CN107305815B - 具有改进的灭弧室的空气断路器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空气断路器，包括：连接到电流输入和输出端子的两个可分离的电触头；以及灭弧室(18)，包括彼此间隔开的分离板(22)的堆叠(20)和设置在所述堆叠(20)的任一侧的侧壁(24)，并且包括热固性树脂浸渍的聚酰胺编织，且无玻璃纤维。灭弧室(18)还包括由交联聚酰胺制成的保护元件(40)，所述元件位于侧壁(24)和保持板(22)之间的接合区中，保护元件(40)覆盖分离板(22)的角部(49)，所述角部与侧壁(24)相邻，从而将分离板(22)的这些角部(49)与电触头分离。

Description

具有改进的灭弧室的空气断路器
技术领域
本发明涉及一种具有改进的灭弧室的空气断路器。
背景技术
已知断路器使得可能中断诸如家用或工业分配网络的电路内的电流的流动。通常，它们包括连接到电流的输入和输出端子的可分离的电触头。这些电触头可以在闭合位置和可替代地断开位置之间选择性地移动，在闭合位置中，它们允许电流在端子之间流动，在断开位置中，它们彼此间隔开，以阻止该电流的循环。
当这些电触头在存在电流时移动到它们的断开位置时，可能在这两个电触头之间形成电弧。在空气型断路器的情况下，该电弧使存在于断路器中的环境空气电离，这产生称为猝灭气体的气体，然后所述气体被喷射到断路器的外部。然后电弧由断路器的灭弧室熄灭，以便中断电流的循环。
这样的灭弧室包括以彼此间隔水平地堆叠的金属分离板，使得可能分开电弧并吸收其一部分能量，从而有助于其熄灭。这些分离板通过垂直壁(也称为颊板或凸缘)保持在适当位置，其与灭弧室的侧边缘接界。通常，对于低电压(即小于或等于1500VAC或1500VDC)并且高强度(即大于或等于1kA)的断路器，这些壁由浸渍有热固性树脂的聚酰胺织物制成。这样的断路器例如从文献EP1020882A1已知。
然而，对于强度小于10kA的电流，当灭弧室反复经受电弧时，以这种方式实现的灭弧室不能令人满意。特别地，在电流强度在800A和4000A之间并且电压大于690V AC的情况下，发现在触点断开期间形成的电弧趋于在到灭弧室的入口处在灭弧室的分离板和垂直壁之间的接合区域中保持较长时间断。“较长持续时间”是指例如在触点断开之后等于或大于5ms或等于或大于10ms的持续时间。这导致侧壁的侵蚀，导致灭弧室的过早磨损，从而损害其正常的功能。特别地，侧壁的非常大的劣化降低了灭弧室的有效性并且可导致断路器的灭弧故障。因此，断路器的可靠性降低。
发明内容
本发明旨在特别通过提出一种具有灭弧室的断路器解决这些缺点，当断路器用于低电压和高强度的电流时，该灭弧室具有增加的耐久性和更好的耐磨性。
因此，本发明涉及一种空气断路器，包括：
连接到电流输入和输出端子的两个可分离的电触头；以及
灭弧室，用于熄灭在电触头分离期间形成的电弧，该灭弧室包括彼此间隔开的一组分离板，以及设置在堆叠的任一侧的侧壁，保持板固定到侧壁，每个侧壁包括热固性树脂浸渍的聚酰胺织物，并且无玻璃纤维。
灭弧室还包括由交联聚酰胺制成的保护元件，所述保护元件沿着堆叠的任一侧上侧壁设置在灭弧室内部，在侧壁和保持板之间的接合区中，保护元件覆盖分离板的角部，所述角部与侧壁相邻，以便将分离板的这些角部与电触头分离。
由于本发明，位于接合区中的保护元件防止在触点断开期间形成的电弧损坏灭弧室的壁，特别是当所述电弧在灭弧室的入口处存在较长时间时。因此，侧壁具有提高的耐久性和耐磨性。因此，断路器的可靠性增强。
根据本发明的有利而非强制性方面，这种电气应用可以在任何给定的技术上可行的组合中集合以下特征中的一个或多个：
每个保护元件包括由指状物界定的座，堆叠的分离板的一个角部接收在每个座内。
每个保护元件具有从邻近保护元件的侧壁延伸到堆叠的中心区域的具有凹形形状的弯曲侧表面。
