CN86105714A - 电路断路器 - Google Patents

Abstract

电路断路器包括可相对地在闭合和开启位置间移动的第一和第二主触头，关闭时形成一部分通过电路断路器的主电流通道；第一和第二电弧触头形成一部分电弧电流通过电路断路器，触头的运动可在开启断路器时致使主触头分离。在第一和第二电弧触头之间形成电弧，一电弧激励线圈环绕第一为环状的电弧触头并与与此有关的电弧电流通道串联，大体上对称于线圈径向中平面的第二电弧触头和一导线组连接并形成一部分电弧电流通道。

Description

本发明涉及一种电路断路器。

在已知的旋转式电弧电路断路器中，电弧是在负电性介质例如六氟化硫（SF₆）中从分离的触头间引出的，并保持在中心电极和一个与一电弧电流从中流过的电弧激励线圈同轴的环状电弧电极之间。线圈中产生的磁场驱使电弧围绕环形电极并且在电流为零时灭弧。

运用此原理产生了关于电路断路器的许多建议，但都在适合于电弧控制的程度上存在缺陷，因此其结果是高能量的电弧需要大容量的绝缘介质以达到良好的灭弧。许多这种类型的电路断路器都是在一固定触头和一可动触头之间触发电弧，然后向一电弧电极传送至少一个电弧源，这就产生这样的难点，即电弧会具有从它最佳输送通道被激励的趋势。而这种装置的几何形状又常常具有这样的特点，即由流向电弧和在电弧中的电流产生的回路磁力使这种趋势增强，这种系统中的线圈直到电弧产生后才带电，因此电弧源直到电弧被磁通量控制时才相对地自由迁移。为了适应这种情况，要求线圈具有相当大的轴向长度，以保证控制电弧。不可避免地，最终的电弧是长的并因此具有高的能量。英国专利申请公开GB-A-2038100描述了一个这种装置的典型例子。

其它装置的例子，其一在英国专利申请公开GB-A-2052160中给出，其电弧电流通道是与主电流通道并联设立的，主电流通道包含第一和第二主触头，它们在电弧电流通道的触点断开之前断开。因此在电弧形成之前，电弧电流在线圈中流动，电弧直接在电弧电极之间起弧。电弧配置能因此而被改进，但装置的几何条件依然是如此，即由流向电弧的和在电弧中的电流产生的回路磁力将使电弧从它的最佳通路中激出。依然产生长而且高能量的电弧。

本发明旨在改进电弧控制，目的在于减少电弧能量，从而能够更容易地灭弧。

根据本发明，电路断路器包含：可相对地在闭合和断开位置间活动的第一和第二主触头，当闭合时，形成主电流通道的一部分通过电路断路器;第一和第二电弧触头，它们形成电弧电流通道的一部分通过电路断路器，以及其他装置，它们影响触头运动，导致电路断路器在断开过程中，主触头打开，电弧形成于第一和第二电弧触点之间;其中第一电弧触头为环形，第二电弧触头位于环状触头开口中心处空隙内;有一电弧激励线圈围绕环状触头，并与有关的电弧电流通道串联;第二电弧触头和与第二电弧触头连接、并形成电弧电流通道的一部分的导线组，基本上是与线圈的径向中平面相对称的。

本发明的关键在于第二电弧触头和通向该处的电流通道基体上是与线圈的径向中平面相对称，从而导致这样结果：电流是以这样一种方式被引入到电弧触头系统的，以致由导线中流向电弧触头的电流强加于电弧上的回路磁力被有效地消除了。这个结果之所以产生，实际上是由于相等的电流会从线圈中平面的各侧流向第二电弧触头，由按第一轴向流动的电流引起的回路磁力被由按第二轴向流动的电流引起的回路磁力抵消之故。这样就显著减少了电弧源的漂移，与已有技术的装置相比，大大减少了线圈的轴向长度。而且回路磁力的抵消将保证电弧在径向中平面迅速而明显地稳定，并在该平面旋转。这有利于使这种中平面成为具有最大磁力线密度的平面，从而使电弧的角速度达到最大值，并有助于电流为零时灭弧。

