CN101315852A - 一种塑壳断路器的触头系统 - Google Patents

Abstract

一种低压开关设备例如断路器的触头系统，它利用电磁排斥力与气体压力两力合一的原理，和动、静触头能同时摆动斥开的结构，以及自动磁吹灭弧系统，能够加快动、静触头之间的分断速度，拉大动、静触头之间的斥开开距，加速电弧的熄灭，从而提升其快速限流和灭弧的性能指标。本发明的触头系统结构紧凑，体积小，生产成本低。

Description

一种塑壳断路器的触头系统

技术领域

本发明涉及一种低压开关的触头系统，特别是具有快速限流和灭弧性能的塑壳断路器的触头系统。

背景技术

触头系统是低压开关设备必不可少的重要部件，其限流性能和灭弧性能是开关设备的重要性能指标，尤其是在断路器中，对该指标的要求更为突出，而要提升该项指标，关键在于加快动、静触头的分断速度，拉大动、静触头的开距，提高灭弧系统的灭弧效率。

常见的限流触头系统为静触头可排斥式，在通过短路电流时，在电磁排斥力的作用下能够加速动触头的打开，同时开距增大，将电弧拉长，电弧电压被提升，提高了限流性能。由于该系统为静触头通过轴固定在一支架上，该支架又通过螺钉固定在基座上，联结板与静触头通过软联结相连，支架的高度对静触头的偏转行程起决定作用，因此为了获得较好的限流效果，支架的高度较高，从而产品的外形也较高，生产成本提高。

日本三菱公司的冲击狭窄通道加速式(ISTAC)分断技术，公开了一种三力合成的触头系统，能够加速动触头的打开，较早引出电弧，提升电弧电压，提高限流性能。已有的三力合成的触头系统为以下结构形式。

如申请号为99805439.9的发明专利，该已有技术的断路器的触头系统的原理是利用以下三力加快动触头的分断速度：静触头连接板上的电流方向与动触头上的电流方向相同所产生的对动触头的电磁吸引力；静触头上电流方向与动触头上电流方向相反所产生的对动触头的电磁排斥力；分断短路电流时高分子材料产生优质灭弧气体，该气体与周围空气膨胀在狭窄空间内所产的对动触头的气体压力。由于动触头必须以摆动方式与静触头分/合，所以该触头系统的触头连接板被开了一条通槽，以使动触头通过该槽伸入到静触头连接板的静触点处，实现动、静触头之间的分/合。为此，静触头连接板上的电流因开槽被分成了两路，每路电流都处于动触头的斜上方，它们均不在动触头摆动轨迹的延伸面上，即每路电流对于动触头的电磁吸引力的方向与动触头摆动轨迹的延伸面之间存在较大的夹角。由于存在该夹角，所以静触头连接板上的电流所产生的对于动触头的电磁吸引力，实际上是每路电流对于动触头的电磁吸引力的分力，该分力等于所述电磁吸引力与所述夹角的余弦之积，导致它们之间的电磁吸引力很小。

从上述形式的三力合成触头系统的结构原理可见，该现有技术的触头系统存在以下三个主要缺陷。

首先是所述的连接板上被分成两路的电流与动触头上的电流所形成的电磁力很小，所述的电磁力的方向与动触头摆动轨迹的延伸面之间存在较大的夹角，所以连接板上的电流对于动触头的电磁吸引力很小，其效果并不明显，然而为获得该力，必需加大加长连接板。由于加大加长的连接板占居了灭弧室内的很大空间，所以不得不减少灭弧栅片的数量，从而明显减弱了触头系统的灭弧能力，延长了电弧的燃烧时间，增强了电弧的能量和产品壳体内的气体压力，使电弧容易飞出产品的壳外，大大降低了产品的安全可靠性。在实际应用中，这种触头系统对改善限流性能并不明显，反而因为触头系统设计成这种形状导致容纳灭弧室的空间缩小，不得不缩小灭弧室的体积及减少灭弧栅片的数量，使得电弧燃烧时间长，难以在极短的时间内熄灭。另一方面，如若不缩小灭弧室的体积，则产品的外形尺寸就得增大，使得产品笨重，且材料成本提高。

