CN104685599A - 用于真空开关管的执行装置和断开设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于真空开关管(12)的执行装置(18)，具有：连接元件(20)，其能够与真空开关管(12)的电触点(16)连接；电磁执行部件(28)，用于在第一位置与第二位置之间移动连接元件(20)；保持磁轭(22)，所述连接元件(20)能够相对于该保持磁轭移动，并且所述保持磁轭包括第一磁体元件(24)，其中，所述第一磁体元件(24)在保持磁轭(22)中产生第一和第二磁路；以及铁磁的保持衔铁(26)，其被布置在连接元件(20)上，其中，保持衔铁(26)在连接元件(20)的第一位置处于第一磁路中，而在连接元件(20)的第二位置处于第二磁路中；并且其中，所述连接元件(20)通过在保持磁轭(22)与保持衔铁(26)之间的相应的磁力稳定地保持在第一和第二位置。

Description

用于真空开关管的执行装置和断开设备
技术领域
本发明涉及一种用于真空开关管的执行装置。另外，本发明涉及一种用于断开电流回路的断开设备。
背景技术
在中压和高压开关设备的机械中断单元中，当今经常使用弹簧储能驱动器，作为用于触点系统的机械断开和闭合的驱动器。由此产生需要的最小机构，其将可实现的开关时间例如限定在10至50ms之间的范围。这样的开关时间在用于高压直流传输的电气断开设备中太低级。因此，存在提供相应的执行装置的期望，利用该执行装置能够更快地断开触点。在此特别是希望开关时间在一位数的毫秒范围。
为了能够实现这样的开关时间，例如使用微型气体发生器。其它的可能是，提供相应的爆炸驱动器。此外，提出了将电磁驱动器用于中压范围。在发表于XXIV.th International Symposium on Discharges and ElectricalInsulation in Vacuum,Braunschweig,2010的D.Xiongying等的“Fiber-Controlled Vacuum Interrupter Module Used for Fault CurrentInterruption”中，描述了一种用于真空开关管的执行装置，其包括按照活动线圈原理(Tauchspulen-prinzip)制造的电磁执行器。
另外，在发表于IEEE Transactions on Power Delivery,Vol.21,No.2,2006的J.–M.Meyer等的文章“A DC Hybrid Circuit Breaker With Ultra-Fast ContactOpening and Integrated Gate-Commutated Thyristors(IGCTs)”中，描述了一种包括电磁执行器的用于真空开关管的执行装置。在此，通过永磁体的磁化来实现闭合时的保持力。为了进行断开，使用所谓的汤姆森执行器(Thomson-Aktor)。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种更快且更有效的用于断开和闭合真空开关管的触点的执行装置。
该技术问题通过具有权利要求1的特征的执行装置以及通过具有权利要求5的特征的断开设备来解决。在从属权利要求中给出了本发明的优选扩展。
根据本发明的用于真空开关管的执行装置包括：连接元件，其能够与真空开关管的电触点连接；电磁执行部件，用于在第一位置与第二位置之间移动连接元件；保持磁轭，所述连接元件能够相对于该保持磁轭移动，并且所述保持磁轭包括第一磁体元件，其中，所述第一磁体元件在保持磁轭中产生第一和第二磁路；以及铁磁的保持衔铁，其被布置在连接元件上，其中，保持衔铁在连接元件的第一位置处于第一磁路中，而在连接元件的第二位置处于第二磁路中；并且其中，所述连接元件通过在保持磁轭与保持衔铁之间的相应的磁力稳定地保持在第一和第二位置。
