CN104380422B - 带有多个金属封装件的高压开关 - Google Patents
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Abstract
一种开关，包括在第一金属封装件(2a)中的第一开关组件(1a)和在第二金属封装件(2b)中的第二开关组件(1b)。这两个金属封装件(2a,2b)彼此以及与地电气绝缘。这允许串联配置多个金属封装的开关组件，同时避免在它们中的任一个中的过电场。
Description
技术领域
本发明涉及高压开关，其具有在金属封装件(enclosure)中的开关组件。本发明还涉及用于操作这种开关的方法。
背景技术
用于高压应用的断路器典型地可包括开关组件，其具有配置在金属封装件中的一个或多个电气开关。金属封装件是接地的，而开关组件位于高压电势。
为了提供用于甚至更高电压的断路器，必须增加金属封装件的大小，以便将场强保持在可接受的限度内。这是昂贵的且对于不同的额定电压要求不同的断路器构件。
DE 10 2006 050 732描述了一种使用串联配置的电气开关的断路器，其中每个开关位于绝缘封装件中。包括分级电容器的阻抗装置提供用于将电压分布在开关上。
发明内容
因此，本发明的总体目的是提供一种开关设计方案，其允许切换甚至非常高的电压，同时保持成本较低。
该目的通过独立权利要求中的开关和方法来实现。在从属权利要求或者权利要求组合中给出各种实施例。
因此，开关包括至少两个金属封装件，其中开关组件配置在每个金属封装件中，其中，所述开关组件串联配置，并且其中，所述至少两个金属封装件彼此电气绝缘。彼此电气绝缘且尤其与地绝缘的两个金属封装件允许串联配置多个金属封装的开关组件，同时避免在其中的任一个中的过电场。
例如，高压开关可包括开关组件，其带有高压断路和/或高压切断功能和/或高压整流功能。高压开关可尤其为高压切断器、高压断路器、高压整流装置或类似的装置。
在该设计方案中，开关组件串联配置，从而可切换高压。每个开关组件配置在金属封装件中，其中金属封装件彼此电气绝缘。这允许将金属封装件保持成不同的电势，且因此减小在它们内部的电场。因此，可使用更小的金属封装件。
在相同的金属封装件和开关组件可再用于不同的额定电压的意义中，该设计是可扩展的。对于相对小的额定电压，可使用单个封装件和开关组件。对于更大的额定电压，两个、三个或甚至更多开关组件可串联配置，其中每个安装在其金属封装件中且金属封装件相互绝缘。
在一个实施例中，开关包括封装第一开关组件的第一金属封装件以及封装第二开关组件的第二金属封装件。此外，开关包括第一端子(terminal)和第二端子。开关组件串联配置在端子之间，从而其可中断在端子间的电流。有利地，第一端子电气连接到第一金属封装件，且第二端子电气连接到第二封装件。因此，在封装件和他们的开关组件之间的电压相对很小，即使切断开关。
在更多的其他实施例中，对于每个开关组件，开关包括至少一个阻抗装置，其与开关组件并联配置或配置在金属封装件与在开关组件之间的节点之间。阻抗装置可具有匹配的阻抗，以便将所施加的电压均匀分布在开关组件上和/或对从导体到地的杂散电容进行补偿。
本发明还涉及用于操作上述开关的方法。该方法包括如下步骤：以如下方式将开关组件中的第一个连接到第一高压电势，且将开关组件中的第二个连接到第二高电压电势，使得开关组件串联配置在所述第一电势和所述第二电势之间，以便中断在它们之间的电流。
附图说明
当考虑本发明的以下给出的详细说明时，将更好地理解本发明，且除了上文中所陈述的那些目的以外的其他目的将变得显而易见。这些说明参考附图，其中：
图1示出了开关的视图；
图2示出了开关的截面视图；
图3示出了带有若干开关和/或开关间隙的开关组件，
图4示出带有多于两个开关组件的开关设计方案，其中金属封装件保持在中间电势，以及
图5示出了开关的又一实施例的截面视图。
具体实施方式
定义
术语“高压”指示典型地超过72 kV的电压。
术语“带有升高的压力的气体”指示具有超过大气压力的压力的绝缘气体，尤其是超过2巴。
实施例
图1和2示出了具有第一开关组件1a和第二开关组件1b的开关。第一开关组件1a配置在第一金属封装件2a中，且第二开关组件1b配置在第二金属封装件2b中。
