CN102683099B - 一种高电压真空开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高电压真空开关，包括一上下两端开口的金属屏蔽筒以及分别与金属屏蔽筒两端固定连接的上瓷套管和下瓷套管；上导电杆和下导电杆分别穿过上瓷套管和下瓷套管一端并伸入金属屏蔽筒内；上导电杆和下导电杆上设有上电极触头座和下电极触头座，还包括一个能在上电极触头座和下电极触头座的间隙中产生与上电极触头座和下电极触头座的轴向电场垂直的X轴向磁场的第一永磁体和第二永磁体，上瓷套管和下瓷套管与外界相通的一端还设有上端盖和下端盖；下导电杆上还套设有波纹管。具有如下优点：能够阻止真空开关中阴极表面发射的电子轰击阳极表面，从而提高击穿电压。

Description

一种高电压真空开关

技术领域

本发明涉及一种真空开关，尤其是涉及一种高电压真空开关。

背景技术

目前电力系统内的高电压开关主要有六氟化硫(SF₆)开关和真空开关两种。六氟化硫开关内的介质是六氟化硫气体，这种开关内的电弧是六氟化硫气体中的电弧；真空开关内部是气压低于1.33×10^-2Pa的高真空，真空开关中的电弧实质上是电极材料的金属蒸汽中的电弧。这两种开关各有优缺点。

SF₆开关的优点是：由于六氟化硫气体优异的热化学性能和极强的电负性，所以它具有非常好的灭弧性能与绝缘性能，这就使得六氟化硫开关在110kV以上的高电压开关中占据绝对的优势；但它有一个重大缺点：六氟化硫气体是一种具有强温室气体效应的气体，它的地球温暖化效应系数Global Warming Potential是二氧化碳气体的24900倍，且其分子结构非常稳定，其寿命长达3200年。全世界SF₆的产量主要用于高电压开关和其他输变电设备中，在电力设备的制造和电力设备的运行中，不可避免地会泄露出大量的SF₆气体，所以《京都议定书》规定2030年将禁止使用SF₆气体。因此研发具有环保型的、替代六氟化硫开关的新型高电压开关是一件迫切的任务。

真空开关的优点是灭弧能力强，特别是制造和运行无污染，属于环境友好型的开关；其缺点是两个电极之间不能承受高电压，这一缺点使其通常只能用于110kV电压等级以下的开关中。这一缺点是由于其击穿电压随电极间距离的增大呈现出饱和的特性，所以无法靠提高极间距的方法来有效地提高击穿电压。

为了替代110kV及以上电压等级的SF₆开关，世界各国的科技人员进行了长期的多方面的研究工作。例如：试图寻找具有环保型的其它介质来替代SF₆介质，但至今还未找到比SF₆气体更好的介质；试图研究进一步提高真空开关电极间击穿电压的措施，如提高电极表面的光洁度，采用不同的电极材料等等，但都没有得到期望的结果。

开关的两个电极断开时，若某一时刻阴极表面的电场强度超过某一阈值，就会由于场致发射而发射出电子，电子在电极间做加速运动，具有很高能量的电子撞击阳极就会轰击出正离子和金属蒸汽，这之后就会发生两个过程：第一个过程是后续的电子就会与金属蒸汽中的金属原子发生雪崩式的碰撞电离，电离出的大量电子和正离子就在阳极附近形成了电弧等离子体；第二个过程是从阳极表面轰击出的正离子在强电场作用下加速运动，撞击阴极并轰击出电子和金属蒸汽，后续的正离子与金属蒸汽同样也会发生雪崩式的碰撞电离，结果就在阴极附近形成电弧等离子体。随后阴极和阳极附近的等离子体迅速向整个间隙扩散，最终使间隙导通，电极间的电压迅速下降到电弧的维持值。

为了增强灭弧能力，目前真空开关的触头电极普遍采用了能产生与电极轴向平行的纵向磁场触头结构或与电极轴向垂直的横向磁场触头结构，当电弧电流流经这样的触头时，就会在电极之间产生纵向磁场或横向磁场。但当电弧熄灭后，电极间没有电弧电流也就没有相应的磁场。目前国内外还没有人采取在电极间外施一个X轴向的横向磁场来阻止电子向阳极运动，从而提高电极间击穿电压的措施。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的由于真空开关中两电极间的电压和电场强度都很高，电极表面微小晶须尖端处的场致发射无法阻止的技术问题；提供了一种能够阻止真空开关中阴极表面发射的电子轰击阳极表面，从而提高击穿电压的一种高电压真空开关。

