专利名称：模块化小型化的开关设备的制作方法
相关申请交叉参考本专利申请涉及相应的序列号为＿＿(代理人档案98-PDC-065)、序列号为＿＿(代理人档案97-PDC-524)和序列号为＿＿(代理人档案97-PDC-611)的美国专利申请；它们全部与本申请同时提交。
操作杆组件在操作上与一个可闭锁的操作机构相连，该机构响应异常电流状态。当达到一种异常状态时，该可闭锁操作机械变为解锁状态，使操作杆运动到开位置。操作杆的运动续而造成触点钟形曲柄转动，于是如上文讨论的那样，这样控制了可动触点的运动。
提供与操作杆组件相连的压缩弹簧，以便能够把可动触点和固定触点分离开，并确保有必要的力，以使触点不会在不适当的状态下意外打开。此外，当出现需要中断电路的适当环境时，需要一个合适的力以足够的速度打开触点。如果触点不能迅速打开，则存在触点熔化在一起并且不能中断电流的危险。
真空中断器或重合器(reclosure)通常用于例如可靠地中断中等电压交流(ac)电流，而在真空中断器的情况中也能中断几千安培或更大的高压交流电流。重合器包括通常被设计成在以安培而不是千安计量的电流范围中操作，并且在给定延时之后自动闭合，可达给定的次数，以图自动重建该电路的中断器。然而，从本发明的观点来看，这里讨论的原理同样地适用于这二者，而且还适用于其他负载切断开关、断路器和开关断接器。
通常，根据先有技术的实践，为一个多相电路的每一相提供一个真空中断器，对若干相的中断器由一个共同的可闭锁操作机构同时启动。这不允许多相间的“波上点(point-on-wave)”切换，而且会产生电压瞬变和不均匀接触损耗。
采用真空中断器的中等尺寸开关装置通常有一个前端低电压部分恰好在前面板的后尾，该前面板通常包括断路器控制部分。通过使用支架，使该低电压部分与包括真空中断器在内的高电压部分电绝缘。该支架允许各导体部件之间有足够的间距，所以外壳内的空气可以是有效的绝缘体以使开关设备的低电压部分与高电压部件绝缘。然而，这个间距也影响了单元的尺寸。
为减小这些单元的尺寸，近来进行了更多的尝试，试图通过对这些单元密封并填充气体绝缘体，其介电能力高于空气，如SF6。然而，这又会产生若干影响环境的问题。
因此，希望设计一种改进的中等电压开关设备，它能减小总尺寸并增强单元的服务能力。
断路器模块形成本发明的第二模块部件，它包括一个传统的真空中断器，被设计成承受由断路器的功能所经受的电流，其端子与伸过真空容器中的被绝缘的电连接器相连。希望断路器模块的两个伸过真空瓶的被绝缘电连接器有相同的设计，从而使两个连接器中的任何一个能连接到电路的任何一侧。该断路器模块进一步包括一个集成的或单独的内嵌式(in-line)致动器，它专用于致动断路器模块上的可动触点，而且最好的是封闭在一个被绝缘的外壳中，该外壳能容纳真空容器和内嵌式致动器二者。在一个最佳实施例中，内嵌式致动器利用两个线圈，每个线圈分别控制可动触点运动的不同方向。每个内嵌式致动器线圈上的电压能被独立地控制，从而能对可动触点适当地加能使其沿希望的方向运动和制动它以使可动触点易于软着陆。另一种作法是可以利用单个线圈，它带有使流经线圈的电流反向的手段。对电路的每一相，采用单独真空隔离器模块以及包含真空中断器和内嵌式致动器的断路器模块。
负载连接器形成本发明的第三模块。负载连接器模块包括单独的被绝缘的电输出连接器用于负载的每一相，它们被设计成与负载接口上的辅助被绝缘电连接器配对，使该接口与外部环境电绝缘，并密封那些配对连接器使与周围的较低电压部分隔离，而同时保持好的电连接。负载连接器模块还包括用于每相的电流监视互感器和电连接体用于插入一个模块变压器。负载连接器进一步包括被绝缘的电输入连接器，它们分别与相应的输出电连接器电接触，并分别与每个断路器模块上的辅助电连接器配对。负载连接器模块部件装在一个固体的、电绝缘的外壳中。
还提供了一个波上点(point-on-wave)控制器，在一个实施例中，它适于接收来自三相电流监视互感器、变压器以及监视断路器模块部件位置、速度、温度和过去历史以及可得到的控制电压的各传感器的输入。波上点控制器分析断路器模块的特性和负载电流波形，监视和接收来自电路切断继电器的输入，并向内嵌式致动器提供指示，以在适当的时刻打开或闭合适当的相，从而使瞬变电压和对电路及电路开关系统部件的反冲击达到极小。波上点控制器通过在其零电流的关闭每一相，使在电路闭合时的电弧最小并减小再发生火花的可能性，在这些方面波上点控制器特别有用。
