CN101390179A - 高压开关的具有用于容纳由切换电弧产生的灭弧气体的加热容积的灭弧室 - Google Patents

高压开关的具有用于容纳由切换电弧产生的灭弧气体的加热容积的灭弧室 Download PDF

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Abstract

用于气体绝缘的高压开关的灭弧室。它包括接触装置(2)，该接触装置(2)具有两个沿轴线(5)可彼此相对运动的电弧触头(3、4)，具有绝缘喷嘴(6)、绝缘辅助喷嘴(11)、加热容积(7)和加热通道(10)。加热通道(10)在绝缘喷嘴(6)和绝缘辅助喷嘴(11)之间部分地轴向延伸，并且将电弧区(9)和加热容积(7)连接起来。加热通道(10)的通入到加热容积(7)中的区段(12)向内相对轴线(5)倾斜。因此在断开短路电流时，在电弧区(9)中形成的热气体(13)以朝向内部的速度分量流入到加热容积(7)中，并且可在接近轴线的区域中深入地进入到加热容积(7)中。因此可以改善在加热容积(7)中由热气体(13)和已存在的冷气体(16、18)所形成的灭弧气体的质量。这种灭弧气体用于吹熄在断开时在电弧区(9)中燃烧的切换电弧(8)。

Description

高压开关的具有用于容纳由切换电弧产生的灭弧气体的加热容积的灭弧室
技术领域
本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分所述的具有加热容积的电压开关的灭弧室。本发明还涉及一种具有这种灭弧室的开关。
背景技术
本文开头所述类型的灭弧室使得在直到几百千伏的电压范围中切断50千安和更高范围中的短路电流成为可能。它包括轴对称构造的且具有两个沿轴线可彼此相对运动的电弧触头的接触装置、绝缘喷嘴、绝缘辅助喷嘴、加热容积和在绝缘喷嘴和绝缘辅助喷嘴之间部分地延伸的且将电弧区和加热容积连接起来的加热通道。在切断短路电流时，容纳高功率的切换电弧的电弧区在切断短路电流时沿轴向方向被两个电弧触头界定，并沿径向方向被绝缘喷嘴和绝缘辅助喷嘴所界定。通过切换电弧所形成的热气体从电弧区通过加热通道引入到轴向地包围着开关件的加热容积中。在该加热容积中，被输入的热气体和已位于其中的冷气体混合，并且当待切断的电流接近过零点时，作为用于吹熄切换电弧的灭弧气体输送到电弧区。
装配有这种灭弧室的高压开关的由灭弧室的介电强度所确定的断路功率与灭弧气体的密度有关，也就是和灭弧气体的压力和温度有关。只要冷热气体彼此混合不完全，这样当短路电流过零点之后在加热容积中还存有热气泡，这些热气泡和灭弧气体一起返回电弧区，并且在那种情况下可能会导致所不希望的回火。
在DE 199 10 66 A1中描述了一种具有轴对称接触装置的本文开头所述类型的灭弧室。在这种灭弧室中，在切断时形成的并且被两个电弧触头轴向界定的电弧区通过轴对称的加热通道和按照环面样式构造的加热容积相通。这个加热通道用相对于对称轴向外倾斜的区段通入到加热容积中。因此，在电弧区中由切换电弧形成的热气体以离开轴线向外导引的速度分量进入到加热容积中。
在由D.Yoshida、H.Ito，H.Kohyama、T.sawada、K.Kamei和M.Hidaka撰写的报告“SF6气体灭弧电路中断路器的电流中断能力的评估”(Evaluation of Current Interrupting Capability of SF6 Gas Blast CircuitBreakers)、关于放气和它的应用的第XIV属国际会议文集(2002年9月2日至6日于利物浦)中指出，当加热容积的沿轴向方向的长度L与垂直于轴线的截面A的平方根之比大约为0.5时，这对于灭弧室的轴向用热气体流入并且包含有冷气的环面形的加热容积的良好混合是有利的。
