CN102592906B - 一种提高短时耐受能力的中压大容量直流断路器触头系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高短时耐受能力的中压大电流直流断路器的触头系统。本发明在断路器中增加了弧触头，减小了触头之间的霍尔姆力，同时利用软连接改变直流断路器导电回路中电流的流向，使得电流在动触头和下母排导电块之间的流向相反，产生电动斥力，利用动触头转动的特点将斥力转换为触点之间的压力，另外利用铁磁材料对动触头的吸引力，通过转轴转换为对触点的压力，对电动斥力进一步进行补偿。本发明结构简单，布局合理，在不改变操作机构的条件下，依靠触头系统自身产生的电动力效应补偿触点处的电动斥力，保证在大的短路电流下，动触头不被斥开，提高了直流断路器的短时耐受能力。

Description

一种提高短时耐受能力的中压大容量直流断路器触头系统

技术领域

本发明设计涉及中压大容量直流系统的供配电与保护用电器设备，特别涉及一种具有很强短时耐受能力的、具有选择性保护功能的空气中压大容量直流断路器。

背景技术

直流供配电系统具有线路造价低、容量大、有功损耗小、调节迅速、运行可靠等优点，近年来已经在城市轨道交通和舰船上获得了十分广泛的应用。作为直流系统安全运行的必需设备，直流系统中的断路器必须具有可靠的接通、分断和承载正常电路运行情况下电流的能力和在所规定的非正常电路(例如短路)下接通、承载一定时间和分断电流的能力。特别对于发电机出口侧之类的断路器，为了实现选择性保护的功能，要求断路器能够承受一段时间的短路电流而不被斥开，同时，如果回路中已经存在短路故障时发生断路器的重合闸动作，断路器应该能够可靠的合闸，不能发生熔焊。

中压直流系统发生短路故障时，短路电流的峰值往往能达到上百千安，这样大的电流流过断路器的导电回路，会在动静触点之间产生很大的电动斥力，如果断路器的机构不能提供足够大的触头压力，动静触头会在电动斥力的作用下被斥开，动静触点之间便会产生电弧，电弧的存在则会严重烧蚀动静触点，甚至造成熔焊，对断路器造成永久性的损害，导致开断失败。

直流断路器触头之间的电动斥力主要由两部分组成，一部分是由于电流在磁场作用下产生的洛仑兹力，另一部分是由于触头接触处电流线收缩产生的霍尔姆力。目前直流供配电系统中采用的多为空气开断、栅片灭弧式的大电流直流断路器，其动触头多为旋转式，在端部焊接一块银触点。这种断路器由于只有一块触点，不能实现整个触点的良好接触，电流线的收缩比较严重，产生的霍尔姆力较大，再加上可观的洛伦兹力，发生短路时在动触头上产生的电动斥力十分巨大，很容易把动触头斥开。要保证动触头在发生短路故障时不被斥开，往往需要提供很大的合闸力，要提供更大的合闸力，必然会对操作机构提出更加苛刻的要求，增加断路器的制造、运行和维护的成本。因此，必须对短路电流产生的电动斥力进行补偿，保证断路器的动触头不被斥开，提高直流断路器的短时耐受能力。

发明内容

本发明的目的在于：增加弧触头，减小霍尔姆力，同时利用软连接改变直流断路器导电回路中电流的流向，使得电流在动触头和下母排导电块之间的流向相反，产生电动斥力，利用动触头转动的特点将斥力转换为触点之间的压力，同时利用铁磁材料对动触头的吸引力，通过转轴转换为对触点的压力，对电动斥力进一步进行补偿。这样的设计使得在不改变操作机构的条件下，依靠触头系统自身产生的电动力效应补偿触点处的电动斥力，保证在大的短路电流下，动触头不被斥开，提高了直流断路器的短时耐受能力。

本发明专利所述触头系统在静触头的上方增加了弧触头，弧触头两侧有导向和限位的固定块，后方端部与上母排之间安装有弹簧，在弹簧和导向限位块的作用下弧触头可以在一定范围内自由滑动，同时不会偏离或弹出。弧触头的尾部通过软连接与上母排连接，使得弧触头具有相当的通流能力。弧触头的存在增加了触点处的接触面积，增加了可靠接触点的数量，使电流分布相对分散，减小了触点之间的霍尔姆力。

本发明所述触头系统中，弧触头的存在能够保证断路器进行开断时总是在弧触头上起弧，能够有效的保护静触头和静触点。这样的结构设计能保证触头之间的电动斥力不会随着使用时间的增加而增大。

本发明所述触头系统的动触头转轴固定在下母排或者支架上，动触头在转轴处向下延伸相当的长度，同时在下母排端部有与动触头平行的导电块，动触头和导电块之间通过U形或V形软连接连接。由于电流在导电块和动触头之间的流向相反，会在动触头上产生可观的电动斥力。这个电动斥力可以通过动触头的转轴，转换为对触点的保持力。一般来讲，只要动触头和导电块的延长长度足够，二者之间的距离适当，这种触头结构可以补偿触点之间大部分的电动斥力。

