CN105551881A - 真空灭弧室、真空灭弧室触头及直流真空断路器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及真空灭弧室、真空灭弧室触头及直流真空断路器。其中直流真空断路器包括操动机构和真空灭弧室，真空灭弧室包括动触头和静触头，动触头朝向静触头的端面上或静触头朝向动触头的端面上设有灭弧栅片，灭弧栅片沿动触头或静触头的触头径向延伸并沿周向均布；直流真空断路器还包括用于产生使电弧绕真空灭弧室的轴线旋转的横向磁场的磁场装置。分闸时，电弧运动过程中在横向磁场产生的磁吹力作用下被送入到灭弧栅片的间隔中，并在灭弧栅片的作用下被切割成若干个串联的短弧，一方面电弧被拉长，另一方面在栅片表面形成一连串的近极压降，再加上电弧还会受到栅片的冷却作用，电弧很快熄灭，实现对高压直流电流的分断。

Description

真空灭弧室、真空灭弧室触头及直流真空断路器
技术领域
本发明涉及真空灭弧室、真空灭弧室触头及直流真空断路器。
背景技术
基于柔性直流的多端直流输电和直流电网技术是解决新能源并网和消纳问题的有效技术手段之一，而高压直流断路器是构建直流电网的关键设备，对直流输电系统和直流电网的安全可靠运行有着极其重要的作用。但一直以来在高电压、大电流条件下，如何解决直流电流无自然过零点而难以开断，以及直流短路电流上升速度快，要求其数毫秒内开断的问题，困扰着国内外学术界和工程界，因此被誉为电力技术领域的百年难题。
目前高压直流断路器的研究逐渐得到了研究人员和电力工程技术专家的重视，并得到了迅速发展。从近二十年的高压直流断路器发展史来看，高压直流断路器大体可分为三大类型：基于交流断路器和震荡回路的高压直流断路器；基于电力电子器件的全固态高压直流断路器；整合前两者优点的混合式高压直流断路器。各自特点如下：
1、基于交流断路器和震荡回路的高压直流断路器
直流电不存在电流自然过零点，灭弧困难。所以在中高压领域，一般是通过常规交流断路器加振荡换流回路（能够在开断直流电流过程中自动形成高频振荡电流过零点）的方式，以解决直流开断时的灭弧问题。但交流断路器的故障电流切除时间长达几十毫秒，短路电流急剧增大并在绝大部分情况下超过了直流断路器的极限分断电流，导致直流断路器无法分断故障电流，或造成其他电力设备的故障，造成事故进一步扩大化。目前此种直流断路器已很难满足中高压直流输配电网络对断路器的苛刻要求，只在某些特殊场合有应用。
2、固态直流断路器
20世纪70年代末，出现了以晶闸管（SCR）作为开关元件的直流断路器，因其采用电力电子器件作为对电流的通、断控制，故被称为固态直流断路器。20世纪80年代以来，随着门极可关断晶闸管（GTO）、发射极关断晶闸管（ETO）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、集成门极换流晶闸管（IGCT）、隔离栅场效应晶体管（IGET）等全控器件的诞生，固态断路器得到了极大的发展。
相对机械式直流断路器，固态直流断路器具有无触头、投切快速、无弧无声响、开关时刻准确可控、工作可靠性高、寿命长等优点，特别适用于直流输配电网等速动性要求高的场合。但固态直流断路器存在容易过压过流、器件通态损耗高、冷却系统笨重，以及一致性差和价格昂贵等不足之处，这在一定程度上制约了其工业化应用。
3、混合式固态断路器
混合式直流断路器由电子回路和高速隔离开关构成，他综合了机械开关良好的静态特性与电力电子器件良好的动态性能。混合式直流断路器根据换流关断原理的不同，可分为自然换流关断型与强制换流关断型两种。自然换流关断型混合式直流断路器由于目前IGBT等全控型电力电子器件单管额定电压、电流均有限，在高压、大电流应用场合下，解决多管串、并联等一系列技术问题难度较大，因此，这种类型的直流断路器多用于容量较小的场合。强制换流关断型混合式直流断路器的换流关断原理类似于机械式直流断路器，即也采用电感、电容串联谐振回路产生谐振电流，从而制造电流过零点实现快速开断与灭弧。这种类型的直流断路器多用于容量较大的场合。
