CN104969322A - 用于中压断路器的具有杯形tmf触头的真空中断器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于中压断路器的真空中断器装置，包含真空壳体(4)，其内部具有同轴布置并被柱形真空壳体(4)同心环绕的一对电触头(2a，2b)，其中电触头(2a，2b)形成为TMF类型的触头，每个触头包含开槽的杯形触头部(9a；9b)，其附接至触头轴(8a；8b)的远端并且由布置在杯形触头部(9a；9b)的边缘(11)上的触头环(10)覆盖，其中每个杯形触头部(9；9’；9”；9”’；9””)设置有朝向触头环(10)的垂直向内弯曲部，其中杯形触头部(9；9’；9”；9”’；9””)的底部的外部直径大于其边缘部(11)的外部直径，以便将洛伦兹力改变为朝向相应的向内方向。

Description

用于中压断路器的具有杯形TMF触头的真空中断器装置

技术领域

本发明涉及一种用于中压断路器的真空中断器装置(arrangement)，其包含真空壳体，真空壳体内部具有同轴布置并被柱形真空壳体同心环绕的一对电触头，其中电触头形成为TMF类型的触头，每个触头包含开槽的杯形触头部，其附接至触头轴的远端并且由布置在杯形触头部边缘上的触头环覆盖。

真空中断器通常用于中压断路器中，用于在偶发短路电流故障时的高强度电流中断，而且还用于负载电流的切换。为了高强度电流中断，真空电弧被压缩，释放了非常高的热能到触头上。如果不阻止，电弧的能量会对触头产生强烈的局部过热，导致严重的触头侵蚀，并且在零电流之后产生高金属蒸汽密度，使电流的中断非常具有挑战性或不成功。

为了实现高强度电流中断的性能，必须通过在整个触头表面上分散能量而管理从真空电弧产生的热量。目前具有两种标准的方法用于在某种程度上控制真空电弧，以便最大程度地在触头区域上分布热量流动。

通常，真空电弧控制可通过产生横向磁场(TMF)以便驱动压缩的电弧在洛仑兹力的作用下转动来实现，或者通过产生轴向磁场(AMF)以限制围绕磁通线的带电粒子并且通过使用小电流密度使其在整个触头表面上扩散来稳定电弧来实现。

本发明涉及真空中断器装置，其包含形成为TMF类型触头的杯形电触头。此外，本发明还可应用于具有外部杯形触头的双TMF触头系统。

背景技术

文献WO2006/002560A1公开了这样一种双TMF触头系统，其包含同轴布置在柱形真空壳体内部的一对相应的电触头。每个电触头由外部接触片组成，其与内部接触片并行电连接并紧密邻近内部接触片安装。这两个接触片彼此同轴布置。外部接触片为壶形，用于容纳内部接触片，内部接触片基本为盘形并具有螺旋的缝隙。由于该特殊的电触头布置，使得在中断期间，产生的电弧能够全部或部分地从这一对内部接触片交换至这一对外部接触片。

在常规的杯形TMF触头系统的例子中，电弧会形成在触头对的环之间。尤其是，在高强度电流电弧阶段，并且在大触头间距(gap-distance)情况下，压缩的电弧根部附接在接触片的外部边缘。在这种情况下，从某个触头间距，尤其是大于8mm，电弧会经历向外弯曲或变成电弧喷射模式。该电弧喷射模式还可在其它标准的螺旋形触头上观察到。因此，通常增大触头-屏蔽罩的距离以避免直接的电弧与屏蔽罩相互作用。理想地，电弧应当旋转并保持在杯形接触片的环之间，以避免其与屏蔽罩最终的相互作用并防止金属熔融扩散到杯形触头的横向缝隙。

