CN111602220B - 电气开关装置 - Google Patents

Abstract

根据本发明的电气开关装置(1)包括：导电外壳(2)；第一绝缘管(4a)，其位于导电外壳(2)内部；开关(8)，位于第一绝缘管(4a)内部；第二绝缘管(4b)，其位于导电外壳(2)内部，每个第二绝缘管(4b)在与第一绝缘管(4a)的方向不同的方向上延伸，每个第二绝缘管(4b)的内部在其两个端部中的一个端部处与第一绝缘管(4a)的内部连通，第一绝缘管(4a)和第二绝缘管(4b)沿相同的平面延伸，诸如电导体(15、16)、接地开关(17)、电涌放电器和传感器(18)的电气部件(15‑18)位于第二绝缘管(4b)内部并且电连接到开关(8)。

Description

电气开关装置

技术领域

本发明涉及一种电气开关装置，特别是开关机构，适用于铁路应用并且通常更适用于高压或中压电路。

背景技术

开关机构是一种电气设备，包括诸如断路器、切断器、接地开关、电涌放电器、保险丝和各种相关设备(电压传感器、电流传感器等)的开关和保护部件。例如，在EP 2048682和EP 1245066中公开了开关机构。

通常，开关机构至少包括断路器、切断器和接地开关。其功能是转换、控制并保护其所在的电路。

在铁路领域，开关机构在铁路变电站和火车车顶上很常见。安装在火车车顶上的开关机构暴露于恶劣的工作和环境条件，这可能会影响它们的操作。此外，出于最大化火车内部空间以及需要在接触线下方留出间隙的需要，在火车车顶上有一个非常小的垂直空间用于开关机构。

发明内容

本发明旨在提供一种电气开关装置，特别是一种开关机构，该装置紧凑、坚固、对环境条件不太敏感，并且确保装置内可靠的电绝缘。

为此，根据第一方面，本发明的电气开关装置包括：

-导电外壳，

-第一绝缘管，其位于导电外壳内部，

-至少一个开关，其位于第一绝缘管内部，

-至少一个第二绝缘管，其位于导电外壳内部，该第二绝缘管或每个第二绝缘管在与第一绝缘管的方向不同的方向上延伸，该第二绝缘管或每个第二绝缘管的内部在其两个端部中的一个端部处与第一绝缘管的内部连通，第一绝缘管和至少一个第二绝缘管沿相同的平面延伸，并且优选地其各自的轴线在相同平面内。

其中第二绝缘管或第二绝缘管中的至少一个容纳电气部件，该电气部件电连接到至少一个开关，所述电气部件是接地开关、电涌放电器或传感器。

根据第二方面，本发明的电气开关装置包括：

-导电外壳，

-第一绝缘管，其位于导电外壳内部，

-至少一个开关，其位于第一绝缘管内部，

-若干第二绝缘管，其位于导电外壳内部，每个第二绝缘管在与第一绝缘管的方向不同的方向上延伸，每个第二绝缘管的内部在其两个端部中的一个端部处与第一绝缘管的内部连通，第一绝缘管和第二绝缘管沿相同的平面延伸，并且优选地其各自的轴线在相同平面内，以及

