CN105340142A - 用于电气设备的内部电弧管理和通风 - Google Patents

Abstract

一种电气封装件，其经配置用于所封装的设备的被动自熄弧保护和冷却器操作。所述封装件具有槽型通风***，所述槽型通风***具有与排气通道流体连通的电弧通道。在所封装的导体的每个相周围的电弧通道足够长以帮助衰减电弧。排气通道被放置成与电弧通道连通。电弧通道和排气通道的几何形状和材料致使封装件的能量平衡以有利于被动断弧。通风通道可与电弧通道和排气通道流体连通，以在正常非电弧放电操作期间在所封装的电导体上提供冷却气流。

Description

用于电气设备的内部电弧管理和通风

发明领域

本发明整体涉及包含在本文一般称之为柜的封装件内的配电设备和导体，柜但得益于本发明，此类封装件不必具有门。本发明更具体地涉及通过针对电气封装件使用隧穿通风和灭弧器***而被动地阻止并控制电柜中的非期望电弧故障作用。

发明背景

电柜中的意外的和/或不受控制的电弧放电事件(也称作电弧故障)的危害是众所周知的，并且包括由电弧闪光和电弧***(在下文中为简单起见称作电弧***)导致的对在操作环境中的设备的潜在危害和对人的伤害。被动和主动的电弧控制方式在本领域中是已知的。被动方式包括将电弧***能量和气体直接从柜排出。其它被动方式可包括加固柜结构以抵挡***。上述被动方法均无法限制故障持续时间或者容易地翻新改进至现有的开关柜中。主动方式通常包括感测和开关机制的一些形式以控制电流。主动方式的关注可包括开支、异常跳闸、速度、和未检测到的***故障。当然，越快地控制电弧，电弧放电事件所导致的伤害则越少。

发明概述

一种用于对电柜内电弧事件进行控制和灭弧的快速经济的被动式机制在本领域中将会受到欢迎。为此，本发明在其各种方面和实施例中教导并提供了具有关于导体的电介质环绕物的电弧管理***，所述电介质环绕物在本文中一般称作“电弧通道”，其围绕柜内的可能电弧部位，诸如导体与设备之间或之中的电连接或邻近点，并且优选用于每个相的电导体。所述电弧通道可然后连接到充当腔室并形成一种几何形状以保持电弧直到电弧熄灭为止的排气通道，例如气室。所述电弧通道和排气通道将延长初生电弧并使电流和温度衰减，优选地直到熄灭电弧为止。

在一些实施例中，电弧通道和排气通道为优选由壳体构件形成的隧道，所述壳体构件具有可对置的阻挡件以形成单独的平行六面体或其它多面体结构的气密密封。在一些实施例中，电弧通道和排气通道为优选由壳体构件形成的箱体，所述壳体构件具有重叠的阻挡件以通过非气密密封形成单独的平行六面体或其它多面体结构。由于电弧通道和排气通道结构可被认为是基本上管状的，因此对曲面共用的术语可在本文中用于辅助理解。

另外，由于排气通道可集成到用于设备的通风***中，因此封装件的操作可以更冷，导致以较少的材料支出获得较佳的性能。通过组合电弧管理结构和通风结构，两者的益处可在通常受限的电气封装件空间内组合并利用。因此可通过电弧管理***提供若干优势，包括通过用于对短路导体(诸如掉落的工具或害虫)的意外进入的物理阻挡件实现的电弧防止；和通过电弧通道和排气通道实现的熄灭或衰减的电弧引导，所述电弧通道和排气通道的尺寸设定成、定位成并且布置成引出并保持电弧，从而以附带的设备和安全益处减小其电流并减少热量。

在本发明的各种方面，本发明可提供关于各种安装配置和封装件中的固定断路器和抽出式断路器具有被动电弧衰减的容易适用的电弧管理和通风***。对于“断路器”，本领域的技术人员将理解，多种设备，诸如安全开关、电机控制单元等；以及导体的电连接或邻近点可根据本发明而被安全地调节和管理。

