CN102903565A - 具有功能选择性的真空开关 - Google Patents

Abstract

一种具有功能选择性的真空开关，由真空灭弧室（4）、机械传动装置（8）、传动拉杆（7）、支撑固定系统（6）、检测装置（2）、接触器控制开关（9）及控制器（1）组成。所述的检测装置（2）测量真空灭弧室（4）短路状态下通过电流的幅值并传递给开关的控制器（1），通过控制器（1）决定真空开关的工作状态。真空灭弧室的静触头（3）和动触头（5）的触头材料为铜钨碳化钨或加入铁或碳或钨元素的铜铬合金。本发明真空开关在短路开断电流大于16kA的情况下，真空开关静触头和动触头的合闸压力保持在200N-1000N之间。本发明真空开关同时具有真空接触器与真空断路器的功能。

Description

具有功能选择性的真空开关

技术领域

本发明涉及一种配电网中大型装置的启动控制设备的真空开关。

背景技术

随着输电线路电压等级的不断提高和电网智能化的发展，电网对电力设备的安全性、可靠性、稳定性和智能性要求越来越高。在配电系统中要求开关设备具有监测、交互调控等作用，以适应不同负载的参数变化。大型电力拖动设备如主排水泵、压风机、电弧炉变压器等在工业上应用广泛，其启动控制设备-高压综合起动柜的特点是启动频繁、功率较大，起动柜的好坏直接影响其其正常运转及故障状态下的可靠保护。因此，对起动柜的主要要求有两点：一是必须有频繁的起动能力；二是故障状态下必须有足够大的分断短路电流的能力。

真空开关用于电力系统主要有几种形式：真空断路器、真空接触器、真空负荷开关、接地开关，其基本结构相同，由真空灭弧室、分合闸传动机构及控制设备组成。但因为各自的用途不同，在分合闸机构的功、控制策略、真空灭弧室触头材料和结构、开距等方面要求会有所不同。真空接触器的分断能力弱，无法完成大电流短路分断要求。而在大电流分断的选择上，比较好的是真空断路器，但是真空断路器因其本身结构和触头材料的限制，无法实现频繁启停的要求。在频繁启停工作状态下，会出现分合闸机构故障，所以在这种需要故障保护的系统中目前只能采用真空接触器与真空断路器或者熔断器配合使用来解决这一问题。目前这类电气设备可以满足使用要求，但须用两台起动控制设备，还有占地面积大，初期投资大，故障点多等不利因素。随着电网等级提升和电网智能化发展，瞬态电磁过程对电力设备和电网稳定性的破坏性越来越强，物理分离的设备要解决这一问题是十分困难的。

鉴于上述情况，人们一直在对大型电力设备的启动控制技术寻找解决途径。中国实用新型专利95237622.9《双功能高压交流真空开关》提出过一台真空开关实现接触器和断路器功能。该专利采用一套电磁控制传动机构，包括合闸线圈、保持线圈、合闸弹簧、分闸弹簧、撞头、传动轴等。可以应用于10kV高压系统、分断电流可以达到16-40kA。该专利提出的传动系统结构较为复杂，未提出该开关的使用寿命。专利提出的真空开关对于实现接触器和断路器功能都采用同样的机构，其机械传动装置的寿命会受到影响，对于频繁操作的场合，应用受到限制。该专利提出的分断16kA-40kA电流的真空开关没有给出具体结构的差别，实际中随着电流的升高其产生的电磁场和电磁力会大幅度升高，它对于装置的稳定性和可靠性、真空管中的触头的材料都会提出新的要求，这也是大电流下真空开关开断电流的难题，该专利中未曾涉及。中国专利90106720.2《高压真空复合功能开关》采用电磁机构实现额定电压10kV、额定电流630A、短路开断电流16kA以下真空开关的接触器和断路器复合功能，并且真空开关在小开距工作条件下工作的寿命大于100万次。但对于更高电压等级和更大开断电流的情况下复合功能的真空开关如何实现未曾提及。这两个专利都采用电磁机构作为分合闸的主要动力来源，这就限制了它们在进行分合闸工作时的精度、控制范围和稳定性，随着电网智能化和自动化的发展这些参数将是未来电力设备必须具有的特征。

