CN111630622B - 气体绝缘高压或中压断路器 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种气体绝缘的高压或中压断路器，包括：第一电弧触头和第二电弧触头，两个电弧触头中的至少一个能够沿开关轴线轴向地移动；包括通向电弧区域的通道的喷嘴；邻近喷嘴的扩散器；直接在扩散器下游的缓冲容积；以及周向地围绕缓冲容积的外壳。该外壳包括：内部外壳部分和同轴布置的外部外壳部分；以及在内部外壳部分的表面提供的第一孔以及在外部外壳部分的表面提供的第二孔，使得可以提供通孔穿过外壳，其中在断路操作期间的第一运动状态中，通孔被阻塞，以防止气体从缓冲容积释放到外壳的外部的容积；在第二运动状态中，第一孔和第二孔重叠，使得第一孔和第二孔的重叠提供通孔，以使气体从缓冲容积部分地释放到外壳的外部的容积。

Description

气体绝缘高压或中压断路器

技术领域

本公开的实施例通常涉及用于分断高压或中压的气体绝缘断路器，并且具体涉及具有增强的抗电弧重燃能力的断路器。

背景技术

断路器在中高压断路应用领域应用广泛。它们主要用于在发生电气故障时中断电流。例如，断路器的任务是在即使是由电气故障本身引起的高电位的情况下断开触头并保持它们彼此分离，以避免电流流动。断路器可以在12kV至72kV以及高达1200kV的中压到高压的情况下中断1kA至80kA的中到高短路电流。断路器的工作原理是已知的。

这种断路器布置在相应的电路中，这些电路将基于电路中发生的某些预定义的事件而中断。通常，这种断路器的操作对故障条件或故障电流的检测做出响应。在检测到这种故障条件或故障电流时，机械装置可以操作断路器，以便中断流过其中的电流，从而中断电路中流过的电流。一旦检测到故障，断路器内的触头就会分离以中断电路。通常使用弹簧装置、气动装置或一些其它利用机械地储存能量的装置来分离触头。分离触头所需的一些能量可以从故障电流本身获得。当中断电路中流过的电流时，通常会生成电弧。电弧必须被冷却，使得其猝灭或熄灭，使得触头之间的间隙能够反复承受电路中的电压。众所周知，使用空气、油或绝缘气体作为电弧在其中形成的介质。绝缘气体例如包括六氟化硫(SF6)或CO2。

然而，在电弧熄灭后，可能会发生延迟重燃。特别地，在电弧阶段从喷嘴下游喷出的气体可能不会完全扩散到通向外部绝缘体的容积。在这种情况下，如果加热的气体流回触头之间的间隙(例如，电弧区或电弧区域)，则可能会发生延迟重燃。例如，在短路电流数值大(如31kA或40kA左右)且电弧时间长的情况下，当气体流出(例如通过压缩容积和加热容积)停止时，加热气体可能会保持在相对靠近电弧区的位置，并在电流过零事件之后朝向电弧区往回扩散。由于加热气体的温度升高，气体的介电强度降低，从而降低气体的绝缘特性。如果电弧区中气体的介电强度降低，电弧就会重燃。

在长电弧时间的情况下，加热气体回流至电弧区域或倒流的现象可能具有最大的量级。原因可能是在长电弧时间(对称)的情况下，由于电流的部分半波，可能会发生额外的反向加热循环。当电流跨倒数第二个过零时，加热容积被清空。因此，在最后一次反加热过程开始时，存在于加热容积中的气体的密度可能小于只有一次反加热循环的情况下的气体的密度。因此，在相同的能量输入条件下，将气体加热到更高的温度，使得更有可能发生延迟重燃。

尽管增加加热或压缩容积和/或可能甚至增加驱动能量有助于降低延迟重燃的风险的可能性，但是这些措施可能难以实现和/或也可能增加成本，并且可能过于昂贵。

因此，需要采用其它方法来降低延迟重燃的风险。特别地，需要以低成本的方式和/或以易于实现的方式解决延迟重燃的问题。

特别地，需要提高气体绝缘高压或中压断路器(诸如气体绝缘高压电流断路器)的介电耐受能力。此外，需要降低加热气体流回到电弧区的趋势。

此外，有利于实现电弧区下游的气体的温度的降低，使得可以流回电弧区的气体具有更低的温度。

发明内容

本发明的目标是提供一种改进的气体绝缘高压或中压断路器，用于可靠的灭弧，同时至少在一定程度上保持相对低成本的设计。

鉴于上述情况，提供了一种气体绝缘高压或中压断路器。此外，提供了一种操作气体绝缘高压或中压断路器的方法。根据权利要求、说明书和附图，本公开的方面、优点和特征显而易见。

