CN103703530A - 配电开关设备断路器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及配电开关设备断路器，其特别适用于中等电压或高电压配电板开关设备。配电开关设备断路器包括呈真空室或SF6极的形式的至少一个断路元件(8)，其设有电气端子(9)，触头臂(10)的端部非永久性地连接到电气端子上，触头臂制造成金属管的形式。根据本发明的断路器的特征在于，触头臂(10)的金属管(12)的垂直于管(12)的轴线的所有横截面沿着管(12)的整个长度没有任何间断，并且金属管位于绝缘壳体(13)中，绝缘壳体设有冷却元件(14)，冷却元件位于壳体(13)的外表面上且与壳体(13)形成整体部分。

Description

配电开关设备断路器
技术领域
本发明涉及配电开关设备断路器，其特别适用于中等电压或高电压配电开关设备。
背景技术
中等电压断路器的主要元件为断路元件，其呈真空室或SF6极、促动器、运动链的元件和连接元件(称为触头臂)的形式。触头臂的基本功能是一方面确保断路器的端子之间的电接触，并且在另一方面，确保配电开关设备的母线条和电缆之间的电接触。配电开关设备的触头臂和整个装备两者必须运行成使得在相关标准限定的条件下没有过度的过热，并且确保配电开关设备的相和接地元件之间的电绝缘。因为在其中流动的电流值高，所以中等电压和高电压装备中产生大量热，这可导致装备由于过热而出故障。考虑到这一点，这种装备的许可最高温度由相关标准规定。这个类型的设备中的主要热源是具有最高电阻的点，诸如安装在中等电压断路器中的断路元件，例如真空室或SF6极。在诸如真空室的断路元件内部的显著热源是触头，由于在真空中缺乏对流，并且触头相对于开关设备电流路径的其它构件而尺寸最小，所以仅通过电流路径的元件的热传导且部分地通过对真空室的壁的辐射来冷却触头。非常常见的是，真空室封装在树脂或热塑性材料中，这另外降低通过辐射带走热的能力。真空室或SF6极是中等电压断路器的基本构件，因此需要对它们进行快速和可靠的冷却。具有厚壁管、板、杆等的形状的标准的触头臂由低电阻材料制成，例如铜或铝。另外，它们必须覆盖有提供电绝缘的一层材料，以防止相与相之间以及相和接地元件之间的击穿。在电缆连接件隔室和母线条隔室中的断路器和电缆借助于触头臂与配电开关设备断路器电连接。触头臂和电缆的连接部位于由电绝缘材料制成的壳体(称为“管口(spout)”)中。触头臂和三个相中的各个的电缆之间的连接部位于单独的“管口”中，该管口可位于单独的支架上或三个相的公共的支架上。因为在单独的相之间需要电绝缘，所以触头臂在它们的长度的大部分上位于已经提到的壳体内部，使得仅大约臂的长度的大约三分之一在壳体的外部。这种设计导致触头臂的外部尺寸有限。流过触头臂的大电流产生热，热可另外通过热传导从配电开关设备断路器的真空室或SF6极以及从配电开关设备的其它元件(诸如母线条或连接电缆)流到臂。从触头臂的有效热传导显著影响配电开关设备断路器内部的最高温度。触头臂例如制造成金属厚壁管的形式，其包含纵向通孔。管的整个表面覆盖有绝缘材料层。厚壁管的中心通孔用来通过这个孔引入适当的键。借助于这个键，触头臂附连到位于断路器的真空室或SF6极中的电气端子上。纵向孔增大将热传导到周围冷却介质(例如空气)的热交换表面，但是同时，它们限制臂的横截面的表面，并且使电流的流阻增大，因而促进增大产生的热的量。在壳体在尺寸方面的限制导致不可能显著增大触头臂的直径，这将限制它们的散热，将增大用于将热带走的表面，并且将允许增大许可电流值。因此需要使用改进设计的触头臂，这将保持几何结构限制，将增大带走热的能力，并且从而将还允许增大流过触头臂的壳许可电流的值。没有已知的解决方案同时允许满足位于绝缘壳体中(即在喷口中)的触头臂的这些条件。
