CN114121527A - 用于开关设备的散热布置结构 - Google Patents

Abstract

提供一种开关装置（100），其包括彼此可操作地连接的至少一开关隔室（100A）、母线隔室（100B）、电缆隔室（100C）和驱动单元（100D）。所述开关隔室（100A）具有固定触点（102）和可移动触点（103），所述可移动触点（103）可移动以断开和闭合在所述固定触点（102）与所述可移动触点（103）之间形成的电气电路。所述开关隔室（100A）还包括散热支撑单元（106），所述散热支撑单元（106）可物理地安置在靠近所述可移动触点（103）的高热‑高压区域（104、103）与低热‑接地电位区域（101、100E）之间，从而在所述开关装置（100）的操作期间在其间形成热对流桥。

Description

用于开关设备的散热布置结构

技术领域

本公开涉及开关装置。更特定来说，本公开涉及由传导通过开关设备的电路断路器的电流产生的热量的消散。

背景技术

众所周知，电路断路器为装置提供过载保护。当电流流过电路断路器时，往往因电路断路器的触点、触点杆和电导体的电阻而产生热量。通常，在触点、触点杆和电导体中产生的热量具有缺点，因为由所述热量升高的高温可能导致触点元件和绝缘元件过早损坏，从而导致过多热应力，这继而导致电路断路器的进一步升温。这可能导致保护电子器件不正确地工作，并且甚至导致触点和触点杆的扭曲，并且最终导致电路断路器的故障。

常规上，存在多种技术来帮助在电路断路器中产生的热量进行消散。这些技术涉及使用散热器来增加对流，将某些化学品和油漆沉积到电路断路器的各个部分上以促进热辐射，增加位于电路断路器的载流路径上的部件的整体横截面以均匀地分布热量并减小电阻等等。然而，上文提及的技术中的每一者具有其自己的局限性。此外，所述技术中的一些可能不适用于不具有足够空间来容纳散热器件的电路断路器，因为针对电路断路器和开关设备的安全操作需要维持电介质空隙。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种开关装置，其至少具有彼此可操作地连接的开关隔室、母线隔室、电缆隔室和驱动单元，其中所述开关隔室（在本文中也称为断路器隔室或电路断路器隔室）包括固定触点和可移动触点，所述可移动触点可移动成断开和闭合在所述固定触点与所述可移动触点之间形成的电气电路，其有效地消散在开关装置的操作期间产生的热量，而不管其中使用的绝缘物质的类型。

本文中公开的开关装置通过散热支撑单元实现上述目的，所述散热支撑单元可物理地安置在所述开关装置的靠近所述可移动触点的高热-高压区域与低热-接地电位区域之间，从而在所述开关装置的操作期间在其间形成热对流桥。本文中公开的开关装置可以是低压、中压或高压开关设备。如本文中所使用的，术语“高热-高压区域”是指所述开关装置的电路断路器隔室内部的物理区，并且具体来说，是指电路断路器的可移动触点及其周围的物理区域。所述高热-高压区域位于所述开关设备的电流路径中，其将一次电流从馈线传送到所述开关设备的其它隔室，其中在电路断路器的断开期间，跨越电路断路器动触点出现最高热量和最高电压。同样，如本文中所使用的，术语“低压-接地电位区域”是指所述开关装置内部的物理区域，并且具体来说，是指所述开关装置的壳体的和/或所述开关装置的隔室中的一者或多者的壳体的物理区域，其出于本领域技术人员已知的数个原因而维持在接地电位，例如，为了确保将触碰所述开关装置的壳体的操作员的安全。

根据本公开的一个方面，所述高热-高压区域是所述可移动触点。根据此方面，所述低热-接地电位区域是所述开关装置的所述驱动单元的壳体，其中所述驱动单元控制所述可移动触点的移动。根据此方面，所述散热支撑单元在一端处连接到所述可移动触点，并且在另一端处连接到维持在接地电位的驱动单元的壳体。根据此方面，所述散热支撑单元被构造为与所述可移动触点一起移动的可移位单元。

