CN1232279A - 断路器 - Google Patents

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Abstract

在合闸位置内,由一根动导电杆(3)占据的电弧间隙(5)延伸在一个静梅花触头(1)和滑动梅花触头(4)之间。该电弧间隙既被一个由滑动梅花触头包围的排气口(9)填塞,又被一个由梅花触头包围的、连通电弧间隙和一个压力室(6)的吹弧孔(7)填塞。电弧间隙被一个朝该电弧间隙敞开的环形加热容积(13)包围。在压力室中,设置了炸药容器(10),在起爆大约10至30毫秒内,炸药绝大部分变成灭弧气体,最好主要为氮气,同时气体压力朝分闸位置推动导电杆。

Description

断路器
本发明涉及一种例如在发电厂、变电站和其他供电设备中用来接通和分断工作电流和过电流用的断路器。
众所周知，很久以来就有的上述那类断路器在分闸时在触头之间引起的电弧是通过来自一个压力容积的灭弧气体来吹灭的。其中，压力由一个活塞产生，该活塞同时和第二触头由一个操动机构传动，或者甚至由操动机构的一个部分构成，例如参见德国专利DE-A-19613568。但由于操动机构经受高的负荷，所以，操动机构需要相当大的尺寸。这当然影响到断路器的制造成本。
此外，欧洲专利EP-B-0548390和美国专利US-A-4617436还提出了这样的开关装置，即在操动机构中装炸药包并引爆炸药包来实现分闸，在爆炸时产生的气体作用到一个与动触头连接的活塞上，该动触头在气体压力作用下推到分闸位置。但在爆炸时产生的气体只用来使触头分开，而不是用来吹灭可能在该触头之间产生的电弧。
其次，还提出了通过装入的炸药来炸断电连接的熔断器。例如在德国专利DE-A-3537314描述的这种熔断器具有一个管状的中间缩小的和由一个压力室包围的桥式导体，在压力室中，该导体的外侧周围装有炸药包。压力室用一种材料内衬，这种材料在炸药包起爆后和桥式导体炸断后，在产生的电弧的影响下释放出负电性的气体，这种气体与通过爆炸产生的气体共同形成一种保持在高压力作用下的灭弧气体，该灭弧气体在喷吹电弧的情况下流入一个膨胀室。此外，欧洲专利EP-A-0657910和EP-A-0641005提出了在熔断器中使用由灭弧气体形成的炸药。
但熔断器在一次分断后必须至少部分地进行更换。德国专利DE-A-3537314描述的熔断器不但消耗炸药包和破坏桥式导体，而且灭弧气体基本上是通过电弧作用到压力室的内衬上来产生的，内衬同样被消耗掉。此外，在高压力作用下的爆炸气体的产生特别是由它释放的气流的产生与首先通过电弧释放的负电性气体的产生之间有一个时间滞后，这个时间滞后不利于有效的吹弧。
与此相反，本发明旨在这样改进上述那类断路器，使电弧经受强大的灭弧气流喷吹，而不导致操动机构的附加负荷。
根据本发明，这个目的是通过权利要求1的特征来实现的，这些特征确保了即使不用机械的方法，电弧也经受一股强劲的灭弧气流的作用。在本发明断路器的适宜的改进结构中，操动机构不但减小了负荷，而且还有助于相应地减小尺寸，从而显著降低断路器的制造成本。在某些情况下甚至可完全取消操动机构。
下面结合附图的几个实施例来说明本发明。
附图表示：
图1表示本发明第一实施例的断路器燃弧触头系统的部分轴向纵截面示意图；
图2表示本发明第二实施例的断路器燃弧触头系统的部分轴向示意图；
图3表示本发明第三实施例的断路器燃弧触头系统的部分轴向示意图；
图1所示本发明第一实施例位于合闸位置的断路器的燃弧触头系统具有第一静触头，它做成具有弹性接触指的梅花触头1，该触头包围一根操动轴2。设置了一根导电杆3作为第二动触头，该导电杆沿所示合闸位置和分闸位置之间的操动轴2可变换位置，在分闸位置上，该导电杆拉回到一个在合闸位置时与它接通的滑动梅花触头4的后面。电弧间隙5位于梅花触头1和滑动梅花触头4之间，在合闸位置内，该电弧间隙被导电杆3占据，且四周被一个压力室6包围。电弧间隙5和压力室6通过一个环形吹弧孔7连接。在操动轴2的方向内，在电弧间隙5合闸一侧连接第一排气容积8a和分闸一侧连接第二排气容积8b，这两个排气容积在分闸位置上通过被梅花触头1或滑动梅花触头4包围的排气口9a、9b连通，而在合闸位置上，它们则被导电杆3关闭。此外，断路器具有未示出的额定电流触头，它们在分闸时分别在燃弧触头系统的触头之前分开。
在压力室6的外壁上设置了一种炸药容器10，该容器部分地填充该压力室，并至少在一定情况下在分闸时引爆。也可在压力室6的圆周上均匀设置多个炸药容器，炸药容器可压制成片状或筒状，在筒中装粉状炸药，炸药可具有不同的成分。爆炸时炸药转变成反应物，反应物至少主要适用于熄灭电弧。为了避免环境污染，作为灭弧气体最好为氮气。
本发明断路器使用不损害环境的炸药，其反应物的主要成分为氮，这种炸药尤其广泛用于汽车中作为安全装置的所谓气囊，并适用于本发明断路器。例如21NaN3+KNO3+4Fe2O3+2.5SiO2在爆炸时转变成10.5Na2O+0.5K2O+4Fe+2.5SiO2+4FeO+32N2。这种炸药不含卤素且对环境无害，所以排气容积8a、8b也可敞开。另一种适合的炸药的例子是一种混合物，其成分71.6％SrNiO3、3.77％V6Mo15060、3％石腊、21.6％胍-5,5’-偶氢四唑，它在爆炸时转变成8.2％CO2、31.1％H2O、43.7％N2和15.6％SrCO3。
