CN103311065A - 无灭弧室直流断流器 - Google Patents

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CN103311065A CN2013100692065A CN201310069206A CN103311065A CN 103311065 A CN103311065 A CN 103311065A CN 2013100692065 A CN2013100692065 A CN 2013100692065A CN 201310069206 A CN201310069206 A CN 201310069206A CN 103311065 A CN103311065 A CN 103311065A
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Abstract

公开了无灭弧室电路断流器。根据本公开的某些方面，提供了响应于过电流事件而中断电流在电路中的流动的电路断流器。无灭弧室电路断流器不包括灭弧室。而是，它包括永磁体或电极作为熄灭电弧的装置，电弧由电路断流器中的接触件的分离形成。永磁体、电极或两者拉伸和延长电弧，由此增加其阻抗并熄灭电弧。

Description

无灭弧室直流断流器
技术领域
本文所公开的主题涉及电路断流器(interrupter)，并且具体而言涉及在电路断流器中熄灭电弧。
背景技术
诸如电网的配电系统可用于将电力在一个区域内分配到各个设施或者在一个设施内分配到各个设备。所分配的电力可用于为大规模和小规模的电路提供功率。偶尔，在这样的电路中，诸如短路的过电流状况可能由于电路元件劣化、操作者错误、环境干扰等而发生。为了减小由过电流状况导致的损坏，可以使用电路断流器或断路器(breaker)。电路断流器通常包括一对接触件，其在正常操作状况下保持闭合，从而允许电流流过电路。电路断流器通常配置成检测电路中的过电流状况，例如故障或短路。在检测到这样的过电流状况后，电路断流器可脱扣(打开或断开接触件)而电路断开。
在诸如直流配电系统的一些配电系统中，在分离期间，电弧可形成于电路断流器的分离的接触件之间。电弧可对电路断流器的接触件造成损坏，从而缩短其使用寿命。
因此，灭弧室(arc chute)可包括在电路断流器中，以在电路断流器接触件的分离之后逐渐熄灭电弧。灭弧室通常包括通过使电弧环绕电弧分隔件(例如钢板)而拉伸电弧的结构。然而，采用此类灭弧结构的这种电路断流器可能不是熄灭形成于直流电路中的电弧的高效装置，因为直流电流是恒定的且不像交流系统那样经过零点。因此，需要一种能够在直流系统中高效地熄灭电弧的电路断流器。
发明内容
在一个实施例中，一种系统包括配置成在预定状况下中断电流通过电路的流动的电路断流器，其中，电路断流器不包括灭弧室，而是包括永磁体或电极中的至少一个。永磁体或电极围绕电路断流器设置且配置成分别生成磁场、电场或两者。磁场、电场或两者配置成熄灭在电路断流器的两个接触件之间形成的电弧。
在另一实施例中，一种系统包括配置成在预定状况下中断电流通过电路的流动的电路断流器，其中，电路断流器不具有灭弧室，而是包括：永磁体，其围绕电路断流器设置且配置成生成磁场，其中磁场配置成拉伸在电路断流器的两个接触件之间形成的电弧；以及电极，其围绕电路断流器设置且配置成生成电场，其中电场配置成熄灭在电路断流器的两个接触件之间形成的电弧。
在另一实施例中，一种电路断流器配置成在预定状况下中断电流通过电路的流动，其中，电路断流器不包括灭弧室。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它的特征、方面和优点将变得更好理解，在所有附图中相同的标记表示相同的部分，在附图中：
图1示出根据本公开的方面的使用无灭弧室电路断流器的电气系统的简单电路图；
图2是根据本公开的方面的带有一个永磁体的无灭弧室电路断流器的透视图；
图3是根据本公开的方面的带有一个永磁体的无灭弧室电路断流器的视图，显示了其内部功能构件；
图4示出根据本公开的方面的一对曲线图，其比较了带有一个永磁体的本公开的无灭弧室电路断流器的性能与传统灭弧室电路断流器的性能；
图5是根据本公开的方面的带有两个永磁体的无灭弧室电路断流器的透视图；
图6示出根据本公开的方面的一对曲线图，其比较了带有两个永磁体的本公开的无灭弧室电路断流器的性能与传统灭弧室电路断流器的性能；
图7和图8示出根据本公开的方面的具有处于两个不同位置的电极的无灭弧室电路断流器；
图9示出根据本公开的方面的一对曲线图，其比较了具有电极的本公开的无灭弧室电路断流器的性能与传统灭弧室电路断流器的性能；