因此，利用可分离的辅助的被绝缘电连接器，使各模块单元的电流承载部件与周围的较低电压部分充分绝缘。此外，每个模块单元外壳的外层复盖一个导电涂层，这允许各模块紧密接触而不会使周围的空气电离。规定的绝缘性和导电涂层使各模块能在电路开关系统外壳内紧密得多地放置在一起，从而显著地减小开关系统的总尺寸。可分离的、可拆卸的模块进一步增强了服务，而波上点控制器以及内嵌式致动器的断路能力延长了集成部件的可用寿命及该系统的可用寿命。
内嵌式致动器40是传统设计的，包含一个或两个电绕组绕在一个可导磁的、中空线圈架上，该中空线圈架放在一个中空稀土磁体相临的位置。在双线圈设计中，稀土磁体放在这两个线圈之间，而衔铁放在稀土磁体的中空中心。在单线圈的设计中，如图3(a)所示，一个给定极性的电压加到线圈39上，以使衔铁45沿第一方向运动，一个相反极性的电压加到线圈39上，以使衔铁45沿相反方向运动。在图3(b)所示内嵌式致动器40的双线圈设计中，电压以第一方向加到线圈之一39上，以使衔铁沿第一方向运动，电压以相反方向加到第二线圈41上，以使衔铁42沿相反方向运动。在图3(b)所示双线圈设计中，波上点控制器模块(下文中将针对圈2更详细地描述该模块)独立地控制加到每个线圈上的电压，而且在一个实施例中被编程，使得以适当的时间和大小同时向两个线圈加电压，以制动可动触点30和使它容易地在静止触点28上软着陆。另一种作法是，在单线圈设计中，能刚好在触点闭合之前向驱动线圈施加的电压极性被反转来软着陆。以那种方式，由加到相应电线圈上的适当驱动电流驱动可动触点在双方向上运动，并使运动受到控制以减小一部件磨损。虽然因为加到内嵌式致动器上的电压与真空中断器上的电压相比是较小的，但仍然希望如
图1所示让被绝缘的外壳24包围整个制动器模块14，以形成集成单元增强整个模块的整体性，尽管这不是必须的。
真空隔离器模块12(图1所示)插在母线和断路器模块14的电连接器38或36之一二者之间；最好是电连接器38与静止触点28电连接。在图4中更充分地显示真空隔离器模块12，该图中显示一个三位置隔离器，它能使断路器模块14与第一或第二母线或地相连。另一种作法是，本发明的真空隔离器模块能利用两位置真空隔离器，那里只预期一个母线连接，而且不想要与他连接，当然最好是带有与地连接的三位置真空隔离器模块。真空隔离器模块12在许多方面与先前针对图3描述的断路器模块14的真空中断器相似。断路器模块的电连接器之一，或36或38，以及更一般的38，与真空隔离器模块12上的输入电连接器46之一相连。这种连接是通过辅助插头和插座设计实现的，该设计使连接器内的电导体电绝缘，并使这些导体基本上与周围的较低电压部分隔离。电连接器46通过一电导体与可动触点组件48(在图上由它的位置指出，但没有明确画出)相连，该组件48在隔离器模块12内的密封真空容器50、50N内可以纵向移动和相对(reciprocal)。真空容器50、50N还容纳两个静止触点52和56(在图上由它们的位置指出)，它们分别经由单个导体连到电连接器54和58，该电连接器54和58与辅助电连接器配对，而该辅助电连接器分别与接地(ground connection)和母线相关联；当然，本领域技术人员会理解，这样绝缘接地不是必须的。电连接器54和62与同一静止触点相连。如果只利用单个母线，则可使用被绝缘的可密封的插头60，以电绝缘电连接器之一，如62，并使该导体基本上不与周围的较低电压部分接触。图4中所示三位置真空隔离器模块12由两个背靠背的真空中断器容器50和50N构成，它们分别容纳可动触点48和静止触点52以及可动触点49和静止触点56。在这一结构安排中，可动触点48和49与同一电连接器46相连。肘节68在相对静止触点52的相反方向上移动可移动触点推动杆66，向可移动触点48提供两个稳定位置，或者与静止触点52接合或者与其脱离接合。类似的并且独立于可移动触点48的位置，肘节(toggle)68被安排成使可动触点推动杆67沿着相对于静止触点56相反的方向运动，向可动触点49提供两个稳定的位置，或者与静止触点56接合或者与其脱离接合。当可动触点49完全闭合而可动触点48处于开路位置时，该系统被接地。当可动触点48完全闭合而可动触点49处于开路位置时，断路器模块14通过电连接器54与电源相连。当肘节68使两个可动触点48和49都处于开位置，分别与相应的静止触点52和56脱离接触时，断路器模块14是浮接的(floating)。肘节68设计成有一个互锁，它防止两个可动触点48和49同时闭合。使用内嵌式致动器作为可动触点的驱动机构，能达到类似结果。另一种作法是如序列号为＿＿(代理人档案98-PDC-065)的申请(与本申请同时被受理)中描述的那样设计三位置隔离器模块。
