CN110034001A - 具有烟火致动系统的电气保护装置 - Google Patents

Abstract

该多极电气保护装置包括具有包含至少一个触头指状件(15)的可分离触头的断开块，能够移动触头指状件的切换机构(22)，和驱动切换机构的电子跳闸系统。保护装置具有烟火致动系统(30)，其包括：‑烟火致动器(302)；‑面向触头指状件定位的撞针(304)，每个撞针能够移动到其中该撞针推动触头指状件的按压位置；‑运动传动系统(306)，其用于将验货致动器的移动部件(314)的到其展开位置的运动转换为所有撞针到其按压位置的同时运动；跳闸系统被配置成当其检测到电气故障时激活烟火致动器。

Description

具有烟火致动系统的电气保护装置

技术领域

本发明涉及一种包括烟火致动系统的电气保护装置。

本发明更一般地涉及保护电气设备的技术领域。

背景技术

在特定应用中，必须能够在发生电气故障时非常快速地中断电流，例如具有短于或等于1毫秒的延迟。

已知的做法是使用超快熔丝元件，当发生诸如短路电流的电气故障时，该超快熔丝元件非常快速地熔化，以便中断电流的流动。

然而，存在这些超快熔丝元件不适合或不完全令人满意的应用。例如，它们并不总是令人满意地响应电气故障，例如短路电流，特别是对于特定电流额定范围。

还存在具有可分离触头的电气保护装置，例如断路器。然而，他们使用的打开机构并不总是足够快。

本发明正是旨在通过提供一种电气保护装置来克服这些缺点，该电气保护装置呈现在发生电气故障时表现出快速响应。

发明内容

为此，本发明涉及一种多极电气保护装置，其包括：

-具有可分离触头的断开块，其用于中断连接端子之间的电流流动，该断开块对于保护装置的每个极包括固定电触头和由至少一个可移动触头指状件承载的移动电触头；

-切换机构，其能够移动触头指状件；

-驱动切换机构的电子跳闸系统，该跳闸系统被配置为当其检测到电气故障时使切换机构跳闸；

保护装置的特征在于，它还包括烟火致动系统，所述烟火致动系统包括：

-至少一个烟火致动器，每个烟火致动器包括爆炸装药和移动部件，当装药爆炸时，所述移动部件从缩回位置移动到展开位置；

-面向触头指状件定位的撞针，每个撞针能够在静止位置和按压位置之间移动，在所述按压位置，所述撞针推动触头指状件以从固定触头分离相应的移动触头；

-运动传动系统，其被配置成将移动部件的从其缩回位置到其展开位置的运动转换为所有撞针从其静止位置到其按压位置的同时运动；

并且其特征在于，跳闸系统还被配置成在其检测到电气故障时激活烟火致动器中的一个。

借助于本发明，保护装置在发生诸如短路电流的故障的情况下更快地作出反应以中断电流的流动。具体地，烟火致动系统允许触头指状件比切换机构更快地移动。换句话说，烟火致动系统用作比切换机构更快的并联跳闸装置。

因此，烟火致动系统使得可以受益于对于强度高于或等于保护装置的标称电流In的六倍的电流的特定类型的电气故障(特别是短路)的改进的保护，同时附加地保持保护装置的断开块的常规结构。

根据本发明的一些有利的但非必要的方面，这样的电气保护装置可以单独地或以任何技术上允许的组合并入以下特征中的一个或多个：

-该烟火致动系统能够被重置并且为此包括至少两个烟火致动器，该跳闸系统还进一步被配置成当其检测到电气故障时激活尚未激活的一个或多个烟火致动器中的一个烟火致动器。

-该跳闸系统包括主控制单元和辅助控制单元，该切换机构由主控制单元驱动，并且响应于检测到的电气故障激活烟火致动器中的一个烟火致动器由辅助控制单元执行。

-该运动传动系统包括：

-轴，其安装成相对于附接到烟火致动系统的支撑件的轴承旋转；

-连接杆，其将撞针连接到轴；以及

-至少一个杠杆，其附接到轴，每个杠杆设置有支承表面，用于与烟火致动器的移动部件配合。

-该烟火致动系统安装在围绕断开块的壳体的外部面上，外部面设置有贯通开口，并且每个开口面向断开块的触头指状件定位并允许相应的撞针穿过。

-每个开口设置有密封件。

-每个撞针包括主体和刚性连接到主体的端部部件，所述端部部件用于在撞针移动到其按压位置时撞击相应的触头指状件，主体是电绝缘的。

-每个撞针的形状是长形的并且沿着纵向轴线放置，主体的远端包括形成支承表面的肩部，端部部件的相应端部被接收在所述支承表面上，端部部件和主体通过附接元件附接到彼此，所述附接元件相对于纵向轴线横向布置。