图10和图11示出根据本公开的方面的具有处于两个不同位置的电极和永磁体的无灭弧室电路断流器；
图12是根据本公开的方面的一对曲线图，其比较了带有电极和永磁体的本公开的无灭弧室电路断流器的性能与传统灭弧室电路断流器的性能；
图13是根据本公开的方面的曲线图，其比较了本公开的无灭弧室电路断流器中的接触器的接触磨损与传统灭弧室电路断流器的接触磨损；以及
图14是比较采用灭弧室的系统中的接触磨损的量与采用无灭弧室电路断流器的系统的曲线图。
具体实施方式
下面将描述本发明的一个或更多具体实施例。在提供这些实施例的简要描述的努力中，可能未在说明书中描述实际实施方案的所有特征。应当理解，在任何这种实际实施方案的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出众多针对实施方案的决定，以实现开发者的具体目标，例如符合可能随实施方案变化的系统相关和商业相关的约束。此外，应当理解，这样的开发努力可能是复杂且耗时的，但对受益于本公开的本领域普通技术人员而言却将是设计、生产和制造的常规任务。
在介绍本发明的各种实施例的元件时，用词“一”、“一个”、“该”和“所述”意图表示存在这些元件中的一个或更多。术语“包含”、“包括”和“具有”意图为包括性的，并且意指可能存在除所列元件之外的另外的元件。此外，以下论述中的任何数值示例意图为非限制性的，且因此另外的数值、范围和百分比在所公开实施例的范围内。
现在转到图1，本公开的某些实施例包括电气系统10，其具有由电源12、负载14以及不包括灭弧室的电路断流器(即，无灭弧室电路断流器16)限定的电路11。在本实施例中，电源12包括向电路11供应直流电的直流电源，例如直流配电母线或直流电网。负载14可包括一个或更多耗电装置和/或电路，例如设备、控制器等。无灭弧室电路断流器16可用于在诸如短路的过电流状况发生时保护电路11和负载14不受损坏。
在正常操作(即，无过电流)期间，电源12向负载14供电。电路11经由无灭弧室电路断流器16中的一对闭合接触件而完成。然而，当检测到过电流状况时，接触件自动打开。因此，电路11和负载14与电源12断开，并且大体被保护免于过电流的影响。
图2中描绘了无灭弧室电路断流器16的一个实施例的透视图。在图示实施例中，无灭弧室电路断流器16包括外壳18、开关20、外部端子22以及设置在无灭弧室电路断流器16的一个表面上的永磁体24。图3提供了所描绘的图2的无灭弧室电路断流器16的实施例的内部视图，其还包括导电地联接到外部端子22的固定接触器26、显示处于闭合的正常操作位置的活动接触器28、脱扣机构30以及双金属带32。
双金属带32可由在层中接合或结合到一起的两个相异金属带制成，并且这两种相异金属通常响应于相同热量而不同地膨胀。因此，当双金属带32受热时，它可能以某种方式弯曲或卷曲。在某些实施例中，双金属带32可由导线电联接到负载端子，并且经由接触臂33电联接到活动接触器28。在正常操作期间，活动接触件28和固定接触件22闭合，并且电流从电源12流到负载，到双金属带，到闭合的接触件26、28，到外部端子22，并且回到电源12或地面。
当过电流发生时，双金属带32温度迅速增加，从而导致其弯曲。双金属带32可配置成当其达到与过电流事件相关联的温度时挠曲。在本实施例中，且如图3所示，当过电流事件发生时，双金属带31挠曲并推动接触臂31，该接触臂31连接到活动接触件28和脱扣机构30。脱扣机构包括在正常操作期间“加载”的弹簧。然而，在过电流事件期间，接触臂31的推动运动释放弹簧，这将活动接触件28与固定接触件26分离。因此，电路11打开并从电源12断开。通常，上述动作快速连续发生，以便使电路11尽可能快地与电源分离，这减小或消除了对电路11和负载14的损坏。
应当注意，虽然无灭弧室电路断流器16的图示实施例包括双金属带作为过电流检测和脱扣机构，但可使用多种过电流检测和脱扣机构。这包括但不限于电磁检测和脱扣机构。
当活动接触件28和固定接触件26在过电流事件期间彼此分离时，在接触件26、28之间的空气变得被电离，并且电弧可形成。电弧通常仅在其阻抗高到足以阻止电流时熄灭。在本实施例中，永磁体24生成或提供拉伸形成于接触件26、28之间的电弧的磁场。磁场可推动或拉动电弧，取决于面向电弧的永磁体的极。磁场的推动或拉动效应对电弧具有拉伸效应，从而导致其延长。当电弧延长时，其阻抗增加，而电流减小，从而减轻电路与过电流事件相关联的强热和强压状况。电弧的延长还增加了电弧电压。具体而言，在直流系统中，当电弧电压大于电源电压时，电弧通常熄灭。应当注意，无灭弧室电路断流器16不包括灭弧室结构或灭弧室等同结构。
