CN109192600B - 一种强横向磁场直流触头结构及其应用的直流真空灭弧室 - Google Patents

Abstract

一种强横向磁场直流触头结构及其应用的直流真空灭弧室，该强横向磁场直流触头结构包括真空灭弧室内部的动侧触头组合结构和静侧触头组合结构；动侧触头组合结构包括动侧导电杆、焊接在动侧导电杆一端的动侧横向磁场杯状触头结构以及焊接在动侧横向磁场杯状触头结构端部的动侧环形开槽结构触头片；静侧触头组合结构包括静侧导电杆，焊接在静侧导电杆一端的静侧横向磁场杯状触头结构以及焊接在静侧横向磁场杯状触头结构端部的静侧环形开槽结构触头片；述动侧横向磁场杯状触头结构和静侧横向磁场杯状触头结构的开槽旋转方向相反；该直流真空灭弧室包括所述的强横向磁场直流触头结构；本发明极大地增强了作用于真空电弧的横向磁场的强度，同时实现了电弧弧柱的运动阶跃。

Description

一种强横向磁场直流触头结构及其应用的直流真空灭弧室

技术领域

本发明属于真空断路器和真空直流开断技术领域，具体涉及一种强横向磁场直流触头结构及其应用的直流真空灭弧室。

背景技术

伴随着国内外直流电领域相关研究和应用的迅猛发展，对于中、低压直流断路器提出了巨大的市场需求。相较于交流供电系统，直流输电技术在大容量、远距离输配电领域，具有独特的技术优势。虽然直流输电理论已经比较成熟，但是相对于交流输电系统灵活多样的方式，直流输电技术的发展受到了很大的局限和制约，其主要原因就是缺乏实用、便捷、可靠的中高压直流断路器。如何制造和完善以获得实用的直流断路器,是整个开关行业面临的一个技术难题。真空断路器凭借其可靠性高、维护简单、开断能力强等优势，在中压的断路器领域占据了绝对的优势，但是，考虑到直流系统中没有自然过零点，其真空断路器在直流系统的应用还面临巨大的挑战。随着真空断路器的快速发展，以及对于真空电弧理论及其应用研究的深入，为真空断路器在直流开断中的应用提出了新的契机和可能。

现有真空断路器主要应用于交流电流回路系统中，此外，真空开关在直流电流开断的拓扑结构中也有一定的应用，但是目前还没有实现真空断路器对于直流电流的直接开断。目前，真空断路器在电流的开断过程中主要是通过触头结构产生的磁场实现对于真空电弧的控制。根据磁场方向的不同，主要分为了横向磁场触头结构和纵向磁场触头结构，这两种主要的磁场作用类型。其中横向磁场触头结构主要是利用触头开槽结构控制电流的流通路径，以此产生与触头表面平行相切方向的横向磁场来驱动电弧在触头表面运动。在横向磁场的作用下，可以较大程度地减轻触头的烧蚀，并且横向磁场作用下，真空电弧具有较高的电弧电压。

传统直流回路系统的电流开断方式是当断路器在开断过程中的电弧电压高于系统电压，那么直流电流开断；或者是通过此种人工过零的方式实现直流电流开断，即在直流系统中增加反向放电回路，当需要开断直流回路时，反向放电回路闭合，直流系统电流过零。基于上述开断原理，目前已经提出了多种拓扑结构。

对于真空电弧的灭弧原理而言，如何大幅提高真空电弧的电压是实现其在直流系统开断中应用的关键。基于前期大量的研究和试验，结果表明较强的横向磁场和电弧弧柱的运动阶跃是有效提高真空电弧电压的两种方式。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，结合前期大量的研究和试验积累，本发明的目的在于提出一种强横向磁场触头结构及其应用的直流真空灭弧室，本发明为了能够使得真空灭弧室具有直流电流开断能力，需要依据真空电弧的燃弧特性，通过巧妙的触头结构设计，提高在燃弧过程中作用在电弧弧柱的横向磁场的强度，同时基于触头开槽结构增加真空电弧的电弧电压，以达到直流电流开断的需求。本发明极大地增强了作用于真空电弧的横向磁场的强度，同时实现了电弧弧柱的运动阶跃，有效地提出了真空电弧的直流开断方案。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种强横向磁场直流触头结构，包括真空灭弧室内部的动侧触头组合结构201和静侧触头组合结构202；所述动侧触头组合结构201包括动侧导电杆101、焊接在动侧导电杆101一端的动侧横向磁场杯状触头结构102以及焊接在动侧横向磁场杯状触头结构102端部的动侧环形开槽结构触头片103；所述静侧触头组合结构202包括静侧导电杆106，焊接在静侧导电杆106一端的静侧横向磁场杯状触头结构105以及焊接在静侧横向磁场杯状触头结构105端部的静侧环形开槽结构触头片104；所述动侧横向磁场杯状触头结构102和静侧横向磁场杯状触头结构105的开槽旋转方向相反，两者结构相互配合，在燃弧过程中，在触头间隙产生横向磁场，作用于真空电弧弧柱，使得真空电弧弧柱沿环形开槽结构触头片高速旋转运动；所述动侧环形开槽结构触头片103和静侧环形开槽结构触头片104，与传统交流真空灭弧室中的横磁杯状触头的触头片结构明显不同，在环形触头片上增加了开槽结构。

