CN101088135B - 具有针对热气的密封件的大功率开关 - Google Patents

Abstract

具有电弧负荷的大功率开关具有对热气敏感和/或对气压敏感的元件(10)，该元件(10)借助于密封件(1)防止热气流(8)。优选所述密封件(1)是可活动的非接触的密封件(1)。优选该密封件(1)具有用于产生所述热气流(3)的部分-热气流(8a)的分流产生件(2a)以及用于减少所述部分-热气流(8a)的质量流量的质量流量减少件(2)和用于使所述部分-热气流(8a)产生体积膨胀的膨胀件(3)，其中后面这两个部件(2)和(3)连接在所述分流产生件(2a)的后面。所述质量流量减少件(2)优选是通道(2)。所述膨胀件(3)优选是降压室(3)。所述元件(10)可以比如是导向元件、接触元件或者密封元件。

Description

具有针对热气的密封件的大功率开关

技术领域

本发明涉及高压开关技术领域。本发明涉及一种大功率开关和一种用于防止大功率开关的对热气敏感和/或对气压敏感的元件遭受热气流的方法。 

背景技术

从现有技术中已经公开了灭弧大功率开关。在一种这样的大功率开关中，会出现因电弧而加热的气体(灭弧气体，在典型情况下为SF₆)的流动。一种这样的热气流会产生巨大的压力，并且如果其碰到可能在大功率开关中存在的对热气敏感和/或对气压敏感的元件就会损坏或毁坏这样的元件。这样的元件的损坏或毁坏就会导致大功率开关的功能故障直至其失灵。 

从DE 1271 241中公开了一种设有高压容器的灭弧的充压缩气开关，该充压缩气开关的电弧接触管通过支承的滑动密封件沿着灭弧室轴线移动。在断开过程中，所述电弧接触管与烧熔针分开，并且灭弧气体会从所述高压容器通过吹弧阀膨胀进入所述开关中。 

发明内容

因此，本发明的任务是提供一种开头所述类型的、不具有上述缺点的大功率开关，并且提供一种用于防止大功率开关的对热气敏感和/或对气压敏感的元件遭受热气流的方法。 

该任务通过一种按本发明的装置及一种按本发明的方法得到解决。 

在所述按本发明的大功率开关中，会因可能在开关过程中燃烧的电弧而形成热气流。该大功率开关具有对热气敏感和/或对气压敏感的元件，并且为防止该元件遭受热气流而设置密封件，该大功率开关的特征在于，所述密封件具有用于产生所述热气流的部分-热气流的分流产生件以及用于减少所述部分-热气流的质量流量的质量流量减少件和用于使所述部分-热气流产生体积膨胀的膨胀件，其中所述质量流量减少件和膨胀件连接在所述分流产生件的后面。 

通过所述密封件可以减少热气流的压力和/或温度，从而防止所述元件因热气流而受损。 

在热气流中存在的压力和温度可能大于10bar并且大于20bar或者说高于1500K并且高于2000K。 

这样的密封件的优点是，通过所述质量流量减少件可以产生与所述热气流的压力相比得到降低的压力，由此使所述元件的压力负荷减少，并且通过所述膨胀件可以相对于所述热气流的温度降低所述部分-热气流的温度。通过所述密封件的各部件的共同作用，可以实现非常有效的冷却和降压，从而十分有效地防止所述元件因热气流而受损。所述元件所经受的气流与所述热气流相比具有更小的压力和更低的温度。 

优选所述膨胀件布置在所述质量流量减少件的后面。在这种情况下，通过所述质量流量减少件降低压力的部分-热气流通过在所述膨胀件中的膨胀而降低自身的温度。但所述质量流量减少件也可以布置在所述膨胀件的后面。在此通过所述密封件实现冷却和降压，优选该密封件是活动的非接触的密封件。由此可以保护那些与所述大功率开关的活动的零件共同作用的元件。 

按本发明，为防止大功率开关的对热气敏感和/或对气压敏感的元件经受热气流，在所述热气流和所述元件之间布置密封件，并且在该密封件中从所述热气流分离出部分-热气流，所述部分-热气流的质量流量减少并且所述部分-热气流在体积方面膨胀。优选以所述顺序进行操作。换句话说，所述对热气敏感和/或对气压敏感的元件通过密封件保护免遭热气流的影响。 

