CN109716476A - 具有改进的主喷嘴的气体绝缘高压切换装置 - Google Patents

具有改进的主喷嘴的气体绝缘高压切换装置 Download PDF

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Abstract

提供了气体绝缘高压切换装置（1），其包括起弧接触件布置（5），该起弧接触件布置具有第一起弧区构件（30）和第二起弧区构件（20），所述第一起弧区构件和第二起弧区构件可沿轴线（B）相对于彼此移动。辅助喷嘴（40）包围第二起弧接触件单元（21）的至少一部分，并且具有辅助喷嘴喉部（42），该辅助喷嘴喉部具有轴向延伸部并且允许第一起弧接触件单元（31）的至少一个端部通过。主喷嘴喉部（52）在辅助喷嘴喉部（42）的侧面具有轴向延伸部并且允许第一起弧接触件单元（31）的至少端部通过。主喷嘴喉部（52）的横截面面积在远离辅助喷嘴喉部（42）的方向上基本上减小，以便形成基本上收敛的管道以供灭弧气体流动。

Description

具有改进的主喷嘴的气体绝缘高压切换装置
技术领域
本公开涉及高压（HV）切换技术的领域，且涉及气体绝缘高压切换装置，诸如，气体绝缘高压断路器。具体地，实施例涉及气体绝缘高压切换装置的起弧接触件（arcingcontact）组件中的主喷嘴的喷嘴喉部的形状，并且涉及制造和操作这样的气体绝缘高压切换装置的方法。
背景技术
切换装置在中压和高压切换应用的领域内是公知的。它们主要用于在发生电气故障时中断电流。作为示例，断路器所具有的任务是断开接触件并使它们保持彼此远离，以便即使在起源于电气故障本身的高电势的情况下也避免电流流动。电气切换装置（如所述断路器那样的）可能需要承载3 kA至6.3 kA的高标称电流。它们可在72 kV至1200 kV（高电流任务，诸如SLF90任务）的非常高的电压下切换31.5 kA至80 kA的非常高的短路电流。断路器还可能需要执行低短路电流任务（duty）（诸如，T10、T30和异相任务），其高达标称电流的大约三倍，例如，从9 kA至15 kA。断路器的操作原理是已知的，且在此将不加以详细描述。
这样的电气切换装置（如断路器那样的）包括起弧接触件布置，该起弧接触件布置用于在装置的断开和闭合操作期间接管来自（一个或多个）标称接触件的电流。除了别的之外，一种类型的断路器使用郁金香形起弧接触件，其包括围绕断路器的纵向轴线同心地布置的接触指。这种起弧构造被称为郁金香式接触件（contact tulip）。配合的起弧接触件是销或杆或管，其在切换装置的闭合操作期间被插入到郁金香式接触件中。辅助喷嘴至少部分地包绕郁金香式接触件。主喷嘴至少部分地包绕辅助喷嘴。
以这样的方式设计断路器，使得绝缘和冷却气体在喷嘴系统中得到有效加速。在高电流任务中，在主喷嘴和辅助喷嘴之间的流动应在驻点的任一侧（与该驻点相距比较短的距离）上达到音速条件，并且然后加速到超音速。该流动模式对应于弧的有效对流冷却并且有利于导电路径的中断。
然而，在诸如T10、T30或异相任务的低短路电流任务中，断路器可能会展现出低的介电耐受性（dielectric withstand），因为可能达不到这样的流动条件。因此，需要改进气体绝缘高压切换装置（诸如，气体绝缘高压电流断路器）的介电耐受性，特别是关于低短路电流任务。
DE 10 2011 007 103 A1公开了一种断路器，其具有加热通道以用于将弧加热的气体引导至加热容积并再次返回至起弧区。加热通道平滑地融入到喷嘴喉部中。当从加热通道入口开始并且轴向地远离起弧区移动时，喷嘴发散地打开。此外，在该设计中，主喷嘴喉部在轴向方向上具有零长度。
发明内容
根据实施例，提供了气体绝缘高压切换装置。该气体绝缘高压切换装置包括起弧接触件布置。起弧接触件布置包括第一起弧区构件和第二起弧区构件。第一起弧区构件和第二起弧区构件可沿轴线相对于彼此移动。第一起弧区构件包括第一起弧接触件单元。第二起弧区构件包括：第二起弧接触件单元，其被构造成接收第一起弧接触件单元；以及辅助喷嘴，其包围第二起弧接触件单元的至少一部分。辅助喷嘴具有辅助喷嘴喉部。辅助喷嘴喉部具有轴向延伸部并且允许第一起弧接触件单元的至少端部通过。第二起弧区构件进一步包括包围辅助喷嘴的至少一部分的主喷嘴。主喷嘴具有主喷嘴喉部。主喷嘴喉部在辅助喷嘴喉部的侧面（在此向沿轴线B的右手侧）具有轴向延伸部并且允许第一起弧接触件单元的至少该端部通过。主喷嘴喉部的横截面面积在远离辅助喷嘴喉部的方向上基本上减小，以便形成基本上收敛（converging）的管道，特别是收敛或严格收敛的管道，以供灭弧气体流动。
另一实施例涉及制造如本文中所描述的气体绝缘高压切换装置的方法。该方法包括对主喷嘴喉部进行受控成形以形成基本上收敛的管道以供灭弧气体流动。
另外的实施例涉及操作本文中所描述的气体绝缘高压切换装置的方法。该方法包括提供气体绝缘高压切换装置和执行低短路电流切换操作，其中，切换电流小于额定短路电流的0.3倍。
能够与本文中所描述的实施例组合的另外的优点、特征、方面和细节自从属权利要求、权利要求组合、说明书和附图中变得显而易见。
附图说明
下文将参考附图描述更多细节，在附图中
图1示出了已知的气体绝缘高压切换装置沿轴线B的剖面的示意性侧视图；
图2示出了根据实施例的气体绝缘高压切换装置沿轴线B的剖面的示意性侧视图；