根据第一方面，提供了一种气体绝缘高压或中压断路器。该气体绝缘高压或中压断路器包括第一电弧触头和第二电弧触头，其中两个电弧触头中的至少一个电弧触头能够沿开关轴线轴向地移动，该移动包括第一运动状态和第二运动状态。在断路操作期间，在电弧区域中形成了第一电弧触头与第二电弧触头之间的电弧。该气体绝缘高压或中压断路器还包括喷嘴，该喷嘴包括通向电弧区域的通道，以用于在断路操作期间将灭弧气体吹到电弧区域。该气体绝缘高压或中压断路器还包括邻近喷嘴的扩散器，以用于将气体从电弧区域输送到扩散器的下游的区域，以及包括直接在扩散器下游的缓冲容积。该气体绝缘高压或中压断路器还包括基本上周向地围绕缓冲容积的外壳。该外壳包括内部外壳部分和同轴布置的外部外壳部分。内部部分和外部部分中的至少一个部分能够相对于另一部分移动。在内部外壳部分的表面提供的第一孔以及在外部外壳部分的表面提供的第二孔，使得可以提供通孔穿过外壳。在断路操作期间的第一运动状态下通孔被阻塞，以防止气体从缓冲容积释放到外壳的外部的容积。在第二运动状态下，第一孔和第二孔重叠，使得第一孔和第二孔的重叠提供通孔，以使气体从缓冲容积部分地释放到外壳的外部的容积。

根据另一个方面，提供了一种操作气体绝缘高压或中压断路器的方法。该方法包括使用根据本文所述的方面和实施例，特别是根据第一方面的气体绝缘高压或中压断路器来分断电流。

附图说明

为了更详细地理解本公开的上述特征，给出了参考实施例和附图的更具体的公开：

图1和图2示意性地示出了根据本文所述的第一实施例的气体绝缘高压或中压断路器。

图3示意性地示出了根据本文所述的第二实施例的气体绝缘高压或中压断路器。

图4是将根据本文所述的实施例的气体绝缘高压或中压断路器的电弧区域中的气体的温度与传统断路器的电弧区域中的温度进行比较的图。

具体实施方式

现在详细参考本公开的各种实施例，其中一个或多个示例在图中示出。在下列附图的描述中，相同的参考标号表示相同的部件。通常，仅描述关于各个实施例的差异。每个示例都是由对本公开的解释来提供的，并不意味着对本公开的限制。此外，作为实施例的一部分示出或描述的特征可以用于其它实施例上或与其它实施例结合使用以产生另一个实施例。本描述旨在包括此类修改和变更。

尽管给出了关于气体绝缘断路器的以下描述，特别是关于用于中压和高压应用的气体绝缘高压或中压断路器，但是应当理解，本公开的实施例不限于此。相反，本实施例可以应用于需要气体绝缘断路器的任何地方。

为了简单起见，本文描述的实施例通常提及断路器，而不是提及气体绝缘的高压或中压断路器。断路器可以是电力传输和配电系统中的压气式断路器、自能式断路器、发电机断路器、隔离开关、组合式隔离开关和断路器、活槽断路器或负载断路开关。

术语高压或中压与超过1kV的电压有关。中压优选地涉及12kV至72kV的范围(中压范围)内的标称电压，如25kV、40kV或60kV。高压优选地涉及超过72kV至550kV范围内的标称电压，如145kV、245kV或420kV。断路器的标称电流优选在1kA至5kA的范围内。在断路器工作异常条件下流动的电流被可以互换地称为断路电流或短路电流。短路电流可以在31.5kA至80kA的范围内，这称为高短路电流负载。在低短路电流负载下，断路电流通常大于标称电流，并且小于额定短路电流的0.3倍，例如最多24kA。在断路操作期间，断路电压可能非常高，例如在110kV至1200kV的范围内。

术语“轴向”是指在轴线方向上的延伸、距离等。部件之间的轴向分离意味着当在轴线的方向上看到或测量时，这些部件彼此分离。术语“径向”是指在垂直于轴线的方向上的延伸、距离等。术语“截面”是指垂直于轴线的平面，并且术语“截面面积”是指该平面上的面积。轴线例如可以是开关轴线。

断路器可以包括标称触头或标称电流路径。如本文所使用的，标称电流通过的电触头，即标称电流路径，称为标称触头，并且标称触头和电弧触头的组合称为“断路器触头”。如本文所使用的，断路触头中的至少一个断路触头关于另一个断路器触头相对移动。即，断路器触头中的至少一个断路器触头在移动。

在气体绝缘断路器中，灭弧介质包括气体。在实施例中，断路器可以包括限定气体容积的包封壳体。根据一些实施例，断路器可以包括吹气系统，该吹气系统被配置为在电流断路操作的一个阶段期间熄灭断路器的第一电弧触头与第二电弧触头之间形成的电弧。

断路器触头通常适于将断路器与要保护的电路进行电气互连。根据本文的实施例，中压是至少约12kV或更高达72kV(并且包括72kV)的电压。本文所使用的高压与高于72kV的标称电压有关。根据一些实施例，高压可以是至少约123kV或至少145kV或更高的电压。

断路器可以包括一个或多个部件，诸如压气式气缸、自能室、压力收集空间、压缩空间或压气容积以及膨胀空间。断路器可以借助于一个或多个这种部件来实现电路的中断，从而中断电路中的电流流动，和/或使在电路中断时产生的电弧熄灭。

