CN112053901A - 用于真空断续器的动力促动器 - Google Patents

Abstract

一种用于电路断续器的促动器具有固定的磁性凸台、可移动的磁性电枢和驱动杆。驱动杆在电路断续器的轴线上对准。驱动杆具有两个稳定位置，电路断续器闭合和电路断续器断开。驱动杆具有电枢接触以将驱动杆从电路断续器闭合位置移动到电路断续器断开位置的表面。在电路断续器闭合位置中，电枢和该表面以预行程距离分离。电枢朝固定的磁性凸台移动且接触该表面，以启动驱动杆的电路断续器断开运动，其中动量传递到驱动杆。

Description

用于真空断续器的动力促动器

相关申请的交叉引用

该申请要求享有来自标题为“Kinetic Actuator for Vacuum Interrupter(用于真空断续器的动力促动器)”且于2019年6月7日提交的编号为62/858,904的美国临时申请的优先权权益，该临时申请由此通过引用并入。

技术领域

本公开内容的技术领域涉及具有线性促动器的高压开关。

背景技术

向电功率传输线路中注入电抗提供实现整体系统容量上和系统稳定性上显著改进的机会。然而，存在一些情况，那时完全且彻底地消除电抗注入变得适当。这些情况典型地与一种类型或另一种的故障相符。接地、短路或开路都是如果不纠正或隔离可毁坏系统的类型的故障。注入电抗可混淆此类故障的定位。故障可更局部化(localize)，比如电抗注入设备的功率或功能丧失。由于电抗注入系统大体上与通过线路的能量流相连操作，消除它们影响的最可靠方式是提供开关，该开关将在系统发现故障时手动或自动绕过电抗注入模块。

允许经济且有效地构造旁路开关的一种构件是真空断续器。这是由许多公司(包括ABB、Eaton、GE、Siemens等)制造的构件。代表性的成对简化截面出现在图1中。该图中示出的真空断续器构件有时称为“瓶(bottle)”，如此称呼是由于其气密密封的陶瓷封壳110。在真空断续器的顶部处，存在固定的连接器120，其提供与两个触头130(示为在闭合位置中)和132(示为在断开位置中)上部的电接触。两个触头的下部经由可移动连接器160(闭合)、162(断开)接入。触头在它们的断开位置132中的分离称为开关的行程，且显而易见的是，分离越大，开关可承受的电压越大。为了断开开关，必须将可移动连接器162向下拉动达触头断开的距离。这压缩金属波纹管(bellow)150或152，该金属波纹管形成整体真空密封的部分。(护罩140防止从触头溅射的金属到达真空断续器的陶瓷壁110并损坏断续器两端之间的电绝缘。)促动器的作用是通过沿着真空断续器的轴线提供受控的线性位移来使可移动连接器在其闭合位置160与断开位置162之间移动。

虽然真空对于高功率电开关是接近理想的环境，存在残余风险。在开关闭合瞬间的瞬时电压和触头表面粗糙度的一些状况下，可在固定触头与可移动触头(图1中的130)之间形成极小的焊接点。这些使断开开关触头所需要的能量增加到超过其值的正常范围。

在开关内，触头130的尺寸和表面确定开关的电流处理特性。开关或旁路开关性能的所有其它方面由促动器确定，包括限定操作电压的行程、断续器的静止状况(其典型为常开、常闭中的一种)或它最近的状态。

为在电源线电抗注入器的背景下使用旁路开关，必须满足该应用的要求。断续器的规定作用是通过使开关断开来触发注入器且在开关闭合时绕过注入器。因此，无源状态为“开关闭合”，即，该应用需要常闭开关。此外，在电源故障的情况下，促动器应在无任何信号或功率的情况下自动将断续器置于无源“开关闭合”状态下。最后，关于电抗注入器的典型操作状况需要开关断开，且在该状态下，促动器必须以低功率水平操作来最大限度地减小加热。因此，在本领域中需要一种克服上文描述的缺点的解决方案。

