CN101288141B - 具有防燃弧的短路电流引导装置的高功率开关 - Google Patents

具有防燃弧的短路电流引导装置的高功率开关 Download PDF

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Abstract

一种高功率开关，具有轴(A)，通过所述轴来限定与所述轴平行的轴向坐标(z)和与其垂直的径向坐标(r)，并且具有电弧接触件(1)、导电元件(2)和防燃弧元件(3a)，其中所述电弧接触件(1)具有开口(6)，以便于引导被可能以所述电弧接触件(1)为基础的电弧(5)加热过的气体的基本上为轴向的气流(4)，并且为了在所述电弧(5)的燃烧期间引导流经所述电弧接触件(1)和所述导电元件(2)的短路电流(I)，与所述导电元件(2)构成平面接触(F)，并且其中通过所述防燃弧元件(3a)，所述平面接触(F)附近的导电元件(2)基本上与所述气流(4)屏蔽，其特征在于，所述导电元件(2)具有轴向区域(2a)，在所述区域中所述导电元件的径向内尺寸(d2)随着平行于所述轴(A)的所测量的距所述平面接触(F)的间距增加而以阶的方式地或者连续地增加。有利的是，设置有用于容纳所述防燃弧元件(3a)的轴向区域(2a)。

Description

具有防燃弧的短路电流引导装置的高功率开关
技术领域
本发明涉及高功率开关技术领域。本发明涉及一种高功率开关。
现有技术
在现有技术中公开了一种高功率开关，其作为电弧接触件具有梅花触头，为了传导短路电流，该梅花触头与导电元件构成平面接触。由防燃弧材料构成的管设置在梅花触头内并且伸到导电元件中，该管应保护梅花触头的内部免受热气体影响，其中该气体被以电弧接触件为基础的电弧加热，流经梅花触头直到导电元件的那一侧。
只要未设置合适的保护装置，这种热气流就会剥蚀导电元件和/或梅花触头的材料，由此会出现梅花触头与导电元件之间的电接触的退化。会导致接触电阻增加并且甚至导致接触的中断。
由防燃弧材料构成的管被拧入导电元件，并且在设置在梅花触头内的部分具有大于相应部位上的梅花触头的内直径的外直径。
通过设置这种由防燃弧材料构成的管，强烈地减小了供气流使用的横截面。如果要保持该横截面大致恒定以便保持相似的流动速度，则(在供短路电流使用的横截面相同时)必须设置更大的梅花触头和更大的导电元件，使得导致总体上更大的高功率开关。
在EP 0642145A中公开了一种具有阳触针和梅花触头的功率开关，其中梅花触头的接触指具有轴向凹槽，以便将管容纳于其中，该管用作接触指的径向行程限制器。为了防燃弧的热保护，在梅花触头内部设置有另外的防热气体的保护管。
在EP 0290950A中描述了一种充压缩气开关，其作为电弧接触件具有梅花状的接触指，这些接触指与圆柱形的燃弧触头一同形成电弧触头。可轴向移动的管状本体在梅花触头内部被引导，该本体在断开过程中被通过弹簧向燃弧触头方向挤压。
此外，在EP 0932172A2中公开了一种具有梅花接触件的功率开关，其弹性电弧触头和设置在其上的管件通过耐电弧的部件来防止燃弧。不利的是，在梅花接触件中的流动横截面由于部件从内部设置在灭弧触头和管件上而被减小。
因此，希望实现一种尽可能紧凑的高功率开关，而其还提供了防护以避免所述热气体引起的接触退化。
发明内容
因此，本发明的任务是实现一种开始所述类型的高功率开关，其不具有上述缺点。尤其是，应实现一种紧凑的、即具有小的外部尺寸的高功率开关，其在电弧接触件与从电弧接触件导出短路电流的导电元件之间具有小的、不由于热气体引起的接触退化而随着时间增大的电阻。
该任务通过根据本发明实施例的装置来解决。