-该端部部件由金属制成，优选地由钢制成。

-该运动传动系统包括弹性返回构件，诸如弹簧，其适于施加使撞针返回到其静止位置的返回力。

附图说明

根据参照附图并且仅以示例方式提供的电气保护装置的一个实施例的以下描述，将更好地理解本发明并且其它优点将变得更加清楚，其中：

-图1是示出根据本发明实施例的包括烟火致动系统的电气保护装置的概述；

-图2是图1的烟火致动系统的示例的透视示意图；

-图3是图1的电气保护装置的示例的一部分的透视示意图；

-图4是图1的保护装置的纵向截面示意图，其中烟火致动系统处于未跳闸状态；

-图5是图1的保护装置的纵向截面示意图，其中烟火致动系统处于跳闸状态。

具体实施方式

图1示出了电气保护装置2，例如断路器。

装置2用于保护电气设备免受电气故障的影响，例如短路和过载电流。

装置2是多极的。因此，其旨在用于保护多相电气设备。在所示的示例中，装置2包括由P1，P2，P3表示的三个电气极。

根据实施例，装置2是限制断路器，其能够中断强度在600A和2000A之间的标称电流。

装置2包括具有可分离触头的断开块4和电子跳闸系统6。

断开块4用于中断在装置2的连接端子8和10之间流动的电流的流动。

如图1、4和5所示，对于每个极P1，P2，P3，断开块4包括固定电触头12和由至少一个可动触头指状件15承载的移动电触头14。

例如，每个指状件15安装成相对于断开块4的固定框架枢转。

在实施方式的所示模式中，在图4和5的截面中只能看到一个指状件15。然而，在实际中，彼此并联地机械连接的多个类似指状件15可以被分组在具有同一个移动触头14的同一个极P1，P2，P3内。指状件15的数量例如大于或等于1或大于或等于2，并且通常小于或等于10或小于或等于5。

装置2还包括切换机构22和热电致动系统30。

机构22机械地联接到触头指状件15，以便在称为闭合位置和打开位置的位置之间可逆地移动它们，以便在其在被对应地控制时，使触头12和14接触或隔离。

热电致动系统30适于作用在触头指状件15上，以便其在被相应地控制时，将触头12和14分开。

换句话说，热电致动系统30使得可以独立于切换机构22控制装置2的打开。

跳闸系统6被配置为检测电气故障，并且作为响应，触发触头12和14的分离，以便中断端子8和10之间的电流流动，特别是通过触发机构22的对应移动。因此，系统6驱动机构22。

例如，系统6包括电流传感器16和电子测量单元18，每个电流传感器适合于测量与在极P1，P2，P3处流动的电流相关的一个或多个物理量，电子测量单元18收集由传感器16产生的测量信号。在该示例中，传感器16是罗戈夫斯基线圈(Rogowski coils.)。

系统6还包括：

-主电子控制单元20，其被编程为驱动切换机构22，并且例如根据由传感器16测量的电流值来检测电气故障的发生；

-电磁致动器24，其将单元20联接到切换机构22；和

-点火电路28，其与跳闸装置30相关联。

例如，单元20被编程为当检测到故障时(例如当满足预定的跳闸标准时)命令断开块4跳闸，即分离触头12和14。例如，当由传感器16测量的电流超过预定的长延迟跳闸阈值“Ir”或预定的短延迟跳闸阈值“Isd”时，命令跳闸。该跳闸通过机构22执行。

