专利名称：高、中电压断路器的驱动和控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于断开/闭合开关设备，特别是涉及用于高中电压传输和/或配电网络的断路器。现在参照一高压断路器来描述本发明的该装置，并不想对该装置的应用范围作任何方面的限制。
装有一已知类型的驱动装置的单极高压断路器的例子被表示在
图1中。一第一柱形支撑绝缘体2被安置在支撑架1上，而第二绝缘体3被安置在该第一绝缘体的上端；一间隔腔被设置在该第二绝缘体内，而且该腔中还具有一包括一些固定触点和活动触点的断路机构。断开/闭合是通过使固定触点与该活动触点的接触/脱开来实现的。将这些活动触点有效地与一驱动杆连接起来，该驱动杆在该支撑绝缘体2中从该活动触点运行到该柱底。该驱动杆由安置在该柱底的机壳4中的传动系统致动，并在操作上与驱动装置5相连。高压断路器的驱动装置当前都是机械的或液压式的。
该机械式的驱动装置一般都使用两个弹簧，即一闭合弹簧与一断开弹簧、一行程限制系统、一闭合弹簧的重新加载用的马达、以及一能将弹簧产生的运动转变成活动触点的平移以便重新加载该断开弹簧和使该断开运动与闭合运动无关的机构。
按照已知的实施例，该机械驱动是由图2所示装置提供的，在图中可识别出下列零件一断开弹簧10、由电磁铁驱动的断开装置11、带杠杆的偏心零件12、由电磁铁驱动的闭合装置13、主轴14、一与该轴14刚性连接的臂15、一闭合弹簧16、一阻尼单元17、一圆筒18、以及一齿轮电动机19。
在美国专利US patent 5,151,567中描述了已知机械驱动装置的另一例子，并由图3示意地表示.在这种情形下，在断路器断开期间(朝图3箭头28的方向)主轴20的运动是由弹簧21的作用产生的，这弹簧是被适当地安置，并通过转动曲柄22与该主轴相连。一释放机构23使该驱动杆的运动成为可能。在闭合期间(朝图3箭头27的方向)，该主轴20是借助直接与主轴20耦连的马达24来运动的，并被供电单元26供电的电子单元25所驱动。该马达的作用还能使该断开弹簧21重新加载。因此，该闭合弹簧被除去，而且仅仅在断开过程中才使用弹簧21。该断开速度可通过选择弹簧的尺寸来预设。
但是，在该断路器断开和闭合过程中，在上述方法中却没有驱动轴20的位置与运动的主动控制。
可提供很多其它的构形来作为图示方法的变通方案，但是该已知技术的机械驱动装置一般都有大量的零部件，这些都需要进行长时间和复杂的初始校正。尽管是完成这些装置的专项任务，但它们除了已提及的机械复杂性外，还有好几个缺点。事实上该活动触点的运动由断开和闭合弹簧的弹性特性唯一确定除了在设计时设定外，该活动触点的运动规律不能由用户改变。在液压型驱动装置中活动触点的运动是有合适的液压驱动器保证的，因而该液压型的驱动装置可部分地避免这些缺点，但它们却又具有与液体的存在有关的缺点，特别是由它们的温度敏感性所引起的那些缺点。
在使用弹簧而缺乏对驱动器运动规律的控制时，就还要求有阻尼元件或减震器的存在，以便在运动结束时消耗剩余动能和避免对于该单极的冲击。此外，活动触点的定位精度还受机械装置的限制，由于弹簧的存在这种机械装置本来就不精确。
而且必须供给的能量也比移动该活动触点所严格需要的能量多，因为它还需要移动该驱动装置的各种机械零件。
本发明的宗旨是提供一种能按照预定的运动规律移动其活动触点的高、中电压(例如，大于1000V的电压)断路器的驱动和控制装置。
在这宗旨的范围内，本发明的目的是提供一种减小了机械复杂性的高、中电压断路器的驱动和控制装置。
本发明的另一目的是提供一种能预先设定在断开和闭合期间该活动触点的位置精度的高、中电压断路器的驱动和控制装置。
本发明的另一目的是提供一种能随意补偿由老化和磨损引起的种种变化，从而确保移动可重复性的高、中电压断路器的驱动和控制装置。
本发明的另一目的是提供一种缩短了响应时间的高、中电压断路器部件的驱动和控制装置。
本发明的另一目的是提供一种高度可靠、较易制造而且成本具有竞争力的高、中电压断路器部件的驱动和控制装置。