本发明所述的动触头下端延长的部分和部分U或V形软连接被一个“凹”形部件包裹。“凹”形部件由铁磁材料构成，并固定在支撑侧板上。动触头和软连接中流过电流时，会在周围产生磁场，由于铁磁材料的存在，大部分磁感应线将会从“凹”形铁磁部件中穿过，从而在局部形成一个电磁铁。“凹”形铁磁部件会对动触头下端以及软连接产生一定的吸力。这个吸力通过转轴同样可以转换为对触头的压力。

本发明不仅改进了空气式中压直流大电流断路器的触头系统，有效减小了断路器动静触点之间的电动斥力，同时设计了U形或V形的导电回路，利用导电回路产生的电动斥力对触点之间的电动斥力进行了补偿。另外，触头端部周围铁磁部件的存在可以产生吸力，对动静触点之间的电动斥力同样具有补偿作用。

附图说明

图1是一种提高短时耐受能力的中压大电流直流断路器的触头系统的原理示意图，同时是本发明的一种实施示例。

图2是流过短路电流时，触头系统的受力示意图。

其中：1为上母排；2为静触头；3为弧触头软连接；4为弧触头；5为动触头；6为主回路软连接；7为导电块；8为下母排；9为第一跑弧道；10为第二跑弧道；11为等电位连接杆；12为拨叉弹簧；13为拨叉；14为卡快；15为碟簧；16为推杆；17为“凹”形铁磁部件；18为分闸弹簧。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的解释说明。

参照附图1、2，本发明的优选实施例为空气开断栅片灭弧式的中压大容量直流断路器，包括支架、导电回路、跑弧道系统、电动斥力补偿等关键模块。支架起到固定支撑导电回路、跑弧道、“凹”形部件及其他零部件的作用。导电回路由上母排1、静触头2、弧触头4、动触头5、软连接6、导电块7、下母排等8零部件构成。上母排1为竖直放置的扁形铜排，并在一端下部突出伸展形成静触头2，静触头2上焊接有银钨合金材料的静触点。静触头2上方留有空间，方便安装弧触头4。弧触头4两侧有导向和限位的固定块，后方端部与上母排1之间安装有弹簧，在弹簧和导向限位块的作用下弧触头4可以在一定范围内自由滑动，同时不会偏离或弹出。弧触头4的端部同样焊接有银钨合金材料的触点。弧触头4的尾部通过软连接3与上母排连接1，使得弧触头4具有相当的通流能力。弧触头4的存在增加了触点处的接触面积，增加了可靠接触点的数量，使电流分布相对分散，减小了触点之间的霍尔姆力。

弧触头4和静触头1的端部均设计成向上翘起的形状，这种设计使断路器进行开断时，流过触头和触点之间电弧的电流产生较强的垂直于电弧轴向的磁场，这个磁场可以帮助电弧迅速的向上运动，迅速的从触点之间转移到第一跑弧道9和第二跑弧道10上，减少对触头材料的烧蚀。另外，弧触头4的存在能够保证断路器进行开断时总是在弧触头4上起弧，能够有效的保护静触头2和静触点。这样的结构设计能最大限度的减少短路开断时对触头和触点的烧蚀，能够在断路器进行了多次开断后仍然保持动静触点和动弧触点的良好接触，使得断路器的触头系统在进行了多次开断后，触头之间的电动斥力不会明显增大。

动触头5下端厚度加宽，形成连接U形软连接6的基座，使软连接6在较大范围内能与动触头5良好接触，保证良好的通流能力，使触头系统的温升在标准规定的范围内。下母排8靠近动触头5一端引伸出一段与下母排8垂直的导电块7，导电块7的宽度和厚度可调以保证通流能力，导电块7的长度可调以产生足够的电动力，导电块7固定在下母排8上，与下母排8良好接触。动触头5的转轴可以安装在下母排8的端部，也可以安装在支架上。下母排导电块8与动触头5端部用一条U形或V形软连接6连接，软连接6应有足够的粗度以保证通流能力，同时有足够的柔韧性，使动触头5能够自由转动。当发生短路故障时，断路器的导电回路会流过短路电流，短路电流在下母排导电块7和动触头5中的流向相反，会在两者之间形成比较可观的电动力F1。这个电动力通过动触头5的转轴作用到动静触点之间，提高了触头压力，能够抵消一部分动静触点之间的电动斥力F斥。

动触头5的下端与软连接6的一部分被一个“凹”形的铁磁部件17包裹，“凹”形铁磁部件17固定在支架上。该“凹”形铁磁部件17壁厚可调，内壁面与动触头5和软连接6尽可能接近，以不干涉动触头5运动为宜。动触头5和软连接6中流过电流时，会在周围产生磁场，由于铁磁材料的存在，大部分磁感应线将会从“凹”形铁磁部件17中穿过，从而在局部形成一个电磁铁。“凹”形铁磁部件17会对动触头5下端以及软连接6产生一定的吸力F2。这个吸力通过转轴同样可以转换为对触头的压力。

