CN109564832A - 气体绝缘式低压或中压断载开关 - Google Patents

气体绝缘式低压或中压断载开关 Download PDF

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Abstract

气体绝缘式低压或中压断载开关（1）包含：壳体（2），限定用于保持绝缘气体处于环境压力的壳体容积；布置于壳体容积内的第一起弧接触件（10）和第二起弧接触件（20），第一和第二起弧接触件（10、20）沿着断载开关（1）的轴（12）相对于彼此可移动，且限定在断流操作的期间形成电弧（50）的猝灭区域（52）；加压系统（40），具有布置于壳体容积内的加压室（42），以用于在断流操作的期间，使猝灭气体从环境压力p0加压到猝灭压力p 猝灭 ；以及喷嘴系统（30），布置于壳体容积内，以用于将处于亚音速流型的加压的猝灭气体从加压室（42）吹动到在断流操作的期间在猝灭区域（52）中形成的电弧（50）上。喷嘴系统（30）包含布置用于将猝灭气体从离轴位置主要径向地向内吹动到猝灭区域（52）上的至少一个喷嘴（33）。

Description

气体绝缘式低压或中压断载开关
技术领域
本发明的方面大致涉及带有电弧熄灭能力的气体绝缘式低压或中压断载开关（LBS），涉及具有这样的断载开关的配电网络、环网单元（RMU）或二次配电气体绝缘式开关设备，涉及这样的断载开关在配电网络中的使用，且涉及使用断载开关来断开负载电流的方法。
背景技术
断载开关（LBS）构成被分配给在400 A-2000 A（rms）的范围内切换负载电流的任务的气体绝缘式环网单元的整体部分。当切换电流时，开关通过接触件（插头和郁金香状部）彼此远离的相对移动而断开，由此电弧可以在分离的接触件之间形成。
传统的断载开关典型地使用闸刀开关，或在更先进的设计中，使用使电弧冷却且熄灭的机构（例如吹气（puffer）机构）。在带有吹气机构的断载开关中，猝灭气体在压缩（吹气）容积中压缩且通过郁金香状部的中心而朝向电弧释放，以用于使电弧熄灭。该流的示例在图4中示出且在下文中更详细地描述。
典型地，SF6由于其优异的介电和冷却性质而用作猝灭气体。低的中断电流与SF6的高效的冷却性质相结合而允许相对较低的升压，以用于使LBS中的电弧中断，这启用针对传统的断载器的驱动器和总体设计的低成本的解决方案。
WO 2013/153110 A1公开了一种高压气体断路器，该高压气体断路器设计成在高于52 kV的高压下使数十千安的范围内的短路电流中断。出于此目的，断路器具有熄灭气体加压系统，该系统包括活塞驱动加压室和/或自爆加热室，活塞驱动加压室和/或自爆加热室经由加热通道而流体地连接到喷嘴系统，该喷嘴系统提供喷嘴缩窄部或喷嘴喉部，以约束电弧吹动气体，且使气体加速成高于声速。这样的断路器在高压传输系统中使用，且尤其在高压变电站（空气绝缘式或介电气体绝缘式开关设备组件）中使用。
断路器与例如形成环网单元（RMU，所谓的二次中压设备）的一部分的断载开关形成对比，断路器设计成用于分配处于数百安的相对较低的额定电流且处于高达例如36 kV或高达24 kV或高达12 kV的相对较低的额定电压的电能。断载开关仅能够切断标称负载电流，且至多仅高达典型地2千安。
EP 2 958 124 A1公开了电弧熄灭绝缘材料模制和使用电弧熄灭绝缘材料模制的气体断路器。
EP 1 916 684 A1公开了一种气体绝缘式高压断路器，该断路器具有喷嘴（其带有用于提供局部亚音速的流的第一喉部和第二喉部），喷嘴后面有用于提供强烈的超音速气体膨胀的喷嘴扩散器部分。
WO 84/04201公开了针对配电电压的SF6气体断载开关，该断载开关具有用于电弧吹动的活塞和喷嘴系统。其中，活塞的快速运动生成绝缘气体通过活塞中的孔的吹动，以用于指引气体围绕接触杆的第一端且通过喷嘴，以使电弧猝灭。由于断电器驱动器的高速操作（且因此，活塞运动），由于气密密封且由于SF6气体断载开关的小的直径，导致生成高的气体压力，且因而生成超音速流条件。
发明内容
本发明的目标是提供改进的气体绝缘式低压或中压断载开关，该断载开关在至少在某种程度上仍然维持相对较低的成本和紧凑设计的同时，即使在艰难的条件下也允许可靠的电弧熄灭。
鉴于上文，提供根据权利要求1的气体绝缘式低压或中压断载开关；包含这样的断载开关的根据权利要求19的二次配电气体绝缘式开关设备（GIS）的配电网络、环网单元；根据权利要求20的断开负载电流的方法以及根据权利要求24的这样的断载开关的使用。
根据本发明的第一方面，提供气体绝缘式低压或中压断载开关。如本文中所定义的，断载开关具有切换负载电流的能力，但不具有短路电流中断能力。负载电流也被称为额定电流或标称电流，且可以例如高达2000 A、优选地高达1250 A或更优选地高达1000 A，负载电流为在配电网络、环网单元以及二次配电气体绝缘式开关设备（GIS）中使用的典型的额定电流。另一方面，额定电流可以超过1 A，更优选地超过100 A，更优选地超过400 A。在AC断载器的情况下，额定电流在本文中根据rms电流而指示。
在本文中，低压或中压定义为高达至多52 kV的电压。低压或中压断载开关因此具有至多52 kV的额定电压。额定电压可以尤其为至多52 kV，或优选至多36 kV，或更优选至多24 kV，或最优选至多12 kV。电压额定值可以为至少1 kV。
