CN106253120A - 一种集断路器和隔离开关为一体的固体绝缘开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集断路器和隔离开关为一体的固体绝缘开关，包括断路器和隔离开关，断路器包括断路器本体和断路器操作机构，隔离开关包括隔离开关本体和隔离开关操作机构，所述断路器本体和隔离开关本体主要由真空灭弧室组成，两个真空灭弧室通过软连接导电体串联连接；所述断路器操作机构采用单线圈永磁机构，所述隔离开关操作机构、以及隔离开关操作机构与隔离开关真空灭弧室之间的连接结构采用直线推进结构。本发明将两个真空灭弧室以及其它带电部件固封在一个绝缘箱内，从而整个开关中没有裸露的带电部件，实现了全绝缘，同时采用三相间隔设计，分相绝缘，可彻底杜绝相间故障发生的可能性，使运行更加安全可靠，也使开关体积更加紧凑。

Description

一种集断路器和隔离开关为一体的固体绝缘开关

技术领域

本发明涉及一种集断路器和隔离开关为一体的固体绝缘开关，属高压电器领域。

背景技术

目前电力系统12KV环网柜的主流产品是以SF6气体绝缘环网柜为主，而SF6气体是《京都议定书》中列出的六种温室效应气体之一，减少使用或停止使用SF6气体，无疑对减少温室气体排放、减缓气候变暖具有积极作用。

气体绝缘环网柜的特征是将开关及相关带电部件整体封闭在SF6气箱中，用SF6气体作为灭弧介质，同时作为带电体相间及相对地的绝缘介质。SF6气体化学性质非常稳定，具有优异的绝缘性能和灭弧性能，SF6环网柜的体积小，结构紧凑，不受外界环境因素的影响，适应性强。气体绝缘环网柜的柜型有单元式和共箱式两种形式，无论哪种型式的产品，都需要将SF6气体充进密封的气箱内或开关内，其箱内的气体压力大约是大气压力的6倍，无论密封有多么好，气体的泄漏是不可避免的，一旦发生SF6气体泄漏或者SF6气体遇低温液化，其开断性能和绝缘性能就不能够保证，如果开断失败，则可能引发严重的事故，甚至可能发生爆炸，危及人身和设备安全。SF6气体会在高温电弧作用下产生高毒性分解物，影响人类的健康。SF6气体也会产生温室效应，危害自然环境。为了取消使用SF6气体，采用固体绝缘是可行的方法之一。

通常情况下，在空气绝缘的开关设备中，断路器和隔离开关是两个独立的一次元件，其相间和相对地的绝缘距离须≥125mm，占用的空间较大，因此开关设备的整机体积也较大。由于相间和相对地采用的是空气绝缘，导电部件暴露在空气中，不可避免地要受到温度、湿度和海拔高度变化的影响，存在安全隐患。同时，也存在相间短路的隐患。另外，已有的固体绝缘开关的操作大多采用弹簧机构，而弹簧机构有其自身固有的弱点。为了满足断路器特性的要求，弹簧机构设计了近200个零件，且对很多零件精度要求都较高，常会因一个小零件而使整个机构功能失效，可靠性难以进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集断路器和隔离开关为一体的固体绝缘开关，该固体绝缘开关中断路器和隔离开关的本体封装在固体绝缘箱内。

本发明提供的集断路器和隔离开关为一体的固体绝缘开关，包括断路器和隔离开关，断路器包括断路器本体和与断路器本体相连的断路器操作机构，隔离开关包括隔离开关本体和与隔离开关本体相连的隔离开关操作机构，其特征在于：所述断路器本体和隔离开关本体主要由真空灭弧室组成，两个真空灭弧室通过软连接导电体串联连接，其中断路器真空灭弧室连接有导电杆A，隔离开关真空灭弧室B连接有导电杆B和导电杆C，电流从导电杆A进入，依次经断路器真空灭弧室、软连接导电体、隔离开关真空灭弧室后从导电杆B流出，导电杆C用于实现隔离开关真空灭弧室的接地，断路器真空灭弧室、隔离开关真空灭弧室、导电杆A、导电杆B和导电杆C均固定安装在固体绝缘箱内。

