CN104541353A - 脱离重合器 - Google Patents

Abstract

一脱离重合器，其能根据其操作程序，在一预定次数的故障中断操作后，例如1次、2次、3次或更多，通常是3次后，脱离一断流器自由悬挂在该断流器的一铰链触点上，以一明显可见的间隔实现分断。该重合器包括故障中断和重合部件，一脱离机构和一控制器。该脱离机构可包括一用于对故障中断操作和脱离操作产生影响的双稳态驱动器。该装置可包括运动限制机构。该重合器可包括多个操作模式或序列。

Description

脱离重合器

技术领域

本发明涉及电力传输和分配系统的故障检测、故障隔离和保护装置、分段器和重合器，尤其是涉及能够自行重合、脱离的重合器装置和方法。

背景技术

在此引入2008年7月16日提交的美国专利申请No.12/095,067的公开内容，该申请的申请人与本申请相同，该公开内容描述了一种采用自具（self-contained）设计的故障中断和重合装置。该装置适合于使用在常规的断流器中，提供故障检测和故障中断、重合/运行的恢复和带有可见间隙的脱离分段。对应的商业产品是由美国伊利诺伊的芝加哥的S&C电力公司以商标TripSaver推出和销售的脱离重合器。该产品受到广泛好评，被授予2008R&D大奖赛获胜者和2007芝加哥创新大奖赛获胜者，而且也获得了商业成功。

附图说明

图1为按照本申请描述的实施例的一脱离重合器与一断流器电性连接的侧视图。

图2为图1所示的脱离重合器处于脱离位置的侧视图。

图3为图1所示的脱离重合器的侧视透视图，其中，外罩部分用虚线表示以便于展现设置在其中的零件。

图4为图1所示的脱离重合器的侧视透视图，其中，外罩部分被移去以便于展现该脱离重合器的内部零件。

图5为图1所示的脱离重合器的侧视图，其中，外罩部分被移去以便于展现该脱离重合器的内部零件。

图6为图5沿6-6线获得的示意图，其描绘出该脱离重合器的底部外罩部分和设置在其中的显示装置。

图7为一能被用在图1中的脱离重合器的耳轴的侧视透视图。

图8为图7所示的耳轴设于一断流器的下部触点组件中的放大图。

图9为一适用于包括图1所示的脱离重合器在内的各种设备的驱动器的侧视图。

图10为图9所示的驱动器的透视图。

图11为图9所示的驱动器处于第一位置时的示意图。

图12为图9所示的驱动器处于与图11所示的第一位置不同的第二位置时的示意图。

图13为图9所示的驱动器的局部透视图。

图14为图9所示的驱动器的剖视图。

图15为图9所示的驱动器的替代实施例的剖视图。

图16为用于决定例如图9所示的驱动器的位置的电路。

具体实施方式

图1展示了一和断流器102连接在一起的脱离重合器100（在本申请中被称为脱离重合器100或重合器100）。断流器102具有如美国伊利诺伊州芝加哥的S&C电力公司的XS型号断流器一样的常规结构。断流器102包括一安装件104，一绝缘器106，第一弹簧偏压触点108和第二铰链触点110。铰链触点110包括一形成有一枢接槽114和一整体固定构件116的铰链部112。描述和描绘断流器102是为了有助于接下来关于脱离重合器100的结构和操作的论述。

重合器100包括一用于重合器100的外罩120。外罩120可以是一体成型结构或是由各外罩部分组装而成。如图所示，外罩120包括第一部分和第二部分。重合器100包括具有枢轴124的耳轴或端子122。耳轴122从图示的外罩120的侧部延伸出来。重合器100还包括一柱状的触点或端子126，其安装在图示的外罩120的顶部。铰链部112，特别是枢接槽114，容纳有耳轴122和枢轴124，且弹簧偏压触点108接合触点126，从而将重合器100固定在断流器102上，并将重合器100电连接到断流器102上。

