后連接至定子電極196,然后通過(guò)導(dǎo)體197連接至電極B。 在此情況中，換流滑梭基本為剛性體，當(dāng)它向右移動(dòng)以斷開電路時(shí)，它在四個(gè)滑梭電極211、 212、216和217之間保持既定的幾何關(guān)系。四個(gè)滑梭電極脫離與閉合電路對(duì)應(yīng)的四個(gè)通態(tài) 定子電極（166、181、189和196)的時(shí)間最好不是同時(shí)的，因?yàn)樵谌克慕M電極中同時(shí)換流 會(huì)增大開關(guān)瞬變的量級(jí)。四個(gè)滑梭電極211、212、216、217的后緣的軸向位置可適當(dāng)調(diào)節(jié)， 以便對(duì)四個(gè)通態(tài)電極的第一次換流進(jìn)行定時(shí)，在第一次換流過(guò)程中，與定子電極166、181、 189U96的電連接丟失；實(shí)際上，所有的后續(xù)換流的定時(shí)也可通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)換流區(qū)內(nèi)的第 二、第三和第四電極的間隔來(lái)實(shí)現(xiàn)。所述定時(shí)可通過(guò)調(diào)節(jié)滑梭電極與定子電極之間的間隔 來(lái)完成，或者，在滑梭電極之間可采用標(biāo)準(zhǔn)間隔，而所有定時(shí)控制通過(guò)僅調(diào)節(jié)定子電極的后 緣位置來(lái)完成。最佳方式是按受控的時(shí)間間隔插入十二個(gè)電阻。在圖5所示的十二次電阻 插入后，電流足夠低，使得滑梭電極能夠通過(guò)電阻移過(guò)其最后連接，并且在顯著減小的電流 別切斷時(shí)不會(huì)產(chǎn)生破壞性的電弧。最好使定子電極的后緣的電阻率具有梯度，尤其是進(jìn)行 最終斷電操作的那個(gè)定子電極。在圖5中，最終切斷發(fā)生在滑梭電極211喪失其與定子電 極172(第1區(qū)中的最后一個(gè)電極）的連接時(shí)。（最好定義這四次最終換流中[在每個(gè)區(qū) 中有一次]哪一次是使電路斷開的換流，以便僅在這個(gè)特定區(qū)中部署必要的超高壓絕緣材 料；這樣可節(jié)省成本。）由于定子電極172是使電路斷開的電極172,因此最好把這個(gè)電極 的后緣的電阻率梯度設(shè)計(jì)為從半導(dǎo)電狀態(tài)一直轉(zhuǎn)變至高電阻率狀態(tài)，從而在圖5所示的換 流斷路器進(jìn)行第十二次換流后能夠?qū)堄嚯娏鬟M(jìn)行最終軟切斷。
[0058] 可以使用圖5所示的較長(zhǎng)的多級(jí)換流斷路器鏈來(lái)斷開任何高壓。在此情況中，這 意味著換流滑梭較長(zhǎng)，為了能夠高效地移動(dòng)較長(zhǎng)的換流滑梭，最好采用沿?fù)Q流滑梭的長(zhǎng)度 布置的多個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置，例如布置為用于在換流區(qū)之間加速滑梭的多個(gè)彈簧，或者在換流區(qū) 之間動(dòng)作的多個(gè)直線式電動(dòng)機(jī)。例如，具有內(nèi)嵌的永久磁鐵的較長(zhǎng)多級(jí)斷路器可通過(guò)已知 的電磁方式驅(qū)動(dòng)（但是，使用彈簧或電磁體，能夠比永久磁鐵耦合方式發(fā)揮更大的力）。還 可以利用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)通過(guò)單一方式無(wú)法產(chǎn)生的更高加速。在這種多級(jí)線性斷路 器中，可以部署多種觸發(fā)和釋放裝置，這將在下文中更詳細(xì)地說(shuō)明。
