CN1234145C - 一种基于强制气流吹弧的低压限流断路器 - Google Patents

Abstract

一种基于强制气流吹弧的低压限流断路器。灭弧室、灭弧栅片及吹弧装置，吹弧装置由活塞、喷口、气缸、传动连杆、储能弹簧和拉杆组成。传动连杆和活塞相连接，用来向活塞传递力的作用；气缸、活塞和喷口共同组成一个半密封的气腔，整个气腔只有喷口与气腔外始终保持连通。断路器分合闸操作时，在传动连杆机构力的作用下，活塞相应地在气腔内沿着气缸壁面做往复运动，由此在气腔喷口处产生强制的气流吹向电弧，增加灭弧室内气体的对流换热，制冷和拉长电弧并加速电弧的运动，达到缩短电流开断时间与增加电弧电压的目的。

Description

一种基于强制气流吹弧的低压限流断路器

技术领域

本发明涉及一种应用于低压断路器上的限流技术，特别一种基于强制气流吹弧的低压限流断路器。

背景技术

限流开断技术在开关电器行业中占有非常重要的地位，优良的限流性能是开关电器所必不可少的环节。通过增强限流性能，断路器的开断能力可以得到很大地提高。低压断路器的限流开断问题要求断路器的分断时间短得足以使短路电流在达到其预期峰值前被开断。低压断路器限流技术从原理上讲主要有：触头迅速打开以缩短电流开断时间、增加开断回路电阻和增大开断口电压降，因此限流断路器设计的原则是：1、允许触头在机构脱扣前受电磁力的作用而提前打开；2、迅速提高电弧电压；3、快速的介质恢复；几十年来，已经有许多种限流技术在低压断路器中得到广泛的应用，特别是近年来，随着计算机技术、控制技术、新材料技术和电力电子技术的引入，使得限流技术有了新的发展。到目前为止，解决应用在低压断路器的限流技术主要有：利用电动斥力加速触头分开法，磁吹线圈法，采用引弧道法，PTC电阻限流法，超导限流法或者以上几种方法的综合应用等等。

电动斥力法大都是通过调整触头臂的结构形状，利用故障电流产生的电动斥力来快速斥开触头，目前有大量的断路器利用这种方法来达到限流目的。CN1476623A中提到一种具有开关锁闩锁的触头系统，其运动的触头元件在发生短路大电流时受电动斥力作用克服接触弹簧力而被提起；CN1423295A中动触头上使用了斥力销与U形斥力件，使得大故障电流下通过斥力快速有效地断开电路。但电动斥力限流方法在断路器额定容量增加的情况下，由于相应增加的触头系统的质量和惯性制约了触头动作的快速性，使得限流的目的受到限制。

超导限流技术是超导体通过两种导电状态的转换来达到限流目的。CN1211802A中采用阻尼线圈，使得次级超导线圈在故障电流下感应电流达到临界值，铁芯中磁通量急剧增加使得阻抗急剧增加而达到限流目的；CN1138389A在片状绝缘体两侧加高温超导体与普通导体，组成导电复合体作为限流器。然而，采用超导限流技术虽然效果不错，但它成本昂贵而不适合一般工业应用。

采用引弧道的方法是利用引弧道产生的电磁力把电弧拉长、并驱动进灭弧室，但是这种方法的前提条件是要求电弧快速的脱离触头区，减少触头损耗，触头间隙介质强度恢复速度快，且电弧能沿引弧道快速运动，目前在较高电流的情况下电弧滞留在触头区的时间较长，从而造成触头材料的过多损耗。PTC限流电阻容易受外界因素的影响，且对限制低值电流效果不佳，所以没有大面积推广。