本发明的目的是改善杯形触头的几何结构，用于在杯形TMF真空中断器装置中更好地控制电弧。

发明内容

根据本发明，每个杯形触头部设置有朝向触头环垂直向内的弯曲部，其中杯形触头部的底部的外部直径大于边缘部的外部直径，以将洛伦兹力改变为朝向相应的向内方向。

根据本发明的方案防止杯形电触头和屏蔽罩损坏。这将在真空中断器使用寿命方面增强可靠性以及断流的性能。本发明所提出的几何形状还可用于双TMF触头系统的外部接触片以及用于常规的单个杯形TMF的触头。

根据科学测试的结果，压缩电弧向外弯曲及其最终转变为电弧喷射模式最初是由于命名为洛伦兹力的TMF驱动力导致的。外部杯形触头的洛伦兹力的形状从某种程度上通常是向外指向。因此，在洛伦兹力作用下旋转的电弧也在这些洛伦兹力自身的作用下被向外推动。

为了防止该影响，应当改变触头的几何形状来将洛伦兹力的形状改变为朝向向内的方向，或者至少与旋转电弧的速度向量在一条直线上。根据本发明，这可以通过改变触头中垂直方向上的电流路径来实现，因为随后磁场的方向会发生改变，使洛伦兹力更向内朝向。

为了获得期望的洛伦兹力朝向的效果，提出设计外部杯形触头具有朝向触头表面环的垂直向内弯曲部。其效果是保持外部触头环之间的旋转电弧并防止其最终与屏蔽罩相互作用并减少对缝隙的熔融扩散。该特别设计的另一个积极效果是减小了屏蔽罩和触头之间的距离。然后可避免过大的尺寸而实现更加紧凑的设计并节省材料。

原则上，洛伦兹力的方向主要受到外部杯形弯曲部的影响并且向内弯曲部会以期望的方式显著改变洛伦兹力的方向。从这点可以看出，根据本发明的向内弯曲部给出了洛伦兹力定向的最佳解决方式，以在外部环之间保持电弧并减少其与屏蔽罩相互作用的可能性。

本发明具有多个满足TMF洛伦兹力朝向向内方向定位要求的特定实施例。被认为是任意TMF杯形触头设计的触头设计的优选实施例会在下文进行描述：

根据第一优选实施例，杯形触头部上的垂直向内弯曲部由向内弯曲的杯形触头部的扁平凸缘部提供。所述的扁平凸缘部具有固定的壁厚。触头环布置在杯形触头部的边缘上，其由扁平凸缘部的远端形成。

在第二优选实施例中，杯形触头部设置有布置在凸缘部内壁上的凹槽。

根据第三优选实施例，杯形触头部设置有布置在其边缘区域中的凸缘部的外壁上的凹槽。此外，在凸缘部的内壁上，优选地在杯形触头部的底部区域中布置其它凹槽是可行的。

尽管前述优选实施例涉及单个的杯形TMF触头，但本发明还可应用于双TMF触头系统，其实质上由被外部杯形接触片环绕的盘形内部接触片组成。在这些触头系统中，优选的螺旋开槽的外部杯形接触片优选地对应于螺旋开槽的内部接触片。

结合附图理解本发明下面的详细描述，本发明的前述和其它方面将变得显而易见。

附图说明

图1是穿过具有真空中断器装置的中压断路器的纵向部分，

图2是其间具有真空电弧的相应电触头的一部分的示意性侧视图，

图3是如图2所示的电触头的透视图，

图4是根据第一实施例的杯形触头部的第一实施例的剖面侧视图，

图5是根据第二实施例的杯形触头部的第二实施例的剖面侧视图，

图6是根据第三实施例的杯形触头部的第三实施例的剖面侧视图，

图7是根据第四实施例的杯形触头部的第四实施例的剖面侧视图，

图8是根据第五实施例的杯形触头部的第五实施例的剖面侧视图，以及

图9是如图8所示的触头部的透视图。

具体实施方式

如图1所示的中压断路器实质上由真空中断器的绝缘电极部1组成，其内同轴布置有一对电触头2a，2b。固定电触头2a对应于可动电触头2b。电触头2a和2b都分别具有相应的外部电连接器3a和3b，并且它们形成了电开关以用于电极部1的真空壳体4内部的电力中断。可动电触头2b可通过中间轴5在闭合和打开位置之间移动。中间轴5在内部将电磁致动器6的机械能耦合至绝缘部1内部的移动电触头2b。为了确保在移动附接至电磁致动器6的可动电触头2b之间的电连接，在所述的可动电触头2b和外部电连接器3b之间设置有柔性导体7。

