CN101226832A - 用于电气开关装置的电接触系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于电气开关装置的电接触系统(1)，其包括两个接触单元(10，20)，其中当产生电接触时，在接触单元(10)和接触单元(20)之间作用有接触力，其中设置有用于施加接触力的机构(13，14，15，18)，并且其中第一接触单元(10)和第二接触单元(20)是可分离的。机构(14，15，18)的特征在于，其具有热膨胀效应，随着机构(14，15，18)温度的升高，会导致接触力的增加。

Description

用于电气开关装置的电接触系统

技术领域

本发明涉及开关装置的技术领域，尤其是涉及用于在电气开关装置中产生电接触的电接触系统，以及如独立权利要求所述的电气开关装置。

背景技术

一般使用带有电接触系统的电气开关以在供电系统中断和再生能量流。这种开关能够在任何电压电平情况下应用于供电系统。在正常工作期间，开关的电阻必须尽可能的低，以保持相应的低功率损耗。正常工作时，在切换情况下，开关必须能够切换较大电流，并且在短路情况下，甚至需要切换更大的电流。现有技术中已知的是这样的一种开关，其触头镀有薄银层，并且开关的触头和匹配触头以弹性方式相互按压在一起，以达到使接触区域的导电性提高的目的。欧洲专利说明书EP0844631公开了一种用于接地开关的可切换电接触系统，其具有触针和瓣形匹配触头。为了产生电气连接，需要把带有弹性接触片(Kontaktfinger)的匹配触头推入到触针上，其中单个的接触片以弹性方式被按压到触针上。

在此类和其它电接触系统中，触头和匹配触头之间的电接触的改善是很有价值的。例如，触头的污染和氧化会使触头电阻提高，因此会损害其导电性，由此会导致触头的磨损现象和所不期望的发热。在开关工作期间，触头也常常在表面发生磨损，比如，表面镀层的触头或在SF₆气体环境中工作的触头，这样会导致导电性的降低，并且同样会在接触区域中产生所不期望的发热。结果是造成开关装置使用寿命的减小和维护成本的增加。

发明内容

本发明目的在于避免至少部分上面提到的问题。该目的将通过带有独立权利要求中的特征的电接触系统和电气开关装置来解决。

根据本发明的一个方面，提出了用于电气开关的电接触系统，其具有第一接触单元和第二接触单元，其中在电接触时，第一接触单元和第二接触单元之间作用有接触力。另外设置有施加接触力的机构，就是说，在电气连接情况下，该机构能够通过使第一接触单元位于第二接触单元上，或使第二接触单元位于第一接触单元上，或者使两接触单元相互贴靠而施加力。通过使两接触单元之间的距离变大，第一接触单元与第二接触单元可以分开。在这种情况下，接触的分离不是通过用于施加接触力的机构而实现。在分离状态，第一接触单元和第二接触单元之间不存在电接触。根据本发明的电接触系统的特征在于，用于施加接触力的机构具有热膨胀效应，其会随着机构温度的升高而增大接触力，这就是说，在变热时，在机构中会发生热膨胀，这可以通过机构的膨胀系数和机构中温度的变化来描述。因此，采用何种方式进行供热是完全不重要的。接触区域中的电气和机械接触性能的改善能够在不同条件(在较大接触力或较小接触力)下实现。在开关工作时，随着温度的升高而自动增大的接触力具有能够使接触电阻变小的优点，从而可能提高接触区域中的导电性。另外，在连接过程中，通过接触力的减小还具有避免使开关接触单元的接触区域磨损的优点，由此能够大大提高开关接触单元的使用寿命。

