CN105191030B - 抗电弧压力阻尼板 - Google Patents

Abstract

电气组件包括在由多个板界定的至少一个区段内的电弧排出系统，多个板包括顶部板。区段安置配电设备并包括在设备处起始并在排出口结束的排出路径。在排出路径中，阻尼板安装在外壳顶部板内部，使得气穴使这两个板隔离。当电弧事件出现时，压力波在第一方向上从配电设备朝着阻尼板行进，阻尼板接收压力波的冲击并使它改变方向至朝着排出口并向电气组件的外面的第二方向上。

Description

抗电弧压力阻尼板

发明领域

本发明通常涉及电气系统，且更具体地是用于在电弧事件期间保护抗电弧外壳的阻尼板。

发明背景

抗电弧开关装置的外壳被设计为经得起内部电弧事件的影响。这样的事件一般引起爆炸反应，其导致猛烈的压力波在外壳中朝着排出口行进并在外壳的结构部件上引起严重的机械和热应力。如果外壳零件在电弧事件期间出故障，则将产生压力和电弧产物的不注意的逸出，这又将引起通过排出口的泄压的减速并导致外壳的故障。

现有外壳的一个问题出现在位于压力波的路径中在排出口之前的顶部板处。顶部板是在电弧事件期间使电弧产物朝着排出口转向的外部部件。因此，顶部板一般吸收压力的冲力并变形，使得电弧产物的不注意的逸出通过在顶部板或相邻连接中的孔或扭结而出现。为了满足安全标准，需要结构整体性，以便防止通过顶部板或在顶部板附近的压力波的意外喷出。例如，工业标准要求放置在相对于外壳的某些位置处的指示器在测试期间不由于使电弧产物逸出而燃烧。IEEE标准C37.20.7，段落5.4.2，Indicator Placement。这个要求产生对现有外壳的相当大的设计挑战。

为了符合工作标准，使用添加的结构部件和加强材料以限制带凸缘的连接的变形来增强现有的外壳。例如，现有的外壳被设计有可经得起电弧事件的峰值压力(例如在电弧事件的前10微秒(“ms”)中发展的峰值压力)的强的、重的量具钢材料。重量具外壳还需要用于组装外壳的多个紧固件。然而，这种类型的外壳是不利的，至少因为它们需要增加的材料成本、增加的组装时间，且它们冒允许峰值压力到达外壳的外部材料(例如顶部板)的危险。

发明概述

所需要的是具有在电弧事件期间吸收并减轻在顶部板上的峰值压力的阻尼板的抗电弧外壳。

在本发明的实现中，电气外壳安置配电设备，包括断路器，并保护用户和附近设备免受电弧事件的毁坏影响(例如火灾和爆炸)。电气外壳预期安置一般在大约600-34,000伏的范围内的中或高电压开关装置设备。

电气外壳具有产生从断路器到排出口的排出路径的至少一个区段。排出路径的第一部分通常是垂直的，并在断路器和阻尼板之间延伸。阻尼板安装在顶部板之下，使得气穴在这两个板之间产生。排出路径的第二部分通常垂直于第一部分，在顶部板的边缘和排出口之间延伸到外部。

当电弧事件出现时，从断路器朝着阻尼板行进的压力波产生，并然后朝着排出口改变方向。吸收大部分压力的阻尼板弹性地变形，并使压力波寻找具有朝着排出口的最小阻力的路径。虽然阻尼板可随后塑性地变形，但是衰减的压力波传输到顶部板，且峰值压力波不穿过任何未预料到的路径逸出。因此，阻尼板保护顶部板免受严重的损坏，防止压力波产生将允许火焰或烟或过热气体的未预料到的逸出的裂缝或漏洞，并使压力波改变方向以通过排出口安全地离开电气外壳。根据一个例子，阻尼板吸收几乎三分之二的压力，顶部板只接收总压力的约三分之一。