根据各种实施例和/或方面的详细说明，本发明的前述及其它方面和实施例将对本领域的技术人员是明显的，所述详细说明是参考附图做出的，接下来提供附图的简要说明。

附图的简要说明

通过参考结合附图进行的下面的说明，可以最好地理解本发明。

图1为根据用于本发明的一种合适环境的示例性实施例的具有断路器部分和母线部分的开关柜的透视图。

图2为在后面通过共用烟囱结构连接的抽出式断路器的前透视图。

图3为带有其导体连接的断路器隔室的后部模具的示意性前视图。

图4为通过图3的后部模具处于适当位置的断路器的示意性底视图。

图5为带有管道入口和排气通道的抽出式断路器底座和后部模具的后透视图。

图6为抽出式断路器底座和后部模具的前透视图，其示出了带有共用排气通道的通风配置。

图7为矩形电气封装件的透视图，其中移除其顶盖并且内部有固定的断路器。

图8A为带有固定断路器的漏斗形电气封装件的基座的透视图。

图8B为用于图8A的电气封装件的盖板的顶视图。

具体实施方式

参考图1，通常在本领域中已知的采用开关柜100的形式的电气封装件，被示出为具有用于包含断路器或其它电气设备的断路器部分101、用于将功率配送至各种电气设备的母线部分102、和用于接受并分配线路功率的电缆部分103。如本领域所知，开关柜100或其部分可用作保护电气设备的各种部件或导体免受外部环境影响的柜。如本文所用的，在一些情况下，“柜”也可以是在另一个较大柜内的保护性封装件。若干个断路器隔室105a-105d垂直堆叠在断路器部分101中，使得每个抽出式断路器(图2)将具有用于接收其抽出式底座的结构，以用于移动断路器与从其它两个部分102、103馈送的电源接触或解除接触。

这种类型的柜100的配置减少气流并且垂直地将热量从断路器传递到断路器。例如，冷却气流A最小通过柜100的底部进气口107进入，并且当气流垂直朝向并通过上部排气口109行进时加热至A最大。当气流行进通过相应断路器隔室105a-105b的隔室口111a-111b时，气流热量从第一断路器隔室105a中的A1增加至第二隔室105d中的A2等等，直到气流通过相应的上部排气口109从柜100排出为止。

这种类型的柜100还可使用更好的电弧管理。由于减小的间距和较少阻挡件通电的导体，电弧可易于发生。迄今为止，相邻相的电导体一般缺乏阻挡件，这些阻挡件可帮助在电弧故障事件期间衰减和/或中断电弧。

另外参考图2，在我们先前于2012年4月20日提交的施耐德电气申请13/452,145(律师案卷号CRC-0266)中，利用用于三个相中的每个的共用烟囱状通风口而在后平面中在抽出式断路器122a-122c后面添加单独的电弧通道120a-120c，以便增大气流并减少在柜100中积聚的热量。抽出式断路器122a-122c可***在柜100的相应断路器隔室105a-105c中。然而，在这种布置中，仍然可以垂直地积聚热量至上部断路器的不期望水平。

据发现，弧阻正比于弧长，并且弧阻反比于弧(通道)横截面。这里在本发明中，我们利用延长电弧而非缩减横截面面积，因此允许我们增大弧阻至电弧自熄灭的点。本发明的排气室进一步允许电弧产物在从柜排出之前冷却至较低的温度。

参考图3和图4，示例性的配置示出利用电弧通道120a-120c实施的一个抽出式断路器隔室(例如，105a)的背板或后部模具108，电弧通道120a-120c中的每个对应于抽出式断路器300的相应的电相A-C。电弧通道120a-120c与包括进气口通道130和排气通道132的通风通道流体连通。

在本例中，进气口通道130为在气流行进通过回流阀134之后通过进气口107接收气流A最小的单个吸入室。回流阀134(和/或其他任选的过滤器)阻止电弧产物通过进气口107从柜100排出。与进气口通道130类似，本例中的排气通道132为从所有电弧通道120a-120c接收气流的排气共用气室。气流在柜100外面继续通过上部排气口109并作为A最大’排出。排气通道132被定位在用于断路器(图3中未示出)的线路侧母线连接142b附近，并且充当用于从电弧通道120a-120c的排出端接收的电弧气体的漏斗。如此，排气通道132用作气体混合室，其中可接受以相A-C中的一个或多个产生的电弧产物。

