一種低重擊穿概率及高容性電流開斷能力的真空開斷器的製作方法

2023-06-04 18:19:21 2

專利名稱：一種低重擊穿概率及高容性電流開斷能力的真空開斷器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電力設備，具體是一種真空開斷器，更確切的說是一種低重擊穿概率及高容性電流開斷能力的真空開斷器。
背景技術：
在電力系統的日常運行中，需要對電能進行輸送、分配，對電力質量進行改善和對系統進行保護，因此需要經常對各種線路進行投切。為了滿足各種線路的投切，在電力系統中使用了大量的高壓電器設備來實現其目的。在線路的投切過程中因各個參數不一致，投切的時機和目的不一致，會在此過程中遇到各種形式的電流。為了適應各種投切，因此出現了具有各種功能的高壓電器設備。在各類高壓電器設備中高壓開關因要承載、關合、開斷各種電流而備受人們的關注。在狹義的高壓電器的概念中就是指高壓開關。根據其滅弧的介質的不一樣我們經常將其分為SF6開關、真空開關、空氣開關、油開關。要了解真空高壓電器就需了解真空電弧是怎樣產生的。在真空環境中，氣體非常稀薄，殘存氣體的電離可忽略不記。一對帶電觸頭在這種高真空環境中的分離，便會產生真空電弧。真空電弧是這樣產生的當觸頭行將分離前，觸頭上原先施加的接觸壓力開始減弱，動靜觸頭間的接觸電阻開始增大，由於負荷電流的作用，發熱量增加。在觸頭剛要分離瞬間，動靜觸頭之間僅靠幾個尖峰聯繫著，此時負荷電流將密集收縮到這幾個尖峰橋上，接觸電阻急劇增大，同時電流密度又劇增，導致發熱溫度迅速提高，致令觸頭表面金屬產生蒸發，同時微小的觸頭距離下也會形成極高的電場強度，造成強烈的場致發射，間隙擊穿，繼而形成真空電弧。真空電弧一旦形成，就會出現電流密度在104A/cm2以上的陰極斑點，使陰極表面局部區域的金屬不斷熔化和蒸發，以維持真空電弧。當真空電弧電流不大時，陰極斑點將不停地運動，通常是由電極中心向邊緣運動。 當陰極斑點到達邊緣，等離子錐便彎曲，接著陰極斑點就突然熄滅，在電極中心又會繼續不斷地產生新的陰極斑點。如果電流保持不變，陰極表面存在的陰極斑點數基本上維持不變。 當電弧電流增大或減小時，陰極斑點也隨之增加或減少。這種存在許多陰極斑點的真空電弧，隨著陰極斑點的運動不斷地向四周擴散，所以叫擴散型真空電弧。若用銅作電極，當電弧電流增加超過10000A時，電弧的外形將突然發生變化，陰極斑點不再向四周作擴散運動，而是相互吸引，結果所有的陰極斑點都聚集成一個斑點團， 陰極斑點團的直徑可達廣2CM。此時陽極上出現了陽極斑點，陰極表面和陽極表面均有強烈的光柱，陰極光柱與陽極光柱自由地向電極的四周擴散成為數條連續的閃光，有時偶爾也與電極平行。真空電弧一旦聚集，陰極斑點與陽極斑點便不再移動或以很緩慢的速度運動，陽極和陰極表面被局部強烈加熱，導致嚴重熔化，這種真空電弧叫做收縮型真空電弧或聚集形電弧。收縮形真空電弧對電流的開斷來講是非常困難的，提高擴散形電弧向收縮電弧轉變的臨界值變的很重要。最終通過改變觸頭材料和觸頭結構、觸頭的形狀及在觸頭上產生的磁場的方向(如橫磁場RMF、縱磁場AMF)等提高了其臨界值。[0007]雖然經過了大量的研究和改進，但電弧在真空中的特性使得現今還沒有出現大量用於72KV以上系統的真空高壓電器，但在中壓系統中真空滅弧表現出來的優異性能越來越受到人們的認可。因此在IOKV至35KV的中壓系統廣泛的使用真空高壓電器。