举例来说，单元20包括可编程微控制器和存储可执行软件指令的计算机存储器，优选地以非暂时性形式存储。

系统6还适用于在检测到电气故障时控制系统30的跳闸，该电气故障可能与使单元20跳闸的电气故障的类型不同。

根据本发明的实施方式，系统6为此包括电子辅助控制单元26，该电子辅助控制单元26被编程为当检测到电气故障时控制系统30的跳闸，这里经由点火电路28。

辅助控制单元26在此包括集成电路或可编程微控制器。

例如，辅助控制单元26通过单元18连接到传感器16，基于传感器16提供的测量来检测电气故障。

优选地，辅助控制单元26还在控制热电致动系统30的跳闸的同时控制机构22的跳闸。

独立于单元20的辅助控制单元26的使用有利地使得可以定义与单元20所使用的跳闸阈值不同的跳闸阈值，例如具有不同的额定值。

例如，使用基于峰值强度阈值或基于电流强度的时间导数的阈值的跳闸阈值。

然而，根据本发明的一些变型，省略了辅助控制单元26。然后，系统30的跳闸由主控制单元20控制。然后相应地调整系统6。根据其他变型，单元20和26可以接收关于装置2的外部的电气故障的信息，特别是由连接到所述装置的导体上发生的由电弧检测器检测到的电气故障。该信息产生通过点火电路28使系统30跳闸的命令。

图2至5更详细地示出了系统30及其相对于装置2的其余部分的布置的示例。

热电致动系统30包括至少一个烟火致动器302、撞针304和运动传动系统306，并且在此包括支撑板308。

优选地，系统30通过安装在围绕断开块4的壳体的外部面40上而并入到装置2中。

例如，断开块4形成构成电气保护装置的整体组件的一部分。换句话说，热电致动系统30然后是预组装的装置，其被添加到现有单元，例如断路器主体。

在装置2的组装配置中，板308附接到外部面40。这里，板308钻有允许撞针304穿过的孔。板308还设置有附加孔310，其允许诸如螺钉的附接元件穿过。

优选地，板308由电绝缘材料制成。例如，使用塑料材料。优选地，板308是刚性的。

如在图3中更特别明显的，外部面40设置有贯通开口42。每个开口42面向触头指状件15定位并允许相应的撞针304穿过。

换句话说，断开块4优选地不包括布置在开口42和相应的指状件15之间的元件，这些元件将易于阻碍撞针304的行进。

优选地，每个开口42设置有密封件44，例如O形环，例如由弹性体材料制成的O形环。这允许断开块4保持令人满意的密封，特别是通过防止破裂气体经由开口42从断开块4逸出。

现在参考图2、4和5详细描述系统30。

在该示例中，系统30包含具有附图标记302和302'的两个烟火致动器。因为这些致动器的作用和结构是类似的，所以下面仅描述致动器302。与致动器302的元件相对应的致动器302'的元件具有相同的附图标记，其具有添加符号“'”。

每个烟火致动器302包括：

-爆炸装药，其在此容纳在致动器的封闭主体中；和

-移动部件314，其可在缩回位置和展开位置之间移动，例如通过沿纵向轴线X302平移运动。借助于致动器302的构造，当装药爆炸时，移动部件314从其缩回位置移动到其展开位置。

根据示例性实施例，移动部件314是刚性杆，其安装成相对于致动器302的主体滑动。

致动器302,302'连接到系统6，以允许系统30跳闸。换句话说，为了使系统30跳闸，系统6通过点燃其爆炸装药来激活致动器302,302'中的一个，以便移动相应的移动部件314。

例如，每个致动器302包括一个或多个控制电极315，其用于控制爆炸装药的点燃。控制电极315在此连接到点火电路28。

点火电路28被配置成使得当它从系统6接收到跳闸命令时，它向相应的致动器302,302'发送足够量的电能以使爆炸装药爆炸。电路28通过并入在装置2内的电源或通过装置2外部的电源供电。

这里，致动器安装在保持部件312上，保持部件312附接到支撑板308。例如，部件312采用“L”形状，其基部附接到板308，致动器302,302'附接到部件312的顶部。

撞针304(也称为“撞锤”或“锤子”)用于撞击指状件15，以便在致动器302,302'中的一个被激活时，即当其装药爆炸时，分离触头12,14。

为此，撞针304定位成面向触头指状件15。

每个撞针304可以优选地可逆地在静止位置和按压位置之间移动。

在按压位置，撞针304按压触头指状件15，以将相应的移动触头14与固定触头12分开。

在静止位置，撞针不会按压触头指状件15。例如，撞针304保持远离与其相关联的触头指状件15。

在装置2的安装配置中，每个撞针304穿过开口42中的一个。因此可以理解，在实际中，撞针304旨在穿透断开块4的内部。

根据极P1，P2，P3的数量和指状件15的数量来选择撞针304的数量。优选地，一个撞针304用于每个极P1，P2，P3。因此，在该示例中，撞针304的数量为三个。

