CN102364656A

CN102364656A - 旋气式能量分离型高压sf6断路器及其能量分离方法

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Publication number: CN102364656A
Application number: CN2011103095476A
Authority: CN
Inventors: 刘晓明; 曹云东; 李俐莹
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Shenyang University of Technology
Priority date: 2011-10-13
Filing date: 2011-10-13
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2031-10-13
Also published as: CN102364656B

Abstract

本发明属高压SF ₆ 断路器领域，尤其涉及旋气式能量分离型高压SF ₆ 断路器及其能量分离方法，它包括活塞（1）、压气缸（2）、动主触头（3）、动弧触头（4）、静弧触头（5）、静主触头（6）及喷口（7）；在喷口（7）上游，于动弧触头（4）的端部附近固定设有涡旋导流机构（8）；涡旋导流机构（8）由一组采用交叉型结构的导流片单元（9）构成；涡旋导流机构（8）也可由扇片式导流片（16）或螺旋式导流片（21）构成。本发明使经由压气缸流出的SF ₆ 气体进行涡旋运动，在运动过程中形成沿径向方向的温度梯度变化，其电弧能量逸散迅速，电弧温降快，绝缘性能好，开断能力强，安装维护方便，运行可靠性高。

Description

旋气式能量分离型高压SF6断路器及其能量分离方法

技术领域

本发明属高压SF ₆ 断路器领域，尤其涉及一种对喷口流路区域的结构进行重新设计的旋气式能量分离型高压SF ₆ 断路器及其能量分离方法。

背景技术

在电力系统中，高压开关设备起控制与保护作用。高压断路器是最为重要电气设备，主要用于关合、开断电路。随着我国电力工业迅猛发展，电器产品的运行性能、质量要求越来越高，高压SF6断路器作为高压开关的主导产品，在高压、超高压以及特高压输电系统中起着重要的控制和保护作用。

压气式SF ₆ 断路器的灭弧室基本上有两种结构类型：单压式和双压式。单压式灭弧室只有一个气压系统，灭弧室的可动部分带有压气装置，靠分闸过程中活塞气缸的相对运动，形成短时间的气压升高，产生吹弧作用来熄灭电弧。单压式断路器结构简单、造价低，应用广泛，但如果希望增大断路器的开断能力，传统的吹弧方式（一般为轴流式吹弧方式）有很大的困难，不利于大幅度提高触头间抗电场击穿能力，而且，目前存在的断路器喷口流路结构，仅利用SF ₆ 气体吹弧。因此需要对现有的结构进行优化设计使灭弧室内SF ₆ 气体与电弧接触更充分，加速电弧能量逸散，降低电弧温度达到熄灭电弧的目的，使高压SF ₆ 断路器结构设计更加合理、产品整体技术指标更高、运行将更加可靠。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足之处而提供一种灭弧室内SF ₆ 气体与电弧接触充分，电弧能量逸散迅速，电弧温降快，绝缘性能好，开断能力强，安装维护方便，工艺简便易于工程实现，运行可靠性高的旋气式能量分离型高压SF ₆ 断路器。

本发明还提供一种与上述旋气式能量分离型高压SF ₆ 断路器相配套的能量分离方法。

能量分离效应（即总温分离效应）早在上世纪30年代被发现，并于40年代被研究应用，目前已被广泛的应用于一系列领域，如工业领域中的小型空调、轴承冷却；生物医学领域中的生物冷冻、内外科手术；科研领域中的热电偶的冷结点恒温、涡旋恒温器，热膨胀测试；航空领域中的宇宙飞船调节装置、电子设备的冷却。而能量分离现象广泛存在于各式各样的自然界流体运动中，包括：龙卷风、边界层分离、圆柱绕流、射流以及剪切流等。本发明首次提出应用气体涡旋运动在断口间产生能量分离效应，用以冷却电弧加速电弧熄灭，提高断路器开断能力。

在高压断路器开断线路故障时会产生一团高温、发强光的等离子体（即为电弧），高压断路器要在有效时间内开断故障电路，熄灭电弧。应用能量分离效应可以降低电弧温度，提高吹弧能力，加速电弧的熄灭，可以有效提高高压断路器开断性能，保障线路及重大设备的安全，维护电网稳定运行。

