CN1097898A - 熄弧开关装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于遮断交流配电网的开关装置，由充以六 氟化硫气体的密封外壳内一单个切断开关组件组 成。所述外壳内的一对触头在电路的闭合位置与打 开位置之间可相对移动。两个触头或其中之一上装 有磁场装置，以提供基本上与所述触头分开轴线对准 的磁场。

Description

本发明涉及在中到高压、大电流开关设备和断续器中的熄弧开关装置和熄灭电弧方法。

本发明具体应用于在中到高压、大电流的交流配电断续器装置中熄灭等离子体形成的电弧，但是也不局限于这一应用。为了说明起见，本文将涉及到这一应用，不过应该理解到，本发明还可以用在其它地方，例如通常的中、高压开关设备上。

家庭用和工业用的配电系统通常采用中压和高压以减少电流，从而也减小导体的载面。典型的交流配电网运行在几十千伏电压下，典型地为22000伏，所构成的一个特殊电网的断面上可以在此电压下流过一百至一千安培电流。这一系统中的开关设备上短期或故障电流负荷可能超过12，000安培达数秒之久。为了电网维修或故障条件等一些原因，可能有必要切断在某一特殊电网断面上的电路。

用于此类遮断的开关设备必须能够切断中到高压下的大电流。目前所用的设备通常包括一个外壳，其内充以绝缘气体，可以是空气，但是最好是相对高绝缘强度的气体例如六氟化硫（SF₆），或者至少是部分抽真空的空间。在外壳以内通常安装有一对触头，其中之一是固定的，另一是可移动的。

可移动的触头通常由一个主触头和一个二次触头组成，目的是在以每秒几米的典型速度移动二次电弧触头快速切断电路以前先将相对较大的主触头退出电路。

上述装置的缺点是由于切断电路时产生的过热等离子体电弧所造成的。在等离子体中的自由电子和其它充电核素穿过电介质形成一条导电通道，能够传导大电流。等离子体电弧本身造成触头快速破坏，由于触头材料向等离子体提供原子和电子，从而提供更多的充电载体。

虽然电弧在触头之间分离距离大时通常会自行熄灭，尽管在如钨铜合金之类电阻性材料可以减少侵蚀，通常在交变电流几个周期内才能遮断。因而造成了不能接受的触头高磨损率以及电流慢速遮断。这类普通的断路装置通常局限于用在切断一百安培数量级的电流情况下。

曾经有人建议，利用在等离子体电弧中充电的载体的载电流特性，使得开关、避雷器以及同类装置中的电弧熄灭得更快些，这是通过提供一个磁场，用其磁力线来对准电弧，从而使电弧发生弯曲。尽管施加于通过磁场移动的充电粒子上的力与磁场及运动方向均为正交，磁场与运动方向的对准一般不会有明显的影响，因而，磁耦合现象影响了电弧的弯曲。

在一些装置中，利用交流电流来感应磁场。交流电流的作用是保持磁场与电弧电流基本上同相位，从而使力有固定的方向。在一些如避雷器的设备中，在触头周围使用永久磁铁有好的作用。此外，在大功率的断路器中使用磁铁后显示出比不使用磁场装置的那些装置的性能有所改善。在这类装置中的磁铁位于电流通道外边，用以改善断路器的低电流遮断能力。

不过，在中到高压及大电流的交流电路中，已经证实利用永久磁铁控制电弧对于改善开关设备的电弧遮断性能的效果较差。从理论上说，在这类应用中，永久磁铁的不良性能可能是由于通过电弧的电流是交变的本质而造成的，因而使造成电弧熄灭的弯曲效果降低了。此外，磁铁位于固定触头的外部周围也降低了磁场强度以及触头的潜在电弧根部区域中的一致性。

本发明的目的是显著地减轻上述缺点，提供使用可靠并且有效的装置。本发明的其它目的和优点从下文中将会清楚。

为了上述和其它的目的，本发明总的来说广泛地归属于以下类型的开关装置：

封装有介电环境的外壳;