该触头系统的合闸过程依靠推杆16推动动触头5转动完成。动触头5两侧安装有卡块14，推杆16前端安装有两根拨叉13，拨叉13在拨叉弹簧12的作用下可以与卡块14可靠接触，推杆16由弹簧操作机构带动，可以左右运动。当推杆16由分闸位置向左运动时，拨叉13可以通过卡块14带动动触头5向左转动，从而完成合闸过程。推杆16的尾部安装有叠簧15，处于合闸位置时，叠簧15可以提供需要的触头压力。该触头系统的分闸过程由分闸弹簧18推动动触头5顺时针旋转完成。分闸时，推杆拨叉13可以被分闸机构挑开，从而与动触头5上的卡块14脱离，这时动触头5可以在分闸弹簧18的作用下顺时针旋转，直到打开到最大开距。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (8)

1.一种提高短时耐受能力的中压大电流直流断路器的触头系统，其特征在于：

包括上母排、下母排、静触头、弧触头、弧触头软连接、动触头、主回路软连接、导电块、凹形铁磁部件、等电位连接杆、第一跑弧道、第二跑弧道、卡块、拨叉、拨叉弹簧、推杆、叠簧和分闸弹簧；

所述上母排、静触头、弧触头、弧触头软连接、动触头、主回路软连接、导电块、下母排构成导电回路；

所述卡块与动触头固定，拨叉可推动卡块带动动触头运动合闸，由推杆处的叠簧提供触头压力；

所述拨叉可被分闸机构挑起与卡块分离，动触头在分闸弹簧的作用下转动分闸。

2.基于权利要求1所述的一种提高短时耐受能力的中压大电流直流断路器的触头系统，其特征在于：所述第一跑弧道与上母排电气连接，第二跑弧道通过等电位连接杆与下母排电气连接，第一跑弧道和第二跑弧道成″V″形，过渡平缓，在进行短路电流的开断时，电弧很容易从触点之间转移到第一跑弧道和第二跑弧道上。

3.基于权利要求2所述的一种提高短时耐受能力的中压大电流直流断路器的触头系统，其特征在于：所述上母排为一块竖直放置的扁形铜排，上母排的下端安装有承担主要通流作用的静触头，静触头上焊接有耐烧蚀的触点。

4.基于权利要求3所述的一种提高短时耐受能力的中压大电流直流断路器的触头系统，其特征在于：在上母排的一侧、静触头的上部设置有弧触头，弧触头端部焊接耐烧蚀的触点；所述弧触头的端部和上母排之间安装有弹簧，可以使弧触头左右运动，同时弧触头周围设置有导向和限位的部件，保证弧触头不被弹出或偏离。

5.基于权利要求4所述的一种提高短时耐受能力的中压大电流直流断路器的触头系统，其特征在于：弧触头通过弧触头软连接与上母排电气连接，具有较强的通流能力；由于弧触头可动，弧触头与静触头均能与动触头良好接触，有利于增大触头系统触点处的接触面积，减小触点之间的霍尔姆力。

6.基于权利要求5所述的一种提高短时耐受能力的中压大电流直流断路器的触头系统，其特征在于：在断路器分断时产生电弧之后，流过静触头和弧触头的电流可以形成较强的吹弧磁场，有利于电弧迅速的向跑弧道转移。

7.基于权利要求6所述的一种提高短时耐受能力的中压大电流直流断路器的触头系统，其特征在于：在下母排在临近动触头的地方有与下母排或支架固定连接并垂直于下母排向下延伸的导电块，导电块与下母排有良好的电气连接；动触头的转轴设置在下母排的端部或者设置在支架上，动触头的下端延长并通过主回路软连接与导电块连接；当回路发生短路时，短路电流依次通过上母排、静触头、弧触头、动触头、主回路软连接、导电块和下母排，因为下母排导电块和动触头内的电流流向相反，相互之间会产生比较大的斥力，这个斥力通过转轴作用到触点处，增大了触头压力，使触头不容易被短路电流斥开。

8.基于权利要求7所述的一种提高短时耐受能力的中压大电流直流断路器的触头系统，其特征在于：动触头的下端和部分主回路软连接被凹形部件包裹，所述部分主回路软连接指主回路软连接在靠近所述动触头的下端的这一侧的部分，所述凹形部件由铁磁材料构成，并固定在支架上；动触头在闭合位置时，流过的电流产生的磁场大部分会经过凹形铁磁部件，在局部形成一个电磁铁，当动触头中流过短路电流时，凹形铁磁部件会对动触头下面端部产生一个吸力，这个吸力通过转轴作用在触点上，增大了触头之间的触头压力。

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