CN112534534B - 闭合触头系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高压应用的闭合触头系统，其特征在于，设有具有两个板触头(2、4)形式的开关触头的真空开关管(28)，板触头的至少一个是与驱动器(5)耦合的运动触头(30)，并且其中，至少一个板触头(2、4)旋转对称地被屏蔽元件(32)包围，其中，屏蔽元件(32)具有小于40×10^‑6S/m的电导率。

Description

闭合触头系统

在高压中的许多应用都需要带电部件例如在出现网络故障的情况下的快速接地。示例性的应用在此是高压直流输电线路中的高压电缆的接地，或在那里使用的高压避雷器的部件的桥接。

通常在现有技术中通过气体绝缘的开关设施(GIS)提供这种所谓的快速接地器。在许多应用中，例如在高压直流输电线路中的直流电压区域中，常规的快速接地器的关闭时间是太长的，因此，必须付出另外的更高的技术努力，以便确保对设施的保护。

本发明所要解决的技术问题在于，与现有技术相比明显缩短高压区域中的闭合触头系统、尤其快速接地器的关闭时间。

该技术问题的解决方案是具有权利要求1的特征的用于高压应用的闭合触头系统。

根据本发明的根据权利要求1的用于高压应用的闭合触头系统的特征在于，真空开关管设置有两个以板触头的形式设计的开关触头。板触头的至少一个设计为所谓的运动触头，该运动触头与驱动器耦合。此外，闭合触头系统的特征在于，至少一个板触头旋转对称地被屏蔽元件包围，其中，屏蔽元件具有小于40×10^-6S/m的电导率。

在所描述的发明中，多个相互建立的用于解决所描述的问题的措施共同作用。第一措施是与在现有技术中使用的气体绝缘的电路不同地使用真空开关管。真空开关管包括板触头，板触头关于其几何形状可以比较简单地设计，并且基于通过在真空开关管中存在的真空提供的高的电绝缘特性需要非常小的接触距离。这又导致的是，总归必须走完更小的开关路径，这已经明显缩短开关时间。另外的措施是，屏蔽元件布置在至少一个板触头周围，其中，屏蔽元件已经抑制击穿并且因此能够实现在运行状态中进一步靠近板触头，其中，在另外的步骤中，屏蔽元件具有相对小的电导率，这根据本发明证实为是适宜的，以便还进一步减小两个板触头的距离。

这些措施的总和导致，用于高压应用的当前的闭合触头系统相对于现有技术具有明显更小的关闭时间(或称为闭合时间)，这意味着对有危险的部件的更好的保护。术语板触头在此原则上理解为板形的触头，其优选不具有控制磁场的的几何形状，所述几何形状然而也不是有害的。板触头优选是简单的可以使用在所描述的闭合触头系统中的触头系统，因为这些触头仅必须关闭，并且不必中断电流。

证实的是，真空开关管的10mm/100kV额定电压的的距离尤其是以下距离，该距离适用于相对于现有技术能够实现非常短的关闭时间。在此适宜的是，在关闭过程中运动的一个或多个触头、即运动触头的平均的关闭速度是在2m/s至8m/s之间。可以通过已知的驱动系统实现这样的关闭速度。

有助于缩短板触头之间的关闭时间的另外的特征是板触头的接触面的距离和接触面的直径的比。该比优选是在X和Y之间、特别优选在V和W之间。

证实为适宜的是，至少一个屏蔽元件包围运动触头。然而也可能适宜的是，针对运动触头并且针对通常设计为固定触头的第二触头同样设置屏蔽元件。在此，同样可能适宜的是，屏蔽元件至少部分随着运动触头沿开关轴线的运动一起运动，这导致在开关过程期间的更好的屏蔽。屏蔽元件优选具有40×10^-6S/m的电导率。特别优选地，屏蔽元件具有更小的20×10^-6S/m的电导率，尤其在使用铁或铁合金、尤其不锈钢时确保这一点。

在本发明的另外的设计方式中，闭合触头系统的特征在于，驱动器具有耦合元件，耦合元件用于使绳索旋转摆动运动预紧，其中，在该运动中，旋转体的转动运动借助缠绕绳转换为缠绕体的平移运动。缠绕体用于驱动运动触头，绳索旋转摆动运动适用于提供非常高的开关速度，其中附加地，在关闭过程中防止触头的弹跳。