断载开关包含：壳体（气体包封件），限定用于保持绝缘气体处于环境压力p0（断载开关的额定的操作压力，即在稳态条件下存在于断载开关的内侧的环境压力）的壳体容积；布置于壳体容积内的第一起弧接触件（例如销接触件）和第二起弧接触件（例如郁金香状接触件），第一和第二起弧接触件沿着断载开关的轴相对于彼此可移动，且限定在断流操作的期间形成电弧的猝灭区域；加压系统（例如缓冲系统），具有布置于壳体容积内的加压室，以用于使猝灭气体（其可以为刚刚加压的绝缘气体）在断流操作的期间加压到猝灭压力p猝灭，其中，猝灭压力p猝灭满足条件p0<p猝灭，且尤其p猝灭<1.8*p0，其中p0是环境压力；以及喷嘴系统，布置于壳体容积内，以用于将处于亚音速流型的加压的猝灭气体从加压室吹动到在断流操作的期间在猝灭区域中形成的电弧上。流型是超音速还是亚音速取决于猝灭压力p猝灭与环境压力p0之间的压力差。如本文中所定义的，尤其在p猝灭<1.8*p0的条件下存在亚音速流型。
根据本发明的另外的方面，提供使用本文中所描述的断载开关来断开负载电流的方法。该方法包含使第一起弧接触件和第二起弧接触件沿着断载开关的轴相对彼此远离而移动，由此在猝灭区域中形成电弧；使猝灭气体加压到满足条件p0<p猝灭的猝灭压力p猝灭，其中p0是环境压力；以及由喷嘴系统将处于亚音速流型的加压的猝灭气体从加压室吹动到在猝灭区域中形成的电弧上，从而将猝灭气体从离轴位置主要径向地向内吹动到猝灭区域上。
在该方法的实施例中，在整个断流操作的期间，维持亚音速流型；和/或在所有类型的断流操作的期间，维持亚音速流型；和/或在断载开关的内侧，尤其在喷嘴系统的内侧或在至少一个喷嘴的内侧，维持亚音速流型；和/或在断流操作的任何瞬间且针对将由断载开关执行的每个断流操作，避免音速流条件。
在描述和附图中，另外的优点、特征、方面以及细节能够与本文中所描述的实施例组合，且在从属权利要求和权利要求的组合中公开。
附图说明
本发明将参考附图而更详细地解释，其中：
图1a-1c示出断流操作的期间的处于各种状态的根据本发明的实施例的断载开关的横截面图，
图2更详细地示出图1a-1c的断载开关的断流操作的期间的猝灭气体的流型，
图3示出根据本发明的另外的实施例的断载开关的横截面图，
图4示出根据比较性的示例的断载开关的横截面图，以及
图5至图9示出根据本发明的又另外的实施例的断载开关的示意横截面图。
具体实施方式
现在将详细地参考各种方面和实施例。每个方面和实施例作为解释而提供，而不旨在作为限制。例如，作为一个方面或实施例的部分而图示或描述的特征能够用于任何其它方面或实施例上，或与任何其它方面或实施例联合使用。旨在本公开包括这样的组合和修改。
根据本发明的方面，喷嘴系统包含布置成用于将猝灭气体从离轴位置主要径向地向内吹动到猝灭区域上的至少一个喷嘴。至少一个（或每个）喷嘴的离轴位置位于离轴的预定距离处，其中该预定距离为例如至少第二（郁金香状）接触件的内径。至少一个喷嘴可以径向地布置于第一（销）或第二（郁金香状）接触件的外侧。
在本发明的方面，喷嘴系统限定猝灭气体的流型，该流型包括猝灭气体的流动大体上停止所在的驻点、朝向驻点的主要径向地向内的流的上游区域（即沿猝灭气体的流动方向的驻点的上游）以及沿主要轴向的方向加速流远离驻点的下游区域（即沿猝灭气体的流动方向的驻点的下游）。
在本文中，主要径向地向内的流是来自喷嘴出口的流，其相对于开关的中心轴而偏移，即使得喷嘴出口开口不具有（或所有的喷嘴出口开口都不具有）与该轴的任何重叠。在一方面，至少一个喷嘴布置成用于将猝灭气体从离轴位置以自轴向方向起的超过45°（例如60°至120°，优选地70°至110°，更优选地75°至105°）的入射角吹动到猝灭区域上（尤其朝向中心轴）。流动方向由喷嘴出口处的主流或平均流限定。
同样地，远离驻点的流的主要轴向的方向由带有相对于轴的小于45°（优选地小于30°）的角的大体上沿着轴指引的主流或平均流限定。
在本发明的一方面，加压系统是吹气系统。其中，加压室是吹气室（例如带有布置成用于在断流操作的期间使吹气室内的猝灭气体压缩的活塞）。因而，根据本发明的相关方面，喷嘴系统是不存在自爆效应的吹气型喷嘴系统。任选地，第一或第二起弧接触件可移动，并且活塞可与第一或第二起弧接触件一起移动，然而吹气室的另一（剩余的）部分静止，以用于在断流操作的期间使吹气室压缩。
在本发明的一方面，绝缘气体具有比SF6的全球变暖潜势（例如超过100年的间隔）更低的全球变暖潜势。绝缘气体可以例如包含从由与烃或有机氟化合物混合的CO2、O2、N2、H2、空气、N2O组成的组选择的至少一种背景气体成分。例如，介电绝缘介质可以包含干燥空气或技术（technical）空气。介电绝缘介质可以尤其包含从由以下组成的组选择的有机氟化合物：氟代醚、环氧乙烷、氟胺、氟酮、氟烯烃、氟腈、以及其的混合物和/或分解产物。尤其，绝缘气体可以包含为烃（至少CH4）、全氟化和/或部分地氢化的有机氟化合物、以及其混合物。有机氟化合物优选地从由以下组成的组选择：氟碳、氟代醚、氟胺、氟腈以及氟酮；且优选地为氟酮和/或氟代醚，更优选地全氟酮和/或氢氟代醚，更优选地具有从4至12个碳原子的全氟酮，且甚至更优选地具有4、5或6个碳原子的全氟酮。尤其，全氟酮为或包含以下中的至少一种：C2F5C（O）CF（CF3）2或十二氟-2-甲基戊-3-酮以及CF3C（O）CF（CF3）2或十氟-3-甲基丁-2-酮。绝缘气体优选地包含与空气或空气成分（诸如N2、O2和/或CO2）混合的氟酮。
在具体的情况下，上文中所提到的氟腈是全氟腈，尤其含有两个碳原子和/或三个碳原子和/或四个碳原子的全氟腈。更特别地，氟腈能够为全氟烷基腈，具体地全氟乙腈、全氟丙腈（C2F5CN）以及/或全氟丁腈（C3F7CN）。最特别地，氟腈能够为全氟异丁腈（根据式（CF3）2CFCN）和/或全氟-2-甲氧基丙腈（根据式CF3CF（OCF3）CN）。在这些氟腈中，全氟异丁腈由于其低毒性而特别地优选。