-若干电气部件，其分别位于第二绝缘管内部，并且电连接到至少一个开关，所述电气部件或电气部件中的至少两个分别具有不同的功能。

附图说明

通过阅读以下参照附图的详细描述，本发明的其它特征和优点将显而易见，其中：

-图1是根据本发明的电气开关装置的外部的俯视透视图；

-图2是电气开关装置的俯视透视图，其中已移除顶壁以示出装置的内部；

-图3是电气开关装置沿其纵轴的剖视图；

-图4a和图4b是电气开关装置的绝缘结构的两个不同实施例的俯视图；

-图5是电气开关装置沿垂直于纵轴的方向的截面图；

-图6a至图6d示出绝缘结构的不同构造；

-图7是沿电气开关装置的平面截取的截面图；

-图8是电气开关装置沿其纵轴的变型的截面图；并且

-图9是示出绝缘结构的变型的透视图。

具体实施方式

图1至图3中示出根据本发明的用于高压或中压的电气开关装置1。电气开关装置1包括由电气导电材料制成的外壳2，其典型地由金属材料(金属或合金)制成。在使用中，导电外壳2接地，因此其外表面没有电场。导电外壳2具有长方体的一般形状，并且具有共同限定密封的内部空间3的顶壁2a、底壁2b和侧壁2c、2d、2e、2f。在所述密封的内部空间3中安装有电绝缘结构4，包括主管4a和辅助管4b。主管4a和辅助管4b是刚性的。主管4a在导电外壳2的纵向方向上从侧壁2c延伸到相对的侧壁2d。每个辅助管4b垂直于导电外壳2的纵向方向从侧壁2e、2f中的一个延伸到主管4a。每个辅助管4b的内部在该辅助管4b连接到主管4a的端部处与主管4a的内部连通。为此，主管4a的圆柱壁具有孔40a(在图7中可见)。主管4a在其两个端部具有凸缘5，凸缘5以诸如旋拧或夹持的方式固定在侧壁2c、2d上。每个辅助管4b在其远离主管4a的端部上具有凸缘6，凸缘6以诸如旋拧或夹持的方式固定在相应的侧壁2e或侧壁2f上。因此，绝缘结构4在距顶壁2a和底壁2b的非零距离处由导电外壳2支撑。

四个侧壁2c、2d、2e、2f中的每个都是中空的，例如，如图3所示，其截面为U形并且由顶壁2a封闭，从而共同限定了密封的外围隔室2g，外围隔室2g围绕密封的内部空间3并且与密封的内部空间3分隔。密封的外围隔室2g容纳电气开关装置1的低压电子器件(致动器、电子器件控制、辅助触点等)。密封的内部空间3容纳中压部件或高压部件。

管4a、管4b由诸如玻璃纤维复合材料的轻质但机械强度高的绝缘材料制成。凸缘5、6典型地是金属的并且被粘合或以另一方式固定在绝缘材料上。

优选地，辅助管4b通过将类似硅树脂或聚氨酯的柔性聚合物7包覆成型而柔性接合到主管4a。柔性聚合物7可以如图4a所示仅在管4a、管4b接合的区域中包覆成型，或可选地如图4b所示在管4a、管4b的整个外表面上(不包括凸缘5、凸缘6)包覆成型。后一种选择是优选的，因为它增加了绝缘强度并且避免产生可能构成介电薄弱点的三重联结空气(气体)-绝缘材料-包覆成型的聚合物。主管4a和辅助管4b之间的柔性连接的柔度或刚度可以以使绝缘结构4更耐受冲击和振动的方式选择。

然而，在变型中，包覆成型的聚合物7可以是像环氧树脂那样将辅助管4b刚性接合到主管4a的刚性聚合物。当然，可以使用类似粘合的将辅助管4b刚性接合到主管4a的替代方案。在另一变型中，由单个工件制成具有主管4a及辅助管4b的绝缘结构4。

典型地，如图5中可见，当使用包覆成型以将辅助管4b接合到主管4a时，聚合物7在辅助管4b在联结区域中的外表面和内表面上成型，并且填充辅助管4b和主管4a之间的空隙。