根据本发明的另一方面，提供了一种电气开关装置，尤其是一种断路开关。该电气开关装置包括电接触系统，并具有前文中所提到的权利要求1中描述的特征。

本发明其它的优点、特征、方面和细节将在从属权利要、说明书和附图中描述。

附图说明

以下将会根据附图中的优选实施例对本发明主题做进一步的描述。其中：

图1是不同温度时根据本发明的接触单元的两视图；虚线表示的是较高温度时的接触单元；

图2a和图2b各显示了不同温度下带双金属弹簧的接触单元的视图；

图3是接触片为双金属触头时的接触单元的视图；

图4是带有根据本发明的呈环状设置的接触片和圆柱状匹配触头的接触系统的视图；

图5是带双金属接触弹簧和双金属匹配接触弹簧的接触单元的视图；

图6是接触系统的视图，其中环状设置的触头由双金属弹簧固定；

图7是计算出的由不同双金属材料制成的两个接触片的接触温度-力曲线图。

标号列表

1           接触系统

10          接触单元

12，21      接触片、接触元件

13，22      弹簧、片簧、弹簧元件

14          双金属弹簧

15          膨胀体

16，23，27  接触面

18          双金属接触片

19          螺旋接头

20          接触单元、匹配接触单元

25    凹部

26    开口

A     轴线

在附图中使用的标号及其意义在标号列表中做了概述。原则上，在图中相同或等效的部分使用相同或相似的标号表示。为了更好地理解本发明，部分非重要的部分没有显示出来。所描述的实施例也只是作为发明主题的示例性表示，而非起限制作用。

具体实施方式

图1在示意性视图中显示了接触片12、片簧13和接触单元10，20的膨胀体15，其为未示出的电接触系统的一部分。片簧13大致沿着接触片12的纵向延伸，其一端固定地与接触片12的一端连接。膨胀体15位于片簧弹簧13和接触片12之间。比如，其能够夹钳在片簧13和接触片12之间。如果对接触单元10，20供热(比如由电流或由围绕接触单元的介质引起)，那么就会导致膨胀体体积的特殊程度的膨胀，膨胀体(比如)由铝-铜合金组成，并且相比于接触片12和片簧13的材料(比如钢合金)，具有相对较大的膨胀系数。因此，热供给及膨胀体温度相应的提高会导致接触片12和片簧13的扩展(点划线表示)。借助于由于热供给而引起的扩展，由接触片12施加在另一匹配触头(未示出)上的接触力就会增大。

图2a和2b各显示了接触系统(未示出)的接触单元10，20的视图，其由双金属弹簧14和接触片12构成。双金属弹簧14在其一端弯曲成半圆形，并且在该端按压接触片12。例如，接触片12由金属层压叠片(Metalllamellenstapeln)制成，因而是可弹性变形的。但是，接触片12也可以是整体形成的，并且具有弹性。图2b显示的是供热后的接触单元10，20。由于双金属弹簧14两种金属膨胀系数的不同，在弹簧14中就会产生形状的变化。弹簧14弯曲的区域就会宽，由此会增大弹力，借助于此，弹簧14就能够按压接触片12，并使接触片12贴靠未示出的匹配触头。在接触单元10，20释放吸取的热量时，双金属弹簧14的弹簧力减小，接触片12和弹簧14返回到其原来状态(如图2a所示)。由此，图2a，2b中所示的接触单元10特征在于，双金属片机构14具有能够导致接触力增加的热膨胀效应。

图3显示了接触单元10，20的另一实施例，其中自弹性的接触片18由双金属组成。由此，两种功能，即电接触和接触力的增大能够在单一元件中通过双金属弹簧来实现，接触片18集成于该单一元件中。因此，双金属接触片18自身便是用以提高接触力的机构。如果将自弹性接触片18看作一端被夹持的片条，对于给定的几何形状，静止位置的接触片的作用力F以及其挠曲就可以用简单的方式计算出来。静止位置的接触片挠曲基于双金属不同的热膨胀而获得，具体如下：

L＝L₀(1+α·ΔT)＝L₀+s，

其中，α是诸如铜、铝-铜和锌的膨胀系数：

α_Cu＝16.510^-6 1/K

α_Al-Bronze＝24.010^-61/K

α_Zn＝30.210^-61/K

而L₀则是双金属片条的长度，以及ΔT是其温度差。在ΔT＝60K，L₀＝72mm时，可以得到长度变化L及双金属片条的挠曲s：

$L_{\mathrm{Cu}}=72\mathrm{mm}(1+16\frac{1}{K}\·{10}^{-6}\·60K)=72\mathrm{mm}+0.07\mathrm{mm}$

$L_{\mathrm{Al}-\mathrm{Bronze}}=72\mathrm{mm}(1+24\frac{1}{K}\·{10}^{-6}\·60K)=72\mathrm{mm}+0.10\mathrm{mm}$

$L_{\mathrm{Zn}}=72\mathrm{mm}(1+30.2\frac{1}{K}\·{10}^{-6}\·60K)=72\mathrm{mm}+0.13\mathrm{mm}$

如图3所示，作用在一端被夹持的双金属条上的力F由其弹性模量E乘以轴向惯性面积矩(Flaechentraegheitsmoment)J_a和挠曲s并除以长度L_o的三次方得出：

