CN110178195B

CN110178195B - 具有由电阻器互连的分弧板的消弧栅

Info

Publication number: CN110178195B
Application number: CN201780083348.3A
Authority: CN
Inventors: 张自驰; S·瓦德玛森
Original assignee: ABB Schweiz AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2017-01-13
Filing date: 2017-01-13
Publication date: 2020-07-07
Anticipated expiration: 2037-01-13
Also published as: WO2018130296A1; RU2715622C1; US20190355533A1; CN110178195A; US10614979B2; EP3568867B1; EP3568867A1

Abstract

一种开关设备包括断路部分(12)，该断路部分(12)具有可动接触桥接元件(22)、以及与接触桥接元件(22)相邻的至少一个第一消弧栅(18、20)，每个消弧栅(18、20)包括用于连接到接触桥接元件(22)的基板(BP1A、BP1B)、以及与基板(BP1A、BP1B)相邻放置的分弧板组(SP1A、SP2A、SP3A、SP4A、SP1B、SP2B、SP3B、SP4B)，其中分弧板组的分弧板经由空气间隙(G)与基板分离并且彼此分离，并且电阻器(RA1、RA2、RA3、RB1、RB2、RB3)在消弧栅中的至少第一消弧栅(18)中将板中的至少一些板互连，以旁路对应的空气间隙，其中电阻器具有范围为5kΩ‑1MΩ的值、低于100mA的电流额定值和低于1W的功率额定值。

Description

具有由电阻器互连的分弧板的消弧栅

技术领域

本发明总体上涉及低压应用中的开关设备。更具体地，本发明涉及具有消弧栅的开关设备。

背景技术

在电力传输、分配和供应系统中，开关设备被设置在许多不同类型的装备中，例如在低压接触器中。

已知的是提供具有消弧栅的开关设备，该消弧栅包括由在可动桥接元件的两侧上的一个或两个组中的空气间隙分开的平行分弧板，该可动桥接元件互连两个导体。在电弧已经在开关设备中熄灭之后，瞬态恢复电压被施加在平行分弧板两端。

分弧板也已知用于将电弧分裂成部分电弧。这作为在WO2016/091318中公开的示例。WO2016/091318还公开了在分流板之间连接的低欧姆电阻器的使用，以用于在靠近电流过零的时刻将电路电流换向到电阻器中。因此，消弧栅的空气间隙可以冷却一段时间，并且介电强度可以增加以改进电弧分断性能。

具有包括平行分弧板的消弧栅的开关设备存在一个问题，并且该问题是辉光放电可能在电流中断之后跨过空气间隙中的一个或多个空气间隙而发生。辉光放电可能跨过其它空气间隙引入更多的电压应力，这可能转而导致电弧重燃的风险增加。

本发明针对解决辉光放电的问题和电弧重燃风险增加的问题。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种开关设备，该开关设备解决辉光放电的问题和由它们引起的电弧重燃风险增加的问题。

本发明的目的是通过包括断路部分的开关设备获得，该断路部分具有可动接触桥接元件、以及与接触桥接元件相邻的至少一个第一消弧栅。每个消弧栅包括用于连接到接触桥接元件的基板、以及与基板相邻的分弧板组。分弧板组的分弧板经由空气间隙与基板分离并彼此分离，并且电阻器在消弧栅中的至少第一消弧栅中将板中的至少一些板互连，以用于旁路对应的空气间隙。电阻器具有范围为5kΩ-1MΩ的值、低于100mA的电流额定值和低于1W的功率额定值。

本发明具有许多优点。它提供了改进的电流分断性能，其中消弧栅内的电弧重燃可以被大大减小。由于使用额定值，还可以使用低成本电阻器，这意味着以最少的额外费用获得了改进的功能。