本发明的另外的设计方式和另外的特征根据随后的附图被详细阐述。在此涉及纯示例性的设计方式，其为了更好地识别特征非常示意性地被示出，并且因此没有对保护范围造成限制。

在附图中：

图1示出了一种在打开的状态中的包括真空开关管和用于实现短的关闭时间的驱动器的闭合触头系统；

图2示出了在触头的关闭的状态中的根据图1的闭合触头系统；

图3示出了具有沿开关轴线移动的屏蔽元件的根据图2的闭合触头系统；

图4示出了具有屏蔽元件的位置的另外的改变的根据图3的闭合触头系统；

图5至图7示出了在不同的定位中的作为闭合触头系统的驱动器的部件的耦合元件。

图1示出了闭合触头系统1，其包括真空开关管28和驱动器5。真空开关管28在此又包括壳体50，壳体一方面具有多个绝缘元件48和金属开关腔49，其中，触头系统3布置在真空开关管28的壳体50中。触头系统3包括两个以板触头4和6的形式设计的开关触头。在当前的图1中，第一板触头4以运动触头30的形式构成。板触头4、6是具有基本上圆形的、在此通过直径38表征的接触面34的触头。接触面34在打开的位置中又相互间隔距离36。运动触头30设有触头杆44，触头杆通过波纹管46绝缘地从真空开关管28的壳体50导出，其中，触头杆44在此仅示意性示出地与驱动器5机械耦合。在图5至图7中详细讨论驱动器5的可能的设计方案。

在尤其在高压区域中、但也在中压应用中关闭真空开关管28时，在板触头4、6接触之前的几毫米导致在此未示出的电弧的点火和高的电流。根据电流的水平和电流直至最终接触的持续时间，电弧开始熔化接触面34。随后，熔化的接触面34相互碰撞，并且必要时焊接。当出现触头的弹跳时，熔化被加强。该弹跳尤其在高的关闭速度的情况下，在常规的弹簧驱动的情况下发生。

在随后打开触头时，(也非常局部地构成的)焊接点被撕开，并且在接触面34上形成尖锐的棱边和尖部。在位于微观范围内的尖锐的棱边和尖部上，出现电场的过大，这等效于在打开的板触头4、6时的绝缘能力的减小。绝缘能力可以通过尖部在一定程度中减小，从而在根据现有技术的真空管中，在板触头4、6之间的计算出的无击穿的距离的情况下仍然出现击穿。这意味着，在触头系统3的设计中，还必须引入相应的安全距离，该安全距离然而在当前的应用中、也就是在关闭过程中必须被克服并且由此延长关闭时间。

为了避免由于形成的尖锐的棱边和尖部(由于焊接原因)导致的电场过大，也作用为电势环的屏蔽元件32安置在至少一个、优选两个触头4、6周围。优选地，屏蔽元件32在打开的状态下的端部位置中安装在运动触头4、30周围。这是根据图1的图示。在图2至图4中讨论屏蔽元件32的另外的布置可能性。

尽管存在所提到的焊接和由此产生的棱边或尖部，但屏蔽元件32仍然至少基本上防止在打开的状态下的电弧的点火，这导致的是，板触头4、6可以在比根据现有技术中的情况更小的距离36中定位。更小的距离36有助于更短的开关时间。板触头4、6的应用提供了用于在存在的驱动器5中缩短开关时间的进一步的贡献，板触头相对于其他的触头类型、例如在气体绝缘的开关设施中的郁金香状/销-触头特别容易地设计，并且基于在相同的驱动方案中更小的质量而实现更高的关闭速度，更高的关闭速度又产生更短的关闭时间。在此优选地，关闭速度是在2m/s至8m/s之间。可以通过不同的措施进一步减小板触头4、尤其运动触头30的质量。在此，触头杆44例如可以管形地设计，这导致质量的减小。触头杆替代实心的触头杆的管形的设计方式在当前的作为尤其快速接地装置的闭合触头系统的应用中是可能的，因为不必在更长的时间内引导电流。触头杆44也可以由更轻质的材料设计，例如由石墨或非金属设计。石墨也作为触头杆44的涂层的应用可以有助于改进真空。导致减小运动触头30或触头杆44的质量的特征也导致在关闭过程中触头彼此的更小的弹跳，这又导致更小地形成尖部和棱边的焊接或构造。