[0059] 圖6示出了為中高壓直流或交流斷路器的一極設(shè)計(jì)的一種概念性的旋轉(zhuǎn)式多級(jí) 換流斷路器。在此情況中，示出了六個(gè)換流區(qū)221-229 (包括滑梭電極221 ;定子電極222、 223、224和225 ;導(dǎo)線226 ;以及電阻227、228和229) ;231-239 (包括滑梭電極231 ;定子電 極232、233、234和235 ;導(dǎo)線236 ;以及電阻237、238和239) ;241-249 (包括滑梭電極241 ; 定子電極242、243、244和245 ;導(dǎo)線246 ;以及電阻247、248和249) ;251-259(包括滑梭電 極 251 ;定子電極 252、253、254 和 255 ;導(dǎo)線 256 ;以及電阻 257、258 和 259) ;261-269(包 括滑梭電極261 ;定子電極262、263、264和265 ;導(dǎo)線266 ;以及電阻267、268和269)、以及 271-279(包括滑梭電極271 ;定子電極272、273、274和275 ;導(dǎo)線276 ;以及電阻277、278和 279)。這些區(qū)域成對(duì)布置，包括下列換流級(jí)：第一換流區(qū)（由圖6中的221-229定義）最 靠近電極A，并經(jīng)由絕緣的導(dǎo)體220連接至第二換流區(qū)（由圖6中的231-239定義）；第一 換流區(qū)和第二換流區(qū)以及絕緣的導(dǎo)體220構(gòu)成圖6中的換流斷路器的是個(gè)換流級(jí)中的第一 級(jí)。另外兩級(jí)包括部件240-259和260-279。每級(jí)定義為把電力轉(zhuǎn)移至換流滑梭上、然后再 從該滑梭移走的一條完整電路。在圖5中有兩級(jí)，在圖6中有三級(jí)。
[0060] 圖6的多級(jí)旋轉(zhuǎn)換流斷路器的工作方式與圖5的線性多級(jí)換流斷路器的工作方式 大致相同，不同之處是，致動(dòng)是通過(guò)圓柱狀換流轉(zhuǎn)子280的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的，而不是通過(guò)圖5所 示的換流滑梭的直線運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，并且有三級(jí)，而不是圖5所示的兩級(jí)。（在本文中，"換流 轉(zhuǎn)子"是"換流滑梭"的一個(gè)特例；"滑梭電極"指任何移動(dòng)電極，不論該電極是按圖5所示 的那樣直線移動(dòng)，還是按圖6所示的那樣旋轉(zhuǎn)移動(dòng)。）圖6的斷路器有六個(gè)換流區(qū)，每個(gè)換 流區(qū)的工作方式與圖5所示的四個(gè)直線運(yùn)動(dòng)換流區(qū)中的每一個(gè)的工作方式相同。在此情況 中，換流滑梭逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)約18. 2度，以斷開電路，然后再轉(zhuǎn)動(dòng)7. 9度至最終開路位置，因而 在旋轉(zhuǎn)換流斷路器的致動(dòng)過(guò)程中，總轉(zhuǎn)動(dòng)角度為29. 1度（281)。轉(zhuǎn)子由高強(qiáng)度電絕緣材料 制成（例如玻璃纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料、工程級(jí)熱塑復(fù)合材料、或者聚合物基微泡塑料 材料），除了滑梭電極221、231、241、251、261和271，以及如圖所示的在滑梭中帶有粗黑線、 用于連接成對(duì)滑梭電極（例如221和231)的絕緣導(dǎo)電通路（220、240和260)。軸最好由金 屬制成，但是與導(dǎo)體220、240和260電絕緣。整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部分由定子290圍繞，在定子290中 安裝有定子電極。電阻優(yōu)選布置在定子之外，以利于在斷路器脫扣后散熱。
