用于电力网的混合开关设备的制作方法

1.本发明涉及电力网领域。本发明更特别涉及用于提供电力网(例如dc电力网)中的电路保护功能性的混合开关设备。


背景技术：

2.dc电力网广泛用于多种应用中，例如光伏系统、海军（naval）系统、采用电池的能量存储系统(bess)等。
3.如已知，当故障事件(例如过载或短路)在dc电线中发生时，电连接到电线的许多电气组件能够潜在地强化（feed）这种电气故障。
4.显然，这可导致灾难性后果，特别是当发电系统(例如光伏面板)或电能存储系统(例如电池)被安装在电力网中时。
5.为了防止这种不测事件，dc电力网通常包括多个开关设备，所述多个开关设备以这样的方式来配置：允许在故障事件发生时有选择地断开电力网的部分。
6.现有技术的一些开关设备包括机电类型的开关装置，即，具有电气接触部的开关装置(例如电路断路器)，所述电气接触部能够被耦合或分离以分别传导或阻断电流。
7.一般来说，这些开关装置具有确保所断开电网部分之间的电流隔离的优点。另外，它们在工业级的实现比较廉价。
8.但是，由于其操作原理，机电开关装置通常没有提供令人满意的中断额定值。例如，在较高电压(例如高达1.5 kv dc或以上)下，打开时间能够相当长。通常在分离下的电气接触部之间起弧（strike）的电弧因此可持续较长时间。显然，这个事实可引起可靠性和维护成本方面的相关问题。
9.现有技术的其他开关设备包括固态类型的开关装置，即，包括基于半导体材料的开关组件的开关装置。
10.固态开关装置的主要优点在于，它们因其无弧开关操作而潜在地具有无限电气耐久性。
11.此外，这些装置是快速操作的，并且具有比机电开关装置明显要短的中断时间。
12.但是，它们在处于闭合状态时一般要求密集冷却，以去除由电流所生成的热量。
13.为了减轻上述问题，已经开发采用机电开关装置和固态开关装置两者的混合开关设备。wo2017/186262和wo2011/057675中公开这些保护装置的示例。
14.一般来说，以及特别在短路的情况下，这种类型的已知开关设备不能够适当地管理从所采用机电开关装置换向到固态开关装置的电流。
15.例如，由于将电流从一个电气支路换向到另一个电气支路所要求的较长时间，它们不能够像单独采用固态开关装置的设备那样快速介入。
16.另外，固态开关装置必须被设计成在较长时间内耐受较高电流。因此，它们通常是笨重的并且在工业级的制造费用较高。


技术实现要素：

17.本发明的主要目的是要提供一种用于电力网(例如dc电力网)的混合开关设备，该混合开关设备允许克服或减轻上述临界性。
18.本发明的目的更特别是要提供一种混合开关设备，该混合开关设备在电气故障的情况下、特别在短路电流存在的情况下确保高效的（performant）中断额定值。
19.作为另外的目的，本发明针对提供一种混合开关设备，其中相对于现有技术的对应解决方案能够采用更廉价和更小尺寸的固态开关装置。
20.本发明的又一目的是提供一种混合开关设备，该混合开关设备能够易于在工业级相对于现有技术的解决方案以有竞争力的成本来制造。
21.为了满足这些目标和目的，本发明提供如以下权利要求1及相关从属权利要求所述的开关设备。
22.按照本发明的混合开关设备包括：
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用于与对应电网部分的电连接的第一电气端子和第二电气端子；
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第一电气支路，其包括机电类型的一个或多个开关装置，所述一个或多个开关装置中的每个开关装置具有电气接触部，所述电气接触部在机械上耦合或分离以分别传导或阻断电流；
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第二电气支路，其包括固态类型的多个开关装置，所述多个开关装置中的每个开关装置包括基于半导体材料的一个或多个开关组件。每个固态开关装置适合在导通状态与关断状态之间进行切换，在所述导通状态，所述开关装置传导电流，在所述关断状态，所述开关装置阻断电流。
23.上述第二电气支路与所述第一电气支路并联电连接在所述第一电气端子与所述第二电气端子之间。
24.按照本发明，该开关设备包括电流阻断电路，该电流阻断电路适合阻断沿所述第二电气支路流动的电流。所述电流阻断电路包括固态类型的第一开关装置以及并联电连接到固态类型的所述第一开关装置的第一电子电路。
25.按照本发明，该开关设备包括电流限制电路，该电流限制电路适合限制沿所述第二电气支路流动的电流。所述电流限制电路与所述电流阻断电路串联电连接，并且它包括固态类型的第二开关装置以及并联电连接到固态类型的所述第二开关装置的第二电子电路。
26.按照本发明的一些实施例，所述开关设备的第一电气支路包括机电类型的单个开关装置，该单个开关装置能够在闭合状态与打开状态之间可逆地切换，在所述闭合状态，所述第一开关装置传导电流，在上述打开状态，所述第一开关装置阻断电流。
27.按照本发明的一些实施例，所述开关设备的第一电气支路包括机电类型的第一开关装置以及串联电连接的机电类型的第二开关装置。
28.机电类型的第一开关装置能够在闭合状态与打开状态之间进行切换，在所述闭合状态，机电类型的所述第一开关装置传导电流，在所述打开状态，机电类型的所述第一开关装置阻断电流。
29.机电类型的第一开关装置是自作用开关装置，能够在通过沿所述开关设备流动的电流驱动时并且无需接收外部控制信号或外部功率供应而从所述闭合状态切换到所述打
开状态。
30.在操作中，当沿所述开关设备流动的电流超过对应预定义阈值时，或者当沿所述开关设备流动的电流的变化率超过对应预定义阈值时，或者在这两个条件的组合时，机电类型的第一开关装置从所述闭合状态切换到所述打开状态。
31.机电类型的第二开关装置能够在闭合状态与打开状态之间进行切换，在所述闭合状态，机电类型的所述第二开关装置传导电流，在所述打开状态，机电类型的所述第二开关装置阻断电流。
32.在操作中，在接收对应输入控制信号时，机电类型的第二开关装置在所述闭合状态与所述打开状态之间进行切换。
33.优选地，机电类型的第一开关装置包括第一致动器，该第一致动器能够将通过电流沿所述开关设备的流动所生成的电动力用于致动机电类型的所述第一开关装置的电气接触部，由此使机电类型的所述第一开关装置从所述闭合状态切换到所述打开状态。
34.优选地，所述第一致动器包括汤姆逊线圈致动装置，该汤姆逊线圈致动装置在操作上耦合到机电类型的所述第一开关装置的电气接触部。
35.优选地，机电类型的第二开关装置包括第二致动器，该第二致动器在接收对应输入控制信号时致动机电类型的所述第二开关装置的电气接触部。
36.固态类型的第一开关装置能够以这样的方式来布置：单向或者双向类型的任一种，即，能够在dc网络中携带和中断仅在一个方向上流动的电流，或者能够在dc或ac网络中携带和中断任何方向的电流。
37.按照本发明的一些实施例，固态类型的第一开关装置包括基于半导体材料的一对开关组件，所述一对开关组件按照反并联或反串联配置来布置，以允许控制沿所述第二电气支路流动的双向电流。
38.按照本发明的一些实施例，第二电子支路包括第一二极管桥，该第一二极管桥在操作上关联到所述电流阻断电路，以允许控制沿所述第二电气支路流动的双向电流。
39.而且，固态类型的第二开关装置能够以这样的方式来布置：单向或者双向类型的任一种。
40.按照本发明的一些实施例，固态类型的第二开关装置包括基于半导体材料的一对开关组件，所述一对开关组件按照反并联或反串联配置来布置，以允许控制沿所述第二电气支路流动的双向电流。
41.按照本发明的一些实施例，第二电子支路包括第二二极管桥，该第二二极管桥在操作上关联到所述电流限制电路，以允许控制沿所述第二电气支路流动的双向电流。
42.按照本发明的一些实施例，第二电气支路包括第三二极管桥电路，该第三二极管桥电路以这样的方式来布置：允许控制双向电流。
