CN114424312B

CN114424312B - 触头装置

Info

Publication number: CN114424312B
Application number: CN202080065782.0A
Authority: CN
Inventors: T.贝加尔; S.凯尔; N.马拉特
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2019-09-20
Filing date: 2020-09-15
Publication date: 2024-04-12
Anticipated expiration: 2040-09-15
Also published as: EP3796353A1; CN114424312A; BR112022002622A2; WO2021052950A1

Abstract

本发明的实施例描述了一种管状触头(300)，所述管状触头设置用于接收销状触头(401)，所述管状触头(300)包括：设置用于与所述销状触头(401)建立电弧的顶部件(301)和从所述顶部件(301)基本上沿着所述管状触头(300)的纵向延伸的底部件(302)，其特征在于，所述底部(302)是由杨氏模量为190GPa至220GPa的材料制成的高强度的部件。本发明的实施例进一步描述了触头装置(400)和包括所公开的管状触头(300)和触头装置(400)的断路器(100)。

Description

触头装置

本公开的实施例总体上涉及触头装置和用于断路器的触头装置。

断路器100通常包括三个极柱101a、101b和101c，所述三个极柱如图1所示地放置在共同的断路器底座102上。三个极柱通过管路与气室103连接。为了操作三个极，断路器具有断续器单元104和连接机构。断续器单元104具有两部分、即主触头和弧触头。

在断路器的断开操作中，存在于触点叠片和加热筒之间的主触头将断开。包括销状触头201和管状触头202的弧触头保持闭合，结果是电流转换到弧触头上。然而，由于短路电流很大，灭弧室中的销状触头周围的灭弧气体被电弧的能量加热。弧触头断开清除短路电流，并且所述弧触头在正常情况下如图2所示那样关闭。

在短路、承受峰值电流和中断期间，管状触头必须施加足够的压力从而以足够的力保持销状触头。在现有的管状触头装置中，管状触头的底部由CuCrZr材料构成，这导致了管触头在高温中失去其机械性能的问题。此外，底部的刚度应足以保持销状触头完好无损。

可能有助于理解技术领域的文件包括专利文献EP 2797095A1。

本发明所要解决的技术问题为克服上述问题。更具体地，本发明所要解决的技术问题为提供一种改进的机构，所述机构使用简单并且成本低廉的器件在断路器中提供高的电流耐受能力或者电弧中断或者电弧建立。

按照本发明，上述技术问题通过独立权利要求中公开的改进的管状触头、触头装置和断路器来实现。

按照本发明的第一方面，所述技术问题通过一种构造用于接收销状触头的管状触头来实现，所述管状触头包括构造用于与销状触头建立电弧的顶部件和从所述顶部件基本上沿着所述管状触头的纵向延伸的底部件，其特征在于，所述底部件是由杨氏模量为190GPa至220GPa的材料制成的高强度的部件。通过为底部件选择杨氏模量在190GPa到220Gpa范围内的材料使得与已知的断路器接触元件相比，管状触头在高温下表现出改善的机械性能，而且成本较低。在此，当销状触头的顶部件在短路期间与管状触头接合时，管状触头产生力附加地将销状触头保持在适当位置中。

在优选的实施例中，管状触头的底部件由至少包括钢的材料构成。

在另一优选的实施例中，管状触头的底部件由至少包含钢合金的材料构成，所述钢合金的碳含量至少为0.002重量％至2.1325重量％。钢和钢合金的特性、如高导电性、导热性、高反应抗性、高熔点以及低材料成本和加工成本，使钢和钢合金成为制作接触元件的理想材料。

在又一优选的实施例中，底部件的刚度与材料的杨氏模量成正比。这使得可以减小管状触头施加在销状触头上的用于获得承受短路电流所需的接触压力的力。

根据本发明的第二方面，所述技术问题通过一种包括管状触头和销状触头的触头装置来实现。

在另一个优选的实施例中，销状触头的底部件由高强度的材料制成，例如碳含量至少为0.002重量％至2.1325重量％并且杨氏模量为190GPa至220帕的钢或者钢合金。

按照本发明的第三方面，所述技术问题通过一种包括管状触头和触头装置的断路器实现。

尽管本发明在此被图示和描述为管状触头、触头装置及其在断路器中的使用，但并不意于将本发明局限于所示的细节，因为在权利要求的范围和范畴内可以在其中进行各种变型。然而，本发明以及附加的技术问题和优点将从以下描述并结合附图得到最好的理解。

