CN109346370A - 一种活塞助气双能式高压sf6断路器灭弧室 - Google Patents
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Abstract
一种活塞助气双能式高压SF6断路器灭弧室，属于高压SF6断路器技术领域。其特征在于：在灭弧室壳体（7）内固定有静触头机构（4）、内底座（14）、动触头机构；动触头机构分别与静触头机构（4）和内底座（14）间隔形成热膨胀室（21）和压气室（16），两气室之间通过导气管（12）连通，在本活塞助气双能式高压SF6断路器灭弧室中，通过设置活动隔板，在合闸时活动隔板使热膨胀室体积缩小，使得动触头机构与静触头机构之间始终有气流流动，杜绝和减少了合闸拉弧的可能性。设计的压气室配合热膨胀室的热膨胀气流充分利用机械能和热能相结合进行分闸灭弧，有效较少了分闸拉弧的可能性且熄弧速度快，熄弧可靠性高。
Description
技术领域
一种活塞助气双能式高压SF6断路器灭弧室，属于高压SF6断路器技术领域。
背景技术
高压断路器在高压设备中是一种最复杂、最重要的电器，在规定的使用条件下，可切合正常运行条件下的负荷电流；在短路故障时，在继电保护装置的作用下，自动切断短路电流。在高压供配电系统，切断短路电流时，要产生强烈的电弧，所以高压断路器要具有可靠的灭弧装置。高压断路器是一种能够实现控制与保护双重作用的电器。广泛用于电力系统的发电厂、变电站、开关站及用电线路上。
高压SF6断路器是用SF6气体作为灭弧和绝缘介质的断路器。由于SF6气体有优异的灭弧和绝缘性能，以及具有断口电压高，开断能力强，允许连续开断短路电流次数多，适于频繁操作，开断容性电流可以无重燃或复燃，开断感性电流可以无截流等诸多优点，近年来，在高压及超高压领域中，高压SF6断路器已取代了常规压缩空气断路器；在特高压领域中更是最主要的断路器。
SF6高压断路器的发展主要经历了双压式，单压式和自能式三大阶段，其中自能式SF6高压断路器是利用电弧燃烧时产生的高温气体进行吹弧，由于其开断能力较强，操动机构操动功率小的优点，具有极为广阔的应用前景。但现有技术中，自能式灭弧能力受弧区温度影响较大容易存在灭弧死区，同时在现有技术中，技术人员在进行自能式SF6高压断路器的改进时，往往把主要精力放在分闸息弧上，而忽略了合闸拉弧现象的发生，因此常规的自能式SF6高压断路器在使用时仍存在一定的安全隐患。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种通过设置活动隔板，在合闸时活动隔板使热膨胀室体积缩小，使得动触头机构与静触头机构之间始终有气流流动，杜绝和减少了合闸拉弧可能性的活塞助气双能式高压SF6断路器灭弧室。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该活塞助气双能式高压SF6断路器灭弧室，包括灭弧室壳体，灭弧室壳体上端开口、底部封闭，在灭弧室壳体上端开口处设置有上出线板，其特征在于：在灭弧室壳体内腔的上部和底部分别固定有静触头机构和内底座，在灭弧室壳体内腔的中部设置有动触头机构，在动触头机构内设置有绝缘拉杆，绝缘拉杆带动动触头机构沿灭弧室壳体轴向往复运动并与静触头机构配合插接实现合闸与分闸；
动触头机构包括动触头本体，绝缘拉杆位于动触头本体内部，动触头本体的上下两端分别与静触头机构和内底座对接，在动触头本体内腔中部固定有固定隔板，在固定隔板的上方设置有沿动触头本体内腔轴向活动的活动隔板，活动隔板与静触头机构间隔形成热膨胀室，固定隔板与内底座间隔形成压气室，热膨胀室和压气室由导气管连通，在活动隔板的外侧设置有隔断平面，隔断平面在合闸时随活动隔板移动对导气管位于热膨胀室处的开口进行遮挡。
