CN1122290C - 带有电弧扩散触头结构的真空断路器 - Google Patents

带有电弧扩散触头结构的真空断路器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种断路器，它包括：具有对接触头的第一和第二电极，至少一个电极是可以相对于另一电极沿纵轴线移动的，触头为了在电极之间通过电流而对接，为了中断电流而分离，并在触头之间形成电弧，至少一个所述电极被外部压力迫向另一电极，且在结构上连接于一个用于迫使触头分离的机构；一个壳体，它包括设置在相对端架之间的一绝缘体，端架支承所述电极，所述电极、端架和绝缘体一起限定一个包围触头的抽成真空的外壳；至少一个电极包括一个连接于一个触头的支承件，支承件沿纵轴线延伸一段长度，至少一个线圈限定一条圆周上包住所述支承件且沿所述长度延伸的导电通路，线圈形成一条电流通路，因而线圈产生一轴向磁场，支承件和线圈都是导电的，线圈比支承件导电性好；所述电极之一包括一个柄部，支承件包括一个导电性低的管套，用于在所述柄部和所述一个触头之间保持一个间隙，线圈设置在该间隙中。

Description

带有电弧扩散触头结构 的真空断路器
本发明涉及用于电力分配电路，特别是高功率电路的保护断路器领域。本发明提供一种触头结构，在真空中分离触头，通过扩散在触头间形成的电弧而中断高电流。
真空断路器使用在分配自动开关、包层开关装置、抽头转换开关及其它形式的接触器中的保护电力分配系统以免因短路而损坏的装置中。传统的真空断路器包括两个高纯度无气体金属触头，其装在轴成大约10-6乇气压的外壳中。当在断路器的两触头之间通过电流时，两触头一般借助外部机构中的弹簧的力机械地对接起来。一个或两个触头是可移动的，使触头可相互机械式分离，从而断开连接着断路器的电路。通常，一个触头是静止的，另一个触头是可移动的，活动触头称为波纹管触头。
当电流流动中使触头分离时，在触头间拉出电弧。虽然真空断路器通常具有很低的内部气压，但是当拉出电弧时电弧在从触头表面局部热点蒸发的金属蒸气中燃烧。电离的金属蒸气持续地从电弧区域迁离，并凝结在遇到的表面上，主要是在触头表面上，一般是在包围电弧区域的金属罩上。设置罩是为了保护壳体内表面以免来自电弧的金属沉积。壳体由陶瓷、玻璃等制成，当断路器打开时使触头相互绝缘。通过保护壳体免于沉积，罩可以防止或减少金属沉积，从而防止产生横过绝缘壳体的电路。
在电路中断过程中，触头的分离可引起横过真空电弧的十分之几至几百伏特的压降。在成功的断路中，随着电弧电流降至零，从触头表面的金属蒸气蒸发减少并最终停止。当残留金属蒸气沉积而金属不再蒸发时，外壳然后迅速返至很低的压力。断路器的绝缘强度随着在触头间区域中自由金属离子数目减少而增大。最后电路被断开。只要触头或电极在内部通过一基本真空间隙，在外部通过承载电极的外壳的绝缘材料而保持分离或相互绝缘，电路就保持断开。
真空断路器的设计中有各种目标。例如，当闭合时，它们必须承载稳态额定电流而不发生过大的电阻发热。当打开时，触头必须产生足够的金属蒸气使拉出的电弧承载电路电流，同时使电流平稳地减至零。这个目标是为了控制而不是消除生成电弧，因为电流减小太快可引起感应电涌，从而引起有关配电系统和/或连接于电路的负载装置的损坏。
假定交流电压为零时电弧被消除，当交流电压再次加在触头上时，在真空中肯定有不足的金属蒸气，使电弧不能在下一交流半周中再次点火。除了这些要求外，特别是对于用作连接或断开负载电流的普通开关装置的断路器来说，断路器结构最好可断开宽范围的电流，应能经受大量操作而无故障。
