CN102280302A - 一种低重击穿概率及高容性电流开断能力的真空开断器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低重击穿概率及高容性电流开断能力的真空开断器，其在壳体内安装金属屏蔽筒，壳体上、下两端分别安装端盖，上端盖设有向下延伸至金属屏蔽筒内的静触头；下端盖安装有导向套，在导向套内装有动触头，动触头端部为凸半球体，静触头端部为与之对应的凹半球体。凸半球体由一组导磁组件和导电组件间隔设置组成，凹半球体与之对应，且静触头导磁组件位置与动触头导电组件位置对应，而静触头导电组件位置与动触头导磁组件位置对应。本发明通过改善触头间的磁场、触头的形状、触头材料来解决中压系统中开断容性电流（特别是开断电容器组）时容易产生重燃、重击穿和NSDD的问题。

Description

一种低重击穿概率及高容性电流开断能力的真空开断器

  

技术领域

本发明涉及一种电力设备，具体是一种真空开断器，更确切的说是一种低重击穿概率及高容性电流开断能力的真空开断器。 

背景技术

在电力系统的日常运行中，需要对电能进行输送、分配，对电力质量进行改善和对系统进行保护，因此需要经常对各种线路进行投切。为了满足各种线路的投切，在电力系统中使用了大量的高压电器设备来实现其目的。在线路的投切过程中因各个参数不一致，投切的时机和目的不一致，会在此过程中遇到各种形式的电流。为了适应各种投切，因此出现了具有各种功能的高压电器设备。在各类高压电器设备中高压开关因要承载、关合、开断各种电流而备受人们的关注。在狭义的高压电器的概念中就是指高压开关。根据其灭弧的介质的不一样我们经常将其分为SF6开关、真空开关、空气开关、油开关。 

要了解真空高压电器就需了解真空电弧是怎样产生的。在真空环境中，气体非常稀薄，残存气体的电离可忽略不记。一对带电触头在这种高真空环境中的分离，便会产生真空电弧。真空电弧是这样产生的：当触头行将分离前，触头上原先施加的接触压力开始减弱，动静触头间的接触电阻开始增大，由于负荷电流的作用，发热量增加。在触头刚要分离瞬间，动静触头之间仅靠几个尖峰联系着，此时负荷电流将密集收缩到这几个尖峰桥上，接触电阻急剧增大，同时电流密度又剧增，导致发热温度迅速提高，致令触头表面金属产生蒸发，同时微小的触头距离下也会形成极高的电场强度，造成强烈的场致发射，间隙击穿，继而形成真空电弧。真空电弧一旦形成，就会出现电流密度在104A/cm2 以上的阴极斑点，使阴极表面局部区域的金属不断熔化和蒸发，以维持真空电弧。 

当真空电弧电流不大时，阴极斑点将不停地运动，通常是由电极中心向边缘运动。当阴极斑点到达边缘，等离子锥便弯曲，接着阴极斑点就突然熄灭，在电极中心又会继续不断地产生新的阴极斑点。如果电流保持不变，阴极表面存在的阴极斑点数基本上维持不变。当电弧电流增大或减小时，阴极斑点也随之增加或减少。这种存在许多阴极斑点的真空电弧，随着阴极斑点的运动不断地向四周扩散，所以叫扩散型真空电弧。 

若用铜作电极，当电弧电流增加超过10000A时，电弧的外形将突然发生变化，阴极斑点不再向四周作扩散运动，而是相互吸引，结果所有的阴极斑点都聚集成一个斑点团，阴极斑点团的直径可达1~2CM。此时阳极上出现了阳极斑点，阴极表面和阳极表面均有强烈的光柱，阴极光柱与阳极光柱自由地向电极的四周扩散成为数条连续的闪光，有时偶尔也与电极平行。真空电弧一旦聚集，阴极斑点与阳极斑点便不再移动或以很缓慢的速度运动，阳极和阴极表面被局部强烈加热，导致严重熔化，这种真空电弧叫做收缩型真空电弧或聚集形电弧。 