所述断路器操作机构采用单线圈永磁机构，所述单线圈永磁机构包括动铁芯、线圈、静铁芯、永磁体、安装板和推杆，静铁芯由内圈和外圈组成，动铁芯位于静铁芯上，静铁芯内圈和静铁芯外圈固定连接在安装板上，永磁体镶嵌在静铁芯内圈和静铁芯外圈之间，线圈的上部分位于动铁芯内，下部分位于静铁芯内圈和静铁芯外圈之间的凹槽内，推杆与动铁芯固定连接。

所述单线圈永磁机构通过前连臂、传动轴、后连臂、连接头、圆柱销、触头弹簧和绝缘拉杆与断路器真空灭弧室连接，其中前连臂固定连接在传动轴上并与单线圈永磁机构的推杆铰接，后连臂固定连接在传动轴上并与连接头铰接，绝缘拉杆的一端与连接头通过触头弹簧和圆柱销可伸缩连接，另一端与断路器真空灭弧室的动导电杆连接。

所述隔离开关操作机构、以及隔离开关操作机构与隔离开关真空灭弧室之间的连接结构采用直线推进结构，包括丝杠、连接头、弯板、触头弹簧、绝缘拉杆、行程开关和支撑板，丝杠上设有合闸锁定孔、分闸锁定孔和接地锁定孔，连接头的两端分别与丝杠和弯板连接，绝缘拉杆的一端与弯板通过触头弹簧和圆柱销可伸缩连接，另一端与隔离开关真空灭弧室的动导电杆连接，行程开关位于弯板的下方，当弯板的压片位于行程开关上方时可压下行程开关。

所述断路器真空灭弧室与隔离开关真空灭弧室呈上下水平排列固封在固体绝缘箱内，断路器和隔离开关的其它部分除绝缘拉杆安装在固体绝缘箱外，其它全部安装在操作箱内，所述操作箱与固体绝缘箱固定连接。

本发明具有如下优点：

(1)断路器本体和隔离开关本体均采用真空灭弧室，并将两个真空灭弧室以及其它带电部件固封在一个绝缘箱内，从而整个开关中没有裸露的带电部件，实现了全绝缘，同时，放弃了三相共箱的设计方式，采用三相间隔设计，分相绝缘，可彻底杜绝相间故障发生的可能性，使运行更加安全可靠，也使开关体积更加小型化；

(2)断路器操作机构采用单稳态永磁机构，与传统的弹簧机构相比，机构的零部件数量大大减少，操作也更加可靠；

(3)采用三工位真空灭弧室作为隔离开关本体，彻底解决了隔离开关绝缘的问题，与刀闸式隔离开关比较，动、静触头的接触面积更大，接触电阻更低，同时，采用三工位真空灭弧室作为隔离开关本体也使隔离开关的体积也大大减小；

(4)隔离开关操作机构采用直线推进机构，可使开关的结构更加简单和紧凑。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的立体结构图。

