CN104247182B - 带有烟室的被动电弧管理装置 - Google Patents

Abstract

在配电柜中，提供快速、可靠、被动的电弧爆炸控制的机构具有包围可能的电弧部位(例如，电气连接点)的烟室。该烟室提供的烟道延长了电弧并衰减电流和温度直到电弧熄灭。优选地，烟室和烟道形成为敞开面相对的多面体结构，一个装配在另一个中。该机构特别适合用于开关柜中的抽出型电路断路器连接。

Description

带有烟室的被动电弧管理装置

技术领域

本发明总体上涉及包含在外壳(本文中一般称为壳体)中的配电设备和导体，但是这种外壳不需要具有门以便受益于本发明。本发明更具体地涉及被动地控制电器柜中的电弧故障的影响。这里提到的电弧控制不在电路断路器本身内，即非短路故障。

背景技术

在电器柜中意外的和/或不受控制的电弧放电事件(又名电弧故障)的危险是公知的，并且包含对设备的潜在损伤，以及由电弧闪光和电弧爆炸所引起的对在操作环境中的人员的危害，下文中为了简单起见称为电弧爆炸。被动和主动电弧控制工具在本领域中都是已知的。被动工具包括电弧爆炸能量和气体从壳体中的定向排出。其它被动工具可包括试图承受爆炸的壳体结构的加固。没有任何一种形式的被动方法限制了故障持续时间或可容易地改进成现有的开关柜。主动工具通常包括某种形式的感测和切换机构以控制电流。对主动工具的考虑可以包括费用、乱真跳闸(nuisancetrip)、速度和未检测到的系统故障。当然，控制电弧的速度越快，电弧放电事件可能造成的损害越小。

发明内容

一种用于控制和熄灭电器柜内部的电弧事件的快速的、经济的、被动的机构在本领域中是受欢迎的。为此，本发明在其不同方面和实施例中教导并提供了具有烟室的电弧管理装置，该烟室围绕壳体中可能发生电弧的部位，诸如导体和设备之间或之中的电气连接或接近点。该烟室中提供了烟道，其延长电弧且衰减电流和温度优选地直到电弧熄灭。优选地，烟室和烟道形成为敞开面相对的平行六面体或其它多面体结构，即，没有盖子的盒子，一个装配在另一个内部，两者之间具有间隙，从而产生在内盒的外径(OD)或壁和外盒子的内径(ID)或壁之间的环形通道。由于该平行六面体结构可以被认为是基本上管状的，因此曲面共有的术语可在本文中作为辅助解释来使用。

因此，电弧管理装置可以提供几个优点，包括通过物理屏障的电弧防护以用于隔离由疏忽导致的电弧放电的原因(例如，掉落的工具或其它短路导体或例如潮湿的环境污染)以及通过烟室的电弧熄灭或衰减，该烟室被设计尺寸、定位和布置以便抽出电弧，从而降低其电流和热量。

在一些方面中，本发明可以提供一种带有被动电弧衰减器的电弧管理装置，其用于具有极大电弧故障伤害(例如，源自外露的电导体之间的短路)的可能性的电气设备。通常，这些导体将被包含在外壳(本文又称为壳体)内，将电气设备与外部或周围的环境分离。通过利用在其中提供烟道的烟室来围绕可能的电弧放电部位，即，电导体，烟室可以包含电弧并且烟道能抽出电弧，即，衰减在其中的电弧。

在本发明的一些方面中，烟道将由环形空间形成，该环形空间位于一对同心的盒状或多面体腔室之间，其中至少一个腔室可移动以嵌套在另一个内。然而，本发明不限于此，并且可以通过各种各样的形状或构造(不管是一体或多部分)实现并且是固定的或可移动的，在电弧部位周围提供烟道。主要考虑的一点是烟道是具有窄横截面和足够长度的通道以衰减或熄灭电弧。

本发明的一些方面可以特别地适合或适应于抽出型电路断路器周围的电弧管理，该抽出型电路断路器包含在开关柜的断路器部分中的插拔箱(drawer)内。电弧放电可以涉及到这种断路器布置(arrangement)，这种布置通常包括断路器上的导电组件(cluster)以用于连接相邻母线部分的导体延伸部。烟室部分的一部分可通过以下方式提供：将适当形状和尺寸的组件屏蔽件设置在组件周围的断路器的背面。烟室部分的第二部分可通过以下方式提供：将导体延伸部周围的相环绕物(phase-surrounds)设置在配合组件屏蔽件的断路器部分的模制背板上。因此，当断路器接近导体放置时，该烟室将被形成。