收缩形真空电弧对电流的开断来讲是非常困难的，提高扩散形电弧向收缩电弧转变的临界值变的很重要。最终通过改变触头材料和触头结构、触头的形状及在触头上产生的磁场的方向（如：横磁场RMF、纵磁场AMF）等提高了其临界值。 

虽然经过了大量的研究和改进，但电弧在真空中的特性使得现今还没有出现大量用于72KV以上系统的真空高压电器，但在中压系统中真空灭弧表现出来的优异性能越来越受到人们的认可。因此在10KV至35KV的中压系统广泛的使用真空高压电器。 

在中压系统中真空高压电器不仅要承载连续的额度电流，还要关合和开断各种电流，特别是开断各种电流至关重要。为了满足各种电流的开断，人们进行大量的研究，最终通过改变触头材料的成分、触头的结构、触头的形状及在触头上产生的磁场的方向（如：横磁场RMF、纵磁场AMF）等来满足各种电流的开断。虽然经过了各种的改进，但人们的出发点却始终是关注如何提高短路电流的开断及如何降低截流值、防止触头熔焊上，很少关注如何提高容性电流的开断及降低开断容性电流时出现的重燃、重击穿和NSDD的概率。 

在IEC62271-100《高压交流断路器》的标准修订后，我国也根据国内的实际情况参照IEC标准对GB1984《高压交流断路器》进行了更新。在更新后的标准重明确的对断路器的等级进行了划分，也特别重视了开断容性电流时产生重燃、重击穿和NSDD的概率。国际电工委员会也是希望行业内的人士关注此问题，但是实际情况是业内对如何降低容性电流开断时的问题没有作细致的考虑，没有去分析开容性电流时最常使用的场合，从而导致在最常用的开断容性电流的场合没有合适的产品去完成此任务。特别在现今的中压系统中用来投切电容器组的真空高压电器，因开断的容性电流的额度电流较高，开断更频繁，所以该问题更是突出。在10KV、24KV的系统中为了解决此问题，都需要在真空高压电器整机组装调试完成后进行老练试验，之后才敢正常的使用。对于35KV的系统中用来投切电容器组的高压电器就很少使用真空高压电器了，其原因也是害怕出现该问题。 

但是即使老练试验也没用完全解决该问题，因为老练试验只是利用大的电流将触头表面的微观凸起部分和杂质气化，以达到触头表面洁净平整，使其在开断容性电流时的重燃、重击穿和NSDD的概率降低，但不能根本解决此问题。要彻底解决此问题则需要分析投切电容器组的系统环境（如：电压、电流、故障和短路电流），才能有更好的应对措施来解决实施。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有低重击穿概率及高容性电流开断能力的真空开断器，其通过改善触头间的磁场、触头的形状、触头材料解决了中压系统中开断容性电流时容易产生重燃、重击穿和NSDD的问题。 

本发明所述的低重击穿概率及高容性电流开断能力的真空开断器，其包括由上段绝缘外壳和下段绝缘外壳组成的壳体，在壳体内安装金属屏蔽筒，在壳体的上、下两端分别安装有上端盖和下端盖，在上端盖上设有向下延伸至金属屏蔽筒内的静触头；在下端盖的中心孔中安装有导向套，在导向套内装有可以沿轴向运动的并与静触头适配的动触头，所述动触头端部为凸半球体，静触头端部为与之对应的凹半球体。 

作为本发明的改进，所述凸半球体由一组动触头导磁组件及一组动触头导电组件间隔设置组成，每部分的截面形状和面积相同，相应的凹半球体由同样数量的一组静触头导磁组件和静触头导电组件间隔设置组成，每部分的截面形状和面积也相同，且静触头导磁组件位置与动触头导电组件位置对应，而静触头导电组件位置与动触头导磁组件位置对应。 

