CN101894692B - 通过极柱轴旋转角变化来评估按压触头的完整性 - Google Patents

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Abstract

公开了一种测量开关设备(10)触头(12、14)磨损度的设备。所述开关设备(10)是断开断路器类型，带有偏移极柱轴(20)，并且移动触头(14)安装在滑动支撑件(16、62、64)上。测量触头(12、14)的磨损度建立在移动触头(14)在其支撑件(16)上滑动时，处于闭合位置的超程的基础上。所述超程优选通过非接触式磁性旋转传感器测量极柱轴(20)的剩余旋转角来测量。

Description

通过极柱轴旋转角变化来评估按压触头的完整性
技术领域
本发明涉及通过间接测量触头驱动机构旋转运动来评估开关设备中的极柱单元触头的腐蚀程度。具体来说，本发明涉及开关设备，所述开关设备包括一对可以相对于彼此移动的触头，移动触头由臂支撑，以允许其在闭合位置时实现超程。本发明还涉及一种方法，所述方法让电动力强度高的开关设备装备了检查触头完整性的手段。
背景技术
为受控电气载荷供电的电力线通常设置有至少一个开关设备，所述开关设备每一相线包括一对可以相对于彼此移动以切换载荷的触头。触头的促动可以通过不同方式实现，具体来说，对于一些大功率开关设备(特别是超过1000A)来说，例如用作线路端头的输入安全设备，需要高电动力强度，并且触头由耦接到旋转销的杠杆系统促动，而所述旋转销本身由带有两个枢转杆的肘节机构来促动，正如例如EP0222645、EP0789380或EP1347479所述。
触头可以直接布置在导体上，或者它们可以包括以适当材料特别是银合金制成的衬垫。无论选择何种技术，每次开关操作时触头或多活少发生磨损，特别是存在电弧的情况下。在大量开关操作之后，这种磨损可能导致开关设备发生故障，影响该设备的安全性和可用性。为了减小这种风险，常用方案包括在预定次数的操作之后系统地更换触头或者甚至整个开关设备，而不考虑衬垫的实际磨损。但是，这种操作通常为时已晚，例如如果其中一次开关操作产生了较大的电弧，所以存在相关的风险；或者为时过早，产生更换几乎未显示出任何磨损的衬垫所固有的成本。
因此，评估触头完整性的能力或者判断实际磨损度，从中获得有关极柱单元触头剩余使用寿命或者使用寿命结束的信息，带来了显著的优势。对于一些使用寿命长的大功率设备来说，因此维护操作例行视觉评估触头衬垫的状态，例如在触头上配装磨损指示器。这种操作仅能在断开开关单元的情况下进行，即在实施使该设备不能运动的维护操作时进行。对于安全应用，即开关设备仅偶尔脱扣且触头通常保持闭合的情况，这种检查就足够了。但是，对于正在发展的其他应用来说，诸如例如风力涡轮设备的安全设备，操作次数不断增加，并且要求触头的耐用性更高。以预设时间间隔来视觉检查触头带来了问题并且不能满足需要。
已经提出了各种方法以例行方式评估触头衬垫的磨损度和/或不必让开关设备退出服务。因此，文件EP0878015建立在于开关设备断开操作过程中改动接触压力的基础上。但是，这种设备要求额外的专用装置来测量中性点的开关电压并使用辅助开关。文件FR2834120提出了通过测量控制电磁铁中的电流来研究闭合运动过程中覆盖触头磨损行程所需的时间变化。但是，这种方案不适用于能手工断开或闭合的断路器。
文件WO2007/033913提出了测量表征触头相对于其促动器的相对运动的不同参数，其中所述的促动器是电磁型促动器。但是，似乎这种技术仅适用于触头速度或者移动它们所需的力随时间变化的情形。但是，大功率开关设备趋向于针对触头按压和超程具有随时间变化的线性行程，这使得这种方法不准确甚至不适用。
发明内容
在众多优势中，本发明的目标是提供一种检查触头完整性的设备，该设备简单且适用于具有移动触头的开关设备，移动触头由旋转轴驱动且在开关设备闭合操作结束时受到按压。