其次是所述的连接板上的两路电流所处的位置是在动触头的斜下方或斜上方，它们对于动触头所产生的电磁力的方向与动触头摆动轨迹的延伸面之间存在较大的夹角，而这个夹角会给动触头带来干扰其摆动的垂直分力，该垂直分力等于所述的电磁力与所述的夹角的正弦之积。由于两路电流所产生的垂直分力方向相反，所以当两路电流强度相等并与动触头摆动轨迹面对称分布时，两个垂直分力可以抵消。当两路电流强度不相等或与动触头摆动轨迹面不对称分布时，两个垂直分力不能抵消，它们之间的合力会减慢动触头的分断速度。在实际生产制造中，为了减小所述的垂直分力对动触头分断速度的影响，不得不提高零件的加工精度和部件的装配精度，从而不得不提高产品的制造难度和生产成本。

第三是为了减小因电弧燃烧时间长、电弧能量大、产品壳内气体压力大所造成的对产品零部件的冲击破坏，已有的该触头系统的结构复杂、体积大、生产成本很高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种克服了上述现有技术缺陷的具有快速分断、限流和灭弧性能的触头系统，利用电磁排斥力与气体压力两力合一的原理，和动、静触头能同时摆动斥开的结构，以及自动磁吹灭弧系统，触头系统占据的空间很小，保证了灭弧室拥有足够大的体积，能够加快动、静触头之间的分断速度，拉大动、静触头之间的斥开开距，加速电弧的熄灭，从而提升其快速限流和灭弧的性能指标，而且成本也显著下降。

为了实现上述目的，本发明的触头系统采用了以下技术方案。

本发明的断路器触头系统由静触头部件、动触头部件、灭弧室和安装在灭弧室内的灭弧栅组成，所述的动触头部件包括动触臂和动触头，所述的灭弧室由壳体和壳盖经铆钉铆合组成，在所述的静触头部件上带有一个与主电路相连接的连接板。所述的静触头部件包括一个支架，它与连接板相连接并与灭弧室相固定；一个带有静触臂的静触头枢转地安装在支架上；一个弹簧，用于给静触头提供闭合接触力并驱使静触头复位；一个限位机构，用于对静触头作摆动限位和静态定位。所述的静触臂设置在所述的动触臂的下方，使流过静触臂的电流(i1)与流过动触臂的电流(i1)方向相反，以自动产生动、静触头之间的电磁排斥力。在所述的静触臂上并与动触臂之间，设有用高分子产气材料制成的反射板和绝缘板，用于在分断短路电流时使其产生推动动、静触头斥开的气体压力，并且用其保护静触头部件内的零件不被电弧烧损。所述的支架用优良的导磁材料制成U形结构，用于形成磁吹系统，当动、静触头在分断过程中出现电弧时，电弧电流(i2)会使所述的U形结构的磁吹系统产生磁场，其磁力线(H)的方向与电弧电流i2的方向垂直，磁力线(H)对电弧电流的作用力(F)的方向不仅与磁力线(H)的方向垂直，而且也与电弧电流(i2)的方向垂直，同时还朝向灭弧栅的方向，该磁场用于将电弧吹进灭弧栅，从而将其快速熄灭。当电路出现短路等情况使流过触头系统的电流(i1)超过额定值时，依靠电流(i1)产生的电磁排斥力(F1)，使动触头和静触头同时摆动斥开，所述反射板和绝缘板产生的气体压力用于加快动触头和静触头同时摆动斥开的速度，从而实现快速分断和限流。

所述的支架是由两个侧板(10g)、两个凸缘(10a)和一个底板(10f)按U形结构形成的一个整体件。两个孔(10e)对称地设置在所述的两个侧板(10g)的一端，用于安装静触臂上的枢转轴，它用于将带有静触臂的静触头枢转地安装在支架上。两个限位槽(10d)对称地设置在所述的两个侧板(10g)的适当位置，用于安装设置在静触臂上的限位轴，由限位槽(10d)和限位轴组成所述的限位机构，用于实现对静触头在摆动时的限位和在静态时的定位。所述的U形结构的开口朝向动触头斥开摆动的方向，动、静触头的接触点处于U形结构与灭弧栅之间，以形成将电弧推进灭弧栅的所述的磁力线(H)。至少一个凸起设置在所述的两个侧板(10g)的外侧面，通过该凸起将支架与灭弧室固定和定位。

