CN104685594B - 具有用来与电流方向无关地消灭电弧的装置的直流电开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流电开关，其具有用来与电流方向无关地消灭电弧的装置，其具有至少两个彼此联结的开关单元(12、14、16、18)，其中每个开关单元都具有至少一个带断路器路段(24、26)的电流通路(20、22)，并且每个电流通路具有至少两个用来形成断路器路段(24)的开关触点元件(28、30)；至少一个灭弧装置(32、34)，它从属于开关单元的一个或多个电流通路；以及一个或多个用来生成磁场的装置(36)，其中每个生成的磁场都从属于不同开关单元的断路器路段并且这样定向，即它的场力线基本上垂直于各自的断路器路段，并且至少两个产生的磁场的引开力在电流流动方向按规定流经电流通路时反向地作用在沿着各断路器路段延伸的电弧上，因此至少一个电弧在灭弧装置的方向上引开并且使另一电弧从灭弧装置引离。

Description

具有用来与电流方向无关地消灭电弧的装置的直流电开关

技术领域

本发明涉及一种直流电开关，其具有用来与电流方向无关地消灭电弧的装置。

背景技术

在用于交流电的负载断路开关和功率开关中消灭电弧的基本原理在于，电弧借助其自身的磁场在专门为此设置的灭弧室中运行，它在该处通过灭弧栅片的布局划分为多个小的电弧并且进行冷却。该冷却使电压增高，这最终引起使电流断开。在施加交流电源时，电流的自然过零在此也是有益的。

相反在接通直流电时消灭电弧明显问题更大，因为当直流电压例如高达1500伏时并且电流相对于额定电流较小例如约5...50A(并且取决于当前的开关形状)时，只有电弧自身的小的磁场占上风，它通常不足以将电弧驱动到灭弧室中。另一问题在于，在直流电中不存在自然过零，这额外地使灭弧变得更困难。

因此在极端情况下，在开关直流电时可能在开关的开启触点之间留有电弧，该电弧未消灭并且还可能损坏该开关，尤其损坏开关触点。其它常见的保护机构如断路器同样不能切断电流，因为其通常位于额定电流之下，即对于该保护机构来说存在着运行电流，该运行电流阻止了所述电流切断。

由EP 2 061 053 A2已知，在制造用于直流电应用的开关设备时仍利用用于交流电的开关设备的壳体，并且以较小的花费使该壳体适用于直流电，其方式是：它增加了尤其是设置在壳体外侧上的永磁体。因此明显提高了常规的交流电开关设备的直流电开关能力，因为电弧通过该永久磁场远离开关设备的接触位置移动到灭弧室中。此外，EP 2 061053 A2的原理的优点是，不是像已知的直流电开关设备一样每个分离路段和每个灭弧装置都要分别配备单个的磁铁。

由WO2012/076606A1已知一种开关，它适用于与极性无关的、多极直流电驱动，并且具有至少两个开关箱。每个开关箱都具有两个带灭弧栅片的灭弧室，用来消灭在各自的开关箱中在接触区域之间出现的电弧。两个磁铁在所有开关箱的开关触点区域中这样产生磁场，即与电弧中的电流方向无关地在开关箱的灭弧室的方向上驱动电弧。该开关具有快速、可靠且与电流方向无关的灭弧性能，因此预防由极性引起的装配错误，并且适用于两个电流方向都需要开关的地方。

发明内容

本发明的目的是，建议一种进一步改善的直流电开关。

此目的通过独立权利要求的内容得以实现。本发明的其它构造方案是各从属权利要求的内容。

基于本发明的理念在于，在具有多个开关单元的直流电开关中设置不同定向的磁场，以便引开在分离时产生的电弧。因此，总是能够在灭弧方向上实现所述引开以消灭电弧，并且与待开关的直流电的电流方向无关。按本发明为了引开灭弧装置中的电弧，能够这样来选择用来产生磁场的装置的布局，即电弧通过产生的磁场在一些开关单元中在灭弧装置中引开，并且在其它开关单元中反向地(例如朝直流电开关的开关轴)引开。将电弧例如朝作为开关单元应用的旋转双触点断路器的旋转的双触点断路器开关轴(例如由硬质塑料构成)引开，能够延长且同时冷却电弧，但不会损坏周围的构件。因此，为了将电弧引至直流电开关的开关单元中，按本发明的磁场定向的原理能够提高电压，所述电压升高有助于分离直流电以及拉断电弧。并因此也有助于在高电压时分离小且关键的电流，所述高电压例如可能在前述情况下出现。但尤其在出现故障电流时，例如在光伏设备中应用直流电开关(其电流方向与驱动电流方向相反)，通过本发明能够可靠地消灭出现的电弧，因为电弧按本发明与电流流动方向无关地通过直流电开关得以消灭。

