CN106128851A - 一种新型两极式复合纵磁铁心式触头结构及真空灭弧室 - Google Patents

一种新型两极式复合纵磁铁心式触头结构及真空灭弧室 Download PDF

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Abstract

一种新型两极式复合纵磁铁心式触头结构，包括静端触头和动端触头，静端触头包括带有磁场线圈结构的静端触头片，依次焊接在其背部的两极式马蹄形静端铁心组和静端导电杆；带有磁场线圈结构的静端触头片通过开槽在其上形成了功能不同的三种区域；动端触头包括与静端触头的带有磁场线圈结构的静端触头片位置相对的带有磁场线圈结构的动端触头片，依次焊接在其背部的两极式马蹄形动端铁心组和动端导电杆；带有磁场线圈结构的动端触头片与带有磁场线圈结构的静端触头片的开槽方向相匹配，两者的中轴线相平行，两者的开槽方向相差180°；动、静端触头片的磁场线圈结构在触头燃弧过程中在触头间隙产生两极分布的纵向磁场；本发明解决了现有两极式马蹄形铁心式触头开距较小，无法应用到更大开距的高电压等级的问题。

Description

一种新型两极式复合纵磁铁心式触头结构及真空灭弧室
技术领域
本发明属于大电流真空断路器技术领域，具体涉及一种新型两极式复合纵磁铁芯式触头结构及其应用的真空灭弧室。
背景技术
随着电力系统的发展，真空断路器以及相关的真空开断技术设备在整个电力系统中的应用也得以快速的发展。真空灭弧室从最初的平板触头结构，逐渐发展出了各种磁场控制触头结构，主要包括了横向磁场触头结构和纵向磁场触头结构。其中纵向磁场技术通过触头结构，形成与电弧电流流向平行的磁场，使得真空电弧分布更加均匀，减少了真空电弧的集聚，减轻了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。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，触头结构导通电阻较大，对于额定电流有较大限制。
在20多年前，荷兰HOLEC公司成功地推出了一种马蹄形铁心式纵向磁场触头结构的真空灭弧室，其触头结构如图1所示。在导电杆1部分设置了一个马蹄形铁磁体2，当导电杆1通入电流I时，在马蹄形铁磁体2中将产生一个纵向磁场H。由于铁磁体部分有一大的开口，纵向磁场H将遇到一个较大的磁阻，于是一部分纵向磁通被迫在电极触头3间转向180°成为与电流线平行的纵向方向磁通，并且纵向磁场在穿过触头轴线和开口中心线段平面的两侧具有相反方向，图中4为保护罩。
上述电极结构具有以下优点：结构简单，加工方便；电流从导电杆直接流入触头片，触头电阻较小，机械强度较好；产生的纵向磁场磁通密度较线圈式的要高，而且剩余磁场较小；并且由于纵向磁场在穿过触头轴线和开口中心线段平面的两侧具有相反方向，因此触头表面的涡流较小。
但是，在实际的应用中，上述马蹄形铁心式触头在较小开距下对于电弧能够起到有效的控制，而由于受到马蹄形铁磁体开口距离的限制，在大开距下其触头结构很难实现对于电弧的有效控制，限制了此种触头结构在更大触头开距的高电压等级真空断路器中的应用。
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两极式复合纵磁铁心式触头结构及其应用的真空灭弧室，解决了现有两极式马蹄形铁心式触头开距较小，无法应用到更大开距的高电压等级的问题。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种新型两极式复合纵磁铁芯式触头结构，包括静端触头201和动端触头202，所述静端触头201包括带有磁场线圈结构的静端触头片104，依次焊接在带有磁场线圈结构的静端触头片104背部的两极式马蹄形静端铁心组103和静端导电杆101，焊接在两极式马蹄形静端铁心组103背侧的静端导电杆101上的静端触头背部盖板102；所述带有磁场线圈结构的静端触头片104通过开槽在其上形成了功能不同的三种区域，分别为导电杆支撑区域305，第一线圈励磁区域302