CN103299389B - 一种通过脉冲放电熄灭低压或高压开关设备中的电弧的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通过脉冲放电熄灭电弧的方法，所述电弧发生在低压或高压开关设备中。通过当电弧发生的时候将电容器(201)连接到所述电弧两端，并经电弧来对所述电容(201)放电，所示电弧像“熔丝”一样被切断。所述电容器使用电阻(202)和二极管(203)来充电，且其放电通过一些辅助触点来调整。

Description

一种通过脉冲放电熄灭低压或高压开关设备中的电弧的方法

背景技术

1、发明的技术领域

本发明涉及一种熄灭发生在开关设备中的电弧的方法。

特别是，发明涉及一种方法，其基于一种由电气方式替代以往的物理方式来熄灭电弧的新原理。

2、背景的描述

一个具有触点的设备的可靠性和寿命取决于怎样减小电弧和怎样快速将其熄灭。主要应用于高电压的真空技术是现在最佳的减小电弧并快速将其熄灭的技术。在真空的断路器中，触点工作在真空环境下。在真空环境下，由于几乎没有电离介质，所以电弧燃弧微弱并且容易熄灭。但是由于制造困难以及成本高昂，真空灭弧器没有应用于低电压或30kV以上的高电压。它们目前仅应用于3到20kV等级的开关设备。

在通常的低压接触器中，电弧通过与金属栅或石棉板接触并冷却的灭弧方法还在使用且几乎没有改变。最近对于低电压领域的电弧熄灭的研究加强了，由此有许多论文见诸报道。

在中国的科学与技术宁波中心提出的一种在380V/65A接触器中使用超导磁体灭弧的方法报道于2008年，在日本一种电流平衡方法被报道，其通过用电压向电容器(condenser)充电，然后将其向反应堆放电并向触点提供反向谐振电压来熄灭电弧。但是这些方法由于成本高昂和制造困难还没有商业化。

使用SCR或高容量晶体管的开关设备也有发展，但它们还不能应用于高电压或大电流，因为使用电子元件的设备具有弱绝缘强度且容易被电气冲击破坏。

近来的数据几乎全是关于基于灭弧原理的结构改进且主要是关于使用真空技术制造断路器的方法。

本申请的目的是建立一种熄灭发生在低压或高压开关设备中的电弧的方法，其基于一种完全不同于现有原理的新原理。

发明内容

本发明是基于一种新的熄灭电弧的原理。

总的来说，所述原理是，通过在电弧发生时通过向电弧两端提供远高于电弧电压的电压来灭弧，像“熔断”一样切断电弧。那就是说，通过电气的方式代替以往的物理方式来熄灭电弧。

在本发明中，通过将被完全充电至供电电压最大值(最大电压值)的无极电容器直接连接至电弧的两端，像“熔断”一样切断电弧，并伴有大声的爆炸声，所述无极电容器的电容可提供比电弧能量高很多的放电能量。

所述电容器通常使用电阻和二极管来充电。但是电阻仅用于直流开关设备。

当开关设备切断(初始状态)时，由于充电电路被切断所以电容器还未充电。如果开关设备接通，充电电路连接，那么电容器可由电源充电至最大电压值，且在该状态下电容电压始终保持。

在开关设备再次切断的情况下，电容器直接连接至电弧两端且在电弧发生时通过电弧放电。同时电弧被熄灭且可听到放电的声音。

如果将本已接通的开关设备切断，很重要的是在电弧发生时恰当地给电容器放电，因为活动触点的动作速度非常快。这个问题通过使用辅助触点得以解决。

在调节电容器放电的电路中设置了一些辅助触点，其中之一连接至活动触点，或将中间接触器设置于活动触点和固定触点之间，这样可使辅助触点或中间接触器可以根据活动触点的动作来移动。

当开关设备接通时，活动触点向下移动，辅助触点连接至活动触点并随活动触点同时移动，从而改变其它辅助触点的状态。设置于活动触点和固定触点之间的所述中间接触器，当其连接至向下移动的活动触点时即随着活动触点向下移动。这是为了防止电容器连接至固定触点和活动触点的接触部分的两端，或者是固定触点和中间接触器的接触部分的两端，并用于连接至充电电路。

当开关设备接通时，活动触点向下移动，然后一个电弧发生在固定触点和活动触点之间，或者在固定触点和连接至活动触点的中间接触器之间。另一方面，连接至活动触点或设置在固定触点和活动触点之间的中间接触器的所述辅助触点随着活动触点向上移动，从而将其它辅助触点的状态再次改变。这是为了在电弧发生时将电容器连接至电弧两端。

