CN115938855A - 一种用于直流开断的外施横向磁场三电极真空灭弧室 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于直流开断的外施横向磁场三电极真空灭弧室。包括海尔贝克永磁体阵列和环形电容器；所述环形电容器内嵌于双层瓷壳的中间空腔；所述海尔贝克永磁体阵列套设在双层瓷壳的外侧；所述环形电容器的一端与屏蔽罩位于瓷壳中部的延伸部分进行电连接，所述环形电容器在静端端盖处形成有环形电容静端引出线；所述环形电容器在动端端盖处形成有环形电容动端引出线；所述环形电容静端引出线和环形电容动端引出线对电容进行预充电操作或连接外电路，在直流电弧开断时将电弧经海尔贝克永磁体阵列产生的横向强磁场引向屏蔽罩，对环形电容器进行充电，当电容端电压高于系统电压后，电流下降到零，电弧熄灭。

Description

一种用于直流开断的外施横向磁场三电极真空灭弧室

技术领域

本发明属于真空灭弧室领域，具体属于一种用于直流开断的外施横向磁场三电极真空灭弧室。

背景技术

在“双碳”目标的能源需求背景下，传统化石能源逐渐被电力等清洁能源取代，新能源微网的快速发展也对应用于直流系统的灭弧室结构和性能提出了要求。对用于直流开断的真空灭弧室而言，由于电弧自身没有过零点，不能熄弧，一般需要将真空灭弧室外接电路，例如自激振荡回路和电流转移回路来制造人工过零点。此举导致真空灭弧室外接电路的体积十分庞大，不利于真空灭弧室结构的小型化，降低了直流电弧开断系统的可靠性。

对直流电弧施加磁场是开断的有效措施之一，包括使用亥姆霍兹线圈产生磁场、设计触头结构产生自生磁场、使用永磁体阵列产生磁场等方式。相对电弧的轴线方向而言，磁场包括纵向和横向两种类型，其中横向磁场的磁场方向与电流方向呈垂直关系。但产生横向磁场的传统方式存在磁场方向过于发散，磁场数量级低的问题，难以满足直流开断工况的要求。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于直流开断的外施横向磁场三电极真空灭弧室。用于解决现有技术中磁场方向过于发散，磁场数量级低的问题；使用海尔贝克永磁体阵列产生单一方向的横向强磁场，在燃弧阶段，使电弧在洛伦兹力作用下接触到屏蔽罩上，向与屏蔽罩连接的电容进行充电，当电容端电压高于系统电压后，电流下降到零，电弧熄灭。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于直流开断的外施横向磁场三电极真空灭弧室，包括海尔贝克永磁体阵列和环形电容器；

所述环形电容器内嵌于双层瓷壳的中间空腔；所述海尔贝克永磁体阵列套设在双层瓷壳的外侧；

所述环形电容器的一端与屏蔽罩位于瓷壳中部的延伸部分进行电连接，所述环形电容器在静端端盖处形成有环形电容静端引出线；所述环形电容器在动端端盖处形成有环形电容动端引出线；所述环形电容静端引出线和环形电容动端引出线对电容进行预充电操作或连接外电路，在直流电弧开断时将电弧经海尔贝克永磁体阵列产生的横向强磁场引向屏蔽罩，对环形电容器进行充电，当电容端电压高于系统电压后，电流下降到零，电弧熄灭。

优选的，所述双层瓷壳包括内层瓷壳和外层瓷壳；所述内层瓷壳上开设有环形槽，用于环形电容器与屏蔽罩进行电连接。

进一步的，所述海尔贝克永磁体阵列封装于环形外壳内，环形外壳固定于真空灭弧室的外层瓷壳的中部。

优选的，所述海尔贝克永磁体阵列为钕铁硼磁体或钐钴磁铁，所述海尔贝克永磁体阵列包括8或12个环形布置的分体式永磁体，各按特定充磁方向，形成单极性的合成强磁场。

优选的，所述环形电容器与真空灭弧室同轴。

优选的，所述环形电容器的材质为薄膜电容，材料为聚酯、聚苯乙烯或聚乙烯。

优选的，所述屏蔽罩采用铜、铜铬合金、铜钨合金或不锈钢制成。

优选的，所述动端端盖和静端端盖上均设置有通孔；所述环形电容动端引出线穿过动端端盖上的通孔，与屏蔽罩进行电连接；所述环形电容器静端引出线穿过静端端盖上的通孔，连接至环形电容器靠近外层瓷壳的一面。

