CN114223045A - 具有两个串联连接的中断单元的开关设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种开关设备，其具有两个串联连接的中断单元(4)，中断单元具有用于移动至少一个触点的至少一个驱动单元(6)；并且具有两个分别与中断单元(4)并联连接的控制电容器。本发明的特征在于，至少一个控制电容器(10)具有用于改变电容的可机械移动的部件，并且这些部件中的至少一个具有与驱动单元(6)的机械耦合。

Description

具有两个串联连接的中断单元的开关设备
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的具有两个串联连接的中断单元的开关设备。
背景技术
中断单元的串联电路(Serienschaltung)在能量供应中有多种应用。例如，一种应用是开关设备包括多个以真空开关管形式的中断单元，这些中断单元串联连接(相当于串联电路)，并且在高压应用中通过串联电路提高耐压强度。然而，中断单元的串联连接最终基本上用于提高电路相对于各个管的耐压强度。在此，技术上的挑战是，确保了各个串联连接的中断单元上的电压分配被控制为，使得没有一个中断单元承受超过其耐压强度的负荷。
为了确保各个中断单元之间的电压分配，控制电容器又与每个中断单元并联连接。依据在电流中断已经发生之后在中断单元中流动的所谓的后效电流(Nachstrom)，在使用控制电容器的情况下，两个中断单元之间或多个中断单元之间的电压分布与计算的或统计的情况不同。所提到的后效电流例如可以由真空管中的金属蒸气或开关路径中的剩余载流子引起。因此，中断单元之间的电压分布在开关过程期间不是静态的，而是动态的。
然而，在开关过程期间的电压分布的这种动态导致，通过所述控制电容器不能防止，其中一个中断单元必须承受比其额定电压更高的电压，即其所谓的耐压强度所允许的电压，尽管时间很短。因此，在中断单元的串联电路中，尤其是在真空管的情况下，这些中断单元被设计为，使得在各个中断单元的耐压强度方面确保了相当大的储备。如果需要特定的额定电压，则可能的是，必须将两个具有比标称所需高的额定电压的中断单元串联连接，或者必须将两个以上的具有较低额定电压的中断单元串联连接。在这两种情况下，由于开关过程期间的动态电压分布，达到所要求的串联电路总额定电压的成本高于将各个部件的纯额定电压组合起来的成本。这需要在预定的额定电压下对中断单元进行更高的投资。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种具有两个或更多个串联连接的中断单元的开关设备，与现有技术相比，该开关设备在使用相同部件的情况下具有更高的耐压强度。
上述技术问题的解决方案在于具有权利要求1的特征的具有两个串联连接的中断单元的开关设备。
根据权利要求1所述的开关设备具有至少两个串联连接的中断单元，该中断单元具有用于移动至少一个触点的至少一个驱动单元，并且具有分别与中断单元并联连接的两个控制电容器。该开关设备的特征在于，至少一个控制电容器具有用于改变电容的可机械移动的部件，并且这些部件中的至少一个具有与驱动单元的机械耦合。
通过控制电容器的可移动的部件与驱动单元的耦合(该驱动单元也执行至少一个中断单元的驱动)，在实际的开关过程期间(在该开关过程中至少两个串联连接的中断单元之间的电压分布动态地变化)，可以通过控制电容器产生如下影响，使得确保了在开关过程期间在开关过程的任何时间在两个中断单元上施加几乎相同的电压。以这种方式，额定电压，即所选择的中断单元能够以最大安全的方式运行的电压，在串联连接的情况下可以被充分利用。在耐压强度方面的安全储备可以显著地减少，所述安全储备用于维持开关过程期间可能的动态电压分布。这具有的优点是，为了达到所要求的最大开关电压，要么必须将较少的中断单元串联连接，要么必须将具有较低额定电压的中断单元串联连接。两者都导致，为了确保相应的所要求的额定电压，需要中断单元的形式的较低的投资。
这种布置在使用真空开关管作为中断单元时是特别适宜的。在此，两个或更多个真空开关管如所提到的那样可以串联(in Serie)连接。然而，原则上也可以将真空开关管与气体段(Gasstrecke)串联连接。
保证了电容的动态控制的控制电容器具有至少一个可移动的部件，该可移动的部件与驱动单元机械耦合。在此，该可移动的部件原则上可以是相对于一个电极或两个电极移动的电介质，然而，其也可以是沿着电极或电介质移动的电触点。原则上，电极也可以相对于固定的电介质移动。控制电容器的相应部件的所描述的可能的移动导致施加在电容器上的电容的动态变化。