所述的弹簧可以是扭簧、压簧或片簧，它通过一个安装结构被安装在支架或灭弧室上，其一端与静触头连接，其另一端与支架或灭弧室连接，通过弹簧作用于静触头上的弹性力，向动、静触头提供理想的工作接触力，并驱使静触头在静态时复位。

所述的支架的两个凸缘可以是直的，也可以是带角度的。

绝缘板分别设置在所述的U形结构的支架的两个凸缘(10a)的内侧，以防止支架10a的两个凸缘被电弧烧损，同时该绝缘板在电弧的高温作用下还能起到分解出有利于冷却电弧的优质气体的作用。

至少一个连接孔(10c)设置在所述的底板(10f)上，通过连接孔(10c)，将底板(10f)与连接板进行机械连接，也可以将底板(10f)与连接板直接焊接在一起。

所述的连接板通过导体与静触臂相连，以使它们之间具有更加理想的电连接性能。

所述的孔(10e)是静触头的转动中心，并且向外凸起地设置在两个侧板(10g)的外侧面上。

所述的用于安装弹簧的安装结构可以是一个用于安装弹簧的弹簧轴和至少一个用于固定弹簧轴的孔(10b)，所述的孔(10b)设置在支架或灭弧室上。所述的用于安装弹簧的安装结构也可以是一个设置在支架或灭弧室上的槽，所述的槽用于卡住所述的弹簧。

由上述各技术方案的说明可见，本发明的触头系统具有以下主要优点：

一、流过动、静触头之间的电流方向相反，以自动产生电磁排斥力；

二、在动、静触头的触臂之间设有高分子产气材料制成的反射板和绝缘板，以在动、静触头分断时自动产生气体气压；

三、采用电磁斥力和气体压力两力合一的原理，加快动、静触头的斥开速度，所以限流效果显著；

四、采用动、静触头能同时摆动斥开的结构，不仅可加快动、静触头的斥开速度，而且还能拉大动、静触头斥开的开距，以破坏电弧的稳定燃烧；

五、采用由U形结构的支架所组成的磁吹系统，利用电弧电流产生的磁场将电弧推入灭弧栅，所以分断电流越大、灭弧效果越显著；

六、本发明的触头系统结构紧凑，体积小，从而将腾出的灭弧室内的宝贵空间用于增加灭弧栅的数量，所以灭弧效果特别好。

本发明的触头系统主要用于塑壳断路器，也可用于其它低压开关设备。

附图说明

图1是本发明的断路器触头系统实施例的结构示意图，说明触头系统的分断工作原理。

图2是本发明的断路器触头系统实施例的灭弧室部件的结构示意图。

图3a、图3b是本发明触头系统实施例的静触头部件的结构示意图。

图4是本发明触头系统实施例的支架的U形结构的示意图。

图5是本发明的断路器触头系统实施例的灭弧工作原理图。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的具有快速限流和灭弧性能的断路器触头系统的具体实施例，本发明的断路器触头系统不限于以下实施例。

如图1和图2所示，本发明的触头系统包括静触头部件100、动触头部件200、灭弧栅3和灭弧室300。

如图1所示，动触头部件200通过轴系结构枢转地与断路器底座连接(图中未示出)，当断路器的操作机构驱动动触头部件200作合闸操作时，动触头部件200的动触头201与静触头部件100的静触头101接触闭合，使电流i1接通。当断路器脱扣使其跳闸、或者断路器的操作机构驱动动触头部件200作分闸操作时，动触头部件200的动触头201与静触头部件100的静触头101分离，使电流i1断开(如图1所示)。

在动触头201与静触头101接触闭合时，动触臂202与静触臂102平行设置，且它们之间的距离很小(图中未示出)，流过动触臂202的电流与流过静触臂102的电流方向相反，所以当主电路因出现短路等故障使流过动、静触头的电流i1超过额定值时，动、静触头之间会产生足够大的电磁排斥力F1，在电磁排斥力F1的作用下，动触头201与静触头101会自动迅速打开，以切断电流i1。