在中壓系統中真空高壓電器不僅要承載連續的額度電流，還要關合和開斷各種電流，特別是開斷各種電流至關重要。為了滿足各種電流的開斷，人們進行大量的研究，最終通過改變觸頭材料的成分、觸頭的結構、觸頭的形狀及在觸頭上產生的磁場的方向(如橫磁場RMF、縱磁場AMF)等來滿足各種電流的開斷。雖然經過了各種的改進，但人們的出發點卻始終是關注如何提高短路電流的開斷及如何降低截流值、防止觸頭熔焊上，很少關注如何提高容性電流的開斷及降低開斷容性電流時出現的重燃、重擊穿和NSDD的概率。在IEC62271-100《高壓交流斷路器》的標準修訂後，我國也根據國內的實際情況參照IEC標準對GB1984《高壓交流斷路器》進行了更新。在更新後的標準重明確的對斷路器的等級進行了劃分，也特別重視了開斷容性電流時產生重燃、重擊穿和NSDD的概率。國際電工委員會也是希望行業內的人士關注此問題，但是實際情況是業內對如何降低容性電流開斷時的問題沒有作細緻的考慮，沒有去分析開容性電流時最常使用的場合，從而導致在最常用的開斷容性電流的場合沒有合適的產品去完成此任務。特別在現今的中壓系統中用來投切電容器組的真空高壓電器，因開斷的容性電流的額度電流較高，開斷更頻繁，所以該問題更是突出。在10KV、24KV的系統中為了解決此問題，都需要在真空高壓電器整機組裝調試完成後進行老練試驗，之後才敢正常的使用。對於35KV的系統中用來投切電容器組的高壓電器就很少使用真空高壓電器了，其原因也是害怕出現該問題。但是即使老練試驗也沒用完全解決該問題，因為老練試驗只是利用大的電流將觸頭表面的微觀凸起部分和雜質氣化，以達到觸頭表面潔淨平整，使其在開斷容性電流時的重燃、重擊穿和NSDD的概率降低，但不能根本解決此問題。要徹底解決此問題則需要分析投切電容器組的系統環境(如電壓、電流、故障和短路電流)，才能有更好的應對措施來解決實施。

實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種具有低重擊穿概率及高容性電流開斷能力的真空開斷器，其通過改善觸頭間的磁場、觸頭的形狀、觸頭材料解決了中壓系統中開斷容性電流時容易產生重燃、重擊穿和NSDD的問題。本實用新型所述的低重擊穿概率及高容性電流開斷能力的真空開斷器，其包括由上段絕緣外殼和下段絕緣外殼組成的殼體，在殼體內安裝金屬屏蔽筒，在殼體的上、下兩端分別安裝有上端蓋和下端蓋，在上端蓋上設有向下延伸至金屬屏蔽筒內的靜觸頭；在下端蓋的中心孔中安裝有導向套，在導向套內裝有可以沿軸向運動的並與靜觸頭適配的動觸頭，所述動觸頭端部為凸半球體，靜觸頭端部為與之對應的凹半球體。作為本實用新型的改進，所述凸半球體由一組動觸頭導磁組件及一組動觸頭導電組件間隔設置組成，每部分的截面形狀和面積相同，相應的凹半球體由同樣數量的一組靜觸頭導磁組件和靜觸頭導電組件間隔設置組成，每部分的截面形狀和面積也相同，且靜觸頭導磁組件位置與動觸頭導電組件位置對應，而靜觸頭導電組件位置與動觸頭導磁組件位置對應。[0014]上述凸半球體最好由兩塊動觸頭導磁組件及兩塊動觸頭導電組件間隔設置組成； 凹半球體則同樣由兩塊靜觸頭導磁組件和兩塊靜觸頭導電組件間隔設置組成。導磁和導電組件組成的四等分的截面可以是任何形狀，但需控制該截面各等分部分截面的組成部分， 使得截面面積相同，比較典型的例為雙陰陽魚形狀或卍字形狀。此外，還可以在各導電組件和導磁組件表面設置金屬外殼，該金屬外殼材料為耐弧材料CuCr，其中Cr的重量百分比為15%_25%之間。