43.优选地，机电类型的上述第一开关装置适合在短路电流沿所述开关设备流动时从闭合状态切换到打开状态。
44.优选地，机电类型的上述第一开关装置不适合在过载电流或正常电流沿所述开关设备流动时从闭合状态切换到打开状态。
45.优选地，机电类型的上述第二开关装置适合在短路电流沿所述开关设备流动时从闭合状态切换到打开状态。但是，如果过载电流或正常电流沿所述开关设备流动，则也可命
令机电类型的所述第二开关装置从闭合状态切换到打开状态。
46.优选地，固态类型的上述第一开关装置适合在自其中短路电流从所述第一电气支路已换向到所述第二电气支路的时刻已经经过第一时间间隔之后从导通状态切换到关断状态。
47.优选地，固态类型的上述第一开关装置适合在自其中过载电流或正常电流从所述第一电气支路已换向到所述第二电气支路的时刻已经经过第三时间间隔之后从导通状态切换到关断状态。
48.优选地，固态类型的上述第二开关装置适合在电流从所述第一电气支路已换向到所述第二电气支路之后从导通状态切换到关断状态。
49.在另外的方面中，本发明涉及一种如以下权利要求18以及相关从属权利要求所述的用于保护电力网的方法。
50.一般来说，所述电力网包括多个开关组，其用于电连接或断开所述电力网的不同电网部分。
51.优选地，所述电力网包括：电池能量存储系统，其包括多个电池单元；dc母线，其用于将所述电池单元电连接到功率转换器；以及多个开关组，其用于将所述电池单元与所述dc母线电连接或将所述电池单元从所述dc母线断开。
52.每个开关组包括：
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本发明的开关设备，其能够控制双向电流。所述开关设备能够切换为其中所述开关设备传导电流的闭合状态、或者其中所述开关设备阻断电流的打开状态或者其中所述开关设备限制从所述第一电气支路换向到所述第二电气支路的电流的电流限制模式；
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隔离器，其与所述开关设备串联电连接。所述隔离器能够切换为其中所述隔离器传导电流的闭合状态或者其中所述隔离器阻断电流的打开状态。
53.每个开关组能够切换为其中所述开关设备处于闭合状态并且所述隔离器处于闭合状态的闭合状态，或者切换为其中所述开关设备处于打开状态并且所述隔离器处于打开状态的打开状态，或者切换为其中所述开关设备处于电流限制模式并且所述隔离器处于闭合状态的电流限制模式。
54.本发明的方法包括下列步骤：
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如果所述电力网中存在电气故障，则将所述开关组切换为电流限制模式；
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将最靠近所述电气故障的开关组切换为打开状态，并且将所述电力网的其余开关组保持为电流限制模式；如果当最靠近所述电气故障的开关组处于打开状态时，在预定义时间间隔内电隔离所述电气故障，则：
‑ꢀ
将最靠近所述电气故障的开关组保持为打开状态，并且将所述电力网的其余开关组切换为闭合状态；如果当最靠近所述电气故障的开关组处于打开状态时，在预定义时间间隔内没有电隔离所述电气故障，则：
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将所述电力网的所有开关组切换为打开状态。
附图说明
55.根据按照本发明的接触器的优选而非排他实施例的描述，本发明的另外的特性和优点将显现，本发明的非限制示例在附图中提供，其中：
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图1-7示意示出按照本发明的开关设备的一些实施例；
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图8示意示出按照本发明的包括开关设备的dc电力网；
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图9-16示意示出按照本发明的dc电力网的操作示例，该dc电力网包括电池能量存储系统，该电池能量存储系统包括多个开关组，所述开关组的每个包括开关设备。
具体实施方式
56.参照所述附图，本发明涉及用于电力网的混合开关设备1。
57.本发明的开关设备特别适合供在低压dc电力网中的使用，并且下文中仅为了简洁起见将特别参照这些应用来描述，而不是意在以任何方式限制本发明的范围。
58.本发明的开关设备实际上可成功地用于不同类型的电力系统(例如低压ac电力网或中压ac或dc电力网)中。
59.为了本技术的目的，术语“低压”(lv)涉及低于1 kv ac和1.5 kv dc的工作电压，而术语“中压”(mv)涉及高于1 kv ac以及1.5 kv dc一直到数十kv(例如一直到72 kv ac和100 kv dc)的工作电压。
60.开关设备1包括第一和第二电气端子11、12，其用于与对应电网部分(未示出)(例如dc链路母线和电力负载)的电连接。
61.优选地，在电气端子11-12其中之一处，隔离器(或另一个等效开关装置)150在操作上关联到开关设备1，以形成开关组110。
62.隔离器150被布置用于将开关设备与电力网的另一个电路部分电连接或从其断开。因此，隔离器150能够每当必要时提供不同电路部分(其中之一包括开关设备1)之间的电流绝缘。
63.为此，隔离器150适合在它传导电流的闭合状态与它阻断电流的打开状态之间可逆地切换。
64.隔离器150可以或者可以不是开关设备的组成部分。
65.一般来说，隔离器150可具有已知类型。因此，下面将仅相对于本发明的感兴趣方面来描述其功能性。
66.开关设备1包括并联电连接在电气端子11、12之间的第一电气支路3和第二电气支路4。
67.第一电气支路3包括机电类型的一个或多个开关装置30、31、32，即，具有电气接触部的开关装置，所述电气接触部能够在适当机械或机电力的施加时被耦合或分离。
68.第一电气支路3的每个机电开关装置30、31、32具有电气接触部，所述电气接触部能够在机械上被耦合或分离以分别传导或阻断电流。
69.第一电气支路3的每个机电开关装置30、31、32更特别具有一个或多个固定接触部和一个或多个活动接触部，所述活动接触部能够与所述固定接触部耦合或去耦，以传导或阻断电流。
70.第一电气支路3的每个机电开关装置30、31、32在其电气接触部相互耦合以传导电
流时处于闭合状态，而在其电气接触部相互去耦以阻断电流时处于打开状态。
71.一般来说，第一电气支路3的一个或多个开关装置30、31、32可按照已知类型的解决方案来实现。因此，下面将仅相对于本发明的感兴趣方面来描述它们。
72.按照本发明的一些实施例(图1、图3、图5、图6)，第一电气支路3包括机电类型的单个开关装置30，该单个开关装置30能够在所述开关装置传导电流的闭合状态与所述开关装置阻断电流的打开状态之间进行切换。
73.优选地，开关装置30响应于接收适当输入控制信号而从闭合状态切换到打开状态(打开操纵)或者从打开状态切换到闭合状态(闭合操纵)，这引起激活驱动机构移动活动接触部或者切断（tripping）所述活动接触部的运动。
74.如下面所图示，用于控制开关装置30的操作的控制信号可便利地由控制单元90来提供，该控制单元90可以或者可以不是开关设备的组成部分。
75.在操作中，当正常电流、过载电流或短路电流沿开关设备流动时，可按照需要命令开关装置30从闭合状态切换到打开状态。
76.为了简洁起见，在本技术的目的之内规定：
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正常电流”是通常具有标称值左右的工作值(例如达到标称值的1.1倍或以下)的电流；
‑ꢀ“
过载电流”是通常具有更高工作值(例如从标称值的1.1倍一直到标称值的10倍)的电流；
‑ꢀ“