附图说明

下面将参考附图对本发明进行描述，其中

图1示意性地示出了包括与电流注入部分并联的断路部分的开关设备，

图2示意性地示出了断路部分的第一实施例，该断路部分包括在可动接触桥接元件的相对侧上的第一消弧栅和第二消弧栅，

图3示意性地示出了断路部分的第二实施例，

图4示意性地示出了断路部分的第三实施例，

图5示出了实现第一消弧栅的一种方式的立体视图，该第一消弧栅可以用于断路部分的第一实施例和第二实施例，

图6示出了电流注入部分的第一实现方式，

图7示出了电流注入部分的第二实现方式，以及

图8示出了电流注入部分的第三实现方式。

具体实施方式

本发明涉及开关设备，该开关设备可以设置在诸如断路器、接触器等的各种类型的电气装备中。开关设备可以更具体地用于交流(AC)或直流(DC)系统中的低压应用。然后，在低压应用中，例如1000V及以上的应用被考虑，诸如1200V或1500V。

图1示意性地示出了连接在第一导体16与第二导体17之间的这种开关设备10。开关设备10包括第一断路部分12，以及可选地还包括电流注入部分14。第一断路部分12具有两端，每个端连接到对应的导体16和17。与断路部分12并联的是电流注入部分14。电流注入部分14的目的是注入具有与在导体16和17中行进的负载电流相反的方向的电流。在开关设备10的DC操作的情况下，可能需要这种电流注入。在AC操作的情况下，可以省略电流注入部分14。

在本发明的一些变型中，隔离开关可以与断路部分12串联连接。因此，可以提供一种元件，获得导体之间的机械分离，然而该元件不能熄灭标称电流水平下的任何电弧。

图2示意性地示出了根据第一实施例的断路部分12的侧视图。

断路部分12具有可动接触桥接元件22以及与接触桥接元件22相邻的至少一个第一消弧栅。在该第一实施例中，在接触桥接元件22的每一侧上具有一对消弧栅18和20。因此，两个消弧栅18和20设置在接触桥接元件22的相对侧上。第一消弧栅包括第一组分弧板和连接到前述第一导体16(未示出)的第一基板BP1A。在图2给出的示例中，在第一组中存在四个分弧板SP1A、SP2A、SP3A和SP4A。然而，应当认识到，也可以使用更多或更少的分弧板。

以类似的方式，第二消弧栅20包括第二组分弧板和连接到前述第二导体17(未示出)的第二基板BP1B。在图2给出的示例中，存在四个分弧板SP1B、SP2B、SP3B和SP4B。

还存在用于将第一基板BP1A与第二基板BP1B互连的可动接触桥接元件22。因此，每个基板BP1A、BP1B被设置用于连接到接触桥接元件22。接触桥接元件22是机械桥接元件，并且此外能够沿着第一轴线A移动，以便在接触桥接元件22自身与基板BP1A之间以及接触桥接元件22自身与基板BP1B之间形成或分断电流接触。第一轴线A是竖直的并且基本上垂直于其中设置有两个基板BP1A、BP1B的公共平面。接触桥接元件22以及基板BP1A和BP1B在该示例中设置有用于在彼此之间获得电流接触的接触焊盘。

第一组中的分弧板SP1A、SP2A、SP3A、SP4A与基板BP1A相邻放置，并且沿着与接触桥接元件22的第一轴线平行的方向竖直堆叠在彼此上并彼此分离。此外，它们经由空气间隙G彼此分离并且与基板分离。在该第一实施例中，相邻板之间的空气间隙G具有相等的尺寸。因此，消弧栅中的相邻板之间的所有空气间隙具有相同的宽度。这意味着第一分弧板SP1A与基板BP1A之间的空气间隙、第二分弧板SP2A与第一分弧板SP1A之间的空气间隙、第三分弧板SP3A与第二分弧板SP2A之间的空气间隙、以及第四分弧板SP4A与第三分弧板SP3A之间的空气间隙具有相同的宽度。此外，在分弧板SP1A、SP2A、SP3A、SP4A与接触桥接元件22之间存在水平空气间隙，从而当闭合或断开电流路径时随着接触桥接元件22沿着第一轴线上下移动，确保接触桥接元件22与分弧板之间的电流分离。因此，可以看出，分弧板SP1A、SP2A、SP3A、SP4A至少在水平方向上小于基板BP1A。

分弧板SP1A、SP2A、SP3A、SP4A是导电材料，例如铝或铜。此外，电阻器将至少第一消弧栅中的至少一些板互连，以旁路对应的空气间隙。如在图2中所示的第一实施例中可以看到的，两个消弧栅18和20的每个空气间隙G都被电阻器电旁路。因此，消弧栅中的所有板通过电阻器互连。

