CN102881472A - 具有非圆形汤姆森线圈的快速开关 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有非圆形汤姆森线圈的快速开关。一种中压或高压开关具有通过两个驱动器(18，19)致动的切换组件(12)。每个驱动器包括配置在两个汤姆森线圈(37，38)之间的柱塞(27)。线圈(37，38)以及柱塞(27)是矩形的以用于减小重量和因此驱动器的惯性，并且因此增大驱动速度。

Description

具有非圆形汤姆森线圈的快速开关
技术领域
本发明涉及包括切换组件的高压或中压开关，该切换组件适合于在第一终端和第二终端之间形成传导路径。
背景技术
在US 2004/0245857中公开该类型的开关。它具有切换组件和适合于致动切换组件的驱动器。驱动器包括柱塞，其能够沿着移位方向移位并且由汤姆森线圈(Thomson coil)驱动，即在其中与线圈相邻的传导部件在电流脉冲施加于线圈之后经受排斥力的驱动器。线圈中的电流脉冲产生变化的磁通量，这反过来在柱塞中产生具有相反方向的电流。这在线圈和柱塞之间产生排斥力以用于驱动柱塞远离线圈。该致动原理适于操作其中要求极速的电气开关中的接触系统。
发明内容
将由本发明解决的问题是提供该类型的改进开关。
该问题由权利要求1的开关解决。因此，开关包括用于施加待切换的电流的第一终端和第二终端。此外，开关具有切换组件和驱动器，该切换组件具有第一构造和第二构造，驱动器适合于使切换组件从第一构造移动到第二构造和/或从第二构造移动到第一构造。切换组件构造成使得：
在第一构造中，它在终端之间形成一个或多个传导路径，即，开关处于闭合、传导构造中；并且
在第二构造中，它未形成路径，即，开关处于其断开、非传导构造中。
驱动器包括在第一位置和第二位置之间沿着移位方向移动的至少部分传导的柱塞。柱塞机械地连接于切换组件以用于致动切换组件。驱动器还包括驱动线圈和电流脉冲发生器，该驱动线圈定位成与柱塞相邻以用于充当汤姆森线圈，该电流脉冲发生器适合于在驱动线圈中产生电流脉冲以便驱动柱塞远离驱动线圈。
根据本发明，驱动线圈是非圆形的，并且因此偏离汤姆森线圈的通常使用的圆形设计。这允许使线圈适应柱塞的形状和使用非圆形柱塞。因此，柱塞的尺寸可被优化，即，柱塞可制造得较小，这允许减小其重量和因此由于减小的惯性而实现较快的切换速度。此外，非圆形设计允许使驱动器更紧凑。
有利地，驱动线圈配置在围绕移位方向延伸的区域中，其中，所述区域包含在内矩形和外矩形之间。矩形具有平行边缘并且与移位方向同心。外矩形的较小边缘长度小于内矩形的直径，因此导致驱动线圈的基本上矩形的设计。
在该情况下，有利地，柱塞也是基本上矩形的，其中，边缘平行于内矩形和外矩形。如果柱塞和切换组件之间的机械连接具有基本上矩形的横截面，例如，如果它包括配置成排或矩形矩阵的多个致动器杆，则该设计是特别适当的。
如果切换组件配置在包含电气绝缘流体(即，液体或气体)的不透流体外壳中，则驱动器有利地配置在外壳内，因此消除对机械衬套的需要。
开关有利地使用在高压应用(即，用于高于例如72kV的电压)中，但是它还可用于中压应用(在数kV和72kV之间)。
在从属权利要求以及下面的描述中列出其他的有利实施例。
附图说明
从本发明的下列详细描述，将更好地理解本发明，并且除了以上提出的这些目的之外的目的将变得显而易见。参照附图进行该描述，这些附图仅示出示范实施例：
图1示出了示范开关的横截面图，
图2示出了示范接触元件的放大横截面图，
图3示出了示范驱动器的截面图，
图4示出了连接于致动杆的柱塞，
图5示出了具有图4的柱塞的单一驱动器，并且
图6描绘了驱动线圈的有利形状。
部件列表
1：外壳
2：空间
3，4：管区段
5：外壳区段
6，7：支撑绝缘体
8，9：终端
10，11：盖
12：切换组件
13a，13b，13c：第一组接触元件
14a，14b，14c：第二组接触元件
15：绝缘载体
15a，15b：绝缘载体的轴向表面
