滅弧室觸頭、真空滅弧室和固封極柱的製作方法
2023-12-05 12:12:41
本發明涉及滅弧室觸頭、真空滅弧室和固封極柱。
背景技術：
開關設備作為電力系統的關鍵控制和保護設備，快速操作能夠縮短故障持續時間，快速恢復供電，能顯著提高系統穩定性和開關開合性能，具有顯著的技術經濟意義。傳統開關設備，如VS1型10kV真空斷路器，採用彈簧操動機構，分閘時間≦50ms，合閘時間≦70ms，由於機械操動機構體積龐大，結構複雜，傳動環節多，動作時間的縮短受到很大限制，在一些特殊應用領域，已經不能完全滿足使用需求。如在故障電流限制領域、選項合閘領域、電能質量領域、直流系統中短路故障快速切除等都需要開關快速動作，通常都在幾個ms內完成，常規開關都是無法完成的，需要開發快速機械開關產品。快速真空斷路器是一種較為成熟的快速機械開關，包括固封極柱和永磁操動機構，固封極柱如授權公告號為CN 202534585 U的中國專利公開的真空斷路器中的固封極柱，包括絕緣外殼和設置在絕緣外殼內的真空滅弧室，真空滅弧室的殼體內設有相向布置的兩隻觸頭，分別為靜觸頭和動觸頭，靜觸頭和動觸頭均具有位於真空滅弧室的殼體內的頂壓導通端和用於與外部接線端子連接的外接線端，動觸頭的外接線端傳動連接有絕緣拉杆，絕緣拉杆與操動機構傳動連接，驅動動觸頭產生分合閘動作。
但是，現有技術中的真空滅弧室的動觸頭大多採用銅製作，由於銅的材料質地較軟，而在快速真空斷路器中由於合閘速度高（是常規速度的3-4倍），斷路器在剛合時動觸頭與靜觸頭之間的衝擊很大，容易導致動觸頭的導電桿部分敦粗和縮短，使得滅弧室的開距發生變化，嚴重時導致真空滅弧室動觸頭與導向結構擠緊而產生卡滯，致使滅弧室動觸頭不能正常運動，影響真空斷路器的可靠性和使用壽命。上述專利中為了避免動、靜觸頭之間發生劇烈的碰撞而造成觸頭受損，在絕緣拉杆上設置了緩衝器，形成操動緩衝結構，雖然能夠起到緩衝作用，但是結構複雜，並且對於速度較高的場合，動、靜觸頭高速碰撞時仍會存在觸頭受損的問題。如果簡單地增大動觸頭直徑，不但會導致動觸頭質量變大，影響性能，還會增加真空滅弧室體積，也會導致成本升高。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種真空滅弧室，以解決現有技術中的真空滅弧室的動、靜觸頭在高速碰撞時容易變形的問題。同時，本發明還提供了一種真空滅弧室的觸頭和使用該滅弧室的固封極柱。
為實現上述目的，本發明中滅弧室的觸頭採用的技術方案是：
方案1：滅弧室的觸頭，包括使用時位於真空滅弧室的殼體內的頂壓導通端和用於與外部接線端子連接的外接線端，所述觸頭包括觸頭本體和設置在觸頭本體內的加強柱，所述加強柱沿觸頭本體的軸心設置，加強柱與觸頭本體之間具有以下連接關係的至少一種：連接關係一：加強柱靠近頂壓導通端的一端與觸頭本體頂壓配合；連接關係二：加強柱的外周面與觸頭本體固定連接。
方案2：根據方案1所述的觸頭，所述觸頭本體靠近頂壓導通端的端面上設有盲孔，所述盲孔具有靠近孔底的加強柱安裝段和靠近孔口的接頭安裝段，加強柱安裝段內設有所述加強柱，接頭安裝段內固定有絕緣拉杆接頭，絕緣拉杆接頭與所述加強柱沿軸向頂壓配合。
方案3：根據方案2所述的觸頭，所述接頭安裝段的孔壁上設有內螺紋，所述絕緣拉杆接頭通過所述內螺紋與觸頭本體固定連接。