本发明通过下述技术方案来提高电极间的击穿电压：

本发明创造性地在两个电极之间的间隙中外施一个垂直于电场方向的X轴向的横向磁场，这一磁场和电极间的电场组成一个正交电磁场。在这一正交电磁场中，从阴极表面发射的电子将垂直于电场和磁场作漂移运动而不能到达阳极。下面分析电子在正交电磁场中的运动轨迹。

设两电极间的均匀电场幅值为E，方向为Z轴的负方向，外施均匀磁场的磁场幅值为B，方向为X轴正向，如图1所示。则电子的运动方程为

$m\frac{d\stackrel{\→}{v}}{\mathrm{dt}}=e(\stackrel{\→}{E}+\stackrel{\→}{V}\×\stackrel{\→}{B})---1$

将上式写成各坐标分量的形式，得到一个微分方程组。对该方程组求解，又设从阴极表面发射点子的初速为零，最后可得电子运动的参数方程为：

$z-z_0=\frac{v_{\⊥}}{{\mathrm{\ω}}_c}\cos {\mathrm{\ω}}_{c}t---2.1$

$y-(y_0-\frac{E_z}{B}t)=-\frac{v_{\⊥}}{{\mathrm{\ω}}_c}\sin {\mathrm{\ω}}_{c}t---2.2$

式中v_⊥是电子速度与磁场B垂直的速度分量；

e和m分别是电子的电荷量和质量，ω_c是电子在磁场中的回旋角频率，z₀和y₀是电子做螺旋运动时，其导引中心的初始坐标。

由2.1和2.2式可见，电子在这一正交电磁场中运动时的轨迹是一条螺旋线，螺旋线的导引中心Guiding center沿着y轴的负方向漂移，其漂移轨迹既垂直于电场又垂直于磁场，如图1所示。所以阴极表面场致发射的电子将无法撞击阳极，从而提高击穿电压。

如恰当地综合设计电场和磁场，使二者在两电极间的间隙中处处正交，则电子将沿着等电位面离开两电极间的间隙到达远离触头的区域。在远离触头的区域中即使电子轰击金属屏蔽筒或绝缘瓷套管，也不会导致整个间隙的击穿。

漂移到金属屏蔽筒的电子将会沿着上瓷套管或绝缘玻壳的内表面作蛙跳式的迁移向上端盖运动，在每次撞击上瓷套管或绝缘玻壳的内表面时，会由于撞击而产生电子增殖，最终导致击穿。为防止这种现象，可在上瓷套管或绝缘玻壳和下瓷套管或绝缘玻壳处分别设置若干能产生角向磁场的上、下部角向磁场发生组件，这样即可有效抑制电子的增殖，从而防止间隙的击穿。

根据此原理发明的一种高电压真空开关，其特征在于，包括一个上下两端开口的金属屏蔽筒以及分别与金属屏蔽筒两端固定连接且一端与外界相通的上瓷套管和下瓷套管；上下同轴设置的上导电杆和下导电杆分别穿过上瓷套管和下瓷套管与外界相通的一端并伸入所述金属屏蔽筒内；所述上导电杆和下导电杆伸入金属屏蔽筒内的一端设有上电极触头座和下电极触头座；该高电压真空开关还包括能在上电极触头座和下电极触头座的间隙中产生与电极间的轴向电场垂直的X轴向磁场的第一永磁体和第二永磁体，所述第一永磁体和第二永磁体分别设置在上电极触头座和下电极触头座的空腔内，或者分别设置在金属屏蔽筒左侧外壁和右侧外壁；其中，定义上电极触头座和下电极触头座的轴向为Z轴方向，第一永磁体和第二永磁体产生的磁场方向为X轴的轴向；所述上瓷套管和下瓷套管与外界相通的一端还设有上端盖和下端盖；所述下导电杆位于下瓷套管内的端部还套设有波纹管。

所述上电极触头座具有一空腔且一端开口，上电极触头座开口处固定有一上电极，上述第一永磁体设置在所述上电极触头座的空腔内；所述下电极触头座具有一空腔且一端开口，下电极触头座开口处固定有一下电极，上述第二永磁体设置在所述下电极触头座的空腔内。

在上述的一种高电压真空开关，所述第一永磁体和第二永磁体分别为上部永磁体和下部永磁体，设置在上电极触头座和下电极触头座的空腔内，上部永磁体和下部永磁体以金属屏蔽筒为中心对称设置，所述上部永磁体和下部永磁体极性朝向相同，即上部永磁体和下部永磁体左端面同为S极，右端面同为N极；或者上部永磁体和下部永磁体左端面同为N极，右端面同为S极。

