CN1304149A - 配有带介电屏蔽的灭弧室的电气断路器电极 - Google Patents

Abstract

一种电气断路器电极,包括静触头装置20、动触头装置22和灭弧室24。灭弧室24包括两个侧法兰68、多个分离件78、位于静触头装置接触区附近的前开口76、下引弧角形件34、上引弧角形件96和一对沿横向限制灭弧室前开口的横向介电屏蔽100。每个横向介电屏蔽100设置在分离件和断开状态的动触头装置之间。这对横向介电屏蔽100设置成使沿垂直于纵向中平面测量的灭弧室开口的宽度在上引弧角形件附近明显小于在下引弧角形件附近。

Description

配有带介电屏蔽的灭弧室 的电气断路器电极

本发明涉及一种低压、高电流断路器的灭弧室。

文献EP 0306382描述了一种多极断路器，具有一个模制绝缘壳体，其罩住一个操作机构。该操作机构与开关杆相连来断开、闭合断路器的所有电极。每个电极都包括一个静触头装置、一个动触头装置和一个灭弧室。静触头装置包括一个由壳体的背板(back-plate)支承的、导电的固定电流输入接片、多个静态主触头和一个静态引弧触头。静态触头接片布置成前连接(front-connection)。换言之，该静态触头接片由一个较直的金属杆形成，不会使流经金属杆的电流产生弯曲的路径，并因此在断开时能够防止电磁环路对起弧的影响。动触头装置包括一个也由壳体背板支承的固定的电流输入接片和一个触头系，该触头系有多个相同的主触头，这些主触头在可动引弧触头的两侧设成具有相同数量的两排，沿着电极中心轴线纵向延伸。引弧触头朝着灭弧室的内侧伸出，使电弧能够进到灭弧室。灭弧室设在第一接片的上方，包括多个侧法兰，支承一堆由金属的电弧消电离板形成的分离件，每个板都有一个V形的槽。上、下引弧角形件位于灭弧室的这堆板的两侧。上引弧角形件上设有两个侧翻片，其沿静触头的方向向后折，并且部分地盖住灭弧室入口的上部。在触头分离区位于灭弧室两个侧法兰延长线上，各有一个横向导弧颊板。两个颊板从相应的法兰面相对彼此倾斜地延伸。颊板为显著的梯形，并位于灭弧室的底部，靠近静触头。颊板限制了在靠近下引弧角形件的底部接近灭弧室。当发生触头断开时，导弧颊板能使电弧根部沿着下引弧角形件居中。

这种灭弧室尤其好地适用于大约为3000A的高额定电流的断路器，以满足在约600V的较高电压、大约5到10倍的断路器额定电流的较低电流强度下进行单相断路测试的要求。另一方面，却非常不适用于在480V的中高电压大约100kA的非常高的故障电流下断路。当断路电流强度非常高时，电弧的截面直径实际上非常大，因此，电弧几乎是同时形成于所有触指上，并立即占据了灭弧室整个的可用空间。这样，灭弧室就受到了非常高的压力和非常高的温度。而颊板排出所生成的气体甚至进一步增大了压力。然而，颊板和上引弧角形件的定位促使灭弧室入口的开口的减小，导致了设备壳体中压力平衡的延迟，而引起壳体的爆炸。

此外，可以了解到一种美国专利US 4650938中公开的断路器灭弧室，其包括设计成靠近触头设置的多个分离件和一对设在灭弧室纵向中间平面的两侧来支承分离件的侧法兰。每个法兰都包括一个向着面对的法兰伸出的细长肋。两个肋伸过灭弧室的整个高度，垂直于分离件并彼此相对。这些肋设在分离件和触头之间，以在灭弧室的整个高度上均匀地限制灭弧室入口的开口宽度。当触头断开发生时，这些肋改变灭弧室内的气流，保护支承分离件的法兰的部分不受热气流的损害。这种结构对于低性能、范围下限(bottom-of-the-rang)的断路器是有用的以防止法兰受到电弧气体的热量的损害。反之，这种结构不能利用灭弧室的整个空间来冷却气体。因此，要消散给定功率的电弧能量所需的灭弧室的尺寸就要很大。另外，这种类型的断路器需要采取一些措施来使电弧方便地进入到灭弧室，且特别需要将静触头制成U形，设在灭弧室底部表面上，以产生电磁环路效应来促进电弧进入灭弧室。