发明内容

本发明的主要目的是克服现有技术存在的问题，提供一种真空开关，既能根据需求工作在频繁操作的接触器状态，又能在电力系统线路出现故障时实现真空断路器功能，实现较大电流的开断，提高工作的安全性、稳定性和准确度。

为了实现上述目的，本发明提出了一种具有功能选择性的真空开关，本发明真空开关由真空灭弧室、传动拉杆、机械传动装置、检测装置、支撑固定系统、接触器控制开关及控制器组成。真空灭弧室用于分断和导通电流,实现开关功能。真空灭弧室的动触头与机械传动装置机械连接，支撑固定系统分别连接真空灭弧室的静触头和动触头，将真空灭弧室与机械传动装置连接固定，保持其工作时开关整体的稳定性。机械传动装置的功能是改变真空灭弧室动触头的位置。一般机械传动装置在下方，真空灭弧室在上方。真空灭弧室和机械传动装置之间保持电气安全距离。为实现本开关功能，机械传动装置内部装有具有双开距的机械传动机构，可以采用永磁传动机构，也可以采用两路电磁传动机构，或者电磁与永磁配合。传动拉杆和机械传动装置内装有的双开距机械传动机构连接，以驱动真空开关的闭合和开断。检测装置用于测量通过真空灭弧室的电流信号，并将它传递给控制器。控制器和检测装置连接。控制器接收检测装置的信号，做出判断，控制机械传动装置的动作。接触器控制开关用于控制真空开关在接触器工作形式时真空开关的分合动作，通常使用电气触点开关。控制器和检测装置通过电路或其它信号传输形式连接，接触器控制开关通过电路与控制器连接。接触器控制开关、控制器和检测装置都通过支撑固定系统稳定安装在机械传动装置外壳或者支撑固定系统上。所述的真空开关在所处的电力线路正常工作时实现接触器的功能，在所处电力线路主回路发生故障，出现电流过载情况时，所述的真空开关实现断路器功能。本发明真空开关通过控制器设定参数，实现对于不同幅值电流的不同形式分断，保证开关工作的可靠性和功能性。

本发明提出的真空开关将接触器与断路器的功能集于一身，大幅度的减小了空间体积，有效的降低了空间分布电路参数对电网稳定性的影响。真空开关所处电力线路正常工作条件下，动、静触头工作于小开距、低分闸速度的真空接触器状态，与目前一般的接触器操作和功能相同。当真空开关所处电力线路主回路出现短路电流，主回路母线及其周围的电磁环境发生变化，本发明可以通过检测装置检测到这一变化信号，通过测量获得此信号，将信号传输给控制器，控制器根据设定程序及收到的信号决定输出给开关机械传动装置的指令，机械传动装置接收到该指令后，执行指令要求的分合闸动作，使真空灭弧室内的触头位置发生物理位移，在20ms内截断短路电流，保护设备安全，实现断路器功能。

本发明提出的支撑固定系统是实现大电流开断的重要一环。所述的支撑固定系统由支撑支柱、上、下导电端子固定排和其它连接件等组成，其主要用途是保证真空灭弧室与机械传动装置牢固连接，在通过大电流时抵抗电磁作用力，保持真空灭弧室的稳定。支撑支柱与机械传动装置本体上方连接固定，通过上、下导电端子固定排分别与真空灭弧室的静触头和动触头连接固定，上、下导电端子固定排与支撑支柱连接固定，使真空灭弧室与机械传动装置固定。上、下导电端子固定排与支撑支柱垂直，与真空灭弧室上端面及下端面平行。

本发明中真空灭弧室由外壳、波纹管、屏蔽罩、动触头、静触头、动触头连接导杆、静触头连接导杆组成。真空灭弧室的动触头连接导杆与支撑固定系统的下导电端子固定排及传动拉杆连接固定；静触头连接导杆与上导电端子固定排连接固定。真空灭弧室的最大开距以真空断路器灭弧室的最大开距为准。屏蔽罩固定在外壳内部，与外壳有一定距离；动、静触头在屏蔽罩内部，保持一定距离，通过动、静触头连接导杆与外壳下、上端面固定，波纹管将动触头和外壳连接。安装时真空灭弧室的动触头端与机械传动装置连接，在下端。两端都由支撑固定系统连接固定，与机械传动装置构成整体。