断路器还可以包括其它部件，诸如驱动器、控制器等，这些在图中已经省略。提供的这些部件类似于传统的高压或中压气体绝缘断路器。

图1和图2中示出了根据本文所述实施例的用于高压或中压的气体绝缘断路器100。断路器100包括第一电弧触头101和第二电弧触头103。第一电弧触头101在图1中以郁金香(例如，郁金香触头)的形式作为示例。如图1中的示例所示，第二电弧触头103是杆的形式，例如接触杆。两个电弧触头101和103在断开端位置(其中两个电弧触头101和103在电气上彼此完全分离)与闭合端位置(其中电流可以在它们之间通过)之间相互配合。

第一电弧触头101例如可以是具有第一标称触头的第一断路触头10的一部分，为了简单起见，其在图1和图2中未示出。此外，第二电弧触头102可以是具有第二标称触头的第二断路触头30的一部分。

第一电弧触头101和第二电弧触头103的构成方式使得它们能够方便地承载断路电流，使得电弧触头不会生成过多的热量，并且承受断路器100的电流断路操作期间生成的电弧的热量。特别地，电弧触头101和103由任何合适的材料制成，通常是抗电弧材料，使得断路器100能够如本文所述一样运行，诸如但不限于：铜、铜合金、银合金、钨、钨合金或其(多个)任意组合。特别地，这些材料是基于其导电性、硬度(即耐磨性)、机械强度、低成本和/或化学特性来选择的。例如，图1和图2中所示的形成第二电弧触头103的接触杆由任何合适的导电材料制成，使得断路器100能够如本文所述一样工作，诸如但不限于铜。如有需要，接触杆可以由不同的材料制成；例如，其不同部分可以由不同的材料制成，或者涂上可以为这些部分中的每一部分提供足够的电气和/或机械性能的材料。

如图2中的箭头142、144所示，第一电弧触头101和第二电弧触头103中的至少一个电弧触头(例如，作为第一断路触头10和第二断路触头30的一部分)可以沿着开关轴线140相对于另一个电弧触头移动，以使电弧触头处于断开端位置或闭合端位置。

在闭合端位置，将第二电弧触头103插入到第一电弧触头101。在断路操作期间，第一电弧触头101远离第二电弧触头103，使得两个触头彼此分离。在断路操作期间，如图1所示，在第一触头101的部分与第二电弧触头103的部分之间的电弧区域中形成电弧。

图1和图2中所示的断路器100被布置在填充有电绝缘气体或灭弧气体的气密壳体中。壳体与图1和图2中所示的断路器100的部件之间的容积用参考标号180表示。这还被称为“外部容积”180，它是气密壳体内部的容积。气密壳体可以构成封装，诸如但不限于金属或陶瓷壳体。这种气密封装可以安装在适当的结构上。

根据本公开的实施例(可以与本文描述的实施例结合)，断路器可以包括齿轮系统，可操作地耦合到第一电弧触头或第二电弧触头与喷嘴中的至少一个，以用于提供沿开关轴线的平移。在实施例中，齿轮系统的至少一部分被布置在支撑结构处。在一些实施例中，断路器是单动断路器。即，第一电弧触头和第二电弧触头中只有一个电弧触头沿着开关轴线可移动。在其它实施例中，该电路是双动断路器。换言之，第一电弧触头和第二电弧触头都可以沿着开关轴线移动。

如图1和图2所示，盘状结构150形成为支撑结构。盘状结构例如可以是布置在第二电弧触头103的杆与内部外壳部分123之间的圆柱形板。盘状结构150在断路操作期间可以引导第二电弧触头103。因此，在这种情况下，盘状结构150在第二个电弧触头103上被提供为可滑动地。备选地，盘状结构150可以和第二电弧触头103一起移动。例如，盘状结构150可以与第二电弧触头103集成形成。

断路器100还包括喷嘴110，喷嘴110具有通向电弧区域的通道112。换言之，通道112通向电弧。喷嘴110用作在断路操作期间将灭弧气体吹到电弧区域的气孔。因此，电弧可以被熄灭或猝灭。

喷嘴110包括扩散器。在实施例中，在扩散器的上游容积160中提供用于吹灭电弧的灭弧气体。例如，扩散器的上游容积160可以填充介电气体，诸如在实施例中的CO2、SF6或SF6及其已知混合物，诸如N2或CF4。在另一个实施例中，也可以使用其它绝缘或灭弧气体，如下所述。

扩散器可以在轴向方向上与喷嘴110相邻。扩散器的截面积可以沿远离喷嘴110的轴向方向增大。扩散器可以形成用于灭弧气体流动的分流管道。因此，来自扩散器的上游容积160的灭弧气体从电弧区域传输到扩散器的下游区域。

