模塊化小型化的開關設備的制作方法

專利名稱：模塊化小型化的開關設備的制作方法
相關申請交叉參考本專利申請涉及相應的序列號為＿＿(代理人檔案98-PDC-065)、序列號為＿＿(代理人檔案97-PDC-524)和序列號為＿＿(代理人檔案97-PDC-611)的美國專利申請；它們全部與本申請同時提交。
操作桿組件在操作上與一個可閉鎖的操作機構相連，該機構響應異常電流狀態。當達到一種異常狀態時，該可閉鎖操作機械變為解鎖狀態，使操作桿運動到開位置。操作桿的運動續而造成觸點鐘形曲柄轉動，于是如上文討論的那樣，這樣控制了可動觸點的運動。
提供與操作桿組件相連的壓縮彈簧，以便能夠把可動觸點和固定觸點分離開，并確保有必要的力，以使觸點不會在不適當的狀態下意外打開。此外，當出現需要中斷電路的適當環境時，需要一個合適的力以足夠的速度打開觸點。如果觸點不能迅速打開，則存在觸點熔化在一起并且不能中斷電流的危險。
真空中斷器或重合器(reclosure)通常用于例如可靠地中斷中等電壓交流(ac)電流，而在真空中斷器的情況中也能中斷幾千安培或更大的高壓交流電流。重合器包括通常被設計成在以安培而不是千安計量的電流范圍中操作，并且在給定延時之后自動閉合，可達給定的次數，以圖自動重建該電路的中斷器。然而，從本發明的觀點來看，這里討論的原理同樣地適用于這二者，而且還適用于其他負載切斷開關、斷路器和開關斷接器。
通常，根據先有技術的實踐，為一個多相電路的每一相提供一個真空中斷器，對若干相的中斷器由一個共同的可閉鎖操作機構同時啟動。這不允許多相間的“波上點(point-on-wave)”切換，而且會產生電壓瞬變和不均勻接觸損耗。
采用真空中斷器的中等尺寸開關裝置通常有一個前端低電壓部分恰好在前面板的后尾，該前面板通常包括斷路器控制部分。通過使用支架，使該低電壓部分與包括真空中斷器在內的高電壓部分電絕緣。該支架允許各導體部件之間有足夠的間距，所以外殼內的空氣可以是有效的絕緣體以使開關設備的低電壓部分與高電壓部件絕緣。然而，這個間距也影響了單元的尺寸。
為減小這些單元的尺寸，近來進行了更多的嘗試，試圖通過對這些單元密封并填充氣體絕緣體，其介電能力高于空氣，如SF6。然而，這又會產生若干影響環境的問題。
因此，希望設計一種改進的中等電壓開關設備，它能減小總尺寸并增強單元的服務能力。
斷路器模塊形成本發明的第二模塊部件，它包括一個傳統的真空中斷器，被設計成承受由斷路器的功能所經受的電流，其端子與伸過真空容器中的被絕緣的電連接器相連。希望斷路器模塊的兩個伸過真空瓶的被絕緣電連接器有相同的設計，從而使兩個連接器中的任何一個能連接到電路的任何一側。該斷路器模塊進一步包括一個集成的或單獨的內嵌式(in-line)致動器，它專用于致動斷路器模塊上的可動觸點，而且最好的是封閉在一個被絕緣的外殼中，該外殼能容納真空容器和內嵌式致動器二者。在一個最佳實施例中，內嵌式致動器利用兩個線圈，每個線圈分別控制可動觸點運動的不同方向。每個內嵌式致動器線圈上的電壓能被獨立地控制，從而能對可動觸點適當地加能使其沿希望的方向運動和制動它以使可動觸點易于軟著陸。另一種作法是可以利用單個線圈，它帶有使流經線圈的電流反向的手段。對電路的每一相，采用單獨真空隔離器模塊以及包含真空中斷器和內嵌式致動器的斷路器模塊。
負載連接器形成本發明的第三模塊。負載連接器模塊包括單獨的被絕緣的電輸出連接器用于負載的每一相，它們被設計成與負載接口上的輔助被絕緣電連接器配對，使該接口與外部環境電絕緣，并密封那些配對連接器使與周圍的較低電壓部分隔離，而同時保持好的電連接。負載連接器模塊還包括用于每相的電流監視互感器和電連接體用于插入一個模塊變壓器。負載連接器進一步包括被絕緣的電輸入連接器，它們分別與相應的輸出電連接器電接觸，并分別與每個斷路器模塊上的輔助電連接器配對。負載連接器模塊部件裝在一個固體的、電絕緣的外殼中。
還提供了一個波上點(point-on-wave)控制器，在一個實施例中，它適于接收來自三相電流監視互感器、變壓器以及監視斷路器模塊部件位置、速度、溫度和過去歷史以及可得到的控制電壓的各傳感器的輸入。波上點控制器分析斷路器模塊的特性和負載電流波形，監視和接收來自電路切斷繼電器的輸入，并向內嵌式致動器提供指示，以在適當的時刻打開或閉合適當的相，從而使瞬變電壓和對電路及電路開關系統部件的反沖擊達到極小。波上點控制器通過在其零電流的關閉每一相，使在電路閉合時的電弧最小并減小再發生火花的可能性，在這些方面波上點控制器特別有用。