图3为断路器处于分闸状态的结构示意图。

图4为断路器处于合闸状态的结构示意图。

图5为断路器部分的立体结构图。

图6为单线圈永磁机构的结构示意图。

图7为隔离开关处于分闸状态的结构示意图。

图8为隔离开关处于合闸状态的结构示意图。

图9为隔离开关部分的立体结构图。

图10为锁定器处于拔出状态的结构示意图。

图11为锁定器处于插入状态的结构示意图。

图12为操作箱内的立体结构示意图。

图13为断路器和隔离开关连锁的电气原理图。

图中：1—操作箱 2—固体绝缘箱 3—断路器绝缘拉杆 4—导电杆A 5—断路器真空灭弧室 6—隔离开关真空灭弧室 7—导电杆B8—导电杆C 9—软连接导电体 10—隔离开关绝缘拉杆 11—永磁机构控制器 12—电容器 13—单线圈永磁机构 14—手动分闸杠杆 15—前连臂 16—传动轴 17—后连臂 18—连接头19—圆柱销 20—触头弹簧 21—分闸弹簧 22—丝杠 23—连接头24—弯板 25—圆柱销 26—触头弹簧 27—挡圈 28—行程开关29—安装板 30—锁定器 131—动铁芯 132—线圈 133—静铁芯内圈 134—静铁芯外圈 135—永磁体 136—安装板 137—推杆 138—内六角螺钉 221—合闸位置锁定孔222—分闸位置锁定孔223—接地位置锁定孔 301—定位轴 302—弹簧

下面结合附图以及实施例对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式

实施例

如图1、图2所示，本发明包括断路器和隔离开关，断路器包括断路器本体和断路器操作机构，隔离开关包括隔离开关本体和隔离开关操作机构，所述断路器本体主要由断路器真空灭弧室5和与断路器真空灭弧室5连接的导电杆A 4组成。隔离开关本体主要由具有三个工位(导通、隔离、接地)的隔离开关真空灭弧室6和与隔离开关真空灭弧室6连接的导电杆B 7及导电杆C 8组成，断路器真空灭弧室5和隔离开关真空灭弧室6通过软连接导电体9串联连接，且一上一下水平固封在固体绝缘箱2内，导电杆A 4、导电杆B 7和导电杆C 8也同时固封在固体绝缘箱2内。使用时，电流从导电杆A进入，依次经断路器真空灭弧室5、软连接导电体9、隔离开关真空灭弧室6后从导电杆B7流出。当断路器和隔离开关分闸并到达接地位置后，隔离开关真空灭弧室5经导电杆C 8与外部接地母线连接而实现接地。

本发明将带电部件全部固封在固体绝缘箱2内，整个开关中没有裸露的带电部件，实现了全绝缘。同时，放弃了三相共箱的设计方式，采用三相间隔设计，分相绝缘，可彻底杜绝相间故障发生的可能性，使运行更加安全可靠，也使开关体积更加小型化。

本发明的断路器操作机构采用单线圈永磁机构13，其结构如图6所示，包括动铁芯131、线圈132、静铁芯、永磁体135、安装板136和推杆137，静铁芯由静铁芯内圈133和静铁芯外圈134组成，动铁芯131位于静铁芯上，静铁芯内圈133和静铁芯外圈134通过内六角螺钉138连接在安装板136上，永磁体135镶嵌在静铁芯内圈133和静铁芯外圈134之间。线圈132的上部分位于动铁芯131内，下部分位于静铁芯内圈133和静铁芯外圈134之间的凹槽内，推杆137通过内六角螺钉138与动铁芯131固定连接。

如图3、图4、图5所示，单线圈永磁机构13通过前连臂15、传动轴16、后连臂17、连接头18、圆柱销19、触头弹簧20、分闸弹簧21和断路器绝缘拉杆3与断路器真空灭弧室5连接，其中前连臂15固定连接在传动轴16上并与单线圈永磁机构的推杆137铰接，后连臂17固定连接在传动轴16上并与连接头18铰接，断路器绝缘拉杆3的一端插接在连接头18中，并通过安装在连接头18和断路器绝缘拉杆3上的腰形孔中的圆柱销19连接，断路器绝缘拉杆3的另一端与断路器真空灭弧室4的动导电杆连接。触头弹簧20安装于连接头18和断路器绝缘拉杆3上的两档圈之间。分闸弹簧21共两个，分别安装在单线圈永磁机构13的两侧，分闸弹簧21的一端固定在操作箱1上，另一端固定在传动轴16上。