由于能够将电弧稳定在具有最大磁力线密度的平面内，所以能够将线圈制成较少的圈数和较疏的结构，从而可降低成本。换言之，依照本发明的断路器，一给定的线圈能够比用现有技术制造的电路断路器处理更大的故障电流。

可取的是，第一和第二电弧触头可以在第二电弧触头与第一环状触头的内周边接合的闭合位置和在第二电弧触头与第一环状触头内周边分离的开启位置这两者之间相对地移动，并仅在主触头分离以后才从闭合位置向开启位置移动。于是电弧在最佳径向中平面位置被触发，由于电弧触发之前，线圈已被激磁，所以电弧立刻开始在该平面内旋转。

可取的是，导线组包括一个通过环状触头的开口中心延伸的轴向分段，第二电弧触头设在轴向分段的中心，实质上两侧臂沿环状触头径向地延伸，其一安装在环状触头的一侧，并使导线组的轴向分段与主电流通道进行电气连接。

理想情况是，当从环状触头的径向延伸平面内观察时第二电弧触头是环状的，在完全开启位置时，第二电弧触头基体上是与环状触头同心的。同心并不是主要的，可以发现：在第二电弧触头到达其完全开启位置之前，已可以灭弧。其优点在于，第二电弧触头的外径和环状触头的内径之间具有尽可能小的差异，以便使电弧短促而具有低的能量。可取的是，第二电弧触头包含两段，其一弹性地弯向另一段，并与环状触头这部分相对轴向侧接合。这样可以保证在两电弧触头之间有良好电气接触。作为一种替换的安排方式，环状触头可以分为若干段，相互间相向弹性弯曲，使第二电弧触头能够在这些段之间接合。可是，由于这种环状电弧触头结构更复杂，所以第一种安排方式更可取。

可以提供任何合适的驱动安排方式以便使第一与第二主触头在其闭合和开启位置之间移动，以及使第一和第二电弧触头在其闭合和开启位置之间移动。因此，旋转运动，线性运动或两者的组合方式都可以应用于主触头或电弧触头。更为理想的安排方式是，主触头中的一个由第一旋转臂支承，电弧触头之一由第二旋转臂支承，两旋转臂各自固定，便于与以环状电弧触头轴相平行的轴为轴作旋转运动。该两旋转轴可以是重合的，也可以是分开的。

对于主触头和电弧触头的驱动装置可根据所使用的安装方式来设计，可以有许多可行的安排方式。由于主触点要求在电弧触头断开之前断开，所以如果一单一驱动输入被应用到组合装置，则在驱动通道到电弧触头间需要作无效运动的安排。如果在闭合电路断路器的过程中，主触头在电弧触头之前闭合，这是有益的，其方法是可通过控制一驱动联动装置来实现，这消除了当线圈对高的闭合峰值电流不能承受时需要更耐用的线圈结构这种情况。

作为实例，根据附图，现将进一步就本发明的电路断路器具体实例作更详细的描述：

图1为本发明三相电路断路器第一个实例的剖面图;

图2表示图1所示处于闭合位置的电路断路器的界线Ⅱ-Ⅱ剖面图;

图3、4为图2装置其它二个控制阶段的结构图;

图5为图4中界线Ⅴ-Ⅴ剖面图;

图6为图4中界线Ⅵ-Ⅵ剖面图;

图7、图8、图9各表示本发明电路断路器可供选择的实例的局部示意图;

