CN103943406B - 一种多间隙真空隔离开关 - Google Patents

Abstract

一种多间隙真空隔离开关，包括电极结构、载流触点、金属载体结构、驱动器以及绝缘驱动拉杆结构和真空腔体；电极结构包括连接波纹管的可动主电极，固定的副电极，绝缘驱动拉杆结构包含固定载流触点金属载体的触点载体固定密封板及其连接的波纹管和绝缘驱动拉杆，载流触点分别安装在载流触点金属载体之上，在绝缘驱动拉杆的作用下，切换工作模式；绝缘驱动拉杆通过连接的触点载体固定密封板和载流触点金属载体，驱动载流触点发生位移，使得开关在载流工作状态下，主电极、副电极和载流触点构成通路；在隔离工作状态下，主电极、副电极和载流触点形成多间隙真空绝缘；本发明解决了多间隙真空绝缘在快速隔离开关中的应用问题，提高了开关的高电压耐受能力。

Description

一种多间隙真空隔离开关

技术领域

本发明属于直流开断技术领域，具体涉及一种中高压的多间隙真空隔离开关。

背景技术

直流输电技术在大容量、远距离输配电领域，具有独特的技术优势，但是，缺少可供使用的高压直流断路器，直流输电技术的发展受到了很大的局限和制约。由于直流系统的阻抗很低，在短路电流故障发生时，短路电流的上升速率很高，因此，必须要求直流断路器能够在短时间内可靠地切除短路故障。目前，在国内外研究的各种拓扑结构的直流断路器中，中高压快速隔离开关都已经是不可或缺的装置。

随着电力系统的发展，真空绝缘在整个电力系统中的应用也得以快速的发展。但是，目前国内外研究的快速隔离开关主要还是将流质材料作为开关的绝缘材料，并没有能够充分利用已经日益成熟的真空介质优异的绝缘耐压特性。

真空介质有其独特的耐压特性。通过研究发现，当触头间隙距离范围发生变化时，真空间隙的绝缘特性也会发生变化。当真空间隙距离d大约在d≤0.5mm范围内时，其击穿主要依赖于电场强度，击穿电压U_B随着真空间隙d的增加；当真空间隙距离增加到d≥2mm后，真空间隙的绝缘特性进入饱和区，击穿电压U_B随真空间隙d的增加而增加减缓。因此，当触头间隙距离增大到某一范围后，真空间隙的绝缘特性已经发生了变化。在此基础之上，为了充分利用真空间隙的绝缘特性，在一些特殊的应用环境中，传统的单断口真空开关难以满足现实的需求，因此需要开发多断口的特殊结构的真空开关来满足需求。

目前现有技术已经有了长足的发展，主要是通过采用两组接触元件和两组驱动器装置，通过形成多断口来提高电压耐受能力，以及减小运动行程来缩短开关的动作时间，尤为典型的是ABB技术有限公司提出的具有两组接触元件和两个驱动器的开关设计方案(专利申请号201210115014.9)。

本发明显著区别于现有专利在于以下五点:

