CN110853971B - 环形永磁体强横磁直流真空灭弧室及直流真空开关 - Google Patents

Abstract

环形永磁体强横磁直流真空灭弧室及直流真空开关，该直流真空灭弧室包括真空灭弧室瓷壳，真空灭弧室瓷壳外部设有静侧环形永磁体组合结构和动侧环形永磁体组合结构，真空灭弧室瓷壳内部设有静侧触头组合结构、动侧触头组合结构和灭弧室内置导磁件；该直流真空开关包括环形永磁体强横磁直流真空灭弧室和与其相匹配的操动机构；本发明真空灭弧室包括环形永磁体组合结构、与其配合的曲形导磁结构、触头结构内设的环形导磁结构和瓷壳内灭弧室内置导磁件，优化了导磁磁路和弧隙内磁场分布，实现了环形永磁体结构在弧隙中产生横向磁场，且永磁体产生的磁场与触头开槽结构产生的磁场相结合，加强横向磁场的作用效果，有效提高真空电弧的电弧电压，实现了真空电弧的直流电流开断。

Description

环形永磁体强横磁直流真空灭弧室及直流真空开关

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，具体涉及一种环形永磁体强横磁直流真空灭弧室及直流真空开关。

背景技术

为适应能源格局的变革，促进新能源的开发利用，提高电力传输的稳定性，多端直流输电技术必将成为未来的发展趋势。尽管相较于交流输电，直流输电具备输电距离远、输电容量大、损耗低等优势。然而直流输电技术的发展仍受到器件成本和新材料等多因素的制约。直流断路器是直流输电系统中最重要的保护设备，其设计与制造水平决定着直流输电技术的发展与应用。因而高可靠性、高性能的直流断路器的研发与制造是高校与企业面临的共同难题。目前，直流断路器按器件分为机械式断路器、固态式断路器和混合式断路器。机械式断路器因成本低廉、低通态损耗，仍然是系统主流选择。而其中的真空断路器凭借高绝缘性能、维护简单和环境友好等特点，在中低压领域处于绝对优势地位，并进一步向高压领域取得突破。

然而由于直流开断不存在自然过零点，与交流开断相比，直流开断技术面临诸多困难。目前，直流开断方式有人工过零法，耗能限流法，增大电弧电压法、混合开关法等等。人工过零法是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。而增大电弧电压法是当断路器在开断过程中的电弧电压高于系统电压时，直流电流开断。基于上述开断原理，研究人员提出了多种拓扑结构。

真空断路器广泛应用在交流系统中，且真空断路器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。现有的真空断路器通过电弧控制技术实现电流的成功开断，即通过触头结构产生的磁场来实现对电弧的控制。按照不同的磁场方向，触头结构分为横向磁场和纵向磁场控制方式。其中，在横向磁场控制方式下，电流流过横向磁场触头具体开槽结构下的流通路径，产生相应的横向磁场，驱动电弧在触头表面运动。横向磁场作用能够很大程度上减少触头的烧蚀，提高使用寿命。

真空直流电弧电压较低，这不利于直流开断。因此，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，结果表明在横向磁场作用下，阴极斑点的波动，可以有效提高真空电弧电压。

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，本发明的目的于提出一种环形永磁体强横磁直流真空灭弧室及直流真空开关。本发明为使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，通过复合磁路的设计，实现永磁体产生的磁场与触头开槽结构产生的磁场相结合，加强磁场的作用效果，有效提高真空电弧的电弧电压，以达到直流电流开断的需求。本发明通过磁路的优化设计，实现了环形永磁体结构在触头间隙区域产生横向磁场的作用，优化了永磁体的布置方式，减小真空灭弧室的体积，加强了横向磁场的作用，实现了真空电弧的直流电流开断。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种环形永磁体强横磁直流真空灭弧室，包括真空灭弧室瓷壳110，真空灭弧室瓷壳110外部设置有静侧环形永磁体组合结构201和动侧环形永磁体组合结构202，真空灭弧室瓷壳110内部设置有静侧触头组合结构301、动侧触头组合结构302和灭弧室内置导磁件114；

