真空绝缘开关装置 本申请是株式会社日立制作所于1999年2月26日提交的发明名称为“真空绝缘开关装置”、申请号为“99102425.7”的发明专利申请的分案申请。
【技术领域】
本发明涉及一种带有真空压强测量装置的真空绝缘开关装置。
背景技术
当真空压强增加到高于10-4乇时，真空管的开关性能和绝缘强度迅速降低。真空压强改变的原因如：破裂产生的真空泄漏，被吸附到金属和绝缘材料上的气体分子的释放，大气气体的渗透等。由于伴随着真空管电压的增加真空容器尺寸的增加，被吸附气体的释放，以及大气气体的渗透就显得非常严重了。日本JP-A-9-249076(1997)公开了一种绝缘开关装置的结构，其中在单个真空管中安装有一断路器，一隔离开关和一个接地开关，为了保证维护和检测载荷的操作者的安全或开关装置自身的安全，期望在操作过程中附带有真空压强检测功能，或者连续的压强监测功能。
通常，设有真空压强测量装置的真空管，如设有电离真空计的真空管，通过在真空容器的狭小间隙提供电压，引起放电而确定真空压强的真空管，设有磁控管端子的真空管及其它已知的装置。
考虑到主电路和一测量端之间地绝缘，在现有技术中存在着下述的一些问题。如果测量端由一个与主电路分开的绝缘管组成，包括绝缘管的测量端的尺寸将与真空管的尺寸一样大。另外，在测量端产生的电子e进入真空管内侧并与绝缘管碰撞，即，通过产生次级电子处于电子倍增状态，因此会产生真空管的绝缘性能被破坏的问题。
根据一种现有技术，通过一种方法可以不需要绝缘管，从而测量端的尺寸会较小；其中在电源侧的一导线和真空压强测量元件的一外圆柱电极被保持在相同的电势，并且由一电容对一内部电极施加电压。然而，产生了一些问题，如果考虑电容与地面的绝缘，那么所述装置的尺寸增加将非常大，并且受到主电路电压变化的影响(例如脉冲电压)。因为测量元件的电势等于电源侧导线的电势，就需要隔离变压器和光透视器来向测量装置的继电器电路、示警灯42和示警汽笛传送信号。因此存在着整个系统变复杂的问题。
【发明内容】
本发明的目的在于解决上述问题，并提供一种具有可靠的真空压强监测和测量功能的真空绝缘开关装置，该真空压强监测和测量功能是通过使真空管具有接地的真空容器并在真空管周围设置真空压强测量装置来实现的。
本发明通过提供一接地的真空容器，一开关来实现上述目的；其包括一个通过一绝缘体连接于真空容器的固定电极，一个与固定电极面对、通过一绝缘体连接于真空容器的可移动电极；和一个连接于真空容器的真空压强测量装置。
本发明通过提供一接地的真空容器，一开关来实现预定的目的；其包括一个通过一绝缘体连接于真空容器的固定电极，一个与固定电极面对通过一绝缘体与真空容器相连的可移动电极；在真空容器的侧面处的同心电极，和一设置于同心电极周围的磁场发生装置。
本发明通过提供一接地容器、一开关来实现上述目的；其包括通过一绝缘体连接于真空容器的一固定电极，一个与固定电极面对、通过一绝缘体连接于真空容器的可移动电极；一个在真空容器侧面处的同心电极，和一设置于同心电极周围用以在一定时刻测量真空压强的磁场发生装置。
根据上述开关装置，主电路和测量元件的电连接可以被分开，通过提高真空监测和测量功能的可靠性可以保证开关装置的安全。
【附图说明】
图1是根据本发明的一个实施例的真空管和真空压强测量端的示意图；
图2是根据本发明的一个实施例的真空管和真空压强测量端的示意图；
图3是根据本发明的一个实施例的真空管上所连接的真空压强测量端的垂直截面图；
图4是根据本发明的一个实施例的真空管上所连接的另一个真空压强测量端的垂直截面图；
图5是本发明的一个实施例的真空管的垂直截面图；
图6是根据本发明的一个实施例的真空管的垂直截面图；
图7是根据本发明的一个实施例的真空管的垂直截面图；
图8是连接于本发明的一个实施例的真空管上的另一个真空压强测量端的垂直截面图；
图9是连接于本发明的一个实施例的真空管上的另一个真空压强测量端的垂直截面图；
图10是连接于本发明的一个实施例的真空管上的另一真空压强测量端的垂直截面图；
图11是本发明的另一实施例的垂直截面图；
图12是本发明的另一实施例的垂直截面图；
图13表示根据本发明的另一实施例的绝缘开关装置；
