CN107946133B - 一种快速分闸机构及混合式交流断路器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速分闸机构及混合式交流断路器，包括：一永磁机构，用于实现分闸操动和合闸操动，以及提供分闸保持力和合闸保持力；若干真空灭弧室机构，设置在永磁机构的下方，包括若干真空灭弧室，用于在断路后迅速熄弧并抑制电流；若干弹簧连接机构，连接永磁机构和真空灭弧室，用于带动真空灭弧室的动触头运动，并在处于合闸状态时为动触头提供触头压力；若干电磁斥力机构，用于提供使动触头向上运动的动力，以配合永磁机构实现分闸操动，并保持在分闸状态。本发明通过引入快速分闸机构和强迫换流技术的混合式交流断路器，能够极大提高断路器的分闸速度，缩短燃弧时间，减少触头烧蚀，增大触头的电寿命。

Description

一种快速分闸机构及混合式交流断路器

技术领域

本发明涉及中低压交流断路器的技术领域，尤其涉及一种交流断路器的快速分闸机构。

背景技术

断路器是电力系统必不可少的基本工业产品和关键电器产品，其任务是关、合负荷电流及开断短路故障电流，保护电网及回路上电气设备免受损坏。因此，断路器的可靠性和快速性至关重要。作为断路器的核心组成部分，断路器操动机构将影响整个开关的整体性能。传统的操动机构主要有电磁操动机构，弹簧操动机构和永磁操动机构。

随着电力系统技术的发展，电力系统对电力开关的要求越来越高。在一些含有对电能质量敏感的关键负荷的场合中，当原有供电系统发生短路故障时，要求负荷能够从中快速脱离，并切换到备用供电系统。为了保证电能质量能够满足要求，整个切换过程的时间要求在5～10ms以内，而传统的操动机构，一般为多连杆传动方式的永磁或者弹簧操动机构，由于受到技术、设计、结构的限制，它们固有分闸时间一般在20ms左右，在初始时间、初始加速度和整体速度等多方面存在明显不足。如何提高断路器的开断速度成为现今主要的研究课题。

现有的交流断路器存在以下几个问题：

1、传统的配双稳态永磁操动机构的真空断路器，一般为多连杆传动方式。由于多连杆传动结构复杂，零部件多，增加了机构运动的分闸速度和时间分散性，机械可靠性低；

2、随着微电网技术的发展和敏感负荷对电能质量要求的提高，交流系统对断路器切断故障电路的速度和可靠性要求越来越高。现有的传统交流断路器操动机构由于受到技术、设计、结构的限制，分闸速度无法满足系统无缝切换的需求；

3、传统交流断路器采用的是自然过零点熄弧，从发生短路到电流自然过零点，短路电流持续时间长，大电流严重影响电力系统其它设备的正常工作甚至故障。而且电弧对触头烧蚀严重，影响触头寿命。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种快速分闸机构及混合式交流断路器。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种快速分闸机构，其中，包括：一永磁机构，用于实现分闸操动和合闸操动，以及提供分闸保持力和合闸保持力；若干真空灭弧室机构，设置在所述永磁机构的下方，所述真空灭弧室机构包括若干真空灭弧室，用于在断路后迅速熄弧并抑制电流；若干弹簧连接机构，设置在所述永磁机构和所述真空灭弧室之间，连接所述永磁机构和所述真空灭弧室，用于带动所述真空灭弧室的动触头运动，并在处于合闸状态时为所述动触头提供触头压力；若干电磁斥力机构，设置在所述永磁机构和所述真空灭弧室之间，用于提供使所述动触头向上运动的动力，以配合所述永磁机构实现分闸操动，并保持在分闸状态。

上述的分闸机构，其中，所述永磁机构包括：静铁芯，所述静铁芯形成一圆柱形腔体，所述圆柱形腔体内竖直地设有一导杆，所述导杆的两端分别与所述静铁芯的上端和下端可转动连接；动铁芯，所述动铁芯设置在所述静铁芯的内部，所述动铁芯固定地套设在所述导杆外；分闸线圈和合闸线圈，所述分闸线圈环绕在所述动铁芯的上侧，所述合闸线圈环绕在所述动铁芯的下侧；永磁体，所述永磁体环绕在所述动铁芯的中部，所述永磁体位于所述分闸线圈和所述合闸线圈之间。

