CN111466006B - 气体绝缘高压或中压断路器 - Google Patents

气体绝缘高压或中压断路器 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种气体绝缘的高压或中压断路器，包括第一电弧触头(101)和第二电弧触头(103)，其中两个电弧触头中的至少一个电弧触头能够沿开关轴线(140)轴向地移动，其中在断路操作期间，在电弧区域中形成了第一电弧触头与第二电弧触头之间的电弧(130)；包括通向电弧区域的通道(112)的喷嘴(110)，该喷嘴(110)用于在断路操作期间将灭弧气体吹到电弧区域；邻近喷嘴的扩散器部分(114)，该扩散器部分(114)用于将气体从电弧区域输送到扩散器部分的下游区域；直接在扩散器部分(114)下游的缓冲体积(170)；被限制在断路器的壳体(105)内的外壳(120)，其中该外壳基本上周向地围绕缓冲体积(170)；以及被连接到扩散器部分(114)的缓冲分隔部件(150)，用于将缓冲体积分隔为第一缓冲子体积(171)和第二缓冲子体积(173)，其中缓冲分隔部件具有一个或多个孔(152)，该一个或多个孔(152)允许气体通过缓冲分隔部件在第一缓冲子体积(171)和第二缓冲子体积(173)之间流动。

Description

气体绝缘高压或中压断路器
技术领域
本公开的实施例通常涉及用于分断或中断高压或中压的气体绝缘断路器，并且具体涉及具有增强的抗电弧重燃能力的断路器。
背景技术
断路器在中高压断路应用领域应用广泛。它们主要用于在发生电气故障时中断电流。例如，断路器的任务是在即使是由电气故障本身引起的高电位的情况下断开触头并保持它们彼此分离，以避免电流流动。断路器可以在15kV至72kV以及高达1200kV的中压到高压的情况下分断1kA至80kA的中到高短路电流。断路器的工作原理是已知的。
这种断路器布置在相应的电路中，这些电路将基于电路中发生的某些预定义的事件而中断。通常，这种断路器的操作对故障条件或故障电流的检测做出响应。在检测到这种故障条件或故障电流时，机制可以操作断路器，以便中断流过其中的电流，从而中断电路中流过的电流。一旦检测到故障，断路器内的触头就会分离以中断电路。通常使用弹簧装置、气动装置或一些其他利用机械地储存能量的装置来分离触头。分离触头所需的一些能量可以从故障电流本身获得。当中断电路中流过的电流时，通常会生成电弧。电弧必须被冷却，使得其猝熄或熄灭，使得触头之间的间隙能够反复承受电路中的电压。众所周知，使用空气、油或绝缘气体作为介电绝缘和灭弧介质，电弧是在其中形成的。绝缘气体例如包括六氟化硫(SF6)或CO2。
然而，在电弧熄灭后，可能会发生延迟重燃。特别地，在电弧阶段从喷嘴下游喷出的气体可能不会完全扩散到通向外部绝缘体的体积。在这种情况下，如果加热的气体流回触头之间的间隙(例如，电弧区或电弧区域)，则可能会发生延迟重燃。例如，在短路电流数值大(如31kA或40kA左右)且电弧时间长的情况下，当气体流出(例如通过压缩体积和加热体积)停止时，加热气体可能会保持在相对靠近电弧区的位置，并在电流过零事件之后往回扩散。由于加热气体的温度升高，气体的介电强度降低，从而降低气体的绝缘特性。如果电弧区中气体的介电强度降低，电弧就会重燃。
在长电弧时间的情况下，加热气体回流至电弧区域或倒流的现象可能具有最大的量级。原因可能是在长电弧时间(对称)的情况下，由于电流的部分半波，可能会发生额外的反向加热循环。当电流跨倒数第二个过零时，加热体积被清空。因此，在最后一次反加热过程开始时，存在于加热体积中的气体的密度可能小于只有一次反加热循环的情况下的气体的密度。因此，在相同的能量输入条件下，将气体加热到更高的温度，从而使得更有可能发生延迟重燃。
尽管增加加热或压缩体积和/或可能甚至增加驱动能量有助于降低延迟重燃的风险的可能性，但是这些措施可能难以实现和/或也可能增加成本，并且可能过于昂贵。
因此，需要采用其他方法来降低延迟重燃的风险。特别地，需要以低成本和/或以易于实现的方式解决延迟重燃的问题。
特别地，需要提高气体绝缘断路器(诸如气体绝缘高压电流断路器)的介电耐受能力。此外，需要降低加热气体回流到电弧区的趋势。
