真空开关设备

本发明涉及一种具有能断开大电流功能的真空开关设备。

一般地说，电力接受/变压设备通过一个断路器和一个隔离开关来接 受电力；通过一个变压器将电源电压转变为载荷适宜使用的电压；并将 这样降压后的电力供给载荷。在维修和检验电力接受/变压设备时，为了 保证操作者的安全，常先断掉断路器，然后断掉隔离开关，以防止电力 再从供电侧输入，另外还有一个接地开关被接通，以便使供电侧上的残 余电荷和感应电流流到接地侧。作为电力接受/变压设备的一例，在日本 专利公报平成3-273804号中所公开的一种气体绝缘开关设备是这样设 计的，一个断路器、一个隔离开关、一个接地开关和一个电流变压器被 分别制备并被存放在一个充满绝缘气体的单元室内。作为电力接受/变压 设备的另一例，在日本专利公报平成9-153320号中所公开的一种开关 设备是这样设计的，它包括一个停止可动导体19的装置，能将导体停止 在四个位置，即闭合位置Y1、打开位置Y2、隔离位置Y3、和接地位 置Y4，或三个位置，即闭合位置Y1、隔离位置Y3、和接地位置Y4， 这样来在一个真空管内构成断路器隔离开关和接地开关的三个功能，或 隔离开关和接地开关的两个功能。

上述前一种真空开关设备，其中断路器和隔离开关是单独布置的， 存在着扩大设备尺寸的问题，还有另一个问题是适用性差，有可能引起 操作者的误操作，因为在维修和检验时一连串的断开和隔离操作不能连 续进行。

上述后一种真空开关设备，其中断路器和隔离开关是在一个真空容 器内构成的，存在的问题是操作机构复杂。在真空断路器内规定着断开 大电流时最适宜的电极间打开距离。如果电极间打开距离过大，那么从 两个电极上释放出来的金属颗粒所扩散的区域增大，会污染电极周围的 绝缘体，从而降低真空管的绝缘性能；另外，由于弧长增大，致使电弧 的性态不稳定，会降低断路的性能。同时，如果电极间打开距离过小， 那么由于在断路后电极不能承受施加在电极间的瞬时恢复电压，会使绝 缘被击穿，从而使断路不能实行。有鉴于上述情况，因此现有技术的开 关设备必须这样设计来完成断路操作，其中，可动导体先被停止在一个 合适的打开位置，然后再进行与断路操作分开的隔离操作。这种设计使 操作机构复杂造成不方便。

本发明的一个目的是要提供一种真空开关设备，它能提高适用性， 减少操作者误操作的可能性，并且与现有技术的分两段操作的开关设备 相比，能使操作机构简化和小型化。

为了达到上述目的，按照本发明提供的真空开关设备包括：一个设 在一真空容器内的固定电极；一个设在一真空容器内的可动电极，它可 在闭合位置和打开位置之间及打开位置和隔离位置之间运动，并停止在 闭合位置和隔离位置；一个用来使可动电极与固定电极接触或使可动电 极从固定电极上离开的装置；以及一个减速装置，用来使可动电极在从 打开位置运动到隔离位置过程中的运动速度小于其从闭合位置运动到打 开位置过程中的运动速度。

按照本发明，还提供这样一种真空开关设备，它包括：一个设在一 真空容器内的固定电极；一个设在一真空容器内的可动电极，它可在闭 合位置和打开位置之间及打开位置和隔离位置之间运动，并停止在闭合 位置和隔离位置；一个用来使可动电极与固定电极接触或使可动电极从 固定电极上离开的装置；以及一个减速装置，用来使可动电极在从打开 位置运动到隔离位置过程中的运动速度小于其从闭合位置运动到打开位 置过程中的运动速度；其中，固定电极和在打开位置的可动电极之间的 电极间打开距离D2及固定电极和在隔离位置的可动电极之间的电极间 打开距离D3满足关系0.5×D3≤D2≤0.7×D3。