短路电流”是通常具有甚至更高的工作值(例如从标称值的10倍一直到标称值的数十倍)的电流。
77.按照本发明的其他实施例(图2、图4、图5a、图7)，第一电气支路3包括串联电连接的机电类型的第一开关装置31和机电类型的第二开关装置32。
78.开关装置31是自作用开关装置，其能够在它通过沿开关设备流动的电流驱动时从闭合状态快速切换到打开状态。因此，开关装置31能够执行打开操纵，而无需接收命令这样的操纵的外部控制信号或者无需接收外部功率供应。
79.为了简洁起见，在本发明的范围之内，机电类型的开关装置在它呈现小于1 ms、更优选地小于500 μs的电气接触部的打开时间时被认为是“快速开关”。
80.当沿开关设备流动的电流超过对应阈值(例如短路值，通常为标称值的10-20倍)时，或者当电流的变化率超过对应阈值(例如大于10 ka/ms)时，或者当这两个条件的组合发生时，开关装置31适合从闭合状态快速切换到打开状态(打开操纵)。
81.优选地，开关装置31适合每当短路电流沿开关设备流动时从闭合状态快速切换到打开状态(打开操纵)，并且它不适合在过载电流或正常电流沿开关设备流动时从闭合状态切换到打开状态(打开操纵)。
82.优选地，开关装置31包括第一致动器(未示出)，该第一致动器能够在打开操纵期间将通过沿开关设备的电流的循环所生成的电动力用于致动电气接触部。
83.优选地，开关装置31包括汤姆逊线圈致动装置(未示出)，该汤姆逊线圈致动装置在操作上耦合到电气接触部(例如通过适当运动链)，以便在打开操纵期间致动所述电气接触部。
84.当循环电流超过对应阈值时和/或当电流的变化率超过对应阈值时，特别当循环
电流为短路电流时，汤姆逊线圈致动装置适合提供分离开关装置31的电气接触部的充分致动力。
85.一般来说，汤姆逊线圈致动装置通过适当运动链在操作上连接到机电类型的第一开关装置31的电气接触部，其沿所述第一电气支路来布置。
86.按照本发明的一些实施例，汤姆逊线圈致动装置串联电连接到开关设备的上述第一端子11或第二端子12。更特别地，汤姆逊线圈可被布置在第一端子11或第二端子12与第一电气支路3和第二电气支路4的公共节点(在该公共节点处，所述电气支路相互分离)之间。
87.按照本发明的其他实施例，汤姆逊线圈致动装置沿第一电气支路3来布置，并且它与机电类型的第一开关装置31的电气接触部串联电连接。
88.按照本发明的一些实施例，如果电流不再沿第一电气支路3流动或者如果电流因任何原因而返回到较低密度值，则机电类型的第一开关装置31适合在打开操纵之后立即返回到闭合状态。为此，第一开关装置31包括适当弹簧操作机构(未示出)，该弹簧操作机构通过利用打开操纵期间所存储的弹性能来致动电气接触部。
89.按照本发明的其他实施例，一旦已经执行打开操纵，机电类型的第一开关装置31适合保持打开状态。为此，机电类型的第一开关装置31可包括能够保持分离电气接触部的适当闩锁机构(未示出)以及在接收对应输入控制信号时耦合电气接触部的致动机构(未示出)。
90.按照本发明的附加变体(未示出)，电子电路(例如包括缓冲电路、火花隙、放电管、金属氧化物变阻器或半导体组件)并联电连接到第一开关装置31，以便每当必要时在所述开关装置的打开操纵期间保护第一开关装置31(例如通过限制电压瞬变)和/或耗散电能。
91.按照本发明的上述实施例(图2、图4、图5a、图7)，第一电气支路3包括机电类型的第二开关装置32，所述第二开关装置32与机电类型的第一开关装置31串联电连接。
92.机电类型的开关装置32是完全可控的，并且它在接收命令操纵的执行的对应输入控制信号时在闭合状态与打开状态之间可逆地切换。
93.如下面所图示，用于控制机电类型的开关装置32的操作的控制信号可便利地由控制单元90来提供，该控制单元90可以或者可以不是开关设备的组成部分。
94.一般来说，机电类型的开关装置32与第一开关装置相比具有相当长的打开时间，例如数毫秒(例如大约5至20 ms)。
95.优选地，机电类型的开关装置32包括机电类型的第二致动器，该第二致动器在接收对应输入控制信号时致动第二开关装置的电气接触部。
96.优选地，每当第一开关装置31从闭合状态切换到打开状态时，特别是当短路电流(例如具有标称值的10-20倍的值)沿第一电气支路3流动时，命令机电类型的开关装置32从闭合状态切换到打开状态。
97.但是，与机电类型的第一开关装置31不同，甚至当沿第一电气支路3循环的电流取低于上述短路值的值时，也可命令机电类型的第二开关装置32从闭合状态切换到打开状态(打开操纵)。
98.因此，如果过载电流(例如具有标称值的2-3倍的值)沿第一电气支路3流动，或者甚至当沿第一电气支路3流动的电流取正常值(例如标称值左右或以下)时，如果混合开关
设备的打开操纵例如在操作员的请求时必须被执行，则可命令机电类型的第二开关装置32执行打开操纵。
99.如上所述，机电类型的第一和第二开关装置31、32串联电连接。这样，这些开关装置能够按照根据这种电流的性质的适当方式来控制沿第一电气支路3循环的电流。
100.例如，如果沿第一电气支路3循环的电流为短路电流，则机电类型的第一开关装置31快速介入以执行打开操纵，并且它阻断所述电流而无需接收输入控制信号。在这种情况下，也命令机电类型的第二开关装置32执行打开操纵。但是，由于它比第一开关装置31要慢，因此机电类型的第二开关装置32将比第一开关装置31更迟执行这种打开操纵，通常当电流已经换向到所述第二电气支路4上时才执行。
101.如果沿第一电气支路3流动的电流为正常电流或过载电流，则机电类型的第一开关装置31没有介入，以及可在接收输入中的适当控制信号时命令机电类型的第二开关装置32执行打开操纵，以阻断这种电流。
102.按照本发明，第二电气支路4包括固态类型的多个开关装置41、42。
103.固态类型的每个开关装置41、42包括基于半导体材料的一个或多个开关组件。一般来说，所述半导体开关组件可具有常规类型，例如比如功率mosfet、jfet、绝缘栅双极晶体管(“igbt”)、栅关断晶闸管(gto)、集成栅换向晶闸管(“igct”)等。
104.响应于接收适当输入控制信号，第二电气支路4的每个固态开关装置41、42能够在它传导电流的导通状态与它阻断电流的关断状态之间可逆地切换。
105.固态开关装置41、42在它从导通状态切换到关断状态时关断，以及在它从关断状态切换到导通状态时接通。
106.如下面所图示，用于控制固态类型的开关装置41、42的操作的控制信号可便利地由控制单元90来提供，该控制单元90可以或者可以不是开关设备的组成部分。
107.按照本发明，第二电气支路4包括电流阻断电路40a，该电流阻断电路40a适合阻断沿第二电气支路4循环的电流。
108.阻断电路40a包括固态类型的第一开关装置41以及第一电子电路48，该第一电子电路48适合每当必要时保护固态类型的所述第一开关装置(例如免受电压瞬变)并且耗散电能。
109.第一电子电路48并联电连接到固态类型的开关装置41，并且可包括缓冲电路、火花隙、放电管、金属氧化物变阻器或半导体组件。
110.一般来说，根据沿第二电气支路4循环的电流的行为并且根据第一电气支路3的开关装置30或31、32的行为来操作固态类型的第一开关装置41。
111.如通过下文将更好地显现，这个解决方案允许以有效的方式管理其中过载电流或短路电流循环的操作条件。
112.优选地，如果因任何原因而处于关断状态，则一机电类型的开关装置30或第一开关装置31或第二开关装置32执行打开操纵或在其之前，就命令固态类型的第一开关装置41切换为导通状态。这样，允许沿第一电气支路3循环的电流换向到第二电气支路4。
113.优选地，固态类型的第一开关装置41在自其中短路电流(即，高于预定义短路阈值)从第一电气支路3因由机电类型的开关装置30或第一开关装置31进行的打开操纵而已完全换向到第二电气支路4已经经过第一时间间隔之后关断。