重合器100是一脱离重合器。脱离重合器能根据其操作程序，在一预定次数的故障中断操作后，例如1次、2次、3次或更多，通常是3次后，脱离断流器102自由悬挂在铰链触点110上，以一明显可见的间隔实现分断。如将要描述的，重合器100包括故障中断和重合部件、一脱离机构和一控制器。连接到耳轴122的脱离机构容许整个重合器100相对于耳轴122，沿着图1中箭头“A”方向平动和/或铰接。重合器100的这个动作从触点108释放触点126，使重合器100自由绕着铰链112中的枢轴124旋转。图2展示了重合器100从断流器102释放后到达一脱离位置。

图3-5是外罩120内部的重合器100的操作部件的示意图。重合器100的一个优点在于，不仅仅是故障隔离/重合部件，脱离机构中除了耳轴122从外罩120向外延伸的部分外均是被容纳在外罩120中的。因此，重合器100拥有极佳的抗气候性。在耳轴122延伸穿过处，密封件132和密封带134为外罩120提供了防风雨密封。

触点126延伸穿过与一D环柄140和一缓冲块142形成一体的一套管138，缓冲块142装配有绝缘减震144。延伸穿过套管138，触点126电连接到真空断路器152的第一侧150，真空断路器152通过一螺纹紧固件154固定在外罩120内，并通过形成于外罩120内的套筒构件156接合一真空断路器引导构件155。如此，触点126连接到了真空断路器152的一静触点（图中未示出）。柔韧的触点组件160电连接到真空断路器152的一动触点（图中未示出），因此，触点126在外罩120内通过端子构件162（一中间柔性导体未在图中示出）电连接到一电源和感测组件166，并通过导体168从感测组件166电连接到耳轴122。

真空断路器152的动触点连接到一在外罩120内延伸至一驱动器172的驱动杆170。偏压弹簧176连接到杆170上从而在杆170上施加偏压力。后文将描述，驱动器172可以是双线圈、双稳态的电磁螺线管。

主框架板180固定在外罩120中，其向电源、感测组件166、驱动器172、电子控制模块186和脱离组件190提供固定安装的基础。密封件193确保了外罩120对该主框架板的防风雨密封。磁控开关组件191连接到控制模块186并由一选择器130致动。控制模块进一步连接到显示器198（图6）。

重合器100设计为能处理高达或甚至高于34.5kV的工作电压，且处理高达或甚至大于4000A的故障电流。因此为其结构需要选用合适的导电材料和绝缘材料。

脱离组件190包括两个安装在枢轴196和198上的互相配合的操作部件192和194。一螺线管驱动器（图中未示出）与部件192相配合。部件194连接到一铰接耳轴座200。驱动器驱动部件192和部件194释放拉片202。在重合器100的重量作用下，部件192和部件194旋转，并沿着表面204和表面206滑动。耳轴122响应其与部件194的配合来铰接，重合器100相对于断流器102平动，以允许重合器100从图1所示的连接位置向图2所示的脱离形态进行脱离。

为了控制并限制重合器100在脱离过程中的旋转运动，枢轴124可以设置有运动限制构件210。构件210可以是和枢轴124一体成型的径向延伸臂。

图8中最佳可见，构件210与铰链槽114的保持构件116相配合，从而限制在脱离过程中重合器100移动经过的弧线。然而，重合器100在构件210和构件116接触时不会突然停止运动；重合器100有利地利用自身重量以实现缓慢的转动及缓冲。当构件210接触到构件116，它们撬动耳轴122以使其平动，并因此实现重合器100在枢接槽114中的平动。这一运动在图8中以虚线显示。在脱离过程中使得重合器100举起自身重量，快速地消耗了脱离的能量。

作为图7和图8所示的径向臂210的替代方式，销可以被适配到耳轴122或其他结构上，其最终能与铰链槽114的一个部分相配合以消耗脱离的能量，并因此减少旋转行程和振荡。

图7还展示了耳轴122的连接套筒构件212，其延伸进入外罩120并实现了对脱离机构的连接。可以使用一螺纹紧固件（图3-5）固定耳轴122。耳轴122也可以设有钩环214，以便于用一常用的钩棒将重合器100安置入断流器102。