电触头之间的电弧形成区和每个保护元件之间的距离大于或等于5mm，优选地大于或等于7mm，甚至更优选地在12mm至15mm范围内。
交联聚酰胺的保护元件各自包含重量浓度小于或等于40％的矿物材料，矿物材料不同于玻璃纤维。
矿物材料是硅灰石。
保护元件的交联聚酰胺材料是聚酰胺6,6。
保护元件从堆叠的下端部基本上平行于堆叠延伸到位于堆叠上方的上引弧角的下边缘。
灭弧室的保护元件的材料的体积小于或等于10cm3，优选地小于或等于5cm3。
保护元件通过铆钉固定到侧壁24。
附图说明
根据以下仅作为示例并参考附图给出的断路器的一个实施例的描述，将更好地理解本发明并且其他益处将变得更加清楚，在附图中：
-图1以纵剖视图示出了包括根据本发明的灭弧室的断路器的一部分；
-图2以透视图示出了图1的断路器的灭弧室；
-图3以局部分解透视图示出了图2的灭弧室；
-图4是以该灭弧室的中间平面的侧视图显示的图2和图3的灭弧室的局部剖视图；
-图5是图4的区域V的特写视图。
具体实施方式
图1示出了断路器2，其设计为用于电路中，以便例如当检测到故障(例如短路或功率激增)时能够中断该电路的电力供应。
在该示例中，断路器2是低电压和交流断路器，其设计用于大于或等于690V AC的电压以及强度大于1kA的电流，例如在800A和4000A之间的那些电流。作为变型，断路器被设计用于直流电。
断路器2包括壳体4以及电流的输入端子6和输出端子8，输入端子6和输出端子8部分示出，能够例如通过电气面板的连接杆组将断路器2连接到电路。端子6和8由诸如铜的导电材料制成。
断路器2同样包括可分离的电触头10和12，它们各自分别设置有分别连接到输入端子6和输出端子8的接触垫14和16。接触垫14和16由诸如铜或伪银合金的导电材料制成。
电触头10和12可以在断开和闭合位置之间相对于彼此选择性地和可逆地移动。
在闭合位置中，电触头10和12的接触垫14和16彼此直接接触，从而允许输入端子6和8之间的电流流动。
在断开位置中，接触垫14和16彼此间隔开，例如间隔开大于或等于5mm或10mm的距离。在接触垫14和16之间没有电弧的情况下，阻止电流在端子6和8之间流动。
断路器2同样包括未示出的移动机构，其被设计为使得可分离的电触头10和12在其断开和闭合位置之间相对于彼此移动，例如响应于异常情况的检测，例如电流激增。这样的移动机构是众所周知的，不再进一步详细描述。这里，电触头10相对于壳体4固定，并且只有电触头12能够被移动机构移动。
当电触头10和12从其闭合位置彼此分离到其断开位置时，如果电流在端子6和8之间流动，则在这些电触头10和12之间可能形成电弧。这样的电弧允许电流在端子6和8之间流动，并且需要被抑制，即熄灭，以便中断电流的流动。这里的壳体4的内部充满空气。
为此，断路器2包含用于电弧的灭弧室18。灭弧室18放置在壳体4内，与接触垫14和16相对，以便在形成这样的电弧的过程中接收电弧。
图2至图5更详细地示出了灭弧室18的示例。灭弧室18包括多个分离板22的堆叠20、侧壁24和上引弧角26。P表示灭弧室18的中间几何平面。
接触垫14和16之间的电弧的出现电离并强力加热断路器2中的环境空气。结果是形成气体，所谓的猝灭气体，其具有通常高于5000℃的升高的温度。在形成电弧期间，该猝灭气体被喷射到灭弧室18外部，从而通过形成在灭弧室18的后表面28上的排气开口喷射到壳体4外部。这里该排气开口设置有用于猝灭气体的未示出的过滤系统。这种过滤系统是众所周知的，并且不再进一步详细描述。作为说明性示例，使用申请EP1020882A1中描述的过滤系统。
在本说明书中，相对于灭弧室18的术语“前”和“后”关于猝灭气体正常流动的方向限定。因此，灭弧室18的前部指定灭弧室18的朝向电触头10和12取向且面对它们的部分。灭弧室18的后部指定灭弧室18的朝向壳体4的外侧取向的与前部相对的部分。对于灭弧室18的元件，例如分离板22，也同样如此。