在上述的一种高电压真空开关，所述第一永磁体为设置在金属屏蔽筒左侧外壁的左部永磁体；所述第二永磁体为设置在金属屏蔽筒右侧外壁的右部永磁体；所述左部永磁体右端面为S极或N极，所述右部永磁体左端面为N极或S极；所述左部永磁体和右部永磁体以金属屏蔽筒的轴中心对称设置。

在上述的一种高电压真空开关，所述上瓷套管和下瓷套管外壁还设有若干组能产生角向磁场的上部角向磁场发生组件和下部角向磁场发生组件。

在上述的一种高电压真空开关，所述上部角向磁场发生组件包括若干个套设在上瓷套管外壁的上部螺线管；下部角向磁场发生组件包括若干个套设在下瓷套管外壁的下部螺线管。

在上述的一种高电压真空开关，所述上部角向磁场发生组件包括若干组能产生角向磁场的上部永磁体组件，每一上部永磁体组件由若干永磁体组成；所述下部角向磁场发生组件包括若干组能产生角向磁场的下部永磁体组件，每一下部永磁体组件由若干永磁体组成；所述若干组上部永磁体组件在轴线方向上分别以设定的间距水平地环绕在上瓷套管外壁；所述下部永磁体组件在轴线方向上分别以设定的间距水平地环绕在下瓷套管外壁；上部永磁体组件中的每一组的若干永磁体在角向方向等间距地设置在上瓷套管外壁；下部永磁体组件中的每一组的若干永磁体在角向方向等间距地设置在下瓷套管外壁；相邻两个永磁体相对的两个端面的磁场极性相同。

在上述的一种高电压真空开关，所述上端盖和下端盖分别将上瓷套管和下瓷套管与外界相通的一端密封，所述上端盖和下端盖分别与上导电杆和下导电杆相连。

因此，本发明具有如下优点：能够阻止真空开关中阴极表面发射的电子轰击阳极表面，从而提高击穿电压。此外，横向的X轴向磁场比轴对称的径向磁场的灭弧性能更好，能开断更大的电流。这是因为现有的横向磁场触头流过电流时，激励的磁场为径向方向，电弧在径向磁场中的受力方向为角向，因而电弧整体沿角向旋转，电弧的形态没有改变；而电弧在X轴向磁场中的受力方向为Y轴的负方向，电弧被拉长变形，且向触头的边缘移动，较易于熄弧。

附图说明

图1是本发明高电压真空开关中的电子在正交电磁场中做螺旋运动的原理示意图。

图2是本发明实施例1中真空开关的电极和永磁体装配的主视结构示意图。

图3是沿图2中A-A线的剖视结构示意图。

图4是本发明实施例2中真空开关的电极和永磁体装配的主视结构示意图。

图5是沿图4中A-A线的剖视结构示意图。

图6是图2中永磁体极性的装配结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。图中，上导电杆1、上电极触头座2、上部永磁体3、上电极4、下电极5、下部永磁体6、下电极触头座7、下导电杆8、金属屏蔽筒9、上瓷套管10、下瓷套管11、波纹管12、上端盖13、下端盖14、上部角向磁场发生组件15、下部角向磁场发生组件16、左部永磁体17、右部永磁体18。

实施例1：

首先介绍一下本发明的真空开关的结构：

如图2所示，本发明包括一个上下两端开口的金属屏蔽筒9以及分别与金属屏蔽筒9两端固定连接且一端与外界相通的上瓷套管10或绝缘玻壳、和下瓷套管11或绝缘玻壳；上下同轴设置的上导电杆1和下导电杆8分别穿过上瓷套管10和下瓷套管11与外界相通的一端并伸入所述金属屏蔽筒9内；上导电杆1和下导电杆8伸入金属屏蔽筒9内的一端设有上电极触头座2和下电极触头座7；该高电压真空开关还包括一个能在上电极触头座和下电极触头座的间隙中产生与上电极触头座和下电极触头座的轴向电场垂直的X轴向电场的第一永磁体3和第二永磁体6，所述第一永磁体3和第二永磁体6分别设置在上电极触头座和下电极触头座的空腔内，或者分别设置在金属屏蔽筒9左侧外壁和右侧外壁；其中，定义上电极触头座和下电极触头座的轴向为Z轴方向，第一永磁体和第二永磁体产生的磁场方向为X轴的轴向；所述上瓷套管10和下瓷套管11与外界相通的一端还设有上端盖13和下端盖14；下导电杆8位于下瓷套管11内的端部还套设有波纹管12，端盖13、下端盖14与不锈钢波纹管12密封焊接而成，其内部为高真空；上端盖13和下端盖14分别与上导电杆1和下导电杆8相连。