根据本发明的具有轴的高功率开关具有电弧接触件、导电元件和防燃弧元件，其中通过所述轴限定了平行于该轴的轴向坐标以及与该轴垂直的径向坐标。为了引导被可能以电弧接触件为基础的电弧加热过的气体的轴向的气流，电弧接触件具有开口。为了引导在电弧燃烧期间流经电弧接触件和导电元件的短路电流，电弧接触件和导电元件形成平面接触。通过防燃弧元件，导电元件在平面接触附近基本上与气流屏蔽。导电元件具有轴向区域，在该区域中导电元件的径向内部尺寸随着与轴平行地测量的距平面接触的间距的增大而以阶的方式或者连续地增大。
高功率开关的特征在于，设置有用于容纳防燃弧元件的轴向区域。由此，可以保持高功率开关的径向外部尺寸很小。
本发明还在于：高功率开关的特征在于，导电元件具有轴向(即通过其轴向延伸所限定的)区域，与在该区域的与平面接触背离的端上相比，在该区域的与平面接触对置的端上，导电元件的轴向内部尺寸更小。有利地，该区域的与平面接触对置的端直接在该平面接触上或者接近该平面接触。
通过本发明可以同时实现电弧接触件与导电元件之间的大面积接触(具有相应的低的接触电阻)和实现防止热气体引起的接触退化(在大面积触头上)。以这样的方式能够实现很紧凑的结构的高功率开关和长的使用寿命。
有利的是，导电元件可以被倾斜，优选的是从与电弧接触件平面接触起就可以被倾斜。
轴向区域优选设置在平面接触的与电弧接触件背离的侧上。有利的是，轴向区域设置在电弧接触件附近。
在一个优选的实施形式中，导电元件和防燃弧元件基本上旋转对称地构造。有利的是，整个高功率开关基本上旋转对称地构造。优选的是，径向内部尺寸为内直径。优选的是，防燃弧元件的径向外部尺寸为其外直径。
优选地，防燃弧元件的径向外部尺寸和导电元件的径向内部尺寸在轴向区域中互相匹配。这能够实现紧凑的开关结构。优选地，防燃弧元件被装入导电元件中。
优选地，防燃弧元件在轴向上延伸到电弧接触件。防燃弧元件可以恰好延伸到电弧接触件(使得电弧接触件和防燃弧元件彼此接触)或者也可以延伸超过它(即直到存在一区域，在该区域中防燃弧元件和电弧接触件在轴向上重叠)。防燃弧元件也可以(仅仅)轴向延伸直到电弧接触件的轴向延伸部(使得电弧接触件和防燃弧元件的轴向延伸部的区域彼此接触而不重叠)。
有利的是，与在平面接触附近的导电元件相比，防燃弧元件具有更耐燃弧的材料。有利的是，至少防燃弧元件的与热气流对置的侧由这种耐燃弧材料制成，优选的是，整个防燃弧元件由这种材料制成。在平面接触附近，设置有导电元件的这样的部分，当其暴露于热气流时，尤其是迅速导致电弧接触件与导电元件之间的接触的退化。该部分有利地通过防燃弧元件的更耐燃弧的材料来保护，以防止由于热气体导致的退化。
在一种优选的实施形式中存在第二轴向区域，在该区域中防燃弧元件的径向内尺寸基本上与电弧触头件的径向内尺寸相等。特别有利的是，(在制造公差内)导电元件的径向内尺寸和防燃弧元件的径向外尺寸在轴向区域中大小相同。换句话说，在该平面接触附近，防燃弧元件的径向内尺寸基本上与电弧接触件的径向内尺寸大小相同。由此，高功率开关的特别紧凑的结构是可能的。
高功率开关可以具有用于引导热气流的流出管。该流出管用于引导被可能以电弧接触件为基础的电弧加热过的气体流。在这样的情况下，很有利的是防燃弧元件与流出管牢固相连。特别有利地，流出管和防燃弧元件一体式地构造。这使高功率开关的制造和安装变得容易。防燃弧元件被有利地集成进流出管中。
有利的是，导电元件与包围电弧接触件的辅助喷管牢固地相连。有利的是，该导电元件用于支承或者保持绝缘喷管装置(包括至少一个主喷管和至少一个辅助喷管)，或者导电元件与这种支承件或者保持件牢固地相连或者一体式地构造。
优选地，平面接触基本上径向地对齐。至少，平面接触不仅仅沿着水平坐标延伸。
