CN101416263A - 具有变尺寸加热腔的高压开关的电弧室 - Google Patents

具有变尺寸加热腔的高压开关的电弧室 Download PDF

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Abstract

一种用于气体绝缘高压开关的电弧室。该电弧室包括容置来自电弧区(8)的压缩熄灭气体的加热腔(6)。加热腔(6)的部分壁是由能抵抗回复力(F)进行移位的活塞(9)形成。活塞(9)的形式为阶梯形活塞，并在远离加热腔(6)的端面具有活塞台阶，活塞台阶形成有作用于膨胀空间(12)的第一工作面(A2)，和作用于充满绝缘气体的存储空间(13)的第二工作面(A1－A2)。另外，连接加热腔(6)与存储空间(13)的通道导通穿过所述活塞(9)，如果存储空间(13)中的绝缘气体压力(p2)大于加热腔(6)中的熄灭气体压力(p1)，该通道打开。当中强度电流到高强度电流的连接断开时，加热腔(6)的容量大小增加，同时从存储空间(13)处供应新鲜的熄灭气体。加热腔(6)中供给的熄灭气体浓度因而保持在良好断路功率所需的高值，而不论待切断电流的大小。

Description

具有变尺寸加热腔的高压开关的电弧室
技术领域
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的具有加热腔的高压开关的电弧室。本发明还涉及具有这种电弧室的开关。
背景技术
在高压导电网中，气体绝缘高压开关用于接通和切断电流，电流强度从非常小强度的感应和电容电流到正常负载电流及至中、高强度的短路电流。为了熄灭开关切断期间形成的电弧，在这种开关中会使用具有良好电弧熄灭特性的绝缘气体，在开关切断过程中对该绝缘气体进行压缩，随后将其作为熄灭气体吹至电弧上，直到电弧在中断电流零转换时熄灭。所使用的压缩装置是由开关驱动器致动的压缩设备，因此该压缩装置需要驱动能量和/或开关电弧本身，利用该电弧的能量在加热腔中储存加压的热电弧气体(所谓自吹原理)。
根据自吹原理的开关操作不会消耗任何驱动能量，而且附加地有利于将绝缘管口的燃烧材料导入加热腔。加热腔中的压力和温度是非线性增加的，几乎相当于电弧的电流强度的平方。通常，开关电弧所引发的加热流和加热腔的大小最理想是与低、中强度的电流相匹配，因为当加热流与高幅值电流相匹配时，该加热流在小强度电流的情况下会太小，而且加热腔中不会形成强度足以成功吹灭电弧的熄灭气体的压力。
德国专利4412249A1中公开了一种开始提及类型的、具有灵活构造的加热腔的电弧室。加热腔的部分边界壁是由活塞形成，该活塞抵抗着回复力可移位地支撑在空心圆筒中。加热腔的容积大小设计为当切断小强度电流时，在加热腔内部形成熄灭气体压力，该气体压力足以大致能够成功地将熄灭气体吹至相关的低功率开关电弧。在切断强的短路电流期间，在加热腔内形成高熄灭气体压力，其使活塞克服回复力发生移位，并增大加热腔。为了向高功率开关电弧吹气，此时从增大的容积中可以获得高压力且高温的熄灭气体。为了避免活塞移位期间在空心圆筒中形成高反作用压力，将空心圆筒连接到电弧室的膨胀空间。
发明内容
本发明的目的是制造开始提及类型的电弧室，该电弧室的优点是将其安装到气绝缘高压开关后，不管驱动电力多低，都具有良好的开关能力。
在根据本发明的电弧室中，形成加热腔部分壁的活塞构造为差动活塞，而且在其远离加热腔的端面具有活塞台阶，该活塞台阶形成作用于膨胀空间的第一工作面以及作用于充满绝缘气体的存储空间的第二工作面。而且，连接加热腔与存储空间的通道贯通活塞，当存储空间中的绝缘气体压力大于加热腔中的熄灭气体压力时，该通道打开。
当切断低强度电流到中强度电流时，可以因而获得大致足够量电弧生成的熄灭气体，此时在压缩设备中需要低驱动功率，如果有的话，用于生成额外的熄灭气体。当切断中幅值电流到高幅值电流时，与之相反，加热腔的容量随着来自存储空间的新鲜绝缘气体的供给而增加。加热腔中提供的熄灭气体的浓度因而保持在良好切断功率所需的高值，独立于待切断电流的大小。这个高值对应于一开始就比较大的加热腔所获得的浓度值，但是对于在切断小强度电流到中强度电流期间生成大小足以成功地吹到电弧的熄灭气体压力而言，该加热腔容量过大。
第一工作面的面积设计为当加热腔中占优势的熄灭气体压力超出极限值时，回复力小于熄灭气体压力与膨胀空间中的气体压力之间的差值所形成的反作用力。这个尺寸确保活塞能够移位，从而增大加热腔的容量，因而新鲜的绝缘气体总是在待切断电流的高强度电流阶段从存储空间进入加热腔。
回复力通常由作用在活塞上的压缩弹簧生成，该压缩弹簧以简单的制造过程布置在存储空间中或膨胀空间中。
