CN107710368B - 用于高压功率转换器的组合式放电和接地装置 - Google Patents

Abstract

一种组合式高压放电和接地装置(7)，其具有放电单元(21)以及接地单元(22)，其中，放电单元(21)具有第一电接触件(8)和第一相对接触件(10)，并且接地单元(22)具有第二电接触件(9)和第二相对接触件(11)。第一电接触件(8)和第二电接触件(9)被设置在可动部件(12)上，可动部件(12)可通过驱动器(16)沿着移动路径(17)从断开位置移动至闭合位置。当在放电和接地装置的操作状态下闭合放电和接地装置(7)时，在可动部件(12)的断开位置和闭合位置之间的中间位置处建立第一电接触件(8)和第一相对接触件(10)之间的电接触，同时第二电接触件(9)仍与第二相对接触件(11)断开电连接。

Description

用于高压功率转换器的组合式放电和接地装置

技术领域

本发明涉及在高压功率转换器诸如多级转换器中用于使电容器(和其它电气构件)接地的组合式放电和接地装置，以及具有这种组合式放电和接地装置的高压功率转换器。

背景技术

现有技术的代表是JP2000-228807A，其公开了一种具有放电单元以及接地单元的组合式放电和接地装置，其中放电单元具有第一电接触件和第一相对接触件，接地单元具有第二电接触件和第二相对接触件。第一电接触件和第二电接触件被设置在可枢转臂部件上，可枢转臂部件可沿着移动路径从断开位置移动至闭合位置。沿着移动路径的方向，第一电接触件在尺寸上比第二接触件长，使得当在放电和接地装置的操作状态中闭合放电和接地装置时，在可动部件的断开位置和闭合位置之间的中间位置处建立第一电接触件和第一相对接触件之间的电接触，同时第二电接触件仍与第二相对接触件断开电连接。

根据类似的装置，已知经由放电电阻器将第一电接触件连接至地电位，而第二电接触件直接连接至地电位。这样，当闭合组合式放电和接地装置时，在使放电电阻器直接接地至地电位之前，储存在电容器中的电能可由放电电阻器消耗。放电电阻器的直接接地是在对包括组合式放电和接地装置的电气装置进行任何维修操作时用于保护操作者所需要的一项安全性措施。

已知在典型的高压装置诸如功率转换器中，电容器或电容器组的完全放电需要相当长的一段时间，例如30至40 分钟。这么长的接地时间是不尽人意的，因为其大大促使了高压装置的长时间停机。为此，存在对更快接地过程的不断提高的需求，以用于使复杂的装置诸如包括若干电容器的多级功率转换器完全接地。遗憾的是，这与由电容器限定的最小所需接地时间相抵触，尤其是用于高标称电压的在毫法拉范围中的大电容器。电容器的额定电流越高，用于对电容器放电的导体的总截面越大，而且放电时间越长。

发明内容

为此，通过本发明要解决的目标在于改进组合式高压放电和接地装置，从而允许总接地时间短同时还解决功率电容器所需的放电时间长的问题。

在一个非常基础的实施例中，通过一种用于使至少一个电容器放电和接地的组合式高压放电和接地装置解决目标。组合式高压放电和接地装置包括具有第一电接触件和第一相对接触件的放电单元、具有第二电接触件和第二相对接触件的接地单元。第一电接触件和第二电接触件被设置在可动部件上，可动部件可通过驱动器沿着移动路径从断开位置移动至闭合位置并反之亦然。第一电接触件相对于第二电接触件偏移了沿移动路径的方向延伸的第一距离，使得当在放电和接地装置的操作状态下闭合放电和接地装置时，在可动部件的断开位置和闭合位置之间的中间位置处建立第一电接触件和第一相对接触件之间的电接触，同时第二电接触件仍与第二相对接触件断开电连接。可动部件通过包括肘节杆的传动机构联接至驱动器上，传动机构在形状上设计成使得可动部件在从断开位置朝闭合位置而经过中间位置时的速度逐渐降低。

取决于该实施例，可动部件适于沿着弧形的移动路径或沿着线性的移动路径行进。

这种传动机构确保，在闭合装置时可较快地走完在电接触件和它们的相对接触件之间的从断开位置到中间位置的绝缘距离，同时可获得较长的时间间隔以用于进行放电和完全接地操作。这样，可能在快速走完绝缘距离和用于使电容器(或多个电容器)放电的长时间间隔的相抵触的需求之间找到合理又公平的平衡。

