CN110739175B - 提高直动式高压开关小电流开断能力的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高直动式高压开关小电流开断能力的装置，包括：套筒，由绝缘产气材料制成，其两侧贯通作为套筒口并套置于高压开关的动触头外侧；永久磁铁，设置于套筒外，高压开关的动触头行程处于磁铁磁场中，用于给高压开关动触头运动时产生的电弧施加与动触头行程方向垂直的磁场力。本发明通过绝缘产气材料释放烧蚀气体加强导热、增强气压，同时辅以永久磁铁以进一步拉长电弧，加强气流场扰动，可以增强高压开关的灭弧能力，进而增强高压开关开断小电流的能力。

Description

提高直动式高压开关小电流开断能力的装置

技术领域

本发明涉及高压开关技术领域，特别是涉及一种提高直动式高压开关小电流开断能力的装置。

背景技术

随着电力系统的日益发展，输电功率与电压等级的不断提高也导致对高压断路器的灭弧性能提出了新的要求。高压断路器作为系统线路中的重要保护设备，是电力系统安全、可靠及稳定运行的关键，它不仅能够关合与开断正常情况下的各种负载电流，也能在线路中出现短路故障时关合和开断短路电流。由于大容量断路器开断短路电流能力高达上百千安培，所以在开断正常的负荷小电流时往往出现磁场力不足的情况导致开断困难。

发明内容

基于此，有必要针对直动式高压开关在小电流下开断困难的问题，提供一种提高直动式高压开关的小电流开断能力的装置。

一种提高直动式高压开关小电流开断能力的装置，包括：

套筒，由绝缘产气材料制成，其两侧贯通作为套筒口并套置于高压开关的动触头外侧；

永久磁铁，设置于所述套筒外，高压开关的动触头行程处于磁铁磁场中，用于给高压开关动触头运动时产生的电弧施加与动触头行程方向垂直的磁场力。

在其中一个实施例中，所述永久磁铁的其中一个磁极的方向与所述高压开关的动触头行程方向垂直并处于同一平面内。

在其中一个实施例中，所述磁极方向与所述动触头行程方向的垂足与高压开关触头开距的中点重合。

在其中一个实施例中，所述绝缘产气材料包括尼龙、聚甲醛树脂、聚四氟乙烯中的任意一种或多种。

在其中一个实施例中，所述套筒内表面分布有若干个凸起，所述凸起由绝缘产气材料制成。

在其中一个实施例中，所述凸起为半球形凸起。

在其中一个实施例中，所述套筒包括拉法尔喷口结构套筒、圆筒结构套筒的其中一种。

在其中一个实施例中，所述永久磁铁的形状包括方块形、瓦片形、圆柱形、圆环形、马蹄形的其中一种或多种。

在其中一个实施例中，所述永久磁铁的数量为两个，分别设置于所述高压开关的动触头的行程两侧，且磁极的方向相同。

在其中一个实施例中，所述永久磁铁还可以设置于所述套筒与所述动触头行程的间隙中。

上述提高直动式高压开关的小电流开断能力的装置，设置绝缘产气材料制成的套筒，借助高压开关开断小电流时所产生的电弧烧蚀产气材料产生热导率高的气体以加速电弧冷却，同时设置永久磁铁增强磁场力，以驱使电弧加速运动，拉长电弧增加电弧电压，整体达到了提高直动式高压开关的小电流开断能力的效果，具有可靠性高，灭弧性能佳的特点。

附图说明

图1为一典型的直动式高压开关结构；

图2为一实施例中提高直动式高压开关小电流开断能力的装置结构的一个视图；

图3为一实施例中提高直动式高压开关小电流开断能力的装置结构的另一个视图；

图4为一实施例中拉法尔喷口结构套筒结构示意图；

图5为一实施例中应用绝缘产气材料拉法尔喷口结构套筒后套筒轴向压力变化情况图；

图6为一实施例中应用绝缘产气材料拉法尔喷口结构套筒后套筒马赫数变化情况图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施方式。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本申请的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。