在此，术语“机械耦合”被理解为，控制电容器与驱动单元机械地连接，这意味着，为了在两个系统之间传递力、脉冲或动作而存在机械连接。该机械连接例如通过诸如轴承或关节的可移动的连接，但也通过诸如材料锁合的或力锁合的连接的固定的连接或者由作为可移动的和固定的连接的组合来实现。
这种机械连接也被理解为引入传动元件，例如传动机构。该传动元件适合于，有助于对控制电容器的相应部件的移动运动学的控制。开关设备或单个中断单元的驱动单元被设计为，触点或触点系统的断开或接通过程恰好为此被优化。如果所述驱动单元(其驱动开关设备的一个或多个中断单元)同时用于移动控制电容器的相应部件，使得存在控制电容器的动态改变的电容，这进而引起中断单元中的电压峰值的补偿，则可能需要的是，该运动学遵循与开关触点的优化的驱动单元的情况不同的规律。可以通过实验确定对于影响中断单元之间的电压差所需的控制电容器的电容的曲线。基于所述实验数据，又可以确定所需的控制电容的改变并且因此确定控制电容的单位时间的相应改变或改变速度或改变运动学。
根据这些信息可以计算传动元件的传动机构运动学，该传动机构运动学用于在开关过程期间使控制电容器的部件相对于彼此移动，使得分别施加正确的控制电容。
在此，在可变的控制电容器的图示中，关于电容器与中断单元的多个布置是可能的。一个有利的设计方案在于，中断单元设有绝缘壳体，其中，壳体不接地。在此，涉及所谓的带电罐结构形式(Live-Tank-Bauweise)。在这种情况下，控制电容器布置在未接地的绝缘壳体外部并且与中断单元的接触装置并联连接。
在另外的实施方式中，例如在用于中断单元的气体绝缘电路或所谓的接地罐结构形式(Dead-Tank-Bauweise)中，这些中断单元的壳体接地。在这种情况下，也可以适宜的是，以如下方式将控制电容器设计为整个中断单元的一部分，即圆柱形电介质沿开关轴线可移动地安置在中断单元的壳体与位于其中的真空开关管之间。
附图说明
参照以下附图更详细地阐述本发明的其他实施方式和其他特征。在此涉及纯示意性的实施方式，其不构成对保护范围的限制。
在此，附图中：
图1示出了在这种情况下具有两个中断单元的开关设备的电路图，所述两个中断单元串联连接，以及针对每个中断单元存在并联连接的可变的控制电容器。
图2示出了带电罐实施中的中断单元，其具有并联连接的控制电容器，以及
图3示出了在接地罐设计方案中的中断单元，其中真空管布置在接地的壳体中并且电介质可移动地安置在壳体内。
具体实施方式
在图1中给出电路图的示意图，电路图说明了开关设备原则上如何电连接。为此，两个中断单元4串联连接，可变的控制电容器10又与每个中断单元4并联连接。中断单元4与控制电容器10之间的总电路是开关设备2。中断单元4优选地设计为真空开关管12的形式，如这在图2和图3中示出的那样。然而，原则上真空开关管12也可以与气体段形式的中断单元串联连接。
图2和图3中分别仅示出了开关设备2的一部分，即分别仅示出了一个具有与其并联连接的控制电容器的中断单元4。根据图2的中断单元4是在所谓的带电罐设计方案中的真空开关管12。在此，真空管12嵌入到绝缘壳体20中，其中绝缘壳体20使电流路径相对于环境绝缘并且因此也不接地。在图2中非常示意性地示出了真空开关管12的部件的图示，真空开关管具有触点8，触点可移动地安置并且能够沿着开关轴线24相对于其在此未详细命名的配合触点平移地移动。为此设置驱动单元6，通过驱动单元产生沿着开关轴线24的平移移动27。此外，驱动单元6经由传动机构形式的传动元件18与控制电容器10机械耦合。在根据图2的实施方式中，控制电容器10圆柱形地构造，其中外部的圆柱体壁构成电极16，并且另外的电极16′同样圆柱形地布置在提到的圆柱体的中心。此外，设置电介质14，所述电介质同样沿圆柱体纵轴线可平移移动地安置在第一电极16与第二电极16′之间的圆柱形中间空间中。电极16、16′和电介质14是控制电容器10的部件，其中，在这种情况下，电介质14通过传动元件18与驱动单元机械连接并且因此与该驱动单元机械耦合。在通过移动驱动单元6来接通触点8时，同时引起电介质14沿着箭头28的移动。
在此，在图2中涉及电介质14沿着箭头28移动的示例性示图。原则上也可能的是，例如驱动单元6经由传动元件18可移动地安置电极16′或电极16。通过电介质14(或控制电容器10的另外的部件)的平移移动，在开关过程期间改变在电极16、16′之间或控制电容器10的触点30之间施加的电容。这意味着，在开关过程期间相对于中断单元4或真空开关管12与该中断单元4并联施加的电容在开关过程期间是随时间可变的。
在图2中，控制电容器10圆柱形地设计。在此，控制电容器的结构原则上是可变的。具有板状电容器和电介质的板电容器形式的结构形式在此也是适宜的。