为解决上述技术问题，本发明实现方式如下。

旋气式能量分离型高压SF ₆ 断路器，它包括活塞、压气缸、动主触头、动弧触头、静弧触头、静主触头及喷口；在喷口上游，于动弧触头的端部近区固定设有涡旋导流机构。

作为一种优选方案，本发明所述涡旋导流机构由呈对称分布的一组导流片单元构成，其采用交叉型结构。

作为另一种优选方案，本发明所述导流片单元与动弧触头柱形表面的法线夹角5°≤θ≤45°。

进一步地，本发明所述导流片单元与动弧触头柱形表面的法线夹角θ=13°。

另外，本发明所述涡旋导流机构可由多组导流片单元构成；后一组导流片单元与动弧触头柱形表面的法线夹角比前一组导流片单元与动弧触头柱形表面的法线夹角小3°～5°。

其次，本发明所述涡旋导流机构还可由扇片式导流片组成，每个扇片均与动弧触头柱面垂直，与动弧触头柱面的切线成角γ，γ的取值范围为5°～45°。

其中，扇片式导流片中两相邻扇片的气流间隙H可选择扇片长度的1/6～1/4。

作为一种优选方案，本发明所述扇片式导流片由彼此均匀设置的9个扇片组成，γ=7°。

再次，本发明所述涡旋导流机构可由涡旋式导流片组成，其螺旋线角度取值范围为5°～30°。

上述旋气式能量分离型高压SF ₆ 断路器的能量分离方法，其在高压SF ₆ 断路器开断时，于灭弧室中，使经由压气缸流出的SF ₆ 气体进行涡旋运动并射入断口间，在运动过程中形成沿径向方向的温度梯度变化，进而产生能量分离效应。

本发明通过三种基本结构的多种方案，将传统的轴向吹弧变为旋转吹弧，气体通过导流片产生涡旋运动，形成能量分离效应，总温分离成两个部分：内部冷气流、外部热气流。旋转气流与电弧充分接触，加速电弧熄灭，提高断路器开断能力。

本发明在喷口上游动弧触头柱形表面平滑段构造涡旋导流机构，使气体从压气缸流出后，经过导流片产生涡旋运动射入断口间，形成能量分离效应加速电弧能量的逸散，使电弧温度降低，具有绝缘水平高、开断能力强、结构简单，安装维护方便、运行可靠性高等特点。

本发明所采用的新型旋气式能量分离型高压SF ₆ 断路器结构使高压SF ₆ 气体流经导流片，由传统的轴向流动变为旋涡形式流动，在运动过程中气体发生动能的径向交换，形成沿径向的温度梯度，即喷口气体能量的有效分离。本发明旋气式能量分离型高压SF ₆ 断路器采用能量分离原理，充分利用气体旋涡运动，外旋气流获得动能远高于内能损失，外旋气体总温升高，内旋气流损失动能温度降低，形成了喷口气流能量分离，有效降低电弧温度，降低喷口烧蚀程度，保护喷口结构，提高高压SF ₆ 断路器开断能力。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1 为现有断路器喷口结构气流运动示意图。

图2 为本发明旋气式能量分离型高压SF ₆ 断路器气流运动示意图。

图3 为本发明X型导流片结构剖面图。

图4 为本发明X型导流片主视图。

图5为本发明两组同角度X型导流片叠加结构图。

图6 为本发明两组不同角度X型导流片叠加结构图。

图7 为本发明两组不同角度X型导流片主视图。

图8 为本发明扇片式导流片结构图。

图9 为本发明扇片式导流片主视图。

图10 为本发明双重扇片式导流片结构图。

图11 为本发明螺旋式导流片结构图。

图12为本发明分段式螺旋导流片结构图。

图中：1、活塞；2、压气缸；3、动主触头；4、动弧触头；5、静主触头；6、静弧触头；7、喷口；8、涡旋导流机构；9、导流片单元；10、X型导流片下端；11、X型导流片上端；12、相同θ角X型导流片；13、相同θ角X型导流片；14、不相同角度X型导流片；15、不相同角度X型导流片；16、扇片式导流片；17、扇片；18、扇片；19、错位式双重扇片；20、错位式双重扇片； 21、螺旋式导流片；22、螺旋分段式导流片。

具体实施方式

如图所示，旋气式能量分离型高压SF ₆ 断路器，它包括活塞1、压气缸2、动主触头3、动弧触头4、静弧触头5、静主触头6及喷口7；在喷口7上游，于动弧触头4的端部附近固定设有涡旋导流机构8。

