CN102034640B - 具有并联额定电流路径的功率开关 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种功率开关(1)，它可以通过灭弧气体充满并具有两个彼此相对地且沿着开关纵轴线(A)可移动的触点结构。这些触点结构形成燃弧触点系(12)和与其导电并联的额定电流触点系(9)，其中一个触点结构包括额定电流触点系(9)的内部额定电流触点(6)和外部额定电流触点(7)，内部额定电流触点(6)在纵轴线(A)的方向上突出于外部额定电流触点(7)，并且外部额定电流触点(7)同轴地包围内部额定电流触点(6)。这种功率开关具有高的电流承载性，并且尤其在开关中产生短路电流期间和之后显示出可靠的接通和断开特性。

Description

具有并联额定电流路径的功率开关

技术领域

本发明涉及中压和高压技术领域，尤其是在中压和高压范围中具有大电流承载性的功率开关。

背景技术

例如由DE 3341903A1已知上述形式的功率开关。已知的功率开关具有相互活动的通断体，其燃弧触点和额定电流触点沿着公共的开关纵轴线运动。在接通运动期间，活动的燃弧触点向着静止的燃弧触点运动。活动通断体的所有指状的额定电流触点是同轴的，并且与燃弧触点的距离都相同。一部分额定电流触指在纵轴线方向上设置在其余的额定电流触指前面。在接通运动中，指状的额定电流触点通过由圆柱形通断体形成的对应额定电流触点进行移动，并且电流首先通过已经闭合的燃弧触点转换到前置的额定电流触指，然后转换到其余的、更短形成的额定电流触指。前置的额定电流触指为此耐电弧地形成。在额定电流触点系统闭合时，所有指状的额定电流触点在位于内部的对应额定电流触点上施加机械的顶压力，它附加地通过产生的电磁力增强，此电磁力是由额定电流触点中的电流流动引起的。这导致高的顶压力，并由此最终在接通的额定电流触点之间导致大的总摩擦力，它在开关的打开和闭合状态期间必需由驱动装置克服。在这个和其它开关中，通过外部的额定电流触指在对应额定电流触点上的电流是引起电磁力的原因，它在短路情况下可能超过在开关上产生的机械摩擦力，并且由此使开关的断开和闭合运动不能实现。

文件EP1837889公开了一种功率开关的开关室，其具有燃弧触点系、额定电流触点系和辅助触点系。后者同轴地伸出和围绕额定电流触点系。辅助触点系的触点具有比额定电流触点系的触点高得多的电阻且其因此不适合于持久地导引额定电流。

在这个和其它功率开关中，开关的额定电流触点的电流承载性和接触特性尤其在开关短路情况下是值得改善的。

发明内容

因此本发明的目的是，提供一种功率开关，它不仅具有更高的电流承载性，而且改善了额定电流触点在开关闭合和断开期间的接触。

这个目的通过具有独立权利要求的特征的装置和方法得以实现。

按照本发明的功率开关可有利地通过灭弧气体充满，并包括两个彼此相对地且沿着开关纵轴线可移动的触点结构。这些触点结构包括燃弧触点系和额定电流触点系，其中额定电流触点系与燃弧触点系导电并联地连接。必要时，电弧在燃弧触点系的燃弧触点之间燃烧。两个触点结构中的一个触点结构具有内部额定电流触点和外部额定电流触点，其中内部额定电流触点在纵轴线的方向上位于外部额定电流触点的前面，即内部触点沿着开关纵向突出于外部触点。因此在开关闭合运动时，内部额定电流触点在外部额定电流触点接触之前接触。因为通过这种方式在短路情况下短路电流在燃弧触点接通过程期间只转换到内部额定电流触点上，或者说在断开过程时内部额定电流触点的电流只转换到燃弧触点上，通过转换引起的磨损在短路情况下只在内部额定电流触点上出现，并且避免出现在外部额定电流触点上。因此尤其在出现短路情况以后，改善开关的功能有用性。外部额定电流触点环形地设置，并且同轴地包围内部额定电流触点。内部额定电流触点也是环形地围绕燃弧触点系进行设置。内部额定电流触点附加地设置在外部额定电流触点的内部，这导致总体供使用的额定电流触点面积的加大，这在相同的开关体积下导致更高的开关电流承载性。作为功率开关的额定电流触点系，在这里区别于燃弧触点系或辅助触点系，它例如具有接通电阻，这个触点系指的是，具有相对最小的电阻，并且设计成持续地导引在开关中流动的额定电流。