1)本发明中的快速开关使用绝缘介质为真空绝缘介质，现有隔离开关设计均采用电绝缘流体材料作为绝缘介质。

2)本发明涉及的快速开关中载流触点安装于金属材料的载流触点金属载体之上，现有隔离开关设计中载流触点的运动载体均采用绝缘材质；

3)本发明涉及的快速开关可以是一个驱动器也可以是两个驱动器，现有隔离开关设计中要求有两个驱动器。

4)本发明涉及的快速开关中，承载载流触点的载流触点金属载体的运动方式可以是沿载体轴向平动也可以是沿载体表面转动，现有隔离开关设计均采用沿载体轴向平动。

5)本发明涉及的快速开关采用波纹管进行可动和气密连接，现有隔离开关设计均未涉及。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种多间隙真空隔离开关，实现了真空介质绝缘在快速开关中的应用，提高了快速开关的高电压耐受能力。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种多间隙真空隔离开关，包括腔体120，伸入腔体120内部的主电极101和副电极121，分布在主电极101和副电极121之间的载流触点112，支撑载流触点112的载流触点金属载体，固定载流触点金属载体的触点载体固定密封板115、115′；所述腔体120为真空腔体，所述主电极101和副电极121的一端伸入腔体120内部，内侧端面分别焊接有主电极导电触板110和副电极导电触板119；主电极101与真空腔体盖板109通过主电极波纹管106连接；主电极导电触板110和副电极导电触板119之间，右载流触点金属载体111和左载流触点金属载体113交叉分布，右载流触点金属载体111和左载流触点金属载体113之上装载有载流触点112；右载流触点金属载体111和左载流触点金属载体113分别通过其外侧的右触点载体固定密封板115和左触点载体固定密封板115′固定密封，所述右触点载体固定密封板115和左触点载体固定密封板115′的外侧均设置绝缘驱动拉杆结构或在右触点载体固定密封板115的外侧设置绝缘驱动拉杆结构，而左触点载体固定密封板115′的外侧固定。

所述右载流触点金属载体111和左载流触点金属载体113在其自身安装的载流触点112不接触的情况下，在真空环境中彼此处于电绝缘状态；在载流触点112通过右载流触点金属载体111和/或左载流触点金属载体113的运动，与主电极导电触板110和副电极导电触板119之间至少形成一条通路，则开关处于导通状态下；载流触点112通过右载流触点金属载体111和/或左载流触点金属载体113的运动，与主电极导电触板110和副电极导电触板119之间至少形成一个真空间隙，则开关处于隔离状态下。

所述右触点载体固定密封板115和左触点载体固定密封板115′的外侧均设置绝缘驱动拉杆结构，具体为：右绝缘驱动拉杆118和左绝缘驱动拉杆118′分别安装在右触点载体固定密封板115和左触点载体固定密封板115′焊接有右驱动拉杆波纹管117和左驱动拉杆波纹管117′的一侧，并且分别处于右驱动拉杆波纹管117和左驱动拉杆波纹管117′的内部；右触点载体固定密封板115和左触点载体固定密封板115′与腔体120之间，分别通过右驱动拉杆波纹管117和左驱动拉杆波纹管117′与右绝缘驱动拉杆瓷套管114和左绝缘驱动拉杆瓷套管114′连接密封；右绝缘驱动拉杆118和左绝缘驱动拉杆118′另外一端分别安装有右驱动器123和左驱动器123′。

所述右载流触点金属载体111和左载流触点金属载体113及其连接固定的右触点载体固定密封板115和左触点载体固定密封板115′与右绝缘驱动拉杆118或右绝缘驱动拉杆118和左绝缘驱动拉杆118′所实现的运动为沿着右绝缘驱动拉杆118或右绝缘驱动拉杆118和左绝缘驱动拉杆118′径向的运动，或沿着载流触点112表面的转动。

所述腔体120内的真空度高于10^-2Pa。

所述载流触点112通过焊接或者螺丝的方式固定于右载流触点金属载体111和左载流触点金属载体113之上，所述载流触点112截面高度高于右载流触点金属载体111和左载流触点金属载体113的截面高度；所述载流触点112的形状、大小和数目根据实际需要确定；所述右载流触点金属载体111和左载流触点金属载体113的数目根据实际情况确定，并且为对称或非对称的方式彼此交叉组合。

所述的载流触点112在右载流触点金属载体111和左载流触点金属载体113上的分布方式为品字形分布、平行或垂直于右载流触点金属载体111和左载流触点金属载体113径向方向分布。

所述右载流触点金属载体111和左载流触点金属载体113为金属材质，包括单质金属和合金。

所述合金为CuCr合金、CuW合金或CuBi合金。

所述右触点载体固定密封板115和左触点载体固定密封板115′的材料为高强度陶瓷或微晶玻璃。

所述主电极101在伸出主电极波纹管106的部分固定安装有对载流触点112提供压力的主电极预压弹簧103。在开关处于导通状态下，产生了对于载流触点112的压力，使得载流触点112之间的接触更加紧密。

本发明多间隙真空绝缘快速开关，解决了真空绝缘在快速开关领域的设计难题，实现了真空绝缘介质开关在快速开关领域中的应用。通过对于真空绝缘特性的深入研究，以及对于快速开关在混合式直流断路器应用中所面临的高恢复电压的认知，提出基于真空绝缘的高电压耐受特性解决在直流开断过程中传统流体绝缘介质十分棘手的高恢复电压耐受问题。

