CN105529210B - 一种新型永磁体复合磁场触头结构及其应用的真空灭弧室 - Google Patents

Abstract

一种新型永磁体复合磁场触头结构及其应用的真空灭弧室，该触头结构包括一对横向磁场触头片以及置于横向磁场触头片背后的一对永磁体组合结构；静端永磁体组和动端永磁体组配合之后在触头间隙产生磁场，与静端横向磁场触头片和动端横向磁场触头片在燃弧过程中产生的磁场共同作用于电弧，实现对于电弧的有效控制；本发明解决了现有复合磁场触头结构以及永磁体触头结构存在的触头表面结构过于复杂，永磁体电弧控制能力有限的问题。

Description

一种新型永磁体复合磁场触头结构及其应用的真空灭弧室

技术领域

本发明属于大电流真空断路器技术领域，具体涉及一种新型永磁体复合磁场触头结构及其应用的真空灭弧室。

背景技术

真空断路器在整个电力系统中的应用迅速发展，但是，在发展的过程中，对于真空断路器的要求也是不断的提高。为了提高真空灭弧室的短路开断能力，在灭弧室中引入了电弧的磁场控制技术。

磁场控制技术主要包括了横向磁场控制技术和纵向磁场控制技术。其中，横向磁场技术是通过特定的触头结构，使得在燃弧过程中形成的电流通路在触头及其触头间隙区域形成与电弧电流流向垂直的横向磁场。横向磁场作用于真空电弧，驱动其在触头表面旋转运动，避免了电弧对于触头局部的过度烧蚀，提高了开关的开断能力。纵向磁场技术也是通过触头结构，形成与电弧电流流向平行的磁场。纵向磁场技术使得真空电弧更加均匀，减少了真空电弧的集聚，减轻电弧对于触头表面的烧蚀，提高了开关的开断能力。

在现有的真空灭弧室中，纵向磁场触头结构主要为杯状纵磁触头结构和线圈式纵磁触头结构。横向磁场触头结构主要为杯状横磁触头结构、万字形等开槽式横磁触头结构。纵向磁场触头结构的优势是电弧的控制能力强，开断能力强；缺点是触头结构复杂，触头结构导通电阻大，对于额定电流有较大限制。横向磁场触头结构的优势是触头结构简单，触头导通电阻小，可以导通较大额定电流；缺点是横向磁场控制技术作用下，真空电弧在快速旋转过程中，对于触头有一定的烧蚀，电弧的喷溅也会对屏蔽罩造成一定程度的烧蚀。此外横向磁场结构触头在大开距条件下磁场的衰弱明显，制约了其在更高电压等级下的应用。综上所述，现有的横向和纵向磁场结构触头在断路器中的应用中各有优劣，其结构也在不断的改进和完善。

一种全新的设计思路是将横向磁场与纵向磁场相结合，将形成复合磁场，充分发挥横向磁场和纵向磁场各自的优势和特点。随着高温永磁体材料技术的发展，永磁体应用于真空开断技术领域的制约因素将逐步被解决，有利于永磁体在真空开断和真空灭弧室领域的快速应用和发展。

目前，复合磁场触头结构的研究也取得了一定的发展，尤其是ABB公司提出的复合触头结构设计方案(EUROPEAN PATENT APPLICATION；Application number:11006056.3)。其设计的触头结构如图1所示。其触头结构主要由外侧触头结构40和内侧触头结构52组成。外侧触头结构40为环状结构，并且在外侧开槽；内侧触头结构52为直径较小的触头结构，置于环状的外侧触头结构内部。通过其开槽的设计，其外侧触头结构40和内部触头结构52均可以产生磁场，对真空电弧进行约束和控制。外侧触头结构40通过开槽的方向的配合可以形成横向磁场和纵向磁场；内侧触头结构52通过开槽方向的配合，也可以形成横向磁场和纵向磁场。此复合触头结构，通过外侧触头和内侧触头的配合，分别可以形成横向磁场--纵向磁场组合；横向磁场--横向磁场组合；纵向磁场--纵向磁场组合。这种触头结构在燃弧过程中，充分发挥了横向磁场和纵向磁场对于真空电弧的控制。如果仅考虑触头磁场对于电弧的约束，上述触头结构通过组合形成复合磁场，强化并且充分利用了横向和纵向磁场对于电弧的控制。

