專利名稱：具有至少兩個(gè)串聯(lián)真空開(kāi)關(guān)室的高壓開(kāi)關(guān)及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1的前序部分所述的具有至少兩個(gè)串聯(lián)真空開(kāi)關(guān)室的高壓開(kāi)關(guān)和該高壓開(kāi)關(guān)的操作方法。本發(fā)明例如可應(yīng)用于氣體絕緣開(kāi)關(guān)。上述“高壓”的概念是指1000V以上的電壓范圍。
在高壓開(kāi)關(guān)中，在特定情況下基于兩個(gè)基本原理使用串聯(lián)布置的真空開(kāi)關(guān)室，在H.Fink，E.Sonnenschein等人提出的無(wú)控制結(jié)構(gòu)中，采用具有真空開(kāi)關(guān)的SF6絕緣的52kV中壓開(kāi)關(guān)，見(jiàn)etz，卷115(1994)冊(cè)11，622-626頁(yè)，其中使用了控制電容。在無(wú)控制結(jié)構(gòu)中，真空開(kāi)關(guān)原理主要用于36kV以上的電壓水平，實(shí)現(xiàn)方式是通過(guò)兩個(gè)36kV設(shè)計(jì)電壓限定的開(kāi)關(guān)真空室(標(biāo)準(zhǔn)室)的串聯(lián)結(jié)構(gòu)。從經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)出發(fā)，因雜散現(xiàn)象(雜散電容)造成的不可避免的電位分布失控是必然的。串聯(lián)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須根據(jù)非均勻電壓分布按照載荷最大的真空開(kāi)關(guān)室設(shè)計(jì)，而其他真空開(kāi)關(guān)室作用的電壓載荷較小，所以不能實(shí)現(xiàn)最佳負(fù)載分配。
采用控制電容方式的雙真空開(kāi)關(guān)室的串聯(lián)結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)例是在電氣牽引電源中應(yīng)用，其頻率為16 2/3赫茲。和50赫茲/60赫茲中出現(xiàn)的10毫秒/8.3毫秒的電弧時(shí)間相比，在16 2/3赫茲的開(kāi)關(guān)線路上的電弧時(shí)間需要30毫秒。相對(duì)而言，較高的熱負(fù)荷以及由此導(dǎo)致的非常嚴(yán)重的燒損會(huì)導(dǎo)致在切斷過(guò)程中電壓穩(wěn)定性的顯著下降。對(duì)這種效應(yīng)人們采取的措施是，對(duì)于設(shè)計(jì)電壓例如為17.5kV時(shí)，將兩個(gè)真空開(kāi)關(guān)室串聯(lián)布置，并且增加電容控制。
這種用兩個(gè)或多個(gè)真空開(kāi)關(guān)室串聯(lián)布置的現(xiàn)有方案，原則上要使用相同的開(kāi)關(guān)室，它們分別用于接通和切斷操作。
將兩個(gè)真空開(kāi)關(guān)室的串聯(lián)結(jié)構(gòu)集成在一起作為一個(gè)高壓開(kāi)關(guān)的核心設(shè)備，需要專門在氣體絕緣的開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)使用電容性控制。這種措施的背景是，電壓線性分布在兩個(gè)真空開(kāi)關(guān)室內(nèi)，但其中的控制電容對(duì)滅弧性能產(chǎn)生不利影響，例如參見(jiàn)T.Betz，D.Koenig等人所著的《梯度電容對(duì)雙真空開(kāi)關(guān)室串聯(lián)的斷路能力的影響》，IEEE第18屆國(guó)際大會(huì)論文集，《論真空中的放電和電絕緣》，679-683頁(yè)，埃因霍溫，荷蘭，1998年8月17-21日。
本發(fā)明的任務(wù)是，提供一種上述類型的至少具有兩個(gè)串聯(lián)真空開(kāi)關(guān)室的高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備，其電壓負(fù)荷可實(shí)現(xiàn)最佳配置。其中所采取的措施應(yīng)保證所述串聯(lián)結(jié)構(gòu)能根據(jù)幾何尺寸、使用條件和環(huán)境條件的不同影響對(duì)斷路性能進(jìn)行補(bǔ)償，而無(wú)需借助于控制電容從外部實(shí)施硬性控制。
此外，還提供一種操作所述高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的方法。
