CN101379579A - 真空式电切换装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于高压电功率的真空式电切换装置(10)。监控电触点(18)周围的真空压力空间(21)中的真空压力状况，并且当压力超过一预定阈值时自动阻止触点在断开和闭合位置之间的移动，从而避免触点之间有害的电弧放电。传感器(32)响应于真空压力状况提供真空信号(34)。当真空信号指示该真空已劣化时，控制器(36)自动禁止触点的移动。触头(38)可与电源(28)和用来移动触点的螺线管(24)串联，且该触头响应于劣化的真空状况通过控制器自动打开。电动机械断开禁止器(74)可由控制器供电，从而以机械方式阻止触点响应于劣化真空状况而移动。
Description
发明领域
本发明一般涉及用于高压、高功率应用的真空式电切换设备的领域。
发明背景
在电力业和工业应用中，各种设备用来控制高压电功率(例如大于1000VAC)流。这类设备包括断路器、自动接入继电器、电容器开关、自动和非自动分段隔离开关以及空气开关附件，它们在本文中用一般术语称为开关或切换装置。尽管已研制出半导体开关，然而对于大多数高压应用，机械开关仍然是优选的。这类设备包含有彼此分离以阻断电流和结合在一起以允许电流流过开关的配对电触点。为了在打开时中断电路，这些触点一般浸没在具有高介电强度的油中，或者使触点包含在诸如SF6的绝缘气体或真空压力空间内。真空式设备中真空的丧失会在触点打开时引起明显的电弧放电或在触点闭合时引起过热，从而造成触点的损坏并产生伤及位于开关附近的人的可能性。
用来监控真空式开关的真空压力空间内的压力的设备是已知的。援引包含于此的美国专利申请公开No.US 2005/0258342 A1以及美国专利4,103,291和4,484,818记载了这些设备的例子。这些监控设备用来提供对触点周围的真空状况何时劣化的指示。虽然存在这类用于监控真空状况的设备，但是因为开关在电触点周围劣化的真空状况下工作，真空式开关经常被损坏。避免这种损坏的改良电切换装置是需要的。
附图简述
在下面的描述中参照附图对本发明作出说明，在附图中：
图1是改良真空式电切换装置的示意图。
图2是可与图1的真空式电切换装置一起使用的闭锁装置的一个实施例的示意图。
图3是与图2的闭锁装置相关联的逻辑图。
发明详细描述
图1的切换装置10包括：真空断续器12；有选择地在打开和闭合位置之间切换断续器12的驱动机构14；以及在可能造成对设备的损坏或对人的损伤的情况下防止真空断续器12切换的闭锁装置16。真空断续器12包括配对的电触点18(示为固定触点18s和可移动触点18m)，电触点18被设置成在闭合位置和打开位置之间作相对移动，在闭合位置，触点啮合以使电流流过作为高压电路20一部分的切换装置10，而在断开位置，触点分离(例如使可移动触点18m如虚线所示那样移动)以阻止电流流过开关10。触点18被限定其内真空压力空间21的压力边界22包围。当两个触点在高压电势下在打开和闭合位置之间移动时，该真空压力状况使触点18之间的电弧放电减至最小。
驱动机构14可包括经由诸如玻璃纤维的适当介电材料的电绝缘杆26连接于可移动触点18m的螺线管24。螺线管24可由电源28选择性地供电，电源28对响应于经由遥控器30的操作者输入产生的控制信号29作出响应。遥控器30可位于真空断续器12附近或者可以是遥远的远方。在压力边界22内的真空压力可接受地低的正常工作状况下，经由遥控器30的操作者输入有效地使电源28连接于螺线管24，从而有选择地在打开和闭合位置之间移动触点18。
当压力边界22内的压力高于预定阈值时，闭锁装置16阻止触点18的相对移动(打开或闭合)。该阈值可选择为避免由于诸触点18之间电弧放电造成对设备的损坏并危及附近的人们，该阈值在各实施例中例如约为10-2托至10-4托。闭锁装置16包括与真空断续器12相关联以响应压力边界22内的真空压力状况而产生真空信号34的传感器32。这类传感器32的例子在前述美国专利申请公开No.US 2005/0258342 A1中有记载。真空信号34用来控制控制器36以及与螺线管24和电源28串联设置的触头38的状态。当传感器32检测到压力边界22内劣化的(升高的)压力状况时，控制器36接收到相应的真空信号34并打开触头38以阻止对螺线管24供电，从而阻止触点18移动。因此驱动机构14和闭锁装置16一起充当控制元件17，以在真空压力是可接受的时响应控制信号29和真空信号34控制触点18的移动，而在真空压力劣化时自动阻止触点18的移动。由于真空式开关的几乎所有操作是从本地控制或遥控受到电气控制的，因此在保护性真空已劣化时，在防止这些开关的状态改变的方面，本发明是有效的。通过阻止使真空状况丧失的操作，灾难性故障和人员伤害的可能性减至最小。