在图4的曲线图中量化了带有一个永磁体的无灭弧室电路断流器16的效果。图4包括一对曲线图36、38，其比较了在过电流事件期间带有一个永磁体的无灭弧室电路断流器的性能(曲线图38)与包括灭弧室的电路断流器的性能(曲线图36)。两个曲线图都包括电压轴40、时间轴42和电流轴44。两个曲线图还包括电流线46和电压48，使得在过电流事件期间电路的电流和电压特性可被示出。如图所示，电流线46的上升表明，当过电流事件发生时，电流上升发生。不久之后，电路断流器脱扣，这由电压线中的轻微上升50指示。电压线的连续上升分别表明电路断流器的灭弧努力。曲线图36、38还显示，当电压线48上升时电流线46下降，这表明过电流状况的减轻。通过比较这两个曲线图36、38，可以看到，无灭弧室电路断流器的电压上升(和电流下降)(曲线图38)与传统灭弧室电路断流器的情况(曲线图36)大体相当。因此，可认为无灭弧室电路断流器的这种实施例与传统灭弧室电路断流器至少一样高效。
图5示出无灭弧室电路断流器16的另一实施例。如图所示，图5的无灭弧室电路断流器16包括两个永磁体24。在该实施例中，两个永磁体24配置成在相同方向上同时推动和拉动电弧。即，磁体24的极布置成使得第一磁体在第一方向上推动电弧，而第二磁体在相同方向上拉动电弧。例如，两个磁体可配置成使得：一个磁体24定位成使得其北极面向电弧，而另一个磁体24定位成使得其南极面向电弧，并且两个磁体24设置在电弧的相对侧。这样，两个磁体用于在给定方向上拉伸和延长电弧。
图6包括电流曲线图54和电压曲线图56，它们旨在比较带有两个磁体的无灭弧室电路断流器16的性能与包括灭弧室的电路断流器的性能。电流曲线图54包括以千安表示的电流轴58和以毫秒表示的时间轴60。电流曲线图56示出了在其中使用电流断路器的过电流事件期间流过的电流量。电流曲线图54包括：基准线62，其表示包括灭弧室的电路断流器；以及磁体线64，其表示带有两个磁体的无灭弧室电路断流器16。电路断流器的效果可大体上以电流多快变为零来量度。如在电流曲线图54中可见，两个磁体线64比基准线62更快地下降，这表明电弧在带有两个磁体的无灭弧室电路断流器16中更快地熄灭。因此，可认为带有两个磁体的无灭弧室电路断流器16比采用灭弧室的电路断流器更加有效。
相应地，包括电压轴59的电压曲线图56表明，相比传统的灭弧室电路断流器(线66)，带有两个磁体的无灭弧室电路断流器16(线64)使电弧在更短时间内达到更高电压。
图7示出无灭弧室电路断流器16的另一实施例。此处描绘的无灭弧室电路断流器16包括电极68而非永磁体。电极68在接通时配置成生成电场，该电场影响电子在电弧中的流动。有效地，电极68推动或拉动电弧，取决于电极68的极性。相应地，电弧被拉伸和延长，并且最终熄灭。电极68的有效原理和功能与前述实施例中的永磁体的情况大体相同。永磁体本质上始终“接通”(即，生成磁场)，而电极68可在无灭弧室电路断流器16脱扣时启动，而不是始终接通。具体而言，当无灭弧室电路断流器16脱扣时，电压施加到电极。各种脱扣技术和内部或外部电压源可用于驱动电极68及其生成的电场。
在图7所描绘的实施例中，电极68设置成使得其顶端从顶部进入无灭弧室电路断流器16。然而，电极可设置在围绕无灭弧室电路断流器16的任何有效位置中。图8中描绘了另一位置的示例，其中，电极68从无灭弧室电路断流器16的侧面向内设置，如图所示。在某些实施例中，无灭弧室电路断流器16可包括多于一个电极68，例如以便有效地推动和拉动电弧，如在以上两磁体实施方案中论述的。
图9包括电流曲线图72和电压曲线图74，它们旨在比较带有电极68的无灭弧室电路断流器16的性能与采用灭弧室的电路断流器的性能。电流曲线图72包括以千安表示的电流轴76和以毫秒表示的时间轴78。电流曲线图72示出了在其中使用电路断流器的过电流事件期间流过的电流量。电流曲线图72包括：基准线80，表示采用灭弧室的电路断流器；以及四个电极线82、84、86、88，表示电极位置和电极极性的四种组合。如在电流曲线图72中可见，相比基准线80，所有四个电极线82、84、86、88电流均更快地下降。
相应地，包括电压轴76的电压曲线图74表明，虽然带有电极的无灭弧室电路断流器16(线82、84、86、88)看起来没有将电弧带到与采用灭弧室的电路断流器一样高的电压，但是增加的阻抗和增加的电压足以带来电流曲线图72中示出的电流下降。因此，可认为采用电极的无灭弧室电路断流器16与采用灭弧室的电路断流器至少一样有效或比其更加有效。
