CN104508778A - 高压电流断续器与用于高压电流断续器的致动器系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种致动高压电流断续器的致动器系统。该致动器系统包括传动链路，用于将动能从力提供系统传递到电流断续器的可动触头。该传动链路具有可机械连接到电流断续器的可动触头的第一端，以及背朝可动触头的第二端。致动器系统还包括阻尼系统，其包括减震块。减震块被布置为沿着传动链路的平移运动的延伸线从电流断续器看过去处于传动链路的较远侧，从而在电流断续器的打开操作时，传动链路的第二端将与减震块碰撞。

Description

高压电流断续器与用于高压电流断续器的致动器系统

技术领域

本发明涉及高压电流断续器及其致动器。

背景技术

在高电压系统中，非常重要的是，通过输电线的电流能够在线路故障的情况下被中断，这是为了保护系统设备和系统用户不受故障电流引起的损坏。因此提供断路器以便允许故障电流的中断。在直流(DC)系统中，输电线的电感只会限制初始瞬态阶段的电流，而且输电线的稳态阻抗因此是低的。为了防止故障电流增长到超过可接受的水平，DC断路器通常与大的电抗器串联连接。为了保持系统的稳定性并避免对系统的损坏，希望DC断路器的断路时间是短的。

机械DC断路器的断路时间很大程度上取决于机械断续器的打开时间。因此，希望机械断路器具有高打开速度。

发明内容

本发明涉及的问题是如何获得快速和稳固的高压断路器。

这个问题是通过使得电流断续器致动的致动器系统解决的，该电流断续器具有固定触头和可动触头。该致动器系统包括传动链路，用于将力传递到电流断续器的可动触头，该传动链路具有机械可连接到电流断续器的可动触头的第一端，以及背朝可动触头的第二端。致动器系统还包括阻尼系统，其包括减震块。减震块被定位为沿着传动链路的平移运动的延伸线，位于从电流断续器看过去的传动链路的较远侧，从而在电流断续器的打开操作时，传动链路的第二端将与减震块碰撞。

通过致动器系统实现了接触行程小的电流断续器也可以提供非常快速的电流中断，这是因为即使当传动链路的移动速度高时，传动链路可在非常短的距离上被带入停止状态。减震块的质量例如可以被选择为处于传动链路质量和可动触头质量之和的50-150％的范围内，从而行进部件的大部分冲量在碰撞中将传递至减震块。

在一个实施例中，传动链路包括减震弹簧，其被布置为在阻尼作用中减轻可动触头受到的震动。减震弹簧被布置为在传动链路的平移运动方向上向传动链路提供弹性。该行进部件的质量，包括可动触头的质量和传动链路的质量，将形成由减震弹簧分开的两个不同部分，所述质量块在此被称为较近的质量块(其较靠近固定触头)和较远的质量块(其较远离固定触头)。所述两个质量块，尽管是链接在一起的，将经历不同的加速/减速。

通过在传动链路中提供减震弹簧，由于高速碰撞引起的致动器系统损坏的危险将被大幅降低。

减震弹簧可以例如布置在传动链路的第一端和驱动杆之间，该驱动杆被布置在减震弹簧和衔铁之间。通过在靠近可动触头的位置提供减震弹簧，如果力传递系统在传动链路的所述第二端上施加力，比起如果弹簧位于离可动触头更远的位置，更大部分的移动块在打开动作中将最初经受传动链路上的力。对于打开动作开始时生成的力最大的力提供系统，例如基于汤姆逊线圈的力提供系统，这通常是有利的。

在一个实施例中，致动器系统包括接触弹簧，其被设置为当电流断续器处于闭合位置时被压缩了预定距离，因此弹簧力朝向固定触头被施加在可动触头上。当电流断续器的接触表面磨损时，这种接触弹簧还可以确保良好的电流接触。在具有接触弹簧和减震弹簧两者的致动器系统中，接触弹簧可与减震弹簧共同定位。接触弹簧和减震弹簧的这种共同定位的优点在于，传动链路将被分成仅两个连接块，并且这两个连接块之间的任何碰撞将由减震弹簧减轻。

该减震弹簧的弹簧系数将明显大于接触弹簧的弹簧系数，并且通常大十倍或更多。

减震弹簧的弹簧系数，k₄₀₀，能有利地满足如下关系：

$K_{400}=\left(\frac{M1M2}{M1+M2}\right){\left(\frac{2\mathrm{\π}}{2\mathrm{\τ}}\right)}^2,$

其中M1是传动链路的比减震弹簧(较远的质量块)更远离可动触头的一部分的质量；M2是可动触头和传动链路的比减震弹簧(较近的质量块)更靠近可动触头的一部分的质量；并且τ取0.1T_open和0.7T_open之间的值，其中，T_open是电流断续器的打开时间。因此实现了在提供足够的减震时，质量块M1和M2之间的碰撞数量将被保持为低。

较近的块和较远的块的质量例如可以近似相等，以使较远的块和较近的块的比例取0.8和1.2之间的值。通过将致动器系统设计为使得较近和较远的质量近似相等，两个块将或多或少在打开场景的部分中一起行进，从而降低了进一步碰撞的风险，所述打开场景发生在传动链路已经与减震块发生碰撞之后。

致动器系统可以包括双稳态机构，由此，当电流断续器处于闭合位置时，力在朝着可动触头的方向上被施加到传动链路上。双稳态机构可以是力提供系统的固有特性或在这种系统的外部，所述力提供系统被布置为在传动链路上提供力，以将电流断续器带入打开状态。