在下文中，本发明基于实施例在附图中示出并描述如下：

图1为描述根据现有技术的断路器设计的示意图，

图2为描述根据现有技术的断路器的断续器单元的操作的示意图，

图3为按照本发明的实施例的管状触头的剖视图，

图4为按照本发明的另一实施例的触头装置的剖视图，

图5为示出了按照本发明的另一实施例的具有触头装置的断路器的示意图，

图6为示出了弹性模量相对于按照本发明的实施例的底部件的刚度的变化的曲线图。

现在将参照附图详细描述本公开的不同实施例。在以下描述中，具体细节、例如具体的构造和组件仅提供用于帮助对本公开的这些实施例的整体理解。因此，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本公开的范围和构思的情况下，可以对在此描述的实施例进行不同的改变和变型。此外，为了清楚简要而省略了对众所周知的功能和结构的描述。

此外，这里描述的各种实施例并非一定是相互排斥的，因为一些实施例可以与一个或多个其他实施例组合以形成新的实施例。

现在参考附图，图3是按照本发明的管状触头300的剖视图。管状触头300包括顶部件301和底部件302。底部302从顶部301基本上沿着管状触头300的纵向延伸。顶部件301例如可以由钨铜、即WCu材料构成，所述钨铜材料的重量范围为WCu 90/10、WCu 85/15、WCu80/20、WCu 75/25、WCu 70/30、WCu 65/35、WCu 60/40、WCu 55/45、WCu 50/50，所述顶部件也可以由银镍(AgNi)材料或者银钨(AgW)材料构成，从而将钨的高熔点和抗电弧侵蚀性与铜的低熔点和良好的导电性或者银的高导电性相结合。底部件302由杨氏模量为190GPa至220GPa的材料构成。选择具有规定范围内的杨氏模量的材料使底部件成为高强度的部件。顶部件301和底部件302在此通过焊接/钎焊连接。

根据所述实施例，选择用于底部触头的材料的杨氏模量基于以下公式确定：

E＝P*L^3/3*I*δI

其中，E为材料的弹性模量，P为所施加的以单位为N的力，L为管状触头施加在销状触头上的力的单位为mm的跨度(长度)，I是单位为mm³的惯性矩，并且δI是以单位为mm的挠度。在此，杨氏模量是材料的机械性能，用于衡量材料在沿着材料长度施加张力或压缩时承受长度变化的能力。

按照所述实施例，底部件302或者高强度的部件由钢或钢合金构成。钢合金例如包含以下成分中的至少一种：0.1重量％至2.25重量％的铝、0.5重量％至18重量％的铬、0.1重量％至0.4重量％的铜、0.25重量％至13重量％的锰、0.25重量％至5重量％的钼，0.2重量％至20重量％的镍，0.2重量％至2重量％的硅，0.002重量％至2.14重量％的碳，0.08重量％至0.15重量％的硫，0.25重量％至2.60重量％的钛，0.10重量％至1.50重量％的钒。此外，钢合金可以包含百分比非常低的硼、钴、铌、氮、磷、锆和其他元素。上述重量百分比可以根据不同的标准数据而变化。

通过将钢合金用于底部件302可以提供所需的抗拉强度。底部件302的抗拉强度例如可以处于470MPa至630Mpa的范围内。此外，钢合金是高度可成型的，这减少了在断路器高速闭合操作期间管状触头300与相应的销状触头(插头)的碰撞。此外，由于钢合金具有高熔点温度，因此在按照所述实施例描述的管状触头300中使用钢合金仅造成最小化的触头腐蚀。此外，管状触头300设置用于高闭合速度和高电压条件的应用。

图4是按照本发明的触头装置400的剖视图。触头装置400包括管状触头300和销状触头401。管状触头300设置用于接收销状触头401，该销状触头401在触头闭合时作为插头。管状触头300包括顶部件301和用于接收对应的插头的底部件302。销状触头401包括顶部件402和底部件403。销状触头401的底部件403可以由杨氏模量为190GPa至220GPa的钢或者钢合金构成，其中，所述钢合金具有至少为0.002重量％至2.1325重量％的碳含量。

管状触头300和销状触头401通常可以沿着所述管状触头300的纵向轴线303相对于彼此移动以建立或中断电的(和机械的)接触。

在一个实施例中，为了获得在正常的断路器闭合条件中接收销状触头401的顶部件402所需的接触压力，管状触头300施加在销状触头401上的力计算如下：

P(N):(3*Es*l*δs)/l^3

其中，Es为钢的允许的弹性模量；I是惯性矩，δs是在底部件302上得到的最大变形，I是施加力的悬臂梁的长度。

管状触头300的底部件302设计为增加所述底部件302沿着纵向的刚度，以便在销状触头401在管状触头300内移动时在闭合操作期间保持所述销状触头401。此处，通过选择材料、例如钢或者具有处于190GPa至220Gpa范围内的杨氏模量的任何钢合金来实现底部件302的刚度的增加。