16，16’：传导元件
17：致动器杆
18：驱动器
19：驱动器
20：弹簧
21：开口
22：接触板
23：接触表面
25：框架
26：腔室
27：柱塞
28：双稳态悬挂件
29，30：活塞
31，32：孔
33，34：弹簧
35，36：连接件
37，38：驱动线圈
39：脉冲发生器
40：保持器
41：绝缘间隙
42，43：第一边缘，第二边缘
44：适配器部件
45：空穴
46：弹簧部件盖。
具体实施方式
图1的开关包括围封填充有绝缘流体(特别是，处于升高压力的SF6或空气、例如氟酮(fluoroketone)或空气和氟酮的混合物的其他绝缘气体、或油)的空间2的不透流体外壳1。
外壳1形成GIS型金属围封件并且包括两个管区段。第一管区段3沿着轴向方向A延伸，并且第二管区段4沿着方向D延伸，方向D出于将在下面变得显而易见的原因而被称为移位方向。优选地，轴向方向A垂直或近似垂直于移位方向D。管区段由基本上十字形的外壳区段5形成。
第一管区段3分别在第一支撑绝缘体6和第二支撑绝缘体7处终止。第一支撑绝缘体6携带第一终端8，并且第二支撑绝缘体7携带开关的第二终端9。延伸穿过支撑绝缘体6，7的两个终端8，9基本上沿着轴向方向A携带通过开关的电流。
第二管区段4分别在第一盖10和第二盖11处终止。
第一终端8和第二终端9朝向空间2的中心延伸并且在距彼此的距离处终止，其中，切换组件12在第一管区段3和第二管区段4的相交区域处位于第一终端8和第二终端9之间。
如可从图2最佳地看到的，切换组件12包括第一组接触元件13a，13b，13c和第二组接触元件14a，14b，14c。在本文中示出的实施例中，每组包括三个接触元件，但是该数量可变化，并且例如为二个或大于三个。第一组和第二组还可分别具有不同数量的接触元件，例如两个和三个。有利地，数量是每组至少两个接触元件。两组的接触元件交替地堆叠，即，一组的每个接触元件与另一组的两个接触元件相邻，除非它位于切换组件12的端部处，在该情况下，它位于另一组的一个接触元件和终端8，9中的一个之间。
如图2所示，每个接触元件包括板形绝缘载体15、一个或多个传导元件16和致动器杆17。在本文中示出的实施例中，每个载体15携带两个传导元件16。
图1和图2示出了处于闭合状态下的开关，其中，接触元件13a，13b，13c，14a，14b，14c处于第一相互位置(对应于切换组件12的第一构造)，其中，传导元件16对齐以在第一终端8和第二终端9之间沿着轴向方向A形成两个传导路径。传导路径在终端8，9之间携带电流。它们的数量可大于一个以便提高连续电流携带能力。
接触元件13a，13b，13c，14a，14b，14c可沿着移位方向D移动到第二位置，其中，传导元件16相对于彼此错开并且未形成传导路径(对应于切换组件12的第二构造)。在第二位置，传导元件16’沿着方向D彼此分开，由此产生若干接触间隙(在本文中，为接触元件13，14的数量的两倍)，由此快速地提供高介电耐受水平。
为了实现这种移位，并且如可在图1中最佳地看到的，致动器杆17连接于两个驱动器18，19。第一驱动器18连接于第一组接触元件13a，13b，13c的致动器杆17，并且第二驱动器19联接于第二组接触元件14a，14b，14c的致动器杆17。
致动器杆17是笔直的以用于最小重量和最大强度。它们可具有矩形或非矩形横截面。
在图1和图2中示出的实施例中，开关通过将致动器杆17拉离开关的中心而断开，由此使传导元件进入它们的第二错开位置。可选地，杆17可推向开关的中心，这也允许使传导元件进入错开位置。
驱动器18，19根据排斥洛伦兹力(Lorentz-force)原理操作。每个驱动器能够使一组接触元件沿着移位方向D移位。它们适合于并控制成同时使第一组和第二组在相反方向上移动，以便增大移位的行进长度和速度。在下面更详细地描述合适驱动器的实施例。
驱动器18，19配置在第二管区段4的相对端部区域中。