[0061] 圖6中的視圖是具有圓筒形狀的換流滑梭的端視圖。圓筒的長(zhǎng)度（垂直于圖6所 示的橫截面）可以調(diào)節(jié)，以便把電極接觸區(qū)的單位面積（每平方厘米）的正常滿負(fù)載值（安 培）保持在設(shè)計(jì)限值之內(nèi)；因此，根據(jù)電流級(jí)別，圓筒280的外觀可以是盤狀或桶狀。可以 調(diào)節(jié)定子電極（例如222、223、224、225)之間的周圍絕緣距離，以應(yīng)對(duì)每個(gè)換流區(qū)的電壓梯 度；應(yīng)調(diào)節(jié)每個(gè)定子電極的寬度和每個(gè)相鄰的下一對(duì)定子電極之間的距離，以實(shí)現(xiàn)最佳設(shè) 計(jì)。對(duì)于任何兩個(gè)定子電極，定子電極之間的距離、定子電極的寬度、以及不同定子電極的 組成可以不同。而且，多個(gè)串聯(lián)換流斷路器（例如圖6所示的換流斷路器）可以安裝在同 一個(gè)軸上，以產(chǎn)生更多換流級(jí)（6個(gè)、9個(gè)等）。在此情況中，開關(guān)觸點(diǎn)221、231、241、251、261 和271中的每一個(gè)、以及其配合觸點(diǎn)222等的尺寸僅占由介入絕緣部分分隔的驅(qū)動(dòng)軸的長(zhǎng) 度的一小部分。
[0062] 在圖6所示的特定設(shè)計(jì)中，通態(tài)定子電極222、232、242、252、262和272最好為液 態(tài)金屬電極；在通態(tài)中，只有這些定子電極承載高電流。從接觸電阻來(lái)說(shuō)，液態(tài)金屬電極的 導(dǎo)電能力為滑動(dòng)固態(tài)金屬電極的導(dǎo)電能力的1〇 4倍左右。因此，液態(tài)金屬電極可比滑動(dòng)固 態(tài)接觸電極窄，對(duì)于換流斷路器的前幾個(gè)換流步驟，這是一大優(yōu)點(diǎn)。考慮一種特定情況：在 圖6中，例如，液態(tài)金屬定子電極222、232、242、252、262和272的寬度可為固態(tài)定子電極 223、224和225的寬度的十分之一，并且即使在這種情況下，其接觸電阻仍為固態(tài)定子電極 的接觸電阻的千分之一。作為一個(gè)具體例子，考慮圖6所示的換流轉(zhuǎn)子是為30千伏直流 電或交流電設(shè)計(jì)的31. 5厘米直徑桶狀換流滑梭的情況。若把液態(tài)金屬定子電極222、232、 242、252、262和272中的某一個(gè)制成沿圓周方向的寬度為一毫米（mm)，并且（例如）第一 定子電極與轉(zhuǎn)子電極的相對(duì)位置調(diào)整為僅需移動(dòng)一毫米就能導(dǎo)致第一次換流，則只需把滑 梭280轉(zhuǎn)動(dòng)0. 36度，就能完成第一次換流。在任何斷路器中，第一次換流非常重要，它對(duì)控 制最大故障電流非常關(guān)鍵，因?yàn)樵诓迦氲谝粋€(gè)電阻后，故障電流就能立即得到控制。使用窄 液態(tài)金屬電極可縮短換流滑梭到達(dá)第一次換流位置所需移動(dòng)的距離，是加速第一次換流的 一種方式。
[0063] 在使用液態(tài)金屬電極時(shí)，一個(gè)考慮因素是需要避免已氧化的固體金屬觸點(diǎn)與液態(tài) 金屬電極連接。為了避免與液態(tài)金屬電極配合的滑梭電極表面發(fā)生氧化，一個(gè)方法是把斷 路器封閉在密封的無(wú)氧環(huán)境中；在此情況中，可以把常規(guī)的銅基或銀基滑梭電極與液體電 極結(jié)合使用，只要液態(tài)金屬電極不會(huì)與銅或銀發(fā)生反應(yīng)。在空氣環(huán)境中，另一個(gè)已知的方法 是使用"貴金屬"，例如金、鉬或鈀。一個(gè)特別合乎要求的方案是使用鍍鑰電極，因?yàn)樵诳諝?中，在低于600攝氏度時(shí)鑰不會(huì)發(fā)生氧化；雖然鑰比某些金屬的電導(dǎo)率低（鑰的電阻率比 銅的電阻率高85倍），但是在金屬基板電極上鍍一層很薄的鑰后，能產(chǎn)生與液態(tài)金屬電極 良好結(jié)合的無(wú)氧化物表面，不會(huì)因氧化層而導(dǎo)致電阻增大；如果電極表面的鑰層的厚度在 毫米以下，那么鑰層本身的電阻可以忽略不計(jì)，而通過(guò)等離子體噴涂或各種物理汽相淀積 (PVD)工藝，能夠很輕松地獲得這種厚度的鍍層。