图4为根据本发明一个方面的抽出式断路器300和后部模具108的示意性视图，其示出与在断路器300的背部上的集群防护罩308a-308c相关的背部磨具108的固定阻挡件140。集群防护罩共同地308为围绕线路和负荷连接器的平行六面体结构，有时也称作用于三个相A-C中的每个的抽出式断路器300的集群302a-302c。如图4所示，当断路器300处于“接合”位置时，电连接器302a-302c与相应的母线连接器接合，这些母线连接器共同地为用于负荷和线路连接的142a和142b，分别附接至背部模具108的背板306。集群防护罩308紧密地配合在背部模具108的固定阻挡件140内，并且用于每个相的所得重叠阻挡件形成电弧通道120a-120c，这些电弧通道120a-120c通过共用于每个相A-C的“顶部”或排气通道132(图3)排气。

如果确实出现了电弧，则电弧通道被设计成通过沿包括横截面面积和充分长度L的特定几何形状将电弧从通电接触抽出至排气通道，以阻止电弧变成可持续的。通过在电弧事件期间升华形成电弧通道和排气通道的材料辅助的这种几何形状形成负能量平衡，迫使电弧熄灭并且不重新点燃。某些热固性聚酯、热塑性塑料或硫化纤维材料可根据需要用作期望的升华。因此，应当理解，利用合适材料的固定阻挡件140形成电弧通道和它们所附接的排气通道，例如排气口132的气室，本发明避免通过主动灭弧器件清除电弧的需要，如在本领域中典型的一样。

固定阻挡件140可位于相位A-C之间、在任何相位A-C与地面之间、在线路和负荷终端(用于诸如断路器、接触器或开关的器件)之间、在电源连接器或绝缘电缆之间、或接线片(用于诸如汇流条的器件)。通过减少或消除不同电势的通电表面和接地表面之间的通过空气暴露，固定阻挡件140被设计成减小相到地的或相到相的电弧在第一位置中发生的几率。由固定阻挡件140和集群防护罩308形成的电弧通道120提供相A-C之间的机械和电介质分离，并且阻止在沿相A-C之间最短路径的方向Q(图3)的持续直接相到相电弧放电。相反，电弧气体沿方向R发送，该方向R垂直于方向Q中的最短路径，并且电弧气体保持分离，直到已实现长度L为止，以便改善自熄行为。允许气体在排气通道132中混合，该排气通道132用作共用气室并支承用于在电弧衰减长度L的端部的电弧等离子体的腔室。

因此，断路器隔室中的每个相与电弧通道介质隔离到必须的程度，电弧通道连接到共用排气室，并被提供了不对之上的断路器增加热量水平的冷却通道。通过提供具有其自身的通风和电弧中断通道的每个断路器隔室，以及通过馈送进气和排气共用气室的每个相，对于柜100进行相对于图2中的烟囱***的冷却操作更冷的操作，且无需牺牲自身的排气行为。

如下面进一步论述的，通过使用进口、气室和出口的通风的许多变型可在不同类型的断路器(诸如抽出式断路器、固定断路器或插上式断路器)中实施。通风通道可导向至断路器的前侧、后侧、底侧、顶侧或侧面中或者从上述断路器的前侧、后侧、底侧、顶侧或侧面引出。例如，另外参考图5，抽出式断路器底座150包括对应于相A-C中的每个的进气口通道152a-152c。