与现有技术相比，本发明具有如下特点和优点：

1)本发明的快速开关使用绝缘介质为真空绝缘介质，现有设计均采用电绝缘流体材料作为绝缘介质，本发明实现了真空绝缘介质开关在快速开关领域中的应用。

2)大幅提高了快速开关的高电压耐受能力。真空绝缘介质具有很高的电压耐受能力，通过多间隙真空绝缘的设计，其电压耐受能力进一步提高，因此本发明大幅提高了快速开关的高电压耐受能力。

3)增强了设计中可动部件的机械强度和可靠性。在本发明中载流触点金属载体采用了金属材料，触点载体固定密封板采用高强度陶瓷或者是微晶玻璃等绝缘材料。作为本设计中的可动部件，载流触点金属载体固定在触点载体固定密封板之上，并通过触点载体固定密封板与驱动拉杆波纹管连接。如此设计，既保证了载流触点金属载体在运动过程中可以有一定的弹性形变，也加强了自身的机械强度和可靠性，同时由于触点载体固定密封板使用了绝缘材料，也满足了载流触点金属载体之间的电隔离。

附图说明

图1是真空间隙的击穿电压随间隙距离的变化规律图。

图2是本发明的真空快速开关在闭合导通状态的平面示意图。

图3是本发明的真空快速开关在分闸隔离状态的平面示意图。

图4是本发明的真空快速开关的另外一种实施方式示意图。

图5是本发明的载流触点在载流触点金属载体之上的分布方式的平面示意图，其中：图5a为垂直轴向分布，图5b为品字形分布，图5c为平行轴向分布。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，当触头间隙距离(即真空间隙)范围发生变化时，真空间隙的绝缘特性也会发生变化，并非是随着触头间隙距离的变化而线性变化。当真空间隙距离d大约在d≤2mm范围内时，其击穿电压U_B随着真空间隙d的增加基本上可以看做是线性变化；当真空间隙距离增加到d≥2mm后，真空间隙的绝缘特性进入饱和区，击穿电压U_B随真空间隙d的增加而增加减缓。

如图2所示，本发明一种多间隙真空隔离开关，包括腔体120，伸入腔体120内部的主电极101和副电极121，分布在主电极101和副电极121之间的载流触点112，支撑载流触点112的载流触点金属载体，固定载流触点金属载体的触点载体固定密封板115、115′；

所述主电极101为可动主电极，主电极101置于主电极波纹管106内部，通过主电极波纹管密封板107，实现与主电极波纹管106的连接。同时，主电极波纹管106在主电极瓷套管108内部，通过主电极波纹管盖板105，完成与主电极瓷套管108的密封连接。这样主电极101既可以在轴向运动，也可以满足其气密性的设计。所述主电极101在伸出主电极波纹管106的部分固定安装了主电极预压弹簧固定槽104。所述主电极预压弹簧固定槽104内安装主电极预压弹簧103，再在最外侧安装主电极预压弹簧盖板102，主电极预压弹簧盖板102通过螺栓与主电极瓷套管108连接固定。通过主电极预压弹簧固定槽104与主电极预压弹簧盖板102的配合，一方面实现主电极弹簧103的预压缩和固定，另一方面也实现了对于主电极101运动的限位和导向作用。所述主电极101可以在开关状态切换过程中，沿着自身导杆的轴向方向发生2-3mm的位移，以此保证在开关处于导通状态下，主电极101通过焊接在其端面的主电极触板110，产生对于载流触点112的压力，使得载流触点112之间的接触更加紧密。所述副电极121为固定副电极，焊接在副电极端面的有副电极触板119，以及副电极绝缘密封盖板122。

所述腔体120包括真空腔体和真空腔体盖板109。所述真空腔体通过与主电极瓷套管108，绝缘驱动拉杆瓷套管114和左绝缘驱动拉杆瓷套管114′，副电极绝缘密封盖板122的密封连接，一方面起到了结构支撑的作用，另一方面为所设计开关功能结构提供了真空环境。作为本发明的优选实施方式，所述腔体120内的真空度高于10^-2Pa。

