CN101459013A - 一种低回路电阻的纵向磁场电极的真空开关管 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低回路电阻的纵向磁场电极的真空开关管，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。本发明它的导电回路相关的部分由动导电杆、触头座、弹性触头支撑、辅助导流块、触头、静导电杆组成。本发明所述的弹性触头支撑及辅助导流块布置在动、静触头和动、静触头座组成的电极内部，动、静触头相对呈纵向布置。所述的辅助导流块为柱状或环状，位于弹性触头支撑的内部或外部。所述的弹性触头支撑与辅助导流块的形状匹配构成包络结构。所述的弹性支撑是一个呈纵向布置的弹性体，其壁厚在1mm－5mm范围。应用本发明可显著降低目前回路电阻较大的纵向磁场真空开关管的回路电阻。

Description

一种低回路电阻的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。具体地说是一种具有弹性触头支撑及辅助导流块的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，例如由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，目前开断电流63kA及以上的真空开关管几乎都是采用纵向磁场电极，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，这部分导体的导电截面不能太大或/及导电长度不能太短，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具有弹性触头支撑及用高导电率辅助导流块的纵向磁场电极真空开关管，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，设计人充分利用弹性变形的原理提出了具有弹性触头支撑及辅助导流块的纵向磁场电极真空开关管的典型结构，本发明它的导电回路相关的部分由动导电杆1、触头座9、弹性触头支撑11、辅助导流块10、触头12、静导电杆16组成。

本发明所述的弹性触头支撑及辅助导流块布置在动、静触头和动、静触头座组成的电极内部，动、静触头相对呈纵向布置。

本发明所述的辅助导流块为柱状或环状，位于弹性触头支撑的内部或外部。

本发明所述的弹性触头支撑与辅助导流块的形状匹配构成包络结构。

本发明所述的弹性支撑是一个呈纵向布置的弹性体，其壁厚在1mm-5mm范围。

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，机构施加的压力使弹性触头支撑压缩，辅助导流块与触头接触，电流主要按动导电杆，流经触头座动端底部，流经辅助导流块动端，流经触头动端，流经触头静端，流经辅助导流块静端，流经触头座静端底部，从静导电杆的路径流过，流经路线从上到下基本上是直线，导电路径短，导电截面大，故从动导电杆到静导电杆的回路电阻比较小；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开关管开距的位置，由于机构此时对电极施加的压力消失，弹性触头支撑由于压力消失在自身弹性的作用下纵向原来的长度恢复，纵向长度增加，使辅助导流块与触头分开，电流流经路径为动导电杆，流经触头座动端底部，流经触头座线圈动端侧面线圈，流经触头动端，流经触头静端，流经触头座静端侧面线圈，流经触头座静端，流经静导电杆，电流流经触头座侧面线圈在触头间产生纵向磁场，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。

除将辅助导流块的间隙设置在与触头之间外，也可以将辅助导流块与触头焊接，将间隙设置在辅助导流块与触头座之间，也会达到类似的效果，但由于二者都是铜材，不能施加太大的压力，以免二者之间形成冷焊而将触头座的线圈部分永久短路而降低开关管的开断能力。

本发明与现有技术作对比，不难发现本发明的优越性显著。本发明在回路电阻较大的触头座内部设置了辅助导流块，在合闸状态下将触头座的线圈部分短路，降低了开关管的回路电阻，在分闸开断时，弹性触头支撑将辅助导流块断开，使电流大部分流过触头座的线圈部分产生开断所需要的磁场，辅助导流块与触头座在结构上成为一体，在功能上各司其职，可按要求设置到最佳参数，不再受开断能力与通导能力相互矛盾的制约。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；与杯状横向以及纵向磁场电极相比，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同样的开断能力；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。

本发明所属的电极结构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，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。特别是本发明可直接或稍加改动应用于部分现有采用线圈结构电极或杯状纵磁场电极的开关管，在保持开断能力不变的情况下，降低现有产品的回路电阻，提高其额定电流参数。