因此，利用可分離的輔助的被絕緣電連接器，使各模塊單元的電流承載部件與周圍的較低電壓部分充分絕緣。此外，每個模塊單元外殼的外層復蓋一個導電涂層，這允許各模塊緊密接觸而不會使周圍的空氣電離。規定的絕緣性和導電涂層使各模塊能在電路開關系統外殼內緊密得多地放置在一起，從而顯著地減小開關系統的總尺寸。可分離的、可拆卸的模塊進一步增強了服務，而波上點控制器以及內嵌式致動器的斷路能力延長了集成部件的可用壽命及該系統的可用壽命。
內嵌式致動器40是傳統設計的，包含一個或兩個電繞組繞在一個可導磁的、中空線圈架上，該中空線圈架放在一個中空稀土磁體相臨的位置。在雙線圈設計中，稀土磁體放在這兩個線圈之間，而銜鐵放在稀土磁體的中空中心。在單線圈的設計中，如圖3(a)所示，一個給定極性的電壓加到線圈39上，以使銜鐵45沿第一方向運動，一個相反極性的電壓加到線圈39上，以使銜鐵45沿相反方向運動。在圖3(b)所示內嵌式致動器40的雙線圈設計中，電壓以第一方向加到線圈之一39上，以使銜鐵沿第一方向運動，電壓以相反方向加到第二線圈41上，以使銜鐵42沿相反方向運動。在圖3(b)所示雙線圈設計中，波上點控制器模塊(下文中將針對圈2更詳細地描述該模塊)獨立地控制加到每個線圈上的電壓，而且在一個實施例中被編程，使得以適當的時間和大小同時向兩個線圈加電壓，以制動可動觸點30和使它容易地在靜止觸點28上軟著陸。另一種作法是，在單線圈設計中，能剛好在觸點閉合之前向驅動線圈施加的電壓極性被反轉來軟著陸。以那種方式，由加到相應電線圈上的適當驅動電流驅動可動觸點在雙方向上運動，并使運動受到控制以減小一部件磨損。雖然因為加到內嵌式致動器上的電壓與真空中斷器上的電壓相比是較小的，但仍然希望如

圖1所示讓被絕緣的外殼24包圍整個制動器模塊14，以形成集成單元增強整個模塊的整體性，盡管這不是必須的。
真空隔離器模塊12(圖1所示)插在母線和斷路器模塊14的電連接器38或36之一二者之間；最好是電連接器38與靜止觸點28電連接。在圖4中更充分地顯示真空隔離器模塊12，該圖中顯示一個三位置隔離器，它能使斷路器模塊14與第一或第二母線或地相連。另一種作法是，本發明的真空隔離器模塊能利用兩位置真空隔離器，那里只預期一個母線連接，而且不想要與他連接，當然最好是帶有與地連接的三位置真空隔離器模塊。真空隔離器模塊12在許多方面與先前針對圖3描述的斷路器模塊14的真空中斷器相似。斷路器模塊的電連接器之一，或36或38，以及更一般的38，與真空隔離器模塊12上的輸入電連接器46之一相連。這種連接是通過輔助插頭和插座設計實現的，該設計使連接器內的電導體電絕緣，并使這些導體基本上與周圍的較低電壓部分隔離。電連接器46通過一電導體與可動觸點組件48(在圖上由它的位置指出，但沒有明確畫出)相連，該組件48在隔離器模塊12內的密封真空容器50、50N內可以縱向移動和相對(reciprocal)。真空容器50、50N還容納兩個靜止觸點52和56(在圖上由它們的位置指出)，它們分別經由單個導體連到電連接器54和58，該電連接器54和58與輔助電連接器配對，而該輔助電連接器分別與接地(ground connection)和母線相關聯；當然，本領域技術人員會理解，這樣絕緣接地不是必須的。電連接器54和62與同一靜止觸點相連。如果只利用單個母線，則可使用被絕緣的可密封的插頭60，以電絕緣電連接器之一，如62，并使該導體基本上不與周圍的較低電壓部分接觸。圖4中所示三位置真空隔離器模塊12由兩個背靠背的真空中斷器容器50和50N構成，它們分別容納可動觸點48和靜止觸點52以及可動觸點49和靜止觸點56。在這一結構安排中，可動觸點48和49與同一電連接器46相連。肘節68在相對靜止觸點52的相反方向上移動可移動觸點推動桿66，向可移動觸點48提供兩個穩定位置，或者與靜止觸點52接合或者與其脫離接合。類似的并且獨立于可移動觸點48的位置，肘節(toggle)68被安排成使可動觸點推動桿67沿著相對于靜止觸點56相反的方向運動，向可動觸點49提供兩個穩定的位置，或者與靜止觸點56接合或者與其脫離接合。當可動觸點49完全閉合而可動觸點48處于開路位置時，該系統被接地。當可動觸點48完全閉合而可動觸點49處于開路位置時，斷路器模塊14通過電連接器54與電源相連。當肘節68使兩個可動觸點48和49都處于開位置，分別與相應的靜止觸點52和56脫離接觸時，斷路器模塊14是浮接的(floating)。肘節68設計成有一個互鎖，它防止兩個可動觸點48和49同時閉合。使用內嵌式致動器作為可動觸點的驅動機構，能達到類似結果。另一種作法是如序列號為＿＿(代理人檔案98-PDC-065)的申請(與本申請同時被受理)中描述的那樣設計三位置隔離器模塊。