如图2所示，所述的灭弧室300包括壳体1、壳盖5和铆钉2。通过壳体1、壳盖5和铆钉2组成密封的灭弧室，以防止电弧外泄。所述的静触头部件100和灭弧栅3如图2所示的结构设置在灭弧室300内。动触头部件200的动触头201(图中未示出)能伸入到灭弧室300内，以与静触头101接触闭合。所述的灭弧栅3靠近静触头101设置，以获得理想的灭弧效果。

如图3a、图3b所示，所述的静触头部件100由静触头101、支架10、连接板9、导体15、枢转轴12、限位轴11、弹簧轴8和弹簧7组成。

静触头101通过静触臂102、枢转轴12，与支架10枢转地连接，以使静触头101能绕枢转轴12灵活摆动。在静触臂102的两侧设有两个限位轴11，在支架10上的两侧设有两个限位槽10d，通过限位轴11和限位槽10d的配合组成限位机构，限定静触头101绕枢转轴12的摆动角度。弹簧7安装在弹簧轴8上，弹簧轴8与支架10固定连接。弹簧7的一端与静触臂102连接，其另一端与支架10的底板10f连接，弹簧7的弹力方向朝向动触头，以驱使静触头能朝动触头201(图中未示出)方向摆动，并给动、静触头提供理想的接触力。当静触头101无弹力以外的外力作用时，它在弹簧7的弹力作用下复位，处于图3a、图3b所示位置。如果静触头101受到电磁排斥力F1(在图1中示出)作用，并且F1大于弹力，则静触头101会向下摆动，其摆动的最大角度受限位槽10d限定，以避免摆动角度过大而使静触头101与其它零部件相撞。支架10通过其上的连接孔10C与连接板9实现机械连接，该机械连接可以是铆接或螺钉连接，也可以将底板10f与连接板9直接焊接在一起。连接板9通过导体15与静触臂102相连，以使它们之间具有良好的电连接性能。连接板9通过其上的接线孔91或接线座(图中未示出)与主电路的进线或出线电连接。在静触臂102的上方并与动触臂202之间，设有用高分子产气材料制成的反射板13，其作用是：在分断短路电流时它会产生气体，使静触臂102与动触臂202之间的空气在狭窄的空间内迅速膨胀，从而产生推动动触臂202断开的气体压力，以增加动触头的断开速度；保护枢转轴12和限位轴11不被电弧烧损。在支架10的两个凸缘10a的内侧分别设有绝缘板14，其作用是防止支架10a的两个凸缘被电弧烧损，同时该绝缘板在电弧的高温作用下还能分解出有利于冷却电弧的优质气体。

从图3a、图3b和图4不难得到如下启发：所述的弹簧7可以是扭簧(如图3a、图3b所示)，但也可以是片簧或压簧；弹簧7可以通过弹簧轴8安装在支架10上，但也可以通过支架10下方的空间固定在灭弧室300上，尤其在使用片簧或压簧的情况，更适宜采用这种结构。

如图4所示，所述的支架10是由两个侧板10g、两凸缘(10a)和一个底板10f组成的U形结构的整体元件，即它们是不可分割的同一体。在两个侧板10g的两端，对称地设有两个孔10e和两个孔10b。孔10e用于安装静触头101上的枢转轴12(在图3a、图3b中示出)。孔10b用于安装弹簧轴8(在图3a、图3b中示出)。通过侧板10g和枢转轴12、弹簧轴8的装配连接，还可起到加强支架10的结构强度的效果。在两个侧板10g的中部，对称地设有两个限位槽10d，用于安装设置在静触臂(102)上的限位轴11(在图3a、图3b中示出)，其作用是限定静触头的静态位置和摆动角度。在底板10f上设有至少一个连接孔10C，用于将底板10f与连接板9(在图3a、图3b中示出)实现紧密的机械连接，该机械连接可以是铆接或螺钉连接，也可以将底板10f与连接板9直接焊接在一起。在两侧板10g的适当位，对称设有两个凸缘10a，通过凸缘10a和底板10f形成U形结构的用于吹弧的磁吹系统。U形结构的开口朝向动触头(201)斥开摆动的方向，以使U形结构开口处的磁力线方向与动、静触头之间的电弧电流的方向垂直。动、静触头的接触点处于U形结构与灭弧栅3之间，以使U形结构的磁力线将电弧吹进灭弧栅3内。支架10用优良的导磁材料制成，以增强吹弧磁场的强度，进而提升磁吹的力度。在两个侧板10g的外侧面的孔10e周围设有向外凸起，用于将支架10与壳体1、壳盖5(在图2中示出)固定和定位。

