CN108493037A - 一种双动导电杆和双波纹管结构真空灭弧室及工作方法 - Google Patents

一种双动导电杆和双波纹管结构真空灭弧室及工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双动导电杆和双波纹管结构真空灭弧室及工作方法，该真空灭弧室设置主波纹管和副波纹管、主动导电杆和副动导电杆，以及与主动导电杆焊接的用于短路开断的主动触头及与副导电杆焊接的用于大额定电流通流的副动触头；该真空灭弧室通过双波纹管密封结构可保持真空灭弧室内部高真空度，同时通过双动导电杆和双触头结构，大幅减小了灭弧室回路电阻，在不影响灭弧室短路故障电流开断性能的前提下，可显著提升灭弧室额定电流水平。

Description

一种双动导电杆和双波纹管结构真空灭弧室及工作方法
技术领域
本发明涉及真空灭弧室技术领域，特别涉及一种额定电流水平得到提升的双动导电杆和双波纹管结构真空灭弧室及工作方法。
背景技术
开关设备是电力系统中重要的控制和保护设备，真空和SF6是断路器中广泛使用的两种性能优异的绝缘与灭弧介质，而《京都会议书》将SF6正式确定为温室效应气体后，对真空断路器的研究成为国内外高压开关领域的重要研究方向。许多专家学者对真空灭弧室各技术领域皆开展了不同层面的研究，旨在致力于真空断路器向更高电压等级和更大容量的发展。然而，由于真空断路器的触头材料和结构的发展难以兼顾真空开关大额定短路开断性能与大额定电流通流水平这一矛盾，这也成为单断口型真空开关向高压、大容量、大通流能力发展的技术瓶颈。
为了解决这一问题，专利CN1963972公开了一种真空断路器进出线端加装散热器或在灭弧室导电杆内部加装重力热管技术方案来提升灭弧室额定电流水平；其他研究者提出在原真空开关基础上采用多断口并联或并联设置其他类型断口的技术方案，实现大额定电流的通流和大短路电流的开断，但上述技术措施皆不可避免的增大开关设备本身的经济成本和体积空间成本。专利CN2805059公开了一种弧触头与主触头的真空灭弧室触头结构，通过触头合闸过程中在弧触头压力作用下线圈的形变实现主触头的接触和通流。然而，目前尚没有采用双波纹管密封结构以及双动导电杆结构的大额定电流水平真空灭弧室相关研究成果。
发明内容
为了解决真空灭弧室温升与短路开断这一固有矛盾问题，本发明提出了一种双动导电杆和双波纹管结构真空灭弧室及工作方法，该真空灭弧室采用了双波纹管的结构、双动导电杆结构、双动触头和静触头的结构，具有两对触头均通流、一对触头承担短路电流开断功能的特点；该真空灭弧室通过双波纹管密封结构可保持真空灭弧室内部高真空度，同时通过双动导电杆和双触头结构，大幅减小了灭弧室回路电阻，提升其额定电流水平，具有结构简单、额定电流水平高、可靠性高的特点。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种双动导电杆和双波纹管结构真空灭弧室，包括静端侧部分、动端侧部分和壳体结构；
所述静端侧部分包括主静导电杆101、主静触头102、副静导电杆201和副静触头202；副静导电杆201包覆在主静导电杆101外周圈，主静导电杆101和副静导电杆201的上端穿过静端密封601与静端盖301和静端连接801焊接，主静导电杆101的下端焊接有主静触头102，副静导电杆201的下端焊接有副静触头202；
动端侧部分包括主动导电杆104、主动触头103、副动导电杆204 和副动触头203；副动导电杆204可活动的包覆在主动导电杆104外周圈，主动导电杆104和副动导电杆204的下端从动端盖302穿出；副动导电杆204与动端盖302之间通过主波纹管105连接，主动导电杆104与副动导电杆204之间通过副波纹管205连接，以实现灭弧室的运动密封；主动导电杆104的上端焊接有主动触头103，副动导电杆204的上端焊接有副动触头203；在同一真空灭弧室内部，主静触头102和主动触头103构成第一触头组，副静触头202和副动触头 203构成第二触头组，且主静触头102与主动触头103间的距离小于副静触头202与副动触头203间的距离；瓷壳501内设有主屏蔽罩 402，能够全程包裹两组触头。
所述主波纹管105实现副动导电杆204与灭弧室的密封，副波纹管205实现主动导电杆104与副动导电杆204的密封。
所述主动导电杆104和副动导电杆204能够相对独立运动，且副动导电杆204对主动导电杆104具有导向作用。
