CN103515154B

CN103515154B - 在介电液体中使用的接触器装置

Info

Publication number: CN103515154B
Application number: CN201310254869.4A
Authority: CN
Inventors: F.G.阿尔斯科格
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Co.,Ltd.
Priority date: 2012-06-25
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2018-01-26
Anticipated expiration: 2033-06-25
Also published as: US9269513B2; US20130342294A1; EP2680288B1; BR102013016248A2; CN103515154A; EP2680288A1; BR102013016248B1

Abstract

本发明涉及在介电液体中使用的接触器装置，具体地提供了一种用于在介电液体环境中操作的接触器装置。所述接触器装置具有第一连接端子和第二连接端子。所述接触器装置包括接触器，所述接触器具有固定触点和可动触点，所述可动触点能够相对于所述固定触点移动，所述接触器具有打开状态和闭合状态，在所述打开状态中，所述可动触点与所述固定触点隔开，在所述闭合状态中，所述可动触点与所述固定触点接触从而经由所述可动触点提供通过所述接触器的电连接。所述接触器装置还包括导体部分。

Description

在介电液体中使用的接触器装置

技术领域

本发明涉及用于在介电液体环境中操作的接触器装置并且涉及包括这种接触器装置的海底电设备，尤其是海底可变速驱动器。

背景技术

接触器是可用于切换功率电路的设备。它们通常能够处置高电流负载。这样，它们例如可用于控制或切换电马达、电驱动器等。

接触器与断路器的不同在于它们不意图中断短路电流，因为接触区域否则会由于电弧放电而经受严重损伤。当在标称电流下切换时，也会出现电弧放电。为了减小电弧放电，接触器的触点可放置在真空下或放置在惰性气体中。

为了避免当出现短路电流时电弧放电的有害影响，接触器可保持在闭合位置。对于海底应用而言尤其如此。在这种应用中，接触器可例如放置在加压封罩（例如海底罐）中，该加压封罩填充有介电液体，其被平衡到外侧压力。电弧放电可导致燃烧和介电液体的广泛污染。因此，希望保持接触器闭合以防止电弧放电。

常规接触器通常不适合于这种操作。如果接触器保持闭合，则在触点中将会存在过高的电流。这些电流将会导致吹开力（blow-off force）或犁踵力（Slade force），所述吹开力或犁踵力沿着使闭合触点分开的方向作用在触点上并且降低接触力/压力。这种降低导致电接触的退化并且导致电阻增大。由于通过触点的高短路电流，增大的电阻导致过度的加热并且从而导致触点的焊接。触点因而不再能够打开，使得接触器无法工作。这对于海底应用而言尤其成问题，因为将接触器从海床移除并且更换接触器在技术上是困难的并且是花费非常大的任务。

因此，希望提供一种接触器，其即使在存在短路电流的情况下依然能保持处于闭合状态而不会遭受严重损伤，并且其在故障清除之后仍然能够工作。

发明内容

因此，需要一种改进的接触器，尤其需要一种适合于海底应用的接触器。

根据本发明实施例的一种用于在介电液体环境中操作的接触器装置以及根据本发明实施例的一种包括所述接触器装置的海底电设备满足了该需要。

本发明的一个实施例提供了一种用于在介电液体环境中操作的接触器装置。所述接触器装置具有第一连接端子和第二连接端子。所述接触器装置包括接触器和导体部分。所述接触器具有固定触点和可动触点，所述可动触点能够相对于所述固定触点移动。所述接触器具有打开状态和闭合状态，在所述打开状态中，所述可动触点与所述固定触点隔开，在所述闭合状态中，所述可动触点与所述固定触点接触从而经由所述可动触点提供通过所述接触器的电连接。所述导体部分与所述接触器在所述第一连接端子和所述第二连接端子之间串行地连接。所述导体部分和所述固定触点布置在所述可动触点的相对侧。所述导体部分在流过所述可动触点的电流方向上沿着所述可动触点延伸（即，当接触器在闭合状态中操作时）。所述装置使得所述第一和第二连接端子之间的经过所述可动触点和所述导体部分的电流导致被施加在所述可动触点上的电磁力。所施加的力可由于所述导体部分中的电流而引起，尤其是由于导体部分和可动触点的由于电流而产生的排斥而引起。

