CN110998774A - 断路器 - Google Patents

Abstract

一种断路器包括开关(10)和致动器，该致动器包括机械地连接到开关(10)中的活动触点(10b)的能够移位的轴(11)。Thomson线圈(12，14)适于使轴(11)沿第一方向移位，并且断开设备(4)与开关串联连接并且适于在电流消失的间隔期间断开。提供作为与轴分离的部件的储能器(22)，并且储能器(22)适于在轴(11)沿第一方向移动时储存能量，并且释放能量以使轴(11)沿第二方向移位，储能器(22)包括质量弹簧装置(18，19，20)，该质量弹簧装置包括：主体(19)；在轴(11)与主体(19)的面向轴(11)的一侧的一个端部之间的第一弹簧(18)；以及在第一端部处连接到主体的背离轴(11)的一侧并且在第二端部处固定的第二弹簧(20)。主体(19)的移动不受干扰地继续以实现电流消失的时间间隔。提供一种用于断路器的断流装置，其具有简单的机械构造并且可以适当的方式应对闭合成永久故障时的问题。

Description

断路器

技术领域

本发明涉及一种包含快速反应机械断流开关和串联连接的断开设备的断路器。

背景技术

在基于直流的电力系统(例如，高压直流(HVDC)系统)中需要独立于负载电流中的自然过零点而操作的快速反应机械断路器。它们还作为限流断路器应用在AC系统中。

连接的网络中的电感在非零电流消失的瞬间保持磁能，因此能量吸收设备在至少一个支路中与中断开关并联连接。通常，为此目的使用金属氧化物变阻器(MOV)，MOV还提供跨接断续器端子的电压的尖峰电压限制。

快速反应机械电流断续器和串联连接的断开设备的装置可用于实现满足上述要求的断路器。在专利申请PCT/SE2015/050756和瑞典专利申请No.1551717-0中已描述了这种类型的装置。在这些文献中，描述了在穿过机械电流断续器的电流中形成人为电流过零点的辅助电路。图1示出这种断路器的概览，其将两个电端子1和2与具有一个或更多个并联支路的机械断流开关10以及串联连接的断开设备4连接。开关10(通常是真空断续器(VI))配备有快速反应致动器5，该快速反应致动器5可在非常短的时间(通常不超过几毫秒)内将断流开关10中的机械触点分离。机械致动器6控制断开设备4的状态。

当用在例如高压直流(HVDC)输电系统中时，致动器5在几毫秒内的高速操作对于这些断路器而言至关重要，因为需要非常快速的故障清除以防止网状HVDC电网系统中的整个网络崩溃。类似地，在限流AC断路器中需要快速致动器动作，以在短路电流达到其自然峰值之前执行电流中断。

断开设备致动器6的操作速度可能比开关致动器5慢。

因此，用于开关10的机械致动器5必须提供连接到开关10中的活动触点的驱动轴的极限力和加速度。在C.Peng/I.Husain/A.Huang/B.Lequesne/R.Briggs的“A FastMechanical Switch for Medium-Voltage Hybrid DC and AC Circuit Breakers”(IEEETransactions on Industry Applications，第52卷，第4期，2016年7/8月)中给出了机械致动器的已知设计的一个示例。图2a和图2b示出真空断续器10，其具有利用互斥Thomson线圈的致动器。至关重要的功能是使机械系统为双稳态的，为此，利用了Belleville类型的特殊弹簧15。

在电枢盘14的任一侧安装分离的Thomson线圈12和13，以推动驱动轴11将真空断续器10中的活动触点10b定位在其稳定的断开位置或闭合位置。各个Thomson线圈具有自己的电能储存和晶闸管16、17。通过触发晶闸管16、17中的一个晶闸管来激励线圈12、13中的一个线圈，以改变真空断续器中的活动触点10b的状态。如果晶闸管16被触发并使充电的电容器通过线圈12放电，则真空断续器将从其闭合状态被驱动到其断开状态。类似地，如果晶闸管17被触发并使充电的电容器通过线圈13放电，则真空断续器将从其断开状态改变为其闭合状态。

对断开和闭合操作二者的严格要求使得难以设计满足所有期望性质的致动器。对电枢盘14施加非常强的力会导致极限加速和减速。同时，需要盘相对于Thomson线圈12和13的位置的小公差，这使得图2中所使用的致动器的机械设计非常复杂且要求高。此外，需要分离的两组电驱动设备12、16和13、17，各组包含能量电容器和电力电子开关。

