中断电路的设备的制作方法

中断电路的设备
1.本发明涉及一种用于中断或闭合电路的设备。此外，本发明涉及一种中断或闭合电路的方法。
2.已知通过开关中断电路。可以通过使用接触开关元件、基于半导体组件或者通过这两者的部件(例如，dc混合开关)来中断电路。半导体开关的缺点是相对高的正向电阻，这使得它们相当不适合在较高的电输出下连续用作中断部件。此外，它们不能实现真正的电流隔离。
3.典型地，对于电力应用，电路由于两个或更多个接触件的分离而中断。在具有接触开关元件的电路中断的情况下，当触点断开时产生电弧，这是由于在中断过程期间高电场引起的空气电离以及由于克服相应功函数(例如，热离子发射)而从接触表面发射载荷子。
4.当电开关的触点断开时，电阻突然上升，导致电流的高变化率，进而导致电弧间隙上的高电位差。这种差以及来自接触表面的载荷子的发射是在电弧间隙上产生导电电弧的一个原因。在传统的开关设备中，使用的单元的任务是以不同的方式熄灭电弧，最终中断电路。例如，可以使用填充有气体或排空的灭弧室(extinction chambers)或电弧室(arcing chambers)。在大多数开关设备中，电弧室由彼此电隔离的单个铁片组成，在开关过程中产生的电弧分布在该铁片上。通过将电弧热和由于电弧分布引起的附加电压降排放到猝熄板(quenching plates)，从电弧中取出能量并促进电弧熄灭。这种灭弧室在，例如，文件ep 0176870a2中公开了。
5.此外，在交流电压网络中，利用了电流和电压具有周期性电流零点的事实。所采用的灭弧策略利用这一特性在电流零点时刻熄灭电弧。
6.在直流电压网络中，这些电流零点不存在于正常操作中。在直流电压的情况下，这种灭弧策略的目的是增加高于电弧的电压，使得其上升高于馈电电压。因此电流减小并最终熄灭。
7.因此，在直流电压的情况下，需要比交流电压更多的努力来熄灭电弧，从而中断电路。在直流电压应用中，越来越多地使用混合开关，这在很大程度上避免了接触开关和基于半导体的开关这两种类型的开关的缺点，导致了复杂性的损害(detriment of complexity)。
8.本发明的一个目的是公开一种电路中断设备，借助于该设备可以中断电路，同时最小化所指示的缺点。此外，本发明的一个目的是公开一种方法，通过该方法可以中断电路，同时最小化所指示的缺点。
9.根据本发明，该目的通过具有独立权利要求1的特征的电路中断设备来实现。在从属权利要求2至9中可以找到电路中断设备的有利的进一步改进。此外，本发明的目的通过根据权利要求10的方法实现。在从属权利要求11和12中可以找到该方法的有利的进一步改进。
10.根据本发明的用于中断电路的电路中断设备具有接触件，该接触件包括陶瓷材料，该陶瓷材料被掺杂。
11.在有利的实施例中，接触件具有多个具有不同导电性的陶瓷材料的子件。陶瓷材
料可以提供有不同的电导率，例如通过不同地掺杂用于相应子件的陶瓷材料。
12.在另一个有利的实施例中，接触件涂覆有陶瓷材料。例如，接触件可以由涂覆有陶瓷材料的延性(ductile)基本材料构成。因此，可以改善甚至补偿陶瓷材料的高脆性的缺点。
13.在另一实施例中，接触件完全由陶瓷材料制成。这样的接触件比涂覆的接触件花费更少的努力来制造。
14.在另一有利实施例中，电路中断设备具有多个接触件。
15.在附加的有利实施例中，多个接触件成对地布置，在每对接触件中，一个可移动接触件相对于第二个接触件可移动地布置。该第二个接触件可以是固定的或也是可移动的。最常用的实施例包括具有一个可移动接触件和一个固定接触件的电路中断设备。通过可移动接触件相对于第二个固定接触件的相对移动而发生开关。如果第二个接触件也是可移动的，则通过两个接触件的移动而发生相对移动。
16.已经证明，电路中断设备适于在中断过程的每个阶段提供通过陶瓷材料上的电流路径切换的电流。电流路径可以具有不同的电导率，这取决于中断过程的阶段，特别是在关断期间减小。电导率可连续或准连续变化。“连续”是指电导率从每一个点变化到每一个其他点。“准连续”是指电导率在离散步骤中发生变化，增量足够小，使得其影响基本上类同于连续变化。
17.已经证明，如果在陶瓷材料上的每个电流路径的尺寸使得电弧发生的起始标准不被满足，则是有利的。这可以可靠地防止电弧的打击。
18.在本发明的中断电路的方法中，使用本发明的电路中断设备，其中多个接触件相配合。
19.在该方法中，已经证明如果在中断过程期间将接触件的不同子件引入电路中是有利的。