本发明所述涡旋导流机构8由呈对称分布的一组导流片单元9构成，其采用交叉型结构。

本发明所述导流片单元9与动弧触头柱形表面的法线夹角5°≤θ≤45°。

从能量分离效应的结果考虑，本发明所述导流片单元9与动弧触头柱形表面的法线夹角θ=13°时效果最理想。

本发明所述涡旋导流机构8由多组导流片单元构成；后一组导流片单元与动弧触头柱形表面的法线夹角比前一组导流片单元与动弧触头柱形表面的法线夹角小3°～5°。

本发明所述涡旋导流机构8由扇片式导流片16组成，每个扇片均与动弧触头柱面垂直，与动弧触头柱面的切线成角γ，γ的取值范围为5°～45°。

本发明扇片式导流片16中两相邻扇片的气流间隙H为扇片长度的1/6～1/4。

本发明所述扇片式导流片16由彼此均匀设置的9个扇片组成，γ=7°。

本发明所述涡旋导流机构8由涡旋式导流片21组成，其螺旋线角度取值范围为5°～30°。

本发明所述灭弧室中，可以根据能量分离效应原理，对导流片结构系统进行不同方案的设计，组成如下所述三种基本结构的多种方案设计。

⒈X型导流片结构（交叉型结构）。

气体流经X型导流片系统结构时，导流片的上端与下端之间会形成压力差，强压力差迫使气体自动形成涡旋运动。两导流片呈对称分布，固定在动弧触头上，其材质与动弧触头材质相同，参见图3所示。

导流片与动弧触头柱形表面的法线夹角为θ，θ的取值范围为5°~ 45°，如图4所示。如果高压气体涡旋运动的入射角度（既与喷口轴向截面的角度）大于45°，则无能量分离效应存在，经计算机仿真分析得到的数据表明，导流片与动弧触头柱形表面的法线夹角θ的大小与高压气流涡旋运动的入射角有关，当θ为13°时，能量分离效应最显著，断口间温度可以降低30%左右。

在X型导流片基础结构上，可以构造多组X型导流片（两组、三组或四组），每组导流片与动弧触头柱形表面的法线夹角θ相同，参见图5所示，多组导流片串连固定在动弧触头上。多组导流片串连可以加强气流的涡旋运动，保持高压SF ₆ 气体射入角度，同时可以保证断口间SF ₆ 气体质量流量不变。

同时，也可以构造多组X型导流片，每组导流片角度取值不同，结构如图6所示，不同角度X型导流片主视图如图7所示。气体流动依次流经的导流片，后一对导流片与动弧触头柱形表面的法线夹角θ比前一对导流片与动弧触头柱形表面的法线夹角θ`小3°~ 5°，后一对导流片可以修正高压气流入射角度，加强能量分离效应，加速灭弧速度，保护喷口减少烧蚀。

⒉扇片式导流片。

气体流经扇片式导流片系统结构后，自然形成强制涡旋运动，结构如图8所示。每个扇片均与动弧触头柱面垂直，与动弧触头柱面的切线成角γ，如图9所示，γ的取值范围为5°~ 45°。在动弧触头沿圆周方向可以均匀设置5~12个扇片，扇片的大小、γ角度及形状相同，两相邻扇片的气流间隙（既两扇片的垂直距离H）取值为扇片大小的1/5。气体流经扇片形成涡旋流动，高压气体射入断口间的角度大小与扇片倾斜角度γ关。经计算机仿真研究表明，γ角度越小，能量分离效果越明显，本方案的最优结构为9扇片，7°，由计算结果得到，本结构方案可以使断口间温度可降低30%。

在构造扇片式导流片基本结构上，还可以构造双重扇片式导流片结构，结构如图10所示，气体流经第一组扇片式导流片结构时形成涡旋运动，第二组扇片结构与第一组结构错位一定角度，用于修正高压气流入射角度，加强气流涡旋运动，保护喷口结构。

同时，还可以通过改变每组扇片的数量、大小、角度、方位以及两组扇片的距离组成多种导流片结构，适用于不同的具体问题。

⒊螺旋式导流片。

涡旋式导流片结构中，导流片的螺旋线角度取值范围为5°~30°。高压气体流经螺旋式导流片结构后也会产生涡旋运动，本方案可以准确的控制高压气流的涡旋运动形式。如图11所示。同时，可以将螺旋导流片分段，缺口处可以增加气流流量，结构如图12所示。

现有断路器喷口结构气流运动如图1所示，传统的吹弧方式为轴向吹弧，而本发明通过改变喷口结构，应用能量分离原理提出旋气式能量分离型高压SF ₆ 断路器结构，使传统的轴向吹弧变为涡旋式吹弧，如图2所示。涡旋运动产生能量分离效应，高压旋转气体温度分为两个部分，内部温度较低，冷气流遇到静弧触头逆返流出。外部温度较高，围绕静弧触头以涡旋运动形式流出。电弧随着触头的运动拉伸，旋转气流与电弧充分接触，加速电弧能量逸散，加快其熄灭。

参见图2，活塞1固定不动，开断过程中操动机构通过连接杆使带有动触头3、4和绝缘喷口7的压气缸2运动，在活塞1与压气缸2之间产生压力，高压SF ₆ 气体按图示箭头方向平直运动，气体流经喷口上游平直段涡旋导流机构，由于压力差作用，气体自动形成旋转运动，按一定角度以涡旋运动形式射入端口间电弧区域。

