CN106710961B - 断路器及其灭弧室、喷口 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种断路器及其灭弧室、喷口。喷口，包括管套状的喷口本体，喷口本体的两端口分别为供灭弧气体进入的进气口和供灭弧气体喷出的出气口，喷口本体内设有比进气口和出气口窄的喉部，喉部的内壁为凸设在喷口本体的内壁上的环形的缩颈台阶，缩颈台阶上开设有桥式的气流孔，气流孔的进端孔口处于缩颈台阶的朝向进气口的环端面上，气流孔的出端孔口处于缩颈台阶的内壁面上，气流孔连通在喉部和进气口之间。气流孔在缩颈台阶上起到增强喉部通流性能的作用，在静弧触头从喉部脱离的瞬间，喷口的进口中的灭弧气体可通过该气流孔作用在静弧触头的端部，以增强喉部和静弧触头脱离瞬间的气吹强度，增强灭弧效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种断路器及其灭弧室、喷口。
背景技术
目前，66 kV电压等级的电网在我国仅分布在东北地区，而应用于该电压等级的72.5 kV开关设备在国内的年需求量不像其他电压等级产品用量巨大，因此多数开关厂家不太愿意投入大量资源去研制该电压等级的产品，通常将126 kV电压等级的开关设备应用于72.5 kV。对于制造厂来说只是降低了产品的研发投入和管理成本，但长远来说对材料的消耗，对环境的污染等无疑都是得不偿失的。
高压开关设备中最关键的元件断路器目前主要有六氟化硫断路器和真空断路器两种，而72.5kV真空断路器目前在开断大电流和小电流过程中的绝缘强度，以及额定通流时的温升问题由于技术不够成熟还有待改善，因此国内外厂家大多以SF6断路器投标。国内外同类产品中，SF6额定充气压力大多在0.5MPa以上，气体的液化压力较高，不利于在东北低温环境使用；同时温室效应SF6气体使用量大，环境友好性差，气体使用成本偏高；产品运动部分在高压力的灭弧室环境中，启动瞬时阻尼增大，需要的操作功增加，增大了结构件强度设计及可靠性设计的负担，无形中增加了材料使用成本，也增大了能源消耗。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高分闸过程中灭弧气吹强度的喷口，同时还提供了一种使用该喷口的灭弧室及使用该灭弧室的断路器。
为了实现以上目的，本发明中喷口的技术方案如下：
喷口，包括管套状的喷口本体，喷口本体的两端口分别为供灭弧气体进入的进气口和供灭弧气体喷出的出气口，喷口本体内设有比进气口和出气口窄的喉部，喉部的内壁为凸设在喷口本体的内壁上的环形的缩颈台阶，缩颈台阶上开设有桥式的气流孔，气流孔的进端孔口处于缩颈台阶的朝向进气口的环端面上，气流孔的出端孔口处于缩颈台阶的内壁面上，气流孔连通在喉部和进气口之间。
气流孔的部分或全部为自喉部向进气口逐渐向喷口本体外倾斜的斜孔。
斜孔的中轴线与喷口本体的轴线之间的夹角为30°。
本发明中灭弧室的技术方案如下：
灭弧室，包括瓷套及其内同轴相对设置的动、静触头，动触头上装配有用于向静触头喷出灭弧气体的喷口，喷口包括管套状的喷口本体，喷口本体的两端口分别为供灭弧气体进入的进气口和供灭弧气体喷出的出气口，喷口本体内设有比进气口和出气口窄的喉部，喉部的内壁为凸设在喷口本体的内壁上的环形的缩颈台阶，缩颈台阶上开设有桥式的气流孔，气流孔的进端孔口处于缩颈台阶的朝向进气口的环端面上，气流孔的出端孔口处于缩颈台阶的内壁面上，气流孔连通在喉部和进气口之间。
