CN101677050A

CN101677050A - 具有改进的熄弧结构的断路器

Info

Publication number: CN101677050A
Application number: CN200910173491A
Authority: CN
Inventors: T·阿索肯; R·M·德什穆克; R·古鲁拉; K·潘迪
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2009-09-18
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2029-09-18
Also published as: CN101677050B; CA2678379A1; JP5411634B2; EP2166552B1; EP2166552A2; EP2166552A3; AU2009215226A1; JP2010073690A; US20100072174A1; KR20100033352A; MX2009010150A; BRPI0903311A2; US8168911B2

Abstract

本发明提供一种具有熄弧系统的断路器(20)。抑制系统包括位于腔(44)内的烧蚀装置(50)。烧蚀装置(50)的端部包括开口(58)以接纳静止接触部(22)。活动接触臂(26)在通道(54)内在闭合位置与开放位置之间行进。当检测到反常操作状况时，断路器(20)启动而使接触臂(26)运动。这产生使烧蚀装置(50)的材料蒸发的等离子弧。被蒸发的材料产生施压气体以冷却和抑制等离子弧，从而在诸如短路之类的不希望出现的操作状况下改进断路器(20)的性能。

Description

具有改进的熄弧结构的断路器

技术领域

[0001]本发明涉及断路器，更具体地涉及一种具有烧蚀式熄弧结构的断路器。

背景技术

[0002]断路器广泛用于各种应用中，用于在检测到不希望出现的电状况时控制通向电路的电流流动。断路器通常包括四个主要子组件：操作机构，启动单元，和中断器。当检测到不希望出现的状况时，启动单元和操作机构协作以致动中断器。

[0003]中断器通常具有承载活动接触部的活动接触臂。静止接触部被设置为当接触臂处于闭合位置时与活动接触部接触。通常被称为弧隔板(arc chute)的组件邻近于活动接触部的路径定位。弧隔板包括沿活动接触部的路径分开的多个薄钢片。通常，所述片将具有被去除部分，以允许活动接触部移入弧隔板中的通过被去除部分形成的缝内。由于弧隔板的性能需要，通常需要将许多片组装为热固性侧片，这是一个费钱费时的过程。

[0004]当检测到反常操作状况时，中断器被致动而使活动接触部分离和移离静止接触部。在这种分离过程中，在接触部之间形成等离子弧，电流继续流动通过断路器，直到弧消失。通常，断路器被设计为随各接触部分离而将等离子弧传入弧隔板中。弧隔板吸收能量，伸展弧，并增加弧的阻力，从而使弧最终消失。不过，在这一过程中，气化金属产生，并随同由等离子弧所致的热气体一起从断路器排出。

[0005]因此，虽然目前的断路器系统适于其预期目的，但是现有技术中仍然需要一种可改进性能和降低制造成本的断路器熄弧结构。

发明内容

[0006]断路器设置有腔。烧蚀装置位于此腔内。烧蚀装置具有在端部的第一开口并具有沿一侧的多个泄放口。能够在闭合位置与开放位置之间运动的接触臂位于腔内。活动接触部耦接到接触臂，其中当接触臂处于闭合位置、处于开放位置、和处于在闭合位置与开放位置之间的中间位置时，活动接触部与所述多个泄放口邻近。静止接触部位于烧蚀装置的第一开口内，其中，静止接触部被定位成：当接触臂处于闭合位置时活动接触部与静止接触部电接触。

[0007]在另一实施例中，断路器设置有静止接触部。具有活动接触部的接触臂设置为，当接触臂处于闭合位置时，活动接触部与静止接触部接触，其中，当接触臂处于开放位置时，活动接触部和静止接触部以第一距离分离。烧蚀构件设置有沿静止接触部设置的第一开口，烧蚀构件具有沿第一侧延伸的通道，通道具有从第二侧延伸的多个泄放口，其中，当接触臂从闭合位置运动到开放位置时，活动接触部位于通道内。泄放通道设置为与所述多个泄放口流体连通，泄放通道具有与负载端子邻近的端部。