承载电弧的金属蒸气离子受电磁力的影响。流过打开的触头的电流产生电磁场，这可使电弧在触头表面移动。电磁场强度是电流大小的函数，但是，电流密度在间隙中的分配取决于电弧的性质，电弧可以是柱状的，或是扩散的。扩散电弧通常在5KA以下电流出现在真空断路器的分离触头之间。这种电弧的特征是多个微小的阴极点，每个都承载大约20至100A的电流，这取决于触头材料。这些点发出承载分离中的触头之间电流所需的金属离子。承载5KA以下电流的电路的真空断路器，其触头形状为盘状，通常称为“对接”触头，触头沿着各个盘的大致平的表面对接。
对于大于8KA的电流来说，真空断路器电弧呈柱状，很象空气中的电弧。在这种较高电流水平为成功断开电路，需要对柱状电弧加以控制。有两种控制电弧的方法。一种方法是将电极制成螺旋形或开槽的环状，其定向使得电弧被迫移过触头端面。另一种方法是迫使柱状电弧甚至在这样高的电流水平也变为扩散的，这可以通过形成一轴向磁场而实现。
对于超过16KA的更高电流来说，会产生受限制的柱状电弧。因而电弧变成若干不同的方式，不严格地限制于扩散电弧受限制的柱状电弧，在前述各电流范围之间转变电流时，电弧的性质是不确定的。另外，电流水平在一交流半周上是变化的，由于相对于上述半周触头的分离定时，电流水平可能会变化。根据电弧开始及电流的具体情况，电弧一般的范围是从弱小的低电流扩散电弧至强烈的高压电弧，其带有迅速蒸发的阴极和阳极根部。
例如用于接触器中的断路器，可望在其额定负载电路电流工作大量的断路循环，而在较高的电流下因产生的更广泛的电极损坏而工作较少次数的断路。较为有利的是，一断路器应能够在正常的负载电流IL下进行至少106次操作；在6×IL时，例如当反复微动应用中开关电机的通断时应能进行105次操作；在10×IL时应能进行50次操作(这是标准的要求)；和/或在极度的短路电流50×IL下进行至少3次操作。
如果断路器用于低压场合，最好采用低电流遮断触头材料。“电流遮断(current chop)”是触头材料在断路时使电流突然消失同时使电压仍存在而不是在下一个电压零点平滑地降至零的程度的度量。一种低电流遮断触点材料是银和碳化钨的粉末冶金混合物(Ag-WC)，它在低电流扩散真空电弧的情形中可很好地工作。当电流处于转换区域时，由这种材料制成的对接式触头，在触头分离后第一次交流过零时并不总是断开电流。在越来越高的电流水平下，Ag-WC触头材料变得有效性越来越小，而在足够高的电流水平下，这种触头根本不成功地断开电路。为了如果能够改善使用这种材料的高电流断路的可靠性，以便在尽可能高的电流下；特别是通过使电弧保持为扩散的而非柱状的方式，获得低电流遮断的好处，那将是有利的。
某些替材料如Cu-Cr及Cu-Cr-Bi合金可作电极。对于这样的材料比对于Ag-WC来说，为了限制电极损坏而保持扩散的电弧的需要变得较不重要，但是如果电弧可以保持为扩散状态，也可提高这样的材料的断路性能。
大家知道，包括对于Ag-WC触头材料，施加一个轴向磁场可改善电弧保持扩散的程度。例如，美国专利第4,367,382号(SuzuKi)提到高达40KA的电流。SuzuKi的断路器采用浮动式金属蒸气罩。一磁场线圈设置在每个触头之后。操纵触头的机构以大约2米/秒的速度分开触头。如果轴向磁场装置可应用于适于接触器式机构的较不复杂的断路器(其中，触头一般打开较慢(例如0.5米/秒)，断路器一般需要较为紧凑、耐用及成本低廉)，那将是有利的。
在Schulman和Slade共同拥有的美国专利申请SN 08/488,401中公开了一种新颖的断路器，其中采用了一个内部的轴向磁场电流线圈，以及一个蒸气凝结罩，它绝缘在两管状绝缘体之间。但是，由于罩被绝缘，上述类型仍旧较为复杂，因而也不可避免地增加了制造成本。因此，本发明最适于较高电压范围的应用，其中，绝缘的电弧罩是最佳选择，以便实现所需要的绝缘恢复及在高电压下的电压承受能力。由于上述的和其它的原因，需要本发明的新颖的断路器。
本发明的目的是使用紧凑的内部结构，产生在触头间隙中的轴向磁场，以便保持扩散的真空电弧，从而在较大的电流下，特别是在接触器式应用中，可以实现断路。
