CN102412078B - 机电断路器 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种机电断路器，其用于在主电路(3、4)中建立和断开电流并且包括固定接触元件(5)和移动接触元件(6)，它们在第一位置互相电接触，用于传送主电路的电流，所述移动接触元件(6)适合于移动到其与固定接触元件(5)分离的第二位置以便断开主电路中的电流。所述断路器设置有熄弧装置(2)，所述熄弧装置包括励磁线圈(11)，所述励磁线圈由励磁电流流过以产生磁场(B)，所述磁场适合于将由所述两个接触元件(5、6)的分离产生的电弧(17)驱动到灭弧装置(1)中。所述熄弧装置(2)包括电极部件(9、10)，所述电极部件电连接到所述励磁线圈并且适合于以所述电弧(17)在所述励磁线圈(11)中产生所述励磁电流的方式与所述电弧(17)配合，用于驱动所述电弧(17)的所述磁场(B)由所述电弧(17)的动作产生。所述熄弧装置(2)还包括磁性部件(15、16)，用于产生磁场B15和B16，所述磁场B15和B16相对于电弧(17)径向指向并且适合于在电弧(17)上产生力(F15、F16)以便移动电弧，从而强制电弧(17)接触电极部件(9、10)。

Description

机电断路器
技术领域
本发明涉及机电断路器，特别是但不唯一适合于例如包括轨道车辆的牵引网络的DC装置的保护。
背景技术
典型地，这样的网络具有750到3000V的标称电压。例如，断路器用于装置中某处短路的情况下的大电流的中断。但是，断路器也具有很多其它工业应用。
这种已知的机电断路器包括与可移动接触元件配合的固定接触元件。在正常状态下，这些元件互相接触，并且主电路中的电流在元件之间传导。当断开电流时，移动接触元件通过一些类型的机电致动器而移动，增大这些接触元件之间的物理距离，这将在两个接触元件之间产生电弧。
为了使得电流有效断开，这种电弧必须被消除。这通常通过利用所谓的已知类型的消弧栅实现，电弧被与由主电路产生的磁场相关的力引导到消弧栅中。在消弧栅内，电弧将被分成多个更小的电弧，这将最终导致单独的接触元件上的导电断开。
为此目的，这种类型的断路器通常设置有所谓的熄弧装置，所述熄弧装置可以是机电式的，这意味着电磁力被用来将电弧驱动到例如消弧栅的电弧消除装置中。
使用主电流以产生磁场的优点在于当电流反向时磁场反向，并且电弧上合力一直相同。这意味着通过断路器的电流可以被以任意一种方向中断(即，断路器不对极性敏感)。
DC断路器中用于将电弧移动到消弧栅中的电磁力通常是电流值的函数。当将被中断的电流很小时尤其有问题。在这种情况下，所产生的力将不足以将电弧移动到消弧栅中。
这个问题的一种已知解决方案是使用永磁体产生足够在小电流时移动电弧的磁场。通常，永磁体设置成使得磁场均匀并且大体上垂直于电流方向，并且使得电弧上合力被引导为将电弧推到消弧栅中。但是，如果电流改变方向，电弧上合力也将改变方向并且沿着与消弧栅相反的方向推动电弧。由此断路器对极性敏感。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于机电断路器的熄弧装置的改进设计，这种设计消除了已知装置的不方便。特别的，本发明的主要目的是提供一种能够断开很小电流同时能够在任意一个方向断开电流的断路器。
