CN108140499B

CN108140499B - 开关设备

Info

Publication number: CN108140499B
Application number: CN201580083644.4A
Authority: CN
Inventors: G·约翰森; D·卡伦; J·琼森; M·安格尔; M·H·乔汉森
Original assignee: ABB Schweiz AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2015-10-08
Filing date: 2015-10-08
Publication date: 2020-05-01
Anticipated expiration: 2035-10-08
Also published as: US10347436B2; US20190066939A1; WO2017059910A1; EP3360149A1; CN108140499A; RU2683797C1; EP3360149B1

Abstract

本公开涉及用于分断电流的开关设备(1、100、200)，其包括：主触头载体(65、165、265)、可移动主触头(30、130、230)和静止主触头(20、120、220)，其中可移动主触头(30、130、230)被附接至所述主触头载体(65、165、265)；电弧触头载体(60、160、260)、可移动电弧触头(50、150、250)和静止电弧触头(40、140、240)，其中可移动电弧触头(50、150、250)被附接至电弧触头载体(60、160、260)，并且静止电弧触头(40、140、240)被布置成与静止主触头(20、120、220)平行；以及致动单元(10、110、210)，用于以致动距离将主触头载体(65、165、265)和电弧触头载体(60、160、260)从断开位置致动到闭合位置或从闭合位置致动到断开位置，其中当电流被中断时，在主触头单元和电弧触头单元的静止触头和可移动触头之间分别存在分离距离。开关设备还包括：第一齿条(90、190、290)和第一齿轮(80、180、280)，用于致动电弧触头载体(60、160、260)，以使当中断电流时，电弧触头(50、150、250；40、140、240)之间的分离距离比主触头(30、130、230；20、120、220)之间的分离距离更长。

Description

开关设备

技术领域

本公开总体上涉及用于分断电流的开关设备。特别地，本公开涉及包括并联布置的静止主触头和静止电弧触头的开关设备。

背景技术

开关设备被用于在例如由于短路而发生电气故障的情况下中断电流或保护电路。开关设备可以包括触头，这些触头包括静止触头和可移动触头，静止触头和可移动触头在正常操作期间处于机械连接和电气连接。当触头彼此被分离时，产生电流分断操作。除了分离触头之外，电流分断/中断操作还包含熄灭触头之间的电弧，以及迫使电流减小到零。

在分断电流而没有任何自然的过零时，必须迫使电流下降至零。一种常见的做法是在分断点上产生高于系统电压的电压，从而迫使电流减少至零。为了在分断点上实现这样的电压，期望在长距离上拉伸分断电弧，因为电弧的长度增加了电弧电压，并且长电弧还容易被冷却以及被分裂成若干更短的电弧，若干更短的电弧进一步增加了电弧电压。

通过将触头分离到期望的长度以使电弧被拉伸出，或者通过使初始短电弧能够沿着拉伸短电弧的路径移动，电弧可以被延长。当触头在有限距离处彼此分离时，电弧必须快速离开接触点以避免触头材料的侵蚀。因此，灭弧室/灭弧槽被提供以使电弧移动离开触头进入其中，这进一步增加了电弧电压。希望电弧在正确的方向上并且以足够的速度沿着期望的路径移动，以使电弧电压增加到足够高的值以分断电流。

本领域还已知的是，可以使用所谓的平行断续触头系统，其中该系统包括主触头组件和与主触头组件并联耦接的电弧触头组件，主触头组件包括可移动主触头和静止主触头，电弧触头组件包括可移动电弧触头和静止电弧触头。不同操作模式所需的不同特点因此而被优化。在这样的系统中，主触头一般仅传导电流，并且不涉及产生电弧的开关切换操作。主触头中的材料针对良好的导电性而被优化，从而降低了电流流动时所产生的功率。另一方面，电弧触头被布置成处理开关切换操作，并且不意味着用于连续地传导电流。

EP2037472A2描述了包括主触头和电弧触头的开关系统，其中在开关切换操作期间，在主触头和电弧触头之间存在定时，以使所有开关切换(断开或闭合)都由电弧触头处理，而主触头在电路闭合时传导电流并且不会通过任何开关切换操作而被损坏。

发明内容

本公开的目的是提供用于以足够的速度分断大电流的开关设备。

根据本公开的第一方面，开关设备被提供用于分断电流的。开关设备的特征还在于，第一齿条和第一齿轮被提供用于致动电弧触头载体以使当中断电流时，电弧触头之间的分离距离比主触头之间的分离距离更长。