如图2所示，每个终端8，9携带形成接触表面23的接触板22，当开关处于其第一构造时，接触表面23接触传导元件16。接触板22以能够轴向地移位的方式安装于终端8，9，其中，弹簧20弹性地促使接触表面23抵靠传导元件，由此在传导元件16的对齐状态下压缩传导元件16以用于更好地传导。在图2的实施例中，螺旋压缩弹簧20用于该目的，但是还可使用其他类型的弹簧部件。此外，即使有利的是在每个终端8，9中存在至少一个弹簧部件，用于对齐的传导元件16的压缩力还可借助于终端8，9中的唯一一个中的弹簧部件或若干弹簧部件产生。
图3示出了驱动器18，19的示意截面图。驱动器18，19包括围封腔室26的金属框架25。柱塞27配置在腔室26内并且由双稳态悬挂件28保持。柱塞27连接于一组接触元件13a，13b，13c或14a，14b，14c的致动器杆17，其中，致动器杆17延伸穿过框架25中的开口21。
双稳态悬挂件28包括能够在垂直于移位方向D的方向上沿着孔31，32移动的第一活塞29和第二活塞30。活塞借助于第一弹簧33和第二弹簧34推向腔室26。每个活塞29，30借助于连接件35，36连接于柱塞27。每个连接件35，36由基本上刚性的杆形成，该基本上刚性的杆在第一端部处可旋转地连接于它的活塞29，30并且在第二端部处可旋转地连接于柱塞27。
弹簧33，34、活塞29，30和连接件35，36一起形成抵靠柱塞27的边缘偏压的若干弹簧部件。因为弹簧33，34促使连接件35，36抵靠柱塞27，所以柱塞27可在双稳态悬挂件28内呈现两个稳定位置，即，如以图3中的实线示出的第一位置以及如以虚线示出的第二位置。第一位置对应于切换组件的第一构造，并且第二位置对应于第二构造。
为了操作柱塞27，第一驱动线圈37和第二驱动线圈38配置在腔室26的相对侧面处。此外，柱塞27至少在面向驱动线圈37，38的它的表面上具有传导材料。在第一稳定位置和第二稳定位置，柱塞27分别与第一驱动线圈37和第二驱动线圈38相邻。
因此，当柱塞27例如位于其第一位置，并且电流脉冲发送穿过第一驱动线圈37时，镜像电流产生在柱塞27内，这导致使柱塞27远离第一线圈37加速的排斥力。以该方式施加在柱塞27上的动能足以使柱塞27克服双稳态悬挂件28移动到与第二驱动线圈38相邻的它的第二位置。
在图1的实施例中，两个驱动器18，19应当同步地操作。脉冲发生器39(见图1)为了该目的而设置。脉冲发生器39适合于产生用于使开关断开的、驱动器18和19二者的第一驱动线圈37的同时发生的电流脉冲以及用于使开关闭合的、驱动器18和19二者的第二线圈38的同时发生的电流脉冲。
有利地并且如已经提到的，同时发生的操作可通过使两个开关的第一驱动线圈37电气地串联配置(如图1中的驱动器18，19和脉冲发生器39之间的供给线所示)而容易地实现。相似地，两个开关的第二驱动线圈38也应当被有利地串联配置。
如可在图3中看到的，每个驱动线圈37，38在背离柱塞27的侧面上嵌入在电气绝缘保持器40中。绝缘保持器40在它的背离驱动线圈37，38的侧面上邻靠金属框架25。因此，当驱动器18，19操作并且线圈37推靠保持器40时，对应力直接传送到框架25，框架25可由比保持器40更坚固的材料制成。
如还可从图3看到的，每个驱动线圈37，38由具有矩形横截面的线有利地形成以便最优地使用可用空间。
如图3所描绘，柱塞27还设置有至少一个空穴45，这允许减小其重量。有利地，柱塞27的体积的至少10%(特别是至少25%)应当由空穴或若干空穴45形成。“空穴”在该意义上是柱塞27的大块材料中的任何空穴。这种空穴可任选地填充有较轻的填充材料。
图4和图5示出了柱塞27和具有基本上矩形的横截面的驱动器的实施例。如可看到的，柱塞27借助于适配器部件44连接于驱动杆17。如图4所示，如果驱动杆17沿着单排配置或配置成矩形矩阵，则适配器部件44具有大致矩形的形状。相似地，线圈37，38(如在用于线圈38的图4中示意性地表示的)配置在基本上矩形的区域中。如在上面提到的，该设计允许减小柱塞的重量，这反过来可使开关更快。