本发明中检测装置与控制器是实现功能选择性的关键。检测装置主要用于检测母线电流的变化，并将变化信号传递给控制器。母线电流变化会引起附近空间电磁场的变化，检测装置可以采用磁场感应方式测量母线电流的变化，如霍尔传感器、电流互感器、电磁铁等；也可采用直接电流测量的方式进行测量，如分流器；用法拉第效应、普克尔效应或者科尔效应的光学测量也可以实现这一目标。检测装置测量的信号，如电信号，光信号、压力信号、位移信号等，根据不同信号形式通过不同传输方式传输给控制器。电信号用电连接方式传输，光信号用光通讯方式传输，其它信号先转换为电信号再通过电连接方式传输。检测装置通过支撑固定系统稳定安装在机械传动装置外壳或者直接安装在支撑固定系统上。具体测量模式的选择根据实际应用场合和精度要求来决定。

控制器用于接收检测装置传输的信号，根据设定程序或者阈值分析信号决定输出给开关机械传动装置的工作指令。控制器信号接收的形式根据检测装置输出信号的形式来决定。如测量获得信号为电信号，则接收装置只需要与检测装置电气连接，信号通过电方式传输。如果测量获得信号为非电信号，有的先将非电信号转换为电信号，然后通过信号电缆传输，电气连接，信号通过电方式传输；有些信号可以直接传输，如光信号用光纤传输，光路连接，到达控制器后，再通过光电转换模块将光信号转变为电信号；位移信号可以直接与机械传动装置连接，机械连接。控制器通过给部件的物理参量或者电路程序设定不同指令的阈值，对检测信号进行分析处理形成指令，输出给机械传动装置。如检测信号通过电磁铁吸合获得，则可通过设定弹簧的压力值，调节控制器的工作阈值；如检测信号为电信号，则可以作为控制器电路的触发信号，控制器通过单片机、DSP芯片等手段来实现工作阈值的设定和输出。控制器与机械传动装置的连接主要根据机械传动装置的形式来决定。如果机械传动装置采取永磁结构形式，则控制器与永磁结构机械传动装置的控制器电气连接，通过电信号向永磁机械传动机构发出指令。如果采用电磁结构机械传动装置，则控制器与传动装置之间通过机械形式连接。控制器一般通过支撑固定系统稳定安装在机械传动装置外壳或者直接安装在支撑固定系统上。

所述的机械传动装置内的机械传动机构具有双开距，采用永磁传动机构，或者两路电磁传动机构，或者电磁与永磁传动机构配合来实现。在大电流情况下永磁机构传动装置具有更大的优势，它易于实现不同开距、精确控制及提供给开关触头高的合闸功。永磁机构传动装置接收控制器发出的指令，给永磁机构传动装置的分合闸线圈充电或者放电，通过充放电电流值大小的不同控制动磁铁的位移，动磁铁通过传动拉杆及其附属结构与真空灭弧室的动触头连接，完成真空开关不同的开关速度和分断距离功能。永磁结构和电磁机构传动装置的工作原理和基本结构与市场产品相同。

本发明采用不同传动工作模式来实现真空开关在不同开距和速度下的开断。机械传动装置的动作既可以在正常动作启停信号的控制下工作，又可以受短路信号的控制，由此实现不同功能的操作。本发明所述的机械传动装置可以通过不同方式实现。新型的永磁传动机构是一种方式，合理的设计磁路和控制合分闸线圈电流幅值，使永磁传动机构可以工作在不同的模式下，如在长开距：7.5-12mm模式下完成断路器工作，在短开距：3-6mm模式下完成接触器工作，从控制灭弧室触头的位移量来实现接触器和断路器两种功能。这样设计的永磁机构只需要一套就可满足设计要求，也可以采用两路传统的电磁机构，还可以采用永磁与电磁机构配合实现这项功能。