导电外壳2也是轻质的。其材料可以根据绝缘结构4来选择。对于在管4a、管4b之间具有柔性联结的绝缘结构4，导电外壳2应确保装置1的机械刚性，以作为整个装置的机械支撑。因此，导电外壳2的每个壁2a、2b、2c、2d、2e、2f或其中一些壁可以由夹层结构组成，该夹层结构包括在两个片材之间的蜂窝金属或非金属板，其中至少一个片材是金属或电气导电的。这种夹层结构特别适用于顶壁2a和底壁2b。除了蜂窝以外，可以使用金属波纹结构、金属泡沫或金属多孔材料。对于在管4a、管4b之间具有刚性联结的绝缘结构4，导电外壳2可以更具柔性。导电外壳2的每个壁2a、2b、2c、2d、2e、2f可以由金属片或涂覆有金属层的非金属片组成。在上述每种情况下，导电外壳2的金属材料可以是铝，并且壁2a、2b、2c、2d、2e、2f可以例如通过粘合来组装。

如图6a至图6d所示，辅助管4b的数量和位置可以根据用户的需要而变化。图6a至图6d仅以示例的方式示出了四种不同的构造。

参照图3和图7，主管4a典型地容纳电气开关装置1的主开关部件，即，诸如真空断路器的断路器8以及链接到致动器机构10的用于断路器8的断开和闭合操作的机械控制轴9。众所周知，断路器是即使在短路条件下也可以在负载下产生或断开电流的开关。在示出的示例中，致动器机构10被设置在密封的外围隔室2g中，并且经由设置在导电外壳2的相应侧壁2c处、类似隔膜或波纹管的密封弹性(聚合或金属)接口11连接到位于密封的内部空间3中的机械控制轴9。可选地，致动器机构10可以被布置在导电外壳2的壁2c处的密封的内部空间3中。

在图8示出的变型中，主管4a包括与断路器8串联的另一开关14和相关的机械控制轴14a。例如，另一开关14可以是以下开关中的一种：

-切断器，即，仅在空载条件下才可以闭合和断开的开关；

-开关切断器，即，具有有限负载开关能力的开关，其在正常负载条件下可以但在短路条件下不可以产生以及断开电流；

-负载断路开关，其可以在正常负载条件下产生以及断开电流，可以产生短路电流但不能断开短路电流；

-接地开关；

-保险丝。

在其它变型(未示出)中，主管4a容纳切断器或另一类型的开关，但不容纳断路器。除了开关以外，主管4a可以包括诸如电涌放电器、电压传感器或任何其它开关机构部件的其它部件。

每个辅助管4b可以容纳一个或多个电气部件，该电气部件通过主管4a的孔40a中相应的一个孔电连接到位于主管4a中的(多个)开关的一个极。例如，可以安装在辅助管4b中的部件是接地开关、电涌放电器、电流传感器和电压传感器。一个或多个辅助管4b也可以是空的，或者可以容纳装满用于吸收水分和氧气的分子筛颗粒的盒子。辅助管4b可以容纳的其它电气部件是诸如用于断路器8的输入/输出电缆的电气导体或电缆。图7示出以下构造的示例：其中断路器8被安装在主管4a中，以密封的方式穿过导电外壳2的侧壁2f的输入电缆15穿过待电连接到断路器8的输入极8a的第一辅助管4b₁，以密封的方式穿过侧壁2f的输出电缆16穿过待电连接到断路器8的输出极8b的第一辅助管4b₂，接地开关17位于第三辅助管4b₃中并且电连接到断路器8的输入极8a，并且电压传感器18位于第四辅助管4b₄中并且电连接到至断路器8的输出极8b。优选地，位于辅助管4b₁、4b₂内部的电缆15、16的部分15a、16a具有刚性或半刚性的护层，以便将其插入到管4b₁、4b₂中并连接到极8a、8b。

如图7中可见，在绝缘结构4内部的主管4a和辅助管4b接合的区域41对应于断路器8的电极8a、8b，并且更一般地是安装在主管4a上的开关的极。现在回到图6a至图6d示出的不同构造，在图6a中设置了两个电极，典型地，断路器或切断器的输入极和输出极，并且辅助管4b内部的部件分别电连接到这些极中的一个。在图6b中，有两个电极，辅助管4b'内部的部件电连接到这些极中的一个，并且辅助管4b"内部的部件电连接到其它极。在图6c中，有例如由串联的断路器和切断器限定的三个电极，辅助管4b'内部的部件电连接到这些极的第一极，辅助管4b"内部的部件电连接到这些极的第二极，并且辅助管4b”'内部的部件电连接到这些极的第三极。最后，在图6d中设置了两个电极，辅助管4b'内部的部件电连接到这些极中的一个，并且辅助管4b"内部的部件电连接到另一极。

