CN1849686A - 提高断路器的载流能力及加速其触头动力地断开的方法和所属开关设备 - Google Patents

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Abstract

已知一种具有至少一个电流路径以及至少一个静触头和至少一个动触头的断路器，其中，将所述动触头与静触头之间的电流路径以一狭窄的回路形式引导。为了提高载流能力通过流过的电流产生一种动态的触头闭合力以及一种动态的触头断开力。为此，使作用到所述动触头上的磁力在电流从小电流增大到很高电流的过渡过程中转换其符号或逆转其作用方向。由此获得在从标准运行状态向短路运行过渡中的一些优点。为了实现这样的动态作用力，在所属的开关设备中为带有所述动触头(5a和5b)的开关桥(4)对应配设一些铁磁性构件(20、30；21、22；25、26、28、29)以及适当地设计它们的尺寸。

Description

提高断路器的载流能力及加速其触头动力地断开的方法 和所属开关设备
本发明涉及一种按照权利要求1所述的提高断路器的载流能力及加速其触头动力地断开的方法。此外，本发明还涉及一种所属开关设备，其具有至少一个静触头和至少一个动触头以及一个滑轨和附属的灭弧栅板。
这样的开关设备通常具有一种平移式触头断开运动，其中所述触头设置在一触桥上以及为了平移运动设有一个桥式支架和一个接触力弹簧。但是此外开关设备也可以具有一种旋转的触头断开运动，本发明同样也涉及这一点。
为了保护电气装置，但是也为了运行用电器，对电开关设备提出要求，要无故障地传导一预定值内的电流以及能够在尽可能短的时间内切断过高的电流、例如短路电流。为此，开关设备具有一个开关设备驱动装置(机械式开关锁和/或电磁驱动装置)和断开机构(例如n型脱扣器或电子操纵的执行机构)，其中，该驱动装置以一预定的触头压力闭合所述触头，而所述断开机构导致快速断开所述开关触头以及因此导致快速建立限流的电弧电压。
因为在可能出现极高的短路电流(例如I＝50kA)时电动力比所述断开机构的传递到动触头上的动量更早地起作用，可通过对驱动磁场的优化设计来改善该短路开关特性。但是取决于电流强度的磁场强度可能已在工作电流范围内、例如在达到电动机启动电流时就导致减弱触头压力以及由此干扰载流特性。为了排除这些问题，可以提高由开关设备驱动装置提供的力。但是这导致更大尺寸的驱动装置，由此提高了设备费用和结构体积。出于经济原因考虑这两种结果都是不希望出现的，因此需要一种排除上述缺点的解决方案。
为了在电开关设备中利用动态的断开力，动触头与静触头之间的电流路径以一狭窄的回路形式引导和/或通过铁磁性装置(例如深槽式电动机)使围绕所述被电流流过的动触头的磁场发生畸变，由此引起强大的洛伦兹力。
从DE 42 16 080 A1已经公开了一种用于对于继电器触头增强触头压力的装置，其中，回路形式地导引通向动触头的电流路径，以便充分利用回路力作为附加的触头压力。在此为所述电流路径以微小的间距附加地对应配设一铁板，以便获得另外的用于增强触头压力的磁力。另外，由DE 199 12713 A1已知，对于有电流流过的开关触头的情况要设有一种具有良好导电性的闭锁构件。通过在该闭锁构件和所述动触头中的并联分路电流这样长时间地防止触头运动，直到电流和磁力超过一预定的最小值。最后，在编号为ISBN3-540-06075-8的“开关设备技术的基础(Grundlagen derSchaltgertetechnik)”的著作中(柏林Springer出版社1975年)，尤其是第257至274页记载了开关设备尤其是接触器的通常特性。
但是上述现有技术的装置却不能实现：提供所期望高的动态式电动力并且在大工作电流(电动机启动电流)时也不会敏感地减弱触头压力。由此，所述驱动装置和所述触头压力必须设计得更大。
由此，本发明所要解决的技术问题是建议一种用于提高载流能力及加速触头动力地断开的方法和提供一种所属开关设备，该开关设备在工作电流情况下不会不允许地减弱触头压力。
上述技术问题按照本发明通过在权利要求1中给出的措施得以解决。在权利要求5中给出了一种相应的所属开关设备。从属权利要求一方面给出了所述方法的扩展设计以及另一方面给出了所属设备的扩展设计。