阻尼板配置的一个益处是，它减少了用于形成具有足够的结构整体性的顶部板以经得起总压力所需的材料。例如，不是设计将经得起6,400磅的力的顶部板，而是顶部板(具有阻尼板)将只必须经得起2,300磅的力。因此，制造成本极大地减小。

阻尼板相对于现有外壳配置是非常规的，至少因为它起作用来使在电气外壳的部件上的力衰减，而不是试图刚性地抵抗该力。阻尼为部件提供诸如顶部板的内部屏障，并增加经得起力的巨大爆炸的可能性。

本发明的实施例还涉及以下方面：

1)一种电气组件，包括排出口、多个板、排出路径和阻尼板。板包括顶部板并界定配置成围住配电设备的外壳区段。排出路径在配电设备处起始并在排出口结束，排出路径提供由在配电设备处的电弧事件引起的压力波的排出路线。压力波最初在第一方向上朝着顶部板并随后在第二方向上朝着排出口行进。阻尼板在外壳区段内部被安装到顶部板并通过气穴与顶部板分离。阻尼板将压力波改变方向以将方向从第一方向改变到第二方向。

2)如项目1)所述的电气组件，其中，所述配电设备是中电压或高电压设备。

3)如项目1)所述的电气组件，其中，所述配电设备是断路器。

4)如项目1)所述的电气组件，其中，所述第一方向是垂直向上方向以及所述第二方向是水平方向。

5)如项目1)所述的电气组件，其中，所述多个板包括平行于后板并沿着左边缘附接到左板和沿着右边缘附接到右板的前板，所述顶部板附接到所述前板、所述后板、所述左板和所述右板中的每个板的上边缘。

6)如项目5)所述的电气组件，其中，在所述第一方向和所述第二方向之间的角度变化是90度。

7)如项目1)所述的电气组件，其中，所述压力波的峰值压力引起在所述阻尼板中的弹性变形和在所述顶部板中的塑性变形。

8)如项目1)所述的电气组件，其中，所述阻尼板将在所述顶部板上的所述压力波的峰值压力减小了大约60％。

9)如项目1)所述的电气组件，其中，所述阻尼板是14量具钢的薄板金属。

10)一种抗电弧外壳，包括排出口和由多个板界定的外壳区段，多个板包括顶板并配置成围住配电设备。从配电设备到排出口的排出路径具有在配电设备和顶板之间的垂直区段以及在顶板和排出口之间的水平区段。阻尼板安装在顶板之下并通过气穴与顶板分离，阻尼板使从在配电设备处的电弧事件产生的压力波转向。转向使压力波的方向从在垂直区段中的垂直方向改变到在水平区段中的水平方向。阻尼板在压力波的转向期间变形。

11)如项目10)所述的抗电弧外壳，其中，所述配电设备是中电压或高电压设备。

12)如项目10)所述的抗电弧外壳，其中，所述配电设备是断路器。

13)如项目10)所述的抗电弧外壳，其中，所述垂直方向是向上方向。

14)如项目10)所述的抗电弧外壳，其中，所述多个板包括平行于后板并沿着左边缘附接到左板和沿着右边缘附接到右板的前板，所述顶板附接到所述前板、所述后板、所述左板和所述右板中的每个板的上边缘。

