CN103000465B - 一种新型大容量中压直流断路器触头系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有低的温升效应和较强短时耐受能力的新型中压大容量直流断路器的触头系统。所述触头系统包括从其中部向下伸出上引流排的上母排，从其中部向上伸出下引流排的下母排，下引流排和上引流排之间具有间隙，位于所述上母排和所述下母排之间的主触头，所述弧触头设置在上母排的末端，主触头包括多个触指，触指包括触指弹簧，触指与上下引流排的接触面为一斜面。本发明具有运行电流与起弧功能分离，引力排接触良好，减小主回路的接触电阻，降低触头系统的温升，主触头受到的电动斥力小，提高了触头系统的短时耐受能力的优点。

Description

一种新型大容量中压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的短时耐受能力、很大的通流能力和低的温升效应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。直流断路器是直流系统安全运行的关键设备，必须能够可靠的接通、分断和承载正常电路运行情况下的电流，并能在所规定的非正常电路（例如短路）情况下接通、承载一定时间和分断回路的电流。随着直流供配电系统的扩容，对直流断路器的额定通流能力和短时耐受能力提出了越来越苛刻的要求。直流断路器必须能够长时间承载更大幅值的额定电流，保证温升在安全范围以内，同时要求断路器能够有效抵抗故障电流情况下的电动斥力保证不被斥开。

目前的空气式中压直流断路器多为旋转式触头结构，只有一个或两个触点，依靠弹簧机构提供触头压力。由于不能保证触点的良好接触，弹簧提供的触头压力有限，往往导致回路的接触电阻较大，限制了断路器的通流能力。一般的空气式中压直流断路器的额定通流能力只有几千安培，这大大限制了直流供配电系统的规模化应用。

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。目前的空气中压直流断路器的触点数目很少，而且不能实现整个触点的良好接触，电流线的收缩比较严重。中压直流供电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，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。

为了保证大容量直流供配电系统的安全稳定运行，必须研制具有更大通流能力和更强短时耐受能力的直流断路器。

发明内容

本发明的目的在于：将承担通流能力的主触头和承担起弧功能的弧触头分开独立设计，在保证断路器开断性能的前提下，优化设计主触头的结构，实现更大的通流能力和更强的短时耐受能力，提供更大容量的中压直流断路器的设计方案。

一种新型大容量中压直流断路器触头系统，包含：上母排，所述上母排中部向下伸出上引流排；下母排，所述下母排中部向上伸出下引流排，所述下引流排和所述上引流排之间具有间隙；主触头，所述主触头具有触指，所述触指位于所述上母排和所述下母排之间；弧触头，所述弧触头包括静弧触头和动弧触头，所述静弧触头固定在所述上母排上，所述动弧触头通过转轴固定在所述主触头的绝缘外壳上，所述静弧触头和所述动弧触头彼此相对；在合闸状态下，所述触指位于所述上引流排和所述下引流排之间，彼此同时接触形成电气连接；断路器进行开断时，所述触指首先与所述上引流排和所述下引流排分离，形成有效的绝缘间隙，所述动弧触头再和所述静弧触头分离产生电弧。这样，承担通流能力的主触头和承担起弧功能的弧触头分开独立，在保证断路器开断性能的前提下，优化设计主触头的结构，实现更大的通流能力和更强的短时耐受能力。

所述静弧触头向上翘起并设置在所述上母排的末端；所述动弧触头和所述主触头的绝缘外壳之间安装有压缩的触头弹簧，所述触头弹簧可以驱动所述动弧触头绕所述转轴在一定范围内转动，所述动弧触头的尾部通过软连接与等电位杆电气连接。所述触指为一组平行排列的触指。所述上引流排和所述下引流排的端部分别具有一斜面，所述触指在所述斜面与所述上引流排和所述下引流排相接触。

本发明所述的主触头位于上下母排之间，采用分立触指的形式实现。上母排和下母排的中部设置有垂直于母排的引流排，引流排端部的斜面与水平面成一定夹角。上引流排和下引流排之间留有间隙，保证在分闸状态下有足够的绝缘距离。主触头由若干个触指平行排列组成，在合闸状态下，每一个触指同时与上引流排和下引流排接触，从而形成上母排、上引流排、触指、下引流排和下母排的导电通路。

