CN112490063A - 一种直动式快速直流断路器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直动式快速直流断路器，属于直流断路器技术领域。包括电磁斥力机构、导电触头系统、灭弧室、磁力驱动系统和预充电电容；电磁斥力机构与周边设有灭弧室和磁力驱动系统的导电触头系统连接，预充电电容分别与电磁斥力机构和磁力驱动系统连接。在分断过程中，电磁斥力机构提供了分闸初速度，磁力驱动系统与动触头的运动有机配合，加速动触头运动，并迅速拉长电弧；驱动电弧快速进入灭弧室，使电弧电压迅速升高、冷却并熄灭电弧，从而完成分断过程。本发明发挥了断路器中各个部件的作用，利用了预充电电容的能量，使得分断过程的各个阶段紧密衔接，缩短了各个阶段所需时间，实现了故障电流的限流分断，适用于大容量直流系统的故障保护。

Description

一种直动式快速直流断路器

技术领域

本发明涉及一种直动式快速直流断路器，属于直流断路器技术领域。

背景技术

近年来，直流供配电系统在轨道交通、新能源发电、智能楼宇、船舶电网等领域得到了越来越广泛的应用。直流断路器作为直流供配电系统中最重要的元器件之一，承担着切断故障电流，保护系统安全的重要任务。

随着直流系统电压等级和容量的不断增加，其故障电流分断变得异常困难，而且系统对断路器全分断时间的要求也越来越苛刻，有些场合甚至要求在几个毫秒以内完成故障切除，也就是在故障电流到达峰值之前完成限流分断。

空气式直流断路器原理简单、工作可靠、控制难度小、技术成熟、成本低，在10kV以下中低压直流系统中得到了广泛应用。其通常采用提高电弧电压，使其高于系统电压，从而导致故障电流下降，直至电流过零分断的方法。整个分断过程主要由操作机构动作、触头分离、拉长电弧、电弧进入灭弧室、熄灭电弧等阶段组成。当前的中压空气式断路器因为动作速度较慢，全分断时间较长，无法实现故障电流的限流分断。显然，要想提高断路器分断速度，必须缩短以上各个阶段所需时间。

现有技术中，一部分研究集中于减小机构动作时间，如CN108400056A“一种基于双线圈单稳态永磁机构的直流断路器”和CN102262982A“限流断路器高速触头驱动机构”采用电磁斥力机构作为断路器的操作机构。还有一部分研究集中于驱动电弧迅速进入灭弧室，如CN101789338A“一种自能式气吹中压大电流直流快速限流断路器”采用气吹的方法，CN102915894A“直流断路器吹弧装置”采用磁吹的方法。这些方法针对断路器分断过程中某一阶段，采取相应措施减少其所需时间，有一定效果，但是不够理想，无法满足系统对全分断时间的要求，难以实现限流分断。断路器是由不同部件构成的一个有机整体，其分断过程也是由不同阶段组成的一个连续过程，要想提高分断速度，必须全盘考虑，充分发挥各个部件的作用。

发明内容

本发明的目的是为解决如何提高直流断路器分断速度的技术问题。

为达到解决上述问题的目的，本发明所采取的技术方案是提供一种直动式快速直流断路器；包括操作机构、导电触头系统、灭弧室、磁力驱动系统和预充电电容；操作机构与导电触头系统连接，导电触头系统周边设有灭弧室和磁力驱动系统；预充电电容分别与操作机构和磁力驱动系统连接。

优选地，所述操作机构包括电磁斥力机构和绝缘拉杆；电磁斥力机构上设有绝缘拉杆。

优选地，所述导电触头系统包括进线排、出线排、静触头、动触头和动触桥；所述绝缘拉杆与动触桥相连接；动触桥的两端以绝缘拉杆的中轴线为对称轴对称设有两个动触头；与两个动触头分别相对应设有两个静触头，两个静触头分别安装于进线排和出线排上。

优选地，所述动静触头外侧，以绝缘拉杆的中轴线为对称轴对称设置有两个灭弧室。

优选地，所述灭弧室设为金属或陶瓷栅片组成的塔式结构灭弧室。

优选地，所述磁力驱动系统包括导磁板和铁芯；两个灭弧室之间且在动触桥运动区域的两侧设有两块相互平行的导磁板，导磁板的板面与绝缘拉杆的中轴线平行；两块导磁板之间垂直于导磁板的板面设有棒状的铁芯，铁芯外周设有磁吹线圈。

优选地，所述电磁斥力机构中设有合闸线圈或分闸线圈，以及金属斥力盘；金属斥力盘与绝缘拉杆连接；所述预充电电容与合闸线圈或分闸线圈连接。

优选地，所述预充电电容与所述铁芯外周设有的磁吹线圈连接。

优选地，所述导磁板和铁芯采用高磁导率的铁磁材料制作；所述磁吹线圈由漆包线绕制制作。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明在分断系统电流时，电磁斥力机构使动触头获得很大的初速度，同时磁力驱动系统不仅起到了驱使电弧进入灭弧室的作用，而且可以继续加速动触头运动，使电弧迅速拉长，提升电弧电压。