此外，Georges Gaudert、Pierre Chévrier、Vicenzo Girlando和AntonioLubello在报告“具有非常低的工作能的新的电路断路器245 KV 50 KA50Hz和60Hz“(New Circuit Breaker 245 KV 50 KA 50 Hz and 60 Hz witha vey low operating Energry)(第二属关于HV&MV分变电站设备的欧洲会议—2003年11月20-21日于法国里昂)中描述了一种用于高压断电器的灭弧室。在该灭弧室中为了支持驱动，设置了环面形构造的加热容积。加热通道轴向地汇入这个加热容积。为了改进流入的热气体和已存在的冷气体的混合，在加热容器的通入口处为热气体设置了一些构造成管道并且轴向地被引入到加热容积中的导引部件。
发明内容
正如在权利要求书中所说明的，本发明的任务是提供一种本文开头所述类型的灭弧室。在这种灭弧室中，为了形成在质量上高质的灭弧气体，以简单的方法有效地混合冷气体和在断开时产生的热气体，并且因此保证灭弧室和因此装配有这种灭弧室的开关的良好的断路功率。
在根据本发明的灭弧室和开关中，加热通道的通入到加热容积中的区段向内相对轴线倾斜。
通过这一措施一方面达到流入加热容积的热气体具有向内指向的速度分量，并且沿着加热容积的轴向取向的内壁被引导到沿流动方向轴向地界定加热容积的后壁上。向内指向的速度分量阻止热气流从内壁分离，并且因此使得热气体能在靠近轴线的区域中深入地进入到加热容积中。同时在加热容积中已存在的冷的灭弧气体只以比较小的流动阻力对抗流入的热气体，这样，流入的热气体的速度没有大的降低。由此直到在离加热通道汇入到加热容积中的通入口比较大的距离处，才形成促进热气体和冷的灭弧气体混合的涡旋。由于热气体的粘性小，所以所形成的涡旋在几毫秒的比较大的时间段内在很大程度上保持稳定，这样在这时间段内，冷气体保持在加热通道汇入加热容积的通入口处。当待切断的电流接近过零点时，并且当灭弧气流从加热容积进入灭弧区时，早在灭电弧过程开始时才有冷的灭弧气体供使用，以吹熄切换电弧。这样，并且通过后续流出的具有良好的灭弧特性的灭弧气体—该灭弧气体是由于长时间作用的涡旋的强力混合在加热容积的背向通入口的部分中形成的—保证能成功地中断不同高度和不同持续时间的短路电流。
另一方面通入区段的向内倾斜的走向使得沿径向方向减小加热容积的尺寸成为可能。在其内侧面界定加热通道的绝缘辅助喷嘴在加热通道汇入加热容积的通入口处倒斜面，这样，加热容积的内壁是由灭弧室的电弧触头的具有小直径的触头支架构成。这样就可减小加热容积的外直径，并且因此降低了灭弧室的制造成本。
虽然大的倾斜角使得在经济上有利的减小加热容积的外直径成为可能，然而随着倾斜角的增大，热气气流具有如此的增长趋势，即它提早地由内壁分离。当倾斜角度超过45°时在一定的流动速度下这种分离倾向已经比较明显。当倾斜角度在10°到30°之间时，在同时保持加热容积小的外直径的情况下，曾达到特别好地将加热气体轴向取向地引入到加热容积的内部。
有利地将通入区段按照沿倾斜方向逐渐变细的空心截锥的样式构造。通过实施下述措施可达到这样一种通入区段：
将绝缘辅助喷嘴倒斜面，将绝缘辅助喷嘴固定在前述的电弧触头的触头支架上，将向外界定通入区段的形成了空心截锥的表壳面的锥形表面成型到绝缘喷嘴中，并且固定绝缘喷嘴。
