旋轉型電弧遮斷器的製作方法
2023-06-08 17:56:31
專利名稱：旋轉型電弧遮斷器的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及電弧遮斷器，尤其是一種旋轉型電弧遮斷器，它具有改進的可動觸點及與其相配合的環極結構，藉助降低了起始旋弧時間和使電弧旋轉通過冷態滅弧氣體所需的時間而達到更有效地滅弧。
存在有多種傳統的通過採用磁場線圈來建立一個滅弧用磁場的電弧遮斷結構。例如，已知技術中提供的一種電弧遮斷器為一個環形消弧器通過一個包圍該環的磁場線圈與可動觸點電氣地相連，並且一個固定觸點被設置在環極內部沿著環極中心軸的一點上。在該已知結構中，可動觸點被安裝成可繞軸樞轉，而該軸沿一個垂直於和偏離於環極的中央縱軸的方向延伸，因而使可動觸點在徑向向環極內部的第一接觸位置和徑向向環極外部的分離位置之間作移動。
當該已知裝置的可動觸點被樞轉而離開固定觸點時，電弧便開始在可動觸點和固定觸點之間生成並被維持在觸點之間直到可動觸點通過和跨越環極為止。此後，電弧轉移至環極並藉助電流通過磁場線圈而在環極範圍內所建磁力的作用下旋轉起來。該種在環極內的旋轉作用，使電弧轉換到環極以後最終地熄了弧。但是，當可動觸點運動在固定觸點和環極之間相當部分時間內，可動觸點和固定觸點之間是帶弧的，整個滅弧過程的時間便不可避免的出現了延遲。典型例子是，日本Kitakyushu省Yaskawa電氣製造有限公司的KazushiFujiwara等人向1973年9月25-27日在波蘭洛茲如開的有關開關電弧現象的第二屆國際研討會上提出的一篇論文中所描述的這種機構。
另外的已知的電弧遮斷器結構類型被公開在美國專利4，301340，4301341和4409446之中。在這種已知結構類型中，環極通過一個磁場線圈與固定觸點相串聯，其可動觸點可繞交會於環極中心軸的，並沿其相垂直方向作延伸的一根樞軸作樞轉，固定觸點或被直接設置在環極上或被設置於環極的徑向朝外處，當可動觸點從固定觸點作分離時，可動觸點橫向地跨越磁場線圈的圓形極面並朝其內軸移動。
在這種第二類型的已知結構工作時，在可動觸點從同固定觸點的接觸中移開後，由於可動觸點移動進入到與環極如此緊密接近，以致一開始時在可動觸點與固定觸點之間生成的電弧便轉移到了環極。於是，在原先所討論的結構中所遇到的延遲部分地得到了避免。
但是，在US4301340、43010341和4409446專利所公開的裝置中，為了使可動觸點通過環極時電弧便恰當地轉移到環極，那麼該裝置應被製造得可動觸點同環極的位置關係非常精確，這一點是苛刻的。任何有關可動觸點和環極相對間隔的偏差均可能對裝置滅弧所需的時間長短產生不良效果，於是得出了一種工作於非預期方式的裝置。其次，為了引導電弧進入環極內部區域，對第二種已知類型而言，有必要使可動觸點的運動沿著一條伸展進入環極內部的路徑。
美國專利4503302中示出了第三種已知類型的電弧遮斷器，它同上面提到的第一種結構類似之處在於，所提供的環形消弧極通過圍繞著環極的磁場線圈被與可動觸點電氣相連，和一個固定觸點被設置在環極的內部。但在美國專利4503302所示裝置中，可動觸點被安裝得可繞樞軸作樞轉運動，該樞軸是沿著與環極的中央軸平行的方向延伸的。於是，如同第一種所提的裝置，在可動觸點和固定觸點之間保持著電弧，直到可動觸點已經朝環極移動了一段實際距離，因而延遲了開始電弧轉移所需的時間。
提供一種連貫地滅弧的電弧遮斷器是很有利的，它能在觸點斷開以後相當短暫時間以內連貫地滅弧，其目的是，允許電弧遮斷器被使用於包括熔斷器、隔離開關等其他元件的配電系統，系統在它們自己的工作中依賴於電弧遮斷程序的定時性。因而本發明的一個目的是提供這樣的一種結構。
本發明的另一目的是提供一種結構簡單的電弧遮斷器，並且它允許電器的不同零部件間的有關間隔以較大的容差極限(某種程度上)，而與至今已知的裝置需要非常嚴的容差的情況相反。
進而，本發明的一個目的在於，提供一種電弧遮斷器，其中從觸點間成弧的時刻起實質上電弧已在被控制之中，直到已被滅弧為止。以便加速轉換和滅弧。
本發明還有一個目的是，提供一種電弧遮斷器，其中遮斷器的可動觸點的角部鄰近處所承受的靜電應力通過修整角部周圍場的方法得以降低，從而使環極的尺寸可以被縮小而不反過來影響該型遮斷器通常所需耐高電壓脈衝的能力，該高電壓脈衝發生在當雷電襲擊遮斷器與之相連的配電線時。