由于齿条和齿轮装置的布置，实现了电弧触头之间的更长的分离距离和更高的分离速度。电弧触头之间的更长的距离能够产生更长的电弧长度，更长的电弧长度从而能够产生比承载电压更高的电弧电压，因此最终迫使承载电流减小到零，从而延长了开关设备的寿命。此外，更高的分离速度还使得电弧电压能够更快地增加，并因此相比于低分离速度而在更短时间内迫使电流到零。本发明的另一个优点是，致动单元可以被设计成在主触头所需的短距离上作用，而由齿轮产生电弧触头所需的长距离。用于短距离的致动单元比用于长距离的致动单元更容易被制作。

根据一个实施例，电弧触头载体被附接至第一齿轮或第一齿条。此外，第一齿轮的传动比适于使得可移动电弧触头和可移动主触头之间的运动关系在2：1至8：1的范围内。

主触头和电弧触头中的每一个都包括触头尖端。优选地，电弧触头尖端的材料比主触头尖端的材料更硬，以使电弧触头尖端可以更好地耐受开关切换。

根据另一个实施例，开关设备还包括第二齿条和第二齿轮，其中第一齿轮和第二齿轮被共同安装在轴上，并且第一齿轮的半径大于第二齿轮的半径。第一齿轮的半径和第二齿轮的半径的比例可以在2：1至8：1的范围内。

根据又一实施例，第二齿条被附接至主触头载体。

优选地，开关设备可以还包括第三齿条和第三齿轮。第一、第二和第三齿轮被共同安装在轴上，其中第一齿轮被布置在第二齿轮和第三齿轮之间，其中第三齿轮具有与第二齿轮相同的齿轮半径。与第二齿轮相同，第三齿条被附接至主触头载体。这种结构为接触系统提供了平衡，并且避免了摩擦和其它不对称的缺陷，如磨损。

根据本发明的另一个实施例，开关设备还包括灭弧室，该灭弧室包括彼此有距离地被设置的多个U形、Y形或V形的分弧器，分弧器被构造和被布置使得具有高度的通道在开关切换操作期间被形成用于电弧触头，并且通道的高度适于使得当电流被关断/被中断时，可移动电弧触头在大部分的分离距离中在通道内移动。

此外，由分弧器形成的通道具有高度，并且通道的高度适于使得电弧触头的分离距离是主触头的分离距离的至少两倍。

附图说明

现在将参照附图以示例的方式描述本发明构思的具体实施例，其中：

图1示出根据本发明的第一示例的开关设备的示意性截面视图；

图2示出根据本发明的第二示例的开关设备的示意性截面视图；

图3a-图3f示出根据本发明的第三示例的开关设备的包括等距视图、横截面视图和俯视图的各种视图。

具体实施方式

现在将在下文中参照附图更充分地描述本发明构思，其中示出了示例性实施例。然而，本发明构思可以以许多不同的形式来实现，并且不应当被解释为限于本文阐述的实施例；相反，通过示例的方式提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明构思的范围。

本文将描述用于分断电流的开关设备的多种变型。

图1示意性示出了用于分断电流的开关设备1的结构，开关设备1包括主触头组件结构、电弧触头组件结构和致动单元10。

主触头组件结构负责传输/传导电流，并且包括主触头载体65、可移动主触头30和静止主触头20。可移动主触头30被附接至主触头载体65，以及静止主触头20被布置成与可移动主触头30接合。

电弧触头组件结构负责经历发生在开关切换操作期间的电弧，该开关切换操作可以是闭合操作或断开操作，以及电弧触头组件结构包括电弧触头载体60、可移动电弧触头50和静止电弧触头40。可移动电弧触头50被附接至电弧触头载体60，并且静止电弧触头40被布置成与可移动电弧触头50配合。此外，静止电弧触头40被定位成与静止主触头20平行。

致动单元10可以在开关设备1的壳体中沿着由箭头A表示的双向方向垂直移动，以用于将主触头载体65和电弧触头载体60从断开位置致动至闭合位置，或者从闭合位置致动至断开位置，其中当电流被中断时，主触头单元的静止触头和可移动触头之间与电弧触头单元的静止触头和可移动触头之间分别存在分离距离。

开关设备还包括第一齿条90和第一齿轮80，第一齿条90和第一齿轮80可以由致动单元直接地或间接地致动。第一齿轮80的传动比适于使可移动电弧触头50、150与可移动主触头30、130之间的运动关系在2：1至8：1的范围内。这意味着，可移动电弧触头50、150的触头尖端52、152和可移动主触头30、130的触头尖端32、132具有在2：1至8：1范围内的运动关系。

