CN102598174B - 用于电力开关设备的弹簧操作的致动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电力开关设备的弹簧操作的致动器。该弹簧操作的致动器具有打开弹簧装置和闭合弹簧装置，至少一个弹簧装置包括扭力弹簧(3，4)。根据本发明，扭力弹簧(3，4)在解绕方向上被加载而在卷绕方向上释放。

Description

用于电力开关设备的弹簧操作的致动器

技术领域

本发明涉及一种用于电力开关设备的弹簧操作的致动器，该弹簧操作的致动器包括用于闭合开关设备的闭合弹簧装置和用于打开开关设备的打开弹簧装置，至少一个所述弹簧装置包括限定其卷绕方向和解绕方向并被设置为加载从而储存和释放机械能的扭力弹簧。

背景技术

在电力传输或配电网中，开关设备被包含在配电网中以提供响应于异常负荷条件的自动保护或者允许打开或闭合(开关)配电网的一部分。因此，该开关设备可能被要求执行多个不同的操作，例如，终端故障或短路故障中断、小感应电流的中断、电容电流中断、反相位切换或空载切换，所有这些操作对于本领域的技术人员是公知的。

在开关设备中，实际的打开或闭合操作由两个触头执行，通常，其中一个触头是固定的，另一个触头是可动的。可动触头由包括致动器和机构的操作设备操作，其中所述机构将致动器可操作地连接到可动触头。

用于中高压开关和断路器的已知的操作设备的致动器为弹簧操作的致动器、液压或电磁式致动器。在下文中，将描述操作设备操作断路器，但类似的已知的操作设备也可以操作开关。

弹簧操作的致动器或者又称作弹簧驱动单元通常使用两个弹簧来操作断路器，使用打开弹簧来打开断路器，使用闭合弹簧来闭合断路器并再加载打开弹簧。取代针对打开弹簧和闭合弹簧的每一个仅为一个弹簧，有时可针对打开弹簧和闭合弹簧的每一个为一组弹簧。例如，这样的一组弹簧可包括设置在较大弹簧内的小弹簧或者平行并排设置的两个弹簧。在下文中，应该了解的是，对各打开弹簧和闭合弹簧设置标记时，该弹簧可包括一组弹簧。另一机构将弹簧的运动转换为可动触头的平移运动。在其闭合位置时，在配电网中，断路器的可动触头和固定触头相互接触，并且操作设备的打开弹簧和闭合弹簧被加载。在发出打开指令时，打开弹簧打开断路器，将触点分离。在发出闭合指令时，闭合弹簧闭合断路器，同时加载打开弹簧。打开弹簧此时准备好在需要时执行第二打开操作。当闭合弹簧已闭合断路器时，操作设备中的电动机再加载闭合弹簧。该再加载操作花费几秒钟。

断路器的弹簧操作的致动器的示例可在例如US4,678,877、US5,280,258、US5,571,255、US6,444,934以及US6,667,452中找到。

在已知的弹簧操作的致动器中，使用轴向动作弹簧，即压缩弹簧或螺旋拉伸弹簧。也可使用诸如扭杆、螺旋弹簧以及钟表弹簧的扭力弹簧用于打开和闭合运动的驱动。

使用诸如螺旋弹簧和钟表弹簧的扭力弹簧，需要该弹簧的端部分别固定地连接到支撑部(例如，框架)和驱动连接体(例如，主驱动轴)。这种安装对于致动器的功能非常重要，因为其必须承受突然的强驱动力并将该力传递给致动器。

关于与螺旋扭力弹簧有关的术语“端部”，在本申请中表示弹簧材料的端部，即，弹簧螺旋方向上的端部。对于轴向方向上的端部，使用术语“轴向端部”。

发明内容

本发明的目的是提供改善扭力弹簧和与扭力弹簧配合的部件的连接的弹簧操作的致动器。

通过本发明的下述方面，实现该目的。这种在初始限定的弹簧操作的致动器包括具体的特征：在至少一个所述弹簧装置中，所述扭力弹簧设置为在解绕方向上被加载机械能而在卷绕方向上释放机械能。