所述副静触头202和副动触头203相对主静触头102和主动触头 103通过触头弹簧实现“后合先分”，以使主静触头102和主动触头 103完成短路故障电流的关合与开断，副静触头202和副动触头203 完成合闸状态下大额定电流的通流。
所主波纹管105采用0.2mm厚、压缩行程为30mm的不锈钢波纹管，一端焊接于副动导电杆204上，另一端焊接于动端盖302上；在副动导电杆204和动端盖302与主波纹105焊接部位预留氩弧焊焊接槽，保证主波纹管105轴心与真空灭弧室轴心重合，不致在灭弧室合分闸过程中引起副波纹管的扭曲压缩；
所述副波纹管205采用0.2mm厚、压缩行程为25mm的不锈钢波纹管，一端焊接于主动导电杆104上，另一端焊接于副动导电杆 204上；在主动导电杆104和副动导电杆204上与副波纹管205焊接部位预留氩弧焊焊接槽，保证副波纹管205轴心与真空灭弧室轴心重合。
所述静端盖301和动端盖302上分别设置有不锈钢材料的静端屏蔽罩401和动端屏蔽罩403，静端屏蔽罩401和动端屏蔽罩403与瓷壳501采用陶瓷金属化方式焊接。
所述副静触头202和副动触头203采用高电导率的无氧铜材料，且在其触头边缘处进行倒大圆角处理，以保证大通流能力的同时，满足灭弧室绝缘耐压性能。
所述主静触头102和主动触头103，依据灭弧室额定短路电流开断水平需求，采用平板触头、横磁触头或纵磁触头结构。
所述的双动导电杆和双波纹管结构真空灭弧室的工作方法，当灭弧室开断短路故障电流过程中，因主副触头的触头弹簧特性不同，副动触头203首先竖直向下运动，与副静触头202分离，此时由于主静触头102和主动触头103未分离，副动触头203与副静触头202并不承担短路电流开断任务；当副动触头203运动到一定距离时，主动触头103开始竖直向下动作，并与主静触头102分离，此时，短路电流由主静触头102和主动触头103开断；当开断结束后，副动触头203 和主动触头103停留在分闸位置；
同理，在合闸过程中，主动触头103和副动触头203从分闸位置同时开始竖直向上运动。由于主静触头102与主动触头103间的距离小于副静触头202与副动触头203间的距离，因此，主动触头103 首先与主静触头102接触，此特性能保证真空灭弧室预击穿电弧产生于主触头间隙；而当灭弧室主动触头103与主静触头102合闸到位时，副动触头203仍继续竖直向上运动，直到到达合闸位置与副静触头 202完全接触；此时副静触头202和副动触头203与主静触头102和主动触头103并联分流，显著提升真空灭弧室通流能力。
和现有技术相比较，本发明的有益效果为：
与现有技术相比，本发明采用双动导电杆结构和双波纹管结构，可在不破坏真空灭弧室内部高真空度以及对触头结构不造成形变的条件下，借助主、副触头结构设置，解决高电压等级真空灭弧室短路电流开断性能与额定电流水平提升这一矛盾。此外，采用该技术可避免采用多断口并联或真空灭弧室外部并联设置其他类型断口来提升真空断路器额定电流水平的技术方案，仅需与之相对应的传动装置来实现主副导电杆之间的运动配合，节省多个操动机构及其控制单元的配合，简化断路器结构设计，实现真空开关经济成本降低的同时，亦可提高断路器的可靠性。
附图说明
图1为本发明所述的一种双动导电杆和双波纹管结构真空灭弧室具体实施方案图。
图2为本发明所述的一种双动导电杆和双波纹管结构真空灭弧室分闸过程主、副触头位移特性示意图。
图3为本发明所述的一种双动导电杆和双波纹管结构真空灭弧室合闸过程主、副触头位移特性示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明：
如图1所示，本发明一种双动导电杆和双波纹管结构真空灭弧室，包括：主静导电杆101、主静触头102、主动触头103、主动导电杆104、主波纹管105、副静导电杆201、副静触头202、副动触头 203、副动导电杆204、副波纹管205、静端盖301、动端盖302、静端屏蔽罩401、主屏蔽罩402、动端屏蔽罩403、瓷壳501、静端密封 601、动端导向701、静端连接801、动端主导电杆连接802和动端副导电杆连接803。
主波纹管105采用0.2mm厚压缩行程30mm的不锈钢波纹管，一端焊接于副动导电杆204上，另一端焊接于灭弧室动端盖302上。在主动导电杆204和灭弧室动端盖302与主波纹管105焊接部位预留氩弧焊焊接槽，保证主波纹管105轴心与灭弧室轴心重合，不致在灭弧室合分闸过程中引起副波纹管的扭曲压缩。
