CN1019713B - 双吹气型气体断路器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种由一对接触部分可以互相分开的接触件、一个由绝缘材料制成的绝缘喷嘴和一个气室所组成的气体断路器，绝缘喷嘴围绕接触件的接触部分，引导气流，而气室在分开接触部分过程中压缩其中气体，在绝缘喷嘴的引导下供出这气体，来自气室的气体通过一些通过位于绝缘喷嘴内的一个接触件的中空部分的排气通道排出，这些排气通道在气室和那个接触件之间形成。

Description

本发明与利用气体打开大电流电路的气体断路器有关，具体些说，与吹气（Puffer）型气体断路器有关。

已知的常规吹气型断路器在例如美国专利№.3，839，613，“240/300KV，50KV，2，000A，4.000A，8.000A二程循环吹气型SF₆气体断路器的改进”（“Development of 240/300kV 50kV 2，000A，4.000A，8.000A，2-cycle puffer Type SF₆gas Circuit Breakers”，Hitachi Review 23（1974），Pages 343 to 352）以及“高功率二程循环吹气型气体断路器的改进”（“Development of High power 2 Cycle puffer Type Gas Circuit Breakers”IEEE Conf Paper C 74 089-9）中有所披露。一种这类型式的气体断路器如图12和13所示。

这种气体断路器101装在一个充有诸如SF₆那样的电弧熄灭气体（未示出）的容器（未示出）内。气体断路器101包括一个相对容器保持静止的固定构件104和一个可动构件121。固定构件104具有一个固定电弧接触件109和一个主固定接触件110，而可动构件121具有一个主可动接触件138和一个可沿箭头A的轴向脱离固定电弧接触件109从而在它们之间产生电弧161的可动电弧接触件133。可动构件121的气缸131与相对容器保持 静止的框体111的气塞115之间形成一个气室130。当操纵可动构件121的轴构件124使可动构件121沿箭头A方向运动时，由于框体111的气塞115相对沿箭头B方向运动进入气室130，气室130中的气体就受到压迫而通过开在气室130一端的口132进入由绝缘材料制成的喷嘴142内的小腔190。当进一步将可动构件121相对固定构件104沿箭头A方向拉出到固定电弧接触件109的顶端脱出围绕接触件109和133的顶端的绝缘喷嘴142的小直径颈部147时，小腔190中的压缩气体就流过产生电弧161的区域，形成通过颈部147的气流162，从而冷却电弧161的气态等离子体。在这种情况下，可动构件121的轴191内排气通道140上的孔139就与开在气塞115的筒形轴部分192的孔120沟通，这样就同时形成了气流163，从小腔190流过轴向排气通道140、孔139和120。这股气流163也用来冷却电弧161的气态等离子体。因此，双重气流162和163对电弧161进行冷却，以熄灭电弧161，从而切断了固定电弧接触件109和可动电弧接触件133之间的电流。

然而，在这种常规的气体断路器101中，需要用很大的力来进行操作，使可动接触件133沿箭头A方向分开，其原因如下。由于必需压缩气体以形成熄灭电弧的气流，因此不大可能将这个操作的力减得很小。其次，虽然通过轴191的排气通道140较长，但为了不增大断路器的直径排气通道140的直径又不能做得很大。结果，通过排气通道140的流阻就增加，使气体不能充分流动，从而就有可能难以熄灭电弧161。

此外，也业已通晓（例如在日本已解除的专利出版物№.53- 117758A中所披露的）有一种气体断路器叫做热吹型断路器，它有一个利用电弧热量压缩气体的扩张室和电弧熄灭室，通过对电弧吹以在电弧附近的扩张室内压缩的气体来熄灭电弧（亦即使气体沿电弧流动来冷却电弧）。然而，在这种热吹型气体断路器中，虽然为了切断大电流通过在排气通道内加一个利用弹簧力的压力响应阀也采用了双重气流的方法，然而由于有了压力响应阀之类的器件就很难长时间在宽电流范围内稳定地熄灭电弧，因此有可能由于压力响应阀而降低了切断小电流的性能。