如图2和图3所示，作为本发明的一种结构，右触点载体固定密封板115和左触点载体固定密封板115′的外侧均设置绝缘驱动拉杆结构，所述绝缘驱动拉杆结构部分包含两组结构相同，位置对称的绝缘驱动拉杆部分，分别包括固定右载流触点金属载体111和左载流触点金属载体113的右触点载体固定密封板115和左触点载体固定密封板115′，与右触点载体固定密封板115和左触点载体固定密封板115′焊接连接的右驱动拉杆波纹管117和左驱动拉杆波纹管117′以及右绝缘拉杆波纹管盖板116和左绝缘拉杆波纹管盖板116′，在所述右绝缘拉杆波纹管盖板116和左绝缘拉杆波纹管盖板116′外侧边缘焊接有右绝缘驱动拉杆瓷套管114和左绝缘驱动拉杆瓷套管114′。所述右触点载体固定密封板115和左触点载体固定密封板115′外侧固定有右绝缘驱动拉杆118和左绝缘驱动拉杆118′。所述右驱动器123和左驱动器123′是两个分别连接在右绝缘驱动拉杆118和左绝缘驱动拉杆118′外侧的端子之上，通过内部电磁线圈的作用产生运动，带动右绝缘驱动拉杆118和左绝缘驱动拉杆118′，以及与之相连的右触点载体固定密封板115和左触点载体固定密封板115′，以及右触点载体固定密封板115和左触点载体固定密封板115′上面分别固定的右载流触点金属载体111和/或左载流触点金属载体113的载流触点112发生运动。

所述右载流触点金属载体111和左载流触点金属载体113在其自身安装的载流触点112不接触的情况下，处于彼此电绝缘状态；在载流触点112通过右载流触点金属载体111和/或左载流触点金属载体113的运动，与主电极导电触板110和副电极导电触板119之间至少形成一条通路，则开关处于导通状态下；如图2所示，主电极101通过主电极导电触板110和两列组合交叠的载流触点112，与副电极导电触板119及其焊接于一体的副电极121实现了导通。此时，主电极预压弹簧103处于储能状态。载流触点112通过右载流触点金属载体111和/或左载流触点金属载体113的运动，与右载流触点金属载体110和副电极导电触板119之间至少形成一个真空间隙，则开关处于隔离状态下，如图3所示，此时右载流触点金属载体111和左载流触点金属载体处于分闸运动的终点位置，主电极导电触板110和副电极导电触板119之间形成了七个真空间隙。此时，主电极预压弹簧103处于非储能状态，主电极101及其主电极导电触板110沿轴向，向载流触点112移动了预设的距离。

如图4所示，作为本发明的另一种结构，在右触点载体固定密封板115的外侧设置绝缘驱动拉杆结构，而左触点载体固定密封板115′的外侧固定，相应的驱动器也只有一个，这样的设计可以简化开关的结构和设计。

如图2所示，右载流触点金属载体111和左载流触点金属载体113对称分布于电极两侧，分别有3个触点金属载体。载流触点112(a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l)均匀分布于右载流触点金属载体111(a、b、c)和左载流触点金属载体113(a、b、c)。每个载流触点金属载体之上安装有2个载流触点112。载流触点112通过焊接或者螺丝等方式固定于右载流触点金属载体111和左载流触点金属载体113之上。载流触点112截面高度高于右载流触点金属载体111和左载流触点金属载体113的截面高度，在与主电极导电触板110和副电极导电触板119形成2个通路。第一条通路是经过主电极导电触板110凸起部位和载流触点112(a、c、e、g、i、k)以及副副电极导电触板119形成；第二条通路是经过主电极导电触板110凸起部位和载流触点112(b、d、f、h、j、l)以及副电极导电触板119形成。在开关处于隔离状态下载流触点112通过右载流触点金属载体111和左载流触点金属载体113的运动，与主电极导电触板110和副电极导电触板119之间至少形成2个真空间隙。在实际的应用中，载流触点金属载体的数目、形状和排列方式根据实际的需要进行选择。载流触点的数目、形状和排列组合方式根据实际的需要进行选择.