合闸时，控制器发出合闸指令，单线圈永磁机构13的线圈132通电，通电线圈产生的磁场的磁力线方向与永磁体135的磁力线方向一致，动铁芯131连同与之刚性连接的推杆137一起向合闸方向运动。推杆137推动传动轴16逆时针转动，通过前连臂15、后连臂17、连接头18和触头弹簧20将运动和动力通过传递给断路器绝缘拉杆3，断路器绝缘拉杆3推动断路器真空灭弧室5的动导电杆和动触头向合闸方向(静触头方向)运动，直至断路器真空灭弧室5的动、静触头接触，此时机构还未到合闸位置，动铁芯131继续推动推杆137向下运动，连接后连臂17和断路器绝缘拉杆3的圆柱销19沿腰型孔从左端移动到右端，圆柱销19推动连接头18上的挡圈使触头弹簧20被压缩一个距离，当永磁机构13的动、静铁芯完全接触，线圈132断电，永磁机构13靠永磁力使动、静铁芯吸合力保持在这个位置，完成合闸。

分闸时，控制器发出分闸指令，永磁机构13的线圈132反方向通电，线圈132通电后产生的磁场的磁力线方向与永磁体135产生的磁力线方向相反，削弱了机构的保持力(动、静铁芯间的吸合力)，当磁力小于断路器的合闸保持力时，在分闸弹簧21等反力的作用下，机构向分闸方向运动，完成断路器的分闸。

在紧急情况下还可以使用手动分闸装置。所述分闸装置包括安装弯板、偏心轴和手动分闸杠杆14，偏心轴由轴和设于轴端面上非中心位置处的偏心块组成，偏心轴可转动地连接在安装弯板上，手动分闸杠杆14与偏心轴垂直连接，使用时偏心块位于永磁操作机构静铁芯的端面凹槽内。当发生紧急情况时，压下手动分闸杠杆14，偏心块向上撬动永磁机构13的动铁芯131，使动、静铁芯端面出现空气间隙，铁磁回路的磁场被消弱，动、静铁芯之间的保持力同时被消弱，当分闸弹簧21的反力大于动、静铁芯之间的保持力时，断路器就能在分闸弹簧21的作用下实现分闸。

本发明的隔离开关操作机构采用丝杠22，丝杠22及其与隔离开关真空灭弧室6之间的连接结构组成直线推进结构，如图7、图8、图9所示，连接结构包括连接头23、弯板24、圆柱销25、触头弹簧26、隔离开关绝缘拉杆10、行程开关28和安装板29，丝杠22安装在安装板29上，其上设有合闸位置锁定孔221、分闸位置锁定孔222和接地位置锁定孔223，连接头23的两端分别通过螺钉与丝杠22和弯板24连接，隔离开关绝缘拉杆10的一端插接在弯板24中，并通过圆柱销25与弯板24连接，从图中可以看出，圆柱销25位于弯板24和隔离开关绝缘拉杆10上的腰形孔中，弯板24的端面设有档圈27，触头弹簧26安装于挡圈27与隔离开关绝缘拉杆10的端面之间，当圆柱销25移动至腰形孔的右端时，可促使挡圈压缩触头弹簧26。隔离开关绝缘拉杆10的另一端与隔离开关真空灭弧室6的动导电杆连接。行程开关28位于弯板24的下方，当弯板24上的压片位于行程开关28的上方时压下行程开关28。锁定器30安装在丝杠22的前端处，其结构如图10所示，包括定位轴301和弹簧302，定位轴301可插入合闸锁定孔221、分闸锁定孔222或接地锁定孔223中。

合闸时，先拔出锁定器30的定位轴301，如图10所示，将丝杠22解除锁定，这时锁定器30内的弹簧302压缩。然后顺时针摇动丝杠22，连接在丝杠22另一端的连接头23通过连接在其上的弯板24和触头弹簧26推动隔离开关绝缘拉杆10向右(灭弧室合闸方向)运动，当隔离开关真空灭弧室6中的动、静触头接触后，丝杠22还将前行一段距离，这时圆柱销25推动挡圈27使触头弹簧26压缩一个距离，从而增加隔离开关动、静触头间的接触压力。当丝杠22旋转移动至隔离开关到达合闸位置并压紧后，锁定器30上的定位轴301正好对准丝杠22上的合闸位置锁定孔221，锁定器30的定位轴301在弹簧302的作用下自动弹入孔中将该位置锁定(如图11所示)，隔离开关完成合闸。