本發(fā)明對(duì)以上任務(wù)的解決方案是權(quán)利要求1的特征部分所給出的特征與前序部分中的特征相結(jié)合所實(shí)現(xiàn)的高壓開(kāi)關(guān)。
該方案提供了一種具有至少兩個(gè)串聯(lián)真空開(kāi)關(guān)室的高壓開(kāi)關(guān)，其特征是，串聯(lián)布置的真空開(kāi)關(guān)室，其結(jié)構(gòu)尺寸和/或觸頭形狀，如觸頭直徑、觸頭的接觸間隔和觸頭種類采用不同的方式構(gòu)成，其中至少有一個(gè)第一種類型的真空開(kāi)關(guān)室以及至少有一個(gè)第二種類型的真空開(kāi)關(guān)室，并且通過(guò)選擇真空開(kāi)關(guān)室的類型，使得第一種類型的真空開(kāi)關(guān)室的電弧重燃和復(fù)燃受到至少另一個(gè)第二種類型的真空開(kāi)關(guān)室的控制。
操作所述高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的方法見(jiàn)權(quán)利要求6所述的特征。
其方案是，至少兩個(gè)真空開(kāi)關(guān)室的觸頭的打開(kāi)是在時(shí)間上錯(cuò)開(kāi)的。
本發(fā)明所實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)特別在于，電壓的分布基于一個(gè)自然的、完全受固有電容和雜散電容影響的電壓分配，無(wú)需附加的控制電容。這樣在真空開(kāi)關(guān)室的電弧重燃和復(fù)燃過(guò)程中產(chǎn)生的并流經(jīng)控制電容的補(bǔ)償電流便可消失，這種電流其幅度會(huì)隨著控制電容的增加而增大，從而導(dǎo)致真空開(kāi)關(guān)室的觸頭升溫并最終降低斷路能力。
作為特殊的優(yōu)點(diǎn)產(chǎn)生于下述可能，即完成開(kāi)關(guān)能力的任務(wù)(短路切斷性能，接通性能)與通過(guò)選擇合適的真空開(kāi)關(guān)室完成介電需求的任務(wù)無(wú)關(guān)。
通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)單元采取的附加措施可直接影響電弧性能，并且可允許使用獨(dú)立的自由度進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅包括介電性能，而且包括電弧影響下的斷路性能。
所建議的措施可通過(guò)將不同的真空開(kāi)關(guān)室與不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)(不同的標(biāo)稱電壓，不同的斷路電流)和/或不同的觸頭結(jié)構(gòu)(不同的觸頭直徑，不同的觸頭接觸距離，不同的觸頭種類)組合，并且一般地采用不同的固有電容匹配不同的電弧特性。通過(guò)有目的地使用這些效應(yīng)可作出多種設(shè)計(jì)以滿足不同的開(kāi)關(guān)情況，和公知裝置相比，明顯提高了性能。例如可使用兩個(gè)合適的不同真空開(kāi)關(guān)室串聯(lián)在一起，它們具有不同的觸頭直徑，則真空開(kāi)關(guān)室的不同固有電容和不同的電弧特性結(jié)合在一起，有利于提高其開(kāi)關(guān)性能。
使用串聯(lián)真空開(kāi)關(guān)室的背景是，希望不僅利用真空開(kāi)關(guān)室的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，其表現(xiàn)形式為具有高的di/dt和du/dt斷路能力(di/dt＝電流曲線波前斜率，du/dt＝電壓曲線波前斜率)，而且也希望利用其經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)點(diǎn)，例如免維護(hù)性，驅(qū)動(dòng)能量低，以及緊湊的結(jié)構(gòu)。這些優(yōu)點(diǎn)特別表現(xiàn)在觸頭接觸距離小的真空開(kāi)關(guān)室上，并且通過(guò)兩個(gè)或多個(gè)真空開(kāi)關(guān)室串聯(lián)連接，從而利用其開(kāi)關(guān)距離，使真空開(kāi)關(guān)室也可用于超過(guò)36kV電壓范圍的更高標(biāo)稱電壓。此外還可有一個(gè)另外的選擇，即迄今為止適用于36kV以上電壓范圍的滅弧介質(zhì)六氟化硫(SF6)，它也有利于環(huán)境保護(hù)。
其他優(yōu)點(diǎn)可從以下說(shuō)明中看到。
本發(fā)明的有利結(jié)構(gòu)體現(xiàn)在從屬權(quán)利要求的特征中。