优选的，所述的绝缘拉杆位于动触头本体的轴心处，所述的活动隔板和固定隔板均套装在绝缘拉杆的外圈，活动隔板和固定隔板间隔形成气压平衡室，在绝缘拉杆上固定有两组卡位器，两组卡位器分别位于气压平衡室的上、下两端。
优选的，在所述活动隔板的内腔设置有与绝缘拉杆密封接触的密封圈。
优选的，所述的绝缘拉杆为中空管状，绝缘拉杆下端穿过固定隔板进入所述内底座内，在绝缘拉杆下部径向开设有多个气压平衡口，分闸后气压平衡口位于内底座内部。
优选的，所述动触头本体的上端口周圈设置有动主触头，在动触头本体内腔中设置有动弧触头，动弧触头位于所述绝缘拉杆的顶部并与动主触头同时与静触头机构配合插接。
优选的，在所述动触头本体的内腔中固定有灭弧喷口，灭弧喷口位于所述动弧触头上方，灭弧喷口上端设置有上粗下细的扩口，在扩口下部设置有水平的弹性接触面，在所述动弧触头的外侧设置有压缩弹簧，压缩弹簧与弹性接触面上下对应并在合闸时先于动弧触头与灭弧喷口接触。
优选的，所述的静触头机构包括竖向设置的静触头框架，静触头框架的顶面封闭、下端开口，在静触头框架内竖向固定有与动触头机构中动弧触头配合插接的静弧触头，在静触头框架外圈设置有与动触头机构中动主触头配合插接的静主触头。
优选的，上出线板固定在所述静触头框架的顶面，在上出线板的下表面固定有吸附剂。
优选的，在所述内底座的外圈设置有底座卡爪，所述动触头主体的下端口卡接在内底座与底座卡爪之间。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
在本活塞助气双能式高压SF6断路器灭弧室中，通过设置活动隔板，在合闸时活动隔板使热膨胀室体积缩小，使得动触头机构与静触头机构之间始终有气流流动，杜绝和减少了合闸拉弧的可能性。
活动隔板在上部卡位器的作用下使热膨胀室变成一个容积不断压缩的气室，相对位移能够产生一部分气流，电弧使气体热膨胀也能够加强气流的强度，由于热膨胀室的体积不断减小电弧的热能利用率高，气体膨胀快，因此二者合一，比现有的设计气流强度要高，气体灭弧能力强，灭弧速度快。
在本断路器灭弧室中，在分闸时，利用机械能和热能结合进行灭弧，有效杜绝和减少了合闸时出现拉弧，分闸时熄弧速度快，熄弧可靠性高，基本上不存在灭弧死区，进而减少了电弧对各装置的影响和损坏，也减少了电弧高温作用下产生有毒气体和腐蚀性物质的可能。提高了高压断路器的使用寿命和使用可靠性，使用安全性也随之提高。同时内部结构简单，运行可靠。
附图说明
图1为活塞助气双能式高压SF6断路器灭弧室结构示意图。
图2为活塞助气双能式高压SF6断路器灭弧室合闸过程示意图。
图3为活塞助气双能式高压SF6断路器灭弧室合闸完成示意图。
图4为活塞助气双能式高压SF6断路器灭弧室分闸过程示意图。
其中：1、上出线板 2、吸附剂 3、静弧触头 4、静触头机构 5、静主触头 6、灭弧喷口 7、灭弧室壳体 8、动弧触头 9、压缩弹簧 10、绝缘拉杆 11、卡位器 12、导气管 13、气压平衡口 14、内底座 15、底座卡爪 16、压气室 17、固定隔板 18、气压平衡室 19、活动隔板20、隔断平面 21、热膨胀室 22、动主触头。
具体实施方式