副波纹管205采用0.2mm厚压缩行程25mm的不锈钢波纹管，一端焊接于主动导电杆104上，另一端焊接于副动导电杆204上。在主动导电杆104和副动导电杆204上与副波纹管205焊接部位预留氩弧焊焊接槽，保证副波纹管205轴心与灭弧室轴心重合。
主静触头102与主动触头103采用直径60mm的CuCr25杯状纵磁结构触头，在单断口真空灭弧室中该种触头额定短路开断电流为25kA，额定电流为630A。副静触头202与副动触头203采用无氧铜平板触头结构，采用环形结构设计，触头外径为100mm，内径为70 mm，与主触头最短间隙距离为15mm。在分闸位置主动、静触头开距为18mm，副触头开距为24mm，主静触头102与副静触头202 在触头表面位置处平齐。主动静触头表面与背部边缘位置分别倒圆角 R5mm和R3mm，副动静触头边缘倒圆角3mm。
为保证图1所示真空灭弧室的绝缘性能，在灭弧室动静端盖分别设置不锈钢材料的静端屏蔽罩401、动端屏蔽罩403、主屏蔽罩402，灭弧室动、静端屏蔽罩401和动端屏蔽罩403与瓷壳501采用陶瓷金属化方式焊接，动静端盖焊接于端屏蔽罩预留焊接部位。灭弧室在分闸位置时，由于有端屏蔽罩以及主屏蔽罩作用，灭弧室电位沿瓷壳呈近均匀分布趋势，且主屏蔽罩501、主静触头102和主动触头103边缘圆角、副静触头202和副动触头203边缘圆角设置，始终保持副静触头202和副动触头203间隙电场强度高于主静触头102和主动触头103间隙电场强度。
灭弧室开断短路故障电流过程中，灭弧室主触头相对副触头的“后分”特性，可保证其间隙配合满足灭弧室可靠开断要求。假设灭弧室以3ms短燃弧时间开断25kA短路电流的工况(考虑 12kV/630A-25kA单断口商用真空灭弧室T100s(b)短燃弧开断时间大多在3～5ms范围)，在断路器分闸速度为1.0m/s条件下，灭弧室主动触头103和副动触头203分闸位移特性曲线见图2，电流过零后主触头间隙距离达3mm，副触头间隙距离达9mm，此种工况下，主静触头102和主动触头103间隙电场强度仍然高于副静触头202和副动触头 203间隙电场强度，且由于副触头相对主触头间隙最短距离为15mm，因此不会发生主静触头相对副动触头放电现象。考虑另外当主触头间隙距离大于15mm时(即断路器以更高的分闸速度或长燃弧工况下，导致电弧电流过零时，主触头间隙距离大于副触头与主触头最短间隙距离时)，副静触头202和副动触头203或已运动至满开距24mm位置，或副触头已运动至21mm位置，此时主静触头102与副动触头 203的间隙距离仍远大于15mm的主触头与副触头最短间隙，因此不容易发生副触头与主触头之间的击穿发电。
同理，合闸过程中主动触头103相对副动触头203的“先合”特性，可确保真空灭弧室预击穿电弧产生于主触头间隙。灭弧室合闸过程中主动触头103与副动触头203的合闸位移特性曲线示意图如图3 所示。灭弧室主静触头102和主动触头103合闸到位后，副动触头203仍需运动至少6mm才能到达合闸位置，此时，副静触头202和副动触头203与主静触头102和主动触头103并联分流，显著提升灭弧室通流能力。
副动导电杆204位于主动导电杆104外侧且相互独立运动，副动导电杆204可为主动导电杆104的合分闸运动提供导向作用。在断路器装配过程中主导电杆104预留M12安装螺纹孔802；副动导电杆 204底端预留有M40的安装螺纹803。主动导电杆104与副动导电杆204通过触头簧装置进行连接。

Claims (8)

1.一种双动导电杆和双波纹管结构真空灭弧室，其特征在于，包括静端侧部分、动端侧部分和壳体结构；
所述静端侧部分包括主静导电杆(101)、主静触头(102)、副静导电杆(201)和副静触头(202)；副静导电杆(201)包覆在主静导电杆(101)外周圈，主静导电杆(101)和副静导电杆(201)的上端穿过静端密封(601)与静端盖(301)和静端连接(801)焊接，主静导电杆(101)的下端焊接有主静触头(102)，副静导电杆(201)的下端焊接有副静触头(202)；