若这个表壳面在从通入区段过渡到加热容积处被构造为环的、尖锐棱边所界定，则这个棱边使热气流从表壳面的分离变得容易，同时还附加地有利于涡旋在加热容积的后壁上的形成。这样，在由小功率的切换电弧产生的弱的热气气流中，肯定在棱边的下游形成促进热气体和冷气体混合的涡旋。这个涡旋在功率弱的切换电弧中导致优质的灭弧气体。通过下述措施达到进一步地改进热气流的导引，并因此也改进灭弧气体的介电特性，即将该尖锐棱边设置在凸缘形式伸入到加热容积中的环上。
若通入区段具有至少两个沿倾斜方向延伸，且沿圆周方向彼此错位设置的分通道，则在很大程度上保留有倾斜的加热通道的有利的效果。这主要是当这些分通道分别具有按照香蕉样式构造的截面轮廓时才有这种情况。
当加热通道在它的整个长度上具有尽可能恒定的横截面时，则加热气体的流动速度在保留有向下指向的速度分量的情况下也能在整个通入区段中保持恒定。这样就减了由于流动的不均匀性而在加热通道中人们所不希望的提前形成涡旋的概率。
若将通入区段构造成沿倾斜方向逐渐变细的空心截锥，则能通过下述措施达到通入区段中的恒定截面，即空心截锥的内表面的倾斜度比它的表壳面的倾斜度更大。加热容积的这样一种尺寸有利于在加热容积的位于通入口处的下游部分中的涡旋的形成和稳定。
若将加热容积构造成环面的形式，并且沿圆周方向具有主要为矩形的截面，并且当环面沿轴向方向的长度和环面沿径向方向的高度之比在1到3之间时，这对于热气体涡旋的形成和稳定，并且因此对于通过热气体和冷气体的混合得到的灭弧气体的质量也是有利的。
附图说明
下面借助附图对本发明的一些实施例进行更加详细的说明。这些附图是：
图1：按照本发明的灭弧室的第一实施方式在轴线以上部分的轴向所作截面的俯视图。
图2：按照图1的灭弧室的沿II-II线所作截面的俯视图，
图3：根据本发明的灭弧室的第二实施方式的和图2相同地所作截面的俯视图，
图4：根据本发明的灭弧室的第三实施方式的和图2相同地所作的截面的俯视图。
图5：根据本发明的灭弧室的第四实施方式在轴线以上部分的轴向所作的截面的俯视图。
具体实施方式
在所有的图中相同的附图标记涉及作用相同的部件。在图1和图2中所示的高压断路器包含壳体1和接触装置2，其中壳体1用压缩的绝缘气体填充，这种绝缘气体大体以六氟化硫、氮、氧或者二氧化碳为基础，或者以这些气体的混合物，例如空气为基础，并且壳体1在很大程度上是轴对称构造的，其中接触装置2被灭弧室壳体1所容纳，并且也是在很大程度上轴对称构造的。从在断开过程期间示出的接触装置2中示出了两个电弧触头3、4。其中，电弧触头3沿轴线5可运动地设置，电弧触头4固定地支承在壳体1中。电弧触头4并非一定得固定设置，它也可运动地构造。这两个电弧触头3、4被绝缘喷嘴6和用于存储灭弧气体的加热容积7同轴地包围。这个加热容积7按照沿圆周方向具有矩形截面的环面样式构造。在额定电压典型地定为200至300千伏，并且额定短路断路电流典型地定为50至70千安的开关中，加热容积7通常能容纳大约1至2升的处于压力下的灭弧气体。
在灭弧室的未示出的接通位置中，电弧触头4的左端部以导电的方式插入到管形构造的电弧触头3的右端部中。在断开时这两个电弧触头3、4彼此分开，并且在这种情况中形成从电弧触头的两个端部引出的电弧8。这个电弧如从图1中可看到地在电弧区9中燃烧。这个电弧区9在轴向上受到两个电弧触头3、4的界定、并且在径向上受到绝缘喷嘴6和绝缘辅助喷嘴11的界定。这个电弧区9和加热通道10相通。这个加热通道10在绝缘喷嘴6和绝缘辅助喷嘴11之间部分地轴向延伸，并且用向内相对轴线5倾斜的区段12通入到加热容积7中。倾斜角度为α。绝缘辅助喷嘴11包括电弧触头3的沿圆周方向由接触突出部所形成的自由端部。