15)如项目10)所述的抗电弧外壳，其中，所述压力波的峰值压力引起在所述阻尼板中的弹性变形和在所述顶板中的塑性变形。

16)如项目10)所述的抗电弧外壳，其中，所述阻尼板将在所述顶板上的所述压力波的峰值压力减小了大约60％。

17)如项目10)所述的抗电弧外壳，其中，所述阻尼板是14量具钢的薄板金属。

鉴于参考附图做出的对各种实施方式和/或方面的详细描述，本发明的前述和额外的方面和实施方式将对本领域中的普通技术人员明显，附图的简要描述接下来被提供。

附图的简要描述

通过参考下面的结合附图的描述可更好地理解本发明。

图1是电气组件的透视图。

图2是图1的电气组件的阻尼板的透视图。

图3是示出在电弧事件期间在电气外壳组件内的内部排出路径的立视图。

图4是示出在电弧事件期间在压力波的峰值压力之前的电气外壳组件内部的排出路径的图。

图5是示出在压力波的峰值压力期间的排出路径和对图4的阻尼板的影响的图。

图6是示出在压力波的峰值压力之后的排出路径和对图4的阻尼板的影响的图。

图7是示出与在电弧事件期间的时间有关的导致压力变化的曲线图。

图8A示出具有用于确定在电弧故障事件期间阻尼板的有效性的输入参数的数据。

图8B示出具有用于确定在电弧故障事件期间气穴对峰值压力的衰减的贡献的输入参数的数据。

所示实施方式的详细描述

参考图1，用于开关装置或其它电气设备的电气组件100包括外壳102(或机壳)、断路器104和排出口106。外壳102提供在内部空间和外部环境之间的最外边的外壳表面。具体地，外壳102由多个前板108、右板110、顶板112、左板114和后板116形成。顶板(top panel)112包括前顶板112a和后顶板112b，并且也被称为顶部板(roof panel)。顶板112还包括中央顶板，其为了说明目的而被移除。

电气组件100一般包括一个或多个外壳区段，每个区段可能有电弧事件并具有它自己的排出路径。例如，外壳区段可专用于安置配电设备，另一外壳区段可专用于安置汇流条，且另一区段可专用于安置电缆。下面描述的外壳102可应用于任何类型的外壳区段。

排出口106是沿着右板110的顶部分定位的矩形孔，左和右边缘106a、106b在前板和后板108、116中的相应板附近。排出口106还具有在顶板112附近并平行于顶板112的顶边缘106c以及平行于顶边缘的底边缘106d。出现在内部空间内的由电弧事件300引起的排出物E通过排出口106离开外壳102。排出物E产生与安装在至少一个顶板112之下的阻尼板200的接触。

参考图2，阻尼板200配置成附接到外壳102的结构框架。阻尼板200具有主表面202和垂直地沿着主表面202的边缘延伸以形成内部空间206(当组装到顶板112时)的两个侧壁204。主表面202包括用于附接到安装托架201(在图1中示出一个托架)的紧固孔208，安装托架201连接到外壳的结构框架，且侧壁204包括用于附接到相邻阻尼板的紧固孔210。以这种方式，阻尼板200直接位于中央顶板之下，而相邻阻尼板分别位于前顶板和后顶板112a、112b之下。

阻尼板200位于顶板112之下，使得气穴302使主表面202与顶板112分离。在这个例子中，主表面202平行于顶板112并在允许阻尼板和顶部板独立于彼此移动的距离X处从顶板112偏离。

参考图3，断路器104是配电设备，在配电设备处电弧事件可在电弧300的点附近起源。电弧事件引起最初在第一方向P上朝着顶板112行进并接着在与阻尼板200接触时在第二方向E上朝着排出口106改变方向的压力波。阻尼板200在距离X处通过气穴302与相应的顶板112分离，根据一个例子距离X是3.8英寸。

参考图4-6，示出时间序列，其示出在压力波的峰值压力之前、期间和之后压力波对阻尼板200和顶板112的影响。在图4中，示出在峰值压力与阻尼板200接触之前的外壳组件100，峰值压力最初在第一方向P上穿过在电弧300的点之间的排出路径的垂直区段400朝着阻尼板200行进。在峰值压力之前的电弧事件的时间帧一般在0-10ms之间。压力积累在这个时间帧期间是可忽略的，一些压力在第二方向E上通过排出口106排出且对阻尼板200、托架201或顶板112没有明显变形。压力的第二方向E沿着在阻尼板200和排出口106之间的排出路径的水平区段402。