在B.Roodenburg/B.Evenblij的“Design of a fast drive for(hybrid)circuitbreakers-Development and validation of a multi domain simulation environment”(Mechatronics 18(2008)，第129-171页)(在www.sciencedirect.com上在线获得)中公开了机械致动器的已知设计的另一示例。原理示出于图3a和图3b。所提出的致动器具有单个Thomson线圈12。该致动器具有轴11，用于将真空断续器触点10a和10b分离。通过具有闩锁机构24的制动弹簧18来限制活动触点的行程，当已获得弹簧18的一定压缩时，闩锁机构24将轴锁定。应闭合断流开关10的命令，闩锁机构24被释放以使真空断续器触点10b返回其闭合状态。

在断开断流开关10时，必须对驱动轴11施加非常大的力以在期望的时间内达到真空断续器中的触点之间的足够间隙。Thomson线圈12在非常短的时间(不到一毫秒)内将连接到轴11的电枢盘14加速到其初始速度，并且弹簧18需要非常刚性以对轴11进行减速，使得它可在超过最大允许行程之前停止。这一事实意味着闩锁机构24必须非常快速并且能够应对非常高的弹簧力。如论文[2]中所描述的，高的力需要闩锁机构的高级设计。

在实际类型的断路器的实践应用中，通常要求断路器除了其中断电流的能力之外，还应在断开状态下具有根据标准(BIL级)的耐压能力。可通过串联连接的断开设备4来满足此要求。后者以零或几乎零电流操作，并且提供断路器端子1和2的物理分离。

尽管主要要求是快速中断，但还需要断路器可以执行安全闭合操作。特别是，对闭合成永久短路要求非常高，因为大的机电力会阻止触点的闭合，例如这可能导致触点弹跳，从而可能导致触点熔接。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的问题和缺点，并且提供具有优异断流装置的断路器，其具有简单的机械构造并且可以适当的方式应对闭合成永久故障时的问题。本发明的原理示出于图4a和图4b。

根据本发明，提供一种断路器，该断路器包括：具有固定触点和活动触点的开关；致动器，其包括机械地连接到开关中的活动触点的轴，该轴能够在活动触点从固定触点移动的第一方向上移位并且能够在活动触点朝固定触点移动的第二方向上移位；Thomson线圈，其适于使轴沿第一方向移位；以及断开设备，其与开关串联连接，并且适于在电流消失的间隔期间断开，其特征在于，储能器，该储能器是与轴分离的部件并且适于在轴沿第一方向移动时储存能量，并且适于释放能量以使轴沿第二方向移位，其中，储能器包括质量弹簧装置，该质量弹簧装置包括：主体，该主体具有质量；第一弹簧，其被放置在轴与主体的面向轴的一侧的一个端部之间；以及第二弹簧，其在第一端部处被连接到主体的背离轴的一侧并且在第二端部处被固定，并且其中，主体的移动不受干扰地继续以实现电流消失的时间间隔。

在优选实施方式中，主体以及与该主体连接的部件的质量基本上与活动触点、轴以及与该活动触点和该轴连接的部件的质量相同。

在优选实施方式中，第一弹簧的刚度显著高于第二弹簧的刚度。

在优选实施方式中，第一弹簧和第二弹簧中的至少一者是实心机械弹簧。

在优选实施方式中，第一弹簧和第二弹簧中的至少一者包括气动或液压活塞。

在优选实施方式中，弹簧中的至少一者对主体的返回移动提供阻尼。

在优选实施方式中，储能器包括转动惯量。

附图说明

现在参照附图通过示例的方式描述本发明，附图中：

图1示出具有断流装置和串联连接的断开设备的断路器的概览。

图2a和图2b分别示出在断开和闭合状态下参考文献[1]中描述的现有技术断流装置。

图3a和图3b分别示出在断开和闭合状态下参考文献[2]中描述的现有技术断流装置。

图4a和图4b分别示出在断开和闭合状态下根据本发明的断路器的断流装置的第一实施方式，并且该断流装置包括作为与驱动轴分离的部件的储能器，该储能器包含具有质量弹簧装置的主体。

图5示出根据本发明的断路器的断流装置的第二实施方式，该断流装置包括作为与驱动轴分离的部件的储能器，该储能器包含具有质量弹簧装置的主体，还使用机械闩锁。

图6呈现了根据本发明的断路器的断流装置的操作的时间线图。

图7a和图7b示出根据本发明的断路器的断流装置，其中，储能器利用惯量的旋转移动来实现。

图8示出作为在气缸中压缩空气的气动活塞的弹簧的实施方式。

图9a和图9b示出在储能器中实现弹簧装置的粘性阻尼的不同方法。

图10a和图10b分别示出在断开和闭合状态下作为气缸壁中的泄漏开口来实现具有阻尼的气动弹簧。

具体实施方式

在下文中，将给出根据本发明的包括断流装置的断路器的详细描述。

在整个说明书中，当使用术语“弹簧”时，除非另有说明，否则它将被解释为具有弹簧效果的任何类型的装置。弹簧效果的特征在于，设备生成随其压缩而增加的力。这种设备可以是实心机械弹簧或气动弹簧(如图8所示)。当本文中使用术语“Thomson线圈”时，除非另有说明，否则它应该被解释为包括扁平线圈和电枢盘二者的电磁力生成设备或装置。然而，此表达也涵盖双电枢绕组，其具有对应于扁平线圈的第一绕组和对应于电枢盘的第二绕组。

