CN101197220A - 带有充有绝缘气体的金属容器的高压开关 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高压开关，其具有充有绝缘气体的金属容器和安装于该容器中的熄弧室。该熄弧室包括沿轴线对准的壳体，固定于壳体中的电弧接触装置，由壳体限界的排气体积和穿过壳体壁的出口通道。该出口通道具有沿轴向对准的开口区段(16)。开口区段(16)在内侧由管状区段(17)限界，在外侧由管状壳体附件(18)来限界。在壳体附件(18)的端面(20)上设有电屏蔽的棱缘(21)，出口通道(12)处的排出气体(9)流在其上与壳体附件(18)分离。因为排出气体(9)在棱缘(21)与壳体附件(18)分离，所以它能够以气体射流(30)形式进入金属容器中。因此可抑制柯恩达效应形成，并在排出气体进入充有绝缘气体的容器(1)的关键出口位置加强开关的介电强度，从而大大提高开关工作的可靠性。

Description

带有充有绝缘气体的金属容器的高压开关

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的高压开关。这种开关具有充有绝缘气体的金属容器和安装于该容器中的熄弧室。该熄弧室包括沿轴线对准的壳体，固定于壳体中的电弧接触装置，由壳体限界的排气容积，以及穿过壳体的壁的用于排出气体的出口通道。出口通道具有开口区段，该开口区段基本上沿轴向对准地进入该容器内。在开关工作时，开关室处于高压电位，并且在切断短路电流时由开关电弧产生的热的排出气体能够通过出口通道进入处于接地电位的金属容器。热排出气体具有较低密度，并且由此会局部地、暂时地降低金属容器中的绝缘气体的介电特性。

背景技术

在申请日为2006年3月14日的现有的欧洲专利申请文献EP 0640 5112.1中，对开篇提到的高压开关类型作了介绍。该开关包括熄弧室，该熄弧室带有固定于壳体中的电弧接触装置和集成于壳体中的排气单元，其具有由壳体限界的排气体积和穿过壳体的排出气体出口。在排气单元之上，以同轴方式设有筒盒形式的排气模块。壳体和筒盒限制了排气通道的开口区段，其带有电屏蔽，轴向对准的出口流开口。排出气体只会整体上对金属容器(容纳熄弧室并充有绝缘气体)和壳体之间的气体绝缘性能产生无关重要的损害，因此在大功率开关电弧的情况下，比如由高压频率从50赫兹降到16又2/3赫兹而引起的结果，开关也能具有较长的使用寿命。

发明内容

如在权利要求中所公开的一样，本发明目的在于提供一种开篇时所述类型的高压开关，其具有较高的操作可靠性。

根据本发明的开关，在外侧限制了开口区段的壳体附件的端面上，设有电屏蔽的棱缘(Kante)，其以环状的形式环绕着轴线。引导到开口区段中的排出气体流在此棱缘处从壳体附件分离，并并且现在作为沿径向外侧被限界的气体射流而进入金属容器内。具有较小密度并由此而只具有相对较弱介电特性的热气体射流由于棱缘上的流分离而被从壳体附件端面上的强电负荷区域引导开。因此，就可以避免热排出气体基于壳体附件内表面的柯恩达效应(Coanda-Effekt)而通过端面的凸曲面被引导到壳体附件的同样凸曲面上，并由此而避免流通过介电强负荷区域。这种介电强负荷区域主要位于端面及壳体附件外侧的、和端面相邻的区段，也就是壳体附件的场负载面(feldbelastete Flaeche)曲率半径相对较小的区域。通过抑制柯恩达效应，在排出气体进入金属容器(充有绝缘气体并处于接地电位)的出口处，开关的介电强度能够提高达30％，因此相应地能够大大提高了开关的可靠性。

一般而言，相对于壳体附件的场负载面的曲率半径而言，棱缘具有更小的曲率半径。如果壳体附件内表面的棱缘限定于排出气体流动方向，那么流就能够以限定的方式分离到较易定位的介电负荷较轻的位置。为了达到较好的介电特性，该棱缘相对于端面的凸曲面(其起到电屏蔽作用)设置成沿径向向内地偏置，和/或设置成相对于在流的流动方向上约束端面的缘边，而在与该流动方向相反的方向上沿轴向偏置。如果在端面中设有从缘边延伸到棱缘的台阶，那么排出气体在进入金属容器内时也能以较小流速从壳体附件分离，同时棱缘受到特殊有效的电屏蔽。