此时，动主触头3、动弧触头4和静主触头5、静弧触头6分离，触头间形成电弧，绝缘喷口脱离静弧触头6，打开吹弧口，气体在压气缸2压力作用下，涌入喷口上游平直段。

当气体流经X型导流片结构时，导流片因与动弧触头柱面法线成θ角，如图4所示，X型导流片的一个X型导流片下端10和X型导流片上端11会产生压力差，X型导流片下端10处气体聚集，气压增大，而X型导流片上端11处相反气压低，导流片自动形成压差，而另一片X型导流片的高气压和低气压端与其相反，使气体产生旋涡流动。设置两组同角度的X型导流片组时，如图5所示，气体流经相同θ角X型导流片12后形成涡旋运动，相同θ角X型导流片13加强高压气流的涡旋运动强度，可以加强能量分离效果，如设置不同角度的X型导流片组，如图6所示，气流经过不相同角度X型导流片14形成涡旋运动，而不相同角度X型导流片15的角度θ比不相同角度X型导流片14的角度θ`小3°~5°，修正高压气流入射角度，加强了涡旋运动。

当气体流经扇片式导流片16时，扇片17的角度为γ，并且每组中各个扇片的角度均相同，气体沿扇片表面流动，遇相邻扇片之间的气隙流出，形成涡旋流动。扇片角度γ，及相邻扇片的气隙大小H，对高压气流产生的涡旋运动入射角度有极大影响。设置错位式双重扇片结构时，如图10，错位式双重扇片19与错位式双重扇片20有错位角，气体流经错位式双重扇片19后形成涡旋流动，错位式双重扇片20修正气体涡旋运动的角度，加强涡旋运动强度，保证能量分离效应。

当气流经过螺旋式导流片21结构时，气体沿螺旋式导流片表面流动，气体迹线呈螺旋形式，螺旋角度与螺旋式导流片的角度相同。螺旋结构可以有效的控制高压气流的旋转角度，但气流质量流受到一定的限制，因此，可以将整片的螺旋结构分段形成螺旋分段式导流片22，保证气流质量流量，如图12所示。

本发明能够满足不同运行工况下的开断要求，并且通过容性电流开断和短路电流开断仿真实验研究，可以提高产品可靠性、安全运行。此外，根据发明专利的工作原理和设计方案，对导流片系统不同结构的夹角，导流片形状大小、规格的不同可以组成不同的结构方案。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.旋气式能量分离型高压SF₆断路器，包括活塞（1）、压气缸（2）、动主触头（3）、动弧触头（4）、静弧触头（5）、静主触头（6）及喷口（7）；其特征在于，在喷口（7）上游区域，于动弧触头（4）的端部近区固定设有涡旋导流机构（8）。

2.根据权利要求1所述的旋气式能量分离型高压SF₆断路器，其特征在于：所述涡旋导流机构（8）由呈对称分布的一组导流片单元（9）构成，其采用交叉型结构。

3.根据权利要求2所述的旋气式能量分离型高压SF₆断路器，其特征在于：所述导流片单元（9）与动弧触头柱形表面的法线夹角5°≤θ≤45°。

4.根据权利要求3所述的旋气式能量分离型高压SF₆断路器，其特征在于：所述导流片单元（9）与动弧触头柱形表面的法线夹角θ=13°。

5.根据权利要求1所述的旋气式能量分离型高压SF₆断路器，其特征在于：所述涡旋导流机构（8）由多组导流片单元构成；后一组导流片单元与动弧触头柱形表面的法线夹角比前一组导流片单元与动弧触头柱形表面的法线夹角小3°～5°。

6.根据权利要求1所述的旋气式能量分离型高压SF₆断路器，其特征在于：所述涡旋导流机构（8）由扇片式导流片（16）组成，每个扇片均与动弧触头柱面垂直，与动弧触头柱面的切线成角γ，γ的取值范围为5°～45°。

7.根据权利要求6所述的旋气式能量分离型高压SF₆断路器，其特征在于：扇片式导流片（16）中两相邻扇片的气流间隙H为扇片长度的1/6～1/4。

8.根据权利要求7所述的旋气式能量分离型高压SF₆断路器，其特征在于：所述扇片式导流片（16）由彼此均匀设置的9个扇片组成，γ=7°。

9.根据权利要求1所述的旋气式能量分离型高压SF₆断路器，其特征在于：所述涡旋导流机构（8）由涡旋式导流片（21）组成，其螺旋线旋转角度取值范围为5°～30°。

10.一种如权利要求1～9之任一所述旋气式能量分离型高压SF₆断路器的能量分离方法，其特征在于，在高压SF₆断路器开断时，于灭弧室中，使经由压气缸流出的SF₆气体进行涡旋运动并射入断口间，在运动过程中形成沿径向方向的温度梯度变化，进而产生能量分离与旋气式能量逸散效应。