CN215118761U - 真空功率开关 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种真空功率开关，具有真空功率开关管(2)，所述真空功率开关管包括真空壳体(4)，在所述真空壳体内布置有接触系统(5)，所述接触系统具有两个接触件(6、8)，所述接触件彼此可相对运动地布置，其特征在于，设有电气的提前点火单元(10)，所述提前点火单元具有布置在所述真空壳体内的点火电极，用于沿电弧电流通路(18)点燃电弧。

Description

真空功率开关

技术领域

本实用新型涉及一种真空功率开关。

背景技术

在用于提高或控制高压电压的功率传输的不同设备、例如串联补偿设备 (英文：Fixed Series Capacitor-FSC)中或者在功率流控制装置(Universal Power FlowControl–UPFC或APCU)中，必须设有在电网故障情况下、例如短路、接地情况下的保护装置。这种保护装置由超压断路器和电流旁路构成，当出现电网故障时电流旁路导电闭合。对于保护效果起到决定性作用的是，在电网故障的情况下尽可能快速地响应。通常，电流旁路应在两毫秒(ms) 以下被闭合并且随后可以承受数秒时间的故障电流。

根据现有技术，为了示例性的前述应用大多数使用功率半导体或者由火花段、所谓的火花放电管和功率开关构成的组合部件。在此，功率半导体相对成本高昂，因为功率半导体必须针对短路电流在其自身上流过相对较长的时间。同样所使用的由火花放电管和功率开关构成的平行装置则需要非常大的结构空间。此外，火花放电管由于其开放的结构无法承受天气影响、如冰冻或灰尘负载。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种机械开关，其在短路的情况下可以非常快速地建立电接触并且在此相对于已知的开关装置可以廉价地制造并且较少地受到天气影响。

所述技术问题按照本实用新型通过一种真空功率开关解决，所述真空功率开关具有真空功率开关管，所述真空功率开关管包括真空壳体，在所述真空壳体内布置有接触系统，所述接触系统具有两个接触件，所述接触件彼此可相对运动地布置，其中，设有电气的提前点火单元，所述提前点火单元具有布置在所述真空壳体内的点火电极，用于沿电弧电流通路点燃电弧，其中规定，两个接触件具有两个几何上相分离的电流通路，其中，第一电流通路是所述电弧电流通路，并且第二电流通路是持续电流通路，并且两个接触件具有多个沿开关轴线的销状的凸起，其中，两个接触件的凸起相互嵌套，并且销状的凸起的侧面包括电弧电流通路的接触面，接触件利用销状的凸起沿开关轴线定向并且在闭合状态下在持续电流通路的接触面之间产生接触，并且所述电弧电流通路的接触面在功率开关的闭合状态下彼此无接触地布置。

按照本实用新型的真空功率开关包括真空功率开关管，所述真空功率开关管具有真空壳体，在所述真空壳体内布置有接触系统。在此，所述接触系统具有两个接触件，所述接触件彼此可相对运动地布置。真空功率开关的特征在于，设有电气的提前点火单元，所述提前点火单元具有布置在所述真空功率开关管内的点火电极，用于沿电弧电流通路点燃电弧。

在出现电网故障时，由提前点火装置触发地，首先在真空功率开关的持续电流接触件之间通过点燃电弧电气地桥接绝缘间隙。在此，根据自然规律不会产生电弧接触件的机械接触。当电弧导引电流时，其中，在此也可以称为故障电流，并且由此电弧电流通路电气闭合时，则在此期间持续电流接触件、也就是本来导引电流的接触件被闭合。这通过根据现有技术的快速的、理想情况下无振动的机械的驱动装置实现。在此，提前点火单元通过电弧电流通路的点火、类似于已知的火花放电管地发挥作用。但是，这种点火装置与现有技术中具有彼此可相对运动的接触件不同地直接集成在真空功率开关管内。真空触发开关也是集成的点火装置，但是仅仅具有固定的接触件，与触发的真空开关(真空触发开关TVS)不同地，按照本实用新型的装置允许为了持续电流运行实现有利的机械的接触件的接触。按照本实用新型的装置在使用传统的真空功率开关管的情况下实现有利的结构，其相对于现有技术中的装置需要更小的结构空间并且在此针对天气影响是不敏感的。