上述凸半球体最好由两块动触头导磁组件及两块动触头导电组件间隔设置组成；凹半球体则同样由两块静触头导磁组件和两块静触头导电组件间隔设置组成。导磁和导电组件组成的四等分的截面可以是任何形状，但需控制该截面各等分部分截面的组成部分，使得截面面积相同，比较典型的例为双阴阳鱼形状或卍字形状。 

此外，还可以在各导电组件和导磁组件表面设置金属外壳，该金属外壳材料为耐弧材料CuCr,其中Cr的重量百分比为15%-25%之间。在该金属外壳上静触头和动触头接触区域镶嵌抗熔焊材料CuW或CuWWC,其中CuW中W的重量百分比为0.8%至1.5%，CuWWC中WWC的重量百分比为0,8%至1.5%，镶嵌的抗熔焊部件的截面面积占其接触区域的10%至40%。 

作为本发明的进一步改进，在壳体内沿动触头外设有波纹管，波纹管一端固定在下端盖内侧，一端固定在动触头外壁面。因为波纹管7有其伸缩性和相应的疲劳强度，可以保证在动触头运动的过程中壳体内形成的真空环境不会被破坏。 

所述上、下段绝缘外壳可以为光面或者波浪面的陶瓷外壳，也可以为光面或者波浪面的玻璃外壳。 

本发明在分析了真空高压电器开断容性电流，特别是开断较大的容性电流（如：投切电容器组）的系统环境后，通过改善触头间的磁场、触头的形状、触头材料来解决中压系统中开断容性电流时容易产生重燃、重击穿和NSDD的问题。该发明不仅能满足中压系统正常的额定电流、故障电流和短路电流的开断，更提高容性电流的开断，且有效的降低了容性电流开断的重燃或重击穿概率，NSDD（非自持性放电）也得到了有效的降低。该发明不仅适应于需要开断有功负载电流、故障电流和短路电流的高压电力系统中，还特别适应需要开断容性电流开断的高压电力系统中。 

附图说明

图1为本发明的结构示意图, 

图2为动、静触头上导磁、导电组件分布的结构示意图,

图3a为加金属壳体的动触头结构示意图，

图3b是图3A-A向剖视图，

图3c是图3B-B向剖视图，

图4为动触头截面导磁导电部件配合示意图一,

图5为动触头截面导磁导电部件配合示意图二。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的进一步加以描述： 

图1所示是一种低重击穿概率的高容性电流开断能力的真空开断器结，其由上、下两段外壳101、102（外壳可以是光面或波浪形的陶瓷或玻璃材料）组成壳体1，在壳体1内部，两段外壳的连接处安装有金属屏蔽筒2。在壳体1的一端安装有上端盖3，上端盖3的壳体外露部分设置若干安装孔，在壳体1内的部分上安装有静触头4。在壳体1的另一端安装有下端盖5，在下端盖5的中心孔中安装有导向套6。下端盖5内侧与波纹管7一端相连。动触头8下端开有与导向套配合的槽，动触头穿过导向套6、下端盖5和波纹管7，动触头外壁面与波纹管7的另一端相连。壳体1与上端盖3、下端盖5及波纹管7、动触头8组成一个密闭的空间，在此空间内形成低压力的真空环境。通过上端盖3上的安装孔安装在一个框架上，使静触头4不能运动；动触头8在导向套6的作用下只能在纵轴线上下运动，与静触头4接触或分开形成电流的导通和分断。