图5为描述具有按照本发明的触头装置400的断路器100的示意图。触头装置400包括管状触头300，所述管状触头300适于在断路器100中使用并且设置用于在闭合操作期间接收对应的销状触头401。根据所述实施例，此处的断路器100是高压断路器。管状触头300和销状触头401用于连接电流路径、在闭合位置承载电流、在电弧中断期间中断电流以及在对断路器进行高压操作期间将电流路径彼此隔离。

在高速闭合操作期间、例如在对可以使用如本文所述的管状接触件300的断路器进行高速闭合操作期间，动能被引入接触元件、例如管状触头300和/或相应的销状触头401中。因此，在断路器的闭合操作期间，管状触头300受到高的机械应力。按照所述实施例，管状触头300设置用于在所述管状触头与对应的销状触头401形成接触时偏转。尤其是通过为底部件302提供高强度材料，使得管状触头在高速闭合操作时不会变形或断裂。通过高强度的底部件302避免管状触头变形，可以确保管状触头300和销400之间的接触压力。因此，通过提供具有在此所述的高强度的底部件302的管状触头300，可以使用低材料成本和加工成本在断路器的电导率和热导率以及对不同操作环境的反应抗性方面实现所述断路器的改善的功能。

图6为示出弹性模量相对于按照本发明实施例的底部件的刚度的变化的曲线图。材料的刚度取决于材料的杨氏模量，并且还随着加载条件、形状和尺寸而变化。随着材料的杨氏模量增加，材料的刚度也会增加。当刚度增加时，管状触头施加在销状触头上的接触力也增加。因此，为了在断路器的闭合操作期间销状触头与管状触头插接时保持所述销状触头，根据本发明减小底部的厚度。

上述对特定的实施例的描述因此充分地揭示了此处的实施例的一般性质，以使得其他人可以通过应用当前的知识容易地修改和/或使这些特定的实施例适配于不同的应用而不背离一般的方案，因此，这些适配和修改应当并且旨在被理解为处于所公开的实施例的等同的含义和范围内。不言而喻的是，这里使用的措辞或术语是为了描述而不是限制性的。因此，尽管已经根据优选实施例描述了此处的实施例，但是本领域技术人员将认识到可以在此处描述的实施例的构思和范围中变型地实施此处的描述的实施例。

尽管已经参照上述实施例描述了本公开，但是应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下可以进行变型和变化，并且这样的变型和变化应保留在本公开的领域和范围中。

Claims

1.一种管状触头(300)，所述管状触头设置用于接收销状触头(401)，所述管状触头(300)包括：设置用于与所述销状触头(401)建立电弧的顶部件(301)和从所述顶部件(301)基本上沿着所述管状触头(300)的纵向延伸的底部件(302)，其特征在于，底部件(302)设计为增加所述底部件(302)沿着纵向的刚度，以便在销状触头(401)在管状触头(300)内移动时在断路器(100)的闭合操作期间保持所述销状触头(401)，所述底部件(302)是由杨氏模量为190GPa至220GPa的材料制成的高强度的部件以便增加所述底部件(302)的刚度。

2.根据权利要求1所述的管状触头(300)，其特征在于，所述管状触头(300)的底部件(302)由至少包括钢的材料构成。

3.根据权利要求1所述的管状触头(300)，其特征在于，所述管状触头(300)的底部件(302)由至少包括钢合金的材料构成，所述钢合金的碳含量为至少0.002重量％至2.1325重量％。

4.根据权利要求1所述的管状触头(300)，其中，所述底部件(302)的刚度与杨氏模量成正比。

5.一种触头装置(400)，所述触头装置包括如权利要求1至4之一所述的管状触头(300)和销状触头(401)。

6.根据权利要求5所述的触头装置(400)，其中，所述销状触头(401)的底部件(403)由杨氏模量为190GPa至220GPa的材料构成。

7.根据权利要求5所述的触头装置(400)，其中，所述销状触头(401)的底部件(403)由至少一种包括钢的材料构成。

8.根据权利要求5所述的触头装置(400)，其中，所述销状触头(401)的底部件(403)由至少包括钢合金的材料构成，所述钢合金的碳含量为至少0.002wt％至2.1325wt％的。

9.一种断路器(100)，所述断路器包括根据权利要求1至4之一所述的管状触头(300)和根据权利要求5至8之一所述的触头装置。