按本发明，用于引开电弧的磁场的结构和定向原则上能够任意地分布。尽可能均匀的分布是有利的，因此在电流流动方向可逆时存在着大致类似的灭弧条件，并且该开关能够与极性无关地可靠地切断电流。本发明尤其用来通过技术上的少量花费的改造应用用于交流电的开关设备，以便接通直流电。

本发明的实施例现在涉及一种直流电开关，其具有用来与电流方向无关地消灭电弧的装置，其具有：至少两个彼此联结的开关单元，其中每个开关单元都具有至少一个带断路器路段的电流通路，并且每个电流通路都具有至少两个用来形成断路器路段的开关触点元件；至少一个灭弧装置，它从属于开关单元的一个或多个电流通路；以及一个或多个用来产生磁场的装置，其中每个生成的磁场都从属于不同开关单元的断路器路段并且这样定向，即它的场力线基本上垂直于各自的断路器路段，并且至少两个产生的磁场的引开力在电流流动方向按规定流经电流通路时反向地作用在沿着各断路器路段延伸的电弧上，因此至少一个电弧在灭弧装置的方向上引开并且使另一电弧从灭弧装置引离。用来生成磁场的装置能够例如具有电磁铁、永磁体和/或线圈。

这些开关单元能够是旋转双触点断路器，并且能够将从灭弧装置引离的电弧引到开关轴或双触点断路器的开关轴区段上。该开关轴或开关轴区段在此能够用来冷却引导到它上面的电弧，使得它折断或消失。旋转的双触点断路器具有两个断路器路段，并且这四个开关触点元件分别通过旋转整体地分开，其方式是：例如两个开关触点元件与开关轴耦合并因此可移动地支承着，而另外两个开关触点元件是固定的。

每个开关单元都分别能具有至少一个磁场生成装置。因此能够为每个开关单元产生自己的磁场，从而根据预定的通过开关单元的至少一个电流通路的电流流动方向，例如通过相应地调节磁场能够确定，在哪个方向上引开产生的电弧。

此外还可规定，例如大致在开关单元的中间由磁场生成装置产生的磁场的引开力作用在沿着各断路器路段延伸的电弧上，使得在电流流动方向按规定流经电流通路时电弧在灭弧装置的方向上引开，并且在其余的开关单元中由磁场生成装置产生的磁场的引开力作用在沿着各断路器路段延伸的电弧上，使得在电流流动方向按规定流经电流通路时电弧在开关单元的有助于消灭电弧的部件的方向上引开。

这些开关单元的部件例如开关单元的开关轴区段或壳体部件能够由可使电弧冷却的材料构成，尤其由硬质塑料构成。示出的是，硬质塑料尤其适合用来冷却电弧，而不会由于电弧出现硬质塑料的损坏。

如果磁场生成装置具有永磁体，则优点是，不需特别供应电能来产生磁场。此外，借助永磁体所做的工作与电磁铁或线圈相比容易维修，且不容易出故障。

直流电开关可指四相的交流电开关，它通过单个开关单元的相应联结构造得用来接通直流电。

本发明的其它优点和应用可能性从以下描述并且结合附图中示出的实施例得出。

附图说明

在后面列出的参考标记清单中使用的概念以及所属的参考标记也应用在描述、权利要求、摘要和附图中。

这些附图示出了：

图1示出了按本发明的用于直流电的负载断路开关的实施例，其具有四个开关单元和四个磁场生成装置；

图2在侧视图中示出了无磁场生成单元的图1的负载断路开关的开关单元以及该单元的开关触点之间的电弧；

图3示出了图2所示的开关单元，其具有用来产生磁场的永磁体，用来根据流经开关单元的电流通路的电流流动方向来引开开关触点之间的电弧；以及

图4示出了图3所示的开关单元，其具有用来消灭朝灭弧栅片引开的电弧的灭弧栅片。

具体实施方式

在下面的描述中相同的、功能上相同且功能上连续的元件能够用相同的参考标记表示。下面只是示例性地说明绝对值，并不看作是对本发明的限制。

图1所示的负载断路开关10(其设置在四相交流电的开关上)具有四个基本上结构相同的开关单元12、14、16和18，用于每个相位N、L1,L2和L3。所用的开关单元12、14、16和18指分别具有两个电流通路和两个断路器路段的旋转双触点断路器，它们相互串联地连接，以便达到需要的高的总电弧电压，并因此抵抗从外面施加的驱动的网络电压，并且尽可能快地熄灭电流。