在图5中，示出当峰值压力与阻尼板200接触并从第一方向P改变方向到第二方向E时的外壳组件100。在峰值压力期间的电弧事件的时间帧一般在10-100ms之间。作为电弧事件的结果，压力的极度爆发引爆阻尼板200，其自然地变形，并稍微压缩气穴302。钢阻尼板的弹性起作用来抵抗由峰值压力施加的力。这个阻力允许压力在第一方向P上的垂直爆发，以改变方向并通过排出口106在第二方向E上从外壳组件100排出。

在图6中，示出当峰值压力通过排出口106已经完全离开时的外壳组件100。在峰值压力之后的电弧事件的时间帧一般在100-200ms之间。在这个时间点，压力消减。虽然对顶板112和对托架201的变形很明显，阻尼板200保持完整无缺。阻尼板200以足够的移位压缩气穴302以使顶板112变形(例如大约0.5英寸的移位)。

阻尼板200的弹性变形指在电弧事件期间的临时变形，在此之后阻尼板200弹回到其原始形状。换句话说，当外加压力不再被施加(例如压力波消散)时，阻尼板200返回到其原始形状。

在结构框架处的阻尼板托架201的塑性变形和顶板112的塑性变形指在电弧事件期间和之后的永久变形。换句话说，这个变形至少部分地是不可逆的。因此，顶板112可以部分的方式返回到其原始形状(但不是顶板112和/或托架201)。

相应地，阻尼板200起作用来通过物理地使顶板112变形来使在外壳组件100内部的初始压力机械地衰减。阻尼板200的弹性挤压运动通过临时吸收峰值压力冲击来使压力衰减，并然后将减小的压力冲击传递到顶板112。衰减允许压力寻找具有最小阻力的下一路径，其是排出口106。

参考图7，图表示出安装到电气外壳的顶部板的阻尼板的模型抗电弧测试。为了模拟测试，因为它与操作员安全有关，棉花指示器在抗电弧测试期间放置在外壳周围。例如，根据IEEE标准C37.20.7，段落5.4.2，Indicator Placement，水平指示器开始放置在远离电气部件的垂直侧延伸800毫米(31英寸)的垂直指示器处。指示器不经过排出口延伸。在40千安(kA)下执行的测试是成功的。例如，没有一个棉花指示器在测试期间由于使电弧产物逸出而燃烧。

测试也显示出快速减小在外壳内部的峰值压力的足够大小和有效的排出。因此，不是有具有多个紧固件的强的、重的量具钢外壳(如在现有的外壳中使用的)，测试是本发明的阻尼板成功地在经得起电弧事件的影响的证据。以实例的方式，一般现有外壳使用重的11量具钢(其具有大约0.116英寸的厚度)。相反，阻尼板由轻得多的材料例如14量具钢(其具有大约0.074英寸的厚度)制成。

更具体地，图7示出在外壳中的不同位置处感测的压力的时间曲线。例如，最高压力在中间位置处(例如在阻尼板附近)被感测到，减小的压力在较高位置处(例如在顶部板附近)被感测到。值得注意地，阻尼板在所测试的电弧事件的前10毫秒期间起作用以快速和有效地防止有害颗粒和气体的逸出并有助于排出性能。

参考图8A和8B，提供具有用于确定阻尼板(图8A)的有效性和空气压力对衰减(图8B)的贡献的输入参数的数据。在图8A中，数据表明阻尼板可将在电弧事件期间的顶部板中的压力减小至少64％。在这个例子中，通过从阻尼板上的力(6,416磅)减去顶部板上的力(2,335磅)并然后用在阻尼板上的力(6,416磅)除以该结果来确定所测量的百分比有效性。在图8中，数据还表明在阻尼板和顶部板之间的气穴对力的减小贡献2％。

根据这个例子，阻尼板由比顶部板更硬的14量具轻钢的薄板金属制成，并经由也由14量具轻钢制成的托架横向紧固到框架。紧固件是重量轻的紧固件，例如M5或M6螺钉。外壳的惯性力矩是大约57in⁴，其明显高于顶部板的惯性力矩。阻尼板是有益的，至少因为它临时吸收峰值压力，且它将减小的压力传输到顶部板，充当内部牺牲顶部。因此，阻尼板减小对顶部板的震动，它将在顶部板上的峰值力极大地减小(例如64％)，它快速(例如在电弧开始的10毫秒内)起作用，且它在电弧事件终止之后弹回到它的形状，只在紧固到结构框架的安全托架处展现永久变形。

