CN112185751A - 断路器及使用该断路器的气体绝缘开关设备 - Google Patents

断路器及使用该断路器的气体绝缘开关设备 Download PDF

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闫飞越
贺永明
魏建巍
段方维
杨滢璇
何保营
许家源
何大伟
杨锐
范乃元
王刚
刘龙
白玮
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Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明涉及断路器的灭弧室结构，特别涉及断路器及使用该断路器的气体绝缘开关设备。断路器包括开关本体和操作机构，开关本体包括：主壳体，主壳体的内腔中设有触头单元，触头单元包括静端组件和动端组件；传动机构，设置在主壳体的一侧，用于与操作机构传动连接；活塞，设置在传动机构与触头单元之间的传力路径上，形成传力路径的一部分；活塞缸体，供活塞导向密封装配；低气压气室，其内的气压低于主壳体内的气压，设置在活塞背向触头单元的一侧；活塞在主壳体与低气压气室之间的气压差作用下受到朝向低气压气室的作用力，从而为断路器的分闸提供部分分闸驱动力。上述方案改善了现有的断路器对操作机构的分闸操作功要求较高的问题。

Description

断路器及使用该断路器的气体绝缘开关设备
技术领域
本发明涉及断路器的灭弧室结构，特别涉及断路器及使用该断路器的气体绝缘开关设备。
背景技术
开关设备作为输变电系统中最为关键的环节，担负着控制和保护电网的双重责任，其性能的优劣直接影响着电网的安全可靠运行。气体绝缘开关设备是现在高压领域最为主流的开关设备，该种开关设备即GIS，也称气体绝缘金属封闭开关设备、气体绝缘金属封闭组合电器，由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连接件和出线终端等组成，这些设备或部件全部封闭在金属接地的外壳中，一般在其内部充有一定压力的SF6绝缘气体，故也称SF6全封闭组合电器。其中的断路器是在一个封闭气室里充一定压力的绝缘气体，绝缘气体的压力依据绝缘、温升及灭弧等性能要求进行设计；封闭气室内部设置触头单元，触头单元包括静端组件和动端组件，动端组件通过绝缘拉杆、传动机构与适配的操作机构传动连接，带动开关本体的动触头运动，实现分合闸操作。
目前，断路器中开关本体的形式主要有压气式灭弧室、自能式灭弧室及真空灭弧室等。现有技术中压气式灭弧室的一种典型结构如授权公告号为CN202721079U的中国专利公开的一种变径式低温断路器本体所采用的结构，如图5所示，包括主壳体，主壳体包括灭弧室瓷套101和支柱室瓷套102，两者的内腔相互连通，内部充有六氟化硫作为绝缘气体，在灭弧室瓷套101的两端设置有静接线座103和动接线座104；静接线座103上设有静弧触头和静主触头，动接线座104上装配有压气缸108，压气缸108内设有压气缸活塞，压气缸活塞包括动主触头和动弧触头，其上连接有压气缸活塞杆111，压气缸活塞杆111通过绝缘拉杆110连接操作机构。工作时，操作机构通过绝缘拉杆110带动压气缸活塞动作，实现断路器的分合闸，同时压气缸在分闸动作时能够在喷口处形成气流，用于将电弧吹熄。
但是，采用压气式和自能式灭弧室的断路器在进行分合闸操作时，都要克服压气反力而消耗能量，并且灭弧室分合闸动作时不可避免地还要受到气体阻力的影响而消耗能量，而采用真空灭弧室的断路器在进行分闸操作时，需要克服真空灭弧室的自闭力而消耗能量。这些能量消耗都在一定程度上影响着断路器的操作性能，也会对操作机构提出更高的能量要求。
气体绝缘开关设备的市场竞争日趋激烈，开发出低操作功的断路器，不仅可以提高气体绝缘开关设备的操作性能，更能降低对操作机构的出力和能量需求，可以选用能量较小的操作机构，显著降低开关设备的成本，所以，开发低操作功的开关本体意义重大。断路器的分闸操作速度一般要比合闸操作速度高的多，断路器的开发及运行经验表明：无论对于断路器的开关本体，还是对于操作机构，分闸操作的要求都要比合闸操作高的多。因此，断路器的操作功一般取决于分闸操作，设计能够降低断路器分闸过程阻力的结构成为提高分闸操作性能、降低气体绝缘开关设备成本的有效途径。