为实现上述的和其它的目的，提供一种断路器，它包括：具有对接触头的第一和第二电极，至少一个电极是可以相对于另一电极沿纵轴线移动的，触头为了在电极之间通过电流而对接，为了中断电流而分离，并在触头之间形成电弧，至少一个所述电极被外部压力迫向另一电极，且在结构上连接于一个用于迫使触头分离的机构；一个壳体，它包括设置在相对端架之间的一绝缘体，端架支承所述电极，所述电极、端架和绝缘体一起限定一个包围触头的抽成真空的外壳；至少一个电极包括一个连接于一个触头的支承件，支承件沿纵轴线延伸一段长度，至少一个线圈限定一条圆周上包住所述支承件且沿所述长度延伸的导电通路，线圈形成一条电流通路，因而线圈产生一轴向磁场，支承件和线圈都是导电的，线圈比支承件导电性好；所述电极之一包括一个柄部，支承件包括一个导电性低的管套，用于在所述柄部和所述一个触头之间保持一个间隙，线圈设置在该间隙中。
线圈可以制成一个几乎完整的螺旋匝，或者可以具有两个线圈部分，每个沿围绕支承件的螺旋路径延伸。可以设置两个这样的线圈部分，每个围绕支承件基本包住180°。线圈可以设置在固定的或活动的电极上。例如，在固定的电极上，线圈一端可连接于有关的一个触头，另一端连接于有关的端架，支承件可以是一整体式不锈钢管套，它使触头与端架隔开，在固定或活动电极中，支承件可以是使电极的柄部与其触头隔开的不锈钢管套，线圈设置在间隙中。作为另一种替代方案，电极的柄部可制孔以形成与柄部为整体的一个管套，从而形成为安装线圈而设置的间隙。
在下述附图中表示本发明的某些推荐实施例。显然，本发明并不局限于这些实施例，而是可以在权利要求限定的范围内变化。
图1是按照本发明的断路器的纵剖图。
图2是一替代实施例的剖视图。
图3是一替代实施例的剖视图。
图4是一替代实施例的全剖图。
图5是另一替代实施例的全剖图。
图1至5表示按照本发明的几个实施例的断路器10，在所有附图中相同的件号表示相应的零件。各附图均为纵剖图，每个图示实施例基本为轴对称结构。
首先，本说明书所公开的本发明断路器的各实施例包括了与本专业某些断路器共同的特征。这些本专业特征中的一些在下述四个段落中描述：
1.在每张附图中，断路器10具有一个第一电极12，它固定在断路器壳体的端架54上，以及一个第二电极16，它可沿纵轴线44相对于另一电极12移动。电极16的相对移动是通过一金属伸缩管36实现的，伸缩管36的一端连接于电极16，其另一端连接于端架52，该端架构成断路器壳体的一部分。电极12导电式连接于一盘状对接触头22，电极16导电式连接于一盘状对接触头24。触头22和24通常压在一起，使电流流过断路器10。一外部开关机构(未画出)例如借助电极12和16中的一个或两个的柄部上的内螺纹连接于断路器10。另外，在端架中的一个或两个的外侧上可设置一个如图1所示螺杆78那样的装置，其用于具体地将断路器安装在外部机构上。在一种替代的工作方式中，断路器10的壳体可以同“固定的”电极12一起被移动，另一电极16是实际上相对于一个较大的机构保持静止的电极。
2.具有致动器的开关机构的任一种形式可连接于断路器10，以便当断开电路电流时分开触头22和24。例如，开关机构可以是用于当检测出故障电流时断开电流的保护装置的一部分，或者是配电开关系统(例如自动开关或其它开关设备)或抽头转换开关的一部分。它也可以是在电机控制应用(例如启动/停止、正/反转、速度等的控制)中的接触器。例如图2和5所示的实施例适于用作工业规格6的断路器，但是，其发明原理也适用于其它规格和容量。
3.或者，电极12也可制得可相对于断路器10的壳体移动，这是通过将一金属伸缩管安装在电极12上实现的。机械操作的基本要求是一种装置，通过该装置触点22和24可被压在一起，以便在电极12和16间载流，然后分开，以便中断通过拉出的真空电弧的电流，而壳体保持所需要的内部高度真空，以便快速恢复绝缘及具备承受所施加的电压的能力。
