CN100547869C - 气体绝缘开关装置 - Google Patents
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Abstract
一种开关装置具有：一圆柱形绝缘容器，该容器中充有绝缘气体；一固定载流轴，该固定载流轴气密固定于绝缘容器的一开口；一固定接触件，该固定接触件设置在绝缘容器中的固定载流轴的一端；一可动接触件，该可动接触件被构造成可与固定接触件可分离地接触；一可动载流轴，该可动载流轴将可动接触件设置在一端并可移动地气密穿过绝缘容器的另一端；以及，一操作机构，该操作机构在绝缘容器的外部与可动载流轴连接。绝缘容器由多个绝缘层组成，这些绝缘层随着离绝缘容器的内部越近电容率就越高。
Description
本发明是基于2004年12月22日提交的在先日本申请2004-370854，并要求该申请的优先权，该申请的全文被引用于此作为参考。
技术领域
本发明涉及一种在一对分开的接触件之间充满绝缘气体的开关装置。更具体地说，本发明涉及一种可以提高接触件之间耐电压特性的开关装置。
背景技术
这种类型的开关装置中的一断开开关是负责完全打开一电力系统回路的。因此，在一对分开的接触件之间需要有高耐电压特性。
为此，对于这种断开开关，通常已知有一种充满具有优秀绝缘强度的SF6气体的断开开关(日本特许公开平5-227619)。然而，由于SF6气体对全球的升温潜能高达二氧化碳的2390倍，应该对其严格管理以防止泄漏入大气。此外，如果SF6气体被电弧分解，就会产生有毒物质。
考虑到这些，已知有使用具有优秀绝缘强度并由氟化碳组成的气体来替代SF6气体的技术(日本特许公开2003-169410)。然而，即使使用这种绝缘气体还是有缺点，即如果气体被电弧分解就会产生有毒物质。
还已知有一种真空绝缘型断开开关，它能提供可与绝缘气体相比的绝缘强度(日本特许公开2001-176364)。然而，该真空绝缘型断开开关的缺点是：由于存有一对接触件的真空容器的泄漏、由于吸附在真空容器的内部元件上的气体分子的释放等原因使真空压力会改变。因此，就需要控制真空度等，这样就使结构复杂。
另一方面，已知有一种技术，它可通过在一个电极上设置一绝缘贴合膜，并将该膜的电容率设置在低到与另一个电极相同，从而提高诸如电极之类的接触件之间的耐电压性(日本特许公开平11-262120)。虽然可以抑制设置有绝缘膜的电极的电场强度，但没有设置绝缘贴合膜的另一电极的电场强度无法减少很多。这样难以改善电极间的耐电压特性，因此是不利的。此外，由于需要将开关装置所用的可分离的接触件互相接触，故难以设置绝缘贴合膜，因此也是不利的。
即，传统的开关装置具有以下缺点。
如果使用具有优秀的绝缘强度的气体绝缘型断开开关来提高该对分离接触件之间的耐电压特性，该绝缘气体会影响全球升温。为了防止这一情况需要控制绝缘气体，从而不会泄漏进大气。完全不使用绝缘气体等的真空绝缘型断开开关使开关装置的结构复杂。此外，即使要在接触件上形成可改变电容率的绝缘贴合膜，由于需要将该对接触件互相接触而难以进行。
因此，通常需要一种使用绝缘气体的、具有高耐电压性能的开关装置，该气体不会产生有毒物质，并且与环境和谐。
发明内容
已经完成了本发明以解决传统的问题。因此，本发明的一个目的是提供一种开关装置，它可以提高耐电压性能，同时使用与环境和谐的绝缘气体。
为了达到这一目的，本发明提供了一种开关装置，它包括：一圆柱形绝缘容器，该容器中充有绝缘气体；一固定载流轴(fixed current-carryingshaft)，该固定载流轴气密固定于在该绝缘容器一端上的一开口；一固定接触件，该固定接触件设置在绝缘容器中的固定载流轴的一端；一可动接触件，该可动接触件被构造成可与固定接触件可分离地接触；一可动载流轴，该可动载流轴将可动接触件设置在一端并可移动地气密穿过在绝缘容器的另一端上的一开口；以及，一操作机构，该操作机构在绝缘容器的外部连接于可动载流轴；其中，绝缘容器包括多个绝缘层，这些绝缘层随着离绝缘容器的内部越近电容率就越高，并埋设有一第一屏蔽电极和一第二屏蔽电极，第一屏蔽电极围绕固定接触件且其电势与固定接触件的电势相等，第二屏蔽电极围绕可动接触件且其电势与可动接触件的电势相等。
根据本发明，该开关装置所采用的成对可分离接触件被存在绝缘容器中，随着离绝缘容器的内部越近其电容率就越高。而且，容器中充有绝缘气体。因此，就有可能抑制绝缘容器内表面以及诸接触件的电场强度，并提高耐电压性能。