此外，有利于实现电弧区下游的气体的温度的降低，使得可以流回电弧区的气体具有更低的温度。
发明内容
本发明的目标是提供一种改进的气体绝缘高压或中压断路器，用于可靠的灭弧，同时至少在一定程度上保持相对低成本的设计。
鉴于上述情况，提供了气体绝缘高压或中压断路器。此外，提供了一种操作气体绝缘高压或中压断路器的方法。根据说明书和附图，本公开的方面、优点和特征显而易见。
根据一个方面，提供了一种气体绝缘高压或中压断路器。该气体绝缘高压或中压断路器包括第一电弧触头和第二电弧触头，其中两个电弧触头中的至少一个电弧触头能够沿开关轴线轴向地移动，其中在断路操作期间，在电弧区域中形成了第一电弧触头与第二电弧触头之间的电弧。该气体绝缘高压或中压断路器还包括喷嘴，该喷嘴包括通向电弧区域的通道，该喷嘴用于在断路操作期间将灭弧气体吹到电弧区域。该气体绝缘高压或中压断路器还包括邻近喷嘴的扩散器部分，扩散器部分用于将气体从电弧区域输送到扩散器部分的下游区域。该气体绝缘高压或中压断路器还包括直接在扩散器部分下游的缓冲体积。该气体绝缘高压或中压断路器还包括被限制在断路器的壳体内的外壳，其中该外壳基本上周向地围绕缓冲体积，以及该气体绝缘高压或中压断路器包括被连接到扩散器部分的缓冲分隔部件，用于将缓冲体积分隔为第一缓冲子体积和第二缓冲子体积，其中缓冲分隔部件具有一个或多个孔，该一个或多个孔允许气体通过缓冲分隔部件在第一缓冲子体积与第二缓冲子体积之间流动。
根据另一个方面，提供了一种操作气体绝缘高压或中压断路器的方法。该方法包括使用根据本文所述的方面和实施例的气体绝缘高压或中压断路器来分断电流。
通过被连接到扩散器部分(并因此能够与扩散器部分一起移动)的缓冲分隔部件，靠近扩散器部分的第一缓冲子体积的至少一部分可以保持恒定，使得气体可以在稳定和受控的条件下从扩散器部分流入第一缓冲子体积的部分(或流入整个第一缓冲子体积)。此外，由于与扩散器部分的连接，缓冲分隔部件可以在断路操作期间与包括第一断路触头、喷嘴、扩散器部分和/或其任意组合的部件一起移动。此外，分隔部件可以以使得第一缓冲子体积被直接布置在扩散器部分的下游的方式被连接到扩散器部分。
附图说明
为了更详细地理解本公开的上述特征，给出了参考实施例和附图的更具体的公开：
图1和图2示意性地示出了根据本文所述的第一实施例的气体绝缘高压或中压断路器；
图3和图4示意性地示出了根据本文所述的第二实施例的气体绝缘高压或中压断路器；以及
图5是将根据本文所述的实施例的气体绝缘高压或中压断路器的电弧区域中的气体的温度与传统断路器的电弧区域中的温度进行比较的图。
具体实施方式
现在详细参考本公开的各种实施例，其中一个或多个示例在图中示出。在下列附图的描述中，相同的参考标号表示相同的部件。通常，仅描述关于各个实施例的差异。每个示例都是由对本公开的解释来提供的，并不意味着对本公开的限制。此外，作为实施例的一部分示出或描述的特征可以用于其他实施例上或与其他实施例结合使用以产生又一个实施例。本描述旨在包括此类修改和变更。
尽管给出了关于气体绝缘断路器的以下描述，特别是关于用于中压和高压应用的气体绝缘高压或中压断路器，但是应当理解，本公开的实施例不限于此。相反，本实施例可以应用于需要气体绝缘断路器的任何地方。
为了简单起见，本文描述的实施例通常指断路器，而不是指气体绝缘的高压或中压断路器。断路器可以是输配电***中的压气式断路器、自能式断路器、组合压气辅助自能式断路器、发电机断路器、隔离开关、组合式隔离开关和断路器、活槽断路器或负载断路开关。
术语高压或中压与超过1kV的电压有关。中压优选地涉及12kV至72kV的范围(中压范围)内的标称电压，如25kV、40kV或60kV。高压优选地涉及72kV至550kV范围内的标称电压，如145kV、245kV或420kV。断路器的标称电流优选在1kA至5kA的范围内。在断路器工作异常条件下流动的电流可以互换地称为断路电流或短路电流。短路电流可以在31.5kA至80kA的范围内，这称为高短路电流负载。在低短路电流负载下，断路电流通常大于标称电流，并且小于额定短路电流的0.3倍，例如最多24kA。在断路操作期间，断路电压可能非常高，例如在110kV至1200kV的范围内。
