CN107808804A - 磁性形状记忆合金断路器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及断路器，具体涉及磁性形状记忆合金断路器,包括保护组件，所述保护组件包括刀闸由热致形状记忆合金材质制作的主开关，其一端接负极，另一端活动连接于触点A或者触点B，触点A固定连接于正极，触点B底部固定连接于弹簧A的顶部，且位于自锁开关的上方后侧，触点B顶部固定连接于由磁性形状记忆合金制作的伸缩条底部，并与电感线圈的一端相连，电感线圈的另一端连接正极，自锁开关还固定连接于绳索的一端，并可带动绳索的该端上下移动，绳索的另一端绕过一左上方支点向下连接钩子A，钩子A与主开关的刀闸左端相配合，外壳外侧还设置一复位按钮。本发明能有效区分对待永久性故障和瞬时性故障，结构简单、成本低廉，准确性能好。

Description

磁性形状记忆合金断路器

技术领域

本发明涉及断路器，具体涉及磁性形状记忆合金断路器。

背景技术

自动重合闸装置是将因故障跳开后的断路器按需要自动投入的一种自动装置，有效应对电路中瞬时性故障，大大提高了供电的可靠性，减少线路停电次数，对于提高瞬时性故障时供电的连续性、双侧电源线路系统并列运行的稳定性以及纠正由于断路器或继电保护误动作引起的误跳闸，都发挥了巨大的作用。

但自动重合闸在带来巨大经济效益的同时，也存在其不足之处，具体表现为：

(1)当重合于永久性故障时，一方面电力系统将再次受到短路电流的冲击，有可能造成重合后电力系统的摇摆幅度增大，甚至可能使电力系统失去稳定性；另一方面，继电保护再次使断路器断开，断路器在短时间内连续两次切断短路电流，恶化了断路器的工作条件。

(2)在大型火电厂的高压出线上采用自动重合闸，有可能激发汽轮发电机组轴系扭振，造成轴系某些部件或联轴器的断裂和扭伤。

使用自动重合闸是为了在瞬时性故障消除后使线路重新投入运行，从而在短时间内恢复整个系统的正常运行状态。但目前电力系统中的自动重合闸都是盲目进行重合，并不能对永久性故障和瞬时性故障区分对待。如果线路故障是瞬时性的，则重合成功；如果故障是永久性的，其断开-重合-再断开的过程将对系统稳定和电气设备造成超出正常运行状态下发生短路时的危害。

因此，为了克服传统重合闸的以上缺点，急需研究一种有效区分永久性故障和瞬时性故障并对永久性故障自动避免重合的断路器。

发明内容

根据以上现有技术的不足，本发明提供一种磁性形状记忆合金断路器，其结合了磁性形状记忆合金的超弹性形状记忆效应，克服了重合闸在应对永久性故障时重合，导致电力系统受损的问题。

本发明解决的技术问题采用的技术方案为：包括外壳、设置于外壳内部的保护组件、设置于外壳外侧壁的正极接口、负极接口和复位按钮，所述保护组件包括主开关、触点A、触点B、自锁开关、伸缩条、电感线圈、弹簧A、钩子A、绳索和支点，所述主开关具有由热致形状记忆合金材质制作的刀闸，所述主开关的左端固定连接到负极接口，右端通过刀闸活动连接于触点A或者触点B，所述触点A位置固定并通过导线连接于正极接口，所述触点B为球形导体，其底部固定连接于弹簧A的顶部，所述弹簧A的底部固定连接于外壳底部内侧，所述弹簧A设置于自锁开关与外壳后侧内壁之间，所述自锁开关底部固定于外壳底部内侧，所述触点B的直径大于自锁开关到外壳后侧内壁之间的距离，所述触点B位于自锁开关的上方后侧，其顶部固定连接于伸缩条的底部，所述伸缩条由磁性形状记忆合金材质制作，所述伸缩条的顶部通过导线连接于电感线圈的一端，所述电感线圈的另一端通过导线连接到正极接口，所述自锁开关还固定连接于绳索的一端，所述自锁开关可带动绳索的该端上下移动，所述绳索的另一端绕过一左上方固定于外壳内侧壁的支点向下固定连接钩子A，所述钩子A与主开关的刀闸左端相配合，所述外壳外侧还设置一复位按钮，所述复位按钮用于初始化自锁开关的状态。