能串联若干个真空隔离器模块12，如图5b中所示，以把不止一个线路连到负载，从而增大功率输入或提供另一个备用电源。这样，在真空隔离器模块内的、经由电连接器46与断路器模块14连接的可动触点能把断路器模块14与两个母线之一相连或与地相连，或以可动触点48和49都处于开位置来提供浮动断连接。在图4所示实施例中，可动触点48和49在肘节68和推动杆66、67的影响下运动穿过三个分立的可动触点位置任何一个可动触点相对于其相应的静止触点闭合，或两个可动触点都打开，这些位置由过中心肘节机构(over-center-toggle mechanism)68在隔离器模块12前表面上的转动作用开关(未画出)影响下进行控制。与其他系统模块接口的隔离器模块12电导体部分被封闭在固体的被绝缘的外壳70中。
回来参考图1，将会理解，提供了第三集成模块16把断路器模块的端子之一(通常为36)连接到多导体电缆负载电路72的一个导体电缆。负载电路连接器模块16包括相应的电连接器74，该电连接器分别电绝缘和基本隔离负载导体，使其免于与周围的较低电压部分接触。对每个导体电缆提供一个电连接器74。多导体电缆可能分别承载来自多相电流电路的不同相电流或者分离给定相位的电流。这样，多导体电缆负载电路72能包含不只是图1所示三个导体电缆，那只是为了演示的目的。每个电连接器74通过内部电导体耦合到输出电连接器76，其被设计成与断路器模块14的电连接器36或38之一配对；更一般地是连接器36。每相还具有集成的电流互感器80，它提供监视输出，在图1中未画出。负载电路连接器模块16还包括插入接头78，用于变压器18，它在内部配置成在负载电路连接器模块16内，以线路各相之一与地连接。整个负载电路连接器模块16被封闭在固体电绝缘物之内，如环氧树脂、硅、聚氨酯等。
这样，图1显示本发明的电路开关系统的高电流、插接在一起的机械模块。应该理解，每一相需要一个断路器模块14，类似地，负载每相需要至少一个真空隔离器模块12。图2中更充分地显示波上点控制模块88中的监视和控制功能，该控制模块接收来自电流互感器(它构成负载电路连接器模块16的一部分)、变压器(它构成模块18)以及电路开关系统中的其他传感器的输入，并为断路器模块14中的内嵌式致动器40提供驱动信号。
本发明的波上点控制模块84包括可编程控制器88和驱动器电路96，该波上点控制模块84操作电压大大低于由图2中参考字符14表示的断路器模块所保护的线路和负载电压。驱动波上点控制模块84中电子部件和控制电路用的电压是由调节(conditioning)电路86提供的，它构成通用电源，用于本发明的各种监视、控制和致动功能。电源86向波上点控制器88的和驱动器96提供输入，驱动器96向断路器模块14中的插入式致动器40提供适当的致动信号。波上点控制器88接收来自输入模块16的三相电流互感器的输入；由模块18输出的电压；来自温度传感器(该温度传感器监视关键触点位置的温度)、闭合度传感器94(它识别电路的每相的每个真空中断器14的状态)以及与真空中断器14关联的加速度计和速度传感器的输出。也能接收其他传感器输入以更好地理解环境、部件的当前状态、服务记录以及系统的操作历史。还由人工操作的继电器和/或切断(trip)继电器提供输入，这些继电器进行例如瞬时的或延时的跳闸计算。波上点控制器88根据其编程的功能，通过向驱动器96提供适当的输出信号，对线路源的每一相，在电流周期中的适当点处独立地给插入式致动器40加能量，从而实现断路器模块14中触点的编程的同步闭合。例如，如果收到人工闭合命令90，则波上点控制器将监视每相中的电流周期，并在最合适的时刻指示插入式致动器闭合断路器模块14中相应的真空中断器，以达到电路状态的最佳方案，它是负载类型(例如电容型、电感型等)的函数。另一方面，如果波上点控制器接收一个跳闸信号，它将指示各插入式致动器40立即打开断路器模块14中它们对应的真空中断器，以避免设备损坏并使电弧最小。对于每种负载，通常对关闭和有两种方案，对电路打开有两种方案—正常负载和故障状态。
更具体地说，在模块84中的波上点控制器88是一个基于微处理器的电子控制器，它提供单极同步接与断电路连接，以提高断路器模块14中的真空中断器触点以及其他系统部件的寿命，并极大地减小开关电涌同时又提供独特小尺寸的产品。波上点控制器模块84还为永久磁体插入式致动器电路40提供时间校正，以补偿触点腐蚀、磨损和环境状况。该系统根据电子的或人工的命令信号实现其功能。
驱动插入式致动器40的电子部件包括功率调节器和电源86，波上点控制器88，以及断路器模块14的插入式致动器驱动器96。如图2中所示，波上点控制器88连在电源86和断路器模块插入式致动器驱动器96之间，波上点控制器88作为命令中心起作用。它接收的数据来自装在断路器模块14上的传感器，例如加速度计、速度传感器等，以确定闭合或打开触点所需时间和触点腐蚀量。它还监视温度，并能监视其他环境状态，例如湿度，以调节插入式致动器操作的变化，并接收来自控制电压的信息和来自监视线路源的电压和电流互感器的信息。波上点控制器88还接收来自电路继电器的打开和闭合命令，并提供进行波上点操作的智能。