4.断路器10的壳体包括一个基本呈管状的电绝缘体48，其密封地装在相对的端架52和54之间，两端架都具有供有关电极16或12伸出的通孔。端架52和54通常导电式连接于有关的电极16和12。在所有附图中，端架54支承并密封固定的电极12，金属伸缩管36一端密封电极16，另一端密封端架52。电极12及16、金属伸缩管36、端架54及52和绝缘体48一起限定一个包围触头22和24的气密外壳。例如，端架52和54中任一个或两个可以是一个金属杯，其顶端连接于绝缘体48，如图1和5中所示的端架54。同样，端架52和54中的任一个或两个可以具有双件式结构，如各附图中所示各种式样的端架52，它具有一管套，一端盖(例如沿接合部通过铜焊或钨惰性气体焊接)连接并密封在管套上。绝缘体48可以包括高铝陶瓷(Al2O3)或者玻璃或瓷材料。一般来说，也可以用管状金属部分隔开的多个绝缘部分构制壳体。按照一种可能的制造方法，气密外壳通过一个由销58密封的入口56抽真空，如图1所示。
其次，断路器10的主要发明点涉及利用电路电流在触头间隙中建立轴向磁场的装置，以及其所允许的触头材料的最佳选择。在每个实施例中都设有一个特殊结构载流线圈14，当电流通过断路器10时其用于产生基本轴向的磁场。与此相关，设有一个用于凝结金属蒸气的金属罩，其导电式连接于两电极之一。线圈14可以和固定的电极12(图1，2和5)或者和活动电极16(图3和4)以下述方式相配合，零件的标号在各附图中是通用的。
线圈14在其一端有一个与其相关的电极12或16的电接头90，在其另一端有一个与其相关的触头22或24的电接头91。该触头与相关的电极的内端被一支承件32隔开，从而形成容纳线圈14高度的空间，以及在线圈和电极间的附加空间35及线圈和触头之间的空间34。正是在这些空间35和34中分别制成电接头90和91。支承件32在轴向延伸一个长度。限定围绕支承件32的导电通路的线圈14沿该长度延伸并为回路电流提供通电通路。由于这种围绕，当电流通过线圈14时就生一轴向磁场。这结构的布置和材料的选择，使通过断路器10的大部分电流通过线圈14而并不通过支承件32。支承件32和线圈14都导电。但是，由于线圈和支承件分别作出的结构和/或材料的选择，线圈14比支承件32更导电。线圈14最好由高导电性、较厚的实心铜带构成。支承件32最好由导电性较差的材料如钢制成。图中所示支承件32是由较薄的管套构成的，但是，它也可以是一个实心件。或者，支承件32可以用机械强度大的绝缘材料制成。电极、线圈和支承件的纵向中心线最好设计成与断路器10的纵向中心线44重合。
在所有附图中，线圈14表示在一推荐实施例中，在该推荐实施例中，它包括两个半圆形的半线圈部分82和83。每个半线圈部分82和83在其一端连接于有关电极的半径增大的延伸部93的圆周，而其另一端在其圆周连接于有关触头背部。所有附图都表示半线圈部分83与有关电极的延伸部93的电接头90，以及半线圈部分82与有关的触头的电接头91。每个半线圈部分82和83绕支承件32基本包住180°，上述角距的一部分由电接头90和91占据。也可以采用一个基本占据360°的单件式线圈，或者采用附加的较小的线圈部分。例如，对于一个具有三部分的线圈来说，每个部分包围大致120°。也可以设置重叠的线圈部分，例如，双螺旋线结构中，每个部分基本包围360°，两部分平行设置。
可以设置一凸台99(图1，3和5)或一凹部100(图4)，以便在其面对电极杆的端部使支承件32正确定位。与线圈14相关的对接触头同样可以包括或支承一个凸台66(图1，3和4)或凹部67(图2和5)，以便在其面对触头的端部使支承件32正确定位。