方案4：根據方案2或3所述的觸頭，所述盲孔的孔底壁為錐形，所述加強柱遠離絕緣拉杆接頭的一端與盲孔的孔底壁形狀吻合。
方案5：根據方案2或3所述的觸頭，所述加強柱為鋼釘，鋼釘具有頭部和杆部，頭部的直徑大於杆部的直徑，所述加強柱安裝段是與鋼釘對應的階梯段，所述階梯段的大徑段與接頭安裝段的直徑一致。
方案6：根據方案5所述的觸頭，所述絕緣拉杆接頭的軸心設有用於與絕緣拉杆螺紋配合的螺紋孔，所述螺紋孔為盲孔。
方案7：根據方案1或2或3所述的觸頭，所述加強柱的外周面為光面。
本發明中真空滅弧室採用的技術方案是：
方案1：真空滅弧室，包括殼體，殼體內設有動觸頭和靜觸頭，所述動觸頭和靜觸頭包括使用時位於真空滅弧室的殼體內的頂壓導通端和用於與外部接線端子連接的外接線端，動觸頭和靜觸頭的至少一個包括觸頭本體和設置在觸頭本體內的加強柱，所述加強柱沿觸頭本體的軸心設置，加強柱與觸頭本體之間具有以下連接關係的至少一種：連接關係一：加強柱靠近頂壓導通端的一端與觸頭本體頂壓配合；連接關係二：加強柱的外周面與觸頭本體固定連接。
方案2：根據方案1所述的真空滅弧室，所述觸頭本體靠近頂壓導通端的端面上設有盲孔，所述盲孔具有靠近孔底的加強柱安裝段和靠近孔口的接頭安裝段，加強柱安裝段內設有所述加強柱，接頭安裝段內固定有絕緣拉杆接頭，絕緣拉杆接頭與所述加強柱沿軸向頂壓配合。
方案3：根據方案2所述的真空滅弧室，所述接頭安裝段的孔壁上設有內螺紋，所述絕緣拉杆接頭通過所述內螺紋與觸頭本體固定連接。
方案4：根據方案2或3所述的真空滅弧室，所述盲孔的孔底壁為錐形，所述加強柱遠離絕緣拉杆接頭的一端與盲孔的孔底壁形狀吻合。
方案5：根據方案2或3所述的真空滅弧室，所述加強柱為鋼釘，鋼釘具有頭部和杆部，頭部的直徑大於杆部的直徑，所述加強柱安裝段是與鋼釘對應的階梯段，所述階梯段的大徑段與接頭安裝段的直徑一致。
方案6：根據方案5所述的真空滅弧室，所述絕緣拉杆接頭的軸心設有用於與絕緣拉杆螺紋配合的螺紋孔，所述螺紋孔為盲孔。
方案7：根據方案1或2或3所述的真空滅弧室，所述加強柱的外周面為光面。
本發明中固封極柱採用的技術方案是：
方案1：固封極柱，包括絕緣外殼，絕緣外殼內設有真空滅弧室，所述真空滅弧室包括殼體，殼體內設有動觸頭和靜觸頭，所述動觸頭和靜觸頭包括使用時位於真空滅弧室的殼體內的頂壓導通端和用於與外部接線端子連接的外接線端，動觸頭和靜觸頭的至少一個包括觸頭本體和設置在觸頭本體內的加強柱，所述加強柱沿觸頭本體的軸心設置，加強柱與觸頭本體之間具有以下連接關係的至少一種：連接關係一：加強柱靠近頂壓導通端的一端與觸頭本體頂壓配合；連接關係二：加強柱的外周面與觸頭本體固定連接。
方案2：根據方案1所述的固封極柱，所述觸頭本體靠近頂壓導通端的端面上設有盲孔，所述盲孔具有靠近孔底的加強柱安裝段和靠近孔口的接頭安裝段，加強柱安裝段內設有所述加強柱，接頭安裝段內固定有絕緣拉杆接頭，絕緣拉杆接頭與所述加強柱沿軸向頂壓配合。
方案3：根據方案2所述的固封極柱，所述接頭安裝段的孔壁上設有內螺紋，所述絕緣拉杆接頭通過所述內螺紋與觸頭本體固定連接。
方案4：根據方案2或3所述的固封極柱，所述盲孔的孔底壁為錐形，所述加強柱遠離絕緣拉杆接頭的一端與盲孔的孔底壁形狀吻合。
方案5：根據方案2或3所述的固封極柱，所述加強柱為鋼釘，鋼釘具有頭部和杆部，頭部的直徑大於杆部的直徑，所述加強柱安裝段是與鋼釘對應的階梯段，所述階梯段的大徑段與接頭安裝段的直徑一致。