图1~4是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~4对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种活塞助气双能式高压SF6断路器灭弧室（以下简称断路器灭弧室），包括圆筒状的灭弧室壳体7，灭弧室壳体7上端开口底部封闭，上出线板1安装在灭弧室壳体7上端开口处，使灭弧室壳体7内形成封闭的内腔，在上出线板1的下表面固定由吸附剂2，用于对灭弧室壳体7内的水分和气体分解物进行吸附。
在灭弧室壳体7内腔的上部固定有静触头机构4，静触头机构4包括竖向设置的静触头框架，静触头框架的顶面封闭，静触头框架的顶端向外弯折形成固定平面，固定平面的外周圈与灭弧室壳体7的内表面固定，固定螺栓穿过上出线板1并旋固定平面内实现上出线板1的固定。静触头框架的下端开口，柱状的静弧触头3上端固定在静触头框架的顶面中心处，其下端向下延伸至静触头框架的下端开口处，在静触头框架的外侧周圈还均匀设置有静主触头5，静主触头5为与静触头框架的外部之间形成间隔，在静主触头5的内端还设置有卡扣。
在灭弧室壳体7内腔的底部设置有内底座14，内底座14为上端封闭的筒状，在内底座14的外圈设置有底座卡爪15，底座卡爪15与内底座14的外周圈之间形成间隔，在底座卡爪15的内端设置有卡扣。
在上述的静触头机构4与内底座14之间设置有动触头机构，动触头机构的上、下两端分别与静触头机构4以及内底座14对接，动触头机构在静触头机构4与内底座14之间往复运动，实现本断路器灭弧室的分合闸。
动触头机构包括圆管状的动触头本体，动触头本体的下端口套装在内底座14的外圈并与内底座14外圈的底座卡爪15对接。动触头本体的上端口周圈形成动主触头22，动主触头22在分闸状态时与静触头机构4脱离，在合闸时向上移动后罩设在静触头框架的外圈并与静主触头5对接。在动触头本体的内圈上端设置有灭弧喷口6，灭弧喷口6的上部为上粗下细的扩口结构，灭弧喷口6上端开口的外圈与静触头框架下端开口的内圈对接。灭弧喷口6的底部水平弯折形成水平面，水平面的外圈向下竖直弯折后再次水平弯折形成弹性接触面，弹性接触面的外周圈与动触头机构的内壁固定。
在动触头本体的轴心处竖向设置有绝缘拉杆10，绝缘拉杆10为中空的圆管状，绝缘拉杆10下端穿过内底座14的顶面并伸入内底座14的下端，在绝缘拉杆10的下部径向开设有多个气压平衡口13，当绝缘拉杆10位于最低端时，气压平衡口13位于内底座14的内部。
绝缘拉杆10的中部自上而下设置有一组卡位器11，在上方的卡位器11的上部设置有活动隔板19，在下方的卡位器11的下部设置有固定隔板17，活动隔板19和固定隔板17均套装在绝缘拉杆10的外圈，其中活动隔板19可沿绝缘拉杆10的轴向与动触头本体发生相对移动，固定隔板17的外圈与动触头本体固定连接。在活动隔板19内圈处设置有绝缘拉杆10外圈配合的密封圈，使得绝缘拉杆10与活动隔板19之间密封接触。活动隔板19在分闸状态下自然下落并位于上方卡位器11的上部。
在活动隔板19的上方，动触头机构与静触头机构4对接形成热膨胀室21，固定隔板17的下部与内底座14之间对接形成压气室16，在活动隔板19与固定隔板17之间形成气压平衡室18。在动触头本体的外侧设置有一组导气管12，导气管12的上端口设置在活动隔板19的上方，其下端口设置在固定隔板17的下方，通过导气管12将热膨胀室21与压气室16连通。在活动隔板19的外周圈设置有一组隔断平面20，当活动隔板19向上移动时，隔断平面20可将导气管12的上端口进行遮挡。
绝缘拉杆10的上端设置有动弧触头8，动弧触头8上端开口实现与静弧触头3的对接，动弧触头8的底部同时与绝缘拉杆10的内腔连通，在动弧触头8的外圈均匀设置有多个压缩弹簧9，在进行合闸时，压缩弹簧9的上端与弹性接触面接触。
