具有开关装置的电压限制设备的制作方法

1.本发明涉及一种具有开关装置的电压限制设备，该开关装置具有可在闭合位置和断开位置之间移动的可动开关触点以及第一缆线连接端和第二缆线连接端，其中第一电导体将第一缆线连接端与开关装置电连接，第二电导体将第二缆线连接端与开关装置电连接。


背景技术：

2.电压限制设备(vld)用于轨道供电领域，特别是在直流供电的铁路领域。在直流供电的铁路中，轨道通常被用作牵引电流的回流导体，其中轨道与大地隔离，以防止散射电流的发生。由于铁轨的电阻，流经铁轨的回流电流会产生相对于大地的电位差，这可以作为铁轨和大地之间的电压被量取。设置电压限制设备，以避免在运行中或发生故障时可能出现的不允许的接触电压。电压限制设备是可自复位的接地短路器，一般安装在轨道和接地系统之间，并在规定的接触电压阈值下作出反应。
3.已知的电压限制设备具有开关装置，其在两个缆线连接端之间建立电连接。根据构造方式的不同，开关装置具有单极或多极接触器，所述接触器具有固定的开关触点和由致动单元致动的可动的开关触点。开关装置还可以包括并联的晶闸管。
4.在已知的接触器中，固定开关触点和可动开关触点的接触面一般是彼此相对的。不可动的导体将固定开关触点连接到第一设备连接端，可动的导体将可动开关触点连接到第二设备连接端。在这些为频繁开关而设计的开关触点和导体排列中，出现了作用于开关触点的电动力。这些力的方向是使开关触点倾向于被断开。
5.在某些应用中，接触器必须能够非常频繁和/或非常快速地切换，还必须能够开启大电流并传导一定时间。如果电流强度变得太高，则必须采取技术措施，防止接触器在接通时被破坏。
6.在电压限制设备中，已知的技术措施是将接触器与晶闸管一起操作，晶闸管根据接触器的开关而被触发。晶闸管可以在几微秒内切换，而接触器的闭合时间可以在100至200毫秒之间。在晶闸管被触发后，接触器可以接管负载。设置有控制装置，以控制接触器或晶闸管。所有部件通常都位于一个控制柜中。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于实现一种电压限制设备，该电压限制设备在接通时允许更高的开关功率，并能短暂地传导大电流。
8.根据本发明，该目的通过权利要求1的特征来实现。从属权利要求的内容涉及本发明的有利实施方式。
9.根据本发明的电压限制设备具有开关装置，通过该开关装置可以在第一缆线连接端和第二缆线连接端之间产生电连接，其中第一电导体将第一缆线连接端与开关装置电连接，第二电导体将第二缆线连接端与开关装置电连接。在开关装置上可以提供相应的设备
连接端或电气连接面。这两个电导体可以相应地具有多个导电部分。在相关的电流路径中也可以提供进一步的电气元件。
10.根据本发明的电压限制设备的特点在于分别第一或第二电导体的导体部分的特别排列和设计，第一或第二电导体用于将第一或第二缆线连接端与开关装置电连接。第一或第二电导体的导体部分被布置或设计成使得该导体部分与开关装置的可动开关触点一起形成在开关装置运行期间被相反取向的电流流过的导体排列。
11.该电压限制设备的特别特征在于，第一或第二电导体的导体部分以基本平行于可动开关触头的取向排列在可动开关触头前方的区域中，在该区域中，可动开关触头在从断开位置运动到闭合位置时远离所述导体部分。由此电压限制设备这样设计，或者可以这样操作，即使得可动开关触点和第一或第二导体的导体部分形成被相反取向的电流流过的平行的导体排列。该电流流动导致电动力作用在可动开关触点(导体)和固定导体(电流轨)上，这些力的方向是使导体相互排斥。因为第一导体或在可动导体前方的导体的导体部分被布置成使得可动开关触点在从断开位置运动到闭合位置时离开所述导体部分，所以开关触点趋于闭合。事实证明，这减少了开关装置为闭合开关触点所要施加的力，并减轻了导电部分(开关触点)的负荷。由此改善了电压限制设备的电气性能。该电压限制设备可以切换更高的负载，而无需加强导电部件或采取其他技术措施。
12.本发明特别涉及到开关装置的连接线的布置和设计。在本发明的这个方面，只要开关装置具有与两条连接线中的一条协同作用的可动开关触点，那么开关装置的设计从根本上来说是不重要的。