下面對(duì)照附圖所示的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。


圖1表示用于高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的串聯(lián)真空開(kāi)關(guān)室的電路原理圖，圖2表示電位分布的簡(jiǎn)化等效電路圖，圖3表示電壓/時(shí)間曲線圖，用于說(shuō)明另一個(gè)真空開(kāi)關(guān)室電弧重燃時(shí)，通過(guò)一個(gè)真空開(kāi)關(guān)室的電壓轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。
一個(gè)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備要完成兩項(xiàng)主要任務(wù)。一是必須在觸頭打開(kāi)的情況下維持介電要求，二是在切斷斷路電弧時(shí)能耐受熱作用和機(jī)械作用，并且在完成斷路電流的切斷后重新建立以過(guò)渡衰減震蕩過(guò)程形式的恢復(fù)電壓。所需的時(shí)間間隔在幾百微秒的范圍內(nèi)，并且在串聯(lián)的方式下，通過(guò)在開(kāi)關(guān)室內(nèi)部選擇容性電路和等離子體過(guò)程實(shí)現(xiàn)。有目的地對(duì)電弧時(shí)間長(zhǎng)度條件施加影響所得到的瞬態(tài)過(guò)程應(yīng)當(dāng)通過(guò)不同的真空開(kāi)關(guān)室和觸頭結(jié)構(gòu)以及通過(guò)驅(qū)動(dòng)措施和通過(guò)利用不同的電弧特性實(shí)現(xiàn)。
為此應(yīng)當(dāng)充分利用串聯(lián)電路的能力，在一個(gè)開(kāi)關(guān)室電弧重燃時(shí)，未涉及的開(kāi)關(guān)室可接管全部電壓作用。這一過(guò)程以下稱為接管過(guò)程，它對(duì)于容性電路控制復(fù)燃特別有利。
在圖1中給出了用于高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的串聯(lián)真空開(kāi)關(guān)室電路原理圖，這是一個(gè)開(kāi)關(guān)回路的實(shí)例。一個(gè)第一真空開(kāi)關(guān)室1和一個(gè)第二真空開(kāi)關(guān)室2以串聯(lián)方式設(shè)置在高壓側(cè)引線3和接地側(cè)引線4之間。在兩個(gè)真空開(kāi)關(guān)室1、2的共用連接點(diǎn)5和接地側(cè)引線4之間產(chǎn)生一個(gè)需考慮的雜散電容Cst。
在圖2中表示了電位分布的簡(jiǎn)化等效電路圖。如圖2所示，第一真空開(kāi)關(guān)室1的固有電容CE1與由第二真空開(kāi)關(guān)室2的固有電容CE2和雜散電容Cst構(gòu)成的并聯(lián)電路相互串聯(lián)在一起。不僅在圖1中，而且在圖2中均給出了作用在第一真空開(kāi)關(guān)室1上的部分衰減震蕩恢復(fù)電壓U1，作用在第二真空開(kāi)關(guān)室2上的部分衰減震蕩恢復(fù)電壓U2以及總和衰減震蕩恢復(fù)電壓U3＝U1+U2。
本發(fā)明基于兩個(gè)或多個(gè)不同真空開(kāi)關(guān)室1、2的串聯(lián)原理，它們作為高壓開(kāi)關(guān)的核心部分。通過(guò)在一相開(kāi)關(guān)線路內(nèi)使用不同的真空開(kāi)關(guān)室類型，不僅使得兩個(gè)不同真空開(kāi)關(guān)室的固有電容，而且使得其電弧特性在電壓負(fù)荷和串聯(lián)電路的滅弧性能方面以有利的方式組合在一起。
本發(fā)明的一個(gè)特有特征是，位于高壓側(cè)引線3上的第一真空開(kāi)關(guān)室1具有較大的觸頭直徑，從而其固有電容CE1較高。與接地側(cè)引線4相連的第二真空開(kāi)關(guān)室2則具有相對(duì)較小的觸頭直徑，相比之下，其固有電容CE2也較小，但這種結(jié)構(gòu)在組裝狀態(tài)下通過(guò)對(duì)地電位的有效雜散電容Cst得到補(bǔ)充。通過(guò)適當(dāng)選擇真空開(kāi)關(guān)室類型，可將雜散電容的影響減小到最低限度或完全消除。其條件是CE1≌CE2+Cst有效雜散電容的補(bǔ)償可通過(guò)適當(dāng)選擇真空開(kāi)關(guān)室的固有電容實(shí)現(xiàn)，它可實(shí)現(xiàn)一相無(wú)控制開(kāi)關(guān)線路的電位分布的線性化，這特別有利于在使用高壓開(kāi)關(guān)時(shí)，利用氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備，因?yàn)檫@種使用情況中作用著較高的雜散電容。