这意味着：当扭力弹簧储存能量时，扭力弹簧在弹簧的螺旋方向上被压缩，并且通过推压而不是像传统的螺旋扭力弹簧那样拉拽来使弹簧的端部起作用。由此，与基于拉伸而不是基于压力的安装相比，弹簧端部与支撑部和驱动轴的连接变得更简单。

由于通过作用于与扭力弹簧配合的部件上的压力使弹簧端部起作用，因此通过该力将弹簧端部和所述的部件保持在一起，而不需要任何其他的连接装置，除了可能的将它们在横向上保持在适当位置的一些引导装置以外。这与需要非常坚固和可靠的连接装置的通过拉伸操作的扭力弹簧相比，很大程度地简化了安装。

因此，该设备的组装变得更简单，并且需要较少的部件。而且，消除了故障的潜在根源。因此，根据本发明的设备在制造和维护方面更便宜，而且更可靠。

根据优选实施例，打开弹簧装置和闭合弹簧装置均包括扭力弹簧。

使用扭力弹簧进行驱动可使得致动器的结构紧凑，特别是在两个弹簧都是扭力弹簧的情况下。

当两个弹簧都是扭力弹簧时，优选地，这两个弹簧设置为在解绕方向上被加载而在卷绕方向上释放。

由此，这种设置的优点发挥到其全部的程度。

根据另一优选实施例，至少一个扭力弹簧是螺旋弹簧。

螺旋弹簧在大多数情况下在如本发明的应用中对于储存和供应机械能是最有效的类型的弹簧。与例如钟表弹簧相比，螺旋弹簧为多个弹簧的最佳的相对位置提供了更大的自由度。

根据另一优选实施例，扭力弹簧同轴。

两个轴线对准的扭力弹簧可以实现致动器的紧凑结构，并且与传统的结构相比，可减少弹簧力传递到主驱动轴所需的部件的数量。

根据另一优选实施例，扭力弹簧设置为使得一个弹簧在另一个弹簧的外侧，并且使得打开扭力弹簧的至少主要部分和闭合弹簧的至少主要部分具有相同的轴向位置。

这实现了扭力弹簧的非常紧凑的配置，由此更加有利于实现小尺寸的致动器。优选地，整个打开扭力弹簧和整个闭合扭力弹簧具有相同的轴向位置，因为这是关于节约空间的最佳配置。

优选地，打开扭力弹簧位于闭合扭力弹簧的外侧。

这有利于扭力弹簧的加载，其中，打开扭力弹簧由闭合扭力弹簧再加载，而闭合扭力弹簧由电动机加载或者以手动方式加载。由于打开扭力弹簧通常以比闭合弹簧装置更快的速度动作，所以更加有利，因为这种配置很容易使打开扭力弹簧以比闭合扭力弹簧更大的半径作用于驱动轴。

根据又一优选实施例，每个打开扭力弹簧和闭合扭力弹簧是端部位于各个弹簧的每一端的螺旋弹簧，由此至少一个所述端部沿弹簧的螺旋方向延伸。

当端部由此沿着与弹簧的其余部分相同的方向延伸时，力的传递将非常容易，并且弹簧材料中没有弯曲力。优选地，所有的端部都为此类型。

根据另一优选实施例，至少一个端部延伸到端部配件中，端部配件具有与所述至少端部的端面处于抵接关系的抵接面。

这种端部配件实现了在弹簧和与弹簧配合的部分之间的有利的力传递。

优选地，端面和抵接面垂直于弹簧的螺旋方向。

这使得力传递优化，因为避免了任何的侧向力组件并且使连接尽可能简单。

根据另一优选实施例，端部配件包括设置为保持朝向抵接面的端部的保持装置。

由此，确保了抵接面和端面的适当的对准。

优选地，保持装置包括方向为径向的凸缘，具有端部延伸穿过的孔。

本实施例展示了使端部朝向抵接面的非常简单的实现方式。

根据另一优选实施例，闭合扭力弹簧包括第一扭力弹簧单元和第二扭力弹簧单元，其中，第一和第二扭力弹簧单元同轴，第一扭力弹簧单元的至少主要部分和第二扭力弹簧单元的至少主要部分具有相同的轴向位置，第一扭力弹簧单元位于第二扭力弹簧单元的径向外侧，并且第一和第二扭力弹簧单元在闭合扭力弹簧的一个轴向端部附近彼此连接。