通过这种装置，可以向可动触点施加力，所述力取决于流过接触器装置的电流的幅度。该构造可以使得所述力推可动触点而使其与固定触点紧密接触，由此减小吹开力的影响。具体地，当接触器装置中存在短路电流时，由于导体元件而产生的力将会增大并且沿着与吹开力的方向相反的方向作用，使得固定和可动触点保持紧密接触，从而使得可以减小通过接触器的电阻的增加。因此可以防止触点熔化。因此，该接触器装置可以在短路条件期间在闭合状态中操作而不会丧失功能，即，接触器保持可工作。由于不会发生明显的电弧放电，该接触器装置适合于在介电液体环境中操作，例如在填充有介电液体的压力补偿的海底罐中。

根据一个实施例，所述导体部分被连接和布置成使得在操作中在所述闭合状态中，流过所述导体部分的电流的方向与流过所述可动触点的电流的方向基本相反，从而在所述可动触点和所述导体部分之间产生排斥力。所述装置使得所述排斥力增大所述可动触点和所述固定触点之间的接触压力。这种装置实现了固定触点和可动触点之间的接触力的增加，这取决于流过导体装置的电流的幅度。因此，短路条件将会导致增大的接触力，从而可以减小或者甚至消除通过触点的电阻的增加，由此防止触点的过度加热和熔化。因此，该接触器在发生短路之后依然能够被打开。

在一个实施例中，所述导体部分被连接和布置成使得在操作中在所述闭合状态中，流过所述导体部分的电流的方向与流过所述可动触点的电流的方向基本并行，从而在所述可动触点和所述导体部分之间产生吸引力，所述装置使得所述吸引力作用在所述可动触点上以使所述可动触点朝向所述打开状态移动。这种装置允许接触器非常快速地打开，因为流过导体部分的电流提供额外的打开力。因此，当打开接触器时可以减小电弧放电。这种构造在接触器需要非常快速打开的应用中（例如当出现故障时）尤其有用，而同时电弧放电将会被维持在最小限度。

在一个实施例中，所述固定触点可包括第一和第二固定触点，所述第一和第二固定触点各自具有接触部分，用于在所述闭合状态中接触所述可动触点上的相应接触部分，所述第一固定触点连接到所述第一连接端子，所述第二固定触点连接到所述导体部分。接触部分可以例如被设置为接触垫的形式，例如被设置为相应触点上的圆形突起。因此可以实现具有增大的接触压力（例如，垫压力）的良好限定的接触区域。第一和第二固定触点可由金属板提供，其可具有用于形成接触部分或接触垫的突出的圆形部分。

所述可动触点可包括沿着流过所述可动触点的电流方向延伸的至少一个接触板，所述接触板具有位于其各端的接触部分，所述接触部分面对所述固定触点上的相应接触部分。再次地，接触部分可由接触垫提供，尤其是由圆形突起提供。可以提供一个、两个、三个或更多个可动触点（并行地连接）。类似地，固定触点（或两个固定触点）可以被设置为一个、两个、三个或更多个固定接触板的形式。

所述导体部分可以是金属棒或金属板。其例如可以是铜棒。导体部分可以例如是母线部分。

所述导体部分的一端可以电连接到所述第二连接端子或者可以形成所述第二连接端子。所述导体部分的另一端可以连接到所述接触器的固定触点。在一个实施例中，所述连接可以由U形或C形导体部分提供，例如由相应形状的金属棒提供。例如可通过将母线部分聚到一起形成U形或C形来提供所述连接，或者可以将单个母线部分形成为所述形状。应当明白的是，U形或C形连接以及导体部分可以由单件形成，例如由单个铜棒或母线区段形成。

