具有相对双运动触点系统的断续器装置

摘要

一种用于改善高压断路器的中断性能的断续器装置，包括：第一可动触点组件，其中包括由绝缘护罩(3)封装的插座(1)，所述插座保持在支座或保护体积(2)和动态载流触点组件(4)上，其中所述插座触点组件(1，2，3)与动态触点(4)通过喷嘴(5)偶联；第二可动触点组件(6)，设置在动态场控电极(7)内，并且所述设备被定位在静态载流触点组件内部，其中包括静态载流触点(8)和静态CC触点屏蔽件(9)；三个相关的体积，用于实现在中断时稳定的气体流速，其中第三体积(14)与所述保护体积(2)串联偶联；其中主驱动器被偶联到动态场控电极以实现相对运动触点系统。

权利要求

1.一种用于改善高压断路器的中断性能的断续器装置，包括：

-第一可动触点组件，包括由绝缘护罩(3)封装的插座(1)，所述插座被保持在支座或保护体积(2)和动态载流触点组件(4)上，其中插座触点组件(1，2，3)与动态载流触点组件(4)通过喷嘴(5)偶联；

-第二可动触点组件(6)，设置在动态场控电极(7)内并且所述第二可动触点组件(6)被定位在静态载流触点组件内部，该静态载流触点组件包含静态载流触点(8)和静态载流触点屏蔽件(9)；

-三个相关的体积，用于在中断时实现稳定的气体流速，其中第三体积(15)与所述保护体积(2)串联偶联；

-其中主驱动器被偶联到动态场控电极以实现相对运动触点系统。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述插座触点组件(1，2，3)和动态场控电极(7)通过轨迹板(16)相偶联。

3.根据权利要求2所述的装置，其中轨迹板(16)通过剪刀杆设备(26)被偶联到喷嘴(5)。

4.一种被定位在断续器装置中的双运动触点系统，包括：

-第一可动触点组件，还包括由绝缘护罩保护的插座和动态载流触点，其中所述插座被设置在支座装置上；

-第二可动触点，被设置在动态场电极内，该动态场电极位于静态载流触点组件内，其中所述第二可动触点在基本驱动系统的控制下，所述可动触点中的至少一个在电流中断期间相对于另一个独立地工作，销(06)通过机械设备(21)被连接到带电链路(17)，在闭合操作的特定时刻，所述机械设备(21)进行操作，并且由阻尼器(19)引导的销被压，这本身又导致销(06)的运动和弹性能量在阻尼器(19)中的存储，一旦断路器闭合，机械设备(21)和带电链路(17)之间的拨动确保了销的位置；通过断续器的断开命令重新激发拨动，并且随着销(06)在受控下行进，所述销起超出特定行进的静态触点的作用；

所述触点的相对运动，其中销(06)在断开操作期间自己工作，因为在先前的闭合操作期间在弹簧/阻尼器中存储/获得了这种运动所需的必要能量。

说明书

具有相对双运动触点系统的断续器装置

技术领域

[0001] 本发明涉及先进的气体断续器装置.特别地，其涉及具有双运动触点系统的断续器.

背景技术

[0002] 当故障电流被断路器中断时，在发弧触点之间触发电弧.电弧的能量含量取决于电流的大小、电弧的长度以及类似的其它参数.由于电弧的温度相当高，其分解绝缘介质(气体)和暴露于电弧的材料.在升高的温度下的化学反应的副产物也累积在附近使绝缘不稳定，并且应当被移除以维持用于随后中断的电极间间隙的介电性质.

[0003] 在常规的断续器中，两个触点中的一个是固定的，移动触点由操作机构驱动并且在触点分离(图1(a))时触发电弧。在零电流时，电孤被自然地熄灭，将所形成的电极间间隙暴露于系统和瞬态恢复电压.如果间隙不能承受这些电压，间隙重新点火或电弧被重新触发.对于机械约束，在常规断续器中仅可以产生有限的电极间间隙，促进对于EHV断路器的多个断路(break)的使用.高达245kV的单断路断路器设计是常见的，超过该额定值，串联使用两个或更多个断路以形成一个断路器。多重断路需要像分压电容器等电压均衡装置，影响断路器的可靠性和成本。

[0004] 另外，常规断续器使用静态场分布电极，导致随着触点分离而改变场强度。更清楚地，当屏蔽件被固定时，静电场和电极间间隙的电压承受能力受到限制。为了克服这种约束并实现所需的断续器性能，设计者采用过量气体和更高的压差.