然后，减震弹簧通常提供了弹簧系数，从而在减震弹簧压缩期间由减震弹簧所施加的力超过由双稳态机构所施加的力，所述减震弹簧的压缩对应于小于减震弹簧的行程的10％。

本发明的致动器系统可以用在交流和直流系统两者的电流断续器中。

本发明的其他方面在下面的详细描述和所附权利要求中进行描述。

附图说明

图1a示出了处于闭合位置的真空断路器的示例；

图1b示出了处于打开位置的图1a的真空断路器。

图2a示意性地示出了包括力提供系统和传动链路的致动器系统的示例。

图2b示出了连接到双稳态机构的衔铁的示例，其确保了衔铁的稳定位置的数量是两个。

图3示出了包括减震块的阻尼系统的示例。

图4示出了连接到可动触头的传动链路的示例。

图5示出了包括减震弹簧以及接触弹簧的弹簧外壳的示例，其中减震弹簧以及接触弹簧共同定位在同一弹簧外壳中。

图6是机械系统的示意图，其包括三个质量块M1、M2和M3，其中M1和M2通过弹簧P1连接。

图7是示出了对于打开场景示例的一部分的较近和较远的块之间的相对距离d随时间变化的曲线图。

图8示出了致动器系统的示例。

具体实施方式

在高压电流断续器的许多应用中，电流断续器的短打开时间是理想的。例如，在许多高压直流(HVDC)应用中，5ms或更短的打开时间是理想的。

在机械电流断续器中，电流断续器的打开通常由可动触头被拉近或推离断续器的固定触头来完成。具有固定触头105和可动触头110的机械电流断续器100的示例在图1a和1b中示意性地示出。在图1a中，断续器100处于闭合位置，而在图1b中，断续器处于打开位置。在打开位置的固定触头105和可动触头110之间的距离被称为接触行程S1，并在图1b用箭头表示。在打开和闭合时，可动触头110沿着直线移动。该直线，及其在两个方向上的延伸，在此被称为平移线114。平移线114在图1a和1b中用虚线表示。

图1a和1b的断续器100还被示出为包括第一外部端子113a以及第二外部端子113b，该第一外部端子113a通过柔性电连接115连接至可动触头110，该第二外部端子113b连接至固定触头105。还示出了外部端子113a、b分别与固定触头和可动触头之间的可能的连接接口125a、b的示例。图1a和1b的电流断续器100被示出为真空断续器(VI)，其中固定触头和可动触头被包含在真空瓶120中。图1a和1b的断续器100仅是示例，并且本发明可以应用于其它设计的电流断续器100。例如，本发明并不局限于真空断路器，也可以应用于其它类型的电流断续器的致动，诸如气体断续器。

为了实现机械电流断续器100的短的打开时间，可动触头110的初始加速度必须是高的，这意味着必须在可动触头110上施加大的力，以便对可动触头110加速。可动触头110的动能将因此增加。如此大的力是通过力提供系统和传动链路提供的。力提供系统产生对传动链路加速的力，并且所述传动链路机械地连接至可动触头110，使得可动触头110的加速被连接到传动链路的加速。

不同种类的力提供系统在本领域中是已知的。基于电磁致动的力提供系统通常包括至少一个连接到电流源的线圈，例如充电的电容器或电容器组。通过让大电流流过这些线圈，产生磁场。基于电磁致动的致动器系统中的传动链路通常包括衔铁，其是由与强磁场相互作用的材料制成，因此，当电流被允许流过线圈时，所述衔铁被吸引或被排斥。

能够产生可动触头110的高加速度的基于电磁致动的合适的力提供系统的示例，是基于涡流排斥的力提供系统，用于其的传动链路的衔铁包含导电材料，涡流将在该导电材料中由磁场产生。涡流排斥系统中的线圈通常被称为汤姆逊线圈。能够产生强力的电磁力提供系统的其它示例是基于铁磁吸引的力提供系统，用于其的衔铁包括铁磁材料，以及基于永磁体的吸引或排斥的力提供系统，用于其的衔铁包括永磁体。

也可以考虑基于机械排斥的力提供系统，举例来说，诸如电磁加速球，其以高速撞击传动链路的衔铁，或者弹簧操作的力提供系统。在这样的实施方式中，传动链路204的衔铁将设计成具有适当的机械性能。

也可以使用不同的力提供系统的组合，其中例如一种类型的力提供系统被用于电流断续器100的打开操作，而另一种类型的力提供系统被用于电流断续器100的闭合。传动链路的衔铁将相应地进行设计。

在下文中，本发明将描述致动器系统，其具有基于两个汤姆逊线圈的力提供系统：一个用于致动电流断续器100的打开，而另一个用于致动电流断续器100的闭合。这仅是为了说明的目的，并且可以使用任何其它适当的力提供系统。基于汤姆逊线圈的力提供系统的示例被描述于Bissal，Engdahl，Salinas，和Ohrstrom的“汤姆逊致动器系统的仿真和验证(Simulation and verification of Thomson actuatorsystems)”，Proceedings of COMSOL conference Paris，Session AC/DCSystems，2010年11月。

致动器系统200的示例的横截面在图2a中示意性地示出，其中力提供系统201是基于汤姆逊线圈。图2a的力提供系统201包括两个相应的汤姆逊线圈202a和202b。为了区分这两个汤姆逊线圈，将它们分别称为较近的汤姆逊线圈202a和较远的汤姆逊线圈202b，其中较近的汤姆逊线圈202a是最靠近电流断续器100的汤姆逊线圈，较远的汤姆逊线圈202b是更远离电流断续器100的汤姆逊线圈。当涉及一个或两个汤姆逊线圈时，将使用附图标记202。

图2a还示出了传动链路204，其包括连接到驱动杆210的衔铁205。汤姆逊线圈202a、b中的每一个包括缠绕成多匝215的导体，该导体经由开关(未示出)被连接至电流源(未示出)。当使用基于涡流排斥的力提供系统时，衔铁205包括导电材料，例如Al或Cu。或者，衔铁205还可以包括线圈，其连接到电流源的方式使得通过衔铁线圈的电流与通过相应的汤姆逊线圈202的电流的方向是相反的。为衔铁线圈供电的电流源，如果需要，可以与向汤姆逊线圈202供应电流的电流源相同。这样的衔铁线圈/汤姆逊线圈系统可称为双汤姆逊线圈系统。