术语“轴向”是指在断路器轴线方向上的延伸、距离等。部件之间的轴向分离意味着当在轴线的方向上看到或测量时，这些部件彼此分离。术语“径向”是指在垂直于断路器轴线的方向上的延伸、距离等。术语“截面”是指垂直于轴线的平面，并且术语“截面面积”是指该平面上的面积。轴线例如可以是开关轴线。
断路器可以包括标称触头或标称电流路径。如本文所使用的，标称电流通过的电触头，即标称电流路径，称为标称触头，并且标称触头和电弧触头的组合称为“断路器触头”。如本文所使用的，断路触头中的至少一个断路触头关于另一个断路器触头相对移动。即，断路器触头中的至少一个断路器触头在移动。
在气体绝缘断路器中，灭弧介质包括气体。在实施例中，断路器包括限定气体体积的包封壳体。根据一些实施例，断路器可以包括吹气***，该吹气***被配置为在电流中断操作的一个阶段期间熄灭断路器的第一电弧触头与第二电弧触头之间形成的电弧。
断路器触头通常适于将断路器与要保护的电路进行电气互连。根据本文的实施例，中压是至少约12kV或更高达72kV(并且包括72kV)的电压。本文所使用的高压与高于约72kV的标称电压有关。根据一些实施例，高压可以是至少约123kV或至少145kV或更高的电压。
断路器可以包括一个或多个部件，诸如压气式气缸、自能室、压力收集空间、压缩空间或压气体积以及膨胀空间。断路器可以借助于一个或多个这种部件来实现电路的中断，从而中断电路中的电流流动，和/或使在电路中断时产生的电弧熄灭。
断路器还可以包括其它部件，诸如驱动器、控制器等，这些在图中已经省略。提供的这些部件类似于传统的高压或中压气体绝缘断路器。
图1和图2中示出了根据本文所述实施例的用于高压或中压的气体绝缘断路器100。断路器100包括第一电弧触头101和第二电弧触头103。第一电弧触头101在图1中以郁金香(例如，郁金香触头)的形式作为示例。如图1中的示例所示，第二电弧触头103是杆的形式，例如接触杆。两个电弧触头101和103在断开端位置(其中两个电弧触头101和103在电气上或电流上彼此完全分离)与闭合端位置(其中电流可以在它们之间通过或者它们彼此物理接触)之间相互配合。
第一电弧触头101例如可以是具有第一标称触头的第一断路触头10的一部分，为了简单起见，其在图1和图2中未示出。此外，第二电弧触头102可以是具有第二标称触头的第二断路触头30的一部分。
第一电弧触头101和第二电弧触头103的构成方式使得它们能够方便地承载断路电流，使得电弧触头不会生成过多的热量，并且承受断路器100的电流中断操作期间生成的电弧的热量。特别地，电弧触头由任何合适的材料制成，通常是抗电弧材料，使得断路器100能够如本文所述一样工作，诸如但不限于：铜、铜合金、银合金、钨、钨合金或其(多个)任意组合。特别地，这些材料是基于其导电性、硬度(即耐磨性)、机械强度、低成本和/或化学特性来选择的。例如，图1和图2中所示的形成第二电弧触头103的接触杆由任何合适的导电材料制成，使得断路器100能够如本文所述一样工作，诸如但不限于铜。如有需要，接触杆可以由不同的材料制成：例如，其不同部分可以由不同的材料制成，或者可以涂上一种材料，该材料可以为这些部分中的每一部分提供足够的电气和/或机械性能。
如图2中的箭头142、144所示，第一电弧触头101和第二电弧触头103中的至少一个电弧触头(例如，分别作为第一断路触头10和第二断路触头30的一部分)能够沿着开关轴线140相对于另一个移动，以使电弧触头处于断开端位置或闭合端位置。
在闭合端位置，将第二电弧触头103***到第一电弧触头101。在断路操作期间，第一电弧触头101相对地远离第二电弧触头103，使得两个触头彼此分离。在断路操作期间，如图2所示，在第一触头101的部分与第二电弧触头103的部分之间的电弧区域中形成电弧130。
图1和图2中所示的断路器100被布置在气密壳体105中，例如其中填充有电绝缘气体或灭弧气体的气密壳体。壳体105和图1和图2中所示的断路器100的部件之间的体积用参考标号180表示。这还被称为“外部体积”180，它是气密壳体105内部的体积。气密壳体可以构成封装105，诸如但不限于金属或陶瓷壳体。这种气密封装105可以安装在适当的结构上。