通过本实施例，闭合扭力弹簧使它的两个端部即框架支撑端部和活动端部成为扭力弹簧的相邻的一个相同的轴向端部。这更加有利于实现紧凑的设计、闭合弹簧的轴向延伸的缩短、以及部件数量的减少。优选地，整个第一扭力弹簧单元和整个第二扭力弹簧单元具有相同的轴向位置，因为这使得闭合弹簧的轴向长度最小并且简化了致动。

尽管两个扭力弹簧单元可由一个单一的部件构成，但优选地，两个扭力弹簧单元是通过弹簧力传递连接配件连结在一起的两个分离的部件。这简化了这种闭合扭力弹簧的制造。

根据另一优选实施例，连接配件包括与第一扭力弹簧单元的端面处于抵接关系的第一抵接面以及与第二扭力弹簧单元的端面处于抵接关系的第二抵接面，其中第一和第二抵接面沿相对于彼此相反的圆周方向相互面对。

这种端部配件实现了压缩力从一个扭力弹簧单元到另一个扭力弹簧单元的有效的力传递。

优选地，连接配件包括设置为保持每个扭力弹簧单元的朝向各个所述抵接面的端部的保持装置。

这对于具有相似的结构的端部配件，实现了相应的如上所述的优点。

根据另一优选实施例，连接配件包括相对于弹簧轴线径向延伸的第一和第二凸缘，每个凸缘具有用于与一个端部抵接的抵接面，并且具有用于保持朝向凸缘的抵接面的另一个端部的孔。

连接配件的这种结构将简单性与可靠性结合。

根据另一优选实施例，电力开关设备是用于中压或高压的断路器。

断路器是本发明的最重要的应用，并且本发明的优点在中压和高压范围特别有用。

对于中压，通常指1至72kV范围的电压电平，对于高压，通常指72kV以上的电压电平，这些表述在本申请中具有这种含义。

本发明还涉及包括根据本发明的，特别是根据本发明的任一优选实施例的弹簧操作的致动器的电力开关设备。优选地，开关设备是断路器，优选地，开关设备是中压或高压开关设备。

本发明的开关设备具有与本发明的弹簧操作的致动器以及本发明的优选实施例相应的如上所述的优点。

本发明的优选实施例在从属权利要求中限定。应该了解的是，其他的优选实施例当然可通过上述的优选实施例的任何可能的组合实现。

将通过下面参照附图对本发明的示例的详细描述，进一步阐述本发明。

附图说明

图1是根据本发明的弹簧操作的致动器的一示例的轴向剖面。

图2是图1的剖面的立体图。

图3是沿图1的线III-III的剖面图。

图4是图3的详细构造的立体图。

图5是图1至4的弹簧操作的致动器的详细构造的立体图。

图6是从另一个方向观察的图5的详细构造的立体图。

图7是图1至6的弹簧操作的致动器的进一步详细构造的立体图。

图8是根据可替换的示例的图1至4的详细构造的一部分的侧视图。

图9是从图1的左侧观察的弹簧操作的致动器的端视图。

图10是断路器的示意性侧视图。

具体实施方式

图1是断路器的致动器的轴向剖面。致动器具有主轴1和凸轮盘2。凸轮盘作用于用于开关断路器的传动杆(未示出)。从凸轮盘至断路器的传动以及这样的断路器可为传统的类型，因此不需要进一步阐述。

主轴由打开弹簧3和闭合弹簧4操作。打开弹簧和闭合弹簧均为螺旋扭力弹簧并且与主轴同轴。打开弹簧3位于闭合弹簧4的径向外侧，由此打开弹簧3的内径大于闭合弹簧4的外径。

打开弹簧3被挤压在两个端部配件，位于弹簧的支撑端5的支撑端部配件6与位于弹簧的致动端7的致动端部配件8，之间。如此处于加载状态的打开弹簧3在螺旋方向上被压缩，换言之，被加载的打开弹簧在它的解绕方向上被压缩。由此，在推力的作用下，致动端7作用于致动端部配件8，致动端部配件8经由花键9与主轴1连接。