$F=\frac{8E{J}_a}{{L_0}^3}\·s$

接触片矩形几何形状的惯性面积矩J_a，可以通过如下方式获得：

$J_a=\frac{b{h}^3}{12}$ $J_a=\frac{2.5\mathrm{mm}\·{\left(10\mathrm{mm}\right)}^3}{12}=208m{m}^4$

对于弹性模量，假设下列值：

E_Cu＝11.2*10¹⁰Pa

E_Zn＝5*10¹⁰Pa

对于Cu-Zn双金属，在温度差为60K时，由以上产生的平均值Pa＝8×10⁴N/mm²导致以下的力：

$F=\frac{8\·8\·{10}^{4}N\·208m{m}^4}{{\left(72\mathrm{mm}\right)}^3{\mathrm{mm}}^2}\·0.06\mathrm{mm}=21.4N$

与此相比，对于一端被夹持的接触片而言，没有考虑双金属效应的纯弹簧力在相同参数下为34N。

对于由双金属构成的、并且具有上述参数的一端被夹持的接触片12，18而言，与没有双金属效应的接触片相比，在该接触片经历60K的温度差时，其压紧力能够增大或减小超过50％。

如图6所示，对于借助于在两端贴靠到其上的双金属弹簧14支撑的接触片12，作用于接触片中间的力可以通过如下方式计算：

$F=0.5\·\frac{77E{J}_a}{l^3}\·s$

因此，在考虑前面参数的情况下，作用于匹配触头上的力为：

$F=0.5\·\frac{77\·8\·{10}^{4}N\·208m{m}^4}{{\left(72\mathrm{mm}\right)}^{3}m{m}^2}\·0.06\mathrm{mm}=103N.$

因此，和带有弹簧效应但没有通过双金属施加额外力的接触片相比，由接触片12和双金属弹簧14引起的压紧力F可以提高超过300％。

图7显示的是力-温度曲线图，其中分别是一端被夹持的铜-青铜双金属接触片的力-接触温度曲线图，和一端被夹持的铜-锌双金属接触片的力-接触温度曲线图。

在另一没有示出的实施例中，用于增大接触力的机构(弹簧元件14和自弹式接触元件18)与将第一接触单元压紧到第二接触单元20上的机构是相同的机构。在这种情况下，不管是弹簧元件14还是接触元件18，都具有双金属效应。在另外的实施例中，为了增大接触力，弹簧元件14和自弹性接触元件18不是完全由双金属制成，而只是部分由双金属制成，这就是说，只有弹簧元件和/或接触元件的一部分是由双金属片制成的。

然而随着温度提高，接触力的增大也可以这样来达到，即，在弹性接触元件17和/或弹簧元件12上使用适当膨胀系数的材料，借此可以实现双金属效应。

在图4中所示的根据本发明的用于电气开关装置的接触系统是用于发电机开关(Generatorschalter)中相应开关极的接触系统1。该断路器接触系统1具有圆柱状接触单元10和形成为圆柱状匹配触头的接触单元20，其沿轴向地设置于纵轴线A上。到匹配接触单元20的电接触通过接触单元10的接触片12而产生，这些接触片12以环状设置于接触单元10的外表面，并通过螺旋触头19相连。为了改善导电性，匹配接触单元20的接触面23镀有银。在发电机开关工作时，接触系统1闭合，并且接触片12与接触单元20处于电接触状态，为此需要将接触片12推动到接触单元20的接触面23上。接触片12的双金属弹簧14由此通过压紧力，使接触片12按压到匹配接触单元20的接触面23上。在发电机开关工作时，可以这样来提高双金属弹簧14的接触力，即接触系统1通过接触单元10，20中的电流及基于接触单元10，20之间的接触电阻而加热。增大的压紧力又改善了电气导电性，也就是减小了两接触单元10，20之间的接触电阻，并由此导致接触系统1中温度的降低。这样，接触系统1能够呈现更稳定的工作状态，即其可以自动实现稳定的工作状态。

另外，接触面16，23呈现出自恢复过程。这种自恢复过程在于，由氧化或老化效应所引起的接触电阻的增大能够自动地被减小。接触面16，23上接触电阻的增大导致接触单元10，20中温度的升高，由此使得接触片12在接触单元20的压紧力增大。增大的压紧力继而又能够改善接触面16，23之间的电接触，并由此降低接触电阻。由此，用于自动改善接触面16，23上电气导电性的这种自恢复作用也能实现接触系统1的稳定工作状态。