和第二线圈励磁区域304，以及第一燃弧区域301和第二燃弧区域303；所述动端触头202包括与静端触头201的带有磁场线圈结构的静端触头片104位置相对的带有磁场线圈结构的动端触头片105，依次焊接在带有磁场线圈结构的动端触头片105背部的两极式马蹄形动端铁心组106和动端导电杆108，焊接在两极式马蹄形动端铁心组106背侧的动端导电杆108上的动端触头背部盖板107；所述带有磁场线圈结构的动端触头片105通过开槽在其上也形成了同样的功能不同的三种区域，且与带有磁场线圈结构的静端触头片104的开槽方向相匹配，两者的中轴线相平行，两者的开槽方向相差180°，带有磁场线圈结构的静端触头片104和带有磁场线圈结构的动端触头片105同一侧的相对应的线圈励磁区域产生的磁场方向相同；
所述静端触头201和动端触头202在触头拉开的燃弧过程中在其各自的触头片的磁场线圈结构中会形成两组方向相反的电流分流；带有磁场线圈结构的静端触头片104和带有磁场线圈结构的动端触头片105上的两组分流在触头间隙产生了两极式纵向磁场分布。
所述带有磁场线圈结构的静端触头片104的开槽沿其中轴线呈轴对称分布于表面；其单侧的开槽结构由依次连接的长直槽401、小圆弧槽402、短直槽403和大圆弧槽404组成；长直槽401从触头边缘开始，长直槽401与短直槽403均与触头片表面中轴线平行且距离中轴线的距离相等，并且长直槽401与短直槽403的中心线距离触头片表面中轴线的距离L为触头直径长度的5～30％；所述小圆弧槽402的半径r为触头片半径5～50％；所述大圆弧槽404的半径R为触头片半径的50～99％；所述大圆弧槽404的圆弧所对的圆心角β为20～180°。
所述两极式马蹄形静端铁心组103的形状为马蹄形，其开口方向与带有磁场线圈结构的静端触头片104的边缘处开槽缺口方向相同；所述两极式马蹄形动端铁心组106的形状为马蹄形，其开口方向与带有磁场线圈结构的动端触头片105的边缘处开槽缺口方向相同；两极式马蹄形静端铁心组103与两极式马蹄形动端铁心组106的开口方向相差180°，形成匹配。
由于触头开槽结构和角度的配合，在燃弧期间，电弧电流发生的改变，在经过带有磁场线圈结构的静端触头片104和带有磁场线圈结构的动端触头片105时，将在触头间隙产生两极的纵向磁场；并且带有磁场线圈结构的静端触头片104和带有磁场线圈结构的动端触头片105产生的两极纵向磁场与其背部的两极式马蹄形静端铁心组103和两极式马蹄形动端铁心组106产生的两极纵向磁场的磁场方向相匹配，达到增强的效果。
带有磁场线圈结构的静端触头片104在燃弧过程中在触头间隙产生了两极纵向磁场，在燃弧导流过程中，第一线圈励磁区域302和第二线圈励磁区域304分别产生磁力线方向相反并且与导电杆轴线平行的两个磁场区域，第一线圈励磁区域302和第二线圈励磁区域304产生的两个磁场区域与其对应区域的两极式马蹄形静端铁心组103感应产生的两个磁场区域的磁场方向相同，形成匹配。带有磁场线圈结构的静端触头片104和位置相对的带有磁场线圈结构的动端触头片105在触头拉开的燃弧过程中在其各自触头片的磁场线圈结构中会形成两组方向相反的电流分流；带有磁场线圈结构的静端触头片104和带有磁场线圈结构的动端触头片105上的两组分流在触头间隙产生了两极式纵向磁场分布。
一种真空灭弧室，所述真空灭弧室包括上述所述的新型两极式复合纵磁马蹄形铁芯式触头结构。带有磁场线圈结构的静端触头片104和位置相对的带有磁场线圈结构的动端触头片105在触头拉开的燃弧过程中在其各自触头片的磁场线圈结构中会形成两组方向相反的电流分流；带有磁场线圈结构的静端触头片104和带有磁场线圈结构的动端触头片105上的两组分流在触头间隙产生了两极式纵向磁场分布。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)触头结构简单，触头电阻小；触头的整体结构十分简单，只是在动静触头的表面进行了相应的开槽处理，就使得触头表面在燃弧期间在触头间隙形成两极纵向磁场。在触头闭合时，电流通过动、静触头中心的接触区域直接导通，因此具有和传统两极式马蹄形铁心式触头相同的较小的触头电阻。