优选的，在真空灭弧室接入高压直流电源后，环形电容器的一端连接接地开关Q1，环形电容器的另一端与屏蔽罩等电位；

在开断直流电弧的指令发出后，动端电极触头和静端电极触头分离，直流电弧在海尔贝克永磁体阵列产生的横向强磁场作用下，通过横向洛伦兹力的磁吹作用吸附到屏蔽罩表面，此时，燃弧通道转变到真空灭弧室触头与屏蔽罩之间；屏蔽罩此时充当第三电极，并不断向电容器C1充电，电容器C1两端的电压逐渐升高，当电容器C1电压升高到高于系统电压时，电流下降到零，电弧熄灭；在开断过程结束后，与电容器C1相连的接地开关Q1闭合，泄放电容器上的残余电荷，泄放结束后接地开关Q1断开。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种用于直流开断的外施横向磁场三电极真空灭弧室，通过采用海尔贝克永磁体阵列、真空灭弧室和填充于真空灭弧室双层瓷壳内部的环形电容器，结构简单紧凑。其中海尔贝克永磁体阵列无需外接电源，体积小巧，磁场强度和集中度都更具优越性。瓷壳可以一体化成型，内嵌的环形薄膜电容器体积轻便，不需要对传统的真空灭弧室结构做大幅度改变。使用耐高温和电磨损材料作为屏蔽罩材料，充当真空灭弧室第三电极，并与电容器形成电连接，节省空间，避免了对屏蔽罩结构的改变。

在实际应用中，海尔贝克永磁体阵列用于产生固定方向的单极性横向强磁场，通过环形薄膜电容在真空灭弧室端盖上的引出线对电容进行预充电操作或连接外电路，在直流电弧开断时将电弧经横向强磁场引向屏蔽罩，对电容进行充电，当电容端电压高于系统电压后，电流下降到零，电弧熄灭。

附图说明

图1为本发明的用于直流开断的外施横向磁场三电极真空灭弧室侧视剖面示意图。

图2为本发明的用于直流开断的外施横向磁场三电极真空灭弧室俯视剖面示意图。

图3为本发明使用的海尔贝克永磁体8分体阵列磁极取向和合成磁场方向示意图。

图4为本发明使用的海尔贝克永磁体12分体阵列磁极取向和合成磁场方向示意图。

图5为本发明实施例中的电路拓扑结构。

附图中：动端端盖1、内层瓷壳2、环形电容器3、外层瓷壳4、海尔贝克永磁体阵列外壳5、海尔贝克永磁体阵列6、屏蔽罩7、静端端盖8、动导电杆9、环形电容动端引出线10、波纹管11、动端电极触头12、动端电极触头片13、静端电极触头片14、静端电极触头15、静导电杆16、环形电容静端引出线17。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明所述的一种用于直流开断的外施横向磁场三电极真空灭弧室，其整体结构侧视剖面图如图1所示，俯视剖面图如图2所示，其中包括动端端盖1、内层瓷壳2、环形电容器3、外层瓷壳4、海尔贝克永磁体阵列外壳5、海尔贝克永磁体阵列6、屏蔽罩7、静端端盖8、动导电杆9、环形电容动端引出线10、波纹管11、动端电极触头12、动端电极触头片13、静端电极触头片14、静端电极触头15、静导电杆16和环形电容静端引出线17。