重合器100利用驱动器172驱动真空断路器152的动触点从一闭合位置到一断开位置，反之亦然。这是通过向连接杆170施加轴向力实现的。驱动器172可以是具有两个稳定状态的装置，这两个稳定状态对应于真空断路器152的接触闭合位置和接触断开位置，即具有锁闭能力，同时其仍提供足够的驱动力，以在故障电流情况下断开真空断路器152的接触，以及快速地闭合接触。

驱动器

图9-15所示的驱动器300可以被用到重合器100中。驱动器300由双稳态型操作器制成，且包括从一个或多个扁平磁体传输磁通量到操作器的极片。扁平磁体容易制作和磁化。另外，驱动器300不借助胶水或黏合剂将磁体以及极片稳定并安置在常规线圈轴的模腔内。双稳态驱动器的结构和操作原理在附录A中描述。

如图所示，驱动器300包括使永磁体306和308聚集围绕在一操作器/活塞310周围的两个极片302和304，合适的永磁体例如包括NdFeB磁体。安装在框架320内的单一线轴318上的两个线圈312和316（图9）使活塞310在两个稳定状态间切换，合适线圈例如包括250T线圈。框架可以是由4块合适的金属或者非金属结构材料的板构成的简单结构。驱动器300在其行程的各末端闭锁（图11和图12），且提供力以便于从其中一末端切换到另一末端以及驱动载荷。线圈312和316将来自磁体306和308的磁力线从活塞310的一端切换到另一端。

线圈轴318包含一线性支承面，以便于引导、支撑和约束移动的活塞310，同时防止在中心磁极面界面处形成一摩擦界面，否则在中心磁极面界面处会形成一妨碍移动的摩擦制动。替代地或额外地，可以采用一不粘表面，如特氟龙或者其它防滑表面，以允许驱动器300的适当操作。

极片302和304具有大致呈方形截头锥立方体的结构，其具有凸表面330和332，以及方形平基面334和336。方形平基面334和336在形状上大致对应磁体306和308的方形平表面。极片302和304的方形截头锥立方体结构起到将磁体306和308的磁通量围绕活塞310聚集的作用。极片可以由任何合适的磁通量聚集材料制成。合适的材料应当具有高导磁率和低能量损失。这些材料包括，例如含铁金属和含铁金属的层压的、同质的、基质的或其他合适形式的合金。

更佳地，驱动器300利用廉价的扁平磁体306和308，以避免使用径向带电磁体的困难，且相对于现有的直接的磁面，获得了从更大范围选择磁体面积、长度和磁极面面积的灵活性。

驱动器300采用了能减少其他途径产生的损耗的全环绕中心极区域340。通过环绕移动部件（操作器/活塞310）的外围的大部分，极片302和304减少了泄漏产生的损耗，避免了极区域与活塞面的比值的限制。（例如）5平方英寸的磁体面积可以被有效利用到3平方英寸的移动部件，不管移动部件为了传递磁通量而采用怎样的形状。

实际上可以采用任意数量的极片。图9-14显示了采用极片302和304共两个极片的机构。图15展示了采用极片402、404、406和408共四个极片的驱动器400，极片402、404、406和408连接到磁体410、412、414和416，作用于操作器418。四个极片402、404、406和408，磁体410、412、414和416以及操作器418均保持在用于线圈（图中未示出）的线轴420内。

位置检测

用于重合器100的驱动器172和驱动器300（可以用在驱动器172提供的运用中的一个驱动器的特别实施例）具有两个稳定的位置。在操作中，可能有必要确定驱动器的位置。相关地，在重合器100中，驱动器172的位置对应了真空断路器152的动触点的闭合或断开位置。一种方式是采用一传感器去探测驱动器的位置。该方式增加了成本和复杂性。最好不通过增设传感器或其他装置来确定驱动器的位置。

此处描述的驱动器实施例中，以及与此有关的相似结构的驱动器中，采用两个线圈在驱动器的两个稳定位置间驱动驱动器。例如，在驱动器172中，采用两个线圈从而在真空断路器152的闭合和断开接触位置之间驱动驱动器。在驱动器300中，采用两个线圈312和316从而在其两个稳定位置之间驱动驱动器。

