CN1182557C - 混合电路开关 - Google Patents

Abstract

混合电路开关(1)具有至少两个串联的、由同一个驱动装置或由独立的驱动装置操作的且充入不同灭弧介质的灭孤室(2，3)。第一灭弧室(2)的灭弧绝缘介质绝缘地包围着第二灭弧室(3)。本发明的目的是要提供一种可廉价制成的并具有很高的可用性的混合电路开关。为此，尤其是设置了总是确保第一灭弧室(2)的运动相对第二灭弧室(3)的运动在断开过程中提前进行且在接通过程中延迟进行的装置。

Description

混合电路开关

本发明基于一种混合电路开关，其具有至少两个串联的、由同一个驱动装置或由独立的驱动装置操作的且充入不同灭弧介质的灭弧室，其中第一灭弧室的灭弧绝缘介质绝缘地包围着第二灭弧室。

EP0847586B1公开了一种可被用于高压电力网中的混合电路开关。这种混合电路开关具有两个串联的灭弧室，在第一个灭弧室中，作为灭弧绝缘介质地填充有SF₆气体，而第二个灭弧室被设计成真空开关室。第二个灭弧室被SF₆气体包围住。这两个灭弧室的主触点通过一个杠杆变速箱而被一个共用的驱动装置同时驱动。这两个灭弧室具有一条所述的耐损耗主触点位于其中的功率电流路径并且与之平行地具有一条额定电流路径，其中额定电流路径只有唯一一个中断位置。在断开时，总是先断开额定电流路径，随后，要断开的电流换向到功率电流路径上。随后，功率电流路径继续传输电流，直到其确定中断为止。

在这种混合电路开关中，总是在断开时出现在真空开关室内的电弧大致闪亮了一段与在充满气体的第一灭弧室内相同的时间，结果，真空开关室的主触点经历了比较高且长时间作用的电流负载以及与之有关的严重损耗，这使得维护工作需要经常进行，由此限制了混合电路开关的可用性。这种混合电路开关需要比较高的驱动能量，这是因为，根据在充满气体的第一灭弧室内应用的换向原理，驱动装置必须完全或部分地产生电弧强烈吹动所需的高气压。在动力方面如此特殊设计的驱动装置是比较昂贵的。在这种开关中，重现电压分配给这两个灭弧室是通过电容方式进行的，其中灭弧室的固有电容起决定性作用。

DE4427163A1公开了一种充压缩气体开关，其灭弧室具有两个相对运动的主触点。吹拂电弧用的压缩气体一部分是由电弧产生的并且积蓄在一个积蓄腔内，而另一部分是由主触点运动决定地在活塞-缸结构中产生的，并且根据需要，这一部分一直流过积蓄腔并吹拂电弧。在这种充压缩气体开关中，促成了对电弧的强烈吹拂，而这是以比较高的灭弧气压为先决条件的。因此，必须以强大功率来驱动充压缩气体开关以便可以使主触点克服这个比较高的灭弧气压地移动。

在已知的复合式开关和传统的断路器中，总是在一般填充由气态绝缘灭弧介质的灭弧室内促成尽可能强劲地吹拂电弧。为了很好地冷却电弧、确保正确地灭弧以及绝缘气体和燃耗颗粒很快地离开灭弧间隙，必须进行这种强劲的吹拂。在熄灭了电弧后，大部分重现电压首先由这个灭弧间隙承受。这样的强劲吹拂一般只能在吹拂介质的流速高于音速的时候实现。

本发明通过具有下列特征的混合电路开关完成了上述任务，它提供了一种生产成本低廉且可用性强的混合电路开关及其操作方法：一种具有至少两个串联的、由同一个驱动装置或由独立的驱动装置操作的且充入不同灭弧介质的灭弧室的混合电路开关，其中第一灭弧室的灭弧绝缘介质绝缘地包围着第二灭弧室，其中，设置了在断开过程中总是确保第一灭弧室的运动相对第二灭弧室的运动提前进行并且在接通过程中总是保证第二灭弧室的运动相对第一灭弧室的运动提前进行的装置，作为第一灭弧室的灭弧绝缘介质采用了一种压力气体或混合气体，作为第二灭弧室设置了至少一个真空开关室，在断开时出现在第一灭弧室的灭弧绝缘介质中的压力形成不超过一个特殊的临界压力范围，从而灭弧绝缘介质在吹拂电弧时总是以低于音速的流速流动。

在这种混合电路开关中，第一次重现电压的急升基本上由成真空开关室形式的第二灭弧室承受。第一灭弧室灭弧路程的强度恢复在这里可以比较缓慢地实现，这意味着，与在常见的断路器中的情况相比，可以明显不太强烈地吹拂第一灭弧室。电弧吹拂初步准备所需的压缩气体可以消耗少许多的能量。

本发明所获得的优点在于，在相同功率断流容量的情况下，可以给混合电路开关配备明显性能差的且因而成本低廉的驱动装置。另外，在混合电路开关中，在第一灭弧室内出现的压力明显小于在常见断路器中的压力，从而可以根据压力较小的情况来设计绝缘管和其余受压部件，由此可以更经济地设计混合电路开关的结构。还有利地造成了，在第一灭弧室内冷却电弧的气体的流速因在这里只需要较小的吹拂而可以处于亚音速范围，这是由于可以始终使初步准备用于吹拂的压缩气体量比较小。