本发明电磁斥力机构的分闸线圈电流和磁力驱动系统的磁吹线圈电流可由同一个预充电电容提供，提升了能量的利用效率，使触头分离与电弧运动同时被加速，显著提高了分断速度。

本发明的断路器设计充分发挥了各个部件的作用，使整个分断过程紧密衔接，大大缩短了全分断时间，可实现限流分断，特别适用于要求快速切除故障的场合。

附图说明

图1是本发明一种直动式快速直流断路器的结构主视示意图；

图2是本发明一种直动式快速直流断路器的结构侧视示意图；

图3是本发明一种直动式快速直流断路器在分断过程中安培力的作用示意图；

图4是本发明一种直动式快速直流断路器在分断过程中电容放电回路结构示意图；

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下：

如图1-图4所示，本发明提供一种直动式快速直流断路器；包括操作机构、导电触头系统、灭弧室8、磁力驱动系统和预充电电容16；操作机构与导电触头系统连接，导电触头系统周边设有灭弧室8和磁力驱动系统；预充电电容16分别与操作机构和磁力驱动系统连接。操作机构包括电磁斥力机构1和绝缘拉杆2；电磁斥力机构1上设有绝缘拉杆2。导电触头系统包括进线排3、出线排4、静触头5、动触头6和动触桥7；绝缘拉杆2与动触桥7相连接；动触桥7的两端以绝缘拉杆2的中轴线为对称轴对称设有两个动触头6；与两个动触头6分别相对应设有两个静触头5，两个静触头5分别与进线排3和出线排4连接。静触头5和动触头6外侧，以绝缘拉杆2的中轴线为对称轴对称设有两个灭弧室8；灭弧室8包括栅片9组成的塔式结构。磁力驱动系统包括导磁板10和铁芯11；两个灭弧室8之间且在动触桥7运动区域的两侧设有两块相互平行的导磁板10，导磁板10的板面与绝缘拉杆2的中轴线平行；两块导磁板10之间垂直于导磁板10的板面设有棒状的铁芯11，铁芯11外周设有磁吹线圈12。电磁斥力机构1中设有分闸线圈15和金属斥力盘14，金属斥力盘14与绝缘拉杆2连接；预充电电容16与分闸线圈15连接。预充电电容16与铁芯11外周设有的磁吹线圈12连接。导磁板10和铁芯11采用高磁导率的铁磁材料制作；磁吹线圈12由漆包线绕制制作。

本发明针对现有技术的不足，提供了一种直动式快速直流断路器的结构。通过电磁斥力机构和磁力驱动系统的良好配合，可以显著加快动触头运动速度，同时迅速拉长电弧，驱使电弧进入灭弧室。从而极大地缩短了全分断时间。

本发明断路器包括导电触头系统、灭弧室8、电磁斥力机构以及磁力驱动系统。导电触头系统设置为双断点桥式结构，包括动触头6、静触头5和进出线铜排。通过绝缘拉杆2与电磁斥力机构相连，采用直动式方式进行合分闸操作。灭弧室8为塔式栅片9结构，可采用金属栅片或陶瓷栅片。对应双断点设置两个灭弧室8，侧向吹弧。灭弧室8可根据系统电压等级设置合适的高度。电磁斥力机构1包括合闸线圈和分闸线圈、金属斥力盘14和绝缘拉杆2。通过外部预充电电容16对合闸线圈或分闸线圈放电，驱动金属斥力盘14带动绝缘拉杆2运动，从而控制动触头合分闸。磁力驱动系统包括磁吹线圈12、铁芯11和导磁板10。铁芯11和导磁板10采用铁磁材料制成，其产生的磁场方向垂直于电流方向，提供加速动触头6和电弧运动的安培力。

如图1所示，本发明采用直动式双断点结构，主要包括操作机构、导电触头系统、灭弧室8以及磁力驱动系统。

其中操作机构由电磁斥力机构1和绝缘拉杆2组成。导电触头系统由进线排3、出线排4、静触头5、动触头6、动触桥7组成。灭弧室8由栅片9组成塔式侧向吹弧结构。磁力驱动系统主要由两片相对布置的导磁板10和铁芯11组成。

电磁斥力机构1通过绝缘拉杆2来带动动触桥7上下运动，进行合分闸操作。动触头6安装在动触桥7的两端，静触头5安装在进线排3和出线排4上。触头闭合时，如图1所示，承载从左向右的系统电流I。灭弧室8侧壁开槽放置灭弧栅片9，可以采用金属栅片或陶瓷栅片。

