功率开关

摘要

本发明涉及一种功率开关，其在通过绝缘气体充满的壳体中具有至少一个用绝缘气体充满沿着纵轴线(2)延伸的且基本径向对称安装的、包括至少两个功率触点(5，6)和一个附属于功率触点的电弧室(4)的灭弧室(1)。该电弧室(4)与至少一个具有排气容积(12)的排气装置处于功能连接，该排气装置用于冷却在断开时产生的热气。所述排气装置与灭弧室容积(22)连接。这个功率开关的断开功率应该明显地提高，其中应该相对简单且成本经济地建立排气。这一点由此实现，在排气部位设有至少一个提高热气流阻的强制产生的再循环区(29)。

权利要求

1.功率开关，它在通过绝缘气体充满的壳体中具有至少一个沿着纵轴线(2)延伸的且基本径向对称地安装的灭弧室(1)，所述灭弧室(1)包括至少两个功率触点(5，6)和一个配属于所述功率触点的电弧室(4)，其中，所述电弧室(4)与至少一个具有排气容积(12)的排气装置处于功能连接，该排气装置用于冷却在断开时产生的热气，并且该排气装置与灭弧室容积(22)连接，其中，在排气部位中设有至少一个提高热气流阻的强制产生的再循环区，其特征在于，-来自所述电弧室(4)的热气流到中间容积(10)，并且-连接在所述中间容积(10)上并具有一个喷嘴收缩部分(18)且构成了拉瓦耳式喷管的通流管(17)导引到与所述灭弧室容积(22)连接的排气容积(12)。

2.如权利要求1所述的功率开关，其特征在于，-在所述中间容积(10)中设有至少一个伸进热气流中的挡板(11)，在该挡板下游构成第一再循环区(29)。

3.如权利要求2所述的功率开关，其特征在于，-在热气到所述中间容积(10)的入口与所述挡板(11)之间的距离是L1，-在所述挡板(11)和所述喷嘴收缩部分(18)之间的距离是L2，-在所述喷嘴收缩部分(18)与所述通流管(17)的出口棱边(17a)之间的距离是L3。

4.如权利要求3所述的功率开关，其特征在于，-在所述距离之间满足下面的关系式：L2＝0.7L1，和/或-L3位于两倍至三倍于所述通流管(17)的喷嘴收缩部分(18)的直径的范围内。

5.如权利要求3或4所述的功率开关，其特征在于，-所述挡板(11)具有基本与以面积FD表示的热气到中间容积(10)中的入口面积等效的面积，和/或-以面积F1表示的所述通流管(17)在所述出口棱边(17a)处的横截面积与面积FD相同，和/或-位于所述挡板(11)与壁体(14)之间的圆环面积FA为面积FD的30％至80％，和/或-表示通流管(17)的喷嘴收缩部分(18)的横截面积的面积FE为面积FD的50％至70％。

6.如权利要求5所述的功率开关，其特征在于，-所述圆环面积FA为面积FD的约50％。

7.如权利要求1到4中任一项所述的功率开关，其特征在于，-在所述排气容积(12)中设有用于使热气流以180°的角度转向的机构。

8.如权利要求5所述的功率开关，其特征在于，-在所述排气容积(12)中设有用于使热气流以180°的角度转向的机构。

9.如权利要求6所述的功率开关，其特征在于，-在所述排气容积(12)中设有用于使热气流以180°的角度转向的机构。

10.如权利要求7所述的功率开关，其特征在于，-表示所述通流管(17)的出口棱边(17a)与限定了所述排气容积(12)的排气外壳(19)之间的横截面积的圆环面积F2为面积FD的50％至70％，和/或-用一个圆环面积F3表示位于所述通流管(17)的喷嘴收缩部分(18)与排气外壳(19)的假想延长线之间的横截面积，该圆环面积F3与面积FD基本相同，和/或-在收缩部分(16)的外壁与排气外壳(19)的端部棱边(21)之间保留一个圆柱形出口面积F4，它与面积FD相同。