如图2，在动触头8端部设置一凸半球体9，与之对应的静触头4端部设置凹半球体10。在动触头8上的凸半球体9上设置有两块动触头导磁组件901、902和两块动触头导电组件903、904。导磁组件和导电组件将凸半球体分成四等分，每部分的截面形状和面积相同。在静触头4上也同样设置了两块静触头导磁组件1001、1002和两块静触头导电组件1003、1004。凸半球体9上的动触头导磁组件901和凹半球体10上的静触头导电组件1003相对应，凸半球体9上的动触头导磁组件903和凹半球体10上的静触头导电组件1001相对应，依次类推。在静触头4上排列的方式正好与动触头上的排列方式正好相差90度角度，形成的每个接触部分为导电组件与导磁组件相对应。导磁和导电组件组成的四等分的截面可以是任何形状，但需控制该截面各等分部分截面的组成部分的一部分截面比另一部分截面的面积大。比较典型的例子是双阴阳鱼配合或“卍”字形配合（见图4和图5）。在本实例中采用了双阴阳鱼配合。 

此外，可以在导电组件和导磁组件表面设置金属外壳，该金属外壳可以为耐弧材料CuCr,其中Cr的重量百分比为15%-25%之间。并可以在该金属外壳上静触头和动触头接触区域镶嵌抗熔焊材料CuW或CuWWC,其中CuW中W的重量百分比为0.8%至1.5%，CuWWC中WWC的重量百分比为0,8%至1.5%。镶嵌的抗熔焊部件的截面面积占其接触区域的10%至40%。 

从本领域中已知的情况是纵磁场（AMF）在开断短路电流时有非常优异的效果。纵向磁场的加入可以提高由扩散性电弧转变到收缩型电弧的转换电流值。实验表明，在足够的纵向磁场下，大电流真空电弧仍具有扩散性真空电弧的基本特征，电弧斑点在电极触头表面均匀分布，触头表面不会产生局部严重熔化，并具有电弧电压低，电弧能量小的优良特征，这对于弧后强度恢复，提高分断能力是十分有益的。在本实例采用了AMF灭弧，并设置了2个产生AMF磁场的两个线圈，这2个线圈是并联的，方向相同，故AMF磁场产生的方向相同是叠加增大的。 

电流开断成功与否（即电弧熄灭与否）取决于介质绝缘恢复强度速度曲线与瞬态恢复电压速度曲线的交点。当电流过零时，介质绝缘恢复强度高于瞬态恢复电压，电弧熄灭不再重燃，因此要提高介质绝缘恢复强度。提高介质恢复强度有很多方法，但在不改变其他条件的情况下，改变电极的形状，改善电场的分布，形成均匀的电场是很好的方法。在本领域中知道两球体的电场分布最为理想，是稍微不均匀的电场，比空间无限大的板板电极的均匀电场要差，但实际上是不可能得到此种电极。在板板电极的边缘的电场不利于介质绝缘恢复，电极的边缘电场击穿场强要比同等条件下的球形电极的击穿场强低许多。因此本实例采用了球体电极，而没有使用传统的平板电极。 

由于需连续的承载额度电流，为防止触头的发热过大，温度过高，因此需要减少触头本身的电阻及其接触电阻。一般触头都采用电阻率很小的铜或高含铜量得金属合金。因为在触头中插入了导磁材料，一般导磁材料都是铁或铁金属合金，其电阻率大，所以其触头本身的电阻要大于电阻率小的材料制成的触头。根据并联电阻的阻值是各并联电阻倒数和的倒数这一原理，可知将其触头的组成部分并联可以降低其触头的总电阻，因此在本实例中采用了几个导电和导磁的材料并联来降低其触头本身的电阻。在接触电阻的理论中可知在相同的接触压力下点接触的接触电阻比线接触的接触电阻和面接触的接触电阻要小，因此采用点接触的接触原理可以降低其接触电阻。采用球形触头可以增加接触面积，将其接触形式变成点、线接触，降低接触电阻。 