所述执行装置用于断开和闭合真空开关管的电触点。真空开关管通常具有一个固定的电触点和一个可移动的电触点。所述执行装置包括连接元件，其能够与真空开关管的一个电触点，特别是可移动的电触点连接。此外，所述执行装置包括电磁执行部件，利用该电磁执行部件能够在第一和第二位置之间移动连接元件。通过连接元件与真空开关管的触点的共同作用，使得在连接元件的第一位置能够断开真空开关管的触点，而在连接元件的第二位置能够闭合真空开关管的触点。在连接元件处布置有保持衔铁，其由铁磁材料制成。此外，所述执行装置包括保持磁轭，在该保持磁轭处布置有第一磁体元件，或者在该保持磁轭中集成有第一磁体元件。
所述保持磁轭相对于连接元件固定地构造。因此，连接元件能够相对于保持磁轭移动。保持磁轭和保持衔铁现在如下构造，使得既在第一位置也在第二位置，沿着保持衔铁、第一磁体元件和保持磁轭形成磁路。换言之，提供一种双稳定的执行装置，利用该执行装置使得连接元件由于磁力稳定地保持在第一和第二位置。由此，不必为了使连接元件保持在第一或第二位置而施加电能。因此，所述执行部件能够特别高效节能地运行。
电磁执行部件优选具有第二磁体元件和可相对于第二磁体元件移动的线圈元件，该线圈元件与连接元件相连。为了使连接元件能够从第一位置向第二位置来回移动，使用电磁执行部件。所述电磁执行部件包括线圈元件，第二磁体元件至少局部地包围该线圈元件。通过流过线圈元件的电流的极性，能够使得线圈元件相对于第二磁体元件移动。由此能够以简单的方式移动连接元件。在此，能够在省去所有铁磁场引导的情况下构造第二磁体元件。特别地，可以仅由永磁体构成第二磁体元件。在此，也可以按照所谓的哈尔巴赫阵列(Halbach-Array)的类型构造第二磁体元件。在此，第二磁体元件可以包括多个永磁体，其磁化方向互相分别沿着延伸方向倾斜90度。由此可以放大在至少局部地包围线圈元件的第二磁体元件的区域内的磁通量。由此可以提供特别有效的执行驱动器来移动连接元件。
在另一种实施方式中，将第一和第二磁体元件整体构造成一个磁体装置。换言之，能够将电磁执行部件的第二磁体元件与保持磁轭的第一磁体元件合并。这使得能够例如在执行装置中使用单个永磁体。
在另一种构造中，将保持衔铁和线圈元件整体构造成线圈装置。保持衔铁和线圈元件可以合并成公用的集成的线圈装置或线圈组件。由此可以节省安装空间，并且减轻执行装置的重量。
此外，根据本发明，提供一种用于断开电流回路的断开设备。该断开设备包括：至少一个真空开关管，该真空开关管具有两个电触点；和至少一个以上描述的执行装置，其中，至少一个执行装置的连接元件与至少一个真空开关管的触点之一连接，使得在连接元件的第一位置断开触点，而在连接元件的第二位置闭合触点。
所述断开设备能够用于断开电连接，特别是高压连接。该断开设备包括至少一个开关管，其例如可在市场上获得。这样的真空开关管例如可以具有24kW交流电压的额定电压，2kA的额定运行电流和0.9kg质量的移动的接触片。执行装置的连接元件直接与真空开关管的可移动的触点连接。由此可以提供对于真空开关管的直接驱动，并且由此不需要意味着附加移动质量的附加组件。
在一种实施方式中，所述断开设备包括控制装置，用于控制流过至少一个执行装置的线圈元件的电流，该控制装置被构造为，如果连接元件接近第一或第二位置，则减小流过线圈元件的电流。利用断开设备的控制装置，能够调整流过线圈元件的电流。由此能够以简单的方式控制与线圈元件机械地固定连接的连接元件的移动。通过电磁执行部件的简单结构，可以实现特别快的开关时间。由此可以控制电磁执行部件，使得经由连接元件的移动使真空开关管的电触点在形式规定的时间段(例如2ms)中经过预定的路径(例如4mm)。
如果连接元件要从一个位置移动到另一个位置，则可以首先提高在线圈元件中的电流强度。由此能够使连接元件加速。如果连接元件接近第一或第二位置，则可以再降低在线圈元件中的电流强度。由此降低连接元件的移动速度。在此也可以设置为，反转流过线圈元件的电流的极性。由此产生与连接元件的移动速度方向相反的制动力。由此可以防止保持衔铁在一个位置上碰撞保持磁轭，由此保持磁轭或保持衔铁被损坏或者在持续运行中被磨损。
控制部件优选包括具有半导体开关的桥式电路。桥式电路可以特别地构造成全桥或H桥。可以使用MOSFET晶体管或IGBT作为半导体开关。由此可以实现对线圈元件的高效节能的控制。
