CN100416724C - 基于器壁侵蚀提高气动斥力和开断性能的低压灭弧系统 - Google Patents
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Abstract
基于器壁侵蚀提高气动斥力和开断系统的低压灭弧系统，包括静导电回路以及与其相邻的引弧板，在静导电回路上焊接有静触头，且在引弧板的上端还设置有灭弧室，动导电杆上焊接有动触头，并绕转轴旋转，在静触头的四周及引弧板上分别设置有产气材料层。由于本发明在静触头周围及引弧板区域设置产气材料，从而提高了低压电器的气动斥力数值以及开断性能，对接触器来说，可有效地防止触头回落和熔焊。从实验结果发现，在4kA预期短路电流时，加入产气材料，气动斥力增加2.5倍。仿真分析也表明，气动斥力的存在能够使触头高速运动，提高低压电器的开断性能，并可抑制低压电器开断过程中的触头回落现象，以及相应的触头熔焊现象。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高低压电器性能的方法，特别涉及一种利用产气材料提高低压电器气动斥力和开断性能的装置。
背景技术
低压电器在电力系统中发挥着不可替代的控制和保护功能。低压断路器和接触器是其中最主要的两大类产品。
长期以来，人们设计出各种结构的触头导电回路系统，例如下进线、上进线、U型电机槽、在动导电杆上加装铁夹片等，以增大作用在动触头上的电动斥力，从而提高低压断路器的限流性能。但是，通过研究发现，电动斥力的70％左右取决于触头间由于电流收缩引起的Holm力，这样导电杆系统产生的Lorentz力占的比例较小，因此从原理上来说，采用上述方法增加电动斥力的潜力不大，不能有效地提高低压断路器开断性能(李兴文，陈德桂，向洪岗，李志鹏，刘洪武.低压塑壳断路器中电动斥力的三维有限元非线性分析与实验研究.中国电机工程学报[J].2004，24(2)：150-155)；(T.Mitsuhashi，M.Takahashi，Y.Wada and S.Yamagata.Development of a new current limiting technique by 3Dnonlinear analysis of magnetic fields in arc chambers and itsapplication to LV circuit breakers.Proc 31st IEEE Industry Appl conf[C].San Diego，1996.2269-2274)；(一种用于低压断路器带U型铁夹片的动触头导电杆，ZL 200420041637.7，中国，2005年5月18日，陈德桂，李兴文，耿英三)
灭弧室方面，通过研究发现，在灭弧室中加入PMMA、POM、PBT或尼龙等产气材料，在高温电弧的作用下，产气热导率较高的氢气，可以有效地冷却电弧并驱使电弧进入灭弧室，从而提高电弧电压(Xingwen Li，Degui Chen，Hongwu Liu，Yong Chen，Zhipeng Li.Imaging and spectrumdiagnostics of air arc plasma characteristics.IEEE Trans PlasmaSci[J].2004，32(6)：2243-2249)。而气动斥力的研究主要集中在接触器上，分析气动斥力对短路电流到来后，触头被斥开以及随后的回落过程的影响，着重探讨气动斥力能否对触头熔焊起到一定的抑制作用。然而，研究表明，触头斥开后的气动斥力数值太小，不能有效地防止触头在电流过零前再回落，也就是说，气动斥力对抑制触头熔焊的作用不大(X.Zhouand P.Theisen.Investigation of arcing effects during contact blowopen process.Proc 44th IEEE Holm conf Electrical Contacts[C].Arlington，1998.100-108.)；(B Martin，K Stanislav，N Hassan.Influence of vapour pressure on the dynamics of repylsion by contactblow-off.Proc 21st Conf Electrical Contacts[C].Zurich，2002.268-275.)。这样，Zhou提出在接触器动触头桥的两侧分别加入一个U型铁片和一个平板铁片，当导电回路的电流较大时，触头被斥开，同时，在短路电流产生的磁场作用下，上述两个铁片相互吸引，直到电流过零。这样，电流过零后触头再回落，不会引起触头的熔焊现象(Xin Zhou，Michael Little.A novel concept for fault current tolerablecontactors.IEEE Trans Compon Packag Technol[J].2005，28(4)：710-716)。
从上述的现有技术中可以看出，在如何提高低压电器的开断性能方面，人们做了很多有益的工作。但是，还存在如下问题：
1)依靠电动斥力提高限流性能方面，和电流收缩引起的Holm力相比，导电回路的作用较小，这样试图通过导电回路系统结构的改变增大电动斥力的数值潜力不大；而Holm力与触头压力、接触表面电接触状况以及材料的硬度有关，从设计的角度来看，可改变的余度甚小。因此，电动斥力从原理上来说，不能有效地提高低压断路器的限流性能。