114.优选地，根据对于恢复机电类型的开关装置30或第一开关装置31的电气接触部之间的间隙的介电耐受性以便避免可能的电弧重新起弧所请求的最小时间(这种最小时间通常称作“间隙清除时间”)来计算上述第一时间间隔。便利地，如果电力网的开关设备之间的通信是可能的，则可改变第一时间间隔，以便更好地协调这类开关设备的操作。
115.实际上，上述第一时间间隔被选择为足够长，以防止机电类型的开关装置30或第一开关装置31的电气接触部之间的重新起弧现象，以及选择为足够短，以防止对固态类型的第一开关装置41的过热损坏。
116.当短路电流沿第二电气支路4流动并且在经过上述第一时间间隔之前无法清除生成这种短路的故障时，固态类型的第一开关装置41关断。
117.由于它以自其中短路电流沿第二电气支路4已完全换向的时刻的某个时间延迟关断，因此在某些条件中，固态的第一开关装置41可保持为导通，即使短路电流最初存在也是如此。
118.当短路电流沿第二电气支路4已经换向并且生成这种短路的故障能够在已经经过上述第一时间间隔之前按照某种方式被去除(例如因外部电路断路器的介入)时，固态类型的第一开关装置41未被关断，而是保持为导通状态，即使短路电流最初沿第二电气支路4流动也是如此。
119.优选地(但不一定作为对上述解决方案的备选方案)，如果实现下列条件的一个或多个，则可命令固态类型的第一开关装置41关断以用于自我保护的目的：-沿电气支路4流动的电流超过给定电流阈值；-开关装置41的温度超过给定温度阈值；-跨开关装置41的电压超过给定电压阈值；-由开关装置41所消耗的电功率超过给定功率阈值。
120.而且，这个解决方案提供一些显著优点。例如，当电气保护装置1在机电类型的开关装置30或开关装置31、32处于打开状态的情况下重新连接到电线并且短路电流因预先存在故障的存在而沿第二电气支路4流动时，固态类型的第一开关装置41一已经经过第二时间间隔(实际上是通过适当处理指示上述物理量的检测信号来检测故障的存在所需的时间)就被关断，使得防止过热损坏。
121.优选地，在自其中过载电流(即，高于预定义过载阈值)或正常电流(即，具有标称值左右或以下的值)在通过机电类型的开关装置30或者开关装置32(开关装置31在这种情况下没有介入)的打开操纵时从第一电气支路3已转向到第二电气支路4的时刻已经经过第三时间间隔之后也命令固态类型的第一开关装置41关断。
122.便利地，基于与上述第一时间间隔相似的标准来计算上述第三时间间隔。一般来说，按照需要，上述第三时间间隔可不同于或者等于上述第一时间间隔。
123.按照本发明，第二电气支路4还包括电流限制电路40，该电流限制电路40适合限制沿第二电气支路4流动的电流。
124.电流限制电路40与上述电流阻断电路40a串联电连接。
125.电流限制电路40包括固态类型的第二开关装置42以及第二电子电路49，该第二电子电路49适合每当必要时限制电流、保护开关装置42(例如免受电压瞬变)并且耗散电能。
126.第二电子电路49并联电连接到开关装置42，并且它优选地包括变阻器或电阻装置
或两者。
127.一般来说，根据沿第二电气支路4流动的电流的行为来操作固态类型的第二开关装置42。
128.例如，固态类型的第二开关装置42可被接通以旁路第二电子电路49，并且促进电流从第一电气支路3到第二电气支路4的换向。
129.作为另一个示例，如果沿第二电气支路4流动的电流必须受到限制，则可关断固态类型的第二开关装置42。这样，故障电流可沿第二电气支路4来传导，而无需使固态类型的第一开关装置41尺寸过大。
130.优选地，如果因任何原因而处于导通状态，则机电类型的开关装置30或第一开关装置31或第二开关装置32一执行打开操纵或在其之前，就命令固态类型的第二开关装置42与固态类型的开关装置41同时切换为导通状态。这样，使沿第一电气支路3流动的电流能够换向到第二电气支路4。
131.优选地，固态类型的第二开关装置42在短路电流(即，高于预定义短路阈值)在机电类型的开关装置30或第一开关装置31的打开操纵时从第一电气支路已经换向之后关断。
132.优选地，当短路电流沿第二电气支路4流动(因为从第一电气支路3的换向完成)并且生成这种短路的故障无法以任何方式清除时，固态类型的第二开关装置42(所述第二开关装置42旁路第二电子电路49)被关断，以迫使电流沿第二电子电路49流动并且限制所述电流。
133.优选地，当短路电流沿第二电气支路4流动并且生成这种短路的故障按照某种方式被清除(例如因外部电路断路器的介入)时，固态类型的第二开关装置42最初被关断，以提供电流限制功能性(如上所图示)，但是一旦故障被清除并且电流返回到较低值则它再次接通。在重新闭合机电类型的开关装置30或第一开关装置31或第二开关装置32之后，电流将又换向到第一电气支路3。
134.便利地，在过载电流在由机电类型的开关装置30或第二开关装置32(第一开关装置31在这种情况下没有介入)进行的打开操纵时从第一电气支路3已换向到第二电气支路4之后，也命令固态类型的第二开关装置42关断。
135.便利地，在正常电流(即，具有标称值左右或以下的值)在因任何原因而执行机电类型的开关装置30或第二开关装置32的打开操纵时从第一电气支路3已换向到第二电气支路4之后，也可命令固态类型的第二开关装置42关断。
136.图1示出本发明的开关设备1的可能实施例。
137.在这种情况下，第一电气支路3包括机电类型的单个开关装置30，以及第二电气支路4包括电流阻断电路40a和电流限制电路40。
138.按照本发明的这个实施例，开关设备1通常允许电流在端子11、12之间的流动。
139.但是，每当必要时，它能够为沿电线流动的大范围的电流提供电隔离(打开状态)。
140.开关设备1还能够提供电流限制功能性(电流限制模式)，特别是当短路电流存在时。
141.下面更详细描述图1的实施例中的开关设备的操作。
142.闭合状态(正常操作)在正常操作中(即，在标称值左右或以下的电流存在的情况下)，机电类型的开关
装置30处于闭合状态，同时固态类型的第一和第二开关装置41、42可按照需要接通或关断。
143.而且，隔离器150处于闭合状态。
144.即使固态类型的开关装置41、42因任何原因而接通，电流也自然主要沿第一电气支路3流动，因为所述第一电气支路呈现较低等效电阻。
145.过载或正常电流的中断机电类型的开关装置30应该处于闭合状态。
146.在过载电流存在的情况下，命令开关装置30执行打开操纵。
147.如果它们尚未处于导通状态，则命令固态类型的第一和第二开关装置41、42接通。
148.开关装置30的电气接触部一分离，电流就开始沿第二电气支路4流动。电流从第一电气支路3到第二电气支路4的完全换向消除开关装置30的电气接触部之间的起弧现象。
149.在自其中电流从第一电气支路3已换向到第二电气支路4(使得开关装置30具有避免电弧重新起弧的充分介电耐受性)的时刻已经经过第三时间间隔之后，命令固态类型的开关装置41、42关断。迫使过载电流沿第一和第二电子电路48、49循环，直到消除。
150.作为备选方案，在电流到第二电气支路4的完全换向之后，命令固态类型的开关装置42关断，并且迫使电流沿第二电子电路49和固态类型的第一开关装置41循环。
151.在这两种情况下，开关设备1提供过载电流的电流限制功能性(电流限制模式)。
152.然后在自其中过电流被换向到第二电气支路4的时刻已经经过上述第三时间间隔之后，命令固态类型的开关装置41关断。
153.作为另一备选方案，在电流到第二电气支路4的完全换向之后，在已经经过上述第三时间间隔之后仅命令固态类型的开关装置41关断(打开状态)。在这种情况下，迫使电流沿第一电子电路48循环，直到消除。
154.电流无法重新开始沿第一电子支路3流动，因为机电类型的开关装置30处于打开状态。
155.便利地，在电流中断之后，命令隔离器150执行打开操纵，由此为包括开关设备的电网部分提供电流绝缘。
156.开关设备按照与因任何原因而被请求中断正常电流时的方式相同的方式表现。
157.短路电流的中断机电类型的开关装置30应该处于闭合状态。
