CN103443894A - 气体绝缘的高压功率开关 - Google Patents

Abstract

气体绝缘的高压功率开关(1)包含压缩容积(4)和低压容积(5)以及使两个容积(4,5)彼此相连接的阀(6)，在关闭开关时绝缘气体从低压容积(5)中通过该阀流到压缩容积(4)中，而在打开开关时在高于气体压力的阈值的情况下气体在相反的方向上从压缩容积(4)中通过该阀流到低压容积(5)中。在节省构件的情况下，开关的一种简化的实施方案由此实现，即将至少一个孔(71)和在一侧被保持的、可取决于在压缩容积(4)中的绝缘气体的压力弹性弯曲的至少一个板簧(7)成形到阀(6)的阀板(9)中。一旦在压缩容积(4)中的受压缩的绝缘气体的压力超过在低压室(5)中的气体压力的值至少两巴，弯曲弹簧(7)在关闭开关时封闭孔(71)而在打开开关时开启孔(71)。

Description

气体绝缘的高压功率开关

技术领域

本发明涉及高压技术领域且涉及一种根据权利要求1的前序部分的可使用在数千伏与数百千伏之间的电压范围中的气体绝缘的高压功率开关。

背景技术

此类开关(也称成压缩气体开关(Druckgasschalter))尤其使用在能量分配网络中。该开关如此设计，即，在触点分开的情况下或者在短路情况下利用气体来吹开关电弧且由此最快速地熄灭开关电弧。用于该目的的最常用的气体是SF₆(六氟化硫)。

在文件DE 4211159 A1和US 5589673 A中说明了一种开头所提及的类型的开关。对于该开关，在其中形成电弧的压力室受阀控制地与压缩室相连接。压缩室经由过压阀和补充阀(Nachfüllventil)与低压室相连接。这些阀布置成环状且利用重叠区布置成彼此相邻。过压阀在低压室侧由弹簧朝压缩容积(Kompressionsvolumen)的方向上压向阀支架。因此，如果气体的压力大于弹力，只有那时气体才从压缩容积中流到低压室中。然而该结构类型相对复杂且需要很多元件。

开头所提及的类型的开关也在更早的欧洲申请09170549.1中进行了说明，该申请的在2011年3月23日的公开设有公开号2299464。

此外，文件EP 2270828 A1说明了一种实施为自吹式开关(Selbstblasschalter)的高压功率开关，在该高压功率开关中在其灭弧室的两个容积之间布置有止回阀。该阀具有柔性的至少一个金属小板，其在其弹性的可变形性之内可在阀的止挡(Anschlag)与阀座之间运动。该阀如此构造，即，其在打开开关时使得能够将受压缩的冷的气体从压缩容积输送到经受电弧气体的作用的加热容积(Heizvolumen)中，然而防止热的电弧气体从加热容积中流到压缩容积中。因此针对该至少一个小板使用可经受直到2500°C的温度的材料。

还可参考文件EP 1939910 A1。该文档公开了一种带有可相对彼此运动的多个触点的压缩气体开关。围绕第一触点布置有吹气容积(Blasvolumen)，其经由吹气通道(Blaskanal)与电弧区相连接。吹气容积通过分开元件与低压室隔开。在分开元件中设置有穿流开口，其用于在吹气容积与低压室之间的气体交换。

发明内容

应通过本发明简化开头所提及的类型的气体绝缘的高压功率开关的结构类型且降低所需要的构件的数量。

根据本发明的气体绝缘开关包含：由开关的驱动器(Antrieb)操纵的压缩装置，该压缩装置带有以绝缘气体来填充的压缩容积，在其中在打开开关时绝缘气体被压缩成灭弧气体；以绝缘气体来填充的低压容积(Niederdruckvolumen)；以及使压缩容积与低压容积彼此相连接的阀，在关闭开关时绝缘气体从低压容积中通过该阀流到压缩容积中，而在打开开关时在高于灭弧气体压力的阈值的情况下绝缘气体在相反的方向上从压缩容积中通过该阀流到低压容积中，其中，该阀具有以下元件：