附图说明

被认为是本发明的主题在说明书结论处的权利要求书中特别地指出且明确地要求享有权益。本发明的前述及其它目标、特征和优点将从连同附图进行的以下详细描述中清楚。

图1是真空断续器构件的简化截面。

图2是包括促动器的整个旁路开关的元件的框图。

图3是所描述的促动器在其开关闭合状况下的示意性截面。

图4是所描述的促动器在其开关断开状况下的示意性截面。

图5是促动器在其开关断开状况下的示意性截面，示出磁性保持电路。

图6是促动器在其开关闭合状况下的示意性截面，示出与电枢的预行程相关联的距离。

图7是以直线或磁性片构造实现的促动器的示意性截面。

图8是基于微型开关的位置监测方法的示意性截面。

将了解的是，示意图示出本发明的原理，而未示出所有结构元件、连接器或保护元件。

具体实施方式

在该公开内容中描述的触发器使旁路开关能够满足这些操作要求，且为从触头闭合到触头断开的过渡增加可靠性水平。

如图2中示出的，对于旁路开关，存在若干区段。带有密封于真空中的触头的真空断续器225被容纳、保护和绝缘在标记为220的区域中。在那上方是真空断续器225的顶部固定触头与待切换线路之间的触头210。区域230提供真空断续器225的可移动端与待切换线路之间的接触。区域240提供区域230中的高压触头与旁路开关的其余部分之间的隔离。该隔离可允许不同气氛或不同电压的分离。

本公开内容的焦点是区域250，触发器。它的作用是根据施加或未施加到触发器的电信号以受控方式使驱动杆55向上或向下移动。该运动施加到真空断续器225的可移动端，使开关触头(图1中的130或132)在期望位置中断开、闭合或保持。驱动杆55示为单个均匀结构，以便阐明它在区域250中从触发器向上或向下传递运动中的作用。实际上，驱动杆55将由包括不同材料和不同截面的不同件组成，以便满足对于沿着其长度可调节和隔离的需要，且驱动杆55可包括机械缓冲。它保持沿着真空断续器225的轴线对准。

图2中的最后区域是区域260中的监测器。在一些实施例中，该区域260是可选的，但可期望对可延伸到监测区域260中的驱动杆55的位置进行电学检验。在该区域260内，一个人可采用像在驱动杆上由凸轮操作微型开关一样简单的监测，或监测可像激光干涉仪测量驱动杆的位置一样复杂。

触发器的要素(essence)在图3和图4中示出；两者是触发器结构的局部和示意性截面。图3描绘在闭合或启动位置中的触发器。在该情况下，驱动杆55在它最向上的位置中，且触头在真空封壳中，真空断续器被迫合在一起，故它们可在图2中提到的两个线路之间传送电流。驱动杆55的横向运动由导轨15上运载的引导板10所约束。非磁性金属结构支承部件17、18和19(其可为支承板)为支配触发器的磁性结构提供机械支承。

第一磁性(即，能够磁化)的结构是电枢，这里以两个电枢件20和25示出。虽然图3以截面示出它们，如沿着驱动杆55的轴线所观察到的，它们是圆形电枢件20或圆柱形电枢件25。电枢20、25也可由单件铁磁材料组成，消除电枢件20与电枢件25之间的接缝。形成电枢20、25的铁磁材料应为金属，比如坡莫合金、软碳钢或电工钢，其具有低水平(小于160A/m)的矫顽力，以确保磁路的响应性。

图3中的磁路的其它元件是磁性壳30和磁性凸台35。这些元件还优选地由低矫顽力的铁磁金属形成。坡莫合金、软碳钢和电工钢都是带有小于160A/m矫顽力的材料。单个圆柱形永磁体45或较小磁体环45定位在磁性壳30与磁性凸台35之间。永磁体45的磁性必须定向成使得力的磁力线垂直于驱动杆55径向指向。预期图5，这些永磁体45的磁化将定向成使得外表面都为北极(作为特定示例)。关于在外表面上具有北极或南极，各种实施例是不可知的。