因此，本发明的目的是改进配有上引弧角形件的高容量的多极低压断路器。本发明的目的尤其是能够对中压情况下非常高的故障电流引起的大直径电弧进行断路，防止灭弧室爆炸的危险。

根据本发明，提供了一种用于断路器的电极来实现上述目的。该断路器包括一个壳体和一个能够从闭合状态切换到断开状态的操作机构，所述电极包括：

包括接触区的静触头装置；

动触头装置，能与所述机构相连并能从其与静触头装置的接触区接触的闭合状态切换到两个触头装置分开的断开状态；

灭弧室，包括：

两个由绝缘材料制成的平行的侧法兰，位于距灭弧室纵向中平面距离相等处，

多个分离件，从一个侧法兰伸向另一个侧法兰，并明显垂直于纵向中平面，

前开口，位于静触头装置接触区附近，

由导电材料制成的下引弧角形件，与静触头装置电连接，

由导电材料制成的上引弧角形件，所述分离件位于所述下引弧角形件和上引弧角形件之间，

一对由电绝缘材料制成的横向介电屏蔽，朝中平面伸出，并横向限制灭弧室的前开口，

其中，每个横向介电屏蔽被布置成横向置于分离件和断开位置的动触头装置之间，

这对横向介电屏蔽设置成使沿垂直于纵向中平面所测量的灭弧室开口的宽度在上引弧角形件附近明显小于在下引弧角形件附近。

引弧角形件有助于使电弧在主电弧头一切换到上引弧角形件时就进入到灭弧室中，即使触头接片是前连接型，对电弧没有任何电磁环路影响。至于介电屏蔽，能够使电弧在断开状态的动触头和分离件之间拉长、变弯，以促使电弧切换到上引弧角形件。介电屏蔽在灭弧室底部静触头附近变窄，能够得到一个进入灭弧室的宽开口，其促进了灭弧室和电极前空间之间的压力平衡。灭弧室内压力的迅速增加实际上有害于电弧进入灭弧室且留在里面并易于导致灭弧室爆炸。成型的介电屏蔽和引弧角形件的组合有助于在控制灭弧室内压力的同时拉长其内的电弧。

优选地，上引弧角形件包括一个自由端，位于断开位置的动触头装置附近，并置于分离件和断开状态的动触头装置之间。每个横向介电屏蔽的上部置于分离件和上引弧角形件自由端之间。上引弧角形件的这种定位能够实现电弧到上引弧角形件上的最佳切换。介电屏蔽构成了电弧的屏障。电弧要绕过屏蔽才能到达分离件，这就拉长了电弧。

根据一个实施例，横向介电屏蔽由产生很少或不产生气体的材料制成，尤其是聚四氟乙烯或者强化填充的6-6聚酰胺或4-6聚酰胺。因此，这些屏障不会增加灭弧室内的压力。另外，也不会产生任何阻碍电弧进入灭弧室的气流。

根据一个实施例，每个介电屏蔽包括上部和下部，下部明显窄于上部。另外，可以整个地去掉下部。

根据一个实施例，每个介电屏蔽包括一个前部，两个介电屏蔽的前部沿横向至少部分地界定所述接触区。屏蔽的前部作用为电极侧壁的保护屏。

通过对由附图示出的、仅作为非限制性例子给出的本发明实施例所进行的以下描述，本发明的其他优点和特征将会更加清楚。其中，

图1是根据本发明一个优选实施例的开关设备的电极沿其灭弧室纵向中平面的剖视图；

图2是图1中的电极一部分的分解透视图，尤其示出了灭弧室；

图3是图1中的电极的俯视图；

图4是本发明断路器和两个为比较目的而选用的其他断路器电流强度和电弧电压对时间的变化曲线；

图5是本发明断路器和两个为比较目的而选用的其他断路器压力对时间的变化曲线。

参见图1到3，低压多极电源断路器10包括罩住了操作机构14的绝缘壳体12。操作机构14是公知类型的，配有一个所有电极共用的横向开关杆16。开关杆16在装在壳体12中的轴承内转动。每个电极包括一个静触头装置20、一个动触头装置22和一个位于静触头装置20附近的灭弧室24。