运动传动系统306被配置成将移动部件314,314'的从其缩回位置到其展开位置的运动转换为所有撞针304从其静止位置到其按压位置的同时运动。

在所示的示例中，运动传动系统306包括轴316、轴承318、连接杆326和至少一个杠杆320。

优选地，系统306安装在支撑板308的与致动器302,302'相同的一侧。板308的相对侧与外部面40接触。

轴316在此沿纵向轴线X316放置。它安装成相对于轴承318旋转。例如，轴316由钢制成。举例来说，其直径包括在1厘米至2厘米的范围内。

轴承318，这里三个，附接到支撑板308，例如使用诸如螺钉的附接元件319。作为说明性示例，附接元件319是中空的六角形圆柱螺钉，例如尺寸为4×16。

杠杆320的数量根据烟火致动器302,302'的数量来调整。应理解，每个烟火致动器302,302'需要一个杠杆320。

每个杠杆320在没有任何自由度的情况下附接到轴316，例如通过焊接。每个杠杆320设置有支承表面322，该支承表面322用于与烟火致动器302,302'的移动部件314,314'配合。

连接杆326将撞针304连接到轴316。例如，每个连接杆通过枢轴连杆328将撞针304连接到轴316。举例来说，通过借助于弹性挡圈的夹紧来提供在该枢轴连杆328处的附接。

在该示例中，杠杆320还用作连接杆，用于将撞针304连接到轴316。这使得可以减少所采用的机械部件的数量，从而简化系统6的结构。

例如，每个杠杆320包括连接杆状部分，该连接杆状部分用于起到类似于连接杆326的作用。因此，它们通过枢轴连杆324以类似的方式将撞针304连接到轴316。

在所示的示例中，中央撞针304经由两个相同的杠杆320连接到轴316，该两个相同的杠杆320布置在该撞针304的两侧上。两个侧向撞针304中的每一个通过两个连接杆326连接到轴316，两个连接杆326本身也布置在相应的撞针304的两侧。

然而，其他配置也是可能的，特别是当烟火致动器302,302'的数量和/或撞针304的数量不同时。

根据一些变型(未示出)，杠杆320不一定用作连接杆，因此不附接到撞针304。然后专用连接杆用于此目的。

根据本发明的实施方式，系统306还包括弹性返回构件(未示出)，其适于施加使撞针304返回其静止位置的返回力。

例如，该返回构件是弹簧，例如螺旋扭转弹簧，其与轴316配合。

在实际中，当该移动部件314在致动器302的爆炸装药的爆炸作用下被推向其展开位置时，该返回力不足以阻止轴316和撞针304在移动部件314的作用下的运动。然而，当移动部件314的推进运动已经结束时，返回力足以使撞针304返回到其静止位置。

每个撞针304在这里是长形的并且沿着纵向轴线X304放置。例如，撞针304各自基本上都是圆柱形的。

每个撞针304的移动通过沿其纵向轴线X304平移而发生。例如，轴线X304基本垂直于板308和面40放置。

撞针304在此彼此相同。

作为说明性示例，轴线X302在此垂直于轴线X304和X316并且与轴线X304共面。轴线X316垂直于轴线X304和X302，而不与这两个轴线中的任一个共面。

根据实施例，每个撞针304包括主体334，也称为“杆”，以及端部部件336，也称为“撞击部件”，其刚性地连接到主体304，并且当撞针304到达其按压位置时，用于撞击相应的触头指状件15。

附图标记332表示撞针304的近端，该端部定位成与端部部件336相对。

在该示例中，每个撞针304还包括用于与连接杆326或部件320附接的部分330，枢轴连杆324,328形成在该连接杆326或部件320上。该部分330例如与主体334形成为单件。