为了避免使从开口区段进入金属容器的热排出气体沿着壳体区段(其相邻于在内侧界定开口区段的壳体区段)引导，在对应于开口区段外表面的壳体区段上设有环绕着轴线的流环(Stroemungsring)，其具有电屏蔽的第二棱缘。该缘相对于所述外表面而沿径向向外地偏置。有利的是，流环具有锯齿形轮廓，并带有设置成与排出气体流动方向相反的陡峭侧面。这种侧面能导致流在形成锯齿尖的第二棱缘上的可靠分离，并与设置于壳体附件上的棱缘一起而形成带有环状截面的在介电方面有优势的自由射流(Freistrahl)。

通常，相邻于上述壳体区段或流环的壳体区段锥形地变宽。因此，如果设置在排出气体流动方向的流环的平坦侧面具有比呈锥形地变宽的壳体区段更大的梯度的话，那么从开口区段向外喷射的自由射流就能够被可靠地维持。

如果在呈锥形地变宽的壳体区段上相邻有管状壳体区段，并且其具有与壳体附件相匹配的直径的话，那么由金属容器的几何尺度所限定的绝缘距离就可以被保持。

附图说明

下文将根据附图对本发明的实施例作进一步的描述。其中：

图1是沿着轴线并通过根据本发明的气体绝缘高压开关一部分区段的平面视图；并且

图2是图1开关中的圈II所示部分的放大视图。

标号列表

1         金属容器

2         开关室

3         开关室壳体

4         电弧接触装置

5，6      电弧触点

7         绝缘管

8         中空体

9         排出气体

10        排气容积

11        气体混合装置

12        出口通道

13        导电体，螺栓

14        套筒

15        螺旋接头

16        开口区段

17        壳体区段

18        壳体附件

19        端接元件

20        端面

21        分离棱缘

22        内表面

23        台阶

24        流环

25        分离棱缘

26，28    侧面

27，29    壳体区段

30        自由射流

A         轴线

S         开关电弧

具体实施方式

在两视图中用相同的标号来表示具有相同效果的部分。图1中示出的高压开关具有充有绝缘气体并且基本为管状的金属容器1，绝缘气体是基于六氟化硫，氮，氧，二氧化碳或这些气体的混合物(如空气)，并在高达几巴的压力下充到金属容器中，在金属容器中设有熄弧室2。熄弧室借助于图中未示出的柱式绝缘子而电绝缘地固定于金属容器中。熄弧室2包括壳体3，其相对于轴线A设置成基本上对称，并且壳体内部包括带有两个可相对移动的电弧触点5，6的电弧接触装置4。通常，熄弧室壳体3也容纳有额定电流触点装置，其用于引导持续电流且平行于电弧触点5，6，为了清楚起见，该额定电流触点装置在图中未示出。熄弧室壳体由绝缘管7和两个在其端上气密式固定的中空金属体形成，其中只示出了由壳体3的右端所形成的中空体8。未示出的第二中空体形成了壳体1的左端，并固定于同样未示出的柱式绝缘子上。

通常，两中空体都由例如基于钢或铝的铸造金属制成，并用于容纳热的排出气体9(排出气体9在开关切换过程中形成于接触装置4中)，引导开关电流和屏蔽熄弧室2中的某些部分，在开关工作时，也就是说，在负载高达几百或更高千伏高压并引导50千安培或更大的短路电流时，这些部分会经受强电场。中空体8限定了排气体积10，并容纳有设置于排气体积中的气体混合装置11。借助于穿过壳体3的出口通道12，来自排气容积10的排出气体9被向外引开到充有绝缘气体的金属容器1中。开关电流从右侧通过通电流的螺栓(stromleitender Bolzen)而供给，其导电式地插入到杯子形状的套筒14中。该杯子或套筒14的底部装配有气体混合装置11。该套筒的缘边被径向地向外地引导，并借助于螺旋接头15而固定于边界，该边界限定了中空体8的轴向对准的开口，螺栓13通过该开口而被引向外。