按照本发明，上述减速装置最好由缓冲(震动吸收)器构成，该缓 冲器当可动电极到达打开位置时就开始工作。

按照本发明，上述减速装置最好由弹簧操作机构的断路弹簧构成， 该弹簧操作机构用来驱动可动电极和缓冲弹簧，后者当可动电极到达打 开位置时就开始工作。

按照本发明，缓冲弹簧的弹簧常数最好大于断路弹簧的弹簧常数。

按照本发明，上述减速装置最好由弹簧皱纹管构成，当可动电极到 达打开位置时皱纹管的弹簧常数会增加；并且可动电极最好通过弹簧皱 纹管固定在真空容器上。

按照本发明，能提高适用性，减少操作者误操作的可能性，并且与 现有技术的分两段操作的开关设备相比，能使操作机构简化和小型化。

下面简要说明附图：

图1为按照本发明的真空管的垂直剖视图；

图2为在本发明第一实施例中的电极及其附近的放大图；

图3为一曲线图示出在本发明第一实施例中的电极间打开特性；

图4为一曲线图示出在本发明第一实施例中的电极间闭合特性；

图5为一特性图解，示出按照第一实施例的电极间承受电压和断路 性能分别与可动电极位置的关系；

图6为按照本发明第二实施例的操作机构的概略视图；

图7为按照本发明第三实施例的真空管的垂直剖视图；

图8为按照本发明第四实施例的真空管的侧剖视图；

图9为按照本发明第五实施例的操作机构的断路弹簧部分的剖视 图，其中具有缓冲器功能的断路弹簧部分包括一个拉伸式断路弹簧。

图10为按照本发明第六实施例的操作机构的断路弹簧部分的剖视 图，其中图9所示拉伸式断路弹簧已被压缩式断路弹簧替代；

图11为按照本发明第七实施例的真空管的垂直剖视图；及

图12为按照本发明第八实施例的真空管的垂直剖视图。

下面结合图1到12说明本发明的实施例。 实施例1

图1示出一个兼有断开功能和隔离功能的真空管。

首先说明真空管1的结构。金属容器4的内侧被封闭成真空状态。 可动电极2和固定电极3被互相面对地布置在接地的金属容器4内。固 定电极3被连接到一个绝缘套管9上，更具体点说，是通过套管9连接 到总线上。可动电极2通过柔性导线12连接到绝缘套管8上，更具体点 说，是通过套管8连接到载荷上。在真空管1中，在闭合状态，其中可 动电极2与固定电极3接触，电流沿着固定电极3、可动电极2和柔性 导线12的路径流动。在固定电极3的周围设有电弧屏14，用来防止在 断路时由于电弧A直接与金属容器4接触而造成接地故障的发生。电弧 屏14还起到一个作用，就是在断路时防止从电极释放出来的金属微粒散 射开来，从而防止绝缘性能的变坏，例如，由于散射的金属微粒，绝缘 杆7或类似物会被污染。可动电极2被连接到绝缘杆7上。可动电极2 通过绝缘杆7被一与真空管1分开设置的操作机构(未示出)垂直地驱 动，使它相对于固定电极3打开/闭合。绝缘杆7通过一个弹簧皱纹管11 被连接到金属容器4上，因此可动电极2是在金属容器4的内侧保持真 空的状态下被绝缘杆7驱动的。

可动电极2可被停止在两个位置上，一个位置是闭合位置Y1，在 该位置两个电极互相接触；另一个位置是隔离位置Y3，在该位置即使由 于雷击或其他而有电漏电压施加在其上时也可保持绝缘。例如日本JEC 标准2300和2310所说的那样，隔离开关的电极间承受电压须设定得比 断路器高。当可动电极2停止在隔离位置Y3时，在电极间的打开距离、 在每一电极和电弧屏14之间的绝缘距离和其他类似距离，必须按照与隔 离开关承受电压有关的规定设计。而且当可动电极2停止在隔离位置Y3 时，为了保证操作者的安全，必须在各绝缘之间建立起协调，使得即使 在最坏的情况下，通过将放电引到接地侧，在两电极之间不会发生绝缘 的击穿。例如图2所示，使在电极之间的电场E3比在电极3和电弧屏14 之间的电场E1和在电极2和电弧屏14之间的电场E2都小，从而使绝缘 的击穿不是在放电路径41上，而是在放电路径42和43上。采用这种设 计就能保证操作者的安全。

接着，结合图3和4说明在这个实施例内真空开关设备的开关特性。 图3示出在电极间的打开操作中，可动电极2的位置随着经过的时间而 改变的情况。在该图中，符号Y2指在真空开关设备中的打开位置，该位 置位在闭合位置Y1和隔离位置Y3之间。在经过时间t0而可动电极2正 好通过打开位置Y2时，可动电极2就被强制减速，然后移动到隔离位置 Y3。图4示出在电极间的闭合操作中，可动电极2的位置随着经过的时 间而改变的情况。可动电极2被加速从隔离位置Y3移动到闭合位置Y1。

在电极间打开操作中，可动电极2开始减速的时刻to是按照下列程 序来确定的。图5示出电极间承受电压和断路性能分别与可动电极2的 位置(电极间距离D)的关系。电极间承受电压随着电极间距离D而增 加。同时，当电极间距离达到图5所示的D0值时，断路性能达到最大， 随着电极间距离D大于D0值，断路性能降低。这是因为当电极间距离D 大于D0值时，从电极释放出来的金属微粒所污染的绝缘体的区域增大的 原故，结果就使断路性能降低。