在一个实施例中，所述导体部分是母线部分。

所述的接触器装置还可以包括一个或多个固定元件，所述一个或多个固定元件适于且布置成固定所述导体部分相对于所述固定触点的位置。因此可以确保导体部分不相对于固定触点移动，例如通过当排斥力作用在可动触点和导体部分之间时增大至可动触点的距离。因此可以确保向可动触点施加恒定的力。

所述固定元件可以包括隔离间隔元件和固定到所述隔离间隔元件的栓。所述固定元件可以布置在所述导体部分和所述固定触点之间并且可以借助于所述栓机械地安装到所述导体部分和所述固定触点。可以例如在一个或两个固定触点以及导体部分中提供通孔，栓穿过所述通孔。栓可以是螺栓并且可以被相应的螺母固定。

所述接触器装置的所述第一连接端子和所述第二连接端子可以连接或安装到海底设备的母线或输入导体。母线可以例如提供海底电设备的输入导体的一部分。这允许相对高电流的切换。

主操作电流可以例如经过第一端子，通过接触器和导体部分，并且经过第二端子（或者沿反方向）。

接触器装置可以适于在超过100A、优选地超过250A或甚至超过500A的标称操作电流下操作。接触器装置可以适合于超过500V（例如690V）的操作电压，或者适合于在介质中或者更高电压范围中操作。操作电压可以例如在约500V至约50.000V的范围内。

导体部分可具有至少50mm的宽度，例如约50mm至约100mm的范围内的宽度。其可具有至少2.5mm、优选至少5mm的厚度，其可例如具有在约2.5mm和约30mm之间的范围内的厚度。

在所述接触器的打开状态中，所述可动触点和所述导体部分之间的间距可以小于所述可动触点的厚度。

可动触点可以例如具有超过2.5mm或甚至超过5mm的厚度，其可例如具有在约2.5mm和约30mm之间的范围内的厚度。

注意，这些仅仅是示例，并且实际尺寸将根据具体应用和操作电压/电流来确定。

所述接触器装置还可以包括海底封罩，所述海底封罩填充有介电液体，所述接触器装置位于所述海底封罩中，处于所述介电液体中。由于接触器装置可以在介电液体中使用并且由于海底封罩可以由于介电液体而被压力平衡到外侧压力，所以可以实现更紧凑的封罩，因为其内部不需要被维持成接近于大气压力。

根据本发明的另一实施例提供一种海底电设备，所述海底电设备包括上述任一构造的接触器装置。该海底电设备可以设置有紧凑和相对轻重量的压力补偿（压力平衡）封罩，因为接触器装置可以在介电液体中操作，这使得能够进行压力平衡。压力平衡或压力补偿意味着该封罩设置有压力补偿器，该压力补偿器将封罩内的压力平衡或均衡到环境压力，例如平衡或均衡到海底设备的安装深度处存在的压力。

即使发生了短路，导致短路电流通过接触器装置，接触器装置可以闭合，使得能够防止介电液体由于电弧放电而被污染。由于接触器装置的构造，触点不会熔化并且接触器保持可工作。因此可以提高海底电设备的可靠性。这种短路可以被海底设施的其他设备清除，例如借助于海底配电设备的断路器。海底电设备可以例如是可变速驱动器。

在一个实施例中，所述海底电设备具有连接到功率源的输入导体，其中，所述接触器装置连接到所述输入导体以使得所述海底电设备能够与所述功率源脱开。

上文提到的以及下文仍将说明的本发明实施例的特征可以彼此组合，除非相反地指出。

附图说明

联系附图来阅读以下详细描述，将会进一步明白本发明的前述和其他特征及优点。在附图中，相同的附图标记指代相同的元件。

图1是示意图，示出了根据本发明的接触器装置的实施例。

图2是示意图，示出了作用在两个载电流导体上的力。

图3示出了根据本发明的接触器装置的示例性实施例。

图4示出了根据本发明的接触器装置的另一示例性实施例。

具体实施方式

下面将参照附图详细地描述本发明的实施例。应当理解的是，实施例的以下描述仅仅用于说明的目的，并且不应被看作是限制性的。

还应当指出的是，附图应当被看作仅仅是示意性表示，并且附图中的元件彼此之间不必是按比例的。相反，各种元件的图形被选择为使得它们的功能和一般性目的对于本领域技术人员变得明显。

