带有每相双极并配备补偿磁路 的三相高电流开关设备 本发明涉及一种三相高电流开关设备，该设备包括并联连接的电极仓，可带有或不带中性电极。
EP0320412描述了一种三相高电流开关设备，在这种情况下，一断路器包括每个电极的两个相邻的电极仓和中性电极用的两个相邻的电极仓。每个电极仓包括两个可分开的触点，每个触点连接到一接触片上。相同相的各电极仓借助于一连接片将各接触片两个两个地相连而配成对。因此每一对电极构成一个由两个连接片和两电极仓的导体形成的电流回路。
当该断路器闭合处于平衡的三相AC工作状态时，各相电流之间的相互电磁作用会在各汇流排中和该断路器的导电部件中形成不均匀的电流分布。由每个导体产生的电磁场对其他导体中的电流分布存在影响。总之可以看出某些导电部件的非均匀温度升高，这被称为近邻效应。考虑到由不同支路中的电流产生的感应电动势随该断路器的额定电流增加地事实，如果该断路器的额定电流越大，则这种不均匀性就越大。例如当额定相电流为6300A时，则在同一相的两电极仓之间可看出该电流的有效值的1/3，2/3的分布，所以在某些点的电流强度或温度会超过由该标准确定的极限值。
为了使对应于一低压电源断路器的相同相的两对电极的两支路之间的电流分布稳定，在FR2063078中已经建议使该两支路的导体交叉，将电流朝相反方向流的各导体的两部分叠加起来，并且将一磁路与该两部分叠加导体接合。从该文献给出的说明可知，很明显的是一个这样的设备可对同一相的两支路之间因电阻差，例如处于各支路触点的接触电阻处的电阻差产生的电流强度进行补偿。实际中公知的是：两电极接触电阻之间的差为大约5％，这个设备对相同相的两电极仓之间的小电流强度变化证明是有效的。然而，当各相之间的不平衡变大或开关设备的额定电流增加时，该设备很难起作用。特别是，尽管对大约为630A的中等电流强度不会产生任何问题，但在单个磁路中各导体的交叉因显而易见的原因不能再应用到高电流设备中，特别是超过4000A的电流设备中。但正是对这种非常高的电流设备，该开关设备内部的电路的各支路之间的相互感应的电动势的作用是关键的。因此该文献FR2063078给出的教导不能得出一个能解决上述各相之间因近邻效应产生的具体问题的措施。
用于使对应于一低压电源断路器的任一相的两对电极的两支路之间的电流分布稳定的另一种方法在于使每个相的两电极按不相关的方式布置，以致于每个相的两电极可由其他两相的一相的一个电极彼此分开。如果我们从该断路器的一侧朝另一侧将该六个电极仓用数字1-6表示，则电极1和4用于第一相，电极2和5用于第二相，电极3和6用于第三相。然而这样的布置会使不同相的总线处和相同相的各电极之间的连接桥的水平方向的尺寸增大。此外，它防止了该相同相的各电极仓之间存在任何作用装置：特别是不可能在相同相的两电极仓之间设置一连通孔，如FR2778788中所述的那样，小孔可使该开关设备因故障而开启时可保证具有足够的断路能量分布。
因此本发明的目的是为了改善或甚至是优化成对的电极之间的电流和温度分布，该成对的电极包括带有相关的成对电极的三相开关设备的各相，并限制因采用的布置和该开关设备的尺寸的增加而造成的附加成本的上升。
根据本发明，该目的利用一三相开关设备实现，该设备包括一个由绝缘材料制成的外壳，该外壳包括并排设置的至少六个电极仓，每一相包括：
两个相邻的电极，每个电极包括所述电极仓中的一个和一对由一第一和一第二接触装置构成的可分离接触装置；
一个将所述相的两相邻电极的第一接触装置电连接起来的第一连接桥；
一个将所述相的两相邻电极的第二接触装置电连接起来的第二连接桥；