根据欧洲专利EP1403891，知道一种断路器，其具有填充有绝缘气体的起弧室，起弧室沿着纵向轴线延伸。断路器配备有偏转装置，其与空心触头臂中的开口相互作用。空心触头具有金属管的形式，在其端部上具有用于热气的径向开口。空心触头臂的端部在其端部上由偏转装置封闭，偏转装置与断路器的电气端子连接。偏转装置布置在触头的背离电弧区域的侧，以便热气沿径向偏转到触头臂的外部的排气空间中。
已知金属散热器安装在电流管道上，以便实现快速和可靠的冷却。但是，金属散热器布置在配电开关设备内部，有时导致在配电开关设备内部有电场干扰，并且可导致在单独的传导元件之间的击穿。
还已知由热塑性材料制成的散热器，其安装在配电开关设备中的母线条上。并且，欧洲申请EP2280460描述了一种意图用于配电开关设备的绝缘散热器，其是包括基板的注射模制件，相同或不同的形状的热传导元件的组件附连到基板的上部面上，并且柔性安装紧固件附连到其侧表面上。散热器由具有增加的导热性λ≥2W/mK的绝缘热塑性材料制成。散热器位于配电开关设备的电场中，并且其与至少一个母线条或/和至少一个传导母线非永久性地连接。但是， 在申请EP2280460下描述的设计的散热器不适于直接应用在触头臂上，因为它们未设计成确保它们安装到其上的元件的完全电绝缘。
发明内容
根据本发明的配电开关设备断路器包括呈真空室或SF6极的形式的至少一个断路元件，其设有电气端子，触头臂的端部非永久性地连接到电气端子上，触头臂制造成金属管的形式，根据本发明的配电开关设备断路器的实质在于，触头臂的金属管的垂直于管(12)的轴线的所有横截面沿着管的整个长度没有间断，并且金属管置于绝缘壳体中。绝缘壳体配备有冷却元件，冷却元件位于其外表面上，并且与壳体形成整体部分。壳体(13)由热塑性材料制成，热塑性材料的导热性为λ>2W/mK且具有介电属性。
优选，绝缘壳体的长度小于金属管的长度。
优选，冷却元件具有横向肋、纵向肋、螺旋肋、单个突出部(spline)和/或它们的组合的形式。
优选，断路元件封装在电绝缘材料中。
制造用于根据权利要求1-4中的任一项所述的断路器的触头臂(10)的方法的实质在于，在一个制造循环中，通过用电绝缘热塑性材料对金属管进行包覆模制来形成触头臂，电绝缘热塑性材料的特征在于λ>2W/mK的高导热性，其在硬化之后，形成绝缘壳体以及冷却元件。
备选地，在至少两个制造循环中形成触头臂，其中，首先，用热塑性材料对金属管进行包覆模制，热塑性材料的特征在于λ>2W/mK的高导热性和介电属性，其在硬化之后在金属管上形成平滑外层，并且然后，在这个层的表面上，在后续制造循环中，通过对管进行进一步包覆模制来形成冷却元件。
根据本发明的配电开关设备包括母线条隔室、断路器隔室、电缆隔室和低电压隔室，电配电开关设备的实质在于根据权利要求1-4中的任一项的断路器位于断路器隔室中。
根据本发明的配电开关设备断路器的优点在于，其使得能够增大许可工作电流和/或优化配电板开关设备中的电流路径的元件，同时保持关于断路器内部的许可最高工作温度的要求。这是可行的，因为增大了将热带离触头臂的能力，同时臂保持必要的电绝缘。由铜或铝制成的电流路径元件的尺寸的优化和最后的减小有利于节约材料和潜在地最小化断路器和整个配电板开关设备。而且增大许可工作电流容许改进配电板开关设备的运行参数，而不需要增大其尺寸。使用有增大的导热性且保持电绝缘属性的热塑性材料确保良好的热交换，并且进行保护以防止相-相故障和相-地故障。另外，热塑性材料具有低比重，并且由热塑性材料制成的构件具有轻的质量，所以它们不需要改变配电板开关设备的设计。在当前应用的解决方案中，触头臂具有管的形状，沿着臂的长度另外具有切口，与之相反，在本发明中，触头臂的形状已经简化成沿着臂的整个长度具有形状不变的横截面的管。提出的设计在制造方面更简单，并且不涉及切割孔导致的材料的损失，这还确保对于电流有恒定的横截面积。