本实施例使用的海尔贝克永磁体阵列6将8或12个大小一致、形状相同的小磁体按照如图3和图4所示的位置排列成完整的圆环形，依照图中箭头所示的充磁方向，可以获得单极性的强横向磁场。永磁体材料可以采用钕铁硼磁体或钐钴磁铁。各个小磁体之间的接触面使用强力胶进行粘合，最大限度避免对磁场的影响。海尔贝克永磁体阵列6外面套有一个环形空腔外壳5，整体紧固在外层瓷壳4的表面，并安装于动静触头开距的中心平面位置，以获得燃弧期间最大的横向磁场。海尔贝克永磁体阵列6、海尔贝克永磁体阵列外壳5以及真空灭弧室三者的轴线均位于同一条直线上。

环形电容器3内嵌于双层瓷壳的中间空腔，为薄膜电容器，材料包括但不限于聚酯、聚苯乙烯、聚乙烯等。内层瓷壳2的中部预留环形槽，用于固定屏蔽罩7，内层瓷壳2需预先钻孔，孔自顶部贯串到预留环形槽处，用于安装环形电容器3的动端引出线10。

屏蔽罩7外侧中部具有凸起的环形区域，用于在内层瓷壳2中部预留的环形槽处进行固定，该凸起的环形区域同时连接到环形电容器3的内侧，使屏蔽罩成为真空灭弧室的第三电极，屏蔽罩的材料包括但不限于铜、铜铬合金、铜钨合金和不锈钢，但需要满足耐高温电弧灼烧的物理性能。

动端端盖1和静端端盖8上分别各留有一小孔，用于电容引出线的穿出。环形电容动端引出线10自动端端盖1穿入，直到与屏蔽罩7相接处，实现电连接。环形电容器静端引出线17自静端端盖8穿入，连接至环形电容器3靠近外层瓷壳4的一面。动静端盖分别安装于双层瓷壳的两端。

动导电杆9自动端端盖1插入真空灭弧室腔体，动导电杆9一端与动端电极触头12同轴固定，动端电极触头12与动端电极触头片13同轴固定，波纹管套在动导电杆9的外侧，并与动端端盖1连接固定。静导电杆16自静端端盖8插入真空灭弧室腔体，静导电杆16与静端电极触头15同轴固定，静端电极触头15与静端触头片14同轴固定。

为实现对本发明的进一步了解，列举如图5所示的简单直流电弧开断工况电路拓扑示意图，对本发明所述的一种用于直流开断的外施横向磁场三电极真空灭弧室的实际工作过程进行分析。电容器C1两端的端子a和b分别代表环形电容器的两根引出线，用于在真空灭弧室接入电路前对电容进行预充电等操作，在用于实际开断时，也可以外接电路，不限于图5给出的情况。在真空灭弧室接入高压直流电源后，电容一端接接地开关Q1，另一端与屏蔽罩等电位。在开断直流电弧的指令发出后，动静触头分离，直流电弧在海尔贝克永磁体阵列产生的横向强磁场作用下，通过横向洛伦兹力的磁吹作用吸附到屏蔽罩表面，此时，燃弧通道转变到真空灭弧室触头与屏蔽罩之间。屏蔽罩此时充当第三电极，并不断向电容器C1充电，电容两端的电压逐渐升高，当电容电压升高到高于系统电压时，电流下降到零，电弧熄灭。在开断过程结束后，与电容器C1相连的接地开关Q1闭合，泄放电容器上的残余电荷，泄放结束后接地开关Q1断开。

综上所述，本发明提供的用于直流开断的外施横向磁场三电极真空灭弧室，瓷壳内嵌的环形薄膜电容器体积轻便，实现了真空灭弧室结构的小型化，不需要对传统的真空灭弧室结构做大幅度改变。预留可以外接电路的电容引线，能够连接多样化的直流开断拓扑结构，应用在多种直流开断场合。使用海尔贝克永磁体阵列产生单极性横向强磁场，具有极高的稳定性，无需外接电源，体积小巧，磁场强度也相较其他方式更优。