[0005] 一些与本主题相关的专利发明是US 20080257866A1、US 4937406和US 5739495。

[0006] US 20080257866A1公开了涉及一种用于高或中压类型的断路器(1)的发明，其具有偶联到驱动构件的驱动杆(70)和面向它的断路室(2)，并且具有两个触点(3，4)，每个触点(3，4)包含主触点(分别为30，40)和发弧触点(分别为31，41)，其中两个触点(3)中的一个被固定到喷气(blast)或灭火喷嘴(32)。根据该发明，第二触点(4)和驱动杆(70)通过偶联装置(6)以这样的方式连接在一起，使得它们在相同方向上一起平移移动，传输装置(5)设置在该室(2)的与驱动杆(70)相邻的一侧(21)上，并且适于将受驱动的第二触点(4)的运动传递到第一触点(3)。

[0007] US4937406公开了一种绝缘体型气体电路断续器，其包括用于闭合和分离主电路和绝缘管的可动触点和固定触点，其中限定了截头圆锥形构造的灭弧室.可动触点在截头圆锥形灭弧室的较小内径侧设置在截头圆锥形灭弧室中，并且固定触点在截头圆锥形灭弧室的较大内径侧设置在截头圆锥形灭弧室中.将电绝缘气体密封在截头圆锥形灭弧室内部。

[0008] US 5739495公开了：PCT No.PCT/DE95/00631Sec.371，日期为1996年11月26日，Sec.102(e)，日期为1996年11月26日，PCT申请日为1995年5月8日；PCT公开号为WO95/33274，PCT公开日期为1995年12月7日.压缩气体断路器配备有彼此同轴相对布置的两个触点，两个触点中的至少一个可以被驱动以在轴向方向上移动。这两个触点在断开状态中限定一触点间隙。断路器还具有由绝缘材料形成的喷嘴，其连接到驱动触点并且包围触点间隙的至少一部分。该发明要求高强度塑料管同轴地抵靠绝缘喷嘴的外侧，以便防止喷嘴由于灭弧气体压力的增加而径向膨胀。

[0009] 发明目的

[0010] 因此，本发明的目的是提供具有可动的屏蔽机构的改进的断续器装置.[0011] 本发明的另一个目的是实现第二可动触点上最低的电应力水平。

[0012] 本发明的另一个目的是在电流中断期间排出孤后气体(arced gas)。

[0013] 本发明的另一个目的是通过新颖的轨迹板实现动态场控电极的预定速度的行进特性。

[0014] 本发明的另一个目的是在行程结束时特别是对于更高的故障电流限制非常高的压力。

[0015] 本发明的又一个目的是提供电极间间隙(电流传递触点系统)的保护以免受热/导电气体的污染。

发明内容

[0016] 为了成功的中断，基本的设计要求是：足够的电极间间隙；气体的最佳介电性质和电极间间隙中的场均匀性.为了解决这些要求中的一些，已经创新了可动的屏蔽方案。因此，提供了一种具有被动态场控电极围绕的销的断续器装置，其被配置为具有相对运动触点系统。根据本发明，通过合适的称为带电链路(charging link)的偶联器(coupler)将喷嘴偶联到轨迹板，带电链路本身又控制动态场控电极的运动。本发明还提供了一种断续器装置，包括具有三个策略性耦合体积的双运动触点系统，以在中断时实现有效的气体流速。整个触点系统被例如六氟化硫(SF6)或SF6气体与其它绝缘气体或等效气体的混合物的加压气体所包围.进一步地，轨迹板的轮廓以这样的方式设计，使得可以调节触点之间的动态场电极的位置以获得最大的益处，防止热气体在触点系统的电极间间隙中的停滞/占用。此外，本发明提出并要求保护一种相对运动系统，其中销在电流中断期间自己工作。在先前的关闭操作期间，存储/获得该运动所需的必要能量.本设计的新颖性在于，销再次处于基本驱动系统的控制下，并且确保了触点系统的适当的闭合和断开.本发明的断续器还包括减少断续器的操作能量的特征.本发明的另一个实施例是顶部圆盖，其是轨迹板的壳体并且覆盖双运动机构、轨迹板和带电链路、导杆并提供均匀的电场.剪刀杆设备在本发明中用于将喷嘴偶联到用于动态场控电极的操作的动态场控电极.由于电流中断产生的电弧能量，本发明还提供了对可动触点的附加运动.