根据现有技术，根据图1的控制电容器具有固定电容。为此，在高达245kV的真空开关管的功率等级中存在的典型电容在300pF和2000pF之间。通常知道真空开关管12或中断单元4的开关行为，由此可以在开关过程期间测量相应施加的电压。在此，所述电压是在使用具有固定电容的控制电容器的情况下在开关行为期间的每个时间点t出现的电压。通过改变控制电容器10的电容，如在此在图1至图3中所描述的那样，可以依据开关过程期间的时间来影响施加在中断单元4上的电压。为此可能需要的是，控制电容器的电容在开关过程期间非线性地改变，这又导致，传动元件18必须以如下方式设计，即针对电介质14的移动设置期望的移动运动学。这可以利用从传动机构构造中已知的合适的措施来实现。因此，可以设置精确的电容变化，使得在开关过程期间，在根据图1的中断单元4上始终施加几乎恒定的且同样高的电压。
如果可以确定并且也可以影响该电压，如利用根据图2的装置所描述的那样，可以针对根据图1的串联电路的预定的额定电压分别选择中断单元4，使得其非常接近其额定电压，该额定电压确定中断单元4的耐压强度。因此，在单个中断单元4(即例如在特定电压等级中的特定真空开关管12)的预定的额定电压的情况下，串联电路实现了比在没有可变的控制电容器10的情况下更高的耐压强度。这又意味着，为了提供开关设备的特定的耐压强度，可以总体上使用分别具有较低耐压强度的中断单元4或真空开关管12，这可以显著降低开关设备2的总投资成本。
在图3中示出了图1中的并联电路、即由中断单元和控制电容器10组成的并联电路的替换设计方案。不同于根据图2的中断单元4和控制电容器10的并联电路，图3中的图示是根据所谓的接地罐结构形式的中断单元，其中真空开关管12布置在壳体22中。与图2中的绝缘壳体20的区别在于，图3中的壳体22接地。也就是说，在开关过程期间在真空管12的外侧与壳体22之间存在电场。当在真空管12和壳体22之间引入电介质14时，该电场会受到影响。在这种情况下，壳体16和真空管12的壳体31都作为电极16起作用。当电介质以类似的方式(如已经针对图2描述的那样)在开关过程期间通过传动元件18、即利用传动机构在壳体31与壳体22之间移动时，这具有电容改变作用。
因此，控制电容器10在根据图3的图示中由壳体20、真空开关管12的壳体31和电介质14形成。在此同样适用的是，在开关过程期间通过驱动单元6一起驱动电介质14与触点8。在此，如已经在图2中描述的那样，通过传动元件18确保触点8和电介质14的移动之间的移动运动学的耦合。以这种方式，在此，开关过程期间的电容变化虽然可以机械地与触点8的驱动耦合，但是从触点8动态来看其是独立地进行的。
附图标记列表
2 开关设备
4 中断单元
6 驱动单元
8 触点
10 控制电容器
12 真空开关管
14 电介质
16 电极
18 传动元件
20 绝缘壳体
22 壳体(接地)
24 开关轴线
26 接触装置
27 平移移动
28 电介质移动
30 触点
31 真空开关管壳体

Claims (8)

1.一种开关设备，其具有两个串联连接的中断单元(4)，所述中断单元具有用于移动至少一个触点的至少一个驱动单元(6)；并且具有两个分别与所述中断单元(4)并联连接的控制电容器，其特征在于，至少一个控制电容器(10)具有用于改变电容的可机械移动的部件，并且所述部件中的至少一个具有与所述驱动单元(6)的机械耦合。
2.根据权利要求1所述的开关设备，其特征在于，所述中断单元(4)中的至少一个是真空开关管(12)。
3.根据权利要求1或2所述的开关设备，其特征在于，至少一个控制电容器(10)的可移动的部件是电介质(14)、电极(16)或电触点。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的开关设备，其特征在于，设置适合于控制所述部件的移动运动学的传动元件(18)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的开关设备，其特征在于，所述中断单元中的至少一个嵌入到未接地的绝缘壳体(20)中。
6.根据权利要求5所述的开关设备，其特征在于，所述控制电容器布置在所述未接地的绝缘壳体(20)外部。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的开关设备，其特征在于，至少一个中断单元(4)被接地的壳体(22)包围。
8.根据权利要求7所述的开关设备，其特征在于，所述电介质(14)圆柱形地构造并且沿着开关轴线(24)能够平移移动地布置在所述真空开关管(12)与所述壳体(22)之间。
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