具有电磁驱动的断路器单元 |
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| 申请号 | CN201380080734.9 | 申请日 | 2013-10-25 | 公开(公告)号 | CN105706204A | 公开(公告)日 | 2016-06-22 |
| 申请人 | 西门子公司; | 发明人 | G.巴赫迈尔; A.格德克; D.伊玛莫维克; S.科塞; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种用于中断线路的机械 断路器 单元1。在此，断路器单元1包括 接触 布置和电磁驱动部件5,6。接触布置具有第一和第二静触头2,3以及被引导的动触头4。电磁驱动部件5,6被设计用于移动动触头4。断路器单元1可以采取第一和第二状态，其中，在第一状态下，在第一和第二静触头2,3之间不存在电连接，并且在第二状态下，动触头4将两个静触头2,3彼此电连接。通过移动动触头4，断路器单元1能够从第二状态转变到第一状态。本发明的特征在于，第二静触头3具有容纳动触头4的凹槽31，并且当断路器单元1处于第一状态时，动触头4至少部分地插入凹槽31中。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于中断电气线路的断路器单元(1)，包括： |
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| 说明书全文 | 具有电磁驱动的断路器单元技术领域[0001] 本发明涉及一种利用接触布置和电磁驱动部件中断电气线路的断路器单元。接触布置具有第一静触头和第二静触头以及被引导的动触头，其中，术语触点和接触件在这种情境下应当被理解为同义词。电磁驱动部件被设计用于移动该动触头。该断路器单元可以采取第一状态和第二状态，其中，在第一状态下，在第一静触头和第二静触头之间不存在电连接，而在第二状态下，该动触头将两个静触头彼此电连接。该断路器单元通过移动该动触头可以从第二状态转变为第一状态。 背景技术[0002] 具有这种类型的断路器单元的开关系统已经是已知的，并且通常在中压和高压技术中用于切换电流、特别是短路电流。其特别地在短路电流一方面导致到消费者的能量流断开、另一方面导致传导电流的网络部件的机械负荷高的电能供应网络中得到使用。 [0003] 等在其论文“Proactive Hybrid HVDC Breakers-A key Innovation for reliable HVDC grids”；Integrating supergrids and microgrids International Symposium,2011中描述了一种混合直流开关系统，其中，主路径包括机械断路器和电子辅助开关。在发生短路的情况下，借助辅助开关将上升的短路电流从主路径换向到旁路路径中，其中，同时启动断路器的断开。在旁路路径中布置有功率开关单元，其具有电子开关的串联电路。如果断路器达到所需的耐压强度，则可以通过功率开关单元中断短路电流。将在功率开关的非线性电阻中消耗在此释放的能量。 [0004] 在已知的中压和高压开关系统的机械断路器中，大多利用弹簧储能驱动进行接触系统的机械断开和闭合。在此可实现的开关时间固定在几十至五十毫秒。例如对于高压直流传输设备 中的开关系统，这些开关时间明显过大，因此希望具有更快的开关时间的解决方案。 [0005] 在J-M.Meyer等的论文“A DC Hybrid Circuit Breaker With Ultra-Fast Contact Opening and Integrated Gate-Commutated Thyristors(IGCTs)”；IEEE Transactions on Power Delivery,Vol.21,No 2,2006中，描述了开头提及的类型的机械断路器单元。