CN1469405A - 用于开关或断路器等电力保护设备的真空管壳 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种用于如开关或真空断路器的电气保护设备的真空管壳，所述管壳具有一个大体为圆柱形的被两端板封闭的外壳，两个在外壳内轴向延伸的触头，它们中的至少一个被称为动触头，该动触头连接于操作机构，并安装为在能使电流通过的触头闭合位置和使触头分离并在触头间产生电弧的位置之间移动，以及一用于在电弧生成区域产生轴向磁场的装置。该管壳具有至少一个环绕至少一个触头(3，4)安装的导电屏蔽(11)，所述导电屏蔽(11)的形状和布局能承受断路后右电力系统施加的恢复电压所引起的电场，并且大大减少所述触头(3，4)边缘处的电场。

Description

用于开关或断路器等电力保护设备 的真空管壳

技术领域

本申请涉及一种用于电气保护设备如开关或断路器的真空管壳，所述管壳具有由两端板封闭的大体为圆柱型的外壳，两个在外壳内轴向延伸的触头，其中至少一个被称为动触头的触头连接至操作机构，并且安装为在能使电流流过的触头闭合位置，和能使触头分离并在触头间形成电弧的一个位置之间滑动，以及用于在电弧形成区域产生磁场的装置。

背景技术

在本申请人中请的法国专利2,682,808或法国专利2,726,396中，对上述类型的真空断路器进行了描述。

在此类断路器中，真空管壳具有在强电流下被以下现象所限制的切断能力。当电流流过时，电弧将来自熔融触头的液体物质移动至触头边缘。在断路发生时刻，该温度极高的液体物质(大约2000°)位于触头的边缘。断路后，在两触头之间形成由电力系统施加的恢复电压。由于触头的几何形状，由该电压产生的电场在触头的边缘处最大。这就引起了不希望出现的现象。首先，当冷却时，液体继续散发出金属蒸汽和气体，这些散发物在通常为高真空的环境中生成具有高气体密度的空气，而该具有高气体密度的空气具有减小的绝缘强度。第二，由于热磁机理，存在于被液化的并且温度极高的物质正上方的电场会引起电子发射。这些自由电子将蒸气和气体电离。然后，这两个现象的组合将导致电弧重燃并且导致断路中管壳的失效。此外，电场可能使液体的表面变形，使电场进一步增强，这是一个自放大并且会导致电弧重燃的有害现象。

为克服存在于工业管壳中的这些缺陷，已经对关于触头与外壳壁之间的被称为最佳距离的距离进行了一些测试，该距离可提供最大的切断能力，但却因此增加了对管壳体积的限制。

此外，以上提到的一些类型的管壳，如在法国专利2,726,396中描述的，另外具有一作为外壳壁的金属屏蔽。该屏蔽连接至触头中的一个上，通常连接至静触头，因此增加了在动触头位置处生成的电场。这样，管壳在绝缘方面被认为是不对称的。动触头边缘的电场要强于静触头边缘的电场。并且，依据恢复电压的极性，绝缘强度在断路后或多或少会好一些。这样，对它来讲，最好连接为受负电压作用的静触头而不是动触头。当动触头相对于静触头受负电压作用时，由于较强电场的出现，热物质放射出更多的电子，这增加了重燃的危险。几何形状的不对称也体现在切断能力的不对称上。对于25KArms的额定电流来说，差别大约为15％。

发明内容

本发明旨在克服这些问题，并提供一种切断能力增强的真空管壳，并且该管壳的切断性能更加对称。根据本发明实现的管壳在尺寸上也得以减小。

为此，本发明的目的是提供一种上述类型的真空管壳，该管壳的特征在于，它具有至少一个导电屏蔽，该导电屏蔽围绕至少一个触头的外围设置，所述屏蔽被这样成形并且放置，即能够承受断路后由电力系统施加的恢复电压所引起的电场，并且显著地减小触头边缘的电场。

根据一个具体的实施例，上述屏蔽电连接于所述触头，并且完全与所述触头充分分离，以使在所述触头的接触面上运动的液体不能到达所述屏蔽。为实现该效果，一管沟将触头的接触面与所述屏蔽的端部分隔。

根据特定特征，上述屏蔽环绕整个所述触头。

根据另一特征，上述屏蔽为半环形，并固定在动触头的底部上。

根据另一特征，相对于每一触头，管壳具有被称为一第一屏蔽的屏蔽，和一被称为第二屏蔽的屏蔽，其中该第一屏蔽具有上述特征中的单独一个或几个的组和，第二屏蔽设置在称为第一屏蔽的屏蔽和管壳的外壳之间，所述第二屏蔽设计为防止外壳被电弧水蒸气金属化，其次引起在所述触头上的电场值的增加。