能串聯若干個真空隔離器模塊12，如圖5b中所示，以把不止一個線路連到負載，從而增大功率輸入或提供另一個備用電源。這樣，在真空隔離器模塊內的、經由電連接器46與斷路器模塊14連接的可動觸點能把斷路器模塊14與兩個母線之一相連或與地相連，或以可動觸點48和49都處于開位置來提供浮動斷連接。在圖4所示實施例中，可動觸點48和49在肘節68和推動桿66、67的影響下運動穿過三個分立的可動觸點位置任何一個可動觸點相對于其相應的靜止觸點閉合，或兩個可動觸點都打開，這些位置由過中心肘節機構(over-center-toggle mechanism)68在隔離器模塊12前表面上的轉動作用開關(未畫出)影響下進行控制。與其他系統模塊接口的隔離器模塊12電導體部分被封閉在固體的被絕緣的外殼70中。
回來參考圖1，將會理解，提供了第三集成模塊16把斷路器模塊的端子之一(通常為36)連接到多導體電纜負載電路72的一個導體電纜。負載電路連接器模塊16包括相應的電連接器74，該電連接器分別電絕緣和基本隔離負載導體，使其免于與周圍的較低電壓部分接觸。對每個導體電纜提供一個電連接器74。多導體電纜可能分別承載來自多相電流電路的不同相電流或者分離給定相位的電流。這樣，多導體電纜負載電路72能包含不只是圖1所示三個導體電纜，那只是為了演示的目的。每個電連接器74通過內部電導體耦合到輸出電連接器76，其被設計成與斷路器模塊14的電連接器36或38之一配對；更一般地是連接器36。每相還具有集成的電流互感器80，它提供監視輸出，在圖1中未畫出。負載電路連接器模塊16還包括插入接頭78，用于變壓器18，它在內部配置成在負載電路連接器模塊16內，以線路各相之一與地連接。整個負載電路連接器模塊16被封閉在固體電絕緣物之內，如環氧樹脂、硅、聚氨酯等。
這樣，圖1顯示本發明的電路開關系統的高電流、插接在一起的機械模塊。應該理解，每一相需要一個斷路器模塊14，類似地，負載每相需要至少一個真空隔離器模塊12。圖2中更充分地顯示波上點控制模塊88中的監視和控制功能，該控制模塊接收來自電流互感器(它構成負載電路連接器模塊16的一部分)、變壓器(它構成模塊18)以及電路開關系統中的其他傳感器的輸入，并為斷路器模塊14中的內嵌式致動器40提供驅動信號。
本發明的波上點控制模塊84包括可編程控制器88和驅動器電路96，該波上點控制模塊84操作電壓大大低于由圖2中參考字符14表示的斷路器模塊所保護的線路和負載電壓。驅動波上點控制模塊84中電子部件和控制電路用的電壓是由調節(conditioning)電路86提供的，它構成通用電源，用于本發明的各種監視、控制和致動功能。電源86向波上點控制器88的和驅動器96提供輸入，驅動器96向斷路器模塊14中的插入式致動器40提供適當的致動信號。波上點控制器88接收來自輸入模塊16的三相電流互感器的輸入；由模塊18輸出的電壓；來自溫度傳感器(該溫度傳感器監視關鍵觸點位置的溫度)、閉合度傳感器94(它識別電路的每相的每個真空中斷器14的狀態)以及與真空中斷器14關聯的加速度計和速度傳感器的輸出。也能接收其他傳感器輸入以更好地理解環境、部件的當前狀態、服務記錄以及系統的操作歷史。還由人工操作的繼電器和/或切斷(trip)繼電器提供輸入，這些繼電器進行例如瞬時的或延時的跳閘計算。波上點控制器88根據其編程的功能，通過向驅動器96提供適當的輸出信號，對線路源的每一相，在電流周期中的適當點處獨立地給插入式致動器40加能量，從而實現斷路器模塊14中觸點的編程的同步閉合。例如，如果收到人工閉合命令90，則波上點控制器將監視每相中的電流周期，并在最合適的時刻指示插入式致動器閉合斷路器模塊14中相應的真空中斷器，以達到電路狀態的最佳方案，它是負載類型(例如電容型、電感型等)的函數。另一方面，如果波上點控制器接收一個跳閘信號，它將指示各插入式致動器40立即打開斷路器模塊14中它們對應的真空中斷器，以避免設備損壞并使電弧最小。對于每種負載，通常對關閉和有兩種方案，對電路打開有兩種方案—正常負載和故障狀態。
更具體地說，在模塊84中的波上點控制器88是一個基于微處理器的電子控制器，它提供單極同步接與斷電路連接，以提高斷路器模塊14中的真空中斷器觸點以及其他系統部件的壽命，并極大地減小開關電涌同時又提供獨特小尺寸的產品。波上點控制器模塊84還為永久磁體插入式致動器電路40提供時間校正，以補償觸點腐蝕、磨損和環境狀況。該系統根據電子的或人工的命令信號實現其功能。