在切断中强度电流到高强度电流期间，当两个挡块限定的活塞移位路径上的压缩弹簧力小于作用在活塞上的差动力A2＊(p1-p0)时，从存储空间向加热腔持续供应新鲜气体以及因而熄灭气体的高浓度得以确保。其中p1是加热腔中由开关电弧而生成的气体压力，p0是膨胀空间中的气体压力，A2是第一工作面面积。
为了节省空间，以及因而为了使电弧室的尺寸保持较小，第一工作面是由轴向伸出的活塞凸出部形成，而膨胀空间包括轴向对齐的局部空间，第一工作面在该局部空间中以可移位方式承载。如果活塞凸出部布置为管状，且如果局部空间具有布置为空心圆筒的腔室，电弧室的优点在于良好的操作可靠性，因为诸如，尤其是气体浓度、机械强度和介电强度和电流承载容量等操作性的重要特征通过简单的装置而得以最优化。如果空心圆筒的外表面由限制加热腔外部的金属管形成，内表面是由绝缘管口形成，在任何情况下都能用现有部件以低成本制造电弧室。
如果在存储空间和膨胀空间之间设置的连接部中布置回流阀，当存储空间中形成过压时，该回流阀是堵塞的，那么切断过程之后存储空间能够快速地再次充满新鲜的绝缘气体。
附图说明
在下文中，将参照附图对本发明的示例性实施方式进行更为详细的描述。其中，单幅附图示出的是根据本发明的电弧室的沿轴线剖开的截面顶视图，该电弧室用于气绝缘高压开关，其中轴线上方示出了开关处于闭合状态的电弧室，轴线下方示出了开关打开期间的电弧室。
具体实施方式
在单幅附图中示出的高压功率开关的电弧室包括充满加压绝缘气体的壳体1，以及触点结构2，该绝缘气体是例如基于六氟化硫、氮气、氧气或二氧化碳或这些气体彼此的混合物，比如空气，该触点结构2构造为大致轴向对称，其容置在壳体1内并由壳体支持，并具有两个沿轴线A可彼此相对移动的弧形触点3、4。弧形触点3能够沿轴线A移动，而弧形触点4在壳体1内基本保持静止，但是如果需要的话，后者也可以沿轴线移位。两个弧形触点3、4由绝缘管口5和储存熄灭气体的加热腔6同轴地包绕。加热腔6布置为圆周方向为矩形截面的环形室的形式。在开关的标称电压为典型的200到300千伏，标称短路断开电流为50到70千安的情况下，加热腔6大致能够容纳大约1到2公升的加压熄灭气体。在加热腔6中，当开关打开时，加热通道7打开，从而将电弧区8连接到加热腔6，该电弧区8是在开关打开期间通过分离燃烧触点3、4而形成并由绝缘管口5径向限定。加热腔6的部分壁由差动活塞9形成，该差动活塞9能够在轴向对称布置的环状空间11中抵抗压缩弹簧10提供的回复力而以气密方式进行移动。
活塞9在其限定加热腔6的端部具有有效截面积为A1的环形工作面，其由附图标记A1表示。在远离加热腔6的端面，活塞9构造为阶梯状并包括由管状凸出部91形成的活塞台肩，该凸出部91形成两个工作面A2和A1-A2，各工作面分别具有有效截面A2和A1-A2。工作面A2作用于膨胀空间12，在该膨胀空间12中绝缘气体的压力为p0，而活塞表面A1-A2作用于充满新鲜绝缘空气的存储空间13。在活塞9中，布置有可由未受弹簧加载的回流阀14封闭的通道，该通道将加热腔6连接到存储空间13，为了清楚起见，未给出通道标号。
存储空间13构造成环形室，而且由两个同轴布置的空心圆筒径向限定，并由两个前体轴向限定。位于内部的空心圆筒由模制在绝缘管口5内的管状活塞凸出部51形成，该活塞凸出部51限定加热通道7通向外部的轴向导通部分。空心圆筒的外部由两个可移位的伸缩式管状凸出部52和91形成，其中凸出部52同样模制在绝缘管口5内，而凸出部91模制在活塞9中。这两个为轴向限定而设置的前体一者由活塞9的径向引导部分92形成，另一者由绝缘管口5的径向引导部分53形成。活塞部分92形成工作面A1-A2。压缩弹簧10布置在存储空间13中，而且其一端支撑在部分92上，另一端支撑在部分53上。在一种连接中，回流阀15布置为模制在膨胀空间12和存储空间13之间的部分53中，该回流阀15调整为当存储空间13中形成过压时，回流阀15阻塞。
工作面A1由活塞凸出部91形成，而且该工作面A1在膨胀空间12的轴向对齐的局部空间16中能够进行移位。该局部空间16显然具有构造为空心圆筒的腔。空心圆筒的外表面由限定加热腔6外部的金属管17形成，大致用于传导工作电流，而内表面由绝缘管口5的部分52、53形成。
在附图上半部示出的室的开关接通的状态下，弧形触点4的左手端以导电方式推入管状构造的弧形触点3的右手端。当电流断开时，两个弧形触点3、4彼此分离，而且在这个过程中，形成基于弧形触点两端的电弧L，该电弧L在电弧区8产生高压热气体。电弧气体的温度和压力取决于电弧的工作状态，而且它们因此跟电弧的持续时间成正比，该电弧的持续时间是由电流的零转换时间所决定，且近似于跟待切断电流的平方成正比。