所述动侧环形开槽结构触头片103和静侧环形开槽结构触头片104的开槽结构的数量与动侧横向磁场杯状触头结构102和静侧横向磁场杯状触头结构105所开槽口的数量一致或者不一致，但动侧环形开槽结构触头片103和静侧环形开槽结构触头片104的开槽结构的位置与动侧横向磁场杯状触头结构102和静侧横向磁场杯状触头结构105所开槽口的位置一致，即动侧横向磁场杯状触头结构102和静侧横向磁场杯状触头结构105的开槽数量可以分别多于或者少于动侧环形开槽结构触头片103和静侧环形开槽结构触头片104的开槽数量。

所述动侧横向磁场杯状触头结构102和静侧横向磁场杯状触头结构105所开槽口的结构为直边形槽口结构或者螺旋形槽口结构。

所述动侧环形开槽结构触头片103和静侧环形开槽结构触头片104所开槽口的结构为直边形槽口结构或者非直边形槽口结构，所开槽口结构使得各个部分完全分离或者存在一部分相连。

所述动侧环形开槽结构触头片103和静侧环形开槽结构触头片104的内径和外径与动侧横向磁场杯状触头结构102和静侧横向磁场杯状触头结构105的内径和外径分别一致或者不一致。

一种直流真空灭弧室，包括所述的强横向磁场直流触头结构，焊接在动侧导电杆101中部的波纹管109，焊接在波纹管109下端的真空灭弧室动侧盖板110，焊接在真空灭弧室动侧盖板110边缘的包覆动侧触头组合结构201的真空灭弧室动侧瓷壳107；焊接在静侧导电杆106另一端的真空灭弧室静侧盖板111，焊接在真空灭弧室静侧盖板111边缘的包覆静侧触头组合结构202的真空灭弧室静侧瓷壳112。

当真空电弧触头打开，电弧开始燃烧时，真空电弧弧柱在触头间隙沿静侧环形开槽结构触头片104和动侧环形开槽结构触头片103做圆周运动。由于触头片的开槽结构，使得在触头间隙产生更强的、更加集中的横向磁场，更有利于电弧弧柱的吹动，使真空电弧沿着静侧环形开槽结构触头片104和动侧环形开槽结构触头片103快速运动；在真空电弧的快速旋转运动过程中，由于触头片上存在开槽结构，真空电弧的弧柱和阴极斑点必将越过静侧环形开槽结构触头片104和动侧环形开槽结构触头片103上所有的开槽结构，考虑到前期的研究结果表明，电弧的弧柱及阴极斑点在跨越相关间隙的阶跃运动中，电弧电压会发生明显升高，并带有强烈波动，因此，本结构设计将十分有利于真空电弧电压的大幅提升，有助于直流电流的真空开断。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.本发明通过真空灭弧室触头结构的巧妙设计，极大地增强了触头间隙燃弧局部的横向磁场强度。

2.本发明通过真空灭弧室触头结构的巧妙设计，迫使电弧弧柱及阴极斑点发生跨越相关间隙的阶跃运动。

3.本发明极大地提高了真空电弧电压，实现了真空开关对于直流电流的开断。

4.本发明结构简单，易于装配，可以极大地促进相关应用的真空灭弧室在直流领域的广泛应用。

附图说明

图1为本发明的一种强横向磁场触头结构示意图。

图2为本发明的一种强横向磁场触头结构轴向剖视图。

图3(a)为本发明的一种强横向磁场触头结构中的静侧横向磁场杯状触头结构和静侧环形开槽结构触头片结构俯视图。

图3(b)为本发明的一种强横向磁场触头结构中的静侧横向磁场杯状触头结构和静侧环形开槽结构触头片结构斜视图。

图3(c)为本发明的一种强横向磁场触头结构中的静侧横向磁场杯状触头结构和静侧环形开槽结构触头片结构侧视图。

图4为本发明的一种强横向磁场触头结构直流真空灭弧室的剖视图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。