波上点控制器88还与开关设备中的其他电子系统接口，如保护继电器、远程命令或通信功能。然而，它独立于这些其他电子系统，而且即使这些其他系统不完全可操作，它也必定发挥作用。
电源86包括功率调节器，它接收输入控制功率的范围并把这控制功率转换成电源86需要的电压，即48-250 VDC或AC。必要时，表现为通用电源86一部分的调节器的输出电压用于对电源充电，即对一个电容器/电池充电。电源86的作用是作为整个电子系统的能量存储手段。波上点控制器88从电源接收这一功率，提供为操作内嵌式致动器40所必须的全部计时和控制，经由传感器接收关于断路器模块14操作特性的信息并根据当前状态以及存储在它的存储器中的关于先前操作的信息来调节它本身以“预先(up front)”补偿。断路器模块内嵌式致动器96是一个启动(firing)电路，它通过从电源接收它的功率和从波上点控制器88接收命令，以启动内嵌式致动器线圈39和41，以此成为电源86、波上点控制器88和内嵌式致动器40之间的连系。
波上点控制器是足够智能性的，它知道断路器模块14中的触点的状态、线路源电压和电流、控制电压、触点的磨损、触点运动历史、控制电源的充电状况，以及周围环境的温度和其他特性。下图解释所显示的对波上点控制器的输入及其输出，以及监视单个特性的理由。
表1
*(在真空中断器磨损掉之前，它很可能能进行30,000次或更多的负载电流开关操作。)波上点控制器88是一个基于微处理器的控制器，它是对各类负载可编程的。有一个未画出的对波上点控制器的输入，它使操作者能识别适当的负载类型，对这些类型相应的波上点控制要求被预先编程。所针对的负载类型包括不接地电容器/接地电感型，以及电阻型的。
对于大多数负载，为闭合电路，每一极被单独地同步，以在每相电压最小值时闭合，从而使电压扰动达最小化。当在短路电流上闭合电路时，每极应被单独地同步，以在每相电压的最小值处闭合，在短路状态下这将产生最大的电流非对称。由于不能事先知道负载电路上的短路状态，这是一个不可避免的结果。为打开负载电流，所有各极应被联动操作，以同时分开触点，使一相同步于它的相电流，从而在零电流之前1.5至2.5毫秒时分开触点。远在零电流之前以最小的推荐的打开速度打开这个，将会消除重复地再次点火。当对电容式负载打开时，这一方法造成在峰值恢复电压处间隙增大，这使再冲击的危险性减小。
当在发生故障电流打开时，则全部极联动以便同时分开触点，这种随机打开将造成每相中在电流波上的随机位置使触点分离。因为由短路造成的电流在电流中引入非对称性，在各相中是随机的，电流为零的发生时间变得难于预测。所以，试图同步是太困难的，而在本断路器中发生的随机分离是能胜任的。
利用本发明的波上点控制器进行同步操作的策略是闭合时优选策略a)在零电压的1毫秒之内闭合将保持小的激发电压电涌。提前0.35毫秒闭合将造成0.37每单位的冲击前(prestrike)电压，而推后1.65毫秒闭合将造成0.37每单位的冲击前电压。所以，对于标称值两侧-1毫物，到+1毫秒的闭合窗，标称闭合时间是在零电压之后0.65毫秒处。
b)在零电压附近或在电压显著小于峰值的情况下闭合是重要的(i)对于电容器负载，防止大的涌入电流，该电流会产生额外的电流或零电压；(ii)对于电感型负载，防止高激发电压电涌；而对电阻型负载，它不那么重要，但防止高激发电压电涌总是有好处的。
c)在零电压附近闭合时对短路电流造成最大不对称性。如果使用这里的优选闭合策略，这一结果是不可避免的，因为通常在闭合之前不知道短路的存在。
另一种策略在电压峰值处或接近电压峰值处闭合，有时对于使非对称涌入电流最小化是重要的(i)对于电感型负载，避免高涌入电流—这主要是旁路电抗器的一个问题；(ii)尽管在电压峰值附近闭合也能使短路电流非对称性减至最小，但只有使用这另一种闭合策略时才能得到这一好处。
推荐的闭合速度所推荐的最小闭合速度是基于在电容器开关应用中把冲击前电压限制在小于或等于0.6每单位，这要求在27千伏额定电压时的闭合速度为1.1米每秒；或在38千伏额定电压时的最小闭合速度为1.5米每秒。
打开时(a)在零电流之前以最小初始打开速度打开并在零电流时达到最小间隙是重要的(i)对于电容器负载，当达到峰值恢复电压时得到足以承受电压的间隙，从而使再冲击的危险减至最小；(ii)对于电感型负载，使在零电流附近分离触点时可能发生的重复地再点火的危险性减至最小；以及(iii)对于电阻型负载，它不那么重要，但在零电流时有合理大的间隙总是一种优选的作法。