图1表示一个三相电路断路器，它包括一个浇制树脂外壳（1），其被内部隔板（2、3）分成三个室与三个相位相对应。各相有一输入导线（4）和输出导线（5），各导线被就地浇铸在外壳整体的延伸部分（6、7）内。电路断路器被作为三相所共有的驱动旋转轴控制，旋转轴支承在轴承座组件（9，10）上，轴承座组件（9）含有密封装置，以使外壳内部与大气隔绝。外壳用盖板（11）封闭，盖板（11）用螺栓连接在外壳上，盖板（11）还与一密封装置连结，并通常将其与地电位相接。使用时，将外壳内的自由空间充满负电介质，例如压缩的六氟化硫气体。很容易理解，虽然所给的实例中外壳是由绝缘的树脂材料模制的，但完全可以采用其它绝缘材料，或将外壳制成在其外表面上包含有接地的导体材料。

三个相位各有自己专用的电路断路器机构，分别为（12），（13），（14），由于三个机构是等同的，所以将仅对机构（13）作详细描述。

每个机构包括一固定的主触头（14），该主触头（14）与相应的导线（4）栓接和电气连接，并支承多个弹簧夹（15），该弹簧夹（15）彼此偏置，以便在其间插入可动触头（16）。可动触头（16）用来沿旋转轴（17）作旋转运动，就象将在下面所作的更详细描述一样，旋转轴（17）被一与导线（5）栓接和电气连接的固定件（18）支承并电接触，当触头（16）处于如图2所示的闭合位置时，可以看见，组成一条通过电路断路器的电流通道，从导线（4）通过主触头（14）、弹簧夹（15）、触头（16）、轴（17）和固定件（18）通向导线（5）。

通常象（19）所示的线圈组是由两个相同的固定装置（20）固定在固定主触头（14）上，其一在图6中以剖面表示，每个固定组包括两个联锁的绝缘隔离层（21）、（22），它们相互间经过在触头（14）中形成的环形孔（23）衔接。侧向绝缘板（24）、（25）用螺栓和螺母（26）、（27）固定在隔离层。线圈（28）设在侧向板（24）、（25）之间，由导线（29）将线圈绕组的一端与主触头（14）电气连接。环状电弧触头（30）通常是铜质的，被固定在板（24）、（25）上，线圈绕组的另一端与此环状触头电气连接。触头（30）中心有一用弧阻材料例如用钨铜制成的径向突出肋（31）。

第二电弧触头（32）位于环状触头（30）的开口中心，它包括二段（33）、（34），每段均由诸如钨铜那样的弧阻材料制成，并与触头（30）的肋（31）的对边衔接，每个触头段相应地支承铜制套筒（35）、（36）末端，套筒分别穿过绝缘套管（37）和（38）。两个套筒（35）、（36）活动地支承在用诸如不锈钢那样的非磁性金属材料制成的旋转轴（39）上，旋转轴有螺纹端部（40）、（41）。每个套筒（35）、（36）有它各自的端部盖筒构件（42）、（43），螺母（44）、（45）在各自的盖筒构件上顶住压力弹簧（46）、（47）。弹簧使触头段（33）、（34）朝中心相向偏移到极限位置，此时它们被一固定在旋转轴（39）上的绝缘圈（48）隔开，在此位置上，触头段间的距离比肋（31）的总轴向厚度小。弹簧还可保证一系列导体元件间的良好电接触。触头段（33）、（34）有楔形表面（48）、（49），它们随着触头（32）径向地移进其衔接部而与肋（31）啮合。

第二电弧触头（32）支承在侧向绝缘板（50）、（51）上，使触头围绕旋转轴（17）作旋转运动。旋转轴（17）也用不锈钢制，并用螺纹端部（52），（53），它们分别夹住装在铜质套筒（56）、（57）套筒的盘状端部的压力弹簧（54）、（55）。弹簧可以保证导体元件之间有良好电气连接。套筒（56）、（57）的内侧端部被弹簧顶住，偏向一方，以支承两板（18a）、（18b）的轴向外表面，形成固定件（18）的一部分。主触头叶片（16）被夹在那些板的轴向内表面之间，支承在那些板的轴向内表面上，并在那些板之间围绕旋转轴（17）作旋转运动。铜质套筒（35）、（56）由位于绝缘板（50）外面的铜质板带（58）进行电气连接，同时铜质套筒（36）和（57）由位于绝缘板（51）外面的同样的铜质板带（59）进行电气连接。