方案6：根據方案5所述的固封極柱，所述絕緣拉杆接頭的軸心設有用於與絕緣拉杆螺紋配合的螺紋孔，所述螺紋孔為盲孔。
方案7：根據方案1或2或3所述的固封極柱，所述加強柱的外周面為光面。
有益效果：本發明採用上述技術方案，觸頭本體的軸心設置有加強柱，加強柱與觸頭本體之間具有以下連接關係的至少一種：連接關係一：加強柱靠近頂壓導通端的一端與觸頭本體頂壓配合；連接關係二：加強柱的外周面與觸頭本體固定連接，這樣，無論採用哪種連接關係，加強柱均能夠對觸頭本體起到軸向加強作用，在動、靜觸頭發生碰撞時，加強柱能夠承擔較大的軸向作用力，從而減小觸頭本體所需承擔的軸向作用力，避免動、靜觸頭在高速碰撞時發生變形，能夠適應於速度較高的場合。
進一步地，所述觸頭本體靠近頂壓導通端的端面上設有盲孔，所述盲孔具有靠近孔底的加強柱安裝段和靠近孔口的接頭安裝段，加強柱安裝段內設有所述加強柱，接頭安裝段內固定有絕緣拉杆接頭，絕緣拉杆接頭與所述加強柱沿軸向頂壓配合。設置絕緣拉杆接頭能夠對加強柱起到軸向頂壓定位作用。
進一步地，所述接頭安裝段的孔壁上設有內螺紋，所述絕緣拉杆接頭通過所述內螺紋與觸頭本體固定連接。採用螺紋連接結構加工方便，連接可靠，能夠承受較大的軸向力，滿足觸頭的分合閘需求。
進一步地，所述盲孔的孔底壁為錐形，所述加強柱遠離絕緣拉杆接頭的一端與盲孔的孔底壁形狀吻合。採用錐形的配合面能夠增大受力面積，避免受力集中，更好地避免觸頭變形。
進一步地，所述加強柱為鋼釘，鋼釘具有頭部和杆部，頭部的直徑大於杆部的直徑，所述加強柱安裝段是與鋼釘對應的階梯段，所述階梯段的大徑段與接頭安裝段的直徑一致。採用階梯結構能夠增大絕緣拉杆接頭與加強柱之間的受力面積。
進一步地，所述絕緣拉杆接頭的軸心設有用於與絕緣拉杆螺紋配合的螺紋孔，所述螺紋孔為盲孔。
進一步地，所述加強柱的外周面為光面，加工方便，便於裝配。
附圖說明
圖1是本發明中快速機械開關的整體結構示意圖；
圖2是圖1中分合閘緩衝裝置的立體圖；
圖3是圖2的主視圖；
圖4是圖3的側視圖；
圖5是圖1中固封極柱的結構示意圖；
圖6是真空滅弧室的動觸頭的結構示意圖；
圖7是圖6中動觸頭本體的結構示意圖；
圖8是圖6中鋼釘的結構示意圖；
圖9是圖6中絕緣拉杆接頭的結構示意圖；
圖10是圖1中斥力操動機構的結構示意圖；
圖11是快速機械開關的控制器模塊的原理圖。
圖中各附圖標記對應的名稱為：10-機構箱，11-槽鋼，12-剛性支柱，20-固封極柱，21-真空滅弧室，22-動觸頭，221-動觸頭本體，222-盲孔，223-鋼釘，224-頭部，225-杆部，226-絕緣拉杆接頭，23-上出線座，24-下出線座，25-絕緣拉杆，30-斥力操動機構，31-分閘側蓋板，32-分閘蓋板銅套，33-鐵芯，34-連接杆，35-合閘側蓋板，36-永磁殼體，37-導磁環，38-支撐螺杆，39-永磁體，310-斥力連杆，311-合閘線圈，312-合閘蓋板銅套，313-動斥力線圈盤，314-輸出杆，315-斥力殼體，316-靜斥力線圈盤，317-斥力上蓋板，318-上蓋板銅套，319-彈簧座，320-分閘側，40-分合閘緩衝裝置，41-上支架，42-下支架，43-翻沿，44-緩衝撞框，441-底部橫框，442-頂部橫框，443-側邊框，45-緩衝器油缸，451-撞擊端，46-調節螺母，47-連接孔。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的實施方式作進一步說明。