根据DIN标准28 400人们称真空为稀薄的气体或者相应的状态，在该状态下压力或密度小于周围的大气。这意味着，当容器中的压力小于大气压力、也就是围绕容器的空气的压力时，则在容器中真空占主导地位。在真空开关管中优选地具有高真空，其具有小于10^-3hPa的压力。

真空功率开关包括真空管或称功率开关管和驱动装置。

在本实用新型的有利的设计方案中，接触系统通过其两个接触件具有两个几何上相分离的电流通路。在此，第一电流通路是所述的电弧电流通路，并且第二电流通路是持续电流通路。该装置的优点在于，持续电流通路的接触面通过事先构造电弧而在接触面的表面上没有受损。不会在持续接触件的接触面之间产生不希望熔化和焊接。持续电流通路通过接触件的实际的机械的接触产生，并且适合持续地承载较大的电流，除了额定电流以外还包括故障电流和短路电流。

为了进一步抑制表面效应(例如接触件的不希望的焊接)，还适宜的是，电弧电流通道的接触面在功率开关闭合的状态下彼此保持无接触的布置。在闭合状态下仅持续电流通路的接触面相接触。通过持续电流通路随后在闭合状态下也导引电流，不接触的电弧电流通路的接触面不再流过电流。

在此还适宜的是，所述电弧电流通路的接触面具有比持续电流通路的接触面更大、优选两倍大。

在本实用新型的有利的设计方案中，两个接触件具有多个沿开关轴线的销状的凸起，其中，两个接触件的凸起相互嵌套。接触件的这种销状的结构能够以较低的耗费去分离电弧电流通路和持续电流通路。尤其适宜的是，销状的凸起的侧面包括电弧电流通路的接触面。在此还适宜的是，这种构成电弧接触面的侧面不是绝对平行的，而是以一个锐角相对彼此布置。

在本实用新型的备选的设计方案中，所述接触件中的至少一个罐状地设计，并且所述电弧电流通路的接触块布置在罐状的接触件的中央。在此，罐状理解为接触件的一种类型，但优选不是必须理解为具有弧形的横截面，其在接触面的中央具有凹陷或凹槽，使得在该凹陷或凹槽区域内在两个接触件的两个接触面之间不会产生接触。在此，或者一个或者两个接触件具有这种罐状的造型。确定为罐状形状的接触件的中央内的凹陷或凹槽适合容纳电弧电流通路的接触块。由此，在这种情况下电弧电流通路与持续电流通路分离地延伸经过至少一个接触件的中央。这种结构具有的优点在于，相对于传统的接触系统仅需要较少技术性的改变，方式是，在接触件的中心设置凹陷和附加的电弧接触件。其它则可以使用传统的接触系统。

原则上适宜的是，点火电极就是电弧电流通路的接触块，因为以这种方式可以容易地定义电弧电流通路。另一方面还适宜的是，点火电极布置在接触件以外，尤其布置在蒸汽防护板上，所述蒸汽防护板通常对中地围绕着接触系统。在此，可以布置一个或多个点火电极。

本实用新型的另一方面是一种真空功率开关管在短路装置中的应用，用于对电路短路并且由此针对超压过载保护电网调节设备。在此，电网耗电设备例如理解为串联补偿设备或统一的功率流控制装置。两者均是用于影响电网的系统，其在短路的情况下必须在最短的时间内无电流或无电压地连接，从而避免系统受损。所述的开关通过其迅速地建立电弧电流通路而特别适合将电网调节设备非常快速地与电网分离并且由此防止其受损。

