CN106663554A - 以汤姆逊线圈为基础的致动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于机械开关的致动器、机械开关、断路器以及包含这样的致动器的高压输电系统。致动器包含至少一个电枢（13）和具有围绕中心线圈轴缠绕的线匝的第一初级线圈（10），其中，电枢可沿着中心线圈轴移动，并且，存在至少围绕第一初级线圈设置的磁通集中器。

Description

以汤姆逊线圈为基础的致动器

发明领域

本发明涉及用于机械开关的致动器、机械开关、断路器以及包含这样的致动器的高压输电系统。

背景技术

在输电系统中，需要快速断路器。

超快致动器是如下的新兴的技术：最近，在需要高速致动时，用作驱动器。超快驱动器的一个众所周知的拓扑结构是汤姆逊线圈。汤姆逊线圈包含初级线圈，初级线圈感应磁场，磁场转而感应电枢中的涡电流。汤姆逊线圈具有生成开动高压交流（HVAC）断路器的载流接触件且立即使这些载流接触件分离的大的冲击力的固有的性质。

这类断路器连同一些附加电路可以用作诸如HVDC系统之类的输电系统中的DC断路器，其中，系统可以是包含许多变换器站的多端子系统。在多端子HVDC系统或HVDC电网中运行的断路器必须能够在几毫秒内，典型地，在小于5 ms内使故障电流中断。因此，对于汤姆逊线圈，要求处于几千安的数量级的电流，以生成处于几特斯拉的数量级的磁通密度。电枢中的感应电流密度与磁通密度的径向分量的乘积产生所要求的冲击电磁力。由于所涉及的高电流和强磁场而导致通常通过使用电容器组而激励汤姆逊线圈。

这些致动器的主要问题是效率差。与能够达到高达99%的效率的旋转电机相比，以传统的汤姆逊为基础的超快致动器具有至多5%的效率。遗憾的是，存储于电容器组中的相当大量的电能转化成热。

鉴于这点，将对提高以汤姆逊线圈为基础的致动器的效率感兴趣。

发明内容

本发明处理该情形。因而，本发明的目标是，提高以汤姆逊线圈为基础的致动器的效率。

根据本发明的第一方面，通过用于机械开关的致动器而实现该目标，致动器包含至少一个电枢和具有围绕中心线圈轴缠绕的线匝的第一初级线圈，其中，电枢可沿着中心线圈轴移动，并且，磁通集中器至少围绕第一初级线圈设置。

根据第二方面，还通过包含第一导体和第二导体的机械开关以及根据第一方面的致动器而实现目标，致动器可控制成使导体之一相对于另一个而移动，以便建立或截断第一导体与第二导体之间的电连接。

根据第三方面，通过断路器而实现目标，断路器与电气线路串联连接，以便使线路断开，断路器包含根据第二方面的机械开关。

根据第四方面，通过包含根据第三方面的至少一个断路器的高压输电系统而实现目标。

本发明基于如下的认识：尽管已知磁通集中器饱和这一事实，磁通集中器与汤姆逊线圈一起使用还是有利的。在存在磁通集中器的情况下，系统的总磁阻降低。这导致创建线圈与电枢之间的空气间隙中的更大的磁通，生成更大的排斥力。虽然集中器结构饱和，但如果使用致动器来开动的装置假设为以间歇式运行使用，则仍将导致通过每次运行而创建更大的磁场。

本发明具有许多优点。本发明改进致动器的效率。由于该提高的效率而可以降低致动器的运行成本。例如，有可能减小用于激励初级线圈的电容器组的尺寸。从而提高致动器的成本效益。由于降低爆炸的风险，因而还提高安全性，并且，可以降低所使用的电压水平。

