CN102945768B - 一种断路器灭弧装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种断路器灭弧装置，包括活塞杆、活塞、气缸、静止触头、运动触头和喷口；气缸被活塞隔离形成热气室和冷气室；活塞套于活塞杆外周且位于活塞杆的第一限位面和第二限位面之间；喷口上设有分别连通热气室和冷气室的第一气道和第二气道。电弧加热的热气流进入热气室，而熄弧时采用冷气室中的冷气流吹走导电粒子，避免了传统结构因为热击穿以及气流气泡而造成的开断不成功的现象；将活塞压气形成压强与电弧加热膨胀形成压强集成在一起，减少了灭弧装置的大小；通过活塞杆上的限位面，实现了活塞驱动方式对电流大小的自适应；电弧产生的膨胀压力驱动活塞运动的方向始终与活塞杆驱动活塞运动的方向一致，有利于断路器操作功的降低。

Description

一种断路器灭弧装置

技术领域

本发明属于高压开关领域，特别涉及一种断路器灭弧装置。

背景技术

目前断路器主要采用自能式或压气与自能相结合的灭弧装置，而现有的灭弧装置大都采用单个膨胀室101，如图1所示。当开断电流时，电弧电流的能量产生热量，使膨胀室101内的气压升高，当电流过零时，电弧能量短暂消失，膨胀室内的热气体向喷口19外喷出，带走形成电弧的导电粒子，从而实现电流开断。采用热气流吹走导电粒子尽管可以实现开断，但由于热气流不利于电弧区域温度的降低，这为电弧的热击穿重燃提供了有利条件。大量文献研究表明，加强冷却，增加电弧区域的散热，可以有效避免电弧的热击穿重燃。再者，现有的灭弧装置采用单个膨胀室，由于电弧过程极短（20毫秒左右），在如此短的时间内，很难使膨胀室内的冷热气体混合均匀，这样在吹走导电粒子的气流中，因为冷热气体混合不均匀，容易形成气泡，这不利于电弧的开断。

另一方面，现有结构不管是开断何种大小的电流，压气缸100都压气，如图1所示，而实际情况是，开断小电流时需要压气以在膨胀室中建立压强，而开断大电流主要是利用电弧的自身能力在膨胀室中建立压强（不需要压气或仅需较少的压气），因此现有的压气与自能相结合的灭弧装置的压气不能自适应开断电流的大小而作相应的调整，即可能在不需要压气时，灭弧装置压气了，因此造成了操作功的浪费。

发明内容

本发明的目的在于一种断路器灭弧装置，以进一步提高开断性能并减少操作功、减小断路器体积。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种断路器灭弧装置，包括活塞杆、活塞、气缸、静止触头、运动触头和喷口；气缸、静止触头、运动触头和喷口沿轴线旋转对称布置；气缸布置于静止触头的外侧；气缸被活塞隔离形成热气室和冷气室；活塞杆上设有第一限位面和第二限位面，活塞套于活塞杆外周，且位于第一限位面和第二限位面之间；冷气室的侧壁上设有第一气孔，第一气孔上安装有第一单向阀；第一单向阀在当冷气室中的气压小于外围气压时打开，否则关闭；热气室的侧壁上设有第二气孔，第二气孔上安装有第二单向阀；第二单向阀在开断的时候关闭而在关合或开关正常通流的时候打开；喷口上设有分别连通热气室和冷气室的第一气道和第二气道，第一气道和第二气道上分别安装有第三单向阀和第四单向阀；第三单向阀在当电弧区域气压大于热气室气压时打开，否则关闭；第四单向阀在当电弧区域气压小于冷气室气压时打开，否则关闭。

本发明进一步的改进在于：活塞杆穿过气缸；第一气道和第二气道的出口正对产生电弧的电弧区域。

本发明进一步的改进在于：开断电流过程中，第四单向阀在当电弧区域气压小于冷气室气压时打开，始终都使冷气流吹向灭弧区域；活塞能根据开断电流大小自适应地选择是由电弧在热气室中产生的膨胀压力驱动、活塞杆作为主要动力源驱动、还是由二者共同驱动。