本发明的目的是一种断路器，用于在主电路中建立和断开电流并且包括固定接触元件和移动接触元件，所述固定接触元件和移动接触元件在第一位置互相接触以便传送主电路的电流，所述移动元件适合于被移动到其与固定接触元件分开以便主电路中的电流被切断的第二位置，所述断路器设置有熄弧装置，所述熄弧装置包括励磁线圈，所述励磁线圈被励磁电流流过以产生磁场，所述磁场适合于将由所述两个接触元件的分离产生的电弧驱动到灭弧装置中，所述熄弧装置包括电极部件，所述电极部件电连接到励磁线圈并且适合于与所述电弧以后者在所述励磁线圈中产生所述励磁电流的方式配合，用于驱动所述电弧的磁场由所述电弧的动作产生，其特征在于所述熄弧装置还包括磁性装置，所述磁性装置用于产生磁场，所述磁场相对于电弧径向指向并且适合于在电弧上产生力以便移动后者，从而强迫电弧与电极部件接触。
这些特点允许获得即使当断开小电流时具有非常精确和安全的功能以及较高的效率的断路器。另外，可以实现较大的可靠性以及较长的寿命以及较低的成本价格。
熄弧装置优选设置有励磁线圈和包括至少两个臂的励磁电路，所述用于驱动电弧的磁场至少部分产生在所述两个臂之间。
这些特点允许产生特别良好地适合于将电弧驱动到灭弧装置中的磁场，无论所述电弧的方向和强度如何，因此获得了较好的断开性能和安全性。
附图说明
本发明的其它特点、目标、用途和优点将从所附权利要求以及从说明书中变得明显，随后的说明书参照形成其一部分的附图描述，其中：
图1示出了根据本发明具有熄弧装置以及相关的消弧栅的断路器。
图2示出了根据图1的熄弧装置的布置的另一个视图。
图3和4示出了根据图1和2的断路器和熄弧装置中处于第一相位的电弧，电弧在图3中沿着一个方向流动而在图4中沿着相反的方向流动。
图5示出了根据图1和2的断路器和熄弧装置中处于第二相位的电弧，电弧沿着与图4中相同的方向流动。
图6a、6b和6c示意性地示出了电弧按照电流的方向和永磁体的定向移动到根据本发明的熄弧装置中。
图7a、7b示意性地示出了分别在通常情况下以及在极限情况下，电弧移动到根据本发明的熄弧装置中。
图7c示意性地示出了电弧移动到根据本发明的一个变体的熄弧装置中。
具体实施方式
图1示意性地并且以总体的方式示出了根据本发明具有熄弧装置2和相关的消弧栅1的断路器。这种消弧栅1是常规的设计并且在本文中不再进一步描述。主电流通路穿过第一接触杆3到固定机械接触元件5，通过相关的移动机械接触元件6和第二接触杆4。在通常的状态下，这些接触元件5、6互相电连接，传送主电流。当断路器启动的时刻，通过接触元件5、6的电流可以沿着任意一个方向流动。
机械接触元件6的移动利用致动器7控制，所述致动器例如通过将接触元件5、6拉开而产生需要的物理移动，以打开电接触元件6并且增大元件5、6之间的距离。致动器7是常规的设计并且在本文中将不再进一步描述。
出现断路器被启动的一个典型的情况是当由于某种原因，断路器连接在其中的主电路中某处出现短路的时候。
这种短路可以显著增大电流超过额定值，这当然损害所述主电路中的组件和设备。
为了使这些短路的影响最小化，因此所关心的是尽可能快地完全断开电流，这因此是利用断路器实现的。
但是，断路器也应当能够断开引起更大设计问题的小电流。
本领域普通技术人员公知的检测装置(未示出)例如设置在主电路中并且目的是检测主电路应当被切断的条件。这样的条件可以包括可能是短路导致的电流增大。本领域普通技术人员公知的配合控制装置(未示出)向断路器的致动器7发送信号，所述致动器随后将移动所述移动接触元件6以便断开电流。但是，断路器也可以手动致动或者通过利用发送到致动器7的常规控制信号致动，而不检测异常状态。
图2以另一个视图示出了根据图1的熄弧装置的配置。在该图中，消弧栅1未示出，但是标明了上部大体平坦的表面8，该表面是用于相关的消弧栅1的支撑面。