磁性构造中的其它关键元件是螺线管40。这一线圈用来断开断续器，且用来将它保持在断开位置中。在每种情况下，螺线管40受驱动，故它的感应磁场在与由永磁体45(例如，永磁体环)感应的场相同的方向上。永磁体45和螺线管40的场是相加的。螺线管40通常具有若干构件，其中最重要的是线绕组，但存在连接件、筒管和绝缘件。这些是常用的且是所描述的触发器操作所伴随的(incidental)。

驱动杆55可相对于结构支承部件17、18和19轴向移动，且可相对于磁性壳30(例如，壳体)、磁性凸台35和螺线管40移动。在触发器处于闭合状况的情况下，在驱动杆55处于它向上位置中的情况下，真空断续器上的力由主弹簧60建立，该主弹簧60承载于驱动杆55的套环56上。存在第二弹簧70，该第二弹簧70将电枢20、25保持在它向上的复位位置中。电枢的上部(电枢件20)能够自由沿着驱动杆55移动，但它的运动在一极端处通过接触套环56来限制且在另一极端处它由止挡部58限制，该止挡部58附接到驱动杆55或与驱动杆55成整体。

当没有功率施加到触发器时，图3中示出的状况适合。驱动杆55在它最高位置中，将真空断续器中的触头130一起保持在如图1中示出的闭合位置中，接通两个外部线路触头之间的电路。为了断开开关，在增强由永磁体45(例如永磁体环)施加的磁场的意义上，必须向螺线管40施加DC功率。对于360匝的螺线管40，30至40安培的电流提供足够的吸引力以克服首先电枢复位弹簧70且然后是随后主弹簧60的向上压力，将电枢20、25向下拉动，最后达到图4中示出的状况。由螺线管40克服的示例性力是来自电枢复位弹簧70的约150N加上来自主弹簧60的约3000N。

图4示出在将真空断续器中的触头132保持断开(如图1中示出的断开)的状况下的触发器。图4中，每个构件的编号与图3中的编号相同。在该断开位置中，铁磁电枢的上部(电枢件20)与磁性壳30接触，且电枢的内部(电枢件25)与磁性凸台35接触。在该位置中，电枢件20承载于驱动杆55的套环56上，保持它向下。这对应于分离(断开电路)的图1中的触头132。在该位置中，电枢复位弹簧70和主弹簧60都对电枢20、25施加向上的力。

在图5中再次示出的断开状况下，电枢的上部(即，电枢件20)、磁性壳30、永磁体45、磁性凸台35和电枢的内部(即，电枢件25)形成磁路27，该磁路27具有非常低的磁阻，因为电枢20、25、磁性壳30和磁性凸台35的材料都选择为具有高磁导率。为了该目的，高磁导率将是自由空间磁导率的100或更多倍。该闭合磁路确保永磁体45和螺线管40的磁通势导致高的通量密度值，在磁性壳30与上电枢件20的面之间以及在磁性凸台35与内电枢件25之间产生强吸引力。

存在两种极端方法来保持图5中示出的开关断开状况。首先将是使穿过螺线管的电流在足以承受由主弹簧60和电枢复位弹簧70施加的总向上力的水平下。另一极端将是使永磁体45设计为具有足以保持电枢20、25与磁性壳30和磁性凸台35接触的磁通势。该选项是不可接受的，因为操作要求包括在没有施加功率的情况下使促动器处于其闭合状况。

以下段落中包含的数值示例对于15KV、2000安培的真空开关(其中峰值瞬态电流额定值为65000安培)是说明性的。越高的额定值大体上将需要越大的力、越强的磁性和越大的操作电流。

该促动器使用仅强到足以提供由弹簧60和70施加的总力(例如，3400N)的45%至55%的永磁体45。除了永磁体45的力之外，将触发器保持在断开位置中需要通过螺线管40的1安培与3安培之间的电流的磁通势。注意，该电流代表螺线管功率，该螺线管功率粗略为在没有永磁体45情况下所需要功率的25%。更令人印象深刻地，它是非常小的分数，是在从闭合到断开过渡期间所需要功率的约0.3%。这些特定数字是示例；较小或较大的开关真空断续器将需要更少或更多的能量来用于过渡和保持，但永磁体的使用显著地减小将促动器保持在触头断开状况下所需的功率，另外减小驱动触头从闭合到断开所需要的能量(虽然程度较小)。电流的特定值受铁磁材料的选择、螺线管中的匝数和永磁体强度所影响。在一些实施例中仍基本的是，永磁体45的约束力不足以将电枢20、25保持在其开关断开状况下。必须存在来自螺线管40中保持电流的额外磁力来将旁路开关维持在其断开状况下。