11.如权利要求8所述的功率开关，其特征在于，-表示所述通流管(17)的出口棱边(17a)与限定了所述排气容积(12)的排气外壳(19)之间的横截面积的圆环面积F2为面积FD的50％至70％，和/或-用一个圆环面积F3表示位于所述通流管(17)的喷嘴收缩部分(18)与排气外壳(19)的假想延长线之间的横截面积，该圆环面积F3与面积FD基本相同，和/或-在收缩部分(16)的外壁与排气外壳(19)的端部棱边(21)之间保留一个圆柱形出口面积F4，它与面积FD相同。

12.如权利要求10所述的功率开关，其特征在于，-热气以出口角度α通过所述圆柱形出口面积F4导入到所述灭弧室容积(22)中，和-该出口角度α为约30°。

13.如权利要求11所述的功率开关，其特征在于，-热气以出口角度α通过所述圆柱形出口面积F4导入到所述灭弧室容积(22)中，和-该出口角度α为约30°。

14.如权利要求7所述的功率开关，其特征在于，-在以拉瓦耳式喷管构成的、设置在附着于所述中间容积(10)上的通流管(17)中的喷嘴收缩部分(18)的后面，在所述通流管(17)的壁体中设有开孔(25)，所述开孔(25)使气体进入到所述通流管(17)的内部，由此在断开时强制产生第二再循环区(31)。

15.如权利要求8所述的功率开关，其特征在于，-在以拉瓦耳式喷管构成的、设置在附着于所述中间容积(10)上的通流管(17)中的喷嘴收缩部分(18)的后面，在所述通流管(17)的壁体中设有开孔(25)，所述开孔(25)使气体进入到所述通流管(17)的内部，由此在断开时强制产生第二再循环区(31)。

16.如权利要求2所述的功率开关，其特征在于，-在所述挡板(11)上游的距离A处设置一个孔板(23)，所述孔板(23)配有开孔(24)，其中所述开孔(24)具有直径D1。

17.如权利要求16所述的功率开关，其特征在于，-A/D1的比例为2，和

-所述开孔(24)之间的距离位于大于两倍的直径D1的范围内。

18.如权利要求2所述的功率开关，其特征在于，-所述挡板(11)配有均匀分布在圆周上的且具有相同深度的窄切口(27)，-处于切口(27)之间的叶片(28)风轮式弯曲地构成。

说明书

技术领域

本发明涉及一种功率开关。

背景技术

由专利文献CH 645 753已知一种功率开关，它可以用于高压电网。这个功率开关具有旋转对称构成的灭弧室，它以作为灭弧和绝缘介质的负电气体、例如SF6气体充满。该灭弧室具有一个电弧室，在其中灭弧和绝缘介质通过在两个功率触点之间燃烧的断开电弧电离并加热。一部分加热的灭弧和绝缘介质通过绝缘喷嘴排流到排气容积，在那里它通过冷却装置冷却并转向。已加热的灭弧和绝缘介质与在排气装置中存在的冷气体的混合只能以相对微小的程度实现，因为绝大部分冷气体在实现有意义的混合之前被已加热的灭弧和绝缘介质从排气装置顶出去。对于这个功率开关保持尽可能小的流阻，冷却装置使流阻抵抗通流气体。冷却的且去电离的灭弧和绝缘介质继续用于其它的接通过程。
所述冷却装置具有冷却板，它们费事地有利流动地成形并且必需费事地保持住，此外它们由阻燃的并因此相对昂贵的金属制成。在这里只以非常微小的程度使已加热的灭弧和绝缘介质通过与冷气体混合实现冷却。