扩散器的下游区域包括直接在扩散器下游提供的缓冲容积170。因此，在灭弧气体通过电弧区和扩散器之后，灭弧气体到达缓冲容积170。缓冲容积170基本上由外壳120周向地围绕。即，外壳120基本上可以限定了缓冲容积170的径向范围。本文中使用的术语“直接在扩散器的下游的缓冲容积”可以理解为与电弧区域的直接流体连通。

外壳120包括内部外壳部分123和外部外壳部分121。外部外壳部分121关于内部外壳部分123同轴布置。如图1和图2所示，外部外壳部分121能够沿着开关轴线140相对于内部外壳部分移动。

在本公开的实施例中，内部外壳部分123和外部外壳部分121中的至少一个部分可以相对于另一部分移动。例如，内部外壳部分123可以被提供为固定到盘状结构150，而外部外壳部分121被提供为能够关于内部外壳部分123和盘状结构150轴向移动。在其它实施例中，内部外壳部分123提供为能够沿盘状结构150滑动。因此，可以使内部外壳部分123能够关于外部外壳部分121沿开关轴线140移动。在另外的实施例中，内部外壳部分123和外部外壳部分121可以提供为能够移动。

第一孔127在内部外壳部分123的表面上提供。第二孔125在外部外壳部分121的表面上提供。第一孔127和第二孔125例如可以实现为一个或多个孔、穿孔、导管或一个或多个狭缝等。一个或多个孔例如可以沿内部外壳部分123的圆周提供。如果在内部外壳部分123的表面提供一个以上的孔127，例如通过沿相应的外壳部分的圆周提供多个孔127，那么相应的外壳部分的所有孔基本上都可以位于内部外壳部分123的同一截面平面。类似地，一个或多个孔125可以沿外部外壳部分121的圆周提供。

在图2中，内部外壳部分123和外部外壳部分121在断路操作期间处于第二运动状态。第一电弧触头101和第二电弧触头103分离。第二运动状态可以是电弧(图1)已经熄灭或即将熄灭的状态，例如在电流过零事件(CZ)或电流过零点处。由于电弧，与上游160提供的容积中提供的气体的初始温度相比，在电弧区和缓冲容积180中的灭弧气体的温度增加。

如图2所示，第一孔127和第二孔125在第二运动状态下重叠从而提供了通孔，气体可以部分地通过该通孔从缓冲容积170释放。即，只有一部分气体可以通过通孔释放，而另一部分保持在缓冲容积170中。气体流动路径在图2中由没有参考符号的箭头表示。一部分灭弧气体然后可以释放到外部容积180。

在图1中通孔(如图2所示)被阻塞，从而防止气体通过第一孔127和第二孔125释放，因此在第一运动状态下(如图1所示)，外壳的通孔被阻塞。因此，可以通过相对于内部外壳部分123和外部外壳部分121中的一个部分来移动至少另一个部分，来打开或关闭通孔。在优选的实施例中，通孔在CZ后一段适当的时间保持打开，使得可以释放加热的气体的适当的部分。保持在缓冲容积170中的灭弧气体可以通过断路器的端部处的下游提供的排气装置离开缓冲区域170。

在本公开的实施例中，内部外壳部分123和外部外壳部分121中的一个部分可以是固定的并且相应的另一部分能够与第二电弧触头一起移动。

根据本公开的实施例(可以与本文描述的实施例结合)，外壳120的内部外壳部分123和外部外壳部分121可以被提供为圆柱形。在实施例中，内部外壳部分123和外部外壳部分121可以形成为标称电流路径的一部分。在本实施例中，内部外壳部分123和外部外壳部分121可以很容易地集成到已知的设计中。

随着灭弧气体在灭弧过程期间被电弧加热，加热气体从电弧区流向缓冲容积170的一部分可以释放到外部容积180。由此，缓冲容积中的灭弧气体的温度可以降低。因此，由于加热气体从缓冲容积170回到电弧区的回流，重燃或延迟重燃(即电弧重燃)的可能性或风险也可以降低。换言之，当扩散器的上游容积160已经耗尽时，通过第二断路器触头30返回到喷嘴110的气体被冷却并且对于电弧的重燃造成的威胁较小。

在本公开的实施例中，第二运动状态下的通孔优选地建立在断路操作期间的电弧时间期间的电流过零点。在电流过零点处，电流可以被中断。

在实施例中，第一运动状态可以对应于断路操作的开始。在断路操作开始时，即电弧阶段开始，第一电弧触头和第二电弧触头开始沿开关轴线分离移动。如上所述，在第一运动状态中外壳中的通孔关闭。因此，在断路操作或电弧阶段开始时，与通孔已经在第一运动状态下的打开位置提供的情况相比，气体到缓冲容积170的流动可以更快和/或气体可以更密集。

根据本公开的实施例(可以与本文描述的实施例结合)，在第二运动状态中，第一孔127和第二孔125的重叠可以形成在沿长度轴线定位的轴向位置处，该长度轴线在扩散器的前方部分与第二电弧触头103的轴向端部部分之间延伸。

