CN101404229B - 具有两个压缩体积的断路器灭弧室 - Google Patents

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Abstract

一种灭弧室(100)，包括在打开断路器的操作的开始位置和结束位置之间可轴向移动的活动组件(138)，并且包括：第一压缩室(106)；中空的驱动管(108)，具有用于将驱动管内部和灭弧室外部连通的端口(136)；第二压缩室(120)；以及用于从打开断路器的操作的开始位置直到中间位置阻塞驱动管中的端口的装置(124，134)，该中间位置在两个弧触头彼此分开的位置和打开断路器的操作的结束位置之间。

Description

具有两个压缩体积的断路器灭弧室
技术领域
本发明涉及用于电力断路器的灭弧室(interrupting chamber)领域，尤其涉及具有两个压缩体积的灭弧室。本发明特别适用于使用高压的场合，尤其是当电压大于或等于大约72.5千伏(kV)时。
背景技术
在断路器领域，尤其是电力断路器领域，耗费尽可能小的操作能量来中断电流是很重要的，不管是诸如短路中的故障电流，还是诸如空载线路电流的负载电流。文献US4559425和US3975602公开了带有自动灭弧的断路器，其中压缩有绝缘气体，从而允许熄灭在断路操作或打开断路器的操作期间于弧触头间形成的电弧。一般来说，由作用于灭弧室中的移动部件(诸如活塞)上的驱动部件完成该压缩。那些断路器也可以利用由电弧提供的热形式的能量，从而与传统的气体压缩型断路器相比，减少了从外部输入的能量的消耗。在这种类型的断路器中，实施压缩的灭弧室中的移动部件的冲程近似与断路器的额定电压成比例。额定电压越高，尤其是当该电压大约高于245kV时，需要的冲程就越长，并且这也增加了断路器断开电路所需要的能量。
然而，为了断开大电流，即电流值大约大于断路器指定的断开功率值的30％的电流，没有必要在整个打开断路器的操作期间压缩气体，这是因为由电弧提供的能量足够熄灭电弧并断开它，而不需要完全完成压缩冲程。文献EP0897185和EP0591039公开了带有自动灭弧和压缩冲程减短的断路器。这些断路器仅在部分冲程中进行气体压缩。然而，当电流很小时，例如小于或等于断开功率值的30％，电弧提供的能量比大电流时电弧提供的能量小得多，另外如果燃弧时间很长(在大约13毫秒(ms)到大约20ms的范围内)，就会有气体的吹动不足以确保断开电流的风险。
文献FR2892851公开了一种用于断路器的灭弧室，其包括在打开断路器的操作期间相互配合的两个压缩室。当第一压缩室中的压力低于第二压缩室中的压力时，在打开断路器的操作的部分期间，第二压缩室将绝缘流体注入到第一压缩室中。
在该特别的灭弧室中，在断开大电流的操作期间，两个压缩室之间的协作用于保留缩短压缩冲程的优点，这是由第一压缩室实现的，同时在断开小电流的操作期间，它执行断开操作而不需要无意义地增加外部输入的能量的消耗，而不管燃弧时间，尤其是在燃弧时间很长时。
当连接到断路器的电力线路在一端打开时，或者当调节功率交换的电容器连接到电网时，还会存在称为容性电流的电流。断开那些诸如电流值低于500安培(A)的电流是大部分断路器必须执行的操作。如果断路器上跨接的电压大于电网施加的恢复电压时，就断开这种容性电流。
然而，在断开容性电流的操作过程中，如果电流断开之后，触头间的绝缘强度小于电网施加的恢复电压，则在断路器上尤其是在断路器的弧触头之间会发生电击穿。如果该击穿在对应于电流断开的瞬间和在断开瞬间后施加在断路器上的电网电压的四分之一周期末端之间发生，那么它将再次激活断路器。这种再激活没有在电网中产生电压浪涌，但是会给诸如用于断路器管嘴的绝缘带来损害。