图14是表示压强P和断路性能/绝缘强度性能之间关系的特性图，其中纵坐标代表断路性能/绝缘强度性能；
图15是根据本发明另一实施例的用于测量真空压强的方法的示意图。
【具体实施方式】
下面对本发明的优选实施例进行详细的说明，根据本发明的实施例将参照图1到图15进行详细描述。
在此对本发明的第一个实施例进行描述。附图1示出了真空管1和真空压强测量端30的截面图，图12示出了通过将可移动导体21旋转安装于主轴20而构成的一绝缘开关装置。
通过将两套管3、4连接到一个接地的金属容器2的外周构成了真空管。设置一固定电极5和一可移动电极6，使它们在真空管1内接触或分离以通过电极的接触或分离来打开或关闭。固定电极被固定在套管3上，一个从可移动的电极6延伸出的挠性导体8连接在套管4上。在本发明实施例的真空管1中，电流流过的路径为：从套管3到固定电极5到可移动电极6到挠性导体8到套管4。可移动电极6与一绝缘杆9连接，该绝缘杆9通过波纹管10固定于金属容器2。标号11代表一弧形罩，用以防止一电弧A与金属容器2接触产生的接地故障。
现在参照附图13对真空管1的操作进行说明。图11示出一开关装置，其中由控制机构25操作真空管1。标号30代表一切断弹簧，通过分开设置的倾翻机构释放一加压的绝缘部分31来产生驱动力，该驱动力通过轴22传递到绝缘杆9。结果，绝缘杆向上或向下运动，固定电极5和可移动电极6接触或者分开。
标号30表示一磁控管式测量端，它连接在金属容器2的侧平面上。测量端30的结构在图3示出。测量端30由一同心电极32和线圈36构成，线圈36产生围绕同心电极32外围的磁场。同心电极32由一圆柱状外电极33和一内电极34组成，内电极34刺穿了外电极。外电极33和内电极34由绝缘部分31隔开。如图4所示，可以用一环状永久磁体37代替线圈36。另外，永久磁体的磁极N极和S极可以反过来。
下面参照图3对测量端30的操作进行说明。由电源电路40向内电极34施加负方向电流，也可使用交流电或电压脉冲。由内电极34释放的电子e受到电场E和线圈36产生的磁场B的Lorentz力的作用，而绕内电极34的外周旋转。旋转电子e与剩余气体碰撞使之电离，产生的阴离子I流入内电极34。电离电流j随剩余气体量而变化，即，随压强而变化。因此，通过确定电阻R两端的电压测量压强。当必须连续地监测压强时，可以操作一继电器打开一示警灯，或根据电阻R两端的电压产生报警声。如图14所示，当压强增加到等于或高于10-4乇时，真空管1的断电性能和绝缘性能迅速地被破坏。在此实施例中指出的真空压强测量端30一直到近似10-6乇都是可以检测的，因此对于监测真空压强足够有效。
在此对本发明的实施例的优点进行描述。因为接地的金属容器2设有测量端30，所以用于测量端30的电源电路可以与主电路13分开。因此可以避免主电路13的波动引起的操作故障，从而提高了开关装置的可靠性。因为信号直接从电阻R传递到测量装置或继电器电路，测量系统的尺寸可以较小并被简化。根据本发明，测量端30直接固定于金属容器2。因此，与现有技术相比，测量端通过绝缘管固定，进入真空管1的电子很少，从而可避免破坏真空管1的断路性能和绝缘性能被破坏。
图5示出一磁控管的例子，它利用陶瓷的镀金属部分来辐射电子。同心电极32和外电极33连接于负极，内电极34连接于正极；因此，其极性与图4相反。在陶瓷31薄的镀金属部分43附近电场变高，陶瓷31与外电极33相连；因此电子传递系数变高。结果，磁控管的灵敏度提高了。
固定测量端30的位置最好在弧形罩11的外侧，如图6所示。因为在断开时间从电极释放的金属颗粒，电子和离子不进入测量端30，从而可以保持可靠性。如图7所示，罩12可以分开地设置于真空管1中。在此例子中，线圈36可以设置在远离电极的地方，从而可避免磁场断路性能(disconnecting performance)的降低。线圈36并不在任何时间都需要，但它可只设置在压强测量时间，以避免磁场对断路性能的影响。
很自然，本发明不仅可应用于磁控管端子，而且还可以应用于测量端，例如电离真空计端子，放电间隙测量端等。因为测量系统和主电路可以分开，所以通过连接于接地的金属容器2，测量端的可靠性能被提高。