未采用本发明时，电流通导路径为动导电杆，流经触头座动端的底面厚度，流经触头座动端的侧面线圈部分，流经触头动端的横向，流经触头动端的厚度方向，流经触头静端的厚度方向，流经触头静端的横向，流经触头座静端的侧面线圈，流经触头座静端的底部厚度，流经静导电杆，其中触头的横向动端、触头座动端的侧面线圈、触头静端的横向、触头座静端的侧面线圈这几部分由于导电截面小电流导电路径长其回路电阻也较大，是造成整管回路电阻大的主要因素之一；采用了本发明时的电流通导路径为动导电杆，流经触头座动端的底面厚度，流经辅助导流块，流经触头动端的厚度方向，流经触头静端的厚度方向，流经辅助导流块，流经触头座静端的底部厚度，流经静导电杆。明显可以看出，本发明将动触头座的侧面线圈部分与动触头的横向及静触头的横向和静触头座的侧面线圈两个回路电阻较大的部分用回路电阻小的辅助导流块取代，从而降低了真空开关管整体的回路电阻。

附图说明

图1本发明的真空开关管结构布置示意图；

图2本发明辅助导流块为柱装在弹性触头支撑内部，弹性触头支撑为方波的结构示意图；

图3本发明辅助导流块为柱装在弹性触头支撑内部，弹性触头支撑为斜面结构的结构示意图；

图4本发明辅助导流块为柱装在弹性触头支撑内部，弹性触头支撑为三角波的结构示意图；

图5本发明辅助导流块为环装在弹性触头支撑外部，弹性触头支撑为内方波的结构示意图；

图6本发明辅助导流块为环装在弹性触头支撑外部，弹性触头支撑为内圆波的结构示意图；

图7本发明辅助导流块为环装在弹性触头支撑外部，弹性触头支撑为内三角波的结构示意图；

图8本发明辅助导流块为环状装在弹性触头支撑外部，弹性触头支撑为内斜面的结构示意图。

图中，1动导电杆、2导向套、3动端盖、4动屏蔽环、5波纹管、6动屏蔽罩、7屏蔽筒、8绝缘外壳、9触头座、10辅助导流块、11弹性触头支撑、12触头、13静屏蔽罩、14静屏蔽环、25静端盖、16静导电杆。

具体实施方式

本发明附图1所示为辅助导流块为柱状并位于弹性触头支撑内部的结构，该真空开关管处于合闸状态(此时辅助导流块与其相应的触头实际上是接触的，图中的辅助导流块与相应的触头之间画的是有间隙是为了更清楚的表述导流块及弹性触头支撑的布局结构，图2～8也是如此)。附图2～8给出了另外几种形状的弹性触头支撑及辅助导流块位于弹性触头支撑外部的结构。也可以采用一个电极是含有弹性触头支撑及辅助导流块的纵向磁场电极，另外一个电极用平板触头或开直槽、螺线槽或弧线槽的片状触头，降低成本，但平板电极产生的纵向磁场(如果能产生磁场的话)方向最好与另外一个电极的方向相同。

弹性触头支撑选用导电性率较低、导电性能稍差(导电率不大于铜的20％就认为其导电性能较差)并具有一定弹性的材料如不锈钢、弹簧钢、合金钢等材料制成。动静导电杆、触头座、辅助导流块的材料选用导电性能好的材料如铜、铜合金、银及银合金等制成，从价值工程上讲用铜如无氧铜或纯铜比较好。动静触头的材料用一般的真空开关管触头材料。

触头座可采用杯状结构或者线圈结构，只要能产生足够的磁场就可以，为了获得较大的开断能力，采用单匝线圈或1/2匝线圈比较适宜，触头座的侧壁是线圈部分，这部分的电流流经路径为圆周方向，流经路径较长，导电截面也小，回路电阻大，底面具有一定的厚度(一般为4mm～10mm)，底面与导电杆焊接，另外一边是开口的，与触头的非燃弧面焊接。