气流孔的部分或全部为自喉部向进气口逐渐向喷口本体外倾斜的斜孔。
瓷套的内腔形状为腹部的内径比两端的内径大的鼓形。
静触头包括同轴固定在瓷套内的静端支座，定义静端支座朝向动触头的一端为内端、背向动触头的一端为外端，静端支座的外端上开设有贯通内外的介质交换窗口，静端支座的内端固定有导电端从静端支座伸出的静弧触头，静弧触头的导电端的端面到介质交换窗口的距离不小于585mm。
动触头包括连接在喷口的进气端上的压气活塞，压气活塞上连接有空心的拉杆，拉杆远离喷口的部位装配有同轴布置的导流锥，导流锥的尖端朝向喷口，并在拉杆上开设有处于导流锥朝向喷口的一侧的排气窗口。
瓷套上于静触头远离动触头的一端装配有散热帽。
本发明中断路器的技术方案如下：
断路器，包括灭弧室及其输入端传动连接的操动机构，灭弧室包括瓷套及其内同轴相对设置的动、静触头，动触头上装配有用于向静触头喷出灭弧气体的喷口，喷口包括管套状的喷口本体，喷口本体的两端口分别为供灭弧气体进入的进气口和供灭弧气体喷出的出气口，喷口本体内设有比进气口和出气口窄的喉部，喉部的内壁为凸设在喷口本体的内壁上的环形的缩颈台阶，缩颈台阶上开设有桥式的气流孔，气流孔的进端孔口处于缩颈台阶的朝向进气口的环端面上，气流孔的出端孔口处于缩颈台阶的内壁面上，气流孔连通在喉部和进气口之间。
本发明中气流孔在缩颈台阶上起到增强喉部通流性能的作用，在静弧触头从喉部脱离的瞬间，喷口的进口中的灭弧气体可通过该气流孔作用在静弧触头的端部，以增强喉部和静弧触头脱离瞬间的气吹强度，对动、静触头之间的电弧进行强烈吹拂，增强灭弧效果。同时，在动、静触头之间形成低压区后，喷口的进口端的灭弧气体可通过喉部和气流孔一起快速补充到该低压区域中，在动、静触头间形成绝缘环境，承受电弧电压，保证成功开断。
进一步的，瓷套的内腔形状为腹部的内径比两端的内径大的鼓形，这样就使得在动、静触头之间的灭弧气流在灭弧后，可先在瓷套的腹部开阔区域中膨胀散热，而后在瓷套的两端循环，从而加速了灭弧气流的冷却速度，并对灭弧后的灭弧气流起到减速和稳定压力的作用。
附图说明
图1是本发明的断路器的实施例的结构示意图；
图2是图1中灭弧室的结构示意图；
图3是图2中动、静触头间气流通道的结构示意图；
图4是图2中散热帽的结构示意图；
图5是图2中静触指的立体结构示意图；
图6是图5中静触指的单瓣触指的结构示意图；
图7是图2中表带触指的结构示意图。
具体实施方式
本发明中断路器的实施例：如图1至图7所示，该断路器是一种适用于低温环境的充气压力低、开断容量大、通流能力强的72.5kV六氟化硫断路器，其型号为LW35-72.5（H）/4000-40，且该断路器为三相分立、相间联动的柱式六氟化硫断路器。三个极柱16由两个180mm高槽钢组成的横梁17进行支撑，横梁17下方连接有处于中间位置的机构箱19，机构箱19内部为向极柱提供动能的弹簧操动机构；横梁17的下方还连接有对称布置在机构箱19两侧的支腿18，支腿18由角钢、钢板焊接成单元支腿。
三个极柱16中均设置有灭弧室，灭弧室主要由瓷套15及其内同轴相对装配的动触头、静触头组成。为了满足东北低温环境下灭弧室中SF6充气压力低于液化压力，以保证灭弧室的正常电气性能，设计72.5kV SF6断路器的最低功能充气压力为0.33MPa，灭弧室断口的开距为95mm±2mm，计算结果最大场强为13.475kV/mm，小于断路器最低功能充气压力条件下的临界击穿场强。