其中，优选方式为：

所述的自锁开关包括U型框架、弹簧B、钩子B和带有心形槽的滑块，所述U型框架开口向上，所述滑块横跨于U型框架两臂之间，所述弹簧B的顶部与滑块的底部固定连接，所述弹簧B的底部与U型框架的底部固定连接，所述钩子B的底部铰接于U型框架的底部中央，其顶部滑动设置于滑块的心形槽内，所述绳索的一端与滑块固定连接。

刀闸为热致形状记忆合金材质制作，该材质的形状记忆过程是：试样经热处理发生形变后，当用热源对其再次加热，其能够快速恢复原状，当撤去热源后，试样又变为增加热源之前的变形形状。

在本发明中，所述刀闸采用热致形状记忆合金材料，在高温下对刀闸进行热处理变形为弯曲刀闸，当线路中电流正常时，刀闸为向下弯曲状态，其右端与触点A接触，当线路中出现短路情况时，在短路状态下刀闸中通过的电流过大，产热较多，刀闸受热迅速恢复为原始状态即伸直，因而刀闸右端脱离触点A，连接触点B。由于热致形状记忆合金的记忆效应，当刀闸温度降低到接近室温时又自动变形为向下弯曲状态，即脱离触点B向下接触触点A。

伸缩条为磁性形状记忆合金(Magnetic Shape MemoryAlloy,MSMA)材质制作，该材质是一种新型的形状记忆材料，不但具有传统形状记忆合金受温度场控制的热弹性双向形状记忆效应，而且具有受磁场控制的磁性形状记忆效应(Magnetic Shape MemoryEffect,MSME)，该合金可以在磁场作用下发生形变，要想恢复原来形状有两种途径：1、对该合金施加反向磁场；2、外界给予促使其形状恢复方向的压力。该合金在磁场作用下产生的形变量的大小和磁场强度成良好的正比例关系。因此，合金兼有大恢复应变、大输出应力、高响应频率和可精确控制的综合特性。

在本发明中，伸缩条为磁性形状记忆合金材料制作，其作为线路的部分导体，在电感线圈产生磁场的作用下，产生相变伸长，带动触点B向下压缩弹簧A，这个过程是瞬时的，当磁场消失后，伸缩条保持变形后的形状不变，但伸缩条底部的弹簧A向上给予伸缩条一个压力，促使其恢复原来状态。

自锁开关的结构原理是：首先自锁开关处于释放状态时，滑块所受重力和弹簧B给予的弹力保持平衡，当滑块被向下压到底时，弹簧B处于压缩状态，钩子B从心形槽右侧边向上经过心形槽的右侧尖位置，当释放对滑块的下压力时，钩子B滑动到心形槽的中心位置，此时滑块受到弹簧B向上的推力和钩子B对心形槽中心处的下拉力，并且平衡，钩子B固定于心形槽的中心位置处，此时自锁开关处于锁定状态，根据自锁开关的特有特性，此时滑块的位置低于自锁开关处于释放状态时滑块的位置，当滑块再次被向下按时，钩子B顶端从心形槽的中心位置脱出，继续向心形槽左侧尖位置滑动，当将滑块被向下按到最大限度再释放对其施加的压力时，钩子B的顶端继续沿着心形槽运动从左侧尖滑到心形槽的左侧边，此时滑块受到弹簧B的上推力处于相对高的位置处，此位置高于钩子B顶部位于心形槽中间位置时(即自锁开关锁定状态)滑块的位置，这就是一个完整的自锁开关释放--锁定--释放循环。

本发明的原理是：电路正常时，电路中电流正常，不会产生过多热量，主开关的刀闸温度为常温，其保持向下弯曲状态与触点A接触，当出现短路时，电流过大，主开关的刀闸上因电流过大温度升高，刀闸为热致形状记忆合金，受热恢复伸直状态，伸直后刀闸脱离触点A并与触点B接触，之后，本装置将分别对电路中的瞬时性故障和永久性故障做出区别反应：