触头可以采用全部由触头材料制成的单一成分触头，也可以采用在燃弧面一边是触头材料另外一边是高导电率材料的复合触头。一般触头材料的导电能力比铜差，并且在其横向的电阻比厚度方向的电阻大。

弹性触头支撑是具有斜面、弧面、方波、三角波、圆波等回转体结构，也可以采用三角截面或多角截面的结构，在拐弯过渡处采用圆弧过渡，避免应力集中使其具有足够的疲劳寿命，该结构在纵向有一定的弹性，在压力的作用下能够纵向压缩。其壁厚一般在1～5mm，太薄纵向强度差，在触头熔焊分闸时会被过度拉长导致自身及触头座严重变形，影响性能，甚至会造成分闸失败；太厚则刚度太高，产生压缩形变到辅助导流块将触头座短路需要的压力会很大，如果该压力数值和机构的触头压力相当辅助导流块就失去作用。

辅助导流块与触头座的底部焊接，与触头具有一定的间隙；也可以与触头焊接，与触头座的底部有一定的间隙，与该间隙的值可以为0.01～5mm，间隙为0.01mm时，该两个零件实际上已经有可能处于接触的状态，但在没有外压力的情况下，两个零件间没有接触压力或压力很小，这样两个零件之间有较大的接触电阻，不会将流过触头座的电流分流或分流较少。该间隙太大会有不利的影响，就是为了在压力下使辅助导流块与触头可靠接触，要对弹性触头支撑施加较大的压力以使其产生足够的纵向压缩，并保证另有足够的压力(一般为500N以上，在许可的范围内，该值越大越好)施加在辅助导流块与触头之间，如果两个需要压力的和超过了机构对开关管可施加的触头压力，就不能保证有效降低开关管的回路电阻。

弹性触头支撑的壁厚a、形状、辅助导流块与触头之间的间隙d要根据机构可施加的触头压力F综合考虑。弹性触头支撑的刚度取决与材料的弹性、壁厚、形状，对于特定的材料、壁厚、形状就有个特定的刚度K。将弹性触头支撑压缩d距离需要的压力

F1＝Kd其中K为刚度，d为间隙大小

这样施加在辅助导流块和触头之间的压力

F2＝F-F1其中F为机构施加的触头压力

通过综合考虑弹性触头支撑的材料、形状、壁厚、间隙等因素，使F2在500N以上，该值越大则降低回路电阻的效果越好，该值到2000N的时候就具有相当不错的效果了。

辅助导流块的参数选择，增加辅助导流块的目的是将触头座在需要时短路，从动导电杆到静导电杆形成一个路径短、回路电阻小电流通导路径，辅助导流块的导电截面积与动静导电杆的截面积相当时才具有较好的效果，截面积太小难以有效降低回路电阻，截面积太大也难以进一步降低回路电阻，一般应将辅助导流块的导电截面积设定在动静导电杆的截面积50％～200％以内才有较好的综合性能，从价值工程的观点来看，将辅助导流块的导电截面积设定在动静导电杆的截面积70％～140％是比较合理的。

真空开关管采用的触头座的整体刚性较差，在不太大的压力下就能产生变形，在本结构的电极中可以忽略触头座刚性的影响，可以将其看成是软的，不会阻碍弹性触头支撑的变形。

本发明结合附图，给出具体实施例：

实施例1：

采用图1结构，额定电压12KV开断电流63kA的真空开关管，设计电极为1/2匝线圈电极，触头座及触头直径为80mm，触头座底部厚度5mm，触头座侧壁厚度8mm，弹性触头支撑为圆波结构，壁厚1.5mm，辅助导流块直径34mm，辅助导流块与触头在间隙为0.5mm，回路电阻由不加辅助导流块时的23μΩ降低到11μΩ。