本發明中固封極柱的一個實施例如圖1~圖11所示，是一種用於快速機械開關的固封極柱。快速機械開關包括機構箱10，固封極柱20裝配在機構箱10的頂部外側，機構箱10內設有斥力操動機構30和分合閘緩衝裝置40。
機構箱10採用內嵌角鋼支架增強其剛度，用於支撐三相固封極柱和懸掛三相斥力操動機構30，整機簡單且緊湊。機構箱10底部安裝槽鋼11，槽鋼11採用地腳螺栓與地面相連；機構箱10的前門板安裝有各相分合閘位置指示燈及指示分合閘所處位置的行程指示器，實現開關合分閘位置指示和開關行程數據實時測量；分合閘狀態通過接近開關測量信號，位移通過位移傳感器測量。機構箱10四角安裝吊環，方便吊裝；機構箱10側面安裝機構箱呼吸孔，用於在機構箱10的前後門關閉時實現機構箱對外通氣。
固封極柱20採用了自動壓力凝膠工藝（簡稱APG）的環氧澆注技術，將上出線座23、真空滅弧室21、軟連接（大電流的產品需要導電塊和彈簧觸指）及下出線座24澆注在一起，並根據散熱需要添加散熱片。固封極柱技術的應用，使真空滅弧室21免受外界惡劣環境（灰塵、潮氣等）的影響，提高了其耐氣候性及絕緣效果。上出線座23、下出線座24為銅鑄件或鋁鑄件，根據額定電流的不同選擇不同材料，觸臂安裝孔均裝有鋼絲螺套，提高螺紋強度；軟連接為銅片壓制，導電性能好；對於大電流產品，導電塊為銅鑄件，彈簧觸指為鉻鋯銅絲繞制，導電性能優異；大電流產品上還需安裝散熱片，散熱片為鋁鑄件，外表面塗覆環氧樹脂，保證產品的絕緣性能；所有零部件的導電面均鍍銀，減小接觸電阻。真空滅弧室21為固封極柱20的核心部件，由動觸頭22、靜觸頭、波紋管、屏蔽罩及外殼等組成。真空滅弧室21具有極高的真空度，當動、靜觸頭在斥力操動機構30作用下分閘時，在觸頭間將產生真空電弧，同時觸頭採用磁吹觸頭，在觸頭間隙中產生適當的縱磁場，使真空電弧保持擴散型，並使電弧均勻的分布在觸頭表面燃燒，維持低的電弧電壓。在電流自然過零時，殘留的離子、電子和金屬蒸汽在微秒數量級的時間內就可複合或凝聚在觸頭表面和屏蔽罩上，滅弧室斷口的介質絕緣強度很快被恢復，從而電弧被熄滅，達到分斷的目的。
其中真空滅弧室21的動觸頭22包括動觸頭本體221，動觸頭本體221靠近頂壓導通端的端面上設有盲孔222，盲孔222具有靠近孔底的加強柱安裝段和靠近孔口的接頭安裝段，加強柱安裝段內設有鋼釘223，鋼釘223沿動觸頭本體221的軸心設置，形成加強柱，接頭安裝段內固定有絕緣拉杆接頭226。鋼釘223的外周面為光面，具有頭部224和杆部225，頭部224的直徑大於杆部225的直徑；動觸頭本體221上的盲孔222的孔底壁為錐形，鋼釘223遠離絕緣拉杆接頭226的一端與盲孔222的孔底壁形狀吻合併與動觸頭本體221頂壓配合。加強柱安裝段是與鋼釘對應的階梯段，階梯段的大徑段與接頭安裝段的直徑一致，絕緣拉杆接頭226與鋼釘223沿軸向頂壓配合。絕緣拉杆接頭226的材料與動觸頭22一致，其軸心設有盲孔，該盲孔為螺紋孔，用於與絕緣拉杆螺紋配合而與絕緣拉杆固定並導通。由於電流的集膚效應，通過合理調節鋼釘的尺寸可以避免鋼釘影響到導電桿的通流，並且設置鋼釘223能夠降低斷路器在高速合閘時滅弧室動端與靜端撞擊產生的鐓粗變形，避免由此導致真空滅弧室21出現開距變化甚至出現嚴重卡滯而不能正常合閘，提高滅弧室的機械壽命和可靠性。