混合式直流断路器综合了机械式断路器与固态断路器的优点，具有通态损耗小、开断快速可控、无弧（微弧）无响声、开关寿命长、可靠性高、无需专用冷却设备等优点，但同样存在产品一致性差和价格昂贵等弊病，限制了其工业化应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种真空灭弧室，以解决现有的直流断路器无法分断故障直流电流和成本太高的问题。同时，本发明还提供了一种真空灭弧室触头和直流真空断路器。
本发明中采用的技术方案是：真空灭弧室，包括动触头和静触头，所述动触头朝向静触头的端面上或所述静触头朝向动触头的端面上立设有灭弧栅片，所述灭弧栅片沿动触头或静触头的触头径向延伸并沿周向均布；所述直流真空断路器还包括用于产生使电弧绕真空灭弧室的轴线旋转的横向磁场的磁场装置。
所述动触头和静触头为用于产生横向磁场的螺旋槽型触头或杯状触头，所述磁场装置由所述螺旋槽型触头或杯状触头形成。
所述磁场装置还包括设置在真空灭弧室外部以在动、静触头结合处产生横向磁场的环形永磁体。
直流真空断路器，包括真空灭弧室，真空灭弧室包括动触头和静触头，所述动触头朝向静触头的端面上或所述静触头朝向动触头的端面上立设有灭弧栅片，所述灭弧栅片沿动触头或静触头的触头径向延伸并沿周向均布；所述直流真空断路器还包括用于产生使电弧绕真空灭弧室的轴线旋转的横向磁场的磁场装置。
所述动触头和静触头为用于产生横向磁场的螺旋槽型触头或杯状触头，所述磁场装置由所述螺旋槽型触头或杯状触头形成。
所述磁场装置还包括设置在真空灭弧室外部以在动、静触头结合处产生横向磁场的环形永磁体。
真空灭弧室触头，所述真空灭弧室触头为动触头或静触头，所述动触头用于朝向静触头的端面上或所述静触头用于朝向动触头的端面上立设有灭弧栅片，所述灭弧栅片沿相应的动触头或静触头的触头径向延伸并沿周向均布。
所述真空灭弧室触头为用于产生横向磁场的螺旋槽型触头或杯状触头。
本发明采用上述技术方案，动触头朝向静触头的端面上或所述静触头朝向动触头的端面上设有灭弧栅片，所述灭弧栅片沿周向均布，各灭弧栅片立设在动触头或静触头上并沿径向延伸；所述直流真空断路器还包括用于产生使所述电弧沿真空灭弧室的轴线旋转的横向磁场的磁场装置，分闸时，电弧运动过程中在横向磁场产生的磁吹力作用下被送入到灭弧栅片的间隔中，电弧在灭弧栅片的作用下被切割成若干个串联的短弧，一方面电弧被拉长，另一方面在灭弧栅片表面会形成一连串的近极压降，再加上电弧还会受到栅片的冷却作用，此时维持燃弧的电弧电压将会急剧上升，触头两端的电压不足以维持电弧燃弧后，电弧将熄灭不再重燃，触头间的绝缘特性得以迅速恢复，分闸完成，实现对高压直流电流的分断，同时采用真空灭弧室结构，结构简单、紧凑、体积小、成本低。
附图说明
图1是本发明中直流真空断路器的结构示意图；
图2是图1中动触头的俯视图。
图中各附图标记对应的名称为：1—真空灭弧室，2—电磁斥力机构，3—静导电杆，4—静触头，5—永磁体，6—灭弧栅片，7—动触头，8—波纹管，9—铜排，10—动导电杆，11—绝缘拉杆。
具体实施方式
本发明中直流真空断路器的一个实施方案，例如图1~图2所示，包括主体、真空灭弧室1和操动机构。真空灭弧室1内设有静触头4和动触头7，静触头4与静导电杆3连接，动触头7与铜排9、动导电杆10连接，并与绝缘拉杆11传动连接，能够通过绝缘拉杆11在操动机构驱动下运动实现分合闸。