断路器100进一步包括喷嘴110，喷嘴110具有指向电弧区域的通道112。换言之，通道112或吹气通道112或加热通道112指向电弧130。喷嘴110用作在断路操作期间将灭弧气体吹到电弧区域的气孔。因此，电弧130可以被熄灭或猝熄。
喷嘴110包括扩散器部分114。在实施例中，在扩散器部分114的上游体积160中提供用于吹灭电弧130的灭弧气体。例如，扩散器114的体积上游160可以填充介电气体，诸如在实施例中的CO2、SF6或SF6及其已知混合物，诸如N2或CF4。在另一实施例中，也可以使用备选的绝缘或灭弧气体，如下所述。
扩散器部分114可以在轴向方向上与喷嘴110相邻。扩散器部分114的截面积可以沿远离喷嘴110的轴向方向增大。扩散器部分114可以形成用于灭弧气体流动的分流管道。因此，来自扩散器114的上游体积160的灭弧气体从电弧区域传输到扩散器114的下游区域。
扩散器114的下游区域包括直接在扩散器114下游提供的缓冲体积170。因此，在灭弧气体通过电弧区和扩散器114之后，灭弧气体到达缓冲体积170。本文中使用的术语“直接在扩散器的下游的缓冲体积”可以理解为与电弧区域的直接流体通信。
在图1和图2中，外壳120被限定在断路器的壳体105内。外壳120基本上周向地围绕缓冲体积170。即，外壳120可以基本限定了缓冲体积170的最外层径向范围。外壳120在图1和图2中具有管状形状。
如图1和图2所示，外壳120相对于沿着开关轴线140的第一断路触头10可移动。因此，第二断路触头30相对于第一断路触头10也可移动。从图1到图2，第二断路触头30相对于第一断路触头10从左向右移动。
断路器100进一步包括缓冲器分隔部件150。如图1和图2所示，缓冲器分隔部件150被连接到扩散器部分114，以便将缓冲器体积170分隔为第一缓冲器子体积171和第二缓冲器子体积173。缓冲器分隔部件150可以通过适当的连接装置连接到扩散器部分114。在一些实施例中，缓冲分隔部件150可以被连接到喷嘴110的一部分。
由于与扩散器部分114的连接，缓冲分隔部件150可以在断路操作期间(即当第一电弧触头101和第二电弧触头103分离时)与包括第一断路触头10、喷嘴110和扩散器部分114的部件一起关于气密壳体或封装105移动。
如参考标号152所示，缓冲器分隔部件150具有一个或多个孔152。因此，允许气体在第一缓冲子体积171和第二缓冲子体积173之间流过缓冲分隔部件150。例如，可以沿着外壳120的圆周提供一个或多个孔152。气体流动路径在图2中由没有参考符号的箭头表示。
通过分隔缓冲体积170，可以有效地减小缓冲体积170的尺寸。特别地，电弧加热的灭弧气体可以更有效地从电弧区域传输出去。通过减小的缓冲体积170的截面，在其中建立的条件可以导致加热的灭弧气体的流速增加，这可以增加气体被传输到下游提供的排气装置的效率。因此，可以减小加热气体回流到电弧区域的趋势。因此，可以减小延迟重燃的可能性，甚至可以防止延迟重燃。
根据本公开的实施例(可以与本文描述的实施例结合)，缓冲器分隔部件150可以连接到扩散器部分114的环形部分(216，参见图3)。环形部分可以位于扩散器部分114的端部分。例如，环形部分可以是喷嘴环216或涂有陶瓷材料的金属环部分216。缓冲分隔部件150可以经由喷嘴环216被安全地连接到扩散器部分114。
在一些实施例中，环形部分可连接到齿轮***的传动机构，以提供第一电弧触头与第二电弧触头之间的相对运动。
根据本公开的实施例(可以与本文描述的实施例结合)，缓冲分隔部件150可以是沿缓冲体积170的轴向长度延伸的同轴布置的壳。例如，该壳可以在第一轴向端与第二轴向端之间延伸。根据实施例，缓冲分隔部件150可以是穿孔的壳，特别地，穿孔圆柱形壳。
根据本公开的实施例(可以与本文描述的实施例结合)，断路器可以包括操作地耦合到第一电弧触头或第二电弧触头和喷嘴中的至少一个的齿轮***，用于提供沿开关轴线的相对运动，即平移。在实施例中，齿轮***的至少一部分布置在支撑结构处。在一些实施例中，断路器是单动断路器。即，第一电弧触头和第二电弧触头中只有一个电弧触头沿着开关轴线可移动。在其它实施例中，该电路是双动断路器。换言之，第一电弧触头和第二电弧触头都可以沿着开关轴线移动。