图1是示意图，其示出了根据本发明一个实施例的接触器装置10的剖面侧视图。接触器装置10包括接触器20。接触器20包括两个固定触点21、22和可动触点25。

接触器装置具有第一连接端子11和第二连接端子12。在图1的实施例中，第一连接端子11经由导体部分连接到第一固定触点21，该导体部分可以例如是金属棒，例如一段母线。固定触点21也可直接提供第一连接端子11。第二连接端子12经由导体部分30连接到第二固定触点22。

可动触点25具有接触部分23、24，其面对固定触点21、22上的相应接触部分。可动元件能够相对于固定触点21、22在打开位置和闭合位置之间移动，如双箭头所示。在闭合位置（其在图1示出），相应的接触部分彼此接触，从而闭合第一和第二连接端子11、12之间的电路。为了打开接触器，可动触点25朝向导体部分30移动。因此，相应的接触部分失去接触并且隔开，由此打开第一和第二连接端子21、22之间的电路。可以由致动器例如磁性致动器来实现该移动，该致动器包括绕着棒缠绕的线圈，该棒连接到可动触点25，该致动器可被比接触器的操作电流低得多的电流控制。

应当明白的是，在其他实施例中，接触器可以以不同方式构造，例如仅具有一个固定触点，其中，可动触点25的一端直接连接到端子11或类似物。

可动触点25可以是金属板，该金属板的延伸范围沿着通过可动触点的电流的方向，即沿着箭头I₁。在图1的示例中，该“纵向”延伸范围使得固定触点21、22二者均被桥接。

导体部分30沿上述流过可动触点25的电流方向延伸。在图1的示例中，流过可动触点25的电流基本平行于可动触点25的纵向延伸范围并且平行于导体部分30的延伸范围。可动触点25和导体部分30在可动触点25的长度上基本平行地延伸。可动触点25的宽度（垂直于图面的延伸范围）可小于或大于其纵向延伸范围。

导体部分30通过C形或U形导体部分31连接到接触器20的第二固定触点22。在图1的示例中，该导体部分被示为由导体的不同部分制成，例如由多个母线部分制成。应当明白的是，在其他构造中，该导体部分31可由单件导体（参见图3）制成或者甚至可以与导体部分30一起由单件制成。

在操作中，在接触器20的闭合状态中，电流现在沿箭头I₁所示的方向流过可动触点25并且沿箭头I₂所示的方向流过导体部分30。因此，电流处于相反的方向（注意，电流方向可以反过来，例如，当在交流电流的情况下操作时或者以反方向的直流电流操作时）。

在短路电流的情况中，接触部分23、24将会经历试图使可动触点25与固定触点21、22分离的分离力（所谓的吹开力或犁踵力）。该力可以由下式表示：

其中，I是流过接触部分（例如流过接触垫）的电流，并且其中，F_pad是接触部分（例如接触垫）所经历的力。

在图1的示例中，该力向下作用以使可动触点25与固定触点21、22分离。图1的构造现在提供反作用力，该反作用力将可动触点25朝向固定触点21、22推。图2示出了该额外的向上力的产生。

图2示出了两个不同的平行导体中的两个并行电流。移动的电荷产生电磁场。由于存在于相应导体中的电流I₁和I₂所产生的两个电磁场的相互作用，导致产生了吸引的电磁力F_emf，其将导体朝向彼此吸引。类似地，如果电流处于相反方向（即，I₁或I₂反过来），则将会产生沿相反方向的力，使得两个导体相互排斥。所述力取决于电流I₁和I₂以及相应导体之间的距离r。所述力由下式给出：

