CN113711325B - 用于中压和高压应用的真空开关设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于中压或者高压的真空开关设备(20)，所述真空开关设备具有两个触头(22、24)，所述两个触头其中的至少一个触头(22)通过驱动杆(26)能机械运动地支承并且在此与所述驱动杆(26)电连接，其中，所述真空开关设备(20)具有真空空间(28)，触头(22、24)布置在所述真空空间中。本发明的特征在于，所述真空开关设备具有弹簧触头，所述弹簧触头布置在所述真空空间(28)之外并且所述驱动杆(26)在触头(22、24)闭合的状态中通过所述弹簧触头(32)与导线电连接，并且所述弹簧触头(32)在所述触头(22、24)断开的状态(34)中与所述驱动杆(26)电绝缘。

Description

用于中压和高压应用的真空开关设备

技术领域

本发明涉及一种用于中压或者高压应用的真空开关设备。

背景技术

在中压和高压开关设备中，为了闭合和断开电流回路而使用接触系统，所述接触系统包括两个相互对置的触头，其中，两个触头其中的一个触头通常是固定的触头(固定触头)并且另一个触头是移动触头。为了闭合开关设备由驱动装置将移动的触头移动至固定的触头。该开关过程不允许任意缓慢地进行，因为在触头相互接触、即所谓的“接通”之前产生电弧。这可能导致触头表面熔化。触头接着机械地相互接触并且剩余的动能基本上通过触头的变形并且通过碰撞耗散。在机械地闭合熔化的触头时，所述触头可能相互焊接，因为在相互接触之前在触头表面发生的轻微的熔化。在触头重新断开时，所述触头可能由于所谓的分离冲击(Trennschlag)而损坏。

闭合运动在临界情况下可以被描述为弹道运动，其中，移动的触头首先被强力的驱动弹簧强烈地加速，然后基本上由于惯性向对应侧运动。实际上，弹簧驱动装置还在运动期间在触头上施加一定的驱动力F_Antrieb。然而在运动期间，加速度在此降低并且可以趋于零。

对于接触系统中断开的触点之间的电绝缘原则上存在不同的方法，这些方法可以由所谓的帕邢定律解释。帕邢定律指出，在均匀的场中，击穿电压是气压和电极间距的乘积的函数。这意味着触点可以通过处于高压中的气体或者气体混合物以尽可能小的触头间距良好地绝缘。第二种可能性是非常小的气压，即在约为10^-6bar(abs)的技术真空中。所述开关与之对应地被称为气体开关或真空开关。

在真空开关中，在真空管周围的气体空间中使用带有开关触点的真空管，用于与开关壳体或者真空管的电接头进行电绝缘。真空管相对于气体开关具有的优点为，真空管具有非常高的关断能力和相对较小的触头间距。此外，通过真空封装使分解-和熔化产物不会在操作开关期间影响周围的绝缘。真空管的触头、尤是在动触头处通常通过柔性电流带接触。

真空管的缺点在于相互平行地对置的接触面。如果移动触头过快地或者以过高的动能碰撞到固定触头上，则可能如所述那样造成真空开关管的损坏。此外，在碰撞速度过高时，所述接触面可能在闭合之后焊接。在闭合过慢时，可能造成接触面上的灼烧。

真空绝缘距离的另一个缺点在于无法避免地出现所谓的非保持破坏性放电(Non-Sustained-Disruptive-Discharges，NSDD)。这种放电具有不同的原因，所述原因在传统的构造类型中难以避免。这主要是由于真空中的平均自由路径长度。因为在10^-6bar的压力中，在触头之间几乎没有可以减缓从一个触点到另一个触点的电荷衰减、甚至吸收电荷的分子或者微粒。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，避免真空管的所述两个缺点、即一方面避免NSDD的产生并且另一方面避免开关触头的可能由于电弧产生的焊接。

所述技术问题的解决方案在于用于中压或者高压应用的真空开关设备。

按照本发明的用于中压或者高压的真空开关设备具有两个触头，所述两个触头其中的至少一个触头通过驱动杆能机械运动地支承并且在此与所述驱动杆电连接。此外，真空开关设备具有真空空间，触头布置在所述真空空间中。本发明的特征在于，所述真空开关设备具有弹簧触头，所述弹簧触头布置在真空空间之外并且驱动杆在触头闭合的状态中通过弹簧触头与导线电连接。此外，弹簧触头在触头断开的状态中与驱动杆电绝缘。

