CN102280306A - 气体绝缘高压开关 - Google Patents

Abstract

本发明名称为气体绝缘高压开关，涉及一种高压开关，具有带有两个电弧接触部的接触装置，其中一个能移动地安装，抵抗预加应力弹簧的作用。在接触装置闭合时，两个电弧接触部的自由端彼此支撑。接触装置打开时，两个电弧接触部分离且在此形成容纳压缩的电弧气体的电弧区，该电弧区由两个电弧接触部的自由端轴向地且由绝缘管嘴径向向外地限定。为了在中断大短路电流时阻止能移动地安装的电弧接触部的回程，抵抗预加应力弹簧的作用，开关具有用作复位装置的活塞-汽缸-系统，该活塞-汽缸-系统和电弧区相通且其利用在电弧区中形成的、压缩的电弧气体的增加的压力产生支持预加应力弹簧的恢复力的反作用力。

Description

气体绝缘高压开关

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的高压开关。

上述类型的开关实施为功率开关，并且在多于数kV的电压范围中具有至少数kA的额定电流承载能力。通常该开关用作发电机开关，并且因此包括能施加高额定电流的接触装置，该接触装置具有两个(分别包括一个额定电流接触部和一个电弧接触部的)开关件，其中绝缘管嘴固定在第一个开关件上。第二开关件的电弧接触部能轴向移动地安装，抵抗预加应力弹簧在固定的接触部支架中的作用。在接触装置闭合时，两个电弧接触部的自由端在形成由预加应力弹簧产生接触力的情况下彼此支撑。在接触装置打开时，两个电弧接触部仅仅在开关件预定的冲程之后才彼此分离。在此形成容纳压缩的电弧气体的电弧区，该电弧区由两个电弧接触部的自由端轴向地并且由绝缘管嘴(Isolierduese)径向向外地限定。

背景技术

开头所提及类型的开关在CH519238中已经说明。该开关具有壳体，该壳体填充了具有灭弧特性的绝缘气体并且容纳了接触装置，该接触装置具有两个能沿着轴线彼此相对运动的、分别带有额定电流接触部和设计为喷管的电弧接触部的开关件。两个开关件中能通过驱动器运动的第一开关件支承绝缘管嘴，在开关闭合时第二开关件的电弧接触部被引导通过该绝缘管嘴。该电弧接触部设计为追踪接触部(Nachlaufkontakt)并利用预加应力弹簧给追踪接触部加负荷。在开关闭合时，在形成足够的接触力的情况下支撑追踪接触部，其中追踪接触部的背离弹簧的自由端在第一开关件的电弧接触部的背离驱动器的自由端上。在切断时，预加应力弹簧使追踪接触部经过预定的路程追随第一开关件，由此较小地保持第一开关件的冲程，并且此外在切断过程的开始阶段中相对于开关节约驱动能量，其中两个电弧接触部利用摩擦接触重叠。

发明内容

本发明如其在权利要求中给出的那样，目的在于，给出一种开头提到类型的开关，其仅仅需要小驱动能量并且特征却在于大可靠性和高寿命。

根据本发明在权利要求1中定义的气体绝缘高压开关包括接触装置，该接触装置具有两个能沿着轴线彼此相对运动的开关件，开关件分别带有电弧接触部和固定在两个开关件中的第一开关件上的绝缘管嘴。在该开关中，第二开关件的电弧接触部能轴向移动地安装，抵抗预加应力弹簧的作用，在接触装置闭合时，两个电弧接触部的自由端在形成由预加应力弹簧产生的接触力的情况下彼此支撑，以及在接触装置打开时这两个电弧接触部彼此分离，并且在此形成容纳压缩的电弧气体的电弧区，该电弧区由两个电弧接触部的自由端轴向地并且由绝缘管嘴径向向外地限定。第二开关件具有用作复位装置的活塞-汽缸-系统，该活塞-汽缸-系统和电弧区相通(kommunizieren)，并且该活塞-汽缸-系统利用在电弧区中形成的、压缩的电弧气体的增加的压力产生支持预加应力弹簧的恢复力(ruecktreibende Kraft)的复位力(Rueckstellkraft)。恢复力和复位力作用在相同方向上。两个力因而像更硬的弹簧一样、即好像预加应力弹簧具有更大弹性系数一样地作用。