根据本公开的另一方面，所述高热-高压区域是至少部分在其中容纳所述可移动触点的支承座。所述支承座是由良好传导材料（例如铝）制成的金属部件以充当散热器。所述支承座至少部分地在其中容纳所述可移动触点以及连接到所述可移动触点的其它连接件，例如热传递柔性件、可移动触点致动布置结构等等。根据此方面，所述低热-接地电位区域是电路断路器隔室壳体，也称为电路断路器箱。根据此方面，所述散热支撑单元在一端处连接到所述支承座，并且在另一端处连接到维持在接地电位的电路断路器隔室的壳体。根据此方面，所述散热支撑单元是固定地定位在所述高热-高压区域与所述低热-接地电位区域之间的非移位单元。

根据本公开的一个方面，所述散热支撑单元包括在其中容纳至少一个芯部的包封件。所述包封件由绝缘材料（例如环氧树脂或树脂）制成，其可以容易地模制在芯部周围。两个或更多个芯部可以按各种构造放置，包括但不限于平行布置结构等等。有利地，至少一个芯部同轴地定位在所述包封件内部。

根据本公开的一个方面，每一芯部包括彼此刚性地连接的两个或更多个区段。

有利地，所述区段中的一者由至少良好传导金属制成，并且连接到所述开关装置的所述高热-高压区域。所述良好传导金属包括例如铜、黄铜等等。具有良好传导金属区段确保了热量和电压通过其的有效传递。此外，具有良好传导金属区段还允许穿线、穿孔等等，从而实现到达电路断路器隔室中的高压-高热区域的牢固连接。有利地，所述金属区段被构造为与所述高热-高压区域卡扣配合的可插拔单元，从而允许有效热传递，同时防止因所产生的热量导致的物理膨胀。

有利地，所述芯部的其它区段由陶瓷制成，并且连接到所述开关装置的所述低热-接地电位区域。陶瓷主要是指晶态氧化物、氮化物或碳化物材料，包括但不限于氮化铝、氧化铝、氮化硼、氧化镁、氧化铍等等。所述陶瓷区段通过断开电压传导连接来确保通过其的热传递、但是限制电荷传递（即，电压传递），从而确保高压区域的隔离。此外，所述陶瓷区段还提高了介电稳定性。

根据本公开的一个方面，每一芯部包括金属区段接头至陶瓷区段，使得所述金属区段刚性地连接到所述高热-高压区域，并且所述陶瓷区段刚性地连接到所述低热-接地电位区域。

根据本公开的另一方面，每一芯部包括金属区段接头至陶瓷区段接头至金属区段，即，陶瓷区段夹设在两个金属区段之间，使得所述金属区段中的一者刚性地连接到所述高热-高压区域，并且另一金属区段刚性地连接到所述低热-接地电位区域。

必须了解，关于所述芯部的所述金属区段和所述陶瓷区段，各种排列和组合都是可能的。类似地，关于将在所述包封件内使用的芯部的数量，各种排列和组合都是可能的。

根据本公开的一个方面，基于为实现所期望的热传导和绝缘性质以及需要在所述散热支撑单元中和周围维持的空隙实施的模拟来限定所述包封件以及包括所述区段的芯部的物理尺寸。

根据本公开的另一方面，基于需要提供给电路断路器的机械支撑量（即，可移动触点、固定触点和/或其间的真空管）来限定所述包封件以及包括所述区段的芯部的物理尺寸。有利地，所述散热支撑单元具有热对流以及提供给电路断路器的机械支撑的双重目的。

根据本公开的一个方面，所述散热支撑单元包括定位在形成于所述芯部的区段之间的一个或多个物理接头中的每一者处的屏蔽电极。所述屏蔽电极保护两种或多种不同材料之间的这些物理接头免于经历高电应力，因为所述电极使受力区域处的电场均匀。