主触头的每个触指由导电块、绝缘基座和触指弹簧组成，导电块可以是任意形状和大小，但要保证能够同时与上引流排和下引流排良好接触。导电块安装在绝缘基座上，绝缘基座的上下端各打有通孔，两根限位轴依次穿过每一个触指基座，限位轴的直径略小于绝缘基座上通孔的直径。主触头的所有触指被绝缘外壳包裹，每一个触指与绝缘外壳之间安装有两个触指弹簧，触指与触指之间也留有微小的缝隙，使得在合闸位置时，每一个触指都可以在一定范围内调整自己的位置，从而保证每一个触指都与上下引流排良好接触。主触头的绝缘外壳上开有腰型通孔，两根限位轴可以在腰型通孔中滑动，在进行合闸操作时，触指与引流排接触后，主触头的绝缘外壳会在合闸弹簧的驱动下继续向前运动，从而压缩触指弹簧，产生足够的触头压力。

引流排末端的斜面与水平方向成一定的夹角，触指与引流排之间产生的电动斥力垂直于引流排末端的斜面。由于触指同时与上引流排和下引流排接触，触指将会受到来自于两个引流排的电动斥力。这两个电动斥力竖直方向的分量将会互相抵消。当引流排末端的斜面与水平面的夹角足够小时，触指受到的大部分电动斥力将会互相抵消，只剩下很小的水平方向的电动斥力。同时，由于主触头采用多触指的设计形式，大大增加了有效接触点的数量，从而大大减小了由电流线收缩产生的霍尔姆力。该触头系统可以有效减小触指受到的电动斥力，具有很强的短时耐受能力。

本发明所述触头系统的弧触头设置在上母排的末端，包括静弧触头和动弧触头。静弧触头固定在上母排上，动弧触头通过转轴固定在主触头绝缘外壳的延伸部分。动弧触头尾部安装有触头弹簧，并通过软连接与等电位杆电气连接。合闸状态下，触头弹簧可以提供一定的触头压力，保证静弧触头和动弧触头的良好接触。分闸过程中，触头弹簧可以驱动弧触头绕转轴转动，保证动静弧触头在主触头与引流排形成有效的绝缘间隙后再分开。这样的设计可以保证在进行分断操作时，电弧首先在弧触头处燃起，从而避免了主触头的烧蚀。同时由于主触头处不产生电弧，主触头的触指和引流排的开距可以很小，只需要满足绝缘电压的要求。弧触头上方设置有引弧条，静弧触头侧的引弧条与静弧触头直接连接，动弧触头侧的引弧条通过等电位杆与动弧触头电气连接。电弧燃起后会转移到跑弧道上快速向上运动，最终进入灭弧室被熄灭，完成整个开断过程。

本发明所述触头系统的分闸操作由高速电磁斥力机构（斥力盘）驱动，合闸操作则由合闸弹簧驱动。高速电磁斥力机构通过主轴连接到主触头上，在进行分闸操作时，斥力盘的线圈通电，产生巨大的电磁斥力，通过主轴带动主触头快速向右运动，同时压缩合闸弹簧。在达到最大开距时，保持卡勾将主轴锁住，触头系统保持在分闸位置。在进行合闸操作时，只需要将锁扣解锁，主轴便会在合闸弹簧的作用下向前运动，推动主触头运动至合闸位置。高速电磁斥力机构可以提供极快的分闸速度，有利于驱动电弧从动静弧触头之间快速转移到引弧条上，从而大大缩短开断时间，减小故障电流对直流供配电系统设备的损害。

附图说明

图1 是一种新型大容量中压直流断路器触头系统的结构示意图。

图2是一种新型大容量中压直流断路器触头系统的主触头结构示意图。

图3是一种新型大容量中压直流断路器触头系统合闸位置时的状态示意图。

图4是一种新型大容量中压直流断路器触头系统刚分时的状态示意图。

图5是一种新型大容量中压直流断路器触头系统分断过程中起弧后的状态示意图。

其中：1为上母排；2为上引流排；3为下母排；4为下引流排；5为主触头（触指系统）；6为静弧触头；7为动弧触头；8为静引弧条；9为动引弧条；10为触头弹簧；11为等电位连接杆；12为保持卡勾；13为合闸弹簧；14为电磁斥力机构；15为导电块；16为绝缘基座；17为触指弹簧；18为绝缘外壳；19为软连接；20为限位轴；21为主轴；22为电弧。