在该示例中，第一齿条90被提供在主触头载体65上。电弧触头载体60被附接至第一齿轮80。第一齿轮80的齿部部分啮合第一齿条90的齿部部分，以使线性致动被转换成电弧可移动触头的旋转运动，这使得在分断操作期间可移动电弧触头能够比可移动主触头移动得更长，从而在电弧触头之间产生比主触头之间的间隙更大的间隙，并且拉伸出电弧以及增加了电弧电压。

图2示意性示出了根据本发明的第二示例的开关设备100。开关设备100包括第一齿条190和布置成与第一齿条配合的第一齿轮180。在该示例中，开关设备还包括第二齿条195和布置成与第二齿条配合的第二齿轮185。电弧触头载体160被附接至第一齿条190。第二齿条195被附接至主触头载体165，主触头载体165转而被连接至致动单元110。第一齿轮180和第二齿轮185被共同安装在轴187上。

在中断/关断操作期间，致动单元110致动主触头载体165，主触头载体165转而致动可移动主触头130和第二齿条195。主触头130和120将在某个时间点分离。第二齿条195和第二齿轮185将致动的线性运动转换成齿轮185的旋转运动。由于第一齿轮180和第二齿轮185被安装在同一轴上，第二齿轮185的旋转被传递至第一齿轮180的旋转。利用所啮合的第一齿条190，第一齿轮180的旋转被转换成第一齿条190的线性运动，从而致动电弧触头载体160。电弧触头140、150将比主触头120、130更晚被分离。由于第一齿轮180的半径大于第二齿轮185的半径的事实，电弧触头载体160比主触头载体165移动得更长并且具有更高的分离速度，这导致电弧触头140、150之间的间隙比主触头120、130之间的间隙更大。第一齿轮的半径和第二齿轮的半径的比例在2：1至8：1的范围内，这提供了相对于致动距离的传动比。因此，在可移动电弧触头相对于致动单元的传动比为4：1的情况下，如果致动单元10、110和可移动主触头30、130在致动单元的运动的至少一部分期间移动10mm，可移动电弧触头50、150可以移动40mm，因此允许电弧更长地被拉伸出。传动比还将影响到力，以及在电弧触头处的特定的力将以与传动比相乘的量被反映至致动设备，即10N接触力通过该传动比将在致动设备上产生40N。

在图1和图2中可以看出，在任一种情况下，致动单元10、110直接作用在主触头载体上，以使可移动主触头30、130的运动跟随致动单元10、110的运动。主触头20、30或120、130需要高的接触力以获得低的接触阻力，并且这通过直接致动而被实现。电弧触头40、50或140、150可以由相同的致动单元10、110直接或间接致动，但是具有与该致动单元相关的传动比。

图1和图2均示出了并联双断续开关结构，其中两个静止电弧触头40、40'或140、140'被定位成与两个静止主触头20、20'或120、120'平行。静止电弧触头40、40'或140、140'和静止主触头20、20'或120、120'中的每一个均与对应的可移动电弧触头50或150和可移动主触头30或130对齐。可移动电弧触头50或150和可移动主触头30或130中的每一个均包括两个臂，其中触头尖端52、52'、32、32'或152、152'、132、132'被放置在面向对应的静止电弧触头40或140和静止主触头20或120的触头尖端42、42'、22、22'或142、142'、122、122'的臂的每一个端部处，因此使得在建立接触时双接触点能够针对电弧触头和主触头中的每一个而被串联连接。触头尖端也可以被称为接触垫或接触表面，在接触垫或接触表面上建立接触。使用双断续开关结构是有利的，因为这种结构使得能够在产生足够的电弧电压时将触头的分离长度减少到单个断续结构的长度的一半。该结构因此实现了更紧凑的开关设备。

优选地，电弧触头尖端的材料比主触头尖端的材料更硬，以使电弧触头尖端可以更好地耐受开关切换。用于电弧触头尖端的材料针对具有低侵蚀和低焊接/粘附倾向的开关切换而进行了优化。例如，主触头尖端的材料可以具有80％以上的高银含量；而电弧触头尖端的材料可以具有50％以上的高钨含量。