在本发明的一方面，开关的额定电压为至多52 kV。该额定电压还可以反映在开关的压力状况（regime）和尺寸（诸如下文中所给出的值）中。
在本发明的一方面，加压系统配置成用于在断流操作的期间使猝灭气体加压到满足以下的四个条件（i. ii. iii. iv.）中的至少一个的猝灭压力p猝灭：
i. p猝灭<1.8*p0，更优选地p猝灭<1.5*p0，更优选地p猝灭<1.3*p0；
ii. p猝灭>1.01*p0，尤其p猝灭>1.1*p0；
iii. p猝灭<p0+800 mbar，尤其p猝灭<p0+500 mbar，更优选地p猝灭<p0+300 mbar，且最优选地p猝灭<p0+100 mbar，
iv. p 猝灭 >p 0 +10 bar。
已经强调指出，这四个条件中的每个本身单独地为有益的，但可以有利地以（一个或多个）各种组合（例如i.和ii.、或i.和iii.、或ii.和iii.以及iv.、或全部条件组合在一起）实现，以对断载开关中的亚音速气体流型进行改进或优化。
低于条件i和iii的极限的压力差不仅允许猝灭气体的亚音速流型，而且还将开关的驱动器的要求保持得低，且因此将开关的驱动器的成本保持得低。虽然如此，只要使用本文中所描述的喷嘴设计，条件i-iii的极限就仍然允许低压或中压断载开关的额定值内的合理的电弧熄灭性质。典型地，断载开关中的环境压力p0为p0<=3 bar，优选地p0<=1.5 bar，更优选地p0<=1.3 bar。
在本发明的一方面，开关具有以下尺寸中的一个或多个：
-喷嘴具有5 mm至15 mm的范围内的直径；
-加压容积或加压室具有40 mm至80 mm的范围内的（径向）直径和40 mm至200 mm的范围内的最大（轴向）长度；
-第一和第二起弧接触件具有高达150 mm，优选地高达110 mm，和/或至少10 mm的最大接触件间距；且尤其具有25 mm至75 mm的范围内的最大接触件间距。
在本发明的一方面，喷嘴包含例如喷嘴的远处尖端处的绝缘外部喷嘴部分。
在本发明的一方面，第一接触件和第二接触件中的至少一个具有相应的空心区段，该空心区段如此布置，以致于猝灭气体的已吹动到猝灭区域上的一部分从猝灭区域流动到空心区段中。相应的接触件可以例如具有管状拓扑结构，并且空心区段于是为内管容积。在一方面，空心区段具有空心区段的退出侧处（例如远离猝灭容积的管部分处）的出口。出口可以连接到壳体容积的总容积（环境压力区域）。由此，空心区段可以允许已流动到空心区段中的猝灭气体在出口处向外流动到环境压力区域中。优选地，第一和第二接触件两者都分别具有这样的几何结构。从而，电弧能够以少量能量输入特别有效地耗散。根据本发明的另外的方面，第一和第二接触件（销和郁金香状接触件）两者都具有其侧面中的充当出口的一个或多个孔，一个或多个孔优选地连接到总容积。
根据本发明的另外的方面，断载开关是单运动类型，第一和第二接触件中的仅一个可移动。可移动接触件由驱动单元驱动。根据本发明的另外的方面，第一接触件（例如销接触件）固定，并且第二接触件（例如郁金香状接触件）可移动。
根据本发明的另外的方面，喷嘴系统固定地联结到可移动接触件，和/或可与可移动接触件一起移动，和/或由驱动可移动接触件的驱动单元驱动。
根据本发明的另外的方面，第一和第二接触件之一是郁金香状接触件，并且喷嘴系统的该喷嘴（或每个喷嘴）径向地布置于郁金香状接触件的外侧。根据本发明的另外的方面，喷嘴的内侧由郁金香状的外侧形成。根据本发明的另外的方面，喷嘴的外侧具有绝缘部分，绝缘部分优选地为喷嘴的尖端部分。
根据本发明的另外的方面，断载开关还包含分别用于电屏蔽第一和/或第二接触件的第一和第二场控制元件中的至少一个。场控制元件与喷嘴系统不同，且优选地以与喷嘴间隔开的方式布置（例如轴向地远离喷嘴和/或径向地位于喷嘴的外侧）。
根据另外的方面，第二起弧接触件包括空心管道，其中插入件附接到管道的内侧，其中喷嘴系统包含通道，该通道从加压系统延伸到喷嘴，且尤其由插入件与空心管道之间的空间限定，且其中任选地，加压系统布置于空心管道的外侧处，且其中任选地，空心管道包含允许猝灭气体从加压系统传递至通道的开口。
根据本发明的另外的方面，提供具有如本文中所描述的断载开关的配电网络、环网单元或二次配电气体绝缘式开关设备。在其实施例中，断载开关与断路器组合（尤其与真空断路器组合）布置。
根据本发明的另外的方面，要求保护本文中所公开的断载开关在配电网络、环网单元或二次配电气体绝缘式开关设备中的使用。使用实施例包含：将断载开关用于断开配电网络、环网单元（RMU）或二次配电气体绝缘式开关设备（GIS）中的负载电流；和/或用于切换负载电流，但并非用于使短路电流中断；和/或将断载开关与和断载开关不同的断路器（尤其是真空断路器）组合使用。作为另一实施例，且为了完整起见而将提到，还有可能在（具体的）环网单元的内侧，存在不带有附加的断路器而布置的断载开关。
附图详述
在附图中所示出的实施例的以下描述内，相同的附图标记指相同或类似的构件。通常，仅描述关于单独的实施例的差异。除非另外规定，否则一个实施例中的一部分或方面的描述同样地适用于另一实施例中的对应的部分或方面。
图1a-1c示出根据本发明的实施例的中压断载开关1的横截面图。在图1a中，开关示出为处于闭合状态，在图1b中，开关示出为处于在带有电弧燃烧的断流操作的期间的第一状态，且在图1c中，开关示出为处于在断流操作的期间的后期的第二状态。
开关1具有以处于环境压力p0的电绝缘气体填充的气密壳体（未示出）。所示出的构件布置于以该气体填充的壳体容积内。换句话说，环境压力p0表明填充到断载开关1中且存在于断载开关1的内侧的背景压力。
