CN109494116B - 一种线圈式纵向磁场触头组件及真空灭弧室 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种线圈式纵向磁场触头组件及真空灭弧室。线圈式纵向磁场触头组件包括导电杆和触头片，所述导电杆与触头片之间固定连接有触头基座和续流触头盘，所述触头基座和/或续流触头盘设有至少两个沿中心向外延伸的弯曲过流臂，所述弯曲过流臂包括一内一外设置且延伸方向相反的内过流臂与外过流臂，所述内过流臂与外过流臂首尾相接，内过流臂与外过流臂的过流方向相反。本发明的线圈式纵向磁场触头组件的弯曲过流臂上的两个过流方向相反的内过流臂和外过流臂产生的磁场方向相反，触头组件整体纵向磁场增强的同时降低了中心区域触头的磁场强度，降低了触头组件中心部位烧蚀情况的出现几率。
Description
技术领域
本发明涉及一种线圈式纵向磁场触头组件及真空灭弧室。
背景技术
目前，高压和超高压断路器中六氟化硫断路器占主要地位，六氟化硫气体具有良好的绝缘性能和优异的灭弧性能，其耐压强度为同一压力下氮气的2.5倍。但是六氟化硫气体是一种温室气体，其单分子的温室效应是二氧化碳的2.2万倍。因此，真空断路器以其环境污染小、维护工作量小、性能稳定性高的优点，逐渐成为断路器未来的发展方向。目前的真空灭弧室主要用于中压等级，为扩大真空断路器应用范围，使得可以应用于高压领域，必须进行高压真空灭弧室的研究开发，特别是真空灭弧室中作为核心部件的触头结构，更是研发工作中的重中之重。
真空灭弧室中设有相对布置的动、静触头组件，两触头组件的结构通常相同，均分别包括导电杆和与导电杆导电固连的触头，目前常用的电触头组件主要包括圆盘形触头组件、线圈式触头组件等形式。现有技术中，中压和高压领域主要采用线圈式触头组件，但是，由于该触头组件上仅设置一层线圈，触头组件的整体磁场偏弱，在开断50KA以上短路故障电流时，电弧很难维持扩散态，导致熄弧困难。
为此，现有技术中出现了双线圈触头组件，如授权公告号为CN206116279U的实用新型专利公开的一种纵向磁场触头结构，包括静触头片和动触头片，静触头片和静导电杆固定连接，静触头片与动触头片存在间隙，静触头片与静导电杆之间设有纵向磁场线圈，纵向磁场线圈为由第一线圈(相当于触头基座)和第二线圈(相当于续流触头盘)组成的双线圈结构。双线圈结构增强了纵向磁场强度，从而使得该双线圈触头组件能够开断大电流，但是双线圈使得中心轴线区域磁场强度较大，容易出现触头片局部烧蚀情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种线圈式纵向磁场触头组件，旨在解决现有技术中的线圈式纵向磁场触头组件中的触头片局部易烧蚀的问题；本发明的目的还在于提供一种具有上述线圈式纵向磁场触头组件的真空灭弧室，旨在现有技术中的真空灭弧室耐用性差的问题。
为实现上述目的，本发明的线圈式纵向磁场触头组件的技术方案是：
一种线圈式纵向磁场触头组件包括导电杆和触头片，所述导电杆与触头片之间固定连接有触头基座和续流触头盘，所述触头基座和/或续流触头盘设有至少两个沿中心向外延伸的弯曲过流臂，所述弯曲过流臂包括一内一外设置且延伸方向相反的内过流臂与外过流臂，所述内过流臂与外过流臂首尾相接，内过流臂与外过流臂的过流方向相反。
其有益效果：本发明的线圈式纵向磁场触头组件通过设置双纵向磁场线圈增强了纵向磁场强度，从而增强了触头组件开断大电流的能力。触头基座和/或续流触头盘上设置弯曲过流臂，弯曲过流臂上的两个过流方向相反的内过流臂与外过流臂产生的磁场方向相反，触头组件整体纵向磁场增强的同时降低了中心区域的磁场强度，降低了触头组件中心部位烧蚀情况的出现概率。
进一步的，所述弯曲过流臂有三个，三个弯曲过流臂周向间隔均匀设置。本发明的线圈式纵向磁场触头组件为1/3匝线圈结构使得触头组件动作更加稳定。