电弧区8中的电弧气体压力大致大于加热腔6中的压力。因此在加热通道7中，热气体从电弧区8流入加热腔6。如果电流接近零转换，电弧L的热效应减少，就会发生反向流动。储存在加热腔6中、压力为p1的气体作为熄灭气体经由加热通道7流入电弧区8，并吹到电弧L上至少持续到在电流零转换时电弧L熄灭为止。
加热腔6的容量大小确定为，当切断小强度电流到中强度电流时，加热腔6中可以获得大致充足的压缩熄灭气体以熄灭电弧。额外的熄灭气体从可略微变尺寸的活塞/圆筒压缩装置的压缩空间18供给，该压缩空间18以低的熄灭气体压力p1连接加热腔6。然后在略微预张紧压缩弹簧10的回复力作用下引导活塞9抵靠在金属管17保持的挡块19上。弹簧的预张紧力F1调节为在加热腔6中的气体压力低于熄灭气体的压力p1的极限值p1 G的情况下，该弹簧将活塞9保持在挡块19处。当活塞9没有移位时，回流阀15打开。存储空间13此时连接到充满绝缘气体的膨胀空间12，在膨胀空间12中绝缘气体的压力保持为p0。预张紧力F1因而必然是A1＊(p1 G-p0)。
在切断中幅值电流到大幅值电流时，p1超过极限值p1 G。活塞9此时朝右边移位，使得该过程中，存储空间13中的压力p2相对于膨胀空间中的压力p0增加，回流阀15现在关闭。一旦存储空间13中的压力p2超过加热腔6中的压力p1，回流阀14就打开，新鲜的绝缘气体从存储空间13流入加热腔6。这将使加热腔6中的气体浓度保持在所需的高值。这个高值对应于一开始就较大的加热腔获得的浓度值，但是为了在切断小幅值电流到中幅值电流时，获得足以成功地吹到电弧的熄灭气体压力p1，该加热腔容量则过大。
由加热腔6中压力p1的大小所决定，活塞或多或少地向右方移位。活塞9向右的移动受限于凸出部52形成的挡块。在由挡块20和凸出部52确定的长度为l的路径上，活塞9产生的力必须大于压缩弹簧10产生的回复力F。加热腔6中的压力p1和局部空间12中的p0的差动作用下活塞9生成的力是A2＊(p1-p0)。活塞表面A2的面积因此设计为在路径上的一个位置处占优的弹簧力F小于或至多等于整个路径l上作用于活塞9的差动力。这确保了在整个移位路径l上p2大于p1，从而在加热腔6中形成比根据现有技术开关中更大浓度的熄灭气体，尽管因活塞移位而增加了加热腔的容量，进而因降低熄灭气体的浓度而相当程度地降低了熄灭气体的质量。
由于在电流零转换时对开关电弧L上吹以熄灭气体，所以加热腔6中的熄灭气体压力p1下降。压缩弹簧10的回复力F此时胜过差动力，并将活塞9推回至其抵靠在挡块19上的初始位置。此时新鲜的绝缘气体能够经由当前打开的回流阀15从膨胀空间12进入存储空间13。
附图标记表
1                   壳体
2                   触点结构
3、4                触点件
5                   绝缘管口
6                   加热腔
7                   加热通道
8                   电弧区
9                   活塞
10                  压缩弹簧
11                  环状空间
12                  膨胀空间
13                  存储空间
14、15              回流阀
16                  局部空间
17                  金属管
18                  压缩空间
19                  挡块
51、52              绝缘管口的凸出部
53                  绝缘管口部分
91                  活塞凸出部
92                  活塞部分
A                   轴线
A1、A2、A1-A2       活塞上的工作面
F                   回复力
F1                  预张紧力
L                   电弧
P0                  膨胀空间中的气体压力
P1                  加热腔中的(熄灭)气体压力
P2                  存储空间中的(绝缘)气体压力
l                   活塞移位路径的最大长度