优选地，端部部件336由金属制成，例如钢。这为端部部件336提供了良好的机械强度，因为该部分用于撞击指状件15。

有利地，主体334由电绝缘材料制成。这限制了不希望的电流流出断开块4的风险。例如，主体334由聚酰胺的或由玻璃纤维增强的聚碳酸酯制成。

在该示例中，端部部件336和主体334是借助于相对于纵向轴线X304横向布置的附接元件338,339彼此附接的两个不同部件。附接元件338,339例如是埋头螺钉。

根据有利的实施方式，主体334的远端包括形成支承表面的肩部340，端部部件336的相应端部，即部件336的近端接收在该支承表面上。

这样，当撞针304撞击指状件15时，端部部件336抵靠肩部340的支承表面。以这种方式，避免了端部部件336在附接元件338,339上施加剪切机械力，例如在螺钉的轴上，因为这可能导致附接元件338,339断裂。因此，撞针304的耐久性以及装置2的耐久性增加。

根据有利的实施方式，致动系统30可以被重置，即，即使每个致动器302,302'是单次使用，它也可以连续多次跳闸。

为此，系统30包括至少两个烟火致动器302,302'。然后，跳闸系统6配置为，当其检测到短路电流形式的电气故障时，以激活尚未激活的一个或多个烟火致动器302,302’中的一个烟火致动器302,302'。

例如，致动器以预定顺序激活。或者，系统6将在之前的跳闸操作中已经被激活的致动器列表保存在其存储器中。

根据其他实施方式，跳闸系统6被配置成使得在检测到电气故障之后系统30的跳闸包括同时激活多个烟火致动器302,302'。这在需要相当大的力来通过撞击移动指状件15并且一个烟火致动器302,302’凭自身将不能够提供足够的力的情况下是有用的。

根据示例性实施方式，致动器302,302'可拆卸地安装。因此，一旦它们被激活，它们就可以被替换。

致动器302,302'的数量可以不同，例如等于三。

现在描述在发生短路电流电气故障的情况下装置2的操作的示例。

特别应当理解，如果是不需要超快响应的电气故障，例如发生诸如过载电流的故障，则系统30不必被激活。在这种情况下，系统6和机构22的操作可能就足够了。

最初，装置2处于图4所示的状态。装置2处于闭合状态。触头12和14彼此接触，因此允许电流流动。机构22被装备并准备好跳闸。类似地，系统30被装备并准备好跳闸。致动器302,302'均未被激活。

接下来，借助于由传感器16测量的电流，系统6检测到电气故障。作为响应，系统6控制系统30的跳闸。

有利地，系统6自动选择将激活致动器302或302'中的哪一个。例如，选择致动器302。

在所示的示例中，借助辅助控制单元26执行跳闸。

点火电路28通过在电极315上发送预定量的电能来点燃相应的爆炸装药。

装药的爆炸导致移动部件314沿轴线X314快速移动。移动部件314按压杠杆320并使轴316在轴线X316上旋转，如图4中的箭头F1所示，这导致撞针304沿轴线X304同时移动。

如箭头F2所示，撞针304猛烈地推动触头指状件15远离。然后分离电触头12,14并中断电流的流动。

在实际中，当触头12和14分离时，触头12和14之间可能形成电弧，但是这会迅速熄灭。如果触头12和14的分离发生在足够早的阶段，在该阶段电流的强度不足够高以使电弧持续很长时间，则电弧甚至更快地熄灭。

在任何情况下，断开块4有利地设置有电弧熄灭室。

因此，装置2处于打开状态，如图5所示。

优选地，当系统6控制系统30的跳闸时，它还控制机构22的跳闸。这允许在完成系统30的动作时使触头12和14彼此远离。

具体地，在实际中，在特定实施方式中，撞针304的动作足以移动指状件15并因此使触头12,14分离。然而，一旦移动部件314完成其移动，就存在指状件15返回其初始位置的风险。

借助于本发明，热电致动系统30使得可以在系统6检测到电气故障之后提供超快电流断开，即具有快于或等于1毫秒的反应时间。

系统30形成另外的跳闸系统，其在模块20和机构22的常规组合不足够快以具有快于或等于1毫秒的反应时间的情况下，补充这种组合。

另外，装置2部分地保持常规的断路器结构，特别是相对于断开块4。

这种断路器断开单元的标准结构的再利用使得装置2更容易投入生产。特别地，系统30可以制造为预组装模块。当装置2用于短期运行时，这是特别有利的，因为如果必须进行完全重新开发，则开发和销售成本将是负担不起的。