附图说明

[0017] 图1-常规的断续器和具有双运动机构的断续器.

[0018] 图2-常规的断续器壳体.

[0019] 图3-常规的绝缘喷嘴

[0020] 图4-第一可动触点组件

[0021] 图5-动态场控电极组件。

[0022] 图6-用于将喷哺偶联到动态场控电极的剪刀杆设备。

[0023] 图7-所发明的绝缘喷嘴组件.

[0024] 图8-所发明的柔性偶联装置(flexible coupling).

[0025] 图9-所发明的具有提出的设计特征的断路器.

具体实施方式

[0026] 通常地，为了限制在中断期间出现在触点两端的电压，优选多个断路。多断路系统由同一驱动器操作，该驱动器需要更高的能量驱动以用于其操作。为了克服这个问题，已经将双运动触点系统确定为替代解决方案(图1(b))。然而，在所有的这些系统中，第二可动触点，即除了基本移动触点之外，从操作机构获得足够部分的能量.在一些常规断路器中，这种系统具有相对高的能量需求并且难以用低能量机构操作(参见：US 20080257866A1).[0027] 在可动和固定触点之间的静电场由于诸如电极轮廓和触点的相对位置的各种原因而是不均匀的.场强化(field intensification)不利地影响着气隙的电压承受能力。热和导电气体的可用性使得防止成功中断的情况进一步复杂化.在大多数断续器中，离开喷嘴之后的孤后气体可能由于不适当的沟道而溢出到触点系统中，并且这可能导致热故障。超过电流中断期间的特定时刻，最小发弧(arcing)时间由跨越电极间气体间隙移除发弧气体的效率和发弧触点之间的静电场的均匀性决定。为了克服这一问题，喷嘴的沿面长度(creepage length)以不同的方式增加。然而，系统的性能是有限的，并且没有一个中断器被用于全部能力。在一些现有设计中，触点系统被布置在没有发弧室组件的金属外壳中.这种布置可能由于不包含弧后气体而在电流中断期间引起过早的气体击穿，并且可能直接与金属外壳接触(参见图2(a)).在常规的绝缘发孤室的设计中，当触点处于断开状态时，穿过绝缘体的静电场可以接近均匀.在没有集成到绝缘发孤室的屏蔽件的情况下，不能通过发弧和载流触点屏蔽件来将表面应力控制到需要的程度(参见美国专利4937406).然而，在断开操作(即从闭合状态到断开状态)期间，发孤触点脱离其屏蔽件，并且跨触点系统和绝缘发孤室的静电应力显著增加，并且可能在较低恢复电压下引起飞弧(flashover)(参见图2(b)).

[0028] 电极间间隙的介电强度不仅取决于孤后气体的有效去除，而且还取决于占据发弧过的气体区域的新鲜气体的密度.在常规的断续器中，一旦气体从喉部释放到扩张区，则由于气体的突然膨胀，存在马赫数大于1的可能性(参见：美国专利5739495).由于增加的马赫数，在喉部区域附近的气体压力突然下降，有时是负的(参见图3)。这反过来产生低气体密度区域，其对于在电流中断期间耐受瞬态恢复电压变得至关重要.