根据图2，每个电触头2a和2b都具有形成TMF触头的开槽的杯形设计。每个触头部9a和9b分别附接至触头轴8a或8b的远端。在电流中断期间，电弧区X布置在电触头2a和2b的两个杯形触头部9a和9b之间。

如图3所示，杯形触头部9a(例如)由布置在开槽的杯形触头部9的边缘11上的触头环10覆盖。

在示出了杯形触头部9的第一优选实施例的图4中，提供有垂直反向弯曲的扁平凸缘部12，其指向触头环10。杯形触头部9的底部的外部直径大于边缘部11的外部直径以便改变洛仑兹力朝向相应的反向。

根据示出了杯形触头部9’的第二实施例的图5，垂直反向弯曲部设置有凹槽13，该凹槽13布置在杯形触头部9’的凸缘部12的内壁中。

在根据图6的杯形触头部9”的第三实施例中，垂直反向弯曲部设置有凹槽14，该凹槽14布置在其边缘11区域的凸缘部12的外壁中。

在图7中，在杯形触头部9”’的底部区域中的凸缘部12的内壁中布置有其它的凹槽15。如结合前面实施例描述的，另一个凹槽14布置在凸缘部12的外壁中。

图8示出了双TMF触头系统，其由被外部杯形并开槽的触头部9环绕的盘形内部触头部16组成。触头环10具有与同样在前述实施例中提供的杯形触头部9的底部相同的外部直径。

如图9所示，盘形内部触头部16也是螺旋开槽的并被插入到环绕的杯形触头部9中。

通常，真空中断器中的高强度电流真空电弧特性取决于多个不同的因素，尤其取决于移动电弧的驱动力。在(横向)磁场的情况下，主要的驱动力就是前面提及的洛伦兹力，其来自“感应磁场”B_TMF和流过电弧的电流相结合的作用。如果B场是相当(rather)纯系的，则电弧上的合力为：

F_TMF＝l·I·B_TMF＝K·l·I²

其中l为间距且I为流过电弧的总电流。对于B_TMF，可以有不同的值，其还取决于具体的几何形状，例如触头形状和间距。比例因数K取决于作为电流函数的磁通密度的强度。

在磁驱动电弧的情形中，主要存在间距5mm以上的单个连续的柱形电弧，其当然还可与屏蔽罩相互作用。

尤其是在高强度电流时，主要的电弧模式不再是柱形电弧，而是“阴阳极喷射真空电弧”。该电弧趋于移动至触头边缘并形成到外部区域的两股喷射。

问题就是在触头边缘到这些电弧模式的转变是如何出现的。现有技术认为两种喷射模式的出现是由于在等离子柱中存在扭结不稳定性。这是等离子柱中多种不稳定性中的一种。

如果等离子柱已经轻微地侧向扭曲，则会发生扭结不稳定。由于磁通密度源减小的特性，弯曲的等离子柱会导致弯曲部内部中的磁场的增大。这会导致朝向弯曲方向的“扭结内部上”的磁力增大，使得弯曲柱更加弯曲。

如果柱形电弧位于两个TMF触头之间的内部，则期望其主要受到(TMF)洛伦兹力的作用而移动。因此，只要电弧位于触头内部，则可期望其转动。这起初会导致轻微的电弧弯曲，但仅在触头边缘不稳定性可完全自行改善并且电弧在外部被吹灭。

TMF力向边缘“推动”真空电弧并最终将其吹至外部。由此，另一方面，可将来自TMF磁场的驱动力与驱动电弧的不稳定性的力的相对重要性进行比较。该估算可用于获得电弧必须具备以便产生不稳定扭结力的曲率半径R，不稳定扭结力与TMF力一样大：