根据一特定特征，物理连续实现于处于闭合位置的触头上，此处为触头磨损最小的位置。

根据一特定特征，通过放置在一个触头接触面上的环、环的扇形段或销子实现物理连续，并且这些环、环的扇形段或销子定位成分别面向放置在另一触头上的接触面上的环、环的扇形段或者销子。

根据一特征特征，这些环、环的扇形段或销子位于将上述被称为第一屏蔽的屏蔽与相关触头相分隔的管沟之上。

附图说明

从以下对附图详细描述中可以更加清楚的了解本发明的其他优点和特征。这些附图仅仅作为例子给出，其中：

图1为根据现有技术的真空管壳的轴向剖视图，

图2为根据本发明的真空管壳的透视图，

图3为前图的根据本发明真空管壳的轴向剖视图，

图4为根据本发明的对称型真空管壳的轴向剖视图，

图5为根据本发明管壳的轴向剖视图，其中触头另外设置有倾斜的窄缝，

图6为根据本发明管壳的轴向剖视图，其中带有窄缝和环，

图7为显示切断能力与触头和壁之间的距离关系的图表，一个管壳根据现有技术，一个管壳根据本发明，

图8为显示切断能力与触头直径之间关系的图表，一个管壳根据现有技术，一个管壳根据本发明，以及

图9为根据本发明真空管壳另一实施例的轴向剖视图。

具体实施方式

图1至6中所示的真空管壳A，特别设计为结合在中压电力断路器中，以在故障出现或是计划好的电路断开指令的情况下执行电路的切断。图1中，可看到根据现有技术的真空管壳A。

该真空管壳A具有由两个端板1，2封闭的圆柱型壳体E，在该壳体内容放有两个电弧触头3，4，分别为静电弧触头3和可动电弧触头4。该动触头4由致动杆5机械连接于一操作装置(没有示出)，所述杆5通过其一端5a连接至所述装置，并且通过它的另一端5b固定连接于可动电弧触头4。该操作装置能够平移上述杆5和动触头4在壳体E内在两个位置之间转换，这两个位置分别为相应于设备正常工作的触头闭合位置，和在被保护电路内已经出现故障之后或发出计划好的电路断开指令时，触头断开或分隔的位置。可以看到，内部线圈6，7设置在每一触头3，4的后部，所述线圈6，7形成产生轴向磁场的装置，该磁场能够实现断路时当触头断开之后，产生在触头间的电弧的扩散。还可以看到，金属屏蔽9设置为环绕与动触头4相连的致动杆5的一端5b，屏蔽9和另一屏蔽1的一部分定位为环绕动触头4，并且引起在断路期间在动触头位置处所产生的电场的增加。

在图2和3中，可看到根据本发明的真空管壳A具有上面提到的部件，屏蔽11设计使触头4边缘的电场减小。该半环型屏蔽11放置成环绕动触头4的整个外围，并具有两个直径不同的圆形边缘11a，11b。该屏蔽11通过它的下圆形边缘11b电气连接于动触头4，并且与所述动触头4充分分离，以使在电弧压力下在触头接触面上流动的液体不能到达所述屏蔽11。在触头4和屏蔽11之间形成一管沟14，所述管沟14的深度为5mm，而宽度在0.5mm到4mm之间。屏蔽11的形状使得触头4边沿处的电场值大大减小。这样，所述屏蔽11的边缘11a与触头焊盘等高或稍小于触头焊盘的高度。当屏蔽11相对于触头4稍退回时，它们之间的高度差形成在0和5mm之间。由于来自触头4的熔滴的射出，可使屏蔽11经受热冲击，因此屏蔽11必须呈现良好的耐热性。因此，屏蔽11最好由铜或与触头4相同的材料制成。可替换的，该屏蔽11可由除绝缘体外的难熔材料，如SiC制成。该图中管壳A的切断能力要比图1中管壳的大20％。根据本发明的保护屏蔽11充分减小了动触头4与金属外壳E之间的距离。这样，尽管存在屏蔽11将该距离充分减小这样的事实，但是切断能力得到了相当大的增加，如图7中曲线2所示，而曲线1表示现有技术的管壳的性能。事实上该曲线在Y轴上以百分比形式表示切断能力，在X轴上以mm形式表示屏蔽相对于壁的距离1。在该实施例中，由于设置屏蔽11，动触头4和外壳壁E之间的距离得以减小，其现在为9mm，但开始时为13mm。该屏蔽11因此引起一个非常高的不损害切断能力的电场。

最好，屏蔽11设置为环绕动触头4，如图2，3中所示，但是除第一屏蔽外，也可放置另一个屏蔽，环绕静触头3。

该屏蔽11也可有益地使用在具有浮动屏蔽的对称型管壳内，如图4所示。对于每一触头3，4，事实上该管壳具有位于触头3，4后的内部线圈6，7，在此其形式为靠近壳壁延伸的杯状金属屏蔽8，9，在内部线圈6，7与外壳之间，根据本发明的两个屏蔽10，11分别放置为环绕静触头3和环绕动触头4。