熄弧装置2包括第一电弧滚环9，其安装在所述固定接触元件5上方并且电连接到后者；以及第二电弧滚环10，其安装在所述移动元件6的顶部上并且电连接到后者。在所述移动接触元件6和所述第二电弧滚环10之间存在间隙19。
所述熄弧装置2还包括励磁线圈11，其电连接在可移动接触元件6和第二电弧滚环10之间并且在包括芯部13和两个臂14的磁路12中产生磁场B。所述磁路12的芯部13和臂14适合用铁制成。所述磁路12在这里被作为例子描述，并且本领域普通技术人员公知的其他适当的装置明显可以被用在根据本发明的熄弧装置2中。
当被电流启动时，励磁线圈11产生通过所述磁路12的臂14的磁场B，如图5中所示。
根据上述的励磁线圈11的启动电流在断开程序的过程中不用从断路器之外输入能量而自动产生。
根据本发明的熄弧装置2还包括分别设置在所述第一和第二电弧滚环9、10之后的至少两个永磁体15、16。优选地，磁体15、16不与它们各自的电弧滚环9、10接触，而是放置在一些适当的支撑件，例如塑料制成的支撑件上，以便在短路过程中电弧滚环9、10过热的情况下保护所述磁体15、16。
每个永磁体15、16在所述接触元件5、6之间的空间中分别产生磁场B15和B16，如图3和4中所示。
在正常的条件下，所述固定和移动接触元件5、6电连接，传送全部主电流(该方案没有示出)。
如果现在在主电流中检测到一些预先确定的、根据应用策略将导致主电路切断的条件，则可以是作用在移动接触元件6上的机电型致动器7将接收控制信号。因此，移动接触元件6被从所述固定元件5撤回。
但是，由于如图3和4中所示在固定和移动接触元件5、6之间产生电弧17，所述主电路将不立即下降到零。电弧17的方向取决于主电流的方向：图3和图4分别示出了所述接触元件5、6之间的、沿着第一方向和相反的方向流动的所述电弧17。现在，断路器的挑战是尽可能快地将电弧17灭掉，以便限制对主电路可能的损坏。
如上所述，这种类型的断路器使用消弧栅1，电弧17被强制进入所述消弧栅以便分裂电弧并且最终消除电弧。在图中，消弧栅1物理上设置在图的上部。
使得电弧进入消弧栅中的驱动力F由电弧17与由接触元件5、6周围的空间中的励磁线圈11和磁路12产生的磁场B之间的作用产生。该驱动力F随后在图3、4和5中必须指向向上。所述驱动力F应当足够强以便电弧17穿过所述移动接触元件6和所述第二电弧滚环10之间的间隙19。但是，由于该力F取决于断路时的电流强度，在小电流的情况下，该力可能太小而不能强制电弧17穿过间隙19并进入消弧栅1。如下文中所说明的，根据本发明的熄弧装置2消除了这些缺点并且即使在小电流的情况下也允许电流能够完全并且安全地断开。
图3和图4示出了当在所述接触元件5、6之间产生电弧17时将移动元件6从固定元件5撤回紧接之后的情况。在图3中，电弧沿着第一方向流动，而在图4中，电弧17沿着相反的方向流动。
所述熄弧装置2的永磁体15、16设置为使得它们各自的磁场B15和B16相对于所述电弧17径向延伸。在图3、4、6a、6b中，永磁体15、16的取向为它们的南极S指向所述接触元件5、6之间的空间。如将在下文中所述，这是一种任意的选择，所述磁体必须为相反的方向以便产生适当的径向磁场，但是将永磁体的北极N指向所述接触元件5、6之间的空间，本发明同样起作用。
所述磁场B15和B16随后已经从开始在每个在电弧17上产生力F15和F16，适合于强制每个电弧17的底部18，-现在分别与固定元件5和移动元件6接触，以便在较早阶段分别与第一电弧滚环9和第二电弧滚环10接触。