下面结合图1和图5进一步说明本发明的触头系统的快速分断、限流和灭弧的工作原理。

由于动触头201和静触头101在闭合状态下流经它们的电流i1的方向相反，所以当主电路出现短路等情况使电流i1超过额定值时，主电路的电流i1产生的电磁排斥力F1，能驱使动触头201和静触头101同时迅速斥开，即动触头201迅速作远离静触头101方向摆动，静触头101迅速作远离动触头201方向摆动。由于动、静触头同时斥开，所以加快了斥开速度。由于静触臂102比动触臂202更轻巧，所以它的斥开动作更灵敏，打开速度更快。由于反射板13和绝缘板14能在分断时迅速产生气体，并形成推动动触臂201和静触臂101斥开的气体压力，该压力进一步加大了动、静触头之间的排斥力、进一步加快

由于电磁排斥力和气体压力两力合一，再加上静触头101与动触头201能同时摆动，使动、静触头之间能快速斥开，能快速增大电弧电阻和增高电弧电压，因此，本发明的断路器触头系统，不仅具有分断速度快、限流效果好的优点，而且还具有灭弧快的显著优势，其主要优越性体现在以下四点：

首先是上述两力合一和动、静触头同时摆动斥开的工作原理，它不仅能较早引出电流、提升电弧电压、实现快速分断和快速限流，而且还能增大动、静触头之间的开距，快速将电弧拉长、拉细，破坏电弧的稳定燃烧，使其快速熄灭。

其次是本发明的触头系统具有一个小巧高效的磁吹灭弧系统，即如图5所示的由支架10的U形结构构成的磁吹系统。由于支架10是用优良的导磁材料制成，根据电磁学原理可知：当电弧电流i2如图5所示方向流动时，所述的磁吹系统能产生磁场，其磁力线H的方向与电弧电流i2的方向垂直，而磁力线H对电弧电流i2的作用力F的方向不仅与磁力线H方向垂直，而且也与电弧电流i2的方向垂直，同时还朝向灭弧栅3，从而将电弧推进灭弧栅3内被快速分割、冷却和熄灭。从上述原理可见，本发明的触头系统的分断电流越大，其磁吹灭弧的效果就越显著。

第三是本发明的触头系统很小巧，在有限的空间内很好地解决了静触头部件100的支撑、翻转摆动、摆动限位、弹性复位等一系列技术问题，大大缩小了其所占的灭弧室300的空间，将其腾出的空间用于增加灭弧栅片的数量，从而进一步增强了灭弧的性能。

第四是本发明的触头系统设置在高强度材料制成的由壳体1和壳盖5合成的密封的灭弧室300内，因其良好的限流及灭弧性能，所以使电弧难以从灭弧室飞出，甚至可以达到零飞弧的效果，从而大大提高了电器产品的安全等级，同时还可降低采用本触头系统制造的电器产品的底座和外壳的材料要求和制造成本。

Claims (10)

1.一种断路器的触头系统，它由静触头部件(100)、动触头部件(200)、灭弧室(300)和安装在灭弧室内的灭弧栅(3)组成，所述的动触头部件包括动触臂(202)和动触头(101)，所述的灭弧室(300)由壳体(1)和壳盖(5)经铆钉(2)铆合组成，在所述的静触头部件(100)上带有一个与主电路相连接的连接板(9)，其特征在于：

所述的静触头部件(100)包括一个支架(10)，它与连接板(9)相连接并与灭弧室(300)相固定；一个带有静触臂(102)的静触头(101)，枢转地安装在支架(10)上；一个弹簧(7)，用于给静触头提供闭合接触力并驱使静触头(101)复位；一个限位机构，用于对静触头(101)作摆动限位和静态定位；

所述的静触臂(102)设置在所述的动触臂(202)的下方，使流过静触臂(102)的电流(i1)与流过动触臂(202)的电流(i1)方向相反，以自动产生动、静触头之间的电磁排斥力；