根据本公开的实施例(可以与本文描述的实施例结合)，外壳的至少一部分形成为标称电流路径的一部分。例如，内部外壳部分和外部外壳部分中的至少一部分可以形成为标称触头的一部分，例如在第二断路触头上提供的上层载流子。

例如，图1和图2中所示的外壳120形成为第二断路触头30的标称触头的一部分。

根据本公开的实施例(可以与本文描述的实施例结合)，外壳的内部外壳部分和外部外壳部分可以是导电的金属管。在本实施例中，外壳可以是具有两个导电金属管的导电的元件，两个导电金属管关于彼此同轴布置。

在本公开的实施例中，外壳可以位于第二电弧触头的电位上。换言之，内部外壳部分和外部外壳部分可以位于第二电弧触头的电位上。由此，可以避免第二电弧触头和外壳之间的电弧。

根据本公开的一些实施例(可以与本文描述的实施例结合)，用于熄灭电弧的灭弧系统可以集成在喷嘴的上游容积160中。在实施例中，灭弧系统可以具有加压系统(压气系统)。例如，加压系统可以包括加压室(压气室)，具有猝灭气体包含其中。猝灭气体是包含在断路器100的壳体容积(外部容积)180中的绝缘气体的一部分。加压室可以由室壁和活塞限定，用于在电流断路操作期间压缩加压室内的猝灭气体。为此，当第一电弧触头101移动远离第二触头103以打开断路器时，活塞与第一电弧触头101一起移动，使得活塞在加压室内加压猝灭气体。

在实施例中，在电流断路操作期间，喷嘴110适于将加压的猝灭气体(例如灭弧气体)从上游容积160吹到形成的电弧上。喷嘴可以包括连接到加压室用于接收来自加压室的加压的猝灭气体的入口，以及到电弧区域的喷嘴出口。在优选的实施例中，喷嘴10由例如PTFE的电绝缘材料制成。在一些实施例中，喷嘴110可以包括附接在喷嘴110端部中的一个端部的环部分。

在断路操作(即断路过程)期间，标称触头(未示出)彼此分离，并且第一电弧触头101和第二电弧触头103在一段延迟后也彼此分离，形成电弧，该电弧通过将气体吹过喷嘴110而熄灭。

在电流过零期间，电弧优选地被从扩散器上游容积(例如自能式断路器的加热容积或压气式断路器的压缩容积)吹向电弧区域和排气容积的绝缘气体流熄灭。

根据本公开的一些实施例，内部外壳部分和外部外壳部分中的一个部分连接到在下游方向被提供在断路器的端处的支撑结构。在一些实施例中，第二电弧触头形成为插头状的杆。插头状的杆可以在下游方向在其端部具有盘状支撑结构。盘状支撑结构可以连接到第二电弧触头(例如插头状的杆)，或者可以固有地用第二电弧触头形成。支撑结构可以连接到齿轮系统。因此，当第二断路器触头形成为可移动的断路触头时，支撑结构和第二电弧触头可以与内部外壳部分和外部外壳部分中的一个部分一起移动。这里内部外壳部分和外部外壳部分的附加的驱动器连接可以省略。这会提高断路器的简洁性并减少成本。

在一些实施例中，引导气体经由向某一方向的通孔从缓冲容积释放到外部容积可能是有利的。根据本公开的实施例(可以与本文描述的实施例结合)，断路器可以包括与外部外壳部分的第二孔的径向外部临近的导向元件，以引导沿轴向方向释放的气体远离电弧区域的轴向位置。

图3示出了具有在外部外壳部分121上提供的导向元件250的断路器200。图3的断路器200与图1和图2的断路器类似，并且在下面仅讨论其差异。

导向元件250可以引导灭弧气体远离由没有参考标记的箭头指示的电弧区域。因此，基本上防止了加热的气体回流到外壳120的通孔，流入缓冲容积170。此外，可以防止加热的气体进入标称触头的区域。例如，导向元件250可以集成到上层载流子中(例如形成为上层载流子的外壳120中)。在实施例中，导向元件250还可以被集成到外部屏蔽中，保护标称触头不受从断路器的端部处提供的排气装置释放的加热的气体的影响。例如导向元件250可以形成为金属板。在实施例中，导向元件在断路器的截面中可以具有“L”的形状，例如，如图3所示。

本公开还涉及操作气体绝缘高压或中压断路器的方法。特别地，根据本文所述的实施例的高压或中压断路器的电流可以被分断。

为了分断电流，通过沿开关轴线移动第一电弧触头和第二电弧触头中的至少一个电弧触头来分离第一电弧触头和第二电弧触头以开始断路操作。此外，在断路操作期间，内部外壳部分和外部外壳部分中的至少一个部分可以沿着开关轴线彼此相对地移动，使得在第二运动状态下第一孔和第二孔重叠，并提供用于将灭弧气体部分地从缓冲容积释放到外壳外部的通孔。由此，缓冲容积中的灭弧气体的温度可以降低。因此，由于加热气体从缓冲容积回到电弧区的回流，重燃或延迟重燃(即电弧重燃)的可能性或风险也可以降低。

