CN110875162A - 基于电磁斥力机构的机械快速开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁斥力机构的机械快速开关，属于开关柜技术领域。本发明包括连接杆、双稳态保持机构、操作机构和一组电磁斥力机构；所述连接杆在所述电磁斥力机构或操作机构的驱动下运动，使所述机械快速开关分闸；所述连接杆在所述操作机构的驱动下运动，使所述机械快速开关合闸；在连接杆分闸或合闸运动时，所述双稳态保持机构对连接杆的分合闸状态施加保持力；快速分闸过程中，电磁斥力机构与操作机构完全独立；且电磁斥力机构与操作机构均可以实现分闸操作。本发明可以实现断路器的小型化和集约化；解决了电磁斥力机构与合闸保持机构的刚性碰撞问题；可以实现正常工况和故障工况下采用不同的分闸操作方式。

Description

基于电磁斥力机构的机械快速开关

技术领域

本发明属于开关柜技术领域，具体涉及一种基于电磁斥力机构的机械快速开关。

背景技术

近年来随着分布式电源和储能装置的大规模接入、电力电子技术的快速发展以及直流负荷的增长，直流配电越来越受到关注。特别是某些特定场合，如大型船舶供电系统、城市轨道交通供电系统等直流系统得到了长足发展。随着直流系统容量的持续增长和电压等级的不断提高，直流断路器的短路电流峰值和开断时间的指标也在不断提高。传统的机械开关虽然带负载能力强，导通稳定的优点，但是响应速度慢，一般在5～20ms左右，不能满足一些需要快速动作要求；电力电子开关响应速度快，但其通态损耗过大，耐压能力低。

由于快速机械开关和大功率半导体器件组成的混合式直流断路器具有通流容量大、关断速度快，限流能力强等优点，在直流开断领域具有很大的潜力。混合式直流断路器要求快速机械开关能够实现触点高速分离，便于电流向转移支路转移，同时要求快速机械开关能够获得尽量大的初始速度尽快形成绝缘间隙，抵抗之后机械断路器断口间出现的一个很高的瞬态恢复电压。现阶段快速机械开关大多使用双电磁斥力机构，需要两个斥力线圈，两套驱动回路，机构和驱动回路体积较大，成本高，不利于断路器小型化、集约化。因此现阶段的电磁斥力快速机械开关多处于理论研究和原理样机阶段，尚无可靠的工程应用案例，严重影响了混合式直流断路器的发展和使用。

例如申请号为CN201620362749.5的中国专利公开的一种基于永磁保持机构的快速开关，包括斥力机构和永磁机构，包括依次连接的上导杆、真空灭弧室、中导杆、绝缘子、下导杆和保持用动铁芯，其特别之处在于：在所述下导杆上套装有斥力盘，在该斥力盘上方安装有分闸线圈而在其下方安装有合闸线圈；在所述保持用动铁芯上方安装有上保持用静铁芯，在该上保持用静铁芯中间安装有合闸保持永磁铁，而在该保持用动铁芯下方安装有下保持用静铁芯，在该下保持用静铁芯中间安装有分闸保持永磁铁。其中合闸保持永磁铁下端比上保持用静铁芯下端短，从而在上保持用静铁芯下端形成凹槽作为上气隙；其中分闸保持永磁铁上端比下保持用静铁芯上端短，从而在下保持用静铁芯上端形成凹槽作为下气隙。永磁保持部分用于为断路器中的灭弧室触头提供分闸保持力和合闸保持力，使断路器处于稳定的分闸状态或者合闸状态；电磁斥力操动部分在分、合闸操作过程中提供电磁力，使断路器由分闸变为合闸，或者由合闸变为分闸。

但是上述快速开关使用双电磁斥力机构，需要两个斥力线圈，两套驱动回路，机构和驱动回路体积较大、成本高，不利于断路器小型化、集约化。

申请号为201710859374.2的中国专利申请公开了一种直流断路器的操动装置，其包括真空泡、斥力机构和经由连杆连接所述斥力机构的电磁机构，所述真空泡内设有由静触头和动触头构成的机械触头，所述动触头经由绝缘拉杆连接斥力机构，所述斥力机构包括分闸线圈、斥力盘、充放电回路和控制所述充放电回路触发分闸操作的第一控制器，所述斥力盘经由动导杆连接连杆，分闸线圈位于斥力盘上方且间隙不大于3.5mm；所述电磁机构包括环形中空的静铁芯、动铁芯、吸和线圈、保持线圈、分闸复位弹簧、触头弹簧和第二控制器。