在該金屬外殼上靜觸頭和動觸頭接觸區域鑲嵌抗熔焊材料CuW或CuffffC,其中CuW中W的重量百分比為0. 8%至1. 5%，CuffffC 中WffC的重量百分比為0，8%至1. 5%，鑲嵌的抗熔焊部件的截面面積佔其接觸區域的10%至 40%。作為本實用新型的進一步改進，在殼體內沿動觸頭外設有波紋管，波紋管一端固定在下端蓋內側，一端固定在動觸頭外壁面。因為波紋管有其伸縮性和相應的疲勞強度，可以保證在動觸頭運動的過程中殼體內形成的真空環境不會被破壞。所述上、下段絕緣外殼可以為光面或者波浪面的陶瓷外殼，也可以為光面或者波浪面的玻璃外殼。本實用新型在分析了真空高壓電器開斷容性電流，特別是開斷較大的容性電流 (如投切電容器組)的系統環境後，通過改善觸頭間的磁場、觸頭的形狀、觸頭材料來解決中壓系統中開斷容性電流時容易產生重燃、重擊穿和NSDD的問題。該實用新型不僅能滿足中壓系統正常的額定電流、故障電流和短路電流的開斷，更提高容性電流的開斷，且有效的降低了容性電流開斷的重燃或重擊穿概率，NSDD (非自持性放鬆也得到了有效的降低。該實用新型不僅適應於需要開斷有功負載電流、故障電流和短路電流的高壓電力系統中，還特別適應需要開斷容性電流開斷的高壓電力系統中。

圖1為本實用新型的結構示意圖，圖2為動、靜觸頭上導磁、導電組件分布的結構示意圖，圖3a為加金屬殼體的動觸頭結構示意圖，圖北是圖3A-A向剖視圖，圖3c是圖;3B-B向剖視圖，圖4為動觸頭截面導磁導電部件配合示意圖一，圖5為動觸頭截面導磁導電部件配合示意圖二。
具體實施方式
以下結合附圖及實施例對本實用新型的進一步加以描述圖1所示是一種低重擊穿概率的高容性電流開斷能力的真空開斷器結，其由上、 下兩段外殼101、102 (外殼可以是光面或波浪形的陶瓷或玻璃材料)組成殼體1，在殼體1 內部，兩段外殼的連接處安裝有金屬屏蔽筒2。在殼體1的一端安裝有上端蓋3，上端蓋3 的殼體外露部分設置若干安裝孔，在殼體1內的部分上安裝有靜觸頭4。在殼體1的另一端安裝有下端蓋5，在下端蓋5的中心孔中安裝有導向套6。下端蓋5內側與波紋管7 —端相連。動觸頭8下端開有與導向套配合的槽，動觸頭穿過導向套6、下端蓋5和波紋管7，動觸頭外壁面與波紋管7的另一端相連。殼體1與上端蓋3、下端蓋5及波紋管7、動觸頭8組成一個密閉的空間，在此空間內形成低壓力的真空環境。通過上端蓋3上的安裝孔安裝在一個框架上，使靜觸頭4不能運動；動觸頭8在導向套6的作用下只能在縱軸線上下運動， 與靜觸頭4接觸或分開形成電流的導通和分斷。如圖2，在動觸頭8端部設置一凸半球體9，與之對應的靜觸頭4端部設置凹半球體10。在動觸頭8上的凸半球體9上設置有兩塊動觸頭導磁組件901、902和兩塊動觸頭導電組件903、904。導磁組件和導電組件將凸半球體分成四等分，每部分的截面形狀和面積相同。在靜觸頭4上也同樣設置了兩塊靜觸頭導磁組件1001、1002和兩塊靜觸頭導電組件 1003、1004。凸半球體9上的動觸頭導磁組件901和凹半球體10上的靜觸頭導電組件1003 相對應，凸半球體9上的動觸頭導磁組件903和凹半球體10上的靜觸頭導電組件1001相對應，依次類推。在靜觸頭4上排列的方式正好與動觸頭上的排列方式正好相差90度角度， 形成的每個接觸部分為導電組件與導磁組件相對應。導磁和導電組件組成的四等分的截面可以是任何形狀，但需控制該截面各等分部分截面的組成部分的一部分截面比另一部分截面的面積大。