参见图1、图2和图3。图1为一典型的直动式高压开关结构，如图1所示，直动式高压开关的直动式触头由动触头101与静触头102构成，本公开的提高直动式高压开关小电流开断能力的装置主要应用于直动式高压开关的直动式触头。图2和图3为一实施例中提高直动式高压开关小电流开断能力的装置结构的其中两个视图，如图所示，本公开的提高直动式高压开关小电流开断能力的装置由套筒103以及永久磁铁104组成，套筒103的两侧贯通形成套筒口，套置于直动式高压开关的动触头外侧，可以理解的，套筒103的包括长度在内的尺寸是可调整的，可根据不同直动式高压开关的具体尺寸做出调整。可选择的，套筒103的长度可以达到能够包覆动触头行程的程度，还可以达到能够包覆静触头行程的程度。套筒103由绝缘产气材料制成，或者至少具有绝缘产气材料制成的内壁，绝缘产气材料包括但不限于尼龙、聚甲醛树脂、聚四氟乙烯中的任意一种或多种，也可以包括其他含氢量较高的绝缘产气材料。在直动式高压开关进行开断小电流工作时，动静触头之间会产生不规则的电弧，电弧在运动过程中会触碰套筒内壁，套筒的绝缘产气材料在电弧作用下烧蚀产生氢气等烧蚀气体，烧蚀气体的热导率较高，可以加速高温区域的热传导，快速冷却电弧，达到提高小电流开断能力的效果；同时快速的热量传递改变了动静触头之间气流场的分布，加速整个气流场的扰动，由此可以提高整个气流场的对流作用，进一步加速电弧弧芯的冷却。此外，套筒限制了电弧的运动范围，使电弧在较小区域内运动，频繁撞击套筒内壁，套筒撞击内壁越频繁，产生的烧蚀气体就越多，电弧区域的气压越高，气压的快速上升可以明显提高高压开关的灭弧能力，进一步提高小电流开断能力。可以理解的，对于动静触头之间的电弧区域，其不同位置的电弧密度有差别，电弧碰撞套筒内壁的频率也有所不同，因此在一个实施例中，套筒不同位置分别由不同的绝缘产气材料构成，用于与电弧的运动情况相配合，使绝缘产气材料在电弧较少的地方也能得到充分烧蚀。

在一个实施例中，套筒103的内表面即内壁上还分布有若干个绝缘产气材料制成的凸起，制成凸起的绝缘产气材料可以与制成套筒的绝缘产气材料相同，也可以不同。套筒103内表面的凸起在开断小电流时有利于散裂例子的形成，具体地，电弧烧蚀套筒103内壁的绝缘产气材料时，由于套筒103内壁的绝缘产气材料凸起在短时间内不能被完全烧蚀完毕，所以会以未完全气化的固体散裂例子的形式，被烧蚀出来的气体吹入电弧区域，同时在到达电弧弧芯的高温区域后继续气化，成为热导率较高的氢气等烧蚀气体，将热量从电弧弧芯带出，可以更快加速电弧冷却，提高高压开关的小电流开断能力。在一个实施例中，套筒103内表面分布的若干个凸起为半球形，以更好地接受电弧烧蚀，产生更多的散裂粒子。

永久磁铁104设置于套筒外，所产生的磁场能够覆盖高压开关的整个动触头行程范围或者能够覆盖动触头行程范围的一部分，用于给高压开关动触头运动时产生的电弧施加与磁场力。具体地，对于高压开关在开断小电流时，动静触头之间的动触头行程部分会产生电弧，可以将电弧近似看作运动电荷的集合，而运动电荷在磁场中会受到洛伦兹力，周知的，运动电荷在某点所受到的洛伦兹力的方向为电荷在这一点的运动方向叉乘这一点的磁感应强度方向所得到的方向，而电弧运动方向虽然杂乱不匀，但均有动触头行程方向的速度分量，会受到与动触头行程方向垂直的洛伦兹力的作用，向动触头行程外侧偏移运动。因此永久磁铁能够增强磁场力，使高压开关直动式触头所产生的电弧会受到与动触头行程方向垂直的洛伦兹力，从而起到加速电弧扩散的作用，电弧的快速运动增加了电弧电压的上升速率，且有利于电流过零附近熄弧尖峰的产生，加强弧后气体介质绝缘强度恢复速度，降低弧后重燃的概率，提高灭弧性能，进而提高高压开关的小电流开断能力。同时，在高压开端动触头行程之间运动的电弧在受到磁场力的作用后，会进一步向动触头行程外围运动，进一步接触并烧蚀套筒内壁的绝缘产气材料，释放更多具有高热导率的烧蚀气体，降低电弧温度，提高灭弧性能。

周知的，磁极是磁铁上磁性最强的部分，同时由向量叉乘的定义可知两向量之间的夹角为90°角时叉乘得到的结果的向量模最大，表现为当电弧在某点的与动触头行程方向相同的方向的速度分量与该点的磁感应强度方向垂直时，其所受到的磁场力的值最大。因此在一个实施例中，设置在套筒外的永久磁铁的其中一个磁极的方向与高压开关动触头行程的方向垂直，且处于同一平面内，以增大作用于动触头运动产生的电弧上的磁场力。进一步的，由于电弧并非在固定位置存在，而是在动触头行程的大致方向上进行运动，因此磁铁可以放置于磁极的方向与动触头行程方向的垂足与高压开关触头开距中点重合的位置，以使磁铁所产生的磁场范围能尽可能覆盖动触头行程，增大磁铁作用于电弧的有效范围。