上述的分闸机构，其中，所述导杆的下端贯穿所述静铁芯的下端并与一绝缘拉板固定连接。

上述的分闸机构，其中，每一所述真空灭弧室机构均包括：上环氧绝缘板和下环氧绝缘板，所述真空灭弧室设置在所述上环氧绝缘板和所述下环氧绝缘板之间，所述真空灭弧室固定在所述下环氧绝缘板的上表面；进线母排，设置于所述上环氧绝缘板上，并与所述真空灭弧室搭接；出线母排，设置于所述下环氧绝缘板上，并与所述真空灭弧室搭接。

上述的分闸机构，其中，每一所述弹簧连接机构均包括：连杆，所述连杆的上端与所述绝缘拉板固定连接，所述连杆的下端贯穿所述上环氧绝缘板并与所述动触头固定连接；弹簧，所述弹簧套设在所述连杆上，所述弹簧设置在所述绝缘拉板和所述上环氧绝缘板之间。

上述的分闸机构，其中，每一所述电磁斥力机构均包括：斥力线圈，所述斥力线圈固定地套设在所述连杆上，在接收到快速分闸命令后通过脉冲电流并产生感应磁场；斥力盘，所述斥力盘固定在所述上环氧绝缘板的上表面，在所述感应磁场的作用下产生方向与斥力线圈的脉冲电流相反的涡流；充电装置，所述充电装置为所述斥力线圈提供脉冲电流。

上述的分闸机构，其中，所述连杆通过紧固件与所述绝缘拉板的下表面固定连接。

上述的分闸机构，其中，包括三所述真空灭弧室机构，三所述真空灭弧室机构的排列位置呈三角分布，每一所述真空灭弧室机构均对应地设有一所述弹簧连接机构和一所述电磁斥力机构。

一种混合式交流断路器，其中，包括：用于实现故障电流的快速分断和正常运行的电路导通的高速机械开关支路、用于实现故障电流的限流的固态换流支路以及用于吸收电路中短路能量的能量吸收支路，其中，所述高速机械开关支路上设有快速分闸机构，所述快速分闸机构为上述的任意一项所述的快速分闸机构。

上述的混合式交流断路器，其中，所述高速机械开关支路、所述固态换流支路和所述能量吸收支路并联设置。

本发明由于采用了上述技术，使之与现有技术相比具有的积极效果是：

(1)本发明通过引入快速分闸机构和强迫换流技术的混合式交流断路器，能够极大提高断路器的分闸速度，缩短燃弧时间，减少触头烧蚀，增大触头的电寿命。

(2)本发明的双稳态永磁机构的传动方式为直动式，省却了连杆的传动，减小了时间的分散性，提高机械可靠性和断路器的动作时间稳定性。

(3)本发明的每相真空灭弧室分别对应一个独立的斥力线圈和斥力盘，增大了每相运动触头的分闸初始加速度，减少斥力线圈通过的瞬时脉冲电流，提高斥力线圈绝缘强度可靠性。

(4)本发明的三相真空灭弧室的排列位置呈三角分布，这样既可以减少三相斥力线圈之间的电磁干扰，又可以缩小断路器体积，整体结构紧凑。

附图说明

图1是本发明的快速分闸机构的主视图。

图2是本发明的快速分闸机构的图1中的A-A剖视图。

图3是本发明的快速分闸机构的俯视图。

图4是本发明的快速分闸机构的立体图。

附图中：1、永磁机构；11、静铁芯；12、动铁芯；13、导杆；14、分闸线圈；15、合闸线圈；16、永磁体；17、绝缘拉板；2、真空灭弧室机构；21、真空灭弧室；211、动触头；22、上环氧绝缘板；23、下环氧绝缘板；24、进线母排；25、出线母排；3、弹簧连接机构；31、连杆；32、弹簧；33、紧固件；4、电磁斥力机构；41、斥力线圈；42、斥力盘。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

图1是本发明的快速分闸机构的主视图，图2是本发明的快速分闸机构的图1中的A-A剖视图，图3是本发明的快速分闸机构的俯视图，图4是本发明的快速分闸机构的立体图，请参见图1至图4所示，示出了另一种较佳实施例的快速分闸机构，包括：一永磁机构1，永磁机构1为双稳态永磁机构，永磁机构1的传动方式为直动式，永磁机构1用于实现分闸操动和合闸操动，以及提供分闸保持力和合闸保持力。

进一步，作为较佳的实施例中，快速分闸机构还包括：若干真空灭弧室机构2，设置在永磁机构1的下方，真空灭弧室机构2包括若干真空灭弧室21，用于在断路后迅速熄弧并抑制电流。