图4所示的驱动杆210在一端连接至衔铁205，在另一端可连接至电流断续器100的可动触头110。在下文中，术语“行进部件”将被用来表示传动链路204和可动触头110的组合。

为了说明的目的，图2a(和图3)中的衔铁位于闭合状态和打开状态之间的位置。在本发明的一个实施方式中，所示的位置只发生在闭合或打开电流断续器100时的非常短的时间段期间。在所有其它情况下，致动器系统200或者是处于闭合状态，其中衔铁205将处于紧靠较近的汤姆逊线圈202a，或者处于打开状态，其中衔铁205将处于紧靠较远的汤姆逊线圈202b。

为了确保传动链路204仅具有两个稳态位置，即对应于打开或闭合的断续器100的位置，致动器系统200通常包括双稳态机构。在一个实施方式中，所述双稳态机构是通过锁件实现的，该锁件将衔铁锁定在期望的位置，并当特定强度的力沿着平移线114施加时会解锁。在另一个实施方式中，所述双稳态机构是通过弹簧实现的，其在衔铁的打开和闭合位置之间的至少一个位置处被压缩在垂直于平移线114的方向上。在该实施方式中，弹簧与衔铁205机械联动，例如通过双作用铰链，使得在打开和闭合位置上，力将沿着平移线114施加在衔铁205上。根据该实施方式的双稳态机构的示例在图2b中给出，其是衔铁205的横截面视图，所述衔铁205通过双稳态机构250连接到固定的致动器支撑框架(未示出)上。图2b的横截面是沿着包括两个双稳态机构250的平面截取的，每一个双稳态机构250包括弹簧255，所述弹簧255通过双作用铰链260将力施加在衔铁205上。图2b的双作用铰链260在一端机械地连接到衔铁205，而在另一端连接到弹簧255。弹簧255固定在沿着线265的某一位置，线265垂直于平移线114，并且在衔铁205的期望的两个可能位置之间的间隙内与平移线114相交，从而衔铁205沿着平移线114的移动通过双作用铰链260被转变为弹簧255沿着线265的压缩。

在另一个实施方式中，双稳态机构是力提供系统201固有的。这可以例如是在使用基于永磁体的吸引或排斥的力提供系统这样的情况时，如Dullni；H.Fink；G.G.Leonhardt；C.Reuber，1997年，第11卷第1205-1212页的“完全无需委会：带有永磁体致动器的新型真空断路器(Totally maintenance-free:new vacuum circuit-breaker with permanent magnet actuator)”所述。然而也可以选择性地使用其他类型的双稳态机构。

当闭合将汤姆逊线圈202连接至电流源的开关时，大电流将流过汤姆逊线圈202，从而在汤姆逊线圈202周围产生强大磁场。该磁场又会在衔铁205中感应出涡流，并且衔铁205将被电磁力排斥远离汤姆逊线圈202。如果通过汤姆逊线圈202的电流足够大，可实现衔铁205非常快的加速度。衔铁205，其形成传动链路204的一部分，机械地与电流断续器100的可动触头110联动。因此，衔铁205的强大加速度将引起可动触头110的强大加速度(尽管如将在下面看到的，加速度/减速度不需要相同)。因此，可以通过致动器系统200来实现断续器100的快速打开，其中该力提供系统201基于汤姆逊线圈202。如上所述，其它类型的力提供系统201也可以产生可动触头110的高加速度。

然而，如果可动触头110在打开操作中被提供以高速度，这就存在当行进部件被带入表示电流断续器100的打开状态(参见图1b)的位置处停止时，致动器系统200和可动触头110将被损坏的风险，除非使用有效的阻尼系统。

根据本发明，致动器系统200包括阻尼系统，该系统包括减震块，该减震块被定位从而当传动链路204在电流断续器100的打开操作期间被带入停止处，该传动链路204将与减震块碰撞，并将行进部件的至少一部分动量传递给减震块。减震块没有与该传动链路204机械联动，但减震块可以独立于传动链路204而移动。

通过使用包括减震块的致动器系统200，在打开场景期间行进部件的至少一部分动量可被传递给该减震块，该行进部件可被减速并在非常短的距离上被带入停止处，而不会给衔铁205或位于衔铁205最终位置的致动器系统的任何部分(例如较远的汤姆逊线圈202b)带来任何损坏。因此，这种致动器系统200可以用于大范围的行程长度S1的电流断续器100的快速致动。

该致动器系统适用于常规机械电流断续器的使用，其直到现在还是太慢，以及需要快速打开动作的应用中。这种常规机械断续器的示例是基于真空断路器技术的商业可获得的AC断路器，以及其它类似的断路器。本发明也可应用于较大接触行程S1的电流断续器。事实上，本发明适用于任何机械电流断续器100，针对其的打开动作可以通过传动链路204的平移运动来执行。

本发明致动器系统200的减震块在打开或闭合动作期间沿着行进部件的平移运动线定位，即沿着平移线114。此外，减震块将被定位在传动链路204的从电流断续器100看过去的较远侧，即传动链路204将定位在减震块和电流断续器100之间。

图3中示出了包括减震块300的阻尼系统示例的示意图。在图3所示的致动器系统200中，力提供系统201包括汤姆逊线圈202a、202b，而且传动链路204设有衔铁205。

当断续器100处于其闭合位置时，图3的减震块300穿过较远的汤姆逊线圈202b中的孔突出，该孔位于较远的汤姆逊线圈202b的中心处。该突起部沿着平移线114的延伸在图中由线Dp表示，而且被称为突起距离。如果小心地选择减震块300的质量(参见下面)，突起距离Dp可以在1-2毫米的量级(或更小)，因而允许传动链路204高速行进穿过接触行程S1的大部分，即使接触行程S1小至15毫米或更小。如果接触行程S1允许，突起距离Dp可以更大。