控制器36还对指示器42产生一指示信号40，用来对劣化/升高的压力状况发出信号。指示器42可以是灯或其它视觉或听觉设备，并且它可以是操作者控制显示器的一部分。指示器42可设置在遥控器30附近或设置在相关地点，例如设置在集中维护或服务中心以提醒相关维护人员需要对真空断续器12作出维护。指示信号40和/或控制信号29可经由诸如因特网或无线通信网络的网络传送。
真空式开关会形成少量漏洞，这造成非常缓慢的真空状况丧失，例如在几个月甚至几年的时间长度。通过传感器32测得的压力值的历史可被存储于数据库44中。该历史可以是时间历史和/或相对另一计数变量(例如触点移动循环数)的历史记录的数据。控制器36或另一处理器可用来访问数据库44以根据压力信息的历史形成趋势信息，由此提供用于作出维护判断的预测能力。趋势信息可以是检测出的压力的归纳，用来预告何时压力预期到达阈值，从而在压力劣化至触点19移动时会对设备造成损坏的点之前安排真空断续器12的修复/更换。趋势信息和任何预告数据可经由远程指示器42远程显示，例如在维护、维修机构处显示。
图1还示出响应于压力边界22的环境参数提供环境信号48的第二传感器46。这些环境参数可包括温度、电压、机械震动、雷电检测、断路器位置或影响切换设备10尤其是压力边界22整体性的其它参数。数据库44用来使真空信号34的历史和环境信号48的相应历史相关联。该信息有益于诊断真空压力空间21内真空丧失的原因。例如，如果在电路20中发生电压偏移后压力立即开始增加，则可以推断电压偏移造成压力边界22某种程度的机械失效。这些关联有益于确定切换装置压力丧失状况的根本原因，并进而为劣化状况的修复评价经济偿付能力。
图2示出可与图1的真空式电切换装置10一起使用的闭锁装置50的一个实施例。在本实施例中，真空压力传感器32包括标志52，它是响应于真空压力空间21中的压力变化而移动的元件。图2以实线示出在正常工作位置的标志52，并以虚线示出在开关失效位置(真空压力空间21中处于高压)的标志52。标志52可选择性地发挥作用以阻挡光能或使其通过，该光能是通过发光二极管(LED)54或其它光源响应于开关压力边界22内的压力状况而产生的。这类传感器在前面提到的美国专利申请公开No.US 2005/0258342 A1中有更完整的记载。闭锁装置50包括三个光敏二极管(LSD)56、58、60或其它光检测设备。第一光敏二极管56被设置成接收来自LED 54的光而不管开关的可操作性如何，并响应所接收的光产生电流信号R1。信号R1与响应于电源62所提供电流的电流信号C1和响应于提供给LED 54的电流信号S1一起馈入控制器36。第二光敏二极管58被设置成只有当标志52处于其正常工作位置时(即当适当的真空水平存在于真空压力空间21时)，才接收来自LED 54的光。与LSD 58相关联的电流传感器响应于由LSD 58接收的光将信号R2提供给控制器36。第三LSD 60被设置成仅当标志52处于其开关失效位置(即当劣化的真空水平存在于真空压力空间21)时，才接收来自LED 54的光。与LSD 60相关联的电流传感器响应于由LSD 58接收的光将信号R3提供给控制器36。自动补偿回路61监测LED54的光输出并自动调整电源62的输出，从而将光输出维持在预定范围内。
在感测到劣化的真空状况时，控制器36被编程为提供适当的输出信号64、66、68。错误指示信号64可用来向例如与开关控制系统相关联的信号灯或屏幕显示指示的指示器70供电。可使用开路禁止信号66来激活开路禁止器72——例如结合图1讨论的触头38——以自动阻止开关触点18的电学移动。电测量禁止器信号66用来激活电动机械断开禁止器74，诸如阻止开关触点18手动移动的螺线管驱动的机械卡锁。
图3是图2的闭锁装置的可由控制器36实现的逻辑80的一个实施例的逻辑图。当功率继电器82第一次向电路供电时，逻辑80在步骤84发起自检以确认每个电流信号C1、S1、R1、R2和R3的值在所定义的可接受范围内。如果所有信号都在可接受范围内，则切换装置被认定为是可工作的；如果不是，则切换设备被认定为是劣化的。可采用计数电路86在作出动作前要求多次检查，例如三次计数器要求在认定开关为劣化的之前作出三次不可接受电流的判定，或采用定时电路以要求在默认判定劣化开关前的定义的时间段内判定可工作的开关。在通过计数电路86逻辑门时，系统的电源在步骤88切断或在步骤90停机，并且进行与图2的自动闭锁元件70、72、74对应的一个或多个自动闭锁步骤92、94、96。如果在步骤84认定该开关为可工作的，则所有这些自动闭锁元件分别在步骤98、100、102被禁用。