更进一步，作为较佳的实施例中，快速分闸机构还包括：若干弹簧连接机构3，设置在永磁机构1和真空灭弧室21之间，连接永磁机构1和真空灭弧室21，用于带动真空灭弧室21的动触头211运动，并在处于合闸状态时为动触头211提供触头压力。

再进一步，作为较佳的实施例中，快速分闸机构还包括：若干电磁斥力机构4，设置在永磁机构1和真空灭弧室21之间，用于提供使动触头211向上运动的动力，以配合永磁机构1实现分闸操动，并保持在分闸状态。

此外，作为较佳的实施例中，永磁机构1包括：静铁芯11，静铁芯11形成一圆柱形腔体，圆柱形腔体内竖直地设有一导杆13，导杆13的两端分别与静铁芯11的上端和下端可转动连接。具体地，静铁芯包括上静铁芯、下静铁芯以及静铁芯圆筒三个部分，上静铁芯和下静铁芯分别设置在静铁芯圆筒的上端和下端，上静铁芯、下静铁芯和静铁芯圆筒合围形成圆柱形腔体，导杆13的上端与上静铁芯可转动连接，导杆13的下端贯穿下静铁芯并与下静铁芯可转动连接。

进一步，作为较佳的实施例中，永磁机构1包括：动铁芯12，动铁芯12设置在静铁芯11的内部，动铁芯12固定地套设在导杆13外。

更进一步，作为较佳的实施例中，永磁机构1包括：分闸线圈14和合闸线圈15，分闸线圈14环绕在动铁芯12的上侧，合闸线圈15环绕在动铁芯12的下侧。

再进一步，作为较佳的实施例中，永磁机构1包括：永磁体16，永磁体16环绕在动铁芯12的中部，永磁体16位于分闸线圈14和合闸线圈15之间。

另一方面，作为较佳的实施例中，导杆13的下端贯穿静铁芯11的下端并与一绝缘拉板17固定连接。绝缘拉板17呈三角形的板状结构，绝缘拉板17由绝缘材料制成，导杆13的下端与绝缘拉板的上表面的中部固定连接。

另外，作为较佳的实施例中，每一真空灭弧室机构2均包括：上环氧绝缘板22和下环氧绝缘板23，真空灭弧室21设置在上环氧绝缘板22和下环氧绝缘板23之间，真空灭弧室21固定在下环氧绝缘板23的上表面。

进一步，作为较佳的实施例中，每一真空灭弧室机构2均包括：进线母排24，设置于上环氧绝缘板22上，并与真空灭弧室21搭接。

更进一步，作为较佳的实施例中，每一真空灭弧室机构2均包括：出线母排25，设置于下环氧绝缘板23上，并与真空灭弧室21搭接。

以及，作为较佳的实施例中，每一弹簧连接机构3均包括：连杆31，连杆31的上端与绝缘拉板17的角部固定连接，连杆31的下端贯穿上环氧绝缘板22并与动触头211固定连接。

进一步，作为较佳的实施例中，每一弹簧连接机构3均包括：弹簧32，弹簧32套设在连杆31上，弹簧32设置在绝缘拉板17和上环氧绝缘板22之间。

还有，作为较佳的实施例中，每一电磁斥力机构4均包括：斥力线圈41，斥力线圈41固定地套设在连杆31上，在接收到快速分闸命令后通过脉冲电流并产生感应磁场。

进一步，作为较佳的实施例中，每一电磁斥力机构4均包括：斥力盘42，斥力盘42设置在上环氧绝缘板22的上表面，在感应磁场的作用下产生方向与斥力线圈的脉冲电流相反的涡流。根据电磁场理论，斥力盘42和斥力线圈41之间产生电磁推力，因此连杆31由于电磁推力带动动触头211一起向上运动，动触头211和静触头分离，在永磁机构1的配合下，完成快速分闸操动并保持在分闸状态。

更进一步，作为较佳的实施例中，每一电磁斥力机构4均包括：充电装置，充电装置为斥力线圈41提供脉冲电流。

另一方面，作为较佳的实施例中，连杆31通过紧固件33与绝缘拉板17的下表面固定连接。紧固件33为环形结构，紧固件33设置在绝缘拉板17的上表面。

此外，作为较佳的实施例中，快速分闸机构包括三真空灭弧室机构2，三真空灭弧室机构2的排列位置呈三角分布，每一真空灭弧室机构2均对应地设有一弹簧连接机构3和一电磁斥力机构4。