这里，电极间距离D3为可动电极2停止在隔离位置Y3时的状态。

如从图5可见，断路操作最好在断路性能高时而且在电极间承受电 压也高时完成，那就是，在图中画有阴影线的区域内完成(电极间距离D 在0.5×D3≤D2≤0.7×D3的范围内)。因此，可动电极2位在打开 位置Y2时的电极间距离D2，最好以可动电极2停止在隔离位置Y3时 的电极间距离D3为依据而在0.5×D3≤D2≤0.7×D3的范围内。 实施例2

现在结合图6说明用来对上述开关特性给出具体形式的操作机构。 图6示出一个开关设备，它用来通过一个弹簧操作机构25操作图1所示 的真空管1。在该图中，标号30指断路弹簧部分，其中复位的(偏压) 断路弹簧31被与断路弹簧部30分开设置的分离(跳闸)机构释放，以 产生一个驱动力。该驱动力通过轴22或类似物传送到绝缘杆7上。标号 20指一挡块。挡块20限制轴22的旋转量，从而确定可动电极2的移动 距离。挡块20被这样调节，使当可动电极2到达隔离位置Y3时轴22被 带到与挡块20接触。在连杆部分27上设有一个缓冲器21。缓冲器21 被这样调节，使当可动电极2到达打开位置Y2时缓冲器21开始被操作。

按照本发明，操作状态可自动进入到断路状态并使电极间距离D保 持在适宜断路的值D0上。也就是说，一连串的断路和隔离操作可自动进 行而不会降低断路性能。这个开关设备使它有可能提高适用性而消除操 作者误操作的可能性。而且与断路和隔离分成两个工步操作的现有技术 的开关设备相比，操作机构可简化。另外，由于在可动电极2到达停止 位置即隔离位置Y3之前，可动电极2的电极间打开速度被降低，因此冲 击力被减小，从而可提高真空管1、弹簧皱纹管11、操作机构25和其 他的机械寿命。在本实施例中，还可得到用接通(合闸)性能表示的下 列效果。由于接通从隔离位置Y3开始，接通冲程比现有技术的开关设备 长，于是在两个电极刚要接触之前增加了接通速率。在真空断路器中， 正当接通前两个电极互相接近而在其间留出一个微小间隙时，在两电极 之间会产生电弧，这样在接通后就会发生与电极间熔融有关的问题。为 此原因，现有技术的操作机构需要有一个比熔融力大的分离力作用在两 个电极之间。与此相反，按照本发明，由于增加了接通速率，产生电弧 的时间，即在电极间产生熔融力的时间已被减少，这样便可有效地减少 所需的操作力。 实施例3

在第一和第二实施例中，说明时所用真空管的例子，其中金属容器 是接地的；但如同在这个实施例中所说明的，本发明也可用于金属容器 不接地的真空管。图7示出一个真空管，其中可动电极2在轴向上被驱 动，并有一陶瓷筒16设在固定电极3和可动电极2的外周侧。在固定电 极3和可动电极2的外周与陶瓷筒16之间设有一个电弧屏14，为的是 防止在产生电弧时散射出来的离子和电子粘附在陶瓷筒16上而致陶瓷筒 16的绝缘性能变坏。有一弹簧皱纹管11设在可动电极2导体部的周围， 被弹簧皱纹管11陶瓷筒16及其他包围的真空管的内侧被保持在真空状 态。上述导体部通过一个绝缘体被连接到图6所示的操作机构25上。

可动电极2被停止在一个闭合位置Y1和一个隔离位置Y3上，并在 可动电极2通过打开位置Y2后降低可动电极2的移动速度。可动电极2 的移动速度的调节是由图6所示操作机构25的缓冲器21来完成的。可 动电极2停止在隔离位置Y3时的电极间承受电压被设定得高于在真空管 的外部和大地之间的承受电压，以便实现绝缘的协调。

通过将位置传感器装在空气操作机构上而不是装在如同缓冲器或连 杆部分那样的弹簧操作机构上，就可设置如同伺服或反馈系统那样的控 制系统。在这种情况下，也可得到与上面所述相同的效果。 实施例4