其中，L表示导体的长度，电流沿该长度并行地/反并行地（anti-parallel）流动，并且其中，μ₀是自由空间磁导率。

现在返回图1，可以看到可动触点25和导体部分30是平行的，电流沿相反方向。长度L可基本对应于电流进入和离开可动触点25处的接触部分23、24之间的距离。如上面说明的，由于电流处于相反方向，将会在操作中产生排斥力，该排斥力将会起作用以使可动触点25和导体部分30分离。因此，可动触点25将会被推靠固定触点21、22，由此增大接触压力。所述力取决于电流I₁和I₂的幅度。如可以从上面的公式看出的，如果存在流过接触器装置的高电流（例如短路电流），则电磁力将会显著增大。吹开力将因此被抵消，并且接触压力将增大。

为了进一步增大作用在可动部件上的力，可以例如通过减小可动部件25和导体部分30之间的距离而使距离r较小。其可被减小到这样的程度，即使得在接触器的打开状态中，可动触点25和导体部分30之间仅存在小间隙，例如小于可动触点25的厚度的50%的间隙（参见图4）。

可在可动触点25和导体部分30之间的这种间隙中设置隔离元件。

图3示出了接触器装置10的具体实施方式。在图3的示例中，导体部分30安装到两个接触板。U形导体部分31由相应形状的母线部分来提供。接触器装置10还包括采取隔离间隔元件40和螺栓41的形式的固定元件。栓用于安装和固定U形导体部分31。端子11和12也是通过栓连接到相应的母线61和62。当然也构想了其他类型的连接。导体部分30是金属板，尤其是铜板。参考标记50表示致动器组件，该致动器组件适于使可动触点25移动，尤其是使可动触点25从闭合位置移动到打开位置，在闭合位置中，可动触点25提供固定触点21和22之间的电连接，在打开位置中，可动触点25与这些固定触点隔开。

图4接触器装置10的另一具体实施方式。图4中没有示出U形导体部分31。与图3相比，示出了提供导体部分30的单个母线部分。这样，到可动触点25的距离r能够得以减小。在图4的示例中，可动触点25处于“打开”位置。可以看到固定触点21和22上的接触垫。

通过将固定触点22电连接到导体部分30的左手端并且通过提供导体部分30的右手端上的第二连接端子，可以使得可动触点25和导体部分30中的电流是并行的。这将会在操作中导致吸引力，这将会由于额外的“向下力”而允许可动触点25更快地打开。

上述实施例的特征可以彼此组合。技术人员将会意识到的是上述实施例仅仅是用于说明目的的示例，并且可以在不偏离本发明范围的情况下作出修改。

Claims

1.一种用于在介电液体环境中操作的接触器装置，所述接触器装置具有第一连接端子（11）和第二连接端子（12），所述接触器装置包括：

接触器（20），所述接触器（20）具有固定触点（21，22）和可动触点（25），所述可动触点（25）能够相对于所述固定触点（21，22）移动，所述接触器具有打开状态和闭合状态，在所述打开状态中，所述可动触点与所述固定触点隔开，在所述闭合状态中，所述可动触点与所述固定触点接触从而经由所述可动触点（25）提供通过所述接触器（20）的电连接，和

导体部分（30），所述导体部分（30）与所述接触器（20）在所述第一连接端子（11）和所述第二连接端子（12）之间串行地连接，所述导体部分（30）和所述固定触点（21，22）布置在所述可动触点（25）的相对侧，所述导体部分（30）在流过所述可动触点（25）的电流方向上沿着所述可动触点（25）延伸，所述装置使得所述第一和第二连接端子（11，12）之间的经过所述可动触点（25）和所述导体部分（30）的电流产生被施加在所述可动触点（25）上的电磁力。