为了电连接和机械连接到主管4a内的一个或多个开关，如图7所示，辅助管4b内部的电气部件具有相同的插头21，可以将其插入相应的相同的插座22b中。因此，为安装、拆卸和更换辅助管4b中的部件提供了很大的灵活性。这种模块性使终端用户可以选择待安装在每个管中所需的功能或部件。插头21可以是所表示的简单(圆柱形)插头，或者可以是诸如多触点或郁金香形插头的另一类型。同样地，插座22b可以是所表示的简单(圆柱形)孔，或者可以是诸如多触点或郁金香形孔的另一类型。

位于主管4a中的一个或多个开关和任何其它电气部件固定到主管4a。更准确地，对于该开关或每个开关，金属安装构件22(参见图3、图5、图7和图8)固定到开关的每个端部，并且与开关的相应极电接触。安装构件22具有适合主管4a的内部圆柱表面的横向弯曲表面22a(参见图5)。安装构件22由螺钉23保持，螺钉23穿过主管14a的壁中的相应孔并且旋拧入安装构件22中。螺钉23的头部处于适配主管4a的外表面的金属耳24中，以使主管4a的壁被夹在耳24和安装构件22之间。这种固定系统是可靠的，并且能使主管4a中的部件易于安装和拆卸。安装构件22中设置的与主管4a(参见图7)的孔40a相对的孔22b形成上述插座，通过该插座，辅助管4b内部的电气部件可以连接到主管4a中的一个或多个开关。安装构件22中的中心孔22c(参见图3、图5、图7和图8)允许机械控制轴9、14a通过。

如上所述，辅助管4b内部的电气部件通过插入相应插座22b中的插头21而将它们端部中的一个端部保持在主管4a内部的一个或多个开关上。在它们的其它端部，辅助管4b内部的电气部件例如通过旋拧固定在导电外壳2上。

将理解的是，根据本发明的电气开关装置1在其平面中以及垂直于其平面处都提供了混合的空气-固体-空气绝缘。即便电气开关装置1的大小较小，每个电气部件与容纳它的管4a、管4b之间的空气、形成管4a、管4b的绝缘材料以及管4a、管4b与导电外壳2之间的空气确保可靠的电气绝缘。此外，与固体绝缘的开关机构中的部件不同，管4a、管4b中的电气部件是可移除和可互换的。除了空气以外，也可以使用另一绝缘气体或绝缘液体。

一起形成密封的内部空间3的管4a、管4b内部的空间3'和管4a、管4b外部的空间3"可以连通或者可以气密分隔并填充相同或不同的流体。优选地，为了提高电气开关装置1的介电性能，并且还为了避免水分生成和凝结在管4a、管4b的内表面上，绝缘结构4被气密密封并填充干燥空气或另一绝缘气体。绝缘结构4和导电外壳2之间的空间3"可以采取相同的方法。实际上，湿气的存在加上高电场通常会导致硝酸的产生。后者侵蚀内部的金属零件，从而沿绝缘部分产生导电通道并引起飞弧。另外，为了避免生成臭氧(对某些绝缘材料有害)，可以至少在绝缘结构4的内部使用氮气代替干燥空气。空间3"还可以容纳充满用于吸收水分和氧气的分子筛颗粒的盒子。湿度传感器可以设置在空间3'和/或空间3"中以监测湿度。绝缘结构4内部的空间3'中的压力和绝缘结构4与导电外壳2之间的空间3"中的压力可以被控制并且在1至3巴(bar)之间变化以提高介电强度。