具体工作过程及原理如下：
参照图2，本断路器灭弧室在需要合闸时，当操动机构下达合闸命令后，绝缘拉杆10在机械力的作用下垂直向上运动，由于动弧触头8固定在绝缘拉杆10的上端，因此动弧触头8随绝缘拉杆10同步向上运动，气压平衡室18的上端为可以自然下垂的活动隔板19，因此绝缘拉杆10在向上移动时，上方的卡位器11会推动活动隔板19同步向上运动。此时热膨胀室21的空间被压缩，因此有一部分气体通过导气管12进入压气室16内，使得封闭的压气室16保持气压平衡。
当动弧触头8向上移动时，其外端的压缩弹簧9首先与灭弧喷口6外侧的弹性接触面接触并产生弹性势能。此时设置在活动隔板19两端的隔断平面20将导气管12的上端口处进行封闭，此时热膨胀室21与压气室16不再进行气体交换，热膨胀室21内的气体只能从灭弧喷口6与动弧触头8之间的夹缝中流出。
随着绝缘拉杆10继续向上移动，动弧触头8外侧的压缩弹簧9推动灭弧喷口6并带动动触头本体同时向上移动，当移动至静弧触头3处时，灭弧喷口6首先与静弧触头3接触而使得灭弧喷口6与静弧触头3之间的摩擦力突然增加，灭弧喷口6暂时停止运动时，动弧触头8继续向上运动，压缩弹簧9继续被压缩，由于活动隔板19与灭弧喷口6之间产生相对运动，因此热膨胀室21的体积被进一步压缩，故在灭弧喷口6与动弧触头8的夹缝中产生气流，随着相对运动的进行动弧触头8与灭弧喷口6之间的夹缝逐渐变小，在相对压缩体积不变的情况下，根据流体力学夹缝中的气体流速和压强逐渐增加，高强度的气流足以达到合闸熄弧的作用。
随着垂直运动的不断进行，压缩弹簧9的弹性势能不断增加，当压缩弹簧9给予灭弧喷口6的弹性势能大于静弧触头3与灭弧喷口6之间的摩擦力时，灭弧喷口6以及动触头本体被动弧触头8继续带动向上运动，此时压气室16的容积在灭弧喷口6的带动下增大，为分闸做好准备。绝缘拉杆10最终带动动弧触头8与静弧触头3进行连接，并进一步带动动主触头22与静主触头5完成卡位，完成合闸操作，如图3所示。
现有技术中的自能式SF6高压断路器在合闸时，在热膨胀室21内没有其他任何形式的气体进行合闸灭弧补充，仅仅通过动弧触头8产生电弧时弧区的大量热气流入热膨胀室21，并在热膨胀室21内进行热交换形成低温高压的气体，通过气体吹向电弧达到熄灭电弧的目的，因此在现有技术中，吹弧气体受弧区温度影响大，熄弧时间长，容易存在灭弧死区，因此灭弧的可靠性较差。同时在现有技术中，技术人员往往把主要精力放在分闸熄弧的时候往往忽略了合闸拉弧的危害。
而由上述可知在本断路器灭弧室中，考虑到了如下存在的问题：如果设备采用到高电压等级断路器时由于断路器使用年限增长SF6气体的变质或泄露导致断路器内部SF6气体的绝缘效果不佳且合闸时由于弧触头间电压太大，容易导致气体被高电压击穿而产生电弧，另一种情况是高压断路器在合闸前已经发生短路故障导致合闸产生拉弧，因此在本断路器灭弧室中，动触头机构在行进过程中由于活动隔板19与灭弧喷口6的相对位移作用，始终保持断口夹缝中有气体流出，杜绝和减少了合闸拉弧的可能，而并不是像现有产品等到产生电弧再靠电弧本身进行熄弧。即使在合闸过程中产生了电弧，活动隔板19在上部卡位器11的作用下使热膨胀室21变成一个容积不断压缩的气室，相对位移能够产生一部分气流，电弧使气体热膨胀也能够加强气流的强度，由于热膨胀室21的体积不断减小电弧的热能利用率高，气体膨胀快，因此二者合一，比现有的设计气流强度要高，气体灭弧能力强，灭弧速度快。