在优选的实施例中，通孔建立在电弧时间期间的电流过零点。即，在电流过零点的时候，第一孔和第二孔可以置于打开位置(即重叠)并提供通孔。

本公开还涉及操作气体绝缘高压或中压断路器的方法。特别地，根据本文所述的实施例的高压或中压断路器的电流可以被中断。因此，断路器可以可靠地中断电流，例如故障电流，并且可以更安全地防止延迟重燃。

操作气体绝缘高压或中压断路器的方法还包括以下步骤，通过沿开关轴线移动第一电弧触头和第二电弧触头中的至少一个电弧触头来分离第一电弧触头和第二电弧触头以开始断路操作，以及在断路操作期间，沿着开关轴线彼此相对地移动内部外壳部分和外部外壳部分中的至少一个部分，使得在第二运动状态下第一孔和第二孔重叠，并提供用于将灭弧气体部分地从缓冲容积释放到外壳外部的通孔。

在优选的实施例中，通孔建立在电弧时间期间的电流过零点。

图4是示出用于比较根据本文所述的实施例的断路器和传统断路器的计算流体动力学模拟的结果的图。图4示出了电弧区域(竖直轴430)中的平均气体温度(单位为开尔文)作为时间的函数。电弧区域中的平均气体温度是控制容积内的温度，控制容积径向由喷嘴的喉部限定，轴向由插头尖端和郁金香尖端限定。水平轴410以毫秒为单位。在水平轴410处的0ms处，发生电流过零事件(CZ)，诸如电流中断或电弧熄灭。曲线450(实线)示出了根据本文所述的实施例的断路器的温度的时间进程。曲线470(虚线)示出了传统断路器。在传统断路器中，CZ后约18.7ms处，温度达到峰值。在曲线470的峰值处，温度可能已经高到足以恶化灭弧气体的绝缘性能，这可能导致电击穿，使得电弧可以重燃。曲线470中的温度升高可能与加热气体在CZ后的回流有关。在CZ后约32.5ms处，能够观察到曲线470中的另一个峰值。

相反，在根据本文所述的实施例的断路器(曲线450)中，在CZ之后电弧区中的温度保持相对恒定，并且没有观察到急剧的增加。因此，可以实现平均电弧区域温度的峰值的显著降低。因此，可以减少甚至消除加热气体向电弧区的回流。当电弧区域中的气体已经到达非常高的值时，提供通孔的孔在长电弧时间的CZ时变得活跃。然后热气体可以流入断路器室的外部容积并且仍然在缓冲容积中的气体具有显著较低的温度。例如，在压气式断路器中，当压气装置到达与长电弧时间的电流过零点对应的位置时，通孔处于打开位置。通过根据本文所述的实施例的断路器，可以减小甚至消除加热的气体到电弧区域的回流。从而降低了电弧重燃和延迟重燃的风险，甚至可以避免电弧重燃和延迟重燃。

在本公开的实施例中，断路器可以进一步包括气吹系统，该气吹系统被配置为在位于喷嘴110中的电弧区域中的电流断路操作阶段期间，对在第一电弧触头101与第二电弧触头103之间形成的电弧施加气吹。气吹系统可以包括使得能够熄灭电弧触头之间的电弧的任何适当的结构、配置、布置和/或部件。例如但不限于，气吹系统可以包括适当的阀门、气吹活塞、喷嘴、电弧加热器和至少一个用于自自吹容积和/或用于压缩容积的压力室。本领域的技术人员所熟悉的来自已知气吹系统的其它元件可以被用于本文所述的至少一些实施例，而不需要在此更详细地描述。

根据本文所述的实施例的气体绝缘高压或中压断路器优选地适于中断12kV或更高、52kV或更高、或高于72kV、或145kV或更高的中压到高压。

根据优选的实施例，气体绝缘的高压或中压断路器可以是压气式断路器或自能式断路器或其组合中的一种。

在实施例中，由气吹系统吹出的气体是能够充分熄灭在电流断路操作期间在电弧触头之间形成的电弧的任何合适气体，例如但不限于惰性气体，例如六氟化硫SF6。因此，第一电弧触头101与第二电弧触头103之间的电弧在电弧区域中发展。

出于本公开的目的，断路器中使用的流体可以是SF6气体或任何其它介电绝缘介质，可以是气体和/或液体，特别地可以是介电绝缘气体或灭弧气体。这种介电绝缘介质例如可以包含包括有机氟化合物的介质，这种有机氟化合物从以下项组成的组中选择：氟醚、环氧乙烷、氟胺、氟酮、氟烯烃、氟腈及其混合物和/或其分解产物。本文中，术语“氟醚”、“环氧乙烷”、“氟胺”、“氟酮”、“氟烯烃”和“氟腈”至少部分地指氟化合物。特别地，术语“氟醚”包括氢氟醚和全氟醚，术语“环氧乙烷”包括氢氟环氧乙烷和全氟环氧乙烷，术语“氟胺”包括氢氟胺和全氟胺，术语“氟酮”包括氢氟酮和全氟酮，术语“氟烯烃”包括氢氟烯烃和全氟烯烃，并且术语“氟腈”包括氢氟腈和全氟腈。因此，优选将氟醚、环氧乙烷、氟胺和氟酮完全氟化，即全氟化。