开关1具有静止销接触件（第一起弧接触件）10和可移动郁金香状接触件（第二起弧接触件）20。固定接触件10为固体的，而可移动接触件20具有带有管部分24和内部容积或空心区段26的管状几何结构。可移动接触件20能够远离静止接触件10沿着轴12移动，以用于断开开关1。
开关1还具有带有具有其中所含有的猝灭气体的加压室42的吹气型加压系统40。猝灭气体是开关1的壳体容积中所含有的绝缘气体的一部分。加压室42由室壁44和用于在断流操作的期间使吹气室42内的猝灭气体压缩的活塞46划界。
开关1还具有喷嘴系统30。喷嘴系统30包含通过喷嘴通道32而连接到加压室42的喷嘴33。喷嘴33相对于中心轴12而离轴地布置（且换句话说，与中心轴12一起轴向地布置），且更具体地轴向地布置于郁金香状接触件20的外侧。在图1a-1c的实施例中，存在沿着围绕轴12的圆以均匀的角间隔（或方位角位置）布置的若干喷嘴；术语“喷嘴”在本文中指这些喷嘴中的任一个，且优选地指每个喷嘴。
在切换操作的期间，如图1b中所示出的，可移动接触件20通过驱动器（未示出）而远离静止接触件10（在图1b中向右）沿着轴12移动。从而，起弧接触件10和20彼此分离，并且电弧50形成于两个接触件10和20之间的猝灭区域52中。
在切换操作的期间，喷嘴系统30和活塞46通过驱动器（未示出）而与郁金香状接触件20一起远离销接触件10而移动。加压容积42的其它室壁44是静止的。因而，使加压容积42压缩，且使其中所含有的猝灭气体处于猝灭压力p猝灭，猝灭压力p猝灭定义为加压室42内的最大总压力（总体，即忽略局部升压）。
如图1b中由箭头所指示的，喷嘴系统30随后将加压的猝灭气体从加压室42吹动到电弧50上。为了此目的，来自加压室42的猝灭气体被释放且通过通道32和喷嘴33而吹动到起弧区52上。
喷嘴33限定图1b和图1c中所指示的猝灭气体的流型：猝灭气体从离轴位置（喷嘴33的喷嘴出口）主要径向地向内流动到猝灭区域52上，且因而流动到电弧50上。
如由至少一个喷嘴33所限定的主要径向指引的向内的流能够在优选的方面描述为布置成用于将猝灭气体从离轴位置以自轴向方向起的75°与105°之间的入射角吹动到猝灭区域52上的喷嘴33。
图2更详细地示出猝灭气体的流型。流型包括猝灭气体的流动基本上停止所在的驻点64。更精确地，驻点64定义为猝灭气体的流型具有基本上消失的速度的区域。在数量上，如果气体速度的大小满足以下的不等式，则气体的速度基本上成为零：
其中，是加压（猝灭）气体（加压容积42中的最大压力p 猝灭 ）和环境气体（总压力p 0 ）的压力差；是压缩容积（处于最大压缩）中的加压（猝灭）气体的气体密度，并且c是优选地在c<0.2的范围内选择的预定的常系数，例如，优选地。
在本文中，驻点64定义为在无电弧的操作的期间（例如无电流的开关的断开移动（无负载操作）的期间）的猝灭气体的稳态流动的期间满足上文的不等式的区域。上文的不等式优选地在不存在电弧（尤其不存在生成电流的电弧）的情况下定义。
驻点64因而描述某一区域。另外，驻点64还可以指该区域内的任何点，且尤其指该区域的中心。
流型还包括朝向驻点64的（主要径向向内的）流的上游区域62（即驻点64的上游）和在主要轴向的方向上加速流远离驻点64的下游区域66（即驻点64的下游）。在此，“上游”和“下游”不一定意味着气体已通过驻点64。
优选地，驻点64与起弧区域52重叠，且更优选地位于起弧区域52内。
因而，猝灭气体从主要径向的方向朝向起弧区52（在上游区域62中）流动，由此，猝灭气体减速。该气体从起弧区52在主要轴向的方向上远离起弧区（在下游区域66中）流动，由此，该气体轴向地加速。该流型具有创建借以对电弧50的横截面和直径进行约束且将其保持得小的压力剖面的优点。这（以及轴向吹动到电弧50上）导致电弧50的增强的冷却和熄灭。
在图1a-1c和图2中所示出的实施例中，气体在驻点62的下游沿着轴12在两个相反的方向上加速：喷嘴系统沿着轴12在驻点64的相反的两侧上限定两个下游区域66。来自电弧50的该双流被第二接触件20的空心容积或空心区段26使能。空心区段26布置成使得猝灭气体的已吹动到猝灭区域52上的一部分被允许从猝灭区域52流动到空心区段26中，且从空心区段26通过空心区段26的出口（在图1a-1c中，在空心区段26的右侧处）而流动到断载开关1的总壳体容积中。
断载开关1还包含其它部分（诸如标称接触件、驱动器、控制器等），这些零件已在图中省略且未在本文中描述。这些部分类似于常规的低压或中压断载开关而提供。
断载开关可以作为气体绝缘式环网单元的一部分而提供，且可以为额定的，以用于在高达400 A乃至高达2000 A（rms）的范围内切换负载电流。
断载开关的一些可能的应用是低压或中压断载开关和/或开关熔断组合开关；或电弧无法排除的设置中的中压切断器。这些应用的额定电压为至多52 kV。
通过将本文中所描述的流型应用于低压或中压断载开关，从而能够显著地改进其热中断性能。这许可例如与不同于SF6的绝缘气体一起使用。SF6具有优异的介电和电弧猝灭性质，且因此已在气体绝缘式开关设备中常规地使用。然而，由于其全球变暖潜势高，因而已付出大量努力，以减少这样的温室气体的排放且最终停止其使用，且因而找到可以替代SF6的备选气体。
已针对其它类型的开关而提出这样的备选气体。例如，WO 2014/154292 A1公开了利用备选的绝缘气体的无SF6的开关。以这样的备选气体替代SF6在技术上具有挑战性，因为，SF6由于其使电弧冷却的固有能力而具有极好的切换和绝缘性质。
即使备选气体并非与SF6的中断性能完全地匹配，本配置也允许在断载开关中使用具有比SF6的全球变暖潜势更低的全球变暖潜势的这样的备选气体。
