CN102184795A - 一种保护大功率电力电子变流器的快速真空断路器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种动作迅速且可靠性强的适于对大功率电力电子变流器的保护时采用的快速真空断路器。该快速永磁真空断路器，包括：断路触指部分，其包括导电排、缓冲弹簧、触指座、滑杆和弹簧触指；触头部分，其包括静触头、动触头和真空灭弧室；和永磁操作机构部分，其包括绝缘拉杆、动杆、设置在拉杆上部的合闸斥力线圈、固定斥力线圈和分闸斥力线圈、电磁铁和分闸弹簧。此外，对于合闸斥力线圈、固定斥力线圈和分闸斥力线圈，以及电磁铁的供电电路中，还可以设置有可通过手摇发电供电的装置。

Description

一种保护大功率电力电子变流器的快速真空断路器

技术领域

本发明涉及一种快速永磁真空开关，特别涉及一种用于保护大功率电力电子变流器的快速永磁真空断路器。

背景技术

目前在国内的断路器市场上，由于企业之间的恶性竞争导致产品质量的不断下降，并严重威胁到了企业的生存与发展和用户的产品安全。这样带给最终用户的质量问题越来越令人担忧。市场上开始迫切需要一种安全可靠、维护操作方便、价格适中的真空断路器，在九十年代末开始逐渐出现了一种新型的真空断路器--智能一体化永磁机构真空断路器。

这种类型的断路器以永磁机构为基础采用电磁操作、永磁保持的方式，元件少，动作过程简单，从而保证运行中的可靠性，降低了故障率，为其智能化、自动化控制奠定了基础。因此其开发及生产得以迅速发展，制造出多种多样的产品，形成热潮。由于参差不齐的质量控制而出现一些问题：诸如电容器储能元件的质量问题，电动分、合闸不可靠等问题，这些问题的存在，给用户造成一些不好的影响，造成一体化永磁真空断路器技术还不成熟，大规模推广时间还未到等错误认识，严重影响了这一技术的进一步发展。

发明内容

本发明是鉴于以上问题而完成的，本发明提供了一种快速永磁真空断路器，能够实现可靠且快速的分闸操作，并且具有双斥力线圈的永磁机构，操作时靠双线圈控制进行分合闸操作，断路器处在分、合闸位置时采用永磁保持，简单可靠。

本发明提供的快速永磁真空断路器，其中，包括：断路触指部分，其包括导电排、缓冲弹簧、触指座、滑杆和弹簧触指，其中，上述导电排的一端与接入母线连接，将外部电力引入，上述导电排的另一端与上述触指座连接，上述缓冲弹簧固定在上述触指座的内壁与上述滑杆之间，上述触指座的纵截面形成为底部开口的半包围形状，包围上述缓冲弹簧和一部分上述滑杆，在上述触指座的设有开口的底部的上方，形成上述开口的侧壁上具有弹簧触指；触头部分，其包括静触头、动触头和真空灭弧室，其中，上述静触头与上述断路触指部分的上述滑杆连接，上述动触头与上述静触头相对设置，上述真空灭弧室包围上述动触头与上述静触头；和永磁操作机构部分，其包括：绝缘拉杆；与上述绝缘拉杆连接的动杆；在上述动杆上依次设置的合闸斥力线圈、固定斥力线圈和分闸斥力线圈，其中，上述固定斥力线圈与上述动杆连接为一体，上述合闸斥力线圈和上述分闸斥力线圈与上述动杆分离设置；在上述动杆的下部设置的电磁铁，在上述电磁铁的内部安装有永磁铁；和设置在上述电磁铁的下方的分闸弹簧。

此外，根据本发明的快速永磁真空断路器，其中，上述滑杆的纵截面形成为T字形，上述滑杆与上述缓冲弹簧连接的一端具有直径大于上述滑杆的杆体的直径的外缘突出部，在上述触指座的底部的上表面构成有与外缘突出部相对应的触指下行限制位部，当上述滑杆向下滑动时，上述外缘突出部与上述触指下行限制位部相抵接。

此外，根据本发明的快速永磁真空断路器，其中，上述弹簧触指采用斜圈弹簧触指，在上述触指座的底部的形成开口的侧壁上设置有大小与上述弹簧触指相对应的凹槽，上述弹簧触指的一部分嵌入于该凹槽内，上述弹簧触指的上表面比上述形成开口的侧壁的上表面，更向上述滑杆的杆体突出。