使用管4a、管4b的一个优点是它们确保了在垂直于它们的任何方向上的绝缘。另一优点是管的固有机械强度。特别地，除了其绝缘功能外，主管4a为放置在其中的电气部件、辅助管4b以及放置在辅助管4b中的电气部件提供了强大的机械支撑。

此外，可以表明，在绝缘结构4内部的有源极与导电外壳2之间的空间3'和3"之间存在最佳绝缘距离，该距离将电场减小到最小。

本发明的电气开关装置1得益于导电外壳2，即使在极端的操作和环境条件下也可以确保可靠的开关。

根据本发明的一种特别的应用，电气开关装置1被用作铁路车辆的中压开关机构，并且典型地被安装在火车的车顶上。在这方面，电气开关装置1的较低高度是很大的优点。然而，在高度不受限制的可替代应用中，例如在铁路变电站或二次配电变电站中，如图9所示的电气开关装置1还可以包括沿高度方向延伸的辅助管4c。

根据本发明的电气开关装置1的可替代结构可以包括平行于主管4a的一个或多个的附加绝缘管。

此外，对于技术人员将显而易见的是，辅助管4b不必垂直于主管4a，而是可以各自沿相对于主管4a的方向倾斜的方向延伸，并且辅助管4b的各自的方向可以相同或不同。可以对辅助管4c采取相同的方法，该辅助管4c可以在关于主管4a和辅助管4b限定的平面倾斜的一个或多个方向上延伸。

如以上描述所反映的，根据本发明的电气开关装置有利地包括：

-导电外壳，

-第一绝缘管，其位于导电外壳内部，

-至少一个开关，其位于第一绝缘管内部，

-至少一个第二绝缘管，其位于导电外壳内部，该第二绝缘管或每个第二绝缘管在与该第一绝缘管的方向不同的方向上延伸，该第二绝缘管或每个第二绝缘管的内部在其两个端部中的一个端部处与第一绝缘管的内部连通，该第一绝缘管和至少一个第二绝缘管在相同的平面内，以及

-至少一个电气部件，其位于至少一个第二绝缘管的内部并且电连接到至少一个开关。

至少一个电气部件典型地包括以下中的至少一个：电导体、接地开关、电涌放电器、传感器。

Claims (20)

1.电气开关装置(1)，包括：

导电外壳(2)，

第一绝缘管(4a)，其位于所述导电外壳(2)内部，

至少一个开关(8、14)，其位于所述第一绝缘管(4a)内部，

一些第二绝缘管(4b)，其位于所述导电外壳(2)内部，每个第二绝缘管(4b)在与所述第一绝缘管(4a)的方向不同的方向上延伸，每个第二绝缘管(4b)的内部在其两个端部中的一个端部处与所述第一绝缘管(4a)的内部连通，所述第一绝缘管(4a)和所述第二绝缘管(4b)沿着相同的平面延伸，和

一些电气部件(15-18)，分别位于所述第二绝缘管(4b)内并且电连接到所述至少一个开关(8、14)，所述电气部件(15-18)或者所述电气部件(15-18)中的至少两个分别具有不同的功能，

其特征在于，为了所述电气部件(15-18)与所述至少一个开关(8，14)的电连接和机械连接，所述电气部件(15-18)具有插入相应的相同的插座(22b)中的相同的插头(21)，以允许所述第二绝缘管(4b)中的所述电气部件(15-18)是可拆卸和可互换的。

2.根据权利要求1所述的电气开关装置，其中所述至少一个开关包括以下中的至少一个：断路器(8)、切断器(14)、开关切断器、负载断路开关、接地开关(17)、保险丝。