在这个实施例中，本发明被应用到一个真空管上，其中，金属容器 并不接地，并且有一包括可动电极2的操作闸刀可环绕一根主轴20旋 转。

图8示出一个真空管，其中有一包括可动电极2的操作闸刀可环绕 一根主轴20旋转，还有一个陶瓷筒16设在固定电极3和可动电极2的 外周侧。在固定电极3和可动电极2的外周与陶瓷筒16之间设有一个电 弧屏14，为的是防止在产生电弧时散射出来的离子和电子粘附在陶瓷筒 16上而致陶瓷筒16的绝缘性能变坏。有一弹簧皱纹管11设在可动电极 2导体部的周围，被弹簧皱纹管11、陶瓷筒16及其他包围的真空管的内 侧被保持在真空状态。上述导体部通过一个绝缘体被连接到图6所示的 操作机构25上。

可动电极2被停止在一个闭合位置Y1和一个隔离位置Y3上，并在 可动电极2移动通过打开位置Y2后降低可动电极2的移动速度。可动电 极2的移动速度的调节是由图6所示操作机构25的缓冲器21来完成的。 可动电极2停止在隔离位置Y3时的电极间承受电压被设定得高于在真空 管的外部与大地之间的承受电压，以便来实现绝缘的协调。

通过将位置传感器装在空气操作装置上而不是装在如同缓冲器或连 杆部那样的弹簧操作机构上，就可设置如同伺服或反馈系统那样的控制 系统。在这种情况下，也可得到与上面所述相同的效果。 实施例5

在这实施例中，图6所示弹簧操作机构25的断路弹簧部分30已被 修改，使它具有缓冲器21的功能。图9示出断路弹簧部分30的修改过 的结构，它包括一个拉伸式断路弹簧31及用来固定该断路弹簧31两端 的弹簧支承座32和33。当可动电极2位在闭合位置Y1时支承座32停 止在位置L1；当可动电极2位在隔离位置L3时，支承座32停止在位置 L3；而当可动电极2到达打开位置Y2时，支承座32移动通过位置L2。 这里，有一缓冲弹簧34在断路弹簧31的外侧或内侧分开设置，该弹簧 34当支承座32移动通过位置L2时便开始操作。也就是说，缓冲弹簧34 被调节为当可动电极2到达打开位置Y2时便开始操作。 实施例6

在图10示出的实施例中，第五实施例中的断路弹簧31的拉伸螺旋 圈被一压缩螺旋圈取代。但在这个实施例中，缓冲弹簧34也被这样调节， 使它当支承座32移动通过位置L2时便开始操作。因此，当可动电极2 到达打开位置Y2时，缓冲弹簧34便象制动器那样动作，使可动电极2 的电极间打开速度降低。在这实施例中，通过缓冲弹簧34可以得到与第 一实施例采用缓冲器21所能得到的相同的效果。应该注意的是，减速效 果还可增强，只要使缓冲弹簧34的弹簧常数大于断路弹簧31的弹簧常 数即可。 实施例7

图11示出一个实施例，其中在以前实施例中说明的弹簧皱纹管11 已被修改，使它具有降低电极间打开速度的功能。在本实施例中的弹簧 皱纹管11由两个部分K1和K2组成，部分K1具有大的弹簧常数，而部 分K2具有小的弹簧常数。采用这种设计，当可动电极2以高速移动时， 弹簧常数小的部分K2被主要驱动，当可动电极2到达打开位置Y2时， 部分K2被充分压缩，于是弹簧常数大的部分K1开始被驱动。也就是说， 在可动电极2移动通过打开位置Y2后，弹簧常数大的部分K1才被驱动， 从而使可动电极2的电极间打开速度降低。这个实施例的优点是，在现 有技术的断路器中采用的操作机构仍可按原样使用。 实施例8

图12示出一个真空管，在其中制有断路器和接地开关。一个固定电 极3、一个可动电极2、和一个接地开关15都被布置在一个接地的金属 容器4内，并与该金属容器4绝缘。可动电极2停止在一个闭合位置Y1 上和一个接地位置Y4上。在可动电极2从闭合位置Y1移动到接地位置 Y4的过程中，在通过打开位置Y2后，可动电极2的电极间的打开速度 被降低。图6所示的缓冲器21或图9和10所示的缓冲弹簧34都可被用 作这个实施例的减速装置。采用这种设计，只用单个操作机构便能自动 而连续地完成断开和接地两个操作。应该注意的是，图12所示的真空管 1可被这样设计，使可动电极2停止在闭合位置Y1和隔离位置Y3上， 以便实现断路和隔离功能，而可动电极2和接地开关15可被一个分开的 操作机构断开/闭合，以便实现接地功能。本实施例的优点在于，断路隔 离和接地三个功能可集中到单个真空管内，从而可使开关设备的整个结 构小巧。

虽然本发明的较优实施例已就具体项目进行描述，但这种描述只是 用于说明的目的，并且应该知道，对这些具体项目是可以作出各种改变 和变化而并未离开本发明的创意或下列权利要求所限定的范围的。