如果该击穿迟于在断开瞬间后施加在断路器上的电网电压的四分之一周期发生，那么该击穿将再启动断路器，从而出现在电网中产生过多浪涌的风险，其会给连接到电网的设备带来严重的损害。因此，在国际标准规定的测试中禁止这种再激活。
发明内容
本发明的目的是提出一种特别用于电力断路器中的灭弧室，该灭弧室对于强和弱电流都能断开，同时不管燃弧时间多长，都不需要无意义地增加断路器从外部输入的能量的消耗，并且其也优化了容性电流的断开。
为了那个目的，本发明提出了一种用于断路器且填充了绝缘流体的灭弧室。灭弧室包括在打开断路器的操作的开始位置和结束位置之间轴向移动的活动组件。
活动组件还包括至少一个第一压缩室，其体积在打开断路器的操作的开始位置和对应于在第一压缩室中的压缩过程完成的位置之间缩小。
活动组件还包括中空的驱动管，在其一端具有适于与第二触头配合的至少一个第一弧触头，并且还具有用于将驱动管的内部和灭弧室的外部连通的端口，在对应于两个弧触头分开的位置和打开断路器的操作的结束位置之间，驱动管的内部连通于第一压缩室。
活动组件还包括第二压缩室，在其第一末端处与第一压缩室连通，并且其体积在相应于触头分开的位置和打开断路器的操作的结束位置之间缩小，第二压缩室适于当第一压缩室中的压力低于第二压缩室中的压力时，在对应于两个弧触头分开的位置和打开断路器的操作的结束位置之间将绝缘流体注入到第一压缩室中。
活动组件还包括用于从打开断路器的操作的开始位置直到中间位置阻塞驱动管中的端口的装置，该中间位置在对应于两个弧触头分开的位置和打开断路器的操作的结束位置之间。
在该灭弧室中，在打开断路器的操作的结束位置之前到达对应于第一压缩室中的压缩过程完成的位置，并且在第一压缩室中的压缩过程完成之后到达对应于第二压缩室中的压缩过程完成的位置。
在断开大电流的操作期间，两个压缩室之间的配合保留了缩短压缩冲程的优点，这是由第一压缩室实现的，同时在断开弱电流的操作中，不管燃弧时间多长，尤其当燃弧时间很长时，其能够不需要任何无意义地增加断路器从外部输入的能量的消耗而断开电流。
在这个方面，当电流微弱且燃弧时间很长时，第二压缩室能够维持熄弧的能力，首先由第一压缩室来进行熄弧，并且持续整个燃弧时间，因此，由于在整个熄弧期间都利用了电弧提供的能量，所以避免了过度消耗外部输入的能量。
灭弧室可以包括第一压缩体积，当发生在该体积的压缩结束时，第一压缩体积变为用来熄灭电弧的热膨胀体积，并且它还包括第二压缩体积。仅在活动组件的整个冲程期间的第一段期间，通过移开弧触头，第一压缩室可以快速地达到过压状态。因此，在缩短的压缩冲程期间执行第一室中的压缩，使得压力快速增长，并且灭弧性能优于在整个冲程中进行压缩的设备。如有必要，则第二压缩室执行动作，从而使得在弧触头执行的移动结束时促使电弧熄灭。
首先，压缩在第一室中完成，然后在第二室中，第二室具有活塞，其横截面小于第一室中的活塞，并且在第二室中，在触头的移动结束时达到最大的过压，这些方面使得在灭弧室的操作中使用的能量减少。
这样，本发明的灭弧室在断路器中的使用，例如，使只需要很小的能量使用包括弹簧机构的驱动部件成为可能。
另外，从打开断路器操作的开始位置直至中间位置，阻塞驱动管中的开口的装置是通过将弧触头中的一个与管嘴分开(该弧触头和管嘴配合以在其末端处封闭第一压缩室)实现，该中间位置处于对应于两个弧触头分开的位置和打开断路器的操作的结束位置之间、或者处于对应于两个弧触头分开的位置和对应于第一压缩室打开的位置之间，该装置使得与第一压缩室同时和在弧触头分开之前，驱动管的体积处于过压力状态，并且还使得在触头分开之后，该过压基本保持几微秒，从而可能在弧触头之间发生电击穿的整个关键时期中在弧触头之间维持高气体浓度，所有这些事件都不需要考虑燃弧时间。因此，该气体浓度的增加阻止了电击穿的发生。形成在驱动管中的端口阻塞使得在该关键期间避免电弧穿过端口。
