CN1026371C - 喷气型气绝缘电流断路器 - Google Patents

Abstract

一种喷气型气绝缘电流断路器，当动电极从固定电极分离时让绝缘气体吹向所发生的电弧并使之熄灭。所提供的绝缘喷嘴使气体指向电弧，并与罩在可动电极上的外罩一起形成一个气体通道。绝缘罩由绝缘材料制成，它含有一种填加剂以防止电弧的能量射线进入绝缘罩。再有，绝缘罩的感生电容率大于绝缘喷嘴的电感电容率，从而使可动电极前端的电场强度减小。

Description

本发明是关于在变电站一类工厂（或电站）中用来切断或中断较大电流的喷气型（Puffer    type）气绝缘电流断路器。更具体地说，本发明是涉及在电流断路器周围发生电弧（arc）部分之中设置的绝缘喷嘴（nozzle）和绝缘罩（cover）的改进。

当一个大电流被上述类型的电流断路器中断时，便在其固定触点和可动触点（即两个电极）之间发生高温等离子体电弧。喷气型气绝缘电流断路器利用喷向弧光的绝缘气体（例如SF₆）来熄灭电弧。为达到这一目的，在固定的和可动的电极之间的接触部周围提供了具有一个喉管（throat portion）的柱状绝缘喷嘴。当电极被分开时，这两个电极之一通过绝缘喷嘴的喉管，于是上述类型的气体穿过喉管喷向电弧。

上述类型的一种电流断路器已经公开过，例如，与本发明的同一受让人的日本专利申请（公开号为No.60-212923）。该文本所公开的电流断路器得到了进一步改进，即在电极和绝缘喷嘴之间加了一个基本上为圆柱状的绝缘罩，这个绝缘罩和绝缘喷嘴限定了一个气体在其间穿过的路径，喷出的气体便在这样限定的路径内穿过。

上述绝缘喷嘴通常是用电绝缘的合成树脂制成。然而，有这样一种情况，当在电流中断而产生电弧的时候，不仅在绝缘喷嘴的表面而且在其内部会由于电弧产生能量射线（energy    linres）而造成孔隙（noids）和积碳（carbon）。为子克服这一问题，与本发明同一受让人的公开号为No.1-37822日本专利已经建议，为避免电弧进入，在构成喷嘴的氟树脂（flouroresin）中加入了氮化硼粉末（boron    nitride    powder）填充剂。

再有，与美国专利4，791，356号对应的公开号为No.63-119121的末审日本专利申请已经建议了一种电流断路器的绝缘喷嘴，它由氟树脂制成，其中含有按重量计为0.3%至1.0%的氮化硼。还有，在题为“开发420千伏50千安GCB（气绝缘电流断路器）中断单元的关键技术”（89WH.077-9PWRD，1989IEEE）中，从第3至第6页描述了由混有填冲剂的PTFE（聚四氟乙烯）构成的喷嘴。

本发明的一个目的是提供一种喷气型气体绝缘电流断路器，它在断电性能方面有了进一步改进。

本发明的另一目的是提供一种气体绝缘电流断路器，通过改进其绝缘罩使其断电性能更好。

本发明的又一目的是提供一种气体绝缘电流断路器，它能在小电流区内改善其开/关性能，并对大电流改善其断电性能。

为达到上述目的，本发明着眼于绝缘罩，意图是要改进其材料， 以减小可动电极前端的电场强度。

根据本发明的一个方面，提供了一个用于开关电路的气体绝缘电流断路器，它包括：一个固定电极;一个可与固定电极接触和断开的可动电极;一个气体压缩装置，用于在可动电极与固定电极分离时喷射绝缘气体;一个设置在所述的可动电极周围、用于盖住所述可动电极的外罩;以及一个喷嘴装置，用于和外罩一起形成一个引导通道，将绝缘气体从气体压缩装置引导到固定电极与可动电极间的产生电弧处，至少这个外罩是由含有填充剂的一种绝缘材料制成，以防止电弧能量射线的侵入。

这样构成的绝缘罩阻止了电极分离时产生的电弧能量射线的穿入，从而防止了吸收它的能量。因此，能够降低绝缘罩内碳和孔隙的产生，使可动电极前端电位的分布和喷射气体流不受到扰动。从而能改善电流断路器的断电性能。