[0008]所提供的断路器操作方法包括检测不希望出现的电状况的步骤。作为检测到不希望出现的电状况的响应，活动接触部与静止接触部分离。响应于活动接触部与静止接触部的分离，烧蚀气体。由于活动接触部与静止接触部分离所产生的弧通过烧蚀气体被冷却。烧蚀气体通过邻近于静止接触部定位的第一泄放口泄放。

附图说明

[0009]通过参照附图而阅读以下详细描述，本发明的这些和其它特征、方案和优点将变得更易于理解，其中在各图中相同的附图标记总是表示相同的部件，其中：

[0010]图1是根据示例性实施例的断路器处于开放位置的侧平面图；

[0011]图2是图1所示断路器的局部侧平面图；

[0012]图3是图1所示断路器处于闭合位置的侧平面图；

[0013]图4是图3所示断路器的局部侧平面图；

[0014]图5是例示出图1所示接触臂结构和烧蚀装置的局部立体图；和

[0015]图6是例示出图1所示烧蚀装置的立体剖视图。

具体实施方式

[0016]如图1-5中所示，断路器20是电分配装置，用于控制电流流入电路中。断路器20通常在诸如短路之类的反常操作状况下被设置为开放(或称断开)。当在这样的反常操作状况下开放(有时也被称为“中断”)时，断路器20内的静止接触部22与活动接触部24分离。接触部22、24的分离形成等离子弧，等离子弧需要被冷却和抑制，然后电流才可停止流动。

[0017]为辅助活动接触部24与静止接触部22分离，断路器20包括一个或多个接触臂26，接触臂26被设置为在图2和图3中所示的闭合状态与在图1和图2中所示的开放状态之间运动，其中在闭合状态下电流从电源流到负载(未示出)，在开放状态下电流中断。接触臂26电耦接到“突部”或入口端子28，入口端子28使断路器20电连接到电源。接触臂26进一步耦接到机构30，机构30包括诸如弹簧(未示出)和联动器32之类的部件，以在被致动时使接触臂26从闭合位置运动到开放位置，机构30通过操作者利用例如开放开关或手柄34致动。机构30通过销锁38耦接到启动组件36。启动组件36包括诸如磁体40之类的构件或诸如双金属装置(未示出)之类的热响应装置。启动组件响应于不希望出现的反常操作状况而松开销锁38，导致机构30将接触臂26从闭合位置运动到开放位置。负载端子42电连接到接触臂26以将断路器20连接到电路。

[0018]机构30可以可替代地耦接到电子启动单元(未示出)。电子启动单元通常包括具有处理器的控制器，该处理器执行用于控制断路器20操作的电脑指令。成组的变流器(未示出)将信号提供到电子启动单元以指示通过断路器20流入电路中的电流水平。

[0019]接触臂26在封闭腔44内运动，封闭腔44有时也被称为弧腔。将在此更详细论述的是，腔44包含在电流中断过程中产生的气体。这些气体流入泄放通道46中，泄放通道46在负载端子42的邻近处将气体传送到断路器20之外。泄放通道的端部48被设置以引导可被离子化和包含气化金属的气体远离负载端子42，以防止在气体与连接到负载端子42的电导体之间形成电弧。

[0020]在示例性实施例中，烧蚀装置50位于腔44内。烧蚀装置50由特定材料制成，这种材料在高温蒸发而形成施压于腔44的气体。这样，烧蚀装置可为聚合物，例如但不仅限于：聚甲醛(例如由E.I.duPont de Nemours and Company生产的)，酚醛纤维复合物(例如由Bakelite Hylam Ltd.生产的