这样，本发明涉及一用来断开和闭合至少具有一个固定触点和至少具有一个活动触点的高、中电压断路器的驱动和控制装置，该装置包括一与活动触点在操作上相连并提供进行断开和闭合运动能量的驱动机构。按照本发明的该装置的特征在于，所说的驱动机构包括一伺服马达、一驱动马达的电子控制和供电单元、以及一些用以传递该马达和活动触点之间的运动的元件，且所说的驱动件和/或固定触点与活动触点之间是这样连接的，使得在断开运动过程中活动触点与该固定触点分开那瞬间就达到所需要的速度。
按照本发明的该装置，除了确保在触点分离的那一瞬间活动触点的理想速度外，还要能对整个断开和闭合运动过程中的运动规律进行控制。
在活动触点与固定触点分离的瞬间控制活动触点的速度能使触点之间的电孤的灭孤时间最佳化。
对活动触点的运动规律进行控制能确保该运动的精度和可重复性。而且相对于已知类型的驱动系统来说，该驱动装置还是很简化的，因为它允许消除下列部件螺旋之类的弹簧、用来重新加载该闭合弹簧的马达、以及所有能使运动过程完成的机构；因此，也就减小了占据的空间。此外由于构造的简化，还减少了维修干预的需求。在马达和活动触点之间的传动元件和活动触点与固定触点之间的连接件进一步确保该活动触点以一理想速度运动，而勿需特大的伺服马达。术语伺服马达一般用来定义具有反馈控制系统的电动机。
从用来断开和/闭合高、中电压断路器的驱动和控制装置的某些优选的但不是唯一的实施例来看，本发明的另一些特征和优点就将是不言而喻的，这些实施例只通过非限制性的例子图示于下列附图中图1是装有一已知类型的驱动装置的断路器的电极的示意图；图2是一已知类型的机械式驱动装置例子的示意图；图3是已知类型的机械式驱动装置的另一例子的示意图；图4是按照本发明的驱动和控制装置的框图；图5是按照本发明在马达和活动触点之间的传动元件的第一实施例的视图；图6是按照本发明在马达和活动触点之间的传动元件的另一实施例的视图；图7是按照本发明在马达和活动触点之间的传动元件的另一实施例的视图；图8是按照本发明在马达和活动触点之间的传动元件的另一实施例的视图；图9是按照本发明在马达和活动触点之间的传动元件的另一实施例的视图；图10是图9所示的处于在另一运动位置的同一实施例的视图；图11是按照本发明在马达和活动触点之间的传动元件的另一实施例的视图；图12是在按照本发明的断路器的固定触点和活动触点之间的连接件的实施例的示意图。
参考图4，按照本发明的驱动和控制装置包括一控制和供电单元30，由于一干预命令35(例如，它来自操作人员或来自保护系统)，该单元就驱动一通过适当的传动元件32与该断路器的活动触点33在操作上相连的伺服电动机31。该活动触点33又通过一适当的耦合系统36与固定触点37耦连。该伺服马达31由该单元31驱动，因而该活动触点33就会遵从一预先设定的运动规律。此外，由于马达的作用及传动元件32和/或耦连系统36的结构，就有可能在断开运动过程中活动触点与固定触点37分离的那瞬间达到选择的该活动触点33的速度。
该控制与供电单元30一般可直接由网络34提供，但最好由一蓄能系统，例如一电容器组38供电并作用于伺服马达31上。
使用伺服马达使得在很短的传送时间就能提供相当的功率。而且还有可能，在功率水平相等时两个独立的控制参数(转矩和/或速度)都起作用，从而在设计时允许有较大的灵活性。
此外，使用具有适当结构的传动元件32和/或在活动触点33和固定触点37之间采用适当耦连件36就能使该伺服马达的尺寸调整最佳化，从而在断开运动中达到活动触点的选择速度而在伺服马达部分上并不由此需要过多的功率。这使得按照本发明的装置的维修费用能够进一步减少。
该伺服马达和该活动触点之间的传动元件的可能实施例的某些非限制性例子被示意地表示在图5-图9中。
在按照本发明的该装置的第一实施例中，该伺服马达和该活动触点之间的传动元件是这样提供的，使得对于在断开命令之后的初始时期，通过该伺服马达31所施加的运动并不传递给该活动触点33。