进气口通道152a-152c可由电介质聚氯乙烯(PVC)管道制成，并且根据断路器底座150的规定设计要求精确调整。例如，进气口通道152a-152c包括水平部分154a-154c，其具有连接至垂直部分156a-156c的肘形接头。进气口通道152a-152c的形状和尺寸有助于接收来自电气封装件的冷却器区域的气流。因此，在没有进气口通道152a-152c(根据规定设计要求成形并设定尺寸)的情况下，所接收的气流可由在断路器底座150附近的相对较高温度的气流组成。由PVC管道提供的另一个益处是，进气口通道152a-152c可以翻新为现有的电气设备，而不需要进一步修改为电气设备和/或电气封装件，并且确保封装件中的每个断路器可被提供单独的电弧衰减和通风装置。因此，每个断路器隔室可单独通风同时保持电弧中断的功能，而不是用于垂直堆叠的断路器的相共用烟囱件。

断路器底座150进一步包括在抽出式断路器150的外部引导气流的排气通道160a、160b。第一排气通道160b为接收来自断路器底座150的两个相A和相C的气流的共用通道。第二排气通道160a为只接收来自断路器底座150的对应相B的气流的专用通道。为组合来自相A和相C的气流，PVC162a、162c的两个部分耦合到在断路器底座150和排气点166b之间的共用部分164a。每个部分162a、162c连接至在关闭的背部模具(图4)内部的断路器的相应电弧通道。相反，第一排气通道160b包括延续相B的独有电弧通道120b(图4)的PVC162b的延续部分。第二排气通道160a在其自身的排气点166a处结束。

排气通道160a、160b有助于减少断路器排气以消除燃烧的危险以及减小和/或中断电弧的可能性。在通过排气通道160a、160b行进特定长度之后，通过排气通道160a、160b排放的电弧产物，诸如等离子体、气体、燃烧产物等，预期冷却至可接受的水平。另外，本发明的排气通道可被配置成捕获断路器跳闸排气，从而提供保护，该保护甚至并未被现有的工业标准覆盖，所述工业标准为诸如美国国家防火协会(NFPA)标准或电气和电子工程师协会(IEEE)标准。

参考图6，实施PVC管道以在电气设备的不同配置中提供通风通道，所述PVC管道包括用于容纳三级断路器的下部三极三相底座200，和用于容纳六极三相断路器的上部六极三相底座201。三相底座200包括对应于围绕相A-C中的相应相(仅示出相A和相B)的电弧通道的三个进气口通道202a-202c。来自电弧通道的气流被引入到单个排气通道204中，该排气通道204被水平地定位并且耦合到共用的垂直排气口通道206。

六极三相底座201包括通向围绕极A-F(仅示出极A-E)中的相应极的电弧通道的六个进气口通道208a-208f。来自进气口通道208a-208f的气流最终被引导至单个排气通道210，该排气通道210被水平地定位并且耦合到共用的垂直排气口通道206。因此，来自三极三相底座200和六极三相底座201两者的气流从单个共用排气口通道206排出。

如此，电气配置可包括任何数量的进气通道和排气通道。根据上述示例，进气通道和排气通道的数量可小于相数。另外，电气配置的管道可包括升华用于导管的材料，并且可具有任何横截面形状，例如圆形或矩形。

在正常操作期间，进气口通道208a-208f和排气通道210和204在封闭的电气导体(例如，电路中断器件的线路侧导体和/或负荷侧导体)上提供冷却气流。在电弧放电的情况下，相同的进气口通道202a-202c和208a-208f以及排气通道210和204与围绕导体的电弧通道连接，以用于电弧的被动衰减和电弧产物的排空。

参考图7，带有固定阻挡件的电弧通道在电气封装件中被实施，以用于模制壳体断路器，诸如固定的断路器。例如，三相断路器220包封在电气封装件222内，其中每个相A-C具有其自身的电弧通道221a-221c。电弧通道221a-221c由封装件侧壁223a、223b和下部固定阻挡件224a、224b部分地限定，其中下部固定阻挡件224a、224b将相A-C分开以衰减和/或中断电弧。互补的上部件(未示出)完成封装件222并且以气密方式密封固定的阻挡件以便形成电弧通道。下部固定阻挡件224a、224b从断路器220延伸距离L进入到共用排气通道231中，以针对每个相提供充足的电弧通道。