静触头装置20包括一个电流输入接片26，其安装在壳体12的背面，部分地位于灭弧室24的下面。静触头装置20还包括两个直接固定在电流输入接片26上的主触头单元28(见图2)和一个设在相对固定的触头单元28突出的金属板32上的中央引弧触头30。金属板32固定到电流输入接片上单元28和灭弧室24之间的中间区域，经过一个导电的下引弧角形件34伸向灭弧室内部。电流输入接片26、单元28、引弧触头30和引弧角形件34可用各种金属导电材料制造，并处于相同的电势。引弧触头30和单元28一起形成了接触区36，设计用来完成与动触头装置22的电接触。

至于动触头装置22，它包括一个导电的固定电流输入接片40、绕一个相对壳体12固定的轴44可枢转地安装的支承架42和位于中央引弧触指48两侧的多个主触指46(见图3)。触指46和48绕相对架42固定的公共几何轴转动，并由接触压力弹簧朝着静触头装置偏置。连杆54完成动触头装置22的架42和机构14的开关杆16的曲柄56间的连接。每个主触指46都包括一个接触垫，设计用来在设备处于图1所示的闭合状态时与静触头装置20的对应触头单元28接触；还包括一个插销60，沿着灭弧室的方向伸出并超过接触垫。至于引弧触指，它有一个动引弧触头62，设计用来在设备处于图1所示的闭合状态时完成与静触头装置20的静引弧触头30的接触；还有一个插销64，沿着灭弧室的方向伸出并超过接触垫，其形状与插销60一致。触指46和48经编织电缆49与电流输入接片40电连接。

灭弧室24包括两个由绝缘材料制成的侧法兰68。两个侧法兰68平行于图1的横剖面的两侧并在剖面的两侧距剖面的距离相等。因此，该剖面构成了灭弧室24和电极的几何纵向中平面。用作其气体出口的后壁72位于灭弧室的后面，垂直于侧法兰68。壁72包括一个或多个用作断路气体出口的小孔74。前开口76与后壁72相对，设在接触区36附近。由扁平金属板形成的分离件78从前开口76垂直于纵向中平面70延伸到后壁72。分离件78彼此间隔开一定的距离设置，以便在前开口76和后壁72间留出了气流的通道。分离件78由侧法兰68横向支承。每个板78都有一个前电弧拾取边80，拾取边80在板面内大致呈弯曲的凹下的U形或V形，带有一个逐渐变窄的非对称槽82。分离件78堆在一起使槽82交替地位于灭弧室横向一侧和另一侧。

下引弧角形件34设计用来当电弧从静引弧触头30伸向灭弧室24内部时接收电弧根部，其包括位于灭弧室24内部的后部84和将后部和静引弧触头30连起来的中间部85。后部84的宽度，即沿其垂直于灭弧室纵向中平面70的轴线测量的最大尺寸，很大，而中间部85构成了较窄的部分。后部84形成有两个横向表面，构成了在灭弧室24内形成的电弧根部的接收区域86。

下引弧角形件34固定在背板90上。背板90由绝缘材料制成，在本例中，是填充有30％玻璃纤维的6-6聚酰胺。板90没有被引弧角形件盖住的部分一直延伸到法兰68和后壁72，提供了一个周边92，形成了伸进灭弧室内部并与引弧角形件的后部84的周边平齐的肩部。

上引弧角形件96设计用来当电弧离开引弧触指时接收其头部，它由垂直于纵向中平面70的金属板形成，由侧法兰支承。上引弧角形件96的后部基本上平行于分离件，在其前部包括一个翻片98。翻片98部分地封闭灭弧室的上部，并位于灭弧室上部和外面的分离件78的前边缘之间。翻片98包括表面99。当动触头装置处于断开状态(图1虚线所示)时，该表面99紧邻触指46和48的插销60和64。