[0029] 在本发明中，由高导电性和低侵蚀材料制得的插座(01)被保持在插座支座或保护体积(protection volume)(02)上.该插座被由低侵蚀绝缘材料制得的绝缘护罩(03)所覆盖。喷嘴(05)被安装于动态载流(CC)触点(04)和插座触点组件上。插座(01)、绝缘护罩(03)和载流触点(04)被称为插座触点组件。图4示出了第一可动触点组件。

[0030] 在断续器完全断开状态下，销(06)被动态场控电极(07)包围.该销位于动态场电极内部，并且该布置再次在静态载流(CC)触点组件内部.该销的尺寸被确定为使得其促进两个触点之间的均匀静电场。销的尺寸也由待中断的故障电流、需要中断所有可能的测试任务的压力窗口决定.静态载流触点组件包括静态载流(CC)触点(08)和静态载流触点屏蔽件(09)。发孤触点系统和载流触点系统被放置在绝缘的发弧室组件(10)中。绝缘的发弧室组件由在任一侧上集成到绝缘的发弧室的(屏蔽电极的)HT屏蔽件I(11)和HT屏蔽件II(12)组成。绝缘室由在真空/压力下缠绕和侵渍有环氧树脂的这些纤维或等同材料的组合的芳族聚酰胺/芳纶制成.绝缘室的内和外表面可抵抗发孤过的SF6气体.HT屏蔽件的轮廓是在发弧触点系统和载流触点系统之间保持均匀的电场。

[0031] 本发明的装置由三个策略性偶联的体积(volume)构成。该布置的目的是实现中断时的有效气体流速.第一体积是压缩体积(13)，其中活塞-气缸设备允许在中断期间通过常规地偶联到操作机构/驱动器的活塞的运动来存储冷气体及其压缩。在闭合操作期间，新鲜气体被收集并保留在该体积中。第二个是膨胀体积(15)，其中可用气体在触点分离/发孤期间直接暴露于电弧.第三体积是中间体积(14)，其中存储的气体通过膨胀体积(15)气体而被压缩，并且其中由于通过膨胀体积气体和通过混合这两种压缩，气体压力在发弧期间上升。存在一个与压缩体积串联的被称为保护体积(02)的附加体积.在断开操作期间的行程结束时，该体积有助于避免产生过多的气体压力并且不会加载该机构.断路器为压缩体积(13)提供备用体积的另一个目的是在较高的发弧周期期间限制极高的压力，因为在两级喷气中断中压缩体积(13)中的建立的压力高得多.该保护体积(02)应进行优化，以便在空载/轻载状态期间的中断不受影响。

[0032] 在断续器断开状态下，动态场控电极(07)从静态载流触点屏蔽件(09)突出，并且动态场控电极(07)和动态载流触点(04)之间的气隙决定了耐受电压.图5示出了动态场控电极系统。整个触点系统被设计密度的SF6气体所包围.插座与静态载流触点屏蔽件隔开一设计距离，该设计距离与系统电压和SF6气体的密度成比例.

[0033] 在断开操作期间，动态场控电极(07)在其操作的预定瞬间根据预期的最小发弧时间和销(06)触点与动态场控电极(07)交叉的时刻向下移动.更清楚地，在零电流时，在存在动态场控电极(07)的情况下改善了触点之间的耐压能力。插座组件利用轨迹板(16)通过喷嘴(05)被偶联到动态场控电极(07)。轨迹板(16)的轮廓被以这样的方式设计使可以调节触点之间的动态场电极的位置以获得最大的益处。插座触点系统、动态场控电极(07)和偶联系统被布置成使在第一零电流时，热气体通过引导喷嘴(05)被排放到主体积，防止在电极间的间隙中的热气体停滞于/占用触点系统.轨迹板(16)被以这样的方式轮廓化，使得其确定以下参数：

[0034] 1.动态场控电极(07)的速度特性.

[0035] 2.动态场控电极(07)的无摩擦运行.

[0036] 3.动态场控电极(07)和动态载流触点(04)之间的气隙.