根据本公开的一个方面，所述开关装置具有对应于所述低热-接地电位区域的波状外部轮廓，所述散热支撑单元连接到所述低热-接地电位区域。所述波状外部轮廓包括例如暴露至周围环境的外表面区域上的翅片。此波状外部轮廓帮助增强热对流，并且从而在所述开关装置的操作期间冷却所述低热-接地电位区域。

根据本公开的另一方面，所述开关装置允许热循环单元（例如风扇）安装在所述波状外部轮廓上，从而实现强制对流并在所述开关装置的操作期间冷却所述低热-接地电位区域。

附图说明

现在将参考本发明的附图说明本发明的上文提及的特征和其它特征。所示出的实施例旨在示出、但不限制本发明。

在下文中参考附图中所示的所示出的实施例进一步描述本发明，其中：

图1示出根据本公开的一个或多个实施例的示例性开关装置；

图2A示出根据本公开的一个或多个实施例的电路断路器隔室的透视图，其中切去所述电路断路器隔室的壳体的一区段以绘示布置在其中的部件；

图2B示出根据本公开的一个或多个实施例的电路断路器隔室的在图2A中标记为“A”的部分的放大视图，其显示散热支撑单元；

图3示出图1和图2A中所示的电路断路器隔室的电路断路器箱的一区段；

图4示出根据本公开的一个或多个实施例的散热支撑单元。

具体实施方式

参考附图描述各种实施例，其中贯穿全文使用相似附图标记指代相似元件。在以下描述中，出于解释目的，阐述许多具体细节以便提供对一个或多个实施例的透彻理解。可以明显看出，可以在不具有这些具体细节的情况下实践此类实施例。

图1示出根据本公开的一个或多个实施例的示例性开关装置100。在本图示中，所绘示的开关装置100是中压开关设备，然而，出于本公开的目的，开关装置100可以是本领域中已知的任何类型的开关设备。在本实施例中，开关装置100可以实现为气体绝缘开关设备、真空绝缘开关设备或空气绝缘开关设备。开关装置100可以连接到发电机（未显示）或连接到消费者线路（未显示），其中根据本公开的实施例，所述发电机或消费者线路可借助于开关装置100与电力线（即，馈线（未显示））断开或可连接到电力线（即，馈线（未显示））。

如图1中所示，开关装置100包括多个隔室，例如，电路断路器隔室100A、母线隔室100B和电缆隔室100C。在下文中，断路器隔室100A的各种部件和组件已经被大致描述为开关装置100的一部分、而无任何限制。

图2A示出根据本公开的一个或多个实施例的电路断路器隔室100A的透视图，其中切去电路断路器隔室100A的壳体101的一区段以绘示布置在其中的部件。壳体101也称为电路断路器箱101。如图1中所示，电路断路器隔室100A被绘示成按其闭合电路构造安置。电路断路器箱101通常是中空的，并且基于开关装置100的设计和构造可以具有任何合适形状。在本文中，电路断路器箱101通常在操作期间接地，即，电连接到大地。有利地，电路断路器箱101由合适导热材料制成，例如铝，例如铸铝。电路断路器箱101还可以由铜、锌或任何其它合适导电材料制成。有利地，电路断路器箱101可以在某些位置处（例如在电连接区域（未显示）处）镀覆有镍或银。在开关装置100中，电路断路器箱101填充有绝缘气体，例如，六氟化硫（SF6）或SF6的替代物，例如二氧化碳气体和氮气的混合物。

电路断路器隔室100A的电路断路器箱101在其中封闭用于断开和闭合第一电气端子（未显示）与第二电气端子（未显示）之间的电气电路的布置结构。电路断路器隔室100A包括在电路断路器隔室100A的底部处的固定触点102。此外，电路断路器隔室100A包括布置在电路断路器箱101内部的可移动触点103。在本文中，固定触点102被安置成与第一电气端子电气连接，并且可移动触点103被安置成与第二电气端子电气连接，使得当固定触点102和可移动触点103彼此接触时，所述第一电气端子与所述第二电气端子之间的电路按闭合构造安置，并且当固定触点102和可移动触点103彼此不接触时，所述第一电气端子与所述第二电气端子之间的电路按断开构造安置。