驅動插入式致動器40的電子部件包括功率調節器和電源86，波上點控制器88，以及斷路器模塊14的插入式致動器驅動器96。如圖2中所示，波上點控制器88連在電源86和斷路器模塊插入式致動器驅動器96之間，波上點控制器88作為命令中心起作用。它接收的數據來自裝在斷路器模塊14上的傳感器，例如加速度計、速度傳感器等，以確定閉合或打開觸點所需時間和觸點腐蝕量。它還監視溫度，并能監視其他環境狀態，例如濕度，以調節插入式致動器操作的變化，并接收來自控制電壓的信息和來自監視線路源的電壓和電流互感器的信息。波上點控制器88還接收來自電路繼電器的打開和閉合命令，并提供進行波上點操作的智能。
波上點控制器88還與開關設備中的其他電子系統接口，如保護繼電器、遠程命令或通信功能。然而，它獨立于這些其他電子系統，而且即使這些其他系統不完全可操作，它也必定發揮作用。
電源86包括功率調節器，它接收輸入控制功率的范圍并把這控制功率轉換成電源86需要的電壓，即48-250 VDC或AC。必要時，表現為通用電源86一部分的調節器的輸出電壓用于對電源充電，即對一個電容器/電池充電。電源86的作用是作為整個電子系統的能量存儲手段。波上點控制器88從電源接收這一功率，提供為操作內嵌式致動器40所必須的全部計時和控制，經由傳感器接收關于斷路器模塊14操作特性的信息并根據當前狀態以及存儲在它的存儲器中的關于先前操作的信息來調節它本身以“預先(up front)”補償。斷路器模塊內嵌式致動器96是一個啟動(firing)電路，它通過從電源接收它的功率和從波上點控制器88接收命令，以啟動內嵌式致動器線圈39和41，以此成為電源86、波上點控制器88和內嵌式致動器40之間的連系。
波上點控制器是足夠智能性的，它知道斷路器模塊14中的觸點的狀態、線路源電壓和電流、控制電壓、觸點的磨損、觸點運動歷史、控制電源的充電狀況，以及周圍環境的溫度和其他特性。下圖解釋所顯示的對波上點控制器的輸入及其輸出，以及監視單個特性的理由。
表1
*(在真空中斷器磨損掉之前，它很可能能進行30,000次或更多的負載電流開關操作。)波上點控制器88是一個基于微處理器的控制器，它是對各類負載可編程的。有一個未畫出的對波上點控制器的輸入，它使操作者能識別適當的負載類型，對這些類型相應的波上點控制要求被預先編程。所針對的負載類型包括不接地電容器/接地電感型，以及電阻型的。
對于大多數負載，為閉合電路，每一極被單獨地同步，以在每相電壓最小值時閉合，從而使電壓擾動達最小化。當在短路電流上閉合電路時，每極應被單獨地同步，以在每相電壓的最小值處閉合，在短路狀態下這將產生最大的電流非對稱。由于不能事先知道負載電路上的短路狀態，這是一個不可避免的結果。為打開負載電流，所有各極應被聯動操作，以同時分開觸點，使一相同步于它的相電流，從而在零電流之前1.5至2.5毫秒時分開觸點。遠在零電流之前以最小的推薦的打開速度打開這個，將會消除重復地再次點火。當對電容式負載打開時，這一方法造成在峰值恢復電壓處間隙增大，這使再沖擊的危險性減小。
當在發生故障電流打開時，則全部極聯動以便同時分開觸點，這種隨機打開將造成每相中在電流波上的隨機位置使觸點分離。因為由短路造成的電流在電流中引入非對稱性，在各相中是隨機的，電流為零的發生時間變得難于預測。所以，試圖同步是太困難的，而在本斷路器中發生的隨機分離是能勝任的。
利用本發明的波上點控制器進行同步操作的策略是閉合時優選策略a)在零電壓的1毫秒之內閉合將保持小的激發電壓電涌。提前0.35毫秒閉合將造成0.37每單位的沖擊前(prestrike)電壓，而推后1.65毫秒閉合將造成0.37每單位的沖擊前電壓。所以，對于標稱值兩側-1毫物，到+1毫秒的閉合窗，標稱閉合時間是在零電壓之后0.65毫秒處。
b)在零電壓附近或在電壓顯著小于峰值的情況下閉合是重要的(i)對于電容器負載，防止大的涌入電流，該電流會產生額外的電流或零電壓；(ii)對于電感型負載，防止高激發電壓電涌；而對電阻型負載，它不那么重要，但防止高激發電壓電涌總是有好處的。
c)在零電壓附近閉合時對短路電流造成最大不對稱性。如果使用這里的優選閉合策略，這一結果是不可避免的，因為通常在閉合之前不知道短路的存在。
另一種策略在電壓峰值處或接近電壓峰值處閉合，有時對于使非對稱涌入電流最小化是重要的(i)對于電感型負載，避免高涌入電流—這主要是旁路電抗器的一個問題；(ii)盡管在電壓峰值附近閉合也能使短路電流非對稱性減至最小，但只有使用這另一種閉合策略時才能得到這一好處。
推薦的閉合速度所推薦的最小閉合速度是基于在電容器開關應用中把沖擊前電壓限制在小于或等于0.6每單位，這要求在27千伏額定電壓時的閉合速度為1.1米每秒；或在38千伏額定電壓時的最小閉合速度為1.5米每秒。
打開時(a)在零電流之前以最小初始打開速度打開并在零電流時達到最小間隙是重要的(i)對于電容器負載，當達到峰值恢復電壓時得到足以承受電壓的間隙，從而使再沖擊的危險減至最小；(ii)對于電感型負載，使在零電流附近分離觸點時可能發生的重復地再點火的危險性減至最小；以及(iii)對于電阻型負載，它不那么重要，但在零電流時有合理大的間隙總是一種優選的作法。