分闸时，先拔出锁定器30的定位轴301，将丝杠22解除锁定，这时锁定器30内的弹簧302压缩。然后逆时针转动丝杠22，连接在丝杠22右端的连接头23通过连接在其上的弯板24拉动隔离开关绝缘拉杆10向左(灭弧室分闸方向)运动。当丝杠22旋转移动至隔离开关到达分闸位置后，锁定器30的定位轴301正好对准丝杠22上的分闸位置锁定孔222，锁定器30的定位轴301在弹簧302的作用下自动弹入孔中，隔离开关完成分闸并锁定在分闸位置，此时隔离开关形成一个隔离断口。

接地操作：当隔离开关在分闸位置(隔离位置)时拔出锁定器30的定位轴301，将丝杠22解除锁定，这时锁定器30内的弹簧302压缩。然后逆时针转动丝杠22，隔离开关绝缘拉杆10进一步朝着隔离开关分闸方向移动。此时压力弹簧压缩，当隔离开关动触头与接地触头接触时，压力弹簧的压力使接地触头的接触压力增加。隔离开关的动触头到达接地位置后，锁定器30的定位轴301正好对准丝杠22上的接地位置锁定孔223，锁定器30的定位轴301在弹簧302的作用下自动弹入接地位置锁定孔223中，隔离开关完成接地并锁定在接地位置。

上述断路器操作机构、隔离开关操作机构、以及断路器操作机构与断路器本体之间的连接结构和隔离开关操作机构与隔离开关本体之间的连接结构除断路器绝缘拉杆3和隔离开关绝缘拉杆10外，全部安装在操作箱1内，如图12所示，操作箱1内还安装有电容器12和永磁机构控制器11，电容器12用于向单线圈永磁机构13提供直流电源，控制器11用于单线圈永磁机构13的检测和控制。操作箱1与固体绝缘箱2通过螺栓连接。

根据高压开关设备的安防要求，断路器和隔离开关之间必须满足下列要求：1)当断路器处于合闸位置时不能操作隔离开关；2)断路器处于分闸位置时，隔离开关可以被操作；3)当隔离开关处于分闸或接地位置时，不能操作断路器合闸。

本发明断路器和隔离开关的联锁通过图13所示的电气连接结构实现，图中行程开关28的动合触点K1并接在分闸回路中，行程开关28的动断触点K2串接在合闸回路中。当按下合闸按钮HA时，断路器合闸，此时分闸回路的触点QF闭合而合闸回路的触点QF打开。假设这个时候有人误操作转动丝杠22使隔离开关向分闸方向移动，因为隔离开关的动、静触头分开之前，丝杠22需要释放触头弹簧26的压缩行程(5mm)，在这个压缩行程释放完毕之前，动、静触头是不会分离的。当丝杠22继续向左移动时，弯板24将行程开关28压下，并接在分闸回路中的动合触点K1闭合，分闸回路接通，断路器分闸。随后即使继续移动丝杠22将隔离开关分闸，由于断路器已经处于分闸状态，因此确保了断路器处于分闸状态时才能操作隔离开关。

断路器分闸后，合闸回路中的触点QF闭合而分闸回路中的触点QF打开。当隔离开关在分闸位置时，由于串接在合闸回路中的行程开关28的动断触点K2是断开的，所以即使是按下合闸按钮HA也不能接通合闸回路，这就保证了隔离开关在分闸位置时断路器无法进行合闸操作。隔离开关在接地位置的情况与此相同，即在隔离开关处于接地位置时，断路器无法进行合闸操作，因为此时K2始终处于断开状态。