优选地，导电元件和/或电弧接触件可以设置在贡献于平面接触的表面上，优选(分别)设置在整个贡献于该平面接触的表面上，该表面具有用于减小接触电阻的涂层。这种涂层例如可以是镀银。
在一种优选的实施形式中，除了电弧接触件之外还设置有额定电流触头系统。该系统在闭合的开关状态中承载额定电流，而在额定电流接触件分离之后，电流转换到包括电弧接触件的电弧触头系统上。在电弧触头系统分离之后，待熄灭的承载短路电流的电弧被点燃。也可能的是，电弧接触件与另一电弧接触件一起构成额定电流触头系统。
高功率开关典型地被设计用于在额定电压在10kV到高于1000kV、优选在30kV至550kV之间时承载2kA到80kA之间的短路电流。
其它优选的实施形式和优点从从属权利要求和附图中得出。
附图说明
以下，参照优选的实施例更为详细地阐述本发明的主题，这些实施例表示在所附附图中。其中：
图1剖切地示意性示出根据本发明的高功率开关的大的截面；
图2至10分别剖切地示意性示出了电弧接触件、导电元件和防燃弧元件的截面、代表性地示出它们的一种可能的构造。
附图中所使用的参考标记和其意义总结性地列在参考标记列表中。基本上，在附图中相同或者功能相同的部分标有相同的参考标记。部分未表示对于本发明的理解不重要的部分。所描述的实施例对本发明的主题是示例性的，并且不具有限制作用。
具体实施方式
图1示意性且剖面地示出了根据本发明的处于打开开关状态中的高功率开关的截面。高功率开关基本上以旋转轴A旋转对称地构造，通过该旋转轴限定了用z表示的轴向坐标以及用r表示的径向坐标。为了打开开关，首先将由两个额定电流触头9组成的额定电流触头系统9打开，使得流经开关的电流转换到由两个电弧接触件1、1b组成的电弧接触件系统上。在两个电弧接触件1、1b分离之后，电弧5在电弧接触件之间燃烧，并且通过细的空箭头表示的短路电流I流经这两个电弧接触件1、1b。
电弧接触件1构造为具有多个接触指的梅花触头并且具有开口6。设置在开关中的灭弧气体4、例如SF6被电弧加热，并且必要时与其它气态物质一起形成气流4(通过粗的空箭头表示)，该气流流经开口6。
短路电流I经过梅花触头1的末端上的轴向对齐的平面接触F流入导电元件2，并且从那里继续流向开关的端子。为了保护导电元件2并且首先保护在导电元件2与电弧接触件1之间的平面接触F免受气流4影响，设置有防燃弧元件3a，在此该防燃弧元件与流出管3一体式地构造。
与防燃弧元件3a相比，导电元件2通常可由较不耐燃弧(耐热)的材料(例如铝或者铜)构成，该防燃弧元件例如可由钢或者碳纤维复合材料构成。电弧接触件1例如可以由铜、钢或者钨-铜制成。
电弧接触件1的整个底面用作对导电元件2的接触面F，并且从那里开始通过防燃弧元件3a来保护导电元件2免受气流4的影响。在使用合适材料的情况下，可以省去电弧接触件1防燃弧的附加保护装置，使得防燃弧元件3a仅须保护接触面F和导电元件2的靠近接触面的部分免受热气体影响。
如图1中所示，梅花触头1可以被拧入导电元件2中。在电弧接触件1与导电元件2之间只有可被忽略的电流流经螺纹，使得梅花触头的外壳面对接触面没有贡献。
在靠近接触面F、尤其是在接触面F上开始的区域2a中，导电元件2的内直径d2连续地增大。防燃弧元件3a的外直径增大相同的量。防燃弧元件3a的内直径在轴向区域2b中(或者至少在接触面F附近)与靠近接触面F的电弧触头件1的内直径d1相等。
以这样的方式，大的流出截面供通过电弧接触件1流出的气体4使用，而开关的外尺寸被保持小并且供短路电流I使用的横截面F很大。
在此，导电元件2还具有保持绝缘的辅助喷管7和通过金属管(其也支承其中一个额定电流接触件9)保持绝缘的主喷管8的功能。这两个电弧接触件1、1b或者仅仅其中一个可移动地构造。电弧接触件1、流出管3、导电元件2、绝缘喷管装置7、8和设置在绝缘喷管侧上的额定电流触头9可以彼此牢固地相连。