采用肘节杆机构的第一优势在于，传动机构远没有具有两个不同操作速度的电控制的两级驱动器系统复杂。而且，所提出的新的传动机构不需要在两个不同速度范围之间中途停止。

尽管各自使单独的驱动器系统专门用于放电单元和接地单元是可行的，但这种装置比根据本应用的基础实施例所提出的装置更贵，因为其具有不止一个驱动器和不止一个可动部件。

第二优点在于，具有肘节杆的传动机构允许采用具有恒定转速的驱动器装置。已知的是，这种驱动器比具有可变转速的驱动器便宜得多。

第三优势在于，肘节杆机构不需要具有以下作用的最终位置控制：用于保障一旦到达组合式放电和接地装置的闭合位置便停止移动和用于确保可动部件的精确最终位置，尤其是当肘节杆在其死点处时，正好到达装置的闭合位置。

第四优点在于，可减少用于从中间位置到达闭合位置需要的扭矩，这允许采用小的并因而在尺寸上小型的驱动器。

用语“包括肘节杆的传动机构在形状上设计成使得”应被理解为确定传动机构的几何结构尺寸并对传动机构的几何结构进行设计，使得可实现期望的效果。

在该文献中，用语“高压”被理解为标称电压至少为1000伏特，例如1400伏特、2800伏特或甚至更高的电压。

如果驱动器可通过肘节杆的接头使肘节杆运动，则可实现在功能性和成本之间的良好折衷。用语“接头”在该应用中被理解为机械地连接肘节杆的至少两个柄的轴。

由电动马达形成驱动器，如果需要的话，电动马达可以枢转的方式连接至组合式放电和接地装置的机械结构上。

在低成本解决方案中，肘节杆的接头具有与驱动器的螺纹轴接合而用以使传动机构移动的螺母部分。

为了确保配备有组合式放电和接地装置的电气装置在停电的情况下或其它紧急情形下也可接地，螺纹轴可被人工地从断开位置移动至闭合位置。

使用具有肘节杆的传动机构的另一重要益处在于，其允许第一和第二电接触件相对于它们的相对接触件以机械方式被确切地定位，而不需要对第一和第二电接触件的位置进行高级的最终位置检测和专门用于驱动器的功率供应的控制系统。如果第一和第二电接触件相对于它们的相对接触件的闭合位置设计成一旦肘节杆的接头到达其死点或至少接近其死点时便到达，这尤其保持成立。由于当接头接近其死点时，第一和第二电接触件相对于它们的相对接触件的相对移动接近零的事实，传动机构完全不受螺纹轴相对于接头的螺母部分的确切轴杆位置的影响。因此，使用其螺纹轴的旋转量或多或少会相对于计算的用于充分闭合组合式放电和接地装置的最佳量不同的便宜的驱动器是可行的。

如果采用具有恒定转速的驱动器，在装置的断开位置和闭合位置之间的可动部件的移动速度为非线性的。

另一重要的益处在于，第一和第二电接触件的相对于它们的相对接触件的相对位置的几何不敏感性形成用来弥补需要任何电接触系统的一些迟延的机械尺寸公差的便利方式。

如果移动路径是弧形的且如果可动部件为可围绕枢转轴线旋转的可枢转臂，可实现组合式放电和接地装置的特别基础的实施例。

如果需要的话，第一和第二电接触件以及它们的专用相对接触件的形状可被优化以匹配弧形的移动路径。

如果枢转轴线被分配在可枢转臂处使得枢转轴线与第一电接触件和第二电接触件之间的第一杠杆臂长于在枢转轴线和与传动机构的肘节杆连接的作用点之间的第二杠杆臂，则使传动机构的肘节杆和可枢转臂组合允许设计自由度增大并允许调节第一和第二电接触件的大的移动速度控制

如果第一相对接触件至少部分地结合到第二相对接触件中，则需要用于组合式放电和接地装置的零件的总数量可保持较低。

如果若干电容器或电容器组将电接地，则可动部件携带成第一组的第一电接触件和第二电接触件可为有利的，其中，成第一组的第一电接触件和第二电接触件被设计用于分别与成第二组的第一相对接触件和第二相对接触件匹配。

