CN101425424A - 一种螺纹线圈纵向磁场电极的真空开关管 - Google Patents

Abstract

一种螺纹线圈型纵向磁场电极真空开关管，本发明涉及真空开关技术领域。本发明的目的是提出一种螺纹线圈型纵向磁场电极布置结构的真空开关管，使之较好的解决电流导通能力与短路电流开断能力之间的矛盾。它由动、静导电杆、螺旋圈、螺旋槽、动、静触头组成导电回路，本发明所述线圈为螺旋体形状，布置在动、静导体上的两个螺纹线圈的旋向是相同的，连接两个螺纹线圈的动、静触头呈相对纵向布置。本发明产生的纵向磁场使带电开断时触头间产生的真空电弧保持在非聚集状态，在外电路的电流过零点，真空电弧熄灭，完成电路的开断。

Description

一种螺纹线圈纵向磁场电极的真空开关管

技术领域

本发明涉及真空开关技术领域。具体地说是利用集肤效应设计的一种螺纹线圈纵向磁场电极的真空开关管。

背景技术

在本发明提出之前，本领域的技术人员十分清楚，真空开关管也叫真空灭弧室，是利用密封在真空中的一对电极，例如有触头或触头及磁场产生结构组成，在操动机构的驱动下，完成电路的接通与分断的电真空器件。断路器用的真空开关管为了具有更大的开断电流，靠简单的平板电极，例如饼状的金属材料触头已经不能满足要求，为此先后有平板横向磁场电极，例如就是在触头上加工出螺线槽、弧线槽、直槽、拐角槽，槽的方向一正一反，螺旋槽跑弧面环形横向磁场电极，杯状横向磁场电极，杯状纵向磁场电极，马蹄铁芯纵向磁场电极，线圈型-例如1/2匝线圈、1/3匝线圈、1/4匝线圈等，纵向磁场电极等被开发出来。靠横向磁场的快速旋弧及纵向磁场的抗电弧聚集作用来避免电极的触头表面被过度加热烧蚀来使真空开关管具有较大的开断电流，几乎所有的开断能力在6kA以上的真空开关管都采用了具有横向或纵向磁场结构的电极。[*参考文献：<<王季梅主编真空灭弧室设计、制造及其应用>>西安交通大学出版社，1993年]

另外，真空开关管额定电流导通能力(其特征值是回路电阻，回路电阻大的其额定电流导通能力差)与开断能力(其特征值是额定短路开断电流简称开断电流，开断电流大的其开断能力强)的矛盾一直未被很好解决，下面简单对现有的电极结构进行简单对比：

a).平板触头及平板横向磁场电极，回路电阻较小，其开断能力也较小。

b).螺旋槽跑弧面环形横向磁场电极，回路电阻较小，其开断能力也较小。

c).杯状横向磁场电极，回路电阻较小，其开断能力也较小。

d).杯状纵向磁场电极，回路电阻一般，其开断能力也一般。

e).马蹄铁芯纵向磁场电极，回路电阻较小，其开断能力也一般。

f).线圈型纵向磁场电极，回路电阻较大，其开断能力较大，在相同直径下，是目前所有结构电极中开断能力最大的。

横向磁场电极其磁场产生部分的导电体截面较大，长度较短，所以具有比较小的回路电阻，可以通过较大的额定电流，但由于无法避免触头表面的融化、烧蚀，所以开断能力受到限制。目前还未见到开断能力在63kA及其以上的横向磁场电极的真空开关管；纵向磁场电极由于纵向磁场将开断过程中触头间产生的真空电弧保持在非聚集状态，电弧烧蚀小于横向磁场电极，并避免了触头表面在真空电弧作用下融化及烧蚀，具有较大的开断能力，但由于是靠连接触头的导体的形状使电流产生圆周分量来产生磁场，这部分导体的截面不能太大，长度不能太短，所以其回路电阻也较大，制约了其额定电流的大小；马蹄铁芯纵向磁场电极，具有和平板电极相近的较小回路电阻，但由于所采用的电工纯铁具有较大的磁滞后效应，在开断电流大的时候由于滞后的磁场影响了电弧熄灭后触头间的消电离，造成开断失败，所以该结构的开断能力一般。

发明内容

本发明的目的是提出一种螺纹线圈纵向磁场电极布置结构的真空开关管，使之达到与平板电极同样低的回路电阻及与纵向磁场电极同样强的开断能力，较好的解决电流导通能力与短路电流开断能力之间的矛盾。

为了实现本发明的目的，设计人充分利用电流集肤效应的原理提出了螺纹线圈纵向磁场电极真空开关管的导电部分的结构，如附图所示，它由动导电杆、螺旋圈、线槽、动触头、静触头、静导电杆组成，本发明所述线圈为螺旋体形状，布置在动、静导体上的两个螺纹线圈的旋向是相同的，连接两个螺纹线圈的动、静触头呈相对纵向布置，本发明附图所示，为真空开关管处于分闸状态，动静触头之间的距离d为真空开关管的开距。螺纹线圈是在动、静圆柱导体的表面加工出一个具有一定宽度a，一定螺距t，一定深度一定圈数的螺旋状的槽，槽的宽度a一般取在1～10mm之间，太小不容易加工，太大会增加螺纹部分的高度，同时会降低动静触头间的磁场；槽与槽之间的距离t一般为5～30mm，太小会降低螺纹部分的强度，太大会增加螺纹部分的高度，同时会降低动静触头间的磁场；槽的深度一般为螺纹部分外直径的15％～45％，太小会降低磁场，太大会降低螺纹的强度；螺旋槽的圈数对应12kV的真空开关管可以取1～3圈而35kV及以上的真空开关管可以取2～8圈。螺纹线圈部分可以在动/静导电杆上直接加工出螺旋槽，将有槽的端与动/静触头焊接，也可以将有螺旋槽部分单独加工成一个零件，然后将此零件与动静导电杆及动静触头焊接在一起。