可见，当可动电弧触头（32）处于如图2所示的闭合位置时，形成一条通过电路断路器的电弧电流通道，从导线（4）通过主触头（14）、导线（29）（图6）、线圈（28）、环状电弧触头（30）、（31），可动电弧触头（32），铜质套筒（35）、（36）、铜板带（58）、（59）、铜质套筒（56）、（57）以及固定件（18）通到导线（5）。这条电流通道与主电流通道并联，形成这条电流通道的电气导体是对称于线圈（28）的径向中平面A-A的。

驱动旋转轴（8）有臂（61）与其旋转固定，该臂与一对平行连杆（62）、（63）完成旋转连接，连杆（62）、（63）的另一端与主触头（16）完成旋转连接，连杆（62）、（63）的另一端与主触头（16）完成旋转连接。臂（61）还支承一根与其旋转连接的连杆（64），连杆的另一端滑动地通过旋转轴（65）上的孔，可旋转地装在绝缘板（50）和（51）的端部之间。锁紧螺母（66）配在连杆（64）的端部，压力弹簧（67）围绕连杆（64）位于带臂（61）的旋转轴和轴（65）之间。

弹簧（67）可以由一多层的板簧制成，以提供所需的弹性特性。其一就是电极（32）在主触头的初始开启过程中要保持与电极（31）有良好的电接触。

现在将描述电路断路器的控制。图2表示断路器处于闭合位置，正如已解释过的，用于各个相的主电流通道是建立在主触头（14）与（15）之间，而包含线圈（28）的并联电弧电流通道则建立在电弧触头（30）和（32）之间。如果电路被断开，不论是由于误差条件或其它情况，都可用任何相应的方法控制驱动轴（8）使其从图2所示位置逆时针方向旋转。运动的第一步即从图2位置向图3位置的运动，使触头（16）离开主触头（14）上的弹簧夹（15），因而断开了通过电路断路器的主电流通道。由于这种结果，使整个电流流过线圈（28），所以在环状触头（30）的开口中心内建立起一个磁场。在从图2位置向图3位置运动的过程中，连杆（64）自由地通过旋转轴（65）的孔。但在旋转轴（8）从图3位置向图4位置作进一步逆时针运动时，锁紧螺母（66）连接轴（65），因而导致绝缘组（50）和（51）绕由轴（17）构成的旋转轴作逆时针旋转。可移动的电弧触头（32）因而与环状电弧触头分离并向图4所示位置运动，该位置上触头（32）实质上是与环状触头（31）同轴。由于触头（32）从环状触头（31）上离开，电弧在两个触头之间激发，由通过线圈（28）流动的电流所感生的磁场，使电弧在环状触头（31）内围绕触头（32）旋转。可以显见，电弧是在旋转平面内被立刻触发的，并且旋转平面是线圈径向中平面A-A，即一个最大磁力线密度的平面。进一步可见，由于对称地布置导线与电弧触头（32）连接，电弧电流将被等量平分分别流向从固定件（18）通向触头段（33）的电流通道和从固定件（18）通向触头段（34）的电流通道。由电弧电流在触头被段（33）和（34）上产生的回路磁力将因此高效地相互抵消。所以电弧立刻被约束在旋转径向平面内，并克服任何使电弧离开该平面的趋势。电弧被保持在最小长度并因而具有低的能量。相应地，当电流达到零值时，由于在两电弧电极之间空间内存在负电介质而灭弧。