图3a-图3f示出了根据本发明的第三示例的开关设备的各种视图。例如，图3a-图3c是横截面图；图3d和图3f是等距视图；而图3e是俯视图。

在该示例中，开关设备200是具有基座201的两极DC接触器。对于这两极中的每个极，都提供有可移动电弧触头250和两个静止电弧触头240、240'、以及可移动主触头230和两个静止主触头220、220'。此外，静止电弧触头240、240'中的每个静止电弧触头都被附接至对应的静止主触头220，并且都被形成为U形条。可移动电弧触头250被形成为具有两个端部的细条。触头尖端252被放置在这两个端部中的每个端部处。可移动主触头230被形成为也具有两个端部的较宽的条。触头尖端232被放置在这两个端部中的每个端部处。如图3a-图3b中所示，电弧触头250、240的触头尖端252、242具有比主触头230、220的触头尖端232、222更小得多的尺寸/表面。主触头表面可以大于电弧触头。因此，对于每个极，都有并联的双断续开关结构。

在该示例中，开关设备200还包括灭弧室270，灭弧室270封闭静止电弧触头240和可移动电弧触头250，以及灭弧室270包括彼此平行设置的多个U形分弧器272。静止电弧触头240、240'被固定地布置在分弧器的正下方，而当电弧触头最终被分离时，可移动电弧触头在分弧器的上方。在开关切换操作期间，U形分弧器272形成用于可移动电弧触头250的狭窄通道，以使可移动电弧触头250在分弧器272的U形部分的边缘的旁边移动或者邻近于分弧器272的U形部分的边缘移动。每个U形分弧器272延伸有两个臂273、273'，两个臂273、273'进一步包围通道。该结构使开关设备更加紧凑。此外，灭弧室270的高度适于让通道的高度使得可移动电弧触头能够在大部分的分离距离中在通道内部移动，以及灭弧室270的高度是可移动主触头的至少两倍，这意味着在断开位置，电弧触头之间的距离h至少是主触头之间的距离H的两倍。因此，当电弧被拉伸出时，电弧通过分弧器在通道中被很好地冷却，并且电弧更容易被分裂成若干小电弧，然后小电弧进入分弧器之间以最终被熄灭。此外，由分弧器形成的通道具有包括宽度的尺寸，并且通道的宽度小于可移动电弧触头的宽度的两倍，以使可移动电弧触头在开关切换操作期间邻近于U形分弧器的边缘移动。这使得灭弧室的大小甚至能够产生影响。应当理解的是，分弧器272可以具有其它形状，如Y形或V形，并且可以以不一定彼此平行的距离而被替换。例如，分弧器可以被替换为扇形。

此外，在该示例中，对于全部的两极，单个电弧触头载体260和单个主触头载体265被提供用于分别承载可移动电弧触头250、250'和可移动主触头230、230'。主触头载体256进一步被连接/被附接至充当致动单元的磁体210(细节未示出)。

参照图3e和图3f，两组齿条和齿轮组件被提供在该示例中。

在每一组中，具有较小半径的第二齿轮285和第三齿轮285'被提供在轴287上；而具有较大半径的第一齿轮280在同一轴287上被安装在较小齿轮285、285'之间。第二齿条295和第三齿条295'被布置在主触头载体265上以分别与第二齿轮285和第三齿轮285'接合；而齿条290被提供在电弧触头载体260上并且与齿轮280啮合。这种布置为接触系统提供了平衡并且避免了摩擦和其它不对称的缺陷，例如机械磨损导致触头尖端位置的精度不准确和/或双分断触头的闭合/断开不同步等。

对于所有的示例，双触头动作发生在开关切换操作期间，即闭合或断开操作。当开关被分离/被断开时，主触头首先断开，然后接着是电弧触头的断开。当开关被闭合时，电弧触头首先闭合，接着是主触头的闭合。这意味着在开关切换操作期间，电弧触头经历/面对由开关切换操作而发生的电弧，而主触头可以避免由开关切换操作而引起的电弧。

应当理解，基于本发明的开关设备可以被用于中断DC或AC电流，并且可以是接触器、断路器或隔离开关中的任一种。

还应当理解的是，本发明不仅提高了分断/中断大电流的能力，而且提高了分断低电流的能力。通常对于大电流开关设备，开关设备被设计用于分断大电流。但是，当开关设备被用来分断低电流时，开关设备可能导致设备的严重损坏。这是因为，对于低电流，由于低的电磁力，难以由它自身将低电流电弧移动离开触头尖端并且将低电流电弧拉伸出，因此电弧将很可能停留在触头尖端处并且不进入灭弧室。本发明使得电弧能够在灭弧室内部的狭窄通道内以长的距离而被拉伸出，以使即使当待分断的电流较低时，低电流电弧仍然可以有效地被冷却下来，同时电弧电压以足够的速度被增加，并从而迫使电流至零。因此，本发明适用于分断高达5000A的电流。