在图5示出的实施例中，不仅对于接触单元10，而且对于匹配接触单元20也都使用了带有双金属弹簧14，22的接触片触头12，21，用以改善电接触性能。与图4中示出的实施例不同的是，此处由双金属片引起的压紧力的增加由两个双金属弹簧条14和22共同造成，因此弹簧14，22的弹簧力叠加起来。

图6显示了发电机开关的额定电流接触系统1，其带有圆柱状接触单元10、圆柱状匹配接触单元20以及多个接触片12，所述多个接触片12环状地围绕着接触单元20设置，并通过双金属弹簧14固定于环形凹部25中。各接触片12具有双金属弹簧14。双金属弹簧14的两端位于凹部25中，并形成如此形状，即弹簧14中间的突出部接合于接触片12的开口26中。弹簧14和接触片12之间的相互点接合(punktuelle Ineinandergreifen)允许接触片12围绕其固定位置作倾斜运动。在开关闭合状态，接触片12各有一端贴靠在接触单元10及匹配接触单元20上。在接触系统1变热并且由此而引起双金属片14变热时，弹簧14中的双金属效应将导致接触片12和接触单元10，20之间的接触力增大。

所示实施例可以在不背离权利要求保护范围的情况下作一定的改变。例如，图6中的接触片12和双金属弹簧14也可以整体形成并具有双金属弹簧的特性。另外，弹簧元件14或接触片12，18也不必一定由双金属构成的。不管是接触片12，18还是弹簧元件14都可以由非金属或其它具有双金属效应的复合材料构成。

Claims (12)

1.一种用于电气开关装置的电接触系统(1)，其具有第一接触单元(10)和第二接触单元(20)，在电接触时，所述第一接触单元(10)和所述第二接触单元(20)之间作用有接触力，其中设置有用于施加所述接触力的机构(13，14，15，18)，并且所述第一接触单元(10)与所述接触单元(20)是可分离的，其特征在于，所述机构(14，15，18)具有热膨胀效应，这种热膨胀效应能够随着所述机构(14，15，18)温度的升高而导致所述接触力的增加。

2.根据权利要求1所述的电接触系统(1)，其特征在于，所述热膨胀效应是双金属效应。

3.根据权利要求1或2所述的电接触系统(1)，其特征在于，具有所述双金属效应的所述机构(13，14；15，18)是双金属构成的。

4.根据权利要求2-3任一项所述的电接触系统(1)，其特征在于，用于增大接触力的所述机构(13，15；14，18)包括所述双金属弹簧元件(14)，其具有热膨胀效应，用于将所述第一接触单元(10)的第一接触元件(12)按压到所述第二接触单元(20)上。

5.根据前述权利要求中任一项所述的电接触系统(1)，其特征在于，用于增大接触力的所述机构(13，14；15，18)包括用于所述接触单元(10，20)的具有热膨胀效应的自弹性接触元件(18)，尤其是双金属接触元件(18)。

6.根据根据权利要求4或5所述的电接触系统(1)，其特征在于，用于增大接触力的所述机构(13，15；14，18)不仅包括根据权利要求4所述的所述弹簧元件(14)，还包括根据权利要求5所述的自弹性接触元件(18)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的电接触系统(1)，其特征在于，用于增大接触力的所述机构(13，14；15，18)设置于所述第一接触单元(10)和所述第二接触单元(20)上。

8.根据前述权利要求中任一项所述的电接触系统(1)，其特征在于，用于增大接触力的所述机构(13，15；14，18)设置于所述第一接触单元(10)和/或所述第二接触单元(20)的各接触元件(12)上。

9.根据前述权利要求中任一项所述的电接触系统(1)，其特征在于，所述接触单元(10，20)是额定电流接触单元和/或自耗的接触单元(Abbrandkontakteinheit)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的电接触系统(1)，其特征在于，所述接触单元(10，20)的自弹性接触元件(18)和/或弹簧元件(13)上装配有双金属。

11.根据权利要求4-6任一项所述的电接触系统(1)，其特征在于，所述接触单元(10，20)的自弹性双金属接触元件(18)或双金属弹簧元件(14；13，15)部分地或全部地由双金属构成。

12.一种电气开关装置，尤其是断路开关，其包括根据前述权利要求中任一项所述的电接触系统(1)。

Images