)，环氧树脂，或聚四氟乙烯(例如由E.I.du Pont de Nemours and Company生产的

)。

[0021]如图5和图6中所示，烧蚀装置50包括侧壁52。应认识到的是，为了清楚而以剖视方式例示烧蚀装置50，且烧蚀装置50进一步包括另外的侧壁52。各侧壁52协作以形成通道54的侧面，在断路器从闭合位置转变为开放位置的过程中，接触臂26和活动接触部24在通道54中行进。端壁56沿通道54的一端定位。开口58设置在端壁56内并在尺寸上匹配于静止接触部22。当烧蚀装置50位于腔44中时，端壁56处于导体62的顶表面60上，其中静止接触部22处于开口58内。导体62使静止接触部与入口端子28电连接。

[0022]烧蚀装置进一步包括多个泄放口64。在示例性实施例中，多个泄放口64包括：第一泄放口66、第二泄放口68和第三泄放口70。泄放口64为气体(烧蚀气体和弧气体)提供从腔44流入泄放通道46中的路径。第一泄放口66被定位成与静止接触部22的顶表面74和边缘78分别相距第一距离72和径向间隙76。第一泄放口66进一步具有宽度80。在示例性实施例中，第一距离72在1毫米至5毫米之间并优选地为1毫米。径向间隙76在1毫米至2毫米之间并优选地为2毫米。宽度80在2毫米至4毫米之间并优选地为4毫米。在示例性实施例中，第二泄放口68和第三泄放口70具有相同尺寸或大于第一开口66。在一个实施例中，第三泄放口70也大于第二泄放口68。

[0023]在一个实施例中，烧蚀装置50包括处于通向多个泄放口64的入口处的内表面86。内表面86可为柱形表面，其所具有的轴线与接触臂26的旋转中心共轴而定位。在另一实施例中，内表面86的轴线从接触臂26的旋转中心偏离，使得活动接触部24与内表面86之间的径向间隙随着接触臂26从闭合位置运动到开放位置而增大。

[0024]在示例性实施例中，在内表面86与多个泄放口64之间的过渡部包括半径88。进一步地，多个泄放口64中的每一个的侧面可包括曲形表面90。半径88和曲形表面90被设置以便于气体从通道54流入泄放通道46中并避免对气体流动的限制。通过使气体便于从通道54流入泄放通道46中，腔44内的压力可被控制在所希望的水平。如下文中将论述的，这样提供的优点在于，使抑制等离子弧的中断性能最大化，而同时还使壳体84被损坏的风险最小化。

[0025]由烧蚀装置50产生的气体具有对于等离子弧的冷却和限制作用。由于有助于抑制等离子弧的弧阻力增大，因而这是有利的。此外，经由泄放通道46离开的气体也较冷，因而减少了其对周边设备的影响。通常，所产生的烧蚀气体越多，则等离子弧被冷却和抑制得越快。不过，烧蚀气体量越大，则腔44内的压力越高。这种压力在断路器20的壳体84上产生应力。因此，烧蚀装置50的有益效果需要与壳体84的强度实现平衡，否则，壳体84可能会损坏。结果，多个泄放口64的位置和排布在电流的中断过程中影响断路器20的性能。第四个参数，即，当断路器处于开放位置时静止接触部2与活动接触部24之间的距离82，也会影响断路器20的性能。通常，距离82越大，则弧越长、弧阻力越大、且中断性能越好。在示例性实施例中，距离82为20毫米。

[0026]在操作过程中，断路器20处于闭合位置，此时电流从入口端子28流过接触臂26并经由负载端子42流出。当检测到预定状况时，例如检测到电路故障时，启动组件36松开销锁38，导致机构30使接触臂26从闭合位置运动到开放位置。随着活动接触部24开始与静止接触部22分离，在接触部22、24之间形成等离子弧。等离子弧的一个性质是，其允许电流继续从入口端子28流到负载端子42。在反常状况的情况下，例如在短路情况下，流动通过断路器20的电流可能数倍于正常操作状况下的水平。为了避免损坏下游的线路和设备，因而所希望的是，抑制等离子弧以使流向下游的电流量最小化。