图2和图3中描述的光路和电流测量的内建冗余提供将劣化真空的错误指示减至最小的高度保证。例如，如果只有一个LSD用来接收来自LED的光，则可能将那个单个LSD上的低电流值误判为劣化的真空状况，即使该低电流值是由出故障的电源、出故障的LED或处于错误位置的标志造成的。在图2和图3的实施例中，劣化的真空状况可被定义为R2的低电流值的发生以及R3的高电流值的同时发生。该实施例不需要LSD56或信号C1、S1或R1。然而，为了更彻底地诊断传感器的性能，可一并分析所有信号C1、S1、R1、R2和R3以诊断各种类型的故障，例如功率损耗(低C1值)、出故障的LED(低R1值)、任何一个LSD的失效(电流值S1、R1、R2和R3的不当组合)等。
尽管这里已示出和描述本发明的诸个实施例，然而很明显这些实施例仅以示例方式给出。可在不脱离本发明的前提下作出多种变化、修改和替代。因此，本发明仅由所附权利要求书的精神和范围限定。
Claims (20)
1.一种用于高压电功率的电切换装置，包括：
压力边界，用来限定所述压力边界内的真空压力状况；
在所述压力边界内的电触点，所述电触点被设置成在闭合位置和打开位置之间作相对移动，在所述闭合位置中所述触点处于啮合状态以使电流流过所述切换装置，而在所述打开位置所述触点分离以阻止电流流过，且当所述触点在高压电势下在两位置之间移动时，所述真空压力状况使所述触点之间的电弧放电减至最小；
传感器，所述传感器响应于所述真空压力状况产生真空信号；以及
控制元件，所述控制元件响应控制信号以控制所述触点在打开和闭合位置之间移动，并当真空压力状况在所述压力边界内劣化时进一步响应所述真空信号以阻止所述触点在打开和闭合位置之间移动。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制元件包括螺线管，所述螺线管由电源选择性地供电以使所述触点移动，并且还包括：
与所述电源和所述螺线管串联的触头，当所述真空压力状况劣化时所述触头响应于所述真空信号有选择地打开以阻止对所述螺线管供电和所述触点的移动。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制元件还包括响应所述真空信号以阻止所述触点的手动移动的电动机械断开禁止器。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
数据库，所述数据库存储指示所述真空压力空间中的压力状况的历史的数据；以及
处理器，所述处理器访问所述数据库并提供根据所述真空压力空间中的压力历史形成的趋势信息。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
环境传感器，所述环境传感器响应于所述压力边界的环境参数而产生环境信号；以及
数据库，所述数据库存储指示所述压力信号的历史和所述环境信号的相应历史的数据。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述传感器包括：光源；第一光感测装置，其被设置成接收光而不管所述压力边界内的压力值如何；第二光感测装置，其被设置成仅当所述压力边界内的压力值可接受时才接收光并在所述压力边界内的压力值劣化时不接收光；以及第三光感测装置，其被设置成仅当所述压力边界内的压力值劣化时才接收光，而当所述压力边界内的压力值可接受时则不接收光；并且
所述控制元件包括逻辑，所述逻辑可由控制器执行以响应于所述光源、所述第一光感测装置、所述第二光感测装置和所述第三光感测装置的输出来确定所述压力边界内的压力是可接受的还是劣化的。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述传感器包括：光源；光感测装置，其被设置成仅当所述压力边界内的压力值可接受时才接收光，并且当所述压力值劣化时不接收光；以及另一光感测装置，其被设置成仅当所述压力边界内的压力值劣化时才接收光，并且当所述压力值可接受时不接收光；以及
逻辑，所述逻辑可由控制器执行以响应于被设置成仅当所述压力边界内的压力值可接受时接收光并且当所述压力值劣化时不接收光的光感测装置以及响应于被设置成仅当压力边界内的压力值劣化时接收光并当所述压力值可接受时不接收光的光感测装置的输出来确定所述压力边界内的压力是可接受的还是劣化的。
8.一种用于高压电功率的电切换装置，包括：
真空断续器，所述真空断续器包括设置在真空压力空间内的触点；
驱动机构，所述驱动机构与所述真空断续器相关联以响应于控制信号有选择地在打开和闭合位置之间移动所述触点；
传感器，所述传感器响应于所述真空压力空间内的压力状况提供真空信号；