在实施例中，通过外部额定电流触点围绕环形内置的内部额定电流触点的同轴布置，在内部额定电流触点与外部额定电流触点之间形成环形缝隙，对应额定电流触点在开关闭合时进入到此环形缝隙中。在形成的环形缝隙中，对应额定电流触点夹紧在内部与外部额定电流触点之间，并由此不仅使内部额定电流触点接触，而且使接通外部额定电流触点接触。电流分布在内部和外部额定电流触点上是有利的，因为由此不是整个电流在外部额定电流触点上流动，并且避免由电流通过外部触点引起的电磁力。由于在外部触点上减小的电流而变小的电磁力减小了对接触的对应额定电流触点的顶压力，并由此在触点结构出现短路情况期间在开关中运动时减小了在额定电流触点与对应额定电流触点之间起作用的摩擦力。

在实施例中，所述燃弧触点系具有两个活动的、空心圆柱形的燃弧触点，它们在开关的闭合状态下在其端面上接通。端面或端表面指的是这样的表面，即它限定了空心圆柱形的燃弧触点的外壳面。燃弧触点的端面接触与产生触点叠加的触点系相比已经证实是有利的，因为不必通过开关的驱动装置来克服通过叠加引起的摩擦力。

按照本发明的、用于接通高压或中压范围内的电功率开关的方法，该功率开关具有两个触点结构，它们形成具有燃弧触点的燃弧触点系和与其导电并联的额定电流触点系，该方法包括以下方法步骤：使两个触点结构彼此相对地相互上下地且沿着开关的纵轴线运动。在接通运动的第一阶段期间，燃弧触点系的两个燃弧触点相互间在其端面上接触。即，端面相互对接，其中两个燃弧触点由空心圆柱体形成。

在燃弧触点位于电接触中以后，在另一阶段中额定电流触点系的额定电流触点相互接触。这个另一阶段的特征在于，内部额定电流触点(它们在纵轴线方向上突出于外部额定电流触点)首先接触对应额定电流触点，然后外部额定电流触点才接触这个对应额定电流触点。在此内部额定电流触点同轴地被外部额定电流触点包围。内部和外部额定电流触点的这种顺序接触保证，后接触的外部额定电流触点不会遭受在接触时由于电流引起的磨损。因此，内部额定电流触点首先在接通阶段中接触，在接触瞬间和在电流流动时电磁力起作用，它这样调整，使得它抵消对应额定电流触点与内部额定电流触点之间的顶压力。因此减小了要由开关的驱动装置克服的摩擦力，此摩擦力在开关运动期间产生。因此改善在接通和断开过程期间且尤其在短路情况期间的接触。

这种功率开关作为发电机开关使用，例如用于使具有许多风力设备的风场完全与供电网断耦联，或者使这种风场接通到供电网上。

由从属的权利要求和附图得出其它优选的实施例和有利的功能。

附图说明

下面借助于在附图中示出的优选实施例详细地描述了本发明的内容。附图中：

图1示出按照本发明形成的功率开关的纵向截面图，其中在图的左半部示出开关的断开位置，并且在图的右半部示出接通位置；

图2示出按照本发明形成的功率开关的纵向截面图，其中示出了从断开位置到接通位置的不同开关状态；

图3示出在开关接通运动期间由于内部和外部额定电流触指在对应额定电流触点上的接触，在额定电流触点系上作用的力随时间的变化。

附图标记清单

1    功率开关

2    绝缘材料体

3，4 电流接头

5    开关室容积

6    内部额定电流触点

7     外部额定电流触点

8     起到对应触点体作用的额定电流触点；对应额定电流触点

9     额定电流触点系

10    燃弧触点

11    燃弧触点

12    燃弧触点系

13    隔绝喷嘴

14    弹簧

15    排放容积

16    加热容积

17    压缩容积

18    加热通道

19    阀门

20    管状段

21    额定电流触点支承体

22    内部额定电流触点的环

23    外部额定电流触点的环

24    环缝

A     纵轴线

具体实施方式

在附图中使用的标记符号和其意义在标记符号清单中概括地列出。原则上，在附图中相同或相同功能的部件配有相同或近似的标记符号。对于理解本发明不重要的部件部分未示出。所述的实施例对于发明内容是示例性的并且没有限制作用。