但是上述操动装置采用单电磁斥力机构实现快速分闸，采用电磁铁作为合闸保持机构，采用电磁铁线圈断电和反向充电，以及与分闸弹簧配合的方式实现额定分闸。由于电磁斥力机构能在几十到数百微秒的时间内快速达到推力峰值，远快于电磁铁的动作时间，导致电磁斥力机构快速分闸时，斥力盘带动连杆向下移动，此时电磁铁仍提供合闸保持力，分闸弹簧会因压缩而产生反向作用力，因而会降低快速机械开关的分闸速度，增加分闸时间，同时会造成电磁斥力机构与合闸保持机构的刚性碰撞，造成弹跳现象。

发明内容

本发明目的是提供一种基于电磁斥力机构的机械快速开关，不仅可靠性高、结构简单、体积小、分闸速度快，还可以解决电磁斥力机构与合闸保持机构的刚性碰撞问题。

具体地说，本发明是采用以下技术方案实现的：包括连接杆、双稳态保持机构、操作机构和一组电磁斥力机构；所述连接杆在所述电磁斥力机构或操作机构的驱动下运动，使所述机械快速开关分闸；所述连接杆在所述操作机构的驱动下运动，使所述机械快速开关合闸；在连接杆分闸或合闸运动时，所述双稳态保持机构对连接杆的分合闸状态施加保持力。

进一步而言，所述电磁斥力机构包括斥力线圈和斥力盘，所述斥力盘固定于连接杆上，通过斥力线圈对斥力盘施加斥力，驱动机械快速开关向分闸位置运动。

进一步而言，所述双稳态保持机构包括双稳态弹簧和连杆，所述双稳态弹簧的一端固定，另一端与连杆的一端相连，所述连杆的另一端连接所述连接杆；在连接杆向分闸位置或合闸位置运动时，所述双稳态弹簧保持压缩状态，通过连杆对连接杆施加分闸或合闸状态的保持力。

进一步而言，所述双稳态保持机构包括双稳态碟簧，所述双稳态碟簧的外端固定，内端与连接杆固定连接；在连接杆向分闸位置或合闸位置运动时，所述双稳态碟簧保持压缩状态，通过双稳态碟簧对连接杆施加分闸或合闸状态的保持力。

进一步而言，所述连接杆与操作机构通过联锁机构连接，联锁机构中安装有卡臂；所述卡臂在所述机械快速开关完成合闸时收回所述联锁机构，在所述机械快速开关完成分闸时从所述联锁机构弹出；合闸时，操作机构与卡臂相抵接，推动连接杆向合闸位置运动。

进一步而言，所述操作机构为双稳态永磁机构，用于在正常工况下驱动所述连接杆运动实现所述机械快速开关的合闸和分闸，在故障工况下，通过所述电磁斥力机构使所述机械快速开关分闸。

进一步而言，所述操作机构为单稳态永磁机构或电磁机构，用于驱动所述连接杆运动使所述机械快速开关合闸，在正常工况和故障工况下，均通过所述电磁斥力机构使所述机械快速开关分闸。

进一步而言，所述联锁机构内开有锁定孔，所述操作机构上安装有锁定杆；所述锁定杆从锁定孔中穿过；所述锁定孔沿连接杆运动方向的尺寸不小于所述连接杆的最大行程。

进一步而言，所述电磁斥力机构和/或所述操作机构的下方安装有缓冲装置。

进一步而言，所述缓冲装置为油缓冲器、气体缓冲器、阻尼缓冲器或弹簧缓冲器。

本发明的有益效果如下：本发明的基于电磁斥力机构的机械快速开关，一方面本发明仅采用一组电磁斥力机构，相比双电磁斥力机构，能够有效减少斥力线圈和驱动回路数量，降低体积，节约成本，实现断路器的小型化和集约化，解决了快速机械开关机构和驱动回路体积较大、成本高的问题；另一方面，本发明在快速分闸过程中，电磁斥力机构与永磁机构完全独立，永磁机构不会影响电磁斥力机构的分闸速度，避免刚性碰撞导致的弹跳，提高快速机械开关的分闸速度，解决了电磁斥力机构与操作机构的刚性碰撞问题；再一方面，本发明的电磁斥力机构与永磁机构均可以实现分闸操作，提供了两组完全独立的分闸机构，在短路工况情况下，通过电磁斥力机构实现快速分闸，在正常工况下，通过永磁机构实现正常分闸，减少了永磁机构的动作次数，大幅提高快速机械开关的可靠性和工作寿命。