在所述的外壳内有一对触头，它们在电路的闭合位置与打开位置之间可相对移动，在所述触头的其中之一或两个上装有磁场装置用以产生基本上与所述触头的分开的轴线相对准的磁场。

其中一个触头最好由一个相对于外壳固定的触头组成，另一个触头可相对于外壳移动，因此，这些触头可以被拉开以切断回路。这些触头最好是沿着至少是接近于近似直线的分离轴线被拉开。但是，从简化机械的角度而言，希望将移动触头装在一个摇臂上，其活动范围约为一个半径。在这种情况下，该摇臂最好比两个触头之间所要求的熄弧分离距离长。

磁场装置可以选用永久磁铁或由被切断的交变电流或外部交流供电所激励的电感线圈。由被切断的交变电流激励的电感线圈或永久磁铁形成的磁场装置来遮断高电压/大电流交流电路是有利的。在典型的用于连续切断36-24KV，400-650A的装置中，现有技术的感应或永久磁铁在磁铁表面的磁场要求达到10千高斯。现在已经确定，采用相对小的强力稀土金属永久磁铁埋入触头，从实际结构上接近触头表面，以使磁场强度为最大来保护触头免受电弧损坏，可以改进低场强的效果。相应地，磁场装置最好包括嵌埋在一个或两个触头中的稀土金属永久磁铁，从而保护触头表面下部免受电弧损坏。令人惊奇的发现是在中到高电压、大电流的开关装置中采用上述提供的装置，可以在第一次电流过零时熄灭电弧。并且还进一步观察到，与触头相结合的相对小的磁场进一步加强了这一现象，其性能的加强程度与磁场强度及磁场的总磁通量不成比例。已经进一步确定，将永久磁铁嵌埋入移动触头将提供进一步的好处。这一磁铁可以很小，因而能被埋入中到高压、大电流装置上相对小的二次电弧触头中。

这些触头最好是由导磁材料制成，在开关装置的运行中能够耐受持续或多次燃弧事件的侵蚀。例如，触头可以由高熔点、相对高导电率的合金制成，并且最好选用钨铜或铬铜高温合金。

其中的一个触头最好包括由一个电弧触头和一个主电流触头组成的一个触头组件。例如，该触头组件可以先将主触头相对于另一触头移动到介电环境下的绝缘距离，接着再将电弧触头相对于另一触头移动到至少上述距离，使电路切断。相反地，这一触头组件的操作也可以先使电弧触头与另一触头接触，继而使主触与另一触头接触以接通电路。

尽管如上所述，永久稀土磁铁可以嵌埋在固定触头中，而不是移动触头组件中，但是，磁铁可埋入电弧触头中。已经令人惊奇地发现，这种适用于相对小的电弧触头的小磁铁在高压交流电路中第一次电流过零期间内熄弧更有效。最好在固定触头和电弧触头中都埋入稀土磁铁磁场装置，当电路闭合时，每个磁铁的磁场轴线基本上与相邻的相对极对准。

最好由自动开关装置在条件响应控制装置的控制下操作这些触头以便合上或断开所述电路。但是，上述包含有一个电弧触头和一个主电流触头的可移动触头组件可以用一个或多个手动开关装置或者由条件响应控制装置控制下的自动开关装置这类起动装置来移动，最好能提供两种。

不管采用自动或手动开关装置来断开电路，最好是先将主触头移开固定触头到所施电压的介电击穿距离一半以外，随后，快速移动电弧触头离开固定触头。当闭合电路时，最好先使电弧触头快速与固定触头接触，然后，使主触头在基本上无电弧情况下与固定触头结合。主触头可能包括一个适合于从固定触头呈直线拉开的触头，或者与从所接触的固定触头旋转离开一个摇臂的长度，从而使主触头以近似直线离开固定触头。

主触头与固定触头接触可被压紧装置锁住，在手动或条件响应控制装置的控制下压紧装置脱开，使主触头在偏向作用下垂落离开固定触头，或被驱动拉开。电弧触头可以通过由主触头提供的空间与固定触头接触。