当电路断路器闭合时，仅需从图4位置使驱动轴顺时针旋转，这样电弧触头和主触头将各自闭合，重建它们各自的电流通道。

如果电弧触头在主触头之前闭合，可作为本实例中的具体情况，可以发现，有一个可能很高的闭合峰值电流流过线圈（28），因而需要一个比用于其它情况更坚固的线圈结构，从而如果主触头在电弧触头之前闭合，这将是有益的。图7所示的变换体也以达到这个目的。如图7所示，在绝缘板（50）和（51）之间延伸的轴（65）有一个缓冲装置（71）与其相连，缓冲装置包括一充流体的柱体（72），其中装有活塞（73），在压力弹簧（74）的作用下偏向伸长位置。在园柱体（72）侧壁上有一排出孔（75），由于弹簧存在，通常柱塞（73）处于其伸长位置，充满压缩绝缘介质的园柱体存在于室中，从而，从图4位置作闭合运动;轴（65）将限制柱塞（73），进一步的运动将被弹簧（74）推迟，并通过受限制的排出孔（75）慢慢排出气体。这将延迟臂（50）和（51）的旋转运动，进而延迟电弧触头（32）的闭合运动，延迟是由从园柱体（72）允许排出的气体速率决定的。排出速率已能设计成保证主触头在电弧触头（32）接触环状触头（30）之前被完全闭合。用来获得相同结果的可供选择的装置对那些技术熟练者来讲是相当明显的。

在具体描述的装置中，电弧触头（32）被安装用来在固定环状触头与线圈中作旋转运动。在如图8所示的变换体装置中，线圈结构（81）和环状触头（82）可被支承在绝缘板之间，其一用（83）表示，这些绝缘板围绕一与可动主触头（85）的旋转轴同轴的旋转轴（84）安装。第二电弧触头（86）由来自固定主触头（88）的导体装置（87）支承。该导体装置实质上是对称于环状电弧触头（81）的径向中平面的。所示电弧触头处于闭合位置，可以理解，其控制是与图1到图4所描述的情况相类似的，并且电弧触头将被一绕旋转轴（84）作逆时针方向旋转的板（83）开启。此装置中，中心电弧触头（86）所用导线埋在室壁和隔离板的绝缘材料中，并可能提供一种具有较短的三相中心间距的更紧凑的装置。

由于空间的缘故，通常倾向于选择主触头和电弧触头作旋转运动，虽然可以理解的是线性运动也可适用于上述两种情况或两者之一。在图9中显示了一个这种装置，在此装置中，一个固定主触头（91）用一导体（92）连接到线圈和环状触头组（93）。导体（94）支承一可与触头（91）衔接的可动触头（96），可动电弧触头（96）与环状触头（93）内侧同边连接。作为其它变换体，与电弧触头（96）连接的导体装置是对称于环状电弧触头（93）的径向中平面的。如图9所示，一绝缘驱动装置（97）能使导体向右移动，触头（95）和（91）在这种运动的第一阶段分离开。一铰销和螺栓接合装置（98）使电弧触头（96）与导体（94）相接。提供无效运动，以致使主触头分离发生在电弧触头（96）从环状触头（93）上分开之前。主触头（94）可用一分路，一滑动触头或其它适用手段，将其与输出端（99）相连。这种手段，例如可包含一个压力弹簧（100），既可以用来保证主触头之间的，也可以用来保证电弧触头之间的良好接触压力。

许多所述实施例可通过把可动主触头从它的开启位置移动到一接地触头的位置而作进一步改进，例如，一个星点触头。在主触头的这种额外的运动过程中，须将可动电弧触头保持在开启位置，并希望额外的主触头运动能通过常规的驱动轴来实现。对联动装置作改进，以使此额外运动成为可能，这对这方面的技术熟练者来讲，将是显而易见的。

在各个上述实施例中，在两电弧电极间都存在为了形成电弧而作的相对运动。在一个变换体装置中，两个电弧电极可以是固定的，主电流通道可包含一个可动弹簧夹，在闭合位置时该可动弹簧夹与其中一个电弧电极接合。当开启可动弹簧夹时，电弧将在该弹簧夹与电弧电极之间触发，并且此结构的几何形状要求电弧源从该弹簧夹向其它电弧电极转移。这种安排不能达到理想结构的效果，理想结构可实现在最佳位置立刻形成电弧，但这种安排也是一种可行的结构。