分离板22由金属材料制成，并且被设计为通过在电弧与这些分离板22接触时熔化或蒸发金属材料来终止电弧和/或部分地吸收其能量从而熄灭这样的电弧。分离板22各自具有平面形状。分离板22沿着断路器2的固定轴线X1彼此间隔地堆叠，并且沿着该轴线X1彼此间隔开。这里的轴线X1平行于中间平面P。作为说明性示例，堆叠20在此包括十一个分离板22。
更准确地，在这个示例中，分离板22基本上垂直于轴线X1延伸，即除了小于5°，优选小于3°，垂直于轴线X1。因此，分离板22基本上彼此平行，即彼此平行，除了小于5°，优选小于3°。它们在灭弧室的前部的方向上汇聚，并朝向灭弧室18的后部移动彼此远离。作为变型，分离板22可以彼此平行并且垂直于轴线X1布置。
每个分离板22设置有从该分离板22的前边缘延伸到该分离板22的中心的圆形的腔23。
D22表示在该分离板的前边缘处测量的分离板22的厚度。E22表示沿着这两个相继分离板22的面对表面之间的轴线X1测量的两个相继的分离板22之间的间隔。厚度D22例如在2mm和5mm范围内。作为说明，这里的厚度D22等于3.5mm，间隔E22等于4mm。
分离板22同样包括保持柱30，其在所述分离板22的侧边缘处突出，平行于分离板22的平面延伸。
侧壁24具有确保堆叠20保持就位并且侧向界定灭弧室18的功能。这里的侧壁24是平面形状，并且平行于它们本身且平行于中间平面P延伸。
每个侧壁24由复合材料结构形成，该复合材料结构这里由浸渍有热固性树脂的聚酰胺织物构成。这里的聚酰胺是聚酰胺6,6，也称为“PA6,6”或“聚己二酰己二胺”。侧壁24例如通过EP1020882A1中描述的方法制成。
侧壁24无玻璃纤维。“无玻璃纤维”是指以重量百分比表示的每个侧壁24内的玻璃纤维的浓度小于或等于0.05％，优选小于或等于0.01％，甚至更优选小于或等于0.001％。在本说明书的意义上，玻璃微珠被认为是玻璃纤维。
侧壁24内的玻璃纤维或玻璃微珠的存在是不期望的。实际上，在形成电弧的期间，由于作用时的升高的温度(通常高于700℃)，存在于断路器2内部的金属在电弧通过它们时被部分熔化和/或蒸发。例如，这是接触垫14和16的铜或分离板22的金属的情况。该金属本身悬浮在猝灭气体中，并重新沉积在玻璃纤维的外表面上，如果存在玻璃微珠，则局部形成导电金属质量块。这降低了侧壁24的表面的电阻，并且增加了在电弧的进一步通过时电介质击穿的风险。这可能导致断路器2的灭弧失败，因此是不可接受的。
侧壁24固定到分离板22上，以便将堆叠20保持在适当位置。为此，这里每个侧壁24设置有凹口，通过接收保持柱30的凹口，以便共同固定分离板22。类似地，在侧壁24的上部设计凹口，以便将引弧角26固定在那里。
在本说明书中，术语“上”和“下”是相对于轴线X1定义的。
这里的侧壁24与分离板22的侧边缘接触。“接合区域”是指灭弧室18的位于一方面侧壁24和另一方面分离板22的前边缘之间的接合处的区域。
引弧角26的目的是有利于电弧从接触垫14和16朝向灭弧室18的内部移动。引弧角26设置为在堆叠20的上方一间隔处，与这些侧壁24接触，在相对的侧壁24之间。引弧角26具有朝向灭弧室18的前部折叠的部分，该部分在基本上平行于轴线X1、垂直于位于堆叠20的上部中的分离板22的轴线的方向上延伸。该折叠部分插入在一方面来自堆叠20的顶部的五个分离板22和另一方面电触头10和12之间。该折叠部分以下边缘29终止。
灭弧室18还包括保护元件40，其固定在灭弧室18内部，在侧壁24和分离板22的前边缘之间的接合区的区域中。保护元件40是电绝缘的。保护元件40具有保护分离板22和侧壁24之间的接合区的功能，以便当电弧存在于分离板22之间的灭弧室18内部时，防止电弧通过侵蚀损坏侧壁24。