[0064] 液態(tài)金屬電極通常包括通過(guò)粉末冶金工藝形成的燒結(jié)多孔金屬結(jié)構(gòu)成分，這種結(jié) 構(gòu)成分浸有液態(tài)金屬，例如鎵或低烙點(diǎn)鎵合金。在液態(tài)金屬電極中也可使用鈉、鈉/鉀共溶 合金、以及汞，但是這種液態(tài)金屬電極比不上鎵基液態(tài)金屬電極。鎵、鎵合金、鈉、或鈉/鉀 共熔合金會(huì)氧化，因此必須把這種電極保護(hù)在無(wú)氧容器中，這種容器除了包含圖6所示的 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)多級(jí)換流斷路器的固體運(yùn)動(dòng)部件外，還可包含氣體、液體或真空。在高功率斷路器 的情況中（例如圖6所示的斷路器），為了能夠使用鎵或鈉基液態(tài)電極，氣密外殼結(jié)構(gòu)導(dǎo)致 的附加成本是很值得的。若必須為液態(tài)金屬保持無(wú)氧環(huán)境，則原則上非液態(tài)金屬電極的滑 移面也不必是由抗氧化材料制成的（非液態(tài)金屬電極包括所有滑梭電極以及每個(gè)換流區(qū) 的所有定子電極（除了一個(gè)定子電極外））；在這種設(shè)計(jì)中，滑移電極表面可以基于銅、鎳、 鉻或銀等純金屬或合金，或者包括這些金屬或合金之一的金屬陶瓷復(fù)合材料，而不是鑰。但 是，即使在最終的換流斷路器中提供無(wú)氧環(huán)境，在通態(tài)中，與液態(tài)金屬電極接觸的電極的抗 氧化表面也可能很重要，這有利于該裝置的制造，在制造電極的時(shí)間與制造斷路器的時(shí)間 之間的時(shí)段無(wú)需保持無(wú)氧環(huán)境。
[0065] 在圖6所示的六個(gè)換流區(qū)中，每個(gè)換流區(qū)都可切斷電力，這使得這種設(shè)計(jì)具有很 高的切斷冗余性和可靠性。例如，請(qǐng)?jiān)俅慰紤]圖6所示的換流轉(zhuǎn)子是為30千伏直流電或交 流電設(shè)計(jì)的31. 5厘米直徑桶狀換流滑梭的情況。在此例子中，桶狀旋轉(zhuǎn)換流器具有99厘 米圓周尺寸，包括沿圓周方向布置的6個(gè)1. 25厘米寬導(dǎo)電滑梭電極（在換流轉(zhuǎn)子的外半徑 處占4. 55度）?；箅姌O具有足夠的寬度，除了在最終換流時(shí)之外，能夠始終接觸兩個(gè)定子 電極；所有滑梭電極都嵌入在絕緣聚合材料中。換流轉(zhuǎn)子總體上具有光滑的外表面，能夠相 對(duì)于定子和其電極滑動(dòng)。在此設(shè)計(jì)中，電流越大，流過(guò)電流的桶的長(zhǎng)度就必須越長(zhǎng)。在圖6 所示的第1區(qū)的換流的特定情況中，定子電極223、224和225是金屬電極，例如，電極的寬 度可為1. 0厘米，在每?jī)蓚€(gè)電極之間有0. 25厘米寬的絕緣體，因此1. 25厘米寬的滑梭電極 在脫離與特定定子電極的接觸時(shí)能夠完全與下一個(gè)定子電極接觸。第一個(gè)定子電極222僅 為0. 25厘米寬，并且是液態(tài)金屬電極，其后面是位于定子電極222和223之間的0. 25厘米 寬絕緣間隙；這意味著換流轉(zhuǎn)子僅需轉(zhuǎn)動(dòng)〇. 91度就可實(shí)現(xiàn)第1區(qū)中的第一次換流。在電極 222脫離與滑梭電極221接觸的時(shí)刻，滑梭電極221完全與電極223接觸；在電極223脫離 于滑梭電極221接觸的時(shí)刻，該滑梭電極完全與電極224接觸；依此類推。
[0066] 圖6所示的導(dǎo)電電極的后緣的電阻率梯度可根據(jù)成分和電阻率來(lái)確定，以降低在 電極分?jǐn)鄷r(shí)引起電弧的可能性。這適用于本文所述的所有換流斷路器的設(shè)計(jì)，后緣電阻率 梯度可以僅分布在滑梭電極上、僅分布在定子電極上，或者同時(shí)分布在滑梭和定子電極上。 這在其它部分中更廣泛地論述；在圖6所示的換流斷路器的特定情況中，在某個(gè)定子電極 的后緣處的一個(gè)有梯度電阻率區(qū)能夠輕松吸收在表1所示的最后一次換流后殘余的電流 中的最后一點(diǎn)兒磁能，或者，使用電容能夠更經(jīng)濟(jì)地吸收最后一點(diǎn)兒感生能量。