封装件222附接到三个顶部导管226a-226c和一个底部导管228。两个右顶部导管226b、226c容纳被***在封装件222内并且通过每个相A-C的电弧通道布线以连接至断路器220的电缆229。左顶部导管226a用作排气口通道并且底部导管228用作用于冷却目的的进气口通道。

下部固定阻挡件224a、224b两者和上部固定阻挡件230a、230b提供用于互补顶部件(未示出)的锚定点以及用于将电缆226布线在断路器220和相应的导管226b、226c之间的物理路径。然而，在本例中，只有下部固定阻挡件224a、224b形成每个相周围的电弧通道(与互补顶部件的特征结构组合)。在下部固定阻挡件224a、224b和上部固定阻挡件230a、230b之间的排气通道231中允许气体混合。

参考图8A和图8B，在具有非矩形形状(例如，漏斗形)的电气封装件中实施带有固定阻挡件的电弧通道。根据该实施例，电气封装件240(图8A)大致类似于上文参考图7描述的封装件222，不同的是其具有漏斗形形状。图8B为互补的顶部件或盖板。与图7不同，所附接的缆线和导管未示出。

具体地，封装件240在底部直端附近包封固定的断路器242，并且包括电弧通道244a-244c，每个相一个电弧通道。电弧通道244a-244c由左侧壁246a、左阻挡件246b、右阻挡件246c和右侧壁246d限定。确定阻挡件246a、246b的长度L以保持电弧通道244a-244c之间的间隔为远离于导体接线片248的足够的长度，从而当操作断路器242时充分地衰减和/或中断在导体接线片248处出现的潜在电弧。

封装件240进一步包括顶部漏斗端，其具有两个向外渐缩的侧壁250a、250b，这两个侧壁提供用于排气通道以及容纳电缆(未示出)的布线和封装件240内加热了的空气的排放的附加内部空间。漏斗端具有顶壁251，该顶壁251具有用于耦合到相应的导管(未示出)的三个孔252a-252c。孔252a-252c中的每个可通过耦合的导管接收相应的电缆。可选地，孔252a-252c中的至少一个可专门用作用于允许加热了的空气从封装件240排出的排气口。

封装件240还包括盖板260(图8B)，该盖板用于包封并形成电弧通道244a-244c的几何形状。盖板260具有用于附接到例如侧壁246a、246d、250a、250b和/或阻挡件246c、246d的紧固孔262。盖板260是可移除的，以提供对封装件240的内部的进出。虽然出于清晰起见未示出，但可针对图7的封装件222提供类似的盖板。

一般来讲，本发明的每个实施例可具有电弧通道，这些电弧通道为围绕电导体接头的管状电介质阻挡件，即，其中导体的部分在断路器和其它部件处连接到彼此。根据所示出的示例，电弧通道可为从底部导体区域(在此处接收低热气流A最小)延伸到上部区域(在此处较高热的气流A最大排放到气室或排气口)的壁式分段。所述气室可在多个相中共用，只要其通过电弧通道与导体区域相距足够的距离。在其它示例中，电弧通道可被定位成仅靠近断路器的导体接头(见例如图7，示出采用接线片225a-225形式的导体接头，其将相应的电缆229连接至断路器220)。

电弧通道和所连接的排气通道有助于被动地衰减和/或中断可能在导体接头中的一个或多个处出现的电弧。例如，根据本发明的***可以以可想象的方式在少于一个电流周期中(60赫兹16.66毫秒)被动地中断电弧。基于通常允许500毫秒或更久的总测试持续时间的工业测试，持续时间的缩短是显著的(例如以约50倍)，因为其减小所生成的等离子体的量、降低总体燃烧风险、并且减小对电气设备造成的损坏的量。

虽然已经示出并描述了本发明的特定实施例、方面和应用，但应当理解，本发明并不限于本文所描述的精确构造和组成，并且在不脱离如在所附权利要求中定义的本发明的精神和范围的情况下，根据前述说明，各种修改、改变和变型可以是明显的。

Claims (20)