另一个优点是，第二灭弧室(在这里成真空开关室形式)的主触点因气流吹拂在断开过程中时间短而具有比较长的使用寿命，这造成混合电路开关的可操作性得到有利的改善。在断开不对称的短路电流时，第二灭弧室的断开运动相对第一灭弧室延迟进行具有很大优点，即第二灭弧室承受小许多的峰值电流，这是因为在这段延迟时间里，短路电流的不对称性已经逐渐消失了。当第二灭弧室被设计成真空开关室时，这种效果对触点稳定性是很有利的。

所述的混合电路开关具有至少两个串联的、由同一个驱动装置或由独立的驱动装置操作的且充入不同灭弧介质的灭弧室，其中第一灭弧室的灭弧绝缘介质绝缘地包围着第二灭弧室。设置了在断开过程中确保第一灭弧室的运动相对第二灭弧室的运动提前进行的装置。作为第一灭弧室的灭弧绝缘介质采用了一种压缩气体或混合气体，作为第二灭弧室设置了至少一个真空开关室。但对于第二灭弧室来说，也可以采用其它开关原理，并且尤其是第二灭弧室也可以被设计成触发式真空间隙T_vG。

以下，结合附图来详细说明本发明、其改进方案和由此获得的优点，其中这些附图只示出一个实施例。

图1示出了一个处于接通状态的且很简单画出的混合电路开关的一个实施例，其中在活塞-缸结构中被压缩的气体吹拂第一灭弧室内的电弧；

图2示出了一个处于断开状态的且很简单画出的混合电路开关的

实施例；

图3示出了处于断开状态的且很简单画出的混合电路开关的第二实施例，其中积蓄在积蓄腔内的且由电弧本身对其施加压力的气体以及在一个独立的活塞-缸结构中受到压缩的气体吹拂第一灭弧室内的电弧；

图4示出了处于断开状态的且很简单画出的混合电路开关的第三实施例，其中积蓄在积蓄腔内的且由电弧本身对其施加压力的气体吹拂着第一灭弧室内的电弧，积蓄腔内的部分气体在断开时还借助活塞受到压缩；

图5示出了处于断开状态的且很简单画出的混合电路开关的第四实施例，其中与在第三实施例中的情况一样地，积蓄在积蓄腔内的且由电弧本身对其施加压力的气体吹拂着第一灭弧室内的电弧，积蓄腔内的部分气体在断开时还借助活塞受到压缩；

图6是混合电路开关第四实施例的第一灭弧室的放大局剖视图；

图7是临界压力比的视图；

图8是示出了处于断开状态的且很简单画出的混合电路开关的第六实施例，其中第二灭弧室被设计成触发式真空间隙T_vG。

在所有图中，起相同作用的部件用同一标记表示而且没有描述或画出本发明直接内容不需要的部件。

图1示出了一个很简单画出的处于接通状态的混合电路开关1的第一实施例。混合电路开关1具有两个串联的灭弧室2、3，它们在这里被安装成沿一个共同的纵轴线4延伸并且与所述纵轴线同轴。但灭弧室2、3完全可以在混合电路开关的其它实施例中设置在各个不同的相对倾斜的纵轴线上。还可以设想到，在具有倾斜纵轴线的变形实施例中，纵轴线不仅是在一个平面或两个相互平行的平面内，而且这些平面本身有一个对结构有益的交角。

混合电路开关1通过一个由电绝缘材料制成的驱动杆5而被一个未示出的驱动装置驱动。常见的蓄力驱动装置可以被拟定为上述驱动装置。但也可以没有中间接入蓄力器地采用一个电控直流电机驱动装置。这个变形实施例被视为是特别经济的并且它还可以通过简单方式使混合电路开关1的接触速度适应于各个特殊的操作要求。在这两个灭弧室2、3之间设置了一个变速箱6，它使这两个灭弧室2、3的运动相互关联起来并且技术合理地使这两个运动过程协调一致。

一个支承混合电路开关1的灭弧室2、3的支座绝缘子7使驱动杆5不受环境影响。支座绝缘子7在近地侧与未示出的驱动装置密封连接并在灭弧室侧设有一个金属法兰8，所述法兰与第一金属连接法兰盘9用螺钉连接在一起。灭弧室2驱动侧通过连接法兰盘9与电力网相连。另外，灭弧室外壳11的第一端部法兰10与连接法兰盘9用螺钉连接在一起。灭弧室外壳11成圆柱形并且是密封且电绝缘的，它沿纵轴线4延伸并包围住这两个灭弧室2、3和变速箱6。灭弧室外壳11在与第一端部法兰10相对的侧面上具有第二金属端部法兰12，所述法兰12与第二金属连接法兰盘13用螺钉连接在一起。背向驱动装置的灭弧室3侧通过所述连接法兰盘13与电力网相连。在端部法兰12与连接法兰盘13之间装有一个金属支承板14。

连接法兰盘9牢固且导电地与圆柱形金属支承管15相连，支承管15被布置成与纵轴线4同轴。支承管15具有一个未示出的开口，它用于支承管15内部与其余灭弧室腔之间的气体交换。在驱动侧的支承管15内部起到了引导导向件16的作用，所述导向件与驱动杆5相连并且将驱动杆5支承在支承管15上。导向件16是如此设计的，即当混合电路开关1处于断开位置时，它限制了驱动杆5的行程。