本发明提供了一种电弧管理装置，所述装置具有被动电弧衰减器且包括：

a)电气设备，其具有外露的电导体；

b)壳体，其将所述电气设备与外部环境分离；

c)烟室，其位于所述壳体内，并且包围所述电导体，

所述烟室具有形成在其中的烟道，用于在其中的电弧的衰减。

其中，所述烟道可以是环形的。

其中，所述烟道可以是具有窄横截面和足够长度的烟道以衰减电弧。

其中，所述烟道可以是具有窄横截面和足够长度的烟道以熄灭电弧。

本发明还提供了一种电弧管理装置，所述装置具有被动电弧衰减器且包括：

a)电气设备，其具有外露的电导体；

b)壳体，其将所述电气设备与外部环境分离；

c)烟室，其位于所述壳体内，并且包围所述电导体，

所述烟室具有：

i)第一腔室部分，其在一个面上敞开，以及

ii)第二腔室部分，其在一个面上敞开并且其尺寸适合于覆盖所述第一腔室部分，

d)所述第一腔室部分能够移动到所述第二腔室部分内的一个位置，以便在其间形成烟道，用于电弧爆炸热量和电流的衰减。

其中，所述第一腔室部分和所述第二腔室部分可具有相同的形状。

其中，所述第二腔室部分可以具有的ID比所述第一腔室部分的OD大约大1毫米。

其中，当所述第一腔室部分被放置在第二腔室部分内时，在它们之间可以有重叠，形成长度可以为至少大约20毫米的烟道。

其中，所述第一腔室部分可在直线上移动。

其中，所述第一腔室部分和所述第二腔室部分可以是具有敞开面的平行六面体。

其中，所述电气设备可以是开关柜。

其中，所述开关柜可以具有断路器部分以及母线部分。

所述具有被动电弧衰减器的电弧管理装置还可包括抽出型断路器，其可以位于所述断路器部分中的插拔箱里；

所述断路器可包括在所述断路器上的导电组件，其可用于连接所述母线部分的导体延伸部，

组件屏蔽件，其可以在断路器的背面，包围所述导电组件；

所述断路器部分的模制背板，其可以具有位于其上的通向所述母线部分的导体的组件支撑物，以及在所述模制背板上的相环绕物。

其中，所述组件屏蔽件和所述相环绕物可形成所述烟室。

所述具有被动电弧衰减器的电弧管理装置还可包括在所述断路器部分的所述模制背板中的通烟管道。

所述具有被动电弧衰减器的电弧管理装置还可包括在所述组件屏蔽件或所述相环绕物或二者内整形，以产生用于热管理的开口。

其中，在所述断路器部分中可具有多个垂直堆叠的断路器。

本发明还提供了一种电弧管理装置，所述装置具有被动电弧衰减器且包括：

a)电气设备，其具有外露的电导体；

b)壳体，其包围所述电气设备；

c)烟室，其包围所述外露的电导体，

所述烟室具有形成在其中的烟道，用于来自所述电导体的电弧的衰减。

附图说明

通过阅读下面的具体描述以及根据参考附图，本公开的上述和其它优点将变得显而易见，在附图中：

图1是用于本发明的带有电路断路器部分和母线部分的开关柜的一种合适环境的示例性实施例。

图2是用于图1的开关柜的电路断路器部分的抽出型电路断路器的后部的透视详图，示出了抽出型电路断路器的电气连接组件和组件环绕物。

图3是从抽出型电路断路器支架和壳体的后部看的模制背板的透视详图，其提供了用于配合抽出型电路断路器的电气连接组件的导体延伸部。

图4是电路断路器部分的后部的模制背板的详图，示出了围绕导体延伸部的相屏障以及为断路器提供对流冷却。

图5是形成的烟室的示意性俯视剖面图。

图6是沿图5的线6-6的形成的烟室的示意性横截面图。

具体实施方式

参考图1，本领域中通常已知的开关柜100显示为具有断路器部分101、母线部分102以及电缆部分103，该断路器部分101用于容纳电路断路器或其它电气设备，该母线部分102用于将电力分配给各个电气设备，该电缆部分103用于接收和分配线路功率。开关柜100或其一部分可以作为保护电气设备或导体的各个部分免受本领域已知的外部环境影响的壳体。在某些情况下，本文所用的壳体也可以是另一个较大壳体中的保护壳体。几个断路器隔室(统称105)垂直堆叠在断路器部分101中，使得每个抽出型断路器107(图2)将具有用于接收其抽出型底板的结构，其用于移动断路器以接触和脱离从其它两个部分102、103供给的电源，如下文进一步所述。