不稳定扭结力F_kink可以下列简化的方式表达：

$F_{kink}\≈{\mathrm{\μ}}_0\frac{l\·I^2}{2\mathrm{\π}R}$

将该力与方程式(1)的TMF磁场的力进行比较，临界的曲率半径为

$R_{crit}\≈\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{2\mathrm{\π}K}$

该曲率与实际的短路电流无关，并且仅取决于比例因数K。

对于短路电流I＝50kA且间距l＝10mm，则选择B场B_TMF＝1.5T且F_TMF的力＝750N。这里值K＝B_TMF/I＝30mT/kA。

上面给定的参数：

R_crit≈6.6mm

这是间隙的数量级并且表示，除非电弧弯曲，否则相比于外部的驱动力，我们不期望扭结力将会支配电弧的运行。然而，一旦在触头边缘形成电弧，则曲率会变得更加显著且扭结不稳定性放大电弧的弯曲以最终将其转变为电弧喷射。

还可以通过增大取决于几何形状的比例因数K＝B_TMF/I来相对减小扭结不稳定力的作用。

参考标记

1  电极部

2  电触头

3  电连接器

4  真空壳体

5  中间轴

6  电磁致动器

7  柔性导体

8  触头轴

9  杯形触头部

10 触头环

11 边缘部

12 凸缘部

13 第一凹槽

14 第二凹槽

15 第三凹槽

16 内部触头部

X  电弧区

Claims (10)

1.一种用于中压断路器的真空中断器装置，包含真空壳体(4)，其内部具有同轴布置并被柱形真空壳体(4)同心环绕的一对电触头(2a，2b)，其中电触头(2a，2b)形成为TMF类型的触头，每个触头包含开槽的杯形触头部(9a；9b)，其附接至触头轴(8a；8b)的远端并且由布置在杯形触头部(9a；9b)的边缘(11)上的触头环(10)覆盖，其特征在于每个杯形触头部(9；9’；9”；9”’；9””)设置有朝向触头环(10)垂直向内的弯曲部，其中杯形触头部(9；9’；9”；9”’；9””)的底部的外部直径大于其边缘部(11)的外部直径，以便将压缩的柱形电弧上的洛伦兹力改变为朝向相应的向内方向。

2.根据权利要求1的真空中断器装置，其特征在于，杯形触头部(9)上的垂直向内弯曲部设置有向内弯曲的杯形触头部(9)的扁平凸缘部(12)。

3.根据权利要求1的真空中断器装置，其特征在于，杯形触头部(9’)上的垂直向内弯曲部设置有布置在凸缘部(12)内壁上的凹槽(13)。

4.根据权利要求1的真空中断器装置，其特征在于，杯形触头部(9”)上的垂直向内弯曲部设置有布置在其边缘(11)区域中凸缘部(12)的外壁中的凹槽(14)。

5.根据权利要求4的真空中断器装置，其特征在于，另一个凹槽(15)布置在杯形触头部(9”’)底部区域中的凸缘部(12)的内壁中。

6.根据权利要求1的真空中断器装置，其特征在于，触头环(10)具有与杯形触头部(9；9’；9”；9”’；9””)的底部相同的外部直径。

7.根据权利要求1的真空中断器装置，其特征在于，每个电触头(2a，2b)形状设计为单个杯形TMF触头。

8.根据权利要求1的真空中断器装置，其特征在于，每个电触头(2a，2b)形状设计成双TMF触头系统，其由盘形内部触头部(16)和环绕的外部杯形触头部(9)组成。

9.根据权利要求8的真空中断器装置，其特征在于，内部触头部(16)为螺旋开槽的。

10.一种中压断路器，包含至少一个如在先权利要求1至9中的一项所述的真空中断器装置，其中至少一个电极部(1)由电磁致动器(6)操作。