CN105529209B - 用于真空断续器的轴向磁场线圈 - Google Patents

Abstract

一种用于真空断续器的接触组件包括：第一导电材料的接触盘、线圈以及接触支承件。线圈由第二导电材料制成并且包括多个螺旋部段，多个螺旋部段相对于共同中心轴线沿轴向定向。螺旋部段中每一个包括近端和远端，使得螺旋部段中每一个在近端连接到第二导电材料制成的底座并且在远端连接到接触盘。接触支承件沿轴向在线圈内居中并且从底座延伸到接触盘。

Description

用于真空断续器的轴向磁场线圈

背景技术

本发明涉及高电压电气开关，诸如高电压断路器、开关设备和其它电气设备。更特定而言，本发明涉及一种电气开关，其接触件位于绝缘环境封壳内，诸如陶瓷瓶内。

附图说明

图1A和图1B分别是示出了根据本文所描述的实施方式的、处于闭合位置和打开位置的真空断续器组件的示意截面图；

图2是图1的真空断续器组件的可移动导体组件的示意侧视图；

图3是图2的可移动导体组件的示意侧视透视图；

图4是图2的可移动导体组件的示意侧视截面图；

图5是图4的侧视截面图的一部分的放大视图；

图6A和图6B是轴向磁场(AMF)线圈的原始形式的截面侧视图和侧视透视图；

图7A是AMF线圈的前端视图；

图7B是图7A的AMF线圈的侧视图；

图7C是图7A的AMF线圈的后端视图；

图7D是图7B的AMF线圈的截面侧视图；以及

图8A和图8B是图7A的AMF线圈的示意侧视透视图。

具体实施方式

下文的详细描述参考附图。在不同附图中相同的附图标记表示相同或相似元件。

提供用于真空断续器的接触组件。在一实施方式中，两个接触组件可以成组设置于真空腔室内。每个接触组件可以生成轴向磁场以在接触组件之间扩散电弧。每个接触组件可以包括第一导电材料的接触盘、线圈和接触支承件。线圈可由第二导电材料制成并且包括多个螺旋部段，多个螺旋部段相对于共同中心轴线在轴向定向。螺旋部段中每一个可包括近端和远端，使得螺旋部段中每一个在近端连接到第二导电材料制成的底座并且在远端连接到接触盘。接触支承件可以沿轴向在线圈内居中并且可以从底座延伸到接触盘从而维持螺旋部段的间距。

图1A提供了示出处于闭合位置的真空断续器组件10的示意截面图，并且图1B提供了示出处于打开位置的真空断续器组件10的示意截面图。一起参考图1A和图1B，真空断续器组件10包括绝缘主体20、固定导体组件30、可移动导体组件40和电弧屏蔽件50。

绝缘主体20通常限定细长内孔，使得固定导体组件30和可移动导体组件40沿轴向穿过主体20的内孔延伸。绝缘主体20可以大体上包括(例如)陶瓷管22(其可以包括联结和/或密封在一起的多个管区段)，在陶瓷管22任一端上具有凸缘24、26。凸缘24/26可以联结/密封到陶瓷管22的相应端。

凸缘24可以包括开口以允许固定导体组件30的轴32延伸穿过。轴 32可以相对于凸缘24固定，并且凸缘24和轴32的接口可以气密地密封固定。凸缘26可以包括开口以允许可移动导体组件40的导电轴42延伸穿过。轴42可以相对于凸缘26沿轴向移动。可以设置波纹管60以允许轴42在穿过凸缘26的开口移动的同时维持气密密封。在陶瓷管22、凸缘24、轴32和/或轴42的接口处的气密密封允许在绝缘主体20内形成真空腔室28。

如图1A和图1B所示，固定导体组件30和可移动导体组件40中每一个(也被称作电极组件)可以包括接触组件100(例如，接触组件100-1和 100-2，在本文中统称作“接触组件100”或总体上被称作“接触组件100”)。可移动导体组件40可以在闭合位置(图1A)与打开位置(图1B)之间移动，使用波纹管60来帮助维持在绝缘主体20内的密封真空封壳。轴32和轴42中每一个可以由导电材料诸如铜形成，使得外部供应的电流能通过轴 32/42或者从相应接触组件100传递。

在操作中，当真空断续器10处于闭合位置(图1A)时，接触组件100-1 和100-2一起处于真空气氛下(例如，在真空腔室28内)并且通过轴32 或42引入的电流通过接触组件100-1和100-2流入到轴42或32中另一个。当从闭合位置移动到打开位置(图1B)时，接触组件100-1和100-2分开并且从切换电流抽吸的金属蒸气电弧可以由接触组件100-1和100-2的汽化材料形成。