闭合弹簧4由两个单元，径向外部单元4a和径向内部单元4b，组成，这两个单元的轴线均与打开弹簧3的轴线和主轴1对准。

与打开弹簧相同，处于其加载状态的闭合弹簧4也在它的螺旋方向上被压缩。闭合弹簧的外部单元4a具有支撑端10和连接端14，而内部部分具有致动端12和连接端15。支撑端10按压抵靠安装于支撑凸缘35上的支撑端部配件(未示出)，而致动端12按压抵靠致动端部配件13。两个单元4a、4b的连接端14、15均按压抵靠连接配件16，两个单元经由连接配件16处于向彼此传递力的关系。

当断路器被触发进行打开动作时，打开弹簧3推动它的致动端部配件8旋转并由此使主轴1旋转。

在大约0.3秒后，断路器将被闭合。由此闭合开关4被驱动，使得闭合开关的致动端12推动它的致动端部配件13使主轴1沿与打开过程相反的方向旋转从而移动致动杆，由此闭合断路器。当主轴1沿该方向旋转时，打开弹簧3的致动端部配件8也沿相同的方向旋转，使得致动端部配件8推动打开弹簧3的致动端7，并且打开弹簧将被再次加载并为所需要的接下来的打开运动做好准备。

当闭合操作完成，闭合弹簧被再次加载，这是因为闭合弹簧的支撑端10被它的支撑端部配件按压。

在打开和闭合运动的最后，为了避免由于多余的能量在行程的终点产生冲击振动，打开运动和闭合运动必须被缓冲。

打开动作通过传统的线性地动作的液压缓冲器17缓冲。

闭合动作通过将空气作为工作介质的旋转式缓冲器18缓冲。旋转式缓冲器18具有与主轴1同轴的环形工作腔。工作腔由具有第一侧壁24、第二侧壁23、外圆周壁25以及内圆周壁26的壳体形成。壳体被分成两个部分，第一部分20和第二部分19。这两个部分相对于彼此可旋转并通过外圆周密封件21和内圆周密封件22连接。

第二部分19以驱动的方式连接到闭合弹簧4的内部单元4b的致动端部配件13，并由此在闭合时与凸轮盘2一起旋转。第一部分20在其外侧具有轴向延伸凸缘35，闭合弹簧4的外部单元4a的支撑端部配件11被安装在轴向延伸凸缘35上。

参照图3描述闭合缓冲器的操作，图3是沿面向第一部分20的方向的缓冲器的径向剖面。在闭合运动过程中，第一部分20是静止的，第二部分19(图3中不可视)沿缓冲器的旋转方向所限定的箭头A的方向旋转。

盘状体附接到第一侧壁24，由此形成径向端壁27。相应的盘状体附接到第二侧壁23并形成位移体28。端壁27和位移体28的每一个与工作腔的侧壁23、24和圆周壁25、26密封地配合。

第一侧壁具有贯穿其中的第一开孔29和第二开孔30，分别用作空气的进口和出口。

沿缓冲器的旋转方向观察，进气开孔29位于端壁27的略后方。出气开孔30位于端壁27的前方大致直角的位置。

当闭合弹簧被加载并处于启动闭合运动的状态时，从图中观察，位移体28位于其右侧的端壁27附近，即进气开孔29的区域。壳体的第二部分19以驱动的方式连接到主轴。

当闭合动作发生时，位移体28因与第二侧壁23连接将从其邻近端壁27的初始位置移动，并且沿箭头A的方向旋转直到旋转差不多整圈到达端壁27的左侧为止。在其旋转过程中空气穿过进气开孔29被吸入。而在旋转的大部分期间，空气经由排气开孔30被压出。

在位移体经过出气开孔30之后，空气被捕获在位移体28与端壁27之间。进一步的旋转将压缩所捕获的空气。由此，越来越多的反作用力开始对抗旋转，并且一些空气将沿着端壁27与壳体的壁之间以及位移体28与壁之间的密封线发生泄漏。由此，实现缓冲效果。