附图说明
在附图中的实施例中介绍本发明，其中
图1在竖向侧视图中显示配电开关设备壳以及断路器的示意图，移除了配电开关设备的外壁，
图2显示断路器的侧视图，
图3在三向投影图中显示断路器的触头臂，以及
图4在纵向截面中显示图3中的连接件的视图。
具体实施方式
在图1中示意性地显示的配电开关设备具有钢壳1，其由四个主要隔室构成：母线条隔室2、断路器隔室3、电缆连接件隔室4和低电压隔室5。单独的隔室彼此被钢分隔壁6分开。断路器7位于断路器隔室3中，断路器7包括用于三个相的呈真空室或SF6极的形式的断路元件8，其以虚线显示在图中。各个断路元件8优选封装在具有树脂壳体的形式的电绝缘材料中，或以其它方式固定到断路器上。断路器7在电缆连接件隔室4中与电流变压器和电压变压器(未显示在图中)连接，并且与电缆连接件连接(也未显示在图中)。断路元件8与断路器7的真空室或SF6极的端子9(这以虚线显示在图中)连接，端子9用来电连接断路器的电流路径的单独的元件。触头臂10非永久性地连接到端子9上，触头臂10与郁金香形触头11电连接，来自电缆连接件隔室4和母线条隔室2的电流路径的管道连接到郁金香形触头11上，这示意性地显示在图1中。触头臂10制造成金属管12的形式，其垂直于管(12)的轴线的横截面沿着管的整个长度没有间断。横截面没有间断意味着在整个横截面表面上不存在“空的”空间，并且各个横截面是其表面被完全填充的环。管12永久性地位于电绝缘壳体13中，电绝缘壳体13由热塑性材料制成，热塑性材料具有增大的导热性λ≥2W/mK，并且具有电绝缘属性。金属管12与壳体13永久性地连接。壳体13的长度小于金属管12的长度，使得能够将郁金香形触头11安装在管的至少一端上。壳体13配备有冷却元件14，冷却元件14位于壳体13的外表面上。选择冷却元件的形状以提供从触头臂到环境的最佳的可行热传导。优选，冷却元件具有纵向肋、横向肋、螺旋肋、单个突出部和/或它们的组合的形式，但是图仅显示横向肋的形状。在电缆连接件隔室和母线条隔室的断路器7和管道15之间的电连接(由触头臂10和郁金香形触头11构成)部分地延伸到绝缘保护性支架16(所谓的“管口”)内部。支架16可制造成用于各个相的单个臂10的分开的元件，或制造成用于三个相的一个集成元件，这未显示在图中。
冷却臂的壳体13由制造成热塑性材料单独制造的铸件，热塑性材料的特征在于λ>2W/mK的高导热性，其在硬化之后在管12的表面上形成永久的电绝缘层，并且然后它被拉在金属管12上且借助于水泥永久性地附连到管12的外表面上。
优选地，通过用热塑性材料对金属管12进行包覆模制来制成触头臂10，热塑性材料的特征在于λ>2W/mK的高导热性，其在硬化之后在管12的表面上形成具有电绝缘属性的永久层。位于层的外表面上的冷却元件14与壳体13形成集成整体，并且它们在一个包覆模制制造循环中制成，或首先，对管12的外表面进行包覆模制而在其表面上形成平滑层，并且然后使用压力注射模制方法，在层的外表面上制造冷却元件14。冷却元件具有纵向肋、横向肋、螺旋肋、单个突出部和/或它们组合的形式，但是图仅显示横向肋的形状。附连到壳体13的外部上的冷却元件14的组件形成突出的表面，通过该表面，在触头臂和在配电板开关设备中在触头臂周围流过的冷却介质之间进行热交换，这个介质主要为来自断路器隔室的冷却介质。