发明内容

本发明的目的是实现一种具有明显更高断开功率的功率开关，其排气相对简单且成本经济地建立并且它特别有效地冷却热气体。
按照本发明的功率开关在通过绝缘气体充满的壳体中具有至少一个沿着纵轴线延伸的且基本径向对称安装的、包括至少两个功率触点和一个包含配属于功率触点的电弧室的灭弧室。该电弧室与至少一个具有排气容积的排气装置处于功能连接。该排气装置用于冷却在断开时产生的热气，并且排气装置与灭弧室容积连接。在排气部位设有至少一个提高热气流阻的强制产生的再循环区。来自电弧室的热气流到中间容积，并且连接在中间容积上并具有一个喷嘴收缩部分且构成了拉瓦耳式喷管的通流管导引到与灭弧室容积连接的排气容积。
在按照本发明的功率开关的一种变型方案中，在断开时来自电弧室的热气流到中间容积，在中间容积中设有至少一个伸进热气流中的挡板。在中间容积上附着一个具有一个喷嘴收缩部分的、构成拉瓦耳喷管式的通流管，它导引到与灭弧室容积连接的排气容积。
这样构成所述功率开关的一种优选实施方式，在热气到中间容积的入口与挡板之间的距离是L1，在喷嘴收缩部分和挡板之间的距离是L2，在喷嘴收缩部分与通流管的出口棱边之间的距离是L3，在所述距离之间满足下面的关系式：L2＝0.7L1，和/或L3位于两倍至三倍于通流管喷嘴收缩部分的直径的范围。
在另一优选实施例中：挡板具有基本与以面积FD表示的热气到中间容积中的入口面积等效的面积；和/或，以面积F1表示的通流管在出口棱边处的横截面积与面积FD相同；和/或，位于挡板与壁体之间的圆环面积FA为面积FD的30％至80％；和/或，表示通流管的喷嘴收缩部分的横截面积的面积FE为面积FD的50％至70％。
在所述功率开关的特别有效的另一变型方案中，在排气容积中设有机构，它们使热气流以直到180°的角度转向。
在另一优选实施例中：表示通流管的出口棱边与排气外壳之间的横截面积的圆环面积F2为面积FD的50％至70％；和/或，用一个圆环面积F3表示位于所述通流管的喷嘴收缩部分与排气外壳的假想延长线之间的横截面积，该圆环面积F3与面积FD基本相同；和/或，在收缩部分的外壁与排气外壳的端部棱边之间保留一个圆柱形出口面积F4，它与面积FD相同。
所述功率开关的一种适合于特别大的断开功率的变型方案在通流管中具有开孔，它们使气体附加地进入到通流管里面，由此构成强制产生的第二再循环区，在其中热气特别有效地与较冷的气体混合并被冷却。
通过本发明实现的优点是，由于特别好地冷却热气保证热气的持续容积减小并由此使来自电弧室的热气最佳地流出，由此对于基本相同的灭弧室尺寸实现明显更高的功率开关断开功率。
同时也有利地提高在功率开关断开时的可靠性。
本发明的其它有利结构方案见下文。

附图说明

下面借助于附图详细描述本发明、其改进方案和由此实现的优点，附图仅仅表示一种可能的实施途径。附图中：
图1以局部剖面图示出封盖的功率开关的第一实施方式的特别简化且示意示出的灭弧室，
图2是按照图1的灭弧室排气部位的特别简化且示意示出的局部剖面图，
图3是按照图1的灭弧室的另一排气变型方案的特别简化且示意示出的局部剖面图，
图4示出简化示出的排气细节的实施变型方案。