进一步的，所述内过流臂与外过流臂均为圆弧形，所述内过流臂具有与导电杆垂直的连接部，内过流臂与外过流臂的连接部分与导电杆垂直。内过流臂与导电杆连接的部位与导电杆垂直，内过流臂与外过流臂连接的位置垂直于导电杆使得弯曲过流臂过流电阻更小。
进一步的，所述弯曲过流臂设置在触头基座上，所述续流触头盘设有与弯曲过流臂对应的至少两个续流臂，续流臂与外过流臂的过流方向相同。续流触头盘上的续流臂增强了本发明的线圈式纵向磁场触头组件整体磁场强度。
本发明的真空灭弧室的技术方案是：
一种真空灭弧室，包括相对间隔布置的两个触头组件，至少一个触头组件为线圈式纵向磁场触头组件，所述线圈式纵向磁场触头组件包括导电杆和触头片，所述导电杆与触头片之间固定连接有触头基座和续流触头盘，所述触头基座和/或续流触头盘设有至少两个沿中心向外延伸的弯曲过流臂，所述弯曲过流臂包括一内一外设置且延伸方向相反的内过流臂与外过流臂，所述内过流臂与外过流臂首尾相接，内过流臂与外过流臂的过流方向相反。
其有益效果：线圈式纵向磁场触头组件通过设置双纵向磁场线圈增强了纵向磁场强度，从而增强了触头组件开断大电流的能力。触头基座和/或续流触头上设置弯曲过流臂，弯曲过流臂上的两个电流方向相反内过流臂与外过流臂产生的磁场方向相反，触头组件整体纵向磁场增强的同时降低了中心区域触头的磁场强度，降低了触头组件中心部位烧蚀情况的出现几率，从而提高了真空灭弧室的可靠性。
进一步的，所述弯曲过流臂有三个，三个弯曲过流臂周向间隔均匀设置。本发明的线圈式纵向磁场触头组件为1/3匝线圈结构使得触头组件动作更加稳定。
进一步的，所述内过流臂与外过流臂均为圆弧形，所述内过流臂具有与导电杆垂直的连接部，内过流臂与外过流臂的连接部分与导电杆垂直。内过流臂与导电杆连接的部位与导电杆垂直，内过流臂与外过流臂连接的位置垂直于导电杆使得弯曲过流臂过流电阻更小。
进一步的，所述弯曲过流臂设置在触头基座上，所述续流触头盘设有与弯曲过流臂对应的至少两个续流臂，续流臂与外过流臂的过流方向相同。续流触头盘上的续流臂增强了本发明的线圈式纵向磁场触头组件整体磁场强度。
附图说明
图1为两个相对设置的本发明的线圈式纵向磁场触头组件的爆炸视图；
图2为本发明的线圈式纵向磁场触头组件的结构示意图；
图3为本发明的线圈式纵向磁场触头组件的电流路径示意图；
图4为触头基座的电流路径示意图；
图5为续流触头盘的电流路径示意图；
图6为支撑件的电流路径示意图；
图7为50KA电流作用下，市场主流线圈式纵向磁场触头组件与本发明的线圈式纵向磁场触头组件磁场分布情况对比图；
图8为80KA电流作用下，本发明的线圈式纵向磁场触头组件产生的中心磁场分布三维图；
附图中：1、导电杆；2、触头基座；2-1、外过流臂；2-2、内过流臂；3、支撑条；3-1、上导电面；3-2、下导电面；4、续流触头盘；4-1、电流入口凸台；4-2、续流臂；4-3、中心环；5、触头垫板；6、铜铬触头；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
本发明的线圈式纵向磁场触头组件的具体实施例一，如图1至图8所示，包括导电杆1、触头基座2、支撑件、续流触头盘4、触头垫板5和铜铬触头6。
参照图4，触头基座2包括位于中心与导电杆1固定连接的中心孔，中心孔的外壁面上均匀间隔设置有三个弯曲过流臂，其他实施例中，中心孔外壁面也可设置两个间隔的弯曲过流臂，过流臂为弯曲状是为了形成两个过流方向相反的部分，两个相反的部分产生的磁场方向相反，并且靠内的部分产生的磁场小于靠外的部分产生的磁场，从而降低了触头组件中心区域磁场强度。具体的，弯曲过流臂包括沿中心孔向外布置的内过流臂2-2和外过流臂2-1，内过流臂2-2与外过流臂2-1串联，内过流臂2-2与外过流臂2-1的过流方向相反。内过流臂2-2背离与外过流臂2-1连接的一端与中心孔外壁面固定连接，内过流臂2-2与中心孔连接的部位与插装在中心孔内的导电杆1相垂直。内过流臂2-2与外过流臂2-1连接的部位与插装在中心孔内的导电杆1相垂直。