用于凝结电弧的金属蒸气的金属罩72在轴向延伸得足以包围处于打开位置的触头22和24。这可保证，罩72可充分包围在其中可发生真空电弧的最大触头间隙92的轴向长度，如图3和4所示。罩72可以是直的，如图3所示，或者，它也可以是在其开口端向内弯曲，如图1所示。罩也可以支承附装部分94，如图4所示。罩72的另一种可能的结构表示在图2和5中，其中，罩72包括一个部分73，它装在绝缘体48端部上且沿轴线44的方向延伸，稍许向内，以便保护绝缘体48，使其免受电弧产生的金属蒸气影响。与此相关，壳体的金属端架54的轴向延伸部分，在相应于罩72的限定的触头间隙区域中，同时用作蒸气凝结面。罩72在其开口端的优选的向内弯曲用来增强拉出的电弧的金属蒸气向罩72而不是在绝缘体48的内表面上的喷镀。罩72最好电气地且机械地通过端架54连接于固定电极12。它也最好与活动电极16及其相关触头24径向隔开一个距离，该距离基本等于或大于触头22和24分开的最大分离间隙，从而促进电弧向触头间隙92的密闭。或者，罩72也可以电气地且机械地与活动电极16相关联。
对于中等的电流和电压水平来说，对接触头22和24最好为低电流隔断(low current chop)材料如Ag-WC或Cu-Cr-Bi。Ag-WC的使用通常局限于低电流，不能延用于本发明中要求保护的中等电流。但是，Ag-WC材料的使用在上述实施例中却可以通过使用单线圈14应用于中等电流，单线圈14可形成轴向磁场，即使在中等电流时也可迫使真空电弧呈现低腐蚀扩散方式。对于较高功率的电路来说，要优选Cu-Cr或Cu-Cr-Bi，但是对Cu-Cr来说，电流隔断水平较高。
图示各实施例包括几种可能的特征，其可以改善断路器10的电械、电气和/或制造方面。图2和5表示当与线圈14配合时，固定电极12是如何可以包括或提供对圆柱形短杆64的支承的，短杆64是由比电极12导电性较低的强度高的材料制成的。如图所示，短杆64在其外侧设有螺纹，以便安装螺母，通过螺母它可安装于开关机构(未画出)。具体来说，图5所示的布置采用了数目最少的零件并提供了一种易于制造的耐用的且低成本的断路器。它使用一安装短杆64，以及上述那种单件杯式端架54，该端架也用作电弧罩72的主要部分。电极12、凸台99、电极延伸部93、线圈14的部分82和83，以及电接头90和91都是高导电性的材料如铜的单件式。
在图1，3，4和5的实施例中，支承件32包括一段装在有关电极和触头之间的低导电性管件(例如不锈钢管件)，其用于维持容纳线圈14的空间，同时在结构上承载作用在触头上的闭合力。图2表示一个替代实施例，它具有最少的零件，特别紧凑、耐用且成本低廉。按照该实施例，短杆64和支承件32是整体的。支承件32是通过在短杆64的延伸柄部84的内端制孔而形成的，短杆64是由低导电性材料(例如不锈钢)制成的。在短杆端部制孔而形成在端部的薄管套，其安装在触头22上以保证所需要的空间34和35，这样包括支承件32的部分的电阻就按照需要高于线圈14的电阻。
图3表示与线圈14配合的触头(在本例中即触头24)的一个优选实施例。在触头24端面的圆周上加工出一个最好为光滑的台阶45，使半线圈部分82和83径向厚度的外部的大致一半在轴向上与触头外周上的台阶的最外部的较小厚度部分63对准。我们已经发现，这促进了将扩散电弧抑制在径向由台阶45界定的间隙中央区域内，因而电弧基本不会进入较小厚度部分63的区域中，由于其相对于线圈部分的位置，在该区域中磁场具有一个削减了的轴向分量。如图3所示在一个触头(在本例中为触头24)上设有一中央凹部68，我们已发现这可减少触头的焊死并可促进焊死的拆解。图4表示一个替代实施例，其中，与图3相似，线圈14暴露在活动电极16上，但是，与固定电极12相关的触头22整体地形成为杯的一部分，杯是由触头材料制成的，其基部26固定在端架54上，其轴向延伸形成罩72。在图4中也画出，将支承件32连接于触头24的凸台66可以制成分离件，是由低导电性(例如不锈钢)制成的。
