CN1051635C - 充有绝缘气体的断路器 - Google Patents

Abstract

一种充有绝缘气体的断路器，其中包括可分离的相对的第一和第二触头的电路开断部分以及在电路开断部分的两触头之间并联的电容器被布置在充有具有绝缘性能的气体的密闭金属容器内，在电容器附近在其面向电路开断部分和面向密闭金属容器的两侧都提供有护罩用来缓和电容器处的电场集中程度，且护罩的最端部位于从电容器和压紧电容器的电极间的接触面向电容器方向延伸一预定距离处，从而提供了一种用于高电压大容量的高度可靠的紧凑的充有绝缘气体的断路器。

Description

充有绝缘气体的断路器

本发明涉及一种充有绝缘气体的断路器(下面称为气体断路器)，且特别涉及一种气体断路器的结构，其中诸如电容这样的阻抗元件被接在断路器的电路开断部分的电极之间，用来抑制在电流遮断后立即产生的恢复电压的升高。

气体断路器包括由容纳在充有绝缘气体的金属容器内的静触头和动触头组成的电路开断部分。另外，用来抑制恢复电压的电容器电气上并联在电路开断部分的静触头和动触头之间并被置于动触头的分离方向上。在这种类型的常规气体断路器(例如JP(U)-A-58-41949(1983)中所采用的)内，提供有用于电路开断部分的用来降低电路开断部分的电场强度的护罩以降低特别是两触头的最端部的电场强度，还可以通过确定电路开断部分与电容间的位置关系来进一步减少电路开断部分的电场强度，因而改善了气体断路器的电路开断性能以及电极间的绝缘强度。

在现阶段，输电系统的网络化程度提高了，因而要求断路器所能遮断的电流也在增加，相应地要求用于连接在电极间的电容器的电容值也要增加。此外，与输电系统的电压水平相关联，要求电容器的绝缘强度也要提高。

上面举例说明的常规气体断路器的绝缘强度差，因为没有考虑电容器附近的电场强度。因此，为获得所需的绝缘强度，就要增加串联连接的电容器元件的数量以延长绝缘距离，结果导致整个气体断路器的尺寸增大。此外，由于增加了串联连接的电容器元件，结果降低了静电电容值，因而为获得所需的静电电容值，就需要增加并联连接的电容器数，这也导致整个气体断路器的尺寸增加以及成本的增加。

本发明的目的是提供一种通过与之相连的电容器的绝缘强度的改进而具有高容量的高压紧凑气体断路器。

为获得上述目的，在根据本发明的气体断路器内，在电容器的两侧，即在朝向金属容器的一侧和朝向电路开断部分的一侧，分别提供有用来缓和电容器附近的电场集中程度的护罩，护罩按这样的方式布置：护罩的最端部从电容器端部与电容器的压紧电极间的接触面向电容器一侧伸出一预定距离，而该预定距离被选定为从电容器的侧面到护罩的最端部距离的0.5倍到3倍。

根据本发明，减少了电容器附近的电场畸变，增加了电容器的绝缘强度。因此，就减少了串联连接的电容器的数量，同时还可以增加电容器的静电电容，相应地减少了并联电容器的数量，从而实现了一种低成本紧凑型的气体断路器。

图1为根据本发明的一特定实施例的电路开断部分的垂直截面的示意图；

图2为从图1的II-II处看的截面图；

图3为接在图1的电极间的放大的电容器的截面图；

图4为表示由电容器的护罩的最端部到电容器的端部的距离与到电容器的侧面的距离比值与电容器的绝缘强度间的关系的特性图；

图5为常规的气体断路器内接在电极间的电容器处的电场分布图；

图6为表示用来安置这些电容器元件的低介电常数的绝缘圆柱管厚度与其附近的电场强度之间关系的特性图；

图7为根据本发明的应用于具有合闸电阻触头(resistancemake contacts)的另一实施例的截面图；

图8为根据本发明的应用于具有合闸电阻触头的另一实施例的截面图。

下面参照附图对本发明的实施例进行解释。

图1为根据本发明的典型气体断路器的实施例。

一气体断路器有如下结构：其电路开断部分包括被置于封闭的圆筒形金属容器19内且基本上位于其中部的静触头1和动触头2，如图1所示。在金属容器19内充有具有优异的灭弧及电气绝缘特性的SF6气体。静触头1和动触头2分别固定在导体4a和4b上并与之电气上相连，且导体4a和4b被极间绝缘支撑部件3固定连接。动触头2被设计为可被通过绝缘操作杆(未示出)从金属容器外而来的作用力所移动，从而实现闭合及断开操作。极间绝缘支撑件部件3提供有数个圆柱状孔，孔内安置有相应的极间电容器7，每一极间电容器7由数个电容器元件构成，这些相应的极间电容器7通过与相应的电容器7两端相接触的相应的电容器压紧触头8a和8b与电路开断部分并联。