20.在有利的实施例中，通过相对于另一接触件移动接触件，将接触件的各子件引入电路中。以这种方式，将被中断的电路中的电阻连续地增加，电流根据电工学的规则减小。通过电阻的连续或准连续变化(在任何情况下都不是突然的)，中断部件上的电压或电场强度小于常规开关中触点突然断开的情况。避免了空气的电离，不会产生电弧。在中断过程期间，电流经由陶瓷材料在任何时间提供电流路径以替代空气。该路径的尺寸使得电弧发生的起始标准不被满足。传统上，存储在待中断的电路中的能量在中断过程期间在电弧中被转换。在本发明的避免电弧形成的中断概念中，该能量被转换为陶瓷材料中的热能或转换到其电阻中。在该过程中有利地利用陶瓷材料的耐热性。
21.接触件的各子件可以布置在固定的、可移动的或二者的接触件上。由于制造具有子件的接触件需要更多的努力，已证明由子件仅形成一个接触件，特别是固定接触件是有利的。
22.以下将解释一些术语：
23.首先，明确指出，在本专利申请的框架内，诸如“一”、“两”等不定的物品和数字通常被理解为指示最小的，即“至少一
……”
、“至少两
……”
等，除非从上下文中变得明确，或者对本领域技术人员显而易见，或者从技术观点来看，仅可指“恰好一
……”
、“恰好两
……”
等是不可撇开的。术语“多个”表示大于一的数字，即特别地可以意指(精确地)两个的数目。
24.如果电势差，即电压，和冲击电离引起的电流密度足够高，则产生电弧。气体放电形成等离子体，其中颗粒，即原子或分子，至少部分电离。自由载荷子使气体导电。大多数等离子体实际上是中性的；也就是说，离子和电子的数量是相同的。由于离子比更轻的电子慢得多，通常电子几乎完全与电流传输相关。电力工程中在开关过程中出现的电弧称为开关电弧。开关电弧是电流流过的两个电触点分离时产生的串联电弧。产生开关火花和开关电弧是因为在触点已经断开之后，电流继续以火花放电或电弧放电的形式流动。在闭合触点的情况下，电流几乎均匀地分布。当接触分离时，首先在最后的接触点发生电流密度的聚集。如果触点进一步断开，则在该点或触点之间的点处形成电弧。其原因是绝缘材料(例如空气)在尚未分离很远的触点之间的低耐电强度(electric strength)，导致这些绝缘材料电离。如果在触点相互分离的时刻，由于在具有高电流密度的小截面上的电流流动，则在切点处产生热点，热点导致热离子发射和金属离子的再供应，则分外地促进了这种放电。由于，例如在气体放电中，碰撞电离，运行电压现在降低，阻碍中断。
25.陶瓷材料是包含陶瓷的材料。“陶瓷”一词指的是一组难溶于水且结晶度至少为30％的无机非金属材料。陶瓷材料通常由环境温度下的原料形成，并通过通常高于800℃的温度处理获得其典型的材料性质。这里的术语“非金属”指纯材料的性质，例如导电性、热导率和延展性。特别是，陶瓷材料具有电绝缘性、高耐温性，并且具有较强的硬度和耐磨性。
26.掺杂表示将外来原子引入层或基材。引入的外来原子的量与载体材料相比非常小，并且量例如在0.1至100ppm之间。外来原子在基材中形成缺陷，并以有针对性的方式改变起始材料的性质，即电子的行为，从而改变电导率。即使是低密度的外来原子也会导致电导率的重大变化。电导率的大小取决于引入的外来原子的类型和数量。扩散、电泳、再升华或真空下用高能粒子加速器轰击(离子注入)等掺杂方法各不相同。
27.涂层是非晶态材料的强粘合层在工件表面上的应用。可以应用薄层、厚层或若干相干层(several coherent layers)。在涂层的应用方面，可以区分化学、机械、热和热机械方法。
28.术语“中断设备”指定可以中断电路的设备。在本文件中，术语“中断设备”是指也可以闭合电路的设备，即用作通断开关。设计这种器件的最大挑战通常是电路中断。
29.要切换的电流是要关闭或打开其流动的电流。电流是电气工程中的一个物理实体，它指定载荷子，例如导体或半导体中的电子或电解质中的离子，的传输。在电路中，如果在源的连接器之间建立导电连接，则电流流动。电流强度的物理单位是与法定单位安培的安培数。电流经由电流路径流动，该电流路径可以是例如电导体形式的预定义电流路径。然而，电流路径也可以根据情况创建。例如，电流也可以流过电弧作为电流路径，这可以是被期望的或不被期望的。
30.本发明的其它优点、特殊性和有利的进一步发展将从从属权利要求和下面借助于附图给出的实施例的优选实例中变得清楚。
31.在图中：
32.图1示出了根据本发明的电路中断设备的示意性结构，其中电导率具有逐步的、准连续的变化；
33.图2示出了根据本发明的电导率连续变化的电路中断设备的示意性结构；
34.图3示出根据本发明的电路中断设备的基本中断过程，其中可移动接触件处于第
一位置；
35.图4示出根据本发明的电路中断设备的基本中断过程，其中可移动接触件处于第二位置；
36.图5示出根据本发明的电路中断设备的基本中断过程，其中可移动接触件处于第三位置；
37.图6示出根据本发明的电路中断设备的基本中断过程，其中可移动接触件处于断开位置。