当减震块300在打开操作中由衔铁205引领的传动链路204碰撞时，减震块300将沿着平移线114在远离电流断续器100的方向上以高速度起动。为了避免减震块300破坏自身或致动器系统200的其它部分，该阻尼系统可以例如进一步包括阻尼器308。图3示出了阻尼器308的示例，其包括杆308a，图3的杆308a可相对于阻尼器308的主要部分移动最大距离S3，S3对应于阻尼器308的行程。图3的阻尼器308沿着平移线114被定位在减震块的较远侧上，并被布置为抑制从电流断续器100的方向上沿着平移线114的冲击。

使用包括减震块300的阻尼系统的好处在于，电流断续器100的接触行程S1可以非常短，因为打开动作中大部分的动量从行进部件经由与可动触头110机械联动的传动链路204而传递到减震块300，该减震块300可以独立于可动触头110而移动。该动量的传递发生在非常短的距离内。图3的阻尼器308被布置成抑制减震块300的运动，该减震块300可以独立于可动触头110而移动。因此，阻尼器308的行程S3可以独立于接触行程S1进行选择，并且可以使用足够用于常规阻尼的阻尼器行程S3。

常规的阻尼技术可用于图3的阻尼器308。阻尼器可以采用例如油-气阻尼器、空气阻尼器、电磁阻尼器，基于沙袋的阻尼器、基于阻尼泡沫的阻尼器等。

阻尼系统可以进一步包括如图3所示的返回弹簧310，或被布置为当电流断续器100已经被打开时，将减震块300返回到其初始位置的另一机构。图3的返回弹簧310被布置为沿着平移线114朝着电流断续器100的方向将力施加在减震块300上。该返回弹簧310例如可以是螺旋弹簧、线性弹簧或锁件，或在已经移位之后返回到其初始位置的任何其它机构。该返回弹簧310可以有利地设计成，使得在电流断续器100的闭合位置，减震块将突起预定的突起距离Dp而进入两个汤姆逊线圈202a、b之间的空间内。此外，返回弹簧310的力量可以有利地使得减震块返回到其初始位置仅发生在衔铁205已经到达停止处之后。

图3所示的阻尼系统还包括壳体315和支撑框架320，所述壳体315被布置为朝向阻尼器308引导减震块300，致动器系统200被布置在所述支撑框架320上。

减震块300例如可由金属制成，诸如钢、铝、铜、黄铜等，或任何其它合适密度和机械性能的材料。在图3中，减震块300被示出为圆柱形状，其中杆303伸入到电流断续器100的打开和闭合状态中的衔铁205的对应的较远端的位置之间的空间中。为了最小化与衔铁205碰撞时对减震块300的任何损坏，所述减震块的杆可以例如是圆柱形状。可替换地，减震块300的横截面可以是其他形状，如矩形、六角形、或任何其它合适的形状。如果需要，减震块300可以沿整个平移线114具有相同的横截面积，而不是被分成杆303和主要部分。也可以设想其它形状。穿过减震块300的空气管道305和/或穿过外壳315的空气管道306可能是有益的，以当减震块300行进穿过减震块300和外壳315之间的空间时，参见图3，排出该空间中存在的空气。

如上所述，在电流断续器100的闭合位置，减震块300的一小部分突起进入汤姆逊线圈202a、b之间的空间内，以便允许行进的衔铁205与减震块300之间的碰撞。另一方面，减震块300的大部分被定位在这个空间的外部。在一个实施例中，减震块300由多个较小物体组成，例如大量的钢球、沙粒或类似物，其被封装在可变形的容器中，例如袋。这些较小物体的一部分、或与这些较小物体的活塞的一部分(或类似物)机械联动，接着将突起进入汤姆逊线圈202a、b之间的空间内，同时较小物体的大部分将被定位在汤姆逊线圈202a、b之间的空间的外部。当衔铁205和较小物体(或活塞)之间碰撞时，当较小物体将被在可变形容器内重新排列时，该较小物体将占据行进部件的动能的主要部分。阻尼系统的该实施例还可以包括对应于返回弹簧310的形状复原机构，其例如可以包括可变形容器内的弹簧。在该实施例中，可以获得阻尼而不需使用单独的阻尼器308，这是因为多个球体自身可充当阻尼器308。

为了进一步降低电流断续器100打开时的损坏风险，传动链路204可以包括弹簧，其被设置为当传动链路204与减震块碰撞时减轻可动触头110受到的冲击，这种弹簧在此称为减震弹簧。减震弹簧沿平移线114提供为传动链路204提供弹性。通过在传动链路204中使用减震弹簧，可动触头110的加速度/减速度将不同于衔铁205的加速度/减速度。例如，当打开动作中衔铁205撞击减震块300时，衔铁205的减速度将显著高于可动触头110的相应的减速度。打开动作期间可动触头110被损坏的风险也会因此而减小。

可动触头110通常由铜制成，该材料具有高导电性，而且在高柔软性和延展性方面具有比较高的机械可塑性。因此，如果可动触头110重复经受非常高的减速度，存在可动触头将变形的风险。通过使用减震弹簧，可以大幅降低这种风险。

在图4中，示出了行进部件402的例子，其中传动链路204包括减震弹簧400。图4的传动链路204经由连接接口401连接到可动触头110，以形成行进部件402。图4的传动链路204包括衔铁205和驱动杆210，它们以刚性的方式机械地连接。

减震弹簧400可以例如由一组盘簧形成，如图4所示。盘簧通常可在小的弹簧压缩距离内提供很高的力。在这一实施例中，形成减震弹簧400的不同盘簧可具有相同的弹簧系数，或不同的弹簧系数。此外，不同的弹簧在不同图案中可以相同或相反的方式定向。也可以使用其它类型的弹簧。减震弹簧400可以由一个或多个螺旋弹簧或气体弹簧形成。