发明内容
本发明的目的是提供一种断路器，改善现有的断路器对操作机构的分闸操作功要求较高的问题；本发明的另一个目的是提供一种气体绝缘开关设备，解决由于现有断路器的分闸操作功较高导致的气体绝缘开关设备的操作性能不易满足需求、成本高的问题。
本发明中断路器采用如下技术方案：
断路器，开关本体和操作机构；所述开关本体包括：
主壳体，用于充入绝缘气体，主壳体的内腔中设有触头单元，触头单元包括静端组件和动端组件；
传动机构，设置在主壳体的一侧，用于与操作机构传动连接；
开关本体还包括：
活塞，设置在传动机构与触头单元之间的传力路径上，形成传力路径的一部分；
活塞缸体，供活塞导向密封装配；
低气压气室，其内的气压低于主壳体内的气压，设置在活塞背向触头单元的一侧；
活塞在主壳体与低气压气室之间的气压差作用下受到朝向低气压气室的作用力，从而为断路器的分闸提供部分分闸驱动力。
有益效果：采用上述技术方案，通过设置合适的活塞面积和气压差，活塞能够受到朝向低气压气室的作用力，该作用力能够提供部分分闸驱动力，从而能够减小对传动机构的分闸力要求，改善了现有的断路器对分闸操作功的要求较高的问题。
作为一种优选的技术方案：所述活塞包括筒状塞体，筒状塞体的内部或轴向端部设有封堵体，封堵体用于隔离所述主壳体与所述低气压气室。
有益效果：采用上述技术方案有利于减轻活塞的重量，避免由于活塞重量过大而影响分合闸速度，并且有利于节约材料。
作为一种优选的技术方案：所述封堵体设置在活塞远离低气压气室的一端。
有益效果：采用上述方案便于绝缘拉杆与活塞的连接。
作为一种优选的技术方案：所述活塞的轴向两侧分别设有连接杆；
远离低气压气室的连接杆与所述动端组件之间通过绝缘拉杆传动连接，另一连接杆与传动机构传动连接。
有益效果：采用上述技术方案，通过设置连接杆能够方便地将活塞设置在传动机构与触头单元之间的传力路径上，形成传力路径的一部分。
作为一种优选的技术方案：远离低气压气室的连接杆上设有外螺纹，通过螺纹连接固定在所述绝缘拉杆的端面上。
有益效果：采用上述技术方案结构简单，连接方便。
作为一种优选的技术方案：所述活塞缸体的缸壁与所述活塞的外周面之间设有滑动密封圈和导向环，活塞通过滑动密封圈和导向环导向密封装配在活塞缸体上。
有益效果：采用上述技术方案，滑动密封圈能够保证活塞与活塞缸体之间的密封性能，导向环能够保证活塞的良好导向，同时有利于保证滑动密封圈的有效密封。
作为一种优选的技术方案：所述活塞缸体为回转体结构，包括：
筒体部分，筒体部分供活塞导向密封装配；
法兰部分，连接在筒体部分的外周面上，夹设在主壳体的端部法兰和低气压气室的端部法兰之间。
有益效果：采用上述技术方案便于活塞缸体的安装。
作为一种优选的技术方案：所述法兰部分设置在筒体部分的轴向一端，筒体部分的另一端插入所述主壳体内。
有益效果：采用上述技术方案能够充分利用主壳体内的原有空间，结构紧凑。
作为一种优选的技术方案：所述筒体部分包括小径段，所述活塞与小径段导向密封配合。
有益效果：采用上述技术方案便于对活塞缸体进行加工，有利于减少加工面积、降低成本。
上述各优选的技术方案可以单独采用，在能够组合的情况下也可以将两个以上方案任意组合，组合形成的技术方案此处不再具体描述，以此形式包含在本专利的记载中。
本发明中气体绝缘开关设备采用如下技术方案：
气体绝缘开关设备，包括断路器、隔离开关和接地开关；
所述断路器包括开关本体和操作机构，所述开关本体包括：
主壳体，用于充入绝缘气体，主壳体的内腔中设有触头单元，触头单元包括静端组件和动端组件；
传动机构，设置在主壳体的一侧，用于与操作机构传动连接；
开关本体还包括：
活塞，设置在传动机构与触头单元之间的传力路径上，形成传力路径的一部分；
活塞缸体，供活塞导向密封装配；
低气压气室，其内的气压低于主壳体内的气压，设置在活塞背向触头单元的一侧；
活塞在主壳体与低气压气室之间的气压差作用下受到朝向低气压气室的作用力，从而为断路器的分闸提供部分分闸驱动力。