Claims (10)

1、一种用于气体绝缘高压开关电弧室，具有充满绝缘气体的壳体(1)，在该壳体中布置有：两个沿轴线(A)彼此可相对移动的弧形触点(3、4)；同轴环绕所述两个触点的加热腔(6)，该加热腔用于容置来自电弧空间(8)的压缩熄灭气体；以及容置膨胀熄灭气体的空间(12)；所述加热腔(6)的部分壁是由能抵抗回复力(F)进行移位的活塞(9)形成的，其特征在于所述活塞(9)布置为差动活塞，并在背离所述加热腔(6)的端面具有活塞台阶，所述活塞台阶形成作用于膨胀空间(12)的第一工作面(A2)和作用于充满绝缘气体的存储空间(13)的第二工作面(A1-A2)，并且连接所述加热腔(6)与所述存储空间(13)的通道穿过所述活塞(9)，当所述存储空间(13)中的绝缘气体压力(p2)大于所述加热腔(6)中的熄灭气体压力(p1)时，所述通道打开。
2、如权利要求1所述的电弧室，其特征在于所述第一工作面(A2)的尺寸设计为当所述加热腔(6)中的熄灭气体压力(p1)超出极限值时，所述回复力(F)小于熄灭气体压力(p1)与所述膨胀空间(12)中的气体压力(p0)之间的差值所形成的反作用力。
3、如权利要求2所述的电弧室，其特征在于在所述存储空间(13)中，布置有作用于所述活塞(9)的压缩弹簧(10)以产生所述回复力(F)。
4、如权利要求3所述的电弧室，其特征在于所述压缩弹簧(10)布置在所述膨胀空间(12)中，而不是所述存储空间(13)中。
5、如权利要求3或4所述的电弧室，其特征在于所述压缩弹簧(10)在由两个挡块(20，52)限定的所述活塞(9)的位移行程(1)上的力(F)小于作用在所述活塞(9)上的差动力A1＊(p1-p0)，其中
p1是由开关电弧(L)而产生的所述加热室(6)中的气体压力，
p0是所述膨胀空间(12)中的气体压力，以及
A2是第一工作面(A2)的面积。
6、如权利要求1到5中任一所述的电弧室，其特征在于所述第一工作面(A2)由轴向伸出的活塞凸出部(91)形成，并且所述膨胀空间(12)包括轴向对齐的局部空间(16)，所述第一工作面(A2)以可移位方式承载在所述局部空间(16)中。
7、如权利要求6所述的电弧室，其特征在于所述活塞凸出部(91)布置为管状，并且所述局部空间(16)具有布置为空心圆筒的腔室。
8、如权利要求7所述的电弧室，其特征在于所述空心圆筒的外表面由限定加热腔(6)外部的金属管(17)形成，内表面由绝缘管口(5)形成。
9、如权利要求1到8中任一所述的电弧室，其特征在于在所述存储空间(13)和膨胀空间(12)之间设置的连接部中，布置有回流阀(15)，当所述存储空间(13)中形成过压时，所述回流阀(15)阻塞。
10、一种高压开关，包括如权利要求1到9中任一所述的电弧室。
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