附图说明

图1是本发明实施例1的分闸完成状态结构示意图。

图2是本发明实施例1的合闸过程中间状态结构示意图。

图3是本发明实施例1的合闸完成状态结构示意图。

图4是本发明实施例1的正常分闸过程中间状态结构示意图。

图5是本发明实施例1的紧急分闸过程中间状态结构示意图。

图6是本发明实施例2的分闸完成状态结构示意图。

图7是本发明实施例2的合闸过程中间状态结构示意图。

图8是本发明实施例2的合闸完成状态结构示意图。

图9是本发明实施例2的分闸过程中间状态结构示意图。

图中的标号：1-真空灭弧室，2-绝缘拉杆，3-连接杆，4-斥力线圈，5-斥力盘，6-连杆，7-双稳态弹簧，8-缓冲装置，9-卡臂，10-联锁机构，11-锁定孔，12-锁定杆，13-双稳态永磁机构，14-双稳态碟簧，15-单稳态永磁机构。

具体实施方式

下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

本发明的一个实施例，为一种基于电磁斥力机构的机械快速开关。基于电磁斥力机构的机械快速开关的结构参见图1。

真空灭弧室1与连接杆3通过绝缘拉杆2连接。连接杆3上安装有电磁斥力机构和双稳态保持机构；斥力线圈4与斥力盘5组成电磁斥力机构，斥力盘5与连接杆3固定连接。双稳态保持机构包括双稳态弹簧7和连杆6，连杆6一端连接双稳态弹簧7，另一端连接连接杆3；在连接杆3上行或下行运动时双稳态弹簧7保持压缩状态，通过连杆6对连接杆3的状态施加保持力。本实施例中仅以双稳态弹簧进行举例说明，但不限于双稳态弹簧，还可以是其它种类的双稳态保持机构，例如双稳态碟簧，所使用的双稳态保持机构只要能够实现上述功能即可。操作机构采用双稳态永磁机构13，能够实现合闸以及分闸操作。连接杆3与双稳态永磁机构13通过联锁机构10连接，联锁机构10固定在连接杆3的下端；联锁机构10中安装有能够弹出、收回的卡臂9。联锁机构10内开有锁定孔11，双稳态永磁机构13上方安装有锁定杆12，锁定杆12可在锁定孔11内上下运动，锁定孔11的直径不小于连接杆12的最大行程即连接杆3在分闸时的最大行程；在斥力盘5与双稳态永磁机构13下方安装有缓冲装置8，起分闸过程中的缓冲作用。缓冲器8可以采用油缓冲器、气体缓冲器、阻尼缓冲器或弹簧缓冲器等来实现缓冲。

在正常工况下，机械快速开关采用双稳态永磁机构13来实现机械快速开关合闸操作、分闸操作，采用双稳态保持机构保持机械快速开关分闸状态、合闸状态。在故障工况下，机械快速开关采用电磁斥力机构来实现机械快速开关快速分闸操作。

具体分闸和合闸操作过程如下：

一、正常工况下合闸操作

参见图1，真空灭弧室1初始位置处于分闸完成状态，联锁机构10中的卡臂9处于弹出状态。参见图2，双稳态永磁机构13合闸动作，双稳态永磁机构13推动弹出的卡臂9向上运动，带动联锁机构10、连接杆3、绝缘拉杆2向上运动，使真空灭弧室1合闸。连接杆3带动双稳态保持机构向上运动，由于双稳态弹簧7保持压缩状态，因此对连杆6持续产生沿连杆6的作用力，从而对连接杆3施加向合闸位置的作用力，即双稳态保持机构处于合闸保持位置，提供真空灭弧室1的合闸状态保持力。参见图3，真空灭弧室1处于合闸位置后，卡臂9收回联锁机构10中。

二、正常工况下分闸操作

参见图3，真空灭弧室1初始位置处于合闸位置，联锁机构10中的卡臂9处于收回状态。参见图4，双稳态永磁机构13分闸动作，双稳态永磁机构13向下运动，克服双稳态保持机构提供的合闸状态保持力，双稳态永磁机构13上方的锁定杆12带动联锁机构10、连接杆3、绝缘拉杆2向分闸位置运动，使真空灭弧室1分闸。连接杆3带动双稳态保持机构向分闸位置运动，由于双稳态弹簧7保持压缩状态，因此对连杆6持续产生沿连杆6的作用力，从而对连接杆3施加向分闸位置的作用力，即双稳态保持机构处于分闸保持位置，提供真空灭弧室1的分闸状态保持力。在斥力盘5与双稳态永磁机构13处安装的缓冲装置8，起分闸过程中的缓冲作用。参见图1，真空灭弧室1处于分闸位置后，卡臂9从联锁机构10中弹出。