三相的一相构成一中间相，其他每个都形成一侧相的两相处于该中间相的两侧，每一侧相的两电极的一个形成一个内电极，其电极仓与该中间相的各电极仓相邻；其中：
该两侧相的每个所述内电极仓包括一个设置在所述相的两连接桥之一和所述内电极仓的该对接触装置之间的补偿磁路，
该两侧相的其他两电极仓不设置补偿磁路。
实际上，在平衡的三相工作状态中，位于相同平面中各相之间的相互电磁作用具有增加该侧相的内电极中流动的电流强度的作用，但有害于在该相同相的外电极中流动的电流。因此也正是该侧相的内电极因焦耳(Joule)效应其温度增加受到最大的影响。根据本发明，借助于在该侧相的内支路中适当地设置磁路，将一阻抗引入该电路中，使电流按合适的方式在设置有磁路的电极仓中减小。因此利用最小的附加成本可获得理想的结果。
各连接桥形成该开关设备的一部分的事实使位于该设备外部的部分电路的影响，特别是供给总线的影响被消除。换句话说，由两电极仓的导体和电源侧连接桥及负载侧连接桥形成的每一相的电流回路是在该开关设备被设计时确定的，不依赖于现场装配。因此可对该磁路进行合适的校正，对给定的供给功率条件可获得所要求的补偿。获得的补偿与电源侧和负载侧的电路构成布置，特别是与总线的构成布置无关。
较好的是，对每个内电极仓来说，该补偿磁路构成一变流器的一部分，该变流器包括一另外的用于该开关设备的一供电电路的次级绕组。该开关设备通常配备有至少一个布置在每个电极电路中的磁供电电路。那么现存的磁供电电路之一用于补偿，但该相同相的相邻电极仓的磁供电电路不再配备。由于对于电极的单位成本来说成本降低了，所以，获得了期望的效果。
较好的是，对每个内电极来说，该磁路包括：
一个围绕各接触装置之一的一导体部分的主要部分，该主要部分的一部分构成了该次级绕组的一磁芯；及
一个分路连接在构成该次级绕组的磁芯的所述部分上的磁分路器，该磁分路器包括气隙的全部或部分。
当该气隙在该分路器的横截面积的一部分处不是0而在其余的横截面积处是0时，该气隙是部分的。这种电路例如在EP0704867中所述，通常可提供这样的优点，即当主电流超过一阈值时，使向次级电路供给电能的磁芯分路。此处的这种类型的磁路还可使电能供给和由磁路完成的补偿这两个功能分开。设计用来将电能供给该电路的磁芯和在该阈值之上完成补偿和削峰功能的分路器实际上其尺寸彼此间是相对独立的。
根据一个优化实施例，对每个内电极仓来说，该变流器位于所述电极仓内。然后利用通常留给该供电变流器的位置。
换句话说，对带有每相一个电极的一开关设备和每相带有两对电极的开关设备来说，这种布置可使之采用一共同结构。
根据另一个实施例，对每个内电极来说，该变流器位于所述电极仓内。这种布置供给更多的空间来装纳该磁路。此外，它可防止因铁损引起的磁路温度上升使相应的内电极仓的温度上升。
最好，该补偿磁路的尺寸按这样的方式确定，即，当该开关设备设置以额定电压在三相平衡状态下工作并且额定电流以额定频率流过它时，每个补偿磁路在该内电极仓中产生一阻抗，所以流过每一侧相的内电极的电流低于或等于流过该相其他电极中的电流。在一侧相的两支路中流动的两电流的有效值之间的严格相等可使任一相的两电极仓中消耗的能量之间达到平衡。但公知的是：许多结构中，对该侧相的各外电极来说，潜在的散热更大。在这种情况下，一种过度补偿使大部分电流转换到最容易冷却的电极仓中。
较好的是，各连接桥是固定连接到该外壳上的。然后，将该开关设备在其连接桥安装好后被输送到现场。各连接桥最好固定在各电极仓外。
根据一个具体实施例，该设备是一个插入单元，并包括：