有益效果：采用上述技术方案，通过设置合适的活塞面积和气压差，活塞能够受到朝向低气压气室的作用力，该作用力能够提供部分分闸驱动力，从而能够减小对传动机构的分闸力要求，改善了现有的断路器对分闸操作功的要求较高的问题，更容易满足气体绝缘开关设备的开断需求，也有利于降低成本。
作为一种优选的技术方案：所述活塞包括筒状塞体，筒状塞体的内部或轴向端部设有封堵体，封堵体用于隔离所述主壳体与所述低气压气室。
有益效果：采用上述技术方案有利于减轻活塞的重量，避免由于活塞重量过大而影响分合闸速度，并且有利于节约材料。
作为一种优选的技术方案：所述封堵体设置在活塞远离低气压气室的一端。
有益效果：采用上述方案便于绝缘拉杆与活塞的连接。
作为一种优选的技术方案：所述活塞的轴向两侧分别设有连接杆；
远离低气压气室的连接杆与所述动端组件之间通过绝缘拉杆传动连接，另一连接杆与传动机构传动连接。
有益效果：采用上述技术方案，通过设置连接杆能够方便地将活塞设置在传动机构与触头单元之间的传力路径上，形成传力路径的一部分。
作为一种优选的技术方案：远离低气压气室的连接杆上设有外螺纹，通过螺纹连接固定在所述绝缘拉杆的端面上。
有益效果：采用上述技术方案结构简单，连接方便。
作为一种优选的技术方案：所述活塞缸体的缸壁与所述活塞的外周面之间设有滑动密封圈和导向环，活塞通过滑动密封圈和导向环导向密封装配在活塞缸体上。
有益效果：采用上述技术方案，滑动密封圈能够保证活塞与活塞缸体之间的密封性能，导向环能够保证活塞的良好导向，同时有利于保证滑动密封圈的有效密封。
作为一种优选的技术方案：所述活塞缸体为回转体结构，包括：
筒体部分，筒体部分供活塞导向密封装配；
法兰部分，连接在筒体部分的外周面上，夹设在主壳体的端部法兰和低气压气室的端部法兰之间。
有益效果：采用上述技术方案便于活塞缸体的安装。
作为一种优选的技术方案：所述法兰部分设置在筒体部分的轴向一端，筒体部分的另一端插入所述主壳体内。
有益效果：采用上述技术方案能够充分利用主壳体内的原有空间，结构紧凑。
作为一种优选的技术方案：所述筒体部分包括小径段，所述活塞与小径段导向密封配合。
有益效果：采用上述技术方案便于对活塞缸体进行加工，有利于减少加工面积、降低成本。
附图说明
图1是本发明中断路器的实施例1的结构示意图；
图2是图1的右视图；
图3是图1中双气室结构的结构原理图，也是活塞与活塞缸体的配合结构示意图；
图4是双气室结构气压作用力示意图；
图5是现有技术中压气式灭弧室的一种典型结构的示意图。
图中相应附图标记所对应的组成部分的名称为：1-开关本体，2-主壳体，3-端部法兰，4-活塞缸体，5-法兰部分，6-筒体部分，7-小径段，8-小壳体，9-触头单元，10-高气压气室，11-低气压气室，12-滑动密封圈，13-导向环，14-活塞，15-筒状塞体，16-封堵体，17-连接杆，18-绝缘拉杆，20-传动机构，21-传动轴，22-拐臂，23-连杆，30-操作机构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的具体实施方式中可能出现的术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，可能出现的术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，可能出现的语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“设有”应做广义理解，例如，“设有”的对象可以是本体的一部分，也可以是与本体分体布置并连接在本体上，该连接可以是可拆连接，也可以是不可拆连接。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
本发明中断路器的实施例1：
如图1和图2所示，包括开关本体1和操作机构30，开关本体1为双气室结构，包括主壳体2、活塞缸体4、小壳体8、触头单元9和传动机构20。主壳体2与活塞缸体4围成高气压气室10，小壳体8与活塞缸体4围成低气压气室11，低气压气室11是相对概念，即压力低于高气压气室10，双气室结构即由上述高气压气室10和低气压气室11形成。传动机构20为连杆机构，具有传动轴21、拐臂22和连杆23，传动轴21与操作机构30的输出转轴连接，用于形成曲柄滑块机构以驱动触头单元9分合闸，并实现合适的传动比。该种形式的传动机构20为现有技术，此处不再详细说明。传动机构20与触头单元9之间设有绝缘拉杆18，用于驱动触头单元9的动端组件动作。