通过将电弧区和活塞-汽缸-系统相通，将在电弧接触部分离时通过开关电弧形成的电弧气体的部分从电弧区中导向活塞-汽缸-系统。因此在活塞-汽缸-系统中通过从电弧区流入的气体的压力形成复位力。该复位力反向于电弧接触部的运动方向从电弧区向外指向。在切断过程开始时，两个电弧接触部的彼此间距相应地保持小，并且因此阻止形成高电弧电压，并且从该电压可以在开关电弧中产生大能量交换。因此，在中断大的、特别是非对称的短路电流时，在中断过程开始时由于在开关电弧中大的能量交换而避免过度的接触部烧损和强烈的电弧气体污染。因而，开关的可靠性和寿命相对于根据现有技术可比较的开关显著地得到改善。

因为活塞-汽缸-系统在断开大短路电流时支持弹簧的预应力，因此弹簧的刚性可以保持相对较小。在开关闭合时因此避免不期望的、在使用高刚性的弹簧时会出现的剧烈接触部颤动(Kontaktprellen)。

除了第二开关件的电弧接触部之外，如果活塞-汽缸-系统包括和电弧区相通的增压室(Druckraum)，该增压室由活塞-汽缸-系统的活塞的第一端面限定，并且如果活塞的背离增压室的第二端面和第二开关件的直径小于活塞直径的电弧接触部刚性连接，则在根据本发明的开关中无需其它运动的部件。

为了阻止电弧气体侵入活塞-汽缸-系统的、通过活塞与增压室分离的体积中，引导第二开关件的电弧接触部通过接触部支架的、相对于电弧气体屏蔽活塞的第二端面的壁部段。

活塞-汽缸-系统的径向向外限定增压室的空心汽缸保持在接触部支架的壁部段上时，确保了根据本发明的开关的紧凑结构。

为了利用简单的方式径向向内限定增压室，有利的是，活塞杆安装在轴向限定增压室的第一端面上，并且轴向被引导通过增压室的排气道形成在第二开关件的电弧接触部、活塞和活塞杆中，该排气道使电弧区和开关的排气室连接。该活塞杆可以能够轴向移动地引导通过空心汽缸的、轴向限定增压室的底部。

预加应力弹簧可布置在增压室中，以及利用一个端支撑在活塞的第一端面上并且利用相反的端支撑在汽缸底部上。

有利地，电弧区经过环形设计的膨胀室和增压室连接。在电弧区中形成的热电弧气体在其朝向增压室的路径上首先绝热地在该膨胀室中膨胀。电弧气体在此冷却并且以相比较而言低的温度出现在增压室中。该低的温度促使通常布置在增压室中的弹簧不松弛。

膨胀室的壁可径向向外地由用作绝缘管嘴的纵向导向部的、保持在接触部支架上的套管并且径向向内地由第二开关件的电弧接触部构成，并且膨胀室可以经过布置在绝缘管嘴和第二开关件的电弧接触部之间的环状间隙与电弧区连接，并且经过至少一个通道与增压室相通，其中通道被引导通过接触部支架的壁部段和空心汽缸。

附图说明

下面根据附图详细说明本发明。在此，该唯一的附图示出了根据本发明的高压开关的一个优选实施方式的沿着轴线A被引导的剖面的俯视图，示出了该附图的在中断高短路电流时的位于轴线左边的部分以及在接通状态时的位于轴线右边的部分。

在参考标号列表中总结地列出了在附图中使用的参考标号及其含义。原则上在图中相同的部件或者作用相同的部件具有相同或类似的的参考标号。部分地未示出对于理解本发明不重要的部分。所说明的实施例示例性地代表了发明内容，并且没有限制作用。

具体实施方式

在唯一的附图中示出的根据本发明的高压开关设计为发电机开关，并且典型地设计用于24kV的额定电压、6.3kA的额定电流、63kA的允许的短路电流和50/60赫兹的额定频率。该开关具有壳体10，其填充了具有灭弧特性的、例如以六氟化硫和/或氮和/或二氧化碳为基础的、通常直至数bar的压力的绝缘气体。在附图中示出的壳体上部具有空心圆柱形的绝缘体11以及两个分别用作电流连接端的金属板12，13，绝缘体气密地法兰连接(eingeflanscht)在金属板12，13之间。在壳体10中设置了和电流连接端12，13导电连接的接触装置，其具有两个能沿着轴线A彼此相对运动的开关件20和30。开关件20和未示出的驱动器连接并且如通过双箭头D表示的那样在闭合时沿着轴线A向上引导开关件20并且在打开时沿着轴线A向下引导开关件20。