西安交通大学刘志远等也提出了一种复合磁场触头结构(公布号：CN 105047470A)。其设计结构如图2所示。其设计触头开槽结构和角度的配合，在燃弧期间，电弧电流不仅需要经过横向磁场触头片103、104产生横向磁场，还要经过励磁触头结构102、105，再次产生横向磁场。这一设计，通过不同直径的横向磁场触头片103、104与励磁触头结构102、105的配合，延长了电流在触头结构中的流通路径；同时通过直径的配合，强化了触头间隙特别是触头中心区域的横向磁场的强度。

另外，武汉大学陈仕修等提出了一种利用永磁体触头设计的真空开关(申请号：201210176297.8)。其设计结构如图3所示。其设计的真空开关上导电杆1和下导电杆8伸入金属屏蔽筒9内的一端上设有上电极触头座2和下电极触头座7；该高电压真空开关还包括一个能在上电极触头座2和下电极触头座7的间隙中产生与上电极触头座2和下电极触头座7之间的轴向电场垂直的X轴向磁场的第一永磁体和第二永磁体，所述第一永磁体和第二永磁体分别设置在上电极触头座2和下电极触头座7的空腔内，或者分别设置在金属屏蔽筒9左侧外壁和右侧外壁。

但是，在实际的应用中，上述ABB公司以及西安交通大学刘志远提出的复合磁场触头在触头部分的结构设计都是比较复杂的，不可避免的会增加触头部分的电阻以及触头的加工成本。而武汉大学陈仕修提出的永磁体触头设计过度依赖永磁体的作用，由于永磁体的磁场强度是确定的，在大电流条件下，不利于成功的开断。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种新型永磁体复合磁场触头结构及其应用的真空灭弧室，解决了现有复合磁场触头结构以及永磁体触头结构存在的触头表面结构过于复杂，永磁体电弧控制能力有限的问题。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种新型永磁体复合磁场触头结构，包括一对横向磁场触头片以及置于横向磁场触头片背后的一对永磁体组合结构；所述一对横向磁场触头片包括静端横向磁场触头片105和动端横向磁场触头片106，静端横向磁场触头片105背部的静端导电杆101上焊接有静端永磁体组合结构201，动端横向磁场触头片106背部的动端导电杆110上焊接有动端永磁体组合结构202，静端永磁体组合结构201和动端永磁体组合结构202分别靠近静端横向磁场触头片105和动端横向磁场触头片106的背部，但并不接触；所述静端永磁体组合结构201包括周向均匀开有多个槽口的静端永磁体支撑环102，置于静端永磁体支撑环102槽口内的静端永磁体组103以及覆盖静端永磁体组103的静端永磁体支撑盖板104；所述动端永磁体组合结构202与静端永磁体组合结构201的结构组成相同，包括周向均匀开有多个槽口的动端永磁体支撑环109，置于动端永磁体支撑环109槽口内的动端永磁体组108以及覆盖动端永磁体组108的动端永磁体支撑盖板107；所述静端永磁体组103中的永磁体的S极和N极保持一致，动端永磁体组108中的永磁体的S极和N极也保持一致；所述静端永磁体组103和动端永磁体组108配合之后在触头间隙产生磁场，与静端横向磁场触头片105和动端横向磁场触头片106在燃弧过程中产生的磁场共同作用于电弧，实现对于电弧的有效控制。