鉴于上述各种情况，本发明的目的是提供一种具有改进的大电流切断性能的气体断路器，它能降低对用来与流过绝缘喷口颈部的电弧熄灭气流一起熄灭电弧的气流的流阻，并且还能减小操纵所需的力。

按照本发明，这个目的可以用一种气体断路器来达到，这种断路器包括一对包含第一接触件（21;21a;21b）和第二接触件（4，11）的接触件，所述一对接触件还包含一些互相分离的接触部分（34，9），所述第一接触件具有一个中孔的排气通道，排气通道有一轴向地开口于所述第一接触件（21;21a;21b）的一个接触部分的一个第一区（34B）的第一开口端（40B）包括一个电绝缘材料的绝缘喷嘴（42），它相对于所述第一接触件（21;21a;21b）是静止的，并包围所述一对接触件的所述接触部分，以便引导一个灭弧气流，及包括一个气室装置（31;31a），它相对于所述第一接触件是静止的，用来配合相对于所述 第二接触体是静止的一个气塞限定一个气室（30;30a），并用来加上所述接触部分的分离操作将灭弧气体压缩到所述气室以便在所述绝缘喷嘴的引导下供给灭弧气体，而从所述气室装置至一个弧区的一部分灭弧气体则通过所述第一接触件的中孔排气通道排出，其特征在于：一部分靠近所述第一开口端（40B）且位于一个第二区域（36）的所述中孔排气通道轴向地位于所气室和所述第一接触件之间，所述中孔排气通道从所述接触部分的所述第一区大体上径向地向外延伸，及包括

阀门装置（19;19a），它相对于所述第二接触件（4，11）是静止的，用来在分离操作的初始阶段期间关闭所述中孔排气通道的第二端（39）并在分离操作的较后阶段期间打开所述中孔排气通道的所述第二端。

在按照本发明所设计的气体断路器中，用来在分开（亦即切断）操作时压缩形成灭弧流的气体的气室装置做成沿与可动构件相连的驱动轴的轴向延伸的结构，而排放对电弧作用的气体的排气通道做在气室装置和可动构件之间，因此，在排气通道内气流路径的长度与常规吹气型气体断路器相比就短了许多，这样就能减小排气通路的流阻。

此外，在按照本发明所设计的气体断路器中，由于堵塞装置用来至少在电流切断操作的起始阶段期间关闭开在气流出口的排气通道的排气口，因此不仅在电流切断操作的初始阶段能够抑制通过排气口的不必要的气流的形成，而且由于以后堵塞装置可以使排气口打开还能一举产生一股通过绝缘喷嘴颈部的气流和一股通过排气通道的气流。由于这二股不同方向的气流或者说双重气流，就能进一步改进切断大电流性能。

结合附图对本发明的优选具体装置所作的以下说明将使本发明的目的、特点和优点更为清楚。在这些附图中，

图1为按照本发明设计的气体断路器的一种优选具体装置的剖视图，示出闭合状态情况;

图2和图3为图1的气体断路器分别在切断电流操作的初始阶段和中间阶段时的剖视图;

图4为图1的气体断路器的局部剖开透视图，举例示出了可动部件的具体结构;

图5为图4的分解透视图;

图6为图4的完整的可动部件的透视图;

图7为按照本发明设计的气体断路器的另一种优选具体装置的剖视图;

图8为按照本发明设计的气体断路器的再一种优选具体装置的剖视图;

图9为按照本发明设计的气体断路器的又一种优选具体装置的剖视图;

图10为按照本发明设计的气体断路器的又一种优选具体装置的 剖视图;

图11为按照本发明设计的气体断路器的又一种优选具体装置的一个部件的剖视图;

图12为一种常规吹气型气体断路器的剖视图;

图13为图12的气体断路器在一个操作状态下的剖视图。

下面将参照图1至图3对本发明的第一种所推荐的具体装置进行说明。

在图1至图3中，标记数1所标记的是一个封闭容器，在该容器内部2充有一种电弧熄灭气体（如SF₆气体）。由导电材料所制成的固定部件本体4的轴5的一端6固定在封闭容器1的端壁3上。固定部件本体4由一个中央固定部分，亦即固定电弧接触部分9，和一个中空的筒形主固定部分10构成。固定电弧接触部分9从在轴5的另一端7处的凸缘8的中央沿轴向A伸出，而主固定部分10则从凸缘8的周边沿轴向A伸出。