[0067] 滑梭電極的最外表面最好由具有很高導(dǎo)電能力的金屬或復(fù)合材料制成，這種材 料還應(yīng)耐磨，不發(fā)生氧化、再結(jié)晶，在使用過(guò)程中也不與相對(duì)的通態(tài)定子電極發(fā)生相互擴(kuò) 散。氧化可通過(guò)排除氧來(lái)防止，或者利用抗氧化金屬（例如金、鉬或鑰）來(lái)防止。在排除 氧的情況中，使用具有良好導(dǎo)電性的分散硬顆粒/軟金屬基體復(fù)合材料比較合適，例如基 于燒結(jié)金屬的浸銀或浸銅多孔結(jié)構(gòu)；例如在美國(guó)專利7, 662, 208中揭示的鉻粉，或者在由 Mitsubishi Materials C.M.I Co.Ltd.(三菱材料公司）制造的商售電極中使用的鶴粉。 鋁/碳化硅電極也適合在無(wú)氧環(huán)境中使用。在不排除氧的情況中，對(duì)于所有非液態(tài)金屬電 極，鑰是用于接觸面的一種很好材料；通過(guò)等離子體噴涂在鋁/碳化硅電極上涂鍍一層鑰 特別好。雖然圖6所示的換流斷路器的一個(gè)版本可在空氣環(huán)境中工作，但是在此情況中，除 了汞之外，不能使用任何其它液態(tài)金屬電極。
[0068] 為了實(shí)現(xiàn)在閉合電路條件下在2000安電流時(shí)消散1. 0千瓦通態(tài)功率的目標(biāo)，從圖 6中的電極A至電極B的路徑的總電阻至多為2. 5E-4歐姆。這么低的電阻只能通過(guò)液態(tài)金 屬通態(tài)電極接點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)更低的電阻需要使用質(zhì)量更大的轉(zhuǎn)子，而這需要更大的扭矩 來(lái)加速；存在基于通態(tài)電阻目標(biāo)的最佳設(shè)計(jì)，對(duì)于每種特定情況來(lái)說(shuō)，這種最佳設(shè)計(jì)會(huì)有所 不同；在某些情況中，可能需要與風(fēng)扇冷卻或液體冷卻結(jié)合使用一千瓦以上的較高發(fā)熱能 力，這能更容易地產(chǎn)生可工作的換流斷路器，而無(wú)需依賴液態(tài)金屬電極來(lái)實(shí)現(xiàn)通態(tài)電極連 接。
[0069] 用于導(dǎo)致圖6所示的逆時(shí)針徑向加速的彈簧或其它驅(qū)動(dòng)裝置可在整個(gè)換流時(shí)間 內(nèi)加速轉(zhuǎn)子，或者，可以使用很硬的彈簧，利用換流轉(zhuǎn)子在換流過(guò)程中的18. 2度徑向運(yùn)動(dòng) 的一小部分提供初始加速度。在此情況中，在換流斷路器的轉(zhuǎn)子移動(dòng)并導(dǎo)致?lián)Q流的大部分 時(shí)間內(nèi)，換流轉(zhuǎn)子處于慣性飛行狀態(tài)。
[0070] 利用一些簡(jiǎn)化假設(shè)條件，對(duì)于300千伏換流斷路器，可以建立圖6所示的換流斷路 器18次換流的十八次電阻切入的最佳順序模型。表1給出了基于這些假設(shè)所算出的目標(biāo) 換流時(shí)間和插入電阻：
[0071] 1.假設(shè)電路電感為100毫亨（實(shí)際的高壓側(cè)估計(jì)值）；
[0072] 2.第一次換流時(shí)的最大允許電流為10千安；
[0073] 3.電壓上限值為500千伏（1.67倍正常電壓）；在下一次換流前，該值呈指數(shù)衰減 至較低的360千伏電壓限值（1. 2倍正常電壓）。
[0074] 由于無(wú)法選擇電路故障發(fā)生的位置，因此把正常系統(tǒng)電感作為故障狀況下的系 統(tǒng)電感實(shí)際估計(jì)值不合理；這意味著可能無(wú)法使用系統(tǒng)電感來(lái)減緩故障狀況下的電流涌 入。由于這種情況，需要考慮實(shí)際高電感故障（100毫亨）；在此情況中，為了切斷10千 安電流的故障HVDC電路，必須消散的感生存儲(chǔ)磁能為500萬(wàn)焦耳（5MJ)。上述的由HVR International制造的碳/氧化錯(cuò)燒結(jié)電阻在正常工作時(shí)的吸收能力為111焦/克，這意味 著，根據(jù)表1中的模型，吸收5兆焦感生能量需要45公斤HVR盤狀電阻?；谏鲜鼍图俣?， 為了能夠吸收三次重復(fù)電路斷路的能量，需要135公斤HVR International的脈沖型電阻。