所述静端横向磁场触头片105和动端横向磁场触头片106为螺旋槽横向磁场触头结构或“万”字形横向磁场触头结构，且开槽方向匹配。

所述静端永磁体组103和动端永磁体组108的数量相同，为3-20个。

所述静端永磁体组103和动端永磁体组108中的永磁体的轴线分别与静端导电杆101和动端导电杆110的轴线平行或保持预设的夹角。

所述预设的夹角为1～70°。

所述静端永磁体组103和动端永磁体组108中的永磁体为S极和N极相对、N极和S极相对、S极和S极相对或N极和N极相对。

所述静端永磁体组合结构201和动端永磁体组合结构202分别与静端横向磁场触头片105和动端横向磁场触头片106的距离为1-10mm。

一种真空灭弧室，所述真空灭弧室包括权利要求上述所述的新型永磁体复合磁场触头结构。

本发明新型永磁体复合磁场触头结构在不影响燃弧过程中触头间隙的横向磁场强度的基础上，在触头间隙增加了纵向磁场，优化了触头间隙磁场的分布，加强了磁场对于电弧的控制。由于静端永磁体组合结构201和动端永磁体组合结构202的配合，在燃弧期间，电弧不仅会受到静端横向磁场触头片105和动端横向磁场触头片106产生的横向磁场的作用，同时受到静端永磁体组103和动端永磁体组108产生的纵向磁场的作用。这一设计，充分考虑了横向磁场以及纵向磁场对于电弧的控制特性的特点，也充分利用了永磁体产生磁场对于电弧的控制特性。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)触头结构简单；触头片结构简单，可以是螺旋槽横向磁场结构，也可以是“万”字形横向磁场触头结构。延续了传统横向磁场触头结构电阻小的特点，有利于提高额定电流。

2)利用永磁体组合结构形成了复合横向磁场；本设计利用了永磁体的特性，将永磁体组合结构与横向磁场触头结构结合起来，在不改变触头片结构的条件下，实现了横向和纵向的复合磁场的作用。在复合磁场的作用了，使得大电流的开断更加有利。此种设计结构，与现有的复合磁场触头结构相比较，具有成本低，结构简单等不可比拟的优势。

3)对于传统的单纯横向磁场分布进行了优化；传统的横磁触头，如果电弧是在触头的中心区域烧蚀，那么由于电流流经距离小，触头间隙的横磁较弱。而在本发明中，由于永磁体组合结构的作用，补充了触头片在中心区域磁场的不足。

4)有利于提高横向磁场触头结构应用的电压等级；传统的横向磁场触头，虽然具有较大的额定电流，触头结构简单等优点，但是在更大开距下，触头间隙中的横向磁场强度迅速衰减，制约了横向磁场触头在更高电压等级的应用。而本发明的新型永磁体复合磁场触头结构结合了永磁体的磁场特点，增强了触头磁场在更大开距条件下对于电弧的控制，将促进横向磁场触头结构在更高电压等级的应用。

附图说明

图1是ABB公司现有技术复合磁场触头结构的示意图。

图2是现有西安交通大学刘志远提出的万字形复合横向磁场触头的示意图。

图3是现有武汉大学陈仕修提出的的一种利用了永磁体的高压开关的轴向剖视图。

图4是本发明的永磁体复合磁场触头结构的轴向剖视图。

图5是本发明的永磁体复合磁场触头结构的侧面视图。

图6a是本发明的永磁体复合磁场触头中永磁体组垂直分布轴向剖视图。

图6b是本发明的永磁体复合磁场触头中永磁体组垂直分布示意图。

图7a是本发明的永磁体复合磁场触头中永磁体组倾斜分布轴向剖视图.

图7b是本发明的永磁体复合磁场触头中永磁体组倾斜分布示意图。

图8分别是本发明的永磁体复合磁场触头中动静端两组永磁体的四种组合示意图，其中：图8a是S极和N极相对应，图8b是S极和S极相对应，图8c是N极和N极相对应，图8d是N极和S极相对应。

图9是本发明的应用永磁体复合磁场触头的真空灭弧室的平面示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。