内过流臂2-2与外过流臂2-1均为圆弧形，且外过流臂2-1对应的圆心角大于内过流臂2-2对应的圆心角，这样设计为了使外过流臂2-1上的线圈产生的纵向磁场强度大于内过流臂2-2上的线圈产生的纵向磁场强度。通过图3中显示的电流流向可以看出外过流臂2-1产生垂直于纸面向里的磁场，内过流臂2-2产生垂直于纸面向外的磁场，二者在触头基座2中心区域产生的纵向磁场部分被抵消，从而降低了触头组件中线区域磁场强度，减少了阴极斑点集中，电弧在中心区域的电流密度过高现象得到抑制，触头局部烧蚀程度减轻。内过流臂2-2的具体尺寸可以根据内过流臂2-2内径R1、内过流臂2-2外径R2和内过流臂2-2夹角θ决定，可以通过调节内过流臂2-2内径R1、内过流臂2-2外径R2和内过流臂2-2夹角θ精确控制磁场抵消的数值，便于寻找具有最佳开断能力条件下的触头基座结构。
内、外过流臂的具体计算方法为：
基于三维涡流磁场计算，采用磁场仿真软件Ansoft Maxwell进行计算，并寻找最合适的内、外过流臂尺寸。
对于某种内、外过流臂结构的触头，间隙磁场控制微分方程如下：
▽·D＝ρ (1-3)
▽·B＝0 (1-4)
与恒定磁场一样，磁准静态长中E和B与动态位A与
有如下关系：
B＝▽×A (1-5)
且A和
分别满足微分方程：
▽2A＝-μJ (1-7)
由此可见，磁准静态场可以忽略电磁场的波动性，场和源具有恒定磁场下的瞬态对应性，在知道电流和电荷分布的情况下即可利用恒定磁场的求解方法计算出A和
并最终获得磁场和电场的分布。该方法仿真采用Ansoft Maxwell的三维涡流计算模块，该模块采用T-Ω算法，将四面体单元棱边的场量作为待求解自由度，根据计算模型的电流密度分布，利用泊松方程和磁矢位连续性衔接条件求解磁矢位矢量A的空间分布，再反算磁感应强度B和磁场强度H的分布。
参照图5，续流触头盘4包括中心环4-3，中心环4-3的外壁面上均匀间隔设置有三个沿中心环4-3向外延伸的续流臂4-2，续流臂4-2为圆弧形结构，三个圆弧弧形绕线臂4-2与三个外过流臂2-1一一对应，当然，其他实施例中，若弯曲过流臂的数目为两个，那么续流臂的数目也对应为两个。弧形绕线臂的两端分别具有与触头基座2接触的电流入口凸台4-1和与触头垫板接触的电流出口凸台，续流触头盘4通电后续流臂的电流方向与外过流臂2-1的电流方向相同。
本实施例中的触头基座2和续流触头盘4均为铜质材料，为了增强触头基座2和续流触头盘4的强度，触头基座2和续流触头盘4之间设置有支撑件。支撑件采用电工纯铁制作而成使其具有较好的机械强度，同时支撑件具有高导磁率以保证其具有聚磁特性。本实施例中的支撑件包括三个周向间隔设置的弧形支撑条3，弧形支撑条3的上端具有与触头基座2接触的上导电面3-1，下端面具有与续流触头盘4接触的下导电面3-2，上导电面3-1和下导电面3-2均凸出支撑件3外侧设置。由于上导电面3-1和下导电面3-2的面积较小，使得支撑条3与触头基座2和续流触头盘4的接触电阻大而分流小，迫使电流沿弧形支撑条3流动，使得分流产生的磁场也是纵向的，最大限度的提高了触头组件的纵向磁场强度。
本实施例中焊接在一起的触头垫板5和铜铬触头6共同形成触头片。
本发明的线圈式纵向磁场触头组件装配时，先将导电杆1和触头基座2焊接，支撑条3与续流触头盘4焊接，触头垫板5和铜铬触头6焊接；然后焊接成一体的支撑条3、续流触头盘4与焊接呈一体的触头垫板5、铜铬触头6焊接；最后将支撑条3与焊接成一体的导电杆1和触头基座2焊接。