这些力F15和F16是拉普拉斯力。精确地说，这些力F15和F16中的每一个既垂直于电流方向，也分别垂直于磁场B15和B16的磁力线，最终推动电弧17环形运动，环形运动的方向根据右手定则确定。
由于放置在第二电弧滚环10之后并且作用在与移动接触元件6接触的电弧17的底部上的永磁体16产生的力F16特别在图6a和图6b中示出。在图6a中，电弧垂直于纸张平面远离读者流动，而在图6b中，电弧17垂直于纸张平面朝向读者流动。因此，在图6a中，电弧17首先被向右侧推，随后被向上侧推，而在图6b中，电弧首先被向左侧推，随后被向上侧推。
图6c说明了永磁体(这里是放置在第二电弧滚环10之后的永磁体16)的磁极的方向不重要。如所说明的，永磁体16的北极N指向接触元件5、6之间的空间。电弧17上的相应力F16仍然指向向上，并且将推动电弧17向上朝向消弧栅1。
如图5所示，一旦电弧17接触电弧滚环9、10，电弧17自身启动励磁线圈11，产生通过磁路12的臂14的磁场B。磁场B的方向取决于电流的方向，而励磁线圈11和磁路12形成为使得该磁场B产生将强迫电弧17进入消弧栅1的力。在图5中，该力必须指向向上。
一旦到消弧栅1中，电弧17将被分裂成多个更小的电弧，这最终将导致分离的接触元件5、6上的导通断开。
根据本发明的磁体15、16的布置在主电路断开时在两个方向都工作。另外，永磁体15、16提供了附加力以有助于电弧17穿过第二电弧滚环10和移动接触元件6之间的间隙19，并且即使在小电流的情况下也启动励磁线圈11。这允许根据本发明的断路器即使在小电流下也有效断开。只要电流足够以便由励磁线圈11产生的并且与所述电流成正比的磁场B大于由永磁体15、16产生的磁场B15和B16，根据本发明的断路器将断开很小的电流。
图7c示出了本发明的一个变体。如果电流极小，可能发生的情况是，由永磁体15、16从接触元件5、6推动到电弧滚环9、10的电弧17很小，以至于由励磁线圈在臂14之间产生的磁场B比由永磁体15、16产生的磁场B15和B16弱。电弧17随后将继续盘旋在永磁体15、16的轴线周围，并且不被推动到消弧栅1中。这种极端情况在图7b中示意性示出，而图7a中示出了非极端情况。在两个图中，电流垂直于纸张平面并且指向读者。为了确保即使在极端情况下电弧17也被推动到消弧栅1中，根据本发明的一个变体的断路器还包括钢板20，每个钢板安装在第一电弧滚环9和第二电弧滚环10之后。这些钢板20将减小由于接触元件5、6之间的空间中的永磁体产生的磁场B15和B16的上部的强度(在图7c中，这由虚线示意性表示)。但是，如图7c中所示，即使在极小电流的情况下，由于在所述接触元件5、6的前部，磁场B15和B16不减小，电弧17将被从接触元件5、6向上推动到电弧滚环9、10。一旦电弧17与电弧滚环9、10接触，电弧17将启动励磁线圈11，在臂14之间产生磁场B。磁场B将小于磁场B15和B16，但是由于钢板20，磁场B15和B16在电弧滚环9、10的前部减小，并且因此在图7c中指向向上的、电弧17上的合力F将电弧17推动到消弧栅1中，在消弧栅中电弧将被消除。
当然，上述实施方式绝不是限制，并且可以是由权利要求所限定的框架中的所有需要的变化的主题。
所述断路器可以设置有超过一个的移动和固定元件。
所述熄弧装置可以仅仅包括一个设置在第二电弧滚环10之后的、在可移动元件6的顶部上的永磁体16。磁场B16随后将产生力F16以强制电弧17的底部18与所述可移动元件6接触，以穿过间隙19并且与第二滚环10接触。一旦所述底部18与所述第二滚环10接触，该底部18启动励磁线圈11，所述励磁线圈11产生通过臂14的磁场B。该磁场B又产生如上所述将电弧17推动到消弧栅17中的力F。