三、故障工况下紧急分闸

参见图3，真空灭弧室1初始位置处于合闸状态，联锁机构10中的卡臂9处于收回状态。参见图5，短路故障发生以后，斥力线圈4放电，斥力盘5开始分闸动作，产生的斥力克服双稳态保持机构7提供的合闸状态保持力，带动联锁机构10、连接杆3、绝缘拉杆2向分闸位置运动。此时联锁机构10中的卡臂9处于收回状态，卡臂9与双稳态永磁机构13没有接触。联锁机构10在不与双稳态永磁机构13产生接触的情况下开始故障分闸，可以缩短故障分闸时间。连接杆3带动双稳态保持机构向分闸位置运动，由于双稳态弹簧7保持压缩状态，因此对连杆6持续产生沿连杆6的作用力，从而对连接杆3施加向分闸位置的作用力，即双稳态保持机构处于分闸保持位置，提供真空灭弧室1的分闸状态保持力。参见图1，电磁斥力机构完成分闸动作后，双稳态永磁机构13向分闸位置运动，到达分闸位置后，联锁机构10中的卡臂9弹出，以便进行下个合闸循环。

实施例2：

本发明的另一个实施例，为一种基于电磁斥力机构的机械快速开关。基于电磁斥力机构的机械快速开关的结构参见图6。操作机构采用单稳态永磁机构15。本实施例中仅以单稳态永磁机构进行举例说明，但不限于单稳态永磁机构，还可以是其它种类的单稳态操作机构，所使用的单稳态操作机构只要能够实现单稳态的合闸功能即可。

在正常工况下，机械快速开关采用单稳态永磁机构15来实现机械快速开关合闸操作，采用电磁斥力机构来实现机械快速开关的正常分闸操作，采用双稳态保持机构保持机械快速开关分闸状态、合闸状态。双稳态保持机构包括与连接杆3固定连接的双稳态碟簧14；在连接杆3上行或下行运动时双稳态碟簧14保持压缩状态，对连接杆3的状态施加保持力。在正常分闸操作过程中，可减小电磁斥力机构的斥力线圈4两端的放电电压，以便降低电磁斥力机构在在正常工况下的分闸速度，提高快速机械开关的可靠性和工作寿命。在故障工况下，机械快速开关采用电磁斥力机构来实现机械快速开关的快速分闸操作。

具体分闸和合闸操作过程如下：

一、正常工况下合闸操作

参见图6，真空灭弧室1初始位置处于分闸完成状态，联锁机构10中的卡臂9处于弹出状态。参见图7，单稳态永磁机构15合闸动作，单稳态永磁机构15推动弹出的卡臂9向上运动，带动联锁机构10、连接杆3、绝缘拉杆2向上运动，使真空灭弧室1合闸。连接杆3带动双稳态保持机构向上运动，由于双稳态碟簧14为压缩状态，因此对连接杆3持续施加向合闸位置的作用力，即双稳态保持机构处于合闸保持位置，提供真空灭弧室1的合闸状态保持力。参见图8，真空灭弧室1处于合闸位置后，卡臂9收回联锁机构10中。

二、正常工况下分闸操作：

参见图8，真空灭弧室1初始位置处于合闸状态，联锁机构10中的卡臂9处于收回状态。参见图9，斥力线圈4放电，斥力盘5开始分闸动作，产生的斥力克服双稳态保持机构提供的合闸状态保持力，带动联锁机构10、连接杆3、绝缘拉杆2向分闸位置运动。此时由于联锁机构10中的卡臂9处于收回状态，卡臂9与单稳态永磁机构15没有接触。联锁机构10在不与单稳态永磁机构15产生接触的情况下开始正常分闸。连接杆3带动双稳态保持机构向分闸位置运动，由于双稳态碟簧14为压缩状态，因此对连接杆3持续施加向分闸位置的作用力，即双稳态保持机构处于分闸保持位置，提供真空灭弧室1的分闸状态保持力。参见图6，电磁斥力机构完成分闸动作后，单稳态永磁机构15向分闸位置运动，到达分闸位置后，联锁机构10中的卡臂9弹出，以便进行下个合闸循环。