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。附图1、2给出了本发明优选实施例的结构示意图，包括母排、引流排、主触头、弧触头、电磁斥力机构等组件。上母排1和下母排4固定在支架上，上母排1的中部向下伸出上引流排2，下母排4的中部向上伸出下引流排3，上下引流排2，3的端部具有一斜面，该斜面与水平面成一定的夹角。合闸状态下，主触头5的触指同时与上引流排2和下引流排3端部的斜面接触，从而形成上母排1、上引流排2、主触头5、下引流排3、下母排4的导电通路。

主触头5由一组平行排列的触指、包裹所有触指的绝缘外壳18和两根限位轴20组成。所述触指的数目为5-15个，优选为9-12。每一个触指包括导电块15、绝缘基座16和触指弹簧17等零件。导电块15安装在绝缘基座16上，绝缘基座16和绝缘外壳18上开有两个通孔，两根限位轴20依次穿过每一个触指绝缘基座16和主触头绝缘外壳18，将这些部件连接成为一个整体。绝缘外壳18上的通孔为腰型孔，限位杆20可以在腰型孔中左右滑动。每一个绝缘基座16和绝缘外壳18之间安装有两个压缩的触指弹簧17。在合闸过程中，导电块15与引流排2，3接触后，主轴21会推动主触头5进一步向前运动，限位杆20将在绝缘外壳18的腰型孔中滑动，触指弹簧17被压缩，从而提供合闸状态下主触头触指的触头压力。限位杆20的直径设计成小于绝缘基座16上通孔的直径，同时，每一个绝缘基座16之间留有微小的缝隙，使得每一组触指可以在背后触指弹簧17的作用下进行微小的位置调整，从而保证在合闸状态下，每一个触指都和上下引流排2,3良好接触。在保证触指能够同时与上下引流排2，3良好接触的情况下，触指的导电块15可以设计成任意形状和大小。例如，导电块可以为圆形，椭圆形。

主触头5的设计使得在正常通流情况下，主触头5与引流排2，3的接触状况良好，有效接触面积显著增大，从而有效降低了回路的接触电阻，降低了整个触头系统的温升。同时，主触头5的设计形成了多个有效接触点，大大减小了由电流线收缩产生的电动斥力。引流排2，3端部的斜面设计使得每一个触指受到来自于上下引流排2，3的两个电动斥力F1和F2，一个F1指向右上方，一个F2指向右下方。这两个电动斥力竖直方向的分量可以互相抵消，触指最终只受到较小的水平方向的电动斥力F。当引流排2，3端部的斜面与水平方向的夹角足够小时，触指受到的电动斥力将十分微小，只需要很小的触指弹簧17，便能实现很强的短时耐受能力。所述夹角可以在一定范围内进行调整，以保证引流排能够与主触头触指良好接触为宜。

弧触头位于上母排1的末端，由静弧触头6和动弧触头7组成。静弧触头6直接固定于上母排1的末端，动弧触头7则通过转轴固定在主触头5的绝缘外壳18上。动弧触头7的尾部通过软连接19与等电位杆11连接，同时动弧触头7与主触头绝缘外壳18间设置有触头弹簧10，可以驱动动弧触头7在一定范围内旋转。动、静弧触头6，7的上方分别布置有一条引弧条，静引弧条8直接与静弧触头6相连，动引弧条9则通过等电位杆10与动弧触头7电气连接。在合闸状态下，主触头5与引流排2，3良好接触，形成主要的通流回路，同时动弧触头7也和静弧触头6接触，形成另外一条通流回路。由于弧触头回路的电阻要远大于主回路的电阻，流过弧触头的电流很小。当发生短路故障需要分闸时，电磁斥力机构14通过主轴21带动主触头5和动弧触头7向后运动，主触头5首先和引流排2，3分离，动弧触头7则在触头弹簧10的作用下逆时针转动，继续保持与静弧触头6的接触。故障电流会从主回路转移到弧触头回路来。当主触头5与引流排2，3形成有效的绝缘间隙时，动弧触头7与静弧触头6分离，从而产生电弧。电弧将在自身产生的磁吹和气吹作用下转移到引弧条8，9上，并最终运动至灭弧室被熄灭。