电弧触头可与主触头相关地耦合运动，如由一加载弹簧耦合操作提供双向过中心运动。保持电弧触头与固定触头相连接到某一临界点时，主触头移动离开固定触头，以后，电弧触头在弹簧位移作用下迅速与固定触头脱开。在闭合电路时，主触头移向固定触头，使弹簧加载到一临界点，以后，电弧触头在主触头之前加速与固定触头接触。

主触头也可包括一个前述摇臂型组件，并有转轴式电弧触头组件，使电弧触头的位移高出于主移动触头部分，因此，电弧触头最后打开，最早与固定触头连接。在这种实施例中，起动装置可以具体化为通过主触头组件操作该装置。

当装置闭合时，固定的及移动的触头最好能在压力和触头间的负荷电流作用下被吸住。为了遮断电流，电弧触头被以每秒几米的速度与固定触头拉开。

更深一步来说，本发明广泛地归属于下列型式的开关装置：

包围了介电环境的外壳;

在所述外壳中的固定触头，

所述外壳内一个移动触头组件，在所述固定触头电路闭合位置以及电路打开位置之间相对于所述固定触头移动。其中所述固定触头包括一个导磁触头体，有一个永久磁铁嵌埋其中，其磁场基本上对准触头分离的轴线，移动触头最好包括一个主触头和一个电弧触头。后者包括一个导磁电弧触头体，其中埋入第二个永久磁铁，其磁场基本上与固定触头中埋入的永久磁铁对准。

根据本发明，装置的外壳最好是一个基本上密封的外壳，包围了选自一个至少是部分抽真空的空间、空气或六氟化硫气体的介电环境。例如，该介电环境可包括六氟化硫气体，尽管如六氟化硫SF₆气体的介电性能在提高压力下有所增强，使用大气压下的介电气体可以避免制造包含带加压气体的外壳。外壳内最好充以大气压下的或中等压力下的SF₆气体。最好是用这种气体，因为其相对高的介电强度，使电弧冷却的热容量及清除扩散的电子和等离子体衰减的容量。

前述本装置在典型应用中可包括一个铜钨固定触头，约32mm直径，其中嵌埋的圆柱形稀土永久磁铁直径为22mm，长25mm，磁场强度在其圆周面表面为4500高斯，埋入触头表面下面厚度为3mm。采用具有高磁场强度的稀土磁铁，使触头中磁铁的质量和体积最小。因此，提供同样触头尺寸下的最大导热和导电性。降低触头运行温度。

尽管最佳熄弧要求非常大的场强，可以设想，根据本发明的装置可以用到触头表面场强低于100高斯的情况下。

最好在前述本装置运行的电压和电流下，一个铜钨合金电弧触头，直径为10mm，其中嵌埋的稀土永久磁体为约6.35mm直径，12.7mm长，埋入触头表面下的厚度6mm。典型的这种磁铁表面磁场强度大约为2000高斯，尽管推测由埋入触头该磁铁的好处为当触头表面的磁场强度低到约75高斯时还能提供给装置这种好的结果。

尽管移动触头通常将一个配电交流电路的另一端接到固定触头，在一些应用中，移动触头可能是接通一个中间抽头或类似的地方。移动触头最好被一个抽头或通过其支持结构，连到一个在外壳外面的输电线，并且最好与外壳绝缘，使回路的两端都在地电位以上。

为使本发明更容易理解并能实际应用，下面将介绍本发明最佳实施例的相应图示供参考：

图1为根据本发明的装置剖面的侧视图;

图2为图1中装置所采用的可移动触头部分垂直截面侧视图;

图3为图2中移动触头平面图;

图4为图1装置触头区域端视图。

在以上图中所例举的开关装置10适用于交流配电网中的杆装开关。开关是由单个切断开关组件组成，该组件装在一个完全焊接或密封的不锈钢箱体12中。箱体12中充满了大气压下的六氟化硫气体13。