众所周知电弧所产生的危害是严重的，其温度高达数千摄氏度，轻则损坏设备，重则可以产生爆炸，在电力行业中，开关电器会产生电弧，因为其温度高达数千摄氏度，能烧坏触头，甚至导致触头熔焊。如果电弧不立即熄灭，就可能烧毁设备，甚至酿成火灾。如果SF6断路器灭弧室中含的水分超标在电弧高温作用下更可能产生有毒气体成分和强腐蚀性物质，对设备和工作人员造成安全隐患，因此减少电弧的产生成为提升设备可靠性的关键，杜绝合闸拉弧和快速灭弧成为断路器灭弧室的主要创新点。
当本断路器灭弧室分闸时，由于在合闸结束后，压缩弹簧9处于压缩状态而储存有弹性势能，因此弹性势能为分闸提供了额外动力，操动机构的机械能加上压缩弹簧9的弹性势能使绝缘拉杆10向下运动时的爆发力很强，能够保证分闸操作动作响应的迅速性和稳定性。
当操动机构下达分闸命令时，绝缘拉杆10受机械装置的牵引向下运动，压缩弹簧9受弹性势能的影响能够使动主触头22随绝缘拉杆10的作用而快速离开静主触头5。活动隔板19下滑使其两端的隔断平面20不再对导气管12的管口进行封堵，因此使热膨胀室21的导气管12的管口外露，压气室16与热膨胀室21相通，而在绝缘拉杆10下拉的同时下部的卡位器11也会卡住固定隔板17并带动动触头机构而一起向下运动，使得灭弧喷口6与静弧触头3脱离。
动触头机构在随绝缘拉杆10向下移动的过程中对压气室16进行压缩，压气室16内因压缩而产生的气体通过导气管12进入热膨胀室21，由于气体膨胀原理输进入热膨胀室21的气体会使活动隔板19紧贴在上部卡位器11的表面。
在动主触头22与静主触头5分离后，压气室16内产生的压缩气体通过热膨胀室21不断的从灭弧喷口6与动弧触头8之间的夹缝中喷出，电弧热辐射产生的能量也使热膨胀室21内的气体膨胀，两部分气体结合灭弧气体流速增强吹向产生的电弧并将电弧吹灭，其分闸过程如图4所示。该分闸操作设计也是最大限度采用了机械能和热能转化为气体动能，比现有设计靠单一热能灭弧速度更快。
设置在绝缘拉杆10下部的气压平衡口13，当在合闸过程中随着绝缘拉杆10向上移动而进入压气室16，由于绝缘拉杆10是上开口中空式的设计，所以压气室16随着合闸操作压气室16体积增大时可以通过该气压平衡口13进行气体补充，使压气室16不至于因形成负压而增加操动机构的机械负荷。当分闸操作时气压平衡口13随绝缘拉杆10进入内底座14，此时将内底座14与压气室16之间的开口进行封堵，使得压气室16内压缩的气体只能从导气管12排向热膨胀室21进行熄弧之用。
在现有技术中的SF6断路器灭弧室中，各个气室之间一般采用单向阀连通，通过不同气室之间的压差来决定单向阀的开启或关闭，随着断路器的使用时间增加，SF6断路器灭弧室会生成腐蚀性物质，因此会对单向阀造成损坏，一旦单向阀损坏将导致电弧不能可靠地熄灭，且现有的断路器灭弧室内部结构更为复杂，不易维护。而在本断路器灭弧室中，在分闸时，利用机械能和热能结合进行灭弧，有效杜绝和减少了合闸时出现拉弧，分闸时熄弧速度快，熄弧可靠性高，基本上不存在灭弧死区，进而减少了电弧对各装置的影响和损坏，也减少了电弧高温作用下产生有毒气体和腐蚀性物质的可能。提高了高压断路器的使用寿命和使用可靠性，使用安全性也随之提高。同时内部结构简单，运行可靠。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (9)