从触头闭合到触头断开的过渡借助于图6解决，图6示出在触头闭合状况下的促动器。电枢20、25由止挡部58止挡，止挡部58相对于驱动杆55固定，在磁性壳30与电枢上部(即，电枢件20)的配合面之间留有标识为Y1的间距。在电枢的内部25与磁性凸台35之间存在该相同的间距Y1。在触头闭合的情况下，在上电枢件20的表面与驱动杆55的套环56之间存在标识为Y2的间距。在从闭合到断开的过渡中，螺线管40一触发，电枢20、25将受相对弱的电枢复位弹簧70所阻抗，开始向下移动通过距离Y2(在驱动杆55和其套环56的运动开始之前的预行程)。在该行程中，电枢20、25的质量累积速度，使得驱动杆55和其套环56的运动以从移动电枢20、25传递动量开始。在触头(图1中的130)断开期间，该急动提供额外的动能，且该额外的动能破坏触头面上任何的微焊接点。

施加到真空断续器的净行程是电枢20、25的总行程Y1减去预行程Y2。Y1的示例值为17mm，且Y2的代表值(预行程)为10mm。在该示例中，施加到真空开关的净行程为7mm。净行程是系统的设计参数，其中越长的行程适应对于开关的越高的操作电压，且较短的行程最大限度地减小金属疲劳并延长真空开关的操作寿命。

上文图3到图6都将磁性元件、电枢20、25、磁性壳30和磁性凸台35描绘为如在驱动杆55的轴线上观察到且由固态铁磁合金构造的圆形或圆柱形。圆形构造的优点在于，它对围绕驱动杆55的轴线的意外旋转不敏感。上文所列的原理同样适用于在沿着驱动杆55的轴线观察时矩形或方形的磁性元件。图7示出其中磁性元件电枢21、磁性壳31和磁性凸台36全都具有直线轮廓的触发器的示意性截面。虽然由固态铁磁材料形成电枢21、磁性壳31和磁性凸台36是可行的，也可能由铁磁金属的薄片形成它们，如与变压器通常形成的那样。因此，电枢21、磁性壳31和磁性凸台36中的一些或全部可实现为薄铁磁片的堆叠，其具有在图7中可见的截面。

如果使用片材，额外的衬套23可用来保护片边缘免受相对于驱动杆55的运动和与套环56的冲击。此外，矩形几何形状需要额外的引导，故电枢21围绕驱动杆55的轴线的任何意外旋转太小以至于不能影响在促动器处于其开关断开状况时形成的磁路的完整性。还必须限制意外的旋转，以避免使电枢21接触螺线管40或其保护元件中的任一个。驱动杆55和套环56必须在电枢21中居中，以避免在断开和闭合操作期间扭曲。

在图3和图4中示出的实施例中，驱动杆55在结构支承部件17、18和19下方延伸。该延伸部使得可能将位置监测元件置于那些板下方。这在图8中示意性地示出。最简单的位置指示器可由驱动杆55上的成形帽59形成。当驱动杆55在其下部触头断开位置中时，该帽可用作按压一个或多个微型开关80的凸轮。对应地，当驱动杆55在其上部触头闭合位置中时，微型开关释放。可采用其它指示的方法。示例包括驱动杆55上的亮或暗图案的光学感测，或驱动杆55上的一个或多个光栅的激光感测。

Claims (17)