因此，第一分弧板SP1A经由第一电阻器RA1电连接到第一基板BP1，第二分弧板SP2A经由第二电阻器RA2电连接到第一分弧板SP1A，第三分弧板SP3A经由第三电阻器RA3电连接到第二分弧板SP2A，以及第四分弧板SP4A经由第四电阻器RA4电连接到第三分弧板SP3A。电阻器在此是等值的高欧姆电阻器，例如在5kΩ-1MΩ的范围内，并且额定为低于100mA的低电流和低于1W的功率水平，例如额定为20mA，以及0.25或0.5W。

在断路部分12的该实施例中，第二消弧栅20具有与第一消弧栅18相同的构造。因此，在这种情况下，电阻器RB1、RB2、RB3和RB4也以与第一消弧栅18中相同的方式桥接分弧板与基板之间的空气间隙、以及在板与接触桥接元件之间的水平和竖直空气间隙。

如在图2中可以看出，所有空气间隙因此由高欧姆电阻器桥接。

电阻器可以是电子电阻器，因为只有非常低的电流流过它们。例如，在1500Vdc额定电压的应用中，每个电阻器可以是10kΩ，并且如果如图2所示使用八个电阻器，则在电流中断的时刻仅有19mA的电流通过电阻器。

一旦电路中的电流被中断，这些高欧姆电阻器就保持瞬态恢复电压均匀地分布在消弧栅的所有空气间隙上。因此，避免了不均匀的恢复电压分布，并且因此消弧栅内的电弧重燃的机会将会减少。此外，在辉光放电发生在一个空气间隙上的情况下，该空气间隙的电压减小，放电电流增加并且加热间隙直到电弧再点燃为止。当使用高欧姆电阻器时，大部分辉光放电电流被换向到电阻器中，并且因此大大减轻了辉光放电的影响，并且从而降低了电弧重燃的风险。

在电弧熄灭后存在任何残余电流的情况下，这些残余电流可以容易地通过可选的隔离开关的断开而被中断。

此外，电阻器值明显过高，从而不允许任何空气间隙冷却发生。

开关设备具有许多优点。它具有：

·改进的电流分断性能：消弧栅内的电弧重燃可以被大大减小，特别是在较高电压应用中，其中常规开关设备难以分断电流；

·高欧姆电阻器解决方案几乎不增加开关设备的任何成本。放置电阻器的板或侧壁成本较低。

在图2的示例中，消弧栅元件之间的所有间隙都由电阻器桥接。

一个间隙保持未桥接是可能的。因此，一个分弧板可以保持与其它分弧板电流隔离。

图3中示出了这一点的一个示例。在这种情况下，第一消弧栅18和第二消弧栅20两者的最上方的分弧板SP4A和SP4B与它所属的组的分弧板中的其余分弧板电流分离。因此，除了最上方的分弧板SP4A和SP4B之外，第一消弧栅18和第二消弧栅20中的所有板都通过电阻器互连。因此，在朝向基板BP1A和BP1B的方向上没有电阻器连接在最上方的分弧板SP4A和SP4B与它最接近的邻近SP3A和SP3B之间。此外，这些电流隔离的分弧板SP4A和SP4B在该实施例中电连接到接触桥接元件22。可动接触桥接元件22实际上电连接到第一消弧栅18和第二消弧栅20的最上方的分弧板SP4A、SP4B。因此，机械接触桥接元件22具有到第一消弧栅18的第一分弧板SP4A的第一电连接24和到第二消弧栅20的第四分弧板SP4B的第二电连接26。

在所有其它方面，第二实施例类似于第一实施例。此外，由于每个消弧栅的空气间隙中的一个空气间隙保持无电阻器(这在这种情况下是最上方的空气间隙)，接触器的电流绝缘被确保用于移动的接触桥接元件。此外，通过无电阻器的最上方的间隙，电弧熄灭之后的任何残留电流可以被中断，从而不需要之前描述的隔离开关。