在一种优选的实施方式中，在所述质量流量减少件中所述部分-热气流的质量流量基本上因在所述部分-热气流里面的内部摩擦的产生而引起。优选通过以下方法实现这一点，即向所述部分-热气流提供一个有待穿流的、很小的横截面。以此通过简单的方式实现质量流量的降低。此外，由此提供这样的优点，即所述大功率开关的与该质量流量减少件相邻的零件可以吸收所述部分-热气流的热量，使得该质量流量减少件同时也作为用于降低所述部分-热气流的温度的部件起作用。 

优选所述分流产生件具有缝隙或者仅仅具有缝隙。该缝隙也可以是所述质量流量减少件或膨胀件的组成部分。以此通过简单的方式实现所述分流产生件。 

在一种优选的实施方式中，所述质量流量减少件具有通道。这样的通道优选稍带长形地延伸并且优选比较狭窄。所述通道可以沿轴线延伸并且在一种优选的实施方式中可以构造为环形通道。 

所述分流产生件也可以集成在所述膨胀件或质量流量减少件中。尤其所述质量流量减少件可以是通道并且所述分流产生件可以是所述通道的在热气流一侧的端部。 

在一种特别优选的实施方式中，所述膨胀件具有朝着所述元件敞开的降压室，或者由这样的降压室构成。所述降压室的功能仅仅是降压，也就是说在其里面不包含任何其它的元件如接触元件、导向元件或密封元件。 

但具体地将所述分流产生件及质量流量减少件的功能构造为缝隙也十分有利，该缝隙是所述降压室的组成部分，从而所述分流产生件、质量流量减少件及膨胀件的功能通过一个元件得到体现。 

优选在所述部分-热气流进入到所述膨胀件中时向其提供一个扩大的横截面。在从所述分流产生件或质量流量减少件中流出时，所述部分-热气流通过一个特定大小的横截面面积流出并且所述在膨胀件中向部分-热气流提供的横截面面积大于前面那个特定的横截面面积。由此导致所述部分-热气流的体积膨胀，而这种体积膨胀则又使所述部分-热气流降温。 

优选所述膨胀件具有至少一个降压口，所述膨胀件通过该降压口与一个存贮空间相连接，该存贮空间包含气体，该气体的温度最高相当于所述热气流的温度并且/或者其压力最高相当于所述热气流的压力。优选在所述存贮空间中的温度和/或压力小于在所述热气流中的温度和压力。 

在一种优选的实施方式中，所述元件是 

-用于对(大功率开关的)第一部件进行机械导引的导向元件，该导向元件可相对于(大功率开关的)第二部件进行移动，或者是 

-用于和(大功率开关的)第一部件进行电接触的接触元件，该接触元件可相对于(大功率开关的)第二部件进行移动，或者是 

-用于对(大功率开关的)第一部件相对于(大功率开关的)第二部件进行密封的密封元件，其中所述第一部件可相对于所述第二部件进行移动。 

所述元件也可以具有一种组合功能。比如它可以在起到导向作用的同时具有一种密封功能。 

按本发明的密封件可以在所述大功率开关的这样的第一和第二部件之间出现很高的相对速度的情况下加以使用；比如在至少其中一个部件与用于接通开关的驱动运动耦合时，在这种情况下在所述第一部件和第二部件之间出现超过10米/秒并且超过15米/秒的相对速度。 

所述大功率开关的第一部件可以至少部分沿着轴线延伸。优选所述质量流量减少件可以沿着轴线延伸。 

优选所述质量流量减少件和/或膨胀件与所述第一部件相邻。 

可以设置用于固定所述元件的支架。这个支架可以优选至少部分地有助于形成另一条将所述元件与所述膨胀件(降压室)相连接的通道。 

在一种优选的实施方式中设置了用于固定所述元件的支架，该支架与所述密封件一起构成一体。这简化了这些大功率开关组成部分的制造，并且可以确保按指定方式固定地布置这些大功率开关组成部分。 