参考图5，该活动触点的导杆402至少部分是由一套筒400构成，驱动杆41可在这套筒中自由移动；所说的驱动杆是与主驱动轴相连的。当出现断开命令时，与该伺服马达31相连的该主驱动轴就使该驱动杆41按箭头44所示方向滑动。在行进图中所示距离45之后，该驱动杆41就通过其上所形成的凸出部分43在套筒400的边42处与导杆402接触。这样，该导杆402，因而该断路器的活动触点33就整体地朝箭头44所示方向移动。
在该断路器闭合过程中，与该伺服马达31相连的该主驱动轴就朝箭头46所示方向推动驱动杆41直到凸起部分43紧贴导杆402。
为了使驱动杆和导杆的接触更加平缓，可引入一合适的阻尼装置。为了简化起见，图5画出了所说阻尼装置的一个例子，它由安置在驱动杆41和导杆402之间的一缓冲垫401构成。还可提供另一些实施例，用来将所说的缓冲垫401安置在该驱动杆41的凸出部分44和套筒400的边缘42之间。
图5所示实施例的优点是，在该断路器断开的过程中，该活动触点就用一非零的初始速度开始与固定触点分离。如果活动触点和固定触点的几何形状为已知，则就有可能设定该间隙45的长度，使得该活动触点在它与固定触点分离的那瞬间就具有一预先设定的速度。
该伺服马达与该活动触点之间的利用与图5相同原理的传动元件的另一实施例由图6表出。在这种情形中，在活动触点的导杆40中做有一槽口47，而且一枢轴48可在其中滑动；所说的枢轴是通过支柱49与驱动杆50相连，而该驱动杆又与该主驱动轴相连，这主驱动轴又由该伺服马达致动。该槽口47可以是一通槽，如图6所示。作为一可供选择的方案，导秆40和枢轴48之间的连接可借助在导秆40外表面上形成的适当槽口来提供。
在断开运动中，该主驱动轴使该枢轴48在整个槽口的长度上朝箭头51所示方向滑动。在沿该槽口的行程末端，该枢轴48与该导杆40接触，从而使与该导秆40连接的该活动触点以一非零的初始速度移动。如在先前情形所描述的实施例中那样，如果该活动触点和该固定触点的几何形状为已知，则就有可能设定该槽口47的尺寸，使得在该活动触点与固定触点分离的那瞬间该活动触点就具有一预先设定的速度。
在闭合运动中，该驱动杆50就在箭头52所示方向上被该主轴所移动，从而使枢轴48移动到与该槽口47的另一端接触。这样，该导秆40就刚性地被驱动杆50移动直到该断路器完全闭合。
如图5所示情形那样，阻尼系统也可利用于这个实施例。
在本发明的该装置的另一实施例中，在伺服马达与活动触点之间提供有一些形成可变传动比的传动元件。
按照图7所示的实施例，一曲柄62被连接在由伺服马达60致动的主驱动轴61上；所说的曲柄又通过枢轴63与连杆64相连。该连杆64又通过一关节641与活动触点的导秆640相连。该曲柄62和连杆64能将主轴61的转动转变成活动触点的导秆640的平移运动。在断开运动中，该主轴朝箭头65所示方向转动，而该曲柄62则从待用位置66移动到下一位置67。正是由于该曲柄62的这一转动动力学特性，最初才会出现该活动触点的导秆640朝箭头69所示方向的低速移动。然后，该活动触点的导秆640的平移速度显著增大，这又是由于该曲柄62的转动动力学特性所引起的。因此，通过适当调整曲柄62和连杆64的尺寸，就有可能使得活动触点以所选择的速度离开固定触点。
在闭合运动中，该伺服马达60朝箭头68所示的方向转动该主驱动轴61，从而将该曲柄62从位置67转动到位置66，因而将活动触点的导秆640朝箭头70所示方向移动，该方向是与前述方向相反的。
按照图8所示的实施例，凸轮或偏心元件71是与该主驱动轴61相连的。该活动触点的导秆640通过一能在靠近该凸轮71边缘做成的槽口73中自由滑动的滚轮72与该凸轮71相连。在该断路器的断开运动中，该伺服马达60使主轴61朝箭头74所示方向转动。由于滚轮72和凸轮71的存在，该主轴61的转动就被转变成该导秆640朝箭头76所示方向的平移运动。这种运动正是由于该凸轮的几何形状，才会在初始时出现低速，然后再出现速度增大的情况。如图7所示的实施例那样，有可能调整凸轮71的尺寸，以便在该活动触点离开该固定触点的瞬间，该断路器的活动触点朝箭头76所示方向具有一预先设定的平移速度。在闭合运动中，该伺服马达60则朝箭头75所示方向转动该主轴61。该凸轮71的转动和随之发生的滚轮72沿槽口73的移动使导秆640朝箭头77所示的方向平移。