其它附图示意性地和剖切地示出了平面接触F附近的区域的可能构造，如其在根据图1的高功率开关中或者也在另一具有电弧接触件1、导电元件2和防燃弧元件3a的开关中可能的那样。
图2示出了图1中的实施形式，其中更为清楚地表示了螺纹。所示是有些理想化的，因为由于制造公差，一些表面可能彼此具有小的间距。该问题结合图3来讨论。
如图3所示，代替借助螺纹与导电元件2相连，接触件1也可以被压入导电元件中。这是形状配合连接的一个例子。此外，为了预防防燃弧元件3a装入导电元件2的由于制造公差而引起的配合问题，防燃弧元件3a的倾斜构造得弱于导电元件2的倾斜，如图3所示的那样。由此，导电元件2的内直径d2和防燃弧元件3a的外直径D3在相同的轴向坐标z的情况下大小不同。
此外如图3所示，梅花触头1也可以具有一倾斜部，由此预防防燃弧元件3a的由于制造公差而引起的配合问题。此外在图3中示出，也可设置有防燃弧元件3a的扁平构造的末端。
图4示出了如何可以获得在接触面6上的导致小的接触电阻的接触压力的另一示例性的实现。电弧接触件1借助锁紧螺母10或者凸缘10被向导电元件挤压。此外，图4示出，防燃弧元件3a也可以与流出管3分开设置。
图5示出：也可以设置有导电元件2和/或防燃弧元件3a的多个倾斜部。
图6示出：防燃弧元件3a也可以关于轴向坐标延伸到超过电弧接触件1的延伸部而设置。
图7示出另一实施形式，在该实施形式中，防燃弧元件3a与流出管3分开地设置。此外还示出了，也可以设置导电元件2的内直径d2以阶的方式地(在此在一阶中，也可能是两阶或者更多阶)增大。(因为图7表示了直到对称轴A的开关，所以内半径表示为d2/2)。
一种实施形式完全可以是有利的，在该实施形式中在内直径d2的第一区域中以阶的方式地如图7中所示地增大，并且在第二区域中如图5中所示地以倾斜方式地增大。但是，相反也可能的是，在内直径d2的第一区域中以倾斜方式增大，并且在第二区域中以阶的方式增大。
图8示出了一种实施形式，其中防燃弧元件3a和导电元件2从平面接触F开始，并且在由坐标z预给定的方向上首先具有恒定的外直径或内直径，并且随后具有在更大的径向坐标的方向上倾斜的区域。由此，以略为减小的接触面F为代价保证了改进的抗燃弧性。
图9中的实施形式类似于图8中的实施形式，但是示出平面接触F不必一定基本上径向对齐。它可以与沿坐标r延伸的轴成明显不等于零的角度α。该角度α可以如图9中所示为负的，但是也可以是正角度α。
图10示出了一种实施形式，其中防燃弧元件3a的内直径d3小于电弧接触件1的内直径d1。此外，防燃弧元件3a从接触面F的、主要导电元件3邻接的侧延伸直到接触面F的、主要电弧接触件1邻接的侧上。由此实现了改进的在接触面F上防燃弧的保护。此外，通过构造防燃弧元件3a和导电元件2，在区域2a中实现了卡锁机制，其用于两个部分彼此的相互固定。
附图中所表示的特征在不同于所述或者所表示的组合中也可以是有利的。
参考标记表
1             电弧接触件、梅花触头、接触管
1b            电弧接触件、触针
2             导电元件、保持器
2a，2b        区域、轴向区域
3             流出管
3a            防燃弧元件
4             气体、灭弧气体、气流、灭弧气流
5             电弧
6             电弧接触件的开口
7             辅助喷管
8             喷管、主喷管
9             额定电流触头、额定电流触头系统
10            锁紧螺母，凸缘