开关件20以轴向对称的布置具有管形的电弧接触部21和间隔地围绕该接触部的额定电流接触部22，然而，开关件30以轴向对称的布置包括同样管形设计的电弧接触部31，和间隔地围绕电弧接触部31的额定电流接触部32，其包括接触爪的外凸缘(Kranz)和内凸缘并且因而有利于传输高额定电流。能相对于额定电流接触部32沿着轴线A移动地安装电弧接触部31，并且在开关闭合时(图的右半部)利用其防电弧设计的自由端借助于预加应力弹簧33在构成足够的接触力的情况下支撑在电弧接触部21的同样防电弧设计的自由端上。

对于开关件20，电弧接触部21和额定电流接触部22经过径向延伸的壁23导电连接。在开关件20上固定了包括典型的PTFE的绝缘管嘴40，绝缘管嘴40布置在电弧接触部21和额定电流接触部22之间并且其自由端伸出。电弧接触部21和额定电流接触部22经过径向延伸的壁23导电连接并且与壁23和管嘴40一起限定加热体积(Heizvolumen)24，该加热体积在开关打开时(图的左半部)和电弧区L相通，该电弧区容纳开关电弧S并且由两个电弧接触部21，31的朝向彼此的自由端轴向地并且由绝缘管嘴40径向向外地限定。加热体积24用于容纳压缩的电弧气体，该电弧气体在开关打开时通过开关电弧S在电弧区中形成并且经过加热通道25输送。

将开关件20沿着轴线A气密滑行地并且导电地引导到固定的、金属的空心汽缸14中。空心汽缸导电地固定在用作电流连接端的板12上。空心汽缸14和板12的中央部段构成活塞-汽缸-压缩装置的、具有压缩室26的固定汽缸。位于压缩室26中的绝缘气体在开关打开时借助于然后向下引导的、用作活塞的开关件20进行压缩。如果加热体积24中的气压小于压缩室26中的气压，则压缩的绝缘气体由压缩室26引导到加热体积24中。

开关件30具有设计为罐状的接触部支架50。接触部支架在其用作罐边缘的端处导电地固定在用作电流连接端的金属板13上。接触部支架50的用作罐底的壁部段51具有中央开口51a，并且支承布置在罐内的、同轴围绕中央开口的空心汽缸52。在空心汽缸52的、背离壁部段51的端部中集成了径向向内延伸的汽缸底部53，中央开口53a形成在汽缸底部中。在壁部段51的较外边缘区域中，以同轴布置将额定电流接触部32导电地固定在外部而将套管(Huelse)34导电地固定在内部。

空心汽缸52是具有和电弧区L相通的增压室(Druckraum)61的活塞-汽缸-系统60的一部分。该增压室在轴向方向上由汽缸底部53并且由导入空心汽缸52中的活塞62的端面62a限定。在径向方向上，增压室向外通过空心汽缸52并且向内通过安装在端面62a上的活塞杆63限定。活塞杆通过开口53a导入开关的排气室P中，其经过未示出的开口与壳体10的内部相通。活塞62在其背离增压室61的端面62b处和直径比活塞62小的电弧接触部31刚性连接。电弧接触部31通过开口51a从被空心汽缸52包围的空间中导出。壁部段51因而相对于通过绝缘管嘴40膨胀的电弧气体对端面62b进行屏蔽。轴向被引导通过增压室61的、具有管嘴功能的排气道35形成在电弧接触部31、活塞62和活塞杆63中，该排气道使电弧区L和开关的排气室P连接。

预加应力弹簧33布置在增压室61中，并且在形成接触力的情况下利用其下端支撑在端面62a上并且利用相对设置的上端支撑在汽缸底部53上。

利用参考标号E表示了膨胀室，其壁径向向外地由套管34并且径向向内地由电弧接触部31构成。膨胀室的底部由绝缘管嘴40构成并且顶盖由壁部段51构成。膨胀室E经过环形间隙41和电弧区L连接，该环形间隙径向向外地由绝缘管嘴40并且径向向内地由电弧接触部31限定。导入接触部支架50的壁部段51中和空心汽缸52中的通道54使膨胀室E和增压室61连接。