上面考虑的实施例和变型可以彼此组合以便创建新的实施例。

Claims (10)

1.多极电气保护装置(2)，包括：

具有可分离触头的断开块(4)，其用于中断连接端子(8,10)之间的电流流动，该断开块(4)对于保护装置(2)的每个极(P1，P2，P3)包括固定电触头(12)和由至少一个可移动触头指状件(15)承载的移动电触头(14)；

切换机构(22)，其能够移动触头指状件；

驱动切换机构(22)的电子跳闸系统(6)，该跳闸系统(6)被配置为当其检测到电气故障时使切换机构(22)跳闸；

保护装置(2)的特征在于，它还包括烟火致动系统(30)，所述烟火致动系统(30)包括：

至少一个烟火致动器(302,302')，每个烟火致动器包括爆炸装药和移动部件(314,314')，当装药爆炸时，所述移动部件(314,314')从缩回位置移动到展开位置；

面向触头指状件(15)定位的撞针(304)，每个撞针(304)能够在静止位置和按压位置之间移动，在所述按压位置，所述撞针推动触头指状件(15)以从固定触头(12)分离相应的移动触头(14)；

运动传动系统(306)，其被配置成将移动部件(314,314')的从其缩回位置到其展开位置的运动转换为所有撞针(304)从其静止位置到其按压位置的同时运动；

并且其特征在于，跳闸系统(6)还被配置成在其检测到电气故障时激活烟火致动器(302,302')中的一个。

2.根据权利要求1所述的电气保护装置(2)，其特征在于，所述烟火致动系统(30)能够被重置并且为此包括至少两个烟火致动器(302,302')，所述跳闸系统(6)还进一步被配置成当其检测到电气故障时激活尚未激活的一个或多个烟火致动器(302,302')中的一个烟火致动器(302,302')。

3.根据前述权利要求中任一项所述的电气保护装置(2)，其特征在于，所述跳闸系统(6)包括主控制单元(20)和辅助控制单元(26)，所述切换机构(22)由主控制单元(20)驱动，并且响应于检测到的电气故障激活烟火致动器(302,302')中的一个烟火致动器由辅助控制单元(26)执行。

4.根据前述权利要求中任一项所述的电气保护装置(2)，其特征在于，所述运动传动系统(306)包括：

轴(316)，其安装成相对于附接到烟火致动系统(30)的支撑件(308)的轴承(318)旋转；

连接杆(320,326)，其将撞针(304)连接到轴(316)；以及

至少一个杠杆(320)，其附接到轴(316)，每个杠杆(320)设置有支承表面(322)，用于与烟火致动器(302,302')的移动部件(314,314')配合。

5.根据前述权利要求中任一项所述的电气保护装置(2)，其特征在于，烟火致动系统(30)安装在围绕断开块(4)的壳体的外部面(40)上，外部面(40)设置有贯通开口(42)，并且每个开口(42)面向断开块(4)的触头指状件(15)定位并允许相应的撞针(304)穿过。

6.根据权利要求5所述的电气保护装置(2)，其特征在于，每个开口(42)设置有密封件(44)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的电气保护装置(2)，其特征在于，每个撞针(304)包括主体(334)和刚性连接到主体(304)的端部部件(336)，所述端部部件(336)用于在撞针(304)移动到其按压位置时撞击相应的触头指状件(15)，主体(334)是电绝缘的。

8.根据权利要求7所述的电气保护装置(2)，其特征在于，每个撞针(304)的形状是长形的并且沿着纵向轴线(X304)放置，主体(334)的远端包括形成支承表面的肩部(340)，端部部件(336)的相应端部被接收在所述支承表面上，端部部件(336)和主体(334)通过附接元件(338，339)附接到彼此，所述附接元件(338，339)相对于纵向轴线(X304)横向布置。

9.根据权利要求7或8所述的电气保护装置(2)，其特征在于，所述端部部件(336)由金属制成，优选由钢制成。

10.根据前述权利要求中任一项所述的电气保护装置(2)，其特征在于，运动传动系统(306)包括弹性返回构件，诸如弹簧，其适于施加使撞针(304)返回到其静止位置的返回力。