接触布置的动触头在此作为被引导为与电流方向垂直地移动的固体铜盘来实现。电磁驱动部件包括与铜盘同轴地布置的汤姆森线圈(Thomson-Spule)。利用汤姆森效应可以使动触头移动，从而使中断单元从第二状态转变为第一状态。 发明内容[0006] 基于现有技术，本发明的目的是提出一种替换的开头提及的类型的断路器单元。 [0007] 上述目的通过使接触布置的第二静触头具有用于容纳动触头的凹槽，并且在断路器单元处于第一状态时，使动触头至少部分地插入凹槽中来实现。 [0008] 根据本发明的断路器单元比迄今已知的断路器单元更紧凑。其它优点是：非常短的反应时间，因为电磁场将其作用直接施加在动触头上；非常短的移动时间，因为不需要移动附加的机械部分；对被引导的动触头的移动的控制简单，包括通过磁场进行加速和制动；实现了断路器单元的两个状态之间的具有非常短的时间的重复率；在布置中避免了附加的质量。此外，例如与爆炸驱动相比，可以任意频繁地致动电磁驱动。另外，由于电磁驱动，不需要考虑高压传导部件和驱动定子(Antriebsstator)之间的隔离。 [0009] 第二静触头的凹槽优选被设计用于引导动触头。在此，在断路器单元的第二状态下，动触头通过同时接触两个静触头，在两个静触头之间建立电连接。如果动触头由于与电磁驱动部件的电磁相互作用而移动，使断路器单元转变到第一状态，则使动触头和第一静触头之间的接触断开。相反，优选即使在断路器单元处于第一状态时，在动触头和第二静触头之间也存在接触。 [0010] 根据本发明的一个实施方式，第一静触头同样具有凹槽。当断路器单元处于第二状态时，动触头至少部分地插入第一静触头的凹槽中。 [0011] 通过使动触头插入第一静触头或第二静触头的凹槽中，可以实现断路器单元的特别稳定的配置。 [0012] 还可以想到，当断路器单元处于第二状态时，动触头不仅插入第一静触头的凹槽中，而且插入第二静触头的凹槽中。在动触头移动时，动触头例如可以从第一静触头中的凹槽松开，从而对应地更深地插入第二静触头中的凹槽中。凹槽优选被构造为，动触头到相应的凹槽中的插入在相应的静触头和动触头之间提供可靠的电连接。 [0013] 有利的是，动触头在其加速之后通过合适的措施进行制动，以避免所谓的“弹跳(Bouncing)”，也就是说，动触头的回移，在某些情况下为多次回移。这种回移可能导致，两个静触头之间的断开的电连接可能无意间重新建立。为此，以合适的方式确定凹槽的大小，使得凹槽的子区域可以相应地用作缓冲室。 [0014] 此外，可能有利的是，第二静触头的凹槽被设计用于纵向可移动地引导动触头。这简化了该布置的几何结构，并且使得能够放弃可能的用于移动动触头的附加的引导部件。动触头可在凹槽内部沿纵轴移动，其中，其被较深地引入凹槽中或者从凹槽中被导出。 [0015] 根据一个实施例，动触头是钉状的销触点。销触点例如可以具有近似圆柱形的几何结构。还可以想到，第二静触头中的凹槽被构造为与销触点形状互补，从而凹槽特别好地适合于引导销触点。 [0017] 动触头越轻，使其加速所需的电磁力越小。这又使得断路器单元的大小以及操作电磁驱动部件所需的能量能够减小。合适的是，动触头的重量处于1g和10kg之间，特别合适的是，重量在10g和1kg之间。 [0018] 根据本发明的另一个实施方式，第一静触头和第二静触头被构造为导电的钟形触点。钟形的静触头例如可以特别好地与针形的销触点相互作用，以建立电连接。 [0019] 接触布置优选具有圆柱形的几何结构。在此，动触头和两个静触头被构造为圆柱对称的。动触头沿着圆柱轴可移动。在此，第二静触头的凹槽可以被构造为，借助凹槽可沿着圆柱轴引导动触头。动触头的直径不大于凹槽的内径。 [0020] 断路器单元还可以包括壳体。