用于避免熔化的另外的措施是使用高熔点的或耐高温的材料，其至少布置在触头4、6的接触面34的区域中。在此，添加铋、钨、钛和/或锆例如作为接触材料的合金元素是合适的。通过该措施还减小了在触头4、6靠近时接触面34的熔化。

证实为适宜的是，在打开的状态中的板触头4、6的距离不大于10mm/100kV额定电压(真空开关管28)。利用这样小的距离36可以实现闭合触头系统的所描述的有利的作用。尤其地，距离36不应该小于8mm/100kV额定电压。在此适宜的是，提供在2m/s至8m/s之间的驱动速度，这能够通过根据图5至图7的驱动器5实现。

此外证实的是，在板触头2、4的接触面34的距离36和接触面的直径38的比在X和Y之间，优选在V和W之间。距离和直径的该比同样适用于，抑制电弧的构造，并且因此也防止焊接和形成尖部和棱边。

同样证实为适宜的是，屏蔽元件具有小于铜的电导率的电导率。尤其地，屏蔽元件的材料的小于4×10^-6S/m的电导率导致的是，一方面存在屏蔽元件32的足够的电导率，另一方面持续抑制电弧的形成。特别有利的是屏蔽元件32、33的材料的小于2×10^-6S/m的电导率，尤其地，铁基合金或不锈钢适宜于作为屏蔽元件32、33的材料。

在根据图2、3和4的图示的描述中，现在还讨论屏蔽元件32的布置。图1示出了两个屏蔽元件32，所述屏蔽元件关于开关轴线固定定位，并且此外在真空开关管28的壳体50中围绕板触头4、6旋转对称地布置。在触头4、6的打开的状态中，运动触头4、30在一定程度上被拉回，从而运动触头参照相对于开关轴线40的垂直线与屏蔽元件32的外边缘齐平，由此实现特别好的屏蔽。在关闭运动触头4、30时，在图1中描述的屏蔽元件32如在图2中描绘的那样保持固定。

一个备选方案是，在图3中设计为可运动的屏蔽元件33的屏蔽元件32在接触对3的关闭过程中与其至少部分一起运动。图3示出了接触对3的关闭的状态，其中，屏蔽元件32、33和触头4、6一起相向运动，并且几乎相互贴靠。

根据计算出的和当前的屏蔽作用和电场，如图4所示的那样，在关闭过程中，运动的屏蔽元件33同样可以仅沿开关轴线40一起运动过部分路径，从而屏蔽元件32、33在触头系统3的关闭的状态中彼此略微间隔开。

随后，示例性地详细讨论可能的驱动器5，其适用于产生板触头的非常高的在2m/s至8m/s的范围内的平移速度。驱动器的核心是随后详细描述的用于对绳索旋转摆动运动进行预紧的耦合元件2，其中，旋转体(10)的转动运动借助缠绕绳16转换为缠绕体8的平移运动。

图1至图3示出了耦合元件2的示意性的设计方式。利用耦合元件2操纵由形式为板触头4和6的板触头构成的触头系统3，其中为此，板触头4相对于板触头6运动。包括板触头4、6的接触对3是已经在图1至图4中示意性阐述的板触头。在两个板触头4和6接触时，电路闭合，并且导致电流流过在下面进一步阐述的导电的杆形的缠绕体和板触头4和6的触头系统。通过经由两个板触头4和6的分开运动打开触头系统，又可以中断电流。

以运动触头30的形式设计的板触头4与随后也被称为缠绕杆的缠绕体8的下端部机械耦合。在图5至图7中示出了直接在缠绕体8的下端部上的板触头4，这是简化的图示，该图示用于说明运动学对触头4、30的运动的直接影响。原则上，在所提到的耦合中，另外的构件、如触头杆44可以连接在缠绕体8和板触头4、30之间。但也可能的是，缠绕体8的区段用作触头杆44。缠绕体3是可线性、即平移移动的，其中，缠绕体沿其纵轴线14引导，但在此不能够转动。但纵轴线14优选没有必要与开关轴线40重合。