比較典型的例子是雙陰陽魚配合或「卍」字形配合(見圖4和圖5)。在本實例中採用了雙陰陽魚配合。此外，可以在導電組件和導磁組件表面設置金屬外殼，該金屬外殼可以為耐弧材料CuCr，其中Cr的重量百分比為15%-25%之間。並可以在該金屬外殼上靜觸頭和動觸頭接觸區域鑲嵌抗熔焊材料CuW或CuffffC,其中CuW中W的重量百分比為0. 8%至1. 5%，CuffffC 中WffC的重量百分比為0，8%至1. 5%。鑲嵌的抗熔焊部件的截面面積佔其接觸區域的10%
至 40% ο從本領域中已知的情況是縱磁場(AMF)在開斷短路電流時有非常優異的效果。縱向磁場的加入可以提高由擴散性電弧轉變到收縮型電弧的轉換電流值。實驗表明，在足夠的縱向磁場下，大電流真空電弧仍具有擴散性真空電弧的基本特徵，電弧斑點在電極觸頭表面均勻分布，觸頭表面不會產生局部嚴重熔化，並具有電弧電壓低，電弧能量小的優良特徵，這對於弧後強度恢復，提高分斷能力是十分有益的。在本實例採用了 AMF滅弧，並設置了 2個產生AMF磁場的兩個線圈，這2個線圈是並聯的，方向相同，故AMF磁場產生的方向相同是疊加增大的。電流開斷成功與否(即電弧熄滅與否)取決於介質絕緣恢復強度速度曲線與瞬態恢復電壓速度曲線的交點。當電流過零時，介質絕緣恢復強度高於瞬態恢復電壓，電弧熄滅不再重燃，因此要提高介質絕緣恢復強度。提高介質恢復強度有很多方法，但在不改變其他條件的情況下，改變電極的形狀，改善電場的分布，形成均勻的電場是很好的方法。在本領域中知道兩球體的電場分布最為理想，是稍微不均勻的電場，比空間無限大的板板電極的均勻電場要差，但實際上是不可能得到此種電極。在板板電極的邊緣的電場不利於介質絕緣恢復，電極的邊緣電場擊穿場強要比同等條件下的球形電極的擊穿場強低許多。因此本實例採用了球體電極，而沒有使用傳統的平板電極。由於需連續的承載額度電流，為防止觸頭的發熱過大，溫度過高，因此需要減少觸頭本身的電阻及其接觸電阻。一般觸頭都採用電阻率很小的銅或高含銅量得金屬合金。因為在觸頭中插入了導磁材料，一般導磁材料都是鐵或鐵金屬合金，其電阻率大，所以其觸頭本身的電阻要大於電阻率小的材料製成的觸頭。根據並聯電阻的阻值是各並聯電阻倒數和的倒數這一原理，可知將其觸頭的組成部分並聯可以降低其觸頭的總電阻，因此在本實例中採用了幾個導電和導磁的材料並聯來降低其觸頭本身的電阻。在接觸電阻的理論中可知在相同的接觸壓力下點接觸的接觸電阻比線接觸的接觸電阻和面接觸的接觸電阻要小，因此採用點接觸的接觸原理可以降低其接觸電阻。採用球形觸頭可以增加接觸面積，將其接觸形式變成點、線接觸，降低接觸電阻。圖3a為動觸頭生產加工的結構示意圖。動觸頭8的凸半球體9可以由2個導磁組件和2個導電組件組成(見圖北和圖3c)。並將其組件按圖2的組合順序放入在帶凹槽的底座15上，罩上空心的金屬殼體16。該金屬殼體16可以為耐弧材料CuCr，其中Cr的重量百分比為15%-25%之間。並可以在該金屬外殼上靜觸頭和動觸頭接觸區域鑲嵌抗熔焊材料CuW或CuffffC,其中CuW中W的重量百分比為0. 8%至1. 5%, CuffffC中WffC的重量百分比為0，8%至1.5%。鑲嵌的抗熔焊部件的截面面積佔其接觸區域的10%至40%。，每個部件接觸部分填充的焊接劑，通過高溫融化將以上部件組合成一個整體。導磁和導電組件可以用相應的鐵金屬合金、銅或高銅合金通過粉末冶煉得到相應外形的導磁或導電組件，通過後處理得到滿足上面安裝組合精度的組件。在本實例的技術方案中簡化了其生產製造，增加了可操作性，降低了製造成本。以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進，這些改進也應視為本實用新型的保護範圍。