在实施例中，介电绝缘介质从以下项组成的组中选择：氢氟醚、全氟酮、氢氟烯烃、全氟腈及其混合物。

特别地，在本公开的上下文中使用的术语“氟酮”应广泛地解释，并且应包含氟单酮和氟二酮或通常的氟多酮。显然，分子中可能存在由碳原子围绕的多于单个的羰基。该术语还应当包含包括碳原子之间的双键和/或三键的饱和化合物和不饱和化合物。氟酮的至少部分氟化烷基链可以是线性的或支链的，并且选择性地可以形成环。

在实施例中，介电绝缘介质包括至少一种化合物，该化合物为氟单酮和/或还包括并入分子的碳主链中的杂原子，诸如以下的至少一个：取代一个或多个碳原子的氮原子、氧原子和硫原子。更优选地，氟单酮，特别是全氟酮，可以具有3到15个或4到12个碳原子，特别地具有5到9个碳原子。最优选地，其可以包括正好5个碳原子和/或正好6个碳原子和/或正好7个碳原子和/或正好8个碳原子。

在实施例中，介电绝缘介质包含至少一种化合物，该化合物是从以下组中选择的氟烯烃：包含至少三个碳原子的氢氟烯烃(HFO)，包括正好三个碳原子的氢氟烯烃(HFO)、反式-1,3,3,3-四氟-1-丙烯(HFO-1234ze)、2,3,3,3-四氟-1-丙烯(HFO-1234yf)及其混合物。

在实施例中，有机氟化合物还可以是氟腈，特别是全氟腈。特别地，有机氟化合物可以是包含两个碳原子和/或三个碳原子和/或四个碳原子的氟腈，特别是全氟腈。更具体地说，氟腈可以是全氟烷基腈，特别是全氟乙腈、全氟丙腈(C2F5CN)和/或全氟丁腈(C3F7CN)。更具体地说，氟腈可以是全氟异丁腈(根据分子式(CF3)2CFCN)和/或全氟-2-甲氧基丙腈(根据分子式CF3CF(OCF3)CN)。其中，全氟异丁腈(即2,3,3,3-四氟-2-三氟甲基丙腈别名i-C3F7CN)因其低毒性而特别优选。

介电绝缘介质还可以包括不同于有机氟化合物的背景气体或载体气体(特别不同于氟醚、环氧乙烷、氟胺、氟酮和氟烯烃)，并且在实施例中可以从以下组中选择：空气、N2、O2、CO2、惰性气体、H2；NO2，NO，N2O；碳氟化合物，特别是全氟碳化合物，诸如CF4；CF3I，SF6；及其混合物。例如，在一个实施例中，介电绝缘气体可以是CO2。

断路器还可以包括其它部件，如标称触头、驱动器、控制器等，这些部件在图中已经省略并且在本文中没有详细描述。提供的这些部件与传统的高压或中压气体绝缘断路器类似。

上文详细描述了断路器的示例性实施例和操作断路器的方法。装置和方法不限于本文描述的具体实施例，相反，断路器的部件和/或方法的步骤可以独立于本文所述的其它部件和/或步骤而被利用，并且不限于仅实践本文所述的断路器。相反，示例性实施例可以结合许多其它断路器应用来实现和利用。

尽管本发明的各种实施例的具体特征可以在一些附图中示出而没有在其它附图中示出，但这仅为了方便。根据本发明的原理，附图的任何特征都可以结合任何其它附图的任何特征来引用和/或要求保护。特别地，图1至图4示出了可以与本公开的其它一般方面相结合的不同方面。此外，方法步骤可以实现为设备特征，反之，设备特征可以实现为方法步骤。

本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得任何本领域的技术人员能够实践本公开，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何包含的方法。尽管前面已经公开了各种具体实施例，但是本领域的技术人员将认识到权利要求的精神和范围允许同样有效的修改。特别地，上述实施例的互不排斥的特征可以彼此组合。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有与与权利要求的字面语言没有区别的结构元素，或者它们包括与权利要求书的字面语言没有实质性区别的等效结构元素，则这些其它示例旨在在权利要求的范围内。

Claims (16)

1.一种气体绝缘高压或中压断路器(100，200)，包括：

第一电弧触头(101)和第二电弧触头(103)，其中所述第一电弧触头和所述第二电弧触头中的至少一个电弧触头能够沿开关轴线(140)轴向地移动，所述移动包括第一运动状态和第二运动状态，其中在断路操作期间，在电弧区域中形成了所述第一电弧触头与所述第二电弧触头之间的电弧；