顺时针摇动丝杠22使隔离开关合闸，当隔离开关合闸后，可以任意操作断路器进行合闸或分闸操作。因为隔离开关合闸后，行程开关28的触点复原，并接在分闸回路中的行程开关22的动合触点触点K1打开，而串接在合闸回路中的行程开关的动断触点K2闭合，此时按下合闸按钮HA，合闸回路接通，断路器合闸。断路器合闸后，分闸回路中的触点QF闭合而合闸回路中的触点QF打开，按下分闸按钮FA，分闸回路接通，断路器分闸。

以上所述仅是本发明较好的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明的方案和构思进行的改进和替换都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种集断路器和隔离开关为一体的固体绝缘开关，包括断路器和隔离开关，断路器包括断路器本体和与断路器本体相连的断路器操作机构，隔离开关包括隔离开关本体和与隔离开关本体相连的隔离开关操作机构，其特征在于：所述断路器本体和隔离开关本体主要由真空灭弧室组成，两个真空灭弧室通过软连接导电体串联连接，其中断路器真空灭弧室连接有导电杆A，隔离开关真空灭弧室连接有导电杆B和导电杆C，电流从导电杆A进入，依次经断路器真空灭弧室、软连接导电体、隔离开关真空灭弧室后从导电杆B流出，导电杆C用于实现隔离开关真空灭弧室的接地，所述断路器真空灭弧室、隔离开关真空灭弧室、导电杆A、导电杆B和导电杆C均固定安装在固体绝缘箱内。

2.根据权利要求1所述的集断路器和隔离开关为一体的固体绝缘开关，其特征在于：所述断路器操作机构采用单线圈永磁机构，所述单线圈永磁机构包括动铁芯、线圈、静铁芯、永磁体、安装板和推杆，静铁芯由内圈和外圈组成，动铁芯位于静铁芯上，静铁芯内圈和静铁芯外圈固定连接在安装板上，永磁体镶嵌在静铁芯内圈和静铁芯外圈之间，线圈的上部分位于动铁芯内，下部分位于静铁芯内圈和静铁芯外圈之间的凹槽内，推杆与动铁芯固定连接。

3.根据权利要求2所述的集断路器和隔离开关为一体的固体绝缘开关，其特征在于：所述单线圈永磁机构通过前连臂、传动轴、后连臂、连接头、圆柱销、触头弹簧和绝缘拉杆与断路器真空灭弧室连接，其中前连臂固定连接在传动轴上并与单线圈永磁机构的推杆铰接，后连臂固定连接在传动轴上并与连接头铰接，绝缘拉杆的一端与连接头通过触头弹簧和圆柱销可伸缩连接，另一端与断路器真空灭弧室的动导电杆连接。

4.根据权利要求1或3所述的集断路器和隔离开关为一体的固体绝缘开关，其特征在于：所述隔离开关操作机构、以及隔离开关操作机构与隔离开关真空灭弧室之间的连接结构采用直线推进结构，包括丝杠、连接头、弯板、触头弹簧、绝缘拉杆、行程开关和支撑板，丝杠上设有合闸锁定孔、分闸锁定孔和接地锁定孔，连接头的两端分别与丝杠和弯板连接，绝缘拉杆的一端与弯板通过触头弹簧和圆柱销可伸缩连接，另一端与隔离开关真空灭弧室的动导电杆连接，行程开关位于弯板的下方，当弯板的压片位于行程开关上方时可压下行程开关。

5.根据权利要求4所述的集断路器和隔离开关为一体的固体绝缘开关，其特征在于：所述断路器真空灭弧室与隔离开关真空灭弧室呈上下水平排列固封在固体绝缘箱内，断路器和隔离开关的其它部分除绝缘拉杆安装在固体绝缘箱外，其它全部安装在操作箱内，所述操作箱与固体绝缘箱固定连接。