在图1和图2所示的实施例中，缓冲分隔部件150被设置为从扩散器部分114的前部沿开关轴线方向的轴向长度延伸到断路器100的(未示出)端部分的两个半圆柱形的壳。端部分例如可以是上述支撑结构。两个半圆柱形的壳可以轴向穿过支撑结构。例如，支撑结构可以具有两个狭缝，相应的半圆柱形的壳可以通过这两个狭缝。
在图1和图2中，提供的外壳120相对于喷嘴环216可以滑动。
根据本公开的实施例，缓冲分隔部件150基本上可以是盘状的，诸如盘状金属板。特别地，缓冲器分隔部件150可以形成基本径向地延伸的盘。盘可以有一个或多个孔152。例如，盘可以穿孔。
在一些实施例中，在缓冲分隔部件上提供的一个或多个孔的截面积，特别是具有基本盘形状的缓冲分隔部件上的孔的截面积可以在缓冲分隔部件的总截面表面的约20％至45％的范围内(参见图1、图2：150以及图3，图4：250)。更具体地说，一个或多个孔的截面积可以是缓冲分隔部件的总截面表面的37％。一个或多个孔152的截面积可以被描述为“流体截面积”。当流体截面积从总截面积中减去时获得的面积可以被描述为“固体截面积”。
在本公开的一些实施例中，特别是当缓冲分隔部件基本上是盘形时，缓冲分隔部件150或250的总截面表面可以在大约80cm2至160cm2的范围内。更具体地说，缓冲分隔部件150或250的总截面积表面大约可以为100cm2至140cm2。例如，如果总截面积为表面约124.69cm2，则流体截面积约为45.89平方厘米，而固体截面积约为78.80cm2。
根据一些实施例，第二电弧触头可以滑动地通过缓冲分隔部件的中心部分。特别地，当缓冲器分隔是盘形时，缓冲器分隔部件可以具有切口，第二电弧触头(例如接触杆)通过该切口。
图3和图4示出了根据本公开的另一个实施例的断路器200。图3和图4的断路器200与图1和图2的断路器100类似。下面将只讨论差别。
在图3和图4中，缓冲分隔部件形成为具有一个或多个孔152的圆柱形板250，通过这些孔，气体可以从第一缓冲子体积171流向第二缓冲子体积173。圆柱形板250在第二电弧触头103的轴向移动期间引导第二电弧触头103。此外，圆柱形板250可以被设置为能够在外壳120的内表面上滑动。
根据本公开的实施例，缓冲分隔部件可以基本上从缓冲体积的一端延伸到缓冲体积的另一端。例如，缓冲器分隔部件150可以从缓冲器体积170的一个轴向端延伸到另一个轴向端，如图1和图2所示。备选地，缓冲分隔部件250可以从缓冲体积170的径向最外端延伸到缓冲体积170的另一个径向最外端，如图3和4所示。换言之，缓冲器分隔部件250可以径向地延伸穿过缓冲器体积170。
同样在一些实施例中，在缓冲分隔部件250上设置有一个或多个孔的截面积，特别是具有基本盘形状的缓冲分隔部件250上的一个或多个孔的截面积可以在缓冲分隔部件250的总截面表面的约20％到45％的范围内。
根据本公开的实施例，其可以与本文描述的实施例组合，缓冲器分隔部件可以被形成板。特别地，缓冲分隔部件可以是金属板。例如，缓冲分隔部件可以由两个半圆柱形金属板制成。备选地，缓冲分隔可以是圆柱形盘，特别是圆柱形金属盘。
断路器200进一步包括设置在扩散器部分114的轴向端部分上的喷嘴环216。圆柱形板250经由喷嘴环216固定地连接到扩散器部分114。特别地，圆柱形板250和喷嘴环216通过一个或多个连接杆154连接。因此，圆柱形板250可以与第一断路触头101一起相对于外壳120沿轴向方向移动。在断路操作期间，第一缓冲子体积173的尺寸即体积基本上保持恒定。
图3示出了处于断路过程期间的阶段中的断路器200，其中第一电弧触头101与第二电弧触头103仍处于电接触状态。图4示出了对应于断开位置的阶段中的断路器200。然而，在两个阶段中，第一缓冲子体积的体积具有基本相同的大小。因此，可以增加从电弧区域到缓冲体积170、以及从缓冲体积170到断路器200的端的排气装置下游的灭弧气体流的速度和密度。因此，在过零事件(例如，在电弧熄灭之后，电流中断)之后，可以降低电弧区域和缓冲体积170中的温度。因此，可以降低延迟重燃(即电弧重燃)的风险，甚至可以避免延迟重燃。