驱动杆5在端部与一个金属接触管17相连，所述接触管是第一灭弧室2的第一活动功率触点。接触管17的管身具有未示出的开口，所述开口用于接触管17内部与支承管15内部的气体交换。接触管17在其背向驱动装置的那一侧设有弹性自耗指18，它被设置成郁金香花的形状。自耗指18环绕并接触一个金属自耗销19。自耗销19轴向延伸于灭弧室2的中央并且被设置成可以轴向移动。自耗销19总是与接触管17运动方向相反地移动。自耗销19是第一灭弧室2的第二活动功率触点。

支承管15在背向驱动装置的那一侧具有一个缩颈20并具有一个引导接触管17的导向件21。导向件21在内部设有未示出的螺旋触点，所述触点可以使电流正确地从支承管15转向接触管17。一个金属喷嘴座22在缩颈20上滑动，所述喷嘴座22在驱动装置侧配备有可以使电流正确地从支承管15转向喷嘴座22的滑动触点24。

喷嘴座22围出一个压缩腔24。压缩腔24在驱动装置侧被一个止回阀25堵住，所述止回阀被导向件21固定住。止回阀25具有一个阀芯26，它在压缩腔24内压力过高时防止压缩气体进入灭弧室2、3公用的灭弧腔27中。在圆柱形压缩腔24的相反侧上，设置了另一个被固定在喷嘴座22内的止回阀28，它的阀芯29在压缩腔24内的压力过高时允许压缩空气流出压缩腔24。

在喷嘴座22中，一个绝缘喷嘴30被固定在背向驱动装置的那一侧上。绝缘喷嘴30被布置成与自耗销19是同轴的。接触管17、喷嘴座22和绝缘喷嘴30形成了一个一体组件。喷嘴缩口就直接位于自耗指18的前面并且绝缘喷嘴30的开口方向与自耗指18相反。喷嘴座22在外侧面上具有一个被设计成接触位置的增厚部31。滑动触点32在灭弧室2接通状态下靠在增厚部31上。滑动触点32与一个圆柱形金属壳33相连，所述金属壳被一个固定安装的金属导向件34固定住。在导向件34的一个中心孔内设置了未示出的滑动触点，它们使导向件34与自耗销19导电连接。电流路径从导向件34起如作用线35所示地经过连接件44而转向第二灭弧室3的活动触点36。

在背向驱动装置的绝缘喷嘴30侧上，一个电绝缘的固定盘37被牢固地安装在所述绝缘喷嘴上。但是，如果在该区域内的无电状况允许的话，则固定盘37也可以由金属制成。在固定盘37上拧入了一个齿杆38，它平行于纵轴线4并操作变速箱6。齿杆38与两个齿轮39、40啮合，所述齿杆通过一支承辊41被压向齿轮39、40。一条带齿槽通入穿过导向件34的自耗销19的杆身中，齿轮39与所述槽啮合。另一个支撑辊42将自耗销19的杆身压向齿轮39。齿轮40通过一个与其活动连接的杠杆43来操作第二灭弧室3。杠杆43与连接件44相连，所述连接件与第二灭弧室3的活动触点36导电连接。

在这里，作为真空开关室示出了第二灭弧室3。灭弧室3的开关点例如也可以按照其它开关原理来实现。灭弧室3被充满公用灭弧腔的绝缘介质包围着。灭弧室3具有一个固定触点45，它与支承板14导电连接。支承板14用于固定灭弧室3。灭弧室3具有一个绝缘外壳46，所述外壳将灭弧室3内部与灭弧腔27密封地隔绝开。在这里，局部剖开地画出了绝缘外壳45。

在绝缘外壳46壁上涂覆有电阻涂层47。设置用于在中断对重现电压在这两个灭弧室2、3之间的分配的必要控制的电阻涂层47可以被镀覆在绝缘外壳46的外表面或内表面上。通过这种有益的且很节省空间的电阻涂层47设置方式，可以有利地使第二灭弧室3的尺寸很小。在这里，电阻涂层47的欧姆电阻值为10kΩ-500kΩ，事实证明，100kΩ的电阻值是特别有利的。

在公用灭弧腔27中填充了起电绝缘作用的气体或混合气，所述气体不仅起到了用于第一灭弧室2的灭弧介质的作用，还起到了绝缘介质的作用。气体或混合气在其分子中具有自由电子，从而禁止静电电荷扩散和绝缘部分充电。为了避免导电的反应产物，例如金属蒸汽被转变成氟化物，或者同样通过自由氧来氧化金属蒸汽。充气压力在壮烈等于3巴-22巴，但最好规定9巴的充气压力。作为灭弧绝缘介质地采用纯SF₆气体或者氮气与SF₆气体的混合气。但是，在这里采用压缩空气或氮气与其它阴电气体的混合气也是可行的。事实证明，SF₆气体的含量占5％-50％的混合气是特别有利的。但是，作为灭弧气体可以采用二氧化碳气与氧气的混合物，其中氧气含量占5％-30％。另外，可以采用CH₄气体与氢气的混合物，其中氢气含量占5％-30％。如果拟定了石墨自耗触点，则优选上述的后两种灭弧混合气，这是因为燃耗的石墨颗粒是没有危险的。但是也可以设想出其它的气体和混合气体。

