CN105679597B - 带有固定断口具有短路电流开断能力的触头及真空灭弧室 - Google Patents
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Abstract
带有固定断口具有短路电流开断能力的触头及真空灭弧室，该触头包括一组固定断口触头和一组可动断口触头，可动断口触头在分闸状态处于固定断口触头内部；该真空灭弧室包括带有固定断口具有短路电流开断能力的触头、壳体和屏蔽罩；本发明解决了现有复合磁场触头结构和其他针对容性电流开断设计的真空灭弧室结构复杂，以及缺乏真空电弧的磁场控制等问题；本发明实现了固定断口触头对于可动断口触头的电场屏蔽和保护，避免了容性关合过程中可动断口触头表面形成的缺陷对于击穿的影响；本发明将开断功能和绝缘功能分开，以复合磁场触头实现开断功能，以固定触头实现绝缘功能，既可开断短路电流，又可用于投切容性电流，如电容器组投切等无功补偿领域。
Description
技术领域
本发明属于大电流真空断路器技术领域，具体涉及一种带有固定断口具有短路电流开断能力的触头及真空灭弧室，可用于电容器组投切并具有短路电流的开断能力。
背景技术
真空断路器在整个电力系统中的应用迅速发展，但是随着电力系统的发展，对于真空断路器的要求也是不断的提高，尤为突出的是电容器组的投切。在中压配电系统中，投切电容器组过程中会产生4250Hz、20kA的高频率涌流，其预击穿电弧会局部烧蚀触头表面并使触头发生熔焊。开断电容器组时，开断电流可达几百安培，此时熔焊区域被拉开，会在触头表面形成突起。开断电流过零后，真空灭弧室触头两端会承受直流恢复电压，开断单相电容器组或三相负载中性点接地电容器组的峰值会达到2倍系统电压Um,断三相负载中性点不接地电容器组的峰值会达到2.5倍系统电压Um。这使得真空断路器在开断容性电流后可能会发生重击穿现象，甚至于开断电流过零几秒后仍会发生延时重击穿现象。而重击穿产生的过电压会严重损坏开关本身以及其他电力系统设备，甚至造成人员伤亡。研究发现，产生重击穿的原因与投切过程中产生的高频涌流密切相关，其原因在于高频涌流会在合闸过程中，局部烧蚀触头表面，使触头发生熔焊，破环触头表面结构，增大了触头表面场致发射系数。在此种情况下，开发适用于电容器组投切的真空开断设备具有重要的实际意义和巨大的经济价值。
真空电弧的磁场控制技术主要包括了横向磁场控制技术和纵向磁场控制技术。其中，横向磁场技术是通过特定的触头结构，使得在燃弧过程中形成的电流通路在触头及其触头间隙区域形成与电弧电流流向垂直的横向磁场。横向磁场作用于真空电弧，驱动其在触头表面旋转运动，避免了电弧对于触头局部的过度烧蚀，提高了开关的开断能力。纵向磁场技术也是通过触头结构，形成与电弧电流流向平行的磁场。纵向磁场技术使得真空电弧更加均匀，减少了真空电弧的集聚，减轻电弧对于触头表面的烧蚀，提高了开关的开断能力。纵向磁场触头结构主要为杯状纵磁触头结构和线圈式纵磁触头结构。横向磁场触头结构主要为杯状横磁触头结构、万字形等开槽式横磁触头结构。现有的横向和纵向磁场结构触头在断路器中的应用中各有优劣，其结构也在不断的改进和完善。此外，一种新的设计思路是将横向磁场与纵向磁场相结合，将形成复合磁场，充分发挥横向磁场和纵向磁场各自的优势和特点。
目前，通用电气公司1975年发明的高电压真空开关如图1所示，通过设计真空灭弧室内部的一对可动触头在完全打开位置位于另一对屏蔽触头内部实现了真空灭弧室的高耐压特性(HIGH-VOLTAGE VACUUM SWITCH，Appl.No:499,740)。西安交通大学王建华、刘志远等提出了一种复合触头结构真空灭弧室(“一种新型复合触头真空灭弧室”，专利号：ZL201310534332.3)，以及提出了一种带有固定断口的真空灭弧室(“一种带有固定断口的真空灭弧室”，公示号：CN104145318A)，一种带有固定断口的真空灭弧室的结构如图2所示。