(1)瞬时性故障：短路为瞬时性状态，并立即恢复正常

当刀闸与触点B接触后，电感线圈接入电路，因为电路中为瞬时性短路故障，则与触点B接触后瞬时性短路故障已经消失，电路中电流恢复正常，正常的电流对应的电感线圈产生的磁场并不足以使触点B下压滑块致自锁开关锁定，且刀闸上的电流不再过大，刀闸渐渐恢复室温，其形状也再次由伸直变弯曲，刀闸右端脱离触点B并与触点A接触，电路恢复正常状态。

(2)永久性短路故障：短路为一直的状态

当刀闸与触点B接触后，电感线圈接入电路，因为电路为永久性故障，则与触点B接触后，新构成的闭合电路中依然有大电流流过，大电流使得电感线圈具有足够大的磁场使得伸缩条产生变形伸长，伸缩条伸长带动触点B向下压缩弹簧A，此时弹簧A处于压缩状态，因为触点B位于自锁开关与外壳后侧壁之间的上方，其直径大于自锁开关与外壳后侧壁之间的距离，所以当触点B向下运动时，必然压到自锁开关上的滑块顶部，使得滑块向下运动，使自锁开关锁定，滑块固定于低位置处，因为滑块向下运动带动绳索的一端向下运动，绳索的另一端则通过支点向上拉动钩子A，所述钩子A勾住刀闸的左端向上运动，使得刀闸因被向上拉拽而与触点B分离，分离之后刀闸上没有电流通过，其温度迅速下降，又恢复向下弯曲状态，但此时钩子A将刀闸向上勾住，弯曲的刀闸右端悬空无法与触点A接触，电路保持断开状态。

当电路中不再有电流后，电感线圈没有磁场产生，处于压缩状态的弹簧A给予触点B一个向上的压力，触点B向上压缩伸缩条使其恢复原长。

所述复位按钮用于使整个断路器的状态初始化，为下一次电路保护做准备。

所述滑块顶端与复位按钮底部固定连接，所述复位按钮的顶部穿过外壳并突出于外壳外侧壁。

当电路的永久性短路故障消除后，通过按压复位按钮以实现该断路器的初始化，为下一次对电路的保护做好准备。

具体的原理为：

根据自锁开关的机构原理，当滑块被触点B向下压使自锁开关处于锁定状态后，需要再次按压滑块才能使得自锁开关恢复释放状态，然而在永久性短路故障中，触点B下压滑块使得自锁开关处于锁定状态，进一步促使电路处于开路状态，此时伸缩条不再受磁场作用，且触点B因为受到弹簧A给予的上推力，向上压伸缩条以恢复其原长，所以自锁开关的滑块与触点B不再接触，需要通过外力实现滑块的再次下压以释放自锁开关，所以滑块上固定连接有复位按钮，通过向下按动复位按钮使得滑块再次向下运动以释放自锁开关。

以上自锁开关从释放到锁定再到释放，伸缩条伸长又再次恢复原长，为下一次电路保护做好了准备。

所述电感线圈的中心轴线与伸缩条垂直。

根据螺旋管中的安培定则，可知电感线圈内磁场的方向，所以设置电感线圈的中心轴线与伸缩条垂直，使得伸缩条受到的磁场最强。

所述的钩子A为绝缘材质制作。

所述支点设置为定滑轮。

支点处设置为定滑轮使得绳索受到的摩擦力大大减小，更加保证了断路器动作的准确性。

本发明具有以下有益效果：(1)本发明所述断路器利用磁性形状记忆合金材料和热致形状记忆合金材料的性能控制电路通断，在电路出现故障时，不需要依靠继电器发出信号进行动作即可自行感应并快速断开，避免了因继电器误动作而进行不必要的断电动作；(2)本发明能够有效区分永久性故障和瞬时性故障，同时具有瞬时性故障时及时恢复电路减少损失、永久性故障时不再重合保护电路安全两种情况的良好效果；(3)本发明仅通过简单的机械装置即可实现永久性故障时的电路持续断开，结构简单、成本低廉，准确性能好，具有极好的推广前景。

附图说明

图1是本发明的原理示意图；

图2是本发明的自锁开关、触点B、弹簧A、伸缩条、外壳和复位按钮侧面局部放大示意图；

图3是本发明的自锁开关、触点B、伸缩条、复位按钮和绳索的局部结构放大示意图；

图4是本发明的整体结构示意图；

图中：1、主开关 2、触点A 3、触点B 4、自锁开关 41、U型框架 42、弹簧B 43、钩子B44、滑块 5、伸缩条 6、电感线圈 7、弹簧A 8、钩子A 9、绳索 10、支点 11、刀闸 12、复位按钮 101、外壳 102、正极接口 103、负极接口 104、支撑块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1：

