CN102656651A - 用于电力开关设备的弹簧操作致动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电力开关设备的弹簧操作致动器。该致动器具有主轴(1)将致动运动传递到开关设备，还具有打开弹簧装置和闭合弹簧装置。根据本发明的打开弹簧装置包括打开扭力弹簧(3)和闭合装置包括闭合扭力弹簧(4)。扭力弹簧(3，4)的轴线在相同方向延伸并相互间隔小于外部打开弹簧直径20％的距离。

Description

用于电力开关设备的弹簧操作致动器

技术领域

本发明涉及一种用于电力开关设备的弹簧操作致动器，该弹簧操作致动器包括设置为将致动运动传递到开关设备的旋转驱动主轴，打开弹簧装置和闭合弹簧装置。

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致动器、液压或电磁型的。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。取代对打开弹簧和闭合弹簧的每一者仅设置一个弹簧，有时可对打开弹簧和闭合弹簧的每一者使用一组弹簧。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，当涉及各打开弹簧和闭合弹簧时，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，将触头分离。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。

断路器的弹簧操作致动器的示例可在例如US 4,678,877、US5,280,258、US 5,571,255、US 6,444,934以及US 6,667,452中找到。

在已知弹簧操作致动器中使用轴向动作弹簧，即压缩或张力螺旋弹簧。扭力弹簧比如扭力杆，螺旋弹簧和时钟弹簧也用于打开和闭合运动的致动。

轴向动作弹簧的使用是需要大量空间的设置，尤其是因为弹簧通常被导向为与驱动轴成一角度。而且，这些类型的弹簧需要将线性弹簧运动转换为驱动轴的旋转运动的机构。这增加了致动器中所需运动部件的数量并因此使其变得复杂。

扭力弹簧更少频率地用于致动器。传统地这些弹簧还以与驱动轴成一角度或从驱动轴轴向偏置而定位。已知扭力弹簧操作致动器也使打开弹簧和闭合弹簧的轴线相对彼此轴向偏置。

已知弹簧操作致动器，不论使用轴向动作或张力弹簧，因而存在缺陷，它们需要很多空间和相对大量的组件。

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所讨论的这种需要小空间和相对少组件的弹簧操作致动器，并因而克服已知的这种致动器带来的缺陷。

该目的实现于打开弹簧装置，包括至少一个打开扭力弹簧，定义打开弹簧轴线和外部打开弹簧直径，闭合弹簧，包括至少一个闭合扭力弹簧，定义闭合弹簧轴线，这些轴线在相同方向延伸并相互间隔小于外部打开弹簧直径的20％的距离。

关于其相互接近的轴线设置的两个扭力弹簧使得可以获得致动器的紧凑构造，将弹簧力传递到主轴所需的组件的数量可以相对传统构造而减少。优选地轴线之间的距离小于外部打开弹簧直径的10％。

根据一优选实施方式，这两个轴线基本上对齐。

通过使轴线对齐，即相互间隔零距离，以上描述的优点将更明显。该构造也比如果在它们之间存在小距离更简单。

根据另一优选实施方式，对齐的弹簧轴线作为主轴的轴线在相同方向延伸。

因为从扭力弹簧传递的力被相对于弹簧垂直导向因而该实施方式还简化了到驱动轴的连接。

根据另一优选实施方式，驱动轴的轴线与弹簧轴线对齐。

这进一步有利于简化弹簧到驱动轴的连接，因为来自弹簧的垂直力可以作为驱动轴上的垂直力被直接传递。而且该实施方式最小化驱动轴的径向方向的空间的需求。

根据另一优选实施方式，每个扭力弹簧是螺旋弹簧。

在应用中如在本发明中螺旋弹簧在大多数情况下对于存储和提供机械能是最有效的方式。例如与钟表弹簧相比，螺旋弹簧为弹簧的最佳相对位置提供更大自由度。

根据另一优选实施方式，打开扭力弹簧具有比闭合扭力弹簧的外径更大的内径。

关于直径之间的关系，闭合扭力弹簧可以完全或部分位于打开扭力弹簧的内部，这进一步有利于实现紧凑装置的可能性。

根据另一优选实施方式，打开扭力弹簧和闭合扭力弹簧定位为它们之一在另一个的径向外侧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。

该设置提供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。

根据另一优选实施方式，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。

根据另一优选实施方式，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连接到彼此。

通过本实施方式，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组件构成，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组件。这简化了这种闭合扭力弹簧的制造。

根据另一优选实施方式，每个扭力弹簧定义了相对卷绕方向和解绕方向，每个扭力弹簧设置为在解绕方向加载机械能而在卷绕方向释放机械能。这意味着当其存储能量时扭力弹簧被压缩，弹簧的端部通过推压代替像传统螺旋扭力弹簧中的拉伸来动作。弹簧端部到支撑件和驱动轴的连接借此变得与在代替压力的张力下固定相比更不复杂。

根据另一优选实施方式，弹簧操作致动器包括旋转阻尼器，其具有与主轴对齐的轴线。

旋转阻尼器比线性阻尼器需要更少的空间。当与主轴对齐时可以实现特别紧凑的构造。

根据另一优选实施方式，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是剖开根据本发明的弹簧操作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剖开的剖面图。

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的弹簧操作致动器的更详细构造的立体图。

图8是根据可替换的实施例的图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2作用于用于开关断路器的传动杆(图未示)。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驱动。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——径向外侧单元4a和径向内侧单元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对齐。