如图2所示，两片导磁板10相对布置，铁芯11位于其间，磁吹线圈12绕在铁芯11上，从而可以在导磁板10之间形成吹弧磁场。导磁板10和铁芯11均采用磁导率较高的铁磁材料制成。磁吹线圈12由漆包线绕制，线圈励磁电流可由预充电电容16提供。

如图3所示，在断路器分断电流时，电磁斥力机构1迅速动作，使绝缘拉杆2带动动触桥7向上运动，动触头6和静触头5分离产生电弧13。此时，如图3所示，磁力驱动系统产生垂直于纸面向内的磁场，使得动触桥7和电弧13都受到安培力的作用。根据左手定则，电弧13受到的安培力Farc驱动其进入灭弧室8，而动触桥7受到向上的安培力，使其运动加速，快速拉长电弧13。

如图4所示，为分断过程中电容放电回路示意图。在接到分闸指令后，预充电电容16同时向电磁斥力机构和磁力驱动系统放电。其中一个放电回路为预充电电容16向分闸线圈15放电，基于电磁感应涡流原理，金属斥力盘14与分闸线圈15之间将产生电磁斥力，从而推动金属斥力盘14迅速向上运动，使动静触头分离。另一个放电回路为预充电电容16向磁吹线圈12放电，从而在铁芯11中激发磁场，进而在导磁板10之间形成吹弧磁场。

可见，在分断过程中，断路器各个部件协调配合，综合作用。电磁斥力机构1反应迅速，初速大，使得触头瞬间分离。触头分离后产生电弧13，磁力驱动系统产生的磁场既可以驱动电弧快速进入灭弧室8，同时又对动触桥7产生持续的作用力，继续加速其向上运动，使得电弧13迅速拉长，提高电弧电压。

在电弧13进入灭弧室8后，被灭弧栅片9分割、冷却、去游离，电弧电压进一步升高，当高于系统电压后，电流I快速减小，直至电流过零，电弧熄灭，分断完成。整个过程衔接紧密，使得断路器全分断时间大大缩短。

综上所述，本发明公开了一种直动式快速直流断路器。在分断过程中，电磁斥力机构提供很大的分闸初速度，随后磁力驱动系统与动触头的运动有机配合，其产生的安培力一方面加速动触头运动，迅速拉长电弧，另一方面驱动电弧快速进入灭弧室，使得电弧电压迅速升高，冷却并熄灭电弧，完成分断过程。本发明的设计有机地发挥了断路器各个部件的作用，充分利用了预充电电容的能量，使得分断过程的各个阶段紧密衔接，大大缩短了各个阶段所需时间，可实现故障电流的限流分断，特别适用于大容量直流系统的故障保护。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种直动式快速直流断路器；其特征在于：包括操作机构、导电触头系统、灭弧室、磁力驱动系统和预充电电容；操作机构与导电触头系统连接，导电触头系统周边设有灭弧室和磁力驱动系统；预充电电容分别与操作机构和磁力驱动系统连接。

2.如权利要求1所述的一种直动式快速直流断路器，其特征在于：所述操作机构包括电磁斥力机构和绝缘拉杆；电磁斥力机构上设有绝缘拉杆。

3.如权利要求2所述的一种直动式快速直流断路器，其特征在于：所述导电触头系统包括进线排、出线排、静触头、动触头和动触桥；所述绝缘拉杆与动触桥相连接；动触桥的两端以绝缘拉杆的中轴线为对称轴对称设有两个动触头；与两个动触头分别相对应设有两个静触头，两个静触头分别与进线排和出线排连接。

4.如权利要求3所述的一种直动式快速直流断路器，其特征在于：所述静触头和动触头外侧，以绝缘拉杆的中轴线为对称轴对称设有两个灭弧室。

5.如权利要求4所述的一种直动式快速直流断路器，其特征在于：所述灭弧室包括金属或陶瓷栅片组成的塔式结构。

6.如权利要求5所述的一种直动式快速直流断路器，其特征在于：所述磁力驱动系统包括导磁板和铁芯；两个灭弧室之间且在动触桥运动区域的两侧设有两块相互平行的导磁板，导磁板的板面与绝缘拉杆的中轴线平行；两块导磁板之间垂直于导磁板的板面设有棒状的铁芯，铁芯外周设有磁吹线圈。

7.如权利要求6所述的一种直动式快速直流断路器，其特征在于：所述电磁斥力机构中设有合闸线圈或分闸线圈，以及金属斥力盘；金属斥力盘与绝缘拉杆连接；所述预充电电容与合闸线圈或分闸线圈连接。

8.如权利要求7所述的一种直动式快速直流断路器，其特征在于：所述预充电电容与所述铁芯外周设有的磁吹线圈连接。

9.如权利要求8所述的一种直动式快速直流断路器，其特征在于：所述导磁板和铁芯采用高磁导率的铁磁材料制作；所述磁吹线圈由漆包线绕制制作。

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