具体的描述是关于一个三相电路断路器，但是很明显，本发明的原理同样适用于单相电路断路器。也很明显，还存在着许多其它的触头安排方式，使它能被用来保证导线相对于中心电弧触头对称地排列，并且也存在许多其它可以变换的驱动装置能被使用。最后应指出，本发明不限于一个多相断路器，其中三相的线圈排列是共轴的，虽然从空间来考虑这样做有特殊的优点，然而，将此三相线圈安排成从垂直于它们的轴来观察时，它们的轴是相互平行的，或将线圈布置成直线、布置成三角或布置成其它排列，这也是同样可行的。在这些可以变换的安排方式中，不同相位的线圈的中平面可以是共面的，也可以是处于多个平面上。

Claims (11)

1、一电路断路器，包括可相对地在闭合和开启位置间移动的第一和第二主触头，当闭合时，形成通过电路断路器的主电流通道的一部分；第一和第二电弧触头形成通过电路断路器的电弧电流通道的一部分；影响触头运动的装置可在电路断路器断开过程中使主触头开启并在第一和第二电弧触头之间形成电弧；第一电弧触头为环状，第二电弧触头位于环状触头的开口中心的空间内，有一电弧激励线圈围绕环状触头并串连在与其相关的电弧电流通道上，第二电弧触头和与第二电弧触头连接、并成为电弧电流通道的一部分的导线组基本上对称于线圈的径向平面。

2、根据权利要求1规定的电路断路器，其特征在于第一和第二电弧触头可以在第二电弧触头与第一环状触头内部周边连接的闭合位置和第二电弧触头与第一环状触头内部周边分离的开启位置之间相对地移动。

3、根据权利要求2的电路断路器，其特征在于导线组包括一个可通过环状触头的开口中心而轴向延伸的轴向截面，第二电弧触头位于该轴向截面中心。两侧臂基本上是沿环状触头径向地延伸，环状触头的每边各有一条侧臂，并使导线组的轴向截面与主电流通道完成电气连接。

4、根据权利要求2或3所述的电路断路器，其特征在于第二电弧触头在环状触头的径向延伸平面内观察时是环状，在完全开启位置时，第二电弧触头基本上是与环状触头同轴的。

5、根据权利要求2或3或4的电路断路器，其特征在于第二电弧触头包含两段，每段可弹性地偏向另一段，并分别与环状触头的相对轴侧衔接。

6、根据权利要求2、3、4或5所述的电路断路器，其特征在于主触头中的一个由第一旋转臂支承，电弧触头之一被第二旋转臂支承，两旋转臂各自安装，以便绕与环状电弧触头平行的轴作旋转运动。

7、根据权利要求6的电路断路器，其特征在于第一和第二旋转臂的枢轴是重合的。

8、根据权利要求6或7所述的电路断路器，其特征在于触头运动装置包括一驱动臂，该驱动臂通过一刚性联动装置连接到第一旋转臂和通过一无效运动联动装置连接到第二旋转臂。

9、根据权利要求8所述的电路断路器，其特征在于无效运动联动装置包括一个在闭合位置时可提供一可使电弧触头向衔接处偏置的力弹簧。

10、根据权利要求2至9中任何一项所述的电路断路器，其特征在于在闭合电弧触头之前，在闭合电路断路器过程中电弧运动装置对闭合主触头是起作用的。

11、一个用来基本上同时切断在一多相电源中每一相位内流动的电流的电路断路器组，供给电源的每一相，该电路断路器组包括一与上述任何一项权利要求的电路断路器，该电路断路器被装在普通的室内，对每一相位的断路器的开启和闭合是由一通用于所有相位的驱动装置来控制的。

Images