在另一种构造中，断开设备具有阻尼元件，用于降低连接元件的移动速度。除了电气控制之外，在断开设备中还可以设置机械或液压阻尼器，利用其在连接元件的第一或第二位置的相应的区域中降低连接元件的移动速度。特别是可以使用机械或液压阻尼器作为阻尼元件，该阻尼器将连接元件的动能基本转换成摩擦热。由此能够以简单的方式制动连接元件的移动。
在另一种构造中，断开设备具有紧急开关元件，用于闭合真空开关管的触点。在开关发生故障的情况下，即如果真空开关管由于电磁执行部件发生故障而不能闭合，则可以执行紧急操作。为此而使用的紧急开关元件可以由热元件(Pyroelement)或由未锁定的拉紧的弹簧构成。由此可以在紧急情况下以简单的方式再次闭合真空开关管。
在一种实施方式中，断开设备包括两个执行装置和两个真空开关管，其中，控制部件被构造为，在时间上互相错开地控制流过两个执行装置中的第一执行装置的线圈元件的电流和流过两个执行装置中的第二执行装置的线圈元件的电流。例如可以反向地接通两个执行装置的电磁执行部件。由于向外的冲击中立可以实现良好的机械稳定性。
附图说明
现在，根据附图详细解释本发明。在此：
图1在示意图中示出了断开设备；
图2示出了断开设备的控制部件；
图3示出了断开设备的真空开关管的触点的位置的时间曲线；
图4示出了触点的速度的时间曲线；
图5示出了流过断开设备的线圈元件的电流强度的时间曲线；
图6示出了在控制部件的电容器上的电压的时间曲线；
图7示出了按照第二实施方式的断开设备；以及
图8示出了按照第三实施方式的断开设备。
具体实施方式
以下详细描述的实施例仅是本发明的优选实施方式。
图1在示意图中示出了断开设备10。断开设备10包括真空开关管12。真空开关管12用于断开电连接线，特别是高压电线。真空开关管12包括一个固定触点14和一个可移动的触点16。此外，断开设备10包括执行装置18。执行装置18包括连接元件20，其与可移动的触点16和真空开关管12机械地连接。通过移动连接元件20能够移动可移动的触点16，也就是说能够断开或闭合真空开关管12。
此外，执行装置18包括两个保持磁轭22。每个保持磁轭22固定地布置在连接元件20上。在保持磁轭22上布置有第一磁体元件24。第一磁体元件24可以由永磁体构成。第一磁体元件24也可以集成在各自的保持磁轭22中。此外，执行装置18包括保持衔铁26，其与连接元件20机械地连接。沿着保持衔铁26、第一磁体元件24和保持磁轭，在这里示出的连接元件20的第一位置，形成第一闭合磁路。在所示出的第一位置，真空开关管12的电触点14、16被断开。
为了使真空开关管12的触点14、16闭合，必须将连接元件20从第一位置移动到第二位置。为此，使用电磁执行部件28。电磁执行部件28包括第二磁体元件30。第二磁体元件30包括多个永磁体32。在示出的情况中，第二磁体元件30包括两个彼此在空间上分离的永磁体32的布置。通过箭头34表示各个永磁体的磁化方向。此外，电子机械执行方向30包括线圈元件36。线圈元件36与连接元件20机械地连接。在此，永磁体32被布置为，该永磁体至少局部地包围线圈元件36。线圈元件36具有相应的绕组38，该绕组在其被永磁体32包围的区域中垂直于永磁体32的磁化方向延伸。
此外，断开设备10包括控制部件40。利用控制部件40能够控制在线圈元件36中的电流。如果线圈元件36被施加第一极性的电流，则连接元件20从第一位置向第二位置移动。如果线圈元件36被施加第二极性的电流强度，则连接元件从第二位置又向第一位置移动。
图2示出了控制部件40的电路布置。控制部件40包括桥式电路42，其被构造成H桥或全桥。桥式电路42包括半导体开关元件，其例如被构造成晶体管或IGBT，并且其分别包括反向连接的二极管46。此外，桥式电路42包括电容器48，其通过预充电部件50供电。通过桥式电路42能够简单地调节流过线圈元件36的电流。
图3示出了可移动的触点元件16的位置p关于时间t的曲线52。在执行装置18工作时，应当控制连接元件20，使得可移动的触点16首先从第一位置开始向第二位置加速。在到达第二位置之前，必须降低第二触点元件的速度v。这在图4中在曲线54中示出。由此可以防止连接元件20或保持衔铁26在第二位置碰撞保持磁轭22。为此，首先提高流过线圈元件36的电流。随后反转电流的极性，由此产生与可移动的触点16的移动速度v方向相反的制动力。通过图5中的曲线56示出了流过线圈元件的电流强度I的时间曲线。图6在曲线58中示出了在电容器48上的电压U。