附图说明

将在下文中参考附图而描述本发明，其中：

图1示出汤姆逊线圈的透视图，该汤姆逊线圈包含初级线圈和附接到杆的电枢，以便用作致动器；

图2示意地示出致动器的横截面，该致动器包含壳体、初级线圈以及电枢，杆贯穿线圈的中心；

图3示意地示出经由开关而将初级线圈与电容器组连接的电气连接；

图4示意地示出汤姆逊线圈和杆相对于用于形成机械开关的第一导体和第二导体的使用；

图5示意地示出包含图4的机械开关的断路器；

图6示意地示出多端子HVDC系统，其中，传输线路包含断路器；

图7分别示出软磁材料和空气的磁通密度与磁场强度之间的关系的曲线；

图8示出线圈和磁通集中器的第二变型的从上方观察的视图；并且，

图9示出线圈和磁通集中器的第三变型的侧视图。

具体实施方式

在下文中，将描述提供上述的功能的本发明的实施例。

本发明针对提供可以用于开动例如输电系统中，即用于传输电功率的系统中的机械开关的致动器。该系统可能是例如高压直流系统（HVDC）。

超快致动器，诸如用于开动例如电力线路中的机械开关之类的机械开关的致动器对实现为汤姆逊线圈是有意义的。汤姆逊线圈具有快速的优点，快速这一优点是例如一些高压输电应用之类的许多应用中的要求。

图1示出以汤姆逊线圈为基础的示范的致动器的透视图，其中，存在圆形第一初级线圈10，第一初级线圈10具有第一电气连接端子T1和第二电气连接端子T2以及电枢12。线匝围绕中心线圈轴AC缠绕，且从而限定线圈10的中心。因而，第一初级线圈可以具有共同限定空心中心的绕组。线圈的线匝可以沿着中心线圈轴AC彼此横向地移位，且因此可以具有相同的半径。在致动器中，还存在电枢13。设置电枢13，以便在沿着中心线圈轴AC的方向上从线圈10移开。此外，电枢13与杆联结，该杆通常被称为拉杆，并且，该杆12被设置用于移动穿过线圈10的中心。为此，电枢13可以成形为盘，该盘与杆或轴联结，其中，杆12可以从该盘的中心伸出，并且，具有纵向轴A_A，纵向轴A_A不但与该盘的中心轴相一致，而且还与中心线圈轴AC相一致。

图2示意地示出放置于壳体14中时的具有杆12的线圈和电枢13的横截面。壳体14设置有第一开口，线圈10安装于第一开口。电枢13可以放置于壳体14的外侧的线圈10的顶部上，杆12穿过第一开口，穿过壳体14的内部，并且，穿过壳体14的底部处的第二开口而伸出。壳体14可以在形状上呈矩形。然而，这不是必要的。重要的是，磁通集中器围绕线圈10设置。此外，该磁通集中器与线圈物理接触。如果线圈为圆形，则磁通集中器可以径向地环绕线圈，即沿径向方向环绕线圈。在示范的壳体中，磁通集中器可以至少围绕壳体的第一开口设置。因而，有可能仅壳体的环绕第一开口的环形形状的区域是磁通集中器。也有可能壳体的与线圈轴AC垂直的整个上表面是磁通集中器。最后，有可能包围初级线圈10的整个壳体14是磁通集中器，这是图2中所示出的实施例中的情况。该磁通集中器可以是软磁材料或软铁磁材料，且因此作为示例，可以是铁、磁钢或例如聚醚印模材料permadyne之类的材料。

图3示意地示出其他元件，这些元件可以是致动器的一部分，以便开动电枢。在此，存在电容器组CB，电容器组CB包含许多串联的电容器。电容器组CB选择性地可与第一初级线圈10的电气连接端子T1和T2连接，以便操纵电枢12。为此，串联连接件的一端经由电子开关SW1而与初级线圈10的第一连接端子T1连接，而另一端可以直接地与初级线圈10的第二连接端子T2连接。

以汤姆逊线圈为基础的类型的致动器可以针对机械开关而设置。因而，该致动器可以设置成用于截断或建立第一导电体与第二导电体之间的电连接。图4示意地示出一个这样的开关，其中，在真空室17中，存在第一导体16和第二导体18。在此，第一导体16与第一开关端子T_SW1连接，而第二导体18与第二开关端子T_SW2连接，以便将开关20与其他电气装置连接。在该开关20中，第二导体18是固定的或不动的，而第一导体16是可移动的。杆12可以附接至第一导体16，第一导体16设置成与电枢12同步地移动。移动的方向也可以是相同的。从而，第一导体16可以在物理上与第二导体18连接，或反之亦然。通过上文中所提到的类型的移动而建立或截断第一导体16与第二导体18之间的电流接触。

在示范的开关20中，电枢13可以装备有如下的部件：对杆12施加向下指引的力，且因而还迫使第一导体16与第二导体18电流接触。在汤姆逊线圈的运行中，电容器组CB将被控制成将电流脉冲提供给线圈10，这创建强至足以克服向下指引的力的磁通，并且，将电枢13向上推动，且从而杆12将第一导体16从第二导体18拉开，从而截断两个导体16与18之间的电流接触。

