真空开关以及用于其控制的系统和方法 【技术领域】
本发明涉及一种用于控制真空开关的控制系统，该真空开关的接触点系统包括至少两个可以相对移动的接触部分，它们在一个断开过程中按照一个变化的速度互相分离，而且它们之间在该断开过程中燃烧一个待消除的光弧。
背景技术
这种控制系统例如由专利文献DE 3815805 C2公开。通过一个偏心驱动装置来控制一种真空开关的接触点装置的断开运动。其中，是这样选择机械操纵链的构造，即在一个可以移动的接触部分的极其短暂的加速阶段(1.3ms)之后，实现1mm的接触部分的敞开路径。此外，还叙述了，如果在0.8ms之后接触点分离速度达到2m/s，则被证明是特别有利的。这种技术方案基于这样的考虑，即将在接触点分离之后产生的光弧尽可能快地消除，以便避免接触部分的接触材料熔化。其出发点在于，通过尽可能快地达到一个尽可能高的接触点分离速度，也实现高的真空开关地断开功率。
但是，任意提高接触点分离速度在技术上是不可能的。此外，在断开高电流时可以确定，该电流仅仅在一个确定的接触部分的距离范围内才能有效地消除。在该消除区域之外，对这种光弧施加影响使其尽可能快地完全消失，在技术上花费是很大的。
【发明内容】
因此，本发明要解决的技术问题是，这样构造一种真空开关的控制装置，即按照典型的技术花费可靠地消除在一个断开过程中出现的电弧。
按照本发明，上述技术问题的解决是通过一种本文开始提到的控制系统这样解决的，即控制的作用使得，只有在经过为控制系统预定的时间间隔之后，才超出一个给定的接触部分的距离。
为了有利于消除断开光弧，需要这样地影响光弧，使得它尽可能扩散地燃烧。这里，光弧的特性主要地受接触部分的形式和接触部分相互距离的影响。如果在预定的时间间隔内没有超出给定的接触部分的距离，则光弧的消除被证明是可以按照典型的技术花费消除的技术问题。该预定的时间间隔是对于各自开关配置直至完全消除光弧所需最大间隔。如果在该预定时间间隔内超出了给定的距离，则需要很广泛的技术构造。在这种情况下，出现影响光弧的电磁力，该电磁力由待切断的电流引起，并支持了光弧的旋转和光弧由此的冷却和消失，但不能以充分的规模提供。
除了控制系统外，还提供了一种开关真空开关的方法，该真空开关的接触点系统包括至少两个可以相对移动的接触部分，它们在一个断开过程中按照一个变化的速度互相分离，而且它们之间在该断开过程中燃烧一个待消除的光弧。
该方法计划，直到完全消除该光弧，在一个第一阶段中接触点分离的平均速度都大于一个紧随该第一阶段的第二阶段中接触点分离的平均速度。
迄今的出发点在于，应该一直按照尽可能高的接触点分离速度来消除真空开关中的光弧。这里假设，真空开关的更高的开关能力与达到一个尽可能高的接触点分离速度直接联系在一起。
为了也可以掌握在高压区域出现的断开电流，被证明是有利的是，直到完全消除该光弧，将在一个第一阶段中接触点分离的平均速度选择为大于一个紧随该第一阶段的第二阶段中接触点分离的平均速度。由此可以，在一个更长的时间间隔利用待断开的电流的电磁力，以便使光弧旋转并尽可能扩散地形成。此外，可以通过一种这样的速度特性，将相对缺乏功率的驱动用于接触部分的移动。
在另一种用于控制真空开关的方法中，该真空开关的接触点系统包括至少两个可以相对移动的接触部分，它们在一个断开过程中按照一个变化的速度互相分离，而且它们之间在该断开过程中燃烧一个待消除的光弧，该方法计划，在光弧完全消失之前的一个第一时间区域内，接触部分的距离从一个可以预定的第一接触点距离至少增大到一个可以预定的第二接触点距离和最多到一个可以预定的第三接触点距离，并且在光弧完全消失之前的时间上跟随该第一时间区域的第二时间区域中，将接触部分的距离保持在第二接触点距离和第三接触点距离之间。