可移动触点103部分封闭在支承座104内。支承座104由良好传导金属（例如铝）制成，并且至少部分地在其中封闭可移动触点103以及在可移动触点103的致动移动中使用的部件。在本实施例中，可移动触点103和固定触点102经由真空管105连接。来自真空管105的热量经由支承座104经由热传递元件（也称为封闭在其中的热柔性件104A）消散。支承座104在一侧上经由刚性地连接到电路断路器箱101的辅助构件107支撑。此辅助构件107可以由陶瓷制成以从支承座104提供热消散。

图2B示出电路断路器隔室100A的在图2A中标记为“A”的部分的放大视图，其显示散热支撑单元106。散热支撑单元106物理地安置在支承座104与电路断路器箱101之间并与支承座104和电路断路器箱101连接。除辅助构件107以外，散热支撑单元106也相对于图2A中所示的真空管105成角度地定位成使得散热支撑单元106向部件组件提供机械支撑，所述部件组件包括支承座104，所述支承座104具有可移动触点103和用于引起可移动触点103在其中移动的部件。散热支撑单元106不仅提供机械支撑，而且还充当热对流桥，以用于有效地消散在可移动触点103移动以断开和闭合电气电路时产生的热量。此外，散热支撑单元106被构造成使得提高电路断路器隔室100A的介电稳定性，因此适于不同类型的开关装置100，而不管在开关装置100中使用的绝缘物质如何。

如图2B中所示，散热支撑单元106包括由环氧树脂或树脂材料制成的包封件106A。包封件106A在其中容纳芯部106B。芯部106B同轴地定位在包封件106B内部。芯部106B在形状上为大致圆柱形，并且包括联接在一起以形成单个芯部106B的两个或更多个区段106C和106D。与支承座104物理接触的区段106C由良好传导材料（例如铜或铝）制成以提供快速热传递。同样，铜允许容易形成机械凹槽（例如螺纹轮廓），可能需要其以将散热支撑单元106附着到支承座104。与电路断路器箱101物理接触的区段106D由仅允许热量从中通过、并且不允许电压从中通过的材料（例如陶瓷）制成，从而允许存在于支承座104处的高压与处于接地电位的电路断路器箱101之间的隔离。根据实施例，芯部106B由在两端处具有铜的三个区段制成，即，分别连接到支承座104和电路断路器箱101的连接点以及夹设在其间的陶瓷区段。

散热支撑单元106具有定位在存在于芯部106B中的两种或更多种不同材料之间的每一物理接头（例如，铜区段106C与陶瓷区段106D之间的接头和/或铜区段106C与支承座104之间的接头等等）处的电极106E。电极106E的此策略性放置帮助减少在开关装置100的操作期间可能出现的电应力。

图3示出图1和图2A中所示的电路断路器隔室100A的电路断路器箱101的区段。如图3中所示，电路断路器箱101的外部轮廓被构造为具有热对流元件301。热对流元件301定位在电路断路器箱101的外部轮廓上，使得经由图2A-图2B中所示的散热支撑单元106消散的热量进一步分布到电路断路器隔室100A周围的周围环境中，从而具有从支承座104到达周围环境的彻底散热。热对流元件301可以按翅片的形状设计以允许有效热对流，并且支持空气循环单元（例如风扇）在其上的安装以借助强制对流帮助散热。