本发明的方法为了增强磁力有利地采用由铁磁性材料、优选由普通钢板制成的U形磁轭。在此，使作用到所述动触头上的电磁力在电流从小电流值(即标准运行状态下)增高到很高的电流值(即短路运行状态下)的过程中有针对性地转换符号。这具体意味着，在小电流的情况下，产生触头压力增强的效果以及在高电流的情况下产生触头压力减弱的效果，由此获得动态的断开力。通过适当地设计所述铁磁性构件可以调节形成一种变换符号的或者在小电流情况下一种几乎均衡的磁力变化走向。
为了在有关开关设备方面实现本发明，作为磁轭采用一个用于产生磁性闭合力的第一U形板件和一个用于产生磁性断开力的第二U形板件，它们以适当的方式定位在所述接触装置上。
下面结合权利要求书并借助附图对按照本发明的实施方式的说明给出本发明的其他详情和优点。所有附图均为简略示意图。其中：
图1表示一个带有开关桥(或称“活动桥式触头”)和附属驱动装置的开关设备；
图2表示从图1中截取的一部分，以便清楚地说明与所述开关桥对应配设的两个铁磁轭；
图3以立体图形式表示所述两个对应配设的铁磁轭的各自的定位方向；
图4表示一种带有开关桥和对应配设的分磁轭的接触结构；
图5表示一种接触结构，它带有在其上安装的分磁轭和两个与分磁轭对应配设的板件。
在图1中简略地表示出一种已知的接触器的功能部件：该接触器基本上由一个包含有开关部件和一个电磁驱动装置10的开关箱组成，通过该电磁驱动装置10实施电磁式地激发所述开关触头进行机械运动。
在图1中，在开关箱1中的静触头3a和3b设置在静触头支架2a和2b上以及与这些静触头对应配设的动触头5a和5b处于一运动的开关桥4上。以公知的方式为该具有相互对置的触头3a、5a和3b、5b的接触装置设置灭弧栅板9a和9b，这些灭弧栅板9a和9b通常是具有一滑轨或导轨32的灭弧栅板装置的一部分。所述运动的开关桥4通过一接触力弹簧7可相对运动地与一桥式支架8相连，该桥式支架8与衔铁13一起被电磁驱动装置10移动到接通或断开位置。
在所述桥式支架中可以包含其他的可相对运动的元件，这些元件可被执行机构驱动地作用到所述开关桥上以及触发桥运动。
所述电磁驱动装置10具体由一个带有磁性线圈12的磁轭11和一个与该磁轭对应配设的衔铁13组成，该衔铁13通过一支撑板14与所述桥式支架8相连。一个断开弹簧15作用到磁轭11上，该断开弹簧确保在所述电磁驱动装置10的关闭状态下使所述桥式支架处于断开位置。
在上面所描述的开关设备中，为了控制触头压力而设有铁磁性零件，确切地说，尤其在所述开关箱中设有两个磁轭20和30，下面具体地进一步讨论它们的功能。在图1中只能看到所述磁轭30，它与所述滑轨或导轨32相连。
从图2中可看出所述两个磁轭20和30相对于由静触头和接触架以及动触头和开关桥构成的接触装置的配设状况。结合图1至3可以得出所述两个设计为U形的磁轭20和30的几何尺寸。尤其图3示出了就磁化而言很重要的在所述两个磁轭之间的几何形状区别。
按照图2所示的装置，所述产生触头压力的U形板件20基于其几何形状及其在所述开关桥4上的定位要比所述产生断开力的U形板件30更灵敏地对所述开关桥4中的电流作出反应。这具体意味着，U形板件20由于其紧凑的尺寸而比所述U形板件30更快地被充磁以及由于其薄的板厚而更早地达到磁饱和。
而所述产生断开力的U形板件30几乎或完全以其全长覆盖所述动触头或带有动触头5a和5b的开关桥4以及具有一个更大的净宽度和一个更大的板厚。因此，与所述产生触头压力的U形板件20相比，它的磁饱和度在更高的电流条件下才能达到。
在采用一个机械式的开关设备驱动装置的情况下，所述产生触头压力的U形板件20或者固定在一开关锁部件上，或者固定在开关外壳上。在采用相当于图1中所示的电磁式驱动装置的情况下，所述产生触头压力的U形板件20固定在所述桥式支架8上以及围卡所述开关桥4，其中，所述桥式支架按图1所示将所述开关桥4与图中所示的驱动装置10连接起来。
如在一个进一步的示例中所表示的那样，定位和固定所述产生触头压力的U形板件20的可行方案不局限于上述两种情况。
所述产生断开力的U形板件30在上述两种情况下相宜地固定在所述开关箱1上、外壳上或者一个位于外壳上的静止的机械部件上。
在上述图1和图2中，开关桥实施一种平移运动，但是在开关设备的相应结构中也可以实现一种旋转运动。在一开关桥进行旋转运动的情况下，朝旋转轴两侧按照一种点对称的布设结构对应于开关桥分别设置U形板件20及20′和U形板件30及30′。为此，所述两个U形板件30及30′固定地与外壳或者与在外壳中的静止机械部件相连接。所述两个U形板件20及20′同样可以固定地与外壳相连接，或者与一个开关桥支架连接，该开关桥支架与所述开关设备驱动装置(机械和/或电磁驱动装置)力传递地啮合以及在断开过程中与处于断开位置的开关桥一起旋转。