图3至图5图示了根据实施例的气体绝缘高压切换装置的主喷嘴的主喷嘴喉部可拥有的性质。
具体实施方式
在下文中，描述了本发明的实施例。能够以任何方式组合实施例及其部分。例如，本文中所描述的实施例的任何方面都能够与任何其他实施例的任何其他方面组合以形成又另外的实施例。提供实施例的详细描述以用于说明。
为简单起见，本文中所描述的实施例常常是指断路器，具体地是指气体绝缘高压自通风（self-blast）断路器，而不是指气体绝缘高压切换装置。将理解的是，这并不意味着作为限制，并且切换装置可以是输配电系统中的接地装置、快速作用的接地装置、断路器、发电机断路器、切断器、组合的切断器和接地开关、或者负载断路开关。
术语“高压”涉及超过1 kV的电压，且通常涉及在从72 kV至550 KV的范围内的标称电压，例如，大约145 kV、大约245 kV或大约420 kV。切换装置的标称电流通常在从3 kA至5 kA的范围内，例如，大约3.15 kA或大约4 kA。在切换装置执行其任务所在的异常条件期间流动的电流可以可互换地称为切换电流、断路电流或短路电流。切换电流可以在从31.5 kA至80 kA的范围内，这被称为高短路电流任务。在低短路电流任务中，切换电流通常大于标称电流并小于额定短路电流的0.3倍，其例如至多为24 kA。在切换/断路操作期间，切换/断路电压可以非常高，例如，在从110 kV至1200 kV的范围内。
气体绝缘高压切换装置具有起弧接触件布置，该起弧接触件布置具有可沿轴线相对于彼此移动的部分。该轴线可以是起弧接触件布置的对称轴线，特别是n重或连续旋转对称的轴线。短术语“旋转对称”应意味着连续旋转对称。n重旋转对称意味着关于旋转达360°/n的倍数的角度的离散对称性，其中n是大于1的整数。术语“轴向”表示在轴线的方向上的延伸、距离等。在部分之间的轴向分离意味着当在轴线的方向上看或测量时这些部分彼此分离。术语“在……的侧面”将被理解为是关于轴向方向的。术语“径向”表示在垂直于轴线的方向上的延伸、距离等。术语“横截面”意味着垂直于轴线的平面，并且术语“横截面面积”意味着在这样的平面中的面积。
在下文中，相同的附图标记表示结构上或功能上相同或类似的元件。将通常不重复对这样的元件的描述。
图1示出了从现有技术中已知的气体绝缘高压自通风断路器1沿轴线B的剖面的示意性侧视图。图1中所示出的断路器1关于轴线B旋转对称，并且未示出沿轴线B的剖面的下半部分，因为其对应于在轴线B处镜像的上半部分。断路器1包括起弧接触件布置5，该起弧接触件布置具有第一起弧区构件30和第二起弧区构件20。第一起弧区构件30包括相对于轴线B呈同轴布置的主喷嘴50、辅助喷嘴40和郁金香式接触件21。第二起弧区构件20包括接触销31。未示出标称接触件布置（其通常包围起弧接触件布置）和断路器1的壳体。
辅助喷嘴40至少部分地包围郁金香式接触件21。辅助喷嘴40包括辅助喷嘴喉部42，该辅助喷嘴喉部具有轴向延伸部以形成供灭弧气体流动的流动管道。主喷嘴50至少部分地包围辅助喷嘴40。主喷嘴50包括主喷嘴喉部51，该主喷嘴喉部具有轴向延伸部以形成供灭弧气体流动的流动管道。主喷嘴喉部50布置在辅助喷嘴喉部42的侧面，即，在此为沿轴线B的方向上的右手侧。加热通道61形成在辅助喷嘴40和主喷嘴50之间，并且在辅助喷嘴喉部42和主喷嘴喉部51之间提供轴向分离。加热通道61在第一端部处与辅助喷嘴喉部42和主喷嘴喉部51流体连通，并且在第二端部处与压力容积（未示出）流体连通。压力容积可以是加热容积、或者吹气（puffer）容积、或者加热容积与吹气容积的组合。主喷嘴喉部51具有朝向辅助喷嘴喉部42、邻近于加热通道61的第一端部的第一端部511，并且具有远离辅助喷嘴喉部42的第二端部512。在主喷嘴喉部51的第二端部处，主喷嘴50加宽成扩散器部分55。喷嘴喉部可以是喷嘴的最窄部分，即，沿轴线B每单位长度包绕最小空隙容积的喷嘴的部分。
第一起弧区构件30和第二起弧区构件20可沿轴线B相对于彼此移动。相对移动意味着第一起弧区构件30、第二起弧区构件20、或者第一起弧区构件30和第二起弧区构件20两者可沿轴线B移动，使得第一起弧区构件30和第二起弧区构件20之间发生移位。具体地，相对运动能够使接触销31和郁金香式接触件21带入彼此物理接触并且能够将它们拉开以断开物理接触，且最终也断开电气接触。其中第一起弧区构件30和第二起弧区构件20两者都可移动的断路器被称为双运动式断路器，并且否则断路器被称为单运动式接触断路器。断路器可包括驱动器（未示出）以实现第一起弧区构件30、第二起弧区构件20或两者的移动。接触销31在图1中被示出为处于缩回位置中，在该缩回位置中该接触销不与郁金香式接触件21物理接触。接触销31或至少接触销31的最靠近郁金香式接触件21的端部32能够穿过主喷嘴喉部51并穿过辅助喷嘴喉部42，所述主喷嘴喉部和辅助喷嘴喉部被相应地成形以允许这样的通过。
主喷嘴喉部51沿其整个长度L具有恒定的横截面面积，其中，R是恒定的半径（从轴B测量），如图1中所示出。主喷嘴喉部51提供恒定的流动横截面以供灭弧气体流动，而当在下游轴向方向（在此为沿轴线B向右的方向）上看时，扩散器部分55的流动横截面增加。从现有技术中已知这样的主喷嘴喉部51：其横截面面积也在灭弧气体的流动方向上增加，即，在沿轴线B的远离辅助喷嘴喉部42的方向上（即，在轴向下游方向上）增加，并且它们的扩散器部分可具有比图1中所示出的增加得甚至更多的横截面。