标记数11标记的是框体，它像固定部件本体4一样固定在封闭容器1上，与之保持相对静止。框体11有一个带一个中心孔12的颇为厚实的园筒形基座13。空心的筒形气塞15从基座13端部14的径向内侧沿轴向B伸出。筒形气塞15有一个孔16，它与中央孔12同轴，並且具有相同的直径。中直径筒形部分17从基座13端部14的径向外侧沿轴向B伸出。凸缘18从中直径筒形部分17端部径向向外伸出，而大直径筒形部分19则从凸缘18的外缘沿轴向B伸出。标记数20所标记的是一组在园周上等距分布的开口，这组开口开在轴向预定位置C处的大直径筒形部分19上，用作堵塞装置。

标记数21标记的是一个由导电金属制成的可动部件，它可以沿轴向A或B相对固定部件本体4移动。可动部件21有一根端部23安装到驱动装置或执行器22上的操纵轴24，操纵轴24从端部23沿轴向B伸出，穿过框体11的孔12、16，可以滑动。轴24的另一端25有一个从端部25沿方向A向外径向伸出的中空锥部26。锥部26的顶端27园滑，以便气体流动平稳，这在下面会谈到。锥部26的外缘28径向外弯，在图1的状态下与框体11的大直径筒形部分19的内周表面29形成气密接触。用作气缸的筒形部分31从锥部26内表面的中部沿轴向A伸出，与框体11的筒形塞15贴合，与轴24的外周表面一起形成了一个筒形气室30。锥部26上有一个孔32通向气室30，这样，当将可动部件21相对框体11沿方向A移动时，随着筒形塞15沿方向B***气室30，压缩空气能够流出气室30。

此外，中空的筒形可动接触部分，也就是可动电弧接触部分33从轴24的端部沿轴向B伸出。在平时，也就是在闭合状态（图1），筒形可动接触部分33与中央的固定接触部分9贴合，而当将可动部件21相对固定部件本体4沿方向A移动时，这二者之间的电接触就断开了。可动接触部分33的外周表面靠近顶端处一些凹部34，其中装有环形弹簧35。可动接触部分33内部的空间36在靠近轴24的园滑端部27处的37呈锥形散开。

顶端用来作为主可动接触部分的大直径筒形部分38从锥部26的外缘28沿轴向B伸出。可动部件21的大直径筒形部分38气密地贴合在框体11的大直径筒形部分19内。大直径筒形部分38在邻近外缘28处的园周上等距地分布着一些开口39。在每一个开口 39和可动接触部分33内的锥形室37之间都有一条从锥形室37向外径向延伸的通道40。这些通道40是由锥部26和一组都是斜向伸出的内壁41形成的，因此对于径向来说每一条通道40都是斜的，这样就能使来自室36的气流更为通畅。通道40用作排气通道，而开口39用作排气口。

标记数42所标记的是一个用绝缘材料制成的喷嘴。喷嘴42由一个中空的大直径筒形部分43、一个带有喷口44的小直径的喷嘴主体45、以及一个用来连接大直径部分43和主体45的中间部分46所组成。喷口44由一个作为颈部与中央固定部分9气密贴合的园柱孔47和由此向外扩展的锥孔48构成。喷嘴42的大直径部分43的一个端部49与可动部件21的大直径筒形部分38的张口端50上的内槽气密啮合。这样，喷嘴42与大直径筒形部分38、内壁41、锥部26以及可动部件21的可动接触部分33一起形成了一个膨胀室51，由电弧加热和压缩的气体就贮存或积累在这个膨胀室51内。

此外，固定部件本体4和可动部件21例如通过接线端52和53串联接入50至60赫的交流电网。在平时，上述结构的断流器60处于接通状态，通过在相互接触的中央固定接触部分9和可动接触部分33之间的电接触以及通过在相互接触的主固定接触部分10和可动部件21的大直径筒形部分38之间的电接触电流在接线端52和53之间流动，如图1所示。