上述的方案尤其可适用于容性电流的断开特别关键的场合，也就是说，当该方案在最短的燃弧时间内执行时，例如燃弧等于或少于1ms，因为当恢复电压达到最大值(例如断开50赫兹(Hz)的电网电流瞬间之后的10ms)时弧触头彼此最接近，从而增加了绝缘击穿的风险。第一室中和驱动管中的高绝缘气体浓度减少了该风险。
当不再阻塞端口时，它们将驱动管的内部和灭弧室的外部相连通，并且恢复了用于断开大电流的完全熄灭。
设置用于阻塞驱动管的相关端口的装置的尺寸和位置从而在对应于两个弧触头分开的位置之后经过大约2ms到大约7ms的时间，达到中间位置。这段时间过后，弧触头彼此远远分开，从而消除了在弧触头之间发生电击穿的危险。
阻塞驱动管端口的装置可以包括设置在驱动管中的至少一个偏转器。
偏转器可以相对驱动管移动。
第一压缩室可以包括至少一个第一管状元件。
第二压缩室可以包括至少两个同轴的第二管状元件。两个第二管状元件中的一个部分地构成驱动管。
然后第二压缩室可以在其第二端处由至少一个套筒封闭，该至少一个套筒设置在两个同轴的第二管状元件之间。阻塞驱动管中的端口的装置可以包括套筒。
驱动管可以相对套筒移动。
第一压缩室可以在其一端处包括管嘴，该管嘴适于与第二弧触头配合，用于在所述中间位置和打开断路器的操作的结束位置之间实现第一压缩室的开放。
第二压缩室可以通过一个阀与第一压缩室相连通。
第一和第二弧触头可以相对于彼此轴向移动。
本发明还提供了一种包括如上面所述的灭弧室的断路器。
附图说明
通过参照附图来阅读实施方式的描述，本发明将得到更清楚的理解，实施方式仅以示例性而非限制性的方式给出，其中：
图1到5示出了根据本发明在一个特别实施方式中在打开断路器的操作的每个步骤过程中的灭弧室。
图6示出了也根据本发明的断路器，其包括根据本发明的灭弧室。
在下面描述的各个附图中，相同、相似或相互等价的部件带有相同的附图标记，以方便从一个附图到另一个附图。
在附图中示出的各种部件没有必要画成统一的规格，以使附图更容易被阅读。
可以理解的是，各种可能性(例如，不同的变形或实施方式)并非相互排斥，而是可以组合到一起。
具体实施方式
图1示出了一个特别实施方式中的灭弧室100。在该图中，灭弧室100处于其啮合位置，也就是说灭弧室100处于断路操作的开始位置，也就是说处于打开包括灭弧室100的断路器的操作的开始。
灭弧室100具有外壳102，其填充有处于压力下的绝缘流体，这里为绝缘气体。该气体例如可以为六氟化硫(SF6)、氮气(N2)、干燥空气、二氧化碳(CO2)或者混合气体。
灭弧室100包括第一管形元件104，其组成第一压缩室106。特别地，第一压缩室106在第一端被驱动管108封闭。第一管形元件104在第一压缩室106的第二端的区域中界定了管嘴110。灭弧室100还具有第一弧触头和第二弧触头，分别为112和114，它们可以沿着轴线AA彼此相对移动。在图1中，第二弧触头114与管嘴110配合从而在其第二端封闭第一压缩室106。在这里描述的特别实施方式中，第一弧触头112是可移动的而第二弧触头114是固定的。将第一弧触头112设置在第一压缩室106内，这里，第一弧触头112在一端与驱动管108形成一体。
灭弧室100包括至少两个第二管形元件116和118，它们相对于轴线AA同轴。两个第二管形元件中的一个管形元件116部分构成驱动管108。处于两个管形元件116和118之间的空间界定出了第二压缩室120。典型地，第二压缩室120的体积小于第一压缩室106的体积。在图1中，第二压缩室120与第一压缩室106通过至少一个阀122在第一端处相连通，阀122例如为单向阀并且与驱动管108配合。阀122仅在第二压缩室120中的压力大于第一压缩室106中的压力时才打开。第二压缩室120在其第二端处通过套筒124封闭，套筒124包括填充阀126，填充阀126在打开断路器的操作之后使用，从而当灭弧室100返回到它的啮合位置时，气体能进入第二压缩室120中。