本发明进一步的改进在于：开断电流过程中，电弧能量在热气室中产生的膨胀压力驱动活塞运动的方向始终与活塞杆驱动活塞运动的方向一致。

本发明进一步的改进在于：将活塞压气在冷气室中形成压强与电弧加热膨胀在冷气室中形成压强这两个功能集成在一起，有利于减少灭弧装置的大小。

本发明进一步的改进在于：所述活塞杆和运动触头都由同一操动机构带动。

本发明进一步的改进在于：开断小电流时，第二单向阀关闭；活塞杆与运动触头沿轴线向远离静止触头的方向移动，当运动触头脱离静止触头后，产生电弧，并在电弧区域产生高温高压，此时第三单向阀打开，高温气流从第一气道流入热气室，使热气室中产生膨胀压力；由于是开断小电流，其电弧能量较小，热气室中的膨胀压力推动活塞的速度小于活塞杆运动速度，则活塞将贴紧活塞杆上的第一限位面，此时活塞由活塞杆的第一限位面和热气室中的膨胀压力共同驱动压缩冷气室，其中活塞杆的第一限位面是活塞的主要驱动源，而热气室中的膨胀压力则是次要的驱动源；冷气室压强升高，第一单向阀关闭；当电流过零点时，电弧短暂熄灭，冷气室中的压强大于电弧区域的压强，第四单向阀打开，冷气流从第二气道流入电弧区域，将电弧燃烧后残留的导电粒子从第一通道和第二通道带走，实现电流的开断；所述小电流为断路器额定电流或小于额定电流的电流。

本发明进一步的改进在于：开断大电流时，第二单向阀关闭；活塞杆与运动触头沿轴线向远离静止触头的方向移动，当运动触头脱离静止触头后，产生电弧，并在电弧区域产生高温高压，此时第三单向阀打开，高温气流从第一气道流入热气室，使热气室中产生膨胀压力；由于是开断大电流，其电弧能量较大，热气室中的膨胀压力推动活塞的速度大于活塞杆运动速度，活塞贴紧活塞杆上的第二限位面，活塞由热气室中的膨胀压力驱动并压缩冷气室，而且还帮助驱动活塞杆；冷气室压强升高，第一单向阀关闭；当电流过零点时，电弧短暂熄灭，冷气室中的压强大于电弧区域的压强，第四单向阀打开，冷气流从第二气道流入电弧区域，将电弧燃烧后残留的导电粒子从第一通道和第二通道带走，实现电流的开断；所述大电流大于0.6倍断路器额定短路电流。

本发明进一步的改进在于：开断中等大小的电流时，第二单向阀关闭；活塞杆与运动触头沿轴线向远离静止触头的方向移动，当运动触头脱离静止触头后，产生电弧，并在电弧区域产生高温高压，此时第三单向阀打开，高温气流从第一气道流入热气室，使热气室中产生膨胀压力；开断开始的一段时间内，活塞由热气室产生的压强单独驱动，此时活塞位于第一限位面和第二限位面中间或在贴紧第二限位面的位置，冷气室压强升高，第一单向阀关闭；随着活塞不断压缩冷气室，冷气室中压强越来越大，活塞将逐渐减速直至贴紧在活塞杆的第一限位面上；活塞最终由热气室中的压强以及活塞杆的第一限位面联合驱动进一步压缩冷气室；当电流过零点时，电弧短暂熄灭，冷气室中的压强大于电弧区域的压强，第四单向阀打开，冷气流从第二气道流入电弧区域，将电弧燃烧后残留的导电粒子从第一通道和第二通道带走，实现电流的开断；所述中等大小的电流为额定短路电流的0.3至0.6倍大小的电流。

本发明进一步的改进在于：开断结束之后，第二单向阀打开，热气室中的气流从第二气孔中流出，之后，热气室、冷气室以及外围中的压强一致。

本发明进一步的改进在于：在关合过程中，第二单向阀打开，活塞杆与运动触头从分闸位置沿轴线向靠近静止触头的方向移动，活塞贴紧活塞杆的第二限位面，活塞压缩热气室并使其容积减小，热气室中的气体从第二气孔排出；冷气室体积增大，则冷气室压强减小，第一单向阀打开，气体从外围经第一气孔流入冷气室；第三单向阀和第四单向阀关闭；在关合结束后，热气室、冷气室以及外围中的压强一致。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：在开断过程中，始终都是冷气流吹向灭弧区域；活塞的驱动方式能对电流大小自适应；电弧能量在热气室中产生的膨胀压气驱动活塞运动的方向始终与活塞杆驱动活塞运动的方向一致，这有利于断路器操作功的降低；另外，将活塞压气形成压强与电弧加热膨胀形成压强两个功能集成在一起，减少了灭弧装置的大小。