斥力操動機構30採用斥力機構+單穩態永磁機構+分閘簧一體化設計，斥力機構包括靜斥力線圈盤316和動斥力線圈盤313，靜斥力線圈盤316和動斥力線圈盤313包括扁銅線繞制的斥力線圈和用於固定斥力線圈的骨架，斥力線圈澆鑄固定在骨架內，結構簡單緊湊，解決了斥力機構線圈鬆動問題以及目前斥力銅盤效率低的問題。單穩態永磁機構包括分閘側蓋板31，分閘蓋板銅套32，動鐵芯33，連接杆34，合閘側蓋板35，永磁殼體36，導磁環37，永磁體39，斥力連杆310，合閘線圈311，合閘蓋板銅套312，動斥力線圈盤313，輸出杆314，斥力殼體315，靜斥力線圈盤316，斥力上蓋板317和上蓋板銅套318。其中合閘側蓋板35和斥力上蓋板317之間通過支撐螺杆38連接；永磁體39與導磁環37內外嵌套設置形成永磁組件，僅在內側設置導磁環37能夠減小體積；動鐵芯33的分閘端設有凸緣而形成T形鐵芯，凸緣與導磁環37沿軸向對應；輸出杆314形成整個操動機構的輸出端，裝配時輸出杆314與絕緣拉杆25固定連接；輸出杆314下端設有內螺紋，與固定在動鐵芯33的合閘端的斥力連杆310螺紋連接，動斥力線圈盤313夾緊固定在斥力連杆310的臺階端面與輸出杆314之間，隨斥力連杆310、輸出杆314和動鐵芯33同步運動。
斥力操動機構30通過4根剛性支柱12懸掛於機構箱10的頂蓋上面，通過聯軸節與斷路器本體實現連接。連接杆34伸出分閘側蓋板31的部分通過螺母固定有彈簧座319，彈簧座319與分閘側蓋板31之間設置分閘彈簧320，分閘彈簧320與斥力機構共同實現分閘功能，並能夠降低控制器模塊電容的使用量，縮小控制器佔用的空間；分閘彈簧的使用還能夠起到合閘緩衝的效果，解決合閘彈跳大這一難以解決的技術問題。
分合閘緩衝裝置40包括層疊設置的上支架41和下支架42、上下相向設置的合閘緩衝件和分閘緩衝件，還包括緩衝撞框44。上支架41和下支架42均為開口朝下的U形框架，上支架41和下支架42上於U形的頂部開口處設有外翻沿43，上支架41通過外翻沿43和螺栓固定在上支架41上，下支架42通過外翻沿43和螺栓固定在機構箱10的底板上，上支架41和下支架42構成分合閘緩衝裝置40的裝置架。緩衝件為緩衝器油缸45，上支架41和下支架42與U形的底部對應的位置設有供緩衝器油缸45插入的安裝孔，安裝孔為長孔，各緩衝器油缸45的外周面上均螺紋連接有兩隻調節螺母46並通過兩隻調節螺母46夾緊固定在相應的上支架41或下支架42上。緩衝撞框44構成緩衝限位座，其採用方框結構，方框結構的底部橫框441、頂部橫框442和側邊框443分別形成與緩衝件的撞擊端451配合的頂推部、用於與機械開關的連接杆34固定連接的傳動連接部和用於連接傳動連接部和頂推部的傳動臂，頂部橫框上設有連接孔47，用於與斥力操動機構30的連接杆34固定連接。開關的每相機構均配備有上述分合閘緩衝裝置40，且緩衝器可進行調節，以消除製造和安裝帶來的誤差，安裝簡單、調節方便。