图3a为动触头生产加工的结构示意图。动触头8的凸半球体9可以由2个导磁组件和2个导电组件组成（见图3b和图3c）。并将其组件按图2的组合顺序放入在带凹槽的底座15上，罩上空心的金属壳体16。该金属壳体16可以为耐弧材料CuCr,其中Cr的重量百分比为15%-25%之间。并可以在该金属外壳上静触头和动触头接触区域镶嵌抗熔焊材料CuW或CuWWC,其中CuW中W的重量百分比为0.8%至1.5%，CuWWC中WWC的重量百分比为0,8%至1.5%。镶嵌的抗熔焊部件的截面面积占其接触区域的10%至40%。，每个部件接触部分填充的焊接剂，通过高温融化将以上部件组合成一个整体。导磁和导电组件可以用相应的铁金属合金、铜或高铜合金通过粉末冶炼得到相应外形的导磁或导电组件，通过后处理得到满足上面安装组合精度的组件。在本实例的技术方案中简化了其生产制造，增加了可操作性，降低了制造成本。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。 

  

Claims (8)

1.一种低重击穿概率及高容性电流开断能力的真空开断器，其包括由上段绝缘外壳（101）和下段绝缘外壳（102）组成的壳体（1），在壳体内安装金属屏蔽筒（2），在壳体（1）的上、下两端分别安装有上端盖（3）和下端盖（5），在上端盖（3）上设有向下延伸至金属屏蔽筒（2）内的静触头（4）；在下端盖（5）的中心孔中安装有导向套（6），在导向套（6）内装有可以沿轴向运动的并与静触头（4）适配的动触头（8），其特征在于所述动触头（8）端部为凸半球体（9），静触头（4）端部为与之对应的凹半球体（10）。

2.根据权利要求1所述的低重击穿概率及高容性电流开断能力的真空开断器，其特征在于所述凸半球体（9）由一组动触头导磁组件（901、902）及一组动触头导电组件（903、904）间隔设置组成，每部分的截面形状和面积相同，相应的凹半球体（10）由同样数量的一组静触头导磁组件（1001、1002）和静触头导电组件（1003、1004）间隔设置组成，每部分的截面形状和面积也相同，且静触头导磁组件位置与动触头导电组件位置对应，而静触头导电组件位置与动触头导磁组件位置对应。

3.根据权利要求2所述的低重击穿概率及高容性电流开断能力的真空开断器，其特征在于凸半球体（9）由两块动触头导磁组件（901、902）及两块动触头导电组件（903、904）间隔设置组成；凹半球体（10）两块静触头导磁组件（1001、1002）和两块静触头导电组件（1003、1004）间隔设置组成。

4.根据权利要求3所述的低重击穿概率及高容性电流开断能力的真空开断器，其特征在于凸半球体（9）和凹半球体（10）上的导磁组件和导电组件截面形状为双阴阳鱼形状或卍字形状。

5.根据权利要求2所述的低重击穿概率及高容性电流开断能力的真空开断器，其特征在于在各导电组件和导磁组件表面设置金属外壳，该金属外壳材料为耐弧材料CuCr,其中Cr的重量百分比为15%-25%之间。

6.根据权利要求5所述的低重击穿概率及高容性电流开断能力的真空开断器，其特征在于在该金属外壳上静触头和动触头接触区域镶嵌抗熔焊材料CuW或CuWWC,其中CuW中W的重量百分比为0.8%至1.5%，CuWWC中WWC的重量百分比为0,8%至1.5%，镶嵌的抗熔焊部件的截面面积占其接触区域的10%至40%。

7.根据权利要求1至6中任何一项所述的低重击穿概率及高容性电流开断能力的真空开断器，其特征在于在壳体（1）内沿动触头（8）外设有波纹管（7），波纹管（7）一端固定在下端盖（5）内侧，一端固定在动触头（8）外壁面。

8.根据权利要求1至6中任何一项所述的低重击穿概率及高容性电流开断能力的真空开断器，其特征在于上、下段绝缘外壳（101、102）为光面或者波浪面的陶瓷外壳，或者为光面或者波浪面的玻璃外壳。

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