如果这样地控制接触部分的分离，使得在一个第一时间区域和一个第二时间区域中接触点距离进行上述的变化，则也在高压下保证了，在一个短暂的时间内可靠地消除光弧。在第一时间区域中可以在一个相对大的区域中改变接触点距离。在第二时间区域中，通过限制接触点距离变化区域，以较高的可靠性保证了，在复原电压的峰值出现时也不可能再次引起光弧。该第一接触点距离是这样的距离，在该距离下，根据各自开关配置可以首次消除光弧。在第一时间区域中已经可以开始消除断开光弧了。在有利的前提下，也可能在第一时间区域中已经完全消除了光弧。这种有利的前提基本上通过根据待断开的电流当前具有的相位状态而开始断开运动的时刻确定。
此外，可以优选地设置，只要到达第一接触点距离就开始该第一时间区域。
如果第一时间区域在这样的时间点开始，在该时间点上达到第一接触点距离，则由此保证了整个断开过程的时间需求最小化。
此外，可以优选地设置，第二时间区域的结束不同于到达接触部分的断开结束状态的时间点。
如果将到达接触部分的断开结束状态的时间点和第二时间区域的结束分开，则可以将断开运动根据光弧消除的情况进行优化。在实现了光弧消除后可以按任意的速度将接触部分移动至其断开结束状态。在第二时间区域结束之后再次引起光弧的危险则不复存在。
此外，可以优选地设置，根据待断开的电流来控制接触点分离速度。
根据待断开的电流来控制接触点分离速度特别有效，因为在断开一个例如短路电流这样的极大的电流时，对接触点分离的过程提出了不同于例如断开额定电流的要求。
此外，可以将用于实施上述方法和借助于所述控制系统运行的真空开关这样设置，即为可以运动的接触部分配置一个电磁制动装置。
电磁制动装置能够接近没有磨损现象地将运动制动。因此，它以突出的方式适合于制动真空开关中可移动的接触部分。由此，可以这样地影响接触点分离的运动过程，使得该过程可以与所述控制系统组合，并遵循预定的运动形式、接触点距离和时间间隔。
还可以优选地设置，为可以运动的接触部分配置一个电磁制动装置。电磁制动装置可以特别廉价地实现，并有足够的能力来适应运动过程的延迟。
此外，可以优选地设置，与可以运动的接触部分连接的部件可以在一种磁流变学的液体中运动。
在一个磁场的作用下，磁流变学的液体以其粘性变化极其快速的作出反应。这种液体很好地适用于对其中的组件进行制动。利用这种效果的制动装置可以在一个宽的范围内极好地设定其制动效果。
所述方法和装置特别适用于真空开关的应用，该真空开关使用50kV以上的电压水平来断开30kA和更高的短路电流。
【附图说明】
下面对照附图所示的一种实施方式对本发明作进一步的说明。图中，
图1表示在一个断开过程中接触部分距离的变化过程的路程时间图，
图2表示一个具有第一时间区域和第二时间区域的路程时间图，
图3表示具有第一时间区域和第二时间区域的多个可能的路程时间图，
图4表示一个具有电磁制动装置的真空开关的真空开关管，
图5表示一个具有机电制动装置的真空开关的真空开关管，以及
图6表示一个具有液体制动装置的真空开关的真空开关管。
【具体实施方式】
图1、2和3示出了真空开关的断开运动的路程时间图。在坐标系的横坐标上记录的是在一个断开过程中经历的时间t，其中，在坐标原点接触部分开始电气上分离。在纵轴上记录的是接触部分的相互距离s。图1表示一个按照本发明断开运动的可能过程。在时间点t＝0断开运动开始。接触部分电气上分离。首先连续增加两个接触部分的距离。在一个第一时间点t1达到接触部分的第一接触点距离s1。直到第二时间点t2接触部分的分离都按一个恒定的速度进行。在第二时间点t2达到一个第二接触点距离s2。在第二接触点距离s2达到后，相对的接触点分离运动以一个减小的速度进行，直到一个第三时间点t3。在第一时间点t1和第三时间点t3之间没有任何时间点上接触部分的接触点距离超过给定的第三距离s3。其中，第三时间点t3是这样选择的，即在该时间点上在两个接触部分之间燃烧的光弧被可靠地完全消除。在到达第三时间点t3之后，存在超过该第三距离s3的可能性。通常在第三时间点t3之后接触部分运动到其最终状态。
作为第二时间点t2的典型值给出了一个在接触部分完成电气上分离后8-9ms的值。在第一时间点t1和第三时间点t3之间应该有一个12ms的时间间隔。第三距离s3大约是第一距离s1的3-5倍。第二距离s2则通过在真空开关所应用的电压水平决定。