一个支架，该外壳可在该支架中在一插入位置和一抽出位置之间滑动；
固定连接到该支架上的连接片，每个接触装置具有相应的一个连接片；
插入触爪，每个所述接触装置具有一个或多个相应的触爪，并在所述接触装置和相应的连接片之间设置一个可脱开的电连接；
所述连接桥按这样的方式布置的，即对每一相来说，该第一连接桥通过插入触爪或对应于连接好的所述第一接触装置的各触点与该第一接触装置连接；且对每一相来说，该第二连接桥通过该插入触爪或对应于连接好的所述第二接触装置的各触点与该第二接触装置连接。
这种布置使在各连接片和接触装置，包括插入触爪之间的连接电路中流动的各电流在补偿时得到考虑。
本发明的其他优点和特征将可从下面对本发明的不同非限制性实施例的说明中变得更清楚，这些实施例由各附图示出，其中：
图1表示本发明的第一实施例所述开关设备的分解图；
图2表示本发明第一实施例所述开关设备的透视图，特别示出了该设备的后部；
图3表示图1所述设备的一侧相的内电极仓的横剖视图；
图4表示图1所述设备的一侧相的外电极仓的横剖视图；
图5示意性地表示用在本发明第一实施例中的一磁路的细节的顶视图；
图6表示图1所述开关设备的三相电路的一线路图；
图7表示在图1所述设备的一侧相中流动的一电流；
图8表示本发明的第二实施例所述的一开关设备的三相电路的线路图。
参见图1-5，一个六极三相断路器10包括一个绝缘外壳11，该外壳借助于将一后部面板12、一个带有各开口端的中间组件14和一个前部面板16组装起来而构成。该壳体在中间组件14的前隔板18的两侧围成的一后仓和一前仓。该前仓装纳该断路器10的一控制机构20，该控制机构20作用在该断路器的所有各电极公用的一转换轴22上，并且配装在该中间组件14的前隔板18上。
如图2所示，该后仓本身由中间隔板25,27,29,31,33再细分为六个单独的电极仓24,26,28,30,32,34。各电极仓并排设置，因此形成三对相邻的仓，每一对与该断路器的一相对应。隔板25,29和33每个都用于将同一相的两电极仓隔开，它们设置有一个在法国专利FR2778788中详细说明了的连通孔36。设计这个孔36的目的是在各触点产生分离时用来改善断路能量分布。各隔板27和31其部分作用是为了实现密封。在下面，包括电极仓28和30的相将称之为中间相，处于该中间相两侧的其他两相称之为侧相。一个侧相包括称之为内仓并与该中间相的电极仓28相邻的电极仓26和称之为外仓的电极仓24，而另一个侧相包括称之为内仓并与该中间相的电极仓30相邻的电极仓32和称之为外仓的电极仓34。
每个电极包括一个动触点装置40、一个静触点装置42和一个配备有各分离器的灭弧室44及相应的电极仓，该电极仓用于至少部分地装纳这些元件。该静触点装置42包括一个由导电材料(在该实施例中由铜)制成并穿过外壳的后部面板12的接触片46和一个接触垫片48。该动触点装置40包括许多并排布置并可旋转地安装在一支承架54的一第一横向转轴52上的触爪50。每个触爪50的跟部借助于由导电材料制成的编织带58连接到穿过后部面板12的第二接触片56上。各接触片46和56设计用来例如通过总线将电源侧和负载侧电力系统连接起来。靠近该第二接触片56的该支承架54的端部配备有一转轴，该转轴装纳在一个固定到该绝缘外壳上的轴承中，允许该支承架54在该电极的一开启位置和一关闭位置之间绕图3所示的一几何轴线59旋转。一接触压力弹簧装置60设置在该支承架54的一槽中，并迫使该触爪50在接触垫片48的方向绕第一转轴52旋转。每个触爪50都包括一接触垫片62，该接触垫片在图3所示位置与设置在静触点装置42上的单个垫片48接触。该支承架54借助于一传递杆64按这样的方式连接到该转换轴22上，即该轴22的旋转可使该支承架54绕轴线59旋转。