具体实施方式

对于所有附图相同功能的元件配有相同的附图标记。未示出且不描述所有对于直接理解本发明无需的元件。
一个功率开关可以具有一个或多个串联的、以绝缘气体充满的灭弧室，它们按照传统的开关原理工作，即例如作为自动鼓风室、作为具有至少一个附加压缩活塞装置的自动鼓风室或者作为简单的压缩活塞开关。所述功率开关由封盖的功率开关构成，其中作为封盖材料可以选择金属或塑料。所述功率开关也可以是露天开关，即是由金属封盖的气体绝缘的开关设备的一部分或者是断路器。图1是一个功率开关的第一实施方式的特别简化且示意示出的灭弧室在断开过程期间的局部剖面图，其中未示出通常总是在所述功率电流路径旁边存在的平行的额定电流路径。
这个灭弧室1在这里例如旋转对称地构成并且沿着一个纵轴线2延伸.该灭弧室1在这里由同心设置的且接地的金属外壳3气密地包围.未示出使灭弧室1固定在金属外壳3里面的电绝缘固定体.该灭弧室1具有一个电弧室4，在其中在断开过程期间在两个杆状功率触点5与6之间燃烧电弧7.在这里功率触点5是活动触点，而功率触点6是位置固定的触点，但是出于简化性未示出其机械固定.但是灭弧室变型方案也可以相应地配备两端活动的功率触点或者两端固定的功率触点.所述电弧室4在径向通过绝缘喷嘴9的内壁限定.该绝缘喷嘴9在中间容积10的方向上敞开.该绝缘喷嘴9可以固定地构成，但是也可以如同在这里所示的那样与功率触点5共同移动.
在断开时电弧7以公知的方式加热电弧室4中的绝缘气体。绝大部分已加热的、电离的且以压力加载的气体通过绝缘喷嘴9流出到中间容积10。由绝缘喷嘴9排出的锥形热气流碰撞到一个固定在位置固定的功率触点6上的通常金属的挡板11上。这个圆形的挡板11使热气流转向并由此防止热气流直接轴向继续流动到排气容积12里面。箭头13表示这个热气从电弧室4到排气区并穿过这个排气区的一般通流方向。
该中间容积10在径向上通过金属壁14限定。在面对绝缘喷嘴9的一侧上在壁体14上在轴向附着一个管接头15，它具有一个比通过壁体14向外限定的中间容积10更小的直径。在这个管接头15中轴向导引绝缘喷嘴9的外表面。在背离管接头15的一侧上在中间容积10的壁体14上附着一个收缩部分16，它使中间容积10限定在这个侧面上。从壁体14到收缩部分16的过渡具有一个半径R。这个半径R支持热气在中间容积10中的转向。对于40kA至70kA范围的断开电流选择25mm范围的半径R，由此使冷却的排气气体的出口角度α约为30°。所述收缩部分16过渡到一个轴向延伸的拉瓦耳喷管式构成的金属的通流管17，它在面对中间容积10的一侧上具有一个喷嘴收缩部分18，并且它向着排气容积12敞开。该通流管17在排气容积12方向上的端部称为出口棱边17a。因此该拉瓦耳喷管式构成的通流管17使中间容积10与排气容积12连接。
所述排气容积12通过流体有利地构成的金属的排气外壳19限定，它使热气以直到180°的角度转向。该排气外壳19的圆柱形部分具有与中间容积10一样的外径并且包围通流管17，其中在通流管与排气外壳19之间保留一个具有圆形的用于通流已经略微冷却的热气的横截面的通道。在收缩部分16与排气外壳19的端部棱边21之间保留一个圆柱形的出口面积，通过它使继续冷却的气体倾斜地流到在灭弧室容积22。在灭弧室容积22中的绝缘气体包围上述的灭弧室1的有效部件并且使它们与金属外壳3绝缘。
所述中间容积10具有直到挡板11的长度L1。从挡板11直到喷嘴收缩部分18以距离L2表示，通流管17从喷嘴收缩部分18直到出口棱边17a具有长度L3。对于排气结构的冷却功率已经证实特别有利的长度比是：L2＝0.7L1。当能够轻易地实现排气结构的较大长度时，则在这里也可以实现L1的70至100％的数值。有利地这样选择通流管17的长度L3，使得它对应于喷嘴收缩部分18的三倍直径。但是如果这样选择通流管17的长度L3，使得它位于喷嘴收缩部分18直径的两倍至三倍的范围，则达到满意的排气效率。