在所述的静触臂(102)上并与动触臂(202)之间，设有用高分子产气材料制成的反射板(13)；

所述的支架(10)用优良的导磁材料制成U形结构，用于形成磁吹系统，当动、静触头在分断过程中出现电弧时，电弧电流(i2)会使所述的U形结构的磁吹系统产生磁场，其磁力线(H)的方向与电弧电流i2的方向垂直，磁力线(H)对电弧电流的作用力(F)的方向不仅与磁力线(H)的方向垂直，而且也与电弧电流(i2)的方向垂直，同时还朝向灭弧栅(3)的方向，该磁场用于将电弧吹进灭弧栅，从而将其快速熄灭；

当电路出现短路等情况使流过触头系统的电流(i1)超过额定值时，依靠电流(i1)产生的电磁排斥力(F1)，使动触头(201)和静触头(101)同时摆动斥开，所述反射板(13)产生优质灭弧气体，该气体与周围空气膨胀在狭窄空间内产生对动触头的气体压力，实现快速分断和限流。

2.根据权利要求1所述的触头系统，其特征在于：

所述的支架(10)是由两个侧板(10g)、两个凸缘(10a)和一个底板(10f)按U形结构形成的一个整体件；

所述的两个凸缘(10a)上设有绝缘板(14)；

两个孔(10e)对称地设置在所述的两个侧板(10g)的一端，用于安装静触臂(102)上的枢转轴(12)，它用于将带有静触臂(102)的静触头(101)枢转地安装在支架(10)上；

两个限位槽(10d)对称地设置在所述的两个侧板(10g)的适当位置，用于安装设置在静触臂(102)上的限位轴(11)，由限位槽(10d)和限位轴(11)组成所述的限位机构，用于实现对静触头(101)在摆动时的限位和在静态时的定位；

所述的U形结构的开口朝向动触头(201)斥开摆动的方向，动、静触头的接触点处于U形结构与灭弧栅(3)之间，以形成将电弧推进灭弧栅(3)的所述的磁力线(H)；

至少一个凸起设置在所述的两个侧板(10g)的外侧面，通过该凸起将支架(10)与灭弧室(300)固定和定位。

3.根据权利要求1所述的触头系统，其特征在于：所述的弹簧(7)是扭簧、压簧或片簧，它通过一个安装结构被安装在支架(10)或灭弧室(300)上，其一端与静触头(101)连接，其另一端与支架(10)或灭弧室(300)连接，通过弹簧(7)作用于静触头(101)上的弹性力，向动、静触头提供理想的工作接触力，并驱使静触头(101)在静态时复位。

4.根据权利要求2所述的触头系统，其特征在于：所述的绝缘板(14)分别设置在所述的U形结构的支架(10)的两个凸缘(10a)的内侧，以防止支架10a的两个凸缘被电弧烧损，同时该绝缘板在电弧的高温作用下还能分解出有利于冷却电弧的优质气体。

5.根据权利要求2所述的触头系统，其特征在于：至少一个连接孔(10c)设置在所述的底板(10f)上，通过连接孔(10c)，将底板(10f)与连接板(9)进行机械连接，该机械连接可以是铆接或螺钉连接，也可以将底板(10f)与连接板(9)直接焊接在一起。

6.根据权利要求2所述的触头系统，其特征在于：所述的孔(10e)是静触头的转动中心，并且向外凸起地设置在两个侧板(10g)外侧面上。

7.根据权利要求2所述的触头系统，其特征在于：所述的支架(10)上的两个凸缘(10a)可以是直的，也可以是带角度的。

8.根据权利要求3所述的触头系统，其特征在于：所述的用于安装弹簧(7)的安装结构是一个用于安装弹簧(7)的弹簧轴(8)和至少一个用于固定弹簧轴(8)的孔(10b)，所述的孔(10b)设置在支架(10)或灭弧室(300)上。

9.根据权利要求3的触头系统，其特征在于：所述的用于安装弹簧(7)的安装结构是一个设置在支架(10)或灭弧室(300)上的槽，所述的槽用于卡住所述的弹簧(7)。

10.根据权利要求2或5所述的触头系统，其特征在于：所述的连接板(9)通过导体与静触臂(102)相连，以使它们之间具有更加理想的电连接性能。

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