13.在一个优选的实施方案中，开关装置具有一个第一和第二固定开关触点和一个可动开关触点。在提到一个开关触点的情况下，这并不意味着必须只提供一个开关触点。相反，根据本发明的开关装置也可以具有多个固定或可动开关触点。例如，开关装置可以包括多个组件，每个组件都有一个第一和第二固定开关触点和一个可动开关触点。这些组件可以单独操作，以切换多个电流，或者这些组件可以并联起来。
14.在一个优选的实施方案中，在闭合位置，第一或第二电导体的以基本平行于可动开关触点的方向布置在可动开关触点前方的导体部分与可动开关触点位于一个平面内。然而，第一或第二导体的导体部分和可动开关触点不需要彼此精确对齐，也就是说，导体也可以位于彼此稍微偏移的平面内。
15.在可动开关触点前方排列的、与可动开关触点平行的导体部分原则上可以有任何设计，即有任何横截面和任何长度，只要该导体部分和可动开关触点形成以相反方向的电流流过的平行导体排列，所述平行导体相互排斥。
16.电动力的强度取决于电流强度，导体的尺寸也取决于电流强度。
17.在一个优选的实施方案中，第一或第二电导体的以基本平行于可动开关触点的取向布置在可动开关触点的前方的导体部分是直线电导体部分，该导体部分优选地具有矩形截面。优选地，导体部分被布置成使得其宽侧面向可动开关触点。
18.流过第一或第二导体的电流方向取决于施加到第一或第二缆线连接端的电位，即第一或第二缆线连接端是否处于地电位。
19.第一或第二电导体的导体部分以基本平行于可动开关触点的取向布置在可动开关触点的前方的导体部分具有第一端部部分和第二端部部分，第一端部部分面向第一固定
开关触点，第二端部部分面向第二固定开关触点。
20.一个实施例规定，第一电导体具有如下导体部分，该导体部分从第一缆线连接端延伸到第一电导体的以平行于可动开关触点的取向布置在可动开关触点前方的导体部分的第二端部部分，并且第一电导体具有如下导体部分，该导体部分从第一电导体的以与可动开关触点平行的方向布置在可动开关触点前方的导体部分的第一端部部分延伸到开关装置。在该实施方案中，第二电导体从开关装置延伸到第二缆线连接端。
21.在一个替代实施方案中，第一电导体从第一缆线连接端延伸至开关装置。第二电导体具有如下导体部分，所述导体部分从开关装置延伸到第二电导体的以平行于可动开关触点的取向布置在可动开关触点前方的导体部分的第二端部部分，并且第二电导体具有如下导体部分，所述导体部分从第二电导体的以平行于可动开关触点的取向布置在可动开关触点前方的导体部分的第一端部部分延伸到第二缆线连接端。
22.在这两个实施例中，在第一或第二导体的导体部分和可动开关触点中流过以不同方向流动的电流。
23.然而，除了上述实施方案外，其他实施方案也是可能的，其中第一和第二导体以这样的方式连接，即电流从第二固定开关触点经可动开关触点流向第一固定开关触点。
24.本发明的另一个方面涉及到开关装置的开关触点的设计和布置。该开关装置的一个优选实施方案规定，第一和第二固定开关触点被布置为使得它们的接触面指向同一方向。可动开关触点可以在闭合位置和断开位置之间移动，在闭合位置处，第一和第二固定开关触点彼此电连接，在断开位置处，第一和第二固定开关触点彼此分离。第一和第二固定开关触点和可动开关触点形成了基本上彼此平行地布置的电导体的排列。
25.在开关触点的这种排列中，特别重要的是，固定开关触点中的至少一者的接触面是细长的接触面，所述接触面在电流流动的方向上延伸。两个固定开关触点的接触面优选是细长的接触面。在此，细长的接触面被理解为在电流流动方向的长度总是大于接触面的宽度的接触面。优选地至少一个固定开关触点的接触面在电流流动方向的长度至少是接触面宽度的两倍。相对于其宽度，接触面应尽可能长。电流流动方向被定义为电流从一个固定开关触点通过可动开关触点流向另一个固定开关触点的方向。因此，开关触点的排列形成了细长的导体排列。
26.由此这样设计或者说可以这样操作该开关装置，即，使相同取向的电流流过固定开关触点和与固定开关触点接触的可动开关触点。电流流动的效果是，电动力作用在固定导体和可动导体上，所述电动力的方向是使得导体相互吸引，即开关触点趋于闭合。这表明，通过这种方式减少了作用在开关装置的导电部分上的，特别是作用在其开关触点上的起断开作用的力，并减轻了开关触点上的负荷。由此改善了开关装置的电气性能。开关装置可以切换更高的负载，而不需要对开关装置的触点进行加固或采取其他技术措施。这种效果加强了上述的效果，而这种效果是由于通往开关装置的导体的特别排列和设计带来的。