2)利用简单的触头片磁场结构和马蹄形铁片组形成了复合纵向磁场；在燃弧过程中，通过对触头片的设计，结合其两极式电弧的固有特性，以及动、静触头片结构的巧妙配合，使得触头间隙在燃弧期间形成两极纵向磁场。并且由动、静触头片结构产生的两极纵向磁场与铁心组产生的两极纵磁方向互相匹配。
3)实现了在大开距下两极纵磁对于电弧的有效控制；在小开距条件下，由铁心组产生的两极纵磁可以对电弧进行有效的控制；在大开距条件下，随着动、静触头的铁心组的距离增大，其感生的纵向磁场快速衰减。在此时，由动、静触头片结构产生的两极纵向磁场受开距的影响较小，可以继续实现对于电弧的控制。
附图说明
图1是荷兰HOLEC公司提出的传统的两极式马蹄形铁心式触头结构的示意图，其中图1(a)为触头整体结构，其中图1(b)为触头纵向磁场励磁示意图
图2是本发明的新型两极式复合纵磁铁芯式触头结构的示意图。
图3是本发明的新型两极式复合纵磁触头片开槽结构的示意图。
图4是本发明的新型两极式复合纵磁触头片的动、静触头片开槽结构的匹配示意图。
图5是本发明的新型两极式复合纵磁铁芯式触头结构的触头片开槽方向以及相应的马蹄形铁心组的开口方向匹配示意图。
图6是本发明的新型两极式复合纵磁铁芯式触头结构的轴向剖视图。
图7是本发明的应用新型两极式复合纵磁铁芯式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。
如图2所示，本发明一种新型两极式复合纵磁铁芯式触头结构，包括动端触头202和静端触头201两个部分。静端触头201由带有磁场线圈结构的静端触头片104，两极式马蹄形静端铁心组103和静端触头背部盖板102组成。所述的带有磁场线圈结构的静端触头片104，通过开槽，在带有磁场线圈结构的静端触头片104形成了功能不同的三种区域。在带有磁场线圈结构的静端触头片104背部焊接有两极式马蹄形静端铁心组103和静端导电杆101，在两极式马蹄形静端铁心组103背侧的静端导电杆上焊接有静端触头背部盖板102。动端触头202由带有磁场线圈结构的动端触头片105，两极式马蹄形动端铁心组106和动端触头背部盖板107组成。在带有磁场线圈结构的动端触头片105背部焊接有两极式马蹄形动端铁心组106和动端导电杆108，在两极式马蹄形动端铁心组106背侧的动端导电杆上焊接有动端触头背部盖板107。静端触头201的带有磁场线圈结构的动端触头片104开槽与动端触头202的带有磁场线圈结构的动端触头片105的开槽方向相匹配，两者的开槽方向相差180°。带有磁场线圈结构的静端触头片104和带有磁场线圈结构的动端触头片105同一侧的相对应的线圈励磁区域产生的磁场方向相同。
图3所示是本发明的新型两极式复合纵磁触头片结构的示意图。所述的带有磁场线圈结构的静端触头片104的开槽沿其中轴线呈轴对称分布于触头表面。其单侧的开槽结构主要由长直槽401，小圆弧槽402、短直槽403和大圆弧槽404组成。长直槽401从触头边缘开始，在其端部连接有小圆弧槽402。所述小圆弧槽402的另一端连接有短直槽403。所述短直槽403的另一端连接有大圆弧槽404。长直槽401与短直槽403均与触头表面中轴线平行且距离中轴线的距离相等，并且长直槽401与短直槽403的中心线距离触头表面中轴线的距离L可以为触头直径长度的5～30％。所述小圆弧槽402的半径r可以为触头半径的长度的5～50％。所述大圆弧槽404的半径R可以为触头半径的长度的50～99％。所述大圆弧槽404的圆弧所对的圆心角β可以为20～180°。
如图3所示，所述的带有磁场线圈结构的静端触头片104，通过开槽，在带有磁场线圈结构的静端触头片104形成了功能不同的三种区域，分别是导电杆支撑区域305，第一线圈励磁区域302和第二线圈励磁区域304，以及第一燃弧区域301和第二燃弧区域303。