這些優點，外帶其他的優點均可通過使用按照本發明所構造的電弧遮斷器來得到。例如，在其最佳型式中，一個按照本發明所做的電弧遮斷器包括一個固定觸點和一個具有一個臂的可動觸點，該可動觸點可以選擇性地與固定觸點相接觸。一個斷弧用的環極是與觸點相關連的，它具有相對的兩端，當一個磁場線圈以圍繞的關係被提供到環極時，在相對的兩端之間確定有一根中央縱軸。提供了由磁場線圈至固定觸點的電連接裝置，因而磁場線圈同固定觸點是相同的電位。
可動觸點的臂包括一個從臂的其餘部分伸出而朝向環極的角部，其伸出的方向通常平行於環極的縱軸。當可動觸點被遷移以便遮斷通過觸點的電流，該臂可沿著一條垂直於並朝向環極的縱軸的路徑移動而越過環極。當處於受激勵的狀態的可動觸點被從固定觸點斷開，電弧在動、定觸點間產生。觸點一斷開之後，當臂接近環極和橫跨環極時，臂配合著可動觸點角部的其餘部分產生第一和第二電磁力施加到電弧上。第一電磁力作用方向朝向環極，因而在幾乎與可動觸點離開環極的距離無關的情況下促使電弧從固定觸點轉換到環極。第二電磁力的作用方向是沿著相對於環極中央軸的環繞方向，用以增強旋弧並因此熄滅電弧。
一個修整圍繞著臂段角部的靜電場的修整裝置也被提供在電弧遮斷器中。最好是，該裝置包括一個從環極的第二軸向端沿著其中央縱軸朝向其第一軸向端的導體。該導體包括一個內軸端，當臂段被移動到中央縱軸的位置時，該內軸端與角部之間稍稍離開一點。
通過這個結構，實現了許多優點。例如，通過在臂段的角部周圍的靜電場中提供均勻的梯度的方法，遮斷器就可能更好地耐受高電壓脈衝而不致擊穿，其耐受能力超過那種如果不提供如此修整裝置的遮斷器。
對在遮斷器中提供的修整裝置若作隨意的選擇，用以對包圍著臂段角部的靜電場進行修整的話，將會造成增加環極的直徑直到臂段的角部和環極之間的氣隙距離，當臂段處於與中央縱軸交會的位置時，環極的尺寸應該要足夠地大，大到可以在遮斷器承受預定量值的高壓脈衝而不致起弧，但由於尺寸問題受了限制，假設用在一個密封在絕緣氣體保護之中的自動開關上，這樣的修整方案就寧肯不用。於是按本發明的遮斷器來提供修整，則可能減小環極的直徑至某一尺寸規格，即在一個自動開關盒的傳統規格的空間中能容易地進行裝配的尺寸規格。
可從本發明的結構領會到的另一優點是在於，修整裝置的導體的存在。當可動觸點從固定觸點作分離時，該導體對正常燃弧所產生的熱起到分配作用。當電弧轉移至導體時，該種熱的分配就發生了，那時，臂段的運動趨於一個與中央縱軸交會的位置，一旦電弧轉移到了導體，臂段的角部便被允許去冷卻而由電弧所產生的熱則被分配到了可能比起臂的角部來說具有更大質量的導體上。換句話說，因為電弧決不停住在臂段的角部上，角部也並不象遮斷器中不存在修整裝置的導體時那樣熔蝕得那麼快，於是可動觸點的壽命也就延長了。
意料之外的是，可以觀察到，通過在遮斷器中提供修整裝置的導體，在遮斷過程中有時電弧從可動觸點嚮導體的轉移出現得非常早。尤其是，通常在遮斷時，電弧從可動觸點至導體的轉移同當可動觸點直接通過環極一樣地早。作為對這種較早的電弧轉換的結果可被領會有幾種好處。例如，通過具有電弧至導體的早期轉移，在遮斷過程中比較早地實行電弧的拉長，並且在遮斷過程中，在環極範圍內整個長弧開始旋轉的時間要比若缺少導體時開始旋弧的時間要早。當提供了上述已論及的其他好處時，這些效果增強了電器的能力，使得它斷起弧來既快又可靠。
在本發明的最佳形式中，電弧遮斷器的可動觸點被安裝得可繞一個按平行於環極中央縱軸方向延伸的樞軸作樞轉運動，並包括一個角部，它通常設置在一個垂直於中央縱軸的平面內。
以下結合附圖詳細地描述本發明的一個最佳實施例，其中
圖1為按照本發明所做的電弧遮斷器的平面圖，圖中可動觸點與固定觸點處於相連狀態;
圖2為圖1遮斷器的一個橫斷面側視圖;
圖3為所示可動觸點處於與固定觸點分離的狀態並且可動觸點正橫跨環形電極時的遮斷器平面圖，圖4為圖3的遮斷器的一個橫斷面側視圖;
圖5為所示可動觸點正處於環形電極的包圍之中的遮斷器平面圖;
圖6為圖5遮斷器的一個橫斷面側視圖;
圖7為所示可動觸點正處於中央縱軸位置時的遮斷器的平面圖;
圖8為圖7遮斷器的一個橫斷面側視圖;
圖9為一個概圖，示出了遮斷器的結構中不帶修整棒時的遮斷器靜電場;
圖10為一個概圖，示出了按照本發明遮斷器的結構中具有一個修整棒時的遮斷器靜電場;和圖11為靜電場與可動觸點朝向環形電極的間距的關係示圖，對應於對圖9的遮斷器和圖10的遮斷器兩種情形且可動觸點均位於中央縱軸。