图4a和图4b中呈现了根据本发明的断流装置。单个Thomson线圈12作用在与驱动轴11连接的金属电枢盘14上，驱动轴11链接到断流开关10中的活动触点10b。被固定到轴11的整个装置(即，轴11、活动触点10b、电枢盘14以及可能地其它设备，类似阻尼器15(图1)等)在这里将被表示为“轴组件”25。轴组件25的总质量为M1。还存在固定触点10a。

轴11还与储能装置22相互作用，储能装置22由具有质量(包括固定连接到主体的其它组件)M2的单独主体19和弹簧装置组成。弹簧装置包括夹紧在轴组件25与主体19之间的第一弹簧18。该连接不是固定的，而是每当将第一弹簧18解压缩时，第一弹簧18自由地与轴11和储能器22的主体19中的至少一个分离并恢复到其未加载长度。第二弹簧20被放置在主体19与固定结构之间。主体的质量M2大约与轴组件的总重量M1匹配。通常，第一弹簧刚度K1远高于第二弹簧刚度K2。

在第一优选实施方式中，断流开关10被布置为在有限的时间间隔期间使穿过断流开关10的电流暂时消失。主体19与弹簧18和20被组装并夹紧于断流开关10，使得每当断流开关10不工作时，始终在活动触点10b上施加闭合力。然后，与轴11连接的电枢盘14靠近扁平Thomson线圈12。将触点10a和10b压在一起的闭合力主要由第二弹簧的刚度K2和储能器22的初始压缩确定。图4a示出开关10处于闭合位置不工作时的状况。

在断开操作时，激励Thomson线圈12的晶闸管16(图2a)被触发，并且沿将断流开关10中的固定触点10a和活动触点10b分离的方向在盘14上施加非常强的斥力(例如，数十kN)。加速力超出重力和摩擦力若干数量级，使得重力的影响忽略不计。力脉冲的持续时间非常短(小于1毫秒)，从而使轴组件25在非常短的时间内即可达到实现足够的触点间隙所需的高初始速度V0，而足够的触点间隙是实现必要耐压能力所要求的。

图6示出与断流开关10的断开操作有关的各种量的时间图。Thomson线圈12在时间t0被激活，并且轴11在时间t1几乎立即得到其初始速度V0。

轴11的高速度使得必须施加非常强的减速力以使其在短距离内停止，以不超过断流开关10中的机械开关的最大机械行程。如图6所示，通过在轴11与储能器22的主体19之间压缩刚性的第一弹簧18来实现期望的减速。来自弹簧18的减速可能已经从t0开始起作用。轴组件25的减速从t0持续到t2。轴组件25在该间隔结束处(在t2处)达到静止。

导致轴组件25减速的第一弹簧18的压缩同时使储能器22中的主体19加速。理想地，假设相等的质量M1＝M2并且仅考虑第一弹簧18，在时间t2处轴组件25静止，同时储能器中的主体19达到轴组件25的初始速度V0。使用这种近似，在由下式给出的时间Tdecr之后达成这种状况

因此，在时间t2，第一弹簧18恢复其未加载长度，轴组件25几乎静止，并且储能器22中的主体19以轴组件的初始速度V0移开。此时，轴11与主体19之间对第一弹簧的夹紧消失，第一弹簧18变得自由地与轴11和主体19中的任何一个分离。现在，主体19和第二弹簧20建立了线性谐振器，并且主体的移动由时间的正弦函数描述。这在图6中作为t2和t4之间的时间间隔示出。振荡频率由主体19的质量M2和第二弹簧20的刚度K2确定，并且可自由地选择。振荡的半周期时间由下式给出

在半周期延迟之后，在图6中的时间t4，主体19到达第一弹簧18再次碰到静止的轴组件25并且被压缩的位置。然后发生逆过程，即储能器中的主体19减速并且轴11加速，导致断流开关10中的活动触点10b在使开关10中的触点10a和10b闭合的方向上行进。此过程示出于图6中时间间隔t4至t5期间。在此时间间隔结束时，触点再次闭合。

因此，在此过程中，快速反应断流开关10首先使触点10a和10b断开，并且在半周期延迟Tdelay之后再次使它们重新闭合。在图6中的该间隔t2至t4期间，穿过断流开关10的电流消失。与断流开关10串联连接的断开设备4(图1)在电流消失的间隔t2至t4期间可断开，从而在开关10中的活动触点10b返回其闭合状态之前获得全部耐压能力。