在断开接线端52和53之间的电连接时，断路器60的工作情况如下。

首先，在收到一个切断电流的指令（信号）后，操作装置22动 作，使可动部件21的轴24相对固定部件本体4和框体11沿方向A移动。由于这个运动，首先断开了主固定接触部分10和可动部件21的大直径筒形部分38之间的电连接，但中央固定接触部分9和可动接触部分33还保持着相互接触。可动部件21沿方向A的运动使框体11的筒形塞15相对地沿方向B进入气室30。这样，气室30内的气压增大，气室30与膨胀室51之间的气体交流也增强。

轴24沿方向A的继续运动使中央固定接触部分9滑出可动接触部分33，从而可动接触部分33开始离开中央固定接触部分9。结果，在中央固定接触部分9和可动接触部分33之间开始发生电弧放电61。在这种切断操作的起始阶段期间，中央固定接触部分仍然关闭着喷嘴42的孔47。这样，框体11的筒形塞15沿方向B相对***气室30使得不仅增大了气室30和膨胀室51内气体的压强而且还增大了在可动接触部分33内与膨胀室51和排气通道40（其开口39由作为堵塞装置的筒形部分19封住）沟通的室36内气体的压强。此外，在中央固定接触部分9和可动接触部分33之间所产生的电弧61使膨胀室51内的气体和在可动接触部分33里的室36内的气体受到加热，从而增大了膨胀室51之类内的气体的压强。

在切断较小的电流的情况下，由于电弧61将气体加热到一个较低温度，电弧61对气体的加热或压缩不太厉害，但由于活塞15***到气室30，室30，51、36和40内的气体已经被压缩到一定的压强。因此，如图2所示，当可动部件沿方向A继续移动使中央固定接触部分9滑出喷嘴42的颈状柱孔47时，电弧放电61的气态等离子体被从膨胀室51流出、通过颈状孔47的气流62冷却， 这也就是说，用吹出气流62的方法使得在这气态区域的电阻增大，在接近交流电流的瞬时值穿过零点的时刻（此时电弧很小）熄灭电弧放电61，从而断开了中央固定接触部分9与可动接触部分33之间的电连接。

这种断路器60与常规断路器不同，由于在轴24中不开排气通道，因此轴24的直径可以做得比较小。此外，考虑到在小电流的情况下只需吹少量的气体，围绕直径较小的轴24的气室30的直径也就可以做得比较小，这样就减小了气室30的截面积，从而能减小由操纵装置22施加的操纵力。

另一方面，在要切断的是大电流的情况下，气体继续被电弧61加热和压缩，直至中央固定接触部分9滑出喷嘴42的颈孔47，如图2所示，然而，单靠吹送通过喷嘴42的颈孔47的气流62来冷却电弧61並不能熄灭它。可是，当可动部件21沿方向A进一步运动而使切断操作进入如图3所示的中间阶段时，中央固定接触部分9就脱出喷嘴42的锥孔48，排气通道40的排气口39被移到位置C，与作为堵塞装置的大直径筒形部分19的开口20完全沟通。结果，电弧放电61的气态等离子体被两股气流冷却，这双重气流包括从压强已经增大的气室30和膨胀室51流过颈孔47的气流62和从膨胀室51流过室36、排气通道40和开口39的气流63，因此在这个电弧区的电阻增大，在交流电流的瞬时值接近穿过零点的时间将电弧61熄灭，从而断开了中央固定接触部分9和可动接触部分33的电连接。从接到断开电流指令到熄灭电弧61的时间大致等于瞬时交流电流值两次为零之间的时间（例如大约为1/50至1/60秒）。

在这种断路器60中，由于与常规断路器不同，将排气通道40配置成在可动接触部分33和气室30之间径向向外伸出，因此排气通道40的长度可以减小，而与气室30的长度无关。这样，排气通道40对通过排气通道40和开口39排放的气流63的流阻就能减小，因此在图3所示的时间能够形成足够强的气流63，从而保证了利用气流63协同气流62更加可靠地熄灭电弧61。

从图1至图3中，可动部件21突际上除了绝缘喷嘴42外示为一个整体。然而，可动部件21可以是一个由一些适宜制造和装配的部件装配而成的组件。图4至图7示出了可动部件21由一个组件21a构成的例子。