按照图9和图10所示的实施例，齿轮78被安装在副轴79上。该齿轮78通过枢轴80与连杆64相连。该连杆64又通过关节641与导秆640相连。该齿轮78还通过小齿轮81与由该伺服马达60致动的该主轴61相连。
在该断路器断开期间，该伺服马达60向图10中箭头82所示方向转动主轴61；由于小齿轮81的作用，该齿轮78就向箭头83所示方向转动；这个事实使活动触点的导秆640在箭头84所示方向上产生平移。因而该齿轮假定在图10中位置1000处。通过适当调整小齿轮81与齿轮78的尺寸并适当选择枢轴80在齿轮78上的位置，就可能在该活动触点离开固定触点的瞬间，使活动触点的导秆640在箭头84所示方向上以选择的速度产生平移。在闭合运动中，该伺服马达60在图9的箭头85的方向上使主轴61转动。这使齿轮78在箭头86的方向上产生转动，随之，该活动触点的导秆在箭头87的方向上产生平移。因而该齿轮认为是在图9的1001位置。
这个实施例似乎是特别有利，因为对于系统尺寸的总体调整它具有一另外的工作参数，这参数就是小齿轮和齿轮之间的传动比。
图11示意地图示出该伺服马达与该活动触点之间的传动元件的另一实施例。按照这个实施例该伺服马达60沿着与该断路器的活动触点相同的运动准线安置(例如垂直地)。
该伺服马达60与主驱动轴61相连，该主驱动轴沿着其长度的某部分具有一个或多个表面沟槽610，这些沟槽安置在沿主轴61的轴线方向的螺旋路径上，而且具有一变化的螺距。具体地说，该沟槽610的螺距沿箭头611所示方向增大。在每个沟槽内有一滚珠612，它通过一滑座613与活动触点的驱动杆614相连，该驱动杆被加工成具有一圆筒孔615，这适于在其长度的某部分上容纳该驱动杆61。
在该闭合运动中，该伺服马达60朝箭头616所示方向转动该驱动轴61。该滚珠612被强制沿沟槽610移动，而且由于滑座613的作用就会引发该驱动杆614朝箭头617所示方向发生平移。在断开的动作中，该伺服马达60使该主驱动轴向着箭头618所示方向转动，因而引发该驱动杆614朝箭头619所示方向平移。由于该沟槽610的螺距是可变的，因而这移动的速度就会发生变化。通过适当地调整该沟槽610、该驱动杆614、该主驱动轴61、以及该伺服马达60的尺寸大小，就可在该活动触点离开该固定触点的瞬间，使该活动触点具有一预先设定的速度。
此外，作为选择和优化该伺服马达和断路器活动触点之间传动元件的另一方案，该活动触点与固定触点的分离速度，可以通过适当选择固定触点和活动触点的耦连系统并适当调整该耦连系统的尺寸大小的方法预先设定。固定触点和活动触点的耦连件的可能方案的一非限制性示意例子被示于图12中。具体来说，它画出了一按照所谓郁金香结构的固定触点和活动触点的耦连件。
在闭合动作中，将该固定触点91插入一管状结构90中(这就是说，该活动触点朝箭头96所示方向移动)，该管状结构通过一法兰95与一导秆92相连。这两种结构之间的电接触是由于该固定触点91和该管状结构90的内表面之间的机械紧密接触而发生的，该管状结构在它的一端93被加工成一喇叭口的导向部分。在该断开动作中，该活动触点在该固定触点的表面上向箭头94所示方向滑动，从而在整个长度97上保可持连续的电接触。
按照该伺服马达所传送的功率和该伺服马达与断路器活动触点之间传动元件的类型，通过适当地调整所说的长度97就可使该活动触点90这样加速，以便使得在行程97的端部，也就是在该活动触点与该固定触点91分离的瞬间，该活动触点具有所希望的速度。
计算出在触点分离时的速度，以便使在它们分离后固定触点91与活动触点90之间形成的电弧的灭弧时间最佳化。
在实际中，已发现按照本发明的驱动和控制装置完全达到了预定宗旨，因为它能通过控制该活动触点的运动规律和保证该活动触点在它与固定触点分离的瞬间具有一预先设定的速度的方法，能使该电驱动元件的特性得到改善。