本发明在真空灭弧室触头材料选择上有特殊要求，尤其是供电系统故障大电流条件下（16kA以上）。真空灭弧室触头材料既要满足开断能力强，又满足抗熔焊性能好，使得断路器功能与接触器这两种功能得以在这种真空开关上实现。目前经常使用的用于真空断路器铜铬合金材料和真空接触器的铜钨合金材料无法满足需求。本发明采用适宜配比的铜钨碳化钨材料或者加入铁、碳、钨的铜铬合金，便可以满足要求。所述的铜钨碳化钨选用型号为WCu30的铜钨合金，加入质量百分比为3%-10%的C；加入铁或碳或钨的铜铬合金中，铜铬质量百分比在40%-60%之间，所加入的铁或碳或钨的质量百分比在3%以内。真空灭弧室中静触头和动触头采用纵向磁场结构。

这种新型真空开关在高压电气设备的控制系统中的广泛应用，将会带来很好的经济效益：第一，设计时可少用一台高压馈电柜，在电控方面可节省初期投资40%；第二，由于少用一台高压馈电柜，可减少电控设备的占地面积，节省土建费用，同时由于控制环节的减少可降低设备的故障率，减少电控设备的维护费用20%；第三，开关的分布电路参数小，降低回路参数对电网干扰，抵抗瞬态电磁过程能力强，运行更加安全稳定；第四，先进的检测及闭环反馈系统，可以为整体配电网络提供检测节点和控制节点，有利于未来在智能配电网系统地应用。因此该开关具有广泛的推广应用价值，其技术思路也可应用于其它电气设备的集成化和一体化设计。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1是实现本发明真空开关的原理图和主要部件连接图，图中：1控制器，2检测装置，3静触头，4真空灭弧室，5动触头，6支撑固定系统，7传动拉杆，8机械传动装置，9接触器控制开关，10实现功能的机械传动机构；

图2是采用加入铁、碳、钨的铜铬材料作动、静触头，永磁机构形式实现机械传动装置的真空开关示意图，图中：11分闸线圈，12永久磁铁，13合闸线圈，14动磁铁，15永磁机构控制器，16手动控制系统，17机械传动装置外壳；

图3为采用电流传感器为检测装置、永磁机构形式实现机械传动装置的真空开关示意图，图中：18为电流传感器；

图4是采用电磁机构与永磁机构形式配合实现机械传动装置的真空开关示意图，图中：19永磁传动机构，20电磁传动机构。

具体实施方式

如图1所示，本发明功能选择性真空开关主要组成部件有：控制器1、检测装置2、真空灭弧室4、支撑固定系统6、传动拉杆7、机械传动装置8、接触器控制开关9和实现功能的机械传动机构10。如图1所示，真空灭弧室4的动触头5通过传动拉杆7与机械传动装置8机械连接，支撑固定系统6分别连接真空灭弧室4的静触头3和动触头5，使真空灭弧室固定在机械传动装置8上，真空灭弧室4与机械传动装置8成为一个整体，并且真空灭弧室4和机械传动装置8之间保持电气安全距离。一般机械传动装置8位于真空开关的下方，真空灭弧室4位于真空开关的上方。控制器1和检测装置2通过电路或其它信号传输形式连接，控制器1和检测装置2通过支撑固定系统稳定安装在机械传动装置外壳或者直接安装在支撑固定系统上。接触器控制开关9与控制器1通过电路连接，并通过支撑固定系统稳定安装在机械传动装置外壳或者支撑固定系统上，接触器控制开关9用于控制真空开关在接触器工作形式时真空开关的分合动作。所述的传动拉杆7与机械传动机构10相连接。机械传动机构10固定在机械传动装置8内部，机械传动机构10是机械传动装置8的重要组成部分。真空开关在所处的电力线路正常工作时实现接触器的功能，在真空开关所处电力线路供电主回路发生故障，出现电流过载情况时真空开关实现断路器功能。