在图2中示出了一个由导电材料制成的连接桥70，该连接桥将两相邻电极24，26的静触点装置42电连接起来形成一个侧相。类似地，一连接桥72将两相邻电极24,26的可动触点装置40电连接起来。其他两相也可设置与连接桥70,72完全相同的连接桥，但为了使该接触片46,56的后部可看见，这些连接桥没有在图2中示出。对每一相来说，连接桥70,72实现了对并联连接的相邻极进行配对，并用该成对的电极仓中的各导体形成一个电流回路。
如图3和5所示，各侧相的每个内电极26,32设置有一个变流器80，该变流器用于为该断路器电路供电。该供电变流器80(以其自身公知的方式)包括一个磁路82和一线圈84，该磁路由叠置的变流器板绕构成，形成绕着形成该可动触点装置40的接触片56的导体的磁路，该线圈84形成一个将电能供给该断路器的电路的次级绕组。补偿变流器80是那种带有一个具有部分或总的气隙的磁分路器的类型的，如EP0704867所述。该磁路包括一个包围由该接触片56形成的主导体的主磁路83。该主磁路83的一部分形成了该次级绕组84的磁芯85。磁路82还包括一个分路连接到该磁芯85上的磁分路器86。该磁分路器86包括一个位于该分路器86一端和该主磁路一部分之间的气隙87，它将靠近该主导体的区域和该次级绕组84的磁芯85连接起来。磁分路器86靠近气隙的部分的截面积大于该次级绕组84的磁芯85处该磁路的截面积。该主磁路83、磁芯85和磁分路器86构成了一单独部分，该部分由各叠置的板或其他磁性材料形成。
如图4所示，该侧相的两个外电极没有配备供电变流器。
中间相的两个电极28,30包括一个与变流器80完全相同并带有一磁路82a和一次级绕组84a的供电变流器80a。
在所有使用的结构中，特别是在只对三相电流的一相供电时，为了确保该断路器工作，每一相的电路中必须具有至少一个电路供电变流器80,80a。
此外，每个电极仓配备有一个绕该接触片布置并称之为萝果维斯克(Rogowsky)线圈的测量线圈88，用来传送与流过该接触片的电路成正比的低功率信号。
图6示意性地表示由连接到一电源侧总线90和一负载侧总线92上的断路器的三相形成的电路。对每一相来说，连接桥70和72连接于该相的电源侧总线和负载侧总线之间。
对应于一侧相的线路图以更简明的方式表示在图7中。当在图7所示的封闭回路中流动的电流被观测到时，则在该回路的每个支路中的电流强度i1和i2可表示为输入该回路的供给电流I的函数，即：
i1=I/2+ΔI
i2=I/2-ΔI
其中(i1+i2)=I，而ΔI=(i1+i2)*1/2
那么ΔI表示环路电流，当电流平衡时，其大小为0。
在中间相中，该电流回路的两支路因在每一支路中存在一变流器80a而完全相同，并且处于由该侧相产生的相对平衡的电磁作用下。因此该电流以相对平衡的方式在该中间相的两支路之间分流。
在每一个侧相中，在包括内电极仓(分别为26和32)的支路中配备有一个由该供电变流器80形成的磁路82，在包括外电极仓(分别为24和34)的支路中不存在一个这样的等效磁路。由于磁路82在内支路中产生的阻抗，因此会在该两个支路之间形成电流分配的不平衡。然而，真实的情况是：由于其他相在所讨论的该相的每个支路上产生的电动势的作用，变流器80的阻抗实际上只能对这种不平衡进行补偿。