所述静侧环形永磁体组合结构201包括设置在真空灭弧室瓷壳110静侧外周圈的静侧环形永磁体111、用于固定静侧环形永磁体111的静侧永磁体固定环112和与静侧环形永磁体111配合的静侧曲形导磁结构113；所述动侧环形永磁体组合结构202包括设置在真空灭弧室瓷壳110动侧外周圈的动侧环形永磁体117、用于固定动侧环形永磁体117的动侧永磁体固定环116和与动侧环形永磁体117配合的动侧曲形导磁结构115；所述静侧触头组合结构301包括静侧导电杆101、焊接在静侧导电杆101一端的静侧横向磁场杯状触头结构102、焊接在静侧横向磁场杯状触头结构102内部的静侧环形导磁结构103以及焊接在静侧横向磁场杯状触头结构102端部的静侧触头片104；所述动侧触头组合结构302包括动侧导电杆108、焊接在动侧导电杆108一端的动侧横向磁场杯状触头结构107、固定在动侧横向磁场杯状触头结构107内部的动侧环形导磁结构106以及焊接在动侧横向磁场杯状触头结构107端部的动侧触头片105；所述静侧横向磁场杯状触头结构102和动侧横向磁场杯状触头结构107开槽旋转方向相反，相互配合，燃弧过程中在弧隙中产生横向磁场，并作用于真空电弧弧柱；在所述静侧环形导磁结构103和动侧环形导磁结构106的相应高度范围内，在真空灭弧室瓷壳(110)的内部布置有灭弧室内置导磁件114，所述静侧环形导磁结构103和动侧环形导磁结构106能够有效加强触头间隙内的磁场作用效果；

当直流真空灭弧室触头分开产生电弧，并开始燃烧时，真空电弧弧柱在弧隙中沿着静侧触头片104和动侧触头片105旋转运动；真空灭弧室瓷壳110外部静侧环形永磁体组合结构201和动侧环形永磁体组合结构202的位置布置优化了永磁体的布置方式，实现环形永磁体结构在弧隙中产生横向磁场的作用，并与触头组合结构相结合，进一步增强横向磁场的作用，促进阴极斑点的熄灭，实现真空电弧的直流开断。

所述环形永磁体结构的静侧环形永磁体111和动侧环形永磁体117为单对极或多对极。

所述静侧环形永磁体111和动侧环形永磁体117为单对极时，静侧环形永磁体111和动侧环形永磁体117为圆筒形套接于真空灭弧室瓷壳110外部，静侧环形永磁体111与动侧环形永磁体117相对放置的磁极极性相同，磁路路径沿触头组合结构轴向方向。

所述静侧环形永磁体111和动侧环形永磁体117为多对极时，静侧环形永磁体111和动侧环形永磁体117为圆柱形或瓦片形，分别安放于静侧永磁体固定环112和动侧永磁体固定环116中，并沿真空灭弧室瓷壳110外周圈均匀布置，静侧环形永磁体111和动侧环形永磁体117各端极性按N、S极交替分布，静侧环形永磁体111与动侧环形永磁体117相对放置的磁极极性相同。

所述静侧横向磁场杯状触头结构102和动侧横向磁场杯状触头结构107所开槽口的结构为直边形槽口结构或者螺旋形槽口结构。

一种环形永磁体强横磁直流真空灭弧室，还包括焊接在静侧导电杆101另一端的真空灭弧室静侧盖板109，，焊接在动侧导电杆108中部的波纹管118，焊接在波纹管118下端的真空灭弧室动侧盖板119，焊接在真空灭弧室静侧盖板109和真空灭弧室动侧盖板119边缘的真空灭弧室瓷壳110。

一种环形永磁体强横磁直流真空开关，包括所述的环形永磁体强横磁直流真空灭弧室401，连接在环形永磁体强横磁直流真空灭弧室401动端端部的绝缘拉杆结构402，连接在绝缘拉杆结构402另一端的操动机构(403)。

本发明真空灭弧室包括环形永磁体组合结构的曲形导磁结构、触头结构内设的环形导磁结构和瓷壳内灭弧室内置导磁件，优化了导磁磁路和弧隙内磁场分布，实现了环形永磁体结构在弧隙中产生横向磁场，且永磁体产生的磁场与触头开槽结构产生的磁场相结合，加强横向磁场的作用效果，有效提高真空电弧的电弧电压，实现了真空电弧的直流电流开断。与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)通过真空灭弧室结构的重新设计，设计了曲形导磁结构，优化了永磁体的布置方式，减小真空灭弧室的体积，加强了横向磁场的作用。