本发明通过真空腔体、瓷套管以及波纹管的配合应用，实现了开关壳体的密封。再经过后期处理，可以完成密闭环境的真空化，满足真空绝缘的要求。真空腔体和真空腔体盖板109的材料可以选择金属或者是高强度的绝缘材料，其形状主要是符合密封以及成本控制的要求，两者的连接方式可以选择螺栓连接或者是氩弧焊焊接。

右载流触点金属载体111和左载流触点金属载体113以及载流触点112的材料选取需要根据自身的功能要求。载流触点金属载体111、113的材料，一方面需要有较高的硬度、韧性，使得载流触点金属载体不易发生形变；另一方面，要求载流触点金属载体的密度要尽量小，这样就可以降低动作部分的质量，提高运动速度。载流触点的材料选择，主要需要满足高导电率，同时也需要是耐磨材料，因为在开关的动作过程中，载流触点必然要发生摩擦。

如图2所示，第一组触点载体111和第二组触点载体113的分别按照一定的分布方式固定在触点载体固定密封板115,115′，而触点载体固定密封板115,115′通过焊接的方式连接在绝缘拉杆波纹管117，117′之上。再通过绝缘拉杆波纹管盖板116，116′，将绝缘拉杆波纹管117，117′和绝缘驱动拉杆瓷套管114，114′焊接在一起，实现驱动结构的密封设计。在绝缘拉杆波纹管117，117′内，驱动绝缘拉杆118，118′固定在触点载体固定密封板115,115′上，从而实现驱动部件和载体部件的刚性连接。

所述驱动器123,123′是两个分别连接在驱动绝缘拉杆118，118′外侧的端子之上，通过内部电磁线圈的作用产生运动，带动驱动绝缘拉杆118，118′，以及与之相连的触点载体固定密封板115,115′，以及触点载体固定密封板115,115′上面分别固定的第一组载流触点金属载体111和第二组载流触点金属载体113的触点载体发生运动。两组载流触点金属载体111、113同时动作的优势也是很明显的，对于同一个相对位移，如果两组载流触点金属载体同时朝相反的方向运动，那么可以在将近一半的时间就可以到达终止位置，缩短了机构的动作时间。

如图2所示，本发明真空隔离开关处于导通状态。主电极101通过主电极导电触板110和两列组合交叠的载流触点112，与副电极导电触板119及其焊接于一体的副电极121实现了导通。此时，主电极预压弹簧103处于储能状态。

如图3所示，本发明真空隔离快速开关处于隔离状态。此时第一组触点载体111和第二组触点载体113处于分闸运动的终点位置，主电极导电触板110和副电极导电触板119之间形成了七个真空间隙。此时，主电极预压弹簧103处于非储能状态，主电极101及其主电极导电触板110沿轴向，向载流触点112移动了预设的距离。

如图5所示，所述的载流触点112在右载流触点金属载体111和左载流触点金属载体113上的分布方式为品字形分布、平行或垂直于右载流触点金属载体111和左载流触点金属载体113径向方向分布。

本发明不局限于上述优选实施方式，本领域的技术人员可以根据本发明的指导对本发明的多间隙真空隔离开关做出修改和变化。所有这些修改和变化均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多间隙真空隔离开关，包括腔体(120)，伸入腔体(120)内部的主电极(101)和副电极(121)，分布在主电极(101)和副电极(121)之间的载流触点(112)，支撑载流触点(112)的载流触点金属载体，固定载流触点金属载体的触点载体固定密封板(115、115′)；其特征在于：

所述腔体(120)为真空腔体，所述主电极(101)和副电极(121)的一端伸入腔体(120)内部，内侧端面分别焊接有主电极导电触板(110)和副电极导电触板(119)；主电极(101)与真空腔体盖板(109)通过主电极波纹管(106)连接；主电极导电触板(110)和副电极导电触板(119)之间，右载流触点金属载体(111)和左载流触点金属载体(113)交叉分布，右载流触点金属载体(111)和左载流触点金属载体(113)之上装载有载流触点(112)；右载流触点金属载体(111)和左载流触点金属载体(113)分别通过其外侧的右触点载体固定密封板(115)和左触点载体固定密封板(115′)固定密封，所述右触点载体固定密封板(115)和左触点载体固定密封板(115′)的外侧均设置绝缘驱动拉杆结构或在右触点载体固定密封板(115)的外侧设置绝缘驱动拉杆结构，而左触点载体固定密封板(115′)的外侧固定；