在断路的过程中，当接触销31和郁金香式接触件21之间的物理接触被断开时形成弧，灭弧气体从压力容积流动通过加热通道61，并且然后流动通过由辅助喷嘴喉部42形成的流动管道、并且流动通过由主喷嘴喉部51形成的流动管道（即，在相反的方向上），以最终熄灭弧。其中在郁金香式接触件21和接触销31之间形成弧的区域被称为起弧区Z。
所发现的是，这样的断路器1可能会展现出低介电耐受性，特别是在低短路电流任务中。
图2示出了根据本发明的实施例的气体绝缘高压自通风断路器1沿轴线B的剖面的示意性侧视图。与图1中所示出的现有技术的断路器形成对比，根据该实施例的断路器具有带主喷嘴喉部52的主喷嘴50，该主喷嘴喉部的横截面面积在远离辅助喷嘴喉部42的方向上（即，在灭弧气体的流动方向上或在辅助喷嘴喉部42的侧面）减小。这意味着，主喷嘴喉部52的较大横截面面积位于主喷嘴喉部52的邻近于加热通道61的第一端部521处，并且主喷嘴喉部52的较窄横截面面积处于主喷嘴喉部52的远离加热通道61或邻近于主喷嘴扩散器部分55的第二端部522处。因此，主喷嘴喉部52形成收敛的流动管道以供灭弧气体流动，即，在下游方向上或在此朝向右手侧。
在图2中所示出的实施例中，主喷嘴喉部52的形状可以是截头锥形的。在图2的沿轴线B的剖面的侧视图中，这能够从所描绘的主喷嘴喉部52的径向内表面的剖面中看出，该剖面以直线从在主喷嘴喉部52的第一端部处的最大半径Rmax延伸到在主喷嘴喉部52的第二端部处的最小半径Rmin。特别地，图2中示出了绝缘喷嘴喉部52的孔径角α；孔径角α被限定为α=arctan((Rmax-Rmin)/L)，其中，L是主喷嘴喉部的长度。孔径角α大于零，并且可以是例如至多15°。
图2示出了主喷嘴喉部52的形状的示例，其能够增加断路器的介电耐受性，特别是在低短路电流任务中。在不希望受任何特定理论的束缚的情况下，据信造成这种情况的原因如下。
操作这样的断路器的驱动器可能不足以强大到产生足够的压力累积，该压力累积在电流零点（current zero）之后将热气体冲出起弧区。对于自通风双运动式断路器来说尤其如此，与单运动式断路器相反，由于吹气侧（即，第一起弧区构件30的一侧）的较低速度，该自通风双运动式断路器产生较低的机械压缩。
特别是在低短路电流任务（T10、异相、T30）中，由弧累积在容积中的压力是小的并且与由驱动器机械地产生的压力是同一数量级。在这些情况下电流零点处的所得滞止压力可能不足以在现有技术的断路器的主喷嘴51内部实现超音速流动条件。结果，在起弧接触件之间的热气体可能会以比较低的速度被排空并且可能会集中在接触销31的端部32的前面。该流动图景（flow picture）在60 Hz电流的情况下变得更糟，因为在流动反向之后可用于使气体扫过起弧区的时间更短。
在成功的热中断的情况下，在断路器接触件之间施加的瞬态恢复电压然后能够引起气体的介电击穿。后者的开始被分析为发生在气体的这样的点中，在该点处电场大小和气体密度之间的比率是最大的。这样的薄弱点通常位于伫立在上文提到的接触销31前面的热气体区域，其中发现低的气体密度值与高电场值相组合。然后，放电先导（leader）可沿最小能量的路径行进，试图到达吹气侧上的金属部分，这是将导致现有技术的断路器的介电故障的事件。
所发现的是，自通风断路器（尤其是双运动式自通风断路器）的喷嘴内部的流动状态可能会是亚音速的，特别是在由于小的机械压力累积所引起的低短路电流任务操作中。因此，可能不会从起弧区有效地移除热气体。在高电流任务的情况下，情况可能不同，并且由于在起弧阶段中由烧蚀产生的高压梯度，气体可从现有技术的断路器的起弧区超音速地喷射。如果在接触销前面朝向主喷嘴喉部的第二端部建立具有低密度的热气体区域，则该区域是当瞬态恢复电压施加到断路器时更有可能发生介电击穿的区域。
根据本文中所描述的实施例的断路器或切换装置（诸如，图2中所示出的断路器1）提供了主喷嘴50的喷嘴喉部52的这样的形式：其使起弧区内部的气体密度朝向主喷嘴喉部52的第二端部增加，特别是在低短路电流任务操作中。由此，降低了介电击穿的风险，即，增加了抵抗这样的击穿的介电耐受性。
通常，主喷嘴喉部52的横截面面积被形成为在远离辅助喷嘴喉部42的方向上基本上减小。因此，由主喷嘴喉部52形成的流动管道被制造成在灭弧气体的气体流动方向上基本上收敛。由于亚音速气流在收敛管道中加速，因此绝缘喷嘴喉部52的收敛轮廓有助于在其第二端部处具有较高的流速。较高的流速支持在弧已被热熄灭之后更有效地移除驻留在邻近于接触销31的端部的区域中的热气体。
已借助于计算流体动力学（CFD）模拟验证了上文描述的物理图景。最重要的是，通过收敛主喷嘴喉部52实现的介电恢复的改进已通过针对现有技术的断路器和在实施收敛主喷嘴52（即，在下游方向上收敛的主喷嘴52）的断路器中在相同的条件下执行的全功率测试的结果得到证实。
在完全通用的实施例中，主喷嘴52的（基本上）收敛的流动管道在灭弧气体的下游方向上收敛。
在其他完全通用的实施例中，主喷嘴52的（基本上）收敛的流动管道在下游方向上在灭弧气体的驻点朝向主喷嘴喉部52的第二端部522（即，该第二端部远离加热通道，且特别是邻近于主喷嘴扩散器部分55）之间具有轴向延伸部。