(b)在零電流之前打開以在零電流時達到最小間隙設定一個最小時間，而在兩個零電流之間的時間設定一個最大時間。零電流之間的時間在60赫茲時為2.77毫秒，在50赫茲時為3.33毫秒。所以到達零電流的最大時間必須小于2.77毫秒，或者說不同的零電流變得至關重要。打開時的觸點分離時間窗小于閉合時，對于距標稱值-0.5毫秒至+0.5毫秒范圍，推薦的范圍從1.5毫秒至2.5毫秒。1.5毫秒的到零電流的最小時間，對于27千伏額定電壓，在1.5米每秒時提供的間隙為2.3毫米；對于38千伏額定電壓，在2.1米每秒時提供的間隙為3.2毫米。這是足以使重復點火的危險減至最小所需要的間隙。2.5毫秒的到零電流的最長時間使在另一相中達到前一個零電流之前有0.27毫秒的緩沖時間。
(c)不推薦在每一相中與零電流同步地打開。優選的是在所有各相中同時分離觸點，其中只有一相是同步地分離觸點。對于電容器開關，在三相不接地系統中，同時分離觸點產生2.5每單位的峰值恢復電壓。第一極清除，而第二和第三極遲后約90電度，或者說在60赫茲時為4.1毫秒。對于電容器開關，在三相不接地系統中，非同時分離觸點產生3.0每單位的峰值恢復電壓。第一極清除，而第二和第三極遲后約180電度或更多，或者說在60赫茲時為8.3毫秒。如果在其各相中每極都與零電流同步，則觸點分離將發生在零、2.77-3.3毫秒、和5.54至6.66毫秒，這足以產生了三個每單位恢復電壓。
(d)對于短路電流，每相有某些非對稱性，各零電流之間的時間是不均一的或不易預測的。所以，試圖同步地操作造成的害處會多于好處。所以，對故障電流，推薦不試圖同步的同時分離觸點。
(e)基于得到適當的打開間隙或在峰值恢復電壓處電容器開關的推薦打開速度，在額定電壓27千伏時是1.5至2.0米每秒，其最小打開間隙是15毫米；在額定電壓38千伏時為2.1至2.5米每秒，其最小打開間隙是21毫米。
圖6a顯示先有技術響應跳閘命令的作用，其中每相在周期中的不同點同時斷開連接。發生這種情況是因為共同使用單一致動器對所有各相實現跳閘。本發明的波上點控制器模塊84和單獨的插入式斷路器模塊14以單獨的控制使各相能同步打開，這使電弧達到最小，例如，如圖6b中所示。
圖5a顯示如先前在圖1中所示本發明的模塊部件，應用于單個主母線三相組件98。本發明的模塊組件只被顯示出連到一相上，但應該理解，對每相提供單獨的斷路器模塊14和真空隔離器模塊12。
如前所述，圖5b顯示另一種結構安排，其中對應于負載的單個相的每個斷路器模塊14通過第一真空隔離器模塊12連到第一母線相98，或者通過經第一真空隔離器模塊12連接的第二真空隔離器模塊12連到第二母線組件100的相應相，在用第一母線組件98遇到問題時該第二母線組件100又能用于對負載加能；這是通過對第一和第二真空隔離器模塊12的可動觸點進行適當的互連實現的。各真空隔離器模塊12之間的互連是通過圖4中所示第二連接器62實現的，它被連接到第一母線組件經連接器54連接的同一靜止觸點52上。
這樣，本發明提供增強的維護能力，即具有以最小的服務消耗時間更換開關設備外殼內的單個模塊，同時通過合理地使用與周圍環境較低電壓部分的固體隔離和電壓絕緣使得能減小整個設備的尺寸。插入熔化硅中的固體環氧樹脂插頭到EPDM橡膠插座的試驗和測試過的組合用于電纜有好的跟蹤記錄，能用于密封本發明的上述開關設備組合體中提到的各個電連接。在斷路器模塊14和真空隔離器模塊12內內嵌式磁致動器和真空中斷器的獨特組合將提供獨特的能力使能進行波上點開關，這是業界長期以來沒有得到的有實際意義的目標。
盡管已詳細地描述了具體實施例，但本領域技術人員將會理解，借助所公開的總原理，能夠開發出對那些細節的修改和更替。因此，所公開的特定實施例只是用于演示，而不是要限定本發明的范圍，所附權利要求及其任何和全部等價物將給出本發明的范圍。
參考字符列表10.開關裝置12.真空隔離器開關模塊14.真空中斷器/內嵌式致動器模塊16.帶有集成電流互感器和VT插頭的負載連接器18.變壓器模塊20.母線連接器22.絕緣電連接器插頭24.用于真空中斷器/內嵌式致動器模塊的環氧樹脂外殼26.真空中斷器(VI)28.VI靜止觸點30.VI可移動觸點32.可動觸點的驅動銜鐵34.VI容器36.可動觸點外部電連接器38.靜止觸點外部連接順39.內嵌式致動器第一線圈40.內嵌式致動器41.內嵌式致動器第二線圈42.內嵌式致動器銜鐵43.內嵌式致動器稀土磁體44.內嵌式致動器電連接器46.真空絕緣體上的電連接器，連接到可動觸點用于與斷路器模塊連接48.真空隔離器第一可動觸點