所述特征组合一方面使得通过贴靠在驱动杆上的弹簧触头能够针对性地调节弹簧触头和驱动杆之间的摩擦，从而在驱动杆运动时产生相应的阻力，并且能够在触头相互接触时使所述触头的碰撞最小化。另一方面在触头的断开位置中使电流路径双重地中断。即一方面在两个触头之间并且另一方面在弹簧触头和驱动杆之间中断，因为所述弹簧触头和驱动杆在断开的状态中相互电绝缘。以此方式能够使所谓的非保持破坏性放电问题在统计学上降低到几乎为零。

为了在触头的闭合运动中控制和设置弹簧触头和驱动杆之间的针对性的机械阻力，适宜的是，驱动杆沿着开关轴线具有变化的横截面轮廓。因此例如当横截面沿着运动方向增大从而使弹簧触头压缩时，针对驱动杆的平移运动的阻力提高。

此外适宜的是，驱动杆沿着开关轴线具有电绝缘的和导电的区域。在触头断开的状态中，弹簧触头贴靠在驱动杆的电绝缘的区域上，在触头闭合的状态中，弹簧触头贴靠在驱动杆的导电的区域上。以此方式使得弹簧触头在闭合过程中能够以简单的滑动运动沿着驱动杆运动。

在本发明的备选的设计方案中，弹簧触头在触头闭合的状态中相对于驱动杆无接触地布置。这意味着，在弹簧触头和驱动杆之间存在形式为绝缘气体的绝缘部，因为弹簧触头布置在真空空间之外。

在本发明的另一设计方案中适宜的是，驱动杆的横截面轮廓以下述方式增大，使得在驱动杆沿着开关轴线进行闭合运动时产生驱动杆和弹簧触头之间的电接触。横截面轮廓的该增大部在驱动杆的加强的区域中实现，这用于使弹簧触头被压缩并且由此通过摩擦实现闭合运动的减慢。这尤其设计为，使得该增大部在两个触头相互接触之前与弹簧触头产生作用。在此又有利的是，弹簧触头在进行电接触时经历弹性变形，因为弹性变形能够可逆地将摩擦能量引入驱动杆的运动中，这对制动运动具有积极影响。

此外适宜的是，驱动杆的横截面或者横截面轮廓沿着开关轴线在远离触头的一侧上在最大的增大部之后重新缩窄。这使得弹簧触头在最大的增大部和最大的制动部之后这样贴靠在驱动杆上，使得所述弹簧触头持续地压紧所述驱动杆并且由此产生作用在闭合的触头上的压紧力。这尤其出现在下述情况中，即弹簧触头在弹性的变形状态中贴靠在驱动杆的横截面或者横截面轮廓的缩窄的区域中。

驱动杆的变化的横截面轮廓优选旋转对称地设计，然而也可以出现导致驱动杆与弹簧触头作用的非对称的横截面变化。

在本发明的另一设计方案中适宜的是，驱动杆的导电的区域可以通过驱动杆上的电势控制装置调节成定义的电势。

附图说明

根据以下附图描述详细阐述本发明的其他设计方案和其他特征。在此涉及示意性的、纯粹示例性的示例，这些示例不构成对保护范围的限制。

在附图中：

图1示出了在触头断开的状态中的真空开关管和驱动杆与弹簧触头之间的电的气体绝缘装置，

图2示出了在触头半闭合的状态中的按照图1的真空开关管和贴靠的弹簧触头，

图3示出了在触头闭合的状态中的按照图1和图2的真空开关管，

图4示出了剖切具有相应贴靠的横截面的驱动杆的变化的横截面轮廓得到的截面，

图5至图7示出了与图1至图3相似的视图，在如图1至图3所示的三个不同的状态形式中，在导电的驱动杆和弹簧触头之间具有固体绝缘装置，

图8示出了弹簧触头和驱动杆的横截面轮廓的变化的备选的视图的示意性视图，

图9示出了根据现有技术的真空开关管，其具有根据现有技术的驱动杆的相应的接触部。

具体实施方式

图1示出了真空开关设备20，所述真空开关设备具有真空空间28，两个触头、即移动触头22和固定触头24布置在所述真空空间中。移动触头22在此与驱动杆26连接，通过所述驱动杆也电接触所述触头22。移动触头22的驱动杆26又与在此未示出的驱动装置处于机械的有效作用中。真空开关设备20还具有壳体60，蒸汽护板62布置在所述壳体上，此外，真空空间28具有绝缘装置64，所述绝缘装置通常呈现为旋转对称的陶瓷构件。此外，真空波纹管66用于相对于位于真空空间28外部的气室30密封驱动杆26。气室30在此也是封闭的空间，在所述空间中存在特定的绝缘气体，其中，所述绝缘气体例如可以是纯空气或者是附加地介电地作用的绝缘气体、例如氟酮或者氟腈。然而原则上也可行的是，真空开关设备20的真空空间28处于自由环境中，因此真空开关设备所处的外部环境可以被视为气室30。