或者在又其他完全通用的实施例中，主喷嘴52的（基本上）收敛的流动管道在主喷嘴喉部52的邻近于加热通道61的第一端部521和主喷嘴喉部52的远离加热通道61且特别地邻近于主喷嘴扩散器部分55的第二端部522之间具有轴向延伸部。特别地，灭弧气体的驻点的轴向位置位于主喷嘴52的（基本上）收敛的流动管道的轴向外侧或上游。
根据本文中所描述的实施例，提供了气体绝缘高压切换装置。该切换装置可以是断路器或可以是前文中提到的另一装置。气体绝缘高压断路器可以是气体绝缘高压自通风断路器，其可以以单运动或双运动为特征。特别地，断路器可以是气体绝缘高压双运动式自通风断路器。对于后者，增加介电耐受性的效果应是最明显的，这是因为由于其部分的绝对移动速度较慢，在低短路电流任务中，起弧区中的灭弧气体的气体流动更有可能是亚音速的，这导致较小的机械压力累积。为简单起见，下文中将对断路器作示例性参考。
断路器可以以电网电流频率操作，该电网电流频率可以是例如欧洲的50 Hz或其他国家的60 Hz。电网电流的频率越高，通过本设计实现的改进就应越明显，因为较高的电网电流频率留下较少的时间将热气体吹扫出起弧区，这可能会导致介电故障。
断路器1包括起弧接触件布置5。起弧接触件布置5包括第一起弧区构件30和第二起弧区构件20。第一起弧区构件30和第二起弧区构件20可沿轴线B相对于彼此移动。断路器1可包括壳体，第一起弧区构件30和第二起弧区构件20布置在该壳体中。第一起弧区构件30可通过第一驱动器沿轴线B相对于壳体移动，或者可相对于壳体固定地安装。第二起弧区构件20可通过第二驱动器沿轴线相对于壳体移动。壳体可包括绝缘体部分，该绝缘体部分支撑电气连接到第一起弧区构件30的第一金属电流端子以及电气连接到第二起弧区构件20的第二金属电流端子。
断路器可包括标称接触件布置，该标称接触件布置包括第一标称接触件单元和第二标称接触件单元。起弧接触件布置5和标称接触件布置可形成断路器1的接触件布置。第一标称接触件单元可电气连接到第一金属电流端子，并且第二标称接触件单元可电气连接到第二金属电流端子。第一标称接触件单元和第二标称接触件单元可沿轴线B相对于彼此移动。第一标称接触件单元可与第一起弧区构件30处于固定的空间关系，并且可与第一起弧区构件30一起相对于壳体移动或者是固定的。第二标称接触件单元可与第二起弧区构件20处于固定的空间关系，并且可与第二起弧区构件20一起相对于壳体移动。如果与金属电流端子电气接触的部分可相对于金属电流端子移动，则与金属电流端子的电气连接件可以是滑动接触件。
第一起弧区构件30包括第一起弧接触件单元31。第一起弧接触件单元31可以是起弧接触销31。第二起弧区构件20包括第二起弧接触件单元21，该第二起弧接触件单元被构造成接收第一起弧接触件单元31，特别是接收其自由端部。第二起弧接触件单元21可以是郁金香式起弧接触件21，其被构造成接收起弧接触销31，特别是其自由端部或尖端。
第二起弧区构件20包括包围第二起弧接触件单元21的至少一部分的辅助喷嘴40。辅助喷嘴40具有辅助喷嘴喉部42。辅助喷嘴喉部42具有轴向延伸部并且允许第一起弧接触件单元31的至少端部（诸如，起弧接触销31的自由端部或尖端）通过。辅助喷嘴40可包括或被覆盖有卤代聚合物或由卤代聚合物制成，例如，基于聚四氟乙烯（PTFE）。辅助喷嘴喉部42或辅助喷嘴40可相对于轴线B具有n重离散旋转对称或连续旋转对称，其中n是大于或等于3的整数，例如，等于4、6、8或更大。
第二起弧区构件20进一步包括包围辅助喷嘴40或其至少一部分的主喷嘴50。主喷嘴50具有主喷嘴喉部52。主喷嘴喉部52在辅助喷嘴喉部42的侧面具有轴向延伸部并且允许起弧接触销31的至少端部通过。换句话说，主喷嘴喉部52具有长度为L的轴向延伸部，并且主喷嘴喉部52布置在辅助喷嘴喉部42的侧边，其中，“在……的侧面”或“在……的侧边”将理解为相对于轴线B，即在轴线B的方向上并远离辅助喷嘴40或者在起弧区Z的另一侧上（相对于辅助喷嘴40）。辅助喷嘴40可包括或被覆盖有卤代聚合物或由卤代聚合物制成，例如，基于聚四氟乙烯（PTFE）。主喷嘴喉部52或主喷嘴50可相对于轴线B具有n重离散旋转对称或连续旋转对称，其中n是大于或等于3的整数，例如，等于4、6、8或更大。对于任何n，具有连续旋转对称的部分也拥有n重离散旋转对称。
断路器1（特别是接触件布置5）可包括载体，第二起弧接触件单元21、第二标称接触件单元、辅助喷嘴40、主喷嘴50或其任何组合可附接到该载体。载体可相对于壳体移动，从而保持附接到其的部分相对于彼此处于固定的空间关系。
断路器1可包括压力容积或压力室。压力容积或压力室可以是加热容积和/或吹气容积。压力容积或压力室可尤其由第二起弧接触件单元21、第二标称接触件单元和/或载体界定。第二起弧区布置20可包括形成在辅助喷嘴40和主喷嘴50之间的加热通道61。加热通道61可具有第一端部，该第一端部开通到在辅助喷嘴喉部42和主喷嘴喉部52之间的空间，该空间是起弧区Z的一部分，并且加热通道61可具有第二端部，该第二端部开通到压力室。因此，在第二端部上，加热通道61可与压力室流体连通，并且在第一端部上，加热通道61可与起弧区的分别位于辅助喷嘴40和主喷嘴50的两个喷嘴喉部42、52之间的一部分流体连通。第二起弧区布置20可进一步包括形成在第二起弧接触件单元21和辅助喷嘴40之间的辅助通道。该辅助通道可具有第一端部，该第一端部开通到在第二起弧接触件单元21的自由端部和辅助喷嘴喉部42之间的空间，并且该辅助通道可具有第二端部，该第二端部开通到排气容积。