示於圖1的是一種電弧遮斷器，它是按照本發明所構成的，使用於電開關裝置領域。儘管圖中未示出，但該電器最好被設置於一個充有具備優質滅弧性能的絕緣氣體的外殼中，如，六氟化硫預期可被使用來當作該種絕緣氣體，這是由於該類型的氣體具備很多優點。六氟化硫是一種隋性、無毒、不燃的氣體，它是一種極好的介質。另外，由於該氣體是電負性的，故它是一種極好的滅弧材料。
一對套最好以密封的方式延伸通過外殼並採用來連接到如圖所示的電弧遮斷器上。套之一被連接到電器的固定觸點而另一個套被連接到可動觸點，因而在正常接通的情況下，從配電線或類似物來的電流通路包括套、固定觸點以及正常時與之接觸的可動觸點。
在電器本身中，如圖1所示，固定觸點10和可動觸點12，與環形電極14一起，被安裝在一個由絕緣材料如縮醛或環氧樹脂構成的支架16上。固定觸點10包括一個通常為U型的觸點件18，該固定觸點可藉助任何適合的方法如螺柱和螺母組合件22保持在固定觸點臂上，一個U型的偏置元件24被夾在觸點元件18和觸點臂20之間，該偏置件包括兩條沿觸點件18的兩腿外側面伸展的偏置件腿。偏置件24的腿向內壓緊觸點18的雙腿，使觸點件的雙腿互相靠攏以便當正常電流通過電器時保持動觸點12與固動觸點10相接觸。
一個L形靜止的弧尖26(見圖2和圖4)被提供於固定觸點10上，該弧尖也通過螺柱和螺母組合件22安裝在觸點臂20上並且它的伸展超出觸點件18一個預定距離。靜止的弧尖26用具備適當耐弧性能的彈性導電金屬材料製成。觸點臂20藉助任何適合的方法安裝在支架16上，例如用再一個螺柱和螺母組合件貫通觸點臂20和支架16的一個側壁28的方法。
儘管圖中未予示出，但在某些情況下，有必要在弧尖上提供附加的耐熱材料來強化弧尖。例如可以在弧尖靠近遮斷情況下可動觸點從弧尖分離的地方，固定一個耐熱材料的護套。通過在該處提供附加材料，使弧尖承受電弧高溫的耐力得以提高。
可動觸點12包括一根長的導杆件30，在導杆兩端頭的居中處設有一個孔32，而由一個樞軸34穿過該孔。可動觸點12與母線33之間保持壓力接觸的狀態，其方法是藉助樞軸34上裝有彈簧給予一預定的彈力。該母線33與套之一相連。長導杆30包括伸展在孔32和導杆30的一端38之間的第一臂段36以及從孔32伸展至導杆30另一端42的第二臂段40。導杆30的第一臂段36是可圍繞著由樞軸34的中心軸樞轉的，它可以有選擇地與固定觸點10接觸在其雙腿18之間。第一臂段36最好是L形結構的，並且它包括一個角形部分44，它的角部由臂段36起沿著一個通常垂直於臂段36和平行於環形電極14的中央縱軸的方向伸向環形電極14。該角部44或可用同臂段36的相同材料塊製成，也可以用不同的材料塊構成，例如，如圖4所示，角部44可以用第一部分中空的圓柱形件46和一個耐弧的端頭48構成，它們兩者均被螺紋的軸或其類似物軸向穿過角部44來連接臂段36。
第二臂段40起一個連杆的作用，通過該連杆，驅動器50得以操縱可動觸點12，使之與固定觸點10相接觸或分離。如以下詳述的，在遮斷器工作時，驅動器50使長導杆30圍繞著樞軸沿著一條路經作樞轉，該路徑伸展在圖1所示的可動和固定觸點12和10相接觸的位置和圖7所示的可動觸點12處於環極14的中央縱軸的位置之間。儘管示例中所述的驅動器50對可動觸點12的長導杆30的接觸點是在第二臂段40的端頭上，但應指明的是，一種變換的結構也可以包括某種伸長的導杆，該導杆至驅動器的連接點是沿著第一臂段，位居於孔和放置角部的導杆端頭之間的地方。
被安裝有觸點10、12和環極14的支架16通常是做成圓形的，它包括一個內徑表面52，該表面沿可動觸點12的樞軸相平行的方向軸向地伸展。固定觸點10被安裝在支架16的外徑表面54上的一個與可動觸點12的樞軸34的安裝位置相隔一段圓弧的地方，從而使固定觸點10至可動觸點12的樞軸34的分開距離等於樞軸34與可動觸點12的角部44之間的距離。通過用此方法來構成該電器，當觸點10、12處於接通狀態時，由固定觸點元件18的雙腿抱住和保持住角部44。為了更便於角部44跟固定觸點元件18作接通與斷開運動，固定觸點元件兩腿應按通常為正切於可動觸點12的角部44的運動路徑方向來確定。