附图说明

图1为现有的自能与压气结合式灭弧装置的结构示意图；

图2为本发明断路器灭弧装置电流流通状态示意图；

图3为本发明断路器灭弧装置开断小电流状态示意图；

图4为本发明断路器灭弧装置开断中等大小电流的开始一段时间内的状态示意图；

图5为本发明断路器灭弧装置开断开断大电流的状态示意图；

图6为本发明断路器灭弧装置利用冷气流熄弧的示意图；

图7为本发明断路器灭弧装置合闸过程的示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的技术方案。

请参阅图2至图7所示，本发明一种断路器灭弧装置，它沿轴线21对称布置，由活塞杆1，活塞4，气缸7，第一单向阀8，第一气孔9，第二单向阀10，第二气孔11，限位块12，静止触头13，运动触头14，第一气道15，第二气道16，第三单向阀17，第四单向阀18，喷口19组成。灭弧装置外围20内充有灭弧介质气体（如六氟化硫气体、空气等）。活塞杆1穿过气缸7；活塞杆1有两个限制面，第一限位面2和第二限位面5，活塞4套于活塞杆1外周，位于第一限位面2和第二限位面5之间，这样第一限位面2和第二限位面5可以对活塞4的运动进行限位。气缸7被活塞4隔离为两部分，分别是热气室3和冷气室6。冷气室6的侧壁上设有第一气孔9，第一气孔9上安装有第一单向阀8；第一单向阀8在当冷气室6中的气压小于外围20气压时打开，否则关闭，使气体只能从外围20进入冷气室6；热气室3的侧壁上设有第二气孔11，第二气孔11上安装有第二单向阀10；第二单向阀10在开断的时候关闭而在关合或开关正常通流的时候打开；喷口19上设有分别连通热气室3和冷气室6的第一气道15和第二气道16，第一气道15和第二气道16上分别安装有第三单向阀17和第四单向阀18；第三单向阀17在当电弧区域23气压大于热气室3气压时打开，否则关闭，使气体只能从电弧区域23进入热气室3；第四单向阀18在当电弧区域23气压小于冷气室6气压时打开，否则关闭，使气体只能从冷气室6进入电弧区域23。第一气道15和第二气道16的出口正对产生电弧22的电弧区域23。

该灭弧装置的工作原理是：

（1）开断时，第二单向阀10关闭。活塞杆1与运动触头14沿轴线21向远离静止触头13的方向移动，当运动触头14脱离静止触头13后，产生电弧22，并在电弧区域23产生高温高压，此时第三单向阀17打开，高温气流24从第一气道15流入热气室3，使热气室3中产生膨胀压力，从而推动活塞4向开断方向移动，并在冷气室6中产生压强，则第一单向阀8关闭。

a)当电弧22的电流较小时（如额定电流或更小的电流），在热气室3中产生膨胀压力也较小，相应的活塞4的运动速度也较小（小于活塞杆1的运动速度），则活塞4将碰到活塞杆1上的第一限位面2，这样活塞4就是由热气室3中的膨胀压力以及第一活塞杆1共同推动以压缩冷气室6，由于电弧电流较小，冷气室6中的压强大于电弧区域23的压强，则第四单向阀18打开，冷气流25从第二气道16流入电弧区域23，如图3所示。

b)当电弧22的电流中等大时（比如额定短路电流0.3至0.6倍大小的电流），在开始阶段，在热气室3中产生膨胀压力也较大，相应的活塞4的运动速度也较大，此时，活塞4运动速度与活塞杆1的运动速度接近，则活塞4将在第一限位面2和第二限位面5之间，这样活塞4就是由热气室3中的膨胀压力推动，如图4所示。但随着冷气室6中压力越来越大，活塞4将逐渐减速，活塞4贴紧活塞杆1上的第一限位面2，这样，活塞4最终在第一限位面2辅助驱动下进一步压缩冷气室6。总结上述开断过程：在开断中等大电流时（比如额定电流电流的0.3至0.6倍大小的电流），在开始一段时间内，依靠电弧能量转化为热气室3的压强以驱动活塞4压缩冷气室6，但在之后的一段时间内，随着冷气室6中的压强越来越大，活塞4则由热气室3中的压强以及活塞杆1的第一限位面2联合驱动，因此克服了现有灭弧装置难以开断额定电流0.5倍大小的电流的缺陷。