图7示出了用SF₆气体和氮气填充第一灭弧室的临界压力比。要注意的是，无论电弧所放能量有多少，都不能超过临界压力比，从而实现了始终使吹拂电弧的气体的流速位于音速范围内。在图的纵坐标轴上绘制了在第一灭弧室2出现的最大压力P_max与排气压力P_auspuff之间的比值，在横坐标轴上绘制出了充气时的SF₆气体含量。可以看到，随着SF₆气体含量的增大，临界压力比渐小，从而可以有利地始终保持在第二灭弧室内吹拂电弧的压力很小。如果在第一灭弧室2中填充了不一样组分的混合气，如上述其中一种混合气，则同样要注意，不超过对应于这种混合气的临界压力比，因为只有这样，才能保持吹拂电弧气体的流速总是在低于音速的范围内。

在低于音速范围内的流速是允许更简单地进行控制的，这是因为，在这里，在流动槽内找不到出现在超音速流动时出现的密度降低，从而在这里，与常见的断路器中的情况相比，可以有利地维持较少的研制费用。

在接通状态下，混合电路开关1按照以下被称为额定电流路径的电流路径引导电流：连接法兰盘9、支承管15、喷嘴座22、外壳33、导向件34、作用线35、连接件44、活动触点36、固定触点45、支承板14和连接法兰盘13。但尤其是当混合电路开关1必须被设置用于较高额定电流时，也可以与第二灭弧室3平行地设置一个适用于额定电流高的独立额定电流路径。

当混合电路开关1收到断开命令时，未示出的驱动装置使接触管17和绝缘喷嘴30一起向左移动。与此同时，齿杆38通过齿轮39反方向向右地驱动自耗销19移动，而外壳33和导向件34保持不动。一旦喷嘴座22的增厚部31离开了外壳33的滑动触点32，则断开上述额定电流路径并使要切断的电流整流到靠内的功率电流路径上。功率电流路径使电流流过以下开关部件：连接法兰盘9、支承管15、导向件21、接触管17、自耗销19、导向件34、作用线35、连接件44、活动触点36、固定触点45、支承板14和连接法兰盘13。

在断开额定电流路径后，接触管17和绝缘喷嘴30一起继续向左移动，自耗销19以相同的速度继续反向移动。在运动过程中，触点随后在功率电流路径中分开。触点分开的结果就是，在自耗指18与自耗销19的尖端之间，在为此而设的电弧室48内形成了一道电弧。

通常，第二灭弧室3直到这一时刻才关闭它只在经过一段延迟时间T_v后开启，所述延迟时间由以下公式确定：

               T_v＝(t_Libo min-t₁)毫秒

其中t_Libo min是可能在气体吹拂的第一灭弧室内出现的最短电弧时间(单位为毫秒)，它由混合电路开关1各自使用地点的电力网数据和混合电路开关1的性能例如由其固有时间来确定。时间t₁位于2毫秒至4毫秒。延迟时间T_v是被迫由变速箱6产生的。如图2所示地，第二灭弧室3具有一个明显比灭弧室2小的行程h2。

在第一灭弧室2的断开运动过程中在压缩腔24内的气体或混合气被压缩，止回阀25防止了在背向绝缘喷嘴30的压缩腔侧的压缩气体流入公用灭弧腔27中，如果在电弧室内的压力状况允许的话，比较少的压缩气体早已通过止回阀28流入了电弧室48。如此相对地确定绝缘喷嘴30的缩口直径、在断开运动开始时尚封闭大部分喷嘴口和自耗指18的流出横截面的自耗销19的直径以及接触管17的内径，即在吹拂电弧时，总是从电弧室48中充足地输送出由非离子化和离子化气体构成的混合气或气体，从而在那里可以只形成一个与传统断路器相比明显低的气压。气压大小是如此确定的，即流出电弧室48的流速通常小于声音极限值。由于在电弧室48内的压力比较低，所以同样可以始终比较低地在压缩腔24内形成压力，从而压缩只需要比较少的驱动能量。与传统的断路器相比，在这里的混合电路开关1中，由断开时比较低的气压决定地，可以有利地采用性能差因而更便宜的驱动装置。

紧接在触点在功率电流路径中分开后，自耗销19作为流出横截面地露出了大部分的绝缘喷嘴30的缩口横截面。在切断电流比较小时，在触点分开时已经开始吹拂在电弧室48内点燃的电弧。灭弧绝缘介质在吹拂时总是以低于音速的流速流动。在截断大电流时，如在电网短路切断时可能出现的那种情况，电弧如此强烈地加热电弧室48以及在电弧室内的气体，结果在该电弧室内的压力略微高于压缩腔24内的压力。在这种情况下，止回阀28防止了被加热且承受压力的气体流入压缩腔24并可能积存在那里。或者，被加热的压力气体一方面经过接触管17的内部而另一方面经过绝缘喷嘴30地流入公用灭弧腔27中。在这种情况下，当电弧强度及电弧室48内的压力一直降低到止回阀28可以开启即压缩腔24内的压力高于电弧室48内的压力时，吹拂电弧才开始进行。在这种情况下，灭弧绝缘介质也在吹拂电弧时以低于音速的流速流动。