如果第一电接触件和第二电接触件中的至少一个是触头片，则可实现特别简单并可靠的接触件几何结构。

如在本领域中已知的那样，用于放电电容器的时间常数τ取决于电容和放电电阻器的电阻。在给定的电容下，必须合理地选择电阻，因为不可能选择任何大的任意电阻，因为其导致放电时间过长，并且也不可能选择小的任意电阻，因为其导致在放电电流路径中的电流高。在后者的情况下，电流高是不利的，因为其需要导体的截面大，这导致需要大型接地的连接器以及强劲的用于移动可动部件所需的驱动器。

在示范性实施例中，可在大约2分钟内实现在电容器的标称电压为2800伏特下用于2安培的额定放电电流的14毫法拉电容器的放电。更普遍地表达，传动机构和驱动器适于使可动部件在1.5至5分钟内、尤其在2至3分钟内从中间位置移动至闭合位置。

取决于对组合式放电和接地装置的需求，例如第一电接触件的前面的末梢比第二电接触件的前面的末梢长大约150mm。第一和第二电接触件相对于它们的专用相对接触件的偏移距离以及包括肘节杆的传动机构的几何结构产生在完全电绝缘、在到达中间位置时的放电以及最后直接接地之间的路径-时间曲线图。

再次取决于对组合式放电和接地装置的需求，例如，从第一接触件的末梢到第一相对接触件的组合式放电和接地装置的绝缘距离在200至400mm的范围内，尤其在250至350mm的范围内。

测试显示了如果传动机构和驱动器仅适于在少于20分钟内、尤其在少于15分钟内或甚至大约10分钟内使可动部件从断开位置移动至闭合位置，可实现组合式放电和接地装置的总接地时间足够地短。

如果将包括肘节杆的传动机构设计成使得，在少于可动部件走完从断开位置延伸至闭合位置的总移动距离所需的总闭合时间的35%的时间内，可动部件走完了从断开位置延伸至闭合位置的总移动距离的至少60%，则可实现组合式放电和接地装置的闭合时间短之间的极好的平衡。

用语“包括肘节杆的传动机构设计成使得”应被理解为确定传动机构的几何结构尺寸并对传动结构的几何结构进行设计，使得可实现以上提及的期望效果。

以上提及的优点同样适用于包括至少一个电容器的高压转换器，尤其是多级转换器，所述至少一个电容器可通过如以上描述的至少一个组合式放电和接地装置连接到地电位。在这种高压转换器中，第二电接触件经由可动部件的结构本体连接至地电位，而第一电接触件经由至少一个放电电阻器连接至地电位。

取决于电容器的标称电压，至少一个电容器的电容在6至15法拉的范围内。

附图说明

该描述参照附图，其中：

图1示意性地示出转换器的电路的一部分，其包括用于使电容器放电和接地的高压放电和接地装置；

图2示意性地示出具有可动部件的组合式高压放电和接地装置，其中可动部件被示出处于其断开位置；

图3示意性地示出图2的组合式高压放电和接地装置，其中可动部件被示出处于其中间位置；

图4示意性地示出图2的组合式高压放电和接地装置，其中可动部件被示出处于其闭合位置；

图5示意性地示出图3的情形下的接触件的扩大特写图；以及

图6示意性地示出在其断开位置和其闭合位置之间的可动部件的路径-时间曲线图。

在附图中，相同的零件、电流和电压被给予相同的参考符号。

具体实施方式

图1示出高压转换器1(设计为所谓的多级转换器)的电路的一部分。转换器包括各自具有功率电子模块4和电容器5的上部分支2和下部分支3。这些分支可经由高压放电和接地装置7电接地至地电位6。

放电和接地装置7在分支2、3的各个支线上包括可动的第一电接触件8和可动的第二电接触件9，用于接触第一相对接触件10和第二相对接触件11。

虚线表示第一电接触件和第二电接触件连接至其上以便使它们断开和闭合的可动部件。在图1中通过用参考符号12标记的虚线表示可动部件，且可动部件作为用于使所有可动的第一电接触件8和可动的第二电接触件9同时运动的装置起作用。因此，为了提高电路的可读性，仅在上部分支2的仅上部支线13处以所有参考符号标记了第一和第二电接触件以及第一和第二相对接触件。再一次为了简化起见，仅在图1中省略了除用于第一电接触件8和第二电接触件9的参考符号之外的所有参考符号。