在图5的实施例中，框架25包括三个区段25a，25b，25c，该三个区段中的每一个围绕移位方向D延伸。在每个区段中，形成绝缘间隙。可在图5中看到区段25a和25c的间隙41a，41c，而区段25b的间隙保持被驱动器的本体隐藏。如在上面提到的，这些间隙防止感应电流围绕移位方向D在框架25的三个区段25a，25b和25c中流动。
如可看到的，形成在框架25中的开口21是基本上矩形的。致动器杆17和/或适配器部件44延伸穿过开口21。开口21配置在面向切换组件12的框架25的侧面上，而在背离切换组件的框架25的侧面上有利地封闭。
此外，图4和图5示出了双稳态悬挂件28的设计。特别地，图4示出了连接件35的位置。如可看到的，至少两个连接件35和因此弹簧部件抵靠第一边缘42偏压，并且至少两个连接件35和因此弹簧部件抵靠柱塞27的第二边缘43偏压，其中，第二边缘43与第一边缘42相对。每个弹簧部件被盖46覆盖。图5示出了驱动器18，19的一个侧面上的两个盖46，其中，另外两个盖配置在另一个侧面上。该设计改进柱塞27在它的双稳态悬挂件28中的稳定性，特别是如果边缘42，43是基本上矩形的柱塞27的较长边缘。
如提到的，在有利的实施例中，驱动线圈37，38以及柱塞27和开口21是“基本上矩形的”。该术语被限定用于驱动线圈37，38，参照图6，其以与移位方向D平行的视图示出驱动线圈37，38的区域。线圈37或38假定为基本上矩形的，如果线圈配置在包含在如图6所示的内矩形(R1)和外矩形(R2)之间的区域中，如果矩形R1,R2具有下列特性：
A）        它们具有平行的边缘，
B）        它们与移位方向D同心，
C）        外矩形R2的较小边缘长度e(即，较小边缘的长度)小于内矩形R1的直径d(即，e<d)。
如容易显而易见的，不可能使圆配合在矩形R1,R2之间，但是基本上矩形的曲线将配合。
以上条件C可通过考虑线圈的径向宽度W而放宽。径向宽度W示出在图6中，并且它对应于线圈的最内绕组的内侧和线圈的最外绕组的外侧之间的最短径向距离。在该情况下，条件C可用公式表示为C’，如下：
C’)    线圈的径向宽度W大于(e-d)/2，其中，e是外矩形R2的较小边缘长度(即，较小边缘的长度)，并且d是内矩形R1的直径。
如显而易见的，不可能使径向宽度W的圆形线圈配合在矩形R1，R2之间，但是基本上矩形的线圈将配合。
在更狭窄且有利的限定中，矩形R1和R2的直径不应当相差超过外矩形R2的直径的80%。
相似地，柱塞27和开口21理解为“基本上矩形的”，如果它们的周线配合在满足以上的条件A、B和C的图6的两个矩形R1,R2之间。
注意：
必须注意，本设计的驱动器还可使用在与图1和图2中示出的开关不同的开关中。特别地，使用本驱动器的开关还可仅包含单一驱动器，或它可使用不同类型的切换组件。使用本驱动器的开关可例如是快速动作接地开关、切断开关、组合的切断开关和接地开关(三位置开关)、负载启断开关、断路器等。
此外，取决于柱塞27和切换组件12之间的机械连接的几何形状，柱塞27和驱动线圈37，38不必是基本上矩形的。它们可采取另一种非圆形形状，诸如三角形、椭圆形或六边形。然而，矩形设计将最佳地适合大多数类型的连接。
在迄今为止示出的实施例中，存在用于在相反方向上驱动柱塞的每个驱动器的两个线圈。必须注意，本发明还可利用仅具有一个线圈的驱动器执行。在该情况下，柱塞在朝向线圈的方向上的运动可通过其他的手段(例如，弹性地，气动地等)产生，或可存在用于每个致动器的两个驱动器。
此外，开关的仅仅一组接触元件可以是可移动的，而另一组接触元件是静止的。
虽然示出和描述本发明的目前优选的实施例，但是应当清楚地理解，本发明不受限于此，而是可在下列权利要求的范围内被另外不同地实施和实践。

Claims (12)

1. 一种高压或中压开关，其包括：
第一终端(8)和第二终端(9)，