可动部件21a包括四个导电构件71、72、73和74以及一个绝缘喷嘴42。第一构件71主要形成轴24和可动接触部分33。第一构件71的可动接触部分33沿园周等距地开有一些（三个或四个）形成部分排气通道40的凹槽40a。第二构件72主要形成一个气室30的外周壁或气缸31和一个形成部分排气通道40和膨胀室51的锥壁26。形成部分膨胀室51的壁26沿园周等距地开有一些用作沟通气室30和膨胀室51的通道32的孔。膨胀室51、孔32和排气通路40的数目都相同。此外，在这个例子的一个部件中（图4至图6），锥壁26的径向外端28不是与轴垂直而是倾斜伸出。第三构件由一个伞形构件构成，它主要用来形成排气通道40的部分外周壁。伞形构件的凸出部分用来构成排气通道40的壁41，而它的凹入部分紧靠在第二构件72的锥部26，构成膨胀室51的壁。构成壁41的凸出部分精确地处在与第一构件71的凹槽40a相同的园周位置上。第四构件74通过用作主可动接触部分 的筒形部分38的内周壁气密地承载绝缘喷嘴42，並且形成膨胀室51的主要部分。第四构件74安装在第二构件72的锥部26上面，精确地盖住第一构件71的可动接触部分33和第三构件73。第四构件74开有凹槽39a，这些凹槽39a与处在与排气通道40相对应的园周位置上的排气口39一致。

图8为按照本发明设计的气体断路器的另一种具体装置80的剖视图（但未示出容器1之类的部件）。在图8中，相同的标记数用来标记与图1至图3中相同的那些构件和零件。

在图8所示的这种气体断路器80中，沟通气室30和膨胀室51的通道32装有一个单向阀81。单向阀81设计成允许气体从气室30流入膨胀室51，而禁止气体从膨胀室51流入气室30。

因此，在切断电流时，如果膨胀室51内的气压高于气室30内的气压，由于单向阀81被关闭，膨胀室51内的压缩气体首先用来吹向电弧61。也就是说膨胀室51内的压缩气体用作沿电弧61的致冷气流62和63的气流。这样吹出致冷气流62和63后，膨胀室51内的气压就变成低于气室30内的气压。这时单向阀81被打开，引起从气室30吹出致冷气流62和63。因此，用来熄灭电弧61的吹气时间与没有单向阀81的气体断流器60相比可以做得更长，从而保证熄灭电弧61更为可靠。此外，由于即使在切断大电流时膨胀室51内的气压增加，气室30内的气压也不增加，对轴24动作的反作用力就比较小。

图9为按照本发明所设计的气体断路器又一种具体装置83的剖视图（但未示出容器1之类的部件）。在图9中，相同的标记数用来标记与图1至图3所示的具体装置相同的那些部件和零件。

在图9所示的这种气体断路器83中，各个排气通道40的排气口39的外周壁84做成沿轴24的径向凸出的环状凸起。也就是说，沿轴24的径向凸出的环状凸起84围绕与图1可动部件21相当的可动部件21b的大直径筒形部分38上的每一个排气口39。这使框体11a的大直径筒形部分19a（相当于图1中框体11的大直径筒形部分19）的半径增加了与凸起84的径向高度相同的尺寸。因此，大直径筒形部分19a仅与可动部件21b上沿园周等距分布的环形凸起84的凸出端滑动接触，开、关排气口39。这样，可动部件21b的滑动接触面积就能做得比可动部件21的小，从而可以减小可动部件21b的滑动阻力。

图10为一种按照本发明设计的气体断路器又一种具体装置85的剖视图（但未示出容器1之类的部件）。在图10中，相同的标记数用来标记与图1至图3中的具体装置相同的那些部件和零件。

在图10所示的这种气体断路器85中，可动部件21c的筒形部分31a（相当于图1的可动部件21的筒形部分31）具有大的直径，从而与框体11的大直径筒形部分19活动接触。因此，气室30a的直径也大，而***气室30a的框体11b的活塞主体86做在中空的活塞轴15a的顶端。此外，开在形成气室30a端部的锥壁26上的孔32a的直径也大。这种具体装置的结构比上面所提到的各种其它具体装置的结构都更为简单。