在这个混合电路开关1的实施例中，第一灭弧室2的电弧室48是如此设计的，即不会实现由电弧本身产生的压力气体值得注意地积累起来。因此，自身产生的压力气体也不可能值得重视地支持吹拂电弧，这是因为只有这样，才能在吹拂电弧时确保流速在亚音速范围内。

当灭弧室2、3已经熄灭了电弧时，在灭弧室2的自耗指18与自耗销19之间，或在灭弧室3的活动触点36与固定触点45之间，分别出现了部分重现电压。真空开关室的触点间距总是比气体开关的触点间距更快速地恢复，从而真空开关室在重现电压开始急剧升高时承受大部分的电压。重现电压分配给这两个串联灭弧室通常是通过这两个灭弧室的固有电容而确定的。但在这里，准确限定地确保了与第二灭弧室3平行设置的电阻涂层47的欧姆值较高的电阻，从而重现电压分配给这两个灭弧室2、3是如此实现的，即首先大部分重现电压位于第二灭弧室3上。随着断开过程的继续进行，第一灭弧室2承担了大部分的重现电压，这部分电压随后完全施加在混合电路开关1上。在混合电路开关1断开的状态下，第一灭弧室2承受着现存电压的绝大部分。

在图2中，示出了处于断开状态的混合电路开关1。在接通混合电路开关1时，总是先关闭第二灭弧室3，确切地说是在没有通入电流的情况下关闭第二灭弧室。通过变速箱6确保了时间提前。在第二灭弧室3关闭后，马上使第一灭弧室功率电流路径的那两个活动触点相互靠近。当达到了相应的预点弧距离时，形成了接通电弧并且闭合电流环路。灭弧室2功率电流路径的这两个活动触点又继续靠拢，直到它们接触上为止，随后马上闭合额定电流路径并由灭弧室2承担继续输送电流的任务。灭弧室2功率电流路径的这两个活动触点仍然继续移动，直到它们最终已经到达确定的接通位置为止。

在这个混合电路开关1中，事实已经证明是特别有利的是，无电流地接通第二灭弧室3并因而在接通时没有遭遇到触点磨损以及触点因高温触点表面熔合而粘住这样的问题。在以正常工作状况为前提的条件下，触点36、45在混合电路开关1的使用寿命期限内不需要更新，这有利地简化了混合电路开关1的操作维修工作并有利地提高了其可操作性。

图3示出了处于断开状态的且很简单画出的混合电路开关1的第二实施例。该实施例与图1、2所示的第一实施例的区别在于，在压缩腔24与电弧室28之间，还设置了一个圆柱形的积蓄腔49，它的设置目的是积蓄至少一部分电弧压缩气体。在积蓄腔49与压缩腔24之间，设置了一个带阀芯29的止回阀28，阀芯在压力状况适当时允许气体从压缩腔24流入积蓄腔49。这个混合电路开关1的其余结构基本上与第一实施例的相同。在接触管17中，在此示出了一个开口50，来自电弧室48的气体可以通过该开口进入支承管15内。可以借助一个安装在接触管17内的流体锥51来减轻这种流动的阻力。一个金属接触环52被集成到喷嘴座22中，外壳33的滑动触点32在接通状态下压在所述接触环上并闭合形成额定电流路径。

第二实施例的工作方式大致与结合第一实施例所述的混合电路开关1的工作方式相同，但还添加了以下特征，即通过电弧而在电弧室48内产生的压缩气体可以流入积蓄腔49。所述压缩气体一直积蓄在这里，直到电弧室48内的压力比允许压缩空气回流到电弧室48中并吹拂和冷却电弧为止。一旦积蓄腔压力进一步降低，则止回阀28开启，来自压缩腔24的新鲜压缩气体补充流入并帮助吹拂电弧。通过最佳地设计绝缘喷嘴30的缩口直径、积蓄腔49的尺寸以及接触管17的直径并相对确定这三者的尺寸，可以调节电弧室48及积蓄腔49内的压力升高情况，从而实现了充分有效地吹拂电弧，而不必使压缩腔24内地压力过高。这样一来就实现了，可以将驱动装置设计得性能差一些而可以更经济地制成。在这个实施例中，也获得了位于亚音速范围内的吹拂电弧气体的流速。

在混合电路开关1的第二实施例中，如上所述地，第二灭弧室3在断开时同样相对第一灭弧室2延迟开启并在接通时提前关闭。

图4示出了处于断开状态的且很简单画出的混合电路开关1的第三实施例。这个实施例与图3所示的第二实施例的区别在于，它没有通过止回阀与积蓄腔分开的独立压缩腔。在这里，一个圆柱形且稍微大一些的积蓄腔49与电弧室48连通，所述积蓄腔的设置目的是为了储存至少一部分电弧压力气体。但是，积蓄腔49的一部分在断开时受到机械式压缩。在积蓄腔49与灭弧腔27之间，设置了一个在断开时起压缩活塞作用的且带阀芯26的止回阀25，所述阀在相应压力比下允许气体从灭弧腔27流入积蓄腔49中。这个混合电路开关1的其余结构基本上与图3所示的第二实施例的相同。在接触管17中，在此同样示出了一个开口50，来自电弧室48的气体可以通过该开口进入支承管15内。可以借助一个安装在接触管17内的流体锥51来减轻这种流动的阻力。