图16提供了两个线圈、两个位置双稳态驱动器的电路图。接头500设置在第一线圈502和第二线圈504之间（内阻也被显示）。一下拉电阻连接到接头500上。开关506、508、510和512实现了选择性使线圈502和504通电以操作驱动器。开关506、508、510和512还实现了如描述的那样选择性向线圈502和504发出脉冲以确定驱动器的操作器的位置。接头500处设有电压传感器，另外，驱动器，即线圈也设置有电压和电流传感器。图中也展示了电容。

为了确定操作器的位置，一个短电压脉冲（或电流脉冲）被施加到线圈502和504上。相对的线圈反馈显示出哪个线圈具有打开间隙，由此得出操作器的位置。

如图16所示，两个串联的线圈502和504具有相同的线圈结构。施加一个线圈功率的短脉冲后，线圈之间的中心接头感应到相对的电压。带有较高压降的线圈具有关闭的磁隙。当然该些线圈可以是具有不同结构的，例如具有不同数量或不同方式的绕组。使用这些线圈时是通过校准来确定指示的压降。

进行位置检测的方式的一个例子是，施加线圈功率1/4毫秒，同时检测串联的线圈502和504之间的中心接头500处的相对电压。具有关闭间隙的线圈（502或504）会具有高于施加电压的1/2的电压。向线圈502和504施加电压或电流的短暂时间，小于能够影响操作的最小机械反应时间。也可以选择线圈的极性以驱使驱动器至其当前的位置，即，关闭闭合的驱动器，或打开已打开的驱动器。当前驱动器的位置可以基于最近探测到的位置，或者最后的打开或闭合的命令。为了实质上限制驱动器改变状态的可能性，脉冲持续时间是释放驱动器所需的脉冲时间的一个非常小的百分比。比如，当减少支持力到一释放水平所需的最小脉冲时间大于5毫秒时，可以使用1/4毫秒的脉冲。这个例子中为小于5%的释放脉冲时间。

在重合器100中，三线连接器240将驱动器172，即两个线圈和中间接头，连接到控制器186，用于操作装置。控制器186被编程以提供各种操作序列，例如故障跳闸，重合，故障跳闸，脱离；一次跳闸到脱离；操作计数，真空断路器终结服务决定，诸如此类。通过对臂130和磁力开关191的操作可以选择各种操作模式。另外，显示器198上可以显示装置操作模式，状态，诸如此类。

因此，对臂130的操作可以使控制器186以一滚屏的方式将各种装置信息显示在显示器上，或者对臂130的操作可以实现显示信息的选择。对臂130的另外的操作可以实现装置操作参数的设置和修改。例如，装置可以被设置为以标准重合模式操作（在分段前进行1次或多次重合尝试），以分段模式（第一次故障指示后分段）操作，以故障承受模式操作等。

可以在重合器100检测到故障电流超出装置的额定断路功率（interrupting rating capability）时调用故障承受模式。在这种情况下，重合器100可以保持其状态，即该装置保持在闭合状态，直到得到其他保护装置，例如上游的断路器已工作的指示。一旦检测到上游的装置已工作，例如检测到电压的损失，就使重合器100在本次间隔期间脱离。替换地，该装置被设置为故障计数，即确定出现可选的/可设置的数量的超额故障电流情况后，在接下来的合适的打开间隙期间脱离。对等于或低于重合器100的额定断路电流（current interrupting rating）的故障电流的检测，实现了其按照其电流操作设置的操作。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种用于在电路中中断电流的装置，该装置设置成适合装入连接该电路的一断流器，该装置包括一第一外部电性触点和一第二外部电性触点，该第一和第二外部电性触点连接到一设置在该装置的一外罩中的真空断路器，该真空断路器具有相对于一第二触点可活动的一第一触点，用于闭合或断开该第一外部电性触点和该第二外部电性触点之间的一电路，并对由连接于该第一触点的一驱动器施加在该第一触点上的力做出反应，该驱动器是双稳态机电驱动器，且该驱动器具有一第一机械稳定位置，该第一机械稳定位置对应于该第一触点相对于该第二触点的一闭合位置，该驱动器还具有一第二机械稳定位置，该第二机械稳定位置对应于该第一触点相对于该第二触点的一断开位置。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置在一预定数量的真空断路器中断电路电流的操作后，能够脱离该断流器。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该驱动器包括扁平磁体，作为对连接该些扁平磁体的第一和第二线圈的选择性通电做出的反应，扁平磁体通过相关的极片作用到一操作器，从而驱动操作器到两个位置中的一个，并在该操作器被驱动到两个位置中的该一个时，将该操作器稳定在两个位置中的该一个处。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，一框架包括一线轴，该第一和第二线圈缠绕在该线轴上，且该些扁平磁体和极片固设在该框架内。