在该示例中，灭弧室18包括彼此相同的两个保护元件40，每个保护元件相对于中间平面P彼此对称地固定到侧板24。
每个保护元件40具有沿轴线X1纵向延伸的块的形状。保护元件40特别地具有前边缘41、下表面42和与保护元件40固定在其上的侧壁24接触的第一侧表面43。
保护元件40同样包括与第一侧表面43相对布置的第二侧表面44。有利地，第二侧表面44是弯曲的，并且以凹形从相邻的侧壁24(即保护元件40在此固定到其的那个侧壁)延伸到堆叠20的中心区域。更精确地，第二侧表面44从前边缘41延伸并且朝向电触头10和12转弯。α表示第二侧表面44的倾斜角度，该角度α在一方面表面42和44共同的保护元件40的脊和另一方面垂直于轴线X1并平行于中间平面P的轴线之间、在保护元件40的与前边缘41相对的外侧被测量。角α在30°至60°范围内，优选在40°至50°范围内，甚至更优选地等于45°。
第二侧表面44的凹形形状对于电弧起朝向灭弧室的中心区域远离侧壁24的引导作用。以这种方式，电弧移动远离侧壁24。因此，在侧壁24上通过侵蚀造成的磨损风险降低了。
D40和D40'表示分别在下表面42的前边缘41和相对边缘的区域中测量的下表面42的厚度。这些厚度垂直于中间平面P测量。作为说明，厚度D40等于1.5mm，厚度D40'等于7mm。
保护元件40布置在与电弧形成区Z成一定距离处。电弧形成区Z在此表示电触头10和12移动到断开位置时电弧产生在其中的空间体积。
在该示例中，电弧形成区Z位于电触头12的与接触垫16电连接的可移动部分45的一个端部和电触头10之间。可移动部分45被设计成当电触头10和12彼此移动远离到断开位置时相对于电触头12枢转。在这样做时，可移动部分45的端部首先与电触头10接触，然后仅当接触垫14和16彼此分离时才从其移开。然后，电弧形成在可移动部分45的该端部和电触头10之间。这防止了电弧在接触垫14和16之间形成，因为这可能损坏它们。可移动部分45例如在专利EP0410902B1中描述。
优选地，接触垫14和16不穿透灭弧室18内部。这里的电弧形成区Z位于灭弧室18的外部。
D1表示一方面接触垫14和/或16的最近边缘和另一方面元件40之间的最小距离。D'1表示一方面保护元件40的最接近的触点边缘12(这里是可移动部分45的端部)和另一方面保护元件40之间的最小距离。这里，例如通过在该中间平面P中的正交投影，在中间平面P中测量距离D1和D'1。
考虑到触点12的在断开位置和闭合位置之间的允许行程，这里该距离D1在电触头10和12的闭合位置相对于接触垫14和16被测量。这里，考虑到保护元件40的布置，进一步相对于保护元件40的相应前边缘41测量距离D1和D'1。
因此，这里距离D'1对应于保护元件40的前边缘41与在电触头10和12之间的电弧形成区Z之间的距离。
这里距离D1大于或等于10mm或20mm。
距离D'1大于或等于5mm，优选大于或等于7mm。该距离D'1小于或等于30mm。在特别优选的方式中，距离D'1大于或等于12mm且小于或等于15mm。
保护元件40在距电弧形成区一定距离处的这种布置通过将它们从温度最高区移开而允许它们更好地抵抗在形成电弧期间的温度升高。因此，在电触头10和12分离期间保护元件40损坏的风险因此降低。
每个保护元件40由聚酰胺制成，例如聚酰胺6,6。这里保护元件40无玻璃纤维。这种聚酰胺是交联的，当暴露于通常高于700℃的升高温度时，其具有较好的强度。例如，保护元件40通过模塑制成，之后其经历交联操作。
有利地，形成保护元件40的聚酰胺用矿物材料碎石来增强。因此，每个保护元件40包括矿物材料，其以重量百分比表示的浓度小于或等于40％。该矿物材料与玻璃纤维不同，即不由玻璃纤维构成。在该实施例中，矿物材料是硅酸盐材料，属于例如无机硅酸盐族。优选地，该矿物材料是硅灰石。