158.在短路电流存在的情况下，开关装置30执行打开操纵，优选地无需接收输入控制信号或外部功率供应。
159.固态类型的第一和第二开关装置41、42在它们不是已经处于传导状态时被命令接通。
160.开关装置30的电气接触部的分离迫使电流换向到第二电气支路4。
161.电流从第一电气支路3到第二电气支路4的完全换向消除机电类型的开关装置30的电气接触部之间的起弧现象。
162.被换向到第二电气支路4的短路电流最初流经固态类型的第一和第二开关装置41、42两者。
163.电流一被完全换向到第二电气支路4，就命令固态类型的第二开关装置42关断，并且迫使电流沿第二电子电路49和固态类型的第一开关装置41循环。
164.在这种状况中，开关设备1提供短路电流的电流限制功能性(电流限制模式)。
165.在自其中短路电流被换向到第二电气支路4的时刻已经经过上述第一时间间隔之后，应当命令开关装置41关断。
166.但是，如果生成短路电流的故障在已经经过上述第一时间间隔之前按照某种方式被清除(例如因外部电路断路器的介入)，则开关装置41未被命令关断，而是保持为导通状态，因为沿第二电气支路4流动的电流返回到较低值。
167.在这种情况下，固态类型的第二开关装置42可保持为关断状态。
168.作为备选方案，可重新命令固态类型的第二开关装置42接通，并且沿电气支路4流动的电流可沿固态类型的第一和第二开关装置41、42重新流动。
169.无论如何，同时命令机电类型的开关装置30执行闭合操纵。
170.当开关装置30最终返回闭合状态时，开关设备1将重新工作在正常条件，因为电流自然从第二电气支路4换向到第一电气支路3。
171.相反，如果生成短路电流的故障在已经经过上述第一时间间隔之前未被清除，则命令固态类型的第一开关装置41关断。
172.迫使电流沿第一和第二电子电路48、49循环，直到消除。如上所图示，电流无法重新开始沿第一电气支路3流动。
173.随后，命令隔离器150执行打开操纵，由此为包括开关设备的电网部分提供电流绝缘。
174.到电线的重新连接机电类型的开关装置30应该处于打开状态，同时固态类型的第一和第二开关装置41、42应该处于关断状态。
175.命令隔离器150执行闭合操纵。不再确保包括开关设备的电网部分与其它电网部分(不包括开关设备)的电流隔离。
176.命令固态类型的开关装置41接通。
177.作为备选方案，命令固态类型的开关装置41、42接通。
178.电流沿第二半导体支路4流动。
179.如果仅接通固态类型的开关装置41，则电流沿第二电子电路49和开关装置41流动。
180.如果固态类型的开关装置41、42均被接通，则电流沿这些开关装置流动。
181.如果在第二预定义时间间隔(检查短路是否存在所必需的)之内未检测到短路，则命令开关装置30执行闭合操纵。
182.如上所述，第四开关装置42可处于导通状态或者关断状态。如果第四开关装置42处于导通状态，则它可保持为那种状态或者关断。如果它处于关断状态，则它可保持为那种状态或者接通。
183.固态类型的第二开关装置42可保持在导通状态或者关断。
184.开关装置30一已经完成闭合操纵，开关设备1就开始工作在正常条件，并且电流自然换向到第一电气支路3。
185.在短路故障存在的情况下到电线的重新连接机电类型的开关装置30应该处于打开状态，同时固态类型的第一和第二开关装置
41、42应该处于关断状态。
186.命令隔离器150执行闭合操纵。不再确保包括开关设备的电网部分与其它电网部分(不包括开关设备)的电流隔离。
187.命令固态类型的开关装置41接通，同时开关装置42保持为关断状态，并且它比开关装置41更迟接通。
188.作为备选方案，命令固态类型的开关装置41、42同时接通。
189.短路电流最初沿第二半导体支路4流动。
190.当仅接通第三开关装置41时，电流沿第二电子电路49和第三开关装置41流动(电流限制模式)。在第一预定义时间间隔(识别短路条件所必需的)之后，命令第三开关装置41接通。迫使电流沿第一电子电路48循环，直到消除。
191.当第三和第四开关装置41、42同时接通时，电流沿这两个开关装置流动。在第一预定义时间间隔之后，命令第三开关装置41关断，而第四开关装置42可关断或者保持为导通状态。迫使电流沿第一电子电路48循环，直到消除。
192.开关装置30未被命令执行闭合操纵，并且它保持为打开状态。
193.随后，命令隔离器150执行打开操纵，由此为包括开关设备的电网部分提供电流绝缘。
194.通过以上所述显而易见，开关设备1在按照图1的实施例布置时能够工作在三种不同状态：闭合状态(正常操作)；打开状态，其中它阻断从第一电气支路3换向到第二电气支路4的电流；或者工作在电流限制模式(瞬变条件)，其中它限制从第一电气支路3换向到第二电气支路4的电流。
195.还证明，由串联电连接的开关设备1和隔离器150所形成的开关组110如何能够按照不同状态进行操作：闭合状态，其中开关设备1处于闭合状态并且隔离器150处于闭合状态；打开状态，其中开关设备1处于打开状态并且隔离器150处于打开状态；或者电流限制模式，其中开关设备1处于电流限制模式而隔离器150处于闭合状态。
196.图2示出本发明的开关设备1的可能实施例。
197.在这种情况下，第一电气支路3包括串联电连接的机电类型的第一和第二开关装置31、32，以及第二电气支路4包括电流阻断电路40a和电流限制电路40。
198.按照本发明的这个实施例，开关设备1通常允许电流在端子11、12之间的流动。
199.但是，每当必要时，它能够为沿电线流动的大范围的电流提供电隔离(打开状态)。
200.而且在这种情况下，开关设备1还能够提供电流限制功能性(电流限制模式)，特别是当短路电流存在时。
201.下面更详细描述图2的实施例中的开关设备的操作。
202.闭合状态(正常操作)在正常操作中(即，在标称值左右或以下的电流存在的情况下)，机电类型的第一和第二开关装置31、32处于闭合状态，同时固态类型的第一和第二开关装置41、42可按照需要接通或关断。
203.而且，隔离器150处于闭合状态。
204.即使固态类型的开关装置41、42因任何原因而接通，电流也自然主要沿第一电气支路3流动，因为所述第一电气支路呈现较低等效电阻。
205.过载或正常电流的中断机电类型的第一和第二开关装置31、32应该处于闭合状态。
206.在过载或正常电流存在的情况下，机电类型的开关装置31没有介入(由此保持为闭合状态)，而命令机电类型的开关装置32执行打开操纵。
207.如果它们尚未处于导通状态，则命令固态类型的第一和第二开关装置41、42接通。
208.机电类型的第二开关装置32的电气接触部一分离，电流就开始沿第二电气支路4流动。电流从第一电气支路3到第二电气支路4的完全换向消除机电类型的开关装置32的电气接触部之间的起弧现象。
209.在自其中电流从第一电气支路3换向到第二电气支路4(使得机电类型的开关装置32具有避免电弧重新起弧的充分介电耐受性)的时刻已经经过第三时间间隔之后，命令固态类型的开关装置41、42关断(打开状态)。迫使过载电流沿第一和第二电子电路48、49循环，直到消除。
210.作为备选方案，在电流到第二电气支路4的完全换向之后，命令固态类型的开关装置42关断，并且迫使电流沿第二电子电路49和开关装置41循环。
211.在这两种情况下，开关设备1提供过载电流的电流限制功能性(电流限制模式)。
212.在自其中过电流被换向到第二电气支路4的时刻已经经过上述第三时间间隔之后，命令固态类型的开关装置41关断。
213.作为另外的备选方案，在电流到第二电气支路4的完全换向之后，在已经经过上述第三时间间隔之后仅命令固态类型的开关装置41关断(打开状态)。在这种情况下，迫使电流沿第一电子电路48循环，直到消除。
214.电流无法重新开始沿第一电子支路3流动，因为机电类型的第二开关装置32处于打开状态。
215.便利地，在电流中断之后，命令隔离器150执行打开操纵，由此为包括开关设备的电网部分提供电流绝缘。
216.开关设备按照与因任何原因而被请求中断正常电流时的方式相同的方式表现。