[0075] 表1所示的第一次換流插入50歐姆，這是基于為了限制最大設(shè)計(jì)電壓和電流（500 千伏和10千伏）而確定的；為了使故障電流不超過(guò)10千安，第一次換流需要在2. 667毫秒 (ms)內(nèi)發(fā)生（從時(shí)間為零時(shí)的2千安正常滿負(fù)載算起）。在第一次插入50歐姆之后，需要 經(jīng)過(guò)0. 657毫秒才能使電壓從500千伏衰減至360千伏；這是第二次換流的時(shí)刻，在第二次 換流后，電阻為69. 4歐姆，并且僅需要0. 473毫秒就能使電壓從500千伏衰減至360千伏， 隨后每次插入電阻的經(jīng)過(guò)時(shí)間越來(lái)越短，因?yàn)樵谳^高電阻時(shí)，電流的指數(shù)式衰減較快。電流 (i)的這種重復(fù)的指數(shù)式衰減的每個(gè)步驟按照下列公式發(fā)生：
[0076] (1) i (t) = Ie'/L)t
[0077] 其中，I是在首次插入電阻R(單位為歐姆）時(shí)的電流，L是電感（在此例子中為 〇.1〇亨），t是自首次插入電阻R算起的時(shí)間（單位為秒）。在換流斷路器的操作過(guò)程中， 電阻R重復(fù)復(fù)位（如表1所示）；這是在斷開具有很多存儲(chǔ)磁能的直流電路時(shí)吸收感生存 儲(chǔ)磁能的一種很高效的方式。通過(guò)在斷路器開路的過(guò)程中把電壓保持在高于正常工作電壓 20%，能夠保證電路中可能存在的任何電池和/或高能電容在電路斷開的時(shí)間內(nèi)不會(huì)通過(guò) 故障放電。
[0078] 表1 :圖6所示的斷路器的最佳換流時(shí)間與插入電阻階躍
[0079]

【權(quán)利要求】
1. 一種能夠被觸發(fā)從而斷開的換流斷路器，包括： 具有兩個(gè)或更多第一電觸點(diǎn)的定子； 一個(gè)或多個(gè)滑梭，當(dāng)斷路器被觸發(fā)從而斷開時(shí)，這些滑梭能夠相對(duì)于定子移動(dòng)，并且能 同時(shí)移動(dòng)，每個(gè)滑梭具有兩個(gè)或更多第二電觸點(diǎn)； 一系列電阻，每個(gè)電阻電耦合至至少一個(gè)所述第一電觸點(diǎn)和至少一個(gè)所述第二電觸 占. 一個(gè)發(fā)射系統(tǒng)，該發(fā)射系統(tǒng)布置為在斷路器的工作位置和斷開位置之間相對(duì)于定子 移動(dòng)滑梭，在工作位置時(shí)，斷路器在包含該斷路器的電路中產(chǎn)生相對(duì)小的電阻，在斷開位置 時(shí)，斷路器在包含該斷路器的電路中產(chǎn)生很高的電阻， 其中，滑梭在工作位置和斷開位置之間的移動(dòng)改變通過(guò)斷路器的電路徑，從而把電流 相繼轉(zhuǎn)入具有漸增電阻的路徑中；并且 滑梭的運(yùn)動(dòng)可以是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也可以是直線運(yùn)動(dòng)。
2. 如權(quán)利要求1所述的換流斷路器，包括兩個(gè)滑梭，所述發(fā)射系統(tǒng)構(gòu)造為沿相對(duì)方向 以直線方式移動(dòng)這些滑梭。
3. 如權(quán)利要求1所述的換流斷路器，其中，移動(dòng)的滑梭具有連續(xù)可變電阻率，從而隨著 滑梭從起動(dòng)位置朝終止位置移動(dòng)，兩個(gè)定子電極之間的電阻增大。
4. 如權(quán)利要求1所述的換流斷路器，其中，移動(dòng)的滑梭使電流流過(guò)不同的定子電極，從 而流過(guò)具有漸增電阻的不同電阻路徑，通過(guò)選定的多個(gè)小步驟把電流減小至零，并把電壓 沖擊控制在預(yù)定的限值之內(nèi)。
5. 如權(quán)利要求4所述的換流斷路器，其中，至少一個(gè)滑梭電極具有足以同時(shí)接觸兩個(gè) 定子電極的寬度，并具有直至其后緣的漸增電阻率坡度，從而在該滑梭電極從第一定子電 極最終分開前把來(lái)自于所述第一定子電極的電流轉(zhuǎn)換至通過(guò)第二定子電極的下一條電阻 路徑，以避免當(dāng)該滑梭電極從所述第一定子電極分開時(shí)形成電弧。
6. 如權(quán)利要求4所述的換流斷路器，其中，至少一個(gè)滑梭電極具有足以同時(shí)接觸兩個(gè) 定子電極的寬度，并且至少這兩個(gè)定子電極中的第一定子電極具有直至其后緣的漸增電阻 率坡度，從而在該滑梭電極從第一定子電極最終分開前把來(lái)自于所述第一定子電極的電流 轉(zhuǎn)換至通過(guò)第二定子電極的下一條電阻路徑，以避免當(dāng)該滑梭電極從所述第一定子電極分 開時(shí)形成電弧。