绝缘物质最好是使用一种氟树脂，而填充剂为氮化硼粉末。喷嘴可以由构成外罩的同一种绝缘材料构成;而且喷嘴最好也象外罩那样含有填充剂以防止电弧能量射线穿入。再有，用于制作外罩和喷嘴的材料最好是这样来选择：使外罩感生电容率（specific    inductive    capacity）大于喷嘴的感生电容率，或者是外罩和喷嘴由同一种材料制成，这时最好是外罩中所含填充剂的比率等于或高于喷嘴中所含填充剂的比率。

通过使外罩的感生电率大于喷嘴的感生电容率，使在电极分开 时在可动电极前端的等电位线向固定电极移动。结果，在可动电极前端的电场强度减小，从而能够改善在小电流区的开/关性能及在大电流时的中断性能。因此，有可能提供一种适用于对付电压增高的电流断路器。

通过下文中结合的附图的描述，本发明的上述目的和其它目的、 端电位的分布，使断电性能降低。再有，在绝缘罩表面产生的碳附着在绝缘罩内表面上，降低了它的绝缘特性，或者，所产生的孔隙会对喷射气体的流向性能起不良影响。于是，已经发现有这样的情况：与只提供绝缘喷嘴的电流断路器相比，由于提供了绝缘罩，其断电性能都相当差。

再有，随着电流断路器体积的减小和断电部分电容的增大，在喷嘴材料中混入氮化硼之类填充剂的含量也增大了，以改善绝缘喷嘴的抗电弧能力（arc    resistance）。结果，出现了这样的趋势：喷嘴的感生电容率（specific    inducfive    capacity）也增大了，而这是人们所不希望的。喷嘴的感生电容率的这种增加带来了一种担心，即在可动电极前端的电场强度会增大，便更大的电压作用在电极上，从而引起断电性能的降低。

这就是说，在传统的电流断路器中，不论是在可动电极外围提供柱状绝缘罩以与绝缘喷嘴一起限定气路径，还是不提供绝缘外罩，在这两种情况下都没有考虑降低可动电极前端一侧的电场强强度的问题。所以，出现了一个问题，即在固定电极和可动电极之间的介电强度（dielectric    stregth）降低了，从而在小电流区的开/关性能，特别是小引导电流（leading    current）的开/关性能，将会降低。

因此，在本发明中，把气绝缘电流断路器的绝缘罩作为主要改进对象，而且其改进方式是使得避免由于电弧能量射线产生的碳和孔隙，并使可动电极前端的电场强度降低。

现在将参考附图所示的实施例来描述本发明。

首先参考图2，图中给出根据本发明的一个实施例构成的SF₆ 气绝缘电流断路器的总体结构。该电流断路器有一个长形的气罐6，其中密闭充满SF6气体，并提供了一个断电部分。该断电部分装在气罐6的相对两端之间，通过绝缘支架11和12使其与气罐6电绝缘。

该断电部分包括：可动触点或称电极3;固定触点或称电极4，它放置在与可动电极相对的位置;气体压缩装置5;等等。该断电部分适合于移动可动电极使之与固定电极接触。或者将可动电极与固定电极分离，借以接通或切断电流。再有，在电极3和4之间的接触部分周围有一个绝缘喷嘴1，还有一个绝缘罩2放置在绝缘喷嘴1和可动电极3之间。

固定电极4在气罐6的一端由绝缘支架11经过导体14来支撑，并沿着气罐6的长轴方向延伸。在气罐6的另一端，绝缘支架12沿着指向固定电极4的方向支撑气体压缩装置的活塞14。另外，提供了一个电绝缘棒构成的驱动杆9，它同轴心地延伸穿过绝缘支架12和活塞14。驱动杆9能相对于绝缘支架12和活塞14滑动，而且该驱动杆的一端与一个操作单元相联，该操作单元放在气罐6的外面，在图中没有画出。