就这方面而言，所述按照图1的真空开关设备20与图9中示例性示出的根据现有技术的真空开关设备相似地设计。按照图9的真空开关设备在此具有电流带70，所述电流带直接与驱动杆26连接并且因此持续地电接触所述驱动杆。

与按照图9和现有技术的该设计方案不同的是，图1中示意性示出的弹簧触头32用于电接触驱动杆26，所述弹簧触头又与其它电导体、例如已经描述的、由现有技术已知的电流带70电连接。图1在此示出了触头22和24的断开的状态34，其中，在该状态中，在真空空间28之外位于气室30中的弹簧触头32与驱动杆26相间隔地布置。弹簧触头32与驱动杆26的距离的大小为，使得在该状态34中不产生电接触。在此，在弹簧触头32和驱动杆26之间存在绝缘气体、例如人造空气。

在弹簧触头的远离触头22和24的一侧上存在驱动杆26的横截面轮廓38的变化。当如图2所示地沿着箭头F_a进行运动，则弹簧触头32与驱动杆26或者所述驱动杆的变化的横截面轮廓38-I产生机械的作用。由此使弹簧触头32弹性地变形，这由弹簧力F_s表示。此外，由此产生可以被称为制动力并且抑制沿着开关轴线36的闭合运动46的其它的力F_b。

通过所述作用产生的制动力F_b阻止移动触头22过于剧烈地撞击到固定触头24上，这显著降低了两个触头22和24的在现有技术中已知的不期望的碰撞。

此外在图3中示出了触头22和24的闭合的状态44，其中，横截面轮廓38在最大的增大部50(参见图4)的区域之后以下述方式重新缩窄，从而弹簧触头32以下述方式贴靠在驱动杆26上，使得接触系统与触头22和24压紧，这又在闭合状态中防止了碰撞，因为通过压紧力F_b阻止触头22和24重新断开。

图4示出了驱动杆26的放大的示意性视图和所述驱动杆的横截面轮廓38I至IV，这详细地阐述了图1至图3的各个单独的情况。在图4中，在此出于图示清晰的原因未示出的弹簧触头在触头22和24断开的状态34的状态中如图1所示的那样大约位于横截面轮廓38-I的高度中。在此，在弹簧触头32和驱动杆26之间也存在电绝缘。此外，驱动杆26沿着按照图4的视图中的开关轴线36向上运动，由此在横截面轮廓38-II中使弹簧触头32与驱动杆26接触。驱动杆26在此朝向箭头46的方向进行闭合运动。在这个阶段中，由于弹簧触头32在区域38-II中的弹性变形和压紧产生驱动杆26的制动。在区域38-II中沿着闭合运动46接着出现呈现了驱动杆26的最大横截面轮廓的区域38-III。在此存在最大的增大部50的区域。弹簧触头32在闭合运动46继续进行时滑动越过区域50并且进入区域52中，所述区域52又具有配设由附图标记38-IV的缩窄的横截面结构。在该区域52中，弹簧触头32仍弹性变形地贴靠在驱动杆26上并且将闭合力作用在触头22和24上。

在图1至图4中描述的真空开关设备20相对于现有技术具有下述优点。一方面，电流路径被双重地中断，即一方面在触头22和24之间并且在驱动杆26和弹簧触头32之间中断。这使得在统计学方面来看几乎能够排除NSDD。另一方面通过驱动杆的特殊的设计并且所述驱动杆以所述的形式作用到弹簧触头32中使得触头22和24在相互接触时的碰撞以下述程度被减小，使得触头22和24的接触面的焊接和损坏显著减少。如已经针对图1至图3详细阐述的那样，在图5、6、7中描述了触头22和24的类似的相对于彼此的运动。在图5至图7中，与图1至图3的区别在于，弹簧触头32和驱动杆26在触头22和24断开的状态34中的电绝缘通过固体绝缘、例如通过聚四氟乙烯实现。驱动杆26上的电绝缘的区域40由此例如被由该固体绝缘材料构成的套筒包围并且弹簧触头32绝缘地贴靠在那里。在驱动杆26运动时，弹簧触头在此与图2类似地从电绝缘的区域40移动到导电的区域42中。驱动杆26由此与电流路径接触。