永久磁铁的形状包括但不限于方块形、瓦片形、圆柱形、圆环形、马蹄形的其中一种或多种，可以根据实际的应用场景选择具有合适的形状和磁化方向的永久磁铁。可选的，当所选用的永久磁铁为马蹄形时，可以将其设置于套筒外，使动触头行程方向处于马蹄形磁铁的南极和北极之间，以获得更好的增强磁场力的效果。

在一个实施例中，永久磁铁的设置数量为两个，分别设置于高压开关的动触头行程外围两侧，且两个永久磁铁的磁极的方向相同，即两个永久磁铁磁极指向的方向相互平行，用于进一步增强磁铁所产生的磁场力。

可以理解的，还可以将永久磁铁设置于套筒和动触头行程之间的间隙中，减小提高直动式高压开关小电流开断能力的装置的占用空间。进一步的，永久磁铁还可以镶嵌在套筒的外壁中，或者内嵌在套筒的内部；还可以使用绝缘产气材料包覆在一定形状的磁铁外，再形成一定形状的套筒，提高装置的一体性，减小占用空间。

套筒的结构包括但不限于拉法尔喷口结构、圆筒结构、喇叭形结构等。在一个实施例中，套筒为拉法尔喷口结构套筒，用于改善动触头行程范围的气流场分布，增强熄弧能力，进而增强高压开关开断小电流的能力。参见图4，图4为一实施例中拉法尔喷口结构套筒的结构示意图，如图4所示，套筒从入口开始由大变小向中部收缩成一个较窄的喉部，再从喉部开始逐渐变大扩张至出口处，由喉部作为分界点，可将套筒分为上游和下游，在设置时，拉法尔喷口结构的入口处朝向高压开关动触头方向，出口处朝向高压开关静触头方向。参见图5和图6，图5和图6分别为一实施例中应用绝缘产气材料拉法尔喷口结构套筒后，套筒轴向压力变化情况图和马赫数变化图。当固定出口表压为0.6MPa，入口总压分别为1.2MPa、1.8MPa、2.4MPa、3.0MPa时，从轴向压力及马赫数的变化可以看出，当上下游压力比为2:1和3:1时，喷口下游出口附近压力快速升高至出口压力设定值，此时从马赫数的变化曲线也可以看出，气体流速由超音速迅速降到亚音速，喷口中产生激波，且随着入口压力的增大，激波向出口方向移动。当上下游压力比增至4:1时，喷口下游气体始终处于超音速流动，马赫数大于1。气体压力缓慢下降，喷口中无激波产生，出口处的压力值远低于设定值。继续增加入口压力至压力比5:1时，喷口内流场的分布趋势不变，只是出口处的压力值略有增加，但仍低于设定值。当喷口下游气体始终以超音速流动时，出口处的压力值随着入口气压的增加而增大。可见拉法尔喷口结构的套筒有效地使上下游的压力差转化为压力出口处的压力增加值，改变了动触头行程范围的气流场分布，加速了气流运动，增大了气压，可以有效提高高压开关的灭弧能力，进而提高开断小电流的能力。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种提高直动式高压开关小电流开断能力的装置，其特征在于，包括：

套筒，不同位置由不同绝缘产气材料制成，所述套筒内表面分布有若干个凸起，其两侧贯通作为套筒口并套置于高压开关的动触头外侧；所述套筒的长度可以达到能够包覆动触头行程的程度，还可以达到能够包覆静触头行程的程度，所述套筒也限制了电弧的运动范围；

永久磁铁，设置于所述套筒外，高压开关的动触头行程处于磁铁磁场中，用于给高压开关动触头运动时产生的电弧施加与动触头行程方向垂直的磁场力。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述永久磁铁的其中一个磁极的方向与所述高压开关的动触头行程方向垂直并处于同一平面内。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述磁极的方向与所述动触头行程方向的垂足与高压开关触头开距的中点重合。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述绝缘产气材料包括尼龙、聚甲醛树脂、聚四氟乙烯中的任意一种或多种。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述凸起由绝缘产气材料制成。

6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述凸起为半球形凸起。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述套筒包括拉法尔喷口结构套筒、圆筒结构套筒的其中一种。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述永久磁铁的形状包括方块形、瓦片形、圆柱形、圆环形、马蹄形的其中一种或多种。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述永久磁铁的数量为两个，分别设置于所述高压开关的动触头的行程两侧，且磁极的方向相同。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述永久磁铁还可以设置于所述套筒与所述动触头行程的间隙中。

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