[发明专利]基于微机电系统的开关

说明书

技术领域

本发明的实施例大体涉及用于断开电流通路中的电流的开关装 置，更具体地涉及基于微机电系统的开关装置。

背景技术

为了防止损坏，电气设备和线路应被保护以免遭导致电流水平高 于其额定值的状况。过电流状况可由破坏发生前所需的时间分类，可 分组成为两类：时限过电流状况和瞬时过电流状况。

定时过电流状况或故障被看作是不太严重的变化，并且通常需要 配电保护设备以在给定的时间段之后使电流通路失效，该给定时间段 取决于状况的水平。定时过电流故障典型地包括电流水平仅高于电流 额定值，以及电流水平可延伸至并超过8-10倍的配电保护设备的电流 额定值。系统布线和设备典型地可处理一段时间内的这些状况，但是 配电保护设备设计成当电流水平没有及时降低时使电流通路失效。典 型地，定时故障可起因于机械地过载的设备或相对极性线路之间(线路 对线路，线路对地，线路对中性点)的高阻抗通路。

也称为短路故障的瞬时过电流状况是严重的故障，并且典型地包 括电流水平高于10倍的配电保护设备的额定电流。这些故障典型地 起因于相对极性线路之间的低阻抗通路。短路故障包括极值电流，可 严重地破坏设备和人员，并且因此应尽快消除。在短路期间的最小化 响应时间以及因此允通电能(let-through energy)成为首要问题。目前， 两种装置，保险丝和断路器，为电气设备和线路提供过电流保护。

保险丝典型地比断路器具有更多的选择性，并在响应短路状况时 具有较少的变化，但是在其执行保护功能之后必须更换。保险丝具有 很多形状和尺寸，但是设计成允许其快速插入和快速拔出以易于更换 的保险丝座。制造商遵守取决于保险丝规格和额定值的用于保险丝和 保险丝座的标准尺寸，使得简易替换较容易。

保险丝设计有串联元件，其在预设的过电流时熔化并因此断开电 流通路。因此，保险丝在设计上是单相装置，使得当用于各保险丝彼 此独立地操作的多相系统时会导致潜在的问题。在诸如马达负载的许 多应用中，失去一相电力将导致其它相的需求增加。其它相上增加的 需求将增加损坏的风险。例如，马达负载可在失去一相的条件下继续 运行，使得在其它相上产生额外的加热和应力。

为了增加便利性，在许多应用中保险丝已由断路器替换。尽管断 路器提供相似的保护，并提供在操作或跳闸之后能够复位而不是更换 的便利性，但是它们典型地包括复杂的机械系统，该复杂的机械系统 具有相对于保险丝较慢的响应时间，并且在短路故障期间在上游和下 游断路器之间较少的选择性。

在具有电子跳闸单元的断路器中的电子故障检测方法典型地包 括计算时间，该计算时间增加对故障的决定时间并因此增加对故障的 反应时间。此外，一旦决定跳闸，由于机械惯性该机械系统响应较慢。 因此，响应于短路，断电器可允许较大量的能量(也称为允通电能)通 过断路器。

接触器是设计成根据指令将电负载切换为闭合和断开的电气装 置。传统地，机电接触器用于控制机构中，其中机电接触器能够处理 高达其断开容量的开关电流。机电接触器还可应用于电力系统中用于 切换电流。然而，电力系统中的故障电流典型地高于机电接触器的断 开容量。因此，为了在电力系统应用中采用机电接触器，需要通过使 用串联装置对其进行备用来保护接触器免遭破坏，在高于接触器的断 开容量的所有电流值条件下，该串联装置在接触器断开之前可足够迅 速地动作以中断故障电流。

以前设想的便于接触器在电力系统中的使用的解决方案包括例 如真空接触器、真空中断器和空气接触器。不幸地是，由于接触器末 端封装在密封的、抽空的壳体中，故诸如真空接触器的接触器不使其 易于目测检查。此外，尽管真空接触器非常适合于处理大马达、变压 器和电容器的切换，但是已知它们导致不期望的瞬时过电压，尤其是 当负载断开时。

此外，机电接触器通常使用机械开关。然而，由于这些机械开关 倾向于以较慢的速度切换，故采用预测技术以估计零交叉(zero crossing)的发生，该零交叉的发生通常是在切换事件将发生之前的数 十微秒，以便于在零交叉时的断开/闭合以降低电弧。由于在预测时间 间隔内可能发生许多瞬变，故这种零交叉预测易于出错。