在图1中示出按照本发明的功率开关1的局部截面图，它由发电机开关形成并且设计用于典型的24kV额定电压、6300安培的标准电流和50/60Hz的标准频率。该功率开关1具有空心圆柱形的绝缘材料体2，它气密地以法兰的方式装在电流接头3，4之间。图1的左半部示出开关1的断开阶段。图的右半部示出开关1的闭合状态。该功率开关1包括两个触点结构，这两个触点结构设置在由绝缘材料体2和两个电流接头3，4限定的开关室容积5中，彼此相对地沿着开关1的纵轴线A运动，并由此形成开关1的接通和断开。两个触点结构具有燃弧触点系12，它由额定电流触点系9同轴地包围。该燃弧触点系12包括燃弧触点10和11，而额定电流触点系9包括内部额定电流触点6、外部额定电流触点7和对应额定电流触点8。

两个触点结构中的一个触点结构具有由作为空心圆柱体形成的燃弧触点10(它沿着开关纵轴线A设置)以及包围燃弧触点11的额定电流触点8。额定电流触点8同样圆柱形地形成。在额定电流触点8与燃弧触点11之间设置绝缘喷嘴13，用于使灭弧气流、例如六氟化硫(SF6)偏转，喷嘴13在纵轴线A的方向上突出于额定电流触点8和燃弧触点11。在绝缘喷嘴13与燃弧触点11之间形成加热通道18，它通到加热容积16中。该加热容积16基本由额定电流触点8、绝缘喷嘴13和燃弧触点11限制，此加热容积16通过阀门19与开关1的压缩容积17连接。

两个触点结构的另一触点结构包括设置在开关室容积5中的燃弧触点10、内部额定电流触点6和外部额定电流触点7。空心圆柱形形成的燃弧触点10可逆着弹簧14力沿着纵轴线A运动，并且通过弹簧14在管状段20中导引，此管状段通到排放容积13中。由此使灭弧气体穿过空心的燃弧触点10逸流到排放容积13中。内部额定电流触点6作为弹性触指形成并且形成触指环22，围绕它同轴地设置同样作为弹性触指形成的且同样形成触指环23的外部额定电流触点7。外部额定电流触点7围绕内部额定电流触点6的同轴布置的优点是，通过这个结构可以加大额定电流触指的数量并由此加大在开关1上起作用的触点面积，这又提高功率开关1的电流承载性，但是不加大功率开关1的直径或体积。因此可以提高待传递的单位开关体积的电流密度。不仅由内部额定电流触点6形成的环22，而且由外部额定电流触点7形成的环23都在开关1中与额定电流触点支承体21固定连接。为此将环22和环23旋到额定电流触点支承体21上，由此可方便地更换内部额定电流触点6或外部额定电流触点7。如图1所示，内部额定电流触点6在纵轴线A的方向上突出于外部额定电流触点7，并且由此设置在外部额定电流触点7的前面。内部和外部额定电流触点6和7相互间导电地连接。

图2a至图2d示出在图1中所述的功率开关1的不同通断阶段。图2a示出开关1的开关位置“断开”，在图2b中示出开关1的开关位置“燃弧触点系达成接触”，图2c示出开关1的开关位置“内部额定电流触点达成接触”，最后图2d示出开关1的开关位置“接通”。

在开关1接通运动期间，燃弧触点11与额定电流触点8并与绝缘喷嘴13在纵轴线A的方向上运动到内部和外部额定电流触点6和7以及燃弧触点10上，其中在接近时在燃弧触点10与燃弧触点11之间形成电弧。电弧这样长时间地燃烧，直到它达到在图2b中所示的开关位置“触点功能燃弧触点系”，并且两个燃弧触点10和11的两个顶面接触并因此导电地接通。因此总电流在这个开关状态下通过开关1的燃弧触点系12流动。

几毫秒后，功率开关1占据开关位置“内部额定电流触点达成接触”，它在图2c中示出。该触点功能通过内部额定电流触点6与对置的额定电流触点8之间的物理接触的瞬间进行定义。由内部弹性的额定电流触点6形成的环22的外径相对于作为空心圆柱体形成的额定电流触点8的内径这样选择，使额定电流触点8在克服接触力的条件下通过额定电流触点6进行移动，由此使作为空心圆柱体形成的额定电流触点8的内侧面搭接并接触由额定电流触点6形成的环23的外侧面。由于在额定电流触点系9中的电阻比在燃弧触点系12中小得多，使电流从燃弧触点系12转换到额定电流触点系9上，由此使在开关1中流动的电流在这个瞬间由额定电流触点系9和与其导电并联的燃弧触点系12承载。同时燃弧触点10逆着弹簧14的弹簧力，并且通过接触的燃弧触点11的接通运动在排放容积16方向上进行挤压。