本发明的实际实施例
对根据本发明制造的Vmax类型的断路器进行实验。触头臂附连到呈真空室的形式的断路元件上，触头臂呈铜管的形式，总长度为186mm，触头臂具有额外的冷却元件，冷却元件由冷聚合物D5506热塑性材料制造，该热塑性材料具有电绝缘属性和增强的导热性。铜管的外直径为54mm。在根据本发明应用的触头臂上的冷却元件具有外直径为90mm的十二个横向肋的形式。
为了进行比较，用于Vmax断路器中的传统触头臂具有铜管的形式，总长度为186mm和直径为60mm，沿着它们的长度具有挖空的额外的开口，并且它们覆盖有2mm厚的电绝缘漆涂层。
在存在于额定电流流过的Vmax断路器的若干点上的温度测量中的测试中比较两个解决方案。在这个断路器中，在第一相的电流路径上，安装传统触头臂，第二相保持关断，并且在第三相的电流路径上，安装了根据本发明的触头臂。在温度稳定所需的时间之后，观察到，在安装了根据本发明的触头臂的相的电流路径中的测量点上，温度指标平均低6K，这表示这些臂更好地带走热。

Claims (7)

1. 一种配电开关设备断路器，包括呈真空室或SF6极的形式的至少一个断路元件(8)，其设有电气端子(9)，触头臂(10)的端部非永久性地连接到所述电气端子上，所述触头臂制造成金属管(12)的形式，所述金属管具有覆盖有绝缘材料层的外表面，其特征在于，所述触头臂(10)的所述金属管(12)的垂直于所述管(12)的轴线的所有横截面沿着所述管(12)的整个长度没有任何间断，并且所述绝缘材料层具有电绝缘壳体(13)的形式，所述电绝缘壳体配备有冷却元件(14)，所述冷却元件位于所述壳体(13)的外表面上，并且与所述壳体(13)成整体部分，并且所述壳体(13)由导热性为λ>2W/mK且具有介电属性的热塑性材料制成。
2. 根据权利要求1所述的断路器，其特征在于，所述绝缘壳体(13)的长度小于所述金属管(12)的长度。
3. 根据权利要求2所述的断路器，其特征在于，所述冷却元件(14)具有横向肋、纵向肋或螺旋肋、单独的突出部和/或它们的组合的形式。
4. 根据权利要求1-3中的任一项所述的断路器，其特征在于，断路元件(8)封装在电绝缘材料中。
5. 一种制造触头臂(10)的方法，所述触头臂(10)用于根据权利要求1-4中的任一项所述的断路器，其特征在于，在一个制造循环中，通过用电绝缘热塑性材料对金属管(12)进行包覆模制来形成所述触头臂(10)，所述电绝缘热塑性材料的导热性为λ>2W/mK且具有介电属性，其在硬化之后，形成绝缘壳体(13)以及所述冷却元件(14)。
6. 一种制造触头臂(10)的方法，所述触头臂(10)用于根据权利要求1-4中的任一项所述的断路器，其特征在于，在至少两个制造循环中形成所述触头臂(10)，其中，首先，用电绝缘热塑性材料对金属管(12)进行包覆模制，所述电绝缘热塑性材料的导热性为λ>2W/mK且具有介电属性，其在硬化之后，在所述金属管(12)上形成平滑外层，并且然后，在这个层的表面上，在后续制造循环中，通过对所述管(12)进行进一步包覆模制来形成所述冷却元件(14)。
7. 一种配电开关设备，包括母线条隔室(2)、断路器隔室(3)、电缆连接件隔室(4)和低电压隔室(5)，其特征在于，根据权利要求1-4中的任一项所述的断路器位于所述断路器隔室(3)中。
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