如图所示，出口通道12具有通向金属容器1的开口区段16，其在轴向上延伸并形成中空的圆柱形。开口区段16在内侧由壳体1的管状区段17限界，在外侧则由以一定距离的间隔围绕壳体区段17的管状壳体附件18来限界。壳体附件18是中空体8的端接元件19的一部分，它采用筒状的形式，通过螺旋接头15而连接在套筒14上，并且元件19通过未示出的径向延伸的连接板或螺钉而固定于其上。

从图2可以看出，在壳体附件18的端面20中形成有环状的环绕着轴线A(图1)的分离棱缘21。此棱缘在左侧(即在排出气体9的流动方向中)界定了壳体附件18的内表面22，并且设置成相对于端面20的起电屏蔽作用的凸曲面而沿径向向内地偏置。可以看出，棱缘21也相对于在左侧限定端面的缘边而被向右偏置，即在与流动方向相反的方向上被偏置。棱缘21的沿径向和轴向的偏置由由形成于端面中且从该端面的缘边延伸到棱缘21的台阶23来实现。

带有以环状的形式环绕着轴线的分离棱缘25的流环24形成于壳体区段17的外壁中。棱缘25设置成相对于壳体3及壳体区段17的围绕外壁被沿径向向外地偏置。流环24具有锯齿形的轮廓，并带有与排出气体9的流动方向反向地设置的陡峭侧面26。在排出气体的流动方向上，与流环24相邻地设有呈锥形地变宽的壳体区段27。流环24的设在排出气体流动方向上的平坦侧面28具有较大的梯度，该梯度大于呈锥形地变宽的壳体区段27的梯度，以与壳体区段27相邻的方式设有管状壳体区段29，该区段29具有与壳体附件18相匹配的直径。

在断开短路电流时，电弧触点6将会通过箭头方向的驱动而向左运动。在电弧接触装置4的打开触点5，6之间，将会产生来源于将被切断的电流所馈给形成的开关电弧S。该电弧加热围绕的绝缘气体，并在电流的过零点(Nulldurchgang)熄灭。由开关电弧S形成的热气体作为排出气体9而进入排气容积10中，并在那里的气体混合装置11上进行预冷却，在通过熄弧室壳体3的壁而被引导进入出口通道12中并离开基本轴向对准的开口区段16后，而作为环状自由射流30而喷射入金属壳体3中。

排出气体9在开口区段16中在轴向上从右向左引导，并沿着壳体附件18的内表面22和壳体区段17的外表面而流动。在分离棱缘21处，终止有附着于内表面22上的排出气体的边界层(Grenzschicht)，因此排出气体能够从壳体附件18分离，并能够作为射流而进入金属容器中较小电负荷的区域。因此可以避免由于较小密度而具有相对较弱介电特性的热排出气体到达强电负荷区域，尤其是到达端面20的凸曲面和与之相邻的同样凸出弯曲的壳体附件18的外表面区段。前述表面的凸起形状对于控制接地金属容器1和处于高压电位的熄弧室2之间产生的电场来说是必须的，就是说，对于减小端面20上的强局部电场、并避免陡的分离棱缘21上的强局部电场而言，这是必须的。

在没有分离棱缘21的情况下，由柯恩达效应导致的附着于内表面22的边界层会向着凸起弯曲端面20和与之相邻的表面区段延伸，由此热排出气体就会向着相对高电负荷的区域引导。

分离棱缘21的曲率半径设计成大大小于端面20的表面的曲率半径，这有利于使出现于开口区段16的排出气体9从壳体附件18上分离。如果需要的话，这种较小的曲率半径能够导致所不希望的局部出现较高的电场负载。分离棱缘21相对于起电屏蔽作用的、端面20的曲面而以台阶形式沿径向向内地偏置，可以看出，它也相对于端面20以相反于排出气体9流的方向而沿轴向地偏置。因此，就可以保证来自壳体附件18的排出气体流9不仅能够可靠地分离，而且同时分离棱缘21还能够特别有效地屏蔽充有金属容器中的电场。