[0027]随着接触部22、24分离，等离子弧蒸发烧蚀装置50的材料。侧壁52的端部56的材料最接近于接触部22、24，因而随接触部22、24分离而首先蒸发。侧壁52和表面86的材料蒸发而形成气体，这种气体随接触臂26继续朝向开放位置运动而冷却弧并且还可限制弧的尺寸。在示例性实施例中，大部分烧蚀气体通过侧壁52产生。进一步地，应认识到的是，烧蚀装置50的材料蒸发使得腔44内的压力升高。由于气体将通常从高压区域流向低压区域，因而产生的气体流动通过多个泄放口64而进入泄放通道54中。

[0028]如前所述，多个泄放口64的尺寸和位置影响断路器20的中断性能。这种性能的一个量度是通常被称为“允通”能量的公制量度，其单位为kA²s。允通能量表示在诸如短路之类的反常状况下断路器20下游所接收的能量的量。

[0029]参见图7，对断路器20进行了一系列测试，断路器20基于市场购得的断路器并根据在此公开的本发明的实施例进行改造，其中标准弧隔板组件被移除并被替代以烧蚀装置50。作为基准，具有弧隔板的标准断路器在255伏、6kA均方根(RMS)电流的短路状况下进行测试，并测得允通能量。标准断路器的允通能量为218kA²s，如柱92所示。下一步，制备样本，其中距离82由标准断路器中的13毫米增加到20毫米。这使得允通能量降至183kA²s，如柱94所示。

[0030]在距离82保持在20毫米的同时，针对烧蚀装置50进行一系列测试，其中，第一距离72从5毫米至1毫米变化。在这些测试中，允通能量开始当烧蚀装置具有5毫米的距离72时为171kA²s；并且逐渐下降而当烧蚀装置50具有1毫米的距离72时为136kA²s，如柱96所示。具有1毫米距离72的样本除了允通能量较低以外，还显示出由于烧蚀装置50材料蒸发产生的压力所致的应力迹象较少，这是因为第一泄放口66的位置更接近于静止接触部22，从而允许更快地释放气体压力。

[0031]此后，进行一系列测试，其中，径向间隙76在1毫米至2毫米之间变化，同时第一泄放口66的泄放宽度80在2毫米至4毫米之间变化。在这些测试中，距离72保持在1毫米，开口距离82保持在20毫米。在这些测试中，当泄放宽度增大且径向间隙76也增大时，允通能量降低。当2毫米的径向间隙76与4毫米的泄放口宽度80相结合时，允通能量降至84kA²s，如柱98所示。这样，使用具有在尺寸和位置上适当设置的第一泄放口66的烧蚀装置50，可产生相对于市场购得断路器的大约62％的允通能量降低。应认识到的是，虽然显示出气流增加可改进性能，但对于这种改进存在限制，这是因为通过烧蚀气体产生的压力也限制弧的尺寸。因此，可以想到的是，如果去除多个泄放口64，则会对性能造成不良影响，这是因为气体压力将不足以限制和冷却弧。

[0032]具有烧蚀装置50的断路器20可包括一个或多个优点。通过替代传统的弧隔板组件而采用烧蚀装置，制造断路器所需的部件数量和工作量可显著减少。从烧蚀装置蒸发的气体也可冷却经由断路器泄放口排出的气体，这样可降低周边环境和设备受到损坏或影响的可能性。进一步地，具有多个泄放口以控制来自腔的气流的烧蚀装置可减少允通能量。

[0033]虽然本发明已经参照示例性实施例进行了描述，不过应理解的是，在不背离本发明范围的情况下，可进行各种改变并可对其中的元件进行等同替换。此外，在不背离本发明基本范围的情况下，可进行各种修改以使具体状况或材料适应于本发明的教示。因此，本发明意在不仅限于作为实现本发明可想到的最佳或仅有模式而公开的具体实施例，而是，本发明将包括处于所附权利要求书范围内的所有实施例。而且，在附图和说明书中，已经公开了本发明的示例性实施例，虽然可能采用了特定表述，不过，这些提及的表述仅作为一般性使用并用于描述目的，而不是用于限制的目的，因此，本发明的范围并不仅限于此。另外，使用表述“第一”、“第二”等并不表示任何顺序或重要性，而是，表述“第一”、“第二”等用于将元件相互区别。进一步地，使用表述“一种”、“一个”等并不表示对于量的限制，而是表示存在至少一种/一个所提及部分。