如图1～图3所示，本发明所述的磁性形状记忆合金断路器，包括外壳101、设置于外壳101内部的保护组件、设置于外壳101外侧壁的正极接口102、负极接口103和复位按钮12，所述保护组件包括主开关1、触点A2、触点B3、自锁开关4、伸缩条5、电感线圈6、弹簧A7、钩子A8、绳索9和支点10，所述主开关1具有由热致形状记忆合金材质制作的刀闸11，所述主开关1的左端固定连接到负极接口103，右端通过刀闸11活动连接于触点A2或者触点B3，所述触点A2位置固定并通过导线连接于正极接口102，所述触点B3为球形导体，其底部固定连接于弹簧A7的顶部，所述弹簧A7的底部固定于支撑块104顶部，所述支撑块104垂直固定于外壳101内侧壁，所述弹簧A7设置于自锁开关4与外壳101后侧内壁之间，所述自锁开关4底部固定于支撑块104顶部，所述触点B3的直径大于自锁开关4到外壳101后侧内壁之间的距离，所述触点B3位于自锁开关4的上方后侧，其顶部固定连接于伸缩条5的底部，所述伸缩条5由磁性形状记忆合金材质制作，所述伸缩条5的顶部通过导线连接于电感线圈6的一端，所述电感线圈6的另一端通过导线连接到正极接口102，所述自锁开关4还固定连接于绳索9的一端，所述自锁开关4可带动绳索9的该端上下移动，所述绳索9的另一端绕过左上方固定于外壳101内侧壁的一支点10向下固定连接钩子A8，所述钩子A8与主开关1的刀闸11左端相配合，所述外壳101外侧还设置一复位按钮12，所述复位按钮12用于初始化自锁开关4的状态。

所述的自锁开关4包括U型框架41、弹簧B42、钩子B43和带有心形槽的滑块44，所述U型框架41开口向上，所述滑块44横跨于U型框架41两臂之间，所述弹簧B42的顶部与滑块44的底部固定连接，所述弹簧B42的底部与U型框架41的底部固定连接，所述钩子B43的底部铰接于U型框架41的底部中央，其顶部滑动设置于滑块44的心形槽内，所述绳索9的一端与滑块44固定连接。

刀闸11为热致形状记忆合金材质制作，该材质的形状记忆过程是：试样经热处理发生形变后，当用热源对其再次加热，其能够快速恢复原状，当撤去热源后，试样又变为增加热源之前的变形形状。

在本发明中，所述刀闸11采用热致形状记忆合金材料，在高温下对刀闸11进行热处理变形为弯曲刀闸11，当线路中电流正常时，刀闸11为向下弯曲状态，其右端与触点A2接触，当线路中出现短路情况时，在短路状态下刀闸11中通过的电流过大，产热较多，刀闸11受热迅速恢复为原始状态即伸直，因而刀闸11右端脱离触点A2，连接触点B3。由于热致形状记忆合金的记忆效应，当刀闸11温度降低到接近室温时又自动变形为向下弯曲状态，即脱离触点B2向下接触触点A3。

伸缩条5为磁性形状记忆合金(Magnetic Shape MemoryAlloy,MSMA)材质制作，该材质是一种新型的形状记忆材料，不但具有传统形状记忆合金受温度场控制的热弹性双向形状记忆效应，而且具有受磁场控制的磁性形状记忆效应(Magnetic Shape MemoryEffect,MSME)，该合金可以在磁场作用下发生形变，要想恢复原来形状有两种途径：1、对该合金施加反向磁场；2、外界给予促使其形状恢复方向的压力。该合金在磁场作用下产生的形变量的大小和磁场强度成良好的正比例关系。因此，合金兼有大恢复应变、大输出应力、高响应频率和可精确控制的综合特性。

在本发明中，伸缩条5为磁性形状记忆合金材料制作，其作为线路的部分导体，在电感线圈6产生磁场的作用下，产生相变伸长，带动触点B3向下压缩弹簧A7，这个过程是瞬时的，当磁场消失后，伸缩条5保持变形后的形状不变，但伸缩条5底部的弹簧A7向上给予伸缩条5一个压力，促使其恢复原来状态。