在计算流体动力学仿真中，已经证明将缓冲分隔部件(例如圆柱板形250)连接到扩散器部分114，从而将缓冲体积170分隔为第一缓冲子体积171和第二缓冲子体积173，特别地，恒定的第一缓冲子体积171，在断路操作期间，当第一燃弧触头101和第二燃弧触头103分离时，在电流过零事件后，能够有效地降低电弧区域的平均温度。特别地，由于加热的灭弧气体回流到电弧区域的流量减少，因此电弧区域的平均温度降低。
根据本公开的实施例，在断路操作期间，灭弧气体可以经由缓冲体积170的第一子体积171从电弧区域流向第二子体积173。此外，然后灭弧气体可以从第二子体积173被释放到与电弧区域轴向地远离地的缓冲体积170的一侧处的排气装置。
根据本公开的实施例(可以与本文描述的实施例结合)，外壳的至少一部分可以形成标称电流路径的一部分，并且缓冲分隔部件(例如150、250)可沿外壳的内表面滑动。图3和图4示例性地示出了形成为第二断路触头30的标称触头的外壳120(即，标称电流路径或上电流载体的一部分)。在断路器的闭合位置，第二断路触头的标称触头与第一断路触头的标称触头接触。
当灭弧气体在灭弧过程期间被电弧加热时，加热气体从电弧区流向第一缓冲子体积，并经由设置在缓冲分隔部件上的一个或多个孔流向第二缓冲子体积。由于缓冲体积的有效体积可以由此减小，因此将加热气体传输到设置在端部轴向端部分的断路器的排气装置的效率更高。这样，可以降低缓冲体积内的灭弧气体温度。因此，由于加热气体从缓冲体积回流到电弧区域，也可以降低再燃或延迟再燃(即电弧再燃)的可能性或风险。换言之，当扩散器的上游体积160已被排出时，通过第二断路器触头向后移动到喷嘴的气体较冷，并且对电弧重燃造成的威胁较小。
根据本公开的实施例(可以与本文描述的实施例结合)，外壳可以是导电金属管。
根据本公开的一些实施例(可以与本文描述的实施例结合)，用于熄灭电弧的灭弧***可以集成在喷嘴的上游体积160中。灭弧***可以具有加压***(压气***)。例如，加压***可以包括加压室(压气室)，具有猝熄气体包含其中。猝熄气体是包含在断路器100的壳体体积(外部体积)180中的绝缘气体的一部分。加压室可以由室壁和活塞限定，用于在电流中断操作期间压缩加压室内的猝熄气体。为此，当第一电弧触头101移动远离第二触头103以打开断路器时，活塞与第一电弧触头101一起移动，使得活塞在加压室内加压猝熄气体。
在实施例中，在电流中断操作期间，喷嘴110适于将加压的猝熄气体(例如灭弧气体)从上游体积160吹到形成的电弧130上。喷嘴可以包括连接到加压室用于接收来自加压室的加压的猝熄气体的入口，以及到电弧区域的喷嘴出口。在优选的实施例中，喷嘴10由例如PTFE的电绝缘材料制成。在一些实施例中，喷嘴110可以包括附接在其端部中的一个端部的环部分。
在断路操作(即断路过程)期间，标称触头(未示出)彼此分离，并且第一电弧触头101和第二电弧触头103在一段延迟后也彼此分离，形成通过将气体吹过喷嘴110而熄灭的电弧130。
在优选的实施例中，在电流过零期间，电弧被从扩散器上游体积(例如自能式断路器的加热体积或压气式断路器的压缩体积)吹向电弧区域和排气体积的绝缘气体流熄灭。
根据本公开的一些实施例，断路器包括在下游方向上设置在断路器的端处的支撑结构。在一些实施例中，第二电弧触头形成为插头状的杆。插头状的杆可以在下游方向上在其端部具有板状支撑结构。板状支撑结构可以连接到第二电弧触头(例如插头状的杆)，或者可以固有地与第二电弧触头形成。支撑结构可以连接到齿轮***。因此，当第二断路器触头形成为可移动的断路触头时，支撑结构和第二电弧触头可以一起移动。
本公开还涉及操作气体绝缘高压或中压断路器的方法。特别地，可以中断根据本文所述的实施例的高压或中压断路器的电流。因此，断路器可以可靠地中断电流，例如故障电流，并且可以更安全地防止延迟重燃。