如图2所示，示例性的抽出型断路器107(例如，来自伊利诺斯州帕拉坦的美国施耐德电气有限公司的SQUARE D MASTERPACT电路断路器)的后视图示出了组件109，组件是安装到断路器的连接工具，用于将其附接到由母线部分102承载的电源的各相，这里示为三相A、B、C。还参考图5，本领域的普通技术人员应该理解，组件109在一些情况下可在断路器部分101的模制背板121处被固定到母线延伸部117，而不是固定到可移动抽出型断路器107的组件支撑物116。各相以列分开，其中断路器107的线路和负载连接布置在分开的行108、110中。围绕每组组件109安装一组组件屏蔽件111。每个组件屏蔽件111基本上是平行六面体，具有形成包围组件的盒子的四侧或四面。在所示的实施例中，具有两个水平侧112a、112b，以及两个垂直侧114a、114b。水平侧112a、112b的每一个在屏蔽件111的开口端均具有凹口113a、113b以允许被动热对流，如下文进一步所述。屏蔽件的第五侧由断路器的后壁115形成。第六面敞开以允许组件109附接到作为母线终端的导体延伸部123或母线部分102的导体延伸部117，如在图5的横截面中示意性地示出，并在下文中进一步讨论。

还参照图3和图4，图3表示电路断路器抽出型底板119，无断路器107插入。在底板119的后部是断路器部分101的模制背板121，该模制背板121提供的导体延伸部(统称123)用于与抽出型电路断路器107的电气连接组件109配合。如本领域技术人员所理解的那样，该导体延伸部123延伸穿过模制背板121以连接到开关柜100的母线部分102中的母线(未示出)。围绕每个导体延伸部123的是包括平行六面体结构的相环绕物125，该平行六面体结构的内部尺寸稍大于(例如，1.0mm)在断路器107的背面的组件屏蔽件111的平行六面体的外部尺寸。因此，当组件屏蔽件111插入在相环绕物125内时，由于断路器107靠近形成烟道128的模制背板121放置，所以无论是在底板119的“插入”或“抽出”操作中，即，断路器107的组件109与导体延伸部123连接或断开，都允许有以下称为烟室127的自由空间，如图5的横截面图所示。可以理解，两个平行六面体结构、相环绕物125和组件屏蔽件111共同形成物理屏障和围绕断路器107的电气连接的烟室127，其也在沿着图5的线6-6的图6的横截面中也示意性地被示出。可以理解，示意性的图5和图6显然不是按比例绘制的。

图4是在电路断路器部分101后部的模制背板121的详图，示出了围绕每个导体延伸部123的相环绕物125以及为断路器部分101提供对流冷却。相环绕物125可由非导电热固性聚酯、塑料或其它合适材料制成。在本发明的某些方面中，模制背板121在其后部设置有通烟管道129以提供给穿过相环绕物125的对流轴131(优选在每相上提供)，以在通烟管道129的顶部、背部或两者处从模制背板121中和从断路器部分101中消除热量，用于堆叠断路器的热管理。由于热量建立在组件109至导体延伸部123的电气连接点处，因此对流将抽取加热的空气，使其离开断路器。在本发明的一些方面中，可以设想的是，相环绕物和组件屏蔽件中的任一个或两者可以是单个垂直定向的盒子，该盒子通常围绕每一相的线路和负载组件，而不是在线路和负载组件之间具有水平止挡壁，如图3和图4所示。此外，理想的是，本装置的布置具有从组件至导体延伸区域覆盖或去除的任何接地金属。

再参看图5，在电弧故障期间，产生的等离子体和气体将被迫通过挤压和拉长电弧的窄的烟室127，从而增加电弧电压，降低电弧电流，冷却等离子体和气体，并提供电弧的中断。该冷却不仅会对维持电弧进行干扰，它还减少了对设备周围人员的人身伤害的机会。根据所需要的结果，电弧可在断路器隔室中自熄或中断，并且泄漏/引导至母线隔室用于再触发，在此其不容易损伤敏感设备。本领域的普通技术人员应当理解，抽出型断路器具有将组件109放置在离导体延伸部123不同距离处的连接、断开和测试位置，该抽出型断路器必须在每个位置上具有与相环绕物125的重叠，以使该重叠在所有情况下形成发挥作用的烟室127。例如，在IEEE标准C37.20.2^TM-2007中的635伏特和100K安培持续500毫秒的典型电弧试验参数下，最小重叠为20.0毫米(mm)可能就足够了。在任何情况下，遵循本发明指示的设计者将寻求为烟室提供大的表面积和窄的横截面。希望将电弧长度增加至其在小于一个周期中可以自熄的程度。重叠长度(如图5中表示为“L”)和烟室的壁间隙(也称为“横截面”，如图6中表示为“X”)被设计尺寸使得电弧电流被限制并在第二相的第一零交叉(自然或强制的)至过零点处熄灭。应该理解的是，在本发明的一些方面中，长度L和横截面X的所需尺寸可以相互依赖，使得横截面X尺寸越小，长度尺寸L可以越短。

