CN1292562A - 快速反应的机械开关点 - Google Patents

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Abstract

高或中等电压开关的开关点包括两个固定开关片(1、2),为圆柱形结构,并且相互同轴***,形成环状缝隙(81)。当开关点闭合时,将可移动的以接触环(3)的形式构成的桥式开关片固定到环状缝隙(81)中。包括两个线圈的电力学驱动装置在轴向移动接触环(3)。凭借小质量的、开关点单个移动部件的接触环(3),开关点可以非常快地和有效地断开和闭合。

Description

快速反应的机械开关点
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的，高或中等电压开关的开关点。
在欧洲专利EP 0，147，036中对上述类型的开关点进行了描述。当开关点闭合时，固定在导电圆盘上的桥式开关片使两个固定开关片短路。将扁平线圈固定在圆盘两侧面的每一面上，使得依靠电作用力，通过桥式开关片取消或复原固定开关片之间的短路，能使圆盘在两个线圈之间移动。当开关点闭合时，将电流馈送进第一线圈中，该电流在圆盘中，影响与线圈中电流方向相反的涡流电流。这两股电流具有相互排斥的作用，其结果从固定线圈中移开能移动的圆盘，并且桥式开关片取消固定开关片之间的短路。为了向后移动圆盘和再次将桥式开关片固定在固定开关片上，产生短路，将电流馈送进第二个线圈中。
正如在权利要求中详细描述的那样，本发明的目的是提供开头所提到类型的开关点，该开关点能够很快地断开和闭合，并且具有较低的能量消耗。
根据本发明的开关点具有轴向对称结构。结果，很大程度上避免有害的杂散电感，这对于在并联路径上电流可能换向的情况是特别有利的。形成电接触驱动作用力所需要的感应电流，在载有标称电流的、能移动的桥式开关片中产生，结果可以省去类似圆盘的部分-否则将提供其来引导感应电流，并因此可以省去要被加速的额外的量。通过这种方法，将实现开关点的特定断开或闭合速度所需要的驱动能减到最小。此外，在断开操作期间，产生两个接触缝隙，其分别由两个串联的局部电弧中的一个桥接。该局部电弧串联的结果，提高了在穿过开关点的接触装置时下降的电弧电压，因此如果再一次存在并联路径的可能，将特别快速和有效地进行换向。
可以通过参照附图所给出的详细说明，来理解本发明的优选实施例和其它优点，其中：
图1表示沿轴向，穿过根据本发明的处于闭合状态中开关点的接触装置和两个线圈的截面的平面图；
图2表示接触装置和处于断开状态的图1中开关点的线圈；
图3以根据图2所示接触装置的放大部分表示根据本发明开关点的第一个实施例，带有在闭合操作开始时第一个电源电控单元的部件；
图4表示图3中具有第一控制单元的开关点的示意图，和
图5表示根据本发明的开关点的第二个实施例的示意图，具有第二个电源电控单元。
在所有图中，同样的附图标记表示同样的部件。图1表示根据本发明在闭合状态中开关点的接触装置。标称电流IN从第一端11，经过固定开关片1、构成接触环3的可移动桥式开关片、和固定开关片2，流向第二端21。固定开关片1以圆盘的形式构成，并且被固定开关片2所围绕，该固定开关片2基本上具有圆柱结构。两个固定开关片1和2，两者相互同轴***，并且与安装在它们之间的接触环3一起形成接触装置。接触装置由电绝缘接触支座7支撑。从图2中可以看出，圆环3可以在轴向移动。结果，可以断开接触装置，并且中断标称电流IN。为了驱动接触环3，开关点包括一电力学驱动器，具有两个环形的扁平线圈5和6。在轴向中，两个线圈5和6限定环状空间8，圆环3在其中来回移动。在径向中，由绝缘元件4限定环状空间8，该绝缘元件还支承线圈6。
从图3中可以看到接触装置的精确几何设计。两个固定开关片1和2形成缝隙81。该缝隙具有足够的宽度，以便当开关点闭合时，接触环3紧密地固定，并且在两个侧面上与固定开关片1和2有良好的电接触。朝向缝隙81，开关片1和2提供有接触指K。接触指K通过槽L相互分开，并且在径向上有轻微的弹簧作用。结果，将改善缝隙81中的接触环3的机械支撑以及电接触。在缝隙81下面所安装的是第一线圈5，用来断开接触装置。在如图所示的开关点的断开状态中，接触环3位于环状空间8的另一端，在固定装置10中，该固定装置的任务是稳固地支撑接触环3。固定装置10的上面安装的是第二线圈6，用来闭合接触装置。绝缘元件4是抗压的，并且以不透气的方式固定到固定开关片1和2上。环状空间8在缝隙81和固定装置10之间具有径向加宽的区域82。用例如大气压或高压下的空气或SF6等气体介质来填充环状空间8。
两个线圈5和6由电源电控制单元9所馈电。图3和图4表示根据本发明开关点的控制单元9的第一个实施例。第一电容器CS和两个具有反并联连接的单向二极管DS2和DS1的半导体闸流管TS1和TS2与线圈6连接以形成第一电路。以类似的方法，第二电容器CO和另两个具有反并联连接的单向二极管DO2和DO1的半导体闸流管TO1和TO2与线圈5连接以形成第二振荡电路。
参照图3中所表示的闭合操作来解释开关点的驱动作用。接触环3位于固定装置10中，对电容器CS进行正向充电，并且两个半导体闸流管TS1和TS2是断开的。通过启动半导体闸流管TS1，其中闸流管TS1根据电容器CS上的充电电压正向极化，经由TS1、线圈6和单向二极管DS1对电容器CS进行放电。结果在驱动线圈6中产生正弦曲线电流脉冲IS，其在正好位于下面的接触环3中产生涡流电流IW。驱动电流IS和涡流电流IW具有相反的方向，将导致在接触环3和线圈6之间的排斥作用FS。线圈6牢固地连接在绝缘元件4上。接触环3加速落下，并且只有当它进入缝隙81时，才会通过封闭在缝隙81中的气垫和通过摩擦作用使其衰减。当它碰到安装在下面的线圈5时，基本上最终制动。利用线圈6，电容器CS形成串联振荡电路。启动一次半导体闸流管TS1的结果是对电容器CS进行一次充放电。由于电路中的欧姆电阻所导致的电损耗，然后利用比初始电压稍微小一些的电压对电容器CS进行负向充电。此时为了防止接触环3从缝隙81中完全闭合的位置弹回，启动半导体闸流管TS2，因此经由TS2、线圈6和单向二极管DS2，电容器CS第二次改变其充电。由于接触环3和线圈6之间存在较大的距离，其结果在接触环上产生较小的冲力FS。但是，其对于防止环从完全闭合的位置弹回是足够的。
连续启动半导体闸流管TS1和TS2有着很重要的优点，就是不用必须根据闭合操作的过程中作用在接触环3上的制动力，对固定开关片1和2定尺寸。接触环3只是必须具有足够动能，来克服固定开关片1和2的摩擦力到达完全闭合位置。由于紧随其后的第二冲力使得从该处弹回是不可能的。此外，第二启动具有的优点在于，电容器CS此时再一次振荡并因此对其再一次正向充电。为了对电容器CS进行再充电，可以将只能产生正向充电电压的充电装置再一次直接接通。由于已经存在剩余的充电电压，这种再充电操作比新的充电操作要快得多。由于在应用中重复启动是必须的，因此将充电装置的尺寸设计得较小是可能的。
断开操作基本上是对应闭合操作的。接触环3位于缝隙81中，对电容器CO进行正向充电并且两个半导体闸流管TO1和TO2是断开的。通过启动半导体闸流管TO1(或TO2)，其中闸流管根据电容器CO上的充电电压正向极化，经由TO1(TO2)、线圈5和单向二极管DO1(DO2)对电容器CO进行放电。电流再一次在接触环3中产生涡流电流，然后将环在轴向加速，并且从固定开关片1和2上释放，形成两个串联的局部电弧。接触环3在环状空间8的轴向上移动，并且仅通过固定装置10对其再次减速。在如图所示的实施例中，以环状空间8变窄部分的形式构成固定装置10。当其到达环状空间变窄部分10时，接触环通过摩擦力被完全制动并且牢固地支撑。固定开关片1和2中的槽L防止在固定开关片1和2中产生任何形式的涡流电流。槽L在径向中远离缝隙81并且有大约1cm的长度。
对于闭合操作和断开操作，驱动建立在电力学排斥原理的基础上。其显而易见的优点在于，只有接触环3进行机械移动。不需要任何其它移动部件，用于力的传输、启动或能量的存储。通过短暂的、快速反应的和非常高的冲力以及接触环上力的均匀作用来启动半导体闸流管，电力学驱动器还具有能精确启动的优点。由于根据本发明开关点的接触装置的轴对称结构，而不需要利用任何机械引导元件来引导接触环3，通过环状空间8所加宽的区域82。具有在环状空间8的上面末端上环状空间变窄部分成圆锥形扩展结构的固定装置、和在环状空间8的下面末端上成圆锥形倾斜的固定开关片1和2固有地影响接触环3的中心调整。
可以在断开操作过程中，有利地利用环状空间8的内部几何结构对接触环3减速，或者在环状空间8中获得在该处存在的相配的气体介质流。如果标称电流IN不是零时接触环3失去接触，这是具有决定性的重要意义。即使所存在具有低欧姆电阻和低电感的并联路径，在固定开关片1和2与接触环3之间也能产生换向电弧，所说电弧由环状空间8中的流体和绝缘元件4冷却，这将导致较高的电弧电压，其将再次加速换向操作。
参照图5，在根据本发明开关点控制单元的第二个实施例中，只提供了一个电容器C，其依靠开关S，经由两个具有反平行连接的单向二极管D2和D1的半导体闸流管T1和T2，可以将其任意选择地与线圈5或6中的一个连接来形成电路。
根据本发明接触装置的几何尺寸取决于开关点上的标称电数据。对于5kA的开关点的标称电流IN和12kV的标称电压，接触环3的直径大约是250毫米。相应于缝隙81的宽度，其厚度是8毫米。所给出的几毫米高、由镀银的铝所构成的接触环3具有几十到一百克的质量。对于这种尺寸开关点的每次开关操作的开关时间大约是1毫秒。

Claims (11)

1．一种高或中等电压开关的开关点，包括两个固定开关片(1、2)，一个可移动的导电桥式开关片，当开关点闭合时，该可移动开关片使固定开关片(1、2)短路，和一个使桥式开关片移动的驱动器，其包括两个线圈(5、6)和用于馈电线圈(5、6)的电源电控制单元(9)，其特征在于固定开关片(1、2)、桥式开关片(3)和线圈(5、6)都沿轴对称布置；将固定开关片(1、2)制成可以相互***并且限定一个环状缝隙(81)的圆柱体；以接触环(3)的形式构成桥式开关片，其可以沿轴向移动并且当开关点闭合时，其固定到环状缝隙(81)中；并且将两个线圈(5、6)放置在接触环(3)的两边，以相互在轴向补偿。
2．根据权利要求1所述的开关点，其特征在于两个线圈的第一线圈(6)由绝缘元件(4)支撑；绝缘元件(4)至少限定环状空间(8)的一些区域；环状空间(8)在两个线圈(5、6)之间轴向扩展；并且接触环(3)放置在环状空间(8)中。
3．根据权利要求2所述的开关点，其特征在于绝缘元件(4)包括装置(10)，当开关点断开时用于固定接触环(3)。
4．根据权利要求3所述的开关点，其特征在于固定装置(10)由第一线圈(6)的区域中环状空间(8)的变窄部分所构成。
5．根据权利要求2至4中任何一个所述的开关点，其特征在于在轴向内扩展的环状空间(8)具有径向上加宽的区域。
6．根据权利要求2到5中任何一个所述的开关点，其特征在于将绝缘元件(4)设计成抗压的；并且将气体介质封闭在环状空间(8)中。
7．根据权利要求1到6中任何一个所述的开关点，其特征在于控制单元(9)包括电容器(C)，通过开关(S)经由定向整流管可以任意选择地连接到两个线圈(5、6)中的一个以形成电路。
8．根据权利要求1到6中任何一个所述的开关点，其特征在于控制单元(9)包括两个电容器(CS、CO)，其中经由定向整流管将第一电容器(CS)与第一线圈(6)连接以形成第一电路，并且经由定向整流管将第二电容器(CO)与第二线圈(5)连接以形成第二电路。
9．根据权利要求7或8所述的开关点，其特征在于对于每一个电路，将两个方向相反的整流管串联起来。
10．根据权利要求9所述的开关点，其特征在于将整流管设计为具有反并联连接的单向二极管(D2、D1、DS2、DS1、DO2、DO1)的半导体闸流管(T1、T2、TS1、TS2、TO1、TO2)。
11．根据权利要求1到10中任何一个所述的开关点，其特征在于每个固定开关片(1、2)在径向具有至少一个远离缝隙(81)的槽(L)。
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