2.如权利要求1所述的接触器装置，其中，所述导体部分（30）被连接和布置成使得在操作中在所述闭合状态中，流过所述导体部分（30）的电流的方向与流过所述可动触点（25）的电流的方向相反，从而在所述可动触点（25）和所述导体部分（30）之间产生排斥力，所述装置使得所述排斥力增大所述可动触点（25）和所述固定触点（21，22）之间的接触压力。

3.如权利要求1所述的接触器装置，其中，所述导体部分（30）被连接和布置成使得在操作中在所述闭合状态中，流过所述导体部分（30）的电流的方向与流过所述可动触点（25）的电流的方向基本并行，从而在所述可动触点（25）和所述导体部分（30）之间产生吸引力，所述装置使得所述吸引力作用在所述可动触点（25）上以使所述可动触点（25）朝向所述打开状态移动。

4.如权利要求1-3中任一项所述的接触器装置，其中，所述固定触点包括第一固定触点（21）和第二固定触点（22），所述第一固定触点（21）和第二固定触点（22）各自具有接触部分，用于在所述闭合状态中接触所述可动触点（25）上的相应接触部分（23，24），所述第一固定触点（21）连接到所述第一连接端子（11），所述第二固定触点（22）连接到所述导体部分（30）。

5.如权利要求1-3中任一项所述的接触器装置，其中，所述可动触点（25）包括沿着流过所述可动触点的电流方向延伸的至少一个接触板，所述接触板具有位于其各端的接触部分（23，24），所述接触部分面对所述固定触点（21，22）上的相应接触部分。

6.如权利要求1-3中任一项所述的接触器装置，其中，所述导体部分（30）是金属棒或金属板。

7.如权利要求1-3中任一项所述的接触器装置，其中，所述导体部分（30）是铜棒。

8.如权利要求1-3中任一项所述的接触器装置，其中，所述导体部分（30）的一端电连接到所述第二连接端子（12）或者形成所述第二连接端子（12），并且其中，所述导体部分的另一端连接到所述接触器的固定触点，所述连接由U形或C形导体部分（31）提供。

9.如权利要求1-3中任一项所述的接触器装置，其中，所述导体部分（30）的一端电连接到所述第二连接端子（12）或者形成所述第二连接端子（12），并且其中，所述导体部分的另一端连接到所述接触器的固定触点，所述连接由U形或C形的金属棒提供。

10.如权利要求1-3中任一项所述的接触器装置，其中，所述导体部分（30）是母线部分。

11.如权利要求1-3中任一项所述的接触器装置，还包括一个或多个固定元件，所述一个或多个固定元件适于且布置成固定所述导体部分（30）相对于所述固定触点（21，22）的位置。

12.如权利要求11所述的接触器装置，其中，所述固定元件包括隔离间隔元件（40）和固定到所述隔离间隔元件（40）的栓（41），所述固定元件布置在所述导体部分和所述固定触点之间并且借助于所述栓机械地安装到所述导体部分和所述固定触点。

13.如权利要求1-3和12中任一项所述的接触器装置，其中，所述接触器装置的所述第一连接端子（11）和所述第二连接端子（12）连接到海底设备的母线或输入导体。

14.如权利要求1-3和12中任一项所述的接触器装置，其中，在所述接触器（20）的打开状态中，所述可动触点（25）和所述导体部分（30）之间的间距小于所述可动触点（25）的厚度。

15.如权利要求1-3和12中任一项所述的接触器装置，还包括海底封罩，所述海底封罩填充有介电液体，所述接触器装置（10）位于所述海底封罩中，处于所述介电液体中。

16.一种海底电设备，所述海底电设备包括如权利要求1-15中任一项所述的接触器装置（10）。

17.如权利要求16所述的海底电设备，其中，所述海底电设备具有连接到功率源的输入导体，其中，所述接触器装置（10）连接到所述输入导体以使得所述海底电设备能够与所述功率源脱开。