绝缘气体优选地具有比SF6的超过100年的间隔的全球变暖潜势更低的全球变暖潜势。绝缘气体优选地包含从由以下组成的组选择的至少一种气体成分：CO2、O2、N2、H2、空气、N2O、烃（尤其CH4）、全氟化或部分地氢化的有机氟化合物、以及其混合物。
有机氟化合物优选地从由以下组成的组选择：氟碳、氟代醚、氟胺、氟腈、氟酮、以及其的混合物和/或分解产物，且优选地为氟酮和/或氟代醚，更优选地全氟酮和/或氢氟代醚，最优选地具有从4至12个碳原子的全氟酮。绝缘气体优选地包含与空气或空气成分（诸如N2、O2、CO2）混合的氟酮。
在一些实施例中，由于允许电弧非常有效地冷却的流量剖面而能够实现该改进，而不提高喷嘴中的猝灭气体的升压（不提高吹气室的压力），且因而不增加对于开关的驱动器的需求/成本。在一些实施例中，升压甚至可以降低。
因而，在本发明的一方面，加压系统40可以配置成用于在断流操作的期间使猝灭气体加压到猝灭压力p猝灭<1.8*p0，其中p0是壳体的总容积中的绝缘气体的环境（平衡）压力，并且p猝灭是加压室中的断流操作的期间的加压的绝缘气体（也被称为猝灭气体）的（最大总体）压力。该关于猝灭压力的条件确保猝灭气体的流动为亚音速的，且同时限制驱动器（其一般递送使猝灭气体加压的功）的要求。
更优选地，猝灭压力满足p猝灭<1.5*p0或p猝灭<1.3*p0乃至p猝灭<1.1*p0。另一方面，猝灭压力优选地满足p猝灭>1.01*p0，以使得升压足以用于使电弧熄灭。
在另一方面，猝灭压力满足p猝灭<p0+800 mbar，优选地p猝灭<p0+500 mbar，更优选地p猝灭<p0+300 mbar，且甚至更优选地p猝灭<p0+100 mbar。另一方面，猝灭压力优选地满足p猝灭>p0+10 mbar。
在实施例中，壳体中的（总）绝缘气体的环境压力p0<=3 bar，更优选地p0<=1.5bar，且甚至更优选地p0<=1.3 bar。
这些压力条件与高压断路器（远高于52 kV的额定电压）中的典型的流动条件截然不同。在这些高压断路器（缓冲和自爆型）中，流动条件为超音速的，以便使电弧的冷却最大化。从而，要求大幅度地高于1.8*p0（且大幅度地高于p0+800 mbar）的高得多的升压p猝灭。这对这些高压断路器的驱动器强加强烈要求，对于在此考虑的低压和中压断载器，从成本的观点来看，这些高压断路器是不利乃至禁止的。这些低压和中压断载器是与断路器完全不同的类型的用于完全不同的应用、设计以及市场的开关。
相比之下，本申请针对低压或中压断载开关，其典型地额定成至多52 kV的电压，且并非额定成用于切换更高的电压或不能切换更高的电压，且其额定成至多2000 A乃至至多1250 A的电流，且并非额定成用于切换更高的电流或不能切换更高的电流。尤其，断载开关并非额定成用于使故障电流中断或不能使故障电流中断。具体地，断载开关并非额定成用于使短路电流中断或不能使短路电流中断。
接着，参考图3，描述根据本发明的另外的实施例的断载开关。该实施例与图1a-1c的实施例不同之处在于，第二接触件20的空心区段26由阻断元件27阻断。作为结果，空心区段26不允许猝灭气体流过空心区段26。因此，在图3的实施例中，猝灭气体在驻点64的下游（在猝灭区域52中）沿着轴12沿唯一的方向（即朝向另一个接触件（第一接触件，未在图3中示出）（即在图3中向左）加速。虽然如此，由于猝灭气体朝向猝灭区域52主要轴向地流入，因而气流仍然表现出驻点64。
图3的实施例的其它方面类似于图1a-1c和图2的实施例的方面，并且，图1a-1c和图2的上文的描述同样地适用于图3的实施例。
参考图4，描述根据比较性的示例的常规的断载开关。其中，猝灭气体通过通道32’（其沿着轴12且穿过轴向地布置的喷嘴（构成第二接触件20的郁金香状部的中心）延伸）而在轴向方向上吹动到起弧区域52上。该流型限定不带有驻点的主要轴向的流。在图4的该实施例中，这通过使轴向通道32’与加压容积42连接且通过例如由阻断元件37阻断任何非轴向通道而实现。
在图4的比较性的路径中，猝灭气体从主要轴向的方向（尤其从郁金香状部（第二接触件）20的中心）吹动到电弧上。相应地，致使电弧从喷嘴33通过排气部而向外（在此，在图4中，向左侧）移动。图4的该常规的流拓扑结构（也被称为轴向流）已在现有技术的断载开关中使用。实现该流拓扑结构简单且便宜，并且，该流拓扑结构以SF6气体和100 mbar-200mbar的升压产生可接受的电弧熄灭性能。
图1a至图4的不同的设计的性能已在实验上比较。即，负载电流通过第一和第二接触件10和20而施加，并且插头（第一接触件10）相对地移动到第二接触件30且与第二接触件30分离而移动，由此，电弧被点燃。同时，如在上文中针对相应的图1b-1c、图2、图3以及图4而描述的，猝灭气体加压且从加压容积42释放，以流动到起弧区域52，以用于使电弧50熄灭。
作为结果，发现为了使同一水平的中断电流熄灭，本发明的实施例（图1a-3）要求与图4的常规设计比较而小得多的压力（加压容积中的超压）。
类似地，发现对于关于将SF6用作猝灭气体的常规开关（图4）的给定的升压，即使具有降低的电弧猝灭可能性的备选气体用作猝灭气体，图1a-3的流量剖面也仍然允许使电流热中断。作为备注，因而显然本文中所描述的断载开关也能够与作为猝灭气体的SF6一起使用。
这些结果清楚地表明根据本发明的喷嘴设计和猝灭气体流型的改变所导致的优点。该优化的喷嘴设计允许与常规设计比较的更高效得多的电弧冷却和猝灭效率，且因而使能通过如本文中所提到的备选的猝灭气体而对于断载开关的大范围的可能的额定值（例如对于高达例如12 kV，高达24 kV，高达36 kV，乃至高达52 kV的电压的额定电流）而使负载电流热中断。