在电弧切断后，活动触点继续向上移动，辅助触点返回初始位置，从而将开关设备恢复初始状态。

所述辅助触点由钨合金制成。

高压开关设备中的主和辅助触点为了保持绝缘强度全工作在油中。

为了同样的目的，全部的主和辅助触点也都工作在真空或气体中。

本发明的优点如下：

第一，通过在电弧发生时将其熄灭，可将高压开关设备的寿命大大的延长。(5到10倍)

第二，可以比真空断路器低得多的成本来容易地制造高压开关设备。

第三，开关设备的维护和管理非常简单。

附图说明

图1a是从外界向电弧提供如电弧电压一样高的电压的电源电路。

图1b示出了图1a所示的电弧接通的状态。

图1c示出了图1a所示的电弧切断的状态。

图2是一个电路的示图，用于将根据本发明灭弧方法应用于用在220到600伏电压下的接触器。

图3a是示出CJ20-40(中国制造)中电弧切断时间的曲线图。

图3b是示出在将图2所示的电路引用到CJ20-40(中国制造)的情况下的电弧切断时间的曲线图。

图4a是一个电路的示图，用于将根据本发明的灭弧方法用于高压断路器。

图4b示出了图4a中接通状态的电容器充电路径。

图4c示出了图4a中切断状态的电容器放电路径。

图5a是另一个电路的示图，用于将根据本发明的灭弧方法用于高压断路器。

图5b示出了图5a中接通状态的电容器充电路径。

图5c示出了图5a中切断状态的电容器放电路径。

图6是一个电路的示图，用于在直流低压情况下应用根据本发明的灭弧方法。

具体实施方式

发生在触点处的电弧是一种气体等离子体。

已知等离子体气体具有像导体一样良好的导通电流的特性。与导线不同的是等离子体气体的形式需要通过加在其两端的电压来维持并且其物理强度很弱。就等离子体的性质需要强调的是，由于电流的流动是由电子和离子构成的，等离子体中的电子和离子的数量相等且电子的速度比离子快大约1000倍，所以等离子体的电流几乎被视为是一种电子电流。

为了加强等离子体的电流，电子和离子的数量应当增加或电子的速度应当提高。

等离子体中的电子速度与其两端的电压有关。

V_e＝(2eU_p/m_e)^1/2(1)

V_e：电子的速度

e：电子电荷

m_e:电子重量

U_P：等离子体的电压(电弧电压)

假设用图1a中的开关101来在等离子体两端提供远高于等离子体电压U_p的电压U。这种情况下电子的速度变为如下:

${V_e}^{,}={(2\mathrm{eU}/m_e)}^{1/2}={(2\mathrm{eK}{U}_p/m_e)}^{1/2}=\sqrt{K}\·V_e---\left(2\right)$

(K＝U/U_p)

因此，一些被加速倍的电子快速到达阳极表面，但是离子看起来是静止的状态因为它们比电子要重得多且慢得多。在电子的速度增加到倍的情况下，或许电弧电流也被认为增加了这么多。然后，由于电子的力变得比带正电的离子的力大，等离子气体，如图1b所示，根据相对性原理而收缩。因为在所收缩部分中电流强度和电阻都很大，并且大量电子从外部电源U流向所述部分，在所述部分产生越来越高的温度。

一旦电子的热动能变得大于由电压在电弧两端引起的结合能量，一些电子如图1c所示地冲出并在之后整个电弧像“熔断”一样切断。这里的Uc是电容器电压，ic是放电电流。

图2是一个电路的示图，用于将根据本发明的灭弧方法用在220到600伏电压下的接触器。

在该电路中包括电容器201，电阻202，二极管203以及辅助触点206、207、208和209。204是固定触点，205是活动触点。辅助触点206连接至活动触点205。

在固定触点204和活动触点205分离(切断状态)的状态下，辅助触点206和207分离且辅助触点208和209彼此相接。在该状态下电容器201未充电。

如果固定触点204和活动触点205接触，即接触器接通，辅助触点206和207相接，辅助触点208和209分离并且从而电容器201通过电阻202、二极管203以及下一个状态下的触点充电。充电电压是供电电压的最大值(最大电压值)，且所述电容器201总是保持最大电压值。

如果接触器现在切断，活动触点205向上移动，然后在某一时刻辅助触点206和207、208和209分别相接。

然后电容器201通过形成于固定触点204和活动触点205之间的电弧放电，从而切断电弧。之后，活动触点205仍然继续向上移动，辅助触点207和209由辅助触点208限位，且最终接触器返回初始状态，即切断装态。