起弧接触件布置5、标称接触件布置和/或接触件布置的任何两个或更多个部分可相对于轴线B同轴布置。特别地，第一起弧接触件单元31、第二起弧接触件单元21、辅助喷嘴40和主喷嘴50可相对于轴线B呈同轴布置。第一标称接触件单元和第二标称接触件单元以及载体也可相对于轴线B呈同轴布置。压力室、加热通道61、辅助通道和/或载体也可相对于轴线B呈同轴布置。起弧接触件布置、标称接触件布置、接触件布置、压力室、加热通道、辅助通道和/或载体的任何部分或全部可相对于轴线具有n重离散旋转对称或连续旋转对称，其中n是大于或等于3的整数，例如，等于4、6、8或更大。
根据实施例，主喷嘴喉部的横截面面积在轴向方向上远离辅助喷嘴喉部基本上减小。主喷嘴喉部形成基本上收敛的流动管道以供灭弧气体流动。主喷嘴喉部在轴向方向上远离辅助喷嘴喉部具有基本上减小的横截面，并且形成基本上收敛的流动管道以供灭弧气体流动，使得灭弧气体在主喷嘴喉部中经历总体加速，特别是对于低短路电流任务条件的典型的亚音速流动状态来说。更一般地，基本上收敛的流动管道能够被限定为变化形状的管道，其在气体流动的加速中提供净增加，特别是单调增加。以这种方式，在缩回的第一起弧接触件单元附近的主喷嘴喉部的端部处的流速增加，由此支持在弧已被热熄灭之后更有效地从缩回的第一起弧接触件单元附近移除热气体。主喷嘴喉部可优选地形成严格收敛的流动管道，且因此其横截面可在轴向方向上远离辅助喷嘴喉部严格单调减小，但是可替代性地展现出相对于严格收敛形状的有界范围的一些偏差或波动，只要实现灭弧气体的必要的总体加速即可。
主喷嘴50可包括扩散器部分55。扩散器部分55可在轴向方向上远离辅助喷嘴喉部42邻近于主喷嘴喉部52。扩散器部分55的横截面面积可在轴向方向上远离辅助喷嘴喉部42而增加。扩散器部分55可形成发散管道以供灭弧气体流动（即，在下游方向上）。主喷嘴喉部52可在轴向方向上布置在扩散器部分55和主喷嘴50的限定加热通道61的一个壁（加热通道61的另一壁由辅助喷嘴40限定）的部分之间。
主喷嘴喉部52、即主喷嘴喉部52的（基本上）收敛的流动管道可在轴向方向上朝向辅助喷嘴喉部42具有第一端部，并且在轴向方向上远离辅助喷嘴喉部42具有第二端部。第二端部可邻近于主喷嘴50的扩散器部分55。主喷嘴喉部52可在轴向方向上具有长度L。长度L可以在15 mm至80 mm的范围内。主喷嘴喉部52可在主喷嘴喉部52的第一端部521处具有最大横截面面积Amax。主喷嘴喉部52可在主喷嘴喉部52的第二端部522处具有最小横截面面积Amin。当主喷嘴喉部具有n重离散旋转对称时，特别是如果主喷嘴喉部的任何横截面区域是具有外接圆半径R的规则凸多边形，则最大横截面面积Amax通过Amax=1/2 n Rmax2 sin(2π/n)与最大外接圆半径Rmax有关，并且同样，最小横截面面积Amin通过Amin=1/2 nRmin2 sin(2π/n)与最小外接圆半径Rmin有关。当主喷嘴喉部52具有连续旋转对称时，因此主喷嘴喉部52的任何横截面区域都是圆，最大横截面面积Amax通过Amax=π Rmax2与最大半径Rmax有关，并且最小横截面面积Amin通过Amin=π Rmin2与最小半径有关。Amax>Amin和Rmax>Rmin成立。半径是在径向方向（即，垂直于轴线B）上从轴线B测量的。具有连续旋转对称的主喷嘴喉部是优选的，尤其是因为它提供诸如易于制造和有利的流动条件之类的优点。主喷嘴喉部可具有孔径角α，该孔径角被限定为α=arctan((Rmax-Rmin)/L)，其中L是主喷嘴喉部的长度，特别是基本上收敛的流动管道的长度。孔径角α大于零。孔径角α可以为至多15°。孔径角α可以是例如在0.5°至10°的范围内。Rmax、Rmin或者主喷嘴喉部的平均半径的长度可位于从5 mm至20 mm的范围内。
主喷嘴喉部的横截面面积可在轴向方向上远离辅助喷嘴喉部或朝向主喷嘴的扩散器部分或者在灭弧气体流动通过主喷嘴喉部的方向上严格单调减小。主喷嘴喉部可形成严格收敛的流动管道以供灭弧气体流动。横截面面积可沿主喷嘴喉部的长度二次地（quadratically）减小。在其中主喷嘴喉部具有n重离散旋转对称或连续旋转对称的典型情况下，沿主喷嘴喉部的长度的横截面区域的外接圆半径或半径可在轴向方向上远离辅助喷嘴喉部或朝向主喷嘴的扩散器部分或者在灭弧气体流动通过主喷嘴喉部的方向上线性地减小。主喷嘴喉部52的形状可以是截头锥形，诸如例如图2中所示出的。
主喷嘴喉部的横截面面积可在主喷嘴喉部的长度的第二半部中基本上减小或严格单调减小，主喷嘴喉部的长度的第二半部位于轴向方向上远离辅助喷嘴喉部、或朝向主喷嘴的扩散器部分、或者位于灭弧气体流动通过主喷嘴喉部的方向上。主喷嘴喉部可在主喷嘴喉部的长度的第二半部中形成基本上收敛或严格收敛的流动管道以供灭弧气体流动。