c)特别地，当电弧22的电流很大时(比如额定短路电流)，在热气室3中产生膨胀压力也非常大，此时，活塞4的运动速度将超过活塞杆1的运动速度，则活塞4将碰到活塞杆1的第二限位面5，这样热气室3中的膨胀压力通过活塞4不仅压缩冷气室6，而且还帮助驱动活塞杆1，如图5所示。由于电弧电流大，电弧区域23压强将比冷气室6中的压强大，第四单向阀18关闭。

运动触头14，活塞杆1和活塞4继续向开断方向移动，活塞4继续压缩冷气室6，当电流（交流电流）流过零点时，电弧22短暂熄灭，电弧区域23的压强瞬间消失，第四单向阀18打开，冷气室6中的冷气流25从第二气道16中高速流出，并将电弧22燃烧后残留的导电粒子从通道26和27中带走，实现电流的开断，如图6所示。开断结束之后，第二单向阀10打开，这样热气室3中的气流将从第二气孔11中流出，之后，热气室3、冷气室6以及外围20中的压强一致。

上述开断过程持续的时间很短（通常为20毫秒左右），可看作是一个绝热过程，因此热量在开断过程中不会从热气室3经活塞4而传递到冷气室6，这样该灭弧装置总是用冷气流带走导电粒子，避免了因热击穿而造成的重新燃弧。

（2）关合时，活塞杆1与运动触头14一起沿轴线21向接近静止触头13的方向移动，整个灭弧装置与外围20的气压都一致。活塞4贴紧活塞杆1的第二限位面5，活塞杆1通过第二限位面5驱动活塞向远离第一单向阀8的方向移动，这样冷气室6的容积将变大，压强将小于外围20的压强，则第一单向阀8打开，第四单向阀17关闭，新鲜的、冷的灭弧介质气体将从第一气孔9流入冷气室6，为下一次电流的开断进行储气。另一方面，第二单向阀10依然处于打开状态，热气室3的容积将变小，热气室3中的气体将通过第二气孔11排入到外围20，如图7所示。当关合结束后，活塞杆1停止运动，而活塞4由于惯性作用，将继续运动一段距离直至被限位块12挡住为止，最终关合通流状态如图2所示。

该灭弧装置具有如下特点：

a)始终以冷气流熄弧，避免了热击穿。通过活塞4，将气缸分为两个气室，热气室3和冷气室6，相应地在喷口19上设置有热气道15和冷气道16，通过这两个气道内的单向阀，使该装置始终用冷气室6中冷的灭弧介质气体进行灭弧，避免了因热击穿而造成的重新燃弧，提高灭弧性能。

b)活塞杆1随开断电流的大小自适应地、选择性地驱动活塞4，节约了操作功。当开断小电流时（如额定电流或更小的电流），热气室3中压力较小，此时主要由活塞杆1通过第一限位面2推动活塞4压缩冷气室6；当开断中等大电流时（如额定短路电流0.3至0.6倍大小的电流），热气室3中压力较大，在开始一段时间内，主要由热气室3中的压强推动活塞4压缩冷气室6，但在之后的一段时间内，随着冷气室6中的压强越来越大，活塞4的速度将逐渐小于活塞杆1的速度，这样活塞4则由热气室3中的压强以及活塞杆1的第一限位面2联合驱动；当开断大电流（如额定短路电流）时，热气室3中压强极大，此时热气室3中的压强不仅推动活塞4压缩冷气室6，而且推动活塞4帮助活塞杆1朝开断方向运动。因此开断过程一方面最大限度的应用了电弧能量，另一方面随着开断电流的大小，活塞杆1自适应地、选择性地驱动活塞4，这样极大地节约了驱动活塞杆1运动所需的操作功。不管开断何种大小的电流，电弧22的能量在热气室3中产生的膨胀压力驱动活塞4运动的方向始终与活塞杆1驱动活塞4运动的方向一致，也即电弧22的能量会有利于活塞杆1的运动，这有利于断路器操作功的降低。