参照图2对本发明的第二个实施例进行说明，根据此实施例，如图1所示的测量端30通过绝缘元件50连接在真空管1的金属容器2上。对于绝缘元件50的厚度，来自传感器的电子重复与绝缘元件50碰撞，通过次级电子倍增得到的倍增电子进入真空容器1。结果，绝缘性能降低了。因此，绝缘元件50的正确厚度在2到3mm之间。
根据第二个实施例，主电路和测量系统分开，因此，能够避免由来自主体的脉冲电流引起的测量系统的失误。如图15所示，真空测量装置能被安装在接地的真空容器(金属容器)2的壁上，或任何远离真空容器2的地方。即，如果能够测量压强，那么真空测量装置可以安装在真空容器的任何地方。
现在参照附图8对本发明的第三个实施例进行说明。根据本发明的第三个实施例，如图7所示的测量端30连接于图1所示的真空管1的金属容器2。测量端30由一外电极33，一内电极34，和一个与外电极33具有相等势能的第三电极39，所述外电极33与内电极34面对。因而，从内电极34顶端释放的电子e被电极39捕获，进入真空管内部的电子e减少，从而避免了真空管1绝缘性能的降低。通过在金属容器2上设置一孔15，并将同心电极32安装于其上可获得同样的效果，如图9所示。
如图10所示，在金属容器2上设有小于外电极33内侧的孔51。从内电极34顶端发出的电子e2受到电场E和磁场B的Lorentz力的作用，而沿螺旋轨迹44运动并到达金属容器2。当电子e2重复与剩余气体碰撞时，离子电流j流动。除了电子e1电流外，通过电子e2的影响提高了灵敏度。
现在参照附图9对本发明的第四个实施例进行描述。根据本发明的这个实施例，图11所示的测量端30连接在图1所示真空管1中金属容器2上。测量端30包括一外电极，该外电极具有在杯形陶瓷体51内侧面上的金属镀层52。根据图3所示的实施例1和2，绝缘部分31和外电极33分开制造。然而在本实施例中，绝缘部分和外电极可以被制成一整体元件。因此减少了零部件数目和焊接部位。
以下对本发明的第5个实施例进行描述。根据图11所示本发明这个实施例，图11所示的测量端30连接于图1所示的真空管1中金属容器2上。测量端30包括内电极34，内电极34具有螺纹部分，从而通过增强内电极34表面局部电场来提高从内电极34释放的电子数量，提高了测量灵敏度。当然，通过在内电极34上设置一些凸起也可以获得同样的效果。
下面参照图15对本发明的第6个实施例进行描述。如同图1所示实施例1一样，测量端30连接在金属容器2的侧面上。根据本发明的第6个实施例，利用一兆欧表41产生施加于测量端30的直流电压并测量离子电流，兆欧表41也即一种绝缘电阻测试计。兆欧表41是一种手提式测计，它通过向绝缘体施加几KV的直流电压并测量泄漏电流来测量MΩ级的电阻，它是一种通常由负责维护和控制高压设备的人拥有的一种工具。兆欧表41的电压接线端42与测量端30的同心电极32相连，通过提供电压V测量电阻R。与由压强P决定的离子电流I相对应，可以通过电压V及电阻R来确定泄漏电流(I＝V/R)。因此，如果预先确定了电阻R和压强P之间的关系，那么可以迅速地用兆欧表测出压强。不需要为测量压强准备特定的电源，就可以用较低的成本迅速地测出压强。
下面对本发明的第7个实施例进行描述。本发明的这个实施例是防止在测量端30产生的磁场B进入真空管1的干扰措施，其组成与图1所示实施例一样。在本实施例中，图1所示的金属容器2是由磁性材料如Monel(一种Cu-Ni合金)材料等制成，这样可以通过金属容器2屏敝在测量端产生的磁场，避免由于进入磁场而降低断路性能。
本发明可以应用于图12所示的旋转操作式真空管。可移动电极6以主轴20为支点转动，与固定电极5接触或断开。固定电极5通过一绝缘管16A绝缘，可移动电极6通过一绝缘管16B绝缘，它们分别与接地的金属容器2绝缘。在此实施例中，增加了孔15以便形成包括一断路器、一隔离开关和一接地开关的小尺寸开关装置，从而可使可移动电极6在四个位置之一停止，即，关闭位置Y1，一打开位置Y2，一断开位置Y3和接地位置Y4，在断开位置Y3不与打雷等绝缘。将真空压强测量端30安装于具有隔离开关功能的真空管1可以保证维护和检测操作者的安全，从而提高了开关装置的可靠性。
如上所述，根据本发明，通过向接地的金属容器提供真空压强测量端提高了监测和测量真空压强的可靠性，结果，提供了一真空绝缘开关装置。