(b)在零电流之前打开以在零电流时达到最小间隙设定一个最小时间，而在两个零电流之间的时间设定一个最大时间。零电流之间的时间在60赫兹时为2.77毫秒，在50赫兹时为3.33毫秒。所以到达零电流的最大时间必须小于2.77毫秒，或者说不同的零电流变得至关重要。打开时的触点分离时间窗小于闭合时，对于距标称值-0.5毫秒至+0.5毫秒范围，推荐的范围从1.5毫秒至2.5毫秒。1.5毫秒的到零电流的最小时间，对于27千伏额定电压，在1.5米每秒时提供的间隙为2.3毫米；对于38千伏额定电压，在2.1米每秒时提供的间隙为3.2毫米。这是足以使重复点火的危险减至最小所需要的间隙。2.5毫秒的到零电流的最长时间使在另一相中达到前一个零电流之前有0.27毫秒的缓冲时间。
(c)不推荐在每一相中与零电流同步地打开。优选的是在所有各相中同时分离触点，其中只有一相是同步地分离触点。对于电容器开关，在三相不接地系统中，同时分离触点产生2.5每单位的峰值恢复电压。第一极清除，而第二和第三极迟后约90电度，或者说在60赫兹时为4.1毫秒。对于电容器开关，在三相不接地系统中，非同时分离触点产生3.0每单位的峰值恢复电压。第一极清除，而第二和第三极迟后约180电度或更多，或者说在60赫兹时为8.3毫秒。如果在其各相中每极都与零电流同步，则触点分离将发生在零、2.77-3.3毫秒、和5.54至6.66毫秒，这足以产生了三个每单位恢复电压。
(d)对于短路电流，每相有某些非对称性，各零电流之间的时间是不均一的或不易预测的。所以，试图同步地操作造成的害处会多于好处。所以，对故障电流，推荐不试图同步的同时分离触点。
(e)基于得到适当的打开间隙或在峰值恢复电压处电容器开关的推荐打开速度，在额定电压27千伏时是1.5至2.0米每秒，其最小打开间隙是15毫米；在额定电压38千伏时为2.1至2.5米每秒，其最小打开间隙是21毫米。
图6a显示先有技术响应跳闸命令的作用，其中每相在周期中的不同点同时断开连接。发生这种情况是因为共同使用单一致动器对所有各相实现跳闸。本发明的波上点控制器模块84和单独的插入式断路器模块14以单独的控制使各相能同步打开，这使电弧达到最小，例如，如图6b中所示。
图5a显示如先前在图1中所示本发明的模块部件，应用于单个主母线三相组件98。本发明的模块组件只被显示出连到一相上，但应该理解，对每相提供单独的断路器模块14和真空隔离器模块12。
如前所述，图5b显示另一种结构安排，其中对应于负载的单个相的每个断路器模块14通过第一真空隔离器模块12连到第一母线相98，或者通过经第一真空隔离器模块12连接的第二真空隔离器模块12连到第二母线组件100的相应相，在用第一母线组件98遇到问题时该第二母线组件100又能用于对负载加能；这是通过对第一和第二真空隔离器模块12的可动触点进行适当的互连实现的。各真空隔离器模块12之间的互连是通过图4中所示第二连接器62实现的，它被连接到第一母线组件经连接器54连接的同一静止触点52上。
这样，本发明提供增强的维护能力，即具有以最小的服务消耗时间更换开关设备外壳内的单个模块，同时通过合理地使用与周围环境较低电压部分的固体隔离和电压绝缘使得能减小整个设备的尺寸。插入熔化硅中的固体环氧树脂插头到EPDM橡胶插座的试验和测试过的组合用于电缆有好的跟踪记录，能用于密封本发明的上述开关设备组合体中提到的各个电连接。在断路器模块14和真空隔离器模块12内内嵌式磁致动器和真空中断器的独特组合将提供独特的能力使能进行波上点开关，这是业界长期以来没有得到的有实际意义的目标。
尽管已详细地描述了具体实施例，但本领域技术人员将会理解，借助所公开的总原理，能够开发出对那些细节的修改和更替。因此，所公开的特定实施例只是用于演示，而不是要限定本发明的范围，所附权利要求及其任何和全部等价物将给出本发明的范围。
参考字符列表10.开关装置12.真空隔离器开关模块14.真空中断器/内嵌式致动器模块16.带有集成电流互感器和VT插头的负载连接器18.变压器模块20.母线连接器22.绝缘电连接器插头24.用于真空中断器/内嵌式致动器模块的环氧树脂外壳26.真空中断器(VI)28.VI静止触点30.VI可移动触点32.可动触点的驱动衔铁34.VI容器36.可动触点外部电连接器38.静止触点外部连接顺39.内嵌式致动器第一线圈40.内嵌式致动器41.内嵌式致动器第二线圈42.内嵌式致动器衔铁43.内嵌式致动器稀土磁体44.内嵌式致动器电连接器46.真空绝缘体上的电连接器，连接到可动触点用于与断路器模块连接48.真空隔离器第一可动触点