所述右载流触点金属载体(111)和左载流触点金属载体(113)在其自身安装的载流触点(112)不接触的情况下，在真空环境中彼此处于电绝缘状态；在载流触点(112)通过右载流触点金属载体(111)和/或左载流触点金属载体(113)的运动，与主电极导电触板(110)和副电极导电触板(119)之间至少形成一条通路，则开关处于导通状态下；载流触点(112)通过右载流触点金属载体(111)和/或左载流触点金属载体(113)的运动，与主电极导电触板(110)和副电极导电触板(119)之间至少形成一个真空间隙，则开关处于隔离状态下；

所述右触点载体固定密封板(115)和左触点载体固定密封板(115′)的外侧均设置绝缘驱动拉杆结构，具体为：右绝缘驱动拉杆(118)和左绝缘驱动拉杆(118′)分别安装在右触点载体固定密封板(115)和左触点载体固定密封板(115′)焊接有右驱动拉杆波纹管(117)和左驱动拉杆波纹管(117′)的一侧，并且分别处于右驱动拉杆波纹管(117)和左驱动拉杆波纹管(117′)的内部；右触点载体固定密封板(115)和左触点载体固定密封板(115′)与腔体(120)之间，分别通过右驱动拉杆波纹管(117)和左驱动拉杆波纹管(117′)与右绝缘驱动拉杆瓷套管(114)和左绝缘驱动拉杆瓷套管(114′)连接密封；右绝缘驱动拉杆(118)和左绝缘驱动拉杆(118′)另外一端分别安装有右驱动器(123)和左驱动器(123′)；

所述右载流触点金属载体(111)和左载流触点金属载体(113)及其连接固定的右触点载体固定密封板(115)和左触点载体固定密封板(115′)与右绝缘驱动拉杆(118)或右绝缘驱动拉杆(118)和左绝缘驱动拉杆(118′)所实现的运动为沿着载流触点(112)表面的转动。

2.根据权利要求1所述的一种多间隙真空隔离开关，其特征在于：所述腔体(120)内的真空度高于10^-2Pa。

3.根据权利要求1所述的一种多间隙真空隔离开关，其特征在于：所述载流触点(112)通过焊接或者螺丝的方式固定于右载流触点金属载体(111)和左载流触点金属载体(113)之上，所述载流触点(112)截面高度高于右载流触点金属载体(111)和左载流触点金属载体(113)的截面高度；所述载流触点(112)的形状、大小和数目根据实际需要确定；所述右载流触点金属载体(111)和左载流触点金属载体(113)的数目根据实际情况确定，并且为对称或非对称的方式彼此交叉组合。

4.根据权利要求1所述的一种多间隙真空隔离开关，其特征在于：所述的载流触点(112)在右载流触点金属载体(111)和左载流触点金属载体(113)上的分布方式为品字形分布、平行或垂直于右载流触点金属载体(111)和左载流触点金属载体(113)径向方向分布。

5.根据权利要求1所述的一种多间隙真空隔离开关，其特征在于：所述右载流触点金属载体(111)、载流触点(112)和左载流触点金属载体(113)为金属材质，包括单质金属和合金。

6.根据权利要求5所述的一种多间隙真空隔离开关，其特征在于：所述合金为CuCr合金、CuW合金或CuBi合金。

7.根据权利要求1所述的一种多间隙真空隔离开关，其特征在于：所述右触点载体固定密封板(115)和左触点载体固定密封板(115′)的材料为高强度陶瓷或微晶玻璃。

8.根据权利要求1所述的一种多间隙真空隔离开关，其特征在于：所述主电极(101)在伸出主电极波纹管(106)的部分固定安装有对载流触点(112)提供压力的主电极预压弹簧(103)。