2)Zhou所采用的上述铁磁系统，其出发点较为新颖，但是在结构上较为复杂，增加了固定、加工等上的难度，并且不利于产品的小型化和可靠性。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种能够有效提高触头打开后作用在动触头上的气动斥力，加速动触头的运动，减小电弧电流，提高低压电器开断性能，工作性能稳定、可靠的基于器壁侵蚀提高气动斥力和开断性能的低压灭弧系统。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括静导电回路以及与其相邻的引弧板，在静导电回路上焊接有静触头，且在引弧板的上端还设置有灭弧室，动导电杆上焊接有动触头，并绕转轴旋转，在静触头的四周及引弧板上分别设置有产气材料层；所说的产气材料层采用PMMA、POM、PBT或尼龙材料。
由于本发明在静触头周围及引弧板区域设置产气材料，从而提高了低压电器的气动斥力数值以及开断性能，对接触器来说，可有效地防止触头回落和熔焊。从实验结果发现，在4kA预期短路电流时，加入产气材料，气动斥力增加2.5倍。仿真分析也表明，气动斥力的存在能够使触头高速运动，提高低压电器的开断性能，并可抑制低压电器开断过程中的触头回落现象，以及相应的触头熔焊现象。
附图说明
图1是低压断路器的触头灭弧系统结构图；
图2是本发明产气材料布置的结构示意图；
图3是不同短路电流下、触头间距为2mm时单位电弧功率产生的气动斥力随时间的变化图，其中横坐标为时间，纵坐标为单位电弧功率产生的气动斥力；
图4是不同短路电流下、触头间距为6mm时单位电弧功率产生的气动斥力随时间的变化，其中横坐标为时间，纵坐标为单位电弧功率产生的气动斥力；
图5是触头间距为2mm、预期短路电流为4kA时，有、无产气材料存在下的电弧电流波形图，其中横坐标为时间，纵坐标为电流；
图6是触头间距为2mm、预期短路电流为4kA时，有、无产气材料存在下的电弧电压波形图，其中横坐标为时间，纵坐标为电压；
图7是触头间距为2mm、预期短路电流为4kA时，有、无产气材料存在下的FB/ui曲线图，其中横坐标为时间，纵坐标为单位电弧功率产生的气动斥力。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，2，本发明包括引弧板2以及与引弧板2相连接的静导电系统3，在引弧板2的上端面上固定有静触头1，且在引弧板2的上端还设置有灭弧室6，在灭弧室6的一侧设置有与静触头1相配合的动导电杆5，动导电杆5通过转轴7固定，且在动导电杆5的前端还设置有动触头4，在静触头1的四周及引弧板2上分别设置有MMA、POM、PBT或尼龙材料制成的产气材料层8。
参见图1，2，本发明包括静导电回路3以及与其相邻的引弧板2，在静导电回路3上焊接有静触头1，且在引弧板2的上端还设置有灭弧室6，动导电杆5上焊接有动触头4，并绕转轴7旋转，正常工作情况时，动触头4和静触头1在触头弹簧的作用下保持电接触，在静触头1的四周及引弧板2上分别设置有PMMA、POM、PBT或尼龙材料制成的产气材料层8。
当短路电流到来时，动触头4与静触头1分离，并在其中产生电弧，电弧在吹弧磁场/气流的作用下，进入栅片灭弧室6，并在其中熄灭，完成电路分断。本发明就是在静触头1四周及引弧板2上设置有产气材料，以提高气动斥力数值以及开断性能。对接触器来说，可有效地放置触头回落和熔焊。
为了认识气动斥力的作用规律，我们在大电流下通过模型实验，研究了气动斥力的作用规律。
参见图3，4，可以看出：
1)单位电弧功率产生的气动斥力FB/ui是时间的一个减函数，并且在触头打开后的1.0ms之前，作用最为显著；
2)随着电流的增大，FB/ui的值随之增加；
3)间距对FB/ui值影响不大。
参见图5、6、7，可以得到以下结论：
有产气材料存在时，电弧电流峰值较小，而电弧电压整体较高；
加入产气材料后，FB/ui的值明显增大，比没有产气材料时高2.5倍左右，但其变化过程比较接近。
基于以上的结论，在灭弧室6中加入产气材料，可以有效地增大气动斥力的数值，结合气动斥力作用的时间效应。这样，本发明提出在低压电器静触头1四周及引弧板1上设置产气材料层8，以增加气动斥力的数值，进而进一步提高低压电器的开断性能。
本发明可用于低压断路器和接触器中，提高其开断性能。从实验结果发现，在4kA预期短路电流时，加入产气材料，气动斥力增加2.5倍。仿真分析也表明，气动斥力的存在能够使触头高速运动，提高低压电器的开断性能，并可抑制低压电器开断过程中的触头回落现象，以及相应的触头熔焊现象。
Claims (2)
1. 基于器壁侵蚀提高气动斥力和开断性能的低压灭弧系统，包括静导电回路(3)以及与其相邻的引弧板(2)，在静导电回路(3)上焊接有静触头(1)，且在引弧板(2)的上端还设置有灭弧室(6)，动导电杆(5)上焊接有动触头(4)，该动导电杆(5)绕转轴(7)旋转，其特征在于：在静触头(1)的四周及引弧板(2)上分别设置有产气材料层(8)。
2. 根据权利要求1所述的基于器壁侵蚀提高气动斥力和开断性能的低压灭弧系统，其特征在于：所说的产气材料层(8)采用PMMA、POM、PBT或尼龙材料。
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