在此应当认识到，有可能以几种方式改变第二实施例。非桥接的空气间隙可以不同于电阻器桥接的空气间隙。因此，顶部或最上方的间隙可以不同于在它下方的相邻板之间的其它间隙(在平行的分弧板与基板之间)。例如，它可以更宽或更窄。因此，除了最上方的分弧板与它的相邻SP3A之间的空气间隙之外，消弧栅的相邻分弧板之间的空气间隙可以具有相同的宽度。

还可能的是，最上方的分弧板具有与分弧板中的其余分弧板不同的形状或尺寸。因此，最上方的分弧板的尺寸可以与消弧栅中的其它分弧板中的至少一些分弧板的尺寸不同。此外，顶部间隙的距离以及顶部分弧板的尺寸可以是可调节的，这意味着顶部间隙可以被调节为大于或小于分弧板之间的、以及最下方的分弧板与基板之间的间隙中的其他间隙。还可以省略两个电连接24和26，使得最上方的分弧板SP4A和SP4B也与接触桥接元件22电流隔离。以类似的方式，在第一实施例中可以添加这两个电连接。

图5示出了仅包括单个消弧栅的电路桥接部分的另一实施例。

消弧栅包括在第一基板BP1与第二基板BP2之间的两个分弧板SP1和SP2，上述两个基板从接触桥接元件22竖直地延伸出来，在该实施例中，该接触桥接元件22是可动的，即能够围绕旋转轴线枢转。在该实施例中，所有板BP1、SP1、SP2和BP2经由相等尺寸的空气间隙彼此分离。在该实施例中，第一分弧板SP1经由第一电阻器R1连接到第二分弧板SP2，并且第二分弧板SP2通过第二电阻器R2连接到第二基板BP2。

还可以改变该实施例。例如，可以改变分弧板取向，使得分弧板取向与还用于这种类型的断路部分的可动桥接元件的移动对齐。这可以通过沿着可动桥接元件的移动方向径向放置基板和分弧板来完成。

为了获得更紧凑的消弧栅结构，消弧栅的电阻器可以设置作为用于保持分弧板的保持结构的一部分。具有可以用于第一实施例和第二实施例中的第一消弧栅和第二消弧栅的分弧板的这种结构的一个示例在图5中的立体视图中示出。在该示例中，存在具有矩形横截面的条形保持结构28。保持结构28还包括凹部，分弧板的边缘可以插入到凹部中以便被保持。在图4中存在沿着保持结构28的长度伸展的四个凹部，以用于保持对应的分弧板SP1A、SP2A、SP3A和SP4A的一个边缘。保持结构28更特别地由聚合物制成，聚合物的大部分是不导电的30。然而，保持结构中的凹部以及互连这些凹部的迹线使用导电聚合物形成，其中至少迹线形成电阻器。因此，在这种情况下，使用在保持结构中的分弧板SP4A、SP3A、SP2A、SP1A之间的导电聚合物迹线32来实现电阻器。由此，使用保持结构中的导电聚合物的迹线来实现桥接空气间隙的电阻器。以这种方式，还提供了紧凑的结构。这种类型的结构仅可以用于高欧姆电阻器。

此外，保持结构28可以是在放置消弧栅的腔室中的侧壁的一部分。因此，可以使用挤压的半导体聚合物将电阻器与侧壁组合。

另一种方式是将消弧栅的壁中的电路板集成到外部，并且因此保护电路板免受热气体影响。

在上面给出的示例中，第二消弧栅具有与第一消弧栅相同的实现方式。然而，应当意识到，这并非一定是这种情况。第二消弧栅可以在先前描述的实施例中例如在没有电阻器的情况下实现。

如前所述，开关设备可以用在AC和DC应用两者中。在AC应用的情况下，可动接触桥接元件被断开以便在基板之间产生电弧，并且当在电流过零时，该电弧将被熄灭，这对于AC系统自然地发生。