灭弧室100还包括永久触头128和130，其使得当灭弧室100处于其啮合位置时电流流过断路器。类似于弧触头112和114，永久触头128和130可沿着轴线AA彼此轴向移动。在这里描述的实施方式中，仅有与第一管形元件104配合的触头130是可移动的。
将第一管形元件104连接到杆132，由此，用于操作断路器的装置(没有在图1中示出)能打开断路器。该杆132被固定到偏转器134，偏转器134设置在驱动管108内并且这里设置在第二管形元件116内，并且在驱动管108的一个端部封闭驱动管108的内部，另外一个端部被弧触头112和114封闭。偏转器134也可以沿着轴线AA相对于驱动管108移动。
端口136贯穿第二管形元件116形成，并且使得驱动管108的内部与外壳102的其余部分相连通。在图1中，这些端口136被偏转器134和套筒124阻塞。
第一管形元件104、驱动管108、第二管形元件116和118、杆132以及偏转器134一起组成了活动组件138，其适于在打开断路器的操作或断路操作期间在外壳2中沿着轴线AA移动。
图2示出了灭弧室100处于对应于第一压缩室106中的压缩结束的位置。在该位置，与图1示出的啮合位置截然不同，第一管形元件104、杆132和偏转器134通过接合到杆132的操作装置(没有示出)沿着轴线AA移动。
这里，因为驱动管108和第二管形元件116和118保持静止，所以第一管形元件104的移动减少了第一压缩室106的体积，由此增加了第一压缩室106中的压力。为了使驱动管固定不动，可以使用如文献FR2892851的图2A中示出的金属球；但是，其他装置也是可能的。
一般来说，在打开断路器的操作的这部分期间进行的轴向移动冲程大约为在打开断路器的操作中整个轴向冲程的三分之一到二分之一。
在图2中，永久触头128和130不再彼此接触，与之相反，弧触头112和114仍然彼此接触。因此，在对应于第一压缩室106中的压缩结束的位置，电流继续仅通过弧触头112和114。因此，弧触头112和114在第一压缩室106的整个压缩阶段都保持彼此接触。
另外，在打开断路器的操作的这部分期间，偏转器134在驱动管108内轴向移动，这里越过了一段等同于第一管形元件104移动过的距离。在图2中，偏转器134不再阻塞端口136。然而，端口136仍然被套筒124阻塞。
图3示出了在弧触头112和114彼此分开之后的灭弧室100。与对应于第一压缩室106中的压缩结束的位置相比，活动组件138沿着轴线AA相对于断路器的固定元件移动，在这里，固定元件是第二弧触头114、永久触头128以及套筒124。在图3中，弧触头112和114不再彼此接触。驱动管108与第二管形元件116和118一起被第一管形元件104驱动以沿着轴线AA移动。
在断路操作中，弧触头112和114彼此分开使得在两个弧触头112和114之间产生了电弧，并且使得第一压缩室106的体积与驱动管108内的体积相连通。在该位置，端口136被套筒124阻塞，但是不再被偏转器134阻塞。因此，第一压缩室106界定的体积和驱动管内的体积在第一端处由偏转器134和套筒124封闭，同时在第二端处，它被与管嘴110配合的第二弧触头114封闭。与在图2中示出的位置相比较，第二压缩室120的体积也由于管形元件116和118相对于套筒124的移动而缩小，从而增加了第二压缩室120中的压力。若是第一压缩室106中的压缩操作已经完成，并且气体压缩仅在第二压缩室中实现，那么用于活动组件138移动的能量小于用于在第一压缩室106中进行的压缩而使用的能量。
当断开容性电流(容性电流的值例如小于大约100A)时，那么，若是端口136仍然被套筒124阻塞，将在第一压缩室106中和驱动管108中出现高的绝缘气体浓度。该高气体浓度阻止在弧触头112和114之间发生任何电击穿。这里获得的端口136的阻塞能够在触头之间的距离没有大到足以断开大电流的时期内，避免气体不必要地泄漏到驱动管108的内部并逸出端口136。