而且还观察到，如通过图5-11所描述的那些传动元件和通过图12的例子所描述的活动触点与固定触点之间的耦连件，就能在断开动作中使该活动触点与该固定触点的分离以选定的速度发生，而并不因此加大伺服马达的尺寸。除了上述列出的优点外，该驱动和控制装置还能通过减少零部件、通过减少校正操作、以及通过消除可导致冲击损伤的运动和应力等措施降低成本。维护的费用也因而降低。
这样构想的装置是容许进行很多在本发明构思范围内的改进和变化的；所有的部件还可用一些技术上的等同元件来代替。实际上，按照该技术的要求和状态，所用的材料，只要它们与指定的用途相容，以及尺寸，都可以是任意的。
权利要求
1．一种用来断开和/或闭合具有至少一个固定触点和至少一个活动触点的高、中电压断路器的驱动和控制装置，该装置包括与活动触点在按操作关系相连并提供进行断开/闭合运动能量的驱动机构，其特征在于，所说的驱动机构包括一伺服马达、一电子控制和供电单元、以及一些驱动马达的传动元件，而且，所说的驱动机构和/或在固定触点与活动触点之间都是这样连接的，使得在活动触点与该固定触点分开那瞬间，达到该活动触点所希望的速度。
2．按照权利要求1所述的驱动和控制装置，其特征在于该电子控制和供电单元是由储能系统供电的。
3．按照一个或多个前述权利要求所述的驱动和控制装置，其特征在于设置一些用以传递伺服马达和活动触点之间的运动的元件，因而在断开或闭合命令之后的初期，该伺服马达施加的运动并不会传递给该活动触点。
4．按照权利要求3所述的驱动和控制装置，其特征在于所述的传动元件包括一活动触点的导秆，它至少部分是由一套筒构成，在该套筒内由伺服马达致动的驱动杆能自由滑动。
5．按照权利要求4所述的驱动和控制装置，其特征在于它包括一阻尼机构。
6．按照权利要求4所述的驱动和控制装置，其特征在于该传动元件包括活动触点的一导秆，在其表面上有一沟槽，与由该伺服马达致动的驱动杆相连的一枢轴就在这沟槽中滑动。
7．按照权利要求1和2所述的驱动和控制装置，其特征在于设置一些用以传递伺服马达与活动触点之间的运动的元件，以产生一可变的传动比。
8．按照权利要求7所述的驱动和控制装置，其特征在于该传动元件是由一与该伺服马达相连的主驱动轴、一与其刚性连接的曲柄、以及一通过连杆与该曲柄相连的活动触点的导秆等构成。
9．按照权利要求7所述的驱动和控制装置，其特征在于该传动元件是由一与该伺服马达相连的主驱动轴、一与该轴刚性连接的凸轮、以及与该凸轮相连的活动触点的导秆构成。
10．按照权利要求7所述的驱动和控制装置，其特征在于该传动元件是由一与该伺服马达相连的主驱动轴、分别与该主驱动轴和一副轴相连的小齿轮和齿轮、以及一通过连杆与该齿轮相连的活动触点的导秆构成。
11．按照权利要求7所述的驱动和控制装置，其特征在于该传动元件是由一与该伺服马达相连而且在其上设有具有变化螺距的螺旋形表面沟槽的主驱动轴、一活动触点的导秆、以及一将该驱动轴与该活动触点的导秆相互耦连起来的滚珠型系统构成。
12．按照一个或多个前述权利要求所述的驱动和控制装置，其特征在于将该固定触点与该活动触点相互耦连起来的系统具有郁金香式的结构。
13．一种高、中电压断路器，其特征在于它包括一按照权利要求1所述的驱动和控制装置。
全文摘要
一种用来断开和/或闭合具有至少一个固定触点和至少一个活动触点的高、中电压断路器的驱动和控制装置,该装置包括一与活动触点按操作关系相连并提供进行断开/闭合运动能量的驱动机构,其特征在于,所说的驱动机构包括一伺服马达、一电子控制与供电单元、以及一些传动元件,且所说的驱动机构和/或固定触点与活动触点之间是这样连接件的,使得在该活动触点与该固定触点分开那瞬间,该活动触点达到所希望的速度。
文档编号H01H3/30GK1315048SQ99809066
公开日2001年9月26日 申请日期1999年7月23日 优先权日1998年7月24日
发明者L·斯丰德里尼, E·埃利, C·皮尔扎, F·蒙特拉希 申请人:Abb传送及分配有限公司