通过最佳地设计绝缘喷嘴30的缩口直径、积蓄腔49的尺寸以及接触管17的直径并相对确定这三者的尺寸，可以调节电弧室48及积蓄腔49内的压力升高情况，从而实现了充分有效地吹拂电弧。在这个实施例中，也获得了位于亚音速范围内的吹拂电弧气体的流速。

在混合电路开关1的第三实施例中，如上所述地，第二灭弧室3在断开时同样相对第一灭弧室2延迟开启并在接通时提前关闭。

在图4所示的第三实施例中，在驱动装置侧设置了另一个活塞-缸结构。它借助由电弧能量产生的压力气体而作用力适当地帮助灭弧室执行断开运动。支承管15在驱动装置侧具有一个成缸53形的扩径部。通过一个金属导向凸缘54固定缸53，所述凸缘与连接法兰盘9导电连接。一个套55在导向凸缘54中滑动，所述套与驱动杆5相连并被所述驱动杆驱动着和接触管17一起移动。在套55背向驱动杆4的那侧上固定着一个经开口57穿入的活塞56。活塞56穿过缸53。另外，在套55背向驱动杆5的那侧上固定着一个阀芯58，当在活塞56背向驱动杆5的那侧上存在一个比在面向驱动杆5侧高的压力时，所述阀芯关闭开口57。缸53在位于活塞断开位置与缸53的驱动侧端之间的区域内具有孔59，所述孔使缸腔与灭弧腔27连通起来。剩下的支承管15没有与灭弧腔27连通。

缸53的内表面具有一个区域60，在该区域内，缸53的内直径大于活塞56的外直径，确切地说是这样一个区域，即在自耗指18与自耗销19的接触分开发生之前，即在出现电弧之前，活塞56在断开时经过该区域。通过设计缸53的形状，可以有利地减少活塞56与缸壁之间的摩擦。一旦在断开时出现电弧，则实现了气体经接触管17和开口50进入支承管15内并在那里提高了压力，从而在内部存在着比在灭弧腔27内高的压力，阀芯58随后关闭开口57并且压力作用在活塞56上，所述活塞在离开区域60后又穿过缸53并促成了在断开方向上的运动。作用于断开方向上的力等于作用于活塞56上的力减去由对支承管15的明显小的端面61施加压力而造成的反向作用力。这样一来就实现了，可以将驱动装置设计得性能差一些而可以廉价地制成，这是因为当克服如由积蓄腔49内的压力产生的作用力地出现断开运动时，这样的附加力马上就可以有利地投入使用。

第三实施例的工作方式大致与结合第一实施例而对电动断开进行描述的混合电路开关1的工作方式相同，但还增加了以下特征，即由电弧在电弧室48内产生的压缩气体还可以流入积蓄腔49中。这种压缩气体一直积蓄在那里并且一部分还在断开运动时受到压缩，直到在电弧室48内的压力变化状况允许压缩空气回流到电弧室48中并在那里吹拂和冷却电弧为止。

可以有利地在本文所述的每个混合电路开关1的实施例中拟定上述根据差动活塞原理而产生的驱动力促进作用。通过这种措施，可以简单地进一步减少机械驱动能量需求并使驱动装置的价格更低廉。

图5示出了处于断开状态的且很简单画出的混合电路开关1的第四实施例。这个实施例与图3所示的第二实施例的区别在于，它没有通过止回阀而与积蓄腔分开的独立压缩腔。在这里，一个成圆柱形的且稍微大一些的吹拂腔62与电弧室48连通，吹拂腔62的一部分在断开时受到机械式压缩。在吹拂腔62与灭弧腔27之间设置了一个在断开时起压缩活塞作用的且带阀芯26的止回阀25，在相应的压力比下，所述阀允许气体从灭弧腔27流入吹拂腔62。这个混合电路开关1的其余结构与图3所示的第二实施例的很相似，但是在第四实施例中，喷嘴缩口63的直径要大了许多，结果，在灭弧室2内出现的气压明显小于可能出现在图3所示第二实施例中的气压。这还造成了被电弧加热的气体已经流过喷嘴缩口63和接触管17的内部，从而不可能实现值得注意的回热流入吹拂腔62。

在这里，同样在接触管17内示出了开口50，来自电弧室48的气体可以通过该开口进入支承管15内。可以借助一个安装在接触管17内的流体锥51来减轻这种流动的阻力。通过最佳地设计绝缘喷嘴30的缩口直径、吹拂腔62的尺寸以及接触管17的直径并相对确定这三者的尺寸，可以调节电弧室48及吹拂腔62内的压力升高情况，从而实现了充分有效地吹拂电弧。在第四实施例中，获得了一个特别低的吹拂电弧气体流速，这个流速明显位于亚音速范围内。

在混合电路开关1的第四实施例中，如上所述地，第二灭弧室3在断开时同样相对第一灭弧室2延迟开启并在接通时提前关闭。

在混合电路开关1的第四实施例中，绝缘喷嘴30的喷嘴缩口63直径被设计得特别大。例如，它是由以下公式确定的，这个公式确定出混有硫化钼的PTFE喷嘴材料的尺寸设计参数F：

$F=\mathrm{\α}\·\frac{{\left(I_{\max }\right)}^2\·E}{R^4}\·\frac{{\mathrm{kA}}^2}{{\mathrm{mm}}^3}$