控制器，所述控制器与所述驱动机构相关联并从远离所述驱动机构的位置接收操作者输入，以遥控所述真空断续器的操作；
其中所述控制器响应所述真空信号以在所述传感器感测到所述真空压力空间内升高的压力状况时，阻止操作者发起对真空断续器的遥控。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括远离所述真空断续器设置、并由所述控制器响应所述真空信号激活以提供升高压力状况的远程指示的指示器。
10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括由所述控制器控制以在所述传感器感测到升高的压力状况时自动阻止对连接于所述触点的螺线管供电的闭锁触头。
11.如权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括由所述控制器控制以在所述传感器感测到升高的压力状况时以机械方式阻止所述触点移动的电动机械断开禁止器。
12.如权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括：
所述驱动机构包括使所述触点在打开和闭合位置之间移动的螺线管；
所述控制器响应于在打开和闭合位置之间移动触点的操作者输入有选择地将所述螺线管连接于电源；以及
触头，所述触头与所述螺线管和电源串联，并且在所述传感器感测到真空压力空间内的压力状况超过阈值时由所述控制器打开以阻止操作者发起的对所述真空断续器的遥控。
13.如权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括：
环境传感器，所述环境传感器响应于真空压力空间的环境参数提供环境信号；以及
数据库，所述数据库存储指示所述真空信号的历史和所述环境信号的相应历史的数据。
14.如权利要求8所述的装置，其特征在于：
所述传感器包括：光源；第一光感测装置，其被设置成接收光而不管所述压力边界内的压力值如何；第二光感测装置，其被设置成仅当所述压力边界内的压力值可接受时才接收光并在所述压力边界内的压力值劣化时不接收光；以及第三光感测装置，其被设置成仅当所述压力边界内的压力值劣化时才接收光，而在所述压力值可接受时则不接收光；并且
所述控制元件包括逻辑，所述逻辑可由控制器执行以响应于所述光源、所述第一光感测装置、所述第二光感测装置和所述第三光感测装置的输出来确定所述压力边界内的压力是可接受的还是劣化的。
15.如权利要求8所述的装置，其特征在于：
所述传感器包括：发光设备；光感测设备，其被设置成仅当所述压力边界内的压力值可接受时才接收光，并且在所述压力值劣化时不接收光；以及另一光感测装置，其被设置成仅当所述压力边界内的压力值劣化时才接收光，并且在所述压力值可接受时不接收光；以及
逻辑，所述逻辑可由控制器执行，以响应于被设置成仅当所述压力边界内的压力值可接受时接收光并且在所述压力值劣化时不接收光的光感测装置以及响应于被设置成仅当压力边界内的压力值劣化时接收光并在所述压力值可接受时不接收光的光感测装置的输出来确定所述压力边界内的压力是可接受的还是劣化的。
16.一种用于高电压电功率的电切换装置，包括：
真空断续器，所述真空断续器包括设置在真空压力空间内的触点；
传感器，所述传感器响应于所述真空压力空间内的压力提供真空信号；
数据库，所述数据库存储指示所述真空压力空间内的压力的历史的数据；以及
处理器，所述处理器访问所述数据库并提供根据所述真空压力空间中的压力历史形成的趋势信息。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，还包括：
第二传感器，所述第二传感器响应于所述真空断续器的环境参数提供环境信号；并且
所述数据库包括所述真空压力空间内的压力的历史和所述环境参数的相应历史的关联。
18.如权利要求16所述的装置，其特征在于，还包括：
驱动机构，所述驱动机构可由操作者遥控以使所述触点在打开和闭合位置之间移动；以及
闭锁装置，当所述真空压力空间内的压力超过预定值时所述闭锁装置响应所述真空信号以自动阻止由操作者发起的触点的移动。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述闭锁装置包括与所述驱动机构的电源串联的触头，所述触头响应于所述真空信号有选择地打开。
20.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述闭锁装置包括响应于所述真空信号阻止触点的手动移动的电动机械断开禁止器。
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