3.根据权利要求1或2所述的电气开关装置，其中所述第二绝缘管(4b)是完全相同的。

4.根据权利要求1或2所述的电气开关装置，其中所述至少一个开关(8、14)位于距所述第一绝缘管(4a)的圆柱壁非零距离处并且通过流体与所述第一绝缘管(4a)的圆柱壁分隔开，并且/或者每个电气部件(15-18)位于距相应的第二绝缘管(4b)的圆柱壁的非零距离处并且通过流体与相应的第二绝缘管(4b)的圆柱壁分隔开。

5.根据权利要求1或2所述的电气开关装置，其中流体至少在垂直于所述平面的方向上将所述第一绝缘管(4a)和所述第二绝缘管(4b)与所述导电外壳(2)分隔开。

6.根据权利要求1或2所述的电气开关装置，其中所述导电外壳(2)包括平行于所述平面的顶壁(2a)和底壁(2b)，并且其中所述第一绝缘管(4a)和所述第二绝缘管(4b)位于距所述顶壁和所述底壁(2a，2b)中的每一个的非零距离处。

7.根据权利要求1或2所述的电气开关装置，其中所述第二绝缘管(4b)刚性接合到所述第一绝缘管(4a)。

8.根据权利要求1或2所述的电气开关装置，其中所述第二绝缘管(4b)柔性接合到所述第一绝缘管(4a)。

9.根据权利要求1所述的电气开关装置，其中所述第二绝缘管(4b)通过包覆成型材料(7)接合到所述第一绝缘管(4a)。

10.根据权利要求9所述的电气开关装置，其中所述包覆成型材料(7)包覆成型在所述第一绝缘管(4a)和所述第二绝缘管(4b)的整个外表面上。

11.根据权利要求9或10所述的电气开关装置，其中所述包覆成型材料(7)是聚合物。

12.根据权利要求1或2所述的电气开关装置，其中所述导电外壳(2)至少部分是金属。

13.根据权利要求1或2所述的电气开关装置，其中所述导电外壳(2)的至少一个壁(2a-2f)包括蜂窝状结构、金属波纹结构、金属泡沫或金属多孔材料。

14.根据权利要求1或2所述的电气开关装置，其中所述第一绝缘管(4a)和所述第二绝缘管(4b)由玻璃纤维复合材料制成。

15.根据权利要求1或2所述的电气开关装置，其中所述至少一个开关(8)通过至少一个安装构件(22)固定到所述第一绝缘管(4a)的壁，所述安装构件(22)具有适配所述第一绝缘管(4a)的内表面的至少一个弯曲表面(22a)。

16.根据权利要求1或2所述的电气开关装置，其中每个第二绝缘管(4b)垂直于所述第一绝缘管(4a)延伸。

17.根据权利要求1所述的电气开关装置，其中所述电气部件(15-18)中的第一个是电导体(15；16)、接地开关(17)、电涌放电器和传感器(18)之中的一个，并且所述电气部件(15-18)中的第二个是电导体(15；16)、接地开关(17)、电涌放电器和传感器(18)之中的另一个。

18.根据权利要求1或2所述的电气开关装置，进一步包括位于所述导电外壳内部的至少一个第三绝缘管(4c)，所述第三绝缘管(4c)或每个第三绝缘管(4c)在与所述平面相交的方向上延伸，所述第三绝缘管(4c)的内部或每个第三绝缘管(4c)的内部在其两个端部中的一个端部处与所述第一绝缘管(4a)的内部连通。

19.根据权利要求1或2所述的电气开关装置，进一步包括分子筛颗粒，所述分子筛颗粒在所述绝缘管(4a、4b、4c)的至少一个的内部和/或在所述绝缘管(4a、4b、4c)与所述导电外壳(2)之间的空间(3")中。

20.根据权利要求1或2所述的电气开关装置，进一步包括湿度传感器，所述湿度传感器在所述绝缘管(4a、4b、4c)的至少一个的内部和/或在所述绝缘管(4a、4b、4c)与所述导电外壳(2)之间的空间(3")中。