旋转体10可转动地支承在缠绕体8上，即旋转体可以在缠绕体上旋转。为此，旋转体具有孔，杆形的缠绕体8穿过孔。在此，轴承13设置在缠绕体8和旋转体10之前，从而旋转体10的旋转尽可能无摩擦地和无损耗地发生。

在此，旋转体8在该示例中包括两个彼此间隔开的盘或侧面11和12。在该实施方式中，在旋转体的两个侧面11和12之间示意性地示出轴承13，轴承应该说明，旋转体10可转动地支承在缠绕体8上。

图1示出了耦合元件2的位置，其中，触头4和6在其彼此尽可能远的距离中被打开。利用关于触头4、30的位置的端部位置E表示该距离。图2示出了端部位置E和图3所示的端部位置E’之间的中间位置，在端部位置E’中，触头4、30和6关闭，并且电流可以通过触头流动。

现在，从图1中的端部位置E的位置开始描述耦合元件2的关闭过程。在此还可实施的是，旋转体10与在该示例中两个弹簧18耦合。弹簧18承受牵引负载，并且在此利用端部固定在旋转体10上，并且利用另一端部固定在耦合元件2的外部的固定点24上。在端部位置E中(在该端部位置中，弹簧18具有比弹簧18’更强的预紧力)设置止动件20，其又与执行器22连接。在该示例中，非常示意性地通过杆表示止动件20，止动件20例如可以以两个相互嵌接的齿圈的形式设计，这在此为了清楚起见没有明确地示出。

此外，耦合元件包括缠绕绳16或16’，其优选设有一定的预紧力地固定在旋转体10和缠绕体8之间。绳16在此分别安置在缠绕体8上，并且利用第二固定点尽可能远地固定在盘11和12上或旋转体10的上方的和下方的侧面11和12上。绳在此总体上理解为柔性的形成物、例如弦、线绳或芳纶纤维，其在第一侧面具有高的弹性模量，以便在缠绕体8和旋转体10之间实现尽可能固定的预紧。

在根据图1的示例中，绳16’在旋转体10的侧面12和板触头4之间的下方的区域中围绕缠绕体缠绕多个圈。在耦合元件2的上方的区域中，即在旋转体10的侧面11的上方，绳16在根据图1的端部位置E的位置中没有被转动。如果例如通过进一步传导至执行器22的信号导致地打开止动件20，那么通过总体上设计为从而得到共振器的弹簧18和18’的预紧来产生旋转体的转动运动，通过转动运动，在缠绕体8的下方的区域中的绳16’展开，并且与之相反地，在上方的区域中的绳16在旋转体10的上方卷在缠绕体8上。在图2中示出该位置。在根据图2的位置中，弹簧18和18’也基本上位于平衡位置中，其中在此也存在弹簧18和18’的预紧。基于两个弹簧作为共振器的作用克服根据图2的平衡位置，并且根据图3形成端部位置E’的位置，在其中，两个板触头4、30和6是关闭的。

在此，系统关于各个弹簧18和18’的预紧设计为，使得不仅建立触头4和6之间的接触，而且还将偏置力、即附加地将挤压力通过缠绕体8和板触头4、30作用到板触头6上。在达到端部位置E’时，止动件20又通过执行器22触发地嵌入旋转体10中，从而保持旋转体10的位置。

在图1和3之间示出的运动流程中示出的是，如何通过旋转体10的旋转将旋转运动通过绳16的缠绕转换为缠绕体8和进而开关触头4的平移运动。缠绕体8的平移运动或线性运动可以沿两个方向进行。在此描述的关闭过程可以可逆地从图3出发通过图2的位置返回图1，其中，朝端部位置E的方向实行缠绕体8沿其纵轴线14的平移运动。