此外，在接通运动期间，通过未示出的驱动装置驱动的额定电流触点8移向内部和外部额定电流触点6和7。通过这种方式达到开关位置“接通”，如图2d所示。由外部弹性的额定电流触点7形成的环23的内径在这里相对于由空心圆柱体形成的额定电流触点8的外径这样选择，使内部额定电流触点6在克服附加的接触力的条件下通过额定电流触点8进行移动，由此使由额定电流触点6形成的环22的内侧面搭接并接触作为空心圆柱体形成的额定电流触点8的外侧面。因此由于由内部和外部额定电流触点6和7施加的接触力，使额定电流触点8夹紧在内部与外部额定电流触点6和7之间。

由于内部额定电流触点6与外部额定电流触点7的相同电阻，使电流在开关1中基本分布在内部和外部额定电流触点6和7上。在此由外部额定电流触点7形成的触点环23承载总电流的约65％，而由内部额定电流触点6形成的环承载约35％的电流。在开关位置“接通”中，通过燃弧触点10和11形成的电流路径与通过内部额定电流触点6与对应额定电流触点8形成的电流路径是导电地并联，并且也与通过外部额定电流触点7与对应额定电流触点8形成的电流路径并联。由于额定电流触点系9的电阻与燃弧触点系12相比要小得多，可以忽略通过燃弧触点10，11的电流。

在图3中示出的曲线图定性地示出作用力，它作用于内部和外部额定电流触点6和7上，并且示出由此引起的在额定电流触点系9上的摩擦力FR，它必须利用驱动装置来克服，用于保证触点结构的接通运动。一方面，摩擦力(未示出)在纵轴线A的方向上抵消由内部和外部额定电流触点6，7引起的接通运动，它们在额定电流触点8上滑动。另一方面，产生电磁力，它垂直于接通方向起作用，并由在内部和外部额定电流触点6，7中的电流引起。在开关1中升高的电流也起到使外部额定电流触点7与对应额定电流触点8之间的接触力升高的作用。

对于时刻t0，开关1位于开关状态“断开”，如图在图2a中所示的那样。触点结构的电流中断，起作用的力的总和为零。在接通运动中，在时刻t1在燃弧触点系12闭合并且两个燃弧触点10，11接触以后(图2b)，经过如图2c中所示的开关状态“内部额定电流触点达成接触”。在此在对应额定电流触点8与内部额定电流触点6之间的额定电流触点系9上产生摩擦力，这是由减小的电磁力F1引起的。力F1是通过内部额定电流触点6中的电流引起的。这个电磁力F1抵消额定电流触点8与内部额定电流触点6之间的顶压力。因此在电流通过内部额定电流触点6瞬间，顶压力和与此相关的、在额定电流触点8与内部额定电流触点6之间派生的摩擦力FR减小。因此派生的摩擦力FR在电流通过内部额定电流触点6流动时小于在没有电流流动时产生的摩擦力。在开关1继续闭合运动期间，在时刻t2达到在图2d中所示的开关位置“接通”，从此刻附加地产生摩擦力，此摩擦力是由于在额定电流触点8与外部额定电流触点7之间形成接触而产生的。同时部分电流从内部额定电流触点6转换到外部额定电流触点7上。这种转换一方面起到减小内部额定电流触点6上的电磁力F1的作用，同时使电磁力F作用于外部额定电流触点7上，它提高这个触点7的顶压力。因此从时刻t2开始，由内部和外部额定电流触点6和7在对应额定电流触点8上的顶压力、以及由于内部额定电流触点6中的电流引起的减小摩擦力FR的电磁力F1分量、以及由于在外部额定电流触点7中的电流引起的增加摩擦力FR的电磁力FA的分量，产生了派生的摩擦力FR。电流分布在额定电流触点6，7上，由此约65％在外部额定电流触点7上流动，并且约35％在内部额定电流触点6上流动。因此作为外部额定电流触点7的补充，内部额定电流触点6的存在减小了在触点上产生的摩擦力，这是与在功率开关中产生的力进行比较，此力只具有这样的额定电流触点，即此额定电流触点从外部作用于内置的对应额定电流触点上。