瓷套15采用中间粗两端稍细的鼓形瓷套设计，以使瓷套15的内腔形状为腹部的内径比两端的内径大的鼓形，这种瓷套的两小径端与常规72.5kV六氟化硫断路器灭弧室的瓷套端口尺寸一致，中部断口区域的径向尺寸稍大，且瓷套的小径段和大径段之间通过从瓷套腹部向端部逐渐缩小的锥套过渡连接，锥套的纵截面呈等腰梯形，即灭弧室瓷套两端口与中部梯形过渡，这种鼓形瓷套设计，在动、静支座窗口气流出口处形成扩张区域，有利于从喷口和活塞拉杆8吹出的气流快速冷却、减速并稳定，以恢复其绝缘性能。
动触头主要由运动模块和固定模块两部分组成。固定模块主要由动端支座9、表带触指6和压气缸体7组成，动端支座9的外端通过法兰连接固定在瓷套15的底端上，并在动端支座9上开设有沿周向间隔均布的动端交换窗口21，动端交换窗口21贯穿动端支座9的内外腔室，而动端支座9的内端连接在压气缸体7的底端上，压气缸体7的顶部开设有处于内壁上的环形凹槽，表带触指6嵌装在该环形凹槽中，表带触指6由铜接触片61复合在不锈钢弹片62上形成，与常规带状触指相比，该表带触指6同样从结构上设计实现了单片重叠区域的两点接触，提高了通流能力，从而降低同等通流条件下的发热。
运动模块主要由喷口14、导气筒13、动弧触头12、膨胀气缸11、活塞拉杆8、导流锥10组成，其中膨胀气缸11沿轴向导向移动装配在压气缸体7内，膨胀气缸11的外周面与表带触指6的内壁面导电接触，以使固定模块与运动模块通过表带触指6实现电气连接；膨胀气缸11内同轴固定有喷口14、导气筒13和动弧触头12，喷口14套装在导气筒13的外周上，导气筒13套装在动弧触头12的外周上，且动弧触头12的下方设有固定在膨胀气缸11上的活塞拉杆8，活塞拉杆8的下端从瓷套15的底部伸出。
喷口14主要由管套状的喷口本体组成，喷口本体的下端口为进气口、上端口为出气口，并在喷口本体内设有比进气口和出气口窄的喉部，喉部的内壁为凸设在喷口本体的内壁上的环形的缩颈台阶，缩颈台阶上开设有圆周均布6×φ5的桥式的气流孔22，气流孔22的进端孔口处于缩颈台阶的朝向进气口的环端面上，气流孔22的出端孔口处于缩颈台阶的内壁面上，气流孔22连通在喉部和进气口之间，气流孔22为自喉部向进气口逐渐向喷口本体外倾斜的斜孔，斜孔的中轴线与喷口本体的轴线之间的夹角为30°。断路器分闸时，在静弧触头3未出喷口14的喉部之前，借助堵塞效应，利用电弧燃烧产生的能量充分加热膨胀气缸11内的SF6气体，使得膨胀气缸11内气压升高；在静弧触头3退出喷口14的喉部瞬间，气流从高压区流向低压区，并沿喷口14的喉部喷嘴和斜孔形成的气流通道吹出集聚气流，对动触头和静触头间的电弧进行强烈吹拂。电弧熄灭后，触头间形成低压区，新的SF6气体多通道快速补充，组建触头间的绝缘环境，承受电弧电压，保证成功开断。
活塞拉杆8的底部开设有处于靠近动端交换窗口21的排气窗口23，排气窗口23和动端交换窗口21在活塞拉杆8的轴向垂直相错，并在活塞拉杆8内固定有处于排气窗口23的底部的聚四氟材质的导流锥10，导流锥10与活塞拉杆8同轴、且尖端朝上，从而使分闸时从活塞拉杆8返出的气流在导流锥10的引导下，顺利沿动端支座9冷却后从排气窗口23排出并发散开，逐渐稳定并恢复其绝缘强度。综合燃弧时间内堵塞喷口集聚的能量及断口动态开断过程中建立的绝缘介质恢复强度，设计从断路器动、静触头刚分时刻至分后10ms内的平均分闸速度为（5±0.5）m/s。