由于双触点断路器的串联联结，通过电流通路使电流流动方向对每个双触点断路器来说都相同。在图1的旋转双触点断路器中，两个电流通路示例性地用参考标记20和22表示，而两个断路器路段用参考标记24和26表示。

每个双触点断路器12、14、16和18还具有由硬质塑料构成的开关轴区段38，它与(未示出的)开关轴耦合并且与之一起旋转，以便分开或连接断路器路段24和26的触点28、30和29、31。

图2示出了双触点断路器的侧视图。在此可看到，第一电流通路20具有带下方固定触点28的第一断路器路段24，并且还具有带上方可动触点30的开关部位。具有上方可动触点30的开关部位通过开关触点臂40与开关轴区段38耦合，并且能够通过该区段38的旋转而运动，因此能够断开或闭合断路器路段24。相应地，第二电流通路22具有第二断路器路段26，该断路器路段具有上方固定触点31和带下方可动触点29的开关部位，该可动触点同样通过开关触点臂与区段38耦合。这些可动触点29和30因此通过开关轴区段38同步地运动，因此同步地断开和闭合这两个断路器路段24和26。

为了消灭电弧，在每个双触点断路器12、14、16和18中，两个由带电弧灭弧栅片封装32或34构成的灭弧室设置在断路器路段24或26的区域中。这些电弧灭弧栅片封装32或34在此这样设置，即它们消灭电弧，该电弧在预先设定的方向上远离硬质塑料开关轴区段38引导到灭弧栅片32或34中。

在图2的侧视图中示出的双触点断路器中，在两个触点29和31之间示出了未通过磁场引开的电弧42。

为了引开电弧，每个双触点断路器12、14、16和18在其断路器路段24和26中的至少一个的周围分别具有永磁体36的结构(在图1中，只在第二断路器路段26的周围设置永磁体36的结构，但在第一断路器路段24的周围也能够设置有永磁体)。永磁体36的结构在环绕的断路器路段26的区域中产生了磁场，它的场力线基本上垂直于环绕的断路器路段26延伸。此外，永磁体结构的磁场这样极化，即它们在通过电流通路20和22的预定的电流流动方向(驱动电流方向)时产生作用在电弧上的引开力，该引开力使电弧在预先设定方向上引开，典型地朝电弧灭弧栅片封装34引开，或朝硬质塑料开关轴区段引开。按本发明，所产生的磁场中至少两个这样极化，即在驱动电流方向上出现在断路器路段上的电弧朝电弧灭弧栅片封装34引开，并且在另一断路器路段上出现的电弧朝硬质塑料开关轴区段38引开。因此与电流流动方向无关，总是有至少一个电弧朝电弧灭弧栅片封装34引开，另一电弧上朝硬质塑料开关轴区段38引开。

在图1所示的负载断路开关10中永磁体的结构这样选择，即在电流流动方向流经双触点断路器12、14、16和18的电流通路时在驱动电流方向上电弧通过永久磁场在第一和第二双触点断路器12或14引到各自的灭弧室中，并且电弧在两个另外的双触点断路器16和18反向地朝双触点断路器的各自的硬质塑料开关轴区段引开，如同在图1中粗箭头标出的一样。将电弧朝由硬质塑料构成的双触点断路器开关轴区段引开时，延长了并且同时冷却了电弧，但不会损坏周围的构件，该开关轴区段在打开时在双触点断路器的断开位置(Ausstellung)中旋转。这导致了电压的期望上升，并因此还在电压较大时消灭了小的且关键的电流。在以侧视图示出的双触点断路器中由于永磁体36的结构，图3示出了朝硬质塑料开关轴区段38引开的电弧44，并且示出了在电流流动方向转向时沿相反方向引开的电弧46。图4示出了双触点断路器的侧视图，其具有电弧灭弧栅片封装32和34以及引开的电弧44和46。明显可看到的是，电弧46如何引到电弧灭弧栅片封装34中，电弧被它冷却和中断。类似地，朝硬质塑料开关轴区段38引开的电弧被冷却，因此提高了它的电阻，这会导致消除电弧。

如果电流流动方向例如在出现故障时转向，即电流通路逆着预先设定的驱动电流方向流过，则在断路器路段断开时出现的电弧在图1中沿用粗线表示的方向引开。在这种情况下，电弧在双触点断路器16和18中引导到各自的灭弧室中，并且在双触点断路器12和14中朝由硬质塑料构成的各双触点断路器开关轴区段引开。该效果与电流流动方向为驱动电流方向时的一样，因为现在双触点断路器12和14的开关轴区段冷却了引导到它上面且被拉长的电弧。