接着，描述根据本发明的另外的实施例的断载开关。再次，除非另外规定，否则任何其它实施例的描述都同样地可以适用于该实施例。在该实施例中，第一接触件是销，并且第二（移动）接触件是包括空心管道（其带有附接到管道的内侧的插入件）的郁金香型接触件。喷嘴系统包含限定于管道与插入件之间的喷嘴和喷嘴通道。如已经关于图1a-1c和图2而描述的，喷嘴布置成用于将猝灭气体从离轴位置主要径向地向内吹动到猝灭区域上。不同于这些图，加压容积径向地位于喷嘴通道的外侧，和/或来自限定从加压容积到喷嘴通道的入口的管道。喷嘴通道或管道的侧面中的孔限定从加压容积到喷嘴通道的入口。
关于该实施例，断流操作与图1a-1c类似地执行：第二接触件和活塞通过驱动器而远离第一接触件而移动，并且加压容积中的气体通过活塞而压缩，以从离轴位置主要径向地向内朝向电弧流动到起弧区域。如在上文中关于图1a-1c和图2而描述的，在已到达起弧区域之后，猝灭气体在两个方向上流动（双流）。
该实施例通过仅仅提供附加的插入件而允许以最小数量的部分和移动接触件的成本和重量上的最低增加实现有利的流型。
本发明不限于上文中所示出的实施例，但它们可以在权利要求所限定的范围内以若干方式修改。例如，图5至图9示出根据本发明的另外的实施例的断载开关的附加的变型。在此，仅示出相应的开关的上半部（轴12的上方）；但通常，开关基本上旋转地对称。在这些图中，附图标记又与先前的图的那些附图标记对应，并且除非另外规定或示出，否则它们的描述同样地适用于图5至图9。这些图5至图9图示还能够与其它实施例联合使用的通常的方面。
图5图示空心插头10能够用作第一接触件10，以便轴向排气通道16限定于空心插头10内。该设计允许下游区域中的猝灭气体的更高效的流动。该设计还允许使用长喷嘴33（在轴向方向上延伸），而不损害电弧猝灭效率。该设计能够适用于如图5中所示出的双流型开关（参见图1a-1c和图2）或如图2中所示出的单流开关两者。
图6图示加压系统（吹气系统）和/或喷嘴系统30的活塞44能够可与第二起弧接触件20共同地移动，且尤其活塞44能够附接到喷嘴系统30，且具体地附接到喷嘴33。关于该方面，第二起弧接触件（郁金香状部）20、喷嘴系统30以及活塞44可以一起移动。
根据通常的方面，活塞44和加压容积46布置于开关的离轴位置处。然而，图7图示在备选的方面，活塞44和加压容积46还能够布置于开关的轴12上。随后，喷嘴系统30的通道32从加压容积46延伸到喷嘴33的离轴位置。
图7还图示自空心区段26起的出口48可以从轴上空心区段26主要径向地延伸到开关壳体的总容积。
图8在实施例中图示第二起弧接触件20可以静止，而第一起弧接触件10可移动；喷嘴系统30静止（附接到第二起弧接触件20）；活塞可与第一起弧接触件10共同地移动；加压系统44、46的剩余部分可以静止。该布置可导致带有特别低的移动质量的配置。
图9在实施例中图示起弧接触件10和20两者都能够为插头，以插头-插头的配置彼此邻接。作为另一方面，代替静止，第一起弧接触件10能够为弹簧安装式。第二起弧接触件20可与喷嘴系统30共同地移动，但备选地，根据本文中所描述的方面中的任一个的另一配置是可能的。
在实施例中，断载开关1是闸刀开关；或通常，断载开关1具有带有旋转接触件的接触件系统。在备选的实施例中，断载开关1具有一个可轴向地移动的接触件（单运动类型）。根据其另外的实施例，喷嘴系统30固定地联结到可移动接触件，和/或可与可移动接触件一起移动，和/或由驱动可移动接触件的驱动单元驱动。
在实施例中，断载开关1包含未在图中示出的标称接触件。典型地，标称接触件径向地存在于第一起弧接触件10和第二起弧接触件20的外侧，尤其还径向地存在于喷嘴33的外侧。
在实施例中，断载开关1具有控制器，尤其是具有用于连接到数据网络的网络接口的控制器，使得断载开关（1）可操作地连接到网络接口，以用于进行以下中的至少一个：将装置状态信息发送到数据网络，且实行从数据网络接收的命令，尤其数据网络为以下中的至少一个：LAN、WAN或互联网（IoT）。因此，还公开了具有这样的控制器的断载开关的使用。
在实施例中，断载开关1（尤其喷嘴系统30）设计成用于在整个断流操作的期间维持亚音速流型；和/或断载开关1（尤其喷嘴系统30）设计成用于在所有类型的断流操作的期间维持亚音速流型；和/或断载开关1（尤其喷嘴系统30）设计成用于在断载开关1的内侧（尤其在喷嘴系统30的内侧或在至少一个喷嘴33的内侧）维持亚音速流型；和/或断载开关1（尤其喷嘴系统30）设计成用于在断流操作的任何瞬间且针对将由断载开关1执行的每个断流操作避免音速流条件（即排除故障电流或短路电流的中断）。
在实施例中，喷嘴系统30包含使加压室42连接到喷嘴33的喷嘴通道32；尤其其中，喷嘴通道32径向地布置于第一或第二起弧接触件的外侧，和/或喷嘴通道32布置于断载开关1中的离轴位置中。
如本文中所公开的，断载开关1并非断路器，尤其并非针对高于52 kV的高压的断路器；和/或加压系统40缺乏用于提供自爆效应的加热室；和/或断载开关1设计成与断路器组合布置，尤其与真空断路器组合布置。

Claims (28)

1.一种气体绝缘式低压或中压断载开关（1），包含：
-壳体（2），限定用于保持绝缘气体处于环境压力p 0 的壳体容积；
-布置于所述壳体容积内的第一起弧接触件（10）和第二起弧接触件（20），所述第一和第二起弧接触件沿着所述断载开关（1）的轴相对于彼此可移动，且限定在断流操作的期间形成电弧（50）的猝灭区域（52）；
-加压系统（40），具有布置于所述壳体容积内的加压室（42），以用于在所述断流操作的期间，使猝灭气体加压到猝灭压力p 猝灭 ，其中所述猝灭压力p 猝灭 和所述环境压力p 0 满足关系p 0 <p 猝灭 ；以及
