用于切换电压的真空开关管 |
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| 申请号 | CN202280051478.X | 申请日 | 2022-06-28 | 公开(公告)号 | CN117897789A | 公开(公告)日 | 2024-04-16 |
| 申请人 | 西门子能源全球有限公司; | 发明人 | K·本克特; M·科勒兹科; P·G·尼科利克; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种用于切换 电压 、尤其大于或等于52kV的高压范围内的电压的 真空 开关 管(1)，该真空开关管具有至少一个外罩(2)以及至少一个固定触点(3)和至少一个运动触点(4)，其中，包括至少一个控制元件(8)，该至少一个控制元件布置在至少一个真空开关管(1)处。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于切换电压的真空开关管(1)，所述真空开关管具有至少一个外罩(2)以及至少一个固定触点(3)和至少一个运动触点(4)， |
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| 说明书全文 | 用于切换电压的真空开关管技术领域[0001] 本发明涉及一种用于切换电压的真空开关管，该真空开关管具有至少一个外罩以及至少一个固定触点和至少一个运动触点。 背景技术[0002] 真空开关管或包括真空开关管装置的真空开关是断路器，其中，可相对于彼此运动的开关触点布置在至少一个真空开关室中。在高压技术中，这种真空开关管用于高压范围(尤其大于或等于52kV)内的电压切换，和/或用于高达几十千安范围内的大电流的切换。尤其包括在用于切换的布置中的真空开关管是低维护的、耐用的，并且尤其通过弹簧储能驱动器简单且可靠地驱动。对于高的电压要求，例如使用具有多个真空开关管的装置，该多个真空开关管的开关路径串联电连接，如例如由DE 10 2013 208 419 A1已知的那样。替换地，尤其在真空开关管中使用例如具有多个开关路径的真空开关管。 [0003] 在多个真空开关管和/或具有多个开关路径的真空开关管的情况下，在真空开关管的开关路径断开时，力求对一个或多个真空开关管实现与真空开关管相匹配的电压分配，即，进行控制，以便避免各个真空开关管或真空开关管的区域的过载。例如，在多个类似地设计的、彼此相继地连接的真空开关管或开关路径的情况下，力求对一个或多个真空开关管或开关路径实现尽可能均匀的电压分配。 [0004] 为了在真空开关管或开关路径上实现所力求的电压分配，例如将诸如作为控制元件的控制电阻器和/或控制电容器的无源电气部件并联到真空开关管。然而，这些部件增加了具有真空开关管的真空开关或具有多个真空开关管的装置所需的结构空间。尤其在使用经清洁且经除湿的压缩空气、即清洁空气(Clean Air)作为围绕真空开关管的绝缘气体的真空开关中，真空开关管与无源电气部件之间以及无源电气部件与由一个或多个真空开关管组成的装置的尤其金属的开关壳体之间的相对较大的绝缘距离是必要的，因为与其他绝缘气体、例如六氟化硫相比，压缩空气具有相对较低的介电强度。为了在真空开关管和具有无源部件的电路之间实现足够的绝缘，例如真空开关管和所连接的无源部件布置在不同的壳体中是可能的。然而，该布置与高的空间需求和成本相关联。 [0005] 可以在市场上获得的诸如控制电阻器和/或控制电容器的无源电气部件具有非常适合布置在自己的壳体中的尺寸，该壳体与真空开关管的外壳体相间隔。无源电气部件的材料相应地得到优化，无需紧凑的节省空间的布置或小尺寸的部件。