图2是按照图1的灭弧室的排气区的特别简化且示意示出的局部剖面图。在这个图2中示出对于排出来自电弧室的热气重要的横截面。FD面积表示来自绝缘喷嘴9的热气出口面积或者说热气到中间容积10的入口面积，所述挡板11具有基本与面积FD等效的面积。该面积是一个圆环面积FA，它位于挡板11与壁体14之间。面积FE表示通流管17的喷嘴收缩部分18的横截面。面积F1表示来自通流管17的出口面积，其中在这里该面积F1基本与面积FD相同.位于通流管17的出口棱边17a与排气外壳19之间的面积是圆环面积F2。圆环面积F3表示位于通流管17的收缩部分与排气外壳19的假想延长线之间的横截面。在收缩部分16与排气外壳19的端部棱边21之间保留一个圆柱形的出口面积F4。
在包括上述长度比例的最佳排气结构中面积FD、挡板11的面积和面积F1基本相同地构成。这样构成围绕挡板11的圆环面积FA，使得它为面积FD的30至80％。如果满足关系式：FA＝50％FD，则得到最佳的排气效率。一般这样设计面积FE和F2的尺寸，使得它们位于FD的50至70％的范围内。圆环面积F3基本与面积FD相同，并且出口面积F4也是同样。
在图3中示出上述排气区的其它结构方案。下述的变型方案可以根据所要求的灭弧室1的排气效率使用其本身或者与第二或第三变化的组合。在挡板11上游在这里安装一个第二金属板、一个圆形的孔板23，它配有许多开孔24。在孔板23与基本相同直径的挡板11之间具有一个距离A。当这些开孔24的直径分别为D1时，如果比例A/D1为2，则得到特别好的热气冷却，但是在A/D1＝1.5至5的整个范围里实现相对好的冷却效果。开孔24之间的距离通常位于大于两倍直径D1的范围。
在通流管17中顺着喷嘴收缩部分18可以设有附加的开孔25。这些开孔25可以不同地成形，它们使通流管17内部与通流管17外部的圆形容积连接。此外在排气外壳19中在通流管17开孔对面固定一个有利通流的转向体26，它易于实现热气流的180°转向。
图4以俯视图和右侧的局部剖面图示出挡板11的另一实施变型方案。圆形的金属挡板11配有均匀分布在圆周上的且深度基本相同的窄切口27。保留在切口27之间的叶片28分别以约30°风轮式地弯曲。通过挡板11的这种结构实现热气流的特别有效的涡流并由此实现热气流的特别良好的冷却。未示出用于使挡板11与功率触点6连接的装置。
为了描述工作原理现在更加详细地观察上述附图。箭头13表示通过电弧7产生的热气穿过灭弧室1排气区的一般流动。在来自绝缘喷嘴9的热气流出后它们碰撞到挡板11并且略微转向。所述挡板11接收热气的热能，壁体14也是如此。通过这个冷却略微降低通流热气的体积。然后热气绕流挡板11并碰撞到收缩部分16，其中热气再一次转向并且通过将能量给到收缩部分16的材料上进一步冷却并由此减小体积。
位于挡板11下游的中间容积10的部位部分地作为通流气体的再循环区29。再循环区29的区域通过虚线表示的箭头30示意表示。在再循环区29中形成有效的通流，它使热气与位于中间容积10中的较冷的绝缘气体实现特别好的混合。通过热气与位于中间容积10中的较冷绝缘气体的这种混合从热气中去除大部分热能。在中间容积10边缘部位中产生的涡流尽管改善热气到限制体材料的热传递，但是其排气冷却作用的部分通常是不重要的。
然后这种混合的且进一步冷却的气体流进通流管17，其中气体通过喷嘴收缩部分18首先变窄。因为通流管17在喷嘴收缩部分18后面拉瓦耳喷管式地扩展，在那里提高气体通流速度，由此产生负压，该负压附加地穿过喷嘴收缩部分18抽吸气体。通过这种效应有利地提高位于在挡板11下游的再循环区29的气体混合强度。通过通流管17的壁体同样接收并排出热气的热能。
热气首先离开电弧室4绝大部分在轴向流动，但是在从通流管17流出后它们在这里通过排气外壳19以180°转向并且在通流管17外部与初始的通流方向相反地导引.金属的排气外壳19同样接收从热气中取出的热能.在气体转向时强制产生的涡流改善该热传递.通过气体流的这种完全转向缩短排气区的结构长度，这使灭弧室1有利的减小并由此使灭弧室成本更低.但是完全可以设想，当几何比例允许时安置相对较大的排气容积12，则可以省去上述转向.