49.真空隔離器第二可動觸點50.隔離器模塊的真空容器52.在真空隔離器中的第一靜止觸點54.用于連到母線的連接器56.在真空隔離器中的第二靜止觸點58.用于接地的連接器60.連接器帽62.串聯到第二真空隔離器的連接器64.接地66.真空隔離器可動觸點驅動棒67.真空隔離器第二可動觸點驅動棒68.真空絕緣棒肘節機構70.真空隔離器的固體絕緣外殼72.多相負載電路74.負載連接器76.真空中斷器連接器78.變壓器連接器80.電流互感器82.固體絕緣外殼84.控制電子部件86.功率調節電子部件88.POW控制器90.人工輸入92.電壓、電流和溫度輸入94.觸點閉合傳感器96.內嵌式致動器驅動98.第一母線三相組件100.第二母線三相組件
權利要求
1. 一種電路開關裝置(10)包含密封的容器(34)，其中含有導電率低于空氣的介質，其中該容器(34)對該介質是不可滲透的；密封在所述容器(34)內的第一靜止觸點(28)；第一電導體，在其一端連接到所述第一靜止觸點(28)，可密封地穿過該容器(34)，并在其另一端終止于第一被電絕緣的電連接器(38)；可動觸點裝置(30)，密封在該容器(34)內并在第一位置和第二位置之間可動，該第一位置脫離與所述第一靜止觸點(28)的電連接，該第二位置實現與所述第一靜止觸點(28)的電連接；第二電導體，在其一端連接到該可動觸點裝置(30)，可密封地穿過所述容器(34)，并在其另一端終止于第二被電絕緣的電連接器(36)；固體絕緣裝置(24)，用于電絕緣所述容器(34)和所述容器(34)外部的電導體和連接器(36和38)，并當開關裝置(14)連接到要由該開關裝置(14)中斷的系統時充分隔離所述容器(34)、導體和連接器(36和38)使其不與所述開關裝置(14)的較低電壓部分接觸；以及響應指示給定電路狀態的致動命令，使可動觸點裝置(30)在所述第一和第二位置之間運動的裝置(40)。
2.權利要求1的開關裝置(10)，其特征在于，包括傳感器(94)，用于當所述可動觸點裝置(30)處于第一或第二位置之一時提供一個輸出。
3.權利要求1的開關裝置(10)，其特征在于，包括傳感器(94)用于提供一個輸出，指示所述可動觸點裝置(30)的運動速度。
4.權利要求1的開關裝置(10)，其特征在于，包括傳感器(94)用于提供一個電輸出，指示所述可動觸點裝置(30)移動的長度或時間。
5.權利要求1的開關裝置(10)，其特征在于，所述電連接器(36和38)的端子被設計成分別與輔助連接器配對，其方式為，充分地使連接器(36和38)的導體和電異通部分不與周圍的較低電壓部分接觸。
6.權利要求5的開關裝置(10)，其特征在于包括第二靜止觸點(56)，被密封在所述容器(50)內并與地相連；第三電導體，在其一端與第二靜止觸點(56)相連，可密封地穿過所述容器(50)，并在其另一端終止于第三被電絕緣的電連接器(54)；以及其中所述可動觸點裝置(30，66)是在所述第一和第二靜止觸點(52，28和56)之間可動的。
7.權利要求6的開關裝置(10)，其特征在于，所述可動觸點裝置(48、49和30)在所述第一、第二和第三位置之間可動，該第三位置實現與所述第二靜止觸點(56)電連接，并且其中所述第二位置脫離與所述第一和第二靜止觸點(52和56)的電連接。
8.權利要求5的開關裝置(10)，其特征在于，所述連接器(46和54)是由插頭或插座之一構成的，而所述輔助連接器是由插頭或插座的另一個構成的。
9.權利要求6的開關裝置(10)，其特征在于，所述在第一和第三導體另一端的連接器端子(46和54)有相同的設計。
10.權利要求6的開關裝置(10)，其特征在于，所述密封的容器(50)被分成兩個縱列的倉室(50，50′)，每個倉室在倉室的相鄰端容納所述第一和第二靜止觸點(52和56)之一，而且其中所述可動觸點裝置(48、49)包含裝在這兩個倉室之中具有第一靜止觸點(52)的第一倉室(50)中的第一可動觸點(48)以及裝在這兩個倉室之中具有第二靜止觸點(56)的第二倉室(50′)中的第二可動觸點(49)，其中所述第一和第二可動觸點(48和49)與所述第二電導體(46)相連并由推動裝置(68)推動。
11.權利要求10的開關裝置(10)，其特征在于，所述第一和第二可動觸點(48和49)被互鎖，從而使它們不能同時分別與它們對應的第一和第二靜止觸點(52和56)相連。
12.權利要求6的開關裝置(12)，其特征在于，所述第一和第二靜止觸點(52和56)彼此電絕緣。
13.權利要求12的開關裝置(10)，其特征在于，所述倉室(50和50′)由兩個背靠背真空中斷器(26)構成。