具体地，如图1，主壳体2为筒状结构，主壳体2和小壳体8相互靠近的一端分别设有端部法兰3，活塞缸体4为回转体结构，包括法兰部分5和筒体部分6，法兰部分5连接在筒体部分6的外周面上，夹设在主壳体2和小壳体8的端部法兰3之间，并与两端部法兰3分别形成密封连接。所述法兰部分5设置在筒体部分6的轴向一端，筒体部分6的另一端插入所述主壳体2内。如图3，筒体部分6远离法兰部分5的末端设有小径段7，小径段7的内径小于相邻部分，小径段7的内壁上设有四道环槽，中间的两道环槽形成密封环槽，用于安装滑动密封圈12，两侧的两道环槽形成导向环槽，用于安装导向环13。活塞缸体4通过滑动密封圈12与活塞14滑动密封配合，通过导向环13与活塞14导向配合，实现活塞14的导向密封装配。密封环槽与活塞14及所述的活塞缸体4共同构成完整的密封结构，用于把高气压气室10和低气压气室11的气体分隔开来，保证两个气室气压的稳定性；两个导向环13分别安装于两个导向环槽内，用于支撑所述的活塞14，并保证活塞14沿活塞缸体4内壁滑动运动的准确性，同时也有利于保证滑动密封圈12的密封性能。
如图3，所述活塞14包括一体设置的筒状塞体15、封堵体16和两只连接杆17。封堵体16设置在筒状塞体15的轴向端部，用于隔离所述主壳体2与所述低气压气室11。两只连接杆17分别设置在封堵体16的轴向两侧，远离低气压气室11的连接杆17上设有外螺纹，通过螺纹连接固定在所述绝缘拉杆18的端面上，靠近低气压气室11的连接杆17与传动机构20的连杆23铰接，形成传动连接关系，在拐臂22摆动时能够实现筒状塞体15的导向运动。其中，靠近低气压气室11的连接杆17与筒状塞体15的内壁之间具有间隔。绝缘拉杆18远离活塞14的一端与触头单元9的动端组件固定连接，用于驱动触头单元9的动端组件往复运动而实现断路器的分合闸，向图中左侧运动时断路器合闸，向图中右侧运动时断路器分闸。
触头单元9包括动端组件和静端组件，动端组件包括动主触头、动弧触头，静端组件包括静主触头、静弧触头，可以采用现有技术中的压气式灭弧室形式或自能式灭弧室形式，具体结构此处不再详细说明。需要说明的是，触头单元9还可以采用真空灭弧室形式。
使用时，与主壳体2对应的高气压气室10内充有一定压力的绝缘气体，例如六氟化硫，用于保证开关本体1的绝缘性能及开断性能；高气压气室10内的气压可以与现有的单气室结构的开关本体1内的气压相等。与小壳体8对应的低气压气室11内可以充入气体以形成一定气压、不充入气体而与开关本体1外界等压，或者是抽成真空，当低气压气室11为真空时，最有利于开关本体1的分闸操作；如果充入气体，气体无需具备绝缘及灭弧特性，可以充入与高气压气室10成分相同的绝缘气体，也可以充入环保气体，比如氮气，还可以充干燥空气或其他任何可能的气体。高气压气室10的气体压力为P1，对应的气体在活塞14上的作用面积为A1；所述的低气压气室11的气体压力为P2，对应的气体在活塞14上的作用面积为A2，则所述的活塞14受到的气压作用力为F=P1A1－P2A2，通过设计使P1A1>P2A2，那么活塞14受到的气压作用力F即为采用该双气室结构的开关设备在分闸过程中增大的气压驱动力，如图4。采用该双气室结构的断路器在进行分闸操作时，操作机构30驱动传动轴21转动，传动轴21带动拐臂22摆动，拐臂22通过连杆23带动活塞14向活塞14的低压侧滑动，活塞14在拉杆的作用力以及作用力F的共同作用下带动绝缘拉杆18及驱动单元9的动端组件运动，实现开关设备的分闸操作。作用力F可以降低开关设备所需的分闸操作功，提升其分闸操作性能，适配低操作功的操作机构30，提高开关设备的可靠性，降低生产成本。
本发明中断路器的实施例2：
本实施例与实施例1的不同之处在于，实施例1中，活塞14包括筒状塞体15，筒状塞体15的内部或轴向端部设有封堵体16，而本实施例中，活塞14为实心柱体。
本发明中断路器的实施例3：