切换组件(12)，其具有第一构造和第二构造，其中，在所述第一构造中，所述切换组件(12)在所述终端(8，9)之间形成至少一个传导路径，并且其中，在所述第二构造中，所述切换组件(12)未在所述终端(8，9)之间形成传导路径，
至少一个驱动器(18，19)，其用于使所述切换组件(12)从所述第一构造移动到所述第二构造和/或从所述第二构造移动到所述第一构造，其中，所述驱动器(18，19)包括：
至少部分传导的柱塞(27)，其能够在第一位置和第二位置之间沿着移位方向(D)移动并且连接于所述切换组件(12)，
至少一个非圆形驱动线圈(37，38)，其定位成与所述柱塞(27)相邻，和
电流脉冲发生器(39)，其适合于在所述驱动线圈(37，38)中产生电流脉冲以用于驱动所述柱塞(27)远离所述驱动线圈。
2. 如权利要求1所述的开关，其特征在于，所述驱动线圈(37，38)配置在围绕所述移位方向(D)延伸的区域中，其中，所述区域包含在内矩形(R1)和外矩形(R2)之间，其中，所述矩形(R1，R2)具有平行边缘并且与所述移位方向(D)同心，其中，所述线圈(37，38)的径向宽度W大于(e-d)/2，其中，e是所述外矩形(R2)的较小边缘长度，并且d是所述内矩形(R1)的直径。
3. 如前述权利要求中的任一项所述的开关，其特征在于，所述驱动线圈(37，38)配置在围绕所述移位方向(D)延伸的区域中，其中，所述区域包含在内矩形(R1)和外矩形(R2)之间，其中，所述矩形(R1，R2)具有平行边缘并且与所述移位方向(D)同心，并且其中，所述外矩形R2的较小边缘长度e小于所述内矩形R1的直径d。
4. 如权利要求2和3中的任一项所述的开关，其特征在于，所述柱塞(27)是基本上矩形的，其中，边缘平行于所述内矩形(R1)和所述外矩形(R2)。
5. 如前述权利要求中的任一项所述的开关，其特征在于，所述驱动器(18，19)包括围封所述柱塞(27)的框架(25)，其中，所述框架(25)具有基本上矩形的开口(21)，并且其中，所述开关还包括在所述柱塞(27)和所述切换组件(12)之间延伸的致动器杆(17)，其中，所述致动器杆(17)延伸穿过所述开口(21)。
6. 如前述权利要求中的任一项所述的开关，其特征在于，所述柱塞(27)配置在双稳态悬挂件(28)中，其中，所述第一位置和所述第二位置形成所述双稳态悬挂件(28)的稳定状态。
7. 如权利要求5和6所述的开关，其特征在于，所述双稳态悬挂件(28)包括至少四个弹簧部件(29-36)，其中，所述弹簧部件(29-36)中的至少两个抵靠所述柱塞(27)的第一边缘(42)偏压，并且至少两个弹簧部件(29-36)抵靠所述柱塞(27)的第二边缘(43)偏压，其中，所述第二边缘(43)与所述第一边缘(42)相对。
8. 如前述权利要求中的任一项所述的开关，其特征在于，还包括多个致动器杆(17)，其配置成排或矩形矩阵并且在所述柱塞(27)和所述切换组件(12)之间延伸。
9. 如前述权利要求中的任一项所述的开关，其特征在于，在背离所述柱塞(27)的侧面上，所述驱动线圈(37，38)嵌入在电气绝缘保持器(40)中，其中，在背离所述驱动线圈(37，38)的侧面上，所述绝缘保持器(40)邻靠金属框架(25)。
10. 如权利要求9所述的开关，其特征在于，所述框架(25)围绕所述移位方向(D)延伸并且包括绝缘间隙(41a，41c)用于中断电流围绕所述移位方向(D)在所述框架(25)中流动。
11. 如前述权利要求中的任一项所述的开关，其特征在于，所述切换组件(12)封装在不透流体外壳(1)中，其中，所述不透流体外壳(1)包含围绕所述切换组件(12)的电气绝缘流体，并且其中，所述驱动器(18，19)配置在所述外壳(1)内。
12. 如前述权利要求中的任一项所述的开关，其特征在于，所述柱塞(27)包括至少一个空穴(45)。
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