如上所述，诸如控制电阻器和/或控制电容器的无源电气部件的外壳体与布置有真空开关管的外壳体分开，与高的材料开销、成本和结构空间相关联。 发明内容[0006] 本发明要解决的技术问题在于，说明一种用于切换电压的真空开关管，该真空开关管可以被控制并且具有较低的空间要求和较低的成本。要解决的技术问题尤其在于，说明一种用于高压的尤其具有控制元件的真空开关管，该真空开关管在较低成本的情况下具有较低空间要求。 [0007] 根据本发明，该技术问题通过具有权利要求1的特征的用于切换电压的真空开关管来解决。根据本发明的用于切换电压的真空开关管的有利设计方案在从属权利要求中说明。在此，主权利要求的主题可以与从属权利要求的特征彼此组合并且从属权利要求的特征可以彼此组合。 [0008] 根据本发明的用于切换电压的真空开关管包括至少一个外罩以及至少一个固定触点和至少一个运动触点。根据本发明，包括至少一个控制元件，该至少一个控制元件布置在至少一个真空开关管处。至少一个控制元件尤其可以与真空开关管布置在共同的壳体中，并且至少一个控制元件不必布置在与真空开关管的壳体分开的壳体中。因此，这与结构空间和成本节省相关联。 [0009] 在电触点断开时，即在真空开关管的触点相间隔时，至少一个控制元件在真空开关管上实现所定义的、预先确定的电压分布。尤其跨真空开关管的均匀的电压分布是可能的，因此可以避免由过电压造成的损坏并且可以确保真空开关管的长期稳定的可靠的功能。至少一个控制元件在至少一个真空开关管处的布置实现了至少一个控制元件和至少一个真空开关管的紧凑、节省空间、成本低廉的布置，尤其布置在共同的壳体中，该共同的壳体例如填充有清洁空气，从而电飞弧的风险降低。紧凑的结构实现材料节省、尤其较小的壳体尺寸，降低成本，并且使得能够在紧凑的布置中使用诸如清洁空气的替代的开关气体，并且使得真空开关管的简单、环境友好的使用成为可能。 [0010] 该至少一个控制元件可以是电容器和/或电阻器。电容器和/或电阻器非常适合于在至少一个真空开关管上尤其均匀地产生电压分布或者使得能够在至少一个真空开关管上进行良好的控制。 [0011] 至少一个控制元件可以包括基体、尤其陶瓷基体。陶瓷是紧凑的、成本低廉的，可以以不同的形状制造的和可掺杂的，用于具有不同的预先确定的欧姆电阻的电阻器和/或用于具有不同的预先确定的容量的电容器。 [0012] 基体可以由氧化铝Al2O3、钛酸钡BaTiO3、钛氧化物TiO2和/或钛酸锶SrTiO3组成和/或包括氧化铝Al2O3、钛酸钡BaTiO3、钛氧化物TiO2和/或钛酸锶SrTiO3。这些材料具有上面描述的积极特性。 [0013] 基体可以由相对介电常数εr在20至2000的范围内、尤其在85至170的范围内和/或在180至350的范围内和/或在1000的范围内的材料组成。非常适合于控制真空开关管的电容器尤其可以被制造为具有上面提及的相对介电常数。 [0015] 基体可以由玻璃陶瓷制成和/或包括玻璃陶瓷。玻璃陶瓷非常适合于以不同形状制造紧凑的、成本低廉的电容器和/或电阻器。陶瓷尤其易于掺杂，并且可以被制造为具有电容器和/或电阻器所需的电性能。 [0016] 至少一个控制元件可以由多个基体组成和/或包括多个基体，该多个基体尤其彼此相继地串联布置。通过多个基体的组成，可以简单且成本低廉地大批量地制造具有任意的、预先确定的容量值或欧姆电阻值的电容器和/或电阻器，并且例如可以简单地组成为不同的形状。 [0017] 真空开关管可以包括外罩，该外罩尤其具有至少一个主屏蔽件和至少两个陶瓷段，其中，该至少一个主屏蔽件可以布置在至少两个陶瓷段之间。至少一个控制元件可以布置在真空开关管的外罩处、尤其布置在外罩的至少一个陶瓷段处。