在待断开的电流的半波中，在电弧区9中的压力通常比加热容积7中的压力要大。然后加热通道10将由电弧8产生的热气体输送到加热容积7中。当接近电流的过零点电弧8的加热效果减小时，发生流体反向。在加热容积7中存储的气体作为灭弧气体通过加热通道10流入电弧区9，并且在那里吹熄电弧8，直到这个电弧在电流的过零点中被灭除。
在加热容积7中存储的用于电弧吹熄的灭弧气体的质量，并且因此还有灭弧室的断路功率，与由灭弧气体的压力和温度所决定的气体密度有关。压力和温度主要是由电流强度和切换电弧的持续时间决定的，其中也由加热容积7的形状和容积决定。加热容积7的尺寸仅影响压力的形成，而加热容积7的形状则影响气体的混合，并且因此影响到灭弧气体的温度。灭弧气体的质量也主要与在由电弧区9进入到加热容积7的路途中热气体的流动特性有关。通过下述措施，即通入区段12向内倾斜地进入到加热室7中，则用双箭头13表示的热气体得到向内指向的速度分量，并且沿着电弧触头3的管形的触头支架14被引导到沿流动方向轴向地界定加热容积的后壁15上。这股向内指向的速度分量阻止热气流13从触头支架14分离。这个触头支架形成了加热容积7的轴向取向的内壁，并且在靠近轴的区域中使得热气流13深入地进入加热容积成为可能。由此只是在远离加热通道10通入加热容积7的通入口才产生促进热气体13和冷气体16混合的涡旋。由于热气体的粘性小，所以在形成涡旋中形成的热气涡旋17在几毫秒的比较长的时间段内基本保持稳定，这样在这个时间段内，冷气体18保持在热通道进入加热容积的通入口处。
当待断开的电流接近过零点时，并且当将灭弧气体流从加热容积7引入到电弧区9时，在电弧灭除过程开始时就已将冷气体18作为吹熄切换电弧的特别高效的灭弧气体使用。灭弧气体的后来起作用的部分—这一部分是在加热容积7的后面的部分中通过热气涡旋17和冷气体16的强力混合形成的—在质量上也是高质的，并且如此地保证，即能成功地中断不同高度和持续时间的短路电流。
从图1可以看出，通入区段12的向内倾斜的走向在径向方向上减小了加热容积7的尺寸。可以看到在通入区段12中的绝缘辅助喷嘴11的倒斜面构造。因此加热容积7的内壁是由电弧触头3的具有比绝缘辅助喷嘴11更小直径的触头支架14形成，这样就可减小这个加热容积的决定了加热容积7的容积的外直径。
倾斜角α最大可到45°。当倾斜角更大时热气流有过早地从触头支架14分离的趋势。当倾斜角α在10°到30°之间时在保持加热容积具有小的外直径的同时，可达到将热气体13良好地引导到加热容积7的内部。
在图1和图2所示的根据本发明的灭弧室的实施方式中，通入区段12是按照一种沿倾斜方向逐渐变细的空心截锥的样式构造的。这个空心截锥是通过下述措施达到的，即在形成作为空心截锥的内表面19的锥形表面的情况下将绝缘辅助喷嘴11锥形地倒斜面，将作为截锥的表壳面20的锥形表面成型到绝缘喷嘴11中，并且接着将绝缘辅助喷嘴11固定在触头支架14上，并且将绝缘喷嘴6固定在加热容积7的用附图标记21表示的外壁上。
加热通道10在它的整个长度上具有尽可能恒定的截面。因此，热气体的流动速度在整个加热通道中，特别是也在通入区段12中基本上是恒定的。因此，由于流动的不均匀性在加热通道10中过早地形成所不希望的涡旋的概率是小的。通过下述措施达到在通入区段12中的恒定的截面，即表面19的倾斜度比表面20的更大。