图4所示是本发明的新型两极式复合纵磁触头片的动、静触头片开槽方向匹配的示意图。静端触头201的带有磁场线圈结构的静端触头片104开槽与动端触头202的带有磁场线圈结构的动端触头片105的开槽方向相匹配，两者的开槽方向相差180°，两者的表面中轴线相平行。带有磁场线圈结构的静端触头片104和带有磁场线圈结构的动端触头片105同一侧的相对应的线圈励磁区域产生的磁场方向相同。
图5所示是本发明的新型两极式复合纵磁铁芯式触头结构的触头片开槽方向以及相应的铁心组的开口方向匹配示意图。静端触头201的带有磁场线圈结构的静端触头片104开槽与动端触头202的带有磁场线圈结构的动端触头片105的开槽方向相匹配，两者的开槽方向相差180°。带有磁场线圈结构的静端触头片104和带有磁场线圈结构的动端触头片105同一侧的相对应的线圈励磁区域产生的磁场方向相同。所述两极式马蹄形静端铁心组103的开口方向与带有磁场线圈结构的静端触头片104的边缘处开槽缺口方向相同。所述两极式马蹄形动端铁心组106的开口方向与带有磁场线圈结构的动端触头片105的边缘处开槽缺口方向相同。静端触头201的两极式马蹄形静端铁心组103与动端触头202的两极式马蹄形动端铁心组106的开口方向相差180°，形成匹配。在燃弧过程中电弧电流I在带有磁场线圈结构的静端触头片104上分流为Ia和Ib。Ia和Ib在流经相应的线圈励磁区域时，分别产生方向不同的纵向磁场区域。电流通过触头间隙，到带有磁场线圈结构的动端触头片105，两组电流Ic和Id流经相应的线圈励磁区域然后汇总到触头中心区域。电流Ic和Id流经相应的线圈励磁区域时，也分别产生方向不同的纵向磁场区域。因此在触头间隙形成了两极纵向磁场的分布。带有磁场线圈结构的静端触头片104和位置相对的带有磁场线圈结构的动端触头片105在触头拉开的燃弧过程中在其各自触头片的磁场线圈结构中会形成两组方向相反的电流分流；带有磁场线圈结构的静端触头片104和带有磁场线圈结构的动端触头片105上的两组分流在触头间隙产生了两极式纵向磁场分布。
图6是本发明的新型两极式复合纵磁铁芯式触头结构的轴向剖视图。主要动端触头202和静端触头201两个部分。静端触头201由带有磁场线圈结构的静端触头片104，两极式马蹄形静端铁心组103和静端触头背部盖板102组成。在带有磁场线圈结构的静端触头片104背部焊接有两极式马蹄形静端铁心组103和静端导电杆101，在两极式马蹄形静端铁心组103背侧的静端导电杆上焊接有静端触头背部盖板102。动端触头202由带有磁场线圈结构的动端触头片105，两极式马蹄形动端铁心组106和动端触头背部盖板107组成。在带有磁场线圈结构的动端触头片105背部焊接有两极式马蹄形动端铁心组106和动端导电杆108，在两极式马蹄形动端铁心组106背侧的动端导电杆上焊接有动端触头背部盖板107。
图7是本发明的应用新型两极式复合纵磁铁芯式触头的真空灭弧室的平面示意图。如图7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。静端触头201连接在静端导电杆101的下端。静端触头201由带有磁场线圈结构的静端触头片104，两极式马蹄形静端铁心组103和静端触头背部盖板102组成。其中，在带有磁场线圈结构的静端触头片104背部焊接有两极式马蹄形静端铁心组103和静端导电杆101，在两极式马蹄形静端铁心组103背侧的静端导电杆上焊接有静端触头背部盖板102。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125。灭弧室动端盖板128至于灭弧室下侧，通过波纹管126与动端导电杆108连接。在动端导电杆108上方连接有动端触头202。动端触头202由带有磁场线圈结构的动端触头片105，两极式马蹄形动端铁心组106和动端触头背部盖板107组成。其中在带有磁场线圈结构的动端触头片105背部焊接有两极式马蹄形动端铁心组106和动端导电杆108，在两极式马蹄形动端铁心组106背侧的动端导电杆上焊接有动端触头背部盖板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124，以及动端端部屏蔽罩127。