形成于壳体区段17外壁的流环24可以避免使从开口区段16进入金属容器1的热排出气体9沿着壳体区段27而被引导，因此排出气体流在分离棱缘25处能够从壳体区段17的外壁上分离。因此，两分离棱缘21和25能够导致自由射流30的形成，自由射流30以特别良好的介电特性方式，而从开口区段16在没有与壳体有其它接触的情况下直接进入容器中，并且它的温度较低并由此而形成高质量的介电绝缘气体。陡峭侧面26有利于实现排出气体流9从壳体3上的分离。

如果使流环的平坦侧面28具有比呈锥形地变宽的壳体区段27具有更大的梯度，那么这同样有利于排出气体流从呈锥形地变宽的壳体区段27上分离。

由于壳体区段29具有与壳体附件18大致相同的直径，因此通过由金属容器1的几何尺寸所限定的绝缘距离就能够在接地容器壁与高压电位下的壳体附件17之间得以维持。

如图2所示，棱缘21通常为圆形的形状，但是如果需要的话，也可以是部分边缘的形式，其均匀地围绕轴线在圆周方向相互以一定间隔设置。这种部分棱缘由开口区段形成，该开口区段由多个轴向导向的通道元件形成，这些通道元件均匀地分布于圆周方向上。通常，通道元件的截面轮廓是香蕉形的，从流动的观点看来，这是具有优势的，但是它也可以具有不同的形状，比如可以更方便制造的圆形或椭圆形。

Claims (10)

1.一种高压开关，其具有金属容器(1)，所述金属容器(1)充有绝缘气体并且具有安装于所述容器(1)中的熄弧室(2)，所述熄弧室(2)包括沿着轴线(A)对准的壳体(3)，固定于所述壳体中的电弧接触装置(4)，由所述壳体(3)限界的排气体积(10)，以及穿过所述壳体的壁的排出气体(9)的出口通道(12)，其中，所述出口通道(12)具有进入所述容器(1)的基本上沿轴向对准的开口区段(16)，所述开口区段(16)在内侧由所述壳体(3)的管状的第一区段(17)限界，在外侧则由以一定的间隔距离围绕所述壳体区段(17)的管状壳体附件(18)来限界，

其特征在于，在所述壳体附件(18)的端面(20)设有电屏蔽的第一棱缘(21)，其以环状的形式环绕着轴线(A)的，并且用于将从所述出口通道(16)出现的排出气体(9)的流从壳体附件(18)上分离。

2.根据权利要求1所述的开关，其特征在于，所述第一棱缘(21)在所述排出气体(9)的流动方向上约束了所述壳体附件(18)的内表面(22)。

3.根据权利要求1或2所述的开关，其特征在于，所述棱缘(21)设置成相对于所述端面(20)的起电屏蔽作用的凸曲面而径向向内地偏置。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的开关，其特征在于，所述棱缘(21)设置成相对于在所述流动方向上约束端面的缘边而在与所述流动方向相反的方向上沿轴向偏置。

5.根据权利要求4的开关，其特征在于，在所述端面中设有从所述缘边延伸到棱缘(21)的台阶(23)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的开关，其特征在于，在所述壳体区段(17)的外表面上设有环绕着所述轴线(A)的流环(24)，所述流环(24)具有电屏蔽的第二棱缘(25)，所述第二棱缘(25)相对于所述外表面而沿径向向外地偏置。

7.根据权利要求6所述的开关，其特征在于，所述流环(24)具有锯齿形轮廓，并带有设在与所述排出气体(9)的流动方向相反的方向上的陡峭侧面(26)。

8.根据权利要求6或7所述的开关，其特征在于，以相邻于所述流环(24)的方式而设有呈锥形地变宽的第二壳体区段(27)。

9.根据权利要求8所述的开关，其特征在于，在所述排出气体(9)的流动方向上设置的所述流环(24)的平坦侧面(28)具有比所述呈锥形地变宽的第二壳体区段(27)更大的梯度。

10.根据权利要求8或9所述的开关，其特征在于，在所述呈锥形地变宽的第二壳体区段(27)上连接有管状的第三壳体区段(29)，其具有与壳体附件(18)相匹配的直径。

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