利用数值模拟仿真软件计算得到50KA电流作用下市场主流线圈式纵向磁场触头组件与本发明的线圈式纵向磁场触头组件磁场分布情况，如图7所示，本发明的线圈式纵向磁场触头组件产生的纵向磁场整体比市场上的主流线圈式纵向磁场触头组件产生的纵向磁场显著提升，触头组件中心区域(直径约45mm范围内)的纵向磁场强度比中心区域外侧的触头组件的纵向磁场强度有所降低，并且触头组件中心区域磁场强度降低幅度大于市场上主流线圈式纵向磁场触头组件中心区域磁场强度降低幅度。本发明的线圈式纵向磁场触头组件产生的纵向磁场与市场上主流线圈式纵向磁场触头组件产生的纵向磁场不同的原因是本发明的线圈式纵向磁场触头组件通过设置双线圈显著提升了触头组件纵向磁场强度，并且触头基座2上设置外过流臂2-1和内过流臂2-2使得触头组件中心区域的纵向磁场得到一定程度的降低。图8示出了80KA电流作用下本发明的线圈式纵向磁场触头组件产生的纵向磁场分布三维图，该图直观地展示了磁场分布的情况，即在触头组件中心区域磁场有所降低，该图更加直观的验证了本发明的线圈式纵向磁场触头组件的有益效果。
本发明的线圈式纵向磁场触头组件的具体实施例二，与线圈式纵向磁场触头组件的具体实施例一的不同之处在于，本实施例中的续流触头盘上也设置有外过流臂和内过流臂，其他与实施一相同，不再赘述。
本发明的线圈式纵向磁场触头组件的具体实施例三，与线圈式纵向磁场触头组件的具体实施例一的不同之处在于，本实施例中的触头基座上未设置内过流臂与外过流臂，续流盘上设置内过流臂与外过流臂，其他与实施例一相同，不再赘述。
本发明的真空灭弧室的具体实施例一，真空灭弧室包括相对间隔布置的两触头组件，动、静触头组件均为线圈式纵向磁场触头组件，本实施例中的线圈式纵向磁场触头组件与上述各实施例中的线圈式纵向触头组件的结构相同，不再赘述。
本发明的真空灭弧室的具体实施例二，与真空灭弧室具体实施例一的区别之处在于，本实施例中的真空灭弧室中仅动触头组件为线圈式纵向磁场触头组件，其他实施例中，真空灭弧室中也可仅静触头组件为线圈式纵向磁场触头组件，其他与真空灭弧室具体实施例一相同，不再赘述。
Claims (6)
1.一种线圈式纵向磁场触头组件，包括导电杆和触头片，所述导电杆与触头片之间固定连接有触头基座和续流触头盘，其特征在于：所述触头基座和/或续流触头盘设有至少两个沿中心向外延伸的弯曲过流臂，各弯曲过流臂沿导电杆的周向均匀间隔设置；所述弯曲过流臂包括一内一外设置且延伸方向相反的内过流臂与外过流臂，所述内过流臂与外过流臂首尾相接，内过流臂与外过流臂的过流方向相反，内过流臂与外过流臂串联；所述内过流臂与外过流臂均为圆弧形，内过流臂的圆弧长度小于外过流臂的圆弧长度，所述内过流臂具有与导电杆垂直的连接部，内过流臂与外过流臂的连接部分与导电杆垂直。
2.根据权利要求 1 所述的线圈式纵向磁场触头组件，其特征在于：所述弯曲过流臂有三个，三个弯曲过流臂周向间隔均匀设置。
3.根据权利要求 1 或2 所述的线圈式纵向磁场触头组件，其特征在于：所述弯曲过流臂设置在触头基座上，所述续流触头盘设有与弯曲过流臂对应的至少两个续流臂，续流臂与外过流臂的过流方向相同。
4.一种真空灭弧室，包括相对布置的两个触头组件，至少一个触头组件为线圈式纵向磁场触头组件，所述线圈式纵向磁场触头组件包括导电杆和触头片，所述导电杆与触头片之间固定连接有触头基座和续流触头盘，其特征在于：所述触头基座和/或续流触头盘设有至少两个沿中心向外延伸的弯曲过流臂，各弯曲过流臂沿导电杆的周向均匀间隔设置；所述弯曲过流臂包括一内一外设置且延伸方向相反的内过流臂与外过流臂，所述内过流臂与外过流臂首尾相接，内过流臂与外过流臂的过流方向相反，内过流臂与外过流臂串联；所述内过流臂与外过流臂均为圆弧形，内过流臂的圆弧长度小于外过流臂的圆弧长度，所述内过流臂具有与导电杆垂直的连接部，内过流臂与外过流臂的连接部分与导电杆垂直。
5.根据权利要求 4 所述的真空灭弧室，其特征在于：所述弯曲过流臂有三个，三个弯曲过流臂周向间隔均匀设置。
6.根据权利要求 4 或5 所述的真空灭弧室，其特征在于：所述弯曲过流臂设置在触头基座上，所述续流触头盘设有与弯曲过流臂对应的至少两个续流臂，续流臂与外过流臂的过流方向相同。
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