图4的行进部件402进一步包括弹簧壳体405，其容纳减震弹簧400并在压缩时引导减震弹簧400。图4的弹簧壳体405刚性地连接至驱动杆210，并且在朝向可动触头110的端部处还具有开口410，弹簧引导件420被安装穿过该开口。壳体405具有止动凸缘415，其被布置在开口410的内边缘上，止动凸缘415用于配合弹簧引导件420上的相应凸缘417。弹簧壳体的止动凸缘415和弹簧引导件420上的相应凸缘417确保了弹簧引导件420保持至少部分位于壳体405内，而且当所述凸缘相互作用时，作用在衔铁205上的拉力将被传递到可动触头100。图4的减震弹簧400位于弹簧壳体405内，处于弹簧引导件420和弹簧壳体405的与开口410相对的端部之间，弹簧引导件420被安装穿过该开口410。减震弹簧400、弹簧壳体405和弹簧引导件420在图4中共同地被标示为附图标记403，且可被称为包括减震弹簧的减震弹簧机构403。也可使用减震弹簧机构403的其它设计，因此在拉动较远的块时，包括可动触头110的较近的块将钩住包括衔铁205的较远的块。

在连接到图4的传动链路204的电流断续器100的打开动作中，当衔铁205与减震块300碰撞时，可动触头110减速，弹簧引导件420将压缩减震弹簧400，并从而在可动触头110上施加减速力。减震弹簧400确保了当衔铁205与减震块300碰撞时，可动触头110的减速度将比衔铁205的减速度更低。

在传动链路204中存在的减震弹簧400将把行进部件的质量分成两个(联动)块，其可以经受不同的加速度/减速度：第一质量块M1，其位于弹簧壳体405的较远侧上，该质量块被称为行进部件的较远质量块；以及第二质量M2，其位于弹簧壳体405和固定触头105之间，该质量块被称为行进部件的较近质量块。较远的质量块M1包括衔铁205的质量块，并且较近的质量块M2包括可动触头110的质量块。由于较近和较远的块的加速度将是不同的，而较近和较远的块的速度一般不相同，两个块通常在打开动作期间彼此碰撞。减震弹簧400将减小由这种碰撞引起的损坏风险，以及减小这种碰撞的频率。

该驱动杆210可以有利地由以下材料制成，该材料相对于致动电流断续器100时预期在驱动杆210上的力是坚固的。低弹性、高屈服强度和低密度是期望的材料属性。在一个实施方式中，驱动杆是由电绝缘材料制成，其实例是增强环氧树脂、对芳族聚酰胺等。这些材料可以例如是多层的，驱动杆210例如是由多层增强对芳族聚酰胺制成。在另一实施方式中，其中衔铁和力提供系统210处于与可动触头110相同的电位，驱动杆210可以由金属材料制成，例如钢。

致动器系统200应该被布置成使得当电流断续器100处于闭合位置时，可动触头110与固定触头105进行电接触。因此，如果有的话，闭合位置的减震弹簧400的压缩将沿着平移线114产生力，该力小于双稳态机构(固有或外部)沿着这条线施加的力。由于减震弹簧400的弹簧系数很大，这意味着在电流断续器110的闭合状态中，仅有减震弹簧400的小量压缩可被接受。

为了确保即使固定或可动触头的表面将被磨损，固定触头和可动触头仍然将处于良好的电接触，致动器系统200可以包括弹簧，该弹簧具有比减震弹簧400低得多的弹簧系数，并且其被布置为当电流断续器100处于其闭合位置时，朝向固定触头105将力施加到可动触头110。这种弹簧将被称为接触弹簧。由于当接触表面是新的以及当其受到磨损时适当的力都是理想的(即比双稳态机构沿着平移线114施加的力更小的力(F_bistable)，但足以确保电接触)，当接触表面是新的，断续器100闭合状态下的接触弹簧的压缩可以有利地超过对应于接触表面的预期磨损的距离。因此，接触弹簧500的弹簧系数k₅₀₀可以选择为满足下述关系：

k₅₀₀d_{pre-compression}<F_bistable   (1)

其中，d_{pre-compression}是当接触表面是新的时需要的接触弹簧500的预压缩量。对于高压电流断续器，需要的预压缩量的值可以例如处于0.5-5mm的范围内，但在一些实施方式中其它预压缩距离也是有益的。

图5示出了减震弹簧机构403的一个示例，其中接触弹簧500与减震弹簧400共同存在于弹簧壳体405中。该接触弹簧500可以例如通过盘簧或一个或多个螺旋弹簧或通过其他适当的方式实现。该接触弹簧500的弹簧系数通常比减震弹簧400的弹簧系数低得多。在图5中，接触弹簧500是通过堆叠的盘簧实现的，它们朝向为相同方向，而图8所示的接触弹簧实施例是通过这样布置的盘簧实现的，其中盘簧的朝向与其相邻盘簧的朝向相反。还可以采用其它盘簧布置方式。

因此，在图5的实施例中，减震弹簧400和接触弹簧500共同位于弹簧壳体405中，弹簧壳体405的空腔的长度优选应该小于处于中性位置的减震弹簧400的长度加上接触弹簧500的长度，其差值至少超过对应于接触表面的可接受的磨损距离。

通过在减震弹簧400的位置处提供接触弹簧500，如果有的话，其具有的优点是，行进部件将仅被分成两个连接的质量块(如上所述的较近和较远的块)，而且在质量块之间存在减震弹簧400将确保减小这些联动的质量块碰撞引起的损坏风险。在图5所示的例子中，减震弹簧400和接触弹簧500彼此相邻。

该接触弹簧500的弹簧系数k₅₀₀可以有利地满足表达式(1)。另一方面，该接触弹簧400的弹簧系数k₄₀₀通常将显著高于接触弹簧500的弹簧系数。通常，接触弹簧400的弹簧系数比接触弹簧500的弹簧系数大一个数量级或更多。k₄₀₀将被选择为使得减震弹簧400的小压缩量将产生大的力。通常，k₄₀₀将被选择为使得减震弹簧400产生的力超过双稳态机构250提供的力时的距离将小于减震弹簧400的行程的10％。