在分闸时，导电杆3通过一个未示出的操动机构向下运动，该操动机构同时把连通电弧间隙5和第一排气容积8a的排气口9a打开。这时在导电杆3和梅花触头1之间产生电弧，当导电杆3的杆端通过滑动梅花触头4时，该电弧转到滑动梅花触头4上，于是在梅花触头1和滑动梅花触头4之间产生电弧燃烧。导电杆3则继续向下运动，直至它打开电弧间隙5和第二排气容积8b之间的排气口9b为止。
现在通过电弧的温度和压力起爆炸药容器10，然后装在该容器中的炸药便在很短时间内大约10至30毫秒，正常情况下最多50毫秒变成气体，这种气体含有很高的灭弧气体，在上例中为氮气。产气量一般至少0.2升/克，正常情况0.5至1升/克，所以在压力室6中很快建立一个高的压力，然后，这样高的压力以一股强劲的气流从压力室6经灭弧间隙5和两个排气口9a、9b泄入两个排气容积8a、8b中。这时电弧被猛烈喷吹并被吹灭。
不用电弧直接作用在炸药容器10上，也可通过一个根据适当的判据动作的单独起爆装置来起爆炸药容器。这就提供了这样的可能性，即只有在电流强度超过一定阈值时例如达到10倍额定电流时才起爆炸药容器；如果低于这个阈值，则不必要吹弧，或者用别的方法产生一个弱的、对低的故障电流来说足够的吹弧即可。这样，炸药容器10的起爆就可限制在那些实在需要的情况中，须知炸药容器起爆后必须补装。
另一种可避免费用大的补装机理是，炸药一层一层地装入容器中。在炸药各层之间设置一定厚度的电绝缘材料来空间隔开炸药层。在电弧的作用下，绝缘材料的最上层蒸发并使炸药的下一层露开，然后炸药层起爆，并不断产生气体烧尽。这种起爆一般由电弧进行，但也可用别的起爆机理。在特别大的电流强度和长的燃弧情况下，可相继蒸发和烧尽几层炸药。炸药的这种布置具有特大的优点，即气体产生分布在一个较大的时间内，所以达到一个特别强的和长时间的吹弧。
此外，本发明断路器还可用一台按低的故障电流设计的常规断路器串联一起，这台常规的断路器用来开断到一定电流强度的较低的故障电流，而本发明的断路器则只有在产生较高的故障电流时才开断。
图2所示第二实施例的本发明断路器燃弧触头系统的基本结构与第一实施例一致，所以，就这点而言可参考第一实施例的说明。但第二实施例在压力室6分闸一侧附加连接了多个包围操动轴2并平行于该操动轴的气缸11，在这些气缸中设置了与导电杆3固定连接的移动活塞12。
在起爆炸药容器10时，压力室6中形成的压力也产生如下的作用：气缸11中的活塞12受到了一个在分闸方向内作用的力的作用。这样就引起或支持导电杆3的分闸运动。此外，关于炸药容器10的起爆这时存在上述的可能性。首先导电杆3可通过一个机械的操动机构朝分闸位置运动，直至产生一个足够引起爆的电弧为止。这时在活塞12上作用的力只支持分闸运动的一部分。此外，也可用别的方法例如当导电杆3还处于合闸位置时进行起爆。这时形成的压力建立从一开始就导致一个作用在活塞12上的力，这个力支持整个分闸运动，或在气缸、活塞和炸药容器的尺寸足够大的情况下甚至可单独引起分闸运动，这样可完全取消机械式的操动机构。
图3所示第三实施例的本发明断路器燃弧触头系统也基本上与第一实施例一致。但只在分闸一侧设置了一个通过一个排气口9与电弧间隙连通的排气容积8，而在电弧间隙5的合闸一侧则通过一个被梅花触头1包围的圆形吹弧孔7与该电弧间隙连通，并设置了一个配备一个炸药容器10的压力室6。在合闸位置上，导电杆填塞排气口9并用其杆端完全填塞吹弧孔7下部的横截面。电弧间隙5被一个朝它敞开的环形加热容积13包围。这样，例如当产生的故障电流超过一定阈值时，炸药容器10起爆，以实现分闸。这样就导致压力室6迅速建立压力，从而用一个沿分闸方向作用的力作用到在这里同时起活塞作用的导电杆3上。于是该导电杆朝分闸方向运动，并从梅花触头1拉出，同时形成电弧。通过伴随流入电弧间隙5中的灭弧气体使电弧从一开始就受到猛烈喷吹，但一般还不足以使电弧熄灭。灭弧气体流入加热容积13中，并在该处通过电弧使灭弧气体剧烈加热，从而使压力相应升高。在导电杆3打开通往排气容积8的排气口9以后，特别是在电流过零时加热容积13中建立的压力通过一股强劲的气流经电弧间隙5和排气口9泄入排气容积8中，一部分还经喷弧孔7泄入压力容积6中。电弧由此受到猛烈喷吹，并被吹灭。
上述实施例可在本发明范围内进行多方面的修改。例如可设置配有炸药容器的多个压力室，这些炸药容器例如按预定的时间间隔或按导电杆所处的位置起爆。如前所述，也可用一个在较小的电流强度时基本上足够的常规装置来吹弧与只有在大的故障电流时才需要起爆炸药容器结合起来。压力室也可做得相当小，并完全填满炸药容器。如果炸药容器的尺寸设计成在其起爆时产生的压力足能可靠熄灭电弧，则第三实施例燃弧触头系统情况下可取消加热容积。
例如还可用美国专利US-A-4617463提出的机械装置来自动更换已消耗的炸药容器。也可设置一个简单的机械操动机构来实现合闸，或者如果有另一台开关或隔离开关与本发明断路器串联时，则在一次开断后用一个复位弹簧使得导电杆立即又回到合闸位置。