此外，根据本发明的快速永磁真空断路器，其中，在上述动触头的杆体上设置有带软连接的导电排，该带软连接的导电排与外部母线连接。

此外，根据本发明的快速永磁真空断路器，其中，在上述分闸弹簧的下方设置有压力固定螺母。

本发明的快速永磁真空断路器(以下，也称为断路器)由永磁操作机构部分、触头部分和具有缓冲和限位功能的断路触指部分组成。在断路器的合闸状态时，断路器的合闸斥力线圈、分闸斥力线圈和电磁铁能够同时通电，使断路器的动静触头实现快速的闭合。并且，在成为闭合状态后永磁操作机构部分的分闸弹簧能够进行储能，并能够起到一定的减震作用。当断路器在分闸状态时，合闸斥力线圈、分闸斥力线圈和电磁铁能够同时通电，此前的闭合状态下的断路器的动静触头能够实现快速的分离。较现有的真空断路器来说，本发明的快速永磁真空断路器的动作迅速，非常适于对大功率电力电子变流器的保护时采用。

附图说明

图1为表示本发明的快速永磁真空断路器的总体结构图。

图2为表示本发明的快速永磁真空断路器的具有缓冲和限位功能的断路触指部分的结构图。

图3为表示本发明的快速永磁真空断路器的断路触指部分的弹簧触指的结构的横截面图和纵截面图。

图4为表示本发明的快速永磁真空断路器的永磁操作机构部分的结构图。

1-导电排；2-缓冲弹簧；3-触指座；4-弹簧触指；5-静触头；6-动触头；7-带软连接的导电排；8-绝缘拉杆；9-电磁铁；10-分闸弹簧；11-合闸斥力线圈；12-固定斥力线圈；13-分闸斥力线圈；14-永磁铁；15-动杆；16-真空灭弧室；22-压力固定螺母；25-滑杆；27-触指下行限制位部；28-断路触指部分；29-触头部分；30-永磁操作机构部分。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。

本发明的快速永磁真空断路器主要由具有缓冲和限位功能的断路触指部分28、触头部分29和永磁操作机构部分30这三部分组成。该快速永磁真空断路器具有两种状态和两种运动过程，分别为分离状态、闭合状态和分离(断开)过程、闭合(接通)过程。

下面，参照图1对本发明的快速永磁真空断路器的结构和工作过程进行详细的说明。

该快速永磁真空断路器构成为，将接入母线与断路触指部分28的导电排1连接，断路触指部分28连接到触头部分29的静触头5，静触头5和触头部分29中的与其相对设置的动触头6由真空灭弧室16包围。动触头6连接到永磁操作机构部分30，并且在永磁操作机构30的动作下进行闭合和分离的运动，从而实现断路器的合闸和分闸操作。

参照图2，对本发明的快速永磁真空断路器的断路触指部分28的结构图进行说明。

本发明的断路触指部分28具有缓冲和限位功能，该部分主要包括导电排1、缓冲弹簧2、触指座3、滑杆25和弹簧触指4。导电排1位于断路器触指部分28的上部，一端与接入母线连接，将外部电力引入，从而形成电力源。导电排1的另一端与触指座3连接。缓冲弹簧2固定在触指座3的内壁与滑杆25之间，在后述的合闸操作中起到缓冲的作用。滑杆25位于缓冲弹簧2的下方，纵截面形成为“T”字形，其与缓冲弹簧2连接的一端具有突出到杆体的外部的外缘突出部，即外缘突出部的直径尺寸大于杆体的直径尺寸，该一端用于连接和固定缓冲弹簧2，与此相对，另一端作为杆体的端面，具有与杆体相同的直径尺寸。触指座3位于导电排1的下方，其纵截面形成为底部开口的半包围形状，包围缓冲弹簧2和一部分滑杆25。在触指座3的设有开口的底部的上方，形成开口的侧壁上具有弹簧触指4。具体而言，如图2所示，触指座3的底部具有一定的厚度，在其形成开口的侧壁上，底部的上表面与下表面之间，设置有一个环状的弹簧触指4。弹簧触指4与滑杆25的杆体紧密接触，以滑杆25能够在弹簧触指4内滑动又保持紧密接触的方式设置弹簧触指4。另外，触指座3的底部的上表面还构成触指下行限制位部27。具体而言，如图2所示，触指座3的底部的上表面与其侧壁大致垂直，在滑杆25向下滑动的情况下，当滑杆25的外缘突出部与触指下行限制位部27相抵时，滑杆25被阻挡而无法继续向下移动，因此将滑杆25保持在该位置上。此外，触指座3、弹簧触指4和滑杆25之间以电连接的方式相接。在滑杆25的上述另一端连接有触头部分29的静触头5。