以下说明本发明真空开关的工作原理和工作过程。本发明真空开关正常工作处于合闸状态，在两种情况下真空开关要进行分闸操作，一种是所处的电力线路中真空开关控制的设备需要停止工作时，另一种情况是供电线路出现故障大电流时回路需用分闸，保护后端电力设备。正常工作条件下的合分闸本发明真空开关实现接触器功能，它的开距较小：3-6mm，分闸时断开电流较小：4kA以下；而在供电线路出现故障大电流时本发明真空开关实现断路器的功能，要求开距大：7.5-12mm，分闸时断开电流大：4kA以上。如图1中所示，采用两路传动机构10来实现双开距的功能。所述的传动拉杆7与两路传动机构10相连接，所述的两路传动机构10分别实现两种不同开距的动作。控制器1发出指令决定哪一路传动机构10工作，即决定了机械传动装置8的工作模式。控制器1发出的指令可以通过检测装置2测量的信号获得，检测装置2测量主回路母线上的信号。控制器1发出的指令也可以直接从接触器控制开关9获得，通常由接触器控制开关9发布指令这种方式是在接触器工作模式的分合闸时使用，进行断路器工作模式的分闸操作是根据检测装置2获得的信号来执行的，它们都通过控制器来向机械传动装置8发布指令。由于真空开关的灭弧室4中动触头5和静触头3材料性能和开关的机械稳定性可以满足断开大电流的要求，又可以满足开关频繁开合的要求，所以实现集两种功能于一体的新型真空开关。

图2是本发明实施例采用加入铁、碳、钨的铜铬材料制作的动触头5和静触头3，永磁机构传动机构的机械传动装置8的真空开关示意图。永磁机构是对传统弹簧机构和电磁操作机构的一次技术改进，克服它们在可靠性、能效、体积等方面的不足。永磁机构是随着电力电子技术的发展而产生发展的，它在工作时采用电信号控制分合闸，无需复杂的机械装置，故障源少，可靠性高，寿命长，同时在本装置易于实现大于16kA小于31kA故障电流情况下触头合闸压力保持在200-700N之间，故障电流31kA以上触头合闸压力保持在700N-1000N之间。此时真空灭弧室的动、静触头材料选择如说明书所述的加入质量百分比1-3%铁、碳、钨的铜铬合金，铜铬合金选择铜铬质量百分比在40%-60%之间，才能满足开断故障电流8次以上的功能。永磁结构机械传动装置8由装置外壳17、永磁机构控制器15、永久磁铁12、动磁铁14、合闸线圈13、分闸线圈11等组成；分闸线圈11、永久磁铁12、合闸线圈13、动磁铁14均置于外壳17中，并且与外壳17牢靠固定，通常永久磁铁12位于中间，为中空形式，分闸线圈11和合闸线圈13位于永久磁铁12的两边，动磁铁14在永久磁铁12的中心，分闸线圈11和合闸线圈13分别与永磁机构控制器15的输出电气连接。永磁机构控制器15用于控制永磁传动机构的动作，永磁机构控制器15接收真空开关的控制器1发出的指令，通过电气传输将具体的电信号，通常是不同幅值的线圈电流，通过连接导线传递给分闸线圈11和合闸线圈13，使其通过电磁场将力传递给动磁铁14，动磁铁14带动传动拉杆7，动触头5发生位移，实现开关的开通和闭合。永磁结构形式的机械传动装置8用于开关工作的主要原理是利用分、合闸线圈11、13电流的不同和永久磁铁12共同作用造成动磁芯运动回路的磁阻变化，实现动磁铁14不同的位移，而动磁铁14直接或者间接与传动拉杆7连接，由传动拉杆7拉动真空灭弧室的电极静触头3或动触头5完成真空开关的闭合和关断工作。如图2所示，静触头3和动触头5的开距是由永磁机构动磁铁14的位移量决定的，当然也可以采用其它方式的连接，如转轴等形式，但其工作原理相同。在本发明提出的真空开关中要实现功能性的选择，改变动磁铁14的位移量可以实现本发明真空开关的不同功能。通过合理的永久磁铁12磁路设计与分、合闸线圈11、13电流大小的配合，使动磁铁14在不同磁阻的作用下形成不同的位移量，实现真空开关的接触器功能和断路器功能。本发明的永磁机构传动系统也可以实现一台机构拥有多种位移量，以满足不同应用场合的要求。作为本发明的机械传动装置也可以采用两套永磁机构传动装置8来实现，其方法原理同图1。