附图说明
图1是根据本发明的第一实施例的开关装置的结构横截面图；
图2是根据本发明的第一实施例的电场强度和开关装置的电容率的关系特征图；
图3是根据本发明的第一实施例的电场强度和开关装置的绝缘厚度的关系特征图；以及
图4是根据本发明的第二实施例的开关装置的开关单元的横截面图。
具体实施方式
将结合附图解释本发明的实施例。
第一实施例
首先将接合图1到3解释根据本发明的第一个实施例的开关装置。
如图1所示，根据本实施例的开关装置中的一断开开关被构造成：设置在该断开开关的上部且打开或闭合主电路的一开关单元1a以及设置在断开开关的下部且操作开关单元1a的一操作单元1b是分开设置的。
该开关单元1a包括一圆柱形第一绝缘容器2，该绝缘容器由诸如环氧树脂之类的绝缘材料模制而成。作为一个电通道的上导体3气密固定于第一绝缘容器2的一端处的一开口。一固定载流轴5固定在该上导体3的大致中心处，该载流轴具有设置在第一绝缘容器2内端的一固定接触件4。一可动接触件6设置在一可动载流轴7的一端上，以面对该固定接触件4。
该可动载流轴7可移动穿过一下导体8的大致中心处，该下导体8的一侧面气密固定于第一绝缘容器2的另一端的一开口并作为另一个电通道。设置在穿过下导体8的一部分中的一接触件9可移动地与可动载流轴7接触，且可动载流轴7可由一O形圈气密封。设置一导筒11，从而可轴向移动可动载流轴7。
电势与固定载流轴5相等的一第一屏蔽电极12埋在第一绝缘容器2的一绝缘层中，从而围绕固定接触件4。电势与可动载流轴7相同的一第二屏蔽电极13被埋在第一绝缘容器2的绝缘层中，从而围绕可动接触件6并与第一屏蔽电极12间隔开预定的距离。
将通过将诸如钛酸钡之类的高电容率绝缘粉与诸如环氧树脂之类的一绝缘材料混合而形成的一绝缘层14设置在第一绝缘容器2的一内表面上。这一绝缘层14可为高电容率的绝缘陶瓷，它由比如钛酸钡组成。因而，可将这一绝缘层14的电容率设置得高于第一绝缘容器2。
将在空气中且与环境融洽的、诸如干空气、二氧化碳和氮气中的任意一种绝缘气体15通过一充气阀门(未示出)以高于大气压力的一压力(正压)充入设置有绝缘层14的第一绝缘容器2。较佳地，由于可提高绝缘气体15自身的绝缘强度，该压力可在第一绝缘容器2的机械强度允许的范围内上升。
操作单元1b包括一圆柱形第二绝缘容器16，该绝缘容器由诸如环氧树脂之类的一绝缘材料模制而成。该第二绝缘容器16的一端上的一开口固定在下导体8的另一侧面上。诸如电磁启动器之类的一操作机构17连接于在第二绝缘容器16另一端上的一开口。一绝缘操纵杆18沿可动载流轴7的轴向与操作机构17连接，从而可打开或关闭接触件4和6之间的一部分。
下面将说明绝缘层14、第一绝缘容器2、第一屏蔽电极12和第二屏蔽电极13之间的关系。这里假定绝缘层14的电容率为ε1、绝缘层14的绝缘厚度为t1、第一绝缘容器2的电容率为ε2以及第一绝缘容器2的从第一屏蔽电极12和第二屏蔽电极13到绝缘层14的绝缘厚度为t2。可以注意到：可将存有接触件4和6的一绝缘容器设置成绝缘层14作为内绝缘层而第一绝缘容器2作为外绝缘层。
将作为内绝缘层的绝缘层14的电容率ε1与作为外绝缘层的第一绝缘容器2的电容率ε2的比率设为ε1/ε2＝2-30
这样设定的原因如下。如图2所示，如果电容率比ε1/ε2较高，绝缘层14的表面电场强度E1就会较低。然而，如果电容率比ε1/ε2等于或高于2，电场强度E1就会快速减少，从而增加了抑制电场的效果。如果电容率比ε1/ε2超过30。抑制电场的效果得到保持，但为形成绝缘层14而填充的、混有绝缘材料的高电容率绝缘粉的量会增加。其结果，会减低作为结构的第一绝缘容器2的机械强度。
如果电容率比ε1/ε2上升，就会产生对绝缘层14的表面电场的抑制效果。然而，相反地，固定接触件4和可动接触件6的一电场强度会上升。这是因为由绝缘层14发散的一等电势在固定接触件4和可动接触件6附近更接近。
通常，接触件4和6各自形成为其端部曲线的半径为几毫米。在电容率比ε1/ε2为10的一点上，接触件4和6的电场强度E2与电场强度E1相等。由此，在绝缘层14对第一绝缘容器2的电容率比ε1/ε2为10的该点上，绝缘层14的表面电场强度E1与接触件4和6的电场强度E2都得到抑制，从而提供一最优的电容率比。
如果第一绝缘容器2由普通环氧树脂制成的话，第一绝缘容器2的电容率大约为2。与绝缘层14混合的钛酸钡的电容率等于或高于1000。因此，可以容易地将电容率比ε1/ε2设定到最优比率。