当本发明的快速永磁真空断路器(以下，也称为断路器)闭合(接通)时，由于来自下方的冲击力较大，固定在触指座3的内壁与滑杆25之间的缓冲弹簧2能够缓和后述的触头部分29的动触头6上行所带来的冲击力。而在断路器断开时，由于缓冲弹簧2此前因被压缩而具有一定的储能，该储能能够在释放过程中将静触头5向下推动一定距离。这样就可以给与静触头5接触的动触头6提供一定的初速度，这种工作方式有利于提高断路器的断开的速度，有利于改善断路器的机械动特性。此外，静触头5的滑杆25的外缘突出部，在静触头5的下行运动中能够停止在触指下行限制位部27的位置，这样既能够有效地限制静触头5的滑杆25的运动距离过大，又能够有效地限制静触头5可能产生的随出。

下面，参照图3，对断路触指部分28的弹簧触指4进行详细说明。图3示出了弹簧触指4的结构的横截面和纵截面，其中，左侧为横截面图，右侧为纵截面图。弹簧触指4设置在与导电排1连接的触指座3中，来自外部的电力经由导电排1、触指座3和弹簧触指4被引导至滑杆25。滑杆25的另一端与静触头5连接，从而使静触头5带电。弹簧触指4采用斜圈弹簧触指，“斜圈弹簧触指”是一种圆形绕线的弹簧，其绕线线圈呈椭圆形状，并且在铅直方向上倾斜，当斜圈弹簧触指受到压缩时，每个线圈会产生变形，无论线圈的哪一部分产生变形，整个弹簧都将随之反应，从而实现在每个接触点上的负载一致。弹簧触指4固定在触指座3上的方式没有特别限定，但是在本发明中设计成，在触指座3的底部的形成开口的侧壁上设有大小与弹簧触指4相对应的凹槽，弹簧触指4的一部分嵌入于该凹槽内，弹簧触指4的上表面比上述形成开口的侧壁的上表面，更向滑杆25的杆体突出。弹簧触指4的接触点多，触点的接触性小，导电性能好，电压降很小，允许通过的电流密度高。这样的弹簧触指4和滑杆25的滑动接触配合能够保证它们之间的接触电阻符合断路器的设计要求。

下面，对触头部分29进行详细说明。如图1所示，触头部分29主要由静触头5和动触头6组成，其中，静触头5与断路触指部分28的滑杆25连接，动触头6与静触头5相对设置，连接在后述的永磁操作机构部分30的绝缘拉杆8的一端，当断路器为断开状态时，动触头6与静触头5分离，当断路器为接通状态时，动触头6与静触头5接触。静触头5和动触头6由真空灭弧室16包围。从图1可知，真空灭弧室16的上部设置有开口，断路触指部分28的滑杆25从该开口进入触头部分29，拉动静触头5以上下自由的方式运动。在真空灭弧室16的下部也对应地设置有开口，以供动触头6自由运动。此外，真空灭弧室16与断路触指部分28相对静态连接，不会随着动触头6运动，即当动触头6在上下方向上滑动时，真空灭弧室16保持其静态的位置，并不会随之产生位移。在动触头6的杆体的中下部设置有带软连接的导电排7，该带软连接的导电排7与外部母线连接。

触头部分29的动触头6的另一端与后述的永磁操作机构部分30的绝缘拉杆8连接。永磁操作机构部分30通过该绝缘拉杆8带动动触头6运动，实现动触头6与静触头5的闭合和分离。

真空灭弧室16，是以真空作为灭弧和绝缘介质，灭弧室具有极高的真空度，当动触头6、静触头5在操动机构的作用下带电分闸时，在触头间将会产生真空电弧，同时由于触头的特殊结构，在触头间隙中也会产生适当的纵磁场，促使真空电弧保持为扩散型，并使电弧均匀分布在触头表面燃烧，维持低的电弧电压，在电流自然过零时，残留的离子、电子和金属蒸汽在微秒数量级的时间内就可复合或聚在触头表面和屏蔽罩上，灭弧室断口的介质绝缘强度很快被恢复，从而电弧被熄灭，达到分断的目的，由于该真空断路器采用磁场控制真空电弧，因而具有强而稳的接通、断开电流的能力。