Claims

1.一种断路器(20)，包括：

腔(44)；

在所述腔(44)内的烧蚀装置(50)，所述烧蚀装置(50)具有在端部的第一开口(58)并具有沿所述烧蚀装置(50)一侧设置的多个泄放口(64)；

在所述腔(44)内的接触臂(26)，所述接触臂(26)能够在闭合位置与开放位置之间运动；

耦接到所述接触臂(26)的活动接触部(24)，其中所述活动接触部(24)与所述多个泄放口(64)相邻；和

位于所述烧蚀装置(50)的第一开口(58)内的静止接触部(22)。

2.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于，所述烧蚀装置(50)包括与所述接触臂(26)相邻的通道(54)，所述多个泄放口(64)与通道开放侧相反从所述通道(54)延伸。

3.根据权利要求2所述的断路器，其特征在于，所述多个泄放口(64)包括被设置为与所述静止接触部(22)最接近的第一泄放口(66)，所述第一泄放口(66)被定位成与所述静止接触部(22)的顶表面(74)相距第一距离(72)而且与所述静止接触部(22)的边缘(78)相距第二距离(76)，所述第一泄放口(66)进一步具有与其相关的宽度(80)。

4.根据权利要求3所述的断路器，其特征在于，所述第一距离(72)大约在1毫米至5毫米之间，所述第二距离(76)在1毫米至2毫米之间，所述宽度(80)在2毫米至4毫米之间。

5.根据权利要求4所述的断路器，其特征在于，所述第一距离(72)为1毫米，所述第二距离(76)为2毫米，所述宽度(80)为4毫米。

6.一种断路器，包括：

静止接触部(22)；

接触臂(26)，所述接触臂具有与其相连的活动接触部(24)，其中，所述接触臂(26)被定位成，当所述接触臂(26)处于闭合位置时，所述活动接触部(24)与所述静止接触部(22)接触，其中，当所述接触臂处于开放位置时，所述活动接触部(24)和所述静止接触部(22)第一距离(82)分离开；

烧蚀构件(50)，其具有绕所述静止接触部(22)设置的第一开口(58)，所述烧蚀构件(50)具有沿第一侧(52)延伸的通道(54)，所述通道(54)具有从第二侧延伸的多个泄放口(64)，其中，当所述接触臂(26)从所述闭合位置运动到所述开放位置时，所述活动接触部(24)位于所述通道(54)内；和

与所述多个泄放口(64)流体连通的泄放通道(46)，所述泄放通道(46)具有与负载端子(42)相邻的端部(48)。

7.根据权利要求6所述的断路器，其特征在于，所述泄放通道(46)与所述通道(54)相反设置，所述多个泄放口(64)包括与所述静止接触部(22)相邻定位的第一泄放口(66)。

8.根据权利要求7所述的断路器(20)，其特征在于，

所述第一泄放口(66)设置为与所述静止接触部(22)的顶表面(74)和所述第一泄放口(66)相距第一距离(72)；和

径向间隙(76)位于所述静止接触部(22)的边缘(78)与所述第一泄放口(66)之间；和

所述第一泄放口(66)进一步具有第一宽度(80)。

9.根据权利要求8所述的断路器(20)，其特征在于，所述第一距离(72)大于或等于20毫米，所述径向间隙(76)为2毫米，所述宽度(80)为4毫米。

10.根据权利要求9所述的断路器(20)，其特征在于，所述烧蚀构件(50)通过从包括以下材料的组中选择的材料制成：聚甲醛，酚醛纤维复合物，环氧树脂，和聚四氟乙烯。