图1进一步公开了在放电和接地装置7的闭合位置上，各个分支2、3中的上部支线13和下部支线14用于对电容器5放电并将电容器5的两个端部连接至地电位6上。图1连同图2至图4示出，在闭合放电和接地装置7时，在建立第二相对接触件11和第二电接触件9至地电位6的直接电连接之前，通过第一相对接触件10和第一电接触件8经由放电电阻器15建立支线13、14至地电位6的电连接。

在图2中，示出组合式高压放电和接地装置7的示范性实施例。第一电接触件8和第二电接触件9被设置在可动部件16上，可动部件16可通过具有恒定旋转速度的驱动器16沿着弧形的移动路径17从断开位置移动至闭合位置并反之亦然。第一电接触件8(即，其第一前端末梢18)相对于第二接触件9(即，其第二前端末梢20)偏移了沿移动路径17的方向延伸的第一距离19。

第一电接触件8和第一相对接触件10在功能上归于放电单元21，而第二电接触件9和第二相对接触件11在功能上归于接地单元22。

可动部件12通过包括肘节杆25的传动机构24联接至驱动器16上。又可通过肘节杆25的接头26使肘节杆25运动。更详细地，肘节杆25的接头26具有螺母部分27(参见图4)，螺母部分27与驱动器16的螺纹轴28接合，用于使传动机构24移动。

如在图2至4中示出的那样，螺纹轴28的旋转轴线的定向根据接头26中的螺母部分27的位置相对于接头26在螺纹轴28上的纵向位置的不同而不同。因此，驱动器的电动马达以枢转的方式连接至组合式放电和接地装置7的机械结构29上。

肘节杆25的接头26以机械方式连接肘节杆25的第一柄30和第二柄31上使得其形成以机械方式连接肘节杆的至少两个柄以及形成螺母部分27的轴。

如根据图2至4而显然的是，第一柄30的第一端部32以机械的方式连接至组合式放电和接地装置7的机械结构29上，而第二柄31的第二端部33以机械方式连接至在可动部件12的端部部分34处的作用点34上。在端部部分处的该作用点34位于可动部件12的与第一电接触件8相对的端部处(参见图3)。

可动部件12为可围绕枢转轴线35旋转的可枢转臂，枢转轴线35被紧固在组合式放电和接地装置7的机械结构29上。枢转轴线35被分配在可枢转臂12处，使得在枢转轴线35和第一电接触件8以及第二电接触件9之间延伸的第一杠杆臂36长于在枢转轴线35和与传动机构24的肘节杆25连接的作用点34之间延伸的第二杠杆臂37。

仅在需要的时候，曲柄机构可以机械的方式连接至螺纹轴28上，而在紧急情况下，螺纹轴28可例如通过该曲柄机构(未示出)被人工地从断开位置移动至闭合位置。

作为与图2相关的描述的补充，图3示出在闭合图2的组合式高压放电和接地装置时的情形，其中可动部件12被示出处于中间位置。在闭合组合式高压放电和接地装置时，一完成第一电接触件8和其专用的第一相对接触件10之间的电连接，便到达中间位置。在该中间位置处，第二电接触件9仍与其专用的第二相对接触件11断开电连接。与图2相比，接头26已通过驱动器16的螺纹轴28移动，从而导致肘节杆打开，使得由第一柄30和第二柄31限定的角度增加。

作为与图3相关的描述的补充，图4示出在进一步闭合图3的组合式高压放电和接地装置时的情形，其中可动部件12被示出处于闭合位置。在该闭合位置处，现在第二电接触件9(隐藏在图4中)也电连接至其专用的第二相对接触件上，同时第一电接触件8(部分隐藏在图4中)仍电连接至其专用的第一相对接触件10上。