14.權利要求1的開關裝置，其特征在于，所述在第一和第二導體另一端的連接器端子(46和54)有相同的設計。
15.權利要求1的開關裝置(10)，其特征在于，所述固體絕緣(70)是一個外殼，裝有該容器以及導體和連接器(46和54)的外部部分。
16.權利要求15的開關裝置(10)，其特征在于，所述外殼(70)由環氧樹脂構成。
17.權利要求1的開關裝置(10)，其特征在于，所述介質是真空。
18.權利要求1的開關裝置(10)，其特征在于，推動可動觸點(48、49)的裝置(68)是一個內嵌式線性致動器(40)。
19.權利要求18的開關裝置(10)，其特征在于，所述內嵌式致動器(40)包含第一和第二電磁線圈(39和41)，該第一電磁線圈(39)用于沿第一方向推動可動觸點(48、49)，該第二電磁線圈(41)用于沿第二方向推動可動觸點(48、49)。
20.權利要求19的開關裝置(10)，其特征在于，所述第一和第二線圈(39和41)在同時被可編程地加能，以在觸點閉合時使可動觸點(48、49)易于相對靜止觸點(52、51)軟著陸。
21.權利要求18的開關裝置(10)，其特征在于，恰在觸點閉合(48、49)之前使加到內嵌式致動器(40)的驅動線圈(39)上的電壓極性反向以易于著陸。
22.權利要求18的開關裝置(10)，其特征在于，包括多個模塊單元(12、14、16和18)，它們插入該模塊單元(12、14、16和18)的輔助單元中，其中所述容器(34)和內嵌式線性致動器(40)構成第一集成電路斷路器模塊(14)。
23.權利要求22的開關裝置(10)，其特征在于，所述第一集成電路斷路器模塊(14)和與它接口的至少一個其他模塊(14、16或18)包括一個導電外部涂層。
24.權利要求22的開關裝置(10)，其特征在于，所述固體絕緣裝置(24)構成充分包圍第一電路斷路器模塊(14)，與輔助連接器導電接口的連接器(36和38)除外，的電絕緣屏蔽，使開關裝置(14)的導電部分與周圍的較低電壓部分電隔離。
25.權利要求22的開關裝置(10)，其特征在于，分離的相應的第一模塊(14)獨立地控制多相電路(72)中每一相中的電傳導的物理連接或分離。
26.權利要求25的開關裝置(10)，其特征在于，包括第二集成電路連接器模塊(16)，包含多個第一被電絕緣的電輸出連接器(74)至少對應于要應用所述開關裝置(14)的線路源(98)中的相數，每個第一輸出連接器(74)被設計成與附加在負載電路(72)相應相的相應輔助用電電路連接器配對，其方式為使得用電電路連接器的導電部分以及輸出連接器(74)與周圍環境電絕緣；同時提供它們之間的電連接，并使那些部分充分地與周圍環境脫離接觸；多個電流傳感器(80)，分別被連接以監視流經相應的第一輸出連接器(74)的電流，并提供指示該電流的輸出；多個輸出導體，分別在其一端連接到第一輸出連接器(74)的相應連接器，而在另一端連到相應的第二輸出連接器(76)，它們分別有輔助端端子設計成與第一模塊上的第一或第二被絕緣連接器(38或36)配對，其方式為，使得配對連接器的導電部分與外部電流絕緣，同時保持配對連接器之間好的電傳導，并充分地使那些導電部分與周圍環境的較低電壓部分脫離接觸；以及第二被絕緣外殼(82)，該外殼充分地密封并分別絕緣所述第一和第二輸出連接器(74和76)、輸出導體和電流互感器(80)，其方式為使得各相彼此絕緣并且充分地使其所有電流承載部分不與周圍環境的較低電壓部分接觸，并把所述第一和第二輸出連接器(74和76)、輸出導體和電流互感器(80)結合成一個集成單元(16)。
27.權利要求26的開關裝置(10)，其特征在于，包括多個被絕緣的電壓導體(74)，它們在第二模塊(16)的第二被絕緣外殼(82)內，在其一端分別連在輸出導體(74)的不同相之間或輸出導體(74)的選定相與一中性導體之間，而在該電壓導體的另一端連在一個電壓連接器(78)，其中所述電壓連接器(78)被設計成與變壓器(18)上的一個可兼容的連接器配對。
28.權利要求26的開關裝置(10)，其特征在于，包括第三集成開關模塊(12)，其中包含密封的開關容器(50，50′)，包含導電率低于空氣的介質，其中開關容器(50，50′)對該介質是不可滲透的；密封在開關容器(50)內的第一靜止開關觸點(52)；第一電開關導體(52)，在其一端連接到第一靜止開關觸點(52)，可密封地穿過開關容器(50)，并在其另一端終止于第一電開關連接器(54)；密封在開關容器(50′)內的第二靜止開關觸點(56)；第二電開關導體，在其一端連接到第二靜止開關觸點(56)，可密封地穿過開關容器(50′)，并在其另一端終止于第二電開關連接器(58)；可動開關觸點裝置(48、49)，密封在開關容器(50′)內并在第一位置和第二位置之間可動，該第一位置實現與第一靜止開關觸點(52)的電連接，該第二位置實現與第二靜止開關觸點(56)的電連接；以及第三電開關導體，在其一端連接到可動觸點(48、49)，可密封地穿過該開關容器(50、50′)，并在另一端終止于第三電開關連接器(46)；以及響應給定的操作員動作，使可動開關觸點裝置在第一和第二位置之間運動的裝置。