217.短路电流的中断机电类型的第一和第二开关装置31、32应该处于闭合状态。
218.在短路电流存在的情况下，机电类型的开关装置31立即执行(快速切换)打开操纵，而无需接收输入控制信号或外部功率供应。
219.固态类型的第一和第二开关装置41、42在它们不是已经处于传导状态时被命令接通。
220.而且，命令机电类型的第二开关装置32执行打开操纵。但是，机电类型的开关装置31的介入早在开关装置32之前发生。
221.机电类型的开关装置31的电气接触部的分离迫使电流换向到第二电气支路4。
222.电流从第一电气支路3到第二电气支路4的完全换向消除机电类型的开关装置31的电气接触部之间的起弧现象。
223.被换向到第二电气支路4的短路电流最初流经固态类型的第一和第二开关装置41、42两者。
224.电流一被完全换向到第二电气支路4，就命令固态类型的开关装置42关断，并且迫
使电流沿第二电子电路49和开关装置41循环。
225.在这种状况中，开关设备1提供短路电流的电流限制功能性(电流限制模式)。
226.在其中自短路电流被换向到第二电气支路4的时刻已经经过上述第一时间间隔之后，应当命令固态类型的开关装置41关断。
227.但是，如果生成短路电流的故障在已经经过上述第一时间间隔之前按照某种方式被清除(例如因外部电路断路器的介入)，则固态类型的开关装置41未被命令关断，而是保持为导通状态，因为沿第二电气支路4流动的电流返回到较低值。
228.在这种情况下，固态类型的第二开关装置42可保持为关断状态。
229.作为备选方案，可重新命令固态类型的第二开关装置42接通，并且沿电气支路4流动的电流可沿固态类型的第一和第二开关装置41、42重新流动。
230.无论如何，同时机电类型的开关装置31返回闭合状态，并且开关装置32被命令执行闭合操纵。
231.当机电类型的开关装置31、32最终均返回闭合状态时，开关设备1将重新工作在正常条件，因为电流自然从第二电气支路4换向到第一电气支路3。
232.相反，如果生成短路电流的故障在已经经过上述第一时间间隔之前未被清除，则命令固态类型的开关装置41关断(打开状态)。
233.迫使电流沿第一和第二电子电路48、49循环，直到消除。如上所图示，电流无法重新开始沿第一电气支路3流动。
234.随后，命令隔离器150执行打开操纵，由此为包括开关设备的电网部分提供电流绝缘。
235.到电线的重新连接机电类型的第一开关装置31应该已经处于闭合状态，机电类型的第二开关装置32应该处于打开状态，同时固态类型的第一和第二开关装置41、42应该处于关断状态。
236.命令隔离器150执行闭合操纵。不再确保包括开关设备的电网部分与其它电网部分(不包括开关设备)的电流隔离。
237.命令开关装置41接通。
238.作为备选方案，命令固态类型的开关装置41、42接通。
239.电流沿第二半导体支路4流动。
240.如果仅接通固态类型的开关装置41，则电流沿第二电子电路49和开关装置41流动。
241.如果固态类型的开关装置41、42均被接通，则电流沿这些开关装置流动。
242.如果在第二预定义时间间隔(检查短路是否存在所必需的)之内未检测到短路，则命令第二开关装置32执行闭合操纵。
243.如上所述，第四开关装置42可处于导通状态或者关断状态。如果第四开关装置42处于导通状态，则它可保持为那种状态或者关断。如果它处于关断状态，则它可保持为那种状态或者接通。
244.机电类型的开关装置32一已经完成闭合操纵(机电类型的开关装置31已经处于闭合状态)，开关设备1就开始工作在正常条件，并且电流自然换向到第一电气支路3。
245.在短路故障存在的情况下到电线的重新连接
机电类型的第一开关装置31应该已经处于闭合状态，机电类型的第二开关装置32应该处于打开状态，同时固态类型的第一和第二开关装置41、42应该处于关断状态。
246.命令隔离器150执行闭合操纵。不再确保包括开关设备的电网部分与其它电网部分(不包括开关设备)的电流隔离。
247.命令固态类型的开关装置41接通，同时开关装置42保持为关断状态，并且它比开关装置41更迟接通。
248.作为备选方案，命令固态类型的开关装置41、42同时接通。
249.短路电流最初沿第二半导体支路4流动。
250.当仅接通第三开关装置41时，电流沿第二电子电路49和第三开关装置41流动(电流限制模式)。在第一预定义时间间隔(识别短路条件所必需的)之后，命令第三开关装置41接通。迫使电流沿第一电子电路48循环，直到消除。
251.当第三和第四开关装置41、42同时接通时，电流沿这两个开关装置流动。在第一预定义时间间隔之后，命令第三开关装置41关断，而第四开关装置42可关断或者保持为导通状态。迫使电流沿第一电子电路48循环，直到消除。
252.机电类型的第二开关装置32未被命令执行闭合操纵，并且它保持为打开状态。
253.随后，命令隔离器150执行打开操纵，由此为包括开关设备的电网部分提供电流绝缘。
254.通过以上所述显而易见，开关设备1在按照图2的实施例布置时能够工作在三种不同状态：闭合状态(正常操作)；打开状态，其中它阻断从第一电气支路3换向到第二电气支路4的电流；或者工作在电流限制模式(瞬变条件)，其中它限制从第一电气支路3换向到第二电气支路4的电流。
255.还证明，由串联电连接的开关设备1和隔离器150所形成的开关组110如何能够按照不同状态进行操作：闭合状态，其中开关设备1处于闭合状态并且隔离器150处于闭合状态；打开状态，其中开关设备1处于打开状态并且隔离器150处于打开状态；或者电流限制模式，其中开关设备1处于电流限制模式而隔离器150处于闭合状态。
256.按照本发明的一些实施例(图1-2)，开关设备1包括控制单元90(该控制单元90可具有已知类型)，该控制单元90包括一个或多个控制逻辑，所述控制逻辑配置成控制机电类型的开关装置30或第二开关装置32的操作以及固态类型的第一和第二开关装置41、42的操作。
257.优选地，控制单元90能够还控制隔离器150的操作。
258.控制单元90适合从开关设备的适当位置中布置的一个或多个传感器93来接收感测信号s，以监测沿第一电气支路3和第二电气支路4的电流和/或其他物理量的行为。
259.控制单元90适合处理由上述传感器93所提供的感测信号，并且提供控制信号c，以按照以上所述操作模式来操作机电类型的开关装置30或第二开关装置32、固态类型的第一和第二开关装置41和42以及可能操作隔离器150。
260.控制单元90可执行适当数据处理算法，以处理由传感器93所提供的信息，并且检查是否满足操作开关装置30、32、41、42以及可能操作150的某个操作标准。
261.当操作员手动请求执行操作或者对操作的外部请求被发送给开关设备时，控制单元90可提供控制信号，以操作开关装置30、32、41和42以及可能操作150。
262.按照本发明的变体实施例(未示出)，控制单元90未被布置在开关设备1上。
263.作为示例，它可被布置在操作关联到开关设备的数字继电器上或者另一个开关设备上或者远程计算机化平台上。在这种情况下，开关设备1可包括用于与控制单元90进行通信的通信接口。
264.图3-7a示出本发明的变体实施例，其中开关设备1能够控制双向电流。当开关设备被安装在ac电力网中时，这些解决方案可以是特别有利的。
265.图3示出图1中所示的实施例的变体解决方案。
266.按照这个实施例，第二电气支路4包括：第一桥电路45，其在操作上关联到电流阻断电路40a；以及第二桥电路46，其在操作上与电流限制电路40关联。
267.本发明的这个实施例的操作与以上对于图1的实施例所述的操作相同。
268.图4示出图2中所示的实施例的变体解决方案。
269.而且，在这个实施例中，第二电气支路4包括：第一桥电路45，其在操作上关联到电流阻断电路40a；以及第二桥电路46，其在操作上与电流限制电路40关联。
270.本发明的这个实施例的操作与以上对于图2的实施例所述的操作相同。