在图4所示的行进部件的图示中，减震弹簧400被定位在驱动杆201与可动触头110之间。通过将减震弹簧400提供为靠近可动触头110，行进部件的大部分质量将定位在减震弹簧400的较远侧上。当力提供系统201被布置为使得作用在衔铁205上的力在打开动作的初始阶段是最大的，并且该力被施加到传动链路的较远端，减震弹簧400的该位置可以是有利的，特别是当传动链路204包括预压缩在电流断续器100的闭合位置的弹簧。例如，对于基于汤姆逊线圈的力提供系统201，当汤姆逊线圈202和衔铁205之间的距离增大时，斥力的强度减小。在致动器系统200中，其中传动链路204受到了预压缩，在打开动作时，由力提供系统201产生的力将主要作用于位于减震弹簧400的较远侧上的质量块，直到弹簧的所有预压缩已被释放。因此，如果在初始阶段所产生的力最大，有利的是在较靠近可动触头110的位置提供减震弹簧400，以使较大部分的质量块将受到更大的力。然而，可选择使用减震弹簧400的其他位置。

现在将进一步描述包括减震块300和减震弹簧400的致动器系统200的打开动作的动力学。致动器系统200的典型打开动作动力学可以参照图6进行描述，致动器系统200具有减震块300和包括预压缩弹簧的传动链路204。图6是机械系统的示意图，其包括三个质量块M1、M2和M3。质量块M1和M2是通过弹簧P1联动，质量块M3通过阻尼器D1和弹簧P2与支撑件A1联动。P1代表减震弹簧400和接触弹簧500(如果有的话)的组合，而质量块M1和M2表示行进部件402的不同部分：较近的质量块M2表示位于减震弹簧400和固定触头105之间的质量块，而较远的质量块M1表示传动链路204位于减震弹簧400的远侧上的一部分。质量块M2包括可动触头110的质量，而质量块M1包括衔铁205的质量。M3代表减震块300。D1代表阻尼器308，弹簧P2表示返回弹簧310，而力提供系统201在图6中由F1表示。图6的距离S1对应于接触行程S1，距离S2表示质量块M1和M2之间的最大相对位移，距离S3表示阻尼器308的行程，其也是代表减震块300的质量块M3的最大行程。

当在电流断续器100打开时施加致动力，行进部件402的较远质量块(M1)将开始朝向减震块300(M3)高速移位。最初，较远的质量块(M1)将被加速，几乎独立于减震弹簧400的较近侧上的质量块(M2)，因为弹簧(P1)已经处于预压缩状态。当在较远侧上的质量块(M1)朝向减震块质量300(M3)移位，使得弹簧P1的预应力已经被释放，力将作用于较近侧上的质量块M2上，所述质量块也将被加速。在图4所示的实施例中，当弹簧引导凸缘417到达壳体405的止动凸缘415时，较近的质量块M2将开始这种加速。此时，较远的质量块M1将被减速，而较近的质量块M2将被加速。如果弹簧P1的弹簧系数在适当的范围内，较远和较近的质量块之间的任何进一步的预期碰撞将由弹簧P1减轻。然而，如果弹簧P1太弱，例如如果弹簧P1是单个接触弹簧500，其满足表达式(1)，则在传动链路204和可动触头110之间存在多个未经抑制的碰撞的风险。可动触头110由柔软的材料制成，例如Cu，在这种碰撞中可能被损坏。

当较远的质量块(M1)与减震块300(M3)碰撞时，较远的质量块(M1)将或多或少立刻向减震块300(M3)释放其动量的一部分，减震块300(M3)接着将沿着平移线114以高速离开(或在减震块300包括大量较小物体的情况下产生形变)。当较远的质量块(M1)立即大幅减速时，较近的质量块(M2)将在弹簧P1施加的减速力下继续朝向较远的质量块(M1)行进。因此，如果仔细选择，弹簧P1将确保衔铁205与减震块300碰撞时，可动触头110的减速度低于衔铁205的减速度，从而降低可动触头110(和驱动杆210)被损坏的风险。

在与减震块300(M3)碰撞时，较远的质量块(M1)的或多或少的瞬间减速度可以或者导致减速，此后较远的质量块(M1)还在相同的方向上移动；导致完全停止，此后较远的质量块(M1)保持不动；或者导致方向的改变，此后较远的质量块(M1)沿着相反的方向朝着可动触头110移动。在任一方向上的移动将是可接受的，只要该速度足够低，从而在可能发生的任何进一步的碰撞中不会损坏致动器系统200中的各部件。例如，在致动器系统200的一个示例中，与减震块碰撞的较远的质量块M1的动能减少50％就足够了。

是否减速、完全停止或方向改变尤其取决于减震质量块300(M3)与行进部件的质量(M1+M2)的比值。为了获得行进部件的有效中止，减震块300的质量M_shock-abs的合适的值可以例如在0.9M_travel和M_travel之间，其中该范围是用行进部件的总质量M_travel表达的，即传动链路204的质量和可动触头110的质量之和。通过M_travel和M_shock-abs之间的这种关系，行进部件402在与减震块碰撞之后通常继续处于相同的方向，但是速度显著降低。然而，在一些实施方式中，质量M_shock-abs可在该范围之外，例如在0.75M_travel至1.25M_travel的范围内，或在0.5M_travel至1.5M_travel的范围内。由于存在减震弹簧400，行进部件在碰撞时刻的有效动量不容易预测。尽管通常希望传动链路204在碰撞之后在向前方向上缓慢运动，以将可动触头110上的应力保持在最小值，完全停止或者相反方向上的慢速移动通常是可接受的。