这一点可利用本发明的断路器进行表1中表示的实验得到证实。一个每一相的有效电流值为6300A的三相电流流过该闭合的断路器，并且在工作8小时且处于稳定后，对流过每个电极的有效电流和该静止接触片的温度进行测量得出：
表1：本发明的断路器左侧相中间相右侧相外电极内电极左电极右电极内电极外电极t=79℃t=86℃t=90℃t=87℃t=83℃t=80℃i1=3600Ai2=3000Ai1=3200Ai2=3300Ai1=3100Ai2=3400A
为了比较，已经示意性表示出了利用侧相外电极仓配备有与内电极仓的变流器完全相同的供电变流器的断路器，在相同的条件下获得的结果。可以看出在各支路中存在极不平衡的电流分布。
表2：每一电极带有一变流器的断路器左侧相中间相右侧相外电极内电极左电极右电极内电极外电极t=76℃t=97℃t=100℃t=97℃t=110℃t=76℃i1=2500Ai2=4000Ai1=3750Ai2=3500Ai1=4050Ai2=2300A
这种不平衡是因为各相之间的相互作用形成的，其因不同值的电感产生，以每个支路电流的大小表示出来。流过内电极的电流总是大于流过相应的外电极的电流。
通过比较显示出：从该侧相的外支路去掉供电变流器可促使各支路的电流再次达到平衡。此外，在流过该侧相的外电极的电流大于流过该侧相的内电极的电流时，甚至会产生稍微的过补偿。这是一个优点，因为外电极能更好地将热量散发到环境中。
因此在实践中发生的是：供电变流器80a，例如常用的带有这种电极的变流器的阻抗基本上与必须插入以便使该电路再平衡的磁路82的阻抗一致。于是该侧相的供电变流器也具有用作对磁路进行补偿的功能。为了便于工业化应用，理想的是该变流器80与该中间相的变流器80a完全相同，它没有再平衡功能。但有可能根据其大小和组成不同设置与变流器80a不同的专门变流器80。
为了使各电极支路的电流之间实现再平衡从而使各电极仓中的导体的内部温度达到再平衡，重要的是：用作补偿作用的变流器80不能因为其存在而使相应的电极仓温度升高。这就是为什么最好使用带有叠置变流器板的磁路的原因，可使磁路中的涡流(Foucault)达到最小。
带有一个具有一气隙87的分路器的磁路82的结构具有使磁芯85和分路器86能够根据它们的功能单独进行尺寸设计的优点。实际上该分路器86的气隙87使该变流器产生了一非线性特性：在低的主电流时，只有极小部分的磁通量流过该分路器86并通过该气隙87-几乎所有的磁通量流过磁芯85。当主电流I增加时，流过分路器87的磁通量的比例增加，而流过磁芯85的磁通量的比例降低。当由流过该导体的主电流产生的磁感应超过一个由该气隙的大小和形状确定的阈值时，流过气隙的磁通量迅速增加。在根据该内电极中形成的补偿电感对该分路器86的磁体进行设计的同时，使该次电流的有效值和该次级电路中消耗的功率得到了限制。该分路器可设计为特定的尺寸，可根据该断路器的配备电流的要求确定该磁路是否饱和。该分路器的气隙可为总间隙或部分间隙。在部分间隙的情况下，可获得另一个参数来对该分路器的非线性特性进行优化，即该分路器的部分截面积没有气隙。
根据一个替换实施例，该补偿变流器80可位于该外壳的后部面板的后侧，该电极仓的外侧，但重要的是它处于由两个连接桥构成的电流回路内，位于该侧相的内支路上。这种布置可防止因存在变流器而使电极产生过热。于是，省去了限制该变流器本身过热的具体结构。
根据用于一固定断路器的另一个替换实施例，每个电极设置有一供电变流器。然而将一特定的电补偿磁路添加在各侧相的电流回路的内支路上。这时，考虑到尺寸的要求和热应力的需要，最好将两个磁路设置在该断路器外壳的后部面板的后部表面上。