通常，端壁和位移体周围的空气泄漏足以实现在过度缓冲与不完全缓冲之间适当取平衡的缓冲。如果密封件非常有效，通过设置贯穿端壁27或贯穿位移体28的小泄漏孔能够实现适当的空气泄漏。

图4是闭合缓冲器的壳体的第一部分的立体图。

用于使闭合弹簧4加载的机构与闭合缓冲器18部分地集成。缓冲器的第一部分20在外侧上形成有径向突起的外部齿32的齿轮31。齿轮31与经由齿轮箱56由电动机34驱动的小齿轮33配合。在加载时，小齿轮33沿箭头A(图3)的方向驱动缓冲器18的第一部分20大约一个整圈。端壁27由此移动到紧邻位移体28左侧的位置。由此，当闭合运动开始时，端壁27和位移体将到达如上所述的相对于彼此的位置。

缓冲器18的第一部分20经由凸缘35(图1和图2)以驱动的方式连接到闭合弹簧4的外部单元4a的支撑端部配件。

当第一部分20旋转时，闭合弹簧的外部单元4a的支撑端部配件将跟随第一部分20旋转，因为其被安装在从缓冲器18的第一部分20向后延伸的轴向凸缘35上。因此，闭合弹簧被螺旋地压缩到它的加载状态。

图5是从弹簧向端部配件观察时弹簧3的端部配件8的立体图。打开弹簧3的致动端7延伸穿过形成端部配件8的一部分的凸缘37中的孔36。端部配件8中的凹槽38引导致动端7抵靠抵接面39。另一端部配件可具有类似的构造。

图6示出了从另一个方向观察的打开弹簧3的致动端部配件8。在其后面的单元4a和4b的连接端部配件16也局部可视。

图7更详细地示出了连接端部配件16。连接端部配件16由内环42组成，第一抵接凸缘43和第二抵接凸缘44从内环42在相对于彼此的大约45至60°的角度位置径向向外延伸。在抵接凸缘43、44的径向中部，环形壁45将抵接凸缘43、44相互连接，该环形壁与内环42同轴。第一抵接凸缘43具有位于其径向外部部分上的抵接面48以及贯穿其内部部分的孔47。相应地，第二抵接凸缘44具有贯穿其外部部分的孔46以及位于其内部部分上的抵接面49。

内部闭合弹簧单元4b延伸穿过第一凸缘43的孔47，并且其端部与第二凸缘44的抵接面49抵接。相应地，外部闭合弹簧单元4a延伸穿过第二凸缘44的孔46，并且其端部与第一凸缘43的抵接面48抵接。由此，来自外部闭合弹簧单元4a的推力传递到内部闭合弹簧单元4b。闭合弹簧单元4a、4b的端部被孔46、47、环42以及环形壁45引导对抗各自的抵接面48、49。由此，端部可松散地配合到连接端部配件8中，而不需要其他的附接装置。

图8中示出了端部配件的可替换的构造。在图8中示意性示出了打开弹簧3的支撑端部配件6的一部分。打开弹簧3的被支撑的端部5具有抵靠端部配件6的径向凸缘58上的抵接面61的端面。保持装置由第二径向凸缘59和连接两个凸缘58、59的圆周部分57形成。第二径向凸缘59具有贯穿其中的孔60，打开弹簧延伸穿过该孔60使得打开弹簧的端部5朝向抵接面61。另一端部配件可具有类似的构造。

图9是从图1的左侧观察弹簧操作的致动器的端视图。凸轮盘2经由花键50以驱动的方式连接到主轴1。具有各自的触发线圈54、55的锁定机构52、53控制致动器的打开和闭合运动。在图的左侧部分，可看到打开弹簧的油缓冲器17，并且在图的左侧，可看到用于使闭合弹簧加载的齿轮31的一部分。

图10示意性示出了断路器，在断路器中，可移动的接触部分102通过由根据本发明的弹簧操作的致动器104驱动的杆103，与静止的接触部分101进行接触和脱离。对于三相断路器，致动器104可设置为同时移动每一相的可移动的接触部分102。

Claims (15)