其中，α是由绝缘喷嘴30的材料决定的系数，I_max是要截断的最大电流(单位kA)，E是喷嘴缩口63的长度(单位毫米)，R是喷嘴缩口63的半径(单位毫米)。在喷嘴材料是混有硫化钼的PTFE时，系数α为1，在这种情况下，尺寸设计参数F为(0.5-1)kA²/mm³。如果采用其它喷嘴材料，则必须相应地调整系数α和尺寸设计参数F。

图6略微放大地示出了混合电路开关1的第四实施例的喷嘴区。在图6中给出了喷嘴缩口63的半径R以及喷嘴缩口63的长度E。还示出了由绝缘材料制成的辅助喷嘴64，它必须遮盖住自耗指18并与绝缘喷嘴30一起构成了一个槽65，所述槽把吹拂腔62与电弧室48连通起来。在这里，槽65的一部分例如平行于纵轴线4，它具有一个弯折部66，所述弯折部指向纵轴线4。拐弯的槽部与纵轴线4的交角为45°-90°。通过这个弯折部66而实现了，在存在于这个混合电路开关1实施例中的压力状况下，气体不可能从电弧室48流入吹拂腔62。这个混合电路开关1被设计成无回热式的。

在上述混合电路开关1的实施例中，已经被证明是特别有利的是，根据给灭弧室2充气时的SF₆气体含量，与传统的断路器相比，在灭弧室2内只需要减少了5倍-15倍的灭弧压力。因此，可以根据动力负荷和压力负荷比较低的情况来设计驱动装置及其余构件，这有利地降低了混合电路开关1的价格。

如果借助一组由可开关的大功率半导体构成的组件来实现第二灭弧室3的话，则人们获得了混合电路开关1的第五实施例。这个实施例可以特别廉价地实现，或者由于省掉了第二灭弧室3的机械操作装置，所以简化了变速箱6。在这种情况下，在开关时起到电压控制作用的高欧姆值电阻作为大功率半导体组件的构件地被并联接入。在这个变形实施例中，借助电子控制器来调整相对灭弧室2延迟断开和提前接通。这样设计的混合电路开关1可以被特别经济地应用于工作电压不超过110千伏的电力网。

在上述的四个混合电路开关1的实施例中，在开关过程中，在时间上协调地通过机械方式操作第二灭弧室3并使其从断开位置移入接通位置。在各自的接通位置上，第二灭弧室3引导流过混合电路开关的电流。在第五实施例中，通过一个电接通的半导体件获得了第二灭弧室3，但它在接通位置上同样引导流过混合电路开关的电流。可是，也可以设想到与第二灭弧室3平行地设置一条可中断的额定电流路径。

在图8示意示出的第六实施例中，通过一个T_vG(触发式真空间隙)获得了第二灭弧室3。T_vG的两个触点67、68是固定的，它们没有被变速箱6机械驱动。一条作用线69表示未示出的第一灭弧室2与第二灭弧室3之间的导电连接路线。偏离作用线69的另一条作用线70表示与第二灭弧室3并列的额定电流路径71。额定电流路径71是通过一个设置在其路程内的分离器72而可中断地实现的。分离器72在时间上协调一致地通过杠杆43而被变速箱6驱动。箭头73表示触发动作，在触发动作的帮助下，可以将载流子装入触点67、68之间的间距中，从而它是可以到导电的。

在混合电路开关1的这个实施例中，第一灭弧室2在断开时如上所述地工作。借助由箭头73表示的电控触发动作，第二灭弧室3将变成导电的并且一旦开启分离器72，第二灭弧室将马上只输送截断电流。通常，第二灭弧室3随后在下次零电流通过时灭弧并且承受重现电压的第一次快速升高。第一灭弧室2随后晚一些承担起整个重现电压。为了将重现电压分配给这两个灭弧室2、3，在此也可以设置一个象以前说过的那样起作用的电压控制系统。

Claims (23)

1.一种具有至少两个串联的、由同一个驱动装置或由独立的驱动装置操作的且充入不同灭弧介质的灭弧室(2，3)的混合电路开关(1)，其中第一灭弧室(2)的灭弧绝缘介质绝缘地包围着第二灭弧室(3)，其特征在于，设置了在断开过程中总是确保第一灭弧室(2)的运动相对第二灭弧室(3)的运动提前进行并且在接通过程中总是保证第二灭弧室(3)的运动相对第一灭弧室(2)的运动提前进行的装置，作为第一灭弧室(2)的灭弧绝缘介质采用了一种压力气体或混合气体，作为第二灭弧室(3)设置了至少一个真空开关室，

在断开时出现在第一灭弧室(2)的灭弧绝缘介质中的压力形成不超过一个特殊的临界压力范围，从而灭弧绝缘介质在吹拂电弧时总是以低于音速的流速流动。

2.如权利要求1所述的混合电路开关，其特征在于，第一灭弧室(2)具有一条功率电流路径和一条与该功率电流路径平行的额定电流路径；第二灭弧室(3)没有独立的额定电流路径。