根据一项特征，本发明涉及一种装备有测量超程阶段驱动轴旋转角变化的这样的设备的电气保护设备。所述电气保护设备优选具有多个极柱，并且每个极柱单元包括一对可以相对于彼此在断开位置和闭合位置之间移动的触头。移动触头安装在支撑臂上，支撑臂包括两个相对于彼此滑动的部分，以便在触头闭合位置时，移动触头可以处于支撑臂上的休止位置，靠接位置或者按压位置。具有优势的是，用作弹簧的装置将触头偏压到非按压休止位置，从所述臂突起。至少一对触头优选与一对灭弧触头关联，所述灭弧触头通常彼此分开，但是在极柱单元被促动时，瞬时闭合。特别是，移动触头支撑臂包括位于其端部的灭弧触头。
移动触头支撑臂通过保护设备的轴的旋转而在断开位置和闭合位置之间被驱动，所述轴由连接杆系统耦接到所述支撑臂。所述旋转轴优选为整个开关设备共用的极柱轴。特别是，所述开关可以具有高电动力强度，由肘节机构和复位设备促动。触头闭合后，极柱轴的剩余旋转，即从移动触头的靠接位置到行程结束，对应于按压移动触头，优选占据闭合操作过程中总体旋转角的大约30％。
根据本发明，所述开关设备包括用来判断触头磨损度的设备，该设备测量在极柱单元触头靠接位置和所述轴行程结束位置之间所述旋转轴转过的角度。所述判断设备优选为直接耦接到所述旋转轴的角度传感器或者旋转传感器。具有优势的是，所述旋转传感器是磁性传感器并且遥控操纵。具体来说，磁性装置，比如磁铁，布置在所述轴上，特别是布置在其端部，并且检测装置配装到所述开关设备面对所述磁性装置的外壳上。
根据另一项特征，本发明涉及一种方法，通过在极柱轴一端配装旋转传感器，该方法使得所述开关设备装备有测量触头完整性的设备。所述方法可以应用于现有开关设备，并且优选包括将磁性装置固紧到极柱轴一端而将检测它们角度位置的装置配装成面对所述磁性装置。
附图说明
其他优势和特征将从本发明特定实施方式的下述说明中更为清楚地体现出来，这些特定实施方式表现在附图中，用于例述目的且不以任何方式用作限制性示例目的。
图1A示出了具备高电动力强度的安全开关设备，其中符合本发明原理、用来判断触头磨损度的设备可以在其中实施；图1B和1C示出了该开关设备的闭合步骤；
图2表示用于本发明优选实施方式中的传感器；
图3A至3C示出了符合本发明实施方式的开关设备的断开步骤；
图4示出了存在灭弧触头的情况下，触头磨损度曲线的示意性曲线。
具体实施方式
参照图1A，在传统方式中，超过800A的大电流断路器10对于每个极柱单元包括一对的断开触头，或者说主触头。每个主触头优选与适当材料例如银基合金制成的衬垫12、14关联，其中一个衬垫14配装到臂16上，所述臂在离开静触头12的断开位置和衬垫12、14之间建立机械电气接触的闭合位置之间枢转。极柱单元还包括灭弧室18和一对主端子(未示出)，主端子设计成插接在连接片上。对于上述这种高标称范围而言，断路器10包括多个布置在平行平面中、与共用极柱外壳20垂直的多个极柱单元。极柱单元闭合或断开指令从极柱轴20经由带有杠杆的驱动机构22传递到每个移动触头14。
极柱轴20安装成在断路器10的外壳上旋转，并且由适当的装置促动。具体来说，对于具有中间极柱轴20以及高电动力强度的断开断路器10来说，促动机构是带有相对于彼此枢转的两个杆24、26的肘节型机构。其中一个杆24铰接在脱扣钩28上旋转，所述脱扣钩安装成在固定心轴上枢转。另一条杆26机械耦接到极柱轴20的曲柄30，曲柄由所有极柱单元共用并且进一步形成触头14的驱动机构22的其中一个杠杆。
断开弹簧32锚定在曲柄30和固定的固紧销之间，趋向于将曲柄30偏压至其断开位置。由围绕固定心轴枢转的杠杆形成的断开棘爪34由半月形式的断开掣子36控制。断开棘爪34被弹簧偏压向脱扣钩28，离开半月掣子36。辊子布置在断开棘爪34上其端部之间，与脱扣钩28的V形凹槽联合操作，该辊子受到弹簧(未示出)偏压，趋向于缩短脱扣钩28上的肘节机构24、26的铰接心轴与曲柄30上的肘节机构的铰接心轴之间的距离。
在优选实施方式中，开关设备10可以复位，即该设备设置有储能设备，从而协助闭合功能，诸如例如文件EP0222645中公开的内容。具体来说，驱动杠杆40安装成围绕固定心轴42枢转，而包括至少闭合弹簧44的弹性储能设备安装成在固定点上以及驱动杆40的指爪上枢转。驱动杠杆40支撑辊子46，辊子46设计成与键连接到轴50上的设定凸轮48联合操作，并且包括设计成与闭合棘爪54联合操作的辊子52，棘爪54围绕固定心轴枢转。闭合锁扣56设计成锁止棘爪54，被弹簧弹性偏压到其闭合位置。棘爪54本身被弹簧偏压到锁止位置。