27.开关触头的特别排列和设计使根据本发明的开关装置有别于市场上常规的开关装置的开关触头的布置和设计，后者的开关触头或接触面通常是点状、方形或矩形的，其中矩形触头在电流流动方向上是宽而短的。
28.第一和第二固定开关触点和可动开关触点原则上可以有任何设计，即有任何横截面和任何长度，只要开关触点形成由相同取向的电流流过的、基本上平行的导体排列，所述
导体相互吸引。电动力的强度取决于电流强度。
29.该开关装置的一个优选实施方案规定，第一和第二固定开关触点是具有矩形截面的直形电导体。例如，开关触点也可以具有椭圆或圆形的横截面。在横截面为矩形的情况下有利的是，第一和第二固定开关触点被布置为使得其宽侧形成接触面。因此，固定开关触点优选是短的平轨。可动开关触点同样优选是直线电导体，其有矩形的横截面，其中其宽侧优选形成接触面。因此，开关触点以宽侧彼此相对。
30.其中可动开关触点和固定开关触点彼此相对的区域应该尽可能大，以便产生大的电动力。特别地，当可动开关触点的长度大于或等于第一和第二固定开关触点的长度以及在第一和第二固定开关触点之间的距离之和时，这一点就可以实现。因此，可动开关触点在固定触点的整个可用长度上延伸。在另一优选实施方式中，可动开关触点能够在闭合位置和断开位置之间围绕与第一和第二固定开关触点平行地走向的轴线枢转。然而，可动开关触点也可以进行除旋转运动以外的运动，例如线性运动。
31.可动开关触点可以由致动单元来致动，该致动单元可以具有不同的设计。例如，致动单元可以是电磁致动单元。
32.电压限制设备可以布置在常规的控制柜中，该控制柜可以具有前方和后面、左侧部分和右侧部分以及顶部部分和底部部分。控制柜也可以容纳现有技术中已知的电压限制设备的其他部件，例如用于致动单元的控制单元。
附图说明
33.下面参考附图解释本发明的有利的实施例。其中：
34.图1以极为简化的视图示出了轨道车辆和电压限制设备。
35.图2示出了具有按照本发明的开关装置的电压限制设备的主要组件的极为简化的视图。
36.图3示出了电压限制设备的控制柜。
37.图4以俯视图示出了具有固定开关触点和可动开关触点以及致动单元的开关装置的实施例。
38.图5示出了沿图4的线a-a截取的剖视图。
39.图6以示意图示出了开关装置的固定开关触点和可动开关触点以及通向开关装置的设备连接端的导体的排列。
40.图7以示意图示出了开关装置的固定开关触点和可动开关触点以及通向开关装置的设备连接端的导体的排列的替换实施方式。
41.图8示出了开关触点的极为简化的示意图。
具体实施方式
42.图1显示了以直流电为动力的轨道车辆，以及电压限制设备。轨道车辆1具有在轨道2上运行的车轮1a。轨道系统的轨道2与大地3隔离。轨道2的电阻导致轨道车辆1或轨道2与大地3之间出现电位差。电压限制设备4在轨道正常运行期间或发生错误(短路)的情况下，防止出现不允许的接触电压。电压限制设备4安装在轨道2和接地系统之间并且可以在轨道2和大地3之间建立电气连接(接地短路器)。
43.图2以极为简化的示意图示出了对本发明而言重要的电压限制设备4的部件。电压限制设备4具有根据本发明的开关装置5，以便在一根或多根缆线6与一根或多根缆线7之间建立电气连接，缆线6通往轨道供电系统的未显示的部件或组件(例如，铁轨)，缆线7可连接到未显示的接地系统或另一铁轨。在本实施例中，开关装置是直流开关装置。
44.根据本发明的开关装置5具有第一设备连接端8和第二设备连接端9。第一设备连接端8通过第一电导体10与第一缆线连接端11电连接，第二设备连接端9通过第二电导体12与第二缆线连接端13电连接。一条或多条例如通往铁轨的缆线6可以连接到第一缆线连接端11，而一条或多条例如连接到接地系统的缆线7可以连接到第二缆线连接端13。
45.开关装置5可以被构造成常规的接触器，它适合于开关高的直流电流。然而，根据本发明的开关装置由于开关触点的特别排列和设计而与传统的接触器不同。开关装置5具有两个固定开关触点14、15和一个可动开关触点16，其特别排列将在下文中详细描述。
46.开关装置5具有电磁致动单元17，它可以包括线圈和磁衔铁，以便致动轴17a，可动开关触点16利用所述轴断开或闭合。该开关装置也可以具有其他部件，例如所谓的火花烟囱(funkenkamin)，这属于现有技术。