一般而言，当电流到达设计极限时，蒸气电弧能腐蚀接触组件100-1 和100-2。在常规接触件中，在超过10千安培(kA)的电流下，蒸气电弧倾向于变得收缩，这可能导致接触件局部劣化和蒸气电弧熄灭失败。蒸气电弧收缩程度可以取决于接触组件的几何形状(以及其它特征)。例如，接触组件的几何形状可能生成影响蒸气电弧行为的磁场。

根据本文所描述的实施方式，接触组件100可以生成轴向磁场(AMF)，轴向磁场(AMF)保持蒸气电弧处于非破坏性扩散模式(例如，由于轴向磁场)，并且使电弧快速地熄灭于真空气氛。如在本文中进一步描述，接触组件100可以包括多臂螺旋线圈结构，以在高电流应用中在接触组件之间生成轴向磁场。具有接触组件100的真空断续器10将在高电流短路(例如，超过10kA)中良好地起作用。这种高电流条件的设备可以包括断路器、接地装置、开关设备或其它高电压设备。

图2是可移动导体组件40的示意侧视图，并且图3是可移动导体组件 40的分解透视图。图4是可移动导体组件40沿着图2的截面A-A的侧视截面图，并且图5是图4的侧视截面图的一部分B的放大视图。图6A是用于AMF线圈120的原始形式200的截面侧视图，并且图6B是AMF线圈的原始形式200的透视图。图7A至图8B提供了在机械加工之后AMF 线圈120的不同视图。特定而言，图7A是AMF线圈120的前端视图；图 7B是AMF线圈120的侧视图；图7C是AMF线圈120的后端视图；并且图7D是AMF线圈120的截面侧视图。图8A和图8B是AMF线圈120的不同侧部透视图。尽管在图2至图8B中未示出，但固定导体组件30的配置可以类似于可移动导体组件40。

一起参考图2至图5，接触组件100可以安装到轴42的一端。接触组件100可以包括接触盘110、AMF线圈120、接触支承件130和支承盘140。如在本文中进一步描述，接触盘110、AMF线圈120、接触支承件130和支承盘140可以结合在一起，以使用多个钎焊环/盘经由钎焊过程形成接触组件100。接触盘110、AMF线圈120、接触支承件130和支承盘140可以总体上彼此沿轴向对准并且沿着共同轴线44与轴42对准。

接触盘110可以包括导电盘，当真空断续器组件10处于闭合位置时，导电盘触及另一接触件(例如，在接触组件100-1上)。接触盘110可以包括导电材料，当可移动导体组件40从闭合位置移动到打开位置时，该导电材料可使金属汽化发弧最小化。在一实施方式中，接触盘110可以由铜 (Cu)/铬(Cr)合金制成。

一起参考图2至图5和图7A和图8B ，AMF线圈120可以包括由导电材料诸如铜制成的多个(例如，两个或更多个)螺旋部段122。在一实施方式中，如在附图(例如，图5)中所示，AMF线圈120可以包括在底座124 处连接的三个螺旋部段122-1、122-2和122-2(在本文中统称作“螺旋部段 122”并且总体上称作“螺旋部段122”)。每个螺旋部段122的近端可以与底座124整合，并且每个螺旋部段122的远端可以渐缩以形成接触区123(图 7A)。每个螺旋部段122可以共用(例如，相对于共同轴线44在轴向定向) 共同轴线44。每个接触区123可以与其余螺旋部段122的接触区共面并且可以最终固定(例如，钎焊)到接触盘110。在图示配置中，三个螺旋部段 122相对于彼此以120度在径向偏移并且彼此缠结以形成线圈。根据一实施方式，每个螺旋部段122(例如，从底座124的近端跨越到相对远端)对应于整个AMF线圈120圆周一圈的大约0.7。因此，AMF线圈120有效地具有2.1总圈(0.7*3)。应了解，在其它实施方式中，每个螺旋部段可以对应于更大量或更少量圈和/或可以提供更多螺旋部段122。

如图2至图5所示，底座124可以使用钎焊盘126联结(例如，钎焊) 到支承盘140。支承盘140可以总体上由具有高电阻率的较强材料诸如不锈钢制成，其并不影响从AMF线圈120生成的轴向磁场。钎焊盘126可以由铜或者适合于将AMF线圈120材料钎焊到接触支承盘140材料的另一材料制成。钎焊盘128可以用于将螺旋部段122的远端(例如，与底座124相对的端部)联结到接触盘110。钎焊盘128可以由铜或者适合于钎焊AMF 线圈120和接触盘110材料的另一材料制成。