图1和图2分别是本发明的一种强横向磁场直流触头结构的示意图以及轴向剖视图。如图1和图2所示，本发明提供的一种强横向磁场直流触头结构，包括动侧触头组合结构201和静侧触头组合结构202；所述动侧触头组合结构201包括动侧环形开槽结构触头片103和动侧横向磁场杯状触头结构102；所述静侧触头组合结构202包括静侧环形开槽结构触头片104和静侧横向磁场杯状触头结构105。所述动侧横向磁场杯状触头结构102一端焊接动侧环形开槽结构触头片103，另一端焊接动侧导电杆101。所述静侧横向磁场杯状触头结构105一端部焊接静侧环形开槽结构触头片104，另一端焊接静侧导电杆106。

所述动侧横向磁场杯状触头结构102和静侧横向磁场杯状触头结构105均为杯状开槽触头结构，所开的槽口结构为直边形槽口结构或者螺旋形槽口结构。所述动侧横向磁场杯状触头结构102和静侧横向磁场杯状触头结构105的开槽旋转方向相反。

所述动侧横向磁场杯状触头结构102和静侧横向磁场杯状触头结构105之间的端部分别焊接有动侧环形开槽结构触头片103和静侧环形开槽结构触头片104。所述动侧环形开槽结构触头片103和静侧环形开槽结构触头片104，为环形结构，并且在环形触头片上带有开槽结构。

所述动侧环形开槽结构触头片103和静侧环形开槽结构触头片104的内径和外径可以与动侧横向磁场杯状触头结构102和静侧横向磁场杯状触头结构105的内径和外径分别一致或者不一致。动侧环形开槽结构触头片103和静侧环形开槽结构触头片104上所开的槽口结构的数量可以与动侧横向磁场杯状触头结构102和静侧横向磁场杯状触头结构105所开槽口的数量分别一致或者不一致。

图3(a)展示了本发明的一种强横向磁场触头结构中的静侧横向磁场杯状触头结构105和静侧环形开槽结构触头片结构104俯视图。如图3(a)所示，静侧环形开槽结构触头片104所开槽口结构的形状为直边形槽口结构；静侧环形开槽结构触头片104所开槽口结构使得各个部分完全分离。

图3(b)和图3(c)分别展示了本发明的一种强横向磁场触头结构中的静侧横向磁场杯状触头结构105和静侧环形开槽结构触头片104结构斜视图和侧视图。如图3(b)和图3(c)所示，静侧环形开槽结构触头片104上所开的槽口结构的焊接位置与静侧横向磁场杯状触头结构105所开槽口的位置分别一致；静侧横向磁场杯状触头结构105为杯状开槽触头结构，所开的槽口结构为直边形槽口结构。

图4为本发明的一种强横向磁场直流触头结构直流真空灭弧室的剖视图。如图4所示，一种直流真空灭弧室，包括真空灭弧室动侧瓷壳107和静侧瓷壳122，动侧触头组合结构201与静侧触头组合结构202；所述动侧触头组合结构201包括动侧导电杆101，所述动侧导电杆101端部焊接有动侧横向磁场杯状触头结构102，所述动侧横向磁场杯状触头结构102端部焊接有动侧环形开槽结构触头片103；在所述动侧导电杆101中部焊接有波纹管109，所述波纹管109的下端焊接有真空灭弧室动侧盖板110，在真空灭弧室动侧盖板110的边缘焊接有真空灭弧室动侧瓷壳107。所述静侧触头组合结构202包括静侧导电杆106，所述静侧导电杆106端部焊接有静侧横向磁场杯状触头结构105，所述静侧横向磁场杯状触头结构105端部焊接有动侧环形开槽结构触头片104；在所述静侧导电杆106的另一端焊接有真空灭弧室静侧盖板111；在真空灭弧室静侧盖板111的边缘焊接有真空灭弧室静侧瓷壳112。所述动侧横向磁场杯状触头结构102和静侧横向磁场杯状触头结构105均为杯状开槽触头结构，所开的槽口结构为直边形槽口结构或者螺旋形槽口结构。所述动侧横向磁场杯状触头结构102和静侧横向磁场杯状触头结构105的开槽旋转方向相反，相互配合，在触头间隙产生横向磁场。

本发明提供的一种强横向磁场直流触头结构及其应用的直流真空灭弧室，相比传统杯状横磁触头结构及其应用的真空灭弧室具有两方面的优势：一方面，本发明通过真空灭弧室触头结构的巧妙设计，极大地增强了触头间隙燃弧局部的横向磁场强度，同时实现了电弧弧柱及阴极斑点发生跨越相关间隙的阶跃运动，极大地提高了真空电弧电压；另一方面，通过精巧的结构设计，实现了真空开关对于直流电流的开断，此外，本发明结构简单，易于装配，可以极大地促进相关应用的真空灭弧室在直流领域的广泛应用。