c)将活塞4压气在冷气室6中形成压强与电弧22加热膨胀在冷气室6中形成压强这两个功能集成在一起，有利于减少灭弧装置的大小。

d)第一单向阀8仅当冷气室6中的气压小于外围20的气压时打开，使气流只能从外围20流向冷气室6。这样关合时，新鲜的、冷的灭弧介质气体将从第一气孔9流入冷气室6，为下一次电流的开断进行储气。

e)第二单向阀10在开断开始时关闭，而在开断结束后打开，这样在开断过程中可以确保热气室3中能建立起压强，而在开断结束后，可以将热气室3中的气体排出。

Claims (9)

1.一种断路器灭弧装置，其特征在于，包括活塞杆(1)、活塞(4)、气缸(7)、静止触头(13)、运动触头(14)和喷口(19)；气缸(7)、静止触头(13)、运动触头(14)和喷口(19)沿轴线(21)旋转对称布置；气缸(7)布置于静止触头(13)的外侧；气缸(7)被活塞(4)隔离形成热气室(3)和冷气室(6)；活塞杆(1)上设有第一限位面(2)和第二限位面(5)，活塞(4)套于活塞杆(1)外周，且位于第一限位面(2)和第二限位面(5)之间；冷气室(6)的侧壁上设有第一气孔(9)，第一气孔(9)上安装有第一单向阀(8)；第一单向阀(8)在当冷气室(6)中的气压小于外围(20)气压时打开，否则关闭；热气室(3)的侧壁上设有第二气孔(11)，第二气孔(11)上安装有第二单向阀(10)；第二单向阀(10)在开断的时候关闭而在关合或开关正常通流的时候打开；喷口(19)上设有分别连通热气室(3)和冷气室(6)的第一气道(15)和第二气道(16)，第一气道(15)和第二气道(16)上分别安装有第三单向阀(17)和第四单向阀(18)；第三单向阀(17)在当电弧区域(23)气压大于热气室(3)气压时打开，否则关闭；第四单向阀(18)在当电弧区域(23)气压小于冷气室(6)气压时打开，否则关闭；

第四单向阀(18)打开时，始终都使冷气流(25)吹向灭弧区域(23)；活塞(4)能根据开断电流大小自适应地选择是由电弧(22)在热气室(3)中产生的膨胀压力驱动或者活塞杆(1)作为主要动力源驱动。

2.根据权利要求1所述的一种断路器灭弧装置，其特征在于，活塞杆(1)穿过气缸(7)；第一气道(15)和第二气道(16)的出口正对产生电弧(22)的电弧区域(23)。

3.根据权利要求1所述的一种断路器灭弧装置，其特征在于，开断电流过程中，电弧(22)能量在热气室(3)中产生的膨胀压力驱动活塞(4)运动的方向始终与活塞杆(1)驱动活塞(4)运动的方向一致。

4.根据权利要求1所述的一种断路器灭弧装置，其特征在于，所述活塞杆(1)和运动触头(14)都由同一操动机构带动。

5.根据权利要求1所述的一种断路器灭弧装置，其特征在于，开断小电流时，第二单向阀(10)关闭；活塞杆(1)与运动触头(14)沿轴线(21)向远离静止触头(13)的方向移动，当运动触头(14)脱离静止触头(13)后，产生电弧(22)，并在电弧区域(23)产生高温高压，此时第三单向阀(17)打开，高温气流(24)从第一气道(15)流入热气室(3)，使热气室(3)中产生膨胀压力；由于是开断小电流，其电弧(22)能量较小，热气室(3)中的膨胀压力推动活塞(4)的速度小于活塞杆(1)运动速度，则活塞(4)将贴紧活塞杆(1)上的第一限位面(2)，此时活塞(4)由活塞杆(1)的第一限位面(2)和热气室(3)中的膨胀压力共同驱动压缩冷气室(6)，其中活塞杆(1)的第一限位面(2)是活塞(4)的主要驱动源，而热气室(3)中的膨胀压力则是次要的驱动源；冷气室(6)压强升高，第一单向阀(8)关闭；当电流过零点时，电弧短暂熄灭，冷气室(6)中的压强大于电弧区域(23)的压强，第四单向阀(18)打开，活塞(4)压缩冷气室(6)使冷气流(25)从第二气道(16)流入电弧区域(23)，将电弧(22)燃烧后残留的导电粒子从第一通道(26)和第二通道(27)带走，实现电流的开断；所述小电流为断路器额定电流或小于额定电流的电流。