在开关闭合时，电流主要从连接端12经过空心汽缸14、未示出的滑动接触部、额定电流接触部22，32和接触部支架50导向连接端13。在短路电流断开时，驱动器D向下引导开关件20。在此通过预加应力接触弹簧33在保持所需的接触力的情况下追踪在接通位置(图的右半部)支撑在电弧接触部21上的电弧接触部31。该接触力在额定电流接触部22，32分离后和电流换向到包括连接壁23、电弧接触部21，31、未示出的滑动接触部和壁部段51的电流通路中之后也仍存在。一旦活塞的端面62b抵靠在壁部段51上，两个电弧接触部21，31就分离并且在其彼此相对设置的自由端之间构成开关电弧S。电弧S产生热的、处于压力下的(unter Druck stehendes)气体，其一方面经过加热通道25膨胀到加热体积24中，并且另一方面经过排气道35和形成在电弧接触部21中的、具有管嘴功能的排气道27进入壳体10内部。在要断开的电流接近过零时，在加热体积24中存储的气体吹(beblaesst)电弧S，通过来自压缩室26的压缩的绝缘气体来支持，这导致电流中断。

在断开大的、通常不对称的短路电流时，在电弧区L中出现了特别高的气压，该气压对电弧接触部31施加了反作用于预加应力弹簧33的力。同时两个电弧接触部21，31由于较强的电动力而被推开。因而，在断开这种短路电流时相当大的反向力作用在预加应力弹簧33上。为了避免接触部31在非对称的短路电流中断时反向于开关件20的运动并且反向于弹簧33的力向上引回，部分电弧气体由电弧区经过环形间隙41、膨胀室E和通道54导入增压室61。该气体在增压室61中形成压力，该压力对活塞62并且进而也对接触部31施加复位力。该复位力和电弧区L中存在的电弧气体的压力成比例并且支持弹簧33的预应力。因此在电流中断开始时避免了两个电弧接触部21和31的不期望的大间距和相应的高电弧电压。高电弧电压大大地提高了在开关电弧S中转换的能量并且已经在中断过程开始时导致过量的接触部烧损和强烈的气体污染，由此大大降低了开关的寿命和可靠性。

环形间隙41的流动面积显著小于膨胀室E的流动面积、或者说流动通道54的流动面积。因而，由电弧区L导入增压室51的电弧气体在从环形间隙排出之后绝热地在膨胀室中膨胀。由此减小了在膨胀室E中膨胀的电弧气体的压力和温度。因为膨胀室由于在绝缘管嘴40的侧面(Mantelflaeche)上滑动的套筒34和封闭中央开口51a的电弧接触部31而具有足够的不透气性，因此冷却的电弧气体的过量部分由膨胀室E经过通道54流入增压室61。尽管导入该室中的气体压力显著地小于电弧区域L中电弧气体的压力，但是该压力足以避免电弧接触部31的回程。这由此实现，即阻止回程的复位力通过在增压室61中起作用的活塞面F₁实现，其明显地比在电弧室L中相反设置的、施加压力的活塞面F₂大多倍，该活塞面F₂由电弧接触部31的开放的、支承开关电弧的足点的端构成。

因为在膨胀室E中强烈地冷却了电弧气体并且因为在增压室61中冷却的电弧气体的相比较较短的停留时间，弹簧33不松弛，并且能够无问题地实现弹簧的包括追踪(Nachlaufen)和接触的功能。因为用作复位装置的活塞-汽缸-系统60在断开大的、特别是不对称的短路电流时支持弹簧33的预应力，因此弹簧的刚性相对较小地保持。在开关闭合时因此避免了不期望的、在使用高刚性的弹簧时会出现的剧烈的接触部颤动。