图3a是CJ20-40(中国制造)中的电弧的熄灭时间的曲线图。图3b是将图2所示的电路应用到CJ20-40(中国制造)的情况下的电弧熄灭时间的曲线图。

如图所示，在前一情况下电弧的切断时间是7.07ms，但是在后一情况下是0.805ms，所以在后一情况下比在前一情况下的电弧的切断速度几乎快了10倍。并且，当主触点之间的气隙小于0.25mm时电弧熄灭。

图4a是一个电路的示图，用于将根据本发明的灭弧方法用在高压断路器。

电容器201、电阻202和二极管203都被选择为足以承受供电电压。辅助触点由钨合金制成。图4a中，具有两个辅助触点且带有弹簧402的板401，与辅助触点206分离并与辅助触点208相接。如果断路器接通，如图4b所示，带有弹簧402的所述板401与辅助触点206相接并与辅助触点208分离，所以电容器201沿箭头方向充电并且最大电压值在整个接通状态期间维持。

如果断路器现在切断，如图4c所示，带有弹簧402的所述板401与辅助触点206和208同时一起相接，且在这时电容器201在电弧熄灭时通过电弧放电。之后，活动触头205仍然继续向上移动，从而断路器恢复初始状态。当固定触点204与活动触点205之间的距离小于1.5mm时电弧熄灭。

为了保持断路器的绝缘强度，所述触点全都工作在油中。

图5a是另一个电路图，用于将根据本发明灭弧方法应用到高压断路器。

中间接触器(contactmarker)501位于固定触点204和活动触点205之间，但没有辅助触点206。在该电路中电容器201通过辅助触点208和板502放电，所述板502在其上具有辅助触点并带有弹簧402。

在接通状态下固定触点204和中间接触器501彼此分离1.5mm，且活动触点205也与中间接触器501远离。如果断路器闭合，电容器201沿如图5b所示箭头方向充电。如果它再次切断，如图5c所示，当固定触点204和与活动触点205耦合的中间接触器501之间的距离大约为1.5mm时，辅助触点208和带有弹簧402的板502接触。接着电容器201在电弧熄灭时放电。之后活动触点205继续向上移动，从而使得电路断路器恢复原始状态。所述触点全工作于油中。

图6是一个电路的示图，用于在直流低压情况下应用根据本发明的灭弧方法。

电路不包括任何二极管，因为它是用于直流的。电路的动作原理与图4所示的相同。

一种应用了根据本发明的灭弧方法的12kV/630A的高压断路器的特征示于表1。

表1

No.	项目	单位	大小
				1	额定电压	kV	12
2	额定电流	A	630
				3	额定短路电流	kA	20
4	脉冲承受电压	kV	75
				5	额定短路开关的倍数	倍	大于300
6	额定操作电压	V	直流110或220
				7	重量	kg	160

Claims (7)

1.一种通过脉冲放电熄灭开关设备的电弧的方法，其特征在于，该方法包括：

将完全充电至供电电压最大值的无极电容器连接到所述开关设备，所述无极电容器直接向所述开关设备的电触点的两端提供远高于电弧能量的放电能量，其中所述无极电容器的放电电流方向和所述电弧的极性方向相同。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述无极电容器通过电阻和二极管来充电至供电电压的最大值，或者所述无极电容器通过电阻来充电至供电电压的最大值。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述无极电容器在电弧发生时直接连接至所述开关设备的电触点的两端。

4.如权利要求1所述的方法，所述开关设备的电触点包括活动触点和固定触点，并且其中所述无极电容器的放电通过辅助触点来调节，包括：

i.通过将辅助触点连接至活动触点或在所述开关设备的固定触点和活动触点之间设置中间接触器，所述辅助触点或中间接触器可随活动触点的动作而动作，

ii.所述无极电容器不允许在开关设备的接通状态下连接至固定触点和活动触点的接触部分的两端，或者固定触点和中间接触器的接触部分的两端，

iii.所述无极电容器在开关设备切断产生电弧时直接连接至所述开关设备的电触点的两端。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述开关设备包括高压开关设备，所述高压开关设备的电触点和辅助触点全部工作在油中从而保持所述高压开关设备的电触点和辅助触点的绝缘强度。

6.如权利要求4所述的方法，其中所述开关设备包括高压开关设备，所述高压开关设备的电触点和辅助触点全部工作在真空中从而保持所述高压开关设备的电触点和辅助触点的绝缘强度。

7.如权利要求4所述的方法，其中所述开关设备包括高压开关设备，所述高压开关设备的电触点和辅助触点全部工作在气体中从而保持所述高压开关设备的电触点和辅助触点的绝缘强度。