对于与电流方向无关的电弧消灭来说重要的是，由永磁体36的结构产生的磁场中的至少两个在单个双触点断路器的断路器路段的区域中实现了电弧的反向引导。

原则上，永磁体36的结构还能任意地以其它形式分布。该永磁体结构应该仅仅尽量均匀地分布，因此在电流流动方向反转时存在着类似的灭弧条件，因此该设置能够与极性无关地安全地切断电流。

对应于双触点断路器12、14、16和18的第一断路器路段24的其余的4个接触位置在图1所示的负载断路开关10中没有配备永磁体(因为它们不是必须用来消灭小的关键的电流)。这一点的结果是，在接触位置28和30上的电流较小时电弧通过上面描述的且接触位置之间过小的磁性相互作用而得以保留，既不在电弧灭弧栅片封装32的方向上被驱动，也不朝硬质塑料开关轴区段38被驱动。因此，在关键电流较小的情况下，几乎所有的灭弧工作都由第二断路器路段26的接触位置29和31承担，它们配备有永磁体36.

在电流较高时(约>50A直至过载，例如额定电流的4倍)，则需要尽可能多的灭弧室来消灭电弧(高内能)。因为在高电流情况下在触点28和30之间产生的电弧即使没有永磁体36也由电磁相互作用驱动到灭弧室或电弧灭弧栅片封装32中，所以总是(无论电流方向)提供6个灭弧室(+2个朝开关轴延伸的电弧)，这足以消灭电弧。

参考标记列表

10 用于直流电的负载断路开关

12 第一旋转双触点断路器

14 第二旋转双触点断路器

16 第三旋转双触点断路器

18 第四旋转双触点断路器

20 第一电流通路

22 第二电流通路

24 第一断路器路段

26 第二断路器路段

28 固定触点

29 具有可动触点的开关部位

30 具有可动触点的开关部位

31 固定触点

32 电弧灭弧栅片封装

34 电弧灭弧栅片封装

36 永磁体

38 硬质塑料开关轴区段

40 开关触点臂

42 未引开的电弧

44 朝硬质塑料开关轴区段引开的电弧

46 朝电弧灭弧栅片封装引开的电弧

Claims (7)

1.一种具有用来与电流方向无关地消灭电弧的装置的直流电开关(10)，其具有：

至少两个彼此联结的开关单元(12、14、16、18)，它们相互电串联地连接，其中每个开关单元都具有至少一个带断路器路段(24、26)的电流通路(20、22)，并且每个电流通路具有至少两个用来形成断路器路段(24)的开关触点元件(28、30)；

至少一个灭弧装置(32、34)，它从属于开关单元的一个或多个电流通路；以及

一个或多个磁场生成装置(36)，其中每个生成的磁场都从属于不同开关单元的断路器路段并且这样定向，即它的场力线基本上垂直于各自的断路器路段延伸，并且至少两个产生的磁场的引开力在电流流动方向按规定流经电流通路时反向地作用在沿着各断路器路段延伸的电弧上，因此至少一个电弧在灭弧装置的方向上引开并且使另一电弧从灭弧装置引离；

其特征在于，该开关单元是旋转双触点断路器，并且将从灭弧装置引离的电弧引到双触点断路器(38)的开关轴或开关轴区段上，这些开关单元的部件由可使电弧冷却的材料构成。

2.按权利要求1所述的直流电开关，其特征在于，每个开关单元(12、14、16、18)都分别具有至少一个磁场生成装置(36)。

3.按权利要求2所述的直流电开关，其特征在于，大致在开关单元(12、14)的中间由磁场生成装置产生的磁场的引开力作用在沿着各断路器路段延伸的电弧上，使得在电流流动方向按规定流经电流通路时电弧在灭弧装置的方向上引开，并且在其余的开关单元(16、18)由磁场生成装置产生的磁场的引开力作用在沿着各断路器路段延伸的电弧上，使得在电流流动方向按规定流经电流通路时电弧在开关单元的部件的方向上引开，这些部件有助于消灭电弧。

4.按权利要求1、2或3所述的直流电开关，其特征在于，所述磁场生成装置具有永磁体。

5.按权利要求1、2或3所述的直流电开关，其特征在于，其为四相交流电开关，它通过单个开关单元的相应联结构造得用来接通直流电。

6.按权利要求1所述的直流电开关，其特征在于，开关轴区段或开关单元的壳体部件由可使电弧冷却的材料构成。

7.按权利要求1所述的直流电开关，其特征在于，所述可使电弧冷却的材料为硬质塑料。