Claims

1.一种用于分断电流的开关设备(1、100、200)，包括：

主触头载体(65、165、265)、可移动主触头(30、130、230)和静止主触头(20、120、220)，其中所述可移动主触头(30、130、230)被附接至所述主触头载体(65、165、265)，

电弧触头载体(60、160、260)、可移动电弧触头(50、150、250)和静止电弧触头(40、140、240)，其中所述可移动电弧触头(50、150、250)被附接至所述电弧触头载体(60、160、260)，并且所述静止电弧触头(40、140、240)被布置成与所述静止主触头(20、120、220)平行，以及

致动单元(10、110、210)，用于将所述主触头载体和所述电弧触头载体(65、165、265；60、160、260)从断开位置经过致动距离致动到闭合位置或从闭合位置经过致动距离致动到断开位置，其中当所述电流被中断时，在主触头单元和电弧触头单元的静止触头和可移动触头之间分别存在分离距离，

其特征在于，所述开关设备还包括第一齿条(90、190、290)和第一齿轮(80、180、280)，用于致动所述电弧触头载体(60、160、260)，以使当中断所述电流时，所述电弧触头(50、150、250；40、140、240)之间的分离距离比所述主触头(30、130、230；20、120、220)之间的分离距离更长。

2.根据权利要求1所述的开关设备，其中所述电弧触头载体(60、160、260)被附接至所述第一齿轮(90)或者第一齿条(190、290)。

3.根据权利要求1所述的开关设备，其中所述第一齿轮的传动比适于使得所述可移动电弧触头(50、150、250)与所述可移动主触头(30、130、230)之间的运动关系在2：1至8：1的范围内。

4.根据权利要求1所述的开关设备，其中所述主触头和所述电弧触头中的每一个均包括触头尖端，电弧触头尖端的材料比主触头尖端的材料更硬。

5.根据前述权利要求中任一项所述的开关设备，还包括第二齿条(195、295)和第二齿轮(185、285)，其中所述第一齿轮(180、280)和所述第二齿轮(185、285)被共同安装在轴(187、287)上，并且所述第一齿轮(180、280)的半径大于所述第二齿轮(185、285)的半径。

6.根据权利要求5所述的开关设备，其中所述第二齿条(195、295)被附接至所述主触头载体(165、265)。

7.根据权利要求5所述的开关设备，其中所述第一齿轮(180、280)的半径与所述第二齿轮(185、285)的半径的比例在2：1至8：1的范围内。

8.根据权利要求5所述的开关设备，还包括第三齿条(295')和第三齿轮(285')，其中所述第一齿轮、所述第二齿轮和所述第三齿轮(280、285、285')被共同安装在所述轴(287)上，其中所述第一齿轮(280)在所述第二齿轮与所述第三齿轮(285、285')之间，其中所述第三齿轮具有与所述第二齿轮相同的齿轮半径。

9.根据权利要求8所述的开关设备，其中所述第三齿条(295')被附接至所述主触头载体(265)。

10.根据权利要求5所述的开关设备，其中所述开关设备是并联双断续开关设备并且还包括另一静止主触头(20'、120'、220')和被定位成与所述另一静止主触头(20'、120'、220')平行的另一静止电弧触头(40'、140'、240)，其中所述静止电弧触头、所述静止主触头、所述另一静止主触头和所述另一静止电弧触头(40、40'；140、140'；240、240'；20、20'；120、120'；220、220')中的每一个均与对应的可移动电弧触头和可移动主触头(50、30；150、130；250、230)对齐，并且所述可移动电弧触头和可移动主触头(50、30；150、130；250、230)中的每一个均包括两个臂，所述两个臂中的每一个臂均包括触头尖端(252、252'；232、232')，以与对应静止主触头和静止电弧触头(40、20、140、120、242、220)的对应触头尖端(42、42'；22、22'；142、142'；132、132'；242、242')相接触。

11.根据前述权利要求1至4中任一项所述的开关设备，还包括灭弧室(270)，所述灭弧室(270)包括彼此有距离地被设置的多个U形、Y形或V形的分弧器(272)，所述分弧器被构造成使得具有高度的通道在开关切换操作期间被形成用于所述电弧触头，并且所述通道的所述高度适于使得当所述电流被关断/被中断时，所述可移动电弧触头在所述通道内移动经过所述分离距离的大部分。

12.根据权利要求11所述的开关设备，其中由所述分弧器形成的所述通道具有高度，并且所述通道的所述高度适于使得所述电弧触头的所述分离距离是所述主触头的所述分离距离的至少两倍。