自锁开关4的结构原理是：首先自锁开关4处于释放状态时，滑块44所受重力和弹簧B42给予的弹力保持平衡，当滑块44被向下压到底时，弹簧B42处于压缩状态，钩子B43从心形槽右侧边向上经过心形槽的右侧尖位置，当释放对滑块44的下压力时，钩子B43滑动到心形槽的中心位置，此时滑块44受到弹簧B42向上的推力和钩子B43对心形槽中心处的下拉力，并且平衡，钩子B43固定于心形槽的中心位置处，此时自锁开关4处于锁定状态，根据自锁开关4的特有特性，此时滑块44的位置低于自锁开关4处于释放状态时滑块44的位置，当滑块44再次被向下按时，钩子B43顶端从心形槽的中心位置脱出，继续向心形槽左侧尖位置滑动，当将滑块44被向下按到最大限度再释放对其施加的压力时，钩子B43的顶端继续沿着心形槽运动从左侧尖滑到心形槽的左侧边，此时滑块44受到弹簧B42的上推力处于相对高的位置处，此位置高于钩子B43顶部位于心形槽中间位置时(即自锁开关4锁定状态)滑块44的位置，这就是一个完整的自锁开关4释放--锁定--释放循环。

本发明的原理是：电路正常时，电路中电流正常，不会产生过多热量，主开关1的刀闸11温度为常温，其保持向下弯曲状态与触点A2接触，当出现短路时，电流过大，主开关1的刀闸11上因电流过大温度升高，刀闸11为热致形状记忆合金，受热恢复伸直状态，伸直后刀闸脱离触点A2并与触点B3接触，之后，本装置将分别对电路中的瞬时性故障和永久性故障做出区别反应：

(1)瞬时性故障：短路为瞬时性状态，并立即恢复正常

当刀闸11与触点B3接触后，电感线圈6接入电路，因为电路中为瞬时性短路故障，则与触点B3接触后瞬时性短路故障已经消失，电路中电流恢复正常，正常的电流对应的电感线圈6产生的磁场并不足以使触点B3下压滑块44致自锁开关4锁定，且刀闸11上的电流不再过大，刀闸渐渐恢复室温，其形状也再次由伸直变弯曲，刀闸11右端脱离触点B3并与触点A2接触，电路恢复正常状态。

(2)永久性短路故障：短路为一直的状态

当刀闸11与触点B3接触后，电感线圈6接入电路，因为电路为永久性故障，则与触点B3接触后，新构成的闭合电路中依然有大电流流过，大电流使得电感线圈6具有足够大的磁场使得伸缩条5产生变形伸长，伸缩条5伸长带动触点B3向下压缩弹簧A7，此时弹簧A7处于压缩状态，因为触点B3位于自锁开关4与外壳101后侧壁之间的上方，其直径大于自锁开关4与外壳101后侧壁之间的距离，所以当触点B3向下运动时，必然压到自锁开关4上的滑块44顶部，使得滑块44向下运动，使自锁开关4锁定，滑块44固定于低位置处，因为滑块44向下运动带动绳索的一端向下运动，绳索9的另一端则通过支点10向上拉动钩子A8，所述钩子8A勾住刀闸11的左端向上运动，使得刀闸11因被向上拉拽而与触点B3分离，分离之后刀闸11上没有电流通过，其温度迅速下降，又恢复向下弯曲状态，但此时钩子A8将刀闸11向上勾住，弯曲的刀闸11右端悬空无法与触点A2接触，电路保持断开状态。