由压缩室的壁引导的阀体，其带有连接压缩容积和低压容积的气体通路(Gasdurchlass)和包围气体通路的阀座；

由绝缘气体操纵的、可移动地支承在阀体中的阀板，其在打开开关时坐落在阀座上；以及

集成到阀体中的止挡，其在关闭开关时限制阀板的运动。

阀板具有至少一个孔和在一侧被保持的、可取决于压缩容积中的绝缘气体的压力弹性地弯曲的至少一个板簧，该板簧在关闭开关时封闭孔且在打开开关时开启孔，并且限制用于从压缩容积中离开的绝缘气体的通过孔引导的流动通道－一旦在压缩容积中的受压缩的绝缘气体的压力超过在低压室中的气体压力的值至少两巴。

与最接近的现有技术(在其中，布置在压缩容积与低压容积之间的阀具有阀弹簧和重叠的两个环状阀板)相比较，在根据本发明的开关中阀仅需要唯一的阀板。因此与现有技术相比削减一个阀板和弹簧。因为代替重叠的两个阀板和待校准的弹簧现在可仅将唯一的阀板安装到阀中，所以根据本发明的开关可以明显更容易的方式来制造和维护。因为该唯一的阀板具有至少一个孔和通常封闭该孔的板簧，该板簧只有在高于两巴的过压时才由于弹性的弯曲打开孔且在此压缩容积与低压容积相连接，所以利用该唯一的阀板不仅在开关的关闭期间实现压缩容积利用新鲜的绝缘气体有针对性的填充，而且在打开开关时同时有效地限制在压缩容积中的总计超过两巴的过压。板簧具有相对很高的弹簧常数且相应地还具有很强的回位力。因此，即使在出现很高的过压时也不需要通过限定板簧的弯曲的固定止挡限制板簧的路径。

板簧可借助于至少一个截面成形到阀板中。该截面可垂直于阀板的表面来引导。备选地，该至少一个截面的至少一个区段可相对于阀板的表面倾斜地来引导。那么倾斜角度最大应为60°。

阀板可由弹簧板材制成，其厚度相比于板簧的长度如此选择使得在板簧弯曲时避免塑性变形且在超过阈值时开启孔。

阀板可构造为环形盘件，且至少一个板簧可关于环形盘件的中心实施为弓形（Kreiabschnitt)且具有切入到环形盘件中的至少三个侧部，在其中，至少一个沿径向取向且至少两个同心地来引导。

环形盘件可具有多个板簧，其关于环形盘件的中心相应构造为弓形且相应具有切入到环形盘件中的至少三个侧部，在其中，至少一个沿径向取向且至少两个同中心地来引导，其中，板簧中的相应两个彼此镜像地关于环形盘件的直径线来布置。

在带有加热容积(其与压缩容积经由止回阀相连接，用于容纳电弧气体)的开关中，阀板和至少一个板簧可由标准弹簧钢形成，其实施为非合金的或低合金的不锈钢。不同于根据EP 22 70 828的现有技术(在其中，布置在加热容积与压缩容积之间的止回阀具有由可经受高达2500°C的温度的材料制成的阀活门)，标准弹簧钢仅适合于使用在最高直到大约300°C的运行温度中。

附图说明

现在借助附图从紧接的说明中得出本发明的其它的设计方案、优点和应用。其中：

图1显示了沿着根据本发明的高压功率开关的实施为自吹式开关的实施方式的纵轴线的截面，

图1a显示了根据图1的开关的在图1中加框地示出的区域的放大图，

图2至4相应以俯视图显示了根据图1的开关的阀的阀板的实施方式，

图5显示了在朝向沿着IV－IV引导的、穿过根据图4的阀板的实施方式的截面的箭头方向上的视图，且

图6显示了在朝向沿着IV－IV引导的、穿过根据图4的阀板的经修改的实施方式的截面的箭头方向上的视图。

在附图中所使用的参考标号和其意义在参考标号列表中汇总地列出。对于本发明的理解不重要的部件部分地未示出。所说明的实施方式对于发明对象而言是示例的且不具有限制的效果，更确切地说还可以其它方式在专利权利要求的范围内来实施本发明。

具体实施方式

图1显示了沿着根据本发明的气体绝缘的高压功率开关1的一种实施方式的纵轴线11的截面。该开关实施为自吹式开关且具有以数巴压力的绝缘气体(例如，尤其SF₆)来填充的未示出的壳体，该壳体向外限制低压容积5。在纵轴线11左侧示出开关1的第一运行状态而在纵轴线11右侧示出开关1的第二运行状态，该运行状态在下面被称成填充运行或者过压运行。