动触头7朝向静触头4的上端面上设有灭弧栅片6，灭弧栅片6立设在动触头7上，垂直于动触头7的端面，延伸方向沿触头径向延伸。各灭弧栅片6沿周向均布，形成放射状布置结构。动触头7和静触头4均采用能够产生横向磁场的螺旋槽型触头或杯状触头，该种功能的触头为现有技术，具体结构此处不再详细说明。为了适应动触头7上设置的灭弧栅片6，静触头4朝向动触头7的端面整体为平滑端面，其上设有供灭弧栅片6插入以在合闸时避开灭弧栅片6的凹槽。为了增强磁场效果，真空灭弧室1外部在与动、静触头4的结合处还套设有环形永磁体5，同样能够形成横向磁场，与触头形成的磁场叠加后形成新的磁场。为了提高触头寿命，静触头4和动触头7选取工作电压高、分断容量大、高截流特性、耐高电压、抗电弧烧蚀的材料制作。
为了获得更快的分断速度，该直流真空断路器的操动机构采用电磁斥力机构2。
上述直流真空断路器的分闸过程：分闸时，电磁斥力机构2带动绝缘拉杆11、动触头7运动，实现动触头7和静触头4的分离。触头刚分瞬间形成真空电弧，同时电弧在运动过程中受到叠加的横向磁场产生的磁吹力的作用下，电弧一方面沿着触头表面不断地高速转动，从而避免了触头表面的严重熔化，另一方面电弧朝着触头外缘螺旋运动。随着电弧的螺旋运动，电弧进入灭弧栅片6，电弧在灭弧栅片6的作用下被切割成若干个串联的短弧，一方面电弧被拉长，另一方面在灭弧栅片6表面会形成一连串的近极压降，再加上电弧还会受到灭弧栅片6的冷却作用和器壁侵蚀蒸汽的影响，此时维持燃弧的电弧电压将会急剧上升，触头两端的电压不足以维持电弧燃弧后，电弧将熄灭不再重燃，触头间的绝缘特性得以迅速恢复，分闸完成，实现高压直流的可靠分断。
在上述实施例中，动触头7和静触头4采用的螺旋槽型触头或杯状触头以及环形永磁体5共同构成用于产生使电弧绕真空灭弧室1的轴线旋转的横向磁场的磁场装置，在本发明的其他实施例中，磁场装置也可以替换为其他形式，例如利用线圈形成电磁场，也可以仅依靠螺旋槽型触头或杯状触头产生磁场，或仅依靠永磁体5产生磁场。另外，根据电弧运动轨迹，灭弧栅片6可以与触头端面具有一定夹角。再者，在其他实施例中，操动机构也可以替换为其他形式。
本发明中真空灭弧室的一个实施例即上述真空灭弧室，真空灭弧室触头的一个实施例即上述真空灭弧室的动触头，具体结构此处不再赘述。

Claims (8)

1.真空灭弧室，包括动触头和静触头，其特征在于：所述动触头朝向静触头的端面上或所述静触头朝向动触头的端面上立设有灭弧栅片，所述灭弧栅片沿动触头或静触头的触头径向延伸并沿周向均布；所述直流真空断路器还包括用于产生使电弧绕真空灭弧室的轴线旋转的横向磁场的磁场装置。
2.根据权利要求1所述的真空灭弧室，其特征在于：所述动触头和静触头为用于产生横向磁场的螺旋槽型触头或杯状触头，所述磁场装置由所述螺旋槽型触头或杯状触头形成。
3.根据权利要求2所述的真空灭弧室，其特征在于：所述磁场装置还包括设置在真空灭弧室外部以在动、静触头结合处产生横向磁场的环形永磁体。
4.直流真空断路器，包括真空灭弧室，真空灭弧室包括动触头和静触头，其特征在于：所述动触头朝向静触头的端面上或所述静触头朝向动触头的端面上立设有灭弧栅片，所述灭弧栅片沿动触头或静触头的触头径向延伸并沿周向均布；所述直流真空断路器还包括用于产生使电弧绕真空灭弧室的轴线旋转的横向磁场的磁场装置。
5.根据权利要求4所述的直流真空断路器，其特征在于：所述动触头和静触头为用于产生横向磁场的螺旋槽型触头或杯状触头，所述磁场装置由所述螺旋槽型触头或杯状触头形成。
6.根据权利要求5所述的直流真空断路器，其特征在于：所述磁场装置还包括设置在真空灭弧室外部以在动、静触头结合处产生横向磁场的环形永磁体。
7.真空灭弧室触头，其特征在于：所述真空灭弧室触头为动触头或静触头，所述动触头用于朝向静触头的端面上或所述静触头用于朝向动触头的端面上立设有灭弧栅片，所述灭弧栅片沿相应的动触头或静触头的触头径向延伸并沿周向均布。
8.根据权利要求7所述的真空灭弧室触头，其特征在于：所述真空灭弧室触头为用于产生横向磁场的螺旋槽型触头或杯状触头。
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