本发明不局限于上述优选实施方式，本领域的技术人员可以根据本发明的教导对本发明的一种强横向磁场直流触头结构及其应用的直流真空灭弧室以及相关真空直流断路器做出修改和变化。所有这些修改和变化均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种强横向磁场直流触头结构，包括真空灭弧室内部的动侧触头组合结构(201)和静侧触头组合结构(202)；其特征在于：所述动侧触头组合结构(201)包括动侧导电杆(101)、焊接在动侧导电杆(101)一端的动侧横向磁场杯状触头结构(102)以及焊接在动侧横向磁场杯状触头结构(102)端部的动侧环形开槽结构触头片(103)；所述静侧触头组合结构(202)包括静侧导电杆(106)，焊接在静侧导电杆(106)一端的静侧横向磁场杯状触头结构(105)以及焊接在静侧横向磁场杯状触头结构(105)端部的静侧环形开槽结构触头片(104)；所述动侧横向磁场杯状触头结构(102)和静侧横向磁场杯状触头结构(105)的开槽旋转方向相反，两者结构相互配合，在燃弧过程中，在触头间隙产生横向磁场，作用于真空电弧弧柱，使得真空电弧弧柱沿静侧环形开槽结构触头片(104)和动侧环形开槽结构触头片(103)高速旋转运动；所述动侧环形开槽结构触头片(103)和静侧环形开槽结构触头片(104)，在环形触头片上增加了开槽结构；

当真空电弧触头打开，电弧开始燃烧时，真空电弧弧柱在触头间隙沿静侧环形开槽结构触头片(104)和动侧环形开槽结构触头片(103)做圆周运动；由于触头片的开槽结构，使得在触头间隙产生更强的、更加集中的横向磁场，更有利于电弧弧柱的吹动，使真空电弧沿着静侧环形开槽结构触头片(104)和动侧环形开槽结构触头片(103)快速运动；在真空电弧的快速旋转运动过程中，由于触头片上存在开槽结构，真空电弧的弧柱和阴极斑点必将越过静侧环形开槽结构触头片(104)和动侧环形开槽结构触头片(103)上所有的开槽结构，电弧的弧柱及阴极斑点在跨越相关间隙的阶跃运动中，电弧电压会发生明显升高，并带有强烈波动，有利于真空电弧电压的大幅提升，有助于直流电流的真空开断。

2.根据权利要求1所述的一种强横向磁场直流触头结构，其特征在于：所述动侧环形开槽结构触头片(103)和静侧环形开槽结构触头片(104)的开槽结构的数量与动侧横向磁场杯状触头结构(102)和静侧横向磁场杯状触头结构(105)所开槽口的数量一致或者不一致，但动侧环形开槽结构触头片(103)和静侧环形开槽结构触头片(104)的开槽结构的位置与动侧横向磁场杯状触头结构(102)和静侧横向磁场杯状触头结构(105)所开槽口的位置一致。

3.根据权利要求1所述的一种强横向磁场直流触头结构，其特征在于：所述动侧横向磁场杯状触头结构(102)和静侧横向磁场杯状触头结构(105)所开槽口的结构为直边形槽口结构或者螺旋形槽口结构。

4.根据权利要求1所述的一种强横向磁场直流触头结构，其特征在于：所述动侧环形开槽结构触头片(103)和静侧环形开槽结构触头片(104)所开槽口的结构为直边形槽口结构或者非直边形槽口结构，所开槽口结构使得各个部分完全分离或者存在一部分相连。

5.根据权利要求1所述的一种强横向磁场直流触头结构，其特征在于：所述动侧环形开槽结构触头片(103)和静侧环形开槽结构触头片(104)的内径和外径与动侧横向磁场杯状触头结构(102)和静侧横向磁场杯状触头结构(105)的内径和外径分别一致或者不一致。

6.一种直流真空灭弧室，其特征在于：包括权利要求1至5任一项所述的强横向磁场直流触头结构，焊接在动侧导电杆(101)中部的波纹管(109)，焊接在波纹管(109)下端的真空灭弧室动侧盖板(110)，焊接在真空灭弧室动侧盖板(110)边缘的包覆动侧触头组合结构(201)的真空灭弧室动侧瓷壳(107)；焊接在静侧导电杆(106)另一端的真空灭弧室静侧盖板(111)，焊接在真空灭弧室静侧盖板(111)边缘的包覆静侧触头组合结构(202)的真空灭弧室静侧瓷壳(112)。

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