图4示出了本发明的快速永磁真空断路器的永磁操作机构部分30的结构。如图4所示，永磁操作机构部分30中，与触头部分29的动触头6的一端连接的绝缘拉杆8，其下方连接有动杆15，绝缘拉杆8采用陶瓷、玻璃纤维或环氧树脂等绝缘材料，使得动触头6与动杆15以绝缘的方式连接。在动杆15的上部，从上方起依次设置有合闸斥力线圈11、固定斥力线圈12和分闸斥力线圈13。合闸斥力线圈11和分闸斥力线圈13分别固定在断路器的外壳或者由其他可起到固定作用的部件保持，相对于动触头6来说这两种斥力线圈是固定不动的，即二者的位置保持不变，不会随动杆15上下运动。与此相对，固定斥力线圈12与动杆15连接为一体，与动杆15一起上下运动。合闸斥力线圈11和分闸斥力线圈13分别位于固定斥力线圈12的两个运动方向上，二者的相隔距离成为动触头6的运动距离。

动杆15的下部连接有电磁铁9，在电磁铁9的内部安装有永磁铁14。当电磁铁9向上运动时，带动动杆15向上运动，固定斥力线圈12也随之向上运动，此时，固定斥力线圈12和分闸斥力线圈13中流通的方向相反的电流在二者之间产生排斥力，该排斥力将固定斥力线圈12与动杆15一起进一步向上推动。当电磁铁9向下运动时，带动动杆15向下运动，固定斥力线圈12也随之向下运动，此时，固定斥力线圈12和合闸斥力线圈11中流通的方向相反的电流在二者之间产生排斥力，该排斥力将固定斥力线圈12与动杆15一起进一步向下拉动。此外，在动杆15的下端附近设置有分闸弹簧10，在动杆15的运动过程中，分闸弹簧10能够发生变化以储能和释放能量，有助于动触头6与静触头5的快速分离，以及在合闸的时候起到一定的缓冲作用。在动杆15上，分闸弹簧10的下方固定有压力固定螺母22，用来调节分闸弹簧10的压力。

下面将对本发明的快速永磁真空断路器的两种状态和两种运动过程进行说明。

当断路器处于分闸状态时，合闸斥力线圈11和分闸斥力线圈13中无电流通过，永磁铁14发生作用与电磁铁9的铁心相互吸引，动杆15连带绝缘拉杆8和动触头6处于最下端位置(即断开位置)，分闸弹簧10处于静止状态。静触头5和动触头6分离，电路处于断开状态。

在断路器进行合闸操作时，在合闸斥力线圈11中流通与固定斥力线圈12为反向的电流，二者之间产生吸引力，而在分闸斥力线圈13中流通与固定斥力线圈12为同向的电流，二者之间产生排斥力。并且，电磁铁9中也流通电流，从而断路器的动静触头实现快速闭合。此外，闭合状态后的分闸弹簧10进行储能，并能够起到一定减震作用。

当断路器处于合闸状态时，合闸斥力线圈11和分闸斥力线圈13中无电流通过，而电磁铁9中流通电流，永磁铁14发生作用与电磁铁9的铁心相互排斥，将动杆15连带绝缘拉杆8和动触头6处于最上端位置(即接通位置)，分闸弹簧10处于拉伸储能状态。静触头5和动触头6接触闭合，电路处于接通状态。

当断路器在分闸操作时，在合闸斥力线圈11中流通与固定斥力线圈12为同向的电流，二者之间产生排斥力，而在分闸斥力线圈13中流通与固定斥力线圈12为反向的电流，二者之间产生吸引力。电磁铁9中也流通电流，从而使之前处于闭合状态的断路器的动静触头能够快速分离。较传统的真空断路器来说，本发明的快速永磁真空断路器的动作迅速，非常适于对大功率电力电子变流器的保护时采用。