但是，在实际的应用中，西安交通大学王建华、刘志远等提出的复合磁场触头在触头部分的结构设计都是比较复杂的，不可避免的会增加触头部分的电阻以及触头的加工成本，此外，西安交通大学和通用公司的固定断口灭弧室结构设计只是实现了真空灭弧室的达到多种工位的目的，其固定断口也不具备电流的开断能力。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种带有固定断口具有短路电流开断能力的触头及真空灭弧室，解决了现有复合磁场触头结构和其他针对容性电流开断设计的真空灭弧室结构过于复杂，以及缺乏真空电弧的复合磁场控制等问题。本发明将开断功能和绝缘功能分开，以可动触头实现开断功能，以固定触头实现绝缘功能，可用于开断电容性负荷，如背靠背电容器组，单个电容器组等电力系统的无功补偿领域。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
带有固定断口具有短路电流开断能力的触头，包括静侧结构部分和动侧结构部分，所述静侧结构部分包括静侧导电杆101，焊接在静侧导电杆101下端的静侧大直径磁场触头104，焊接在静侧大直径磁场触头104下端的静侧大直径触头材料105，焊接在静侧大直径磁场触头104内部底面的静侧小直径磁场触头102，静侧小直径磁场触头102的下端焊接有静侧小直径触头材料103；所述静侧小直径磁场触头102以及焊接的静侧小直径触头材料103均置于静侧大直径磁场触头104内部，其静侧小直径触头材料103表面低于静侧大直径触头材料105表面2-7mm；所述静侧大直径触头材料105内直径处弯曲并向静侧大直径磁场触头104内部收缩；
所述动侧结构部分包括动端可动导电杆110，焊接在动端可动导电杆110上端的动端可动磁场触头108，焊接在动端可动磁场触头108上端的动端小直径触头材料106；动端可动导电杆110与灭弧室下侧盖板128之间通过波纹管126连接；所述波纹管126外设置有动端固定导电杆111，波纹管126和动端固定导电杆111底部均焊接在灭弧室下侧盖128之上；所述动端固定导电杆111上端焊接有动端固定大直径磁场触头109，所述动端固定大直径磁场触头109上端焊接有动端固定大直径触头材料107；
在燃弧过程中，所述动端可动磁场触头108随可动导电杆110下移，电弧在静侧小直径触头材料103与动端小直径触头材料106起弧燃烧，并且动端小直径触头材料106的运动停止位置置于动端固定大直径触头材料107内部，其动端小直径触头材料106表面低于动端固定大直径触头材料107表面2-7mm；
所述静侧小直径磁场触头102和焊接的静侧小直径触头材料103以及动端可动磁场触头108和焊接的动端小直径触头材料106形成的可动断口触头在分闸状态处于静侧大直径磁场触头104和焊接的静侧大直径触头材料105以及动端固定大直径磁场触头109和焊接的动端固定大直径触头材料107形成的固定断口触头内部，实现了固定断口触头对于可动断口触头的电场屏蔽和保护，避免了容性关合过程中可动断口触头表面形成的缺陷对于击穿的影响。
所述静侧大直径磁场触头104内部和焊接的静侧大直径触头材料105以及动端固定大直径磁场触头109和焊接的动端固定大直径触头材料107为动静侧匹配的“杯状”磁场触头结构或“线圈”磁场触头结构；
所述的静侧小直径磁场触头102和焊接的静侧小直径触头材料103以及动端可动磁场触头108和焊接的动端小直径触头材料106为动静侧匹配的“杯状”磁场触头结构、“线圈”磁场触头结构、“万字形”磁场触头结构或“螺旋槽”磁场触头结构。
所述“杯状”磁场触头结构为“杯状”横磁触头结构或“杯状”纵磁触头结构。所述“线圈”磁场触头结构为“线圈”横磁触头结构或“线圈”纵磁触头结构。
所述“万字形”磁场触头结构和“螺旋槽”磁场触头结构为横磁触头结构。
一种带有固定断口的真空灭弧室，包括上述所述的带有固定断口具有短路电流开断能力的触头、壳体和屏蔽罩。
本发明带有固定断口的真空灭弧室，灭弧室内配置有小直径触头组成的可动断口和大直径触头组成的固定断口。所述可动断口由一对小直径动静触头组成，用于承载额定电流，并用于切断容性负荷完成真空灭弧室的分断性能；所述固定断口由一对大直径触头组成，不仅具有电流开断能力，同时当组成可动断口的动静触头达到满开距位置时，便进入到组成固定断口的一对大直径触头内部，此时容性电流开断后的直流性质的恢复电压就由固定断口承担，从而实现真空灭弧室的绝缘性能。由此涌流破环的仅为完成电流开断功能的可动小直径动静触头的表面，而真空灭弧室的绝缘耐压能力是由固定的大直径触头断口决定的。此外，可动断口的小直径触头和固定断口的大直径触头均为磁场触头结构，并且在燃弧过程中，电弧可以由可动断口的小直径触头拉开引弧，然后燃烧到固定断口的大直径触头表面，由大直径触头和小直径触头组合而成的复合磁场实现对于短路开断电流的有效控制。这一设计，充分考虑了横向磁场以及纵向磁场对于电弧的控制特性的特点，也充分利用了固定断口和可动断口的组合设计在容性电流开断过程中的优异性能。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)针对容性负载的开断特性设计了动静触头的组合结构；提出了动静触头的组合结构，将开断功能和绝缘功能分开，实现了可动触头的开断功能，和固定触头的绝缘功能，可将其应用于开断电容性负荷。