极柱轴20借助所述这些不同的部件促动，然后驱动移动触头14。为此，其曲柄30设置有用于每个极柱单元的连接杆系统60，所述连接杆系统将所述曲柄连接到移动触头14的支撑臂16。支撑臂16设置有两个部分，这两个部分能相对于彼此滑动。外壳62由连接杆系统60直接移动，所述外壳相对于所述连接杆系统枢转安装。臂16支撑触头衬垫14的部分64在外壳62内滑动，优选以铰接方式围绕心轴66滑动。类似弹簧的装置67，例如一个或多个接触压力弹簧，布置在支撑件64和外壳62之间，将触头衬垫14相对于所述外壳偏压到突出位置。这种配置允许触头衬垫14针对靠接而言闭合超程，以便在电流在触头12、14之间流动的位置，外壳62能继续其运动而不会衰减触头衬垫12、14上的压力。因此，臂16利用其外壳62枢转安装在第一心轴68周围，位于闭合位置和断开位置之间，并且移动触头14的支撑件64铰接在外壳62的第二心轴66上。
在闭合触头12、14时，在第一阶段，使得极柱轴20旋转，并且肘节机构直接驱动触头臂16。在完成闭合时，两个衬垫12、14发生接触(图1B)。轴20则可以继续其行程并且臂16的外壳62的运动继续下去，超过靠接位置，移动触头14被“按压”到外壳62中——图1C。具体来说，在优选实施方式中，断开距离d1大约为40mm，而按压距离d2可以为约4.5到6mm，例如5.5mm，因此外壳62的行程比断开距离大10％以上。
此外，在示例实施方式中，带有肘节22和偏移极柱轴20的系统使得运动按比例缩小，并且极柱轴20的旋转行程在闭合极柱单元之后继续经过较大的角度α2。具体来说，极柱轴20的总行程α是固定的并且由开关设备的设计所决定，大约为45到50°。在轴20的旋转中途，移动触头14已经覆盖了其3/4的行程，并且触头仅断开10mm。因此，在触头12、14靠接时，并且在形成α1之后，轴20优选仍然有大约30％的旋转需要完成。
根据本发明，剩余行程α2用来精确确定触头支撑件64的按压距离d2，即触头衬垫12、14的腐蚀程度。实际上，随着触头衬垫逐渐发生磨损，触头衬垫延迟发生接触，并且按压距离d2从更大的极柱轴20旋转角α1开始。极柱轴20在靠接之后的行程α2以相同的程度减小，这样使得按压行程d2减小的量等于触头衬垫12、14的厚度变化，即等于它们的磨损度。轴20闭合之后剩余旋转的夹角变化(α2-α2i)因此与静触头按压距离的变化(d2-d2i)直接相关，因此与触头衬垫12、14的磨损度直接相关。
根据本发明，传感器70测量移动触头和静触头12、14发生接触的时刻，即电流开始流入开关设备10的时刻与轴20到达闭合位置的行程结束时刻之间极柱轴20的旋转角α2。轴20的行程α实际上保持恒定(大约50度左右——例如α＝52°)，而触头按压距离d2在开关设备10的寿命开始时保持固定(例如，d2i＝5.5mm。在工厂或者在进行第一次测定时，根据触头无任何磨损的定义，简单的测量给出了所述轴两步行程的数值。例如，α1i＝32°而α2i＝20°。直接相关使得距离d2或者磨损度(d2-d2i)可以随着时间的推移根据变量(α2-α2i)例如以百分比来评估。
应该注意，在优选实施方式中，由于比例缩小并且极柱轴20角度位置α2的较大变化对应于按压行程d2的较小变化，断开断路器10通常是这样，所以可以精确地确定触头磨损度，这种确定结果可以与产品的剩余寿命关联(参见例如WO2004/057634)。具体来说，可以通过磨损度(d2-d2i)与更换触头衬垫12、14之前所允许的超程相比较，可以估计使用寿命。
体积较小的传感器70优选位于轴20端部，例如位于靠近断路器10外壳的端部，离开容易被电流中断时产生的碎屑所污染的区域并远离可能的热气喷射。