[0037] 本发明的一个实施例是通过称为带电链路(17)的合适的偶联器偶联到轨迹板(16)的喷嘴(05)，所述偶联器本身又控制动态场控电极(07)的运动.动态场电极通过导杆(18)被偶联到轨迹板(16)。带电链路(17)具有导向槽，其构造由断路器的行程和销(06)移动的距离设计.图5示出了具有动态场电极的断续器。当CB处于断开状态时，销(06)被压抵抗阻尼器(19)的力并由受电器(current collector)(20)引导.该销(06)通过机械设备(21)被连接到带电链路(17)。这种布置有助于销(06)与插座组件永久接合，并且不允许销(06)独立地移动.在闭合操作的特定时刻，机械设备(21)进行操作，并且由阻尼器(19)引导的销被压.这本身又导致销(06)的运动和弹性能量(spring energy)在阻尼器(19)中的存储.一旦断路器闭合，机械设备(21)和带电链路(17)之间的拨动(toggle)确保了销的位置；通过断续器的断开命令重新激发拨动。在断开操作期间，销(06)最初由插座、销(06)和插座(01)之间的摩擦保持.从插座(01)释放的销(06)以由存储的能量、销(06)的重量和受电器(20)提供的摩擦决定的速度移动.随着销(06)在受控下行进，它起超出这个行进的静态触点的作用。销(06)移动的距离可以通过修改机械设备(21)的设计参数来调整。一旦断开操作被完成，销通过机械设备以这样的方式被偶联到带电链路，使得其不能自己操作.图5示出了具有相对运动触点系统方案的本发明的断续器。该机械设备(21)由旋转轴(21A)组成，该旋转轴在任一端由轴承壳通过负载轴承支撑。适当的杆(21B)被用于偶联旋转轴(21A)和可移动发孤触点(销)(06).杆(21B)的尺寸和旋转角度由第二可动触点(06)的行程和速度决定.第二可动触点(06)的速度基于在最小发弧时间的断续器的介电恢复更求来设计。基于相时于触点分离之后的时刻的位置来设计动态场控电极(07)的轨迹。

[0038] 本发明提出并要求保护一种相对运动系统，其中销(06)在电流中断期间自己工作.在先前的闭合操作期间存储/获得该运动所需的必要能量.本设计的新颖性在于，销(06)再次处于基本驱动系统的控制下，并且确保触点系统的适当的闭合和断开。此外，本发明的断续器的特征在于减小了用于断续器的操作能量。

[0039] 主驱动器通过绝缘喷嘴(05)、轨迹板(16)和剪刀杆(22)被偶联到动态场控电极(07)上。轨迹板(16)被固定在该组件的顶部圆盖(23).本专利的另一个目的在于设计顶部圆顶(23)，该顶部圆顶是容纳轨迹板(16)的壳体并且覆盖双运动装置、轨迹板(16)和带电链路(17)、导杆(18)并且提供均匀的电场。顶部圆顶(23)是由薄片制成的球形，并且将一个构件(23A)集成到其中以偶联到轨迹板(16).顶部圆顶(23)设置为机械地偶联到保持机械设备(21)的双运动机构壳体(24)。导杆(18)被偶联到移动元件(25)，移动元件本身又偶联到轨迹板(16).来自喷嘴(05)的带电链路(17)通过剪刀杆设备(26)被偶联到轨迹板(16).剪刀杆设备(26)包括来自每个带电链路(17)的两个杆。来自每个带电链路(17)的一组杆(22)通过移动元件(25)被连接到另一组杠.在杆之间提供合适的引导元件和间隔件，以确保动态场控电极(07)的平滑操作.

[0040] 本发明的另一个目的是在电流中断期间引导孤后气体排出.所提出的模型防止在电流中断期间电极间间隙的热/弧后气体污染。为此，具有合适的内部引导环(28)的喷嘴保持器(27)被保持在金属管(29)内部.该金属管与动态场控电极(07)相集成。动态场控电极(07)将由位于静态载流(CC)触点(08)中的外部引导环(30)引导。由于内部和外部引导环(28，30)，从喷嘴排出的孤后气体将不被允许泄漏进触点系统中。图6示出了在本发明中使用的用于将喷嘴偶联到动态场控电极的剪刀杆设备。