1.一种用于管理电弧故障的电气装置，所述装置包括：

电气封装件；

电气设备，所述电气设备在所述封装件内并且具有一个或多个电相，所述一个或多个电相带有相应的电导体；

电弧通道，所述电弧通道在所述电导体的导体接头处具有围绕所述电导体中每个的固定阻挡件，每个电弧通道足够长以衰减在所述导体接头处产生的电弧；以及

排气通道，所述排气通道被连接成在其足够长度的端部与每个电弧通道流体连通。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述阻挡件包括气密固定密封件。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电弧通道中的每个和其所连通的排气通道限定一几何形状，所述几何形状被配置成基于由所述封装件载运的已知电压实现断弧。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述排气通道包括共用排气室，来自一个或多个电相的电弧产物被接收在所述共用排气室内。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述排气通道包括用于每个相的独立排气通道。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述排气通道为在内部与所述电弧通道连接并且在外部与所述电气封装件的外部环境连接的通风通道的一部分。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述通风通道包括进气口通道和所述排气通道。

8.根据权利要求6所述的装置，其中，所述通风通道包括用于所有相的单个进气室。

9.根据权利要求6所述的装置，其中，所述通风通道包括用于每个相的独立进气通道。

10.一种用于管理电弧故障的电气装置，所述装置包括：

电气封装件；

电路中断器件，所述电路中断器件在所述封装件内并且具有一个或多个电相，所述一个或多个电相带有附接至其的线路侧导体和负荷侧导体；

电弧通道，所述电弧通道具有围绕所述一个或多个电相的每个导体的管状电介质阻挡件，所述阻挡件被定位在导体接头附近，所述电弧通道具有在所述线路侧附近的进入端和在所述负荷侧附近的排出端；

以及

排气通道，所述排气通道耦合到所述电弧通道的所述排出端。

11.根据权利要求10所述的装置，还具有耦合到所述电弧通道的所述进入端的进气口；其中所述进气口是通向所述封装件中并且与所述电弧通道中的每一个流体连通的共用气室。

12.根据权利要求10所述的装置，其中，所述排气通道是从所述封装件引出的共用气室，并且，来自所述电弧通道的电弧产物集中在所述共用气室中。

13.根据权利要求11所述的装置，其中，所述进气口和所述排气通道中的至少一个包括专用于所述一个或多个电相中的每个相的通风通道。

14.根据权利要求11所述的装置，其中，所述进气口和所述排气通道具有足够的长度，以便根据预定测试要求实现电弧气体冷却率。

15.一种用于在电气封装件中限制电弧***、熄灭电弧和对导体通风的方法，所述电气封装件容纳电路导体和连接到所述电流导体的电路中断器件，所述方法包括：

分别在连接至所述电路中断器件的每个电路导体周围放置固定电介质通道，所述固定电介质通道具有进入端和排出端；

所述固定电介质通道具有足够的长度以实现电弧电流衰减；以及

将所述进入端耦合到进气口并将所述排出端耦合到排气口，所述进气口和所述排出口具有足够的长度以根据预定测试要求实现电弧气体冷却率，使得电弧中断在预定时间段内发生。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括从所述固定电介质通道中的每一个的排出端将电弧气体集中到所述排气口的共用排气室中。

17.根据权利要求15所述的方法，还包括在所述进入端处从所述进气口的共用进气室接收进气。

18.根据权利要求15所述的方法，还包括从所述固定电介质通道中的每一个的排出端将电弧气体接收到所述排气口的相应排气通道中。

19.根据权利要求15所述的方法，还包括从所述固定电介质通道中的至少两个将电弧气体接收到所述排气口的单个排气通道中。

20.一种用于在电气封装件中限制电弧***、熄灭电弧和对导体通风的方法，所述电气封装件容纳电路导体和连接至所述电流导体的电路中断器件，所述方法包括：

分别在连接至所述电路中断器件的每个电路导体周围形成固定电介质通道，所述固定电介质通道具有第一端和第二端；

所述通道具有足够的长度以实现电弧电压衰减，使得电弧电流中断在预定时间段内发生；以及

将所述第二端耦合到排气室，所述排气室具有足够的体积以实现电弧等离子体冷却率，所述电弧等离子体冷却率足以根据预定测试要求熄灭所述电弧。