本实施例与实施例1的不同之处在于，实施例1中，活塞14靠近绝缘拉杆18的一侧设有连接杆17，通过连接杆17与绝缘拉杆18连接，而本实施例中，活塞14上靠近绝缘拉杆18的一端端面上设有螺纹孔，绝缘拉杆18直接连接在螺纹孔内。
本发明中断路器的实施例4：
本实施例与实施例1的不同之处在于，实施例1中，活塞14朝向低气压气室11的一侧设有连接杆17，通过连接杆17与传动机构20中的连杆23连接，而本实施例中，连杆23直接铰接在活塞14上。
本发明中断路器的实施例5：
本实施例与实施例1的不同之处在于，实施例1中，活塞缸体4包括筒体部分6和法兰部分5，法兰部分5设置在筒体部分6的轴向一端，筒体部分6的另一端插入所述主壳体2内，而本实施例中，法兰部分5连接在筒体部分6的轴向中部。
本发明中断路器的实施例6：
本实施例与实施例1的不同之处在于，实施例1中，活塞14与绝缘拉杆18为两个独立部件，而本实施例中，活塞14与绝缘拉杆18为一体结构，活塞14设置在绝缘拉杆18的端部，在绝缘拉杆18的端部形成连接头。
本发明中断路器的实施例7：
本实施例与实施例1的不同之处在于，实施例1中，活塞缸体4通过法兰连接在主壳体2上，而本实施例中，活塞缸体4上设有外螺纹，主壳体2的端部开口处设有内螺纹，活塞缸体4螺纹连接在主壳体2上。
本发明中气体绝缘开关设备的实施例：气体绝缘开关设备包括断路器、隔离开关和接地开关，其中断路器即上述任一实施例中记载的断路器，隔离开关和接地开关的结构可以采用现有技术中的结构，此处均不再具体说明。
以上所述，仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，本申请的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本申请的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.断路器，包括开关本体和操作机构；所述开关本体包括：
主壳体，用于充入绝缘气体，主壳体的内腔中设有触头单元，触头单元包括静端组件和动端组件；
传动机构，设置在主壳体的一侧，用于与操作机构传动连接；
其特征在于，开关本体还包括：
活塞，设置在传动机构与触头单元之间的传力路径上，形成传力路径的一部分；
活塞缸体，供活塞导向密封装配；
低气压气室，其内的气压低于主壳体内的气压，设置在活塞背向触头单元的一侧；
活塞在主壳体与低气压气室之间的气压差作用下受到朝向低气压气室的作用力，从而为断路器的分闸提供部分分闸驱动力。
2.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于，所述活塞包括筒状塞体，筒状塞体的内部或轴向端部设有封堵体，封堵体用于隔离所述主壳体与所述低气压气室。
3.根据权利要求2所述的断路器，其特征在于，所述封堵体设置在活塞远离低气压气室的一端。
4.根据权利要求1或2或3所述的断路器，其特征在于，所述活塞的轴向两侧分别设有连接杆；
远离低气压气室的连接杆与所述动端组件之间通过绝缘拉杆传动连接，另一连接杆与传动机构传动连接。
5.根据权利要求4所述的断路器，其特征在于，远离低气压气室的连接杆上设有外螺纹，通过螺纹连接固定在所述绝缘拉杆的端面上。
6.根据权利要求1或2或3所述的断路器，其特征在于，所述活塞缸体的缸壁与所述活塞的外周面之间设有滑动密封圈和导向环，活塞通过滑动密封圈和导向环导向密封装配在活塞缸体上。
7.根据权利要求1或2或3所述的断路器，其特征在于，所述活塞缸体为回转体结构，包括：
筒体部分，筒体部分供活塞导向密封装配；
法兰部分，连接在筒体部分的外周面上，夹设在主壳体的端部法兰和低气压气室的端部法兰之间。
8.根据权利要求7所述的断路器，其特征在于，所述法兰部分设置在筒体部分的轴向一端，筒体部分的另一端插入所述主壳体内。
9.根据权利要求7所述的断路器，其特征在于，所述筒体部分包括小径段，所述活塞与小径段导向密封配合。
10.气体绝缘开关设备，包括断路器、隔离开关和接地开关；
其特征在于，所述断路器为权利要求1至9中任一权利要求所述的断路器。
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