在为减震弹簧400定规格时，可以考虑其中较近的质量块M2和较远的质量块M1之间的碰撞数量被保持为最小的期望的打开场景。在图7中，较近的质量块和较远的质量块之间的相对位移d的期望的函数被示出为致动器系统200随时间t的函数，致动器系统200包括接触弹簧500和减震弹簧400。所期望的相对位移d随时间的函数仅在时刻t₂和t₃之间的时间间隔内表示，这些时刻的重要性在下面进一步描述。虚线700显示在对应于被完全压缩的接触弹簧500和处于中性位置的减震弹簧400的相对距离d处。

图7图示了关于致动器系统200，其包括减震弹簧400和预压缩的接触弹簧500。然而，下面的推理也适用于其中不存在接触弹簧500的致动器系统200。可以参照图7描述打开方案如下：总打开时间是T_open。在时间t₀，电流断续器100的打开被致动，且包括衔铁205的较远的质量块M1开始沿着平移线114加速，远离固定触头105。在时间t₁，较远的质量块已经行进了对应于接触弹簧500的预压缩量的距离，而且较远的质量块M1和较近的质量块M2之间发生碰撞，因为在拉近动作中，较近的质量块M2被较远的质量块M1加速。该碰撞将包括可动触头110的较近的质量块M2设置为朝向较远的质量块M1运动，同时较远的质量块M1减速。在时间t₂，较近的质量块M2与减震弹簧400碰撞，其开始被压缩。在时间t₃，较远的质量块M1与减震块300碰撞。在时间t₄，衔铁205到达其最终位置并且完成打开场景。

如果减震弹簧400的弹簧系数太弱或太强，较近的质量块M2将相对于较远的质量块M1在时间t₂和t₃之间振荡，并且将有一系列进一步的碰撞，这将是难以预料的。这类碰撞可能会损坏可动触头110，并且可以通过选择适当的减震弹簧400的弹簧系数来避免。在图7中，较近和较远的质量块之间的相对位移d的所期望的函数被示出在时间t₂和t₃之间：为了减少较近和较远的质量块之间的碰撞次数，有利的是，如果较近和较远的质量块之间的振荡周期使得，在t₃与减震块300的碰撞发生在t₂时刻较近的质量块和减震弹簧400之间发生碰撞之后，半个振荡周期已经完成之前。因此，在t₂和t₃之间的时间，这里称为Δt₂₃，应小于振荡周期的一半。在图7中，振荡周期的一半已被指示为τ，即该系统的振荡周期包括质量块M1和M2，减震弹簧400是2τ(时间t₂+τ已经在图7中表示为t_τ)。因此，可以有利地保持下列关系：

Δt₂₃<τ   (2)

减震弹簧400的所期望的弹簧系数k₄₀₀可用τ表示为

$K_{400}=\left(\frac{M1M2}{M1+M2}\right){\left(\frac{2\mathrm{\&pi;}}{2\mathrm{\&tau;}}\right)}^2---\left(3\right)$

半周期τ的合适的值例如可以从0.2Topen至0.5Topen的范围之间选择。在与减震块300的碰撞和衔铁205到达其最终位置之间经过的时间Δt₃₄通常是可以与τ比较的，因为行进部件的速度在此时间段期间将是缓慢的，而从时间t₀致动到较近质量块和减震弹簧400之间的碰撞的时间Δt₀₂通常更小。然而，τ也可以从较宽范围中选择，例如0.1T_open至0.7T_open。

较近的质量块和较远的质量块的质量可以是例如近似相等，从而两个质量块之间的比例处于0.8至1.2的范围内。通过设计致动器系统使得较近和较远的质量块近似相等，两个质量块将或多或少在打开场景的部件中一起行进，打开方案发生在传动链路已经与减震块发生碰撞之后，从而降低了进一步碰撞的风险。当比例接近1时，这种效果将更显著，例如如果两个质量块的比例处于0.9和1.1之间。

图8示出了具有由致动系统200致动的电流断续器100的电流断续器系统的实施方案的一个示例。

在图8中，致动器系统200被示为布置成与处于顶部的电流断续器100垂直的方式。然而，致动器系统200可以调转，从而电流断续器100处于底部，或者使得致动器系统200具有水平定向，或者通过视情况而定的其他适当方式。该返回弹簧310(如果有的话)的位置，通常将必须被改变。致动器系统200通常安装在沉重的和稳定的框架或支撑件(未示出)上，以提供稳固的致动器系统200。例如，每个汤姆逊线圈202a、b可以被附接到这样的框架上，以及断续器外壳/瓶120、支撑支柱等。

通过使用上述技术，致动器系统200可被设计为能够为高压电流断续器提供短至5ms或更小的打开时间。

以上的讨论是关于希望获得电流断续器100在打开动作中的非常快速的致动。对于电流断续器100的闭合动作，对速度的要求通常不那么严格，这意味着闭合动作具有比打开动作更长的持续时间通常是可接受的。因此，在一个实施例中，致动器系统200被设置为在闭合动作中提供比打开动作更小的力。例如，这可以通过将较近的汤姆逊线圈202a连接到第一电容器系统并将较远的汤姆逊线圈202b连接到第二电容器系统来实现，其中第一电容器系统被布置为提供比第二电容器系统更高的电流。可替换地，或附加地，较近的汤姆逊线圈202a可以大于较远的汤姆逊线圈202b。如果电流断续器100在闭合时的致动力小于在打开时的致动力，在闭合时对传动链路204的阻尼要求将更小。在一些实施方式中，由减震弹簧400提供的阻尼将是足够的。在其它实施方式中，传统的阻尼系统，例如基于油或基于空气的系统，或者基于电磁力的系统，可以用于在固定触头105和第二端子113b之间的连接点130处抑制传动链路204。在闭合时与在打开时提供相同致动力的系统中，第二减震块可被布置为在闭合时提供固定触头的阻尼。这种第二减震块可以例如布置成沿着平移线114从传动链路204看过去超过固定触头105。在图1a和1b所示的电流断续器100中，第二减震块可以例如布置在固定触头105和第二端子113b之间的连接点130处，例如在连接接口125a的任一侧上。