47.此外，电压限制设备4具有操作和控制单元18。该电压限制设备的组件位于控制柜中。
48.图3示出了控制柜19的简化的立体图。在图3所示位置处，控制柜19具有四个垂直的型材柱20，其上连接了前部21、后部22、左侧部23、右侧部24、顶部25和底部26。前部21是可枢转的门，它被固定在控制柜19右侧的侧面铰链27上。
49.操作和控制单元18位于控制柜19的门的上半部分，因此操作元件18a可以从外面触及。开关装置5位于控制柜19的内部。在图3中，开关装置5仅示意性地示出。第一和第二缆线连接端11和13位于控制柜19的下半部分。通往开关装置5的导体10、12仅示意性地示出。
50.下面将参照图4至图8描述开关装置的开关触点和通向装置连接端的导体的具体布置和设计。
51.图4和图5详细示出了对本发明而言重要的开关装置的部件，其中图5是沿a-a线截取的剖视图。图6和图7是简化的示意图并且图8是原理图。在图4至图8中，相互对应的部分设置有与图2中相同的附图标记。
52.在本实施例中，开关装置5有两个固定开关触点14、15和一个可动开关触点16。在本实施例中，开关触头14至16具有基本矩形的横截面。固定开关触点14、15是由导电材料(例如铜)制成的平导轨，它们彼此之间有一定的距离。位于固定开关触点宽边上的接触面14a、15a指向一个方向。可动开关触点16也是由导电材料(例如铜)制成的平导轨，它的横截面基本上是矩形的。可动开关触点16的接触面16a位于其宽侧。可动开关触点16相对于第一和第二固定开关触点14、15布置，其接触面16a面对第一和第二固定开关触点14、15的接触面14a、15a。可动开关触点16的长度与固定开关触点14、15的长度和在固定开关触点之间的距离之和相同。固定开关触点14、15的纵轴线14b、15b和可动开关触点16的纵轴线16b是平行的。开关触点14至16在同一平面或同一高度。
53.在本实施例中，开关装置5被布置在控制柜19中，使得相对于控制柜位于一个基本水平的平面28中，即开关触点14至16在控制柜中基本处于同一高度，其中，固定开关触点14、15面向控制柜的后部22并且可动开关触点16面向控制柜的前部21(图3)。开关触点也可
以布置在垂直平面上。
54.图4和图5示出了彼此并排布置的的固定开关触点14、15以及在本视图中布置在固定开关触点前方的可动开关触点16的细节。可动开关触点16可围绕水平轴线29枢转，因此可动开关触点可以在闭合位置(第一和第二固定开关触点14、15彼此电连接)和断开位置(第一和第二固定开关触点彼此断开)之间移动。
55.可动开关触点16由致动单元17致动，所述致动单元17被布置在开关触点14至16的旁边，例如左侧。机构30位于开关触点的另一侧，以便将可动开关触点16弹性地预紧在固定开关触点14、15上。为了清楚起见，未示出与设备连接端8、9的电气连接和机械装置的部分。在开关触点14至16上，也可以提供用于紧固触点的部件，这些部件可以是触点的一个组成部分。可移动的开关触点16通过螺钉31等方式与未详细示出的紧固元件拧在一起，而这些紧固元件又与致动单元17的轴17a相连。
56.第一固定开关触点14与第一导体10连接，第二固定开关触点15与第二导体12连接(图2和6)。在本实施方案中，第一和第二导体10、12是由导电材料(如铜)制成的平导轨。导体10、12与连接端面8、9相连，所述连接端面可以设置在固定开关触点14、15的与接触面14a、15a相对的一侧。这个区域代表开关装置5的设备连接端8、9。
57.下面假设在开关装置5的运行过程中，电流从第一缆线连接端11流向第二缆线连接端13。固定开关触点14、15的纵轴线14b、15b和可动开关触点16的纵轴线16b是平行的。由于用箭头表示的电流的流动，电动力作用于开关触点14至16。由于电流以相同的方向流经固定开关触点14、15和可动开关触点16，所以力f1作用在开关触点上，所述力被取向为使得开关触点相互吸引。力f1在图6中用箭头表示。由于电流的流动，更大的力f1作用在开关触点上，所述力导致接触力变大或闭合开关所需的力变小。这就减轻了导电部件的负荷。因此，该开关装置可以在与传统开关装置相同的尺寸下切换和传导更高的电流。