接触支承件130可以具有圆筒形状以向AMF线圈120提供轴向支承。接触支承件130可以定位于AMF线圈120中心内并且可以大体上大小设定为使得接触支承件130的轴向长度能防止AMF线圈120的压缩。更特定而言，接触支承件130插入于底座124与接触盘110之间以维持螺旋部段122 所希望的配置(例如，间距/间隙)。在一实施方式中，接触支承件130被构造成耐受高达200磅的压缩力(例如，当接触组件100-2移动到真空断续器组件10中的闭合位置时)。接触支承件130可以总体上由不影响AMF 线圈120生成的轴向磁场的较硬材料制成。在一实施方式中，接触支承件 130可以由电阻率高于6E-07欧姆-米的材料，诸如某些等级的不锈钢制成。

接触支承件130的一端可以使用钎焊盘132联结(例如，钎焊)到底座124。钎焊盘132可以由银合金或适合于将AMF线圈120材料连接到接触支承件130材料的另一材料制成。钎焊盘134可以用于将接触支承件130 的相对端联结到接触盘110。钎焊盘134可以由银合金或者适合于钎焊接触支承件130和接触盘110的材料的另一合适材料制成。如图5所示，钎焊环136可以位于底座124与接触支承件130的接口处并且在轴42的对中心突起142上。

一起参考图6A和图6B，原始形式200可以包括带有整合底座124的圆筒202。根据本文所描述的实施方式，螺旋部段122可以由原始形式200 的实心圆筒202壁和底座124机械加工而成。原始形式200可以设定为特定高度(H)、壁厚(T)和底座厚度(B)以及圆周大小，从而提供螺旋部段122所需的区域以向轴42和/或从轴42传导电流。根据一实施方式，在共同轴线44的方向上，最大底座厚度B可以小于在正交于共同中心轴线方向上的最大壁厚T(和螺旋部段122中每一个的相对应厚度)。

如图6A所示，底座124可以包括对中心孔口204和凹部206。当把接触组件100(如最终组装时)安装到轴42上时，对中心孔口204可以接纳对中心突起142。当接触支承件130最终组装到AMF线圈120内时，凹部 206可以接纳接触支承件130并且使接触支承件130居中。

例如图7C所示，螺旋部段122中的每一个可以绕AMF线圈120的圆周对称分布。因此，对于图7A-8B所示的三螺旋部段布置，螺旋部段122 中每一个的起点或切割可以相对于彼此以120度彼此偏移。

每个螺旋部段(也被称作螺旋臂)122的长度可以部分地通过诸如高度(“H”，图7B，即，等于原始形式200的高度)、螺旋部段22的每个切割的间距(“P”，图7D)、每个切割的宽度(“W”，图7D)和每个螺旋部段122的横截面积125的相关几何要求决定。高度H可以受到真空腔室28 内的空间约束限制。间距P可以受到所需截面积和每个螺旋部段122之间的宽度W限制。每个切割的宽度W将足以提供空气间隙，空气间隙可隔离通过每个螺旋部段122的电流。根据本文所描述的实施方式，宽度W可以沿着(或平行于)共同轴线44测量。螺旋部段122的横截面积可以由电流/电压要求并且相关于轴42的横截面积来限定。

在一示例中，每个螺旋部段122的0.6英寸高度(H)、0.86英寸间距 (P)、0.07英寸宽度(W)和0.0441平方英寸横截面可以提供这样一个螺旋臂122，其从AMF线圈120的底座124到每个螺旋部段远端，占整个 AMF线圈120圆周的约0.7圈。因此，AMF线圈120的三个螺旋部段122 有效地提供2.1总圈数(即，0.7*3)。应了解，在其它实施方式中可以使用H、P和W的其它值。

根据其它实施方式，可以使用多个螺旋部段122的任何配置来提供大于二的组合圈数(回转数)。例如，可以使用具有至少1.0圈的两个螺旋部段或者具有至少0.5圈的四个螺旋部段。一般而言，多个螺旋部段可以绕 AMF线圈120的圆周对称分布(例如，对于每个螺旋部段，具有相同径向偏移和间距)。

根据本文所描述的实施方式，用于真空断续器的接触组件可以包括第一导电材料(即，Cu/Cr合金)的接触盘、线圈和接触支承件。线圈由第二导电材料(即，Cu)制成并且包括共用共同轴线的多个螺旋部段。螺旋部段中每一个包括近端和远端，使得螺旋部段中每一个在近端连接到由第二导电材料制成的底座并且在远端连接到接触盘。接触支承件在线圈内在轴向居中并且从底座向接触盘延伸。