磁路12的设计、臂14的设计和芯部13的设计可以选择为不同。
熄弧装置2可以设置有超过一个线圈，但是，后者被设定为与电弧或者部分电弧平行耦合。
熄弧装置可以在每个电弧滚环之后设置有超过一个永磁体。
上述断路器具有很精确和安全的功能，并且特别适合于断开小电流。永磁体确实提供了附加的力以有助于强制即使较弱的电弧也进入消弧栅。

Claims (8)

1.一种机电断路器，其用于在主电路(3、4)中建立和断开电流并且包括固定接触元件(5)和移动接触元件(6)，所述固定接触元件(5)和移动接触元件(6)在第一位置互相电接触，用于传送主电路(3，4)的电流，
所述移动接触元件(6)适合于移动到其与所述固定接触元件(5)分离的第二位置以便断开主电路中的电流，
所述断路器设置有熄弧装置(2)，所述熄弧装置包括励磁线圈(11)，所述励磁线圈由励磁电流流过以产生磁场(B)，所述磁场(B)适合于将由所述两个接触元件(5、6)的分离产生的电弧(17)驱动到灭弧装置(1)中，
所述熄弧装置(2)包括电极部件(9、10)，所述电极部件电连接到所述励磁线圈(11)并且适合于以所述电弧(17)在所述励磁线圈(11)中产生所述励磁电流的方式与所述电弧(17)配合，
用于驱动所述电弧(17)的所述磁场(B)由所述电弧(17)的动作产生，
其特征在于，所述熄弧装置(2)还包括磁性部件(15、16)，用于产生相对于所述电弧(17)径向指向并且适合于在电弧(17)上产生力(F15、F16)的磁场(B15、B16)，以便移动所述电弧，从而强制所述电弧(17)接触所述电极部件(9、10)；以及
板被安装在所述电极部件(9、10)上以便减小由所述磁性部件(15、16)在所述电极部件(9、10)周围产生的磁场(B15、B16)。
2.如权利要求1所述的断路器，其特征在于，所述电极部件包括：
第一电弧滚环(9)，所述第一电弧滚环安装在所述固定接触元件(5)上方并且电连接到所述固定接触元件(5、6)；以及
第二电弧滚环(10)，所述第二电弧滚环安装在所述移动接触元件(6)上方并且电连接到所述移动接触元件(6)。
3.如权利要求2所述的断路器，其特征在于，所述磁性部件包括放置在所述第二电弧滚环(10)之后的至少一个第一永磁体(16)，所述第二电弧滚环(10)安装于所述移动接触元件(6)的顶部上。
4.如权利要求3所述的断路器，其特征在于，所述磁性部件还包括放置在所述第一电弧滚环(9)之后的第二永磁体(15)，所述第一电弧滚环(9)安装于所述固定接触元件(5)的顶部上。
5.如权利要求1-4中任意一项所述的断路器，其特征在于，所述熄弧装置(2)设置有包括至少两个臂(14)的励磁电路(12)，用于驱动所述电弧(17)的所述磁场(B)至少部分在所述臂(14)之间产生。
6.如权利要求1-4中任意一项所述的断路器，其特征在于，所述灭弧装置是安装在所述熄弧装置(2)的上的消弧栅(1)。
7.如权利要求1-4中任意一项所述的断路器，其特征在于，所述断路器设置有检测装置，其用于检测所述主电路中所述主电流将被切断的预定状态，所述检测装置与致动器(7)配合，所述致动器(7)适合于移动所述移动接触元件(6)以便切断所述主电流。
8.如权利要求1-4中任意一项所述的断路器，其特征在于，所述板由钢制成。
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