因此，基于限流的原理，研究在原有基础上进一步增加低压断路器的限流性能，同时又能保持其可靠性和成本不变的方法是有很重要的意义的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高低压断路器在灭弧室内电弧的运动速度和电弧电压，缩短电弧的熄灭时间的基于强制气流吹弧的低压限流断路器。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括灭弧室和设置在灭弧室内的灭弧栅片，在灭弧栅片的下端分别设置有动触头和静触头，其特点是，静触头的下端设置有气缸，气缸的出气喷口位于静触头的正下方，气缸的活塞柄与可绕第二转轴O2转动的传动连杆的一端滑动连接，传动连杆的另一端与拉杆的一端轴连接，且在传动连杆的下端还设置有储能弹簧，拉杆的另一端与可绕第一转轴O1转动的“L”型动触头传动杆的一端相连，且在与拉杆相连接的动触头传动杆的一端还设置有分闸弹簧，动触头设置在动触头传动杆的另一端，在动触头传动杆上还设置有分闸锁钩，分闸锁钩的下端还设置有套装在分闸脱扣线圈内的“T”型分闸脱扣铁芯。

本发明的另一特点是：拉杆与动触头传动杆通过搭钩相互扣连，且在拉杆与传动连杆之间还设置有拉杆复位弹簧；动触头与动触头传动杆之间设置有动触头弹簧；静触头通过可绕第五转轴O6转动的静触头支架与固定支架相连接，且在静触头支架与固定支架之间还设置有静触头复位弹簧；气缸的活塞上开设有活塞阀门孔以及设置在活塞阀门孔上的阀门；传动连杆上设置有一滑槽，活塞柄的一端设置在滑槽内。

由于本发明在低压断路器本身内部增加了强制气流吹弧装置，吹弧装置的气腔喷口处产生强制的气流吹向电弧，增加灭弧室内气体的对流换热，制冷和拉长电弧并加速电弧的运动，达到缩短电流开断时间与增加电弧电压的目的。

附图说明

图1是本发明合闸位置状态示意图；

图2是本发明合闸过程示意图；

图3是本明合闸位置示意图；

图4是本发明开断过程静触头斥开示意图；

图5是本发明开断过程机构脱扣示意图；

图6是本发明开断过程灭弧室强制对流示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

参见图1，2，本发明包括灭弧室1和设置在灭弧室1内的灭弧栅片2，在灭弧栅片2的下端分别设置有动触头3和静触头8，静触头8通过可绕第五转轴O6转动的静触头支架9与固定支架19相连接，且在静触头支架9与固定支架19之间还设置有静触头复位弹簧18，静触头8的下端设置有气缸23，气缸23的出气喷口20位于静触头8的正下方，气缸23的活塞22上开设有活塞阀门孔24以及设置在活塞阀门孔24上的阀门21，气缸23的活塞柄25设置在与可绕第二转轴O2转动的传动连杆6一端的滑槽26内，传动连杆6的另一端与拉杆5的一端轴连接，且在传动连杆6的下端还设置有储能弹簧7，拉杆5的另一端与可绕第一转轴O1转动的“L”型动触头传动杆14的一端通过搭钩相连，且在拉杆5与传动连杆6之间还设置有拉杆复位弹簧17，在与拉杆5相连接的动触头传动杆14的一端还设置有分闸弹簧16，动触头3设置在动触头传动杆14的另一端，动触头3与动触头传动杆14之间还设置有动触头弹簧4，在动触头传动杆14上还设置有分闸锁钩11，分闸锁钩11的下端还设置有套装在分闸脱扣线圈13内的“T”型分闸脱扣铁芯12。

本发明涉及的断路器具体操作过程采用分—合—分次序来详细说明，见图1，整个断路器系统处于分闸状态时，分闸锁钩11与分闸脱扣铁芯12处于脱扣状态；储能弹簧7也与分闸弹簧16处于释放状态，在拉杆复位弹簧17的拉伸作用力下，拉杆5端部搭钩锁扣在第四转轴O5上。活塞22位于气缸23的最顶端，气缸23内的气体处于零储备状态。