根据另一实施方式，相同的接触组件(例如，接触组件100-1和100-2) 可以安装到固定导电轴(例如，轴32)上和在真空腔室(例如，真空腔室 28)内的可移动导电轴(例如，轴42)上。

示例性实施例的前文描述提供说明和描述，但并无详尽或者限制本文所描述的实施例为所公开的精确形式的意图。考虑到上述教导内容，也能做出修改和变型，或者可以通过实践本发明而获得修改和变型。例如，本文所描述的实施方式也可以结合其它装置诸如中或低电压设备使用。

尽管在上文中描述了本发明，应清楚地了解到对于本领域技术人员显而易见，在不偏离本发明的精神的情况下，可以修改本发明。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明做出形式、设计或布置的各种变化。因此，上文提到的描述被认为是示例性的，而不是限制性的，并且本发明的真实范围是权利要求限定的范围。

在本申请的描述中所用的元件、行动或指令全都不应认为对于本发明是关键的或至关重要的，除非本文清楚地如此描述。而且，如本文所用的冠词“a”意图包括一个或多个项目。另外，除非明确地做出另外的陈述，短语“基于”意图表示“至少部分地基于”。

Claims (12)

1.一种用于真空断续器的接触组件，所述接触组件包括：

第一导电材料的接触盘；

第二导电材料的线圈，其包括多个螺旋部段，所述多个螺旋部段相对于共同中心轴线沿轴向定向，

其中所述螺旋部段中每一个具有近端和远端，

其中所述螺旋部段中每一个在近端连接到由第二导电材料制成的底座，

其中所述螺旋部段中每一个在所述远端连接到所述接触盘；以及接触支承件，其沿轴向在所述线圈内居中并且从所述底座延伸到所述接触盘；以及

支承盘，其联结到所述底座，所述底座夹设在所述支承盘和所述接触支承件之间，所述支承盘构造成能为所述底座提供支承，并且由具有相对高电阻率的材料构成。

2.根据权利要求1所述的接触组件，其特征在于，所述底座和所述螺旋部段中每一个由共同部件机械加工而成。

3.根据权利要求1所述的接触组件，其特征在于，所述多个螺旋部段包括相对于彼此以120度在径向偏移的三个螺旋臂。

4.根据权利要求3所述的接触组件，其特征在于，所述螺旋部段中每一个跨越所述线圈圆周的至少0.7圈。

5.根据权利要求1所述的接触组件，其特征在于，所述底座沿着所述共同中心轴线设置于所述支承盘与所述螺旋部段之间。

6.根据权利要求1所述的接触组件，其特征在于，所述线圈的底座包括沿着所述共同中心轴线的孔口，所述孔口的大小适于接纳导电轴的突起。

7.根据权利要求6所述的接触组件，其特征在于，所述底座包括凹部，所述凹部的大小适于接纳所述接触支承件并且使所述接触支承件在轴向居中。

8.根据权利要求1所述的接触组件，其特征在于，所述多个螺旋部段中每个的远端钎焊到所述接触盘上。

9.根据权利要求1所述的接触组件，其特征在于，所述接触组件被构造成耐受在所述共同中心轴线方向上施加的至少200磅的力。

10.根据权利要求1所述的接触组件，其特征在于，所述底座在所述共同中心轴线方向上的最大厚度小于所述多个螺旋部段中每一个在正交于所述共同中心轴线的方向上的最大厚度。

11.根据权利要求1所述的接触组件，其特征在于，所述接触盘包括凹部，所述凹部的大小适于接纳所述接触支承件并且使所述接触支承件在轴向居中。

12.一种真空断续器，包括：

真空腔室；

在所述真空腔室内的第一接触组件，其中所述第一接触组件固结到固定的导电轴；以及

在所述真空腔室内的第二接触组件，其中所述第二接触组件固结到可移动导电轴，

其中所述第一接触组件和所述第二接触组件各包括：

第一导电材料的接触盘；

第二导电材料的线圈，其包括多个螺旋部段，所述多个螺旋部段相对于共同中心轴线沿轴向定向，其中所述螺旋部段中每一个包括近端和远端，其中所述螺旋部段中每一个在近端连接到由第二导电材料制成的底座，并且其中所述螺旋部段中和每一个在所述远端连接到所述接触盘；

接触支承件，其沿轴向在所述线圈内居中并且从所述底座延伸到所述接触盘；

支承盘，其联结到所述底座，所述底座夹设在所述支承盘和所述接触支承件之间，所述支承盘构造成能为所述底座提供支承，并且由具有相对高电阻率的材料构成。