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两极式复合纵磁铁芯式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 (5)

1.一种新型两极式复合纵磁铁芯式触头结构，包括静端触头(201)和动端触头(202)，其特征在于：
所述静端触头(201)包括带有磁场线圈结构的静端触头片(104)，依次焊接在带有磁场线圈结构的静端触头片(104)背部的两极式马蹄形静端铁心组(103)和静端导电杆(101)，焊接在两极式马蹄形静端铁心组(103)背侧的静端导电杆(101)上的静端触头背部盖板(102)；所述带有磁场线圈结构的静端触头片(104)通过开槽在其上形成了功能不同的三种区域，分别为导电杆支撑区域(305)，第一线圈励磁区域(302)和第二线圈励磁区域(304)，以及第一燃弧区域(301)和第二燃弧区域(303)；
所述动端触头(202)包括与静端触头(201)的带有磁场线圈结构的静端触头片(104)位置相对的带有磁场线圈结构的动端触头片(105)，依次焊接在带有磁场线圈结构的动端触头片(105)背部的两极式马蹄形动端铁心组(106)和动端导电杆(108)，焊接在两极式马蹄形动端铁心组(106)背侧的动端导电杆(108)上的动端触头背部盖板(107)；所述带有磁场线圈结构的动端触头片(105)通过开槽在其上也形成了同样的功能不同的三种区域，且与带有磁场线圈结构的静端触头片(104)的开槽方向相匹配，两者的中轴线相平行，两者的开槽方向相差180°，带有磁场线圈结构的静端触头片(104)和带有磁场线圈结构的动端触头片(105)同一侧的相对应的线圈励磁区域产生的磁场方向相同；
所述静端触头(201)和动端触头(202)在触头拉开的燃弧过程中在其各自的触头片的磁场线圈结构中会形成两组方向相反的电流分流；带有磁场线圈结构的静端触头片(104)和带有磁场线圈结构的动端触头片(105)上的两组分流在触头间隙产生了两极式纵向磁场分布。
2.根据权利要求1所述的一种新型两极式复合纵磁铁芯式触头结构，其特征在于：所述带有磁场线圈结构的静端触头片(104)的开槽沿其中轴线呈轴对称分布于表面；其单侧的开槽结构由依次连接的长直槽(401)、小圆弧槽(402)、短直槽(403)和大圆弧槽(404)组成；长直槽(401)从触头边缘开始，长直槽(401)与短直槽(403)均与触头片表面中轴线平行且距离中轴线的距离相等，并且长直槽(401)与短直槽(403)的中心线距离触头片表面中轴线的距离L为触头直径长度的5～30％；所述小圆弧槽(402)的半径r为触头片半径5～50％；所述大圆弧槽(404)的半径R为触头片半径的50～99％；所述大圆弧槽(404)的圆弧所对的圆心角β为20～180°。
3.根据权利要求1所述的一种新型两极式复合纵磁铁芯式触头结构，其特征在于：所述两极式马蹄形静端铁心组(103)的形状为马蹄形，其开口方向与带有磁场线圈结构的静端触头片(104)的边缘处开槽缺口方向相同；所述两极式马蹄形动端铁心组(106)的形状为马蹄形，其开口方向与带有磁场线圈结构的动端触头片(105)的边缘处开槽缺口方向相同；两极式马蹄形静端铁心组(103)与两极式马蹄形动端铁心组(106)的开口方向相差180°，形成匹配。
4.根据权利要求1所述的一种新型两极式复合纵磁铁芯式触头结构，其特征在于：由于触头开槽结构和角度的配合，在燃弧期间，电弧电流发生的改变，在经过带有磁场线圈结构的静端触头片(104)和带有磁场线圈结构的动端触头片(105)时，将在触头间隙产生两极的纵向磁场；并且带有磁场线圈结构的静端触头片(104)和带有磁场线圈结构的动端触头片(105)产生的两极纵向磁场与其背部的两极式马蹄形静端铁心组(103)和两极式马蹄形动端铁心组(106)产生的两极纵向磁场的磁场方向相匹配，达到增强的效果。
5.一种真空灭弧室，其特征在于：所述真空灭弧室包括权利要求1-4任一项所述的新型两极式复合纵磁铁芯式触头结构。
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