2)在真空灭弧室外部采用了环形永磁体结构，加强真空灭弧室外部永磁体所产生的磁场在真空灭弧室内部的作用强度。

3)在真空灭弧室内部的陶瓷壳体上设计了灭弧室内置导磁件，加强真空灭弧室外部永磁体所产生的磁场在真空灭弧室内部的作用强度。

4)在真空灭弧室杯状触头结构中，设计了环形导磁结构，用于加强触头间隙的磁场强度，同时优化触头间隙的磁场分布。

5)触头结构通过动、静触头开槽结构的配合，可以在触头间隙磁场作用。开槽触头结构的设计，将加强磁场对于直流真空电弧的作用，有利于直流真空电弧的开断。

附图说明

图1为本发明的一种环形永磁体强横磁直流真空灭弧室的剖视图。

图2(a)为本发明的环形永磁体组合结构示意图。

图2(b)为本发明的环形永磁体组合结构剖视图。

图3为本发明的一种环形永磁体的磁极布置和磁路路径图。

图4(a)为本发明的一种环形永磁体强横磁直流真空灭弧室的触头组合结构的示意图。

图4(b)为本发明的一种环形永磁体强横磁直流真空灭弧室的触头组合结构的剖视图。

图5(a)为本发明的一种环形永磁体强横磁直流真空灭弧室的动侧触头组合结构的斜视图。

图5(b)为本发明的一种环形永磁体强横磁直流真空灭弧室的动侧触头组合结构的俯视图。

图5(c)为本发明的一种环形永磁体强横磁直流真空灭弧室的动侧触头组合结构的正视图。

图6为本发明的一种环形永磁体强横磁直流真空开关的剖视图。

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为本发明的一种环形永磁体强横磁直流真空灭弧室的剖视图。如图1所示，该直流真空灭弧室包括静侧环形永磁体组合机构201，动侧环形永磁体组合结构202，和焊接在静侧导电杆101另一端的真空灭弧室静侧盖板109，焊接在真空灭弧室静侧盖板109边缘的包覆静侧触头组合结构301和静侧导电杆101的真空灭弧室瓷壳110，焊接在动侧导电杆108中部的波纹管118，焊接在波纹管118下端的真空灭弧室动侧盖板119，焊接在真空灭弧室动侧盖板119边缘的包覆动侧触头组合结构302和动侧导电杆108的真空灭弧室瓷壳110，焊接在灭弧室瓷壳110内部的灭弧室内置导磁件114。

图2(a)和图2(b)为本发明的一种环形永磁体组合结构示意图和剖视图，图3为本发明的一种环形永磁体的磁极布置方式和磁路路径图。如图2和图3所示，一种环形永磁体组合结构包括静侧环形永磁体组合结构201和动侧环形永磁体组合结构202；静侧环形永磁体111和动侧环形永磁体117分别通过静侧永磁体固定环112和动侧永磁体固定环116焊接在灭弧室瓷壳110上。本发明中环形永磁体为单对极圆筒形结构，静侧环形永磁体111和动侧环形永磁体117的相对放置的磁极极性相同，而静侧曲形导磁结构113、动侧曲形导磁结构115和灭弧室内置导磁件114的设计加强了永磁体产生的磁场在灭弧室内部的作用强度。

图4(a)和图4(b)为本发明的一种环形永磁体强横磁直流真空灭弧室的触头组合结构的示意图和剖视图。如图4所示，触头组合结构包括静侧触头组合结构301和动侧触头组合结构302。静侧触头组合结构301包括了静侧导电杆101、焊接在静侧导电杆101一端的静侧横向磁场杯状触头结构102、焊接在静侧横向磁场杯状触头结构102内部的静侧环形导磁结构103以及焊接在静侧横向磁场杯状触头结构102端部的静侧触头片104；动侧触头组合结构302包括动侧导电杆108、焊接在动侧导电杆108一端的动侧横向磁场杯状触头结构107、焊接在动侧横向磁场杯状触头结构107内部的动侧环形导磁结构106以及焊接在动侧横向磁场杯状触头结构107端部的动侧触头结构107端部的动侧触头片105。静侧横向磁场杯状触头结构102和动侧横向磁场杯状触头结构107开槽方向相反，相互匹配，于燃弧期间在触头间隙中产生横向磁场；静侧环形导磁结构103和动侧环形导磁结构106的设计能够有效加强触头间隙内的磁场作用效果。

图5(a)、图5(b)和图5(c)为本发明的一种环形永磁体强横磁直流真空灭弧室的动侧触头组合结构的斜视图、俯视图和正视图。如图5所示，动侧横向磁场杯状触头结构107开槽结构为螺旋形槽口结构，动侧触头片105为不开槽、完整连接的圆环形状。

图6为本发明的一种环形永磁体强横磁直流真空开关的剖视图。如图6所示，一种环形永磁体强横磁直流真空开关，包括所述的环形永磁体强横磁直流真空灭弧室401，和与环形永磁体强横磁直流真空灭弧室401动端端部相连接的绝缘拉杆结构402，和绝缘拉杆结构402另一端相连接的操动机构403。

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环形强横磁直流真空灭弧室及直流真空开关做出修改和变化。所有这些修改和变化均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种环形永磁体强横磁直流真空灭弧室，包括真空灭弧室瓷壳(110)，其特征在于：真空灭弧室瓷壳(110)外部设置有静侧环形永磁体组合结构(201)和动侧环形永磁体组合结构(202)，真空灭弧室瓷壳(110)内部设置有静侧触头组合结构(301)、动侧触头组合结构(302)和灭弧室内置导磁件(114)；