图3是本发明实施例采用电流传感器18为检测装置、永磁机构形式实现机械传动装置8的真空开关示意图。电流传感器18为环形结构，负载侧母线穿过电流传感器18中心。电流传感器18可以较为准确的测量通过母线的电流值，并将它通过电连接传输给控制器1。控制器1为一个比较电路，设定比较电平阈值，当输入电流值大于阈值则电路导通，向永磁机构控制器15发出工作指令，永磁机构机械传动装置8进行大开距分断操作。真空开关作为接触器频繁开断由外部控制器9控制，工作电流在产品额定电流值允许范围内，电流传感器18测量到此时的电流值，将它通过电连接传输给控制器1，此时输入电流值小于控制器1设定阈值，控制器1不发出指令，真空开关正常工作，进行小断口分断闭合操作。

图4是本发明采用永磁与电磁结合机械传动装置8的真空开关示意图。如图所示，永磁机构控制器15由外部控制器9控制，永磁传动机构19在真空开关实现接触器功能时工作，同时为动触头5和静触头3提供足够的合闸压力。电磁传动机构20在回路出现故障电流时工作，进行大断口的分断操作。

本发明真空开关的额定电压可以达到20kV，开断短路故障电流达到31.5kA，超过8次的开断寿命；正常工作接触器分断电流达到4kA，关合电流5kA，机械动作寿命超过100万次。

本发明可以广泛应用在配电系统中具有启动频繁、系统短路容量较大的大型电力拖动设备中，如主排水泵、压风机、电弧炉变压器等，它将大大减小设备本身和占地成本，同时提高系统和设备的安全性和稳定性。

Claims (6)

1.一种具有功能选择性的真空开关，其特征在于，所述的真空开关由真空灭弧室（4）、机械传动装置（8）、传动拉杆（7）、检测装置（2）、支撑固定系统（6）、接触器控制开关（9）及控制器（1）组成；所述的真空灭弧室（4）的动触头（5）通过传动拉杆（7）与机械传动装置（8）内的机械传动机构（10）连接，支撑固定系统（6）分别连接真空灭弧室（4）的静触头（3）和动触头（5），将真空灭弧室（4）固定在机械传动装置（8）上，真空灭弧室（4）和机械传动装置（8）之间保持电气安全距离；控制器（1）和检测装置（2）连接，接触器控制开关（9）与控制器（1）连接，接触器控制开关（9）用于控制真空开关在接触器工作形式时真空开关的分合动作；控制器（1）、接触器控制开关（9）和检测装置（2）通过支撑固定系统（6）固定在机械传动装置（8）的外壳或者直接安装在支撑固定系统（6）上；所述的真空开关在所处的电力线路正常，无故障时实现接触器的功能，在真空开关所处的供电主回路出现故障，电流过载情况时，所述的真空开关实现断路器功能。

2.如权利要求1所述的真空开关，其特征在于，所述的检测装置（2）测量所述的真空灭弧室（4）工作时通过的电流信号，传送至控制器（1），控制器（1）根据接收到的信号向机械传动装置（8）输出工作指令，实现不同的开关功能。

3.如权利要求1所述的真空开关，其特征在于，所述的真空开关在正常工作情况下实现接触器功能，通过机械传动装置内一路机械传动机构进行导通断开操作，此时真空灭弧室的触头开距在3-6mm；当真空开关所处的电力线路出现故障或异常，回路电流幅值剧增时，所述的真空开关实现真空断路器功能，通过机械传动装置内另一路机械传动机构进行大电流开断操作，保护设备，此时，真空灭弧室的触头开距为7.5mm以上。

4.如权利要求1所述的真空开关，其特征在于，所述的真空灭弧室（4）的静触头（3）和动触头（5）的材料为铜钨碳化钨或者加入一定其它元素的铜铬合金，所述的铜钨碳化钨选用型号为WCu30铜钨合金，加入质量百分比为3%-10%的C；所述的加入一定其它元素的铜铬合金，铜铬质量百分比为40%-60%，所加入的元素为铁或碳或钨，其质量百分比在3%以内。

5.如权利要求1所述的真空开关，其特征在于，所述的真空灭弧室（4）的静触头（3）和动触头（5）采用纵向磁场结构。

6.如权利要求1所述的真空开关，其特征在于，在短路开断电流大于16kA的情况下，所述的真空开关的机械传动装置（8）的机械传动机构（10）采用永磁机构最佳，保持触头的合闸压力保持在200N-1000N之间。

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