權利要求1.一種低重擊穿概率及高容性電流開斷能力的真空開斷器，其包括由上段絕緣外殼 (101)和下段絕緣外殼(102)組成的殼體(1)，在殼體內安裝金屬屏蔽筒(2)，在殼體(1)的上、下兩端分別安裝有上端蓋(3)和下端蓋(5)，在上端蓋(3)上設有向下延伸至金屬屏蔽筒(2)內的靜觸頭(4);在下端蓋(5)的中心孔中安裝有導向套(6)，在導向套(6)內裝有可以沿軸向運動的並與靜觸頭(4)適配的動觸頭(8)，其特徵在於所述動觸頭(8)端部為凸半球體(9 )，靜觸頭(4 )端部為與之對應的凹半球體(10 )。
2.根據權利要求1所述的低重擊穿概率及高容性電流開斷能力的真空開斷器，其特徵在於所述凸半球體(9)由一組動觸頭導磁組件(901、902)及一組動觸頭導電組件(903、 904)間隔設置組成，每部分的截面形狀和面積相同，相應的凹半球體(10)由同樣數量的一組靜觸頭導磁組件(1001、1002)和靜觸頭導電組件(1003、1004)間隔設置組成，每部分的截面形狀和面積也相同，且靜觸頭導磁組件位置與動觸頭導電組件位置對應，而靜觸頭導電組件位置與動觸頭導磁組件位置對應。
3.根據權利要求2所述的低重擊穿概率及高容性電流開斷能力的真空開斷器，其特徵在於凸半球體(9)由兩塊動觸頭導磁組件(901、902)及兩塊動觸頭導電組件(903、904) 間隔設置組成；凹半球體(10)兩塊靜觸頭導磁組件(1001、1002)和兩塊靜觸頭導電組件 (1003、1004)間隔設置組成。
4.根據權利要求3所述的低重擊穿概率及高容性電流開斷能力的真空開斷器，其特徵在於凸半球體(9)和凹半球體(10)上的導磁組件和導電組件截面形狀為卍字形狀。
5.根據權利要求1至4中任何一項所述的低重擊穿概率及高容性電流開斷能力的真空開斷器，其特徵在於在殼體(1)內沿動觸頭(8)外設有波紋管(7)，波紋管(7)—端固定在下端蓋(5)內側，一端固定在動觸頭(8)外壁面。
6.根據權利要求1至4中任何一項所述的低重擊穿概率及高容性電流開斷能力的真空開斷器，其特徵在於上、下段絕緣外殼(101、102)為光面或者波浪面的陶瓷外殼，或者為光面或者波浪面的玻璃外殼。
專利摘要本實用新型公開了一種低重擊穿概率及高容性電流開斷能力的真空開斷器，其在殼體內安裝金屬屏蔽筒，殼體上、下兩端分別安裝端蓋，上端蓋設有向下延伸至金屬屏蔽筒內的靜觸頭；下端蓋安裝有導向套，在導向套內裝有動觸頭，動觸頭端部為凸半球體，靜觸頭端部為與之對應的凹半球體。凸半球體由一組導磁組件和導電組件間隔設置組成，凹半球體與之對應，且靜觸頭導磁組件位置與動觸頭導電組件位置對應，而靜觸頭導電組件位置與動觸頭導磁組件位置對應。本實用新型通過改善觸頭間的磁場、觸頭的形狀、觸頭材料來解決中壓系統中開斷高容性電流時容易產生重燃、重擊穿和NSDD的問題。
文檔編號H01H33/66GK202084469SQ20112019179
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月9日 優先權日2011年6月9日
發明者孟斌, 將川良, 王俊 申請人:江蘇迪康電氣有限公司