图4是本发明的永磁体复合磁场触头结构的轴向剖视图。如图4所示，静端横向磁场触头片105和动端横向磁场触头片106是“万”字形横向磁场触头结构。在静端横向磁场触头片105和动端横向磁场触头片106背后，静端导电杆101和动端导电杆110端部分别焊接有静端永磁体组合结构201和动端永磁体组合结构202。静端永磁体组合结构201和动端永磁体组合结构202分别距离静端横向磁场触头片105和动端横向磁场触头片106为1-10mm。静端永磁体组合结构201包括：静端永磁体支撑环102，静端永磁体组103和静端永磁体支撑盖板104。静端永磁体支撑环102固定在静端导电杆101的端部，静端永磁体支撑环102下部沿圆周均匀分布有静端永磁体组103。静端永磁体支撑环102底部连接有静端永磁体支撑盖板104，目的是在燃弧过程中，防止电弧对于永磁体产生烧蚀。动端永磁体组合结构202包括：动端永磁体支撑环109，动端永磁体组108和动端永磁体支撑盖板107。动端永磁体支撑环109固定在动端导电杆110的端部，动端永磁体支撑环109上部沿圆周均匀分布有动端永磁体组108。动端永磁体支撑环102顶部连接有动端永磁体支撑盖板107。静端永磁体组合结构201和动端永磁体组合结构202内部的静端永磁体组103和动端永磁体组108各自的数量为3-20个。静端永磁体组103和动端永磁体组108分布在静端永磁体支撑环102和动端永磁体支撑环109上沿圆周均匀分布。静端永磁体组103和动端永磁体组108的永磁体的轴线与静端导电杆101和动端导电杆110的轴线可以平行，也可以保持一定的夹角，夹角范围为1～70°。静端永磁体组103和动端永磁体组108配合之后在触头间隙产生磁场，与静端横向磁场触头片105和动端横向磁场触头片106在燃弧过程中产生的磁场共同作用于电弧，实现对于电弧的有效控制。

图5是本发明的永磁体复合磁场触头结构的侧面视图。如图5所示静端横向磁场触头片105和动端横向磁场触头片106为“万”字形横向磁场结构，并且开槽方向匹配，使得在燃弧期间触头间隙中产生横向磁场。静端永磁体支撑环102和动端永磁体支撑环109分别固定在静端导电杆101和动端导电杆110端部的静端横向磁场触头片105和动端横向磁场触头片106的背部，并与静端横向磁场触头片105和动端横向磁场触头片106保持1-10mm的距离。

图6a和图6b分别是本发明的永磁体复合磁场触头中永磁体组垂直分布轴向剖视图和示意图。静端永磁体组103和动端永磁体组108分布在静端永磁体支撑环102和动端永磁体支撑环109上沿圆周均匀分布。静端永磁体组103和动端永磁体组108的永磁体的轴线与静端导电杆101和动端导电杆110的轴线可以保持平行。

图7a和图7b分别是本发明的永磁体复合磁场触头中永磁体组倾斜分布轴向剖视图和示意图。静端永磁体组103和动端永磁体组108分布在静端永磁体支撑环102和动端永磁体支撑环109上沿圆周均匀分布。静端永磁体组103和动端永磁体组108的永磁体的轴线与静端导电杆101和动端导电杆110的轴线可以保持一定的夹角，夹角β的范围为1～70°。

图8分别是本发明的永磁体复合磁场触头中动静端两组永磁体的四种组合示意图。如图8所示，在静端横向磁场触头片105和动端横向磁场触头片106背后分别设置静端永磁体组103和动端永磁体组108。静端永磁体组103中的永磁体的S极和N极保持一致。动端永磁体组108中的永磁体的S极和N极保持一致。静端永磁体组103和动端永磁体组108可以是S极和N极相对应(图8a)，S极和S极相对应(图8b)，也可以是N极和N极相对(图8c)，N极和S极相对(图8d)。