所述U形板件20及20′和U形板件30及30′相互以预定的间距定位，因此，避免所述U形板件20和20′之间以及所述U形板件30与30′之间发生磁短路。例如预先规定所述各U形间隙的净宽度作为所述间距。
对于一个可简便断开的旋转式动触头可只配设一个U形板件20和一个U形板件30，此时，如图2和/或图3中所示通过适当地布设这两个U形板件在所述被电流流过的动触头上分别产生一个触头断开磁力和一个触头闭合磁力，它们的合成力在电流从小电流值过渡到高短路电流值的过程中可以变换符号或方向。
在触头动力地断开时，由于大的电动力所述动触头或运动的触桥从所述产生触头压力的U形板件的缝隙中移出并落入到所述产生断开力的U形板件的缝隙中。由此所述第一个U形板件20的作用力消失，第二个U形板件30的断开力无损失地发挥作用。
在所述触头动力地断开运动的过渡区域中，亦即在所述动触头或运动的触桥可能离开所述产生触头压力的U形板件20的缝隙之前，可以将作用到所述动触头上的磁通看作是所述第二个U形板件与第一个U形板件的磁通差2-1。基于不同的板厚可以大致与板厚有关地形成相应的饱和磁通。所述产生触头压力的U形板件20的板厚大约为所述产生断开力的U形板件30板厚的10％至20％，因此，在所述过渡区域内所合成的磁场大约减小到所述第二个U形板件30的磁场的80％至90％。所述有助于触头断开的合成磁力以同样的方式减小。
在图3中表示，所述第二个U形板件30可以是在此类开关设备中通常存在的滑轨或导轨32的一部分。
在下面的图表中给出了一个用于表示所述U形板件20和30的设计尺寸的示例。数值可以在预定的范围内变化，此时，仍然基本上要确保U形板件20和30的设计尺寸相互协调。
在支架中产生触头压力的U形板件长度8.5mm，板厚0.1mm 作为滑轨一部分的用于产生断开力的U形板件长度19.5mm，板厚0.8mm
净宽度5mm完全覆盖(＝在所述U形缝隙中的开关桥)SL1≈5mm(SL＝磁力线的空中行程)K磁＝μ0*i2*8.5/SL1＝μ0*i2*1.7 净宽度10mm覆盖-2mm(＝在所述U形缝隙前的开关桥)SL1≈13mm(SL＝磁力线的空中行程)K磁＝μ0*i2*19.5/SL2＝μ0*i2*1.5
从该图表中可以得知，在第一个U形板件20达到磁饱和之前，形成触头压力的力份量只比所述形成断开力的力份量略微大一些。
通过设计所述U形板件20和30的长度和净宽度以及通过选择覆盖开关桥的范围可以将所述形成触头压力的磁力分量和形成断开力的磁力分量在一个更大的范围内进行调整。
在图4所示的另一种实施方式中，代替所述小的嵌入在桥式支架8中合适位置上的磁轭20，在桥式支架8的侧旁力传递地将两个小的磁轭21和22安装在开关箱1的一个静止部件上或者开关外壳上。这两个磁轭分别定位在所述桥式支架8与所述开关触头3a、5a以及3b、5b之间。所述两个磁轭21和22通过它们相对于所述桥式支架8在毫米或亚毫米范围内的预定间距不防碍所述开关桥支架8的平移运动。
在通过两个磁轭21和22代替所述磁轭20时，这样定位这两个磁轭21和22，即，在所述开关触头3a、5a以及3b、5b处于闭合状态中时，所述运动的开关桥4完全或部分地潜入到所述两个磁轭21和22的U形缝隙中。为此，将所述磁轭21和22力传递地安装在开关箱1的一个静止部件上的或者开关外壳上的恰当位置上。
在该后一种变型方案中，尤其与图2所示方案相反，由所述两个小磁轭21和22所产生的磁力不支撑在所述开关设备的电磁驱动装置上。由此不会损害该驱动装置的功能。
在图5所示的另一种优选实施方式中，代替所述两个小的磁轭而设有两个板件25、26，这两个板件以其平面侧大约占据图4中所示磁轭21和22的横部段的位置以及相应地力传递地安装在开关箱1的一个静止部件上或者开关外壳上。
在所述开关触头3a、5a以及3b、5b处于闭合状态时，所述运动的触头支架相对于该两个板件25、26具有一个最小的预定间距，亦即一个在亚毫米至毫米范围内的间距。在所述运动的触头支架上安装有两个U形板件28、29，它们以其侧腿段各自朝向所述两个板件25、26中的一个，因此构成两个由在所述运动桥式支架中的电流充磁的磁回路，由此产生一种作用到该运动的触头支架上的磁性引力。