遮斷電弧用的環極14被置於支架16的開口中，它包括兩個相對的軸向端56、58，在那兒限定一個中央縱軸60。遮斷電弧用環極14用導電材料例如銅來形成，並且通常是中空的圓柱形的。環的一端56由支架16的絕緣材料緊密地圍繞，該支架16與環極14的一端齊平，由那裡徑向向外延伸至固定觸點10的靜止弧尖26的下方部位。當結合以下電器操作所討論的，設置在固定觸點10和環極14之間的絕緣材料起著兩方面的好作用。首先，當在可動觸點12和固定觸點10在分離的情況下在它們之間形成電弧時，一種磁性力(以下詳述)會將電弧推向與絕緣材料相接觸，於是在該處冷卻著電弧和耗散著電弧能量。其次，當電弧接觸絕緣材料時，電弧多少熔下一點材料而引起氣體的釋放，該種氣體進一步輔助了滅弧。
磁場線圈62包圍著環極14，它由導電帶形材料例如銅的繞組組成。在圖1所示的實施例中，導電帶材圍繞環極按順時針方向由裡及外繞制。磁場線圈62在其內徑繞組處與環極14相接觸並與固定觸點10藉助一根引線或母線條64作電連接，該引線或母線條64伸展在線圈62的外繞組與觸點臂20之間。於是環極14通過磁場線圈62如此被連到固定觸點10上，因而一旦可動觸點與固定觸點10或環極14之間流著電流時，那麼磁場線圈62便維持在激勵狀態。磁場線圈62的繞制方向是重要的，因為通過線圈的電流所建立起來的磁場按該方向起作用，即按線圈62圍繞環極14繞制的相同方向起作用，例如，由於圖1中繞組以順時針方向作延伸，由通過線圈62的電流所建立的磁力也按順時針方向作用在從環極14處對環極14的內徑表面66成直角向內伸展的電弧上。於是沿環極14的內表面66的任意點上，向著該表面向內徑向地延伸的電弧按照繞組的方向沿著該表面圓周形地被推進，從而引起電弧圍繞著環極14的內部轉動起來。
在磁場線圈62的外周上設置有一個加強環68，並且該加強環68沿著磁場線圈被固定在支架16的內徑表面52的環形臺階部分70之中。為了給予環極14和磁場線圈62以機械剛度並保護磁場線圈防止損壞，加強環68最好用鋼來構成。另外，該鋼環68將線圈繞組維持在一個適合的限定範圍內，從而使線圈繞組一旦已被裝配後很容易被固定到支架上。鋼環68也還起線圈62的外磁場的磁通路的作用。
電弧遮斷器的工作按附圖的序號次序作了描述，其中也包括了可動觸點12從固定觸點10分離而作樞轉時的實際程序。
如圖1和2所示，當可動觸點12的角部44保持與固定觸點10相接觸時，它們之間無電弧形成。但在可動觸點12從固定觸點10的靜止弧尖26作分離時，在弧尖26與可動觸點的角部44的末端74之間形成了電弧72，而電弧遠離了臂36的主要伸長段76，如圖3和4所示。
一旦在觸點10和12之間已經形成了電弧72，磁力F1和F2便立即作用到電弧上，迫使電弧朝著環極14的方向並同時環繞電極14按磁場線圈62的繞行方向移動。例如，在一個15KV的配電系統中，若一個4000安的故障電流呈現出來，而電弧遮斷器工作時，磁力F1會接近0.03牛頓，而磁力F2會是約0.93牛頓。這些磁力是由於相對於電弧72第一臂36的構形而產生的並可以通過已知的方法計算出來。由於長杆40的第一臂36的構形和相對於在臂和固定觸點間所形成的電弧而言該臂的位置關係，力F1和F2同時起作用使電弧按所希望的方向的方向作移動。
由於可動觸點12的第一臂段36的構形所致而發生的力F1，若無外力作用於電弧，將在電弧本身行進方向的垂直方向作延伸。由於第一臂段36的角度，以及作為一個柔軟可變的載流導體的電弧的已知行為，它可按把在電弧和臂段36之間的角度趨向於拉直的方向作移動和彎曲。這歸因於趨向使圍繞著臂段76和圍繞著由電流I1所流過的電弧所建立的兩個磁場的相互作用減少的緣故。在臂段36相對於固定觸點10和環極14而言位置關係確定的情形下，電弧72由力F1沿環極14的順時針方向的作用而移動，如同以下將討論的，該力是與磁場線圈62中力的作用方向是一樣的方向。因此，在電弧72已經實際上轉換到環極14以前和在磁場線圈62的力開始作用到電弧上之前，電弧便開始沿其最終旋轉的方向作移動。
同樣地，由於相對於臂36的角部44而言電弧72是帶角度的，由電流I2通過該兩導體所產生的兩磁場的相互作用的結果所發生的力F2的影響下，電弧要相對於角部44直線拉出。在力F2的作用下，電弧沿著朝環極14的方向移動。於是在電弧形成後，電弧就立即被推向與支架16的絕緣材料相接觸，從而在電弧轉移至環極14之前，就導致了電弧的冷卻作用。其次，第二力F2也把電弧推向環極14，其目的是促使電弧較早地轉移至環極。力F2實質上大於力F1，原因在於分離，即在於與電弧72和角部44之間直接接觸的情況正相反，電弧72和臂段36的伸長段76之間是分開的。