在上面说明的气体断路器的各种具体装置60、80、83和85中，大直径筒形部分19、19a阻止在对熄灭电弧起了作用以后加热到很高温度的气体流出，直到开在可动部件21、21a、21b或21c上的排气通道40的排气口39与开在框体11的大 直径筒形部分19上的开口20相重合为止。因此，大直径筒形部分19最好采用诸如特氟隆（聚四氟乙烯）那样的抗热耐磨的润滑材料制成，特氟隆含有免受高温气体危害的Al₂O₃等物质。在这种情况下，大直径筒形部分19可以全部用上述材料制成，也可以在其受高温气体作用的滑动表面装上一个用抗热耐磨材料制成的构件87。

此外，可以省去主固定接触件10。在这种情况下可动部件21的筒形部分不起主可动接触件的作用，而起形成膨胀室的壁的作用。

Claims (10)

1、一种气体断路器，包括一对包含第一接触件(21；21a；21b)和第二接触件(4，11)的接触件，所述一对接触件还包含一些互相分离的接触部分(34，9)，所述第一接触件具有一个中孔的排气通道、排气通道有一轴向地开口于所述第一接触件(21；21a；21b)的一个接触部分的一个第一区(34B)的第一开口端(40B)，包括一个电绝缘材料的绝缘喷嘴(42)，它相对于所述第一接触件(21；21a；21b)是静止的，并包围所述一对接触件的所述接触部分，以便引导一个灭弧气流，及包括一个气室装置(31；31a)，它相对于所述第一接触件是静止的，用来配合相对于所述第二接触件是静止的一个气塞限定一个气室(30；30a)，并用来加上所述接触部分的分离操作将灭弧气体压缩到所述气室以便在所述绝缘喷嘴的引导下供给灭弧气体，而从所述气室装置至一个弧区的一部分灭弧气体则通过所述第一接触件的中孔排气通道排出，

所述断路器其特征在于：

一部分靠近所述第一开口端(40B)且位于一个第二区域(36)的所述中孔排气通道轴向地位于所述气室和所述第一接触件之间，所述中孔排气通道从所述接触部分的所述第一区大体上径向地向外延伸，及

阀门装置(19；19a)，它相对于所述第二接触件(4，11)是静止的，用来在分离操作的初始阶段期间关闭所述中孔排气通道的第二端(39)，并在分离操作的较后阶段期间打开所述中孔排气通道的所述第二端。

2、根据权利要求1的气体断路器，它还包括一个位于所述气室和所述第一接触件之间的中孔筒形构件（38），该构件具有一与所述绝缘喷嘴（42）的内表面连通的中孔部分，所述绝缘喷嘴内部和所述筒形构件的中空部分限定一个膨胀室，由当分离所述一对接触件切断电流时在所述接触件之间所产生的电弧（61）来压缩其中的气体。

3、一种按照权利要求2的气体断路器。其中所述中孔排气通道（40）相对于所述气室和所述膨胀室之间的所述中孔筒形构件（38）大体径向向外伸展。

4、一种按照权利要求2的气体断路器，还包括装在膨胀室和所述气室之间的一个单向阀（81），用来阻止从所述膨胀室流入所述气室。

5、一种按照权利要求1的气体断路器。其中所述排气通道的所述第一开口端（40B）是这样位向的：所述阀装置（19;19a）只与形成所述中孔排气通道的所述第二端的所述第一接触部分呈滑动接触。

6、根据权利要求1的气体断路器，其中相邻于所述中孔排气通道（40）的所述阀装置包括一种耐热耐磨材料（87）。

7、根据权利要求1的气体断路器。其中所述气室的周壁构成一个圆筒，其直径小于所述阀装置。

8、根据权利要求1的气体断路器，其中所述气室930a）的外周壁构成一个圆筒（31a），其直径大体上与所述阀装置（19;19a）的直径相同。

9、根据权利要求2的气体断路器，其中所述的第一接触件（21;21a;21b）有多个轴向地配置在所述气室与所述膨胀室之间的中孔排气通道。

10、根据权利要求9的气体断路器，其中每个所述的排气通道相对于其它排气通道（40）是沿圆周等距配置的。

Images