271.图5示出图3中所示的实施例的变体解决方案。
272.按照这个实施例，第二电气支路4包括第三桥电路47，该第三桥电路47在操作上与第二电气支路的其余组件(例如由电流限制电路40和电流阻断电路40a所形成的串联电路)关联。
273.本发明的这些实施例的操作与以上对于图1的实施例所述的操作相同。
274.图5a示出图4中所示的实施例的变体解决方案。
275.而且，在这种情况下，第二电气支路4包括第三桥电路47，该第三桥电路47在操作上与第二电气支路的其余组件(例如由电流限制电路40和电流阻断电路40a所形成的串联电路)关联。
276.本发明的这些实施例的操作与以上对于图2的实施例所述的操作相同。
277.优选地，在图3-5a中所图示的实施例中，每个桥电路45、46、47包括按照格雷兹桥配置所布置的多个二极管。
278.图6示出图1中所示的实施例的附加变体解决方案。
279.按照这个实施例，电流中断电路40a和电流限制电路40均包括半导体开关组件对41a、41b和42a、42b，它们按照反并联配置相互连接。
280.对于这个配置，每个半导体开关组件必须具有反向阻断类型或者与二极管串联布置。
281.半导体开关组件41a、41b并联电连接到第一电子电路48，同时半导体开关组件42a、42b均并联电连接第二电子电路49。
282.本发明的这个实施例的操作与以上对于图1的实施例所述的操作相同。
283.按照本发明的另外的变体实施例(未示出)，固态类型的第一和第二开关装置41、42均可包括半导体开关组件的对应对，它们按照反串联配置相互连接。对于这个配置，每个半导体开关组件必须具有反向传导类型或者与二极管并联布置。
284.图7示出图2中所示的实施例的附加变体解决方案。
285.而且，在这种情况下，电流中断电路40a和电流限制电路40均包括半导体开关组件
对41a、41b和42a、42b，它们按照反并联配置相互连接。
286.对于这个配置，每个半导体开关组件必须具有反向阻断类型或者与二极管串联布置。
287.半导体开关组件41a、41b并联电连接到第一电子电路48，同时半导体开关组件42a、42b均并联电连接到第二电子电路49。
288.本发明的这个实施例的操作与以上对于图2的实施例所述的操作相同。
289.按照本发明的另外的变体实施例(未示出)，固态类型的第一和第二开关装置41、42均可包括半导体开关组件的对应对，它们按照反串联配置相互连接。
290.对于这个配置，每个半导体开关组件必须具有反向传导类型或者与二极管并联布置。
291.图8示出dc电力网100的示例。
292.dc电力网包括dc母线101(dc链路)以及电连接到所述dc母线的多个组件。
293.一些组件可通过需要以电的方式馈送的电力负载或设备(例如电马达)来形成。
294.其他组件可通过能量存储设备(例如电容器组或电池)或发电设备(例如光伏电站)来形成，它们因此能够提供电能。
295.在dc电力网100中，适当地采用按照本发明的多个开关设备来管理上述组件与dc电力母线的电连接。
296.便利地，如上所图示，每个开关设备1与隔离器150串联电连接，以形成开关组110。
297.从上述图中显而易见，通过被链接到dc母线的组件循环的dc电流能够是双向的。
298.在电气故障的情况下，dc电力网的许多组件能够提供对可能的短路电流的贡献，因为反向电流可能沿它们流动。在最坏情况下，如果电气故障在dc母线上发生，则许多组件能够直接强化电气故障。
299.在dc电力网中采用按照本发明的开关设备允许对可能的电气故障的快速反应并且实现管理可能的电气故障的适当保护和选择功能性。
300.另外，能够实现管理和协调沿电力网的不同支路的电路保护干预的有效策略。
301.图9-16示出能够实现以管理简化dc电力网100a中的电气故障的策略的一些示例。
302.dc电力网100a包括电池能量存储系统(bess)，其中一组电池单元通过dc母线101a电连接到功率转换器(未示出)。
303.每个电池单元借助于开关组110与dc母线101a电连接或从其断开。
304.每个开关组110包括：按照本发明的开关设备1，其能够传导双向电流；以及串联电连接的隔离器150。
305.dc母线101a通过例如机电类型的电路断路器160与上述功率转换器电连接或从其断开。
306.作为备选方案，dc母线101a可借助于附加开关组与上述功率转换器电连接或从其断开，该附加开关组包括图2的实施例中的本发明的开关设备并且能够传导双向电流。
307.如上所图示，由于它包括本发明的开关设备，因此每个开关组110能够工作在下列状态：闭合状态，其中开关设备1处于闭合状态并且隔离器150处于闭合状态；打开状态，其中开关设备1处于打开状态并且隔离器150处于打开状态；以及电流限制模式，其中开关设备1处于电流限制模式而隔离器150处于闭合状态。
308.当它处于闭合状态时，每个开关组110传导电流，由此将对应电池单元与dc母线电连接。
309.当它处于打开状态时，每个开关组110阻断电流，由此将对应电池单元从dc母线电断开。
310.当它处于电流限制模式时，每个开关组110提供电流限制功能性，由此限制对应电池单元与dc母线之间循环的电流。
311.当电路断路器160用来将功率转换器与dc母线101a电连接或从其断开时，所述电路断路器能够切换为闭合状态，在该闭合状态，它传导电流并且因此将功率转换器电连接到dc母线，或者切换为打开状态，在该打开状态，它阻断电流并且因此将功率转换器从dc母线电断开。
312.当包括能够传导双向电流的本发明的开关设备的附加开关组用来代替电路断路器160，所述开关组如上所述的那样表现，因此在它处于闭合状态时将功率转换器电连接到dc母线，在它处于打开状态时将功率转换器从dc母线断开，或者当处于电流限制模式时限制功率转换器与dc母线之间循环的电流。
313.正常操作图9示意示出正常条件中的电力网100a的操作。
314.在这种状况中，电路断路器160处于闭合状态，并且每个开关组110处于闭合状态(正常操作)。如果附加开关组用来代替电路断路器160，则这种开关组处于闭合状态。
315.电流i
n1
、i
n2
、i
n3
沿上述电池单元循环，同时电流i
nc
沿电子转换器流动。电流i
nc
基本上是电流i
n1
、i
n2
、i
n3
的总和。
316.来往于电池单元和电子转换器流动的所有电流i
n1
、i
n2
、i
n3
、i
nc
取不超过对所述电池单元所预测的标称电流的值并且具有相同方向，这基本上取决于电池单元的操作模式(充电或放电)。
317.在图9的示例中，电池单元应该处于放电模式。电流i
n1
、i
n2
、i
n3
、i
nc
在电池单元工作在充电模式时将具有相反方向。但是电力网的操作将基本上相同。
318.电池单元中的短路图10示意示出一种状况，其中短路在电池单元中发生。
319.短路电流i
s1
流动到受到电气故障所影响的电池单元。电气故障通过从其他电池单元流动的短路电流i
s2
、i
s3
并且通过流经功率转换器的短路电流i
sc
强化。
320.当功率转换器处于放电模式时，流经功率转换器的短路电流i
sc
相对于对应电流i
nc
具有相反方向。
321.如图11中所图示，短路电流i
sc
、i
s1
、i
s2
、i
s3
一在电力网100a中流动，操作上关联到电池单元的开关组110就切换到电流限制模式。电路断路器160保持在闭合状态，以等待电气故障的可能清除。
322.如果附加开关组用来代替电路断路器160，则这种开关组也将切换为电流限制模式。
323.开关组110的介入结果是限制强化电气故障的短路电流i
s1
。
324.随后，由于短路电流i
sc
、i
s1
、i
s2
、i
s3
继续在电力网100中循环，最靠近受到电气故障所影响的电池单元的开关组110切换为打开状态。
325.实际上，最靠近受到电气故障所影响的电池单元的开关组110能够相对于其他开关组在较短时间内保持在电流限制模式，因为这种开关组受到具有较大幅值的短路电流影响。