进一步，作为较佳的实施例中，由于每相真空灭弧室21对应一个独立的斥力线圈41和斥力盘42，能够增大每相运动触头211的分闸初始加速度，减少斥力线圈41通过的瞬时脉冲电流，提高斥力线圈41的绝缘强度可靠性。

更进一步，作为较佳的实施例中，由于在快速分闸操动的过程中，三个斥力线圈41需要同时通过很大的脉冲电流，为了避免三个斥力线圈41之间之间产生电磁干扰，三个斥力线圈41必须保持一定的间距。将三个斥力线圈41排放位置涉及呈圆环形，并且均匀分布，能够在保证斥力线圈41的间距的同时，缩小机构体积，使结构更加紧凑。

下面说明快速分闸机构的合闸操动、常规分闸操动以及系统发生短路故障的情况：

合闸时，永磁机构1接收到合闸命令，合闸线圈15通以脉冲电流，在脉冲电流的作用下，合闸线圈15产生的感应磁场克服永磁体16产生的磁力，动铁芯12受到向下的力越来越大，当脉冲电流大到一定程度时，动铁芯12开始向下运动，通过导杆13和绝缘拉板17带动三相动触头211向下运动，完成合闸操动。同时，永磁机构1的动铁芯12在永磁体16的作用下牢牢地保持在合闸位置。

常规分闸时，永磁机构1接收到常规分闸命令，分闸线圈14通以脉冲电流，在脉冲电流的作用下，分闸线圈14产生的感应磁场克服永磁体16产生的磁力，动铁芯12受到向上的力越来越大，当脉冲电流大到一定程度时，动铁芯12开始向上运动，通过导杆13和绝缘拉板17带动三相动触头211向上运动，完成常规分闸操动。同时，永磁机构1的动铁芯12在永磁体16的作用下牢牢地保持在分闸位置。

当系统发生短路故障，需要断路器迅速动作时，分闸操动由电磁斥力机构4和永磁机构1共同完成。故障电路智能控制单元检测到短路故障后向快速向电磁斥力机构4和永磁机构1发送分闸的指令，电磁斥力机构4接收到分闸的指令后，充电装置放电，使斥力线圈41中流过很大的瞬时脉冲电流，由于电磁感应作用，在斥力盘42中感应出方向相反的涡流，涡流产生的磁场与斥力线圈41产出的磁场方向相反，从而在斥力线圈41与斥力盘42之间产生电磁斥力，通过电磁斥力带动斥力盘42向上运动。由于真空灭弧室21的动触头211在连杆31的作用在与斥力盘42固定，所以，动触头211随着斥力盘42一同上升运动，动触头211与静触头分离。

在电磁斥力机构4开始分闸的同时，永磁机构1也接收到分闸的指令后开始动作，由于永磁机构1的始动时间慢于电磁斥力机构4，因此通过电磁斥力机构4完成动触头211的前期的快速分离，永磁机构1则完成动触头211快速分离形成电气气隙之后的进一步可靠分闸，永磁机构1和电磁斥力机构4的动作需要协调一致，同时永磁机构1还起到提供分闸保持力的作用。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围。

本发明在上述基础上还具有如下实施方式：

本发明的进一步实施例中，请继续参见图1至图4所示，示出了一种混合式交流断路器，包括：用于实现故障电流的快速分断和正常运行的电路导通的高速机械开关支路、用于实现故障电流的限流的固态换流支路以及用于吸收电路中短路能量的能量吸收支路，其中，高速机械开关支路上设有上述的快速分闸机构。

本发明的进一步实施例中，高速机械开关支路、固态换流支路和能量吸收支路并联设置。

本发明的进一步实施例中，固态换流支路为由电力电子器件和电感、电容元件组成的回路，能量吸收支路为金属氧化物避雷器。

本发明的进一步实施例中，固态换流支路电力电子器件导通后，故障电流将从高速机械开关支路转移到固态换流支路，从而缩短触头燃弧时间，减小触头烧蚀。

本发明的进一步实施例中，能量吸收支路能够使故障电流迅速降为零，分断时间远远小于传统断路器依靠自然过零点的分断时间。

下面说明混合式交流断路器在系统发生短路故障的情况：

当电磁斥力机构4接收到分闸命令20μs后，固态换流支路导通，使得高速机械开关支路的电流能够快速转换到固态换流支路，高速机械开关支路的电流为零，电弧熄灭，燃弧时间远远小于传统的交流断路器。固态换流支路通过自身的特点将短路电流限制在允许的范围内，在能量吸收支路的共同作用下，完成快速限流分断，实现无缝切换。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种快速分闸机构，其特征在于，包括：