开关组件置于一个由线路导体14和负荷导体15组成的交流电路之间。导体14和导体15各自由气密型绝缘子组件16通过箱体12的顶部引出，每一个绝缘子组件16又包括了一个内部绝缘套管17和一个外部聚合绝缘的尾部支撑20。线路导体14的端部接到一个固定触头21上。该触头21由一外部铜铬合金体部分22组成，其中还嵌埋一个圆柱形稀土金属磁铁23。负荷导体15的端部接到一个可移动触头组件24上，该组件24包括了一个通过转轴安装在延伸的主触头臂26上的触头安装体25。

触头臂26包括了一对触头平板27，它们被触头安装体25的转轴套筒部分30相互隔开。在它的外部触头端面32上有一向外扩张部分31，以便适应与固定触头21的铜钨电弧固定触头部分33相电气接触。借助于触头平板27的展宽克服了安装于销钉35上、并在端头36与一块触头平板27之间起作用的弹簧34的偏移，使触头端32能适应于扩展以接触固定触头体部分22。

转轴安装在触头平板27之间，并且与触头平板在电气上相通的是一整体电弧触头组件37，它是由一个电弧触头40和一个电弧触头臂42组成，电弧触头40中嵌埋有一圆柱形稀土金属永久磁铁41。电弧触头臂42提供了弹簧43一端的一个支撑点，以便推动电弧触头40通过触头平板27的触头端32之间的空间，使电弧触头40朝向固定触头21上电弧触头部分33。

通过一个外部控制器（图中未画出）经过控制电缆38向操作组件44提供控制脉冲，用这样方法提供移动触头组件24的操作机构。操作组件包括一个闭合线圈45，通过转轴安装在外壳12上的机械作用平板46和绝缘推杆47，使可移动触头组件24闭合，推杆47的上端面通过转轴安装在主触头臂27上。线圈45克服弹簧50的位移而使移动触头组件24闭合，由于压紧装置51使触头组件保持于闭合位置。

在操作员或对应于所选择的故障条件自动地使控制机构动作的时候，由于一个控制脉冲传送到跳闸电枢52，其响应是移动跳闸挡板53以释放压紧装置51而使压紧装置51得以释放。由于重力和弹簧50使机械平板46落下，造成移动触头组件24脱离与固定触头21的电气联接。

在气密型绝缘子组件16和电流互感器54中提供了控制基本条件传感器，例如嵌埋的电压传感屏（图中未画出）。在杆上配电装置电路的两端可以均安装避雷器55，在变电站中可以仅在负荷侧安装。对控制器可以提供一辅助电压源，或者是提供一个内部电压互感器56。

根据上述实施例的装置可以遮断运行于50Hz，数十千伏电压下电路中几千安培的负荷电流。在两个电极之间所形成的电弧当50Hz电流过零时熄灰。当触头分开约10mm时电弧通常便熄灭，但在未经改进的普通断路装置的情况下为几厘米。尽管未经改进的普通断路装置的遮断电流最高约为一百安培，但是由于在固定触头中嵌埋了一个圆柱型稀土永久磁铁而使本装置的简单普通切断安排的电流遮断能力在幅值上增加了一个数量级。磁铁的安装使磁场的轴沿固定及可移动电极中心间的线。因此磁铁的端面距电弧和电极接触点仅几微米距离，电弧便容易受强磁场的影响。

本实施例中遮断电流的安排的有效性增加了，这是因为安排使主移动触头传输在闭合位置时的主电流，该触头在电弧触头在固定和移动触头之间拉出电弧前几个微秒前先打开。嵌埋在电弧触头中的永久磁铁以及两磁铁的轴重合，磁场方向相同提供了在特别大电流下的典型的性能。

看来，永久磁铁的场与电弧的相互作用防止其固定于任何一触头的一点上，这是因为磁场感应了电弧等离子体的连续旋转运动。这样便在电流过零发生遮断以前使电弧等离子体相当地冷却，防止形成的高温等离子体喷到触头上。接近电流为零时比较冷却的气体形成过零时的电弧柱比在未经改进的普通开关中所产生的高温电弧柱容易被遮断。