在断路器隔室或其他壳体中的压力、温度和电弧持续时间都将降低，这归因于在电弧周围的烟室的存在。因此，本发明将消除对于电器柜的应力，导致不那么需要去增强它。将会意识到的是，本发明的装置可用于诸多其它主动或被动电弧管理装置。

如此已描述了用于电器柜的电弧管理装置；可以理解的是，技术人员根据对本发明的理解会想到对其进行多种变化，因此，本发明仅由所附权利要求进行限定。

Claims (18)

1.一种电弧管理装置，所述装置具有被动电弧衰减器且包括：

a)电气设备，其具有外露的电导体；

b)壳体，其将所述电气设备与外部环境分离；

c)烟室，其位于所述壳体内，并且包围所述电导体，

所述烟室具有形成在其中的烟道，用于在其中的电弧的衰减。

2.根据权利要求1所述的电弧管理装置，其中，所述烟道是环形的。

3.根据权利要求1所述的电弧管理装置，其中，所述烟道是具有窄横截面和足够长度的烟道以衰减所述电弧。

4.根据权利要求1所述的电弧管理装置，其中，所述烟道是具有窄横截面和足够长度的烟道以熄灭所述电弧。

5.一种具有被动电弧衰减器的电弧管理装置，包括：

a)电气设备，其具有外露的电导体；

b)壳体，其将所述电气设备与外部环境分离；

c)烟室，其位于所述壳体内，并且包围所述电导体，

所述烟室具有：

i)第一腔室部分，其在一个面上敞开，以及

ii)第二腔室部分，其在一个面上敞开并且其尺寸适合于覆盖所述第一腔室部分，

d)所述第一腔室部分能够移动到所述第二腔室部分内的一个位置，以便在其间形成烟道，用于电弧爆炸热量和电流的衰减。

6.根据权利要求5所述的具有被动电弧衰减器的电弧管理装置，其中，所述第一腔室部分和所述第二腔室部分具有相同的形状。

7.根据权利要求5所述的具有被动电弧衰减器的电弧管理装置，其中，所述第二腔室部分具有的内径比所述第一腔室部分的外径大1毫米。

8.根据权利要求5所述的具有被动电弧衰减器的电弧管理装置，其中，当所述第一腔室部分被放置在第二腔室部分内时，在它们之间有重叠，形成长度为至少20毫米的烟道。

9.根据权利要求5所述的具有被动电弧衰减器的电弧管理装置，其中，所述第一腔室部分能够在直线上移动。

10.根据权利要求5所述的具有被动电弧衰减器的电弧管理装置，其中，所述第一腔室部分和所述第二腔室部分是具有敞开面的平行六面体。

11.根据权利要求5所述的具有被动电弧衰减器的电弧管理装置，其中，所述电气设备是开关柜。

12.根据权利要求11所述的具有被动电弧衰减器的电弧管理装置，其中，所述开关柜具有断路器部分以及母线部分。

13.根据权利要求12所述的具有被动电弧衰减器的电弧管理装置，还包括抽出型断路器，其位于所述断路器部分中的插拔箱里；

所述抽出型断路器包括在所述抽出型断路器上的导电组件，其用于连接所述母线部分的导体延伸部，

组件屏蔽件，其在所述抽出型断路器的背面，包围所述导电组件；

所述断路器部分的模制背板，其具有位于其上的通向所述母线部分的导体的组件支撑物，以及在所述模制背板上的相环绕物。

14.根据权利要求13所述的具有被动电弧衰减器的电弧管理装置，其中，所述组件屏蔽件和所述相环绕物形成所述烟室。

15.根据权利要求13所述的具有被动电弧衰减器的电弧管理装置，还包括在所述断路器部分的所述模制背板中的通烟管道。

16.根据权利要求15所述的具有被动电弧衰减器的电弧管理装置，还包括在所述组件屏蔽件或所述相环绕物或二者内整形，以产生用于热管理的开口。

17.根据权利要求12所述的具有被动电弧衰减器的电弧管理装置，其中，在所述断路器部分中具有多个垂直堆叠的断路器。

18.一种电弧管理装置，所述装置具有被动电弧衰减器且包括：

a)电气设备，其具有外露的电导体；

b)壳体，其包围所述电气设备，其中所述壳体在另一较大的壳体中；

c)烟室，其包围所述外露的电导体，

所述烟室具有形成在其中的烟道，用于来自所述电导体的电弧的衰减。