然而，在DC系统中，当开关设备是DC开关设备时，不存在这样的自然地发生的电流过零。本发明的另一方面涉及将反向电流注入到开关设备中以获得电流过零。

电流注入部分14的目的是使得要被中断的流过断路部分的电流的电弧过零。因此，目的是要获得这样的电流过零，从而能够熄灭在接触桥接元件被断开时发生的电弧。

在图6中示出了实现与断路部分12并联连接的这种电路的电流注入部分14的第一示例。因此，电流注入部分包括与断路部分12并联连接的电涌放电器Ua。第一晶闸管T1连接在电涌放电器Ua的第一端与并联电路的第一端之间，该并联电路包括第二晶闸管T2，第二晶闸管T2与包括电容器C的支路并联，该电容器C与电感器L串联。并联电路的第二端转而连接到电涌放电器Ua的第二端。第一晶闸管T1的导电方向朝向电涌放电器Ua，并且第二晶闸管T2的导电方向朝向第一晶闸管T1。

上述电流注入部分14的操作如下。一旦检测到接触桥接元件与断路部分12的基板之间的电弧电压，则在适当的时间延迟之后激发晶闸管T1。然后，谐振电容器C通过电弧电压充电，并且相反方向的注入电流流过开关设备。一旦注入电流I1等于零，T1将被自动关断。谐振电容器C的电压可以是电弧电压的大致两倍。然后，将存在大于晶闸管T1的关断时间的时间延迟。此后，晶闸管T2被激发以使谐振电容器C放电。电容器C在该放电时段结束时改变极性，并且保持电容器C的电压幅度。在另一个时间延迟(大于晶闸管T2的关断时间)之后，晶闸管T1再次被激发。此时，电容器C和电弧之间的电压差大致为电弧电压的三倍。因此，注入电流I1也急剧增加。通过重复该过程(激发T1，然后T2)，一系列谐振注入电流I1被叠加到流过断路部分12的负载电流Idc。当注入电流达到与负载电流相同的幅度时，则开关设备内部的总电流下降到零并且电弧成功地被中断。负载电流转向对谐振电容器C充电，触头两端的电压上升直到该电压达到电涌放电器Ua的保护电压电平，然后在一段时间之后，负载电流换向到电涌放电器Ua并达到零。

在触头之间的瞬态恢复电压大于间隙耐受电压的情况下，电弧可能重燃。然后，晶闸管T2应当再次被激发以谐振电容器C放电。该过程(激发T1然后T2)继续，直到负载电流最终被中断。

图6中的电路针对单向负载电流进行操作。可以通过将附加晶闸管与第一晶闸管T1和第二晶闸管T2反并联连接来使电路处理双向负载电流。此外，还可以将附加反并联晶闸管对与具有反并联的另外晶闸管的第一晶闸管T1的晶闸管对串联连接。

存在图6中的电路的许多可能的进一步变型，其中在图7中示出了一个变型。

在图7中，存在包括电涌放电器Ua的并联电路，电涌放电器Ua与包括电容器C的支路并联连接，电容器C与电感器L串联连接。此外，第二晶闸管T2在这种情况下连接在断路部分12的第一端与并联电路的第一端之间，而第一晶闸管T1连接在断路部分12的相同第一端与并联电路的第二端之间。此外，第三晶闸管T3连接在并联电路的第一端与断路部分12的第二端之间，而第四晶闸管T4连接在并联电路的第二端与断路部分12的第二端之间。在图7中，第二晶闸管T2具有朝向并联电路的第一端的导电方向，而第一晶闸管T1具有朝向并联电路的第二端的导电方向。第三晶闸管T3和第四晶闸管T4的导电方向都朝向断路部分12的第二端。

当操作电流注入部分14时，第一晶闸管T1和T3被激发以对谐振电容器C充电。然后晶闸管T2和T4被激发以对谐振电容器C放电，充电和放电电流均流过断路元件的接触桥接元件，因此总电流过零更快地被达到并且即使发生电弧重燃，新的电流过零也更快地被达到。

图8中示出了另一备选方案。在这种情况下，存在电感器L和电容器C的串联电路，其中第一晶闸管单元或第一三端双向可控硅开关TR1连接在串联电路的第一端与断路部分12的第二端之间，并且第二晶闸管单元或第二三端双向可控硅开关TR2连接在串联电路的第一端与断路部分12的第一端之间。还存在第三晶闸管单元或第三三端双向可控硅开关TR3和第四晶闸管单元或第四三端双向可控硅开关TR2，第三晶闸管单元或第三三端双向可控硅开关TR3连接在串联电路的第二端与断路部分12的第二端之间，第四晶闸管单元或第四三端双向可控硅开关TR2连接在串联电路的第二端与断路部分12的第一端之间。最后，电涌放电器Ua连接在断路部分12的第一端与第二端之间。