相对于纵向中平面对称放置的两个横向介电屏蔽100，限制灭弧室的前开口。介电屏蔽100由产生很少或不产生气体的绝缘材料制成的板形成，优选地是聚四氟乙烯(PTFE)或者强化填充的6-6或4-6聚酰胺，或者是热固性材料或聚酯。各介电屏蔽包括一个扁平的前部和一个后部。前部位于灭弧室外部其侧壁的延长部分上，而后部弯向灭弧室和中平面，并精确地沿着分离件的轮廓。两个介电屏蔽100的前部形成了颊板，位于静触头接片的两侧，并延伸足够的高度，使接触垫58在断路器断开时也能够位于颊板间。每个介电屏蔽的后部本身包括向灭弧室延伸得非常深的上部和较小的下部。介电屏蔽100面对灭弧室24的边102是倾斜的，并在灭弧室的出口76处形成了一个槽。换句话说，介电屏蔽100只是稍微地减小了灭弧室开口76在静触头装置附近的底部的宽度，而很大程度上减小了灭弧室前开口76在引弧角形件附近的顶部的宽度。介电屏蔽100的后部上部插在上引弧角形件96的翻片98和位于灭弧室上部的分离件78之间。

上述器件的操作如下：

在闭合位置时，开关杆16被机构14锁住，并将架42保持在图1所示的位置。弹簧52在主触指46的垫58和触头接片28之间产生了接触压力，也在引弧触指48的触头62和静引弧触头30之间产生接触压力。

当出现电流强度非常高的漏电时，大于100kA的峰值，跳闸装置使机构14松开，而导致断开。开关轴16的转动使架42绕着其转轴44转动。主触指46由于接触压力弹簧的作用，沿着图1逆时针方向绕着转轴50非常轻微地转动，而保持着与单元28的接触。它们然后靠在架42的制动件上，并与架42一起稳定地被驱动绕转轴44沿顺时针转动，以便与单元28分离。就原理来说，引弧触指48的运动是类似的，但是在时间上是错开的，这是由于单元28和静引弧触头30之间的空间偏离。从而当主触指的分离发生时，引弧触指48仍与固定引弧触指30接触。接片26和40间流过的电流随后全部流经引弧触头30和62。在第二阶段，引弧触指48又靠在架42的制动件上，稳定地驱动引弧触指随架42绕架42的转轴44顺时针转动，从而使引弧触指48和静引弧触头30分离。随后形成了电弧，不仅仅在引弧触头30之间，而且也在触指46和接片28之间，是由于电流强度使引弧触头的表面不足以接收电弧。为说明的目的，应该记住，一个自由电弧具有每平方厘米的电弧截面峰值电流为104安培的强度。

当机构到达断开位置时，触指46和48位于上引弧角形件的翻片98附近，在图1中以虚线表示的位置。然后，电弧头部切换到上引弧角形件96上，使主弧拉在上、下引弧角形件之间，而副弧与主弧串行地形成于翻片98的表面99和触指46和48的插销60和64之间。介电屏蔽的上部迫使电弧走旁路，因此，主弧的头部向着灭弧室背面逐渐地迁移到上引弧角形件上。

电弧一进到灭弧室24，就根据与分离件78接触的多少分成子电弧，每个子电弧在两个相邻的分离件78之间或者各引弧角形件34和96与相对的分离件78之间形成电气串联。

灭弧室内的压力增加不太高，尤其是由于灭弧室入口底部的较大的宽度，这实现了电极内压力的总体上的平衡。选择产生很少或不产生气体的材料来构成介电屏蔽，也有助于灭弧室内压力不增加。

对包括引弧角形件但是没有介电屏蔽的前连接断路器(曲线a)、包括引弧角形件和对灭弧室开口的宽度在顶部到底部施加均匀限制的介电屏蔽的断路器(曲线b)和根据本发明的断路器(曲线c)进行了比较测试。图4和5分别表示当强度非常高的漏电而断路时的电压和压力变化曲线。曲线U_r代表电源系统电压。

当没有介电屏蔽时(曲线a)，电弧在上引弧角形件的翻片和下引弧角形件之间相对灭弧室入口保持倾斜。位于灭弧室上部的分离件弯曲完全没有被用到。灭弧室内的压力P_a较低。电弧电压U_a没有高到能够防止电流过零后电弧的再触发。断路没能成功地完成。