每个开关组件包括一个或多个电气开关单元4。适当的开关单元例如可基于在US7 235 751 B2中所示出的概念。
例如，每个金属封装件填充有绝缘介质，尤其是用于增大击穿电压的具有升高的压力的气体，诸如SF6。
两个开关组件1a、1b串联配置且借助于导电杆5互连。两个封装件2a、2b借助于封装导体5的电气绝缘的柱体6机械互连。
柱体6例如还可填充有具有升高的压力的绝缘气体，诸如SF6，用于增大击穿电压。此外，其可或可不包含隔离件，以便将气体或绝缘介质的总体积分成一个或若干个气体区。
开关可整体上以所谓的外壳带电(live tank)构型配置在大气中。
开关包括两个端子8a、8b，用于将其连接到待中断的线9。如上所述，第一开关组件和第二开关组件1a、1b串联配置在第一端子8a和第二端子8b之间。此外，在当前实施例中，第一端子8a电气连接到第一金属封装件2a，且第二端子8b电气连接到第二金属封装件2b。
图1和2的开关还包括由标号10a–10j指示的框架。其具有第一区段10a、10b、10c、第二区段10d、10e、10f以及第三区段10g–10j。第一区段10a–10c机械地连接到第一金属封装件2a，第二区段10d–10f机械地连接到第二金属封装件2b，且第三区段10g–10j使第一区段和第二区段彼此机械地连接。至少第三区段10g–10j电气绝缘。例如，其包括分别在第一区段10a–10c和第二区段10d–10f之间延伸的多个杆10g、10h、10i和10j。
此外，且如在图2中最佳地可见的那样，开关包括用于将开关悬挂在例如脚手架14中的电气绝缘的悬挂件12。在图1和2的实施例中，悬挂件12包括若干悬挂部件12a–12d，其至少一个连接到第一框架区段10a–10c，且其至少另一个连接到第二框架区段10d–10f。然而，必须说明，全部开关还可支承在地上，例如，通过支承绝缘体，而不是悬挂在脚手架14上。
每个开关组件包括用于促动其开关的促动器。第一促动器15a属于第一开关组件1a。其处于第一封装件2a的电势，且其包括一个或若干促动线圈15a''以及蓄能器15a'。蓄能器15a'安装到第一框架区段10a–10c且供应安装在第一封装件2a中的(一个或多个)促动线圈15a''，用于操作第一开关组件1a。第二促动器15b属于第二开关组件1b。其处于第二封装件2b的电势且其包括至少一个促动线圈15a''和蓄能器15b'。蓄能器15b'安装到第二框架区段10d–10f且供应安装在第二封装件2b中的至少一个促动线圈15b''，用于操作第二开关组件1b。如上文所述，每个促动器15a、15b处于其开关组件1a、1b的金属封装件2a、2b的电势；即，优选地在每个促动器15a、15b和其相应的封装件2a、2b之间的电压差小于5 kV。如果封装件可如下文中在图3中指示的那样包含多个触头部件1a、1b、4，则促动器需要与其电气绝缘。
促动器15a、15b彼此电气绝缘。
在操作中，促动器15a、15b处于高压电势。因此，每个促动器15a、15b分别包括其自己的带有电绝缘的馈电线16a、16b的电源。“电绝缘的馈电线”是用于将电功率从地电势馈送到升高的高压电势的馈送部。这些馈送部对本领域技术人员已知，且例如可由多个串联的耦合电容器构成，其在地和高压电势之间产生电容性电路，高压电势可通过处于接地电势的高频率源供给(例如参见US 2006152199 A1)。其他的这种馈电线例如可基于感应的、液压的、气动的或机械的原理。
在操作中，开关利用其端子8a、8b连接到待中断的线9。
当开关的两个开关组件处于其导电状态中时，开关组件1a、1b以及导电杆5处在相同的高压电势上。金属封装件2a、2b也将处在高压电势上。
系统电压到地的主要电压降发生在悬挂件12以及馈电线16a、16b上，其为该目的而构建且容易地适应相应的额定电压。
当开关组件1a、1b切断时，即当它们处于其非导电的状态中时，典型地将存在在端子8a、8b上的高的电压降。在该情形中，在导电杆5上(即，在开关组件1a、1b之间的电气节点17处)的电势将主要取决于在每个开关组件上的阻抗，即，取决于分别在节点17与两个端子8a、8b之间的阻抗，但还取决于在封装件2a与2b之间的阻抗，如例如通过柱体6的长度所限定。