当示出和描述了本发明的特定的实施方式、方面和应用时，应理解，本发明不限于本文公开的精确结构和组成，以及从前述描述中各种修改、变化和变形可以是明显的，而不偏离如在所附权利要求中限定的本发明的精神和范围。

Claims (17)

1.一种电气组件，包括：

排出口；

多个板，其界定外壳区段并配置成围住配电设备，所述多个板包括顶部板；

排出路径，其在所述配电设备处起始并在所述排出口处结束，所述排出路径提供用于由在所述配电设备处的电弧事件引起的压力波的排出路线，所述压力波最初在第一方向上朝着所述顶部板并随后在第二方向上朝着所述排出口行进；以及

阻尼板，其在所述外壳区段内部安装到所述顶部板并通过气穴与所述顶部板分离，所述阻尼板将所述压力波改变方向以将方向从所述第一方向改变到所述第二方向。

2.如权利要求1所述的电气组件，其中，所述配电设备是中电压或高电压设备。

3.如权利要求1所述的电气组件，其中，所述配电设备是断路器。

4.如权利要求1所述的电气组件，其中，所述第一方向是垂直向上方向以及所述第二方向是水平方向。

5.如权利要求1所述的电气组件，其中，所述多个板包括平行于后板并沿着左边缘附接到左板和沿着右边缘附接到右板的前板，所述顶部板附接到所述前板、所述后板、所述左板和所述右板中的每个板的上边缘。

6.如权利要求5所述的电气组件，其中，在所述第一方向和所述第二方向之间的角度变化是90度。

7.如权利要求1所述的电气组件，其中，所述压力波的峰值压力引起在所述阻尼板中的弹性变形和在所述顶部板中的塑性变形。

8.如权利要求1所述的电气组件，其中，所述阻尼板将在所述顶部板上的所述压力波的峰值压力减小了大约60％。

9.如权利要求1所述的电气组件，其中，所述阻尼板是14量具钢的薄板金属。

10.一种抗电弧外壳，包括：

排出口；

外壳区段，其由多个板界定，所述多个板包括顶板，且所述外壳区段配置成围住配电设备；

从所述配电设备到所述排出口的排出路径，所述排出路径具有在所述配电设备和所述顶板之间的垂直区段以及在所述顶板和所述排出口之间的水平区段；以及

阻尼板，其安装在所述顶板之下并通过气穴与所述顶板分离，所述阻尼板使从在所述配电设备处的电弧事件产生的压力波转向，所述转向使所述压力波的方向从在所述垂直区段中的垂直方向改变到在所述水平区段中的水平方向，所述阻尼板在所述压力波的所述转向期间变形。

11.如权利要求10所述的抗电弧外壳，其中，所述配电设备是中电压或高电压设备。

12.如权利要求10所述的抗电弧外壳，其中，所述配电设备是断路器。

13.如权利要求10所述的抗电弧外壳，其中，所述垂直方向是向上方向。

14.如权利要求10所述的抗电弧外壳，其中，所述多个板包括平行于后板并沿着左边缘附接到左板和沿着右边缘附接到右板的前板，所述顶板附接到所述前板、所述后板、所述左板和所述右板中的每个板的上边缘。

15.如权利要求10所述的抗电弧外壳，其中，所述压力波的峰值压力引起在所述阻尼板中的弹性变形和在所述顶板中的塑性变形。

16.如权利要求10所述的抗电弧外壳，其中，所述阻尼板将在所述顶板上的所述压力波的峰值压力减小了大约60％。

17.如权利要求10所述的抗电弧外壳，其中，所述阻尼板是14量具钢的薄板金属。