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。闭合弹簧的外侧单元4a具有支撑端10和连接端14，而内侧单元具有致动端12和连接端15。支撑端10向安装于支撑凸缘35上的支撑端部配件(图未示)按压，而致动端12向致动端部配件13按压。两个单元4a、4b的连接端14、15均向连接配件16按压，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。

打开运动过传统的线性动作的液压阻尼器17缓冲。

闭合动作通过将空气作为工作介质的旋转式阻尼器18缓冲。旋转式阻尼器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侧圆周密封件21和内侧圆周密封件22连接。

第二部分19以驱动的方式连接到闭合弹簧4的内侧单元4b的致动端部配件13，并由此在闭合动作时与凸轮盘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的外侧单元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描述闭合阻尼器的操作，图3是沿面向第一部分20的方向剖开阻尼器的径向剖面。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)沿阻尼器的旋转方向所限定的箭头A的方向旋转。

盘状体附连到第一侧壁24，由此形成径向端壁27。相应的盘状体附连到第二侧壁23并形成偏移体28。端壁27和偏移体28的每一者与工作腔的侧壁23、24和圆周壁25、26密封配合。

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。

沿阻尼器的旋转方向观察，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动作状态时，从图中观察，偏移体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，偏移体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。

在偏移体经过出气开孔30之后，空气被捕获在偏移体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偏移体28与壳体的壁之间的密封线发生泄漏。由此，实现缓冲效果。

通常，端壁和偏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或贯穿偏移体28的小泄漏孔能够实现适当的空气泄漏。

图4是闭合阻尼器的壳体的第一部分的立体图。

用于使闭合弹簧4加载的机构与闭合阻尼器18部分地集成。阻尼器的第一部分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)的方向驱动阻尼器18的第一部分20大约一个整圈。端壁27由此移动到紧邻偏移体28左侧的位置。由此，当闭合运动开始时，端壁27和偏移体将到达如上所述的相对于彼此的位置。

阻尼器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的外侧单元4a的支撑端部配件11。

当第一部分20旋转时，闭合弹簧的外侧单元4a的支撑端部配件将跟随第一部分20的旋转，因为其被安装在从阻尼器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对抗抵接面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具有位于其径向外侧部分上的抵接面48以及贯穿其内侧部分的孔47。相应地，第二抵接凸缘44具有贯穿其外侧部分的孔46以及位于其内侧部分上的抵接面49。

内侧闭合弹簧单元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，外侧闭合弹簧单元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，来自外侧闭合弹簧单元4a的推力传递到内侧闭合弹簧单元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，而不需要其他的附连装置。

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具有对抗端部配件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阻尼器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致动器，所述弹簧操作致动器包括旋转驱动主轴(1)，其设置为向开关设备传递致动运动，打开弹簧装置和闭合弹簧装置，其特征在于打开弹簧装置包括至少一个打开扭力弹簧(3)，定义打开弹簧轴线和外部打开弹簧直径，闭合弹簧包括至少一个闭合扭力弹簧(4)，定义闭合弹簧轴线，这些轴线在相同方向延伸并相互间隔小于外部打开弹簧直径的20％的距离。

2.根据权利要求1所述的弹簧操作致动器，其特征在于所述轴线基本上对齐。

3.根据权利要求2所述的弹簧操作致动器，其特征在于对齐的弹簧轴线在与主轴(1)的轴线相同的方向延伸。

4.根据权利要求3所述的弹簧操作致动器，其特征在于主轴(1)的轴线与弹簧轴线对齐。

5.根据权利要求4所述的弹簧操作致动器，其特征在于每个扭力弹簧(3，4)是螺旋弹簧。

6.根据权利要求5所述的弹簧操作致动器，其特征在于打开扭力弹簧(3)具有比闭合扭力弹簧(4)的外径更大的内径。

7.根据权利要求5或6所述的弹簧操作致动器，其特征在于打开扭力弹簧(3)和闭合扭力弹簧(4)定位为它们之一在另一个的径向外侧且使得打开扭力弹簧(3)的至少主要部分和闭合扭力弹簧(4)的至少主要部分具有相同的轴向位置。

8.根据权利要求7所述的弹簧操作致动器，其特征在于打开扭力弹簧(3)位于闭合扭力弹簧(4)的外侧。

9.根据权利要求1-8任一项所述的弹簧操作致动器，其特征在于闭合扭力弹簧(4)包括第一扭力弹簧单元(4a)和第二弹簧单元(4b)，该第一(4a)和第二(4b)单元同轴，至少第一单元(4a)的主要部分和第二单元(4b)的主要部分具有相同的轴向位置，第一单元(4a)位于第二单元(4b)的径向外侧且第一和第二单元邻近闭合扭力弹簧(4)的一轴向端相互连接。

10.根据权利要求1-9任一项所述的弹簧操作致动器，其特征在于每个所述扭力弹簧(3，4)定义相对卷绕方向和解绕方向，以及每个扭力弹簧(3，4)设置为在解绕方向加载机械能，而在卷绕方向释放机械能。

11.根据权利要求1-10任一项所述的弹簧操作致动器，其特征在于该弹簧操作致动器包括具有与主轴(1)对齐的轴线的旋转空气阻尼器(18)。

12.根据权利要求1-11任一项所述的弹簧操作致动器，其特征在于该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，其特征在于该开关设备包括根据权利要求1-11任一项所述的弹簧操作致动器。

14.根据权利要求13所述的电力开关设备，其特征在于该开关设备是断路器。

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

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