图4示出了处于端口136不再被阻塞的位置的灭弧室100。由此，第一压缩室106界定的体积和驱动管的内部体积仍然在其第二端处被管嘴110和第二弧触头114封闭，但是在其第一端处通过不再被阻塞的端口136而开放。
由此，从一中间位置起端136不再被阻塞，该中间位置对应于在图3所示的位置和图4示出的位置之间的位置，或对应于在弧触头变成彼此分开的位置和打开断路器的操作的结束位置之间的位置、或对应于再一次在弧触头变成彼此分开的位置和第一压缩室106由于管嘴110和第二弧触头114彼此分开而开放的位置之间而达到的位置。
对应于从两个弧触头112和114变成彼此分开的位置到中间位置经历的这段时间可以由端口136、偏转器134和套筒124的尺寸，以及这些元件相对彼此的位置来调节。特别地，这段时间可以通过这样一种方式调节：在两个弧触头112和114变成分开的位置之后，这段时间处于施加到断路器的电网电压的大约四分之一周期和大约二分之一周期的时间段内。例如，当电网电压的频率为50Hz时，这段时间处于大约5ms到10ms的范围内，并且当电网电压的频率为60Hz时处于大约4.2ms到8.3ms的范围内。优选这段时间以这样一种方式调节：在两个弧触头112和114变成相互分开的位置之后，这段时间处于大约2ms到7ms的范围内。由此，在这段时间结束之后，由于弧触头112和114之间的距离使得在断开容性电流的操作期间，弧触头112和114之间不再存在任何电击穿的危险，所以端口136不再被阻塞。这种方式尤其应用在容性电流的中断特别关键的地方，也就是说，作用的燃弧时间最短的场合，例如，燃弧时间等于或小于大约1ms，这是由于在这种情况下，电弧中断之后，弧触头在断路之后于一个给定的时间段内彼此最接近。
图5示出了处于打开断路器的操作的结束位置的灭弧室100，该位置对应于第二压缩室120中的压缩结束的位置。
当在短路中断开故障电流时，当弧触头114不再与管嘴110配合以封闭第一压缩室106时，熄灭电弧。在这点上，当第一压缩室106在管嘴110的区域内开放时，在第一压缩室106中产生的过压使得包含在第一压缩室106中的气体的体积通过管嘴110泄漏到外壳102中。
如果电弧持续时间短，则第一压缩室106产生的吹气足够熄灭电弧。
如果电弧持续时间长，并且电流值接近故障值，则电弧施加的能量就足够大以用于由第一压缩室106产生吹气来熄灭电弧。
通过对比，如果电弧持续时间长，并且电流值很小，也就是说它小于故障值的30％，那么电弧施加的能量就没有足够大到用于由第一压缩室106产生吹气来熄灭电弧。那么，在第一压缩室106中的气体减压之后电弧仍然存在。于是，第一压缩室106中的压力小于第二压缩室120中的压力，这就致使阀122打开。然后，将一些气体吹入第二压缩室120，并且这种吹气一直持续到活动组件138到达冲程的末端或者电弧熄灭。
在图5中可以看出，死体积(dead volume)保留了下来，其中可以保存压缩气体，从而它可以在室106中的压力缩小时有助于吹气。
本发明进一步提供了一种断路器200，其在图6中示出，它包括上面描述的灭弧室100。例如，该断路器200为用于高压或中压的电力断路器，也就是说它是用于大于大约52kV的电压的断路器。灭弧室100与驱动部件202接合，驱动部件202执行在灭弧室100中的压缩操作和断路器200的打开操作。
虽然已经详细描述了本发明的一些实施方式，但是，可以理解的是，可以应用不同的变形或修改，这并没有脱离本发明的范围。
也有可能提供在打开断路器的操作期间以与活动组件相反的方向移动第二弧触头的装置。当两个弧触头都是可移动的时候，也可以以相同方式应用所描述的原理。