从图1中看到，表壳面20在从通入区段12到加热容积7的过渡处受到构造为环的尖锐棱边22的界定。这个棱边使得热气流13和表壳面20的分离变得更加容易，并且因此有利于涡旋17在加热容积在后壁15上的形成。棱边22的半径典型地为0.1至1毫米。
在根据图5的灭弧室的实施方式中，这个棱边22设置在凸缘的形式伸入到加热容积中的环23上。这个环23的任务是将通入区域中的热气流13进行更好的导引。
代替空心的截锥也可将通入区段12另行构造。从图3和图4中可以看到，通入区段可以具有沿圆周方向彼此错位设置的分通道12’(图3)和12”(图4)。这些分通道可以具有如图3所示的大体为圆形的截面，或者如图4看到的按照香蕉样式构造的截面轮廓。
若在加热通道7中，环面在轴向方向的长度和环面在径向方向的高度之比在1到3之间时，这对通过热气体和冷气体混合所取得的灭弧气体的质量是有利的。
附图标记表
1  壳体
2  接触装置
3、4  接触件
5  轴线
6  绝缘喷嘴
7  加热容积
8  电弧
9  电弧区
10 加热通道
11 绝缘辅助喷嘴
12 通入区段
12’、12” 分通道
13 热气体(流动)
14 触头支架
15 后壁
16、18 冷气体
17 (热气)涡旋
19 内表面
20 表壳面
21 外壁
22 棱边
23 环

Claims (12)

1.用于气体绝缘的具有接触装置(2)的高压开关的灭弧室，包括两个沿轴线(5)能彼此相对运动的电弧触头(3、4)、绝缘喷嘴(6)、绝缘辅助喷嘴(11)、加热容积(7)以及在绝缘喷嘴(6)和绝缘辅助喷嘴(11)之间部分地轴向延伸的、将电弧区(9)和加热容积(7)连接起来的加热通道(10)，其特征在于，加热通道(10)的通入到加热容积(7)中的区段(12)向内相对轴线(5)倾斜。
2.按照权利要求1所述的灭弧室，其特征在于，倾斜角(α)最大为45°。
3.按照权利要求2所述的灭弧室，其特征在于，倾斜角(α)在10°到30°之间。
4.按照权利要求1至3中任一项所述的灭弧室，其特征在于，通入区段(12)构造成沿着倾斜方向逐渐变细的、空心截锥的形式。
5.按照权利要求4所述的灭弧室，其特征在于，空心截锥的径向向外界定了通入区段(12)的表壳面(20)在从通入区段(12)进入到加热容积(7)的过渡处被构造成环的、尖锐的棱边(22)所界定。
6.按照权利要求5所述的灭弧室，其特征在于，尖锐的棱边(22)设置在环(23)上，该环(23)构造成伸入到加热容积(7)中的凸缘的形式。
7.按照权利要求1至3中任一项所述的灭弧室，其特征在于，通入区段(12)具有至少两个沿倾斜方向延伸的并沿圆周方向彼此错位设置的分通道(12’，12”)。
8.按照权利要求7所述的灭弧室，其特征在于，所述分通道(12”)分别具有按照香蕉样式构造的截面轮廓。
9.按照权利要求1至8中任一项所述的灭弧室，其特征在于，加热通道(10)在它的整个长度上具有尽可能恒定的横截面。
10.按照权利要求9所述的灭弧室，其特征在于，在将通入区段(12)构造成沿倾斜方向逐渐变细的空心截锥的情况下，该空心截锥的内表面(19)的倾斜度比其表壳面(20)更大。
11.按照权利要求1至10中任一项所述灭弧室，其特征在于，加热容积(7)构造成环面的形式，并且沿圆周方向具有主要为矩形的截面，其中环面沿轴向方向的长度与环面沿径向方向的高度之比在1到3之间。
12.高压开关，具有按照权利要求1至11中任一项所述的灭弧室。
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