CN1860573A - 开关设备的驱动装置 - Google Patents
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Abstract
在一种用于开关设备的驱动装置中，所存储的能量被转换为一种快速的开关运动并进而激活一开关机构。按照本发明，在水下放电的基础上进行能量转换，在此，采用储存的电能来使一种传动介质蒸发，由此形成一个用于操纵所述开关机构的排出压力。在此比较有利的是所述工作介质可完全重新冷凝/再化合，由此比在一个公知的爆炸性驱动装置中的使用寿命明显更长。
Description
本发明涉及一种用于开关设备的驱动装置，其中，所存储的能量被转换为一种快速的开关运动，以激活一开关机构。
对于某些应用目的诸如在防止故障电弧方面，要求中压开关设备中的驱动装置实现高的开关速度。在此，应电子触发一次开关操作，并在几微秒内终止该操作，以便限制故障电弧的能量。为此，具有高的驱动功率和驱动能量的驱动原理是必需的。
迄今采用下列分别具有各自特殊特性的驱动原理：
-弹簧蓄能驱动：在快速脱扣时和基于因材料蠕动等原因所造成的材料疲劳会出现问题。
-磁力驱动：由于驱动装置有高的运动质量，这样的驱动比较缓慢。
-电磁涡流驱动：利用这样的驱动装置很难实现大的行程。
-爆炸式驱动：主要的问题在于使用寿命很短(典型地只能操作一次，最多10次)
尤其是最后提到的爆炸式驱动装置已知有不同的设计。例如德国专利DE 35 45 327中描述了一个利用一种爆炸性气体混合物来工作的驱动装置。德国专利申请公开说明书DE 102 05 369 A1和德国实用新型DE 297 23 872U1则公开了这样的开关机构，其中采用烟火材料来中断电路。类似的驱动装置被GB 2 016 210A和US 3 700 970A所公开，其中，除了快速断开触头外还同时用一种灭弧介质吹灭电弧。
从以上所述事实出发，本发明的目的在于创造一种改良的用于开关设备的驱动装置。
上述目的通过权利要求1所述特征来实现。本发明的其他扩展设计由从属权利要求给出。
按照本发明，与现有技术不同的是，不采用爆炸式驱动装置。更多地是在火花放电尤其是水下火花放电的基础上来实现所述驱动装置，其中采用所存储的电能。利用它可将一种适当的传动介质例如水、但也可以是其他适用的液态或气态介质在亚微秒级至微秒级的时间内非常迅速地予以加热并使之蒸发，然后采用由此爆炸式地形成的气体压力来驱动一个开关触头。整个为开关操作所必需的驱动能量以电的方式输入；由此，所述方法能够可逆地、并且在忽略磨损现象的情况下在开关操作次数上不受限制地实施，这一点与其他那些必然受烟火燃料量的限制而导致开关操作次数受限的驱动方法不同。所述为转换能量所需的火花间隙在整个运行期间不加压，仅仅在触发过程中才被短暂加压。这样一来不可能出现不期望的自点燃现象。必要时，可通过一个附加电压将一个附加的高压脉冲施加在一个辅助电极上，以便支持或加速所述点燃过程并缩短点燃过程的自散射。在与主放电回路感应脱耦时，也可将辅助点燃脉冲直接施加在其中一个主电极上并因此放弃采用辅助电极。
本发明的优点主要是在于在工作介质完全重新冷凝/再复合后的可重复性，比一个爆炸式的驱动装置具有明显更长的使用寿命，并且不必再去更换或存储爆炸弹药筒。根据断路间隔的具体构造和有关于断开时间的具体要求，所述驱动电能可直接从230伏的用电网中获取，这样就不需储存电能。
本发明的另一特别有利的优点在于，可完全电子式地也就是说没有机电运动构件地实现断路脱扣，这样就不必考虑因机械因素附带引起的脱扣延迟。在好几百伏电压以及在几微秒的持续电流期间具有几百安培至1000安培峰值电流的所述开关过程被诸如晶闸管和IGBT(绝缘栅双极型晶体管)这样的半导体开关元件所控制，由此不需要对老化敏感的构件如开关管或机电式辅助开关。
下面借助附图及据此对本发明实施方式的描述对本发明的其他细节和优点予以详细说明，附图中：
图1为本发明应用在一个真空开关管上的原理性示意图；
图2-3分别示出一个用图1所示的驱动装置来电动液压式操纵的具有闭合功能的快速开关处于断开状态下以及处于闭合状态下。
在图1中用附图标记1表示真空开关管，其中，在一个固定接触销上固定设置有一个固定触头。与之相对的是在一个轴向可移动的接触销上设有一个动触头。通过一个驱动装置，所述动触头可从图示的“断开”位置被带到“闭合”位置。
从图1中可看到按照本发明的驱动装置相对于一个已知的爆炸燃料驱动的驱动装置可实现的优点。现有技术中的充填有爆炸燃料的弹药筒在此被一个压力容器30替代。该压力容器30中充填有一种适当的介质尤其是水。作为所述介质可考虑采用流体，尤其是液体例如上面已经提到的水，但也可以是惰性气体例如氮气或氩气。所述流体中可含有具离子导电性的添加物。
通过在这样的流体介质中点燃火花放电可产生一个与爆炸波类似的压力波。由此驱动所述动触头BK向固定触头运动，从而完成一次相应的开关操作，具体说来在图1中所示情况下就是使触头系统闭合。这样的操作在蒸发的工作介质冷却/冷凝后又可重复，并可具有高的机械使用寿命。