图9是本发明的应用新型永磁体复合磁场触头的真空灭弧室的平面示意图。如图9所示，灭弧室中的导杆以及触头的布置与传统灭弧室相同。从上到下依次是灭弧室静端盖板121以及从灭弧室静端盖板121中心穿过的静端导电杆101。静端横向磁场触头片105连接在静端导电杆101的下端。距离静端横向磁场触头片105的背部1-10mm处，静端导电杆101的下端连接有静端永磁体支撑环102。静端永磁体支撑环102下部沿圆环均匀分布有静端永磁体组103，静端永磁体支撑环102下部连接有静端永磁体支撑盖板104。灭弧室静端盖板121与静端绝缘壳体123连接。静端绝缘壳体123连接着动端绝缘壳体124。灭弧室动端盖板128置于灭弧室下侧，通过波纹管126与动端导电杆110连接。在动端导电杆110上方连接有动端横向磁场触头片106。距离动端横向磁场触头片106的背部1-10mm处，动端导电杆110的上端连接有动端永磁体支撑环109。动端永磁体支撑环109上部沿圆环均匀分布有动端永磁体组108，动端永磁体支撑环109顶部连接有动端永磁体支撑盖板107。在灭弧室内部从上往下分布着静端端部屏蔽罩122，中央屏蔽罩125，以及动端端部屏蔽罩127。灭弧室中所应用的中央屏蔽罩125的材料可以选择耐电弧烧蚀的CuCr合金材料。

本发明不局限于上述优选实施方式，本领域的技术人员可以根据本发明的教导对本发明的新型永磁体复合磁场触头结构真空灭弧室及其应用的真空断路器做出修改和变化。所有这些修改和变化均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种新型永磁体复合磁场触头结构，其特征在于：包括一对横向磁场触头片以及置于横向磁场触头片背后的一对永磁体组合结构；所述一对横向磁场触头片包括静端横向磁场触头片(105)和动端横向磁场触头片(106)，静端横向磁场触头片(105)背部的静端导电杆(101)上焊接有静端永磁体组合结构(201)，动端横向磁场触头片(106)背部的动端导电杆(110)上焊接有动端永磁体组合结构(202)，静端永磁体组合结构(201)和动端永磁体组合结构(202)分别靠近静端横向磁场触头片(105)和动端横向磁场触头片(106)的背部，但并不接触；所述静端永磁体组合结构(201)包括周向均匀开有多个槽口的静端永磁体支撑环(102)，置于静端永磁体支撑环(102)槽口内的静端永磁体组(103)以及覆盖静端永磁体组(103)的静端永磁体支撑盖板(104)；所述动端永磁体组合结构(202)与静端永磁体组合结构(201)的结构组成相同，包括周向均匀开有多个槽口的动端永磁体支撑环(109)，置于动端永磁体支撑环(109)槽口内的动端永磁体组(108)以及覆盖动端永磁体组(108)的动端永磁体支撑盖板(107)；所述静端永磁体组(103)中的永磁体的S极和N极保持一致，动端永磁体组(108)中的永磁体的S极和N极也保持一致；所述静端永磁体组(103)和动端永磁体组(108)配合之后在触头间隙产生磁场，与静端横向磁场触头片(105)和动端横向磁场触头片(106)在燃弧过程中产生的磁场共同作用于电弧，实现对于电弧的有效控制；

所述静端永磁体组(103)和动端永磁体组(108)中的永磁体的轴线分别与静端导电杆(101)和动端导电杆(110)的轴线平行或保持预设的夹角1～70°；

所述静端永磁体组(103)和动端永磁体组(108)中的永磁体为S极和N极相对、N极和S极相对、S极和S极相对或N极和N极相对；

所述静端永磁体组合结构(201)和动端永磁体组合结构(202)分别与静端横向磁场触头片(105)和动端横向磁场触头片(106)的距离为1-10mm。

2.根据权利要求1所述的新型永磁体复合磁场触头结构，其特征在于：所述静端横向磁场触头片(105)和动端横向磁场触头片(106)为螺旋槽横向磁场触头结构或“万”字形横向磁场触头结构，且开槽方向匹配。

3.根据权利要求1所述的新型永磁体复合磁场触头结构，其特征在于：所述静端永磁体组(103)和动端永磁体组(108)的数量相同，为3-20个。

4.一种真空灭弧室，其特征在于：所述真空灭弧室包括权利要求1至3任一项所述的新型永磁体复合磁场触头结构。