1.一种用于电路断续器的促动器，包括：

固定的磁性凸台；

可移动的磁性电枢；以及

驱动杆，所述驱动杆在所述电路断续器的轴线上对准，所述驱动杆具有两个稳定位置，电路断续器闭合和电路断续器断开，以及位于所述驱动杆上所述可移动的磁性电枢与所述固定的磁性凸台之间的表面，使得所述电枢接触所述表面以将所述驱动杆从电路断续器闭合位置移动到电路断续器断开位置；

其中在所述电路断续器闭合位置中，所述电枢和所述表面以预行程距离分离，

使得所述电枢朝所述固定的磁性凸台移动且接触所述表面，以启动所述驱动杆的电路断续器断开运动，其中动量传递到所述驱动杆。

2.根据权利要求1所述的促动器，其特征在于，关于所述驱动杆和所述电路断续器的开关触头的行程范围小于关于所述电枢的行程范围。

3.根据权利要求1所述的促动器，其特征在于，所述促动器布置成用于气密密封的电路断续器，所述电路断续器包括在磁性壳体与所述磁性凸台之间的永磁体。

4.根据权利要求1所述的促动器，其特征在于，所述促动器布置成用于气密密封的电路断续器，所述电路断续器包括在磁性壳体内的DC螺线管，所述DC螺线管尺寸设置成允许所述磁性电枢响应于通过所述螺线管的电流来在所述螺线管内移动。

5.根据权利要求1所述的促动器，其特征在于，所述促动器布置成用于气密密封的电路断续器，所述电路断续器在没有施加功率的情况下将所述驱动杆保持在所述电路断续器闭合位置中。

6.根据权利要求1所述的促动器，其特征在于，所述促动器布置成用于气密密封的电路断续器，所述电路断续器在没有施加功率的情况下使用一个或多个弹簧来将所述驱动杆保持在所述电路断续器闭合位置中。

7.根据权利要求1所述的促动器，其特征在于，所述促动器布置成用于气密密封的电路断续器，所述电路断续器在去除施加功率的情况下使用一个或多个弹簧来将所述驱动杆从所述电路断续器断开位置改变到所述电路断续器闭合位置。

8.根据权利要求1所述的促动器，其特征在于，所述促动器具有永磁体力和DC螺线管的磁力的组合，以实现从所述电路断续器的触头闭合到所述电路断续器的触头断开的过渡。

9.根据权利要求1所述的促动器，其特征在于，所述促动器具有永磁体、DC螺线管和磁路的组合，以保持所述电路断续器的触头断开。

10.根据权利要求1所述的促动器，其特征在于，所述促动器具有永磁体、DC螺线管和磁路的组合，以使用所述螺线管中的指定的低功率水平来保持所述电路断续器的触头断开。

11.根据权利要求1所述的促动器，其特征在于，所述促动器具有磁路，所述磁路包括带有极的固定的磁性壳体、带有相反极的所述固定的磁性凸台以及带有外极和内极的所述可移动的磁性电枢，当所述驱动杆在所述电路断续器断开位置中时，所述外极和内极与所述磁性壳体和所述磁性凸台上的对应极配合以接通所述磁路。

12.根据权利要求1所述的促动器，其特征在于，螺线管磁场和永磁场具有相同的定向，避免触发场使所述促动器的永磁体消磁的趋势。

13.根据权利要求1所述的促动器，其特征在于，在所述电路断续器断开位置中，永磁力和以指定的低功率水平操作的螺线管的磁力的组合超过压在所述电枢上的弹簧和压在所述驱动杆上的另外弹簧的恢复力的总和。

14.根据权利要求1所述的促动器，其特征在于，在电路断续器断开状况下，永磁力小于压在所述电枢上的弹簧和压在所述驱动杆上的另外弹簧的恢复力的总和。

15.根据权利要求1所述的促动器，其特征在于，固定的磁性壳体、所述磁性凸台和所述可移动的磁性电枢各自具有圆柱形形状。

16.根据权利要求1所述的促动器，其特征在于，固定的磁性壳体、所述磁性凸台和所述可移动的磁性电枢各自具有矩形形状。

17.根据权利要求1所述的促动器，其特征在于，固定的磁性壳体、所述磁性凸台和所述可移动的磁性电枢具有由片状磁性材料制成的矩形形状。

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