静触头主要由静端支座2、静弧触头3、静触指座4和静触指5组成。静端支座2的外端法兰连接在瓷套15的顶部。静触指座4固定在静端支座2的内端，静弧触头3和静触指5均固定在静触指座4上，静触指5处于静触指座4的外周上，静弧触头3处于静触指座4的中心部位。静弧触头3的接电端从静触指座4的底部伸出，伸出部分用于与动弧触头12导电连接，静弧触头3的底端面为导电端面。静端支座2上开设有处于顶部的静端交换窗口20，静端交换窗口20贯穿静端支座内外腔室，静端交换窗口20到导电端面的距离为585mm。通过增加热气流流出静端支座2末端的静端交换窗口20的冷却距离，促使断路器灭弧室断口处的电离物质在流向静端支座2外低气压区过程中充分恢复。同时降低经静端支座2顶部反射气流的强度，保证断路器灭弧室断口快速循环入新的SF6气体，从而得到足够的介电恢复介质，确保断路器在重合闸等短时连续操作条件下的电气寿命。热气流冷却距离延长也有助于降低其对瓷套15内壁的烧蚀，提高瓷套15内壁沿面绝缘的可靠性。
静触指5由若干节单瓣触指51串联而成，各单瓣触指51的内壁面上具有与运动模块导电接触的接触面，该接触面上开设有菱形的变形槽52，以通过机加工成形使得变形槽52两侧发生变形，实现单瓣触指51与运动模块的两条接触线接触。静触指5与动触头的接触方式为圆周接触，虽然为了提高动、静触指的同轴接触，静触指5通常为圆柱切瓣设计，但为了提高生产效率并降低成本，常规瓣状静触指加工时往往通过模具单个锻造成形，静触指与动触头的电接触为与动触头相切的接触线接触。因此动、静触头接触电阻较大，造成电阻发热增加，无形中恶化了开关设备的工作环境。本实施例在静触指基础区域加工出菱形切槽，使得切口区域附近材料在刀具切入力量的作用下，向两侧变形，尽可能改变触指平面形状，使得动触头在与单瓣静触指51重叠区域内得到至少两条线接触，从而减小动、静触头接触电阻，降低同等通流条件下的发热。
瓷套15的顶部装配有法兰连接在静端支座2上方的散热帽1，散热帽1包括法兰连接在静端支座2上端的圆形的底板26及其上沿径向放射状分布的散热栅板25，各散热栅板25在底板26上形成了散热翅片。为了提高产品额定电流4000A下的通流能力，提高长期工作条件下的热量散发，该散热帽1由多板焊接圆周发射状布置，散热面积大，保证通流时产生的热量及时从散热栅板传导、辐射到周围空气中。
本实施例中断路器进行设计时，首先必具备静态电场下的绝缘性能，从灭弧室断口的最大场强分析可知，最大场强出现在动、静触头的端部，为13.475kV/mm，满足充气压力0.33MPa下的许用场强。断路器的开断能力主要受开断瞬间喷口的气吹建立起来的有效介质恢复强度，喷口喉部的底端附近设计有指向静弧触头的倾斜聚集形气流通道，增强喷口喉部和静弧触头脱离瞬间的气吹强度。
在上述实施例中，气流孔是斜孔，在其他实施例中，气流孔也可以是直角或弧形走向的孔。
在上述实施例中，静触指上开设的变形槽是菱形槽，在其他实施例中，该菱形槽也可以用方形、椭圆形或梭形的凹槽替换。
本发明的灭弧室的实施例：本实施例中灭弧室的结构与上述实施例中灭弧室的结构相同，因此不再赘述。