开关1具有额定电流触点2c，该额定电流触点可在开关1的纵轴线11的方向上如此运动使得其可与额定电流触点2d相接触。此外，开关具有电弧触点2a，该电弧触点可在开关1的纵轴线11的方向上如此运动使得其可与电弧触点2b相接触。以参考标号15表示电弧，其在电流中断时在两个电弧触点2a、2b分开之后出现。在切断运行电流时，电弧15一般很弱。然而在切断短路电流时可出现非常强的电弧15。在说明的进一步的进程中将针对这两种可能性作更详细地研究，因为这两种可能性在熄灭电弧15时要求分开的操作方法。

电弧15的熄灭通过利用灭弧气体来吹在电弧区3中燃烧的电弧15来实现，与处在低压容积5中的绝缘气体相比，该灭弧气体具有更高的压力。灭弧气体可由开关电弧15形成，其电弧气体在待断开的电流的高电流阶段中存储在加热容积19中，而在无电流通过时穿过加热通道17流到电弧区3中且冷却电弧15。加热通道17典型地成形在辅助喷嘴16a与主喷嘴16b之间。还可在打开开关时同时在压缩容积4中提供灭弧气体，压缩容积是由开关的驱动器A操纵的压缩装置的部分。

作为自吹式开关的代替，根据本发明的开关还可构造为缓冲开关。于是电弧气体可在打开开关时从电弧区直接进入到压缩容积4中。

在图1和1a中示出的自吹式开关中，加热容积19借助于止回阀14与压缩容积4隔开。然而不仅在自吹式开关中而且在缓冲开关中借助于阀6使压缩容积4与低压容积5分开。低压容积5通常构造为排出容积(Auspuffvolumen)，但还可具有与排出容积隔开的填充容积，在其中即使在打开开关之后也存储尽可能无排气的新鲜的绝缘气体。

在关闭开关时形成流12，其将绝缘气体从低压容积5中穿过阀6引导到压缩室4中(图1和1a的处在轴线11的左侧的部分)。在打开开关时，一旦压缩容积4相对低压容积5具有至少两巴的过压就形成流13。该流将受压缩的、用作灭弧气体的绝缘气体朝相反的方向上从压缩容积4中引导到低压容积5中(图1和1a的处在轴线11的右侧的部分)。

从图1a中可看出阀6具有下面的元件：

由压缩室4的壁引导的阀体30，其带有连接压缩容积4和低压容积5的气体通路31和包围气体通路的阀座32；

由绝缘气体操纵的、可移动地支承在阀体30中的阀板9，其在打开开关时气密地坐落在阀座32上(图1a的右半部)；以及

集成到阀体30中的止挡8，其在关闭开关时向上限制阀板9的运动(图1a的左半部)且布置在阀板9的背对阀座32的侧部上。止挡8的位置决定阀板9可从阀座32提起的最大距离。

显而易见地将阀板9构造成环形盘件，其围绕开关1的纵轴线11来引导。

从图1a中可看出阀板9具有孔71和在一侧被保持的、可取决于在压缩容积4中的绝缘气体的压力弹性地弯曲的板簧7。

根据本发明的开关1还包括包含压缩装置的活塞的下部元件21和包含压缩装置的气缸的上部元件20。在所显示的实施例中，上部元件20布置成可在纵轴线11的方向上移动而下部元件21是固定的。在两个电弧触点2a和2b分开时，在其处安装有电弧触点2a的上部元件20朝远离第二电弧触点2b的方向上移动。

图2在图a至d中显示了阀板9的不同的实施方式。在这些示例中将阀板9相应实施为带有外边缘18a和内边缘18b的环形盘件。从在边缘18a、18b内部示出的线中得出的形状相应于多个板簧7。将每个板簧7在环形盘件的整个厚度上切入到环形盘件中。这些线说明了到环形盘件的材料中的切入部(Einschitte)。