至少一个控制元件在真空开关管的外罩处、尤其在外罩的至少一个陶瓷段处的布置，实现一种具有上述优点的节省空间或节省位置的结构，并且由于陶瓷段的电绝缘性能而增加了耐飞弧性。 [0018] 陶瓷段可以由尤其绝缘的玻璃陶瓷组成和/或可以包括尤其绝缘的玻璃陶瓷。玻璃陶瓷可以简单且成本低廉地制造；具有广泛的电性能、例如作为良好的电绝缘体；具有期望的紧凑形状；是耐温的，尤其在用于钎焊真空开关管的部件的炉温下。 [0019] 控制元件可以涂覆有材料、尤其绝缘材料和/或半导体材料，特别是设计为压敏电阻的控制元件。在控制元件与真空开关管的外罩的导电区域绝缘时，可以使用涂覆有绝缘材料的控制元件；为了产生压敏电阻功能，可以成本低廉且简单地使用涂覆有半导体材料的控制元件。 [0020] 可以包括多个屏蔽环，尤其分别环形和/或圆形地设计的屏蔽环，这些屏蔽环尤其可以直接布置在真空开关管的外罩处，和/或可以包围真空开关管的圆周，和/或可以在真空开关管的纵向方向上彼此相间隔地布置。这种屏蔽环实现了真空开关管的电场向外的良好的屏蔽并且实现了真空开关管周围的电场和/或磁场的场分布的均匀性。屏蔽环可以以电的方式和/或机械的方式与真空开关管中的屏蔽件或蒸汽屏蔽件连接。 [0021] 至少一个控制元件可以在电气上和/或在空间上布置在至少一个固定触点和至少一个运动触点之间、尤其在至少一个固定触点和屏蔽环之间，和/或在至少一个固定触点和主屏蔽件之间，和/或在屏蔽环和主屏蔽件之间，和/或在两个屏蔽环之间，和/或在至少一个运动触点和屏蔽环之间，和/或在至少一个运动触点和主屏蔽件之间。控制元件可以通过触点、屏蔽环和/或主屏蔽件进行电接触。控制元件在真空开关管的圆周上的在触点、屏蔽环和/或主屏蔽件之间的布置实现了节省空间的紧凑的布置、简单的电接触、在围绕真空开关管的圆周的均匀布置的情况下的均匀的场分布，并且尤其实现了容量和/或欧姆电阻在触点、屏蔽环和/或主屏蔽件之间的均匀的离散的分配。这实现了容量和/或欧姆电阻沿着真空开关管的纵向轴线和/或沿着真空开关管的圆周的离散分配，并且实现了沿着真空开关管的纵向轴线和/或沿着真空开关管的圆周的有针对性的或所定义的控制或电压分配。 [0022] 至少一个控制元件尤其在至少一个控制元件的端面处可以被金属化和/或包括金属帽，设计用于尤其在钎焊过程中尤其与屏蔽环电接触和/或机械接触。以这种方式实现至少一个真空开关管上的控制元件的简单且成本低廉的电接触和连接，尤其在至少一个真空开关管的制造过程、例如钎焊过程中节省时间和成本。 [0023] 至少一个控制元件可以具有柱形，该柱形尤其具有圆形或椭圆形底面。替换地，至少一个控制元件可以具有杯形，该杯形尤其具有凹形和/或凸形的圆周形状，尤其与真空开关管的外罩的形状反向地形成。因此可以使用简单且成本低廉的控制元件，该控制元件可以以紧凑且节省空间的方式布置在至少一个真空开关管处，具有上述优点。 [0024] 至少一个控制元件和/或多个控制元件可以具有10至4000pF范围内、尤其500至4000pF范围内的总容量。 [0025] 这些值实现了沿着真空开关管的纵向轴线和/或沿着圆周的有针对性的或所定义的控制或电压分配，尤其具有用于在大于或等于52kV范围内的高压下的控制的总值。真空开关管可以被设计为对高压范围内的电压、尤其大于或等于52kV的范围内的电压进行切换。附图说明 [0026] 下面在附图中示意性地示出本发明的实施例并且在下面更详细地描述本发明的实施例。 [0027] 在此在附图中： [0028] 图1以从侧边的斜视图示意性地示出了根据本发明的用于切换电压的真空开关管1，具有直接布置在真空开关管的外罩2上的控制元件8，并且 [0029] 图2示出了图1的根据本发明的真空开关管1的控制元件8的实施例，该控制元件具有基体9，该基体在端部处分别具有用于电接触控制元件8的金属层10，并且[0030] 图3示出了图2的控制元件8，该控制元件在基体9的圆周上涂覆有绝缘体层和/或半导体层11，并且 [0031] 图4示出了图1的根据本发明的真空开关管1的控制元件8的另一种实施例，该控制元件具有基体9，该基体在端部处分别具有用于电接触控制元件8的屏蔽帽12。 具体实施方式[0032] 图1以从侧边的斜视图示意性地且示例性地示出了根据本发明的用于切换电压、尤其大于/等于52kV范围内的高压的真空开关管1。真空开关管1具有外罩2，该外罩除了别的之外包括中间的主屏蔽件5和分别左右齐平地连接的陶瓷段6。主屏蔽件5和陶瓷段6空心柱形地或管状地设计，并且分别液密地闭锁在真空开关管1的端部处。真空开关管1在内部被抽空或者存在真空。触点3和4从真空开关管1的端部突出到真空开关管1的外罩2中，例如固定触点3从柱体、即真空开关管1的一侧或底面突出到该外罩中并且运动触点4从柱体的另一侧或顶面突出到该外罩中。 [0033] 主屏蔽件5例如由金属、尤其铜和/或不锈钢制成，并且例如在内部包括蒸汽屏蔽件，为简单起见，图中未示出该蒸汽屏蔽件。空心柱形的陶瓷段例如由烧结的陶瓷制成并尤其经过表面处理。触点3和4例如由铜尤其螺栓状地制成，在真空开关管1内部具有尤其开槽的盘状端部。固定触点3液密地与真空开关管1的一个端部上的盖形闭锁件连接，其中，该闭锁件例如由金属、尤其铜或钢制成。运动触点4液密地与真空开关管1的另外的端部上的盖形闭锁件连接，例如通过波纹管运动地支承，为简单起见，这在图中未示出，其中，该闭锁件例如由金属、尤其铜或钢制成。 [0034] 真空开关管可以通过固定触点3和运动触点4的向外引导的螺栓进行电接触。在接通时，运动触点4通过朝向固定触点3运动实现电气切换，即，闭合触点3和4的盘状触点端部之间的间隙；在关断时，运动触点4通过运动远离固定触点3实现电气切换，即在触点3和4的盘状触点端部之间产生间隙。在触点3和4的触点端部之间产生的间隙以及触点端部本身布置在真空开关管1的抽空的内部中，使得毫米至厘米范围内的间隙足以关断尤其高压。真空开关管1例如具有尤其在30至100厘米的范围内的长度，和尤其在10至100厘米的范围内的圆周长。 [0035] 根据本发明，控制元件8围绕真空开关管1的圆周布置在真空开关管的外罩2处。控制元件8例如是电容器和/或电阻器。电容器尤其是陶瓷电容器，例如其中，各个电容器的容量值在10至4000pF的范围内。因此，该装置的总容量在例如10至4000pF的范围内。电阻器尤其是欧姆电阻，例如其中，各个电阻器的值在几欧姆、或几百欧姆、或几千欧姆、或高达几十万欧姆的范围内。因此，总电阻在几欧姆、或几百欧姆、或几千欧姆、或高达几十万欧姆的范围内。 [0036] 控制元件8例如具有柱形、矩形、椭圆形和/或杯形的形状。控制元件8围绕真空开关管1的外罩2的圆周的布置以串联电连接的方式例如：沿着真空开关管1的圆周的横截面圆形地进行，其中，控制元件尤其以相对于彼此规律的和/或相等的距离尤其彼此平行地连接；和/或沿着真空开关管1的纵向轴线进行。彼此相继地串联连接的相邻控制元件8的电接触例如通过屏蔽环7进行，该屏蔽环沿着真空开关管1的圆周的横截面分别圆形地或环形地布置，其中，屏蔽环7沿着真空开关管1的纵向轴线彼此相间隔。 [0037] 如图1所示，控制元件8例如沿着真空开关管1的外罩2的圆周在电气上和空间上相间隔地布置在真空开关管1的圆周的圆形横截面上、沿着真空开关管1的纵向轴线在固定触点3与运动触点4之间、尤其在固定触点3和屏蔽环7之间、在相邻的屏蔽环7之间、在屏蔽环7和主屏蔽件5之间、在主屏蔽件5和屏蔽环7之间、在相邻的屏蔽环7之间、在屏蔽环7和运动触点4之间，尤其对称地布置。