CN102667991B - 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。其包括打开弹簧(3)，闭合弹簧(4)和用于闭合的阻尼器(18)。根据本发明的阻尼器(18)是具有相对彼此旋转的组件的旋转空气阻尼器(18)且具有作为阻尼器的工作介质的空气。

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打开弹簧和闭合弹簧以分别提供开关设备的打开和闭合运动，还包括连接到闭合弹簧且设置为在至少运动的末端减速闭合运动的阻尼器。

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。

在开关设备的致动中，给予其运动接触部件非常高的速度以尽可能快地断开电流。在运动的末端，对运动减速以避免冲击振动是很重要的。因此讨论的这种致动器通常装备了某种阻尼器以在其运动的末端降低运动接头的速度。一个阻尼器用于打开而一个阻尼器用于闭合。通常阻尼器是线性的，具有在液压缸中操作的活塞。

这种阻尼器占用空间且需要多个组件连接到致动器的驱动机构。

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

本发明的目的是克服关于这种阻尼器的传统弹簧操作致动器的缺陷。具体的目的是提供一种用于闭合的需要小空间和少组件且可靠精确的阻尼器。

该目的根据本发明而实现于一种弹簧操作致动器初始限定为包括具体特征：闭合阻尼器是具有相对彼此旋转的组件的旋转空气阻尼器，且具有空气作为阻尼器的工作介质。

该阻尼器因而用相对相互旋转且具有空气作为阻尼器的工作介质的组件工作。

通过将该阻尼器连接到闭合弹簧，该阻尼器可以在闭合弹簧上工作。该阻尼器可以工作以缓冲闭合运动。

通过将阻尼器构造为旋转操作阻尼器，可以获得比其它更紧凑的致动器。因为用于将运动传递到运动接触部分的机构通常包括旋转部分，因而该阻尼器可以在没有任何连接系统或类似物的情况下轻易的连接到该旋转部分。缓冲所必需的运动部分的数量因此是相对少的。

与线性运动阻尼器相比，旋转缓冲运动还减小失效的风险。

因为闭合弹簧阻尼器通常每时间单位必须提供相对低数量的动能的缓冲，所以可以使用空气作为工作介质来缓冲，其免去了对密封的需要，而密封在液压阻尼器中是需要的。

提供旋转空气阻尼器用于闭合运动导致设备简单，省空间且可靠。

根据一个优选实施方式，该阻尼器包括封闭环形工作腔的壳壁，且还包括径向端壁和位于腔体内的可旋转径向位移体，径向壁和位移体与壳壁密封配合，且壳壁具有至少一个形成为用于由位移体排出空气的出口的出口孔。

该实施方式描述了旋转空气阻尼器的便利的构造实现，其中位移体在其运动的主要部分通过空气出口向外释放空气且然后，在位移体已经通过空气出口后，压缩位于自身和径向端壁之间的空气。在压缩阶段，旋转被缓冲。

根据另一优选实施方式，壳壁具有至少一个形成为空气入口的入口孔。

因此避免了在位移体后面产生将严重干扰闭合操作的强真空。

根据另一优选实施方式，壳体包括具有第一侧壁的第一部分和具有第二侧壁的第二部分，这些部分相对彼此旋转且通过圆周密封连接。

以这种方式将壳体划分为两个部分导致简单的方案来设置阻尼器的相对旋转部分和将阻尼器连接到与其合作的致动器的其它部分。

根据另一优选实施方式，径向端壁附接到第一侧壁且位移体附接到第二侧壁。

这些主动缓冲组件这样直接附接到端壁在这些组件和与阻尼器合作的致动器的其它部分之间提供了直接关系。在侧壁提供附接通常导致比其它替代方式更坚固的构造。

根据另一优选实施方式，第一侧壁力传递连接到闭合弹簧的支承端且驱动连接到加载传递。

由此一方面在加载机构和将要被从其加载的闭合弹簧之间，另一方面在加载机构和径向端壁之间建立简单且直接的驱动连接，使得在加载闭合弹簧的同时进行所需的径向端壁的重定位。

根据另一优选实施方式，第二侧壁驱动连接到闭合弹簧的致动端和设置为将致动运动传递到开关设备的主轴上。

由此在位移体和作用在主轴上的闭合弹簧之间建立相对简单且而直接的连接，使得从位移体传递可靠的缓冲。

根据另一优选实施方式，壳体的第一部分包括圆周壁，其具有形成为加载传递的一部分的外部驱动连接装置。

优选地该驱动连接装置实现为在其外侧的圆周壁成形为设置成与小齿轮配合的齿轮。

用于闭合弹簧的再加载的驱动连接装置因此与旋转阻尼器集成，其进一步有助于使得致动器紧凑且减少所需组件数量。驱动连接装置在壳体圆周上的位置导致简单的传递且通过相对大的壳体直径在这传递步骤中获得高度地减小。

根据另一优选实施方式，闭合弹簧具有已加载和未加载状态，由此在加载状态位移体位于接近在其一侧的径向端壁且设置为当闭合弹簧释放时旋转到接近径向端壁的另一侧的位置。

由此，利用了几乎360°的完整的一圈，其简化了获得期望的闭合运动的模式，尤其是关于减速阶段的延伸。

根据另一优选实施方式，出口孔，当闭合弹簧在其已加载状态时，位于径向端壁的相对侧，而位移体位于离径向端壁一范围在10°至120°，优选范围为30°至90°的角度距离。