阀板9可利用不同厚度和以不同的方式形成的板簧7和孔71的其它阀板9来替换。这允许根据本发明的开关1匹配于接下来阐述的参数，例如气体通过量和过压的阈值。

板簧7的形状与在流13的情况下的期望的最大气体通过量相关联。如从图2中可见的那样，形成板簧7的切入部的周缘决定引导通过阀板的且容纳流13的流动通道的流动截面。在给定过压大小的情况下可通过合适地选择板簧7的周缘或者通过选择流动截面的大小来改变每时间单位的气体通过量。

如果改变阀板9的厚度，那么板簧7的弹簧常数变化，其中，板簧7优选地具有与阀板9相同的厚度。更厚的板簧7引起更高的弹簧常数或者更高的弹性回位力，而更薄的板簧7引起更低的弹簧常数或者更低的弹性回位力。板簧7的弹簧常数或者厚度与板簧的长度(在环形盘件9的材料处的附着部(Ansatz)与弹簧7的自由端之间的路段)一起决定性地确定阀6关于在压缩容积4中出现过压的响应特性。在更高的弹簧常数时需要更高的过压以便使板簧7偏转。相应地，在更低的弹簧常数的情况下需要更低的过压。板簧7的厚度和长度或者形状是可变的，通过其可调节过压的期望的阈值以用于实现流13。

因此可通过以下方式来调节弹性的回位力或弹簧常数，即根据过压的可预先给定的阈值的指示来选择板簧7的弹性和/或形状，且可根据可预先给定的气体通过量的指示来选择通过阀板9的所限定的流动截面。因此还可以最简单的方式通过替换以不同的方式成形的阀板9调节用于实现在开关1中的流13的最大气体通过量和过压的阈值。

开关1可针对使用构造为户外开关(Freiluftschalter)或金属封装的开关。

在一种优选的实施方式(图3和4)中，优选地构造为环形盘件的阀板9具有至少一个板簧7，其作为圆环区段关于阀板或环形盘件的中心以径向截面72和同心的两个截面73、74切入到阀板或环形盘件中。

在根据图3的实施例中，环形盘件具有三个板簧7。

在根据图4的实施方式中，环形盘件9具有偶数数量的(即至少两个)板簧7，如上面阐述的一样，其同样相应作为圆环区段关于环形盘件的中心相应以纯粹径向的截面72和同心的两个截面73、74切入到环形盘件中。板簧中的相应两个彼此镜像地关于环形盘件的直径线22布置。在图4中示出了四个板簧7a、7b、7c、7d，其中，第一板簧和第二板簧7a、7b或者第三板簧和第四板簧7c、7d相应彼此镜像地关于环形盘件的直径线22布置。阀板9的这种实施方式尤其防止螺旋效应(Propellereffekt)，其可在所有的弹簧元件顺时针地或者逆时针地取向时出现。换句话说，每两个弹簧元件的相对的取向防止在形成气流13时可将环形盘件置于旋转运动中。

不言而喻，还可取决于根据本发明的自吹式开关1的尺寸选择奇数数量的板簧。例如，根据图3的环形盘件也可具有相对布置的两个板簧7，其中，不关联的板簧的取向不起重要作用，因为摩擦力足够抵抗环形盘件的残留的旋转趋势。

如果将根据本发明的开关实施为自吹式开关，那么止回阀防止流入到加热容积19中的热的电弧气体可进入到压缩容积4中。因此阀6未经受过高的温度。阀板9以及相应地还有至少一个板簧7因此可由标准弹簧钢形成。特别合适的是实施为非合金的或低合金的不锈钢的标准弹簧钢，例如在市场上可买到的简称为C60S、C75S或51CrV4的不锈钢。

如从图5中可见的那样，截面72至74通常垂直于阀板9的表面来引导。对切削工具未提出特别高的要求，那么使得可特别经济地加工阀板9，且因此还特别经济地制造开关1。

如从图6中可见的那样，截面72至74也可相对于阀板9的表面倾斜地引导。倾斜角度相对于阀板9的表面如此分配使得板簧7可在达到至少2巴的过压时弯曲且开启孔71。在该压力限值之下时，板簧以确定其轮廓的、倾斜地倒棱的外缘76落在确定孔71的轮廓的、相对倾斜地构造的内缘75上。如果倾斜角度(以值为90°的垂直截面为起点)小于60°，典型地小于50°且大于20°，那么边缘75、76的宽度被有效地延长且相应地降低在压缩容积4中的泄漏损失。此外，比起在根据图5的实施方式中的情况，更强地衰减板簧7的不可避免的振荡。现在孔71可在能够实现流13的形成的一个方向上受限地打开。此外，板簧7现在还可以预紧力来加载，其甚至使得能够在过压的相对很高的阈值(例如6巴或10巴)的情况下实现压缩容积4通过孔71的非常快速地开始的(einsetzend)卸载。