A             轴
D3            防燃弧元件的径向外尺寸，外直径
d1            电弧接触件的径向内尺寸、内直径
d2            导电元件的径向内尺寸、内直径
d3            防燃弧元件的径向内尺寸、内直径
I             电流、短路电流、电弧电流
F             平面接触、接触面
r             径向方向、径向坐标
z             轴向方向、轴向坐标
α            角度

Claims (12)

1.一种高功率开关，具有轴(A)，通过所述轴来限定与所述轴平行的轴向坐标(z)和与其垂直的径向坐标(r)，并且具有电弧接触件(1)、导电元件(2)和防燃弧元件(3a)，其中所述电弧接触件(1)具有开口(6)，以便于引导被以所述电弧接触件(1)为基础的电弧(5)加热过的气体的基本上为轴向的气流(4)，并且为了在所述电弧(5)的燃烧期间引导流经所述电弧接触件(1)和所述导电元件(2)的短路电流(I)，与所述导电元件(2)构成接触面(F)，并且其中通过所述防燃弧元件(3a)，所述接触面(F)附近的导电元件(2)基本上与所述气流(4)屏蔽，并且其中所述导电元件(2)具有轴向区域(2a)，在所述轴向区域中所述导电元件(2)的径向内尺寸(d2)随着平行于所述轴(A)所测量的、距所述接触面(F)的间距增加而以阶的方式地或者连续地增加，其特征在于，设置有用于容纳所述防燃弧元件(3a)的轴向区域(2a)，并且在所述轴向区域(2a)中所述防燃弧元件(3a)的径向外尺寸(D3)与所述导电元件(2)的径向内尺寸(d2)匹配，其中所述防燃弧元件(3a)被配合到所述导电元件(2)中。
2.根据权利要求1所述的高功率开关，其特征在于，所述导电元件(2)和所述防燃弧元件(3a)基本上旋转对称地构造，并且所述径向内尺寸(d2)是所述导电元件(2)的内直径。
3.根据上述权利要求中任一项所述的高功率开关，其特征在于，所述防燃弧元件(3a)轴向延伸到所述电弧接触件(1)。
4.根据权利要求1或2所述的高功率开关，其特征在于，与所述接触面(F)附近的导电元件(2)相比，所述防燃弧元件(3a)具有更耐燃弧的材料。
5.根据权利要求1或2所述的高功率开关，其特征在于，在靠近接触面(F)的区域中，所述防燃弧元件(3a)的径向内尺寸(d3)基本上与所述电弧接触件(1)的径向内尺寸(d1)相等。
6.根据权利要求1或2所述的高功率开关，其特征在于，设置有用于引导气流(4)的流出管(3)，并且所述防燃弧元件(3a)与所述流出管(3)牢固相连。
7.根据权利要求1或2所述的高功率开关，其特征在于，所述导电元件(2)与包围所述电弧接触件(1)的辅助喷管(7)牢固相连。
8.根据权利要求1或2所述的高功率开关，其特征在于，所述接触面(F)基本上径向对齐。
9.根据权利要求1或2所述的高功率开关，其特征在于，除了所述电弧接触件(1)之外还设置有额定电流触头系统(9)。
10.根据权利要求1或2所述的高功率开关，其特征在于，所述导电元件(2)的径向内尺寸(d2)在接近所述接触面(F)开始的区域中连续地或者连续通过单纯的级或者多级来增大。
11.根据权利要求1或2所述的高功率开关，其特征在于，所述导电元件(2)的径向内尺寸(d2)在接近所述接触面(F)开始的区域中以多个倾斜部的方式增大。
12.根据权利要求1或2所述的高功率开关，其特征在于，电弧接触件构建为具有多个接触指的梅花触头，并且所述梅花触头(1)被拧入所述导电元件(2)中。
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