已经结合前述各种变形和实例描述了本发明，对于本专业技术人员来说，另外的变形是显而易见的。本发明并不局限于具体提到的那些变型，因而应该指出要求专利保护的本发明的范围是由权利要求书限定的。

Claims (14)

1.一种断路器，它包括：
具有对接触头(22，24)的第一和第二电极(12，16)，至少一个电极(24)是可以相对于另一电极(22)沿纵轴线(44)移动的，触头(22，24)为了在电极(12，16)之间通过电流而对接，为了中断电流而分离，并在触头(22，24)之间形成电弧，至少一个所述电极(16)被外部压力迫向另一电极(12)，且在结构上连接于一个用于迫使触头(22，24)分离的机构；
一个壳体，它包括设置在相对端架(52，54)之间的一绝缘体(48)，端架支承所述电极(12，16)，所述电极(12，16)、端架(52，54)和绝缘体(48)一起限定一个包围触头(22，24)的抽成真空的外壳；
至少一个电极(12，16)包括一个连接于一个触头(22，24)的支承件(32)，支承件(32)沿纵轴线(44)延伸一段长度，至少一个线圈(14)限定一条圆周上包住所述支承件(32)且沿所述长度延伸的导电通路，线圈(14)形成一条电流通路，因而线圈(14)产生一轴向磁场，支承件(32)和线圈(14)都是导电的，线圈(14)比支承件(32)导电性好；所述电极之一包括一个柄部(84)，支承件(32)包括一个导电性低的管套，用于在所述柄部和所述一个触头之间保持一个间隙，线圈(14)设置在该间隙中。
2.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于：所述管套设置在所述柄部和所述一个触头之间。
3.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于：所述管套是由所述柄部抵靠所述一个触头的端部中的一个孔构成的，所述间隙被保持在所述柄部的实心部分和所述一个触头之间。
4.根据权利要求2所述的断路器，其特征在于：所述管套是沿所述一个电极设置的整体管套。
5.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于：所述管套是不锈钢的。
6.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于：支承件(32)由一管套和一实心件中的一个构成。
7.根据权利要求6所述的断路器，其特征在于：至少一个触头(22，24)面对另一触头(24，22)具有一杯状中央凹部(68)和一外周台阶(45)中的一个。
8.根据权利要求6所述的断路器，其特征在于：至少一个触头(22，24)面对另一触头(24，22)具有一杯状中央凹部(68)和一外周台阶(45)。
9.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于：所述一个电极(12，16)可相对于壳体移动。
10.根据权利要求1所述的断路器，其特征在于：至少一个触头(22，24)具有一个盘状的形状，其用于与另一触头(24，22)对接。
11.根据权利要求10所述的断路器，其特征在于：至少一个触头(22，24)用一种具有Ag-WC和Cu-Cr-Bi中至少一种的材料形成表面。
12.根据权利要求10所述的断路器，其特征在于：至少一个触头(22，24)用一种由Cu和Cr的合金构成的材料形成表面。
13.根据权利要求16所述的断路器，其特征在于：至少一个触头(22，24)面对另一触头(24，22)具有一杯状中央凹部(68)和一外周台阶(45)中的一个。
14.根据权利要求16所述的断路器，其特征在于：至少一个触头(22，24)面对另一触头(24，22)具有一杯状中央凹部(68)和一外周台阶(45)。
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