这类机械开关可以例如放置于断路器中。在图5中示意地示出可以采用机械开关20的一个断路器28。在此，存在具有机械开关20的第一分支。与该第一分支并联地存在第二分支，第二分支具有非线性电阻器22，诸如压敏电阻。与第一分支和第二分支两者并联地存在第三分支，第三分支包含电感24、电容26以及另一开关27的串联连接。

另一开关27可以设置为一个或更多个串联的晶体管与反并联二极管的组合，或设置为一对或更多对反并联晶体管，其中，晶体管可以是绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。

这类断路器28有利地用于截断诸如DC输电系统中的DC电力线路之类的电力线路中的电流。在这种情况下，另一开关27被控制成将电流用脉冲输送通过机械开关20，以便获得电流过零点，并且，关于一个这样的过零点，第一导体和第二导体通过电枢的移动而彼此分开。

应当认识到，上述的断路器只不过是可以使用机械开关的一种断路器。存在可以采用机械开关的无数的其他实现方法。

图6示意地示出可以使用断路器28的高压系统的示例。在此，系统是多端子DC系统，诸如包含在AC与DC之间变换的许多变换器的HVDC系统。各变换器包含AC侧和DC侧，其中，第一变换器32的DC侧经由第一DC线路33而与第二变换器34的DC侧连接，第三变换器36的DC侧经由第二DC线路37而与第四变换器38的DC侧连接。还存在使第一变换器32和第三变换器36的DC侧互相连接的第三DC线路38和使第二变换器34和第四变换器38的DC侧互相连接的第四DC线路39。在本文中所给出的示例中，所有的DC线路包含断路器28，例如图5中所示出的类型的断路器28。各断路器28具有通过采用以汤姆逊线圈为基础的机械开关而变得快速的优点。互相连接还可以被认为是形成DC系统中的开关场。

因而，通过图1-4中所示出的类型的以汤姆逊线圈为基础的致动器而开动的机械开关是快速的。然而，如起初所阐明的，传统的汤姆逊线圈是低效的。这至少在高压应用中可能成问题。

为了改进电能到机械能的变换过程，在此，提出了使用致动器中的磁通集中器。如先前所阐明的，磁通集中器可以由诸如铁之类的软磁材料或诸如聚醚印模材料permadyne之类的任何其他铁磁介质制成，并且，用于提高超快电磁致动器的效率。

这尤其是对涉及例如高于5特斯拉或大约10特斯拉及以上的这样的强磁场水平的应用而言是新概念。传统上，包围生成磁场的螺旋线圈的壳体是增加机械稳定性的非磁性不锈钢壳体。根据第一实施例，作为替代，磁通集中器用作壳体。这将大幅度地提高驱动器的效率。人们可能通常直观地得出如下的误导性的结论：由于这些材料饱和，因而不适合于在强磁场中使用。

本发明基于如下的认识：如果将偶尔使用致动器，即如果致动器用于断路器的情况，则该饱和不是真正的问题。

与变压器或电动机不同，汤姆逊线圈具有间歇式运行。虽然在这样的运行内，集中器的高磁场水平将饱和，但仍将能够帮助迅速地建立磁通，因为，集中器提供低磁阻的磁通路径。因此，将以同一电流生成更强的磁场，且因而将在电枢中感应更大的电流。这将导致同一时间量内的更大的力，从而显著地提高性能。

在存在磁通集中器的情况下，系统的总磁阻降低。这导致创建线圈与电枢之间的空气间隙中的更大的磁通，生成比不存在这样的集中器的情况更大的排斥力。虽然集中器结构饱和，但仍将导致通过每次运行而创建更大的磁场，因为，断路器假设为以间歇式运行使用。

能够通过查看图7而理解这点，图7示出软磁材料的磁通密度B与磁场强度H之间的关系的曲线40和空气的磁通密度B与磁场强度H之间的关系的曲线42。

磁通集中器创建低磁阻路径，增强磁场，并且，虽然集中器的材料饱和（点2至点3），但点3的磁场比点1的磁场更高（这将是将使用非磁性材料的情况）。

磁通集中器的使用大幅度地提高效率。由于该提高的效率而可以大幅度地降低致动器的运行成本。例如，有可能减小电容器组的尺寸。电容器的数量越小，致动器就越划算，并且，致动器就越安全，因为这降低爆炸的风险。还通过使用较低的电压而提高安全性。