此外，影响电压分布的阻抗是端子8a、8b到地以及节点17到地的阻抗。
在图2中的三个闭合的虚线20围住断路器的三个主要部件，其彼此电气连接且因此处在相同的电势上。
理想地，如果开关的设计是对称的，则在两个开关组件1a、1b上的阻抗相等，且因此在开关组件1a、1b上的电压降也相等，如果可忽略导体5到地的电容。为了补偿非对称和/或补偿导体5到地的杂散电容的影响，示例性的实施例包括辅助阻抗装置18a、18b，其接近相等，且例如具有大约1-10 MΩ的绝对阻抗值(在50 Hz或60 Hz的情况下)。换言之，阻抗装置18a、18b将提供比导体5到地的杂散电容更大的电容，例如将大4到9倍。阻抗装置典型地是具有电容性与抵抗性部件的电容器。每个开关组件与一个阻抗装置18a、18b并联配置，且所有阻抗装置匹配成以便使施加到开关的电压均匀地分布在开关组件1a、1b上。备选地，或除此之外，如所示的那样，阻抗装置18c可配置在两个封装件2a、2b之间。
备选于将阻抗装置18a、18b与开关组件1a、1b并联配置，其可插入在开关组件1a、1b的金属封装件2a、2b与连接到节点17的那些端子之间。
在图2的实施例中，阻抗装置18a、18b配置在金属封装件2a、2b内。备选地，且如在图5的实施例中所示的那样，阻抗装置18a、18b可配置在封装件2a、2b外部，且可配置在绝缘柱体6外部，在该处，存在更多的空间来容纳它们。在图5的实施例中，阻抗装置18a、18b各自从封装件2a、2b延伸到在开关组件1a、1b之间的节点17。为了该目的，节点端子19配置在两个开关组件1a、1b之间，有利地处于距两个开关组件的相等的距离处。节点端子19电气连接到导电杆5且延伸到绝缘柱体6外部。例如，绝缘柱体6分成两个半部，且节点端子19配置在两个半部的凸缘点处。两个阻抗装置18a、18b各自在其端部中的一个处连接到节点端子19，且在其另一端部处连接到封装件2a、2b。
阻抗装置18a、18b例如是电容器，例如各自额定为数百kV(例如，300kV)。它们用作分级电容器且具有至少100 pF(尤其在数百pF到几nF的范围内)的电容值。
为了进一步说明上文，再一次提及一些实施例：
在实施例中，金属封装件2a、2b通过固体绝缘体(尤其通过电气绝缘的柱体和/或通过开关的框架的电气绝缘的第三区段)彼此电气绝缘。
在实施例中，金属封装件2a、2b通过如在图1、2、6以及随附的说明中公开的电气绝缘的柱体6彼此电气绝缘。
在实施例中，金属封装件2a、2b通过开关的框架10a、…、10j的电气绝缘的第三区段10g、…、10j彼此电气绝缘，如在图1、2、6以及随附的说明中公开的那样。
在实施例中，金属封装件2a、2b与地尤其通过固体绝缘体16a、16b或支承绝缘体电气绝缘。
在实施例中，金属封装件2a、2b通过促动器15a、15b的电源的电绝缘的馈电线16a、16b与地电气绝缘，如在图1、2、6以及随附的说明中公开的那样。
在实施例中，金属封装件2a、2b彼此串联配置。
在实施例中，每个金属封装件2a、2b以气密方式封闭。
在实施例中，封装第一开关组件1a的第一金属封装件2a以及封装第二开关组件1b的第二金属封装件2b各自以气密方式封闭。
在实施例中，开关是用于ac或dc应用的高压开关，尤其是高压切断器、高压断路器或高压整流装置。
注意
在上述实施例中，开关包括串联配置的两个开关组件1a、1b。然而，其可包括甚至更多的串联配置的开关装置，其中每个开关装置安装在其金属封装件中，并且其中邻近的金属封装件彼此电气绝缘。利用该设计，开关可成比例地用于甚至更高的电压，而重复使用相同的开关组件以及金属封装件设计。
如所述的那样，每个开关组件2a、2b包括一个或多个电气开关单元4。图2示出了带有两个这种开关单元4的实施例。如果提供若干开关单元4，则它们中的至少一些有利地串联配置，以用于增大开关组件的耐受电压。