图10和图11示出包括电极68和永磁体24的无灭弧室电路断流器16的实施例。在这些实施例中，电极68和永磁体24配置成分别生成在相同方向上推动和拉动电弧的电场和磁场，如在本文的两磁体实施方案中所论述的。这拉伸和延长了电弧，且增加其阻抗和电压，从而导致电弧变得被熄灭。
图12同样包括电流曲线图92和电压曲线图94，它们示出了在具有电路断流器的电路中在过电流事件期间的电流和电压特性。具体而言，这些曲线图分别比较了在由线100表示的采用灭弧室的电路断流器与由线102和104表示的采用电极和永磁体的无灭弧室电路断流器的两种配置之间的电流和电压特性。曲线图92、94表明，采用灭弧室的电路断流器(线100)和带有电极及永磁体的无灭弧室电路断流器的两种配置(线102、104)就电流(曲线图92)和电压(曲线图94)两者而言在性能上相当。因此，可认为带有电极和永磁体的无灭弧室电路断流器16与采用灭弧室的电路断流器至少一样有效。
电路断流器的效果很大程度上通过多么有效地(如快速地)熄灭电弧和保护电路来指示。然而，电路断流器自身的使用寿命期限也是重要因素，因为电路断流器被设计成在多个过电流事件中使用。然而，当电弧建立在打开的接触器26、28之间时，电弧的强热对接触件26、28造成损坏。对接触器26、28的损坏导致接触件26、28的表面电阻增加。如果电阻变得过高，则当接触件26、28在正常操作情况下闭合时，电力可能无法在接触件26、28之间恰当地流动。因此，对电路断流器有利的是，当抑制过电流事件时，对接触器26、28造成更小的损坏。
允通(let through)能量是过电流对电路断流器的损坏效应的一个量度。通常，更低的允通能量表明更有效的电路断流器。允通能量计算为I2t。相应地，更低的电流和更短的时间有助于低允通能量。图13示出了带有灭弧室的电路断流器122、带有永磁体的电路断流器124、带有电极的电路断流器126、以及带有电极和永磁体的电路断流器128的电流和电压对时间的曲线图。每个曲线图由电流轴130、电压轴132和时间轴134限定。每个曲线图还示出指示电流与时间关系的电流线136、以及指示电压与时间关系的电压线138。此外，显示了四种不同的电路断流器类型(122、124、126和128)的相应的允通能量。带有灭弧室的电路断流器122具有7.3x104A2S的相关联的允通能量140。带有永磁体的电路断流器124具有5.6x104A2S的相关联的允通能量142。带有电极的电路断流器126具有4.9x104A2S的相关联的允通能量144，并且带有永磁体和电极的电路断流器128具有5.8x104A2S的相关联的允通能量146。因此，无灭弧室电路断流器的三个实施例(124、126和128)均具有比带有灭弧室的电路断流器122更低的允通能量。这表明，相比带有灭弧室的电路断流器122，无灭弧室电路断流器的三个实施例(124、126和128)造成归因于过电流效应的更小损坏。
如上所述，对电路断流器的损坏的进一步指示是接触件26、28的接触磨损的量。图14是曲线图106，其比较了由采用灭弧室的电路断流器(110)造成的接触磨损的量与无灭弧室电路断流器(112)的接触磨损的量。接触磨损可大体上由接触器的电阻(欧姆)来测量。由节点114表示的在过电流事件之前的电路断流器的接触件的电阻显示为最低，约0.0056欧姆。由节点116表示的使用灭弧室的电路断流器的接触件的电阻为最高，约0.007欧姆。带有电极的无灭弧室电路断流器的接触器的电阻(节点118)和带有两个永磁体的无灭弧室电路断流器的接触器的电阻(节点120)均显示为低于采用灭弧室的电路断流器的电阻(节点116)，分别为约0.006欧姆和0.0061欧姆。应当注意，在本实验中，电路断流器的所有其它方面基本相同，包括检测和脱扣机构、尺寸、材料以及输入功率参数。大体上，唯一的变量是电路断流器是否采用灭弧室(110)或者其是否为无灭弧室电路断流器(112)。根据曲线图106，无灭弧室电路断流器受到比传统的灭弧室电路断流器更小的接触磨损。这可能是有利的，因为这是更长使用寿命期限的指示。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有与权利要求的字面语言没有差别的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这样的其它示例意图在权利要求的范围内。

Claims (20)

1. 一种系统，包括：
电路断流器，其配置成在过电流状况期间中断电流通过电路的流动；
所述电路断流器包括：
    两个接触件，其配置成当流过所述两个接触件的电流小于阈值时保持接触；
    脱扣机构，其配置成当所述电流等于或超过所述阈值时分离所述两个接触件；以及