1.一种用于电力开关设备的弹簧操作的致动器，所述弹簧操作的致动器包括用于闭合所述开关设备的闭合弹簧装置和用于打开所述开关设备的打开弹簧装置，至少一个所述弹簧装置包括限定其卷绕方向和解绕方向并被设置为加载从而储存和释放机械能的扭力弹簧(3，4)，其特征在于，在至少一个所述弹簧装置中，所述扭力弹簧(3，4)设置为在解绕方向上被加载机械能而在卷绕方向上释放机械能，所述闭合弹簧装置被适配为加载所述打开弹簧装置。

2.根据权利要求1所述的弹簧操作的致动器，其特征在于，所述打开弹簧装置和所述闭合弹簧装置均包括扭力弹簧(3，4)。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的弹簧操作的致动器，其特征在于，至少一个所述扭力弹簧(3，4)是螺旋弹簧。

4.根据权利要求1至2中任一项所述的弹簧操作的致动器，其特征在于，所述扭力弹簧(3，4)同轴。

5.根据权利要求1至2中任一项所述的弹簧操作的致动器，其特征在于，所述扭力弹簧(3，4)设置为使得一个弹簧在另一个弹簧的外侧，并且使得所述打开弹簧装置中的所述扭力弹簧(3)的至少主要部分和所述闭合弹簧装置中的所述扭力弹簧(4)的至少主要部分具有相同的轴向位置。

6.根据权利要求1至2中任一项所述的弹簧操作的致动器，其特征在于，每个所述打开弹簧装置中的所述扭力弹簧(3)和所述闭合弹簧装置中的所述扭力弹簧(4)是端部(5，7，10，12)位于各个弹簧的每一端的螺旋弹簧，由此至少一个所述端部(5，7，10，12)沿所述弹簧的螺旋方向延伸。

7.根据权利要求6所述的弹簧操作的致动器，其特征在于，至少一个所述端部(5，7，10，12)延伸到端部配件中，所述端部配件具有与至少一个所述端部(5，7，10，12)的端面设置为抵接关系的抵接面(39，61)。

8.根据权利要求7所述的弹簧操作的致动器，其特征在于，所述端部配件包括设置为保持朝向所述抵接面(39，61)的端部(5，7，10，12)的保持装置(37，38，57，58，59)。

9.根据权利要求3中任一项所述的弹簧操作的致动器，其特征在于，所述闭合弹簧装置中的所述扭力弹簧(4)包括第一扭力弹簧单元(4a)和第二扭力弹簧单元(4b)，其中，第一和第二扭力弹簧单元同轴，第一扭力弹簧单元(4a)的至少主要部分和第二扭力弹簧单元(4b)的至少主要部分具有相同的轴向位置，第一扭力弹簧单元(4a)位于第二扭力弹簧单元(4b)的径向外侧，并且第一和第二扭力弹簧单元在所述闭合弹簧装置中的所述扭力弹簧(4)的一个轴向端部附近彼此连接。

10.根据权利要求9所述的弹簧操作的致动器，其特征在于，连接配件(16)包括与所述第一扭力弹簧单元(4a)的端面设置为抵接关系的第一抵接面(48)以及与所述第二扭力弹簧单元(4b)的端面设置为抵接关系的第二抵接面(49)，其中第一和第二抵接面沿相对于彼此相反的圆周方向相互面对。

11.根据权利要求10所述的弹簧操作的致动器，其特征在于，所述连接配件(16)包括相对于弹簧轴线径向延伸的第一凸缘(43)和第二凸缘(44)，每个凸缘(43，44)具有用于所述端部之一的所述抵接面(48，49)，并且具有用于保持朝向其抵接面(48，49)的另一个所述端部的孔(47，46)。

12.根据权利要求1至2中任一项所述的弹簧操作的致动器，其特征在于，所述电力开关设备是用于中压或高压的断路器。

13.一种电力开关设备，其特征在于，所述开关设备包括根据权利要求1至12中任一项所述的弹簧操作的致动器。

14.根据权利要求13所述的电力开关设备，其特征在于，所述开关设备是断路器。

15.根据权利要求13或14所述的电力开关设备，其特征在于，所述开关设备是中压或高压开关设备。