参见图2，其中，动触头3在外转轴力的作用下顺时针方向旋转，第四转轴O5也绕第一转轴O1向上旋转。分闸弹簧16被拉伸，同时进行储能，为分闸过程做准备；第四转轴O5带动拉杆5向上运动。在拉杆5的作用下，传动连杆6也第二绕轴O2沿顺时针方向转动。第三转轴O4随传动连杆一起向上转动，由此，产生强制气流的机构储能弹簧7被拉伸，能量被存储。同时，滑动销钉O3在滑槽26的带动下相对于传动连杆6有滑移运动，同时随传动连杆6转动并拉动活塞柄25向下运动。在压力差的作用力下，活塞上的阀门21向上开启，用以减小活塞22运动时受到的气体阻力。气体一方面从喷口20处吸入气缸，另一方面从打开的阀门孔24进入气缸。可以看出，在合闸过程中，强制对流机构与断路器的分合闸机构是相关联的，即合闸时产生强制气流的机构被动受力储能。最终，动触头3与静触头8闭合。如图3，这时，活塞22位于气缸的最低端，整个气缸23被充满气体，为分闸过程断路器开断电流时灭弧室1中气体强制对流换热做准备。虽然分闸弹簧16处于拉伸状态，但锁钩11与分闸脱扣铁芯12处于锁扣状态，动触头传动杆14无法转动，动静触头3、8处于闭合位置。另外，虽然储能弹簧7处于拉伸状态，然而拉杆5顶端的搭钩被第四转轴O5锁扣，使得传动连杆6也无法转动，气缸23内一直充满气体。

断路器在故障电流情况下将开始分闸操作过程。见图4，根据限流断路器设计原则中，当故障电流发生时，需要尽快地将动静触头分离，即可允许触头在机构脱扣前受电磁力的作用提前打开。大电流发生时，动静触头臂由于各自产生的磁场而相互之间受到较大的电动斥力，这个斥力使得静触头架9绕固定第五转轴O6快速向后转动，并带动静触头8脱离动触头3。动静触头分开的同时，触头间产生电弧，触头臂产生的磁场对电弧也具有磁吹作用。这时，虽然分闸脱扣线圈13中同样流过大的电流，但分闸锁钩11与分闸脱扣铁芯12尚未马上脱扣，所以整个机构其它部件还没有动作。

在分闸脱扣线圈13产生的电磁力的作用下，分闸脱扣铁芯12开始运动，使得分闸锁钩11脱扣。同时，动触头转动杆14在分闸弹簧16的拉力作用下作逆时针旋转。参见图5，其中，第四转轴O5被动触头转动杆14带动向下快速运动并与拉杆5上的搭钩自然脱离，解除了拉杆5的锁扣，也即产生强制气流的机构被脱扣。尽管如此，拉杆5在拉杆复位弹簧17的拉力下始终保持与第四转轴O5相接触，两者在断路器分闸过程一直保持相对滑移运动。拉杆5被脱扣后，在储能弹簧7的拉伸力作用下，传动连杆6开始绕第二转轴O2逆时针转动。活塞柄25在传动连杆6与滑动销钉O3的作用下开始向上推动，活塞阀门21处于关闭状态。气缸23内部的气体受到活塞22的推压而从窄小的喷口20快速喷向动静触头的中间位置，产生灭弧室强制对流的气流源。同时气缸23内的气体会对活塞22产生一个阻力，这个阻力将延缓活塞的推进作用。也真因为如此，使得气缸活塞排气过程的速度始终慢于动触头转动杆14转动的速度，即产生强制气流机构的操作速度要慢于分闸机构的速度，所以拉杆5和第四转轴O5一直保持着脱扣状态，动触头转动杆14的运动与传动连杆6的运动实际上在断路器脱扣后是两个相互独立的运动，即动触头3的分开过程不影响气缸23内活塞22的推进运动，这样设计可以保持较长的强制气流吹弧时间，满足动触头3完全打开后灭弧室1内还需要对电弧进行强制对流换热的要求。这时，触头尚未完全打开，从喷口喷出的电弧不仅对弧柱本身有作用，也对触头上的弧根也有较大的影响。同时，触头臂产生的磁场对电弧产生一个指向灭弧室的作用力，加快了电弧的运动。弧柱在室温气流的强制对流作用下变得冷却，使得电弧等离子体的电阻增大，相应的电弧电压也得到提高，弧柱在气体喷流的作用下也向着灭弧栅片2快速地移动。同时，电弧弧根在强制气流的作用下，缩短了在触头上的停滞时间，达到了减少触头材料损耗的目的，并且也加快了电弧整体的运动速度，这一切正是低压断路器限流原理所要求的。