喷嘴(110)，包括通向所述电弧区域的通道(112)，以用于在所述断路操作期间将灭弧气体吹到所述电弧区域；

扩散器，邻近所述喷嘴(110)，以用于将所述气体从所述电弧区域输送到所述扩散器的下游的区域；

缓冲容积(170)，直接在所述扩散器下游，以及

外壳(120)，周向地围绕所述缓冲容积(170)，其中所述外壳(120)包括：

内部外壳部分(123)和同轴布置的外部外壳部分(121)，其中所述内部外壳部分(123)和所述外部外壳部分(121)中的至少一个部分能够相对于另一部分移动；以及

第一孔(127)和第二孔(125)，所述第一孔(127)被提供在所述内部外壳部分(123)的表面，所述第二孔(125)被提供在所述外部外壳部分(121)的表面，使得提供通孔穿过所述外壳(120)，其中

在断路操作期间的所述第一运动状态中，所述通孔被阻塞，以防止所述气体从所述缓冲容积(170)释放到所述外壳(120)的外部(180)的容积；并且

在所述第二运动状态中，所述第一孔(127)和所述第二孔(125)重叠，使得所述第一孔(127)和所述第二孔(125)的所述重叠提供所述通孔，以使气体从所述缓冲容积(170)部分地释放到所述外壳(120)的外部(180)的所述容积。

2.根据权利要求1所述的气体绝缘高压或中压断路器(100，200)，其中所述外壳(120)的所述内部外壳部分(123)和所述外部外壳部分(121)是圆柱形的。

3.根据权利要求1或2所述的气体绝缘高压或中压断路器(100，200)，其中所述外壳(120)的所述内部外壳部分(123)和所述外部外壳部分(121)是导电金属管。

4.根据权利要求中1或2所述的气体绝缘高压或中压断路器(100，200)，其中所述外壳(120)位于所述第二电弧触头(103)的电位上。

5.根据权利要求中1或2所述的气体绝缘高压或中压断路器(100，200)，其中所述内部外壳部分(123)和所述外部外壳部分(121)中的一个部分被连接到在所述下游方向中的在所述断路器(100，200)的端处提供的支撑结构。

6.根据权利要求5所述的气体绝缘高压或中压断路器，还包括：齿轮系统，可操作地耦合到所述喷嘴和所述第二电弧触头中的至少一个，以用于提供沿所述开关轴线的平移，其中所述齿轮系统的至少一部分被布置在所述支撑结构处。

7.根据权利要求1或2所述的气体绝缘高压或中压断路器，其中所述外壳的至少一部分形成为标称电流路径的一部分。

8.根据权利要求1或2所述的气体绝缘高压或中压断路器(200)，还包括与所述外部外壳部分(121)的所述第二孔(125)的径向外侧相邻的导向元件(250)，以引导沿轴向方向的所释放的气体远离所述电弧区域的轴向位置。

9.根据权利要求1或2所述的气体绝缘高压或中压断路器(100，200)，其中在所述断路操作期间，所述第二运动状态中的所述通孔被建立在电弧时间期间的电流过零点。

10.根据权利要求1或2所述的气体绝缘高压或中压断路器(100，200)，其中所述第一运动状态对应于所述断路操作的开始，其中所述第一电弧触头(101)和所述第二电弧触头(103)开始沿所述开关轴线分离移动。

11.根据权利要求1或2所述的气体绝缘高压或中压断路器(100，200)，其中所述内部外壳部分(123)和所述外部外壳部分(121)中的一个部分是固定的并且相应的另一部分能够与所述第二电弧触头(103)一起移动。

12.根据权利要求1或2所述的气体绝缘高压或中压断路器(100，200)，其中在所述第二运动状态中，所述第一孔(127)和所述第二孔(125)的所述重叠形成在沿长度轴线定位的轴向位置处，所述长度轴线在所述扩散器的前方部分与所述第二电弧触头(103)的轴向端部部分之间延伸。

13.根据权利要求1或2所述的气体绝缘高压或中压断路器(100，200)，其中所述断路器是适于中断12kV或更高的中压到高压的气体绝缘断路器(100，200)；并且/或其中所述气体绝缘高压或中压断路器是压气式断路器、自能式断路器或其组合中的一种断路器。

14.一种操作气体绝缘高压或中压断路器的方法，所述方法包括：

使用根据权利要求1至13中的任一项所述的高压或中压断路器来分断电流。

15.根据权利要求14所述的操作气体绝缘高压或中压断路器的方法，其中分断所述电流包括：

通过沿所述开关轴线(140)移动所述第一电弧触头和所述第二电弧触头中的至少一个电弧触头来分离所述第一电弧触头(101)和所述第二电弧触头(103)以开始断路操作；和

在所述断路操作期间，沿所述开关轴线(140)相对于彼此移动所述内部外壳部分(123)和所述外部外壳部分(121)中的至少一个部分，使得在所述第二运动状态下，所述第一孔(127)和所述第二孔(125)重叠，并提供通孔以用于将所述灭弧气体部分地从所述缓冲容积(170)释放到所述外壳(120)外部的容积。

16.根据权利要求15所述的操作气体绝缘高压或中压断路器的方法，其中所述通孔被建立在电弧时间期间的电流过零点。

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