7. 如權(quán)利要求4所述的換流斷路器，其中，換流滑梭以圓形旋轉(zhuǎn)方式移動(dòng)，電力通過(guò)一 條連接到達(dá)滑梭上，然后通過(guò)一個(gè)滑梭電極從滑梭流出，該滑梭電極電連接至所述第一連 接，但是被滑梭表面上的絕緣材料圍繞，并且當(dāng)滑梭旋轉(zhuǎn)時(shí)該滑梭電極與一系列定子電極 連接。
8. 如權(quán)利要求7所述的換流斷路器，其中，電力通過(guò)軸上的滑環(huán)傳送至旋轉(zhuǎn)換流滑梭 上，然后通過(guò)位于換流轉(zhuǎn)子的外半徑上或盤狀換流轉(zhuǎn)子的平面?zhèn)鹊囊粋€(gè)或多個(gè)滑梭電極從 旋轉(zhuǎn)換流滑梭流出，流至一系列定子電極上，這些定子電極隨著換流斷路器的滑梭的旋轉(zhuǎn) 通過(guò)一系列具有漸增電阻的路徑連接電力。
9. 如權(quán)利要求7所述的換流斷路器，其中，電力從至少一個(gè)定子電極傳送至旋轉(zhuǎn)換流 滑梭上，并到達(dá)位于換流轉(zhuǎn)子的外半徑上或盤狀換流轉(zhuǎn)子的平面?zhèn)鹊幕箅姌O，通過(guò)隔離 路徑到達(dá)滑梭的不同部分上的第二滑梭電極，然后從所述第二滑梭電極流出旋轉(zhuǎn)滑梭，流 至一系列定子電極上，這些定子電極隨著換流斷路器的滑梭的旋轉(zhuǎn)通過(guò)一系列具有漸增電 阻的路徑連接電力。
10. 如權(quán)利要求4所述的換流斷路器，其中，所述滑梭以直線方式移動(dòng)，電力通過(guò)一條 連接到達(dá)滑梭上，然后通過(guò)與一系列定子電極連接的滑梭電極從滑梭流出，這些定子電極 隨著滑梭的移動(dòng)通過(guò)一系列具有漸增電阻的路徑連接電力。
11. 如權(quán)利要求10所述的換流斷路器，其中，電力通過(guò)導(dǎo)線或滑環(huán)傳送至滑梭上，然后 通過(guò)一個(gè)滑梭電極從滑梭流出，該滑梭電極電連接至所述導(dǎo)線或滑環(huán)，但是被滑梭表面上 的絕緣材料圍繞，并且該滑梭電極與一系列定子電極連接，這些定子電極隨著換流斷路器 的滑梭的移動(dòng)通過(guò)一系列具有漸增電阻的路徑連接電力。
12. 如權(quán)利要求10所述的換流斷路器，其中，電力通過(guò)至少一個(gè)定子電極傳送至滑梭 上，并到達(dá)位于滑梭外表面上的滑梭電極，然后通過(guò)隔離路徑到達(dá)位于滑梭的不同部分上、 但被滑梭表面的絕緣材料圍繞的第二滑梭電極，然后從所述第二滑梭電極流出滑梭，流至 一系列定子電極，這些定子電極隨著滑梭的移動(dòng)通過(guò)一系列具有漸增電阻的路徑連接電 力。
13. 如權(quán)利要求12所述的換流斷路器，其中，所述滑梭具有沿滑梭的縱軸布置的多個(gè) 換流區(qū)。
14. 如權(quán)利要求7所述的換流斷路器，其中，電阻是串聯(lián)連接的。
15. 如權(quán)利要求14所述的換流斷路器，其中，電阻連接為一疊。
16. 如權(quán)利要求7所述的換流斷路器，其中，發(fā)射系統(tǒng)包括布置在較大的旋轉(zhuǎn)換流器的 外周上的彈簧。
17. 如權(quán)利要求16所述的換流斷路器，包括多個(gè)換流級(jí)和換流區(qū)，在斷路器工作時(shí)，這 些換流級(jí)和換流區(qū)通過(guò)許多不同的電阻路徑導(dǎo)引電力。
18. 如權(quán)利要求1所述的換流斷路器，其中，斷路器布置在具有快速換流開關(guān)的并聯(lián)電 路中，所述快速換流開關(guān)用于在初始電阻級(jí)別上執(zhí)行把電流轉(zhuǎn)向斷路器的第一次換流，所 述初始電阻級(jí)別能夠控制完全短路狀況下的電流涌入。
19. 如權(quán)利要求18所述的換流斷路器，其中，所述快速換流開關(guān)選自由快速電動(dòng)開關(guān)、 MEMS開關(guān)、晶體管開關(guān)、高壓管開關(guān)、超導(dǎo)沖擊限流器、真空斷路器和速動(dòng)沖擊開關(guān)組成的 一組。