图4示出根据本公开的一个或多个实施例的散热支撑单元106。如图4中所示，散热支撑单元106物理地安置在电路断路器隔室100A与操作电路断路器隔室100A中的可移动触点103的驱动单元100D的封装件100E之间。根据此实施例，散热支撑单元106物理地连接到可移动触点103和驱动单元100D的封装件100E，使得散热支撑单元106在开关装置100的操作期间与可移动触点103的移动一起侧向移动。散热支撑单元106包括包封件106A，包封件106A在其中封闭具有区段106C和106D的芯部106B。区段106C由良好传导材料制成，例如铜或黄铜。区段106D由陶瓷制成。区段106C被构造为螺口插座。所述螺口插座允许容易地连接到可移动触点103和驱动单元100D的波纹管（未显示）。散热支撑单元106具有定位在不同材料的接触点处（即，区段106C和106D的连接点处）的电极106E。虽然图4仅显示一个芯部106B，但是应了解，多于一个此类芯部106B可以按各种构造容纳在包封件106A内。

虽然已经参考某些实施例详细描述了本发明，但是应了解，本发明并不限于那些实施例。如本文中所述，鉴于本公开，对本领域技术人员来说，将自身存在许多修改和变化，而不背离本发明的各种实施例的范围。因此，本发明的范围由以下权利要求书、而非由前述描述指示。落入权利要求书的等效含义和范围内的所有改变、修改和变化都将被视为在其范围内。

附图标记列表：

100 开关装置/开关设备

100A 开关隔室/电路断路器隔室/断路器隔室

100B 母线隔室

100C 电缆隔室

100D 驱动单元

100E 驱动单元的封装件

101 开关隔室的壳体

102 固定触点

103 可移动触点

104 支承座

104A 热柔性件/热传递柔性件

105 真空管

106 散热支撑单元

106A 包封件

106B 芯部

106C 由良好传导材料制成的区段/第一区段

106D 由陶瓷材料制成的区段/第二区段

106E 电极

301 热对流元件

Claims (8)

1.一种开关装置（100），其包括：

彼此能够操作地连接的至少一开关隔室（100A）、母线隔室（100B）、电缆隔室（100C）和驱动单元（100D）；

所述开关隔室（100A）包括固定触点（102）和可移动触点（103），所述可移动触点（103）能够移动成断开和闭合在所述固定触点（102）与所述可移动触点（103）之间形成的电气电路：

其特征在于：

散热支撑单元（106），所述散热支撑单元（106）能够物理地安置在靠近所述可移动触点（103）的高热-高压区域（104、103）与低热-接地电位区域（101、100E）之间，从而在所述开关装置（100）的操作期间在高热-高压区域（104、103）与低热-接地电位区域（101、100E）之间形成热对流桥。

2.根据权利要求1所述的开关装置（100），其中，所述散热支撑单元（106）包括在其中容纳至少一个芯部（106B）的包封件（106A），并且其中，所述至少一个芯部（106B）包括彼此刚性地连接的两个或更多个区段（106C和106D）。

3.根据权利要求2所述的开关装置（100），其中，所述区段中的一者（106C）至少由良好传导金属制成，并且连接到所述开关装置（100）的所述高热-高压区域（104、103）。

4.根据权利要求2所述的开关装置（100），其中，所述区段中的一者（106D）由陶瓷制成，并且连接到所述开关装置（100）的所述低热-接地电位区域（101、101E）。

5.根据权利要求2所述的开关装置（100），其中，所述散热支撑单元（106）包括定位在形成于所述芯部（106B）的所述区段（106C和106D）之间的一个或多个物理接头中的每一者处的电极（106E）。

6.根据权利要求1所述的开关装置（100），其中，所述高热-高压区域（104、103）包括所述可移动触点（103）和至少部分地在其中容纳所述可移动触点（103）的支承座（104）中的一者。

7.根据权利要求1所述的开关装置（100），其中，所述低热-接地电位区域（101、100E）包括开关隔室壳体（101）和所述开关装置（100）的所述驱动单元（100D）的壳体（100E）中的一者。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的开关装置（100），其是中压开关设备。

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