Claims (13)

1.一种功率开关(1),它能够由灭弧气体充满，具有两个彼此相对地且沿着功率开关(1)的纵轴线(A)可移动的触点结构，这些触点结构具有燃弧触点系(12)和与其导电并联的额定电流触点系(9)，其中额定电流触点系(9)是具有最小电阻的触点系并且设计成用于持续地导引在功率开关(1)中流动的额定电流，其特征在于，其中一个触点结构包括额定电流触点系(9)的内部额定电流触点(6)和外部额定电流触点(7)，内部额定电流触点(6)在纵轴线(A)的方向上突出于外部额定电流触点(7)，并且外部额定电流触点(7)同轴地包围内部额定电流触点(6)，并且，其中，首先是所述内部额定电流触点(6)与对应的额定电流触点(8)达成接触，然后是所述外部额定电流触点(7)与同一所述对应的额定电流触点(8)达成接触。

2.如权利要求1所述的功率开关(1)，其特征在于，在功率开关(1)的接通阶段下，其中一个触点结构的内部额定电流触点(6)和外部额定电流触点(7)与另一触点结构的对应额定电流触点(8)处于物理接触，并由此形成两个并联的额定电流路径。

3.如权利要求1所述的功率开关(1)，其特征在于，所述内部额定电流触点(6)由与外部额定电流触点(7)相同的材料制成，并且具有相同的电阻。

4.如权利要求1-3中任一项所述的功率开关(1)，其特征在于，不仅内部额定电流触点(6)而且外部额定电流触点(7)都作为弹性触指形成。

5.如权利要求4所述的功率开关(1)，其特征在于，在功率开关(1)的接通阶段下，接触力在内部额定电流触指(6)与外部额定电流触指(7)之间起作用。

6.如权利要求5所述的功率开关(1)，其特征在于，这样调整在功率开关(1)的接通阶段中起作用的接触力，使得接触力随着功率开关(1)中的电流升高而增加。

7.如权利要求2至3中任一项所述的功率开关(1)，其特征在于，所述对应额定电流触点(8)由空心圆柱体形成。

8.如权利要求2至3中任一项所述的功率开关(1)，其特征在于，通过外部额定电流触点(7)与环形设置的内部额定电流触点(6)的同轴布置，形成环形缝隙(24)，对应额定电流触点(8)在功率开关(1)闭合时进入到该环形缝隙中。

9.如权利要求1-3中任一项所述的功率开关(1)，其特征在于，所述内部额定电流触点(6)和外部额定电流触点(7)分别利用螺栓连接固定在功率开关(1)中。

10.如权利要求1-3中任一项所述的功率开关(1)，其特征在于，所述燃弧触点系通过两个活动的、空心圆柱体形的燃弧触点(10,11)形成，并且燃弧触点(10,11)在功率开关(1)的接通阶段下在端面上接触。

11.一种用于接通高压或中压的电功率开关(1)的方法，该电功率开关具有两个触点结构，它们包括具有第一和第二燃弧触点(10,11)的燃弧触点系(12)以及与其导电并联的额定电流触点系(9)，并且其中额定电流触点系(9)是具有最小电阻的触点系，并且设计成用于持续地导引在电功率开关(1)中流动的额定电流，该方法包括：

－使两个触点结构彼此相对地且沿着电功率开关(1)的纵轴线(A)运动，

－在第一阶段中，由作为空心圆柱体形成的第一燃弧触点(10)与起到对应触点作用且由作为空心圆柱体形成的第二燃弧触点(11)在空心圆柱体端面上接触，

－在后继阶段中，使额定电流触点系(9)接触，其特征在于，在具有对应额定电流触点(8)、内部额定电流触点(6)和外部额定电流触点(7)的额定电流触点系(9)中，内部额定电流触点(6)在纵轴线(A)方向上突出于外部额定电流触点(7)，外部额定电流触点(7)同轴地包围内部额定电流触点(6)，并且首先是内部额定电流触点(6)然后是外部额定电流触点(7)与对应额定电流触点(8)达成接触。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于方法步骤：通过使内部额定电流触点(6)和外部额定电流触点(7)与公共的对应额定电流触点(8)接触，来形成两个并联的额定电流路径。

13.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于方法步骤：使对应额定电流触点(8)进入到环形的缝隙(24)中，它通过外部额定电流触点(7)与环形设置的内部额定电流触点(6)的同轴布置形成。