20. 如權(quán)利要求1所述的換流斷路器，包括彼此串聯(lián)地電耦合的多個(gè)斷路器部分。
21. 如權(quán)利要求20所述的換流斷路器，其中，所述滑梭包括旋轉(zhuǎn)角度小于180度的換流 器，并通過(guò)多個(gè)串聯(lián)電阻序列轉(zhuǎn)移電力。
22. 如權(quán)利要求20所述的換流斷路器，其中，所述滑梭大致為圓柱形，并以直線方式移 動(dòng)。
23. 如權(quán)利要求22所述的換流斷路器，其中，所述滑梭具有位于所述滑梭的表面以縱 向區(qū)段的形式在徑向上分隔開的多個(gè)換流區(qū)。
24. 如權(quán)利要求22所述的換流斷路器，其中，所述發(fā)射系統(tǒng)包括彈簧。
25. 如權(quán)利要求24所述的換流斷路器，還包括滑梭鎖止機(jī)構(gòu)，該滑梭鎖止機(jī)構(gòu)包括壓 電致動(dòng)器，該壓電致動(dòng)器減除高模量材料的拋光界面上的法向力，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)致滑梭開始 移動(dòng)的快速致動(dòng)。
26. 如權(quán)利要求25所述的換流斷路器，其中，滑梭和定子上的相配磁疇阻住由彈簧發(fā) 揮的力的一大部分，從而基于壓電致動(dòng)器的所述鎖止機(jī)構(gòu)僅需抑制由彈簧發(fā)揮的總力的一 小部分。
27. 如權(quán)利要求24所述的換流斷路器，還包括滑梭鎖止機(jī)構(gòu)，該滑梭鎖止機(jī)構(gòu)包括壓 電致動(dòng)器，該壓電致動(dòng)器減除高模量材料的拋光界面上的法向力，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)致滑梭開始 轉(zhuǎn)動(dòng)的快速致動(dòng)。
28. 如權(quán)利要求27所述的換流斷路器，其中，滑梭和定子上的相配磁疇阻住由彈簧發(fā) 揮的扭矩的一大部分，從而基于壓電致動(dòng)器的所述鎖止機(jī)構(gòu)僅需抑制由彈簧發(fā)揮的總力的 一小部分。
29. 如權(quán)利要求1所述的換流斷路器，還包括處于滑梭周圍的承壓流體。
30. 如權(quán)利要求29所述的換流斷路器，其中，所述流體選自由礦物油、煤油、硅油、全氟 化碳流體、植物油、生物柴油、具有高電阻率和高介電強(qiáng)度的液體、以及包含氣體混合物的 干SF6氣體組成的一組。
31. 如權(quán)利要求1所述的換流斷路器，其中，定子圍繞滑梭。
32. 如權(quán)利要求31所述的換流斷路器，其中，定子還包括通過(guò)彈性件在滑梭上產(chǎn)生壓 力的低摩擦、高介電強(qiáng)度材料。
33. 如權(quán)利要求1所述的換流斷路器，其中，滑梭電極的寬度足以保證它們?cè)跀嗦菲鞯?工作過(guò)程中始終與至少一個(gè)定子電極接觸，但不包括電流已從其初始值顯著減小的電路最 終斷開之時(shí)。
34. 如權(quán)利要求33所述的換流斷路器，其中，第一滑梭電極與第一定子電極和第二定 子電極同時(shí)接觸，第一滑梭電極和第一定子電極中的至少一個(gè)的后緣由具有漸增電阻率的 材料制成，從而當(dāng)兩個(gè)電極最終分離時(shí)，大部分電流都已由從第一滑梭電極至第一定子電 極的第一電路徑轉(zhuǎn)換至從第一滑梭電極至第二定子電極的第二電路徑。
35. 如權(quán)利要求1所述的第一和第二換流斷路器，其中，第一和第二斷路器的滑梭的移 動(dòng)使得其總動(dòng)量小于其中任何一個(gè)滑梭的動(dòng)量的兩倍。
36. -種換流斷路器，包括： 定子；和 能夠相對(duì)于定子移動(dòng)的滑梭， 其中，滑梭相對(duì)于定子的移動(dòng)使電阻相繼切入包括該斷路器的電路中。
【文檔編號(hào)】H01H9/42GK104115250SQ201280059389
【公開日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2012年10月1日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月30日
【發(fā)明者】羅杰.W.福克納 申請(qǐng)人:羅杰.W.?？思{