主喷嘴喉部的横截面面积可被认为是轴线上的位置x的函数A(x)。类似地，对于具有离散或连续旋转对称的情况（其中横截面面积与外接圆半径或半径有关），外接圆半径或半径R(x)能够被视为轴线上的位置x的函数。然后，A(x)与R(x)的平方成比例。在不失一般性的情况下，在主喷嘴喉部的朝向辅助喷嘴喉部的第一端部处x=0，且在主喷嘴喉部的远离辅助喷嘴喉部或朝向扩散器部分的第二端部处x=L，其中L是主喷嘴喉部的长度。因此，正x轴线被定向成指向远离辅助喷嘴喉部并朝向主喷嘴的扩散器部分的方向，即，在灭弧气体流动通过主喷嘴喉部的方向上。这些函数或其导数的数学性质转化为主喷嘴喉部的形状的几何性质。
在下文中，指定了这样的数学性质，这些数学性质中的任一者单独地或组合地可适用于主喷嘴喉部的形状。给出了函数A(x)的性质，但类似的关系可适用于对应的函数R(x)。
对于A(x)，不等式A(0)>A(L)成立。函数值A(0)可以是该函数的最大值，因此A(0)=Amax。函数值A(L)可以是函数的最小值，因此A(L)=Amin。A(x)可以是有界函数，其具有上界Cup和下界Clow。常数Cup可位于从A(0)至A(0)+y的范围内，并且常数Clow可位于从A(L)-y至A(L)的范围内，并且y可以是例如A(0)/d或A(L)/d或L/d，其中d大于或等于10、大于或等于50、或甚至大于或等于100。下界Clow需要大于第一起弧接触件单元的端部的最大径向延伸部，因为该端部需要能够穿过主喷嘴喉部。这些性质中的任一者对于函数R(x)也可成立。
函数A(x)的平均导数是。函数Aav(x)应为具有斜率Abar'的直线，其在A(0)或A(L)处被锚定，即，Aav(x)=A(0)+Abar’*x，其中Abar’为负并且Aav(L)=A(L)。A(x)可以以直线Aup(x)=A(0)+y+Abar’*x为上界，并且以直线Alow(x)=A(0)-y+Abar’*x为下界，其中y可以是如上文那样的。函数A(x)能够被视为Aav(x)与波动函数u(x)之和，该波动函数以±y为边界并且对于其来说u(0)=u(L)=0。函数A(x)可替代性地被视为严格单调减小的函数Amon(x)和波动函数v(x)之和，该波动函数以±y为边界并且对于其来说v(0)=v(L)=0。因此，A(x)沿主喷嘴喉部的长度L全局地减小，但由于非零v(x)或u(x)而有可能局部地非减小。仍然，这样的A(x)中的一些或全部可被称为基本上减小。图3中图示了这些性质中的一些。这些性质中的任一者对于函数R(x)可成立。
横截面面积函数A(x)可在区间[0, L]的子区间上基本上减小或严格单调减小。在一些或所有子区间上取得的A(x)的平均导数可以是负的。特别地，A(x)可在区间[L/2, L]中基本上减小或严格单调减小，并且在该子区间上取得的平均导数可以是负的。令p=(pi)，i=0...m是区间[0, L]的划分，其中m是整数（例如，2、3、4、5、6、7、8或更大），并且p0=0且pm=L。该划分可限定相等长度的子区间。然后，A(x)可在由划分p限定的所有子区间的50％、60％、70％、80％、90％、95％或甚至100％中基本上减小或严格单调减小。这些性质可对于由具有较大序号（index）的划分数pi限定的子区间成立，例如，对于有序的序号子集{m1,...,m}，其中m1大于或等于例如1、2、3、4、5、6。在由划分p限定的子区间上取得的A(x)的平均导数对于由划分p限定的所有子区间的50％、60％、70％、80％、90％、95％或甚至100％可以是负的。该性质可对于由具有较大序号的划分数pi限定的子区间成立，例如，对于有序的序号子集{m1,...,m}，其中m1大于或等于1、2、3、4、5、6。这些性质中的任一者或所有对于划分p的细化也可成立。这些性质中的任一者对于函数R(x)也可成立。
在典型的实施例中，A(x)严格单调减小，因此如果x1<x2，则A(x1)>A(x2)。如图4中示意性地示出的，A(x)可以是二次地减小的，即，A(x)具有抛物线的形式。对应的外接圆半径或半径R(x)是直线R(x)=Rav(x)=R(0)+ x*1/L ∫L R’(x) dx = R(0)+Rbar’*x，其中平均导数Rbar’=1/L ∫L R’(x) dx = (R(L)-R(0))/L通过–tanα = Rbar'与孔径角α有关，出现负号是因为α被限定为正的。如图5中示意性地所示出，A(x)可以是线性减小的，即A(x)=Aav(x)，其中，Aav(x)是如上文所限定的。对应的外接圆半径或半径R(x)于是将像平方根函数那样严格单调减小。
以下中的至少一者对于在0至L的范围内的所有x可成立：导数A'(x)可小于或等于零，导数A'(x)可小于零，导数A'(x)可小于负常数C1，导数A'(x)可以是有界的，导数A'(x)可大于负常数C2，其中C1>C2，导数A'(x)可以是线性减小的或是负常数，导数R'(x)可小于或等于零，导数R'(x)可小于零，导数R'(x)可小于负常数C3，导数R'(x)可以是有界的，导数R'(x)可大于负常数C4，其中C3>C4，导数R'(x)可以是负常数。此外，分别关于二阶导数A’’(x)或R’’(x)，以下中的至少一者对于在0至L的范围内的所有x可成立：它可小于或等于零，它可小于零，它可大于或等于零，它可大于零，它可以是有界的，它可以大约为零。