当介电屏蔽均匀地盖住灭弧室入口横向两侧时(曲线b)，灭弧室内的压力P_b增加得非常快，直到与乘积UI相联的一个极值。这个非常高的压力值尤其可以由灭弧室底部区域材料的烧蚀得到解释。在灭弧室内电压很早就升高并维持在高的数值。当电流过零点时，电弧电压U_b足够高，能够防止电弧的重新生成。因此，电流中断。但是，灭弧室内达到的最大压力要求灭弧室的壁大大地加强以防止设备爆炸。另外，电弧电压U_b过旱增加对与适当限制设备没有用，因为重要的事情是在电流过零时具有一个充分高的电弧电压。

当使用本发明的断路器时(曲线c)，压力Pc同样增加很快，但是更旱地稳定在比前面小的高值。电弧电压U_c增加得没有那么快，并且当受限电流开始减小时达到其最大值。但是，这个最大值与前面测试的最大值相等，并且一直保持这个值，直到电流过零，以便在此时将电弧完全灭掉。

在不背离本发明范围的情况下自然有各种可能的修改。在上述的实施例中，介电屏蔽产生很少或不产生气体，因此能控制灭弧室内压力的增加。不过，在某些情形下，提供由产生气体的材料制成的介电屏蔽也是有用的。这时，要在断路器最终的断路容量和其他断路测试，尤其是高电压、低电流的测试中的性能之间进行折衷。

上引弧角形件的翻片98促进了电弧的切换，但是如果在断开结束时动触指所到达的位置有利于将电弧直接引到上引弧角形件上，那么，就能够省掉翻片98。

在前述实施例中，屏蔽的前部用作起弧的接触区和位于接触区两侧的电极的侧壁之间的屏。如果电极位于接触区两侧的电极的侧壁对电弧具有足够的阻抗，那么就可以省掉这个前部。

为了获得在低压下断开非常高的电流时要达到的效果，比主触头更深地伸进灭弧室内的专门引弧触头并不是必需的。选择这种结构是为了实现设备的其他性能，尤其是设备在受高压、低电流下进行测试时。本发明还可用在动触头装置只具有一个触指的设备中。

Claims (5)

1．一种用于电气断路器(10)的电极，所述断路器包括壳体(12)和能从闭合状态切换到断开状态的操作机构(14)，所述电极包括：

包括接触区(36)的静触头装置(20)；

动触头装置(22)，能与所述机构相连并能从其与静触头装置的接触区接触的闭合状态切换到两个触头装置分开的断开状态；

灭弧室(24)，包括：

两个由绝缘材料制成的平行的侧法兰(68)，位于距灭弧室纵向中平面(70)距离相等处，

多个分离件(78)，从一个侧法兰伸向另一个侧法兰，并明显垂直于纵向中平面，

前开口(76)，位于静触头装置接触区附近，

由导电材料制成的下引弧角形件(34)，与静触头装置电连接，

由导电材料制成的上引弧角形件(96)，所述分离件位于所述下引弧角形件和上引弧角形件之间，

一对由电绝缘材料制成的横向介电屏蔽(100)，朝中平面伸出，并横向限制灭弧室的前开口，

其特征在于：

每个横向介电屏蔽(100)被布置成横向置于分离件和断开位置的动触头装置之间，

这对横向介电屏蔽(100)设置成使沿垂直于纵向中平面测量的灭弧室开口的宽度在上引弧角形件附近明显小于在下引弧角形件附近的宽度。

2．如权利要求1所述的电极，其特征在于，

上引弧角形件(96)包括一个自由端(98)，位于断开位置的动触头装置附近并置于分离件和断开状态的动触头装置之间，

每个横向介电屏蔽的上部置于分离件(78)和上引弧角形件(96)的自由端(98)之间。

3．如权利要求1所述的电极，其特征在于，横向介电屏蔽(100)由产生很少或不产生气体的材料制成，尤其是聚四氟乙烯或者强化填充的6-6聚酰胺或4-6聚酰胺。

4．如权利要求1所述的电极，其特征在于，每个横向介电屏蔽(100)包括一个上部和明显比上部窄的下部。

5．如权利要求1所述的电极，其特征在于，每个横向介电屏蔽(100)包括一个前部，两个介电屏蔽的前部至少部分地界定了接触区(36)。

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