由于这种矿物材料，保护元件40的耐久性得到加强，这对于某些应用是有利的，其中断路器2在其使用寿命期间旨在经受升高数量的断开和闭合循环(例如超过10000次循环)。在这种情况下，例如，当断路器2与风力涡轮机一起使用时。
作为变型，省略了元件用矿物材料的加强。
优选地，元件40不会在侧壁24的整个高度上延伸。例如，保护元件40从堆叠20的下分离板22沿轴线X1延伸，直到堆叠20位于引弧角26的下边缘29的正上方的分离板22。
例如，保护元件40的材料的体积小于或等于10cm3，优选小于或等于5cm3。
每个保护元件40的特定形状和尺寸使得可能在接合区的区域中实现对侧壁24的令人满意的保护，同时限制在电弧通过期间由于保护元件40的熔化和/或部分蒸发产生的易于发出的气体量。特别地，通过减少用于形成元件40的材料的量以及限制每个保护元件40的高度来实现该效果。
事实上，用于形成元件40的聚酰胺是致气的，即，当在电弧和/或灭弧室18内的猝灭气体通过期间其被加热时，其释放出气体。在这种情况下，尽可能限制这种排气，因为一方面它导致过大的压力，这可能会损坏壳体4，另一方面它增加猝灭气体中的污染物含量，需要在灭弧室18的出口处安装更有效的污染控制系统。
以特别有利的方式，每个保护元件40包括限定保护元件40内部的座48的指状物46或肋。在该保护元件40的安装构造中，每个座48接收该座48内的堆叠20的分离板22的前角部49。角部49与侧壁24相邻，并且设置在分离板22的前方。然后，该分离板22被认为与保护元件40接合。指状物46然后两个两个分开，分离板22与保护元件40接合。
每个分离板22包括两个前角部49。然而，为了清楚，在图3中示出了单个前角部49。由于保护元件40的布置，在分离板的一个前角部49的区域中接合在一个保护元件40中的每个分离板22同样地在其另一个前角部49的区域中接合在相对的保护元件40中。
在该示例中，指状物46具有平面和直板的形状，并且它们形成座48的上表面和下表面。座48具有带矩形基部的路面形状，并且它们侧向地出现在保护元件40的外侧上，并且在该保护元件40的后部。指状物46彼此相同。同样，座48彼此相同。例如，座48通过使该保护元件40的后部凹陷来形成。指状物46以梳子的指状物的方式伸展突出到垂直于该保护元件40的保护元件40的后部。在该示例中，每个保护元件40包括由八个指状物46界定的七个座48。
如图5所示，D46表示指状物46的厚度，E46表示两个相继指状物46的相邻表面之间的间隔，该厚度D46和该间隔E46沿轴线X1被测量。优选地，根据分离板22的厚度D22选择座48的尺寸，特别是间隔E46的尺寸，以允许指状物46和角部49之间的最小可能游隙。优选地，接收在座48内部的角部49尽可能远地凹陷到这些座48的底部。作为说明，厚度D46等于3mm，间隔E46等于4mm。
因此，与保护元件40接合的每个分离板22在其上表面和下表面上被指状物46在其角部49的区域中被覆盖。
这防止了在灭弧室18中循环的猝灭气体在接合区附近循环。事实上，猝灭气体包含悬浮的导电金属颗粒。当板22接合在保护元件40中时，阻止猝灭气体在分离板22之间再循环到灭弧室18的前部。需要避免这种再循环，因为它可能导致电流的不期望的环回并阻止电流的断开。另一方面，包含在猝灭气体中的金属颗粒在结合区的区域中易于通过在侧壁24上冷凝而沉积。这也应该避免，因为这样的沉积将有利于灭弧室18内的短路。由于由指状物46和座48的交替形成的指状物和梳结构，这里防止了在侧壁24上的该沉积。
因此，保护元件40的有效性显著提高。
此外，与保护元件40接合的每个分离板22同样地在其相同角部49的区域中在其前边缘处通过保护元件40的第二侧表面44覆盖。因此，分离板22的角部49与电触头10和12分离，因此不直接暴露于电弧形成区。因此电弧不能靠近侧壁24。保护元件40的有效性提高，并且侧壁24得到更好的保护。