326.由于对应开关组110已经切换为打开状态，因此受到电气故障所影响的电池单元与电力网的其余部分电绝缘。
327.在这种状况中，操作上关联到其他电池单元的开关组110保持为电流限制模式，以及较小电流(例如具有甚至低于标称值的值)将通过所述开关组循环(图12)。电路断路器160仍然保持为闭合状态。
328.最后，由于通过操作打开状态的开关组110已经清除电气故障，因此操作上关联到未受电气故障所影响的电池单元的开关组110能够切换回闭合状态，并且再次工作在正常条件(图13)。
329.如果附加开关组用来代替电路断路器160，则这种开关组也切换为闭合状态。
330.在电力网100中循环的电流再次取正常值i
nc
、i
n2
、i
n3
和相同方向。显然，受到电气故障所影响的电池单元保持与电力网100a的其余部分电流绝缘。显然，沿功率转换器流动的电流i
nc
相应地减小。
331.如果电池单元工作在充电模式，则电力网的操作将基本上相同。
332.dc母线中的短路图14示意示出一种状况，其中短路在dc母线101a中发生。短路电流i
sc
、i
s1
、i
s2
、i
s3
沿电池单元和电子转换器流动，以强化电气故障。而且，在这种情况下，当功率转换器处于放电模式时，流经功率转换器的短路电流i
sc
相对于对应电流i
nc
具有相反方向。
333.由于电气故障位于dc母线中，因此沿电池单元流动的短路电流i
s1
、i
s2
、i
s3
将具有相同方向，该方向与流经功率转换器的短路电流i
sc
相反。
334.如图15中所图示，短路电流i
sc
、i
s1
、i
s2
、i
s3
一在电力网100中循环，操作上关联到电池单元的开关组110就切换为电流限制模式。电路断路器160暂时保持在闭合状态，以等待电气故障的可能清除。如果开关组110用来代替电路断路器160，则这种开关组也工作在电流限制模式。
335.由于位于dc母线中，因此无法通过操作打开状态的单个开关组110(最靠近电气故障)来清除电气故障。
336.由于故障尚未清除，因此在已经经过上述第一时间间隔之后，所有开关组110和电路断路器160因此切换到打开状态。
337.如果附加开关组用来代替电路断路器160，则这种开关组也切换为打开状态。
338.作为以上所述的结果，整个dc电力网100关闭(图16)。
339.如果电池单元工作在充电模式，则电力网的操作将基本上相同。
340.已经证明，一般包括用于电连接或断开所述电力网的不同电网部分的多个开关组110(如上所述的那样所配置)的不同类型(例如ac类型)的电力网经过适当修改基本上作为上述电力网100a进行操作。
341.因此显而易见，在另外的方面中，本发明如何涉及操作电力网的方法，该电力网包括用于电连接或断开所述电力网的不同电网部分的多个开关组110(如上所述的那样所配置)。
342.按照本发明的方法包括下列步骤：如果电力网中存在电气故障(即，短路)，则将开关组110切换为电流限制模式。
343.本发明的方法然后包括下列步骤：将最靠近所述电气故障的开关组110切换为打开状态，而将所述电力网的其余开关组保持为电流限制模式。
344.实际上，最靠近电气故障的开关组110能够相对于其他开关组在较短时间内保持在电流限制模式，因为这种开关组受到具有较大幅值的短路电流影响。
345.如果通过操作最靠近所述电气故障的开关组110在预定义时间段(该时间段基本上与上述第一时间间隔一致)之内电隔离所述电气故障，则本发明的方法包括下列步骤：将最靠近所述电气故障的开关组110保持为打开状态，而将所述电力网的其余开关组110切换回闭合状态。
346.如果所述电气故障未通过操作最靠近所述电气故障的开关组110在所述预定义时间段之内电隔离，则本发明的方法包括将将所述电力网的所有开关组110切换为打开状态的步骤。
347.如图9-16的上述示例中所图示，本发明的方法特别适合于保护dc电力网100a，该dc电力网100a包括：电池能量存储系统，其包括多个电池单元；dc母线101a，其用于将所述电池单元电连接到功率转换器；以及多个开关组110(如上所述的那样所配置)，其用于将所述电池单元与所述dc母线电连接或从其断开。
348.在这种情况下，按照本发明的方法包括下列步骤：如果能量电池存储系统中存在电气故障(即，短路)，则将开关组110切换为电流限制模式。
349.当dc母线101a通过例如机电类型的电路断路器160与上述功率转换器电连接或从其断开时，本发明的方法进一步包括将电路断路器160保持为闭合状态的步骤。
350.当dc母线101a通过附加开关组(与开关组110相似)与上述功率转换器电连接或从其断开时，本发明的方法进一步包括将所述附加开关组切换为电流限制模式的步骤。
351.按照本发明的方法包括下列步骤：将最靠近电气故障的开关组110切换为打开状态，而将能量存储系统的其余开关组110保持为电流限制模式。
352.如果通过将最靠近开关组110切换为打开状态在预定义时间段(上述第一时间间隔)之内电隔离所述电气故障，则本发明的方法包括下列步骤：将最靠近电气故障的开关组110保持为打开状态，而将电池能量存储系统的其余开关组110切换回闭合状态。
353.当dc母线101a通过例如机电类型的电路断路器160与上述功率转换器电连接或从其断开时，本发明的方法进一步包括将电路断路器160保持为闭合状态的步骤。
354.当dc母线101a通过附加开关组(与开关组110相似)与上述功率转换器电连接或从其断开时，本发明的方法进一步包括将所述附加开关组切换为闭合状态的步骤。
355.如果电气故障无法通过操作最靠近电气故障的打开状态的开关组110在所述预定义时间段之内电隔离，则按照本发明的方法包括将将电池能量存储系统的所有开关组110切换为打开状态的步骤。
356.当dc母线101a通过例如机电类型的电路断路器160或者通过附加开关组(与开关组110相似)与上述功率转换器电连接或从其断开时，本发明的方法进一步包括将电路断路器160或所述附加开关组切换为打开状态的步骤。
357.本发明的方法允许按照根据是否能够电隔离所述电气故障的选择性方式来管理
电力网中的电气故障(即，短路)。
358.本发明的方法最初提供限制沿电力网的各种部分循环的故障电流。
359.如果能够通过操作打开状态的特定开关组110(最靠近短路)在预定义时间段之内清除电气故障，则本发明的方法提供使电气故障中未涉及的电力网的部分恢复到正常传导模式。
360.如果电气故障无法通过操作打开状态的所述特定开关组110在所述预定义时间段之内被清除，则本发明的方法提供关闭电力网。
361.该方法允许改进电力网的使用中的灵活性。另外，它允许在短路存在的情况下减少电力网的可能停止使用时间段。实际上，仅当严格必要时才关闭电力网，因为无法以任何方式清除电气故障。
362.按照本发明的开关设备相对于现有技术的类似已知解决方案提供显著优点。
363.开关设备1可服从落入要求保护发明的概念之内的多个变体。
364.开关设备1能够在工业上实现为独立设备或者实现为例如用于机械电路断路器(mccb)的每个电极的附加模块。
365.按照另外的变体，开关设备1可包括已知类型的附加换向升压器电路，例如上述专利文档wo2017/186262中公开的电路。
366.按照本发明的开关设备允许为可能流经固态开关装置的短路电流提供限制功能性。
367.另外，在一些实施例中(图2)，当电气故障在电线中发生时，按照本发明的开关设备允许执行快速介入，以中断可能的短路电流。
368.上述特征允许对给定标称电流使用更小尺寸的固态装置。显然，这允许显著限制开关设备的尺寸和成本。
369.按照本发明的开关设备允许按照可靠的方式来管理标称电流以及沿电线流动的可能过载电流。
370.按照本发明的开关设备允许通过利用板载固态开关装置的改进操作条件来实现改进选择功能性，特别是当实施电流限制功能性时。
371.另外，它允许实现管理和协调沿电力网的不同支路的电路保护干预的有效策略。
372.按照本发明的开关设备具有比较容易和廉价工业生产以及现场安装。