一永磁机构，用于实现分闸操动和合闸操动，以及提供分闸保持力和合闸保持力；

若干真空灭弧室机构，设置在所述永磁机构的下方，所述真空灭弧室机构包括若干真空灭弧室，用于在断路后迅速熄弧并抑制电流；

若干弹簧连接机构，设置在所述永磁机构和所述真空灭弧室之间，连接所述永磁机构和所述真空灭弧室，用于带动所述真空灭弧室的动触头运动，并在处于合闸状态时为所述动触头提供触头压力；

若干电磁斥力机构，设置在所述永磁机构和所述真空灭弧室之间，用于提供使所述动触头向上运动的动力，以配合所述永磁机构实现分闸操动，并保持在分闸状态；

永磁机构为双稳态永磁机构，永磁机构的传动方式为直动式；

包括三所述真空灭弧室机构，三所述真空灭弧室机构的排列位置呈三角分布，每一所述真空灭弧室机构均对应地设有一所述弹簧连接机构和一所述电磁斥力机构；

所述永磁机构包括：

静铁芯，所述静铁芯形成一圆柱形腔体，所述圆柱形腔体内竖直地设有一导杆，所述导杆的两端分别与所述静铁芯的上端和下端可转动连接；

动铁芯，所述动铁芯设置在所述静铁芯的内部，所述动铁芯固定地套设在所述导杆外；

分闸线圈和合闸线圈，所述分闸线圈环绕在所述动铁芯的上侧，所述合闸线圈环绕在所述动铁芯的下侧；

永磁体，所述永磁体环绕在所述动铁芯的中部，所述永磁体位于所述分闸线圈和所述合闸线圈之间；

所述静铁芯包括上静铁芯、下静铁芯以及静铁芯圆筒，所述上静铁芯和所述下静铁芯分别设置在所述静铁芯圆筒的上端和下端，所述上静铁芯、所述下静铁芯和所述静铁芯圆筒合围形成圆柱形腔体，所述导杆的上端与所述上静铁芯可转动连接，所述导杆的下端贯穿所述下静铁芯并与所述下静铁芯可转动连接。

2.根据权利要求1所述的快速分闸机构，其特征在于，所述导杆的下端贯穿所述静铁芯的下端并与一绝缘拉板固定连接。

3.根据权利要求2所述的快速分闸机构，其特征在于，每一所述真空灭弧室机构均包括：

上环氧绝缘板和下环氧绝缘板，所述真空灭弧室设置在所述上环氧绝缘板和所述下环氧绝缘板之间，所述真空灭弧室固定在所述下环氧绝缘板的上表面；

进线母排，设置于所述上环氧绝缘板上，并与所述真空灭弧室搭接；

出线母排，设置于所述下环氧绝缘板上，并与所述真空灭弧室搭接。

4.根据权利要求3所述的快速分闸机构，其特征在于，每一所述弹簧连接机构均包括：

连杆，所述连杆的上端与所述绝缘拉板固定连接，所述连杆的下端贯穿所述上环氧绝缘板并与所述动触头固定连接；

弹簧，所述弹簧套设在所述连杆上，所述弹簧设置在所述绝缘拉板和所述上环氧绝缘板之间。

5.根据权利要求4所述的快速分闸机构，其特征在于，每一所述电磁斥力机构均包括：

斥力线圈，所述斥力线圈固定地套设在所述连杆上，在接收到快速分闸命令后通过脉冲电流并产生感应磁场；

斥力盘，所述斥力盘固定在所述上环氧绝缘板的上表面，在所述感应磁场的作用下产生方向与斥力线圈的脉冲电流相反的涡流；

充电装置，所述充电装置为所述斥力线圈提供脉冲电流。

6.根据权利要求4所述的快速分闸机构，其特征在于，所述连杆通过紧固件与所述绝缘拉板的下表面固定连接。

7.一种混合式交流断路器，其特征在于，包括：用于实现故障电流的快速分断和正常运行的电路导通的高速机械开关支路、用于实现故障电流的限流的固态换流支路以及用于吸收电路中短路能量的能量吸收支路，其中，所述高速机械开关支路上设有快速分闸机构，所述快速分闸机构为权利要求1至6中任意一项所述的快速分闸机构。

8.根据权利要求7所述混合式交流断路器，其特征在于，所述高速机械开关支路、所述固态换流支路和所述能量吸收支路并联设置。

Images