所述磁轭或U形板件20或21、22或带有相配设的U形板件28、29的板件25、26分别由铁磁性材料制成以及产生一个相对于由所述铁磁性材料制成的大磁轭30的磁力按相反方向作用到所述开关桥4上的磁性吸合力。
借助于各附图所描述的本发明尤其可应用在动触头进行平移运动的开关设备中。如在图1所示的实施例中它可以是一接触器。但是本发明也并不是局限于具有机械式或机电式驱动装置的断路器。
如上面已阐述的那样，但是本发明也可以应用在具有旋转开关运动的开关设备中，在这种情况下，所述第一个磁轭或U形板件20从所述触头支架的面向触头的前侧围卡所述运动的旋转触头，而第二个磁轭或U形板件30则在所述触头支架的背侧卡围所述旋转触头的断开区域。

Claims (16)

1.一种提高断路器的载流能力以及加速其触头动力地断开的方法，所述断路器具有至少一个电流路径以及至少一个静触头和至少一个动触头，其中，所述电流路径以一狭窄的回路形式在所述动触头与静触头之间导引和/或围绕所述有电流流过的动触头的磁场通过铁磁性装置发生畸变，由此引起强大的洛伦兹力作为电动力，该方法包括下列措施：
-在所述至少一个动触头处于接通位置时，通过所述铁磁性装置产生的电动力由一电动闭合力和一电动断开力构成，
-在从(标准运行状态下的)小电流增大到(短路运行状态时的)很高电流的过程中，使作用到所述动触头上的电动力的方向逆转，此时，所述铁磁性装置的磁感应值(B)转换其符号，
-在小电流的情况下，通过所述铁磁性装置产生触头压力增强的效果而在高电流的情况下则产生触头压力减弱的效果。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征为：在一预定的电流值的情况下通过设计所述铁磁性装置尺寸可实现磁力从一动态的触头闭合力向一动态的触头断开力转变。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征为：在小电流的情况下，允许产生一种触头压力减弱的效果以及将其限定在一预定的数值上。
4.按照权利要求3所述的方法，其特征为：所述触头压力减弱的效果比触头压力的大约50％小。
5.一种开关设备，其包括具有至少一个静触头和至少一个动触头的开关箱，其特征为：所述至少一个动触头(5a和5b)配设有至少两个用于产生两个在其作用力方向上相互反向的动力式磁力的铁磁性构件(20、30；21、22；25、26、28、29)，所述至少两个铁磁性构件构成相对于所述动触头(5a和5b)的开关桥(4)恰当定位的U形磁轭(20、30)。
6.按照权利要求5所述的开关设备，其特征为：为了产生磁性的闭合力，所述带有动触头(5a和5b)的开关桥(4)对应配设有一个第一U形磁轭(20)。
7.按照权利要求5所述的开关设备，其特征为：所述第一U形磁轭(20)与桥形支架(8)力传递地相连。
8.按照权利要求5所述的开关设备，其特征为：所述第一U形磁轭(20)由两个与所述动触头(5a和5b)对应配设的以及固定在所述开关箱(1)的一个静止部件上的分磁轭(21、22)组成。
9.按照权利要求5所述的开关设备，其特征为：所述用于产生至少一个磁性触头闭合力的构件由两个U形磁轭(28、29)和与它们对应配设的铁板(25、26)构成。
10.按照权利要求9所述的开关设备，其特征为：所述U形磁轭(28、29)与所述动触头(5a和5b)对应配设以及与所述开关桥(4)力传递地连接。
11.按照权利要求9所述的开关设备，其特征为：与所述磁轭(28、29)对应配设的铁板(25、26)固定在所述开关箱(1)的静止部件上。
12.按照权利要求5所述的开关设备，其特征为：一个用于产生磁性断开力的第二U形磁轭(30)与所述开关箱(1)力传递地连接。
13.按照权利要求5所述的开关设备，其中，在所述开关箱上设有一导轨，其特征为：所述第二U形磁轭(30)与该导轨(32)相互连接结合。
14.按照权利要求13所述的开关设备，其特征为：所述导轨(32)由铁制成。
15.按照权利要求13和14所述的开关设备，其特征为：所述导轨(32)和所述第二U形磁轭(30)由一个构件组成。
16.按照权利要求5至15中任一项所述的开关设备，其特征为：所述第一磁轭(20)比所述第二磁轭(30)明显小，尤其在长度尺寸上大约小两倍。
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