在使用对热气和/或对气压极其敏感的元件的情况下或者在出现具有特别高的温度和/或特别高的压力的热气流时，可以优选设置两个或更多密封件，所述密封件前后布置(串联)。 

也可以通过一种密封件的制造来实现本发明，该密封件具有一个分流产生件以及一个质量流量减少件和一个膨胀件，后面这两个部件连接在所述分流产生件后面。一种这样的密封件可以用在大功率开关中或者也可以用在任意其它的装置中，在这些装置中会出现热气流并且应该防止元件经受一种这样的热气流。优选的实施方式可以通过上述方式实现。 

其它优选的实施方式和优点由所述从属权利要求和附图中获得。 

附图说明

下面借助于在附图中示出的优选的实施例对本发明主题进行详细解释。其中： 

图1是具有导向件及按本发明的密封件的大功率开关的细节的剖面图； 

图2是具有导向件和按本发明的密封件的大功率开关的更大的部 分的剖面图； 

图3是具有接触元件和/或密封元件并且具有按本发明的密封件的绝缘套管。 

在附图中所使用的附图标记及其意义归纳在附图标记列表中。在原则上，在附图中相同的或者起相同作用的部件用相同的或类似的附图标记来表示。为理解本发明，无关紧要的部件部分没有示出。所说明的实施例对本发明主题来说具有示范意义并且没有任何限制作用。 

具体实施方式

图1示出了一个基本上旋转对称的、具有轴线A的大功率开关的一个细节的示意剖面图。相对于所述大功率开关的第二部件40沿所述轴线A进行移动的流出管30被热气流8(通过箭头表示)从中流过。所述热气通过开口31从该流出管中流出。为相对于所述流出管30导引(定中)所述部件40，设置了一个布置在所述流出管30外部的导向件10，比如由PTFE(聚四氟乙烯)连同添加剂或一种另外的聚合物制成的空心圆柱形的零件。该导向件固定在支架11中。 

为防止所述导向件10因所述从流出管中流出的热气流8而老化，在所述开口31和导向件10之间设置了一个密封件1，该密封件1连接到所述支架11上并且在密封体1a中构成。所述密封件1具有稍带长形地延伸的并且由于旋转对称性构造为环形通道的通道2，来自所述热气流8的部分-热气流8a通过该通道2的朝向所述热气流8的端部2a分离。 

所述部分-热气流8a从所述狭窄的通道2中流过并且进入一个降压室3中，该降压室3邻接所述通道2具有可选呈漏斗状敞开的降压室3分室3a。 

所述部分-热气流8a的流动速度受到所述热气的音速的限制，并且由于在通道2中供所述部分-热气流8a流动之用的横截面很小，在所述部分-热气流8a的气体中产生巨大的内部摩擦。由此在通道2中显著降低所述部分-热气流8a的质量流量。由此在所述通道2的在降压室一侧的端部上存在着与所述热气流8的热气压相比明显降低的热气压。 

通过所述通道2的长度及其横截面的变化，可以实现所述部分-热气流8a的由通道2引起的降压幅度。 

作为另一效应也出现这种结果，即通过所述部分-热气流8a与所述 密封体1a及流出管30的接触来降低所述部分-热气流8a的温度，在此所述密封体1a及流出管30限定了所述通道2并且与所述部分-热气流8a相比通常具有明显更低的温度。这种效应也可以通过所述通道2的长度及其横截面的变化而变化。 

在从所述通道2到所述降压室3过渡时，扩大的有待穿流的横截面面积供所述部分-热气流8a使用(比如具有连续扩大的横截面，就象在附图中示出的分室3a中一样)。所述热气膨胀。通过热气在所述降压室3中的膨胀导致该热气冷却。在此可以通过以下方法来改变所述热气的降温程度，即改变在从通道2到降压室3的过渡区域中所述降压室3的容积和/或横截面面积的扩大程度。 

另一条通道5在图1所示实施例中由所述支架11和密封体1a的一部分构成，所述降压室3通过该通道5与所述导向件10相连接。 

所述分室3a的另一个功能就是使所述从通道2中流出来的部分-热气流的流动断面变宽或者使其呈扇形散开，从而向另一条与通道2对置的通道5施加比在没有所述分室3a的情况下更小的压力。 