在图5中，本发明应用到管壳A中，其中触头设置有在法国专利申请2，808,617中描述的窄缝12。这些窄缝12形成在触头3，4内，以接收并便于在位于接触面下的表面方向上的触头液体流，该液体来自断路期间由于电弧的集中作用引起的触头材料的熔融。这些窄缝12使电弧触头3，4之间的接触面以及液体增加，这样形成对于电弧隐藏，但是对于液体可接触到的表面。该设置具有加速所述触头材料冷却的作用，尽管断路期间存在电弧的集中作用。

由于这些设置，液体到达触头的边缘3a，4a需要消耗更多的时间。这样，当电流值非常高时的时候，液体到达触头的边缘3a，4a。在该图描述的实施例中，动触头4配有根据本发明的屏蔽11。由于一方面液体不到达屏蔽11，另外液体要花费更长的时间到达触头的边缘3a，4a，所以，这样环绕触头4的屏蔽11的相关有益作用可通过触头3，4内窄缝12的出现而被增强。

在图6中，能看到管壳A具有一外部线圈17，并且另外具有两个环15，16，这两个环能实现闭合位置处两触头3，4之间的物理连续。

前图中的管壳A的触头3，4与标准的管壳相比出现更大的磨损，理由如下：断路时生成的液体不滞留在表面上，并且切断能力的增加使该腐蚀更为增强。于是，有利的做法是，将触头3，4在闭合位置处能实现电流传导的物理连续的位置，与在触头上出现最大磨损的位置分隔开。但是众所周知，由内部和外部线圈生成的轴向磁场可良好的稳定电弧，并且更倾向于将它放置在最强的地方，至少对于强电流来说。在这些地方，腐蚀是最厉害的。于是，有利的做法是，在其他地方实现物理连续，该物理连续可通过可以采取环15，16的形式几个部件实现。为此目的，在每一触头3，4的水平位置处，在该图中描述的管壳具有放置在将屏蔽10，11与触头3，4相分隔的管沟13，14上方的环15，16。由于这种设置，液体能够自由流过窄缝12。在该实施例中，切断能力得以增加，增加值能够达到根据图1管壳的相关切断能力的60％。

应该指出，该物理连续也可以通过具有较小尺寸而不再与屏蔽接触的环来实现。该物理连续还可以由若干销子(stud)或环的扇形段实现。

还应指出，该屏蔽可为除半环形的其他形状，例如正方形等。

在图9中，该屏蔽也用来传导一部分电流。当一部分电流通过该屏蔽时，为使轴向场增加，可给电流一个旋转方向。电流的旋转可以通过在屏蔽内设置倾斜的窄缝获得。

在该图中，可以看到，屏蔽构成的线圈内的窄缝的倾斜与触头内窄缝的倾斜相对。第一部分窄缝用作产生轴向磁场，而第二部分窄缝用作允许液体(熔融金属)流过。于是，由于这些不同的倾斜，触头上流动的液体被抛到屏蔽的大的部分，然后屏蔽内的窄缝不允许液体通过。具有窄缝的屏蔽实现三个功能，其分别为，避免液体金属的喷射，机械支持触头环和电流导体，增加或产生触头间的轴向磁场。

本发明也有益地应用在专利FR2,745,118所描述的管壳中。在附图中没有示出该管壳的实施例，此外所述管壳另外具有由导电材料制成的另一屏蔽，并且电气连接于一个触头，所述屏蔽位于外壳内，与将触头分隔的间隙相面对，并且按照电流输入的位置在预定位置位于触头周围，这样当电弧趋向于偏离上述间隙时，该电弧将自己置于触头和屏蔽之间。该实施例的开关具有增强的切断能力，该电弧切断能力能够通过生成较小磁场而获得，并且它的持续运载电流能力也得以增加。

在此开关中使用根据本发明的屏蔽可使切断能力进一步增强。

图8示出了切断能力C与用于根据本发明管壳以及用于根据现有技术管壳的触头直径d之间的关系。电流c以KA rms表示在Y轴上，触头直径d以mm表示在X轴上。在该图中，正方形点代表具有外部线圈(12KV)的管壳得出的值，三角形点代表由具有内部线圈(24KV)的管壳所得出的值，圆点相应于所示值。深颜色线代表对使用有轴向磁场的传统类型的管壳的限制，浅颜色的线代表对于根据本发明管壳的限制。从这条曲线上还可以看到，对于相同的触头尺寸，根据本发明的管壳的切断能力大于根据现有技术的管壳的切断能力。于是，将触头尺寸减小三分之一还可获得相同切断能力。此外，根据本发明的管壳在断路方面具有更加对称的性能，特别是当管壳为具有窄缝的一种类型。这样，断路后的绝缘强度几乎不随恢复电压的极性变化。