在此，屏蔽环7和主屏蔽件5用于在控制元件8之间以及在触点3和4之间或与触点3和4形成良好的导电接触，例如通过真空开关管1的端部处的盖形闭锁件，并且尤其在运动触点4中通过波纹管。 [0038] 屏蔽环7例如由金属、尤其铜制成，并且可以尤其通过蒸汽屏蔽件来划分陶瓷段6，该蒸汽屏蔽件突出到真空开关管1中。真空开关管1的元件的连接，例如陶瓷段6、主屏蔽件5、屏蔽环7、盖形闭锁件的连接和/或与控制元件8的连接，例如通过钎焊和/或导电粘接的方式进行。控制元件8布置在真空开关管1或真空开关管1的外罩2处，包括与外罩2的材料配合的机械接触和/或毫米范围内的小距离，其中，与外罩的直接接触例如通过屏蔽环7、主屏蔽件5和/或盖形闭锁件进行。 [0039] 不同屏蔽环7之间的控制元件8例如沿着真空开关管1的纵向轴线平行于纵向轴线布置，尤其布置在直线或曲线上，或者分别彼此错开地布置。控制元件8在真空开关管的圆周上的布置导致例如规律或不规律的图案。控制元件8布置在真空开关管1的圆周或真空开关管的外罩2的圆周上以最小化的横截面节省了空间。 [0040] 在图2中，详细示出了图1的根据本发明的真空开关管1的控制元件8的实施例。控制元件8包括基体9，该基体例如由陶瓷材料组成和/或包含陶瓷材料。基体9例如由氧化铝Al2O3、钛酸钡BaTiO3、钛氧化物TiO2和/或钛酸锶SrTiO3组成和/或包括氧化铝Al2O3、钛酸钡BaTiO3、钛氧化物TiO2和/或钛酸锶SrTiO3。基体9的材料具有例如在20至2000的范围内、尤其在85至170的范围内和/或在180至350的范围内和/或在1000的范围内的相对介电常数εr。替换地或附加地，基体9包括陶瓷聚合物复合材料和/或由陶瓷聚合物复合材料组成，尤其在浇铸树脂基质中，或者由玻璃陶瓷组成和/或包括玻璃陶瓷。 [0041] 基体9例如柱形地构造，具有圆柱形或椭圆形的底面和顶面。或者，基体9杯状地构造，例如具有凹形和/或凸形侧表面，以便例如反向于真空开关管1的外罩2的形状地形成。由此使得具有基体9的控制元件8在真空开关管1的外罩2上的特别紧凑且节省空间的布置成为可能。在基体9的底面和顶面或端部处例如设置金属层10，用于电接触和连接控制元件 8。 [0042] 金属层10例如通过诸如气相喷镀、溅射、压制和/或电化学涂层的涂层工艺施加到基体9上。金属层10由诸如铜、钢、焊锡和/或银的导电性良好的金属组成或包括该导电性良好的金属。例如，当在高温、尤其低于1000摄氏度的炉中制造真空开关管2时，在该真空开关管中，诸如陶瓷段6和屏蔽环7的部件彼此连接，控制元件8可以以这种方式简单且成本低廉地固定在真空开关管1或真空开关管1的外罩2处，例如固定在屏蔽环7、主屏蔽件5和/或运动触点3和固定触点4的端部处的真空开关管1的金属帽或波纹管处。固定可以例如通过钎焊过程在炉中进行，利用这种方式，控制单元8通过例如屏蔽环7、主屏蔽件5和/或运动触点3和固定触点4端部处的真空开关管1的金属帽或波纹管彼此电连接。 [0043] 图3示出了图2的控制元件8的另一种实施例，该控制元件在基体9的圆周上涂覆有绝缘体层和/或半导体层11。绝缘体层11使得能够通过控制元件8电绝缘地桥接真空开关管1的区域，该区域不允许或不应该与基体9电接触，例如屏蔽环7，该屏蔽环不应该或不允许接触相应的控制元件9，以便生成特定的电路图或预先确定的电路。由此，控制元件9可以直接地、尤其力配合地布置在真空开关管1的外罩2处，而不产生不期望的连接和/或短路。由此可以实现控制元件9在真空开关管1处的紧凑的、节省空间和成本的布置，该布置具有上面描述的优点。绝缘体层11例如可以通过绝缘漆和/或通过电绝缘的聚合物涂层来产生。 [0044] 例如，作为控制元件8的基体9的包覆物的半导体层11或涂层使得能够形成例如具有压敏电阻功能的控制元件8，以便实现用于控制一个或多个真空开关管1的预先确定的电路。半导体层11例如可以通过掺杂、气相喷镀、溅射和/或电化学沉积来产生或制造。 [0045] 图4示出了图1的根据本发明的真空开关管1的控制元件8的另一种实施例，该控制元件具有基体9，该基体在端部处分别具有用于电接触控制元件8的屏蔽帽12。替换于或附加于金属层10，屏蔽帽12例如设置在相应基体9的底面和顶面或端部处，尤其用于控制元件8的导电良好的接触和连接。屏蔽帽12例如被按压，以实现控制元件8的简单且成本低廉的制造。 [0046] 上面描述的实施例可以彼此组合和/或可以与现有技术组合。因此，例如多于两个的真空开关管1可以彼此连接，尤其串联连接。控制元件8可以具有不同的形状，尤其圆柱形、具有椭圆形底面和顶面的柱形、矩形、正方形和/或具有凸面和/或凹面的形状。控制元件8的固定例如在真空开关管1处通过钎焊进行，尤其在金属部件、例如铜部件处通过螺纹、通过粘接、通过夹紧和/或焊接。控制元件8例如直接力配合地布置在外罩2、尤其陶瓷段6处，尤其通过绝缘漆和/或表面涂层和/或表面处理与陶瓷段电绝缘。和/或，控制元件8例如直接布置在外罩2、尤其陶瓷段6处，与陶瓷段6具有较小距离，尤其在屏蔽环7、主屏蔽件5和/或触点3、4之间具有较小距离，例如拧紧、夹紧、钎焊、粘接和/或焊接。较小距离例如在几毫米到一厘米的范围内。 [0047] 控制元件8例如在真空开关管1的外罩2处或在真空开关管1处作为分立部件尤其彼此相间隔地布置。在此，布置例如环形地沿着例如真空开关管1的圆形横截面进行，沿着真空开关管1的纵向轴线具有不同的环。不同环中的相邻控制元件8例如布置成直线、或彼此错开地布置。替换地，控制元件8的布置例如可以在螺线或螺旋线上进行。进一步的布置和/或布置的组合也是可能的。 [0048] 控制元件8例如由基体9组成和/或包括基体9，尤其在端部具有用于电接触的金属化部10、12。控制元件还可以由多个基体9组成和/或包括多个基体9，该多个基体尤其彼此相继地串联布置，以便产生任意的、预先确定的值、例如容量和/或欧姆电阻，和/或以便实现用于要产生的电路的预先确定的长度。控制元件8的长度例如在10至100毫米的范围内并且控制元件8的宽度例如在10至80毫米的范围内，尤其用于控制100kV范围内的电压。利用控制元件8的相应的连接，例如也可以在145kV、245kV和/或420kV的范围内进行控制。 [0049] 利用上面描述的根据本发明的真空开关管1，可以通过控制元件8控制真空开关管1上的电压。真空开关管1可以彼此相继地串联连接，尤其用于切换大于或等于52kV的高压。 通过选择控制元件8及其连接，可以预先确定地，将电压均匀地或不同地分配到一个或多个真空开关管1和/或真空开关管1的元件、例如不同长度的陶瓷段6上。控制元件8在一个真空开关管1或多个真空开关管1处的直接布置实现了紧凑的节省空间的结构，这实现了成本低廉的空间最小化的壳体，并且尤其使得能够以壳体的较小尺寸或最小化尺寸和/或标准尺寸使用绝缘气体、例如清洁空气。 [0050] 附图标记列表 [0051] 1真空开关管 [0052] 2外罩 [0053] 3固定触点 [0054] 4运动触点 [0055] 5主屏蔽件 [0056] 6陶瓷段 [0057] 7屏蔽环 [0058] 8控制元件 [0059] 9基体 [0060] 10 金属层 [0061] 11 涂层 [0062] 12 屏蔽帽 [0063] d直径 [0064] l长度 |
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