-喷嘴系统（30），布置于所述壳体容积内，以用于将处于亚音速流型的所加压的猝灭气体从所述加压室（42）吹动到在所述断流操作的期间在所述猝灭区域（52）中形成的所述电弧（50）上，其中
-所述喷嘴系统（30）包含布置成用于将所述猝灭气体从离轴位置主要径向地向内吹动到所述猝灭区域（52）上的至少一个喷嘴（33）。
2. 根据权利要求1所述的断载开关（1），具有至多52 kV，优选至多36 kV，更优选至多24 kV，且最优选至多12 kV的额定电压；和/或所述断载开关（1）为额定的，以用于在高达2000 A，优选地高达1250 A，且更优选地高达1000 A的范围内切换标称电流。
3. 根据前述权利要求中的任一项所述的断载开关（1），其中所述断载开关（1）是闸刀开关，或其中所述断载开关（1）具有一个可轴向地移动的接触件，尤其带有固定地联结到所述可移动接触件或可与所述可移动接触件一起移动的所述喷嘴系统（30）。
4. 根据前述权利要求中的任一项所述的断载开关（1），其中所述断载开关（1），尤其所述喷嘴系统（30）设计成用于在整个断流操作的期间维持所述亚音速流型；和/或
其中所述断载开关（1），尤其所述喷嘴系统（30）设计成用于在所有类型的断流操作的期间，维持所述亚音速流型；和/或
其中所述断载开关（1），尤其所述喷嘴系统（30）设计成用于在所述断载开关（1）的内侧，尤其在所述喷嘴系统（30）的内侧或在所述至少一个喷嘴（33）的内侧，维持所述亚音速流型；和/或
其中所述断载开关（1），尤其所述喷嘴系统（30）设计成用于在所述断流操作的任何瞬间且针对将由所述断载开关（1）执行的每个断流操作，避免音速流条件。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的断载开关（1），其中所述喷嘴系统（30）包含使所述加压室（42）连接到所述喷嘴（33）的喷嘴通道（32）；尤其其中所述喷嘴通道（32）径向地布置于所述第一或第二起弧接触件的外侧，和/或所述喷嘴通道（32）布置于所述断载开关（1）中的离轴位置中。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的断载开关（1），所述断载开关（1）设计成用于断开配电网络、环网单元（RMU）或二次配电气体绝缘式开关设备（GIS）中的负载电流；和/或所述断载开关（1）具有切换负载电流的能力，但不具有短路电流中断能力；尤其其中所述断载开关（1）包含标称接触件。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的断载开关（1），其中所述喷嘴系统（30）限定所述猝灭气体的流型，所述流型包括：
-猝灭气体的流动基本上停止所在的驻点（64），
-朝向所述驻点（64）的主要径向地向内的流的上游区域（62），以及
-在主要轴向的方向上加速流远离所述驻点（64）的下游区域（66）。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的断载开关（1），其中所述加压系统（40）是吹气系统，并且所述加压室（42）是带有活塞（46）的吹气室，所述活塞（46）布置成用于在所述断流操作的期间，使所述吹气室（42）内的所述猝灭气体压缩。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的断载开关（1），其中所述至少一个喷嘴（33）布置成用于将所述猝灭气体从离轴位置以自所述轴向方向起的45°至120°，优选地60°至120°，更优选地70°至110°，且最优选地75°与105°之间的入射角吹动到所述猝灭区域（52）上。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的断载开关（1），其中所述绝缘气体具有比SF6的超过100年的间隔的全球变暖潜势更低的全球变暖潜势，且其中所述绝缘气体优选地包含从由以下的气体成分组成的组选择的至少一种气体成分：CO2、O2、N2、H2、空气、N2O、烃，尤其CH4，、全氟化或部分地氢化的有机氟化合物、以及其混合物。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的断载开关（1），其中所述绝缘气体包含尤其从由与有机氟化合物混合的CO2、O2、N2、H2、空气组成的组选择的背景气体，所述有机氟化合物从由氟代醚、环氧乙烷、氟胺、氟酮、氟烯烃、氟腈以及以上的混合物和/或分解产物组成的组选择。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的断载开关（1），其中所述加压系统（40）配置成用于在所述断流操作的期间使所述猝灭气体加压到满足以下的条件中的至少一个的猝灭压力p 猝灭 ：
i.p 猝灭 <1.8 ∙ p 0 ，更优选地p 猝灭 <1.5∙ p 0 ，更优选地p 猝灭 <1.3∙ p 0 ，
ii.p猝灭>1.01∙p 0 ，尤其p猝灭>1.1*p0；
iii.p 猝灭 <p 0 +800 mbar，更优选地p 猝灭 <p 0 +500 mbar，更优选地p 猝灭 <p 0 +300 mbar，且最优选地p 猝灭 <p 0 +100 mbar，
iv.p 猝灭 >p 0 +10 bar。
13. 根据前述权利要求中的任一项所述的断载开关（1），具有至少1 kV的额定电压；和/或所述断载开关（1）额定成超过1 A，优选地超过100 A，且更优选地超过400 A的电流；和/或所述断载开关（1）中的所述环境压力p0为p0<=3 bar，优选地p0<=1.5 bar，更优选地p0<=1.3 bar。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的断载开关（1），其中所述喷嘴（33）包含绝缘外部喷嘴部分；和/或