附图说明

结合以下附图详细阐述本实用新型的有利的实施方式和另外的技术特征。在此涉及示意性的、纯粹示例性的实施方式，这些实施方式不限制保护范围。在附图中：

图1示出在打开状态下的具有接触销的接触件的接触系统，

图2示出在闭合状态下的根据图1的接触系统，

图3示出剖切根据图1或图2的接触系统的剖视图，

图4示出剖切根据图1或图2的接触系统的备选的剖视图，

图5示出具有接触系统的真空功率开关管和具有布置在中央的点火电极的罐状的接触件，

图6示出具有两个罐状的接触件的根据图5的类似的功率开关管，

图7示出具有牺牲电极和与之相对置的接触凹槽的根据图6的类似的功率开关管，

图8示出具有在蒸汽防护件上的点火电极的真空功率开关管。

具体实施方式

在图1和2中分别示出真空功率开关管2的接触系统5。在这些附图中出于简化的原因仅仅示出接触系统，剖切真空功率开关管2的基本的剖切示意图在图5-8中示出。原则上，根据图1和2的接触系统5以类似的方式可集成在根据图5的真空功率开关管2中。

真空功率开关管2在此具有壳体4，所述壳体在图1和2中如所示地出于简化的原因而没有示出。在该壳体4内存在真空，这意味着，在该区域内存在低于大气压的气压，优选存在高真空。与气体功率开关不同，在所述的真空功率开关管2内优选不存在灭弧气体并且不存在绝缘气体。在这种情况下，载有故障电流的电弧是所谓的真空电弧，这种真空电弧通过在电弧电流通路中的接触件或提前点火装置的材料产生。通常，电弧也可以是在较低压力(同上，小于大气压)的气体中的可燃电弧。

接触系统5具有两个接触件，两个接触件原则上可以设计为活动接触件，但通常仅一个接触件6设计为活动接触件，第二接触件是固定接触件8。在此，活动接触件6与在此未示出的驱动装置相连。

在此，在图1和2中的接触件6和8具有销状的凸起30，这些凸起沿着开关轴线28定向。这些凸起30相互嵌合，其中，在图3和4中分别示出根据图1和2的接触系统5的剖视图。在此示出凸起30的不同的可能的横截面，其中，在图3和4中也还额外地示出真空功率开关管2的真空密闭的壳体4。在图1-4的示例中每个接触件分别示出三个销状的凸起30，原则上数量当然可以变化。还适宜的是，每个接触件仅具有一个凸起30，该凸起则可以例如分别具有半环形的横截面。

此外，真空功率开关管装配有提前点火装置10，其中，提前点火装置 10具有至少一个点火电极12和优选点火电子器件20，在短路的情况下当开关必须非常迅速闭合时，所述点火电子器件向点火电极12发送电子信号。这使得电荷施加在用于所谓的电弧电流通路18的接触面24的区域内，并且这导致在两个接触面24之间产生电弧形式的火花放电。因此在出现电网故障时，首先通过上述点燃的电弧16桥接接触件。当电弧16导引电流时，接触件6和8随后通过机械的驱动装置机械地闭合，其中，这实现在持续电流通路22的接触面26之间的接触。

这个顺序是适合的，因为电弧16可以被快速地(小于2ms地)被点燃并且由此在短时间内电流可通过电弧流动，直至较慢的机械的接触闭合。

以这种方式，在集成的开关中实现了如根据现有技术的、由所谓的火花放电管和功率开关组合的情况下所到达的类似效果。但是，通过所述的结构只需要非常小的结构空间，同时真空功率开关管2与例如所谓的火花放电管相比对环境的影响又非常小。

原则上，电弧电流通路18和持续电流通路22几何结构上可以是统一的。也就是说，类似于图8所示地，电弧10可以在接触件6和8的两个板状设计的接触面26之间产生。但是，接触面26由于电弧16的烧灼而在表面产生熔化区域，使得在闭合接触件6和8时接触面26可能相互焊接。当再次打开时，这种焊接被撕裂并且产生显微镜下细微的针形的表面粗糙，这在打开和闭合接触件6和8时可能对电场产生负面影响。