本发明工作原理：在真空开关管的合闸状态导通额定电流时，动静触头处于接触状态，电流按动导电杆1→螺纹线圈2→动触头4→静触头5→螺纹线圈2→静导电杆6的路径流过，螺旋线圈的中间部分是体电阻很小的圆柱导体，流经路线从上到下基本上是直线，导电路径短，导电截面大，故从1到6的回逯电阻比较小；在真空开关开断时，动触头在操动机构的驱动下向上运动，与静触头分离，并处于与静触头距离为d的位置，电流流经路径为1→螺纹线圈2→动触头4→动静触头间的真空电弧7→静触头5→螺纹线圈2→静导电杆6，导体在流过电流时，导体靠近表面的电流密度会比导体中心的电流密度大，电流越大差异越大，这是电流的集肤效应，这时会有一部分电流沿螺纹线圈部分流过，形成螺旋形的路径，会在螺纹线圈的内部及外部产生与螺旋的中心轴线平行的磁场，也就是纵向(轴向)磁场，动静触头两边的螺纹线圈的旋向是相同的，产生的磁场的方向也是相同的，相互叠加在动静触头间产生更强的纵向磁场，电流越大，集肤效应越明显，更多比例的电流会流经螺纹部分，单位电流会产生更强的纵向磁场，特别是在流过数值很大的短路电流时，触头间会产生很强的纵向磁场，满足真空开关管开断对纵向磁场强度的要求。纵向磁场时真空电弧保持在非聚集状态，在外电路的电流过零点，真空电弧熄灭，完成电路的开断。

本发明与现有技术作对比，不难发现本发明的优越性显著。本发明螺纹线圈电极的导电由线圈中间部分的圆柱导体完成，磁场产生由螺纹部分完成，两部分在结构上成为一体，在功能上各司其职，可按要求设置到最佳参数。与平板触头相比，较短的电流路径及较大的导电截面具有同样小的回路电阻，由于能够出生纵向磁场，具有比平板触头更大的电流开断能力；与螺旋槽跑弧面环形横向磁场电极相比，具有较小的回路电阻及更大的电流开断能力；与杯状横向/纵向磁场电极相比，具有较小的回路电阻及更大的电流开断能力；与线圈型纵向磁场电极相比，具有较小的回路电阻及相当或更大的开断能力；与马蹄铁芯纵向磁场电极相比，具同样小的回路电阻及更大的开断能力，而且没有磁场滞后现象的产生；螺纹线圈型电极的螺纹部分在大电流下产生的热量会很快传入中间的圆柱导体部分，经动静导电杆传导到真空开关管外部散发，热阻比杯状电极、线圈电极小，可有效避免大电流通过时电极温升过高导致的强度降低现象。

另外，螺纹线圈电极将平板触头回路电阻小的优点及线圈型纵向磁场电极磁场较强的优点集为一身，甚至具有比线圈型纵向磁场电极更大的开断能力，较好的解决了目前真空开关电流导通能力与短路电流开断能力之间的矛盾；该电极结构比较简单，加工难度不大，利于开发额定电流大开断电流大的真空开关管；由于回路电阻较小，开关管在工作时的发热也较小，降低了对真空开关的散热要求，有利于降低真空开关的成本。

附图说明

图1本发明结构布置示意图

图2是图1俯视结构示意图

图中，1 动导电杆、2 线圈、3 线槽、4 动触头、5 静触头、6 静导电杆、7 开断时的真空电弧。

具体实施方式

本发明结合附图，给出具体实施例：

实施例1：

额定电压12KV开断电流100kA的真空开关管，设计螺旋线圈圈数2圈，槽宽度4mm，螺距为14mm，槽的深度为螺纹部分外直径的30％，动、静触头的之间开距为12mm，螺纹部分外直径100mm，长度28mm。

实施例2：

额定电压35KV开断电流63kA的真空开关管，设计螺旋线圈圈数3圈，槽宽度2mm，螺距为12mm，槽的深度为螺纹部分外直径的35％，动、静触头的之间开距为24mm，螺纹部分外直径100mm，长度36mm。

Claims (3)

1.一种螺纹线圈纵向磁场电极的真空开关管，它的导电回路由动、静导电杆，线圈，螺旋槽，动、静触头组成，其特征在于所述线圈为螺旋体形状，布置在纵向动、静导体上的两个螺纹线圈的旋向相同，连接两个螺纹线圈的动、静触头呈相对纵向布置。

2.根据权利要求1所述的一种螺纹线圈纵向磁场电极的真空开关管，其特征在于所述的螺纹线圈是布置在动、静圆柱导体表面。

3.据权利要求1所述的一种螺纹线圈纵向磁场电极的真空开关管，其特征在于所述的动、静导杆上的螺旋槽，其槽宽1～10mm，两槽之间的槽距5～30mm，槽的深度为螺纹部分外直径的15％-45％。

Images