采用兩個(gè)或多個(gè)不同真空開(kāi)關(guān)室1、2的串聯(lián)電路的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，一個(gè)真空開(kāi)關(guān)室的復(fù)燃不會(huì)必然造成整個(gè)開(kāi)關(guān)線路出現(xiàn)復(fù)燃。其原因是在復(fù)燃時(shí)刻已經(jīng)大大加強(qiáng)了的電壓穩(wěn)定性已經(jīng)存在于未出現(xiàn)復(fù)燃的開(kāi)關(guān)室中。特別是在容性開(kāi)關(guān)中由于適當(dāng)選擇串聯(lián)在一起的不同真空開(kāi)關(guān)室可以實(shí)現(xiàn)電壓移交的最佳性能。
不同的電弧特性可以通過(guò)至少兩個(gè)真空開(kāi)關(guān)室觸頭在時(shí)間上錯(cuò)開(kāi)打開(kāi)而強(qiáng)制實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)由兩個(gè)真空開(kāi)關(guān)室組成的串聯(lián)電路中，不僅上面的真空開(kāi)關(guān)室1的觸頭，而且下面的真空開(kāi)關(guān)室2的觸頭延時(shí)打開(kāi)。真空開(kāi)關(guān)室1、2在時(shí)間上錯(cuò)開(kāi)的接通和斷路，可按照希望的方式實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)負(fù)荷在兩個(gè)真空開(kāi)關(guān)室上有目的的分配，通過(guò)這種措施在每個(gè)真空開(kāi)關(guān)室上產(chǎn)生的是完成了開(kāi)關(guān)處理后重新恢復(fù)的電壓份額。此外，真空開(kāi)關(guān)室1、2在時(shí)間上錯(cuò)開(kāi)的接通和斷路，還能以所希望的有利方式在純介電電壓負(fù)載下影響電壓分布。
多次電弧重燃主要是在接觸距離較小的上部真空開(kāi)關(guān)室1中出現(xiàn)，它對(duì)下部真空開(kāi)關(guān)室2的滅弧特性具有調(diào)節(jié)效果，和只有一個(gè)真空開(kāi)關(guān)室的電路相比，它可提高電壓穩(wěn)定性。
至少兩個(gè)真空開(kāi)關(guān)室的串聯(lián)結(jié)構(gòu)的一個(gè)特性是，在容性開(kāi)關(guān)時(shí)具有特殊的優(yōu)點(diǎn)，一個(gè)真空開(kāi)關(guān)室的電弧重燃和復(fù)燃可受到另一個(gè)真空開(kāi)關(guān)室(或多個(gè)其他真空開(kāi)關(guān)室)的控制。這里真空開(kāi)關(guān)原理的性能對(duì)于實(shí)現(xiàn)較高的工作電壓并不是主要的，而是利用至少兩個(gè)真空開(kāi)關(guān)室串聯(lián)結(jié)構(gòu)在特定開(kāi)關(guān)情況下的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于在36kV電壓范圍內(nèi)通常所要求的工作電壓而言，僅用一個(gè)真空開(kāi)關(guān)室即可完成。
圖3表示電壓/時(shí)間曲線圖，用于說(shuō)明另一個(gè)真空開(kāi)關(guān)室電弧重燃時(shí)，通過(guò)一個(gè)真空開(kāi)關(guān)室的電壓轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。其中的衰減震蕩恢復(fù)電壓U取決于時(shí)間t。在時(shí)刻0時(shí)，完成了滅弧后重新恢復(fù)的電網(wǎng)電壓以瞬態(tài)衰減震蕩恢復(fù)電壓U3的形式出現(xiàn)。由于串聯(lián)結(jié)構(gòu)，用點(diǎn)狀線表示的總衰減震蕩恢復(fù)電壓U3被按以下方式劃分，虛線表示分衰減震蕩恢復(fù)電壓U1和分衰減震蕩恢復(fù)電壓U2(實(shí)線)。在時(shí)刻t1時(shí)，第一(上部)真空開(kāi)關(guān)室1產(chǎn)生電弧重燃。第二(下部)真空開(kāi)關(guān)室2在該時(shí)刻t1接管整個(gè)電壓負(fù)載，也就是說(shuō)，在該時(shí)刻的有效總衰減震蕩恢復(fù)電壓U3。然后上部真空開(kāi)關(guān)室1強(qiáng)化，并可以重新接受一少部分總電壓U3。