2)利用不同直径触头组合结构形成了复合磁场；在动静触头结构的组合设计中加入了磁场结构的设计，一方面可以在燃弧过程中充分发挥磁场对于电弧的控制作用，另外一方面，复合磁场触头结构可以实现横向和纵向磁场的不同特性在复合触头结构中的作用，不仅有利于电弧的控制，而且有助于电弧在固定断口触头和可动触头之间的转移。
3)对于传统的带有固定断口灭弧室进行了改进和优化；传统的固定断口结构触头真空灭弧室的设计中，虽然也提出了动、静触头的组合结构以实现开断功能和绝缘功能分开的功能，但是由于触头结构简单缺乏对于电弧的控制，使得设计结构往往很难满足设计预期。因此，在此基础之上，提出了新型的触头设计结构。
附图说明
图1是现有的具有一对可动触头和一对屏蔽触头结构的高电压真空开关示意图。
图2是现有带有固定断口的真空灭弧室的结构示意图。
图3是本发明的带有杯状磁场结构可动触头的真空灭弧室在分闸状态的轴向剖分示意图。
图4是本发明的带有杯状磁场结构可动触头的真空灭弧室在合闸状态的轴向剖分示意图。
图5是本发明的带有“万字形”磁场结构可动触头的真空灭弧室在合闸状态的轴向剖分示意图。
图6是本发明的带有“万字形”磁场结构可动触头的真空灭弧室在合闸状态的轴向剖分示意图。
图7a是本发明的带有杯状磁场结构可动触头的复合触头结构示意图。
图7b是本发明的带有“万字形”磁场结构可动触头的复合触头结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
本发明带有固定断口具有短路电流开断能力的触头，包括静侧结构部分和动侧结构部分，所述静侧结构部分包括静侧导电杆101，焊接在静侧导电杆101下端的静侧大直径磁场触头104，焊接在静侧大直径磁场触头104下端的静侧大直径触头材料105，焊接在静侧大直径磁场触头104内部底面的静侧小直径磁场触头102，静侧小直径磁场触头102的下端焊接有静侧小直径触头材料103；所述静侧小直径磁场触头102以及焊接的静侧小直径触头材料103均置于静侧大直径磁场触头104内部，其静侧小直径触头材料103表面低于静侧大直径触头材料105表面2-7mm；所述静侧大直径触头材料105内直径处弯曲并向静侧大直径磁场触头104内部收缩；
所述动侧结构部分包括动端可动导电杆110，焊接在动端可动导电杆110上端的动端可动磁场触头108，焊接在动端可动磁场触头108上端的动端小直径触头材料106；动端可动导电杆110与灭弧室下侧盖板128之间通过波纹管126连接；所述波纹管126外设置有动端固定导电杆111，波纹管126和动端固定导电杆111底部均焊接在灭弧室下侧盖128之上；所述动端固定导电杆111上端焊接有动端固定大直径磁场触头109，所述动端固定大直径磁场触头109上端焊接有动端固定大直径触头材料107；
在燃弧过程中，所述动端可动磁场触头108随可动导电杆110下移，电弧在静侧小直径触头材料103与动端小直径触头材料106起弧燃烧，并且动端小直径触头材料106的运动停止位置置于动端固定大直径触头材料107内部，其动端小直径触头材料106表面低于动端固定大直径触头材料107表面2-7mm。
所述静侧小直径磁场触头(102)和焊接的静侧小直径触头材料(103)以及动端可动磁场触头(108)和焊接的动端小直径触头材料(106)形成的可动断口触头在分闸状态处于静侧大直径磁场触头(104)和焊接的静侧大直径触头材料(105)以及动端固定大直径磁场触头(109)和焊接的动端固定大直径触头材料(107)形成的固定断口触头内部，实现了固定断口触头对于可动断口触头的电场屏蔽和保护，避免了容性关合过程中可动断口触头表面形成的缺陷对于击穿的影响；