图8表示本发明的一第二实施例所述的一开关设备的线路图。所用的与第一实施例中完全相同的参考标号表示相同的零部件。该开关设备包括一个支架，一断路器外壳可在该支架中在插入位置和抽出位置之间滑动。该断路器由类似于本发明第一实施例中所述的那些电极仓组成。每个电极的接触片46,56借助于插入触爪104连接到由一板102支承的连接片100上，该板102形成了该支架的基板。单个插入触爪已经由各接触片代表了，但如EP0926793中所述，每个接触片可设置许多插入触爪。图8所述的线路图的展开平面图要求构成该支架基板的板102应该出现两次，即位于电源侧和负载侧。但很清楚在实施中，实际布置是三维的，并且只有一块基板102。各连接片100由各连接桥106,108两个两个地连接在一起，其作用与第一实施例的连接桥70,72的完全相同。因此，形成了电流回路，对于每一相，该回路包括连接桥106,108、连接片100、插入触爪104和双电极接触装置。
不象本发明的第一实施例那样，该断路器的所有电极仓都配备有一供电变流器80a。一补偿磁路110另外设置在每一侧相的内支路中。该磁路110的电感可使因各相之间的相互作用形成的不平衡得到补偿。
这个替换实施例具有可给更大尺寸的回路，例如包括该插入触爪104和至少部分连接片100的回路带来平衡的好处。它也可使磁平衡回路110设置于该断路器10的外壳的外侧，处于只对各电极仓的内部温度存在轻微影响的位置。在另一方面，与第一实施例相比，它要求需要另一个磁路。此外，它无法在工厂中进行完整的制造。该补偿磁路可设置在该支架的外侧(如图7所示)，或者设置在内侧，处于该板102面对该断路器10的表面上，或者设置在各接触片和各插入触爪之间。
可以想象具有各种变型。特别是，由绝缘材料制成的外壳可制成为两部分，每个部分对应于每相一极的断路器的外壳，这两个部分如EP0320412中所述那样相互组装在一起。
本发明同样可很好地用到带有或不带有一中性极的三相开关设备中。该中性极包括紧邻该侧相之一设置的一个或两个电极仓。它对稳定工作状态的电流分布的影响较小，而且不需要任何特定的补偿。
该开关设备可以是一个断路器，一个带有或不带有分离功能的开关，和任何具有非常高的电流容量的开关设备。
该测量线圈和电磁供给和/或补偿电路两者可设置于相同侧作为可动接触装置或设置于相同侧作为静止接触装置。重要的是用作补偿的该磁路位于由各连接桥连接起来的电流回路内，处于该侧相的内支路上。同样地，该测量线圈和电磁供给和/或补偿电路也可随意地设置于电源侧或负载侧。
借助于本发明可对补偿磁路进行尺寸设计，从而可使对应于额定电流(根据IEC标准94702)即断路器容量的电流I的有效值的电流i1和i2形成平衡。特别是如果主要目的是各电极仓内的温度均匀，那么也可能提供部分补偿作用。实际上已经指出：磁路本身也是一个热源，如果该电路处于该仓内或围绕着各接触片，则因热传导和/或热辐射的作用，该热源会影响该电极仓内的温度。最后，如果该磁路几乎不散发热量，或它位于各电极仓外面，则通过对该磁路进行的尺寸设计，使内电极中的电流强度的有效值小于外电极中的电流强度的有效值，该磁路也可相反地提供过度补偿作用。实际上由于这些外电极仓的一个表面没有暴露给相邻的电极仓，因此该侧相的各外电极仓的冷却是很容易进行的。因此温度平衡优化可对应于该侧相的外电极仓中一更高的电流。
最后，该磁路没有必要一定是那种包括带有整个或部分气隙的磁分路器的类型。