气体压缩装置5包括活塞14及可滑动耦合在活塞14上的气缸15。气缸15为圆柱形，其一端是封闭的，它有一个传动杆15a位于它的轴向中央部位。中央传动杆15a与驱动杆9的另一端相联，从而通过操纵驱动杆使气缸15在活塞14上运动。根据这一运动，由活塞限定在气缸内的空间增大或缩小，作为压缩SF6气体的喷气室15b。

图1更详细地表示出断电部分的主体部分。可动电极3包括一组触点31，并在气缸15的前端由柱状导体7支撑。触点31位于导体7的圆周方向，包围固定电极4，并以枢轴啮合于导体7上。，一个环状弹簧8附着在触点31啮，从而迫使触点31紧压在固定电极4上。

绝缘罩2基本上为圆柱形，包围着触点31的前端和周围部分，并附着在导体7上。绝缘喷嘴也附着在导体7上，其附着方式是以一个基本固定的间隔包围绝缘罩。绝缘喷嘴1和绝缘罩2限定了它们之间的气体通道16。这个气体通道16通过在气缸15的一端形成的开口17与喷气器（puffer）、气室15b相通。绝缘喷嘴1在与固定电极4相邻一侧有一个直径减小的部分，或者称作喉部1a。气体通道16的出口沿喉部9a弯曲，并指向固定电极4和可动电极3之间的接触部分。

对于绝缘喷嘴1和绝缘罩2的开关和位置是这样确定的：使得在这种安排下气体通道16的截面面积变化率从通道的上流（upper    stream）端到其下流端基本上为一常数，从而能避免气体通道16中的气压损失。

制作绝缘罩2的绝缘材料是一种氟树脂，例如乙烯的四氟化物树脂，并在其中含有氮化硼粉末作为填充剂来阻止电弧的能量射线。同样，绝缘喷嘴由绝缘材料制成，它也是氟树脂，例如乙烯的四氟化物树脂，或者由与绝缘罩2类似的绝缘材料制成，即氟树脂加上其中包含的氮化硼粉末。当绝缘喷嘴1由上述后一种绝缘材料制成时，其填充剂的含量比率必须等于或低于绝缘罩2中含有的填充剂含量 比率。

现在将参考图3至图5来描述根据本实施例构成的SF6气绝缘电流断路器的断电操作。

图3给出电流断路器处于其闭合状态，这时可动电极3处在与固定电极4接触的位置。在电极3和电极4之间的接触部分被绝缘喷嘴1和绝缘罩2所包围。断电操作就是在这一状态响应断电命令，通过操作其操作单元来完成的（图中未画出操作单元）。通过驱动操作单元，驱动杆9（如图4所示）向图中所显示的右侧移动。驱动杆9通过气缸15和导体7来驱动可动电极3，把可动电极3从固定电极4处分离。这时，在固定电极4和可动电极3之间发生电弧A，并在这两个电极彼此分开的一瞬在两极之间延伸。

再有，为响应这一断电操作，气体压缩装置5开始运转。更具体地说，根据驱动杆9的运动，喷气气缸15、绝缘喷嘴1及绝缘罩2均没图中所示向右相对于活塞14运动。结果，活塞14压缩了喷气室15b中的SF6气体，这种被压缩的气体通过气体通道16吹向电弧A，使它冷却。

如图5所示，当固定电极4通过绝缘喷嘴SF6气体的强力气流熄灭了电弧，从而完成了断电操作。顺便说一下，在冷却电弧之后，一部分被压缩气体通过喷气气缸的中央传动杆15a放到气罐6中。

在断电操作过程中，绝缘罩2暴露在电弧中。然而，如上所述，绝缘罩2是由含有氮化硼粉末填充剂的氟树脂制成，所以避免了电弧能量射线的侵入或穿透，不仅能避免在绝缘罩2的表面上产生孔隙和碳，而且能避免在其内部产生孔隙和碳。特别是，由于避免了碳 的产生，即使当电弧被熄灭后在电极3和4之间加上高的恢复电压（如图5所示），与传统的电流断路器不同，在固定电极前面的可动电极前端的电位分布也不会受到扰动。所以能在断电部分获得电压阻抗的令人满意的改善，从而能改善断电性能。，再有，能在绝缘罩2内避免产生孔隙，从而使气流不受扰动;这就不会导致断电性能的降低。