与带有单个开关组件的金属包覆的外壳接地(dead tank)开关相比，金属封装件2a、2b未连接到地。在上述实施例中，在开关组件1a、1b的串联配置的端部处，金属封装件2a、2b分别(经由低阻抗连接)连接到端子8a、8b。备选地，在金属封装件与端子之间的连接可具有更高的阻抗。在该情形中，在端子与邻近的金属封装件之间的阻抗以及在邻近的金属封装件之间的阻抗有利地平衡，从而：(i)在所有开关组件上的电压降相同，或至少近似相同；以及(ii)每个金属封装件的电势在其封装的开关组件的电势输入端子与输出端子之间的中心，或近似在中心。在图4中示出了带有三个开关组件1a、1b、1c以及三个金属封装件2a、2b、2c的这种开关的示例。阻抗装置Z相应提供在每个金属封装件2a、2b、2c与在两个邻近的开关组件之间的节点17之间，且可选地相应提供在端侧金属封装件2a和2c与其邻近的端子8a和8c之间。至少所有阻抗装置Z的绝对阻抗值选择成相等，或者至少充分相似，在该情形中，如果忽略相对于地的阻抗，则满足上述条件(i)和(ii)。
当前开关例如用于切换高压和低电流，例如，在WO 2011/057675的图2中的装置10的位置处，由此通过引用使该文献的内容整体作为本公开的一部分。
高压开关例如可包括带有高压断路和/或高压切断功能和/或高压整流功能的开关组件。高压开关尤其可为高压切断器、高压断路器、高压整流装置或类似的装置。
开关可用于dc以及ac应用。
在典型的示例中，例如为了切换640 kV的dc电压，可使用两个开关组件1a、1b以及金属封装件2a、2b(每个定额成该电压的大约一半)。在该情形中，在两个金属封装件2a、2b之间的典型距离可大约为若干米，诸如5 m–6 m。
虽然示出和描述了本发明的当前优选实施例，但是应当清楚地理解本发明不受其限制，而是可在所附权利要求的范围内另外以多种方式实施和实践。
附图标记
1a,1b,1c 开关组件
2a,2b,2c 金属封装件
4 开关单元、开关触头部件
5 导电杆
6 绝缘柱体
8a,8b 端子
9 电力线
10a,10b,...,10j 框架
10a,10b,10c 框架的第一区段
10d,10e,10f 框架的第二区段
10g,10h,10j 框架的第三区段、绝缘区段
12;12a,12b,12c,12d 悬挂件
14 脚手架
15a,15b 促动器
16a,16b 馈电线
17 节点
18a,18b,18c 阻抗装置
19 节点端子
20 区域线。
Claims (27)
1.一种高压开关，包括开关组件(1a,1b)，其中，所述开关组件(1a,1b)配置在金属封装件(2a,2b)中，其特征在于，所述开关包括至少两个金属封装件(2a,2b)，其中开关组件(1a,1b)配置在每个金属封装件(2a,2b)中，其中，所述开关组件(1a,1b)串联配置，并且其中，所述至少两个金属封装件(2a,2b)彼此电气绝缘，并且其中每个开关组件(1a,1b)包括用于促动所述开关组件(1a,1b)的促动器(15a,15b)，其中，所述开关组件(1a,1b)的促动器(15a,15b)彼此电气绝缘。
2.根据权利要求1所述的开关，其特征在于，每个促动器(15a,15b)与其促动的开关的金属封装件(2a,2b)处于相同的电势。
3.根据权利要求1或2所述的开关，其特征在于，每个促动器(15a,15b)包括带有电绝缘的馈电线(16a,16b)的电源。
4.根据权利要求1或2所述的开关，包括
所述金属封装件(2a,2b)的至少第一金属封装件(2a)，其封装所述开关组件(1a,1b)的第一开关组件(1a)，
所述金属封装件(2a,2b)的至少第二金属封装件(2b)，其封装所述开关组件(1a,1b)的第二开关组件(1b)，以及
第一端子(8a)和第二端子(8b)，
其中，所述开关组件(1a,1b)串联配置在所述第一端子(8a)和所述第二端子(8b)之间。
5.根据权利要求4所述的开关，其特征在于，所述第一端子(8a)电气连接到所述第一金属封装件(2a)，且所述第二端子(8b)电气连接到所述第二金属封装件(2b)。
6.根据权利要求4所述的开关，其特征在于，还包括用于悬挂所述开关的电气绝缘的悬挂件(12)。
7.根据权利要求4所述的开关，其特征在于，包括框架(10a,…,10j)，其具有连接到所述第一金属封装件(2a)的第一区段(10a,10b,10c)、连接到所述第二金属封装件(2b)的第二区段(10d,10e,10f)以及连接所述第一区段(10a,10b,10c)和所述第二区段(10d,10e,10f)的第三区段(10g,…,10j)，其中，所述第三区段(10g,…,10j)电气绝缘。