图2为图1所示的气体断路器从图1的II-II处看的截面图，其中并联电容器7的数量选定为10。

根据本实施例在具有上面所解释的元件的气体断路器内，提供有外护罩5a和5b及内护罩6a和6b以缓和电容器7周围的电场集中程度。采取这些措施改善了电容器7的绝缘强度，减少了相应的电容器7内的串联电容器元件数量以及并联电容器7的数量，因而也减小了气体断路器的尺寸。此外，通过提供用于电路开断部分的与护罩5a、5b、6a和6b分离的护罩9a和9b，降低了静触头1和动触头2附近的电场强度，而且电路开断后，即动触头2从静触头1处的分离完成后的极间绝缘强度也改善了。因此，因为缩短了极间距离，从而减小了电路开断部分的尺寸，还因为缩短了动触头2的行程，从而也减小了其操动机构的尺寸。

下面对上面介绍的本实施例为何能改善绝缘强度进行详细解释。

图3为放大的电容器部分7的截面图。电容器的护罩5a和6a被布置为超出电容器压紧电极8a向电容器7侧延伸，且护罩5a和6a的最端部与电容器压紧电极8a间的距离Ls被选为大约是护罩5a和6a的最端部与电容器侧面间的距离Lg的两倍。因此电容器7附近的电场畸变减少且电容器7的绝缘强度得以改善。

图4为表示比值Ls/Lg与电容器7的绝缘强度间的示例性关系之一的曲线。该曲线表明当比值Ls/Lg约为2时绝缘强度最大，在该比值下的绝缘强度约为Ls＝0时的1.5倍。此外，在比值Ls/Lg为1至3的范围内，绝缘强度仅比Ls/Lg为2时减少约不足3％。但是，当比值Ls/Lg超出上述范围时，绝缘强度就减少到不可接受的水平。

通过恰当选择距离Ls可使电容器7附近的绝缘强度增加的原因是因为这样减少了电容器7附近的电场畸变。

图5表示常规气体断路器一个示例上的电容器压紧电极8a附近的结构。相对于电容器7的护罩5a的最端部的位置被选为基本与电容器压紧电极8a的最端部相同。在这种情况下等势线12在护罩5a与电容器压紧电极8a之间产生变形(creeps in)并增加了电容器压紧电极8a拐角处的电场畸变，从而导致电容器7的绝缘强度降低。此外，尽管提供有用于电路开端部分的护罩9a，但在电容器7附近的内侧并没有提供护罩6a，从而进一步增加了电容器压紧电极8a拐角处的电场畸变。

与此相反，在本实施例中等势线11与电容器7的侧面垂直正交，如图3所示，因此电容器压紧电极8a最端部的电场畸变得以减小，且电容器7的绝缘强度得以改善。但是，如果距离Ls过分增加，将导致电场向相反的方向畸变，如图5所示，反而使得绝缘强度降低，这可以通过图4来理解。

上面解释的事实适用于这样的情况：把相应的电容器7插入相应的分离的绝缘圆柱管内并布置为并联在电路开断部分的电极之间，而不是将电容器7插入极间支撑绝缘部件3内。通常这些绝缘圆柱管的厚度小于极间绝缘支撑部件3的厚度，这样可减小距离Lg，相应地距离Ls也可按比例减少并保持上面解释的与比值Ls/Lg相关的关系不变。此外，上面所解释的事实还适用于特非电容器的其它阻抗元件布置在气体断路器内。

在图1至图3所示的实施例中，在将电容器7插入极间支撑绝缘部件3之前，电容器7首先被插入介电常数低于极间支撑绝缘部件3的绝缘圆柱管10内。采取这一措施也可以降低电容器7侧面处的电厂强度从而改善了电容器7的绝缘强度。