图7示出了按照另一种实施方式的断开设备10。该断开设备10包括紧急开关元件60。紧急开关元件60可以包括热元件或拉紧的弹簧。在紧急情况下，即在电磁执行部件28发生故障时，可以借助紧急开关部件60使连接元件20从第一位置向第二位置移动。由此可以闭合电触点14、16。
最后，图8示出了断开设备10的另一种实施方式。这里示出的断开设备10包括两个真空开关管12、12′，其分别如以上结合图1解释的那样与执行装置18和18′连接。在示出的情况中，仅使用一个控制部件40，利用该控制部件既能控制线圈元件36，也能控制第二执行装置18′的线圈元件36′。在此，通过控制装置40控制线圈元件36、36′，可以反向接通第一执行装置18和第二执行装置18′的电磁执行部件30、30′。由于冲击中立，能够实现良好的机械稳定性。

Claims (10)

1.一种用于真空开关管(12)的执行装置(18)，具有：
-连接元件(20)，其能够与真空开关管(12)的电触点(16)连接；和
-电磁执行部件(28)，用于在第一位置与第二位置之间移动所述连接元件(20)，
其特征在于，
-保持磁轭(22)，所述连接元件(20)能够相对于该保持磁轭移动，并且所述保持磁轭包括第一磁体元件(24)，其中，
-所述第一磁体元件(24)在所述保持磁轭(22)中产生第一和第二磁路；以及
-铁磁的保持衔铁(26)，其被布置在所述连接元件(20)上，其中，
-所述保持衔铁(26)在所述连接元件(20)的第一位置处于第一磁路中，而在所述连接元件(20)的第二位置处于第二磁路中；并且其中，
-所述连接元件(20)通过在所述保持磁轭(22)与所述保持衔铁(26)之间的相应的磁力稳定地保持在第一位置和第二位置。
2.按照权利要求1所述的执行装置(18)，其特征在于，所述电磁执行部件(28)具有第二磁体元件(30)和能够相对于所述第二磁体元件(30)移动的线圈元件(36)，该线圈元件与所述连接元件(20)连接。
3.按照权利要求1或2所述的执行装置(18)，其特征在于，所述第一和第二磁体元件(24，30)整体被构造成一个磁体装置。
4.按照上述权利要求中任一项所述的执行装置(18)，其特征在于，所述保持衔铁(26)和所述线圈元件(36)整体被构造成线圈装置。
5.一种用于断开电流回路的断开设备(10)，具有：
-至少一个真空开关管(12)，该真空开关管具有两个电触点(14，16)；和
-至少一个按照权利要求1至4中任一项所述的执行装置(18)，其中，至少一个执行装置(18)的连接元件(20)与所述至少一个真空开关管(12)的触点(14，16)之一连接，使得在所述连接元件(20)的第一位置断开所述触点(14，16)，而在所述连接元件(20)的第二位置闭合所述触点(14，16)。
6.按照权利要求5所述的断开设备(10)，其特征在于，所述断开设备(10)包括控制部件(40)，用于控制流过所述至少一个执行装置(18)的线圈元件(36)的电流，所述控制部件被构造为，如果所述连接元件(20)接近第一或第二位置，则减小流过所述线圈元件(36)的电流。
7.按照权利要求5或6所述的断开设备，其特征在于，所述控制部件包括具有半导体开关的桥式电路。
8.按照权利要求5至7中任一项所述的断开设备(10)，其特征在于，所述断开设备(10)具有阻尼元件，用于降低所述连接元件(20)的移动速度。
9.按照权利要求5至8中任一项所述的断开设备(10)，其特征在于，所述断开设备(10)具有紧急开关元件(60)，用于闭合所述真空开关管(12)的触点(14，16)。
10.按照权利要求5至8中任一项所述的断开设备(10)，其特征在于，所述断开设备(10)包括两个执行装置(18，18′)和两个真空开关管(12，12′)，其中，控制部件(40)被构造为，在时间上互相错开地控制流过两个执行装置中的第一执行装置(18)的线圈元件(36)的电流和流过两个执行装置中的第二执行装置(18′)的线圈元件(36′)的电流。
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