在可動觸點12運動在固定觸點10和環極14之間的期間，線圈62的磁場並不作用在電弧上，但電弧從它建立之時起，通過由於圍繞著可動觸點12的第一臂段36作用的磁場所產生的力F1和F2施加在電弧上，電弧就被較好地控制起來。如此早期控制的一個好處包括當電弧一轉移至環極14時，就沿著最終將旋轉電弧的方向拉長著電弧。藉助提供了這種早期拉長電弧的方法，電弧路徑的長度增加了，並且電弧材料被擴散進入殼體的絕緣氣體中，於是導致加速滅弧的效果。
此外，因為通過力F2的作用迫使電弧對著支架16的冷態絕緣材料，從而藉助該材料來帶走電弧能量遠早於電弧能轉移至環極14的時間，並且通過絕緣材料的熔蝕，稀放了氣體，這些氣體進一步有利於滅弧。因此，當可動觸點12-通過環極14時，力F1就馬上促使電弧轉移至與環極14相接觸，結果是促進了電弧的早期轉移。
應該指出的是，在最佳實施例中，固定觸點10的靜止弧尖26跟環極14徑向地被間隔了一個相對短的距離，由這一結構所獲得的優點，歸結於在環極14和固定觸點10之間存在絕緣材料因而當由於力F2的作用電弧被推入絕緣材料時，絕緣材料即吸收了來自電弧的能量。但是，在弧尖26和環極14之間的徑向間隔可能在某一間隔距離範圍內作變化，而無損於本結構所能實現的幾大主要優點。
如圖5所示，當電弧72已經轉移至環極14時，力F1便由磁場線圈62的力Fc極強地作了增補，力Fc以與F1同樣的方向作用在環極14內部的空間範圍內。與力F1和F2類似，力Fc是由於在圍繞著電弧所產生的磁場與電流流過線圈而在線圈周圍所產生的磁場相互作用引起的。因為電弧的作用如同一個柔性的載流導體，電弧極力要在沿線圈周圍的每一點上要使電弧與線圈之間的電流路徑拉直，電弧將沿線圈的順時針方向圓周地移動，如圖5所示。但是由於在線圈62中的匝數和藉助電弧72和環極14之間直接接觸的情況，由線圈62施加到電弧上的力Fc可能比力F1或力F2的任何一個都要高出很多倍。
如圖6所示，在電弧轉移到環極14以後，力F2繼續作用到電弧72上，這是由於一般在電弧72和臂36的角部44之間繼續保持的垂直關系所致。力F2引起電弧穿過環極14的第一軸向端56，這樣一來便可使電弧在力Fc作用下很快地旋轉起來。於是，可動觸點12進入由環極14所決定的內部區域的機械運動成為不是必須的，當然沿著一條在一個垂直於環極14的中央縱軸60的平面內延伸的路徑來移動可動觸點也是可能的，並因此還可以使路徑的長度變得更長，於是相比那些已知裝置的可動觸點的所走路徑顯得更加優越，而在已知裝置中可動觸點的所走路徑則須伸進環極的內部區域。
在圖7中，可動觸點12的臂36被表示為它帶有正處在與環極14的中央縱軸60共線的位置上的角部44。電弧遮斷程序的這一階段最好在故障遮斷動作起始後不遲於約8毫秒即到來，可以發現，在此階段中，在大多數情況下，已經成為滅弧狀態。但是為了把起滅弧作用的各種力解釋得更清楚，圖中仍被示為有電弧存在的情況。
為了理解滅弧的方式需要領會當電弧已經轉移至環極14時，電流流過電弧遮斷器的方法。該電流，是交流電，它流過可動觸點12的第一臂段並流過電弧72進入環極14，然後在那裡導通磁場線圈62的繞組。在環極14中，通過環的磁場相位是相對流經電弧72的電流相位而改變的。為了達到所需要的在約30和60度之間的相移，可以改變環極14的厚度和導電率，因而當每半周電弧72中的電流過零時，在環極14中的磁場接近其尖峰。
由於這種相移，在環中磁場的影響下甚至於當通過電弧的電流達到電流過零時，電弧材料繼續旋轉著，其結果造成由電弧建立起離子化氣體和由其增補著電弧材料，該離子化氣體旋轉進入殼體中的滅弧氣體並被去離子化，絕緣氣體的電負性質很快地使電弧去離子化並恢復了其本身的介電強度，於是防止了氣體的再度離子化。因而電弧便被排除了重建的可能性。
為了確保在臂段36的伸長段76和環極14之間無電弧形成，臂段36的角部44被設置在離可動觸點12的樞軸某一距離上，該距離接近等於在樞軸和環極14的中央縱軸60之間的分離距離。因此，當臂段36處於圖7和8所示的位置時，第一臂段36的角部44與中央縱軸60是共線的。另外，臂段36的伸長部分76應軸向地偏離環極14第一軸向端56以一個D1的距離，由此所建立起來的介電強度必須大於在臂的中央位置下(如圖8所示)在角部44和環極14之間的D2處建立的介電強度。以這種辦法，使環極14和第一臂段36之間的介電強度大於在環極14和角部44之間的介電強度。