图2中表示了在图1所示时间点第一时间点t1、第二时间点t2、第三时间点t3和所属的接触部分的距离第一接触点距离s1、第二接触点距离s2和第三接触点距离s3。在第一时间点t1和第二时间点t2之间构成了一个第一时间区域1。第二时间点t2和第三时间点t3限定了一个第二时间区域2。接触部分允许的接触点距离在第一时间区域内在第一距离s1和第三距离s3之间运动。在第二时间区域内接触部分允许的接触点距离在第二距离s2和第三距离s3之间运动。在第三时间点t3在两个接触部分之间燃烧的光弧完全消除。可以在两个时间区域1、2中具有的接触部分允许的最小和最大距离内任意改变接触部分的距离。
在图3中将图1中(用在坐标系中实线表示的)运动变化与图2中的允许接触点距离叠加在一起。在两个时间区域1、2的内部，接触点距离的运动总是在允许的边界值之内。为了在断开过程中尽可能快地消除光弧，在用实线表示的运动变化中，在同一时间点上示出了第一时间区域1的起点和达到接触部分的第一距离s1的时间点。
在到达第三距离s3之前这样地减小接触部分分离的速度，使得在第二时间区域2中的任何时间点接触部分的距离都处于允许的边界值内。通过这种方式保证了，由待断开的电流引起的电场总是足够大，以便支持光弧的旋转和形成扩散燃烧。在到达第三时间点t3之后，接触部分的分离继续进行，直到达到其最终状态。虚线示例地表示了另一个运动变化。此外，还可以有其它运动形式。但是，这些运动形式必须保证，在第一时间区域1和第二时间区域2中接触点距离在允许的边界内运动。
在图4至图6中示出了用于制动第二接触部分5断开运动的制动装置。这些制动装置借助于一个控制系统13操纵。备选地或者与制动装置组合，可以设置成，由控制系统13控制驱动装置14，以便实现希望的接触点分离的运动过程。
图4中示出了一个真空开关的真空开关管3，该真空开关具有构成接触点系统的、处于断开状态的接触部分4，5。第一接触部分4固定安装，而第二接触部分5可以通过操作杆6驱动。在操作杆6和第二接触部分5的连接处设置了一个铁磁芯7。该铁磁芯7由线圈8环绕。该线圈8流通有通过接触部分4、5流动的电流。线圈8和铁磁芯7的组合形成了一个电磁制动。在一个断开过程中铁磁芯7通过线圈8运动，其中，在线圈8和铁磁芯7之间出现的力这样设置，使得其相反地影响断开运动。由此，对断开运动进行制动。只有断开光弧完全消失和由此完全断开电流之后，才减小该力的作用，而操作杆不受影响地继续移动固定在其上的第二接触部分5。该电磁制动装置以及在图5和6示出的制动装置这样地安装在真空开关上，即对应了所述的运动变化和边界区域。已证明有利的是，在达到第二距离s2之后采用制动作用。
在图5中示出了另一个处于断开位置并具有机电制动的真空开关的实施方式。操作杆6以及第二开关接触部分5同心地由一侧拉紧的接触指9环绕。该接触指9在其内侧具有一个额外增加摩擦的制动膜层10。如果在接触指9上通过一个电流，则此时作用的电磁力将具有制动膜层10的接触指9压向操作杆6以及可以运动的接触部分5。如果接触部分4、5实现了分离，则制动膜层10立刻对该运动进行制动。只有光弧完全消失和由此的相关的电流断开之后，接触指9的压力才由于电磁力的消失而减小，而接触部分4、5的接触点分离可以几乎不受机电制动装置的影响地进行。
图6示出了另一个处于断开位置的真空开关的实施方式。在第二接触部分5上固定了附加部分11，它在第二接触部分5运动期间在一种磁流变学的液体12中运动。该磁流变学的液体是这样设置在第二接触部分5周围，即它置于接触部分4、5中流通电流的电磁场中。通过该电磁场磁流变学的液体12的粘性提高，并在第二接触部分5运动的断开过程中起到制动的作用。根据不同的与第二接触部分5连接的附加部分11的实施，可以使制动作用与其强度相适应。除了这种变化的可能性外，还可以通过施加一个外部的电场来影响磁流变学的液体12的粘性。