当在断路器的断路期间或在切换装置的切换期间形成弧时，弧可能会烧蚀材料，特别是在主喷嘴内，且具体地在主喷嘴喉部内。由此，主喷嘴喉部的形状可能会以不可预测和不受控制的方式改变。弧的形成和熄灭尝试被称为切换操作。在低短路电流任务中，切换电流通常大于标称电流但小于额定短路电流的0.3倍，其例如至多24 kA。在一些短路切换操作之后，主喷嘴喉部的表面变得粗糙，其粗糙度Rz大于例如40 μm或甚至大于80 μm。技术人员能够查看断路器或切换装置是否已被使用（即，是否已进行了一次或多次切换操作），这例如通过增加的粗糙度而变得可见。根据实施例，主喷嘴是如制作的或制造的那样（as-manufactured），即处于在受控的制造过程之后并且在已被使用之前（即，在它已经历切换操作之前）的状态。主喷嘴的内表面或至少主喷嘴喉部内的表面可具有小于30 μm或甚至小于20 μm的表面粗糙度Rz，例如，在从1 μm至15 μm的范围内。由于主喷嘴喉部从头开始具有所期望的形状，所以至少第一次切换操作、但最可能还有后面的切换操作将受益于在第一起弧接触件单元（例如，起弧接触销）的端部前面的起弧区中的灭弧气体的较高气体密度，特别是对于低短路电流任务。
根据另外的实施例，提供了制造气体绝缘高压切换装置的方法。气体绝缘高压切换装置可以是根据本文中所描述的实施例中的任一者的断路器或其他切换装置。该方法包括对气体绝缘高压切换装置的主喷嘴的主喷嘴喉部进行受控成形以形成基本上收敛的管道以供灭弧气体流动。主喷嘴喉部的受控成形可包括烧结主喷嘴（特别地在接近最终状态下烧结主喷嘴）以及对主喷嘴喉部进行加工。
根据又另外的实施例，提供了操作气体绝缘高压切换装置的方法。气体绝缘高压切换装置可以是根据本文中所描述的实施例中的任一者的断路器或其他切换装置。该方法包括提供气体绝缘高压切换装置并执行低短路电流切换操作，例如针对低短路电流任务的断路。其中，低短路电流切换操作或断路的切换电流可小于额定短路电流的0.3倍。额定短路电流可以在31.5 kA和80 kA之间。低短路电流操作可以是T10、T30或异相任务中的一者。低短路电流操作的切换电流可以是额定短路电流的大约10％（如在T10任务中），或者可以是额定短路任务的大约25％（如在异相任务中），或者可以是额定短路任务的大约30％（如在T30任务中）。例如，如果额定短路电流为40 kA并且标称电流为4 kA，则T10任务所具有的切换电流为4 kA（其大约为标称电流），而T30任务所具有的切换电流为12 kA（其大约为标称电流的三倍）。如果额定短路为63 kA，则T30任务需要处理18.9 kA的切换电流，其为标称电流的三倍以上。切换操作或断路至少对于主喷嘴来说可以是第一次切换操作。
本发明的和根据实施例的另外的方面涉及用于气体绝缘高压切换装置的主喷嘴。主喷嘴可具有本文中所描述的气体绝缘高压切换装置的主喷嘴的任一或所有性质。
灭弧气体可以是具有灭弧性质的绝缘气体，如SF6、N2、CO2、空气或这样的气体彼此的混合物。典型的填充压力为几巴，通常在4和12巴之间，诸如对于CO2大约为10巴并且对于SF6大约为6至7巴。另外的填充气体可包括选自包括以下各者的群组的有机氟化合物：氟醚、环氧乙烷、氟胺、氟酮、氟烯烃、氟腈（fluronitrile）及其混合物和/或分解产物。本文中，术语“氟醚”、“环氧乙烷”、“氟胺”、“氟酮”、“氟烯烃”和“氟腈”是指至少部分地氟化的化合物。特别地，术语“氟醚”涵盖氟聚醚（例如，全氟聚醚（galden））和氟单醚两者以及氢氟醚（hydrofluoroether）和全氟醚两者，术语“环氧乙烷”涵盖氢氟环氧乙烷和全氟环氧乙烷两者，术语“氟胺”涵盖氢氟胺和全氟胺两者，术语“氟酮“涵盖氢氟酮和全氟酮两者，术语”氟烯烃“涵盖氢氟烯烃和全氟烯烃两者，并且术语”氟腈“涵盖氢氟腈和全氟腈两者。由此能够优选的是，氟醚、环氧乙烷、氟胺、氟酮和氟腈被完全地氟化，即，全氟化。

Claims (19)

1.一种气体绝缘高压切换装置（1），所述气体绝缘高压切换装置包括：
起弧接触件布置（5），所述起弧接触件布置包括第一起弧区构件（30）和第二起弧区构件（20），其中，所述第一起弧区构件（30）和所述第二起弧区构件（20）能够沿轴线（B）相对于彼此移动，
其中，所述第一起弧区构件（30）包括第一起弧接触件单元（31）；并且
其中，所述第二起弧区构件（20）包括：
第二起弧接触件单元（21），所述第二起弧接触件单元被构造成接收所述第一起弧接触件单元（31）；
辅助喷嘴（40），所述辅助喷嘴包围所述第二起弧接触件单元（21）的至少一部分并且具有辅助喷嘴喉部（42），所述辅助喷嘴喉部具有轴向延伸部并且允许所述第一起弧接触件单元（31）的至少端部（32）通过；
主喷嘴（50），所述主喷嘴包围所述辅助喷嘴（40）的至少一部分并且具有主喷嘴喉部（52），所述主喷嘴喉部在所述辅助喷嘴喉部（42）的侧面具有轴向延伸部，并且允许所述第一起弧接触件单元（31）的至少端部（32）通过，
其特征在于，
所述主喷嘴喉部（52）的横截面面积在轴向方向上远离所述辅助喷嘴喉部（42）基本上减小，以便形成基本上收敛的流动管道、特别是收敛的流动管道，以供灭弧气体流动。
2.根据权利要求1所述的气体绝缘高压切换装置（1），其中，所述主喷嘴喉部（52）的较大横截面面积处于所述主喷嘴喉部（52）的邻近于所述加热通道（61）的第一端部（521）处，并且所述主喷嘴喉部（52）的较窄横截面面积处于所述主喷嘴喉部（52）的第二端部（522）处，所述第二端部远离所述加热通道（61），且特别地邻近于主喷嘴扩散器部分（55）。