根据本发明的开关如下起作用：

在闭合的开关中，电流在包含闭合的触点2a至2d的电流回路中流动。在切换动作之前，典型地将所有的容积以相同压力的气体来填充。压力差和气体流(例如流12或者13)仅由于切换动作(即，例如在打开开关且与此相关地分开触点2a至2d时)才出现。

在断开电流回路时，即在上部元件20在纵轴线11的方向上运动远离第二电弧触点2b时，首先使额定电流触点2c、2d分开，由此电流完全换向到包含电弧触点2a、2b的电流回路中。在上部元件20的进一步的运动中，现在还将使电弧触点2a、2b分开且形成电弧15。在上部元件20继续运动时，电弧15被延长。如上面说明的那样，在电弧触点2a、2b分开时使上部元件20朝固定的下部元件21的方向上移动。由此提升在压缩容积4中的气体压力。一旦其比加热容积19中的更高，气体从压缩容积4中通过止回阀14流到加热容积19中，由此提高在加热容积中的气体压力。

即使在很弱的电弧15的情况下，例如在运行电流中断时，一旦在电弧区3中的气体主要由在电弧触点2a、2b的根据运行的分开时形成的电弧15加热，气体容积增加。然而，在很弱的电弧15的情况下，即在很弱地待中断的电流的情况下，在电弧区3中的气体压力保持小于在加热容积19中的气体压力。因此，在该情况下气体总是从压缩容积4中流到加热容积19中且通过加热通道17流到电弧区3中，在此气体在无电流通过中吹电弧15。

在很强的电弧15(其例如可由于短路而出现)的情况下，在电弧区3中的气体由于电弧15的很高的电流强度而快速加热，因此在加热容积19中还出现很强的压力上升。在无电流通过时，在电弧区中的压力快速下降，因此在电弧区3与加热容积19之间形成压力梯度。因而气体从加热容积19中通过加热通道17回流到电弧区3中，由此来强烈地吹且熄灭电弧15。由于在加热容积19中的很强的压力上升(其超过在压缩容积4中的气体压力)，止回阀14关闭且无其它气体从压缩容积4流到加热容积19中。在上部元件20的向下运动期间，在压缩容积4中的压力继续上升，直至在压缩室4中的受压缩的绝缘气体超过在低压室5中的气体压力的值至少两巴。在高于该过压时，板簧7开启孔71且然后限制用于从压缩容积4中流出的绝缘气体的由孔71引导的流动通道。在开启孔71时，在一侧被夹紧的板簧7弹性地向下偏转到低压容积5中且因此形成用于从压缩容积4指向到低压容积中的流13的流动通道。因此避免在压缩室4中的不允许的较高的过压。同时还因此限制可由驱动器A施加的压缩功。这确保阀6的在图1和1a的右半部示出的过压运行。一旦在压缩容积4中的压力再次下降到低于极限值2巴，板簧7再次回到其起始位置中，在其中，板簧封闭开口71。

在关闭电弧触点2a、2b时，上部元件20朝电弧触点2b的方向上运动。由此在压缩容积4中相对于低压容积5形成负压。这导致阀板9从阀座32抬起且流12现在可将新鲜的绝缘气体从低压容积5中引导到压缩容积4中。在这种情况下确保阀6的在图1或者1a的左半部中示出的填充运行。在填充时，止挡8保证向上限制阀盘9的运动。

参考标号列表

1 高压功率开关

2a,2b 电弧触点

2c,2d 额定电流触点

3 电弧区

4 压缩容积

5 低压容积

6 阀

7,7a-7d 板簧

8 止挡

9 阀板、环形盘件

10 支撑板

11 开关的纵轴线

12,13 流

14 止回阀

15 电弧

16a 辅助喷嘴

16b 主喷嘴

17 在电弧区中的加热通道

18a 外边缘

18b 内边缘

19 加热容积

20 上部元件

21 下部元件

22 直径线

30 阀体

31 气体通路

32 阀座

71 孔

72,73,74 截面

75 内边缘

76 外边缘

A 驱动器。

Claims (12)