    永磁体或电极中的至少一个，其配置成熄灭当所述两个接触件分离时在所述电路断流器的两个接触件之间形成的电弧；
其中，所述电路断流器不包括灭弧室。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电路断流器包括一个永磁体，其配置成生成使所述电弧中断的磁场。
3. 根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述永磁体通过吸引或偏转所述电弧而延长所述电弧。
4. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电路断流器包括两个磁体，其中，当电弧存在时，所述两个永磁体设置在所述电弧的相对侧，相对的极面向所述电弧，并且其中，所述两个永磁体生成所述磁场。
5. 根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述两个永磁体通过在相同方向上吸引和偏转所述电弧而延长所述电弧。
6. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电路断流器包括配置成提供电场的一个或更多电极。
7. 根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述电场通过吸引或偏转所述电弧而延长所述电弧。
8. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述一个或更多电极配置成当所述电流等于或超过所述阈值时提供所述电场。
9. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述脱扣机构包括双金属带、电磁体和电流传感器中的至少一个。
10. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电路断流器配置成中断电流在直流电路中的流动。
11. 一种系统，包括：
电路断流器，其配置成在过电流状况期间中断电流通过电路的流动，其中，所述电路断流器不具有灭弧室，所述电路断流器包括：
    两个接触件，其配置成当流过所述两个接触件的电流小于阈值时保持接触；
    脱扣机构，其配置成当所述电流等于或超过所述阈值时分离所述两个接触件；
    永磁体，其配置成生成磁场；以及
    电极，其配置成当所述两个接触件分离时生成电场；
其中，所述磁场和所述电场用于熄灭当所述两个接触件分离时在所述电路断流器的两个接触件之间形成的电弧。
12. 根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述电极配置成当所述电流等于或超过所述阈值时生成所述电场。
13. 根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述磁场和所述电场通过在相同方向上吸引和偏转所述电弧而延长所述电弧。
14. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电路断流器配置成中断电流在直流电路中的流动。
15. 一种电路断流器，其配置成当电流等于或超过阈值时中断所述电流通过电路的流动，所述电路断流器包括：
两个接触件，其配置成当流过所述两个接触件的电流小于阈值时保持接触；以及
脱扣机构，其配置成当所述电流等于或超过所述阈值时分离所述两个接触件；
其中，所述电路断流器不包括灭弧室。
16. 根据权利要求15所述的电路断流器，其特征在于，所述电路断流器配置成熄灭在所述电路断流器的两个接触件之间形成的电弧。
17. 根据权利要求15所述的电路断流器，其特征在于，所述电路断流器配置成中断电流通过直流电路的流动。
18. 根据权利要求15所述的电路断流器，其特征在于，所述电路断流器包括至少一个永磁体，所述至少一个永磁体配置成生成磁场，所述磁场拉伸当所述两个接触件分离时在所述电路断流器的两个接触件之间形成的电弧。
19. 根据权利要求15所述的电路断流器，其特征在于，所述电路断流器包括至少一个电极，所述至少一个电极配置成提供电场，所述电场拉伸当所述两个接触件分离时在所述电路断流器的两个接触件之间形成的电弧。
20. 根据权利要求15所述的电路断流器，其特征在于，所述电路断流器包括配置成提供磁场的永磁体和配置成提供电场的电极，其中，所述电场和所述磁场拉伸当所述两个接触件分离时在所述电路断流器的两个接触件之间形成的电弧。
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