与在所述热气流8中的情况相比，所述导向件10经受具有更低温度的热气的更低的压力。 

所述密封件1不接触所述流出管30并且就这一点而言是非接触的密封件。因此它可以在部件30、40之间产生很大的相对速度的情况下使用。 

为了防止在所述降压室3中压力过度上升，设置了至少一个降压口4，所述降压室3通过该降压口4与一个用作存贮空间20的排出空间20相连接。在一个特定的空间中所述热气流8碰到所述通道2，该空间可以完全与所述存贮空间20分开或者通过一个或大或小的开口与所述存贮空间20相连接。更大的分离程度实现从所述降压室3到存贮空间20的更大的压力降，使得所述降压口4在较低的压力的情况下就已经很有效。 

可以优选设置多个在所述密封体1a的圆周上分布的降压口4。 

除了降低所述导向件因热气流8而受损的危险之外，所述密封件1也可以使更少的热气并且由此使更少的杂质到达所述密封件1处并且进入布置在该密封件1的另一侧上的空间90中。这一点尤其重要，如果在该空间90中电绝缘部件形成一个绝缘断口，在该绝缘断口上在所 述绝缘部件受到玷污的情况下就会导致飞弧及相应的开关功能故障。所述导向件10也有一种密封作用。 

优选首先通过所述密封件的尺寸的选择来如此确定其尺寸，从而一方面所述有待保护的元件10(导向件)所经受的温度很小，因而该元件10不会遭到损坏，并且另一方面所述导向件10所经受的压力很小，因而该导向件10对处于其后面的空间90来说具有足够的密封作用。 

优选所述密封体1a(至少在通道2的区域中)由一种耐温度的材料比如陶瓷、钨、碳化钨或钢制成。 

图2示出处于断开状态中的大功率开关的一个更大的截取部分，该大功率开关的结构类似于在图1中所示出的大功率开关。所述密封件1在这种情况下与该大功率开关的部件40构成一体。 

所述大功率开关除了额定电流接触***61、62之外还具有第一电弧接触件51和第二电弧接触件52，在这两个电孤接触件51、52之间在几个毫秒到几十毫秒或一百毫秒以下的断开过程中燃烧电弧50。所述接触件51被辅助喷嘴55所包围。主喷嘴56与所述辅助喷嘴一起将所述电弧室和加热空间80连接起来，所述加热空间80容纳了由电弧50加热的气体的一部分。经过加热的气体另一部分则通过流出管30流向背向所述第二接触件52的方向。 

优选通过将所述流出管30封闭的气流导向器35使热气流8的至少一部分从所述开口31中流过并且流向所述密封件1。所述密封件1的功能和细节基本上和前面所描述的一样。容器22限定了混匀空间21，在该混匀空间21中所述热气流8的热气可以与较冷的较干净的气体混匀。所述由容器22限定的空间也可以称为入流空间21，因为该空间也有限制一个特定空间的功能，所述流向密封件1的热气流8就存在于该特定空间中。通过开口24，所述混匀空间21与存贮空间20相连接。在此将所述入流空间21与存贮空间20在很大程度上分开，以此可以使所述存贮空间20中的压力(以及温度)至少在某一段时间里小于在所述混匀空间21中的压力和温度。这一点对所述用于降压室3的降压口4的限压作用来说是有利的。 

所述流出管30借助于关节71耦合到绝缘杆70上，该绝缘杆70又与未示出的驱动机构相连接。所述导向件10确保所述流出管30以 直线形式沿着所述轴线A进行移动，而所述绝缘杆70则在包含着所述轴线A的平面中进行一种弯曲的运动。所述导向件10除此以外还有一种密封功能，该密封功能防止热气侵入到所述空间90中，由此在靠近所述绝缘杆的承受场负载的区域中不会出现飞弧。这样的飞弧现象可能因在绝缘杆70的表面上在热气中存在的杂质的吸收以及因所述在绝缘杆的区域中存在的气体的电介质强度的缺乏(压力、温度、杂质)而容易出现。 