参考标号表

10        壳体

11        绝缘体

12，13    金属板，电流连接端

14        空心汽缸

20        开关件

21        电弧接触部

22        额定电流接触部

23        连接壁

24        加热体积

25        加热通道

26        压缩室

27        排气道

30        开关件

31        电弧接触部

32        额定电流接触部

33        接触部弹簧

34        套筒

35        排气道

40        色缘管嘴

41        环形间隙

50        接触部支架

51        接触部支架的壁部段

51a       壁部段中的开口

52        空心汽缸

53        汽缸底部

53a       汽缸底部中的开口

54        通道

60        活塞-汽缸-系统，复位装置

61        增压室

62        活塞

62a，62b  活塞62的端面

63        活塞杆

A         轴线

D         驱动器

E         膨胀室

F₁，F₂    施加压力的活塞面

L         电弧区

P         排气室

S         开关电弧

Claims (9)

1.一种具有接触装置的气体绝缘高压开关，该接触装置具有两个能沿着轴线(A)彼此相对运动的、分别带有电弧接触部(21，31)的开关件(20，30)和固定在两个开关件中的第一开关件(20)上的绝缘管嘴(40)，其中轴向能移动地安装第二开关件(30)的电弧接触部(31)，抵抗预加应力弹簧(33)的作用，其中在所述接触装置闭合时，两个电弧接触部(21，31)的自由端在形成由预加应力弹簧(33)产生的接触力的情况下彼此支撑，并且其中在所述接触装置打开时，所述两个电弧接触部(21，31)彼此分离并且在此形成容纳压缩的电弧气体的电弧区(L)，该电弧区由所述两个电弧接触部(21，31)的自由端轴向地并且由所述绝缘管嘴(40)径向向外地限定，其特征在于，所述第二开关件(30)具有用作复位装置的活塞-汽缸-系统(60)，该活塞-汽缸-系统和所述电弧区(L)相通，并且该活塞-汽缸-系统利用在所述电弧区(L)中形成的、压缩的电弧气体的增加的压力产生支持所述预加应力弹簧(33)的恢复力的复位力。

2.根据权利要求1所述的开关，其特征在于，所述活塞-汽缸-系统(60)包括和所述电弧区(L)相通的增压室(61)，所述增压室(61)由所述活塞-汽缸-系统(60)的活塞(62)的第一端面(62a)限定，并且所述活塞(62)的、背离所述增压室(61)的第二端面(62b)和所述第二开关件(30)的、直径小于所述活塞直径的电弧接触部(31)刚性连接。

3.根据权利要求2所述的开关，其特征在于，引导所述第二开关件(30)的所述电弧接触部(31)通过接触部支架(50)的、相对于所述电弧气体屏蔽所述活塞(62)的所述第二端面(62b)的壁部段(51)。

4.根据权利要求3所述的开关，其特征在于，所述活塞-汽缸-系统(60)的径向向外限定所述增压室(61)的空心汽缸(52)保持在所述接触部支架(50)的所述壁部段(51)上。

5.根据权利要求4所述的开关，其特征在于，径向向内限定所述增压室的活塞杆(63)安装在轴向限定所述增压室(61)的第一端面(62a)上，并且轴向被引导通过所述增压室(61)的排气道(35)形成在所述第二开关件的所述电弧接触部(31)、所述活塞(62)和所述活塞杆(63)中。

6.根据权利要求5所述的开关，其特征在于，能轴向移动地引导所述活塞杆(63)通过所述空心汽缸(52)的、轴向限定所述增压室(61)的底部(53)。

7.根据权利要求6所述的开关，其特征在于，所述预加应力弹簧(33)布置在所述增压室(61)中，以及利用一个端支撑在所述第一端面(62a)上并且利用相反的端支撑在所述汽缸底部(53)上。

8.根据权利要求3至7中任一项所述的开关，其特征在于，所述电弧区(L)经过环形设计的膨胀室(E)和所述增压室(61)连接。

9.根据权利要求8所述的开关，其特征在于，所述膨胀室(E)的壁径向向外地由用作所述绝缘管嘴(40)的纵向导向部的、保持在所述接触部支架(50)上的套管(34)并且径向向内地由所述第二开关件的所述电弧接触部(31)构成，并且所述膨胀室(E)经过布置在所述绝缘管嘴(40)和所述第二开关件(30)的所述电弧接触部(31)之间的环状间隙(41)与所述电弧区(L)连接，并且经过至少一个通道(54)与所述增压室(61)相通，该通道被引导通过所述接触部支架(50)的所述壁部段(53)和所述空心汽缸(52)。

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