CN1273430A - 具有至少两个串联真空开关室的高压开关及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

具有至少两个串联真空开关室的高压开关,所建议的方案是,串联布置的真空开关室(1、2),其结构尺寸和/或触头形状,如触头直径,触头的接触间隔,触头种类采用不同的方式构成,其中至少有一个第一种类型的真空开关室以及至少有一个第二种类型的真空开关室,并且通过选择真空开关室(1、2)的类型,使得第一种类型的真空开关室的电弧重燃和复燃受到至少另一个第二种类型的真空开关室的控制。作为该高压开关的操作方法,是至少两个真空开关室的触头在时间上错开打开。

Description

具有至少两个串联真空开关室的高压开关 及其操作方法
本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述的具有至少两个串联真空开关室的高压开关和该高压开关的操作方法。本发明例如可应用于气体绝缘开关。上述“高压”的概念是指1000V以上的电压范围。
在高压开关中，在特定情况下基于两个基本原理使用串联布置的真空开关室，在H.Fink，E.Sonnenschein等人提出的无控制结构中，采用具有真空开关的SF6绝缘的52kV中压开关，见etz，卷115(1994)册11，622-626页，其中使用了控制电容。在无控制结构中，真空开关原理主要用于36kV以上的电压水平，实现方式是通过两个36kV设计电压限定的开关真空室(标准室)的串联结构。从经济的观点出发，因杂散现象(杂散电容)造成的不可避免的电位分布失控是必然的。串联结构的设计必须根据非均匀电压分布按照载荷最大的真空开关室设计，而其他真空开关室作用的电压载荷较小，所以不能实现最佳负载分配。
采用控制电容方式的双真空开关室的串联结构的一个实例是在电气牵引电源中应用，其频率为16 2/3赫兹。和50赫兹/60赫兹中出现的10毫秒/8.3毫秒的电弧时间相比，在16 2/3赫兹的开关线路上的电弧时间需要30毫秒。相对而言，较高的热负荷以及由此导致的非常严重的烧损会导致在切断过程中电压稳定性的显著下降。对这种效应人们采取的措施是，对于设计电压例如为17.5kV时，将两个真空开关室串联布置，并且增加电容控制。
这种用两个或多个真空开关室串联布置的现有方案，原则上要使用相同的开关室，它们分别用于接通和切断操作。
将两个真空开关室的串联结构集成在一起作为一个高压开关的核心设备，需要专门在气体绝缘的开关设备内使用电容性控制。这种措施的背景是，电压线性分布在两个真空开关室内，但其中的控制电容对灭弧性能产生不利影响，例如参见T.Betz，D.Koenig等人所著的《梯度电容对双真空开关室串联的断路能力的影响》，IEEE第18届国际大会论文集，《论真空中的放电和电绝缘》，679-683页，埃因霍温，荷兰，1998年8月17-21日。
本发明的任务是，提供一种上述类型的至少具有两个串联真空开关室的高压开关设备，其电压负荷可实现最佳配置。其中所采取的措施应保证所述串联结构能根据几何尺寸、使用条件和环境条件的不同影响对断路性能进行补偿，而无需借助于控制电容从外部实施硬性控制。
此外，还提供一种操作所述高压开关设备的方法。
本发明对以上任务的解决方案是权利要求1的特征部分所给出的特征与前序部分中的特征相结合所实现的高压开关。
该方案提供了一种具有至少两个串联真空开关室的高压开关，其特征是，串联布置的真空开关室，其结构尺寸和/或触头形状，如触头直径、触头的接触间隔和触头种类采用不同的方式构成，其中至少有一个第一种类型的真空开关室以及至少有一个第二种类型的真空开关室，并且通过选择真空开关室的类型，使得第一种类型的真空开关室的电弧重燃和复燃受到至少另一个第二种类型的真空开关室的控制。
操作所述高压开关设备的方法见权利要求6所述的特征。
其方案是，至少两个真空开关室的触头的打开是在时间上错开的。
本发明所实现的优点特别在于，电压的分布基于一个自然的、完全受固有电容和杂散电容影响的电压分配，无需附加的控制电容。这样在真空开关室的电弧重燃和复燃过程中产生的并流经控制电容的补偿电流便可消失，这种电流其幅度会随着控制电容的增加而增大，从而导致真空开关室的触头升温并最终降低断路能力。
作为特殊的优点产生于下述可能，即完成开关能力的任务(短路切断性能，接通性能)与通过选择合适的真空开关室完成介电需求的任务无关。
通过对驱动单元采取的附加措施可直接影响电弧性能，并且可允许使用独立的自由度进行设计，不仅包括介电性能，而且包括电弧影响下的断路性能。
所建议的措施可通过将不同的真空开关室与不同的结构参数(不同的标称电压，不同的断路电流)和/或不同的触头结构(不同的触头直径，不同的触头接触距离，不同的触头种类)组合，并且一般地采用不同的固有电容匹配不同的电弧特性。通过有目的地使用这些效应可作出多种设计以满足不同的开关情况，和公知装置相比，明显提高了性能。例如可使用两个合适的不同真空开关室串联在一起，它们具有不同的触头直径，则真空开关室的不同固有电容和不同的电弧特性结合在一起，有利于提高其开关性能。
使用串联真空开关室的背景是，希望不仅利用真空开关室的技术优点，其表现形式为具有高的di/dt和du/dt断路能力(di/dt＝电流曲线波前斜率，du/dt＝电压曲线波前斜率)，而且也希望利用其经济上的优点，例如免维护性，驱动能量低，以及紧凑的结构。这些优点特别表现在触头接触距离小的真空开关室上，并且通过两个或多个真空开关室串联连接，从而利用其开关距离，使真空开关室也可用于超过36kV电压范围的更高标称电压。此外还可有一个另外的选择，即迄今为止适用于36kV以上电压范围的灭弧介质六氟化硫(SF6)，它也有利于环境保护。