38.图1示出了根据本发明的电路中断设备100的示意性结构，其中电导率具有逐步的、准连续的变化。电路中断设备100具有固定接触件150和可移动接触件110。接触件经由连接101连接到待中断的电路。图1示出的固定接触件150具有一系列不同的电阻级，其形式为子件151、152、153、154、155，从第一子件151经过附加子件152、153、154直至最后一个子件155，电导率增加。子件151、152、153、154涂覆有具有不同掺杂阶段的陶瓷材料，使得电导率以上述方式变化。第五子件155可以是未涂覆的，使得在可移动接触件110与第五子件155接触的位置，可以获得具有完全导电性的电流路径。例如，可移动接触件110和第五子件155可以由具有金属表面的金属，特别是具有良好导电性的金属，例如铜或铜合金组成。通过使可移动接触件110在子件155、154、153、152、151上移动，将被切换的电流被提供具有减小的电阻的电流路径。子件151、152、153、154、155可以是小的，使得电阻准连续地减小，特别是不是突然地减小。
39.图2示出了根据本发明的电导率连续变化的电路中断设备100的示意性结构；固定接触件150具有覆盖(sheathes)固定接触件的连续形状的陶瓷材料。通过可移动接触件110在这种连续形状的陶瓷材料上的滑动，允许电阻的连续上升。可能的路线可以是从接通位置e到断开位置a的电导率的线性、平方或指数上升。
40.图3示出了根据本发明的电路中断设备100的基本中断过程，其中可移动接触件110处于第一位置。在图3所示的固定接触件150上的可移动接触件110的接通位置e处，由连接101连接的电路闭合。电流i经由可移动接触件110流过固定接触件150。
41.图4示出了根据本发明的电路中断设备100的基本中断过程，其中可移动接触件110处于第二位置。在中断过程中，可移动接触件在固定接触件150上沿断开位置a的方向向左移动，并且陶瓷材料被引入电路中，增加了电阻并且减小了电流强度i，该电流强度i由箭头i的较弱强度表示。
42.图5示出了根据本发明的电路中断设备100的基本中断过程，其中可移动接触件110处于第三位置。可移动接触件110越远地向左移动到断开位置a，越多的陶瓷材料(可能具有不同的掺杂)被引入到电路中，并且电路中断设备100的电阻变得越强。
43.图6示出了根据本发明的电路中断设备100的基本中断过程，其中可移动接触件110处于断开位置a。在可移动接触件110在固定接触件150上的移位结束时，可以机械地将可移动接触件110与固定接触件150分离，从而可以在不产生电弧的情况下电分离电路。
44.这里所示的实施例仅仅是本发明的示例，因此不打算作为限制。本领域技术人员所考虑的替代实施例同样包括在本发明的保护范围内。
45.参考编号列表：
46.100
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电路中断设备
47.101
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到电路的连接
48.110
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可移动接触件
49.150
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固定接触件
50.151
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固定接触件的第一子件
51.152
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固定接触件的第二子件
52.153
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固定接触件的第三子件
53.154
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固定接触件的第四子件
54.155
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固定接触件的第五子件
55.e
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接通位置
56.a
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断开位置
57.i
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电流