為了進一步加強在環極14和第一臂段36之間的介電強度，如圖8所示，在遮斷器上提供了修整的方法，以便在臂段36接近圖7和8所示的中央位置時對包圍角部44的靜電場作修整。該修整方法包括一根中空銅製修整棒80形式的一個導體，該棒位於環極14之中，與中央縱軸60呈共線。該修整棒80的內軸端82最好伸展至角部44的端頭塊48的1/4英寸範圍內，因而修整棒80與端塊48之間的間隙在角部處在所示位置時是很小的。應注意的是，儘管修整棒被示為是中空的，然而也可以製作一個實心的棒。進而，儘管最好製作的修整棒具有與角部的形狀相當的橫截面形狀，但也可以製作其他形狀的修整棒。
修整棒80的另一端(未示出)被連接到母線33，該母線則延伸至某一套和可動觸點12之間，因而當可動觸點12同固定觸點10作分離時，以電弧72看來，可動觸點12的角部44和修整棒視作一個單根導體。最終，一旦可動觸點12的角部已越過一足夠的距離而趨向如圖7和8所示的位置時，電弧72轉移至修整棒80，而不是停留在角部的端頭塊48上。
由於當可動觸點的角部44移動時，電弧轉移到了修整棒80，因而在角部端頭塊48中生的熱減少和導致蝕損量也減小。這種對端頭塊蝕損量的減少所帶來的潛在的附加優點在於通常，端頭塊的蝕損導致在環極範圍的氣體中出現金屬成分的增多，而這就對在可動觸點和環極之間的介電強度起相反的作用。由此，通過使環極範圍內氣體中的金屬量減少，相信可以防止介電強度的降低。
其次可動觸點12的端頭塊48所遇到的蝕損量的降低的另一種好結果是通過在本發明的遮斷器中使用了修整棒80來達到的。參見圖9，當可動觸點處於環極14的縱軸60時，該圖梗概地示出圍繞著可動觸點12的角部44的靜電場。
在圖中，示出了許多等位線84-110，它們指示了在角部44和環極14之間區域內同一電位的地方，儘管圖中所示是雙座標尺寸的，但應該理解到，由於角部44、修整棒80和環極14的結構是對稱的，因此圍繞著角部的周圍的所述場實質上是相等的。
參見圖10，該圖也概略地示出了當處於中央位置時圍繞可動觸點12的角部44的靜電場。然而在圖10中，在該電器中包括有修整棒80，並且圖中也示出了在角部和環極之間的區域中在等位線方面，修整棒的出現所帶來的效果。
如同已知技術所示，靜電應力是一種力，它可以作用在處在靜電場中的原子的電子上，並且它策動電子從原子中分離出來而引起離子化。在本例中，這樣的應力是表現在可動觸點12的角部44周圍的區域中，其靜電場的狀況是當遮斷器經受一個例如量值為110KV或更大些的高電壓脈衝時，在可動觸點12和環極14之間出現介電強度擊穿，和在該處形成短時的電弧。為了防止在介電強度方面如此的擊穿，有必要降低包圍著角部區域中的應力，而如此的降低是靠著在環極14中提供修整棒80來達到的。
如圖9所示，在包圍著可動觸點12的角部44的電場中的應力是由等位線84-110的密集度來體現的。在等位線間隔密的地方的應力高於等位線較為散開處的。換句話說，在等位線84-110的任何兩根之間的應力水平可以說成是等於在任意給定方向在這樣的兩根線之間的單位電壓降。從圖9可以看出，鄰近可動觸點角部的等位線100-110互相之間的間隔相對地較寬，這就表明，在鄰近角部44要是提供修整棒的區域所存在的應力較小。
圖11中提供了存在於圖9的結構和圖10的結構中其場應力之間一種比較。指示出了按照本發明的一個典型實施例的應力圖，該例中遮斷器具有一個內徑3英寸的環極。圖11的垂直座標被標有「場」並標以KV/mm，而水平座標標有「距離」並標以英寸，它從端頭塊48的外表面起算到最靠近環極14的點。
從該圖中可見，在圖9的不存在修整棒的情形下直接鄰近角部處，圍繞著可動觸點的角部的應力較大，這由圖中曲線112示出，而若在提供有修整棒的情形下，在離角部相同的距離處所存在的應力較小，這由圖中曲線114來體現，它代表圖10的端頭塊和環極之間的應力。從有或無修整棒兩種情形下的鄰近角部的應力方面的這種差異來看，能領會到，在角部和環極之間的介電強度實際上可以通過將修整棒植入到圖10所示的位置的方法得以增加。進而，如此達到的介電強度的增加並不需增加在觸點12的角部和環極之間的距離，因而就不必增大環極的直徑。在圖11中的線116被用來表示負脈衝極限，在所示典型實施例中，在經受110KV高電壓脈衝情況下，超過了該極限，介質強度發生擊穿。圖中可見，在無修整棒的情況下，角部鄰近處的應力超過了該極限。