[0041] 喷嘴(05)的第二端子通过机械设备(21)和能量储存装置偶联到销(06)。喷嘴(05)的第二端子处于固定电位，而不是如在一些常规系统中的汗水漂移电位.通过考虑机械、热、电和流动参数来优化喷嘴(05)设计.喷嘴(05)应能承受由驱动器提供的机械力和在发弧现象期间的气体压力上升.该设计应适用于穿过喷嘴表面的均匀静电场和有效质量(加压气体)输送。所提出的喷嘴(05)的总轮廓被分为五个区域。

[0042] 这些区域被定义为收缩区CZ1(31)、直区或喉部区域SZ1(32)、第一扩张区DZ1(33)、第二扩张区DZ2(34)和第三扩张区DZ3(35).每个区在气流中具有其重要性，并决定了在电流中断期间断路器的性能.CZ1(31)是连接中间体积(12)和喉部区域的收缩区.SZ1(32)是直区或喉部区，连接收缩到喷嘴的扩张部分。其占据的距离主要取决于移动触点系统的速度.喉部的直径取决于要被中断的故障电流。如果喉部区(32)小于要求，则来自热体积的输入压力可能不足以形成穿过触点系统的气体的必要密度.扩张区(DZ1，DZ2和DZ3)的扩张角彼此不同。DZ1(33)的扩张角约为40至60度.该区域所占的距离取决于喉部/固定触点/固定可动触点的直径.该轮廓决定在零电流时段期间SZ1区(32)和DZ1区(33)中的气体密度.

[0043] 换句话说，DZ1轮廓决定了断路器在零电流时的瞬态恢复电压的稳定性.如果该轮廓允许突然膨胀，则存在马赫数大于1(一)的可能性，并且在SZ1区(32)和扩张区DZ1(33)中存在负压.在该区中的高马赫数导致低气体密度区域并降低穿过电极间系统(跨发孤触点/喷嘴的内表面)的气体介电强度.DZ2(34)的扩张角约为2至5度。该区所占据的距离取决于移动触点/固定触点的速度(双运动)和断路器的发孤时间。发弧通道上的气体流速应足够大，以零电流前后熄灭电弧.如果DZ2区(34)的角度较小，则触点系统必须移动更长的距离以获得足够的气流并且可以增加发孤时间.DZ3(35)区的扩张角为大约40度或更大.它所占据的距离取决于用于在发孤触点(移动触点和可动固定触点)之间建立隔离的时间与最大发弧时间之间的差异。该区有助于引导弧后气体有效地排出而不会溢出到载流触点系统的区域。图7示出了本发明的喷嘴。

[0044] 该设计的另外一个目的是使用发弧能量增加第二可动触点(06)的操作速度。喷嘴设计以这样的方式实现，使得在喷嘴阻塞期间，膨胀体积(15)中的压力有助于增加第二可动触点(06)的断开速度.膨胀体积(15)中的气体压力随故障电流的增加而增加.在轻负载状态下，只有弹簧(19)能量会被用于断开第二可动触点(06).喷嘴阻塞的时间决定了建立的压力和第二可动触点(06)的速度。

[0045] 本发明的另一个目的是提供从断路器极到断路器(37)的端子的可调偶联(36)，因为它需要高质量制造以实现线性和角度精度.所提出的偶联元件(36)在两个方向上可调，并且有效地从断路器极传递电流传递电流到断路器极.这通过在偶联元件的任一侧上使用可调节间隔件(38)来实现。图8示出了柔性偶联元件。该偶联对于几十千安的较高故障电流和几千安培的较高额定电流是有效的.该偶联元件(36)由具有电流传递触点(39)的可旋转类型的圆柱形构件组成.该偶联将电流从双运动机构壳体(24)传递到断路器端子(37).该机构壳体将电流从静态载流(CC)触点(08)传递到偶联元件(36).断路器端子(37)通过支撑绝缘体(40)将电流传递到下一个GIS模块。断路器极位于接地的金属外壳(41)中.图9示出了本发明的在闭合状态下的具有用于气体断路器的相对运动触点系统和动态场控电极的断续器。