由于所述电弧的短暂性以及灭弧时释放的很大的能量，所述热气流8基本上通过压力冲击而引起，并且由此其持续时间也相应地比较短。所述密封件1尤其适合于防止所述的热气-压力冲击8。 

图3示出本发明的另一种实施方式的示意剖面图。作为应该针对热气流8进行保护的元件10，在此要么设置密封件10要么设置接触元件10。至少可以用这两种方式对图3进行解释。在此示出绝缘套管30’，该绝缘套管30’可以是大功率开关的一部分，但也可以设置在其它的装置中，比如设置在其它的高压设备中。所述部件30’比如也可以是大功率开关的优选活动的接触件。在这种情况下，所述部件30’不一定需要绝缘件，而在图3中在所述部件30’上设置了绝缘件。所述接触元件10可以比如具有接触片。在使用一种具有两个可活动的接触件比如一个电弧接触件30，和一个(在图3中未示出的)梅花插头的开关的情况下，密封件1的使用就特别有利。而后就要防止所述活动的接触元件10遭受所述因基于电弧接触件30’的电弧而产生的热气流。 

所述两个部件30、40’(或者30、40)的相对可动性不一定是线性可动性，而是比如也可以是一种可旋转性或者干脆仅仅是一种按间隙的相对可动性或者一种可调整性。 

在所述元件10是一种密封件的情况下，该密封件可以比如由一种聚合物制成，并且防止气体或液体进入所述热气流8的区域中或者防止所述热气流8的热气流出来。为保护所述密封元件10，设置了所述密封件1，该密封件1具有和在图1中所示的密封件基本上相同的结构并且具有与其相同的功能原理。 

在所述元件10是一种接触元件10的情况下，它可以比如是多用途接触环10或者是螺旋弹簧接触元件10，并且用于在所述(电气的)绝缘套管30’和所述第二部件40之间建立一种可松开的电接触。在这 种情况下，所述密封件1同样具有和在图1中所示的密封件基本上相同的结构并且具有与其相同的功能原理。 

通过所述密封件来“防止热气流”可以如此理解，即通过所述密封件降低气体的温度和/或压力。所述热气流可以连续(持续)，或者就象在结合图1和2所说明的实施方式中一样在使用大功率开关的情况下，所述热气流具有很短的持续时间并且是压力冲击的形式。在使用大功率开关时，由于在典型的10毫秒到200毫秒时间内的热气-压力冲击，在典型情况下存在10bar到25bar的压力和1000K到2500K的温度。在其它密封件应用情况下，也可以设想更小的和更大的压力和温度。 

所述按本发明的密封件也可以称为防止高压气体的保护装置，称为防止高温气体的保护装置或者称为防止高压及高温气体的保护装置；或者称为防止高压气体脉冲的保护装置或者称为防止气体脉冲尤其防止具有高温的高压气体脉冲的保护装置。 

附图标记列表 

1        密封件 

1a       密封体 

2        质量流量减少件，通道 

2a       分流产生件，缝隙 

3        膨胀件，降压室 

3a       分室，漏斗状空间，具有逐步或者持续扩大的横           同截面面积的空间 

4        降压口 

5        另一条通道 

8        热气流，热气-压力冲击 

8a       部分-热气流 

10       元件，对热气敏感的元件，对气压敏感的元件，           导向件，接触元件，螺旋接触环，密封元件，密           封件 

11       支架 

20       存贮空间，排出空间 

21       入流室，混匀空间 

22       容器(形成所述入流室；包括所述混匀空间) 

25       容器中的开口，在存贮空间和入流空间之间的开           口 

30       第一部件，大功率开关的第一部件，流出管 

30’     第一部件，绝缘套管导体 

31       在(大功率开关的)第一部件中的开口，在流出           管中的开口 

35       气流导向器 

40       第二部件，大功率开关的第二部件 

50       电弧 

51       第一接触件，电弧接触件，活动的接触件 

52       第二接触件，电孤接触件，固定的接触件 

55       辅助喷嘴 

56       喷嘴，主喷嘴 

61       额定电流接触件 

62       额定电流接触件 

70       绝缘杆，驱动杆，开关杆 

71       在绝缘杆和流出管之间的耦合件，关节 

80       加热空间 

90       空间 

A        轴线 

Claims (15)