作为例子，以上对基于一对汤姆逊线圈202a和202b的力提供系统进行了描述。然而，如上所述，提供致动力的其它装置也可被替换地使用。如果打开时通过单个汤姆逊线圈202提供致动力，该单个线圈将对应于较近的汤姆逊线圈202a，并且较远的汤姆逊线圈202b将被免除。继而可以提供另一种用于提供闭合致动力的力提供系统，例如弹簧操作机构或基于永磁体排斥的电磁力机构。当以这种方式组合两个不同的力提供系统时，衔铁205的每一侧可以以合适的方式布置，在汤姆逊线圈和永磁体排斥的组合情况下，例如，衔铁205朝向较近的线圈202a的一侧将是导电材料，而另一侧将包括将被流过较远的线圈202b的电流排斥的磁体。

上述技术可被用于DC断续器以及AC断续器的致动器系统的设计。致动器系统可以提供的优点特别有益于高压断路器，但是该技术也可以用于低压或中压断路器。包括设置有根据所描述技术的致动器系统的直流断路器的HVDC断路器，通常还包括非线性电阻器和谐振电路，两者均与DC断续器并联连接。

尽管在所附权利要求中展示了本发明的各个方面，本发明的其它方面包括上述说明书中和/或所附权利要求中提出的任何特征的组合，且不只是所附权利要求中明确阐述的组合。

本领域的技术人员可以理解，本发明的技术并不局限于附图和前面的详细描述中所公开的实施例，其仅仅是用于说明的目的，但它可以通过多种不同的方式实现，并且它的范围由所附权利要求限定。

Claims (15)

1.一种用于致动电流断续器(100)的致动器系统(200)，所述电流断续器具有固定触头(105)和可动触头(110)，所述致动器系统包括：

传动链路(204)，用于将力传递到所述电流断续器的所述可动触头(110)，所述传动链路具有可机械连接到所述电流断续器的所述可动触头的第一端，以及背朝所述可动触头的第二端，以及

阻尼系统，包括减震块(300)，所述减震块被定位为沿着所述传动链路的平移运动的延伸线(114)在从所述电流断续器看过去处于所述传动链路的较远侧，从而在所述电流断续器的打开操作时，所述传动链路的所述第二端将与所述减震块碰撞。

2.根据权利要求1所述的致动器系统，其中：

所述传动链路包括减震弹簧(400)，所述减震弹簧(400)被布置为在阻尼作用中抑制所述可动触头受到的震动，所述减震弹簧被布置为在所述可动触头的平移运动方向上ms为所述传动链路提供弹性。

3.根据权利要求2所述的致动器系统，其中：

所述传动链路还包括驱动杆(210)；并且

所述减震弹簧被布置在所述传动链路的所述第一端和所述驱动杆之间，所述驱动杆被布置在所述减震弹簧和所述传动链路的所述第二端之间。

4.根据权利要求2或3所述的致动器系统，其中

所述减震弹簧的弹簧系数k₄₀₀满足下列关系：

$K_{400}=\left(\frac{M1M2}{M1+M2}\right){\left(\frac{2\mathrm{\&pi;}}{2\mathrm{\&tau;}}\right)}^2,$

其中M1是所述传动链路的一部分的质量，所述部分比所述减震弹簧更远离所述可动触头；M2是所述可动触头和所述传动链路的比所述减震弹簧更靠近所述可动触头的一部分的质量之和；以及τ取0.1T_open和0.7T_open之间的值，其中，T_open是所述电流断续器的打开时间。

5.根据上述权利要求之一所述的致动器系统，还包括

接触弹簧(500)，被布置为当所述电流断续器处于所述闭合位置时被压缩预定距离，从而弹簧力朝向所述固定触头施加在所述可动触头上。

6.根据权利要求5从属于权利要求2-4中任一项时所述的致动器系统，其中

所述接触弹簧与所述减震弹簧共同定位。

7.根据权利要求5或6从属于权利要求2-4中任一项时的致动器系统，其中

所述减震弹簧的弹簧系数与所述接触弹簧的弹簧系数的比率取大于10的值。

8.根据权利要求2-7中任一项所述的致动器系统，还具有

双稳态机构(250)，被布置为在所述电流断续器处于所述闭合位置时，朝向所述可动触头的方向上在所述传动链路上施加力，并且其中

所述减震弹簧提供弹性系数，使得当由所述减震弹簧所施加的力超过由所述双稳态机构所施加的力时，所述减震弹簧的压缩量小于所述减震弹簧的行程的10％。

9.根据上述权利要求中任一项所述的致动器系统，其中

所述减震块的质量处于所述传动链路的质量和所述可动触头质量之和的50-150％的范围内。

10.根据上述权利要求中任一项所述的致动器系统，其中

所述传动链路包括由包括芳族聚酰胺的纤维增强环氧树脂制成的驱动杆(210)。

11.一种断续器系统(800)，包括：

具有可动触头(110)的高压电流断续器(100)；

根据权利要求1-10中任一项所述的致动器系统；其中

所述可动触头连接至所述致动器系统的所述传动链路的所述第一端。

12.根据权利要求11从属于权利要求2-10中任一项时所述的断续器系统，其中

所述减震弹簧将所述传动链路和所述可动触头的总质量分成较远的质量块(M1)和较近的质量块(M2)，其中所述较远的质量块被定位为比所述减震弹簧更远离所述固定触头，所述较近的质量块被定位为比所述减震弹簧更靠近所述固定触头，并且其中

所述较远的质量块与所述较近的质量块的比值处于0.8至1.2的范围内。

13.根据权利要求11或12所述的断续器系统，其中

所述高压电流断续器是真空断续器。

14.一种高压直流断路器，包括根据权利要求11-13中任一项所述的断续器系统。

15.一种高压交流断路器，包括根据权利要求11-13中任一项所述的断续器系统。