具有高电动力强度的开关设备10使用寿命可以长达30年。传感器70具有优势地采用非接触型传感器，以便限制传感器内因磨损或摩擦而产生的任何偏压。具体来说，不滑动接触的磁性传感器，特别是磁阵列型旋转传感器，考虑到其不存在容易快速磨损的部件，所以适合使用。如图2所示，这种类型的传感器70包括磁性装置72，特别是磁铁，所述磁铁可以固紧到需要确定其旋转的元件。具体来说，磁铁72可以借助粘合或者任何其他机械方式直接耦接到极柱轴20端部。传感器70进一步包括检测装置74，特别是侧边尺寸大约4mm的卡式或印刷电路型检测器。检测器74定位成面向磁性装置72，例如耦接到断路器10的外壳，特别是配装到适当的壳体中。检测器74以传统方式连接到数据处理和结果显示装置，例如已经存在于断路器10上的电子模块，可以向该电子模块增加新的功能。
具有优势的是，传感器70是文件EP1830162或EP1921423中所述的传感器，角度分辨率大约为0.2°到0.5°。具体来说，角度分辨率大约为0.36°等价于小于千分之一的分辨率。在前述实施方式中，这对应于0.1mm以下的按压分辨率。
由于触头衬垫12、14以传统方式制造以容忍2.5到3mm的磨损，所以利用这种方法监控使用寿命是可靠的。
传感器70可以配装在任何新开关设备10上。配装传感器70优选为任选方案，从而避免增加设计用于纯安全用途的开关设备10的检测成本，在这种开关设备中，伴随维护操作视觉确定触头12、14的磨损度可能就足够了。通过定位传感器70的两个单独部分，还可以配装该设备用于根据现有开关设备10上的角度变化来测量触头磨损度，例如将磁铁72固定在断路器10盖子打开时容易到达的极柱轴20上，而利用任何适当装置，即粘合装置或其他类型的装置将检测器74固定到所述外壳。
具体来说，本发明的设备和方法还适合于另外包括灭弧触头的先前开关设备10。在这种配置中，灭弧触头是主要受到磨损现象影响的部件。考虑到本发明判断方式的精度，可以检查并监控触头衬垫12、14的完整性，从而例如在超过可接受的磨损度时，发出警报。
具体来说，大电流开关设备10的灭弧室18受到电弧引导角78的限制——参见图1A。正如文件EP0410902同样公开的内容，为了改善开关设备10的电气抗性，在所述角78的边缘88附近增加了一对灭弧触头82、84。根据图3所示的优选实施方式，静止灭弧触头82靠近其中一个静触头12，而移动灭弧触头84与移动主触头14位于相同的臂16上，特别位于在外壳62内滑动的相同支撑件64的一端。根据开关设备10的标称值，存在一对或数对灭弧触头82、84，例如10个臂16中的6个存在移动灭弧触头84。
如图3A至3C所示，所述一对灭弧触头82、84通常断开，即两个灭弧触头彼此分开。在开关设备10发生脱扣时，在主触头12、14分开之前，暂时闭合灭弧触头82、84，以便在主触头12、14分开时，流经灭弧触头的电流不会中断。在极柱轴20继续移动时，灭弧触头82、84断开，从而中断电流，且形成由边缘88和引导角78引导的电弧。由于电弧主要位于灭弧触头82、84上，所以要选择灭弧触头的材料，以提高其阻抗，主触头12、14仍然以最适合标称大强度电流正常流动的材料制成。
在该实施方式中，正如图4所示，在第一阶段，仅发生灭弧触头82、84磨损，而主触头12、14基本上保持其完整性。一旦灭弧触头82、84被磨损，则不能发生瞬时闭合，因此电弧开始损坏静触头12、14。根据本发明用来判断磨损度的方法允许通过测量旋转轴20的旋转角度来监控触头的腐蚀程度，以便一旦触头的完整性曲线下降，则安排对其进行更换。
实际上在灭弧触头82、84靠接之后才测量所述角度，并且在第一阶段，监控的是所述灭弧触头82、84的腐蚀程度。在第二阶段才考虑触头衬垫12、14的磨损度，并且一旦触头衬垫12、14开始磨损或者超过可接受的主触头12、14磨损度，才产生警报。这种实施方式允许借助将灭弧触头82、84的腐蚀程度可视化来采取预期行动，而传统按压测量系统不能监控以及预测主触头12、14开始磨损。
虽然本发明参照大电动力强度的开关设备10的触头12、14进行描述，且其中断开机构暗示了极柱轴20角度位置的较大变化用于按压超程的较小变化，但是并不限于这种情形。也可以涉及其他类型的开关设备、接触器和/或断路器。虽然利用双杆和肘节接头按比例缩小运动，根据触头是否磨损、触头的行程以及检测设备70的精度来放大角度差，但是也可以将本发明的设备应用于其他包括旋转部件的促动机构。

Claims (11)

1.一种包括至少一个极柱单元的电气保护开关设备(10)，每个极柱单元包括：