自然，本发明不限于所描述的实施例，图中已经示出的仅是为了举例的目的。

相反，本发明包含根据本发明的精神实现所述装置及其结合的所有技术等同物。

Claims (18)

1.一种用于如开关或断路器等电气保护设备的真空管壳，所述管壳具有由两个端板封闭的基本为圆柱形的壳体，有两个触头在该壳体内轴向延伸，其中至少一个触头被称为动触头，该动触头连接至操作机构并且滑动安装在能使电流通过的闭合位置和触头分离并且在触头之间形成电弧的位置之间，所述管壳还包括用于在电弧生成区域产生轴向磁场的装置，其特征在于：

所述真空管壳具有至少一个导电屏蔽(11)，设置为环绕至少一个触头(3，4)外围，屏蔽(11)的形状和布局能够使其承受除断路后由电力系统施加的恢复电压所引起的电场，这样可显著地减少所述触头(3，4)边缘处的电场，并且通过在其中一个触头的接触面上放置的环、环的扇形段或销子，在触头(3，4)上实现其闭合位置处的物理连续，这些环、环的扇形段或销子分别与设置在另一触头接触面上的环、环的扇形段或销子相面对。

2.根据权利要求1的真空管壳，其特征在于：所述屏蔽(11)用于传导至少一部分电流。

3.据权利要求2的真空管壳，其特征在于：所述屏蔽(11)具有多个窄缝，这些窄缝布局成使所述屏蔽(11)构成一线圈。

4.根据权利要求1至3任一项的真空管壳，其特征在于：上述屏蔽(11)电气连接于所述触头(3，4)，并且与所述触头充分分隔，以使在触头(3，4)的接触面上运动的液体不会到达所述屏蔽(11)。

5.根据权利要求1至4任一项的真空管壳，其特征在于：上述屏蔽(11)环绕整个所述触头(3，4)。

6.根据以上任一权利要求的真空管壳，其特征在于：屏蔽(11)形状为在所述屏蔽(11)和所述触头(3，4)之间形成一个宽在0.5mm和4mm之间的管沟(14)。

7.根据权利要求6的真空管壳，其特征在于：上述管沟(14)的深度大约为5mm。

8.根据以上任一权利要求的真空管壳，其特征在于：上述屏蔽(11)的端部(11a)与触头杆(3，4)基本上在同一个高度上，或稍小于该触头杆(3，4)的高度。

9.据以上任一权利要求的真空管壳，其特征在于：上述屏蔽(11)为半环形，并且固定在动触头(3，4)的底部上。

10.根据以上任一权利要求的真空管壳，其特征在于：上述屏蔽(11)由与触头(3，4)的材料相同的材料制成，例如铜。

11.根据以上任一权利要求的真空管壳，其特征在于：上述屏蔽(11)由难熔材料制成，如SiC。

12.根据以上任一权利要求的真空管壳，其特征在于：上述屏蔽(11)环绕动触头(4)安装。

13.根据以上任一权利要求的真空管壳，其特征在于：它具有另一屏蔽(8，9，1)该第二屏蔽(8，9)设计为防止外壳被电弧蒸气金属化，其次引起在所述触头(3，4)上的电场值增加。

14.根据权利要求13的真空管壳，其特征在于：所述第二屏蔽(8，9)安装在被称为第一屏蔽(10，11)的屏蔽和管壳A的外壳E之间。

15.根据以上任一权利要求的真空管壳，其特征在于：每一触头(3，4)具有至少一个通过所述触头(3，4)的窄缝(12)，所述窄缝(12)设置成接收上述液体并且便于它的流动(3，4)。

16.根据权利要求1至16的真空管壳，其特征在于：这些环(15，16)、环的扇形段或销子位于上述将被称为第一屏蔽(10，11)的屏蔽和与其关联的触头(3，4)分隔开的管沟(13，14)之上。

17.根据以上任一权利要求的真空管壳，其特征在于：它具有被称为第三屏蔽的由导电材料制成的屏蔽，所述屏蔽位于外壳E内，面对分隔触头(3，4)的间隙，并且被电气连接于触头(3，4)中的一个，所述屏蔽环绕触头(3，4)放置在根据电流输入位置的预定位置处，这样当电弧趋向于从上述间隙偏离时，该电弧将自己放置在触头(3，4)和屏蔽之间。

18.根据权利要求13的真空管壳，其特征在于：位于触头内的窄缝的倾斜与屏蔽(11)内的窄缝的倾斜是相对的，这样流过触头内的窄缝的液体不能通过屏蔽内的窄缝。

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