其中所述断载开关（1）具有以下的尺寸中的一个或多个：
所述喷嘴（33）具有5 mm至15 mm的范围内的直径，
所述加压室（42）具有40 mm至80 mm的范围内的径向直径和40 mm至200 mm的范围内的最大轴向长度；
所述第一起弧接触件（10）和所述第二起弧接触件（20）具有高达150 mm或高达110 mm和/或至少10 mm的最大接触件间距，且尤其具有25 mm至75 mm的范围内的最大接触件间距。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的断载开关（1），其中所述第一接触件（10）和所述第二接触件（20）中的至少一个具有相应的空心区段（26），所述空心区段（26）布置成使得所述猝灭气体的已吹动到所述猝灭区域（52）上的一部分从所述猝灭区域流动到所述空心区段（26）中。
16.根据前述权利要求14所述的断载开关（1），其中所述空心区段（26）具有用于允许已流动到所述空心区段（26）中的所述猝灭气体在所述空心区段（26）的退出侧处向外流动到所述断载开关（1）的所述壳体容积的环境压力区域中的出口。
17.根据前述权利要求中的任一项所述的断载开关（1），其中所述断载开关（1）具有控制器，尤其是具有用于连接到数据网络的网络接口的所述控制器，使得所述断载开关（1）可操作地连接到所述网络接口，以用于进行以下中的至少一个：将装置状态信息发送到所述数据网络，且实行从所述数据网络接收的命令，尤其所述数据网络为以下中的至少一个：LAN、WAN或互联网（IoT）。
18. 根据前述权利要求中的任一项所述的断载开关（1），其中所述断载开关（1）并非断路器，尤其并非针对高于52 kV的高压的断路器；和/或所述加压系统（40）缺乏用于提供自爆效应的加热室；和/或所述断载开关（1）设计成与断路器组合布置，尤其与真空断路器组合布置。
19.一种配电网络、环网单元或二次配电气体绝缘式开关设备，具有根据前述权利要求中的任一项所述的断载开关（1），尤其与断路器组合，且具体地与真空断路器组合布置的所述断载开关（1）。
20.一种使用根据前述权利要求1至18中的任一项所述的断载开关（1）来断开负载电流的方法，所述方法包含：
- 使所述第一起弧接触件（10）和所述第二起弧接触件（20）沿着所述断载开关的所述轴（12）相对彼此远离地移动，由此在所述猝灭区域（52）中形成电弧（50）；
- 使所述猝灭气体加压到满足所述条件p 0 <p 猝灭 的所述猝灭压力p 猝灭 ，其中p 0 是所述断载开关（1）的内侧的环境压力；以及
- 经由所述喷嘴系统（30）而将处于亚音速流型的所加压的猝灭气体从所述加压室（42）吹动到在所述猝灭区域（52）中形成的所述电弧（50）上，从而将所述猝灭气体从离轴位置主要径向地向内吹动到所述猝灭区域上。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述猝灭气体的流型由所述喷嘴系统（30）限定，所述流型包括以下项的形成：
- 猝灭气体的流动基本上停止所在的驻点（64），
- 朝向所述驻点（64）的主要径向地向内的流的上游区域（62），以及
- 在主要轴向的方向上加速流远离所述驻点（64）的下游区域（66）。
22.根据权利要求20至21中的任一项所述的方法，其中所述猝灭气体在所述断流操作的期间加压到猝灭压力p 猝灭 ，以致于实现以下的四个条件中的至少一个：
i.p 猝灭 <1.8 ∙ p 0 ，更优选地p 猝灭 <1.5∙ p 0 ，更优选地p 猝灭 <1.3∙ p 0 ，
ii.p猝灭>1.01∙p 0 ，尤其p猝灭>1.1*p0；
iii.p 猝灭 <p 0 +800 mbar，更优选地p 猝灭 <p 0 +500 mbar，更优选地p 猝灭 <p 0 +300 mbar，且最优选地p 猝灭 <p 0 +100 mbar，
iv.p 猝灭 >p 0 +10 bar。
23. 根据权利要求20至22中的任一项所述的方法，其中在整个断流操作的期间，维持所述亚音速流型；和/或
其中在所有类型的断流操作的期间，维持所述亚音速流型；和/或
其中在所述断载开关（1）的内侧，尤其在所述喷嘴系统（30）的内侧或在所述至少一个喷嘴（33）的内侧，维持所述亚音速流型；和/或
其中在所述断流操作的任何瞬间且针对将由所述断载开关（1）执行的每个断流操作，避免音速流条件。
24.一种根据前述权利要求中的任一项所述的断载开关（1）在配电网络、环网单元或二次配电气体绝缘式开关设备中的使用。
25.根据权利要求24所述的使用，用于在所述配电网络、所述环网单元（RMU）或所述二次配电气体绝缘式开关设备（GIS）中切换负载电流。
26.根据权利要求24至25中的任一项所述的使用，用于切换负载电流，但并不用于使短路电流中断。
27.根据权利要求24至26中的任一项所述的使用，利用与断路器组合，尤其与真空断路器组合布置的所述断载开关（1）。
28.根据权利要求24至27中的任一项所述的使用，其中所述断载开关（1）具有控制器，尤其是具有用于连接到数据网络的网络接口的所述控制器，使得所述断载开关（1）可操作地连接到所述网络接口，以用于进行以下中的至少一个：将装置状态信息发送到所述数据网络，且实行从所述数据网络接收的命令，尤其所述数据网络为以下中的至少一个：LAN、WAN或互联网（IoT）。
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