当电流过零遮断以后，稀薄电弧柱的温度在几微秒内衰减，保留在触头之间空间中热气体温度受到遮断前电弧周围气体温度的影响。由于带永久磁铁的电弧温度显著地低于未经改进普通开关的电弧温度，使电弧空间的热气体冷却得比未经改进情况快，因而本装置触头之间介电强度恢复得比现有技术中普通断路装置要快得多。

由于移去可能产生高温和普通开关设备电极间的等离子体高导电俘云状物的等离子体喷射，也增加了触头之间介电强度的恢复速率。

前面已用示例的方法给出本发明，必然会认识到所有这些以及其它的改进和改变，对于熟悉本领域的技术人员来说是清楚的，均属于在此宣布的本发明的广宽领域和范围。

Claims (16)

1、这种类型的开关装置包括：

封装有介电环境的一个外壳；

所述外壳内一对触头，在电路的闭合位置和电流打开位置之间可相互相对地移动，其中所述两个触头或其中之一上装有磁场装置，以提供基本上与所述触头分开轴线对准的磁场。

2、根据权利要求1的开关装置，其中一个所述触头相对固定在所述外壳上。

3、根据权利要求2的开关装置，其所述磁场装置从永久磁铁或由被切断的交流电流或外部交流电源驱动的感应绕组中选择。

4、根据权利要求3的开关装置，其所述磁场装置包括一个稀土永久磁铁，它嵌埋在一个或两个触头中，以防止触头表面下被电弧损坏。

5、根据权利要求4的开关装置，其所述嵌埋于一个或两个触头中的磁铁材料从钨和铜或铬和铜的高温合金中选取。

6、根据上述权利要求中任一项的开关装置，其所述触头中的一个由触头组件组成，该触头组件包括一个电弧触头和一个主电流触头，所述触头组件的操作是先将主触头相对于另一触头在介电环境中移动一个绝缘距离，然后将电弧触头从所述的另一触头移动至少所述距离，以切断电路。

7、根据权利要求6的开关装置，其所述触头组件的操作是先使电弧触头接触另一触头，再使主触头与所述另一触头接触以接通电路。

8、根据权利要求6和7中任一项的开关装置，其所述触头组件由一个移动触头组成，可以相对于另一固定于所述外壳上的另一所述触头移动。

9、根据权利要求8的开关装置，其所述固定触头内嵌埋有一稀土磁铁，这一磁铁组成了所述的磁场装置。

10、根据权利要求8的开关装置，其所述电弧触头内也嵌埋有一稀土磁铁，由它组成了所述的磁场装置。

11、根据权利要求8或9的开关装置，其所述固定触头和电弧触头二者均嵌埋有稀土磁铁磁场装置，其中各磁铁的磁场轴与电路闭合时相邻相对极基本对准。

12、根据上述权利要求中任一项的开关装置，其由自动开关装置在条件响应控制装置的控制下操作所述触头以接通或切断所述电路。

13、这种类型的开关装置包括：

封装有介电环境的一个外壳;

所述外壳内一个固定触头，和

所述外壳内一个移动触头组件，在所述固定触头电路闭合位置以及电路打开位置之间相对于所述固定触头移动，其所述固定触头由导磁触头体组成，其内嵌埋有一永久磁铁，它的磁场与所述触头的分开轴线对准。

14、根据权利要求13的开关装置，其所述移动触头由一个主触头和一个电弧触头组成，后者由一个导磁电弧触头体组成，其内嵌埋第二永久磁铁，它的磁场与嵌埋在固定触头中永久磁铁的磁场对准。

15、根据上述权利要求中任一项的开关装置，其所述外壳为良好密封外壳，其中含有从至少部分抽真空空间，空气或六氟化硫气体中选取的一种介电环境。

16、根据权利要求15的开关装置，其所述介电环境由基本上大气压到适度升压的压力下六氟化硫气体选取。

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