Claims (9)

1.一种用于直流开断的外施横向磁场三电极真空灭弧室，其特征在于，包括海尔贝克永磁体阵列(6)和环形电容器(3)；

所述环形电容器(3)内嵌于双层瓷壳的中间空腔；所述海尔贝克永磁体阵列(6)套设在双层瓷壳的外侧；

所述环形电容器(3)的一端与屏蔽罩(7)位于瓷壳中部的延伸部分进行电连接，所述环形电容器(3)在静端端盖(8)处形成有环形电容静端引出线(17)；所述环形电容器(3)在动端端盖(1)处形成有环形电容动端引出线(10)；所述环形电容静端引出线(17)和环形电容动端引出线(10)对电容进行预充电操作或连接外电路，在直流电弧开断时将电弧经海尔贝克永磁体阵列产生的横向强磁场引向屏蔽罩(7)，对环形电容器进行充电，当电容端电压高于系统电压后，电流下降到零，电弧熄灭。

2.根据权利要求1所述的一种用于直流开断的外施横向磁场三电极真空灭弧室，其特征在于，所述双层瓷壳包括内层瓷壳(2)和外层瓷壳(4)；所述内层瓷壳(2)上开设有环形槽，用于环形电容器(3)与屏蔽罩(7)进行电连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于直流开断的外施横向磁场三电极真空灭弧室，其特征在于，所述海尔贝克永磁体阵列(6)封装于环形外壳(5)内，环形外壳(5)固定于真空灭弧室的外层瓷壳(4)的中部。

4.根据权利要求1所述的一种用于直流开断的外施横向磁场三电极真空灭弧室，其特征在于，所述海尔贝克永磁体阵列(6)为钕铁硼磁体或钐钴磁铁，所述海尔贝克永磁体阵列(6)包括8或12个环形布置的分体式永磁体，各按特定充磁方向，形成单极性的合成强磁场。

5.根据权利要求1所述的一种用于直流开断的外施横向磁场三电极真空灭弧室，其特征在于，所述环形电容器(3)与真空灭弧室同轴。

6.根据权利要求1所述的一种用于直流开断的外施横向磁场三电极真空灭弧室，其特征在于，所述环形电容器(3)的材质为薄膜电容，材料为聚酯、聚苯乙烯或聚乙烯。

7.根据权利要求1所述的一种用于直流开断的外施横向磁场三电极真空灭弧室，其特征在于，所述屏蔽罩(7)采用铜、铜铬合金、铜钨合金或不锈钢制成。

8.根据权利要求1所述的一种用于直流开断的外施横向磁场三电极真空灭弧室，其特征在于，所述动端端盖(1)和静端端盖(8)上均设置有通孔；所述环形电容动端引出线(10)穿过动端端盖(1)上的通孔，与屏蔽罩(7)进行电连接；所述环形电容器静端引出线(17)穿过静端端盖(8)上的通孔，连接至环形电容器(3)靠近外层瓷壳(4)的一面。

9.根据权利要求1所述的一种用于直流开断的外施横向磁场三电极真空灭弧室，其特征在于，在真空灭弧室接入高压直流电源后，环形电容器(3)的一端连接接地开关Q1，环形电容器(3)的另一端与屏蔽罩(7)等电位；

在开断直流电弧的指令发出后，动端电极触头(12)和静端电极触头(15)分离，直流电弧在海尔贝克永磁体阵列(6)产生的横向强磁场作用下，通过横向洛伦兹力的磁吹作用吸附到屏蔽罩(7)表面，此时，燃弧通道转变到真空灭弧室触头与屏蔽罩(7)之间；屏蔽罩(7)此时充当第三电极，并不断向电容器C1充电，电容器C1两端的电压逐渐升高，当电容器C1电压升高到高于系统电压时，电流下降到零，电弧熄灭；在开断过程结束后，与电容器C1相连的接地开关Q1闭合，泄放电容器上的残余电荷，泄放结束后接地开关Q1断开。

Images