触头系统的分闸操作由电磁斥力机构14驱动。电磁斥力机构14具有响应快、出力大、速度快的优点。在进行分闸操作时，电磁斥力机构14的线圈通电，会在线圈与斥力盘之间产生强大的斥力，驱动斥力盘带动主轴21向后运动。主触头5通过主轴21直接与斥力盘相连，斥力盘会带动主触头5快速运动到分闸位置，并被保持卡勾12锁住，从而保持在分闸位置。在分闸过程中，合闸弹簧13会被压缩，为合闸操作储存能量。当需要进行合闸操作时，只需要将保持卡勾12解锁，主触头5便会在合闸弹簧13的驱动下运动至与引流排2，3良好接触，完成合闸过程。

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保护范围。

Claims (8)

1.一种新型大容量中压直流断路器触头系统，包含： 

上母排，所述上母排中部向下伸出上引流排； 

下母排，所述下母排中部向上伸出下引流排，所述下引流排和所述上引流排之间具有间隙； 

主触头，所述主触头具有触指，所述触指位于所述上母排和所述下母排之间； 

弧触头，所述弧触头包括静弧触头和动弧触头，所述静弧触头固定在所述上母排上，所述动弧触头通过转轴固定在所述主触头的绝缘外壳上，所述静弧触头和所述动弧触头彼此相对；在合闸状态下，所述触指位于所述上引流排和所述下引流排之间，彼此同时接触形成电气连接； 

断路器进行开断时，所述触指首先与所述上引流排和所述下引流排分离，形成有效的绝缘间隙，所述动弧触头再和所述静弧触头分离产生电弧； 

其特征在于： 

所述触指为一组平行排列的触指； 

所述主触头还包括两根限位轴和一个绝缘外壳，每一个触指包括导电块、绝缘基座和触指弹簧；所述导电块固定在所述绝缘基座上，所述绝缘基座和所述绝缘外壳的上下两端分别开有通孔，所述两根限位轴通过所述通孔依次穿过每一个绝缘基座和所述主触头的所述绝缘外壳，将所有的触指和绝缘外壳连接成一个整体，所述绝缘外壳上的通孔为腰型孔，所述限位轴能够在所述腰型孔中滑动。 

2.根据权利要求1所述的一种新型大容量中压直流断路器触头系统，其特征在于： 

所述静弧触头向上翘起并设置在所述上母排的末端； 

所述动弧触头和所述主触头的绝缘外壳之间安装有压缩的触头弹簧，所述触头弹簧能够驱动所述动弧触头绕所述转轴在一定范围内转动，所述动弧触头的尾部通过软连接与等电位杆电气连接。 

3.根据权利要求1所述的一种新型大容量中压直流断路器触头系统，其特征在于： 

每一个绝缘基座和所述绝缘外壳之间安装有两个触指弹簧，所述限位轴的直径小于所述绝缘基座上的所述通孔的直径，同时每两个触指之间留有微小的空隙，每一个触指能够在所述触指弹簧的作用下在一定范围内调整位置。 

4.根据权利要求1所述的一种新型大容量中压直流断路器触头系统，其特征在于： 

所述上引流排和所述下引流排的端部分别具有一斜面，所述触指在所述斜面与所述上引流排和所述下引流排相接触。 

5.根据权利要求4所述的一种新型大容量中压直流断路器触头系统，其特征在于： 

在保证触指能够同时与上下引流排良好接触的情况下，所述导电块能够设计成任意形状和大小。 

6.根据权利要求1到5中任意一项所述的一种新型大容量中压直流断路器触头系统，其特征在于： 

在所述静弧触头上方设置有与所述静弧触头直接连接的静引弧条； 

在所述动弧触头的上方设置有通过等电位杆与所述动弧触头电气连接的动引弧条；所述等电位杆与所述下母排电气连接。 

7.根据权利要求1到5任意一项所述的一种新型大容量中压直流断路器触头系统，还包括：驱动所述断路器分断的电磁斥力操作机构，所述电磁斥力操作机构通过主轴连接到主触头上，所述电磁斥力操作机构包括斥力盘； 

和能够在分闸位置锁住所述主轴的保持卡勾。 

8.根据权利要求7所述的一种新型大容量中压直流断路器触头系统，还包括： 

当进行分闸操作时，所述斥力盘通过主轴带动所述主触头和所述动弧触头向后运动，同时压缩合闸弹簧，达到分闸位置时，所述保持卡勾将所述主轴锁住； 

当进行合闸操作时，所述斥力盘不通电，所述保持卡勾解除对所述主轴的闭锁，所述主触头和所述动弧触头在所述合闸弹簧的作用下运动合闸。