其中，上电极触头座2具有一空腔且一端开口，开口处固定有一上电极4，上述第一永磁体设置在上电极触头座的空腔内；下电极触头座7具有一空腔且一端开口，开口处固定有一下电极5，第二永磁体设置在所述下电极触头座的空腔内。

上部永磁体3和下部永磁体6平行且以金属屏蔽筒9的轴线为中心线对称设置，上部永磁体3和下部永磁体6的磁场极性朝向相同，即上部永磁体3和下部永磁体6的左端面同为S极或N极；上部永磁体3和下部永磁体6的右端面同为N极或S极。

上瓷套管10和下瓷套管11外壁还设有若干组能产生角向磁场的上部角向磁场发生组件15和下部角向磁场发生组件16，上部角向磁场发生组件15包括若干组能产生角向磁场的上部永磁体组件，每一上部永磁体组件由若干永磁体组成；所述下部角向磁场发生组件16包括若干组能产生角向磁场的下部永磁体组件，每一下部永磁体组件由若干永磁体组成；所述若干组上部永磁体组件在轴线方向上分别以设定的间距水平地环绕在上瓷套管10外壁；所述下部永磁体组件在轴线方向上分别以设定的间距水平地环绕在下瓷套管11外壁；上部永磁体组件中的每一组的若干永磁体在角向方向等间距地设置在上瓷套管10外壁；下部永磁体组件中的每一组的若干永磁体在角向方向等间距地设置在下瓷套管11外壁；相邻两个永磁体相对的两个端面的磁场极性相同。

另外，上部角向磁场发生组件15也可以是若干个套设在上瓷套管10外壁的上部螺线管；下部角向磁场发生组件16也可以是若干个套设在下瓷套管10外壁的下部螺线管。

当上电极4与下电极5接触时，波纹管12被拉长，电路闭合导通；当向下拉动下导电杆8后，波纹管12被压缩，同时两电极就分离，电路断开。此时，两个电极之间的电场方向沿着真空开关的轴向，而在两个电极之间的间隙中由上下两个磁体发出的磁力线垂直于真空开关的轴向，所以这一电场和磁场就组成一个正交的电磁场。

这一外施磁场既可由永磁体产生，也可由通电流的螺线管产生。永磁体既可装在金属屏蔽筒之内，也可装在金属屏蔽筒外；同样，利用螺线管磁场时，螺线管也可装在金属屏蔽罩之外，见实施例2。即产生X向磁场的第一永磁体可以由一个设置在金属屏蔽筒9左侧外壁的通电流的左部螺线管代替；产生X向磁场的第二永磁体可以由一个设置在金属屏蔽筒9右侧外壁的通电流的右部螺线管代替；左部螺线管左侧为S极或N极，右部螺线管左侧为S极或N极；左部螺线管和右部螺线管以金属屏蔽筒9的轴中心对称设置。

实施例2：

如图4所示，在本实施例中，第一永磁体为一个设置在金属屏蔽筒9左侧外壁的左部永磁体17；第二永磁体为一个设置在金属屏蔽筒9右侧外壁的右部永磁体18；左部永磁体17左侧为S极或N极，右部永磁体18左侧为S极或N极；左部永磁体17和右部永磁体18以金属屏蔽筒9的轴中心对称设置。

应当注意的是，在实施例2中，这一外施磁场既可由永磁体产生，也可由通电流的螺线管产生。即所述左部永磁体由一个设置在金属屏蔽筒9左侧外壁的通电流的左部螺线管代替；所述右部永磁体由一个设置在金属屏蔽筒9右侧外壁的通电流的右部螺线管代替；所述左部螺线管左侧为S极或N极，所述右部螺线管左侧为S极或N极；所述左部螺线管和右部螺线管以金属屏蔽筒9的轴中心对称设置。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了上导电杆1、上电极触头座2、上部永磁体3、上电极4、下电极5、下部永磁体6、下电极触头座7、下导电杆8、金属屏蔽筒9、上瓷套管10、下瓷套管11、波纹管12、上端盖13、下端盖14、上部角向磁场发生组件15、下部角向磁场发生组件16、左部永磁体17、右部永磁体18等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (7)