通過以上描述的並在權利要求書中宣告的方式製作的電弧遮斷器還可領會出其他一些優點。例如，通過提供所述的構形，電弧從其瞬時形成的一開始便按所提出的專門方式被控制和轉移，這就使連貫地、在一個滅弧時間短於以往可能的時間內滅弧成為可能。當這種連貫滅弧可被確保時，就可能更容易地設計出依賴於電弧遮斷器的定時性而工作的其他一些開關裝置。於是通過使用按照本發明的電弧遮斷器，不僅電弧遮斷器的可靠性會提高，而且整個配電或開關係系統的可靠性也可藉此得以提高。
其次，如上所述，由於F2起到將電弧推至環極的作用，這就可能在環極的第一軸向端和可動觸點的角部的端頭74之間留出一個可變動尺寸的間隙，而並不明顯地影響電弧從固定觸點轉移至環極的變換的定時性。在整個裝置的工作相容性作了改進同時，電弧遮斷器的製造和裝配就大大簡化了。
當然，在不背離權利要求書中所提出的本發明的範圍的情況下，按照本發明來構造一個電弧遮斷器是可能的。例如，儘管圖中所示的可動觸點是可樞轉地被連接到了支架上，但也可以使可動觸點沿著任何線性的或弧形的路徑在接通和分斷位置之間作移動，而所述路徑按垂直於環極的中央縱軸的一個方向作延伸，只要臂36相對於電弧的定位實質上同最佳實施例中所述的保持相同，從而兩個力同時地沿兩個方向作用在電弧上即可。
權利要求
1.旋轉型電弧遮斷器包括一個第一固定電觸點；一個具有第一和第二軸向端的和規定有一個中央縱軸的環極；一個圍繞著環極的磁場線圈；用於將環極通過磁場線圈電氣耦合到固定觸點從而當電流流過磁場線圈時在環極內建立磁場的裝置；一個具有一個臂段的第二電觸點，該臂段可沿著在垂直於環極的中央縱軸的平面內的路徑作選擇性移動而進入接觸固定觸點的位置，該臂段通常是L形狀的結構，它呈現出一個第一角部，該角部沿平行於中央縱軸的方向作延伸；固定觸點被設置在沿環極的徑向朝外鄰近環極的第一端的一個位置上，以致當與固定觸點相分離時，使可動觸點的臂段朝著環極的中央縱軸作移動，其特徵是，在第二觸點與固定觸點作分離時，引起電弧形成的情況下，所製作和安裝的第二觸點的通常L型的臂段產生一個第一電磁力，該力被施加於電弧，其作用方向朝著環極，同時還產生一個第二電磁力，該力同時施加於電弧，其作用方向是沿著相對於中央縱軸的環繞方向。
2.按照權利要求1所述的電弧遮斷器，其特徵是，從環極的第二軸向端朝著第一軸向端，實質上沿著中央縱軸延伸的一個導體，該導體具有一個內軸端，當臂段被移動到與中央縱軸共線的位置時，該內軸端是與臂段的角部分離的，當臂段被移動到與中央縱軸交會的一個位置時，該導體被製作和構形為包圍著臂段的第一角部的靜電場提供一個通常均勻的梯度。
3.按照權利要求1所述的電弧遮斷器，其特徵是，其中第二電觸點的臂段被安裝使其圍繞一個樞軸作樞轉運動，該樞軸是沿著平行於環極中央縱軸方向的。
4.按照權利要求1所述的電弧遮斷器，其特徵是，進一步包括支持固定觸點、環極、磁場線圈和第二觸點的各安裝裝置，所述的安裝裝置進一步包括絕緣裝置，用以當第二觸點與固定觸點分離時，使固定觸點、環極和磁場線圈與第二觸點作隔離。
5.按照權利要求1所述的電弧遮斷器，其特徵是，在環極和固定觸點之間，徑向地朝環極的第一軸向端的外部放置的絕緣材料，該絕緣材料在電弧形成的情況下處於電弧路徑之內，因而當第二觸點由固定觸點作分離運動時，電弧能量可被帶走。
6.按照權利要求5所述的電弧遮斷器，其特徵是，絕緣材料選自由熱塑性的縮醛樹脂、環氧樹脂和它們的任何結合物所組成的組別中。
7.按照權利要求1所述的電弧遮斷器，其特徵是，第二觸點的臂段包括一個伸長部，它通常延伸在一個垂直於中央縱軸的平面中。
8.按照權利要求1所述的電弧遮斷器，其特徵是，包括一個中空的圓柱形支持環，與磁場線圈保持緊密圍繞的接觸。
9.按照權利要求1所述的電弧遮斷器，其特徵是，包括驅動裝置，用來使可動觸點同固定觸點作進入接觸或退出接觸的選擇性運動。
10.按照權利要求9所述的電弧遮斷器，其特徵是，第二觸點包括通常設置在垂直於中央縱軸平面內的一個第二臂段，驅動裝置與第二臂段相連。
11.按照權利要求1所述的電弧遮斷器，其特徵是，包括一個中空的圓柱形支持環，與磁場線圈保持緊密圍繞的接觸。