本发明的喷口的实施例：本实施例中喷口的结构与上述实施例中喷口的结构相同，因此不再赘述。
Claims (6)
1.灭弧室，包括瓷套及其内同轴相对设置的动、静触头，动触头包括运动模块和固定模块，所述固定模块包括动端支座、表带触指和压气缸体，静触头包括静端支座、静弧触头、静触指座和静触指，动触头上装配有用于向静触头喷出灭弧气体的喷口，喷口包括管套状的喷口本体，喷口本体的两端口分别为供灭弧气体进入的进气口和供灭弧气体喷出的出气口，喷口本体内设有比进气口和出气口窄的喉部，喉部的内壁为凸设在喷口本体的内壁上的环形的缩颈台阶，其特征在于，缩颈台阶上开设有桥式的气流孔，气流孔的进端孔口处于缩颈台阶的朝向进气口的环端面上，气流孔的出端孔口处于缩颈台阶的内壁面上，气流孔连通在喉部和进气口之间，所述瓷套采用中间粗两头细的鼓形瓷套设计使瓷套的内腔形状为腹部的内径比两端的内径大的鼓形，鼓形的两端构成瓷套的小径段，鼓形的腹部构成瓷套的大径段，瓷套的小径段和大径段之间通过从瓷套腹部向端部逐渐缩小的锥套过渡连接，静端支座上设置有靠近锥套和瓷套的小径段连接处的静端交换窗口，动端支座上也设置有靠近锥套和瓷套的小径段连接处的动端交换窗口。
2.根据权利要求1所述的灭弧室，其特征在于，气流孔的部分或全部为自喉部向进气口逐渐向喷口本体外倾斜的斜孔。
3.根据权利要求1或2所述的灭弧室，其特征在于，静端支座与静触头同轴，固定在瓷套内，定义静端支座朝向动触头的一端为内端、背向动触头的一端为外端，静端支座的外端上开设有贯通内外的静端交换窗口，静端支座的内端固定有导电端从静端支座伸出的静弧触头，静弧触头的导电端的端面到静端交换窗口的距离不小于585mm。
4.根据权利要求1或2所述的灭弧室，其特征在于，动触头包括连接在喷口的进气端上的压气活塞，压气活塞上连接有空心的拉杆，拉杆远离喷口的部位装配有同轴布置的导流锥，导流锥的尖端朝向喷口，并在拉杆上开设有处于导流锥朝向喷口的一侧的排气窗口。
5.根据权利要求1或2所述的灭弧室，其特征在于，瓷套上于静触头远离动触头的一端装配有散热帽。
6.断路器，包括灭弧室及其输入端传动连接的操动机构，灭弧室包括瓷套及其内同轴相对设置的动、静触头，动触头包括运动模块和固定模块，所述固定模块包括动端支座、表带触指和压气缸体，静触头包括静端支座、静弧触头、静触指座和静触指，动触头上装配有用于向静触头喷出灭弧气体的喷口，喷口包括管套状的喷口本体，喷口本体的两端口分别为供灭弧气体进入的进气口和供灭弧气体喷出的出气口，喷口本体内设有比进气口和出气口窄的喉部，喉部的内壁为凸设在喷口本体的内壁上的环形的缩颈台阶，其特征在于，缩颈台阶上开设有桥式的气流孔，气流孔的进端孔口处于缩颈台阶的朝向进气口的环端面上，气流孔的出端孔口处于缩颈台阶的内壁面上，气流孔连通在喉部和进气口之间，所述瓷套采用中间粗两头细的鼓形瓷套设计使瓷套的内腔形状为腹部的内径比两端的内径大的鼓形，鼓形的两端构成瓷套的小径段，鼓形的腹部构成瓷套的大径段，瓷套的小径段和大径段之间通过从瓷套腹部向端部逐渐缩小的锥套过渡连接，静端支座上设置有靠近锥套和瓷套的小径段连接处的静端交换窗口，动端支座上也设置有靠近锥套和瓷套的小径段连接处的动端交换窗口。
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