实施例2：

采用图2结构，额定电压40.5KV开断电流31.5kA的真空开关管，设计电极为1/2匝线圈电极，触头座及触头直径为80mm，触头座底部厚度5mm，触头座侧壁厚度8mm，弹性触头支撑为圆波结构，壁厚1.5mm，辅助导流块直径34mm，辅助导流块与触头在间隙为0.5mm，回路电阻由不加辅助导流块时的28μΩ降低到16μΩ。

实施例3：

采用图3结构，额定电压12KV开断电流80kA的真空开关管，设计电极为1/2匝线圈电极，触头座及触头直径为90mm，触头座底部厚度5mm，触头座侧壁厚度8mm，弹性触头支撑为斜面结构，壁厚1mm，辅助导流块直径44mm，辅助导流块与触头在间隙为0.5mm，回路电阻由不加辅助导流块时的24μΩ降低到10μΩ。

实施例4：

采用图4结构，额定电压12KV开断电流80kA的真空开关管，设计电极为1/2匝线圈电极，触头座及触头直径为90mm，触头座底部厚度5mm，触头座侧壁厚度8mm，弹性触头支撑为三角结构，壁厚1mm，辅助导流块直径44mm，辅助导流块与触头在间隙为0.5mm，回路电阻由不加辅助导流块时的24μΩ降低到10μΩ。

实施例5：

采用图5结构，额定电压12KV开断电流100kA的真空开关管，设计电极为1/2匝线圈电极，触头座及触头直径为100mm，触头座底部厚度5mm，触头座侧壁厚度8mm，弹性触头支撑为方波结构，壁厚2mm，辅助导流块直径50mm，辅助导流块与触头在间隙为0.5mm，回路电阻由不加辅助导流块时的26μΩ降低到9μΩ。

实施例6：

采用图6结构，额定电压12KV开断电流80kA的真空开关管，设计电极为1/2匝线圈电极，触头座及触头直径为90mm，触头座底部厚度5mm，触头座侧壁厚度8mm，弹性触头支撑为内圆波结构，壁厚1.5mm，辅助导流块直径40mm，辅助导流块与触头在间隙为0.5mm，回路电阻由不加辅助导流块时的24μΩ降低到11μΩ。

实施例7：

采用图7结构，额定电压40.5KV开断电流40kA的真空开关管，设计电极为1/2匝线圈电极，触头座及触头直径为90mm，触头座底部厚度5mm，触头座侧壁厚度8mm，弹性触头支撑为内三角波结构，壁厚1mm，辅助导流块直径44mm，辅助导流块与触头在间隙为0.5mm，回路电阻由不加辅助导流块时的29μΩ降低到16μΩ。

实施例8：

采用图8结构，额定电压24KV开断电流40kA的真空开关管，设计电极为1/2匝线圈电极，触头座及触头直径为80mm，触头座底部厚度5mm，触头座侧壁厚度8mm，弹性触头支撑为内三角波结构，壁厚1.5mm，辅助导流块直径40mm，辅助导流块与触头在间隙为0.5mm，回路电阻由不加辅助导流块时的24μΩ降低到10μΩ。

Claims (4)

1.一种低回路电阻的纵向磁场电极的真空开关管，它的导电回路相关部分由动、静导电杆，动、静触头，动、静触头座，弹性触头支撑，辅助导流块组成，其特征在于：所述的弹性触头支撑及辅助导流块布置在动、静触头和动、静触头座组成的电极内部，动、静触头相对呈纵向布置。

2.根据权利要求1所述的一种低回路电阻的纵向磁场电极的真空开关管，其特征在于所述的辅助导流块为柱状或环状，位于弹性触头支撑的内部或外部。

3.根据权利要求1或2所述的一种低回路电阻的纵向磁场电极的真空开关管，其特征在于所述的弹性触头支撑与辅助导流块的形状匹配构成包络结构。

4.根据权利求1所述的一种低回路电阻的纵向磁场电极的真空开关管，其特征在于所述的弹性支撑是一个呈纵向布置的弹性体，其壁厚在1mm-5mm范围。

Images