当断路器处于合闸或分闸状态时，合闸斥力线圈11和分闸斥力线圈13中无电流通过，永磁铁14利用电磁铁9提供的磁阻抗通道将动杆15保持在上下极限位置，而不需要任何机械锁扣。当有动作信号时，合闸斥力线圈11和分闸斥力线圈13中的电流产生磁势，动杆15中由线圈产生的磁场与永磁体产生的磁场叠加合成，在合成磁场力的作用下，在规定的时间内以规定的速度驱动断路器主体完成接通、断开任务。动杆15的末端是通过分闸弹簧10的作用被保持在行程的一端，而在行程的另一端，靠电磁能量进行保持。永磁操动机构部分30是通过将电磁铁9与永磁铁14的特殊结合，来实现传统断路器操动机构部分30的全部功能：由永磁铁14代替传统的脱锁扣机构来实现极限位置的保持功能，由分合闸线圈来提供操作时所需要的能量。由于工作原理的改变，整个机构的零部件总数大幅减少，使机构的整体可靠性有可能得到大幅提高。由于永磁机构本身的特点，可以提高断路器的可靠性，同时合分闸特性又只与线圈参数有关，因此永磁机构的分合闸特性可以通过电子或微机系统来控制，实现速度特性的智能控制，并可以具有自检测功能。

此外，对于合闸斥力线圈11、固定斥力线圈12和分闸斥力线圈13，以及电磁铁9的供电电路中，还可以设置有可通过手摇发电供电的装置，即，在不能够利用通常的外部电源供电时，可以通过该手摇发电供电装置进行电力供给，以使得断路器进行动作，实现断路器的接通、断开。

Claims (7)

1.一种保护大功率电力电子变流器的快速真空断路器，其特征在于，包括：

断路触指部分，触头部分，永磁操作机构部分；其中，

断路触指部分，其包括导电排、缓冲弹簧、触指座、滑杆和弹簧触指，其中，所述导电排的一端与接入母线连接，将外部电力引入，所述导电排的另一端与所述触指座连接，所述缓冲弹簧固定在所述触指座的内壁与所述滑杆之间，所述触指座的纵截面形成为底部开口的半包围形状，包围所述缓冲弹簧和一部分所述滑杆，在所述触指座的设有开口的底部的上方，形成所述开口的侧壁上具有弹簧触指，其中所述的弹簧触指采用斜圈弹簧触指，在所述触指座的底部的形成开口的侧壁上设置有大小与所述弹簧触指相对应的凹槽，所述弹簧触指的一部分嵌入于该凹槽内，所述弹簧触指的上表面比所述形成开口的侧壁的上表面，更向所述滑杆的杆体突出。

2.如权利要求1所述的快速真空断路器，其特征在于：

所述的触头部分，其包括静触头、动触头和真空灭弧室，其中，所述静触头与所述断路触指部分的所述滑杆连接，所述动触头与所述静触头相对设置，所述真空灭弧室包围所述动触头与所述静触头。

3.如权利要求1所述的快速真空断路器，其特征在于：

永磁操作机构部分，其包括：绝缘拉杆；与所述绝缘拉杆连接的动杆；在所述动杆的上部依次设置的合闸斥力线圈、固定斥力线圈和分闸斥力线圈，其中，所述固定斥力线圈与所述动杆连接为一体，所述合闸斥力线圈和所述分闸斥力线圈与所述动杆分离设置；在所述动杆的下部设置的电磁铁，在所述电磁铁的内部安装有永磁铁；和设置在所述电磁铁的下方的分闸弹簧。

4.如权利要求1所述的快速真空断路器，其特征在于：

所述滑杆的纵截面形成为T字形，所述滑杆与所述缓冲弹簧连接的一端具有直径大于所述滑杆的杆体的直径的外缘突出部，在所述触指座的底部的上表面构成有与所述外缘突出部相对应的触指下行限制位部，当所述滑杆向下滑动时，所述外缘突出部与所述触指下行限制位部相抵接。

5.如权利要求1所述的快速真空断路器，其特征在于：

在所述动触头的杆体上设置有带软连接的导电排，该带软连接的导电排与外部母线连接。

6.如权利要求5所述的快速真空断路器，其特征在于：

在所述分闸弹簧的下方设置有压力固定螺母。

7.如权利要求6所述的快速真空断路器，其特征在于：

对于所述合闸斥力线圈、所述固定斥力线圈和所述分闸斥力线圈，以及所述电磁铁的供电电路中，还设置有可通过手摇发电供电的装置。

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