控制器模塊包含電源模塊、放電模塊、控制模塊、電容器模塊；通過外接電源接通，電源模塊實現對電容的充電，然後按下合閘按鈕，放電模塊實現電容對永磁機構線圈通電，永磁機構鐵芯運動到合閘位置，並通過控制模塊斬斷電流，永磁體39實現對鐵芯合閘位置的保持；按下分閘按鈕，控制器放電模塊給動斥力線圈盤313和靜斥力線圈盤316通電，兩斥力線圈盤串聯且電流流向相反產生斥力，動斥力線圈盤313帶動機構分閘，提供較大的加速度，此時控制模塊開始對斥力機構電流關斷，後程靠分閘彈簧實現分閘運動；控制模塊選用足夠處理能力及速度的CPU，同時控制IGBT及可控矽驅動電路。
合閘操作：當機構接到合閘命令時，向合閘線圈311中通入一定方向的電流，磁力線方向與永磁體39產生的磁力線方向相反，隨著合閘線圈311電流增大，動鐵芯33在永磁體39與激磁電流的合成磁場作用下，受到向上的電磁吸力逐漸增大，當電流達到一定值時，合閘線圈311產生的向上的磁力線和永磁體39產生的向下的磁力線相互抵消，動鐵芯33開始運動，隨著位移逐漸增大，上部氣隙磁阻逐漸減小，下部氣隙磁阻逐漸增大，因此機構上部的磁場逐漸增強，絕大部分的磁力線經由上部氣隙、合閘側蓋板35、永磁機構外殼、永磁體39和導磁環37形成閉合磁路，直到運動到合閘位置為止。合閘位置的保持力也是由永磁體39提供，原理與分閘位置相同。合閘操作的末段行程中，緩衝撞框44與上部的緩衝器油缸45的撞擊端451發生作用，撞擊端451受作用力的驅動縮回，推動緩衝器油缸45內的液壓油通過阻尼孔，實現合閘緩衝。
分閘操作：當機構接到分閘命令時，有兩個電容分別向斥力操動機構30中的靜斥力線圈和動斥力線圈通方向相反的電流，使動鐵芯33在動、靜斥力線圈所產生的斥力作用下運動，從而實現分閘操作。若同時採用輔助分閘線圈，則需同時向輔助分閘線圈中通一定方向的電流，使線圈產生的磁力線與永磁體39產生的磁力線方向相反，維持機構後期的運動；若採用彈簧，則在合閘過程中儲藏在彈簧中的能量維持機構後半程運動，同時，在合閘時，也起到緩衝的作用，可以降低固封單極中滅弧室彈跳。分閘操作的末段行程中，緩衝撞框44與下部的緩衝器油缸45的撞擊端451發生作用，撞擊端451受作用力的驅動縮回，推動緩衝器油缸45內的液壓油通過阻尼孔，實現分閘緩衝。
本發明中滅弧室的觸頭的一個實施例即上述固封極柱的實施例中的動觸頭，本發明中真空滅弧室的一個實施例即固封極柱的實施例中的真空滅弧室，具體結構此處不再贅述。
在上述實施例中，加強柱靠近頂壓導通端的一端與觸頭本體頂壓配合，依靠軸向的頂壓配合實現作用力的傳遞，在其他實施例中，也可以將加強柱的外周面與觸頭本體固定連接，依靠加強柱與觸頭本體之間形成的軸向結合面實現作用力的傳遞，例如將加強柱設置為螺柱，將動觸頭本體221上的盲孔222設置為螺紋孔，依靠螺紋連接實現動觸頭本體與加強柱的固定，螺紋配合面形成軸向結合面，此時，加強柱的靠近頂壓導通端的一端仍可以與觸頭本體頂壓配合。當然，動觸頭本體與加強柱也可以採用其他方式實現固定，例如焊接固定、過盈熱裝固定等。另外，在其他實施例中，加強柱和絕緣拉杆接頭也可以是一體結構，加強柱也可是徑向尺寸均勻的圓柱；而絕緣拉杆接頭也可以省去或替換為其他形式，例如直接將盲孔222的接頭連接段作為接頭，將絕緣拉杆直接安裝在盲孔222的接頭連接段內，再如在絕緣拉杆接頭上設置外螺紋，依靠外螺紋與絕緣拉杆連接。再者，在其他實施例中，也可以在靜觸頭上設置加強柱，或者同時在靜觸頭和動觸頭上設置加強柱。