图5是示出用于比较根据本文所述的实施例的断路器和传统断路器的计算流体动力学模拟的结果的图。图5示出了电弧区域(竖直轴430)中的平均气体温度(单位为开尔文)作为时间的函数。电弧区域中的平均气体温度是控制体积内的温度，控制体积径向由喷嘴的喉部限定，轴向由插头尖端和郁金香尖端限定。水平轴410的以毫秒为单位。在水平轴410处的0ms处，发生电流过零事件(CZ)，诸如电流中断或电弧熄灭。图线450(实线)示出了根据本文所述的实施例的断路器的温度的时间进程。图线470(虚线)示出了传统断路器。在传统断路器中，CZ后约18.7ms处，温度达到峰值。在图线470的峰值处，温度可能已经高到足以恶化灭弧气体的绝缘性能，这可能导致电击穿，使得电弧可以重燃。图线470中的温度升高可能与加热气体在CZ后的回流有关。在CZ后约32.5ms处，可观察到图线470中的另一个峰值。
相反，在根据本文所述的实施例的断路器(图线450)中，在CZ之后电弧区中的温度保持相对恒定，并且没有观察到急剧的增加。因此，可以实现平均电弧区域温度的峰值的显著降低。因此，可以减少甚至消除加热气体向电弧区的回流。从而降低了电弧重燃和延迟重燃的风险，甚至可以避免电弧重燃和延迟重燃。
在本公开的实施例中，断路器可以进一步包括气吹***，该气吹***被配置为在位于喷嘴110中的电弧区域中的电流中断操作阶段期间，对在第一电弧触头101与第二电弧触头103之间形成的电弧施加气吹。气吹***可以包括能够熄灭电弧触头之间的电弧的任何适当的结构、配置、布置和/或部件。例如但不限于，气吹***可以包括适当的阀门、气吹活塞、喷嘴、电弧加热器和至少一个用于自自吹体积和/或用于压缩体积的压力室。本领域的技术人员所熟悉的来自已知气吹***的进一步的元件可用于本文所述的至少一些实施例，而不需要在此更详细地描述。
根据本文所述的实施例的气体绝缘高压或中压断路器优选地适于中断12kV或更高、52kV或更高、或145kV或更高的中压到高压。
在实施例中，气体绝缘的高压或中压断路器可以是压气式断路器或自能式断路器或其组合中的一种。
在实施例中，由气吹***吹出的气体是能够充分熄灭在电流中断操作期间在电弧触头之间形成的电弧的任何合适气体，例如但不限于惰性气体，例如六氟化硫SF6。因此，第一电弧触头101与第二电弧触头103之间的电弧在电弧区域中发展。
出于本公开的目的，断路器中使用的流体可以是SF6气体或任何其他介电绝缘介质，可以是气体和/或液体，特别地可以是介电绝缘气体或灭弧气体。这种介电绝缘介质例如可以包含包括有机氟化合物的介质，这种有机氟化合物从以下项组成的组中选择：氟醚、环氧乙烷、氟胺、氟酮、氟烯烃、氟腈及其混合物和/或其分解产物。本文中，术语“氟醚”、“环氧乙烷”、“氟胺”、“氟酮”、“氟烯烃”和“氟腈”至少部分地指氟化合物。特别地，术语“氟醚”包括氢氟醚和全氟醚，术语“环氧乙烷”包括氢氟环氧乙烷和全氟环氧乙烷，术语“氟胺”包括氢氟胺和全氟胺，术语“氟酮”包括氢氟酮和全氟酮，术语“氟烯烃”包括氢氟烯烃和全氟烯烃，并且术语“氟腈”包括氢氟腈和全氟腈。因此，优选将氟醚、环氧乙烷、氟胺、氟酮和氟腈完全氟化，即全氟化。
在实施例中，介电绝缘介质从以下项组成的组中选择：氢氟醚、全氟酮、氢氟烯烃、全氟腈及其混合物。
特别地，在本公开的上下文中使用的术语“氟酮”应广泛地解释，并且应包含氟单酮和氟二酮或通常的氟多酮。显然，分子中可能存在由碳原子围绕的多于单个的羰基。该术语还应包含包括碳原子之间的双键和/或三键的饱和化合物和不饱和化合物。氟酮的至少部分氟化烷基链可以是线性的或支链的，并且可以选择性地形成环。
在实施例中，介电绝缘介质包括至少一种化合物，该化合物为氟单酮和/或还包括并入分子的碳主链中的杂原子，诸如以下的至少一个：取代一个或多个碳原子的氮原子、氧原子和硫原子。更优选地，氟单酮，特别是全氟酮，可以具有3到15个或4到12个碳原子，特别地具有5到9个碳原子。最优选地，其可以包括正好5个碳原子和/或正好6个碳原子和/或正好7个碳原子和/或正好8个碳原子。
在实施例中，介电绝缘介质包含至少一种化合物，该化合物是从以下组中选择的氟烯烃：包含至少三个碳原子的氢氟烯烃(HFO)，包括正好三个碳原子的氢氟烯烃(HFO)、反式-1，3，3，3-四氟-1-丙烯(HFO-1234ze)、2，3，3，3-四氟-1-丙烯(HFO-1234yf)及其混合物。