串聯(lián)電路的斷路性能可考慮在各個(gè)真空開(kāi)關(guān)室的單個(gè)性能分開(kāi)關(guān)位。電位分布在衰減震蕩恢復(fù)電壓的第一個(gè)微秒內(nèi)由于后電流電弧效應(yīng)的緣故，通過(guò)歐姆(等離子體)電阻確定，它可描述開(kāi)關(guān)過(guò)程內(nèi)的重新強(qiáng)化過(guò)程。過(guò)了幾微秒后，該等離子體電阻已經(jīng)有了強(qiáng)增長(zhǎng)，所以致使固有電容和雜散電容確定兩個(gè)開(kāi)關(guān)電路上的電壓分布。該電壓分布主要受到(下部)真空開(kāi)關(guān)室2的對(duì)地雜散電容Cst的影響，也就是說(shuō)，雜散電容Cst起到預(yù)控制作用(然而不會(huì)帶來(lái)如前所述的缺點(diǎn))。
權(quán)利要求
1.具有至少兩個(gè)串聯(lián)真空開(kāi)關(guān)室的高壓開(kāi)關(guān)，其特征是，串聯(lián)布置的真空開(kāi)關(guān)室(1、2)，其結(jié)構(gòu)尺寸和/或觸頭形狀，如觸頭直徑、觸頭的接觸間隔和觸頭種類采用不同的方式構(gòu)成，其中至少有一個(gè)第一種類型的真空開(kāi)關(guān)室以及至少有一個(gè)第二種類型的真空開(kāi)關(guān)室，并且通過(guò)選擇真空開(kāi)關(guān)室(1、2)的類型，使得第一種類型的真空開(kāi)關(guān)室的電弧重燃和復(fù)燃受到至少另一個(gè)第二種類型的真空開(kāi)關(guān)室的控制。
2.如權(quán)利要求1所述的高壓開(kāi)關(guān)，其特征是，與高壓側(cè)引線(3)相連的真空開(kāi)關(guān)室(1)，其固有電容量(CE1)高于與接地側(cè)引線(4)相連的真空開(kāi)關(guān)室(2)的固有電容量。
3.如權(quán)利要求2所述的高壓開(kāi)關(guān)，其特征是，與接地側(cè)引線(4)相連的真空開(kāi)關(guān)室(2)的固有電容量(CE2)與對(duì)地電位的有效雜散電容(Cst)之和大致等于與高壓側(cè)引線(3)相連的真空開(kāi)關(guān)室(1)的固有電容量(CE1)。
4.如以上權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的高壓開(kāi)關(guān)，其特征是，將其裝入一個(gè)氣體絕緣開(kāi)關(guān)。
5.如以上權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的高壓開(kāi)關(guān)，其特征是，消弧室和殼體之間的絕緣采用SF6，N2，空氣或者其他氣態(tài)或液態(tài)絕緣材料。
6.操作如權(quán)利要求1所述的高壓開(kāi)關(guān)的方法，其特征是，至少兩個(gè)真空開(kāi)關(guān)室(1、2)的觸頭的打開(kāi)是在時(shí)間上錯(cuò)開(kāi)的。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征是，與高壓側(cè)引線(3)相連的真空開(kāi)關(guān)室(1)的觸頭延時(shí)打開(kāi)。
全文摘要
具有至少兩個(gè)串聯(lián)真空開(kāi)關(guān)室的高壓開(kāi)關(guān),所建議的方案是,串聯(lián)布置的真空開(kāi)關(guān)室(1、2),其結(jié)構(gòu)尺寸和/或觸頭形狀,如觸頭直徑,觸頭的接觸間隔,觸頭種類采用不同的方式構(gòu)成,其中至少有一個(gè)第一種類型的真空開(kāi)關(guān)室以及至少有一個(gè)第二種類型的真空開(kāi)關(guān)室,并且通過(guò)選擇真空開(kāi)關(guān)室(1、2)的類型,使得第一種類型的真空開(kāi)關(guān)室的電弧重燃和復(fù)燃受到至少另一個(gè)第二種類型的真空開(kāi)關(guān)室的控制。作為該高壓開(kāi)關(guān)的操作方法,是至少兩個(gè)真空開(kāi)關(guān)室的觸頭在時(shí)間上錯(cuò)開(kāi)打開(kāi)。
文檔編號(hào)H01H33/66GK1273430SQ0010839
公開(kāi)日2000年11月15日 申請(qǐng)日期2000年3月16日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月17日
發(fā)明者T·貝茨, R·海涅邁爾, D·克尼格 申請(qǐng)人:Abb專利有限公司