在此，用绝缘气体填充壳体。优选壳体是气密的并且被构造为，接触布置在第一静触头和动触头之间以及在动触头和第二静触头之间的接触区域中被绝缘气体包围。 [0021] 绝缘气体应当具有尽可能高的介电强度。因此，气体SF6特别适合作为绝缘气体。但是还可以想到，使用其它合适的气体或气体混合物，例如N2和SF6的混合物，其中，SF6的重量比可以处于10％和50％之间。有利的是，绝缘气体可以实现灭弧气体的功能，以避免出现电弧。然而，因为在发生短路的情况下触点断开时，断路器单元实质上仅传导小的电流，因此绝缘气体的这种功能对于本发明不是很重要。 [0022] 优选壳体中的绝缘气体处于1巴至10巴、特别优选7至9巴的压力下。 [0023] 电磁驱动部件可以包括线圈。在此，优选线圈以同心地围绕动触头的方式布置。 [0024] 根据本发明的一个实施方式，线圈被布置在壳体内部。 [0025] 但是线圈也可以布置在壳体外部。 [0026] 此外，断路器单元也可以包括两个线圈，其中，第一线圈与第一静触头相关联，并且第二线圈与第二静触头相关联。 [0027] 为了使动触头移动，可以利用两种物理效应。 [0028] 线圈中逐渐上升的电流经由对应地建立的线圈的磁场在动触头的外壳中感生圆形电流，由此又围绕动触头产生磁场，其极性与线圈的磁场相反。在动触头上获得产生的力(洛伦兹力(Lorentzkraft))，该力使动触头移动离开线圈。如果线圈布置在第一静触头上，则动触头可以离开第一静触头向第二静触头的方向移动，由此断路器单元可以转变到第一状态。基于这种瞬时效应，可以实现几毫秒的范围内(例如小于10ms)的非常快的开关时间。对应地适用于线圈中逐渐减小的电流。线圈中的电流变化必须分别与要施加的力对应地选择。 [0029] 如果在线圈中流过恒定电流，则可以将动触头、例如动触头的铁磁的芯磁化。在这种情况下，线圈的磁场和动触头的磁场具有相同的极性(磁阻效应)。如果线圈布置在第二静触头上，则动触头可以离开第一静触头向第二静触头的方向移动。由此，断路器单元可以从第二状态转变到第一状态。在这种情况下，开关时间取决于线圈的电感。线圈电流应当与要施加的力匹配，其例如可以处于10A和500A之间、优选处于20A和200A之间的范围内。 [0030] 如果电磁驱动部件包括多于一个的线圈，则可以将两种效应组合，以通过对通过线圈的电流进行合适的控制来使动触头移动。 [0032] 在此，混合开关系统包括：传导工作电流的、包括机械断路器单元的主路径和与其并联的、包括电子功率开关的旁路路径。此外，混合开关系统还可以包括辅助开关和其它元件以及例如与主路径并联连接的其它路径。在此，断路器单元可以具有多个先前描述的特征中的一个或者组合。 [0033] 根据另一应用示例，根据本发明的断路器单元可以在直流电网(DC电网)或者包括多个变换器设备的多终端系统中使用。 [0034] 在多终端系统中，根据现有技术经常需要在发生故障、例如短路时将整个系统从电网断开，其中，必须将变换器设备关闭。在消除故障之后，才能将系统再一次启动并且投入运行。 [0035] 在这种情境下，断路器单元可以用于在发生故障的情况下断开系统的变换器设备之间的连接，从而将系统的与故障相关的部分分离。由于断路器单元的开关时间快，因此可以防止整个系统崩溃。 [0036] 变换器设备中的至少一个例如可以是自换向的高压直流传输设备( 设备)。其例如可以包括具有相模块的多电平变换器，相模块具有串联连接的子模块，其中，两极的子模块被构造为全桥电路或者半桥电路。在发生故障的情况下， 设备可以将要断开的连接切换为无电流或无电压，从而断路器单元随后可以断开连接。 附图说明 [0037] 下面根据图1至5详细说明本发明。 [0038] 图1以示意性截面图示出了根据本发明的断路器单元的一个实施方式； [0039] 图2以示意性截面图示出了根据本发明的断路器单元的另一实施方式； [0040] 图3以示意性截面图示出了动触头的一个实施方式； [0041] 图4以示意性示图示出了根据本发明的断路器单元的第一应用示例。 [0042] 图5以示意性示图示出了根据本发明的断路器单元的第二应用示例。 具体实施方式[0043] 具体地，在图1中示出了通过根据本发明的机械断路器单元1的示意性截面。断路器单元1包括具有第一静触头2、第二静触头3以及动触头4的接触布置。断路器单元1还包括具有两个线圈5、6的电磁驱动部件。 [0044] 断路器单元1经由两个静触头2、3连接到开关系统的导电路径。 [0045] 在图1中示出的实施例中，断路器单元1具有圆柱对称性。动触头4对应地以针形的销触点的形式构造。静触头2、3具有圆柱对称的钟形触点的形状。线圈5、6分别具有环形形状，并且同心地围绕静触头2、3布设，其中，线圈5与第一静触头2相关联，并且线圈6与第二静触头3相关联。断路器单元1的对称轴由线9示出。 [0046] 第一静触头2具有凹槽21。凹槽21的大小确定为使得凹槽21的子区域可以用作缓冲室。 [0047] 第二静触头3同样具有凹槽31。 [0048] 图1示出了处于第二状态的断路器单元1，在该状态下，在第一静触头2和第二静触头3之间建立电连接。在图1中示出的位置，动触头4不仅插入凹槽21中，而且插入凹槽31中。在此，动触头4与第一静触头2的表面以及动触头4与第二静触头3的表面彼此接触，以建立电连接。然而，同样可以想到，接触可以经由布置在动触头和相应的静触头之间的导电的中间材料间接地建立。这种中间材料例如是导电的润滑剂。 [0049] 进行接触的整个区域被壳体7气密地包围。壳体在其内部8中填充有绝缘气体。根据在图1中示出的实施例，绝缘气体是SF6。 [0050] 线圈6中的电流产生磁场，其由于在动触头上产生的磁阻力而使动触头向第二静触头3的方向移动。动触头4由此更深地插入凹槽31中，其中，动触头4与第一静触头2之间的接触断开。断路器单元1由此转换到第一状态，在该状态下，在两个静触头2、3之间不存在电连接。 [0051] 为了又将动触头4从凹槽31(部分地)引导出，在线圈5中产生电流(其中，线圈6不传导电流)，由此对应的磁阻力使动触头4向线圈5的方向移动，其中，动触头4插入第一静触头2中的凹槽21中，并且建立第一静触头2与动触头4的接触。在此，动触头4的长度的大小被确定为，动触头4可以在端部位置(其基本上对应于在图1中示出的动触头的位置)在两个静触头2、3之间建立电连接，使得断路器单元1处于第二状态。 [0052] 线圈5中的上升的电流可以利用洛伦兹力使动触头4向第二静触头3的方向移动，其中，断路器单元1可以从第二状态转变到第一状态。对应的线圈6中的电流上升可以使动触头4又向在图1中示出的位置移动。 [0053] 根据图1的实施例，线圈5、6布置在壳体7内部。到线圈5、6的馈线(未示出)对应地配备有气密的引线(未示出)。 [0054] 图2以示意性示图示出了根据本发明的断路器单元1的另一个实施例。 [0055] 在图1和2中，对相同和类似的部件设置相同的附图标记，这对于其余的图3和4也适用。为了避免重复，在对图2的实施方式的描述中，仅详细讨论与图1的实施方式的不同之处。 [0056] 图2的实施例基本上对应于图1的实施例，不同之处在于，圆柱形的壳体7具有较小的直径。线圈5、6对应地布置在壳体7外部。因此，在该实施例中，可以放弃到线圈5、6的馈线的气密的引线。 [0057] 在图3中，以示意性截面图示出了动触头4的实施例。动触头4具有圆柱对称的几何结构，其中，对称轴由线9示出。 [0058] 动触头4包括由铁制成的铁磁的芯41和由铝制成的高导电性外壳42。在此，铁磁的芯41具有建立和/或放大与线圈5、6的磁场相互作用的、动触头4的磁场的功能。 [0059] 在图3中示出的芯41的直径(相对于动触头4的直径)可以根据应用进行变化。 [0060] 图4以示意性示图示出了断路器单元1的一个应用示例。在图4中示出了混合开关系统10，其中，混合开关系统10包括断路器单元1。 [0061] 混合开关系统10具有主路径12和旁路路径13。主路径12和旁路路径13彼此并联连接。主路径12包括断路单元1和辅助开关11。旁路路径13包括功率开关14。 [0062] 辅助开关11包括被构造为IGBT模块的多个电子开关。 [0063] 功率开关14包括被构造为IGBT模块的多个串联连接的电子开关。功率开关14的电子开关的数量比辅助开关11的电子开关的数量大多倍。例如，辅助开关11可以具有两个IGBT模块，而功率开关14可以包括多达几百个IGBT模块。 [0064] 在其中集成了混合开关系统10的设备的正常工作时，工作电流主要经由主路径12流动，因为功率开关14的电阻比断路器单元1和辅助开关11的电阻大得多。 [0065] 在发生短路的情况下，主路径中的电流首先近似指数地上升。辅助开关11被设计为，在这种情况下以尽可能小的时间延迟、优选在微秒范围内断开，由此使进一步上升的电流换向到旁路路径13中。然后，断路器单元1转变到第一状态，从而辅助开关11不被施加的(多达几百千伏的)高电压损坏。 [0066] 随后，可以借助功率开关14限制换向到旁路路径中的电流。 [0067] 根据功率开关14中和辅助开关11中的电子开关的布置，混合开关系统10可以被构造为单向或双向开关。在图4的实施例中，混合开关系统10被设计为双向开关，这通过对应的符号以图形示出。 [0068] 图5示出了多终端系统22的简单示例，多终端系统22具有作为自换向的多电平变换器实现的三个变换器站15、16、17。 [0069] 变换器站15连接到在图5中未详细示出的三相交流电网201。变换器站16和17同样连接到交流电网202和203。 [0070] 变换器站15、16、17在直流电压侧经由两个不同极性的直流线路18和19彼此连接。 [0071] 在交流电网201中提供的能量在变换器站15中被变换为直流电压。能量经由直流线路18、19从变换器站15向两个变换器站16、17传输，在那里能量又被变换为交流并且馈送到交流电网202和203中。断路器单元1布置在直流线路18中。 [0072] 如果现在例如在变换器站17中出现故障情况，则将直流线路切换为无电压并无电流，从而断路器单元1可以转变到其断开(第一)状态。由此可以将直流线路18断开，并且将发生故障的变换器站17从系统的完好的部分分离。随后，系统的包括变换器站15、16的完好的部分又可以投入运行。整个过程可以在小于300ms内完成，从而要由系统提供的能量的可能的中断的时间可以被最小化。 [0073] 当然，根据本发明的断路器单元也可以在具有更大数量的变换器站的更大的系统和DC电网中使用。其例如在网状DC电网中的使用可能特别有利。 [0074] 附图标记列表 [0075] 1 断路器单元 [0076] 2 第一静触头 [0077] 21 凹槽 [0078] 3 第二静触头 [0079] 31 凹槽 [0080] 4 动触头 [0081] 41 芯 [0082] 42 外壳 [0083] 5,6 线圈 [0084] 7 壳体 [0085] 8 壳体内室 [0086] 9 线 [0087] 10 混合开关系统 [0088] 11 辅助开关 [0089] 12 主路径 [0090] 13 旁路路径 [0091] 14 功率开关 [0092] 15,16,17 设备 [0093] 18,19 直流线路 [0094] 201,202,203 交流电网 [0095] 22 多终端系统 |
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