1.大功率开关，在该大功率开关中会因可能在开关过程中燃烧的电弧(50)而形成热气流(8)，该大功率开关具有对热气敏感和/或对气压敏感的元件(10)，并且为防止所述元件(10)经受所述热气流(8)设置了密封件(1)，其特征在于，所述密封件(1)具有用于产生所述热气流(8)的部分-热气流(8a)的由缝隙构成的分流产生件(2a)以及用于减少所述部分-热气流(8a)的质量流量的由朝所述热气流(8)敞开的通道构成的质量流量减少件(2)和用于使所述部分-热气流(8a)产生体积膨胀的具有朝所述元件(10)敞开的降压室(3)的膨胀件(3)，其中后面这两个部件(2、3)连接在所述分流产生件(2a)后面。

2.按权利要求1所述的大功率开关，其特征在于，所述密封件(1)是可活动的非接触的密封件(1)，该密封件不接触流出管(30)。

3.按权利要求1或2所述的大功率开关，其特征在于，所述质量流量减少件(2)具有有待穿流的横截面，使得所述部分-热气流(8a)的质量流量的降低基本上通过在所述部分-热气流(8a)中产生的内部摩擦而引起。

4.按权利要求1到2中任一项所述的大功率开关，其特征在于，所述分流产生件(2a)和质量流量减少件(2)由朝所述热气流(8)敞开的通道(2)构成。

5.按权利要求1所述的大功率开关，其特征在于，所述降压室(3)仅仅用于降压。

6.按权利要求1所述的大功率开关，其特征在于，在所述部分-热气流(8a)流进所述膨胀件(3)中时向其提供扩大的横截面面积。

7.按权利要求5所述的大功率开关，其特征在于，所述降压室(3)具有分室(3a)，通过该分室(3a)向所述部分-热气流(8a)提供持续或逐步扩大的横截面面积。

8.按权利要求7所述的大功率开关，其特征在于，所述膨胀件(3)具有至少一个降压口(4)，所述膨胀件(3)通过该降压口(4)与存贮空间(20)相连接，该存贮空间(20)包含气体，该气体的温度最高相当于所述热气流(8)的温度并且/或者其压力最高相当于所述热气流(8)的压力。

9.按权利要求1所述的大功率开关，其特征在于，所述元件(10)是

-用于对大功率开关的第一部件(30)进行机械导引的导向元件(10)，该导向元件(10)相对于大功率开关的第二部件(40)是活动的，或者

-用于与大功率开关的第一部件(30’)进行电接触的接触元件(10)，该接触元件(10)相对于大功率开关的第二部件(40)是活动的，或者

-用于使大功率开关的第一部件(30’)相对于大功率开关的第二部件(40)密封的密封元件(10)，其中所述第一部件(30’)相对于所述第二部件(40)是活动的。

10.按权利要求9所述的大功率开关，其特征在于，所述大功率开关的第一部件(30、30’)至少部分沿着轴线(A)延伸，并且所述质量流量减少件(2)沿着该轴线(A)延伸。

11.按权利要求9所述的大功率开关，其特征在于，所述质量流量减少件(2)和/或膨胀件(3)与所述第一部件(30、30’)相邻。

12.按权利要求中9所述的大功率开关，其特征在于，设置用于固定所述元件(10)的支架(11)，该支架至少部分地有助于形成另一条将所述元件(10)与所述膨胀件(3)相连接的通道(5)。

13.按权利要求9所述的大功率开关，其特征在于，设置用于固定所述元件(10)的支架(11)，该支架(11)与所述密封件(1)一起构成一体。

14.按权利要求13所述的大功率开关，其特征在于，至少两个这样的密封件(1)以串联布置的方式存在。

15.用于防止大功率开关的对热气敏感和/或对气压敏感的元件经受热气流(8)的方法，其中在所述热气流(8)和所述元件(10)之间布置密封件(1)，其特征在于，在该密封件(1)中从所述热气流(3)中分出部分-热气流(8a)，减少所述部分-热气流(8a)的质量流量并且使所述部分-热气流(8a)在体积方面膨胀。

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