与图3相比较，通过驱动器16的螺纹轴28，接头26已朝着其死点38更进一步地移动，从而导致肘节杆打开，使得由第一柄30和第二柄31限定的角度达到最大或接近最大。

请注意，为了更好地理解传动机构和肘节杆，从电容器至相对接触件以及从第一电接触件至放电电阻器和从第二电接触件至地电位的所有电连接线已被省略。

图5示出在图3的情形下的接触件的扩大特写图。这次，从电容器5至相对接触件10、11的电连接线以及从第一电接触件8至放电电阻器15的电连接线41和从第二电接触件10至地电位6的连接线40被显示出以匹配在图1中示出的电路的一部分。

图5显示出第一相对接触件10至少部分地结合到第二相对接触件11中。事实上，图5公开了可移动的部件12携带成第一组的第一电接触件8和第二电接触件9，其中成第一组的第一电接触件8和第二电接触件9被设计成用于分别匹配成第二组的第一相对接触件10和第二相对接触件11。第一电接触件8和第二电接触件9二者都被设计为触头片。

图5示出实际的第一电接触件8通过绝缘部件39与实际的第二电接触件9电绝缘。

图6示出在可动部件12的断开位置和闭合位置之间的可动部件12的路径-时间曲线图。L表示路径轴线，而t表示时间轴线。让我们简单地回顾一下，结合图6，图2至4示出，包括肘节杆25的传动机构24在形状和尺寸上设计成使得当可动部件12从断开位置朝闭合位置经过中间位置时，可动部件12的速度逐渐降低。

如在图6的曲线图中显示的那样，具有肘节杆25的传动机构24设计成使得在少于可动部件走完从在t0处的断开位置延伸至在t3处的闭合位置的总移动距离所需的总闭合时间的35%的时间(即，在t0和t1之间的时间)内，可动部件走完了从断开位置延伸至闭合位置的总移动距离的至少60%。再一次，在t1时到达中间位置。在时间t2时，建立第二电接触件9和其专用的第二相对接触件10之间的电连接。在t2时，放电电阻器15通过电连接到第二接触件9的直接连接线40在电方面被绕过(参见图5)。

图6进一步示出，因为接头接近其死点38，从时间t2至时间t3仅剩下非常少的路径(L)要走。那示出在组合式放电和接地装置的闭合位置处的第一和第二电接触件相对于它们的相对接触件的相对位置的几何不敏感性。

参考标号列表：

1 高压转换器

2 上部分支

3 下部分支

4 功率电子模块

5 电容器

6 地电位

7 组合式放电和接地装置

8 第一电接触件

9 第二电接触件

10 第一相对接触件

11 第二相对接触件

12 可动部件

13 上部支线

14 下部支线

15 放电电阻器

16 驱动器

17 移动路径

18 第一前端末梢

19 偏移/第一距离

20 第二前端末梢

21 放电单元

22 接地单元

24 传动机构

25 肘节杆

26 肘节杆的接头

27 接头的螺母部分

28 螺纹轴

29 组合式放电和接地装置的机械结构

30 第一柄

31 第二柄

32 第一柄的第一端部

33 第二柄的第二端部

34 可动部件的端部部分处的作用点

35 可动部件的枢转轴线

36 第一杠杆臂

37 第二杠杆臂

38 肘节杆的接头的死点

39 绝缘部件

40 第二电接触件至地电位的连接线

41 第一电接触件至放电电阻器的连接线。

Claims (18)

1.一种组合式高压放电和接地装置(7)，其用于使至少一个电容器(5)放电和接地，所述组合式高压放电和接地装置包括：

具有第一电接触件(8)和第一相对接触件(10)的放电单元(21)，

具有第二电接触件(9)和第二相对接触件(11)的接地单元(22)，

其中，所述第一电接触件(8)和所述第二电接触件(9)被设置在可动部件(12)上，该可动部件(12)可通过驱动器(16)沿着移动路径(17)从断开位置移动到闭合位置并反之亦然，其中，所述第一电接触件(8)相对于所述第二电接触件(9)偏移了沿所述移动路径(17)的方向延伸的第一距离(19)，使得当在所述放电和接地装置的操作状态下闭合所述放电和接地装置(7)时，在所述可动部件(12)的所述断开位置和所述闭合位置之间的中间位置处建立所述第一电接触件(8)和所述第一相对接触件(10)之间的电接触，同时所述第二电接触件(9)仍与所述第二相对接触件(11)断开电连接，