29.權利要求28的開關裝置(10)，其特征在于，所述第二開關連接器(58)被接地。
30.權利要求28的開關裝置(10)，其特征在于，一旦有給定的操作員命令，則使可動開關觸點裝置(48、49)移動的裝置(68)移動可動開關觸點裝置(48、49)，使其與或者與第一靜止開關觸點(52)，第二靜止開關觸點(56)電接合，或者第三位置不與第一(52)或第二(56)靜止開關觸點電接合。
31.權利要求28的開關裝置(10)，其特征在于，所述第一電開關導體在其另一端終止于第一電開關連接器(54)和第四電開關連接器(62)。
32.權利要求31的開關裝置(10)，其特征在于，包括用于當第一或第四開關連接器未被連接到電路中時將其絕緣的裝置(60)。
33.權利要求32的開關裝置(10)，其特征在于，所述用于當第一(54)或第四(62)開關連接器未被連接到電路中時將其絕緣的裝置(60)包含一個實質上由電絕緣體構成的輔助連接器(60)。
34.權利要求28的開關裝置(10)，其特征在于，包括固體絕緣裝置(70)，用于當該開關裝置連入設計要中斷的系統中時，電絕緣開關容器(50、50′)和該開關容器(50、50′)外部的相應的第一(54)和第三(46)電導體及連接器，并充分地使開關容器(50、50′)、相應的第一(54)和第三(46)導體和連接器不與電路的較低電壓部分接觸。
35.權利要求25的開關裝置(10)，其特征在于，由相應的第一電路斷路器模塊(14)物理致動的電路(72)各相的打開和閉合是由一個主控制器模塊(84)控制的，該主控制器模塊把獨立的不同的控制信號(96)發送給各第一電路斷路器模塊(14)。
36.權利要求35的開關裝置(10)，其特征在于，所述主控制器模塊(84)監視電路(72)每一相中的電流，并根據命令致動各第一模塊(14)以在相應電流處在電流波形周期中預先編程的點位時打開或閉合該電路(72)。
37.權利要求35的開關裝置(10)，其特征在于，所述主控制器模塊(84)根據電流故障狀態指示，同時致動每一相相應的第一電路斷路器模塊(14)以打開該電路(72)。
38.權利要求36的開關裝置(10)，其特征在于，所述主控制器模塊(84)監視電流的電特性和開關裝置(10)模塊(12、14、16和18)的機械特性，并使用那些參數計算致動信號定時，以在電流波形周期中預先編程的點位閉合或打開斷路器模塊(14)。
39.權利要求38的開關裝置(10)，其特征在于，所述主控制器模塊(84)還監視開關裝置模塊(12、14、16和18)周圍環境的參數特性，并把該環境參數用于計算致動信號(76)的時間。
40.權利要求39的開關裝置(10)，其特征在于，所述環境參數是對溫度的測量。
41.權利要求36的開關裝置(10)，其特征在于，在電流波形周期中預先編程的點位是在零電流點任何一側的選定范圍。
42.權利要求36的開關裝置(10)，其特征在于，在電流波形周期中預先編程的點位是在對應于電壓峰值的電流值任何一側的選定范圍。
全文摘要
一種緊湊的開裝設備系統(10)，利用若干模塊部件(12、14、16和18)，該模塊部件插入它們的配對接口并利用固體絕緣(24、70和82)維持電隔離，使其基本上阻擋了該組合體與系統的較低電壓部分接觸。該組合體主要由5個模塊構成多相負載連接器(16)，對各相中的每一相有集成的電流監視互感器(80)；電壓監視互感器，它插入負載連接器(16)；內嵌式致動器和真空中斷器模塊(14)，這是為每一相提供的，它插入負載連接器(16)；三位置真空開關(12)，連在真空中斷器模塊(14)和線路或地之間；以及電子控制模塊(84)，它從電流和電壓監視器(80、18)、電路繼電器、真空中斷器/內嵌式致動器模塊(14)以及溫度傳感器(94)接收輸入，并向各真空中斷器模塊(14)的內嵌式致動器提供編程的控制輸出(96)。
文檔編號H01H11/00GK1415129SQ00818124
公開日2003年4月30日 申請日期2000年12月29日 優先權日2000年1月3日
發明者A·G·霍金, T·B·馬歇爾, N·戴維斯, P·J·泰森, F·馬爾紹 申請人:伊頓公司