12.用於遮斷器高壓電流的旋轉型電弧遮斷器，它包括一個固定電觸點;一個具有一個臂段的可動電觸點，它選擇性地與固定觸點相接觸，當處於勵激狀態的可動觸點從固定觸點作分離時電弧便被發生;一個遮斷電弧用環極與觸點相關，和該環極具有相對的端面並在它們之間規定有一個中央縱軸;一個包圍著環極的磁場線圈;和電氣地連接磁場線圈和固定觸點的電連接裝置，從而當可動觸點從固定觸點作分離時，一個電弧在可動觸點和環極之間形成，而且磁場線圈被維持在一個激勵狀態;可動觸點的臂段包括從臂段突出的角部，該角部沿著通常是平行於環極縱軸的方向而朝向環極，當可動觸點被移動用以遮斷流過觸點的電流時，臂段沿著一條垂直於和朝著環極縱軸的路徑被移動而越過環極。臂段的部位被作這樣的安排在觸點分離時當角部接近環極並然後移越環極的情況下，相對於電弧而言，能同時引起第一和第二電磁力，兩種電磁力均被作用到電弧上，第一電磁力的作用方向是朝著環極的，而第二電磁力的作用方向是相對於環極中央軸的環繞方向，以此來加速旋轉並因此而熄滅電弧。
13.按照權利要求12所述的電弧遮斷器，其特徵是，包括用以修整圍繞著臂段的第一角部的靜電場的修整裝置，以此使由鄰近第一角部的靜電場所施加的應力受到限制。
14.按照權利要求12所述的電弧遮斷器，其特徵是，可動觸點的臂段被安裝成可繞樞軸作樞轉運動，而該樞軸是沿著環極的中央縱軸的平行方向延伸的。
15.按照權利要求12所述的電弧遮斷器，其特徵是，包括分別支持固定觸點、環極、磁場線圈和可動觸點的安裝裝置，所述的安裝裝置進一步包括絕緣裝置，用以當第二觸點與固定觸點作分離時，使固定觸點、環極和磁場線圈與第二觸點作隔離。
16.按照權利要求12所述的電弧遮斷器，其特徵是，在環極和固定觸點之間，在環極的端部之一徑向朝外地放置的絕緣材料，該絕緣材料在電弧形成的情形下處於電弧路徑之內，因而當可動觸點從固定觸點作分離運動時，部分電弧能量可被帶走。
17.按照權利要求16所述的電弧遮斷器，其特徵是，絕緣材料選自由熱塑性的縮醛樹脂、環氧樹脂和它們的結合物所組成的組別中。
18.按照權利要求12所述的電弧遮斷器，其特徵是，第二電觸點的臂段包括一個伸長部，它延伸在一個垂直於中央縱軸的平面中。
19.按照權利要求12所述的電弧遮斷器，其特徵是，包括驅動裝置，用來使可動觸點的臂段同固定觸點作進入接觸或退出接觸的選擇性運動。
20.按照權利要求19所述的電弧遮斷器，其特徵是，其中的可動觸點進一步包括一個跟驅動裝置相接觸的第二臂段。
21.在可動觸點從固定觸點作分離的情形下，在可動觸點和固定觸點之間成弧時的遮斷方法，此時固定觸點是通過串聯在固定觸點與環極之間磁場線圈與環極保持電聯繫，環極規定有一個中央的縱軸，該方法包括以下步驟實質上在一成弧的情況下立即置電弧於控制之下，其方法是，施加給電弧一個第一電磁力，該力的作用方向是朝著環極的，同時還施加給電弧一個第二電磁力，它的作用方向是沿著相對於中央縱軸的環繞方向的。
22.按照權利要求21所述的電弧遮斷方法，其特徵是，進一步包括以下步驟修整鄰近可動觸點處靜電場的方法，其目的是一旦可動觸點已經移至與中央縱軸交會的位置時，可以限制由鄰近可動觸點的靜電場所施加的應力。
23.按照權利要求21所述的電弧遮斷方法，其特徵是，電弧的控制還包括強制的步驟，當可動觸點被移動到接近環極的位置時，強制流過可動觸點的電流沿著緊鄰環極處基本上是直角的路徑作運行。
24.按照權利要求21所述的電弧遮斷方法，其特徵是，電弧的控制還包括引起電弧拉長的步驟，在電弧轉移至環極之前，就開始將電弧沿著最終旋轉的方向作拉長。
全文摘要
一個旋轉型電弧遮斷器包括第一固定觸點和個通過圍繞著環極的磁場線圈而耦合到固定觸點的環極。一個第二電觸點具有可沿著垂直於中央縱軸的路徑移動的臂，使之與固定觸點作選擇性的連接。該臂通常為L型結構，它包括沿中央縱軸的平行方向伸展的角部。一個導體沿著中央縱軸通過環極伸向角部。該導體具有一個內軸端，當臂被移至與中央縱軸交會處時，內軸端與臂的角部間有水間隙。由此呈現一種對圍繞著臂的角部的靜電場作修整的功能。該修整功能起限制由鄰近臂段的角部的靜電場所施加應力的功能。
文檔編號H01H33/18GK1045484SQ9010142
公開日1990年9月19日 申請日期1990年2月8日 優先權日1989年2月8日
發明者大衛·P·埃平格 申請人:A·B·錢斯公司