其他优点可从以下说明中看到。
本发明的有利结构体现在从属权利要求的特征中。
下面对照附图所示的实施例对本发明进行详细说明。
图1表示用于高压开关设备的串联真空开关室的电路原理图，
图2表示电位分布的简化等效电路图，
图3表示电压/时间曲线图，用于说明另一个真空开关室电弧重燃时，通过一个真空开关室的电压转移现象。
一个高压开关设备要完成两项主要任务。一是必须在触头打开的情况下维持介电要求，二是在切断断路电弧时能耐受热作用和机械作用，并且在完成断路电流的切断后重新建立以过渡衰减震荡过程形式的恢复电压。所需的时间间隔在几百微秒的范围内，并且在串联的方式下，通过在开关室内部选择容性电路和等离子体过程实现。有目的地对电弧时间长度条件施加影响所得到的瞬态过程应当通过不同的真空开关室和触头结构以及通过驱动措施和通过利用不同的电弧特性实现。
为此应当充分利用串联电路的能力，在一个开关室电弧重燃时，未涉及的开关室可接管全部电压作用。这一过程以下称为接管过程，它对于容性电路控制复燃特别有利。
在图1中给出了用于高压开关设备的串联真空开关室电路原理图，这是一个开关回路的实例。一个第一真空开关室1和一个第二真空开关室2以串联方式设置在高压侧引线3和接地侧引线4之间。在两个真空开关室1、2的共用连接点5和接地侧引线4之间产生一个需考虑的杂散电容Cst。
在图2中表示了电位分布的简化等效电路图。如图2所示，第一真空开关室1的固有电容CE1与由第二真空开关室2的固有电容CE2和杂散电容Cst构成的并联电路相互串联在一起。不仅在图1中，而且在图2中均给出了作用在第一真空开关室1上的部分衰减震荡恢复电压U1，作用在第二真空开关室2上的部分衰减震荡恢复电压U2以及总和衰减震荡恢复电压U3＝U1+U2。
本发明基于两个或多个不同真空开关室1、2的串联原理，它们作为高压开关的核心部分。通过在一相开关线路内使用不同的真空开关室类型，不仅使得两个不同真空开关室的固有电容，而且使得其电弧特性在电压负荷和串联电路的灭弧性能方面以有利的方式组合在一起。
本发明的一个特有特征是，位于高压侧引线3上的第一真空开关室1具有较大的触头直径，从而其固有电容CE1较高。与接地侧引线4相连的第二真空开关室2则具有相对较小的触头直径，相比之下，其固有电容CE2也较小，但这种结构在组装状态下通过对地电位的有效杂散电容Cst得到补充。通过适当选择真空开关室类型，可将杂散电容的影响减小到最低限度或完全消除。其条件是：
CE1≌CE2+Cst
有效杂散电容的补偿可通过适当选择真空开关室的固有电容实现，它可实现一相无控制开关线路的电位分布的线性化，这特别有利于在使用高压开关时，利用气体绝缘开关设备，因为这种使用情况中作用着较高的杂散电容。
采用两个或多个不同真空开关室1、2的串联电路的另一个优点是，一个真空开关室的复燃不会必然造成整个开关线路出现复燃。其原因是在复燃时刻已经大大加强了的电压稳定性已经存在于未出现复燃的开关室中。特别是在容性开关中由于适当选择串联在一起的不同真空开关室可以实现电压移交的最佳性能。
不同的电弧特性可以通过至少两个真空开关室触头在时间上错开打开而强制实现。在一个由两个真空开关室组成的串联电路中，不仅上面的真空开关室1的触头，而且下面的真空开关室2的触头延时打开。真空开关室1、2在时间上错开的接通和断路，可按照希望的方式实现开关负荷在两个真空开关室上有目的的分配，通过这种措施在每个真空开关室上产生的是完成了开关处理后重新恢复的电压份额。此外，真空开关室1、2在时间上错开的接通和断路，还能以所希望的有利方式在纯介电电压负载下影响电压分布。
多次电弧重燃主要是在接触距离较小的上部真空开关室1中出现，它对下部真空开关室2的灭弧特性具有调节效果，和只有一个真空开关室的电路相比，它可提高电压稳定性。
至少两个真空开关室的串联结构的一个特性是，在容性开关时具有特殊的优点，一个真空开关室的电弧重燃和复燃可受到另一个真空开关室(或多个其他真空开关室)的控制。这里真空开关原理的性能对于实现较高的工作电压并不是主要的，而是利用至少两个真空开关室串联结构在特定开关情况下的技术优点，对于在36kV电压范围内通常所要求的工作电压而言，仅用一个真空开关室即可完成。
图3表示电压/时间曲线图，用于说明另一个真空开关室电弧重燃时，通过一个真空开关室的电压转移现象。其中的衰减震荡恢复电压U取决于时间t。在时刻0时，完成了灭弧后重新恢复的电网电压以瞬态衰减震荡恢复电压U3的形式出现。由于串联结构，用点状线表示的总衰减震荡恢复电压U3被按以下方式划分，虚线表示分衰减震荡恢复电压U1和分衰减震荡恢复电压U2(实线)。在时刻t1时，第一(上部)真空开关室1产生电弧重燃。第二(下部)真空开关室2在该时刻t1接管整个电压负载，也就是说，在该时刻的有效总衰减震荡恢复电压U3。然后上部真空开关室1强化，并可以重新接受一少部分总电压U3。
串联电路的断路性能可考虑在各个真空开关室的单个性能分开关位。电位分布在衰减震荡恢复电压的第一个微秒内由于后电流电弧效应的缘故，通过欧姆(等离子体)电阻确定，它可描述开关过程内的重新强化过程。过了几微秒后，该等离子体电阻已经有了强增长，所以致使固有电容和杂散电容确定两个开关电路上的电压分布。该电压分布主要受到(下部)真空开关室2的对地杂散电容Cst的影响，也就是说，杂散电容Cst起到预控制作用(然而不会带来如前所述的缺点)。