在图5至图7中示出了如图1至图3中那样相似的横截面变化部38-1至38-IV。原则上，这对于实现驱动杆26和触头24在与触头22接触之前的制动作用而言并非一定是必要的。为此也可以采取其他措施、例如提高用于使弹簧触头32压紧到驱动杆26上的力F_S。

在图8中非常示意性地示出了另一备选的设计方案，图8仅示出了在此未完全示出的真空开关设备20的触头22和24以及驱动杆26和弹簧触头32。在沿着箭头46的方向产生闭合运动时，设计为扁平弹簧的形式的弹簧触头32被压向施加在驱动杆26上的盘片上，其中，这种设计也具有横截面轮廓38-I至38-IV的变化。在此缩窄的区域52和增大的区域54在此能够沿着开关轴线设计得非常短并且直至减小为零。重要的是，弹簧触头32设计为，使得能够实现驱动杆26和触头22的针对性的制动。原则上还应当指出的是，在触头断开的状态34中应当在驱动杆上施加由电网环境产生的规定的电势。此外应当指出的是，在图1至图9中描述触头的构造方式是纯粹示例性的，原则上也可以将杯形触头或者销-U形触头用于所描述的技术方案中。

Claims (10)

1.一种用于中压或者高压的真空开关设备(20)，所述真空开关设备具有两个触头(22、24)，所述两个触头其中的至少一个触头(22)通过驱动杆(26)能机械运动地支承并且在此与所述驱动杆(26)电连接，其中，所述真空开关设备(20)具有真空空间(28)，触头(22、24)布置在所述真空空间中，其特征在于，所述真空开关设备具有弹簧触头，所述弹簧触头布置在所述真空空间(28)之外并且所述驱动杆(26)在触头(22、24)闭合的状态中通过所述弹簧触头(32)与导线电连接，并且所述弹簧触头(32)在所述触头(22、24)断开的状态(34)中与所述驱动杆(26)电绝缘，其中，所述驱动杆(26)沿着开关轴线具有电绝缘的区域(40)和导电的区域(42)。

2.根据权利要求1所述的真空开关设备，其特征在于，所述驱动杆具有沿着开关轴线(36)变化的横截面轮廓(38-I、38-II、38-III、38-IV)。

3.根据权利要求1所述的真空开关设备，其特征在于，所述弹簧触头在所述触头(22、24)断开的状态(34)中贴靠在驱动杆(26)的电绝缘的区域(40)上。

4.根据权利要求1或2所述的真空开关设备，其特征在于，所述弹簧触头(32)在所述触头(22、24)断开的状态(34)中相对于驱动杆(26)无接触地布置。

5.根据权利要求2所述的真空开关设备，其特征在于，所述驱动杆(26)的横截面轮廓(38-I至38-III)以下述方式增大，使得在所述驱动杆(26)沿着开关轴线(36)进行闭合运动(46)时产生所述驱动杆(26)和所述弹簧触头(32)之间的电接触。

6.根据权利要求1所述的真空开关设备，其特征在于，所述弹簧触头(32)在电接触时经历弹性变形。

7.根据权利要求5所述的真空开关设备，其特征在于，所述驱动杆(26)的横截面轮廓(38-IV)沿着开关轴线(36)在远离触头(22)的一侧(48)中在最大的增大部(50)之后重新缩窄。

8.根据权利要求7所述的真空开关设备，其特征在于，在所述触头(22、24)闭合的状态(44)中，所述弹簧触头(32)弹性变形地贴靠在所述驱动杆(26)的横截面轮廓(38-IV)的缩窄的区域(52)上。

9.根据权利要求2所述的真空开关设备，其特征在于，所述驱动杆(26)的变化的横截面轮廓旋转对称地设计。

10.根据权利要求1所述的真空开关设备，其特征在于，所述驱动杆(26)的导电的区域(42)能够通过所述驱动杆(26)上的电势控制装置(56)调节成定义的电势。