49.真空隔离器第二可动触点50.隔离器模块的真空容器52.在真空隔离器中的第一静止触点54.用于连到母线的连接器56.在真空隔离器中的第二静止触点58.用于接地的连接器60.连接器帽62.串联到第二真空隔离器的连接器64.接地66.真空隔离器可动触点驱动棒67.真空隔离器第二可动触点驱动棒68.真空绝缘棒肘节机构70.真空隔离器的固体绝缘外壳72.多相负载电路74.负载连接器76.真空中断器连接器78.变压器连接器80.电流互感器82.固体绝缘外壳84.控制电子部件86.功率调节电子部件88.POW控制器90.人工输入92.电压、电流和温度输入94.触点闭合传感器96.内嵌式致动器驱动98.第一母线三相组件100.第二母线三相组件
权利要求
1. 一种电路开关装置(10)包含密封的容器(34)，其中含有导电率低于空气的介质，其中该容器(34)对该介质是不可渗透的；密封在所述容器(34)内的第一静止触点(28)；第一电导体，在其一端连接到所述第一静止触点(28)，可密封地穿过该容器(34)，并在其另一端终止于第一被电绝缘的电连接器(38)；可动触点装置(30)，密封在该容器(34)内并在第一位置和第二位置之间可动，该第一位置脱离与所述第一静止触点(28)的电连接，该第二位置实现与所述第一静止触点(28)的电连接；第二电导体，在其一端连接到该可动触点装置(30)，可密封地穿过所述容器(34)，并在其另一端终止于第二被电绝缘的电连接器(36)；固体绝缘装置(24)，用于电绝缘所述容器(34)和所述容器(34)外部的电导体和连接器(36和38)，并当开关装置(14)连接到要由该开关装置(14)中断的系统时充分隔离所述容器(34)、导体和连接器(36和38)使其不与所述开关装置(14)的较低电压部分接触；以及响应指示给定电路状态的致动命令，使可动触点装置(30)在所述第一和第二位置之间运动的装置(40)。
2.权利要求1的开关装置(10)，其特征在于，包括传感器(94)，用于当所述可动触点装置(30)处于第一或第二位置之一时提供一个输出。
3.权利要求1的开关装置(10)，其特征在于，包括传感器(94)用于提供一个输出，指示所述可动触点装置(30)的运动速度。
4.权利要求1的开关装置(10)，其特征在于，包括传感器(94)用于提供一个电输出，指示所述可动触点装置(30)移动的长度或时间。
5.权利要求1的开关装置(10)，其特征在于，所述电连接器(36和38)的端子被设计成分别与辅助连接器配对，其方式为，充分地使连接器(36和38)的导体和电异通部分不与周围的较低电压部分接触。
6.权利要求5的开关装置(10)，其特征在于包括第二静止触点(56)，被密封在所述容器(50)内并与地相连；第三电导体，在其一端与第二静止触点(56)相连，可密封地穿过所述容器(50)，并在其另一端终止于第三被电绝缘的电连接器(54)；以及其中所述可动触点装置(30，66)是在所述第一和第二静止触点(52，28和56)之间可动的。
7.权利要求6的开关装置(10)，其特征在于，所述可动触点装置(48、49和30)在所述第一、第二和第三位置之间可动，该第三位置实现与所述第二静止触点(56)电连接，并且其中所述第二位置脱离与所述第一和第二静止触点(52和56)的电连接。
8.权利要求5的开关装置(10)，其特征在于，所述连接器(46和54)是由插头或插座之一构成的，而所述辅助连接器是由插头或插座的另一个构成的。
9.权利要求6的开关装置(10)，其特征在于，所述在第一和第三导体另一端的连接器端子(46和54)有相同的设计。
10.权利要求6的开关装置(10)，其特征在于，所述密封的容器(50)被分成两个纵列的仓室(50，50′)，每个仓室在仓室的相邻端容纳所述第一和第二静止触点(52和56)之一，而且其中所述可动触点装置(48、49)包含装在这两个仓室之中具有第一静止触点(52)的第一仓室(50)中的第一可动触点(48)以及装在这两个仓室之中具有第二静止触点(56)的第二仓室(50′)中的第二可动触点(49)，其中所述第一和第二可动触点(48和49)与所述第二电导体(46)相连并由推动装置(68)推动。
11.权利要求10的开关装置(10)，其特征在于，所述第一和第二可动触点(48和49)被互锁，从而使它们不能同时分别与它们对应的第一和第二静止触点(52和56)相连。
12.权利要求6的开关装置(12)，其特征在于，所述第一和第二静止触点(52和56)彼此电绝缘。
13.权利要求12的开关装置(10)，其特征在于，所述仓室(50和50′)由两个背靠背真空中断器(26)构成。