Claims (13)

1.一种灭弧室(100)，其用于断路器(200)中且填充了绝缘流体，其包括：
活动组件(138)，其在打开该断路器(200)的操作的开始位置和结束位置之间轴向移动，活动组件包括：
a)第一压缩室(106)，其体积在打开断路器(200)的开始位置和相应于在第一压缩室(106)中的压缩过程完成的位置之间缩小；
b)中空的驱动管(108)，其在一端具有适于与第二弧触头(114)配合的至少一个第一弧触头(112)，并且还具有用于将驱动管(108)的内部和驱动管(108)的外部连通的端口(136)，在对应于第一弧触头(112)和第二弧触头(114)分开的位置和打开断路器(200)的操作的结束位置之间，驱动管(108)的内部连通于第一压缩室(106)；
c)第二压缩室(120)，在其第一端处与第一压缩室(106)连通，并且其体积在打开断路器(200)的操作的开始位置和结束位置之间缩小，第二压缩室(120)适于当第一压缩室(106)中的压力低于第二压缩室(120)中的压力时，在对应于第一弧触头(112)和第二弧触头(114)分开的位置和打开断路器(200)的操作的结束位置之间将绝缘流体注入到第一压缩室(106)中；以及
d)用于从打开断路器(200)的操作的开始位置直到中间位置阻塞驱动管(108)中的端(136)的装置(124，134)，该中间位置在对应于第一弧触头(112)和第二弧触头(114)分开的位置和打开断路器(200)的操作的结束位置之间；
在打开断路器(200)的操作的结束位置之前到达对应于第一压缩室(106)中的压缩过程完成的位置，并且，在对应于第一压缩室(106)中的压缩过程完成的位置之后到达对应于第二压缩室(120)中的压缩过程完成的位置。
2.根据权利要求1的灭弧室(100)，其中，用于阻塞驱动管(108)的相关端口(136)的装置(124，134)的尺寸和位置被设计成在对应于第一弧触头(112)和第二弧触头(114)分开的位置之后经过2ms到7ms的时间达到中间位置。
3.根据权利要求1的灭弧室(100)，其中，用于阻塞驱动管(108)的端口(136)的装置包括设置在驱动管(108)内的至少一个偏转器(134)。
4.根据权利要求3的灭弧室(100)，其中，偏转器(134)可相对于驱动管(108)移动。
5.根据权利要求1的灭弧室(100)，其中，第一压缩室(106)包括至少一个第一管形元件(104)。
6.根据权利要求1的灭弧室(100)，其中，第二压缩室(120)包括至少两个同轴的第二管状元件(116，118)，其中一个第二管状元件(116)部分构成驱动管(108)。
7.根据权利要求6的灭弧室(100)，其中，第二压缩室(120)在其第二端处由设置在两个同轴的第二管状元件(116，118)之间的至少一个套筒(124)封闭。
8.根据权利要求7的灭弧室(100)，其中，阻塞驱动管(108)中的端口(136)的装置包括套筒(124)。
9.根据权利要求7的灭弧室(100)，其中，驱动管(108)可以相对套筒(124)移动。
10.根据权利要求1的灭弧室(100)，其中，第一压缩室(106)在其一端处包括管嘴(110)，该管嘴(110)适于与第二弧触头(114)配合，从而在所述中间位置和打开断路器(200)的操作的结束位置之间限定第一压缩室(106)的开放。
11.根据权利要求1的灭弧室(100)，其中，第二压缩室(120)通过至少一个阀(122)与第一压缩室(106)相连通。
12.根据权利要求1的灭弧室(100)，其中，第一和第二弧触头(112，114)可以相对于彼此轴向移动。
13.一种断路器(200)，包括根据权利要求1的灭弧室(100)。
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