Claims (14)

1．断路器，具有至少一个燃弧触头系统，该燃弧触头系统包括第一触头和可改变位置的第二触头，第二触头相对于该第一触头沿一根介于一个合闸位置和一个分闸位置之间的操动轴(2)在合闸位置上接触第一触头，而在分闸位置上则在轴向内与第一触头相隔一定距离并拉开一个位于两个触头之间的电弧间隙(5)；具有至少一个排气口(9；9a、9b)，该电弧间隙通过该排气口与至少一个排气容积(8；8a、8b)连通；以及具有至少一个压力室(6)，该压力室通过电弧间隙(5)与至少一个排气口(9；9a、9b)连通，其特征在于，在至少一个压力室(6)中，设置了至少一个在一次开断时可起爆的炸药容器(10)，它在爆炸时至少部分转变成灭弧气体。
2．按权利要求1的断路器，其特征在于，至少一个炸药容器(10)在起爆后最多在50毫秒内烧完。
3．按权利要求1或2的断路器，其特征在于，炸药转变成气体至少可达0.2升/克。
4．按权利要求1至3中任一项的断路器，其特征在于，灭弧气体至少主要由氮气组成。
5．按权利要求1至4中任一项的断路器，其特征在于，至少一个炸药容器只部分地填充至少一个压力室(6)。
6．按权利要求1至5中任一项的断路器，其特征在于，该断路器至少具有一个活塞(12)，在至少一个压力室(6)中的至少一个炸药容器(10)爆炸时，来自压力室(6)的气体以一个沿分闸方向作用的力作用到该活塞上，使第二触头拉开。
7．按权利要求1至6中任一项的断路器，其特征在于，在一个与压力室连通的气缸(11)中至少设置了一个可移动的活塞(12)。
8．按权利要求7的断路器，其特征在于，至少一个气缸(11)与第二触头相隔一定距离平行于操动轴(2)设置。
9．按权利要求1至8中任一项的断路器，其特征在于，至少一个压力室(6)呈环形包围电弧间隙(5)，并具有一个指向该电弧间隙的吹弧孔(7)。
10．按权利要求6的断路器，其特征在于，第二触头做成导电杆(3)，该导电杆同时起活塞作用，在合闸状态中，它的杆端伸入一个吹弧孔(7)中并至少接近填塞其横截面，该吹弧孔连通电弧间隙(5)和至少一个压力室(6)。
11．按权利要求10的断路器，其特征在于，至少一个压力室(6)在合闸方向内紧接着电弧间隙(5)。
12．按权利要求11的断路器，其特征在于，至少一个加热容积(13)设置在电弧间隙(5)的一侧，并朝该电弧间隙敞开。
13．按权利要求12的断路器，其特征在于，加热容积(13)呈环形包围电弧间隙(5)。
14．按权利要求1的断路器，其特征在于，至少一个可起爆的炸药容器(10)是分层构成的，且在各层之间设置有可蒸发的电绝缘材料。
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