当电路中不再有电流后，电感线圈6没有磁场产生，处于压缩状态的弹簧A7给予触点B3一个向上的压力，触点B3向上压缩伸缩条5使其恢复原长。

所述复位按钮12用于使整个断路器的状态初始化，为下一次电路保护做准备。

所述滑块44顶端与复位按钮12底部固定连接，所述复位按钮12的顶部穿过外壳101并突出于外壳101外侧壁。

当电路的永久性短路故障消除后，通过按压复位按钮12以实现该断路器的初始化，为下一次对电路的保护做好准备。

具体的原理为：

根据自锁开关4的机构原理，当滑块44被触点B3向下压使自锁开关4处于锁定状态后，需要再次按压滑块44才能使得自锁开关4恢复释放状态，然而在永久性短路故障中，触点B3下压滑块44使得自锁开关4处于锁定状态，进一步促使电路处于开路状态，此时伸缩条5不再受磁场作用，且触点B3因为受到弹簧A7给予的上推力，向上压伸缩条5以恢复其原长，所以自锁开关4的滑块44与触点B3不再接触，需要通过外力实现滑块44的再次下压以释放自锁开关4，所以滑块44上固定连接有复位按钮12，通过向下按动复位按钮12使得滑块44再次向下运动以释放自锁开关4。

以上自锁开关4从释放到锁定再到释放，伸缩条5伸长又再次恢复原长，为下一次电路保护做好了准备。

所述电感线圈6的中心轴线与伸缩条5垂直。

根据螺旋管中的安培定则，可知电感线圈6内磁场的方向，所以设置电感线圈6的中心轴线与伸缩条5垂直，使得伸缩条5受到的磁场最强。

所述的钩子A8为绝缘材质制作。

所述支点10设置为定滑轮。

支点10处设置为定滑轮使得绳索9受到的摩擦力大大减小，更加保证了断路器动作的准确性。

本发明的使用过程是：将本实施例所述断路器接入电路，使电流流入端接正极接口102，电流流出端接负极接口103，当电路中出现瞬时性故障时，断路器会瞬间断开电路然后再次接通电路，当为永久性故障时，断路器将电路持续断开，待永久性故障接触后，手动按复位按钮12，初始化断路器，电路接通。

Claims (6)

1.磁性形状记忆合金断路器，其特征在于：包括外壳、设置于外壳内部的保护组件、设置于外壳外侧壁的正极接口、负极接口和复位按钮，所述保护组件包括主开关、触点A、触点B、自锁开关、伸缩条、电感线圈、弹簧A、钩子A、绳索和支点，所述主开关具有由热致形状记忆合金材质制作的刀闸，所述主开关的左端固定连接到负极接口，右端通过刀闸活动连接于触点A或者触点B，所述触点A位置固定并通过导线连接于正极接口，所述触点B为球形导体，其底部固定连接于弹簧A的顶部，所述弹簧A的底部固定于支撑块顶部，所述支撑块垂直固定于外壳内侧壁，所述弹簧A设置于自锁开关与外壳后侧内壁之间，所述自锁开关底部固定于支撑块顶部，所述触点B的直径大于自锁开关到外壳后侧内壁之间的距离，所述触点B位于自锁开关的上方后侧，其顶部固定连接于伸缩条的底部，所述伸缩条由磁性形状记忆合金材质制作，所述伸缩条的顶部通过导线连接于电感线圈的一端，所述电感线圈的另一端通过导线连接到正极接口，所述自锁开关还固定连接于绳索的一端，所述自锁开关可带动绳索的该端上下移动，所述绳索的另一端绕过左上方固定于外壳内侧壁的一支点向下固定连接钩子A，所述钩子A与主开关的刀闸左端相配合，所述外壳外侧还设置一复位按钮，所述复位按钮用于初始化自锁开关的状态。

2.根据权利要求1所述的磁性形状记忆合金断路器，其特征在于：所述的自锁开关包括U型框架、弹簧B、钩子B和带有心形槽的滑块，所述U型框架开口向上，所述滑块横跨于U型框架两臂之间，所述弹簧B的顶部与滑块的底部固定连接，所述弹簧B的底部与U型框架的底部固定连接，所述钩子B的底部铰接于U型框架的底部中央，其顶部滑动设置于滑块的心形槽内，所述绳索的一端与滑块固定连接。

3.根据权利要求2所述的磁性形状记忆合金断路器，其特征在于：所述滑块顶端与复位按钮底部固定连接，所述复位按钮的顶部穿过外壳并突出于外壳外侧壁。

4.根据权利要求1所述的磁性形状记忆合金断路器，其特征在于：所述电感线圈的中心轴线与伸缩条垂直。

5.根据权利要求1所述的磁性形状记忆合金断路器，其特征在于：所述的钩子A为绝缘材质制作。

6.根据权利要求1所述的磁性形状记忆合金断路器，其特征在于：所述支点设置为定滑轮。