因为弹簧对18和18’作用为共振器，所以该运动可以非常频繁地在没有大的摩擦损耗的情况下发生。摩擦损耗因此是非常小的，因为通过绳16和16’传输的摩擦同样是很小的，并且实现旋转体相对于缠绕体8的尽可能好的支承。在此，作为弹簧18、18’纯示意性地表示成盘簧，可以使用不同的弹簧类型、如螺旋弹簧或气压弹簧，其也可以旋转式地构建并且可以集成到缠绕体中。

旋转体10的转动运动被设计为，使得旋转体10在打开和关闭过程中分别实行沿每个方向转动大约90°。在此，开关时间、即耦合元件从端部位置E’到达端部位置E并且反转所需要的时间与所使用的弹簧18的强度并且与惯性、即也作用为飞轮的旋转体10的质量有关。旋转体10的角速度Ω在此直接与弹簧强度、即弹簧常数K和旋转体10的质量m的比的平方根成正比，其示例性地通过以下方程表示：

Ω～(K/m)^0.5。

在此，旋转体的能量被设定为，使得产生期望的Ω、即期望的角速度和用于相应的开关过程的期望的开关时间，其中，系统的总能量的大约95％流入开关过程中。由于所描述的开关系统或耦合元件非常少损耗地工作，所以在此，在示例性的开关过程中，在系统中损耗大约1.5J的能量。在利用常规的驱动器的常规的开关过程中，在相同的功率的情况下并且在耦合元件的类似的大小的情况下，在每个开关过程中损耗20至30倍的能量。这意味着，在两个板触头4和6发生碰撞时，能量将损耗掉，这导致的是，能量在所谓的弹跳过程中使板触头在微观范围内多次彼此分离，并且又将其聚在一起，这类似于敲打铁砧的锤子的做法。该弹跳过程在开关高压设施时是非常不期望的，因为通过弹跳过程不能够发生稳定的和快速的接触建立。通过根据图1至3的在能量上少损耗地工作的耦合元件，将该弹跳过程减小到最小。

附图标记清单

1 闭合触头系统

2 耦合元件

3 接触对

4 第一开关触头

5 驱动器

6 第二开关触头

8 杆形的缠绕体

10 旋转体

11 旋转体的侧面

12 旋转体的第二侧面

13 轴承

14 纵轴线

16 侧面

18 弹簧

20 止动件

22 执行器

24 弹簧的固定点

28 真空开关管

30 运动触头

32 屏蔽元件

33 可运动地被支承的屏蔽件

34 接触面

36 接触面的距离

38 接触面的直径

40 开关轴线

42 绳索旋转摆动运动

44 触头杆

46 波纹管

48 绝缘体

49 金属开关腔

50 壳体

Claims (8)

1.一种用于高压应用的闭合触头系统，其特征在于，设有具有两个板触头(2、4)形式的开关触头的真空开关管(28)，所述板触头的至少一个是与驱动器(5)耦合的运动触头(30)，并且其中，至少一个板触头(2、4)旋转对称地被屏蔽元件(32)包围，其中，所述屏蔽元件(32)具有小于40×10^-6S/m的电导率并且基于铁构造，并且在打开的状态中的板触头(2、4)的距离小于10mm/100kV额定电压。

2.根据权利要求1所述的闭合触头系统，其特征在于，在至少一个运动的板触头(2、4)的运动时出现的平均的关闭速度在2m/s至8m/s之间。

3.根据权利要求1所述的闭合触头系统，其特征在于，至少一个屏蔽元件(32)包围运动触头(30)。

4.根据权利要求3所述的闭合触头系统，其特征在于，所述屏蔽元件(32)沿开关轴线(40)可运动地支承。

5.根据权利要求1所述的闭合触头系统，其特征在于，所述屏蔽元件(32、33)的电导率小于20×10^-6S/m。

6.根据权利要求1所述的闭合触头系统，其特征在于，在打开的状态中的板触头(2、4)的接触面(34)的距离(36)小于8mm/100kv额定电压。

7.根据权利要求1所述的闭合触头系统，其特征在于，所述屏蔽元件(32、33)基于铁或铁合金构造。

8.根据权利要求1所述的闭合触头系统，其特征在于，所述驱动器(5)包括用于预紧绳索旋转摆动运动的耦合元件(2)，其中，旋转体(10)的转动运动借助缠绕绳(16)转换为缠绕体(8)的平移运动。