5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，该些极片具有一大体上的方形截头锥立方体结构，且各具有一凸表面和方形平基面，该方形平基面在形状上大体与相关联的扁平磁体的一方形平表面相对应。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该驱动器包括磁体，作为对连接该些磁体的线圈的选择性通电做出的反应，该些磁体作用到一操作器，从而驱动操作器到两个位置中的一个，并在该操作器被驱动到两个位置中的该一个时，将该操作器稳定在两个位置中的该一个处。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置包括用于确定该双稳态驱动器的位置是处于该第一机械稳定位置还是该第二机械稳定位置的部件。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置包括一连接在该双稳态驱动器的第一和第二线圈之间的电路，该电路包括一设置在该第一和第二线圈之间的电压接头，且该电路还被设置为选择性地向该第一和第二线圈发出脉冲，并感测该接头处的一电压，从而确定该双稳态驱动器的位置是在该第一机械稳定位置还是在该第二机械稳定位置。

9.一种用于在电路中中断电流的装置，该装置设置成适合装入连接该电路的一断流器，该装置包括一第一外部电性触点和一第二外部电性触点，该第一和第二外部电性触点连接到一设置在该装置的一外罩中的真空断路器，该真空断路器具有一相对于一第二触点可活动的第一触点，用于闭合或断开该第一外部电性触点和该第二外部电性触点之间的一电路，并对由连接于该第一触点的一驱动器施加在该第一触点上的力做出反应，该装置具有用于与该断流器的一铰链部分相配合的一耳轴，该耳轴设置有这样的构件，该些构件在该装置从断流器脱离时与该铰链部分相配合，从而限制该装置在该铰链部分中的转动。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，该些臂对该装置在该铰链部分中的举升产生影响，由此利用该装置的重量去减慢该装置在该铰链部分中的转动。

11.如权利要求9所述的装置，其特征在于，该装置包括用于在该装置从该断流器脱离时限制该装置的脱离转动的部件。

12.一种用于在电路中中断电流的装置，该装置设置成适合装入连接该电路的一断流器，该装置包括一第一外部电性触点和一第二外部电性触点，该第一和第二外部电性触点连接到一设置在该装置的一外罩中的真空断路器，该真空断路器具有一相对于一第二触点可活动的第一触点，用于闭合或断开该第一外部电性触点和该第二外部电性触点之间的一电路，并对由连接于该第一触点的一驱动器施加在该第一触点上的力做出反应，该装置包括可选的操作序列，该些操作序列能够通过一设置在该外罩内的开关选择，该开关被一设置在该外罩外的臂磁性地驱动。

13.一种用于在电路中中断电流的装置，该装置设置成适合装入连接该电路的一断流器，该装置包括一第一外部电性触点和一第二外部电性触点，该第一和第二外部电性触点连接到一设置在该装置的一外罩中的真空断路器，该真空断路器具有一相对于一第二触点可活动的第一触点，用于闭合或断开该第一外部电性触点和该第二外部电性触点之间的一电路，并对由连接于该第一触点的一驱动器施加在该第一触点上的力做出反应，该装置具有多个可选的操作模式。

14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，该可选的操作模式包括一标准重合模式、一分段模式和一故障承受模式。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，该故障承受模式包括：仅在检测到一电路情况指示了连接到该电路的另一装置的操作时，进行操作。

16.如权利要求13所述的装置，其特征在于，一可选的操作模式包括在一被选择的电流下进行操作，该被选择的电流小于该装置的额定电流。