出口孔位置确定了缓冲开始的时刻。在大多数应用中缓冲的适当开始将落入具体范围内，通常在较近的范围。围绕径向端壁和位移体的空气泄漏度将影响最佳位置所在。

根据另一优选实施方式，闭合弹簧是螺旋扭力弹簧。

当闭合弹簧作为扭力弹簧也在旋转方向工作时具有旋转阻尼器的优点将更明显。在阻尼器和闭合弹簧之间的连接件由此也将变得简单。尤其有利的是当打开弹簧也是螺旋扭力弹簧时。

根据另一优选实施方式，闭合弹簧与阻尼器的工作腔是同轴的。

这又增加了使用旋转阻尼器的优势因为阻尼器和闭合弹簧由此将很好的适于合作。优选地致动器的主轴也与阻尼器同轴。

根据另一优选实施方式，螺旋扭力弹簧定义了其卷绕方向和解绕方向，由此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在弹簧的螺旋方向被压缩，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工作。弹簧端部到支撑件和驱动轴的连接由此变得与在代替压力的张力下固定相比更不复杂。

因为弹簧端部通过在扭力弹簧与其合作的组件上的压力工作，因而弹簧端部和讨论的组件在没有任何其他连接装置的情况下，除了可能的某种将它们保持横向就位的导向装置以外，通过该力保持在一起。这与需要非常坚固和可靠的连接装置的通过拉力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，并且所需部件减少。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廉价，而且更可靠。

优选地，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1一致。

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被触发，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。

打开运动通过传统的线性动作的液压阻尼器17缓冲。

闭合运动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可以具有彼此相对可旋转的组件。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并形成位移体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。保持设备由第二径向凸缘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，可看到用于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致动的杆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打开弹簧(3)和闭合弹簧(4)以提供开关设备的分别的打开和闭合运动，还包括阻尼器(18)，连接到闭合弹簧(4)且设置为至少在闭合运动的末端期间减速闭合运动，其中阻尼器(18)是具有相对彼此旋转的组件的旋转空气阻尼器(18)，且具有作为缓冲工作介质的空气，其中所述阻尼器(18)包括封闭圆环工作腔的壳壁(23，24，25，26)且还包括径向端壁(27)和在腔内的旋转径向位移体(28)，径向端壁(27)和位移体(28)与壳壁(23，24，25，26)密封配合，以及还在于壳壁(23，24，25，26)具有至少一个形成用于由位移体(28)排出空气的出口的出口孔(30)。

2.根据权利要求1所述的弹簧操作致动器，其特征在于，壳壁(23，24，25，26)具有至少一个形成为空气入口的入口孔(29)。

3.根据权利要求2所述的弹簧操作致动器，其特征在于，壳体包括具有第一侧壁(24)的第一部分和具有第二侧壁(23)的第二部分，这些部分相对彼此可旋转且由圆周密封(22)连接。

4.根据权利要求3所述的弹簧操作致动器，其特征在于，径向端壁(27)附接到第一侧壁(24)且位移体(28)附接到第二侧壁(23)。

5.根据权利要求4所述的弹簧操作致动器，其特征在于，第一侧壁(24)力传递连接到闭合弹簧(4)的支撑且驱动连接到加载传递(31，33，56)。

6.根据权利要求4或5所述的弹簧操作致动器，其特征在于，第二侧壁(23)驱动连接到闭合弹簧(4)的致动端和设置为向开关设备传递致动运动的主轴。

7.根据权利要求5所述的弹簧操作致动器，其特征在于，壳体的第一部分包括圆周壁(25)，所述圆周壁(25)具有形成为加载传递(31，33，56)的一部分的外部驱动连接装置(31)。

8.根据权利要求1-5任一项所述的弹簧操作致动器，其特征在于，闭合弹簧(4)具有已加载和未加载状态，由此在已加载状态位移体(28)位于接近在其一侧的径向端壁(27)并被设置为当闭合弹簧(4)排出时旋转到接近径向端壁(27)的另一侧的位置。

9.根据权利要求8所述的弹簧操作致动器，其特征在于，当闭合弹簧(4)处于被加载状态时，出口孔(30)位于径向端壁(27)的相对侧，而位移体(28)位于离径向端壁(27)一范围在10°至120°的角度距离。

10.根据权利要求9所述的弹簧操作致动器，其特征在于，位移体(28)位于离径向端壁(27)一范围在30°至90°的角度距离。

11.根据权利要求1-5任一项所述的弹簧操作致动器，其特征在于，闭合弹簧(4)是螺旋扭力弹簧(4)。

12.根据权利要求11所述的弹簧操作致动器，其特征在于，闭合弹簧(4)与阻尼器(18)的工作腔同轴。

13.根据权利要求11所述的弹簧操作致动器，其特征在于，螺旋扭力弹簧(4)定义其卷绕方向和解绕方向，由此所述螺旋扭力弹簧(4)设置为在解绕方向加载机械能而在卷绕方向排出机械能。

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

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