14.权利要求1的开关装置，其特征在于，所述在第一和第二导体另一端的连接器端子(46和54)有相同的设计。
15.权利要求1的开关装置(10)，其特征在于，所述固体绝缘(70)是一个外壳，装有该容器以及导体和连接器(46和54)的外部部分。
16.权利要求15的开关装置(10)，其特征在于，所述外壳(70)由环氧树脂构成。
17.权利要求1的开关装置(10)，其特征在于，所述介质是真空。
18.权利要求1的开关装置(10)，其特征在于，推动可动触点(48、49)的装置(68)是一个内嵌式线性致动器(40)。
19.权利要求18的开关装置(10)，其特征在于，所述内嵌式致动器(40)包含第一和第二电磁线圈(39和41)，该第一电磁线圈(39)用于沿第一方向推动可动触点(48、49)，该第二电磁线圈(41)用于沿第二方向推动可动触点(48、49)。
20.权利要求19的开关装置(10)，其特征在于，所述第一和第二线圈(39和41)在同时被可编程地加能，以在触点闭合时使可动触点(48、49)易于相对静止触点(52、51)软着陆。
21.权利要求18的开关装置(10)，其特征在于，恰在触点闭合(48、49)之前使加到内嵌式致动器(40)的驱动线圈(39)上的电压极性反向以易于着陆。
22.权利要求18的开关装置(10)，其特征在于，包括多个模块单元(12、14、16和18)，它们插入该模块单元(12、14、16和18)的辅助单元中，其中所述容器(34)和内嵌式线性致动器(40)构成第一集成电路断路器模块(14)。
23.权利要求22的开关装置(10)，其特征在于，所述第一集成电路断路器模块(14)和与它接口的至少一个其他模块(14、16或18)包括一个导电外部涂层。
24.权利要求22的开关装置(10)，其特征在于，所述固体绝缘装置(24)构成充分包围第一电路断路器模块(14)，与辅助连接器导电接口的连接器(36和38)除外，的电绝缘屏蔽，使开关装置(14)的导电部分与周围的较低电压部分电隔离。
25.权利要求22的开关装置(10)，其特征在于，分离的相应的第一模块(14)独立地控制多相电路(72)中每一相中的电传导的物理连接或分离。
26.权利要求25的开关装置(10)，其特征在于，包括第二集成电路连接器模块(16)，包含多个第一被电绝缘的电输出连接器(74)至少对应于要应用所述开关装置(14)的线路源(98)中的相数，每个第一输出连接器(74)被设计成与附加在负载电路(72)相应相的相应辅助用电电路连接器配对，其方式为使得用电电路连接器的导电部分以及输出连接器(74)与周围环境电绝缘；同时提供它们之间的电连接，并使那些部分充分地与周围环境脱离接触；多个电流传感器(80)，分别被连接以监视流经相应的第一输出连接器(74)的电流，并提供指示该电流的输出；多个输出导体，分别在其一端连接到第一输出连接器(74)的相应连接器，而在另一端连到相应的第二输出连接器(76)，它们分别有辅助端端子设计成与第一模块上的第一或第二被绝缘连接器(38或36)配对，其方式为，使得配对连接器的导电部分与外部电流绝缘，同时保持配对连接器之间好的电传导，并充分地使那些导电部分与周围环境的较低电压部分脱离接触；以及第二被绝缘外壳(82)，该外壳充分地密封并分别绝缘所述第一和第二输出连接器(74和76)、输出导体和电流互感器(80)，其方式为使得各相彼此绝缘并且充分地使其所有电流承载部分不与周围环境的较低电压部分接触，并把所述第一和第二输出连接器(74和76)、输出导体和电流互感器(80)结合成一个集成单元(16)。
27.权利要求26的开关装置(10)，其特征在于，包括多个被绝缘的电压导体(74)，它们在第二模块(16)的第二被绝缘外壳(82)内，在其一端分别连在输出导体(74)的不同相之间或输出导体(74)的选定相与一中性导体之间，而在该电压导体的另一端连在一个电压连接器(78)，其中所述电压连接器(78)被设计成与变压器(18)上的一个可兼容的连接器配对。
28.权利要求26的开关装置(10)，其特征在于，包括第三集成开关模块(12)，其中包含密封的开关容器(50，50′)，包含导电率低于空气的介质，其中开关容器(50，50′)对该介质是不可渗透的；密封在开关容器(50)内的第一静止开关触点(52)；第一电开关导体(52)，在其一端连接到第一静止开关触点(52)，可密封地穿过开关容器(50)，并在其另一端终止于第一电开关连接器(54)；密封在开关容器(50′)内的第二静止开关触点(56)；第二电开关导体，在其一端连接到第二静止开关触点(56)，可密封地穿过开关容器(50′)，并在其另一端终止于第二电开关连接器(58)；可动开关触点装置(48、49)，密封在开关容器(50′)内并在第一位置和第二位置之间可动，该第一位置实现与第一静止开关触点(52)的电连接，该第二位置实现与第二静止开关触点(56)的电连接；以及第三电开关导体，在其一端连接到可动触点(48、49)，可密封地穿过该开关容器(50、50′)，并在另一端终止于第三电开关连接器(46)；以及响应给定的操作员动作，使可动开关触点装置在第一和第二位置之间运动的装置。