所述静侧环形永磁体组合结构(201)包括设置在真空灭弧室瓷壳(110)静侧外周圈的静侧环形永磁体(111)、用于固定静侧环形永磁体(111)的静侧永磁体固定环(112)和与静侧环形永磁体(111)配合的静侧曲形导磁结构(113)；所述动侧环形永磁体组合结构(202)包括设置在真空灭弧室瓷壳(110)动侧外周圈的动侧环形永磁体(117)、用于固定动侧环形永磁体(117)的动侧永磁体固定环(116)和与动侧环形永磁体(117)配合的动侧曲形导磁结构(115)；所述静侧触头组合结构(301)包括静侧导电杆(101)、焊接在静侧导电杆(101)一端的静侧横向磁场杯状触头结构(102)、焊接在静侧横向磁场杯状触头结构(102)内部的静侧环形导磁结构(103)以及焊接在静侧横向磁场杯状触头结构(102)端部的静侧触头片(104)；所述动侧触头组合结构(302)包括动侧导电杆(108)、焊接在动侧导电杆(108)一端的动侧横向磁场杯状触头结构(107)、固定在动侧横向磁场杯状触头结构(107)内部的动侧环形导磁结构(106)以及焊接在动侧横向磁场杯状触头结构(107)端部的动侧触头片(105)；所述静侧横向磁场杯状触头结构(102)和动侧横向磁场杯状触头结构(107)开槽旋转方向相反，相互配合，燃弧过程中在弧隙中产生横向磁场，并作用于真空电弧弧柱；在所述静侧环形导磁结构(103)和动侧环形导磁结构(106)的相应高度范围内，在真空灭弧室瓷壳(110)的内部布置有灭弧室内置导磁件(114)，所述静侧环形导磁结构(103)和动侧环形导磁结构(106)能够有效加强触头间隙内的磁场作用效果；

当直流真空灭弧室触头分开产生电弧，并开始燃烧时，真空电弧弧柱在弧隙中沿着静侧触头片(104)和动侧触头片(105)旋转运动；真空灭弧室瓷壳(110)外部静侧环形永磁体组合结构(201)和动侧环形永磁体组合结构(202)的位置布置优化了永磁体的布置方式，实现环形永磁体结构在弧隙中产生横向磁场的作用，并与触头组合结构相结合，进一步增强横向磁场的作用，促进阴极斑点的熄灭，实现真空电弧的直流开断。

2.根据权利要求1所述的一种环形永磁体强横磁直流真空灭弧室，其特征在于：所述环形永磁体结构的静侧环形永磁体(111)和动侧环形永磁体(117)为单对极或多对极。

3.根据权利要求2所述的一种环形永磁体强横磁直流真空灭弧室，其特征在于：所述静侧环形永磁体(111)和动侧环形永磁体(117)为单对极时，静侧环形永磁体(111)和动侧环形永磁体(117)为圆筒形套接于真空灭弧室瓷壳(110)外部，静侧环形永磁体(111)与动侧环形永磁体(117)相对放置的磁极极性相同，磁路路径沿触头组合结构轴向方向。

4.根据权利要求2所述的一种环形永磁体强横磁直流真空灭弧室，其特征在于：所述静侧环形永磁体(111)和动侧环形永磁体(117)为多对极时，静侧环形永磁体(111)和动侧环形永磁体(117)为圆柱形或瓦片形，分别安放于静侧永磁体固定环(112)和动侧永磁体固定环(116)中，并沿真空灭弧室瓷壳(110)外周圈均匀布置，静侧环形永磁体(111)与动侧环形永磁体(117)相对放置的磁极极性相同。

5.根据权利要求1所述的一种环形永磁体强横磁直流真空灭弧室，其特征在于：所述静侧横向磁场杯状触头结构(102)和动侧横向磁场杯状触头结构(107)所开槽口的结构为直边形槽口结构或者螺旋形槽口结构。

6.根据权利要求1所述的一种环形永磁体强横磁直流真空灭弧室，其特征在于：还包括焊接在静侧导电杆(101)另一端的真空灭弧室静侧盖板(109)，焊接在动侧导电杆(108)中部的波纹管(118)，焊接在波纹管(118)下端的真空灭弧室动侧盖板(119)，焊接在真空灭弧室静侧盖板(109)和真空灭弧室动侧盖板(119)边缘的真空灭弧室瓷壳(110)。

7.一种环形永磁体强横磁直流真空开关，其特征在于：包括权利要求1至6任一项所述的环形永磁体强横磁直流真空灭弧室(401)，连接在环形永磁体强横磁直流真空灭弧室(401)动端端部的绝缘拉杆结构(402)，连接在绝缘拉杆结构(402)另一端的操动机构(403)。

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