如果机械开关用于在故障的情况下，诸如在极到地的故障的情况下，使电力线路断开，则能够节省大量的能量，因为，必须不断地对这些电容器进行充电，以维持其电压水平，直到出现下一个故障为止。此外，如果决定保持同一激励源，则由于集中器而将彻底地提高驱动器的性能。

理想地，集中器应当以将磁路封闭且降低磁阻的方式放置。不是使用在机械上较强的非金属材料（例如酚醛树脂、混凝土、玻璃纤维）或非磁性不锈钢，而是应当使用铁磁或磁通集中器或也许一种聚醚印模材料permadyne。这表明将诸如铁或钢之类的磁性材料用于超快致动器的可能性。

有可能使用两个汤姆逊线圈。一个可以用于建立电流接触，而另一个用于截断电流接触。在这种情况下，可以存在第一初级线圈和第二初级线圈，每个初级线圈放置于对应的壳体的开口中，其中，一个或两者可以充当磁通集中器。然后，初级线圈面向彼此，其中，两者可以以同一中心线圈轴为中心。有可能通过这两个汤姆逊线圈而将与杆联结的单个电枢设置成在两个线圈之间移动。

在上述的第一实施例中，集中器是壳体的一部分。应当认识到，本发明不限于本概念。图8示出从第二类型的集中器连同线圈的上方观察的视图。在这种情况下，集中器呈环形，并且，径向地环绕线圈10。在这种情况下，集中器可以表现为环形盘44的形式，环形盘44具有安装线圈的中心孔。

图9示出通过第三类型的集中器和线圈的横截面。在这种情况下，集中器可以表现为实心块46的形式，实心块46具有设计成用于容纳并保持线圈10的腔。

在上文中关于高压运行而描述本发明。然而，应当认识到，不限于该磁场。致动器可以例如用于低压、中压以及高压断路器。致动器实际上不限于在断路器中使用，而是同样地可以例如在机器人中使用。

Claims (14)

1.一种用于机械开关的致动器，所述致动器包含至少一个电枢（12）和具有围绕中心线圈轴（AC）缠绕的线匝的第一初级线圈（10），其中所述电枢可沿着所述中心线圈轴移动，所述致动器特征在于，磁通集中器至少围绕所述第一初级线圈设置。

2.如权利要求1所述的致动器，其中，所述磁通集中器与所述第一初级线圈物理接触。

3.如权利要求1或2所述的致动器，其中，所述电枢（13）与杆（12）连接，并且，所述致动器包含用于容纳所述杆的第一壳体（14），并且，所述磁通集中器由所述第一壳体的至少一部分构成。

4.如权利要求3所述的致动器，其中，整个壳体是磁通集中器。

5.如先前的权利要求中的任一项所述的致动器，其中，所述磁通集中器的材料是软磁材料。

6.如权利要求5所述的致动器，其中，所述材料是聚醚印模材料permadyne。

7.如先前的权利要求中的任一项所述的致动器，其中，所述第一初级线圈（10）具有电气连接端子（T1、T2），并且，进一步包含电容器组（CB），该电容器组（CB）选择性地可与所述第一初级线圈的所述电气连接端子连接，以便操纵所述电枢（13）。

8.如权利要求5所述的致动器，进一步包含用于选择性地将所述电容器组（CB）与所述电气连接端子（T1、T2）连接的电气开关（SW1）。

9.如先前的权利要求中的任一项所述的致动器，进一步包含与所述第一初级线圈相同的结构的第二初级线圈，其中所述第二初级线圈以所述中心线圈轴为中心，以便允许所述电枢在所述第一初级线圈与所述第二初级线圈之间来回地移动。

10.一种机械开关（20），包含第一和第二导体（16、18）以及如先前的权利要求中的任一项所述的致动器，所述致动器可控制成使所述导体之一（16）相对于另一个（18）而移动，以便建立或截断所述第一导体与所述第二导体之间的电连接。

11.一种断路器（28），与电气线路（33、37、38、39）串联连接，以便使所述线路断开，所述断路器包含如权利要求10所述的机械开关（20）。

12.一种高压输电系统（30），包含至少一个如权利要求11所述的断路器（28）。

13.如权利要求12所述的高压输电系统，其中，所述系统是多端子高压输电系统。

14.如权利要求12或13所述的高压输电系统，其中，所述系统是DC系统。