出于这个原因适宜的是，如图1和2所示地，电弧电流通路18与持续电流通路22几何上相分离。所述电弧电流通路18在图1中示出。电弧电流通路沿着凸起30延伸，并且电弧电流通路16随之通过凸起30的侧面36在对应的侧面36的电弧与对应的接触面24的电弧的接触面24上跳火。在图2 中示出接触系统5的闭合的状态，侧面36之间的电弧16被熄灭，电流通过持续电弧通路22流动，其中，两个接触件6和8的接触面26相接触。该电流此时持续稳定。

相对于现有技术，在此在开关中首先集成地接通电弧，所述电弧导致非常快速地产生电流，直至缓慢的机械的开关过程提供持续电流通路。所述持续电流通路22和电弧电流通路18在此几何上相互分离，这可以设计布置有销状的凸起30。在接触系统5的闭合状态下，用于电弧电流通路18的接触面24没有相互接触。由此，也不会在电弧电流通路的各个接触面24之间产生焊接。

在另外的、在此未示出的实施方式中，替代直线形的销状的凸起30地，相互嵌接有螺旋形的凸起。在该实施方式中，接触件通过轴向运动借助侧面像接触。在该实施方式中，电流通路在电弧阶段和持续电流阶段几乎一致。在此未示出的螺旋也可以存在支撑结构，例如分别在管内侧和管外侧上设计螺旋形式的凹槽，它们相互嵌套插接。原则上，除了螺旋形也可以是的销状的凸起30的复杂几何形状、例如燕尾结构的形式。

在其它未示出的实施方式中，接触系统的接触件还替代轴向运动地通过旋转运动闭合。在此，接触形式可以原则上包括所有前述的形式。旋转运动在螺旋接触时也可以过渡到轴向运动。

在此在图5-8中示出真空功率开关管2，所述真空功率开关管相当于常见的功率开关的常见的真空管。承载持续电流的、相互运动的接触件可以原则上实施为板状接触件、轴向磁场接触件、径向磁场接触件或销状接触件。承载故障电流的接触系统5应保证，电弧16不会从电弧电流通路18转换到持续电流通路。为了保证这一点，在点火电弧的方向上叠加的轴向磁场是有利的。这用于防止收缩的电弧10。但是原则上所谓的径向磁场接触件也是可行的。原则上，所述的接触件形式在于，能够通过接触件的断开而使电流中断。同时，这些接触件形式尤其在于，如所述地通过闭合非常快速地产生电流。参照图1和2所示的点火电极12优选布置在两个接触件6和8之一的中央。控制点火电极12的点火电子器件20优选与点火电极12相分离，必要时也布置在真空开关之外。点火电极的结构有利地是固定接触件8。

图5、6和7具有至少一个罐状的接触件32，其中，在此进一步阐述罐状的定义，在图5中在此仅在接触件6的中央设有较小的凹陷。根据图6的罐状被非常明显地表现为具有更大的凹槽和更窄的边缘。此外，在图6中两个接触件6和8构造有罐状。点火电极12分别在接触件的中央示出。在图5 和图6中以及在图7中，电弧电流通路18在此延伸经过接触件6和8之间的中央，并且在此与持续电流通路22几何地分离。持续电流通路22在图5-7 中没有详细示出，因为接触系统5仅示出断开的形式。根据图5-7的接触系统5的持续电流通路22随后通过接触面26的外侧的接触区域在接触件5和 32之间延伸。

图7在此示出另外的改进方案，其中点火电极12设计为有电阻能力的牺牲电极或者在此未示出的有电阻能力的接触销。牺牲电极在提前点火装置点火之后用作收缩的电弧的基点，直至持续电流接触面26相闭合。

备选地，点火电极12如图8所示也可以布置在接触件6、8以外，这在图8的情况中通过在蒸汽防护件34上安置点火电极12实现。点燃的或燃烧的电弧16随之分别根据接触件6、8的几何设计方案在接触面26的最外侧的边缘上延伸。在接触件32的该几何设计方案中，电弧16可以根据图8如此设定，使得在此电弧电流通路18和持续电流通路22也几何地分离。这意味着，电弧16在接触面24上发生跳火，所述接触面24的区域在接触系统5 闭合时没有相接触并且没有产生物理接触，从而在该位置上不会产生不希望的焊接。