参见图6，动触头3已经到达了最终分闸位置时，然而触头间的电弧还没有熄灭。由于气缸23内气体对活塞22推进产生阻力，使得强迫对流机构的动作要比开断机构的动作要慢，然而这正是继续开断电弧电流所必须的。这时，传动连杆6继续在弹簧7的拉力下逆时针转动。拉杆5在恢复弹簧17的作用在与第四转轴O5向下做相对接触滑移运动。活塞柄也在滑动销钉O3的作用下继续向上推进活塞，气流不断从喷口向灭弧室1强烈喷出。这时，灭弧室1内电弧在该强气流和触头臂磁场的作用下，不断冷却拉长，同时电弧向灭弧室1内快速四处扩散开去，电弧通道的电阻和电压也由此继续增大，最终电弧在气体强制对流的作用下快速进入了灭弧栅片2。炽热的电弧等离子体进入栅片后被栅片强烈制冷，电弧电阻和电压变得更大，同时栅片把电弧分割成几段短弧，由于近极压降的原因，电弧电压又被进一步地增大，最终被电弧电流在栅片内被熄灭。此时，喷口20处地强气流继续吹向灭弧室1，将触头间隙的残余热气强制吹散，触头间的介质恢复强度得到迅速恢复，达到限流断路器设计所要求的高介质恢复速度的原则。最后汽缸23内活塞22到达汽缸的顶部，中止了推动过程，汽缸内的气体被完全排出喷口。转动杆在滑动销钉的阻力作用下也停止了转动。拉杆5在恢复弹簧17的拉力作用下滑并重新与Q5锁扣在一起，最终一切又恢复到了图1状态。

Claims (6)

1、一种基于强制气流吹弧的低压限流断路器，包括灭弧室[1]和设置在灭弧室[1]内的灭弧栅片[2]，在灭弧栅片[2]的下端分别设置有动触头[3]和静触头[8]，其特征在于：静触头[8]的下端设置有气缸[23]，气缸[23]的出气喷口[20]位于静触头[8]的正下方，气缸[23]的活塞柄[25]与可绕第二转轴[O2]转动的传动连杆[6]的一端滑动连接，传动连杆[6]的另一端与拉杆[5]的一端轴连接，且在传动连杆[6]的下端还设置有储能弹簧[7]，拉杆[5]的另一端与可绕第一转轴[O1]转动的“L”型动触头传动杆[14]的一端相连，且在与拉杆[5]相连接的动触头传动杆[14]的一端还设置有分闸弹簧[16]，动触头[3]设置在动触头传动杆[14]的另一端，在动触头传动杆[14]上还设置有分闸锁钩[11]，分闸锁钩[11]的下端还设置有套装在分闸脱扣线圈[13]内的“T”型分闸脱扣铁芯[12]。

2、根据权利要求1所述的基于强制气流吹弧的低压限流断路器，其特征在于：所述的拉杆[5]与动触头传动杆[14]通过搭钩相互扣连，且在拉杆[5]与传动连杆[6]之间还设置有拉杆复位弹簧[17]。

3、根据权利要求1所述的基于强制气流吹弧的低压限流断路器，其特征在于：所述的动触头[3]与动触头传动杆[14]之间设置有动触头弹簧[4]。

4、根据权利要求1所述的基于强制气流吹弧的低压限流断路器，其特征在于：所述的静触头[8]通过可绕第五转轴[O6]转动的静触头支架[9]与固定支架[19]相连接，且在静触头支架[9]与固定支架[19]之间还设置有静触头复位弹簧[18]。

5、根据权利要求1所述的基于强制气流吹弧的低压限流断路器，其特征在于：所述的气缸[23]的活塞[22]上开设有活塞阀门孔[24]以及设置在活塞阀门孔[24]上的阀门[21]。

6、根据权利要求1所述的基于强制气流吹弧的低压限流断路器，其特征在于：所述的传动连杆[6]上设置有一滑槽[26]，活塞柄[25]的一端设置在滑槽[26]内。

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