29.权利要求28的开关装置(10)，其特征在于，所述第二开关连接器(58)被接地。
30.权利要求28的开关装置(10)，其特征在于，一旦有给定的操作员命令，则使可动开关触点装置(48、49)移动的装置(68)移动可动开关触点装置(48、49)，使其与或者与第一静止开关触点(52)，第二静止开关触点(56)电接合，或者第三位置不与第一(52)或第二(56)静止开关触点电接合。
31.权利要求28的开关装置(10)，其特征在于，所述第一电开关导体在其另一端终止于第一电开关连接器(54)和第四电开关连接器(62)。
32.权利要求31的开关装置(10)，其特征在于，包括用于当第一或第四开关连接器未被连接到电路中时将其绝缘的装置(60)。
33.权利要求32的开关装置(10)，其特征在于，所述用于当第一(54)或第四(62)开关连接器未被连接到电路中时将其绝缘的装置(60)包含一个实质上由电绝缘体构成的辅助连接器(60)。
34.权利要求28的开关装置(10)，其特征在于，包括固体绝缘装置(70)，用于当该开关装置连入设计要中断的系统中时，电绝缘开关容器(50、50′)和该开关容器(50、50′)外部的相应的第一(54)和第三(46)电导体及连接器，并充分地使开关容器(50、50′)、相应的第一(54)和第三(46)导体和连接器不与电路的较低电压部分接触。
35.权利要求25的开关装置(10)，其特征在于，由相应的第一电路断路器模块(14)物理致动的电路(72)各相的打开和闭合是由一个主控制器模块(84)控制的，该主控制器模块把独立的不同的控制信号(96)发送给各第一电路断路器模块(14)。
36.权利要求35的开关装置(10)，其特征在于，所述主控制器模块(84)监视电路(72)每一相中的电流，并根据命令致动各第一模块(14)以在相应电流处在电流波形周期中预先编程的点位时打开或闭合该电路(72)。
37.权利要求35的开关装置(10)，其特征在于，所述主控制器模块(84)根据电流故障状态指示，同时致动每一相相应的第一电路断路器模块(14)以打开该电路(72)。
38.权利要求36的开关装置(10)，其特征在于，所述主控制器模块(84)监视电流的电特性和开关装置(10)模块(12、14、16和18)的机械特性，并使用那些参数计算致动信号定时，以在电流波形周期中预先编程的点位闭合或打开断路器模块(14)。
39.权利要求38的开关装置(10)，其特征在于，所述主控制器模块(84)还监视开关装置模块(12、14、16和18)周围环境的参数特性，并把该环境参数用于计算致动信号(76)的时间。
40.权利要求39的开关装置(10)，其特征在于，所述环境参数是对温度的测量。
41.权利要求36的开关装置(10)，其特征在于，在电流波形周期中预先编程的点位是在零电流点任何一侧的选定范围。
42.权利要求36的开关装置(10)，其特征在于，在电流波形周期中预先编程的点位是在对应于电压峰值的电流值任何一侧的选定范围。
全文摘要
一种紧凑的开装设备系统(10)，利用若干模块部件(12、14、16和18)，该模块部件插入它们的配对接口并利用固体绝缘(24、70和82)维持电隔离，使其基本上阻挡了该组合体与系统的较低电压部分接触。该组合体主要由5个模块构成多相负载连接器(16)，对各相中的每一相有集成的电流监视互感器(80)；电压监视互感器，它插入负载连接器(16)；内嵌式致动器和真空中断器模块(14)，这是为每一相提供的，它插入负载连接器(16)；三位置真空开关(12)，连在真空中断器模块(14)和线路或地之间；以及电子控制模块(84)，它从电流和电压监视器(80、18)、电路继电器、真空中断器/内嵌式致动器模块(14)以及温度传感器(94)接收输入，并向各真空中断器模块(14)的内嵌式致动器提供编程的控制输出(96)。
文档编号H01H11/00GK1415129SQ00818124
公开日2003年4月30日 申请日期2000年12月29日 优先权日2000年1月3日
发明者A·G·霍金, T·B·马歇尔, N·戴维斯, P·J·泰森, F·马尔绍 申请人:伊顿公司