1.一种活塞助气双能式高压SF6断路器灭弧室，包括灭弧室壳体（7），灭弧室壳体（7）上端开口、底部封闭，在灭弧室壳体（7）上端开口处设置有上出线板（1），其特征在于：在灭弧室壳体（7）内腔的上部和底部分别固定有静触头机构（4）和内底座（14），在灭弧室壳体（7）内腔的中部设置有动触头机构，在动触头机构内设置有绝缘拉杆（10），绝缘拉杆（10）带动动触头机构沿灭弧室壳体（7）轴向往复运动并与静触头机构（4）配合插接实现合闸与分闸；
动触头机构包括动触头本体，绝缘拉杆（10）位于动触头本体内部，动触头本体的上下两端分别与静触头机构（4）和内底座（14）对接，在动触头本体内腔中部固定有固定隔板（17），在固定隔板（17）的上方设置有沿动触头本体内腔轴向活动的活动隔板（19），活动隔板（19）与静触头机构（4）间隔形成热膨胀室（21），固定隔板（17）与内底座（14）间隔形成压气室（16），热膨胀室（21）和压气室（16）由导气管（12）连通，在活动隔板（19）的外侧设置有隔断平面（20），隔断平面（20）在合闸时随活动隔板（19）移动对导气管（12）位于热膨胀室（21）处的开口进行遮挡。
2.根据权利要求1所述的活塞助气双能式高压SF6断路器灭弧室，其特征在于：所述的绝缘拉杆（10）位于动触头本体的轴心处，所述的活动隔板（19）和固定隔板（17）均套装在绝缘拉杆（10）的外圈，活动隔板（19）和固定隔板（17）间隔形成气压平衡室（18），在绝缘拉杆（10）上固定有两组卡位器（11），两组卡位器（11）分别位于气压平衡室（18）的上、下两端。
3.根据权利要求2所述的活塞助气双能式高压SF6断路器灭弧室，其特征在于：在所述活动隔板（19）的内腔设置有与绝缘拉杆（10）密封接触的密封圈。
4.根据权利要求1所述的活塞助气双能式高压SF6断路器灭弧室，其特征在于：所述的绝缘拉杆（10）为中空管状，绝缘拉杆（10）下端穿过固定隔板（17）进入所述内底座（14）内，在绝缘拉杆（10）下部径向开设有多个气压平衡口（13），分闸后气压平衡口（13）位于内底座（14）内部。
5.根据权利要求1所述的活塞助气双能式高压SF6断路器灭弧室，其特征在于：所述动触头本体的上端口周圈设置有动主触头（22），在动触头本体内腔中设置有动弧触头（8），动弧触头（8）位于所述绝缘拉杆（10）的顶部并与动主触头（22）同时与静触头机构（4）配合插接。
6.根据权利要求5所述的活塞助气双能式高压SF6断路器灭弧室，其特征在于：在所述动触头本体的内腔中固定有灭弧喷口（6），灭弧喷口（6）位于所述动弧触头（8）上方，灭弧喷口（6）上端设置有上粗下细的扩口，在扩口下部设置有水平的弹性接触面，在所述动弧触头（8）的外侧设置有压缩弹簧（9），压缩弹簧（9）与弹性接触面上下对应并在合闸时先于动弧触头（8）与灭弧喷口（6）接触。
7.根据权利要求1所述的活塞助气双能式高压SF6断路器灭弧室，其特征在于：所述的静触头机构（4）包括竖向设置的静触头框架，静触头框架的顶面封闭、下端开口，在静触头框架内竖向固定有与动触头机构中动弧触头（8）配合插接的静弧触头（3），在静触头框架外圈设置有与动触头机构中动主触头（22）配合插接的静主触头（5）。
8.根据权利要求1所述的活塞助气双能式高压SF6断路器灭弧室，其特征在于：上出线板（1）固定在所述静触头框架的顶面，在上出线板（1）的下表面固定有吸附剂（2）。
9.根据权利要求1所述的活塞助气双能式高压SF6断路器灭弧室，其特征在于：在所述内底座（14）的外圈设置有底座卡爪（15），所述动触头主体的下端口卡接在内底座（14）与底座卡爪（15）之间。
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