其特征在于，所述可动部件(12)通过包括肘节杆(25)的传动机构(24)联接到所述驱动器上，所述传动机构(24)在形状上设计成使得当所述可动部件(12)从断开位置朝闭合位置移动而经过所述中间位置时，所述可动部件(12)的速度逐渐降低。

2.根据权利要求1所述的组合式高压放电和接地装置，其特征在于，所述驱动器(16)可通过所述肘节杆的接头(26)使所述肘节杆(25)运动。

3.根据权利要求2所述的组合式高压放电和接地装置，其特征在于，所述肘节杆的所述接头(26)具有螺母部分(27)，所述螺母部分(27)接合所述驱动器(16)的螺纹轴(28)，以用来使所述传动机构(24)移动。

4.根据权利要求3所述的组合式高压放电和接地装置，其特征在于，在紧急情况下，所述螺纹轴(28)可被人工地从所述断开位置移动到所述闭合位置。

5.根据权利要求2至4中的任一项所述的组合式高压放电和接地装置，其特征在于，一旦所述肘节杆的所述接头(26)到达其死点(38)，所述接地装置(7)便处于其闭合位置。

6.根据权利要求1至4中的任一项所述的组合式高压放电和接地装置，其特征在于，所述移动路径(17)为弧形的，且其中所述可动部件(12)为可围绕枢转轴线(35)旋转的可枢转臂。

7.根据权利要求6所述的组合式高压放电和接地装置，其特征在于，所述枢转轴线(35)被分配在所述可枢转臂(12)处，使得在所述枢转轴线(35)和所述第一电接触件(8)及第二电接触件(9)之间的第一杠杆臂(36)比在所述枢转轴线(35)和与所述传动机构(24)的所述肘节杆(25)连接的作用点(34)之间的第二杠杆臂(37)长。

8.根据权利要求1至4中的任一项所述的组合式高压放电和接地装置，其特征在于，所述第一相对接触件(10)至少部分地结合到所述第二相对接触件(11)中。

9.根据权利要求1至4中的任一项所述的组合式高压放电和接地装置，其特征在于，所述可动部件携带成第一组的第一电接触件(8)和第二电接触件(9)，它们被设计用于分别与成第二组的第一相对接触件(10)和第二相对接触件(11)配合。

10.根据权利要求1至4中的任一项所述的组合式高压放电和接地装置，其特征在于，所述第一电接触件(8)和所述第二电接触件(9)中的至少一个为触头片。

11.根据权利要求1至4中的任一项所述的组合式高压放电和接地装置，其特征在于，所述传动机构(24)和所述驱动器(16)适于在1.5至5分钟内将所述可动部件(12)从所述中间位置移动至所述闭合位置。

12.根据权利要求11所述的组合式高压放电和接地装置，其特征在于，所述传动机构(24)和所述驱动器(16)适于在2至3分钟内将所述可动部件(12)从所述中间位置移动至所述闭合位置。

13.根据权利要求1至4中的任一项所述的组合式高压放电和接地装置，其特征在于，所述传动机构(24)和所述驱动器(16)适于在少于20分钟内将所述可动部件(12)从所述断开位置移动至所述闭合位置。

14.根据权利要求13所述的组合式高压放电和接地装置，其特征在于，所述传动机构(24)和所述驱动器(16)适于在少于15分钟内将所述可动部件(12)从所述断开位置移动至所述闭合位置。

15.根据权利要求1至4中的任一项所述的组合式高压放电和接地装置，其特征在于，包括所述肘节杆(25)的所述传动机构(24)设计成使得，在少于所述可动部件(12)需要用来走完从所述断开位置延伸至所述闭合位置的总移动距离的总闭合时间的35%的时间内，所述可动部件(12)走完从所述断开位置延伸至所述闭合位置的所述总移动距离的至少60%。

16.一种高压转换器(1)，其包括通过至少一个根据权利要求1至15中的任一项所述的组合式放电和接地装置(7)可连接到地电位(6)的至少一个电容器(5)，

其中，所述第二电接触件(9)经由所述可动部件(12)连接至地电位(7)，而所述第一电接触件(8)经由至少一个放电电阻器(15)连接至地电位(7)。

17.根据权利要求16所述的高压转换器，其特征在于，所述高压转换器为多级转换器。

18.根据权利要求16所述的高压转换器，其特征在于，所述至少一个电容器(5)的电容在6至15毫法拉的范围内。