3.根据前述权利要求中任一项所述的气体绝缘高压切换装置（1），其中，所述主喷嘴（52）的所述基本上收敛的流动管道在所述灭弧气体的下游方向上收敛，特别地，所述灭弧气体的驻点的轴向位置位于所述主喷嘴（52）的所述基本上收敛的流动管道的上游。
4.根据前述权利要求中任一项所述的气体绝缘高压切换装置（1），其中，所述主喷嘴喉部（52）在所述主喷嘴喉部（52）的朝向所述辅助喷嘴喉部（42）的第一端部（521）处具有最大横截面面积Amax，并且在所述主喷嘴喉部（52）的远离所述辅助喷嘴喉部（42）的第二端部（522）处具有最小横截面面积Amin，特别地，其中Rmin=所述主喷嘴喉部（52）的最小半径。
5.根据前述权利要求中任一项所述的气体绝缘高压切换装置（1），其中，所述主喷嘴喉部相对于所述轴线（B）具有n重离散旋转对称或连续旋转对称。
6.根据前述权利要求中任一项所述的气体绝缘高压切换装置（1），其中，所述主喷嘴喉部（52）的所述基本上收敛的流动管道是变化形状的管道，所述管道提供所述灭弧气体的流动加速的净增加，特别是单调增加。
7.根据前述权利要求中任一项所述的气体绝缘高压切换装置（1），其中，所述主喷嘴喉部（52）的所述基本上收敛的流动管道在轴向方向上具有长度L，所述长度L在15 mm至80 mm的范围内。
8.根据前述权利要求中任一项所述的气体绝缘高压切换装置（1），其中，所述主喷嘴喉部（52）相对于所述轴线（B）连续地旋转对称，所述主喷嘴喉部在所述主喷嘴喉部（52）的朝向所述辅助喷嘴喉部（42）的第一端部处具有最大横截面面积，其中Rmax=所述主喷嘴喉部（52）的最大半径，并且所述主喷嘴喉部在所述主喷嘴喉部（52）的远离所述辅助喷嘴喉部（42）的第二端部（522）处具有最小横截面面积，其中Rmin=所述主喷嘴喉部（52）的最小半径，其中，Rmax和Rmin是从所述轴线（B）测量的半径。
9.根据前述权利要求中任一项所述的气体绝缘高压切换装置（1），其中，所述主喷嘴喉部（52）具有在从大于0°到至多15°的范围内的孔径角α；特别地其中，，其中Rmin=所述主喷嘴喉部（52）的最小半径且Rmax=所述主喷嘴喉部（52）的最大半径，其中所述半径是从所述轴线（B）测量的，并且L是所述主喷嘴喉部（52）、特别是所述基本上收敛的流动管道沿所述轴线（B）的长度，其中优选地所述主喷嘴喉部（52）或所述基本上收敛的管道的Rmax、Rmin或平均半径位于从5 mm至20 mm的范围内。
10.根据前述权利要求中任一项所述的气体绝缘高压切换装置（1），其中，所述主喷嘴喉部（52）严格单调收敛，特别地其中，所述主喷嘴喉部（52）的横截面面积沿所述主喷嘴喉部（52）的长度二次地减小。
11.根据前述权利要求中任一项所述的气体绝缘高压切换装置（1），其中，所述主喷嘴喉部（52）的形状是截头锥形。
12.根据前述权利要求中任一项所述的气体绝缘高压切换装置（1），其中，所述主喷嘴（50）包括邻近于所述主喷嘴喉部（52）并且在所述主喷嘴喉部下游的扩散器部分（55），所述扩散器部分（55）在远离所述辅助喷嘴喉部（42）的方向上是发散的，由此形成发散管道以供灭弧气体流动。
13.根据前述权利要求中任一项所述的气体绝缘高压切换装置（1），所述气体绝缘高压切换装置包括压力容积，其中，所述第二起弧区构件（20）包括加热通道（61），所述加热通道被形成在所述主喷嘴（50）和所述辅助喷嘴（40）之间，所述加热通道（61）在一个端部上与所述压力容积流体连通，并且在另一端部上与起弧区（Z）的位于所述辅助喷嘴喉部（42）和所述主喷嘴喉部（52）之间的部分流体连通。
14.根据前述权利要求中任一项所述的气体绝缘高压切换装置（1），其中，所述第一起弧接触件单元（31）是起弧接触销（31），并且所述第二起弧接触件单元（21）是郁金香式起弧接触件（21）。
15.根据前述权利要求中任一项所述的气体绝缘高压切换装置（1），其中，所述主喷嘴（50）的内表面至少在所述主喷嘴喉部（52）中具有小于20 μm的表面粗糙度Rz。
16.根据前述权利要求中任一项所述的气体绝缘高压切换装置（1），其中，所述气体绝缘高压切换装置（1）是气体绝缘高压自通风断路器，优选地是双运动式自通风断路器。
17.一种制造根据前述权利要求中任一项所述的气体绝缘高压切换装置（1）的方法，所述方法包括：
对根据前述权利要求中任一项所述的气体绝缘高压切换装置（1）的所述主喷嘴（50）的所述主喷嘴喉部（52）进行受控成形，以形成所述基本上收敛的流动管道以供所述灭弧气体流动。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述主喷嘴喉部（52）的受控成形包括烧结所述主喷嘴（50）以及对所述主喷嘴喉部进行加工。
19.一种操作根据权利要求1至16中任一项所述的气体绝缘高压切换装置（1）的方法，所述方法包括：
提供根据权利要求1至16中任一项所述的气体绝缘高压切换装置（1）；以及
执行低短路电流切换操作，其中，所述切换电流小于所述额定短路电流的0.3倍，特别地其中，所述额定短路电流在31.5 kA和80 kA之间，更特别地其中，所述低短路电流操作是T10、T30或异相任务中的一者。
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