一对能相对于彼此在断开位置和闭合位置之间移动的主触头(12、14)；
第一主触头(14)的支撑臂(16)，所述支撑臂包括支撑第一主触头(14)的第一部分(64)和第二部分(62)，所述这两部分相对于彼此滑动，以便在所述一对主触头(12、14)处于闭合位置时，所述第二部分(62)可以处于第一靠接位置和第二行程结束位置，在第二行程结束位置所述第一部分(64)按压到第二部分(62)内；
所述支撑臂(16)的驱动机构(22)，所述驱动机构包括旋转轴(20)和至少一个连接杆系统(60)，所述连接杆系统将所述旋转轴枢转耦接到所述支撑臂(16)的第二部分(62)；
所述电气保护开关设备(10)的特征在于，存在判断所述主触头(12、14)完整性的设备(70)，所述判断设备(70)适合测量所述旋转轴(20)在第一靠接位置和第二行程结束位置之间的旋转角度(α2)。
2.如权利要求1所述的电气保护开关设备，其特征在于，所述支撑臂(16)进一步包括将所述第一部分(64)相对所述第二部分(62)偏压到突起位置的装置(67)。
3.如权利要求1所述的电气保护开关设备，其特征在于，所述电气保护开关设备包括多个相同的极柱单元和全部极柱单元共用的极柱轴(20)，所述极柱轴(20)作为所述驱动机构(22)的所述旋转轴。
4.如权利要求3所述的电气保护开关设备，其特征在于，进一步包括一对灭弧触头(82、83)，所述灭弧触头能相对于彼此在断开位置和闭合位置之间移动，第一移动灭弧触头(84)固紧连接到支撑臂(16)，在所述主触头(12、14)处于闭合位置和第二行程结束位置时，所述一对灭弧触头(82、84)处于断开位置，而在所述主触头(12、14)处于闭合位置和第二行程结束位置之间时，所述一对灭弧触头处于闭合位置(82、84)。
5.如权利要求3所述的电气保护开关设备，其特征在于，进一步包括带有两个杆(24、26)的极柱轴(20)促动机构；和复位设备(44)。
6.如权利要求5所述的电气保护开关设备，其特征在于，所述极柱轴(20)在所述第一靠接位置和所述第二行程结束位置之间的旋转角(α2)占据所述极柱轴(20)在所述主触头(12、14)断开位置和第二行程结束位置之间的旋转角(α)的大约30％。
7.如权利要求6所述的电气保护开关设备，其特征在于，进一步包括一对灭弧触头(82、83)，所述灭弧触头能相对于彼此在断开位置和闭合位置之间移动，第一移动灭弧触头(84)固紧连接到支撑臂(16)，在所述主触头(12、14)处于闭合位置和第二行程结束位置时，所述一对灭弧触头(82、84)处于断开位置，而在所述主触头(12、14)处于闭合位置和第二行程结束位置之间时，所述一对灭弧触头处于闭合位置(82、84)。
8.如权利要求1至7任一项所述的电气保护开关设备，其特征在于，所述判断设备(70)包括旋转传感器，其一个部件布置在所述旋转轴(20)上。
9.如权利要求8所述的电气保护开关设备，其特征在于，所述旋转传感器(70)包括布置在所述旋转轴(20)上的磁性装置(72)和配装到所述电气保护开关设备(10)的外壳上的检测装置(74)，所述磁性装置(72)和检测装置(74)非接触地通信。
10.一种制造电气保护开关设备(10)的方法，所述电气保护开关设备装备有测量其触头(12、14)腐蚀程度的设备，所述电气保护开关设备(10)包括旋转轴(20)，所述旋转轴在一对触头(12、14)的断开位置和闭合位置之间驱动至少一个移动触头(14)，所述移动触头(14)可移动地安装在其支撑件(16)上，以便在所述一对触头(12、14)处于闭合位置时，所述移动触头(14)可以在其支撑件(16)上处于靠接位置和按压位置，所述制造方法包括将极柱轴(20)旋转传感器(70)配装在所述极柱轴(20)一端的高度处。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，配装传感器(70)包括将磁性装置(72)固紧到极柱轴(20)一端，而将检测它们角度位置的检测装置(74)配装成面对所述磁性装置(72)。
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