三、故障工况下紧急分闸：

参见图8，真空灭弧室1初始位置处于合闸状态，联锁机构10中的卡臂9处于收回状态。参见图9，斥力线圈4放电，斥力盘5开始分闸动作，产生的斥力克服双稳态保持机构提供的合闸状态保持力，带动联锁机构10、连接杆3、绝缘拉杆2向分闸位置运动。此时由于联锁机构10中的卡臂9处于收回状态，卡臂9与单稳态永磁机构15没有接触。联锁机构10在不与单稳态永磁机构15产生接触的情况下开始快速分闸。连接杆3带动双稳态保持机构向分闸位置运动，由于双稳态碟簧14为压缩状态，因此对连接杆3持续施加向分闸位置的作用力，即双稳态保持机构处于分闸保持位置，提供真空灭弧室1的分闸状态保持力。参见图6，电磁斥力机构完成分闸动作后，单稳态永磁机构15向分闸位置运动，到达分闸位置后，联锁机构10中的卡臂9弹出，以便进行下个合闸循环。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (10)

1.一种基于电磁斥力机构的机械快速开关，其特征在于，包括连接杆、双稳态保持机构、操作机构和一组电磁斥力机构；所述连接杆在所述电磁斥力机构或操作机构的驱动下运动，使所述机械快速开关分闸；所述连接杆在所述操作机构的驱动下运动，使所述机械快速开关合闸；在连接杆分闸或合闸运动时，所述双稳态保持机构对连接杆的分合闸状态施加保持力。

2.如权利要求1所述的基于电磁斥力机构的机械快速开关，其特征在于，所述电磁斥力机构包括斥力线圈和斥力盘，所述斥力盘固定于连接杆上，通过斥力线圈对斥力盘施加斥力，驱动机械快速开关向分闸位置运动。

3.如权利要求1所述的基于电磁斥力机构的机械快速开关，其特征在于，所述双稳态保持机构包括双稳态弹簧和连杆，所述双稳态弹簧的一端固定，另一端与连杆的一端相连，所述连杆的另一端连接所述连接杆；在连接杆向分闸位置或合闸位置运动时，所述双稳态弹簧保持压缩状态，通过连杆对连接杆施加分闸或合闸状态的保持力。

4.如权利要求1所述的基于电磁斥力机构的机械快速开关，其特征在于，所述双稳态保持机构包括双稳态碟簧，所述双稳态碟簧的外端固定，内端与连接杆固定连接；在连接杆向分闸位置或合闸位置运动时，所述双稳态碟簧保持压缩状态，通过双稳态碟簧对连接杆施加分闸或合闸状态的保持力。

5.如权利要求1所述的基于电磁斥力机构的机械快速开关，其特征在于，所述连接杆与操作机构通过联锁机构连接，联锁机构中安装有卡臂；所述卡臂在所述机械快速开关完成合闸时收回所述联锁机构，在所述机械快速开关完成分闸时从所述联锁机构弹出；合闸时，操作机构与卡臂相抵接，推动连接杆向合闸位置运动。

6.如权利要求5所述的基于电磁斥力机构的机械快速开关，其特征在于，所述操作机构为双稳态永磁机构，用于在正常工况下驱动所述连接杆运动实现所述机械快速开关的合闸和分闸，在故障工况下，通过所述电磁斥力机构使所述机械快速开关分闸。

7.如权利要求5所述的基于电磁斥力机构的机械快速开关，其特征在于，所述操作机构为单稳态永磁机构或电磁机构，用于驱动所述连接杆运动使所述机械快速开关合闸，在正常工况和故障工况下，均通过所述电磁斥力机构使所述机械快速开关分闸。

8.如权利要求6所述的基于电磁斥力机构的机械快速开关，其特征在于，所述联锁机构内开有锁定孔，所述操作机构上安装有锁定杆；所述锁定杆从锁定孔中穿过；所述锁定孔沿连接杆运动方向的尺寸不小于所述连接杆的最大行程。

9.如权利要求1所述的基于电磁斥力机构的机械快速开关，其特征在于，所述电磁斥力机构和/或所述操作机构的下方安装有缓冲装置。

10.根据权利要求9所述的基于电磁斥力机构的机械快速开关，其特征在于，所述缓冲装置为油缓冲器、气体缓冲器、阻尼缓冲器或弹簧缓冲器。

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