1. 一种气体绝缘的高压功率开关(1)，其包含：

由所述开关(1)的驱动器(A)操纵的、带有以绝缘气体来填充的压缩容积(4)的压缩装置，在其中，所述绝缘气体在打开所述开关时被压缩成灭弧气体;

以绝缘气体来填充的低压容积(5);以及

使所述压缩容积和所述低压容积彼此相连接的阀(6)，在关闭所述开关时绝缘气体从所述低压容积(5)中通过该阀流到所述压缩容积(4)中，而在打开所述开关时在高于灭弧气体压力的阈值的情况下绝缘气体在相反的方向上从所述压缩容积(4)中通过该阀流到所述低压容积(5)中，

在其中，所述阀(6)具有下列元件：

由所述压缩室(4)的壁引导的阀体(30)，该阀体带有连接所述压缩容积和所述低压容积的气体通路(31)和包围所述气体通路(31)的阀座(32)；

由所述绝缘气体操纵的、可移动地支承在所述阀体(30)中的阀板(9)，其在打开所述开关时坐落在所述阀座(32)上；以及

集成到所述阀体(30)中的止挡(8)，其在关闭所述开关时限制所述阀板(9)的运动，

其特征在于，所述阀板(9)具有至少一个孔(71)和在一侧被保持的、可取决于在所述压缩容积(4)中的绝缘气体的压力弹性地弯曲的至少一个板簧(7)，该板簧在关闭所述开关时封闭所述孔(71)且在打开所述开关时开启所述孔(71)，并且限制用于从所述压缩容积(4)中离开的所述绝缘气体(13)的通过所述孔(71)引导的流动通道－一旦在所述压缩容积(4)中的受压缩的绝缘气体的压力超过在所述低压室(5)中的气体压力的值至少两巴。

2. 根据权利要求1所述的开关，其特征在于，所述板簧(7)借助于至少一个截面(72,73,74)成形到所述阀板(9)中。

3. 根据权利要求2所述的开关，其特征在于，所述至少一个截面(72,73,74)垂直于所述阀板(9)的表面来引导。

4. 根据权利要求3所述的开关，其特征在于，所述至少一个截面(72,73,74)中的至少一个区段相对于所述阀板(9)的表面倾斜地来引导。

5. 根据权利要求4所述的开关，其特征在于，所述倾斜角度最高为60°。

6. 根据权利要求1至5中任一项所述的开关，其特征在于，所述阀板(9)由弹簧板材制成，其厚度与所述板簧(7)的长度相比如此选择，即在所述板簧(7)弯曲的情况下避免塑性变形且在超过阈值时开启所述孔(71)。

7. 根据权利要求1至6中任一项所述的开关，其特征在于，所述阀板(71)构造为环形盘件，且所述至少一个板簧(7)关于所述环形盘件的中心实施为弓形且具有切入到所述环形盘件中的至少三个侧部，在其中，至少一个(72)沿径向取向且至少两个(73,74)同心地来引导。

8. 根据权利要求7所述的开关，其特征在于，所述环形盘件具有多个板簧(7)，其关于所述环形盘件的中心相应构造为弓形且相应具有切入到所述环形盘件中的至少三个侧部，在其中，至少一个(72)沿径向取向且至少两个(73,74)同心地来引导，其中，所述板簧(7)中的相应两个彼此镜像地关于所述环形盘件的直径线(22)来布置。

9. 根据权利要求1至8中任一项所述的开关，其带有与所述压缩容积(4)经由止回阀(14)相连接的、用于容纳电弧气体的加热容积(19)，其特征在于，所述阀板(9)和所述至少一个板簧(7)由标准弹簧钢形成。

10. 根据权利要求9所述的开关，其特征在于，所述标准弹簧钢是非合金的或低合金的不锈钢。

11. 根据权利要求10所述的开关，其特征在于，所述不锈钢是在市场上可买到的简称为C60S、C75S或51CrV4的材料。

12. 根据权利要求1至11中任一项所述的开关，其特征在于，所述板簧(7)的弹性弯曲在没有使用止挡的情况下仅通过所述板簧(7)的回位力来限制。

Images