图8的电流注入部分14也是具有快速电流中断的双向电路，因为通过谐振电路的所有电流脉冲都是电流注入。与先前提及的电路相比，在达到总电流过零上要快得多。然而，该备选电路使晶闸管的数目加倍，因为每个晶闸管单元包括三端双向可控硅开关或两个反并联晶闸管。

以上给出了用于实现电流过零的注入电流的谐振电路的几个示例。应当认识到，这些仅仅是可以用于引入电流过零的电路的少数示例。

根据前面的讨论，很明显，本发明可以以多种方式变化。

因此，应当认识到，本发明仅由所附权利要求限定。

Claims

1.一种开关设备(10)，包括断路部分(12)，所述断路部分(12)具有可动接触桥接元件(22)、以及与所述接触桥接元件(22)相邻的至少一个第一消弧栅(18)，每个消弧栅(18、20)包括用于连接到所述接触桥接元件(22)的基板(BP1A、BP1B)、以及与所述基板(BP1A、BP1B)相邻放置的分弧板组(SP1A、SP2A、SP3A、SP4A、SP1B、SP2B、SP3B、SP4B)，其中分弧板组的所述分弧板经由空气间隙(G)与所述基板分离并彼此分离，并且电阻器(RA1、RA2、RA3、RA4、RB1、RB2、RB3、RB4)在所述消弧栅中的至少第一消弧栅(18)中将所述分弧板和所述基板中的至少一些板互连，以用于旁路对应的空气间隙，其中在所述第一消弧栅(18)中除最上方的分弧板(SP4A)之外的所有分弧板和所述基板通过电阻器互连，所述电阻器具有范围为5kΩ-1MΩ的值、低于100mA的电流额定值和低于1W的功率额定值。

2.根据权利要求1所述的开关设备(10)，其中所述可动接触桥接元件(22)电连接到所述第一消弧栅(18)的所述最上方的分弧板(SP4A、SP4B)。

3.根据权利要求1或2所述的开关设备(10)，其中所述第一消弧栅(18)中的所述最上方的分弧板(SP4A)的尺寸不同于所述第一消弧栅中的其他分弧板的尺寸。

4.根据权利要求1或2所述的开关设备(10)，其中除了所述最上方的分弧板(SP4A)与它的邻近板(SP3A)之间的所述空气间隙之外，所述第一消弧栅的所述分弧板之间的所述空气间隙(G)具有相同的宽度。

5.根据权利要求1或2所述的开关设备(10)，其中所述第一消弧栅中的所有间隙具有相同的宽度。

6.根据权利要求1或2所述的开关设备(10)，其中所述第一消弧栅的所述分弧板(SP4A、SP3A、SP2A、SP1A)由聚合物保持结构(28)保持。

7.根据权利要求6所述的开关设备(10)，其中在所述保持结构中的分弧板(SP4A、SP3A、SP2A、SP1A)之间使用导电聚合物迹线(32)来实现所述电阻器。

8.根据权利要求1、2和7中任一项所述的开关设备(10)，还包括第二消弧栅(20)，其中所述第一消弧栅和所述第二消弧栅被设置在所述接触桥接元件(22)的相对侧上。

9.根据权利要求8所述的开关设备，其中所述第二消弧栅(20)具有与所述第一消弧栅(18)相同的实现方式。

10.根据权利要求8所述的开关设备(10)，其中两个消弧栅的所述基板设置在公共平面中，并且所述可动接触桥接元件(22)能够沿着垂直于所述基板的所述平面的第一轴线移动，并且消弧栅的所述分弧板沿着与所述第一轴线平行的方向彼此分离。

11.根据权利要求1、2、7、9和10中任一项所述的开关设备(10)，其中所述开关设备(10)是直流开关设备，并且还包括电流注入部分(14)，所述电流注入部分(14)被配置为导致要被中断的、通过所述断路部分(12)的电流的电弧过零。