将作为内绝缘层的绝缘层14的绝缘厚度t1对作为外绝缘层的第一绝缘容器2的、从第一屏蔽电极12和第二屏蔽电极13到绝缘层14的绝缘厚度t2的一比率t1/t2设为0.1-0.5。
这样设定的原因如下。如图3所示，如果绝缘厚度比t1/t2较高，绝缘层14的表面电场强度E1就会较低。然而，如果绝缘厚度比t1/t2等于或大于0.1，电场强度E1就会突然下降，从而抑制电场的效果会极大地增强。如果绝缘厚度比t1/t2小于0.1，绝缘层14的绝缘厚度t1就会过小。结果，就会降低电场抑制效果。
如果绝缘厚度比t1/t2超过0.5，那么电场强度E1的下降会很微弱。如果绝缘厚度比t1/t2超过0.5，接触件4和6之间的间隔就会不利地变窄。如果这样的话，但打开或关闭接触件4和6之间的部分时产生的金属蒸气就会不适当地扩散开来。
根据第一实施例的开关装置在第一绝缘容器2中存有固定接触件4和可动接触件6，且包括设置在该第一绝缘容器2的内表面上且其电容率比第一绝缘容器2高的绝缘层14。因此就有可能抑制绝缘层14的表面的电场强度以及接触件4和6的电场强度，并提高耐电压性能。
在第一实施例中，已经对将第一和第二屏蔽电极12和13埋入第一绝缘容器2的情况进行了解释。然而，只要设置绝缘层14的电容率高于第一绝缘容器2的电容率，就可以抑制绝缘层14的内表面上的电场强度以及接触件4和6的电场强度而不需要将第一和第二屏蔽电极12和13埋入其中。
第二实施例
将参考图4来解释根据本发明的第二实施例的开关装置。图4是根据本发明的第二实施例的开关装置的一开关单元的横截面图。第二实施例与第一实施例的不同之处在于在绝缘层上设置有诸突起部。在图4中，与图1中相同的组成元件用相同的标号来表示，且不再重复解释。
如图4所示，由电容率高于第一绝缘容器2的绝缘材料组成的绝缘层14设置在第一绝缘容器2的内表面上。在该绝缘层14上设有多个向内突出的环形突起部14a。
根据第二实施例的开关装置可使绝缘层14的内表面的一放电距离增加并具有第一实施例的优点。因此，有可能提高上导体3和下导体8之间的耐电压性能。
本发明并不限于以上实施例，且可在本发明的范围内作多种改变和修改。在以上实施例中，已经解释了采用两个电容率不同的绝缘层的情况。或者，可以设置一绝缘容器，该容器由两个或更多，即多个离容器的内部越近电容率越高的绝缘层组成，且可在该绝缘容器中放置一对分开的接触件。可通过使用例如一具有互相不同的一内径和一外径的模具、通过多重浇铸、从内侧或外侧顺序铸造出诸绝缘层来形成这样的绝缘容器。另外，在绝缘容器的外围可设置一接地层，从而改善防沾污特性。
Claims (6)
1、一种开关装置包括：
一圆柱形绝缘容器，该绝缘容器中充有绝缘气体；
一固定载流轴，该固定载流轴气密固定于在绝缘容器一端上的一开口；
一固定接触件，该固定接触件设置在绝缘容器中的固定载流轴的一端；
一可动接触件，该可动接触件被构造成可与固定接触件可分离地接触；
一可动载流轴，该可动载流轴将可动接触件设置在一端并可移动地气密穿过在绝缘容器的另一端上的一开口；以及
一操作机构，该操作机构在绝缘容器的外部与可动载流轴连接；其中，
绝缘容器包括多个绝缘层，这些绝缘层的电容率随着离绝缘容器的内部越近就越高，并埋设有一第一屏蔽电极和一第二屏蔽电极，
第一屏蔽电极围绕固定接触件且其电势与固定接触件的电势相等，
第二屏蔽电极围绕可动接触件且其电势与可动接触件的电势相等。
2、如权利要求1所述的开关装置，其特征在于，
该绝缘容器包括有一外绝缘层和一内绝缘层的两层绝缘层；以及
第一屏蔽电极和第二屏蔽电极埋入外绝缘层中，第二屏蔽电极与第一屏蔽电极分离开。
3、如权利要求2所述的开关装置，其特征在于，
如果内绝缘层的电容率为ε1和外绝缘层的电容率为ε2，那么，将电容率比ε1/ε2设定为2到30。
4、如权利要求2所述的开关装置，其特征在于，
如果内绝缘层的绝缘厚度为t1和外绝缘层从第一屏蔽电极和第二屏蔽电极到内绝缘层的绝缘厚度为t2，那么，将绝缘厚度比t1/t2设定为0.1到0.5。
5、如权利要求2所述的开关装置，其特征在于，还包括：
由内绝缘层的一内表面向内突出的多个突起部。
6、如权利要求1所述的开关装置，其特征在于，绝缘气体包括空气、二氧化碳和氮气中的任何一种。
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