1.一种高电压真空开关，其特征在于，包括一个上下两端开口的金属屏蔽筒（9）以及分别与金属屏蔽筒（9）两端固定连接且一端与外界相通的上瓷套管（10）和下瓷套管（11）；上下同轴设置的上导电杆（1）和下导电杆（8）分别穿过上瓷套管（10）和下瓷套管（11）与外界相通的一端并伸入所述金属屏蔽筒（9）内；所述上导电杆（1）和下导电杆（8）伸入金属屏蔽筒（9）内的一端设有上电极触头座（2）和下电极触头座（7）；该高电压真空开关还包括一个能在上电极触头座（2）和下电极触头座（7）的间隙中产生与上电极触头座（2）和下电极触头座（7）之间的轴向电场垂直的X轴向磁场的第一永磁体和第二永磁体，所述第一永磁体和第二永磁体分别设置在上电极触头座（2）和下电极触头座（7）的空腔内，或者分别设置在金属屏蔽筒（9）左侧外壁和右侧外壁；其中，定义上电极触头座（2）和下电极触头座（7）的轴向为Z轴方向，第一永磁体和第二永磁体产生的磁场方向为X轴的轴向；所述上瓷套管（10）和下瓷套管（11）与外界相通的一端还设有上端盖（13）和下端盖（14）；所述下导电杆（8）位于下瓷套管（11）内的端部还套设有波纹管（12）；

所述上瓷套管和下瓷套管外壁还设有若干组能产生角向磁场的上部角向磁场发生组件（15）和下部角向磁场发生组件（16）。

2.根据权利要求1所述的一种高电压真空开关，其特征在于，所述上电极触头座（2）具有一空腔且一端开口，上电极触头座（2）开口处固定有一上电极（4），上述第一永磁体设置在所述上电极触头座（2）的空腔内；所述下电极触头座（7）具有一空腔且一端开口，下电极触头座（7）开口的一端固定有一下电极（5），上述第二永磁体设置在所述下电极触头座（7）的空腔内。

3.根据权利要求2所述的一种高电压真空开关，其特征在于，所述第一永磁体和第二永磁体分别为上部永磁体（3）和下部永磁体（6），设置在上电极触头座（2）和下电极触头座（7）的空腔内，上部永磁体（3）和下部永磁体（6）以金属屏蔽筒（9）为中心对称设置，所述上部永磁体（3）和下部永磁体（6）极性朝向相同，即上部永磁体（3）和下部永磁体（6）左端面同为S极，右端面同为N极；或者上部永磁体（3）和下部永磁体（6）左端面同为N极，右端面同为S极。

4.根据权利要求2所述的一种高电压真空开关，其特征在于，所述第一永磁体为设置在金属屏蔽筒（9）左侧外壁的左部永磁体（17）；所述第二永磁体为设置在金属屏蔽筒（9）右侧外壁的右部永磁体（18）；所述左部永磁体（17）右端面为S极或N极，所述右部永磁体（18）左端面为N极或S极；所述左部永磁体（17）和右部永磁体（18）以金属屏蔽筒（9）的轴中心对称设置。

5.根据权利要求4所述的一种高电压真空开关，其特征在于，所述上部角向磁场发生组件（15）包括若干个套设在上瓷套管（10）外壁的上部螺线管；下部角向磁场发生组件（16）包括若干个套设在下瓷套管（11）外壁的下部螺线管。

6.根据权利要求4所述的一种高电压真空开关，其特征在于，所述上部角向磁场发生组件（15）包括若干组能产生角向磁场的上部永磁体组件，每一上部永磁体组件由若干永磁体组成；所述下部角向磁场发生组件（16）包括若干组能产生角向磁场的下部永磁体组件，每一下部永磁体组件由若干永磁体组成；所述若干组上部永磁体组件在轴线方向上分别以设定的间距水平地环绕在上瓷套管（10）外壁；所述下部永磁体组件在轴线方向上分别以设定的间距水平地环绕在下瓷套管（11）外壁；上部永磁体组件中的每一组的若干永磁体在角向方向等间距地设置在上瓷套管外壁（10）；下部永磁体组件中的每一组的若干永磁体在角向方向等间距地设置在下瓷套管外壁（11）；相邻两个永磁体相对的两个端面的磁场极性相同。

7.根据权利要求1所述的一种高电压真空开关，其特征在于，所述上端盖（13）和下端盖（14）分别将上瓷套管（10）和下瓷套管（11）与外界相通的一端密封，所述上端盖（13）和下端盖（14）分别与上导电杆（1）和下导电杆（8）相连。

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