如上所述，在带有传统的绝缘罩的电流断路器中，存在着一种可能性，即喷射气体流受绝缘罩内产生的孔隙的不良影响，或受所产生的附着在绝缘喷嘴内表面上的碳的不良影响，因此，这种电流断路器的断电性能低于只带有绝缘喷嘴的情况。与此相反，当使用了本实施例的的上述绝缘罩时，能使绝缘喷嘴1满意地显示其性能。而且，除了上述好处外，由于绝缘喷嘴1和绝缘罩2使气体通道16就序，从而使SF6气体绝缘电流断路器能显示出作为整体所能达到的最好的总体断电性能。当绝缘喷嘴1由含氮化硼粉末的乙烯四氟化物树脂制成时，由于限定在喷嘴中氮化硼的含量要等于或低于绝缘罩2中氮化硼的含量，从而避免了因氮化硼含量增加导致喷嘴变脆。这样，即使在大量断电操作之后，绝缘喷嘴的内表面和喉部仍能保持其形状，从而保持了稳定的性能。

再回过来参考图1，现在来描述可动电极前端的场强关系。

因为绝缘罩2盖住可动电极3的前端部分，所以在它表面上的电场Ec高于在可动电极3前端的电场Em。另一方面，绝缘罩2是用比较光滑的绝缘材料制成，在它表面上的最大容许电场强度可以置成高于可动电极表面电场强度Em。本发明者已注意到这一点，并 在本实施例中其绝缘罩2的感生电容率ξc被设置成高于绝缘喷嘴2的感生电容率。为使绝缘喷嘴1和绝缘罩2有不同的感生电容率，可在绝缘喷嘴和绝缘罩的材料中加入填充剂。更具体地说，构成断电部分的绝缘材料通常为具有低感生电容率的材料，它有极好的抗电弧性能，并且不影响电场。其典型材料是氟树脂，例如感生电容率ξ＝2.1的乙烯四氟化物。其填充剂的选择最好要考虑到喷嘴1的抗电弧性能。这种最佳物质的一个实例是上述的氮化硼。因在氟树脂中的氮化硼含量不同，氟树脂的感生电容率之值会在大约2.1至大约3.0之间变化。

这样，通过增大绝缘罩2的感生电容率，能够减小在可动电极3前端的电场。就是说，如图6所示，与不带有绝缘罩2时的等电位线30A（用虚线表示）相比，在断电后可动电极前端的等电位线（用实线表示）向固定电极4的方向移动了。结果，能够减小在可动电极前端一侧的电场强度，从而能改善小电流区的开/关性能（例如小引导电流时的开/关特性）。

现参考图7进一步描述上述问题。图7显示出绝缘罩2的感生电容率ξc与可动电极3和绝缘罩2的前端电场强度之间的关系。在该图中，特性曲线Em代表可动电极3的电场强度，特性曲线Ec代表绝缘罩2的电场强度。如从图7中可以理解的那样，通过使绝缘罩2的感生电容率高于乙烯四氟化物绎脂的感生电容率ξ₁，并且还高于对应两条特征曲线Em和Ec交点处绝缘罩2的感生电容率ξ_c1，能够减小可动电极3前端的电场强度Em。另一方面，随着绝缘罩2的感生电容率的增大，在绝缘罩2前端的场强Ec也变大。然而，将电 极部分的最大允许电场与绝缘材料表面的最大允许电场相比，尽管后者取决于表面粗糙程度，但通常是前者低于后者，因为电场放电是在电极部分的表面发生。换句话说，绝缘材料表面的允许电场可以设置（set）得比电极的允许电场高。按这种观点，根据本发明，使绝缘罩的感生电容率较大些，从而减小在可动电极3前端的电场强度。具体地说，在绝缘喷嘴1仅由乙烯的四氟化物树脂制成时，对于绝缘罩2，可以通过例如选择材料和/或加入填充剂来使其感生电容率大于绝缘喷嘴1的感生电容率2.1。另一种情况是在绝缘喷嘴1中含有氮化硼粉末，这时可以选择加入绝缘罩2中的氮化硼粉末含量，从而使绝缘罩2的感生电容率高于绝缘喷嘴1的感生电容率。