图6表示了电容器7的电场集中部分处的电场强度与绝缘圆柱管10的厚度间的关系。在图6中，用相对于绝缘圆柱管10的厚度足够厚时的电场值的相对值表示电场，绝缘圆柱管10的厚度越大，电场的集中程度就越缓和，而当绝缘圆柱管10的厚度被选为大于0.1mm，电场的集中就可得到充分缓和。相应地，绝缘圆柱管10的厚度大于0.1mm时，电容器7的绝缘强度也会增加。

但是，如果绝缘圆柱管10的厚度增加到超过1.0mm，电场集中程度降低的效果却不再增加，而且这时用于容纳相应的电容器7的在极间支撑绝缘部件3上形成的孔的直径也要过分增加，这降低了极间支撑绝缘部件3的机械强度，因此绝缘圆柱管10的厚度被选为小于1.0mm。

极间支撑绝缘部件3基本上采用诸如氧化铝填充的环氧树脂这样的介电常数为5至8的材料注模(injection molded)而成。相应地，诸如乙烯四氟化物的聚合物这样的碳氟树脂，包括那些介电常数小于2.5的，可用来作为用于绝缘圆柱管10的低介电常数绝缘材料。

在图3的实施例中，电容压紧电极8a和8b的直径被确定为大于绝缘圆柱管10的内直径。利用这一措施当把电容器7插入极间支撑绝缘部件3时，绝缘圆柱管10可被电容器压紧电极8a和8b压紧，因而绝缘圆柱管10可靠地沿电容器7的侧面布置。在这种情况下，绝缘圆柱管10的长度被选为小于电容器7的长度。

此外，当电容器压紧电极8a和8b的直径被确定为小于绝缘圆柱管10的外直径时，在极间支撑绝缘部件3上形成的用于接受电容器7的孔的直径可被定为基本上与绝缘圆柱管10的外直径相同，因而电容器10在孔内的位移受到抑制，由此可能造成的机械损坏可以避免，这可改善插入其中的电容器7的可靠性。

利用上面所解释的措施，可以增加电容器7的绝缘强度，从而可减少构成相应的电容器7的串联电容器元件的数量以及可以缩短相应的电容器7的长度。此外，串联电容器元件数量的减少可增加相应的电容器7的电容值，因而可容易地得到气体断路器所需的静电电容值，从而实现了体积减小了的可靠的高电压大容量气体断路器。更进一步，随着电容器长度的缩短极间支撑绝缘部件3也缩短了，因而极间支撑绝缘部件3的机械强度和可靠性得以改善，而且其制造成本得以下降。

当利用如此构成的用于电容器的护罩5a、5b、6a和6b保持电容器7的绝缘强度时，用于电路开断部分的护罩9a和9b不会影响电容器7的绝缘强度，相应地用于电路开断部分的护罩9a和9b也可根据其主要用于降低电路开断部分处的电场强度的目的来设计其位置及配置。

图7和图8为根据本发明的其它实施例的截面图，其中本发明用于包括合闸电阻触头20的气体断路器上。图7是其中用于电路开断部分的护罩9a与用于电容器7的外护罩5a相连的实施例。图8是其中用于电路开断部分的护罩9a独立于用于电容器7的外护罩5a的另一实施例。图8所示的用于电路开断部分的护罩9a可容易地通过特两金属管组合在一起来生产(举例而言)。

利用这些构造可以降低静触头1和动触头2处的电场强度，增加电路开断部分电极间的绝缘强度，因而可改善电流开断后的极间绝缘强度。结果，极间距离的缩短使得电路开断部分的尺寸减小，同时动触头2行程的缩短使得其操动机构的尺寸也随之减小。

利用上述构造，在通过把电容器7的绝缘强度和电路开断部分处电极间的绝缘强度维持在同一水平来实行绝缘协调时，电容器7的长度在大于电路开断部分处电极间距离的2倍而小于其3倍的范围内。

根据上面解释的本发明，在保持气体断路器的理想绝缘强度的同时可以减少与电路开断单元并联的电容器的数量，此外还可减少电路开断部分的尺寸，因而实现了一种用于高电压和大容量的高度可靠的紧凑的气体断路器。

Claims (17)