所述的静侧小直径磁场触头102和焊接的静侧小直径触头材料103以及动端可动磁场触头108和焊接的动端小直径触头材料106为动静侧匹配的“杯状”磁场触头结构、“线圈”磁场触头结构、“万字形”磁场触头结构或“螺旋槽”磁场触头结构。
所述静侧大直径磁场触头(104)内部和焊接的静侧大直径触头材料(105)以及动端固定大直径磁场触头(109)和焊接的动端固定大直径触头材料(107)为动静侧匹配的“杯状”磁场触头结构、“线圈”磁场触头结构。
如图3所示，是本发明的带有杯状磁场结构可动触头的的真空灭弧室在分闸状态的轴向剖分示意图。该真空灭弧室包括静侧结构部分、动侧结构部分和壳体结构。所述壳体结构包括灭弧室静侧外壳123和灭弧室动侧外壳124，分别设置在灭弧室静侧外壳123上端和灭弧室动侧外壳124下端的灭弧室上侧盖板121和灭弧室下侧盖板128；所述灭弧室上侧盖板121和灭弧室下侧盖板128灭弧室内侧分别连接有静端端部屏蔽罩122和动端端部屏蔽罩127。在灭弧室中央位置安装有灭弧室中央主屏蔽罩125。
静侧大直径磁场触头104与动端固定大直径磁场触头109组合，并且在燃弧过程中形成纵向磁场。静侧小直径磁场触头102与动端可动磁场触头108组合，在燃弧过程中形成横向磁场。如图3所示，本发明的真空灭弧室在分闸状态，静侧大直径磁场触头104焊接的静侧大直径触头材料105与动端固定大直径磁场触头109焊接的动端固定大直径触头材料107之间形成了固定断口；杯状的静侧小直径磁场触头102焊接的环状的静侧小直径触头材料103与杯状的动端可动磁场触头108焊接的环状的动端小直径触头材料106之间形成了可动断口。可动断口的距离大于固定断口的距离4-14mm，并且可动断口置于固定断口内部。动端和静端的小直径触头材料表面置于动端和静端固定大直径触头材料表面内侧2-7mm处。杯状的静侧小直径磁场触头102和焊接的环状的静侧小直径触头材料103以及杯状的动端可动磁场触头108和焊接的环状的动端小直径触头材料106组合形成了杯状横向磁场；根据设计的需要还可以替换为动静侧匹配的“螺旋槽”横向磁场触头结构。杯状的静侧小直径磁场触头102和杯状的动端可动磁场触头108可以是互相匹配的杯状纵磁触头结构，也可以是杯状横磁触头结构。静侧大直径磁场触头104和动端固定大直径磁场触头109可以是互相匹配的杯状纵磁触头结构，也可以是杯状横磁触头结构。
如图4所示，是本发明的带有杯状磁场结构可动触头的真空灭弧室在合闸状态的轴向剖分示意图，环状的静侧小直径触头材料103表面与杯状的动端可动磁场触头108上端焊的动端小直径触头材料106相接触。再通过杯状的动端可动磁场触头108底部焊接的动端可动导电杆110形成了灭弧室导通情况下的电流通路。真空灭弧室在闭合状态下，静端和动端的固定断口触头部分不参与电流的导通。
如图5所示，是本发明的带有“万字形”磁场结构可动触头的真空灭弧室在分闸状态的轴向剖分示意图，该真空灭弧室包括静侧结构部分、动侧结构部分和壳体结构。静侧结构部分包括静侧导电杆101，置于静侧导电杆101的下侧焊接有静侧大直径磁场触头104，静侧大直径磁场触头104的下端焊接有静侧大直径触头材料105。静侧大直径磁场触头104的内部的静侧导电杆101下端面焊接“万字形”的静侧小直径磁场触头102。所述“万字形”的静侧小直径磁场触头102表面低于静侧大直径触头材料105表面2-7mm。动侧结构部分包括动端可动导电杆110，焊接在动端可动导电杆110上端的“万字形”的动端可动磁场触头108。动端可动导电杆110与灭弧室下侧盖板128之间通过波纹管126连接。所述波纹管126和动端固定导电杆111底部均焊接在灭弧室下侧盖板128之上。所述动端固定导电杆111上端焊接有动端固定大直径磁场触头109，所述动端固定大直径磁场触头109上端焊接有动端固定大直径触头材料107。
如图6所示，是本发明的带有“万字形”磁场结构可动触头的真空灭弧室在合闸状态的轴向剖分示意图，“万字形”的静侧小直径磁场触头102与“万字形”的动端可动磁场触头108相接触。再通过动端可动导电杆110形成了灭弧室导通情况下的电流通路。真空灭弧室在闭合状态下，静端和动端的固定断口触头部分不参与电流的导通。