动端侧部分包括主动导电杆(104)、主动触头(103)、副动导电杆(204)和副动触头(203)；副动导电杆(204)可活动的包覆在主动导电杆(104)外周圈，主动导电杆(104)和副动导电杆(204)的下端从动端盖(302)穿出；副动导电杆(204)与动端盖(302)之间通过主波纹管(105)连接，主动导电杆(104)与副动导电杆(204)之间通过副波纹管(205)连接，以实现灭弧室的运动密封；主动导电杆(104)的上端焊接有主动触头(103)，副动导电杆(204)的上端焊接有副动触头(203)；在同一真空灭弧室内部，主静触头(102)和主动触头(103)构成第一触头组，副静触头(202)和副动触头(203)构成第二触头组，且主静触头(102)与主动触头(103)间的距离小于副静触头(202)与副动触头(203)间的距离；瓷壳(501)内设有主屏蔽罩(402)，能够全程包裹两组触头。
2.根据权利要求1所述的一种双动导电杆和双波纹管结构真空灭弧室，其特征在于，所述主动导电杆(104)和副动导电杆(204)能够相对独立运动，且副动导电杆(204)对主动导电杆(104)具有导向作用。
3.根据权利要求1所述的一种双动导电杆和双波纹管结构真空灭弧室，其特征在于，所述副静触头(202)和副动触头(203)相对主静触头(102)和主动触头(103)通过触头弹簧实现“后合先分”，以使主静触头(102)和主动触头(103)完成短路故障电流的关合与开断，副静触头(202)和副动触头(203)完成合闸状态下大额定电流的通流。
4.根据权利要求1所述的一种双动导电杆和双波纹管结构真空灭弧室，其特征在于，所主波纹管(105)采用0.2mm厚、压缩行程为30mm的不锈钢波纹管，一端焊接于副动导电杆(204)上，另一端焊接于动端盖(302)上；在副动导电杆(204)和动端盖(302)与主波纹(105)焊接部位预留氩弧焊焊接槽，保证主波纹管(105)轴心与真空灭弧室轴心重合，不致在灭弧室合分闸过程中引起副波纹管的扭曲压缩；
所述副波纹管(205)采用0.2mm厚、压缩行程为25mm的不锈钢波纹管，一端焊接于主动导电杆(104)上，另一端焊接于副动导电杆(204)上；在主动导电杆(104)和副动导电杆(204)上与副波纹管(205)焊接部位预留氩弧焊焊接槽，保证副波纹管(205)轴心与真空灭弧室轴心重合。
5.根据权利要求1所述的一种双动导电杆和双波纹管结构真空灭弧室，其特征在于，所述静端盖(301)和动端盖(302)上分别设置有不锈钢材料的静端屏蔽罩(401)和动端屏蔽罩(403)，静端屏蔽罩(401)和动端屏蔽罩(403)与瓷壳(501)采用陶瓷金属化方式焊接。
6.根据权利要求1所述的一种双动导电杆和双波纹管结构真空灭弧室，其特征在于，所述副静触头(202)和副动触头(203)采用高电导率的无氧铜材料，且在其触头边缘处进行倒大圆角处理，以保证大通流能力的同时，满足灭弧室绝缘耐压性能。
7.根据权利要求1所述的一种双动导电杆和双波纹管结构真空灭弧室，其特征在于，所述主静触头(102)和主动触头(103)，依据灭弧室额定短路电流开断水平需求，采用平板触头、横磁触头或纵磁触头结构。
8.权利要求1至7任一项所述的双动导电杆和双波纹管结构真空灭弧室的工作方法，其特征在于：
当灭弧室开断短路故障电流过程中，因主副触头的触头弹簧特性不同，副动触头(203)首先竖直向下运动，与副静触头(202)分离，此时由于主静触头(102)和主动触头(103)未分离，副动触头(203)与副静触头(202)并不承担短路电流开断任务；当副动触头(203)运动到一定距离时，主动触头(103)开始竖直向下动作，并与主静触头(102)分离，此时，短路电流由主静触头(102)和主动触头(103)开断；当开断结束后，副动触头(203)和主动触头(103)停留在分闸位置；
同理，在合闸过程中，主动触头(103)和副动触头(203)从分闸位置同时开始竖直向上运动。由于主静触头(102)与主动触头(103)间的距离小于副静触头(202)与副动触头(203)间的距离，因此，主动触头(103)首先与主静触头(102)接触，此特性能保证真空灭弧室预击穿电弧产生于主触头间隙；而当灭弧室主动触头(103)与主静触头(102)合闸到位时，副动触头(203)仍继续竖直向上运动，直到到达合闸位置与副静触头(202)完全接触；此时副静触头(202)和副动触头(203)与主静触头(102)和主动触头(103)并联分流，显著提升真空灭弧室通流能力。
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