6.根据权利要求1所述的一种断路器灭弧装置，其特征在于，开断大电流时，第二单向阀(10)关闭；活塞杆(1)与运动触头(14)沿轴线(21)向远离静止触头(13)的方向移动，当运动触头(14)脱离静止触头(13)后，产生电弧(22)，并在电弧区域(23)产生高温高压，此时第三单向阀(17)打开，高温气流(24)从第一气道(15)流入热气室(3)，使热气室(3)中产生膨胀压力；由于是开断大电流，其电弧(22)能量较大，热气室(3)中的膨胀压力推动活塞(4)的速度大于活塞杆(1)运动速度，活塞(4)贴紧活塞杆(1)上的第二限位面(5)，活塞(4)由热气室(3)中的膨胀压力驱动并压缩冷气室(6)，而且还帮助驱动活塞杆(1)；冷气室(6)压强升高，第一单向阀(8)关闭；当电流过零点时，电弧短暂熄灭，冷气室(6)中的压强大于电弧区域(23)的压强，第四单向阀(18)打开，冷气流(25)从第二气道(16)流入电弧区域(23)，将电弧(22)燃烧后残留的导电粒子从第一通道(26)和第二通道(27)带走，实现电流的开断；所述大电流大于0.6倍断路器额定短路电流。

7.根据权利要求1所述的一种断路器灭弧装置，其特征在于，开断中等大小的电流时，第二单向阀(10)关闭；活塞杆(1)与运动触头(14)沿轴线(21)向远离静止触头(13)的方向移动，当运动触头(14)脱离静止触头(13)后，产生电弧(22)，并在电弧区域(23)产生高温高压，此时第三单向阀(17)打开，高温气流(24)从第一气道(15)流入热气室(3)，使热气室(3)中产生膨胀压力；开断开始的一段时间内，活塞(4)由热气室(3)产生的压强单独驱动，此时活塞(4)位于第一限位面(2)和第二限位面(5)中间或在贴紧第二限位面(5)的位置，冷气室(6)压强升高，第一单向阀(8)关闭；随着活塞(4)不断压缩冷气室(6)，冷气室(6)中压强越来越大，活塞(4)将逐渐减速直至贴紧在活塞杆(1)的第一限位面(2)上；活塞(4)最终由热气室(3)中的压强以及活塞杆(1)的第一限位面(2)联合驱动进一步压缩冷气室(6)；当电流过零点时，电弧短暂熄灭，冷气室(6)中的压强大于电弧区域(23)的压强，第四单向阀(18)打开，冷气流(25)从第二气道(16)流入电弧区域(23)，将电弧(22)燃烧后残留的导电粒子从第一通道(26)和第二通道(27)带走，实现电流的开断；所述中等大小的电流为断路器灭弧装置的额定短路电流的0.3至0.6倍大小的电流。

8.根据权利要求5、6或7所述的一种断路器灭弧装置，其特征在于，开断结束之后，第二单向阀(10)打开，热气室(3)中的气流从第二气孔(11)中流出，之后，热气室(3)、冷气室(6)以及外围(20)中的压强一致。

9.根据权利要求1所述的一种断路器灭弧装置，其特征在于，在关合过程中，第二单向阀(10)打开，活塞杆(1)与运动触头(14)从分闸位置沿轴线(21)向靠近静止触头(13)的方向移动，活塞(4)贴紧活塞杆(1)的第二限位面(5)，活塞(4)压缩热气室(3)并使其容积减小，热气室(3)中的气体从第二气孔(11)排出；冷气室(6)体积增大，则冷气室(6)压强减小，第一单向阀(8)打开，气体从外围(20)经第一气孔(9)流入冷气室(6)；第三单向阀(17)和第四单向阀(18)关闭；在关合结束后，热气室(3)、冷气室(6)以及外围(20)中的压强一致。