如图7a是本发明的带有杯状磁场结构可动触头的复合触头结构示意图；杯状的动端可动磁场触头108焊接的环状的动端小直径触头材料106置于动端固定大直径杯状磁场触头109和焊接的动端固定大直径环状触头材料107内部。图7b是本发明的带有“万字形”磁场结构可动触头的复合触头结构示意图。“万字形”的动端可动磁场触头108置于动端固定大直径杯状磁场触头109和焊接的动端固定大直径环状触头材料107内部。
本发明不局限于上述优选实施方式，本领域的技术人员可以根据本发明的教导对本发明的带有固定断口具有短路电流开断能力的真空灭弧室做出修改和变化。所有这些修改和变化均应落在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.带有固定断口具有短路电流开断能力的触头，包括静侧结构部分和动侧结构部分，其特征在于：
所述静侧结构部分包括静侧导电杆(101)，焊接在静侧导电杆(101)下端的静侧大直径磁场触头(104)，焊接在静侧大直径磁场触头(104)下端的静侧大直径触头材料(105)，焊接在静侧大直径磁场触头(104)内部底面的静侧小直径磁场触头(102)，静侧小直径磁场触头(102)的下端焊接有静侧小直径触头材料(103)；所述静侧小直径磁场触头(102)以及焊接的静侧小直径触头材料(103)均置于静侧大直径磁场触头(104)内部，其静侧小直径触头材料(103)表面低于静侧大直径触头材料(105)表面2-7mm；所述静侧大直径触头材料(105)内直径处弯曲并向静侧大直径磁场触头(104)内部收缩；
所述动侧结构部分包括动端可动导电杆(110)，焊接在动端可动导电杆(110)上端的动端可动磁场触头(108)，焊接在动端可动磁场触头(108)上端的动端小直径触头材料(106)；动端可动导电杆(110)与灭弧室下侧盖板(128)之间通过波纹管(126)连接；所述波纹管(126)外设置有动端固定导电杆(111)，波纹管(126)和动端固定导电杆(111)底部均焊接在灭弧室下侧盖板(128)之上；所述动端固定导电杆(111)上端焊接有动端固定大直径磁场触头(109)，所述动端固定大直径磁场触头(109)上端焊接有动端固定大直径触头材料(107)；
在燃弧过程中，所述动端可动磁场触头(108)随可动导电杆(110)下移，电弧在静侧小直径触头材料(103)与动端小直径触头材料(106)起弧燃烧，并且动端小直径触头材料(106)的运动停止位置置于动端固定大直径触头材料(107)内部，其动端小直径触头材料(106)表面低于动端固定大直径触头材料(107)表面2-7mm；
所述静侧小直径磁场触头(102)和焊接的静侧小直径触头材料(103)以及动端可动磁场触头(108)和焊接的动端小直径触头材料(106)形成的可动断口触头在分闸状态处于静侧大直径磁场触头(104)和焊接的静侧大直径触头材料(105)以及动端固定大直径磁场触头(109)和焊接的动端固定大直径触头材料(107)形成的固定断口触头内部，实现了固定断口触头对于可动断口触头的电场屏蔽和保护，避免了容性关合过程中可动断口触头表面形成的缺陷对于击穿的影响。
2.根据权利要求1所述的带有固定断口具有短路电流开断能力的触头，其特征在于：所述的静侧小直径磁场触头(102)和焊接的静侧小直径触头材料(103)以及动端可动磁场触头(108)和焊接的动端小直径触头材料(106)为动静侧匹配的“杯状”磁场触头结构、“线圈”磁场触头结构、“万字形”磁场触头结构或“螺旋槽”磁场触头结构；
所述静侧大直径磁场触头(104)内部和焊接的静侧大直径触头材料(105)以及动端固定大直径磁场触头(109)和焊接的动端固定大直径触头材料(107)为动静侧匹配的“杯状”磁场触头结构或“线圈”磁场触头结构。
3.根据权利要求2所述的带有固定断口具有短路电流开断能力的触头，其特征在于：所述“杯状”磁场触头结构为“杯状”横磁触头结构或“杯状”纵磁触头结构；所述“线圈”磁场触头结构为“线圈”横磁触头结构或“线圈”纵磁触头结构。
4.根据权利要求2所述的带有固定断口具有短路电流开断能力的触头，其特征在于：所述“万字形”磁场触头结构和“螺旋槽”磁场触头结构为横磁触头结构。
5.一种带有固定断口的真空灭弧室，其特征在于：包括权利要求1至4任一项所述的带有固定断口具有短路电流开断能力的触头、壳体和屏蔽罩。
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