事实上，接收在座48中的分离板22是在上引弧角26的下边缘29的下方延伸的分离板，因此是最暴露于电弧的分离板。因此，在这些分离板22与侧壁24的接合区域中，电弧最可能停留并且引起对侧壁24的侵蚀损坏。
由于保护元件40，当电弧穿透到灭弧室18中并与分离板22接触时，它不能靠近由这些保护元件40覆盖的这些分离板22的角部49，因为这些保护元件40是电绝缘的，并且其结构足够坚固不被电弧破坏。因此，侧壁24的侵蚀被限制，特别是在断路器2的操作条件下，对于强度小于10kA的电流，灭弧室18反复经受电弧。
保护元件40固定到侧壁24。更准确地，每个保护元件40通过固定元件牢固地且无移动自由地固定。这里，固定元件是铆钉50，其被安装在侧壁24的对应的孔52中。铆钉50使得可能以令人满意的鲁棒性固定保护元件40。
作为变型，保护元件40这里以不同的方式固定在侧壁24，例如通过卡入。在这种情况下，省略了铆钉50和孔52。然后，固定元件包括互补形状的布置在保护元件40和侧壁24上的可变形部件。
上面考虑的实施例和变型可以彼此组合以创建新的实施例。

Claims (9)

1.一种空气断路器(2)，包括：
两个可分离的电触头(10，12)，连接到电流输入端子(6)和输出端子(8)；以及
灭弧室(18)，用于熄灭在所述电触头(10，12)分离期间形成的电弧，该灭弧室(18)包括彼此间隔开的分离板(22)的堆叠(20)，以及设置在所述堆叠(20)的任一侧的侧壁(24)，分离板(22)固定到所述侧壁(24)，每个侧壁(24)包括热固性树脂浸渍的聚酰胺织物并且无玻璃纤维；
其特征在于，所述灭弧室(18)还包括由交联聚酰胺制成的保护元件(40)，所述保护元件(40)沿着所述堆叠(20)的任一侧上的侧壁(24)放置在所述灭弧室内部，在所述侧壁(24)和所述分离板(22)之间的接合区中，所述保护元件(40)覆盖所述分离板(22)的角部(49)，所述角部与所述侧壁(24)相邻，以便将所述分离板(22)的这些角部(49)与所述电触头(10，12)分离,
每个保护元件(40)具有从邻近所述保护元件(40)的侧壁(24)延伸到所述堆叠(20)的中心区域的具有凹形形状的弯曲侧表面(44)。
2.根据权利要求1所述的断路器(2)，其特征在于，每个保护元件(40)包括由指状物(46)界定的座(48)，所述堆叠(20)的分离板(22)的每个角部(49)接收在每个座(48)内。
3.根据前述权利要求1至2中任一项所述的断路器(2)，其特征在于，所述电触头(10，12)之间的电弧形成区(Z)和每个保护元件(40)之间的距离(D’1)大于或等于5mm。
4.根据前述权利要求1至2中任一项所述的断路器(2)，其特征在于，交联聚酰胺的保护元件(40)各自包含重量浓度小于或等于40％的矿物材料，所述矿物材料不同于玻璃纤维。
5.根据权利要求4中所述的断路器(2)，其特征在于，所述矿物材料是硅灰石。
6.根据前述权利要求1至2中任一项所述的断路器(2)，其特征在于，所述保护元件(40)的交联聚酰胺材料是聚酰胺6,6。
7.根据前述权利要求1至2中任一项所述的断路器(2)，其特征在于，所述保护元件(40)从所述堆叠(20)的下端部基本上平行于所述堆叠(20)延伸到位于所述堆叠(20)上方的上引弧角(26)的下边缘(29)。
8.根据前述权利要求1至2中任一项所述的断路器(2)，其特征在于，所述灭弧室(18)的保护元件(40)的材料的体积小于或等于10cm3。
9.根据前述权利要求1至2中任一项所述的断路器(2)，其特征在于，所述保护元件(40)通过铆钉(50)固定到所述侧壁(24)。
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