58.图8以俯视图示出了的开关触点14、15、16的极为简化的示意图。在本图中，第一和第二固定开关触点14、15被布置在可动开关触点16上方。电流从第一固定开关触点14经可动开关触点16流向第二固定开关触点15。电流流动的方向用a表示。开关触点14、15、16的纵轴线用b表示。相关固定开关触点14、15的接触面14a或15b与可动开关触点16的接触面16a接触的区域，即有效接触区域，用斜线标记。可以看出，接触面或有效接触区域沿电流流动方向a延伸，即具有大于宽度b的长度l。接触面比宽度长，优选地长得多。
59.通过导体10(图6)或12(图7)的特别排列和设计，实现了对开关触点的较高接触压力的支持效果。图6示出了一个实施例，其中，第一导体10的导体部分10b以与可动开关触点16平行的取向布置在可动开关触点16前方的区域中，从而在从断开位置进入图6所示的闭合位置时，可动开关触点远离第一导体10的平行引导的导体部分10b。
60.在本实施例中，第一导体10的平行引导的导体部分10b与开关装置的开关触点14至16布置在同一水平面28。优选地具有矩形截面的平行引导的导体部分10b可以是由导电材料(例如铜)制成的扁平导轨。导体部分10b和可动开关触点16以宽侧彼此相对。宽边(表面)的精确平行取向是有利的，不是必须的。扁平的导体也可以稍微向对方倾斜。导体部分10b的长度应至少与可动开关触点16的长度一样长。导体部分10b通过绝缘子32与支撑物33牢固连接，所述支撑物33可以紧固在柱子20或控制柜19的其他部分上。未示出第一导体10的其余导体部分的紧固部和第二导体12的紧固部。
61.第一导体10具有导体部分10a，其将第一缆线连接端11与第一导体的平行引导的导体部分10b的、位于第二固定开关触点15的侧的端部部分电连接，并且第一导体10具有如下导体部分，其将第一导体10的平行引导的导体部分10b的、位于第一固定开关触点14的侧的端部部分与第一设备连接端或第一开关触点14电连接。第二导体12将第二开关触点15连接到第二缆线连接端13。因此，第一导体10的平行导体部分10b中的电流和可动开关触点16中的电流以相反方向流动。当有电流流动时，平行引导的固定导体部分10b和可动开关触点16因此而相互排斥。因此，在可动开关触点16上施加了一个压迫力，从而增加了接触力，并且在开关过程中尽量减少了触点脱离。
62.图7示出了一个替代性实施方案，其与图6的实施方案的不同之处仅在于第一和第二导体10、12与缆线连接端11、13的连接。相对应的部件由相同的附图标记标识。在替代实施例中，不是第一导体10，而是第二导体12具有与可动开关触点16平行引导的导体部分12b。第二导体12具有导体部分12a，其将第二缆线连接端13与第二导体12的平行引导的导体部分12b的、位于第一固定开关触点14的侧的端部部分电连接，并且第二导体12具有导体部分12c，其将平行引导的、位于第二固定开关触点15的侧的导体部分12b的端部部分与第二设备连接端9或第二开关触点15电连接。在这种排列的情况下，平行导体部分12b和可动开关触点16中的电流也以相反的方向流动。因此，平行导体部分12b和可动开关触点16相互排斥，从而对可动开关触点16施加了额外的压迫力。
63.除了上面的实施例，其他实施方式也是可能的，其中第一和第二导体10、12连接为，使得电流流动方向反转，即，电流从第二固定开关触点15经过可动开关触点16向第一固定开关触点14流动。
64.第一导体可以具有如下导体部分，所述导体部分将第一缆线连接端与第一导体的平行引导的导体部分的端部部分电连接，该端部部分位于第一固定开关触点的侧，并且第一导体可以具有如下导体部分，所述导体部分将第一导体的平行引导的导体部分的端部部分电连接到第二设备连接端或第二开关触点，该端部部分位于第二固定开关触点的侧。第二导体可以将第一固定开关触点连接到第二缆线连接端。因此，第一导体的平行导体部分中的电流和可动开关触点中的电流以相反的方向流动。因此，当电流流动时，平行引导的导体部分和可动开关触点相互排斥。
65.第一导体也可以将第一缆线连接端与第二固定开关触点相连，其中第二导体具有如下导体部分，该导体部分将第二缆线连接端与第二导体的平行引导的导体部分的、位于第二固定开关触点的侧的端部部分电连接，并且第二导体可以具有如下导体部分，该导体部分将第二导体的平行引导的导体部分的、位于第一固定开关触点的侧的端部部分与第一固定开关触点电连接。