然后进一步冷却的气体在通流管17外表面与排气外壳19之间继续在灭弧室容积22的方向上流动。如图2所示，通流的圆环面积F2在进入这个部位时小于圆环面积F3，或者说在从这个排气区流出时小于圆柱形出口面积F4，因此气体通流速度明显降低，由此在这个部位气体压力略微升高。从收缩部分16到壁体14的过渡具有一个半径R。对于在40kA至70kA范围的断开电流选择25mm范围的半径R，由此实现冷却的排出气体到灭弧室容积22的约30°的出口角度α。通过冷却的排出气体的这种倾斜流出使在气体流中还存在的电离的颗粒在较长的路径上通过在灭弧室容积22中存在的冷的绝缘气体冷却，由此使它们可以没有飞弧地导入到电压加载有效的灭弧室部件与通常接地的金属外壳3之间。对于从圆柱形出口面积F4接近径向的气体流出在任何情况下都可能不能保证足够的耐压强度。
在图3中示出的灭弧室1的实施变型方案改善了排气的效率。安置在挡板11前面的孔板23明显改善了挡板11的冷却效果。
在另一变型方案中，因为在通流管17外部的气体压力高于在通流管内部的压力，在通流管17中开孔25允许略微冷却的气体从通流管17外部进入内部。因此在通流管17中并且在通道20中在这里构成另一再循环区31，它们以虚线示出的箭头32表示。在这种同样强制产生的再循环区31中产生热气与冷气继续强烈的混合并由此产生更好的热气冷却。由此继续提高在通流管17中的排出气体的通流速度。
拼接在排气外壳19中的转向体26有利地减小在气体流转向时在相反方向上的通流阻力。此外该转向体26从气体流中取出其它热能。
如图4所示，具有分布在圆周上的径向窄的切口27的圆形金属挡板11引起特别有效的热气流涡流。通流通过风轮式交错的叶片28获得一个旋涡，它附加地强化通流。直接穿过切口27的热气流在挡板11后面的再循环区29引起一个比其它所述挡板11的实施方式更强烈的热气与冷气的混合并由此在这个部位产生更有效的热气冷却。
所有独立的或者组合的措施有利地提高了功率开关本身的断开能力。如果要进一步提高功率开关的效率，则也使相对于固定的功率触点6活动的功率触点5的排气区的几何结构与上述实施方式类似地构成，由此使在活动的功率触点5一侧从电弧室4在灭弧室容积22方向上排出的热气类似地有效冷却，并由此进一步有利地减少通流的热气的容积。在功率开关的灭弧室的两侧配有这种改善的热气冷却的功率开关具有明显比具有相同尺寸的传统功率开关更高的断开功率。
也完全能够实现没有挡板11和没有孔板23的排气变型方案。对于这个排气实施变型方案仅仅通流管27配有开孔25，因此在功率开关的断开过程中再循环区31作为唯一的再循环区并且在这个部位实现热气的强烈冷却。这种排气变型方案同样可以实现后置于通流管17的气体转向。
附图标记列表
1      灭弧室       22           灭弧室容积
2      纵轴线       23           孔板
3      金属外壳     24           开孔
4      电弧室       25           开孔
5，6   功率触点     26           转向体
7      电弧         27           切口
8      箭头         28           叶片
9      绝缘喷嘴     29           再循环区
10     中间容积     30           箭头
11     挡板         31           再循环区
12     排气容积     32           箭头
13     箭头         α           出口角度
14     壁体          R           半径
15     管接头        L1，L2，L3 不同的长度
16     收缩部分      FD          面积
17     通流管        FA          圆环面积
17a    出口棱边      FE，F1      面积
18     喷嘴收缩部分  F2.F3       圆环面积
19     排气外壳      F4          出口面积
20     通道          A           距离
21     端部棱边      D1          直径