上述装置和方法自动地提供了所期望的活动触点10b的减速并安全地限制轴组件25的行程。此外，创建了允许断开设备4操作的零电流间隔。

紧接在上文描述的断开过程之后，断路器准备好执行闭合操作，其通过由致动器6操作的断开设备4执行。如果该操作以闭合成短路的方式结束，则断流开关10准备好立即动作。

在本发明的第二优选实施方式中，提供了闩锁机构24以在时间间隔t2至t4中的转折点t3(参见图6)处(即，当第二弹簧20在最大压缩点处或附近时)捕获并锁定储能器22中的主体19。由于第二弹簧20的刚度K2显著低于第一弹簧18的刚度K1，所以第二弹簧20的压缩长度远长于第一弹簧18的压缩。因此，第二弹簧20中的力远弱于第一弹簧18中的力，并且更容易布置简单的闩锁机构。在这种情况下，可通过对闩锁机构的命令以任何延迟执行闭合操作。作用在主体19上的较小力使得可避免类似参考文献[2]中描述的闩锁机构的复杂设计。

在本发明的第三实施方式中，如图7所示，作为惯量的旋转运动布置动能储存器22。在这种情况下适用与先前实施方式中类似的考虑。

在第四实施方式中，如图8中，提供气缸中的气动活塞以充当储能器22中的第二弹簧20。当通过活塞压缩气缸中的气体时，获得弹簧力。

可能期望利用比Thomson线圈在断开时提供的力低的闭合速度，以避免损坏开关10中的触点10a和10b。通过在第一弹簧18或第二弹簧20中的任何一个中施加机械粘性阻尼，或者通过应用与弹簧并联的单独的粘性阻尼设备，可减小在闭合动作中施加到轴组件11的力。图9示出用于减小当开关10中的触点闭合时的力的阻尼设备的可能应用。

当使用气动弹簧时，可通过提供小孔以使得发生一些泄漏来实现阻尼。如图10所示，泄漏导致能量损失，这充当了阻尼装置。

可按照许多方式设计本发明的不同实现。例如，可使用任何单独的双稳态机构(类似图2中的Belleville盘)来在开关10不工作时提供闭合力。然后，当开关10不工作时，轴组件25与储能器22之间可能存在小距离，从而在发起断开操作时给予轴组件11更高的初始加速度。

触点装置被描述为包括第一固定触点和第二活动触点。将理解，在不影响致动器的基本功能的情况下，第一触点也可以是活动的。

Claims (7)

1.一种断路器，所述断路器包括：

具有固定触点(10a)和活动触点(10b)的开关(10)，以及

致动器，所述致动器包括：

机械地连接到所述开关(10)中的所述活动触点(10b)的轴(11)，所述轴能够在所述活动触点(10b)从所述固定触点(10a)移动的第一方向上移位，并且能够在所述活动触点(10b)朝所述固定触点(10a)移动的第二方向上移位，

Thomson线圈(12，14)，所述Thomson线圈适于使所述轴(11)在所述第一方向上移位，以及

断开设备(4)，所述断开设备与所述开关串联连接并且适于在电流消失的间隔期间断开，

其特征在于

储能器(22)，所述储能器(22)是与所述轴分离的部件，适于在所述轴(11)在所述第一方向上移动时储存能量并且适于释放能量以使所述轴(11)在所述第二方向上移位，其中，所述储能器(22)包括质量弹簧装置(18，19，20)，所述质量弹簧装置(18，19，20)具有：主体(19)，所述主体(19)具有质量；放置在所述轴(11)与所述主体(19)面向所述轴(11)的一侧的一个端部之间的第一弹簧(18)；以及在第一端部处连接到所述主体的背离所述轴(11)的一侧并且在第二端部处固定的第二弹簧(20)，并且

其中，所述主体(19)的移动不受干扰地继续以实现电流消失的时间间隔。

2.根据权利要求1所述的断路器，其中，所述主体(19)以及与所述主体(19)连接的部件的质量基本上与所述活动触点(10b)、所述轴(11)以及与所述活动触点(10b)和所述轴(11)连接的部件的质量相同。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的断路器，其中，所述第一弹簧(18)的刚度显著高于所述第二弹簧(20)的刚度。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的断路器，其中，所述第一弹簧和所述第二弹簧中的至少一者是实心机械弹簧(18，20)。

5.根据权利要求1至3所述的断路器，其中，所述第一弹簧和所述第二弹簧中的至少一者包括气动或液压活塞(24，25，26)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的断路器，其中，所述弹簧中的所述至少一者对所述主体(19)的返回移动提供阻尼。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的断路器，其中，所述储能器包括转动惯量(18，20，23)。

Images