当在交流电网中使用所述的真空功率开关管时，提前点火装置10应优选地如此设计，从而可以实现双极的提前点火。这意味着，电弧16不会在电流过零过程持续期间自动地熄灭，而是再次重新建立电弧。此外，无论在正电流半波还是在负电流半波中都可实现提前点火。这也由此实现，即，接触系统5在两侧上具有点火电极12，所述点火电极分别与一个或一个共同的点火电子器件20相对应。通过电网的极性的识别或者通过两个提前点火装置10的同时点火，可以点燃电弧10。用于双极点火的另外的可能性也存在点火电压的剧烈的升高，其中，点火电压应明显大于双倍的电网振幅，从而即便在转换极性时也点燃电弧。

为了比半波更长地承载电流，例如在缓慢地闭合持续电流接触件时，替代使用第二真空管地通过转换的极性可以明显降低接触系统5的关闭可能性。这可以作为用于交流电的管件使用，因为电流在过零之后没有永久地中断。前提是，在电流打开时间点上存在用于真空功率开关的正确的极性。

针对所述的真空功率开关管，相应的快速的驱动优选是无振动的驱动。无振动的驱动尤其可以如此实现，即，活动接触件在于固定接触件碰触时的动能在此暂时存储在未示出的驱动单元的弹簧装置(其中可以是机械弹簧或气压弹簧)中。

附图标记列表

2 真空功率开关管

4 真空壳体

5 接触系统

6 活动接触件

8 固定接触件

10 提前点火装置

12 点火电极

14 接触块

16 电弧

18 电弧电流通路

20 点火电子器件

22 持续电流通路

24 电弧电流通路的接触面

26 持续电流通路的接触面

28 开关轴线

30 销状的凸起

32 罐状的接触件

34 蒸汽防护件

36 凸起的侧面

Claims (6)

1.一种真空功率开关，其具有真空功率开关管(2)，所述真空功率开关管包括真空壳体(4)，在所述真空壳体内布置有接触系统(5)，所述接触系统具有两个接触件(6、8)，所述接触件彼此可相对运动地布置，其中，设有电气的提前点火单元(10)，所述提前点火单元具有布置在所述真空壳体内的点火电极，用于沿电弧电流通路(18)点燃电弧，其特征在于，两个接触件(6、8)具有两个几何上相分离的电流通路(18、22)，其中，第一电流通路是所述电弧电流通路(18)，并且第二电流通路是持续电流通路(22)，并且两个接触件具有多个沿开关轴线(28)的销状的凸起(30)，其中，两个接触件(6、8)的凸起(30)相互嵌套，并且销状的凸起的侧面包括电弧电流通路的接触面，接触件利用销状的凸起沿开关轴线定向并且在闭合状态下在持续电流通路的接触面之间产生接触，并且所述电弧电流通路(18)的接触面(24)在真空功率开关的闭合状态下彼此无接触地布置。

2.按照权利要求1所述的真空功率开关，其特征在于，所述接触件(6、8)中的至少一个罐状地设计，并且所述电弧电流通路的接触块(14)布置在罐状的接触件的中央。

3.按照权利要求1或2所述的真空功率开关，其特征在于，所述电弧电流通路(18)的接触块(14)包括点火电极(12)。

4.按照权利要求3所述的真空功率开关，其特征在于，所述点火电极(12)布置在蒸汽防护板(34)上。

5.按照权利要求1所述的真空功率开关，其特征在于，所述电弧电流通路(18)的接触面(24)具有比持续电流通路的接触面更大的表面。

6.按照权利要求5所述的真空功率开关，其特征在于，所述电弧电流通路(18)的接触面(24)具有相对于持续电流通路的接触面至少两倍大的表面。

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