如图1中所示，提供电能例如可通过一个电容器形式的蓄电器来完成。图中所示开关可设计成IGBT或功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)或也可设计成具有自振荡二极管的晶闸管。在一种特别有利的设计中，所述峰值功率很小(几十千瓦)，以致它可以允许的短路负荷的形式直接从230伏的电网中获取。例如在有待操纵的质量为2千克、所需的行程为15毫米以及开关时间为5毫秒时所需的电能只有大约120伏安秒。在此假定电能转换成机械能有30％的效率；与之配属的约为24千瓦的电功率可由现代化的半导体来控制并可直接从用电网中获取。另外，当蓄电器的充电电压为典型的311伏(相当于在对230伏的交流电网电压采取全波桥式整流后取得的电压幅值)时所需的蓄电电容为2.5mF。
在点燃所述开关时，在所述火花间隙上形成一足够高的电压，使得在传动介质中产生一电飞弧；在其进一步的发展过程中在传动介质中积存下足够高的能量，使得传动介质可蒸发并随后被加热到这样高的程度，即，由此形成足够用于操纵动触头的热动力压力。
按照现有技术具有一些用于按要求使动触头啮合在其终端位置或重新回到其初始位置的器件。这例如可通过机械式掣子来实现，但也可通过永久磁铁来实现。
为了减小在按照上述实施方式采用过电压来点燃火花间隙时所不可避免的点火延迟现象并排除统计上的波动偏差，比较有利的做法是，采用一个单独的带有较高点火电压的辅助点火回路。所述附加的、能量较少的触发脉冲在此可通过一个附加的触发电极首先将一个局部放电间隙击穿，然后在很短的仅仅几微秒的点火延迟后使主放电间隙也被飞弧击穿。
作为一种可选择的手段，主放电回路的电极针对高频电压在电压方面与主放电回路感应脱耦，由此可将一个高频的高压辅助脉冲直接耦合在火花放电电极上，并导致火花间隙很少延迟地被击穿。
在图2和3中总体上用附图标记30表示了前面借助图1具体说明的电动液压式驱动装置。该驱动装置作用在所述轴向可移动的接触销上，在此，按照公知的方式有一机械的啮合/脱扣机构40。所述啮合/脱扣机构40相对于一啮合弹簧43可移动地固定在一个位置固定地设置的固定板41上，并通过一个掣子42作用在带有用于容纳该掣子42的容纳元件24的所述轴向可移动的接触销20上。有一个断开弹簧45按图2中所示被压紧，在图3中则处于放松状态下。
在图2中示出所述被电动液压驱动的动触头21处于闭合的机械啮合状态下。此时，现有技术中就有的断开弹簧45被压紧。所述用于压紧该断开弹簧45的能量在图示实施方式中由图1中所示电动液压式驱动装置30，31，32来施加。通过操纵所述脱扣结构40来释放掣子42，所述被压紧的断开弹簧45就使动触头21回到(断开的)初始状态。
在图3中示出所述被电动液压驱动的动触头21处于断开的、机械脱扣状态下。此时，所述断开弹簧45被释放松弛。
也可设置以磁力方式工作的适合采用电磁铁的啮合/脱扣器件来取替图2和图3中所示的机械啮合器件。
Claims (14)
1.一种用于开关设备的驱动装置，其中，所存储的能量被转换为一种快速的开关运动，以激活一开关机构，其中，一个直接或间接产生的压力用于操纵该开关机构(21)，其特征在于在火花放电的基础上有控制地进行能量转换，在此，采用储存的电能或从供配电网中获取的电能来使一种传动介质蒸发，并使由此形成的气体压力作用在所述开关机构上。
2.按照权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述传动介质是一种流体，亦即一种液体介质或气体介质。
3.按照权利要求2所述的驱动装置，其特征在于，所述流体是水。
4.按照权利要求2所述的驱动装置，其特征在于，所述流体含有离子导电的添加物。
5.按照权利要求1至4中任一项所述的驱动装置，其具有设置在流体中的用于能量转换的火花间隙，其特征在于，所述火花间隙在开关设备的运行期间不加压，仅仅针对所述开关机构(21)的触发过程才被短暂加压。
6.按照权利要求4所述的驱动装置，其特征在于，有用于产生高压脉冲的器件(33，34)，该高压脉冲施加在所述火花间隙的辅助电极(32)上。
7.按照权利要求5所述的驱动装置，其特征在于，所述高压脉冲由一个与电容(33)并联的电压源(34)产生。
8.按照权利要求5所述的驱动装置，其特征在于，所述辅助电极(32)与一个开关(35)相配置。
9.按照权利要求7所述的驱动装置，其特征在于，所述开关是一个半导体开关，尤其是绝缘栅双极型晶体管IGBT、功率MOSFET或晶闸管。
10.按照权利要求5所述的驱动装置，其特征在于，有用于感应耦合高压脉冲的器件。
11.按照权利要求1至10中任一项所述的驱动装置，其特征在于，有用于使轴向运动的接触销(20)与动触头(21)啮合/脱扣用的器件(40-45)。
12.按照权利要求9所述的驱动装置，其特征在于，所述啮合/脱扣用器件(40-45)机械式地工作。
13.按照权利要求9所述的驱动装置，其特征在于，所述啮合/脱扣用器件(40-45)电磁式地工作。
14.按照权利要求10或11所述的驱动装置，其特征在于，由电动液压驱动装置(30)施加用于啮合的能量。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |