專利名稱：限流開關(guān)的接觸裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明基于根據(jù)專利權(quán)利要求1的前序部分的高中電壓的限流開關(guān)的額定載流開關(guān)點的接觸裝置。在現(xiàn)今電力工程中的高功率大額定電流場合，無一例外地采用純機械接觸系統(tǒng)來構(gòu)造開關(guān)，因為純機械接觸開關(guān)能達到最低的額定電流損耗。時下電力斷路器典型的固有延遲時間為幾十毫秒。這里所說的固有延遲時間是指從開關(guān)指令發(fā)出到觸點分開或電流切斷的時間。這樣長的固有延遲時間意味著這些開關(guān)不能用于構(gòu)造限流開關(guān)系統(tǒng)。半導(dǎo)體開關(guān)，比如GTO(門極可關(guān)斷晶閘管)，它們的固有延遲要小三個數(shù)量級，可是在額定工作條件時有不可容忍的高損耗。由快速機械開關(guān)和大功率半導(dǎo)體器件組成的混合開關(guān)系統(tǒng)，在原理上是適用于限流開關(guān)的。
本發(fā)明參照在EP0275857A1中所描述的接觸裝置的在先技術(shù)。先前所知的接觸裝置是限流開關(guān)的一部分，它主要用于牽引工程中，在開關(guān)工作時，起到傳導(dǎo)額定電流的作用。與接觸器裝置并聯(lián)連接的是一個輔助電路，該輔助電路含有開關(guān)晶閘管、二極管、充電電容器和線圈。短路電流發(fā)生時，開關(guān)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通，充電電容器通過線圈放電。流經(jīng)線圈的放電電流產(chǎn)生的磁場，在一個圓盤中感應(yīng)出相反方向的短路電流。該圓盤被連接到接觸裝置的一個橋式接觸器中。這種情況下形成的電動力把該圓盤以及橋式接觸器從線圈中排斥開，起到了快速開斷接觸裝置的作用。當接觸裝置斷開后，換向到輔助電路中的短路電流通過對充電電容器反向充電而中止。
正如在專利權(quán)利要求中所指明的那樣，本發(fā)明基于這樣的目的，即提供一種在前言中述及的接觸裝置，它能使限流開關(guān)非常可靠地工作。
根據(jù)本發(fā)明的接觸裝置被設(shè)計成軸向?qū)ΨQ。這種結(jié)構(gòu)能大大避免不希望有的漏電感，并能極快地把短路電流換向到含有半導(dǎo)體開關(guān)的并聯(lián)支路中去。同時，在額定載流的可移動開關(guān)部件中產(chǎn)生了感應(yīng)電流。該電流用于形成電動接觸的驅(qū)動力。其結(jié)果是，該接觸裝置中可以省掉通常用于傳導(dǎo)感應(yīng)電流的圓盤形單元部件，進而也省掉了需要加速的該部件的額外重量。用于獲得接觸裝置具體斷開速度的驅(qū)動能量，也由此達到了最小量。再者，在斷開時將產(chǎn)生有兩個接觸器間隙，每個間隙由兩段串聯(lián)的局部電弧之一來橋接。由于局部電弧電路的串聯(lián)，接觸裝置兩端的電弧壓降增加了，由此帶來短路電流換向到并聯(lián)電流支路的速度和效果顯著改善。
本發(fā)明優(yōu)選的實現(xiàn)形式以及能達到的其他優(yōu)點，將參照下面的附圖給予更詳細的說明。其中

圖1是帶有限流開關(guān)的測試裝置的單相基本電路，用于模擬中等電壓等級的電源，該限流開關(guān)中包含一個根據(jù)本發(fā)明的接觸裝置；圖2是圖1中閉合狀態(tài)的接觸裝置，和圖3是圖1中斷開狀態(tài)的接觸裝置。
在所有的圖中，相同的參考符號表示相同作用的部件。圖1中所示的電路是一個模擬中等電壓電源的測試裝置的基本電路，其中有一個限流開關(guān)S。該測試裝置包含一個發(fā)電機G，并經(jīng)由該限流開關(guān)給負載饋電。發(fā)電機G模擬典型值為幾十千伏(比如20KV)的電源電壓uN。負載由一個無感電阻RL和一個電感元件LL來模擬。短路確認單元KSE有一個監(jiān)測部分，用于短路電流iN的快速確認。短路確認單元被連接在發(fā)電機G和開關(guān)S之間，并對開關(guān)S起作用。短路電流的典型值為幾十千安，比如20KA。位于發(fā)電機和負載之間電流通路上的開關(guān)S有一個防(電)弧額定載流開關(guān)點S1和與之串聯(lián)連接的隔離開關(guān)SS。開關(guān)S1開斷速度很快，典型值在100～500微秒之內(nèi)，比如250微秒。
兩條換向支路K1和K2與開關(guān)點S1并聯(lián)連接。換向支路K1包含一個可電驅(qū)動的開關(guān)元件T和與之串聯(lián)連接的快速開斷隔離開關(guān)點ST。開關(guān)ST的開斷時間典型值為幾百微秒，并且觸點之間能相互機械隔離。開關(guān)元件T有利地是一個可關(guān)斷的半導(dǎo)體開關(guān)，比如晶閘管，特別是GTO。為達到高載流能力，開關(guān)元件T可以包含并聯(lián)連接的多個半導(dǎo)體開關(guān)，來代替單個半導(dǎo)體開關(guān)T1。為了獲得在交流電流時開關(guān)元件T在正極性和負極性兩種情況下的快速響應(yīng)，開關(guān)元件還有一個或多個半導(dǎo)體開關(guān)T2與所述的一個或多個半導(dǎo)體開關(guān)T1反并聯(lián)連接。
換向支路K2有一個限流器RB以及與之串聯(lián)連接的開關(guān)元件TP，換向支路K2與開關(guān)點S1和換向支路K1并聯(lián)連接。限流器RB以延遲方式來響應(yīng)換向電流，并通常被設(shè)計成正溫度系數(shù)(PTC)的熱敏電阻器。開關(guān)元件TP包含至少一個(但有利地至少是兩個相互反并聯(lián)連接)半導(dǎo)體開關(guān)。這里的半導(dǎo)體開關(guān)不必設(shè)計成可關(guān)斷開關(guān)，但必須在流過其本身的交流電流過零點時能被關(guān)斷，比如(尤其是)采用晶閘管或雙向晶閘管。通過串聯(lián)這種形式的半導(dǎo)體開關(guān)，可以增加開關(guān)元件TP的承受絕緣能力。
短路電流發(fā)生時，確認單元KSE在大約100微秒之內(nèi)啟動限流開關(guān)的關(guān)斷過程。在這種情況下，換向支路K1和K2中的開關(guān)元件T和TP立即導(dǎo)通。額定電流接觸裝置S1在同一時間被斷開。由于在這種情況下形成的相互串聯(lián)的兩段電弧的存在，繼續(xù)上升的短路電流在250微秒之內(nèi)換向到K1支路中。所述的換向支路一直維持導(dǎo)通直到達到額定電流接觸裝置S1的絕緣強度(該絕緣強度稍大于開關(guān)元件T的絕緣強度)。該待切斷的短路電流然后被換向到換向支路K2中。此時，由于漏感的存在將產(chǎn)生瞬態(tài)過電壓，同時，限流器RB兩端的電壓降也將上升。限流器RB延遲幾百微秒之后才起限流作用。這一延遲時間確保了額定電流接觸裝置S1和隔離接觸裝置ST實際開斷時不帶電操作。一旦隔離導(dǎo)通裝置ST斷開后，開關(guān)S兩端的實際全部電壓US，加在換向支路K1的該隔離接觸裝置上時已經(jīng)下降了。由于限流器RB以延遲方式響應(yīng)，流經(jīng)換向支路K2的短路電流的限制作用直到S1和ST斷開以后才開始。受到限制的短路電流在隨后的(比如5-6毫秒以后)電流過零點附近，能被開關(guān)元件TP以很小的過電壓關(guān)斷。之后，通過斷開隔離開關(guān)SS形成一個電氣隔離間隙。
快速開關(guān)點S1接觸裝置的設(shè)計和操作方法可從圖2和圖3中獲得接觸裝置被設(shè)計成軸向?qū)ΨQ型，并有兩個靜止開關(guān)部分和一個可動的橋式開關(guān)部分。兩個靜止開關(guān)部分設(shè)計成共軸圓柱體結(jié)構(gòu)1、2，形成一個環(huán)狀空間3。橋式開關(guān)部分設(shè)計成由導(dǎo)電材料構(gòu)成的接觸環(huán)4，接觸環(huán)材料最好采用鋁或鋁合金。在開關(guān)閉合狀態(tài)時，接觸環(huán)被導(dǎo)入在圓柱體1和2自由末端的環(huán)狀空間3中，短路連接兩個圓柱體1和2，起到靜止開關(guān)部分的作用。一個圓柱狀線圈5被軸向裝配在環(huán)形空間3的一部分中，與接觸環(huán)4一道形成電動驅(qū)動機構(gòu)。它靠近容納接觸環(huán)4的一部分環(huán)形空間。線圈5借助于高質(zhì)量絕緣材料被機械地、絕緣地固定在環(huán)狀空間3中，并有兩個引出端。一個引出端直接連接到電容器6的其中一端，另一個引出端通過一個開關(guān)晶閘管7連接到電容器6的另一端。一個續(xù)流二極管8被并聯(lián)連接到電容器6和開關(guān)晶閘管7串聯(lián)電路的兩端，也即線圈5的兩端。
圓柱體1有一個軸向的指型導(dǎo)向接觸部件10，它在自由端部向外彎曲，在線圈5的遠側(cè)，形成了環(huán)形空間3的圓錐狀展開。圓柱體2有一個軸向的指型導(dǎo)向接觸部件20，它在自由端部向內(nèi)彎曲，在線圈5的遠側(cè)形成了環(huán)形空間3的圓錐狀展開。用防腐材料制造的指向環(huán)狀空間3的接觸區(qū)域整體形成在接觸部件10和20上。在圖2所示的閉合狀態(tài)，它與接觸環(huán)4的接觸區(qū)域相互配合。同樣地，接觸環(huán)4也由防腐材料構(gòu)成。短路電流iN流向開關(guān)點S1時，從接觸部件10，經(jīng)由接觸環(huán)4，徑向流向接觸部件20?？梢?，接觸環(huán)4用作可動橋式開關(guān)部分。
在短路電流發(fā)生的情況下，確認單元KSE啟動限流開關(guān)S的關(guān)斷過程時，引發(fā)開關(guān)晶閘管7被開通。隨即電容器6通過線圈5放電。線圈電流iP的磁場在接觸環(huán)4中感應(yīng)出一個大約180°相移的二次側(cè)電流iS。于是，產(chǎn)生一個方向軸向向上、大小與這兩個電流成比例的羅倫茲力，作用于接觸環(huán)。該羅倫茲力克服接觸部件10、20和接觸環(huán)4之間接觸區(qū)域的摩擦力，同時給接觸環(huán)4施加一個所需的加速度。因接觸環(huán)4組合了橋式開關(guān)部件和電動推力二次側(cè)線圈的功能，所以需要加速的質(zhì)量非常之小。在前述的開關(guān)特性數(shù)據(jù)的情況下，質(zhì)量的典型值為0.05kg。這種開關(guān)，對于環(huán)形空間3，要在確認單元發(fā)出關(guān)斷命令輸出之后的1ms之內(nèi)，達到足夠高絕緣強度，形成開關(guān)點S1的斷開接觸間隙，是有可能的。甚至這種開關(guān)只帶一個小電容器6時，也是有可能的。(關(guān)斷位置見圖3)。
接觸環(huán)4的運動，可以采用導(dǎo)向方式在軸向?qū)ｉT實現(xiàn)(圖中未示出)。該運動由羅倫茲力啟動。在閉合過程，環(huán)狀空間3的圓錐型展開面輔助接觸環(huán)4插入環(huán)形空間3中。
依照本發(fā)明設(shè)計的開關(guān)點的更誘人之處是，同軸設(shè)計意味著漏電感達到最小，并由此確保短路電流能明顯地快速換向到與本開關(guān)并聯(lián)的換向支路中。再者，在接觸環(huán)4和接觸部件10和20分離過程中，有兩個相互串聯(lián)的電弧產(chǎn)生。結(jié)果，換向電壓增加了，短路電流換向到兩個并聯(lián)支路K1和K2的速度顯著加快了。
參考符合列表K1、K2換向支路KSE短路確認單元LL電感元件RL無感電阻RB限流器S 限流開關(guān)S1額定電流接觸裝置SS隔離開關(guān)ST隔離接觸裝置T1、T2半導(dǎo)體開關(guān)T、TP、TS開關(guān)元件iN短路電流uN電源電壓iP原邊電流iS副邊(二次側(cè))電流uS開關(guān)S上的電壓1、2 圓柱體3 環(huán)形空間4 接觸環(huán)5 線圈6 電容器7 開關(guān)晶閘管8 續(xù)流二極管10、20 接觸部件
權(quán)利要求
1.用于高中電壓限流開關(guān)S的額定載流開關(guān)點(S1)的接觸裝置，其中帶有半導(dǎo)體開關(guān)(T)的電流支路(K1)與額定載流開關(guān)點(S1)并聯(lián)連接，該接觸裝置包含一個可動的橋式開關(guān)部件、兩個靜止開關(guān)部件、一個驅(qū)動機構(gòu)，當接觸裝置在閉合狀態(tài)時，兩個靜止開關(guān)部件由橋式開關(guān)部件短路連接，驅(qū)動機構(gòu)對可動的橋式開關(guān)部件施加一個電動力并具有一個線圈(5)，其特征在于接觸裝置被設(shè)計成軸向?qū)ΨQ，且有兩個圓柱體(1、2)作為靜止開關(guān)部件，和一個用作橋式開關(guān)部件的接觸環(huán)(4)，所述的圓柱體一個被共軸地裝配在另一個里面，形成環(huán)狀空間，所述的接觸環(huán)在接觸裝置閉合狀態(tài)，在圓柱體(1、2)的自由末端被導(dǎo)向裝入環(huán)狀空間(3)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的接觸裝置，其特征在于線圈(5)被裝在環(huán)狀空間(3)的一部分里，緊鄰著裝入接觸環(huán)(4)的環(huán)狀空間(3)的一部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的接觸裝置，其特征在于圓柱體(1、2)的每一個均有指型軸向?qū)虢佑|部件(10、20)，帶有圍繞環(huán)狀空間(3)的接觸區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的接觸裝置，其特征在于接觸部件(10、20)在開口端設(shè)計成在其自由端部彎曲，形成環(huán)狀空間(3)的錐形延伸。
全文摘要
高中電壓限流開關(guān)S的額定載流開關(guān)點S
文檔編號H01H9/54GK1258083SQ9912623
公開日2000年6月28日 申請日期1999年12月16日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月21日
發(fā)明者克勞斯·弗勒利希, 瓦爾特·霍拉斯, 米夏埃爾·施托伊雷爾, 約爾格·彼得, 庫爾特·卡爾騰奈格 申請人:阿西亞·布朗·勃法瑞股份公司