8.根据权利要求7所述的开关，其特征在于，所述第三区段(10g,…,10j)包括在所述第一区段(10a,10b,10c)和所述第二区段(10d,10e,10f)之间延伸的多个杆。
9.根据权利要求1或2所述的开关，其特征在于，还包括连接所述金属封装件中的两个(2a,2b)的电气绝缘的柱体(6)以及配置在所述柱体(6)中且连接在所述两个金属封装件(2a,2b)中的开关组件(1a,1b)的导电杆(5)。
10.根据权利要求9所述的开关，其特征在于，所述柱体(6)填充有处于升高的压力的绝缘气体。
11.根据权利要求1或2所述的开关，其特征在于，所述金属封装件(2a,2b)填充有升高的压力的绝缘气体。
12.根据权利要求1或2所述的开关，其特征在于，每个开关组件(1a,1b)包括若干电气开关单元(4)。
13.根据权利要求1或2所述的开关，其特征在于，还包括，对于每个开关组件(1a,1b)，至少一个阻抗装置(18a,18b,Z)，其与每个开关组件(1a,1b)并联配置或配置在所述金属封装件(2a,2b)与在所述开关组件(1a,1b)之间的节点(17)之间，其中，所述阻抗装置(18a,18b,Z)具有匹配的阻抗，以便使施加给所述开关的电压均匀分布在所述开关组件(1a,1b)上，且以便补偿从导电杆(5)到地的杂散电容。
14.根据权利要求13所述的开关，其特征在于，还包括：
电气绝缘的柱体(6)，其机械连接所述金属封装件中的两个(2a,2b)，
导电杆(5)，其配置在所述柱体(6)中且电气连接在所述两个金属封装件(2a,2b)中的开关组件(1a,1b)，以及
节点端子(19)，其配置在所述两个开关组件(1a,1b)之间、电气连接到所述导电杆(5)以及在所述电气绝缘的柱体(6)外部延伸，
其中，所述阻抗装置(18a,18b)配置在所述电气绝缘的柱体(6)外部且连接到所述节点端子(19)。
15.根据权利要求1或2所述的开关，其特征在于，所述金属封装件(2a,2b)通过固体绝缘体彼此电气绝缘。
16.根据权利要求1或2所述的开关，其特征在于，所述金属封装件(2a,2b)通过电气绝缘的柱体(6)和/或通过所述开关的框架(10a,…,10j)的电气绝缘的第三区段(10g,…,10j)彼此电气绝缘。
17.根据权利要求9所述的开关，其特征在于，所述金属封装件(2a,2b)通过所述电气绝缘的柱体(6)彼此电气绝缘。
18.根据权利要求7所述的开关，其特征在于，所述金属封装件(2a,2b)通过所述开关的框架(10a,…,10j)的电气绝缘的第三区段(10g,…,10j)彼此电气绝缘。
19.根据权利要求1或2所述的开关，其特征在于，所述金属封装件(2a,2b)与地电气绝缘。
20.根据权利要求19所述的开关，其特征在于，所述金属封装件(2a,2b)通过固体绝缘体(16a,16b)或支承绝缘体与地电气绝缘。
21.根据权利要求3所述的开关，其特征在于，所述金属封装件(2a,2b)通过所述促动器(15a,15b)的电源的电绝缘的馈电线(16a,16b)与地电气绝缘。
22.根据权利要求1或2所述的开关，其特征在于，所述金属封装件(2a,2b)彼此串联配置。
23.根据权利要求1或2所述的开关，其特征在于，每个金属封装件(2a,2b)以气密方式封闭。
24.根据权利要求4所述的开关，其特征在于，封装所述第一开关组件(1a)的所述第一金属封装件(2a)以及封装所述第二开关组件(1b)的所述第二金属封装件(2b)各自以气密方式封闭。
25.根据权利要求1或2所述的开关，其特征在于，所述开关是用于交流或直流应用的高压开关。
26.根据权利要求25所述的开关，其特征在于，所述开关是高压切断器、高压断路器或高压整流装置。
27.一种用于操作根据权利要求1-26中的任一项所述的开关的方法，包括如下步骤：将所述开关组件(1a,1b)中的第一个连接到第一高压电势，且将所述开关组件(1a,1b)中的第二个连接到第二电势，使得所述开关组件(1a,1b)电气串联地配置在所述第一高压电势和所述第二电势之间。
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