3.如权利要求1所述的混合电路开关，其特征在于，第一灭弧室(2)和第二灭弧室(3)都具有一条功率电流路径和一条与该功率电流路径平行的额定电流路径。

4.如权利要求1至3之一所述的混合电路开关，其特征在于，作为在第一灭弧室(2)内的灭弧绝缘气体，使用纯SF₆气体或氮气与SF₆气体的混合气，或者压缩空气与其它阴电气体的混合气。

5.如权利要求1至3之一所述的混合电路开关，其特征在于，作为在第一灭弧室(2)内的灭弧绝缘气体，采用二氧化碳气与氧气的混合物，其中氧气含量占5％至30％，或者采用CH₄气体与氢气的混合物，其中氢气含量占5％至30％。

6.如权利要求1至3之一所述的混合电路开关，其特征在于，使用SF₆气体含量占5％至50％的混合气。

7.如权利要求1所述的混合电路开关，其特征在于，第一灭弧室(2)的充气压力为3巴至22巴。

8.如权利要求1所述的混合电路开关，其特征在于，第一灭弧室(2)的充气压力为9巴。

9.如权利要求1所述的混合电路开关，其特征在于，设置了在开关过程中确保将电压适当地分配给第一灭弧室(2)和第二灭弧室(3)的装置。

10.如权利要求9所述的混合电路开关，其特征在于，为了将电压分配给第一灭弧室(2)和第二灭弧室(3)而设置了电阻电容器。

11.如权利要求10所述的混合电路开关，其特征在于，第二灭弧室(3)固定地与一个欧姆电阻桥接。

12.如权利要求11所述的混合电路开关，其特征在于，欧姆电阻的阻值位于10kΩ至500kΩ之间。

13.如权利要求11所述的混合电路开关，其特征在于，欧姆电阻的阻值为100kΩ。

14.如权利要求1所述的混合电路开关，其特征在于，通过以下公式来确定第一灭弧室(2)的运动在断开时相对第二灭弧室(3)提前这样一段时间Tv：

            T_v＝(t_Libo min-t₁)毫秒，其中t_Libo min是可能在第一灭弧室(2)内出现的最短电弧时间，t₁等于2毫秒至4毫秒。

15.如权利要求1所述的混合电路开关，其特征在于，在第一灭弧室(2)内吹拂电弧所需的压缩空气可以

a)在一个压缩腔(24)内，或者

b)在一个压缩腔(24)内，所述压缩腔与一个用于积蓄因电弧支持而产生的气体成分的独立的积蓄腔(49)相连，或者

c)在一个部分可压缩的且用于积蓄因电弧支持而产生的气体成分的积蓄腔(49)内，或者

d)在一个部分受到压缩的吹拂腔(62)内，没有电弧支持地产生。

16.如权利要求15所述的混合电路开关，其特征在于，对于混合电路开关(1)的变形实施例，即，在第一灭弧室(2)内吹拂电弧所需的压缩空气是在一个可以在没有电弧帮助的情况下而部分进行压缩的吹拂腔(62)内产生，则绝缘喷嘴(30)的喷嘴缩口的尺寸设计参数F由以下关系式决定：

$F=a\·\frac{{\left(I_{\max }\right)}^2\·E}{R^4}\·\frac{{\mathrm{kA}}^2}{{\mathrm{mm}}^3}$

其中，α是由绝缘喷嘴(30)的材料决定的系数，I_max是要截断的最大电流，单位为kA；E是喷嘴缩口(63)的长度，单位为毫米；R是喷嘴缩口(63)的半径，单位为毫米。

17.如权利要求16所述的混合电路开关，其特征在于，当将混有硫化钼的PTFE用作绝缘喷嘴(30)的喷嘴材料时，尺寸设计参数F范围为(0.5-1)kA²/mm³。

18.如权利要求1至3之一所述的混合电路开关，其特征在于，第二灭弧室(3)设计成触发式真空间隙T_vG形式。

19.一种具有至少两个串联的、由同一个驱动装置或由独立的驱动装置操作的且充入不同灭弧介质的灭弧室(2，3)的混合电路开关(1)，其中第一灭弧室(2)的灭弧绝缘介质绝缘地包围着第二灭弧室(3)，其特征在于，设置了在断开过程中总是确保第一灭弧室(2)的运动相对第二灭弧室(3)的运动提前进行并且在接通过程中总是保证第二灭弧室(3)的运动相对第一灭弧室(2)的运动提前进行的装置；作为第一灭弧室(2)的灭弧绝缘介质采用了一种压力气体或混合气体；这两个灭弧室(2，3)具有不同的灭弧介质。

20.如权利要求19所述的混合电路开关，其特征在于，一种气体或混合气被用作第一灭弧室(2)内的灭弧绝缘介质；作为第二灭弧室(3)设置了至少一个可开关的大功率半导体。

21.一种用于断开混合电路开关的方法，其特征在于，

a)第一灭弧室(2)总是在第二灭弧室(3)之前开启；

b)在断开过程中出现在电弧室(48)内的压力不超过一个特定的临界压力范围；

c)以流速低于音速地吹拂电弧；

d)主要由第二灭弧室(3)承担了在灭弧后的重现电压的第一次快速升高；

e)随着过程的继续，第一灭弧室(2)承担了绝大部分的施加电压。

22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，在断开过程中，通过一种电阻电容或电阻调整而获得了在这两个灭弧室之间的电压分配。

23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，在这里使用的是如权利要求1-18之一所述的混合电路开关(1)。

Images