Claims (7)

1、具有至少两个串联真空开关室的高压开关，其特征是，串联布置的真空开关室(1、2)，其结构尺寸和/或触头形状，如触头直径、触头的接触间隔和触头种类采用不同的方式构成，其中至少有一个第一种类型的真空开关室以及至少有一个第二种类型的真空开关室，并且通过选择真空开关室(1、2)的类型，使得第一种类型的真空开关室的电弧重燃和复燃受到至少另一个第二种类型的真空开关室的控制。
2、如权利要求1所述的高压开关，其特征是，与高压侧引线(3)相连的真空开关室(1)，其固有电容量(CE1)高于与接地侧引线(4)相连的真空开关室(2)的固有电容量。
3、如权利要求2所述的高压开关，其特征是，与接地侧引线(4)相连的真空开关室(2)的固有电容量(CE2)与对地电位的有效杂散电容(Cst)之和大致等于与高压侧引线(3)相连的真空开关室(1)的固有电容量(CE1)。
4、如以上权利要求中任何一项所述的高压开关，其特征是，将其装入一个气体绝缘开关。
5、如以上权利要求中任何一项所述的高压开关，其特征是，消弧室和壳体之间的绝缘采用SF6，N2，空气或者其他气态或液态绝缘材料。
6、操作如权利要求1所述的高压开关的方法，其特征是，至少两个真空开关室(1、2)的触头的打开是在时间上错开的。
7、如权利要求6所述的方法，其特征是，与高压侧引线(3)相连的真空开关室(1)的触头延时打开。
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