当绝缘罩2是由上述含氮化硼的氟树脂制成时，能够减小可动电极3前端的电场强度，从而能实现该外罩的极好的抗电弧能力，即使在大电流被中断时，也能减小其损坏或其他类似情况。作为增大绝缘罩感生电容率的填充剂，诸如氧化铝、氧化钛、高岭土、氧化锌、硫酸钡或红氧化铁等其他材料可以用来代替上面描述的氮化硼。

虽然在上述实施例中所提供的绝缘罩2是直接围绕可动电极3的，也可以在绝缘罩2内部加一个金属圆筒部件50，如图8所示。在这种情况，圆筒部件50的前端形状可以有助于减小可动电极3前端的电场。副外，金属圆筒部件还有一种阻止电场向弹簧8或其他类似部件集中的作用，从而能进一步改进绝缘特性。在本实施例中，与上述实施例类似，也能通过绝缘罩2的适当构成来减小可动电极前端的电场。

如上所述，根据本发明，在绝缘喷嘴和电极之间放置了绝缘 罩，它与绝缘喷嘴一起确定了气体通道。绝缘罩由含填充剂的绝缘材料制成，用以防止电经能量射线的侵入或穿透，并防止产生碳和孔隙，从而减小它们对绝缘喷嘴的影响。结果，便得到了SF6气绝缘电流断路器，它通过联合使用绝缘喷距和绝缘罩改进了断电性能。再有，根据本发明，作用高感生电容率和讥抗电弧能力的绝缘材料来制作喷嘴，也能够减小可动电极前端的电场强度。结果，不仅能改善在小电流区间的开/关性能（例如小引导电流开/关特性），而且能改善大电流时的断电性能。

尽管已经根据实施例描述了本发明，但应该理解，本发明并不限于那些具体形式，可以进行很多修改或者采取其他形式而不偏离所附权利要求的范围。

Claims (9)

1、一种用于开关电路的气体绝缘电流断路器，包括：

一个固定电极；

一个可与所述固定电极接触和分离的可动电极；

气体压缩装置，当所述可动电极从所述固定电极分离时，它使绝缘气体喷出；

外罩，设置在所述的可动电极周围，用于盖住所述可动电极；以及

喷嘴，它与所述外罩一起构成一个通道，用来引导所述绝缘气体从所述气体压缩装置吹向所述固定电极和可动电极之间发生的电弧，上述喷嘴由含有填充剂的绝缘材料制成，以防止电弧能量射线进入所述喷嘴内；其特征在于：

所述外罩由与制成上述喷嘴的绝缘材料相同的绝缘材料制成，所述绝缘材料中含有与上述喷嘴中的填充剂相同的填充剂，以防止电弧能量射线进入所述外罩；在所述外罩中的该填充剂含量比率等于或高于在所述喷嘴中的填充剂含量比率，从而使所述外罩的感生电容率等于或大于所述喷嘴的感生电容率。

2、根据权利要求1的电流断路器，其特征在于，所述填充剂是氮化硼粉末。

3、根据权利要求1的电流断路器，其特征在于，所述绝缘气体是六氟化硫（SF₆）气体。

4、根据权利要求1的电流断路器，其特征在于，所述外罩基本上是圆筒形，它罩在所述可动电极及其与所述固定电极相对的前端，并且其感生电容率大于所述喷嘴的感生电容率。

5、根据权利要求1或4的电流断路器，其特征在于，所述绝缘材料是含氟树脂。

6、根据权利要求5的电流断路器，其特征在于，所述绝缘材料是乙烯的四氟化物树脂。

7、根据权利要求1的电流断路器，其特征在于，所述填充剂是氟化硼、氧化铝、氧化钛、高岭土、氧化锌、硫酸钡、以及红色氧化铁物质的粉末中选出的任何一种。

8、根据权利要求1的电流断路器，其特征在于，制作所述外罩的材料是一种绝缘材料，当所述可动电极从所述固定电极分离时，它能使可动电极一侧的等电位线向所述固定电极移动。

9、根据权利要求1的电流断路器，还包括一个金属圆筒状部件，放在所述外罩和所述可动电极之间。

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