1.一种充有绝缘气体的断路器，其中包括可分离的相对的第一和第二触头的电路开断部分以及与电路开断部分并联的电容器被布置在充有具有绝缘性能的气体的密闭金属容器内，其特征在于：在所述电容器处提供有护罩用来缓和所述电容器处的电场集中程度，还在于所述护罩的最端部位于从所述电容器和压紧所述电容器的电极间的接触面向所述电容器方向延伸一预定距离处。

2.根据权利要求1的充有绝缘气体的断路器，其特征在于该预定距离被定为在从所述护罩的最端部到所述电容器的侧面的距离的0.5倍至3倍的范围内。

3.一种充有绝缘气体的断路器，其中包括可分离的相对的第一和第二触头的电路开断部分以及在电路开断部分的两触头之间并联的电容器被布置在充有具有绝缘性能的气体的密闭金属容器内，其特征在于：在所述电容器面向所述电路开断部分侧，除了用于电路开断部分的护罩外，还提供有用来缓和所述电容器处电场集中程度的护罩。

4.根据权利要求3的充有绝缘气体的断路器，其特征在于：在所述电路开断部分的两触头被一极间支撑绝缘部件支撑，所述电容器被容纳在所述极间支撑绝缘部件内并且在所述极间支撑绝缘部件的面向所述电路开断部分和面向所述密闭金属容器的两侧都提供有至少一个护罩用来缓和所述电容器处的电场集中程度。

5.根据权利要求1的充有绝缘气体的断路器，其特征在于所述电容器在其面向所述电路开断部分和面向所述密闭金属容器的两侧都提供有至少一个护罩。

6.根据权利要求1、3、4和5之一的充有绝缘气体的断路器，其特征在于在所述电路开断部分周围提供有一个护罩用来降低所述电路开断部分处的电场强度。

7.根据权利要求3的充有绝缘气体的断路器，其特征在于所述护罩的最端部位于从所述电容器和压紧所述电容器的电极间的接触面向电容器方向延伸一预定距离处，且该预定距离被定为在从所述护罩的最端部到所述电容器的侧面的距离的0.5倍到3倍的范围内。

8.根据权利要求4的充有绝缘气体的断路器，其特征在于所述护罩的最端部位于从所述电容器和压紧所述电容器的电极间的接触面向所述电容器方向延伸一预定距离处，且该预定距离被定为在从所述护罩的最端部到所述电容器的侧面的距离的0.5倍到3倍的范围内。

9.根据权利要求4或8的充有绝缘气体的断路器，其特征在于所述电容器在被首先安放在介电常数小于所述极间支撑绝缘部件的绝缘圆柱管内的条件下被置于所述极间支撑绝缘部件内。

10.根据权利要求9的充有绝缘气体的断路器，其特征在于所述介电常数较小的绝缘圆柱管由碳氟树脂形成。

11.根据权利要求10的充有绝缘气体的断路器，其特征在于所述介电常数较小的绝缘圆柱管的厚度被确定为在0.1mm至1.0mm的范围内。

12.根据权利要求3、4、7和8之一的充有绝缘气体的断路器，其特征在于压紧所述电容器的所述电极的直径被选为大于所述电容器的外直径。

13.根据权利要求10的充有绝缘气体的断路器，其特征在于压紧所述电容器的所述电极的直径被选为大于所述介电常数较小的绝缘圆柱管的内径。

14.根据权利要求13的充有绝缘气体的断路器，其特征在于所述压紧所述电容器的所述电极的直径被选为小于所述介电常数较小的绝缘圆柱管的外径。

15.根据权利要求3的充有绝缘气体的断路器，其特征在于：通过使所述护罩的最端部位于从所述电容器和压紧所述电容器的电极间的接触面向所述电容器方向延伸一预定距离处，使得在两触头分离的条件下在两触头件施加一电压时所产生的一等势线被调整为与构成所述电容器的数个电容器元件中最端部的电容器元件的侧面垂直正交。

16.根据权利要求15的充有绝缘气体的断路器，其特征在于该预定距离被定为在从所述护罩的最端部到所述电容器的侧面的距离的0.5倍到3倍的范围内。

17.根据权利要求3的充有绝缘气体的断路器，其特征在于：电容器的长度被定为在所述电路开断部分的两触头最大分离时两触头间距离的2至3倍的范围内。

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