在实施例中，有机氟化合物还可以是氟腈，特别是全氟腈。特别地，有机氟化合物可以是包含两个碳原子和/或三个碳原子和/或四个碳原子的氟腈，特别是全氟腈。更具体地说，氟腈可以是全氟烷基腈，特别是全氟乙腈、全氟丙腈(C2F5CN)和/或全氟丁腈(C3F7CN)。更具体地说，氟腈可以是全氟异丁腈(根据分子式(CF3)2CFCN)和/或全氟-2-甲氧基丙腈(根据分子式CF3CF(OCF3)CN)。其中，全氟异丁腈(即2，3，3，3-四氟-2-三氟甲基丙腈别名i-C3F7CN)因其低毒性而特别优选。
介电绝缘介质还可以包括不同于有机氟化合物的背景气体或载体气体(特别不同于氟醚、环氧-烷、氟胺、氟酮和氟烯烃)，并且在实施例中可以从以下组中选择：空气、N2、I2、CO2、惰性气体、H2；NI2，NO，N2I；碳氟化合物，特别是全氟碳化合物，诸如CF4；CF3I，SF6；及其混合物。例如，在一个实施例中，介电绝缘气体可以是CO2。
断路器还可以包括其它部件，如标称触头、驱动器、控制器等，这些部件在图中已经省略并且在本文中没有详细描述。提供的这些部件与传统的高压或中压气体绝缘断路器类似。
上文详细描述了断路器的示例性实施例和操作断路器的方法。装置和方法不限于本文描述的具体实施例，相反，断路器的部件和/或方法的步骤可以独立于本文所述的其他部件和/或步骤使用，并且不限于仅实践本文所述的断路器。相反，示例性实施例可以结合许多其他断路器应用来实现和利用。
尽管本发明的各种实施例的具体特征可以在一些附图中示出而没有在其他附图中示出，但这仅为了方便。根据本发明的原理，附图的任何特征都可以结合任何其他附图的任何特征来引用和/或要求保护。特别地，图1至图4示出了可以与本公开的其他一般方面相结合的不同方面。此外，方法步骤可以实现为设备特征，反之，设备特征可以实现为方法步骤。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使任何本领域的技术人员能够实践本公开，包括制造和使用任何设备或***以及执行任何包含的方法。尽管前面已经公开了各种具体实施例，但是本领域的技术人员将认识到权利要求的精神和范围允许同样有效的修改。特别地，上述实施例的互不排斥特征可以彼此组合。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例的结构元素与权利要求的字面语言没有区别，或者它们包括与权利要求书的字面语言有实质性区别的等效结构元素，则这些其他示例旨在在权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种气体绝缘高压或中压断路器(100，200)，包括：
第一电弧触头(101)和第二电弧触头(103)，其中所述两个电弧触头中的至少一个电弧触头能够沿开关轴线(140)轴向地移动，其中在断路操作期间，在电弧区域中形成了所述第一电弧触头与所述第二电弧触头之间的电弧(130)；
喷嘴(110)，包括通向所述电弧区域的通道(112)，所述喷嘴用于在所述断路操作期间将灭弧气体吹到所述电弧区域：
扩散器部分(114)，邻近所述喷嘴，所述扩散器部分用于将所述灭弧气体从所述电弧区域输送到所述扩散器部分的下游区域；
缓冲体积(170)，直接在所述扩散器部分(114)下游；
外壳(120)，被限制在所述断路器(100，200)的壳体(105)内，其中所述外壳(120)周向地围绕所述缓冲体积(170)，以及
缓冲分隔部件(150，250)，被连接到所述扩散器部分(114)，以用于将所述缓冲体积(170)分隔为第一缓冲子体积(171)和第二缓冲子体积(173)，其中所述缓冲分隔部件(150，250)具有一个或多个孔(152)，所述一个或多个孔允许气体通过所述缓冲分隔部件(150，250)在所述第一缓冲子体积(171)与第二缓冲子体积(173)之间流动；
其中，所述第一电弧触头(101)、所述喷嘴(110)和所述扩散器部分(114)能够一起相对于所述壳体(105)移动。
2.根据权利要求1所述的气体绝缘高压或中压断路器(100)，其中所述第二电弧触头(103)可滑动地通过所述缓冲分隔部件(150)的中心部分。
3.根据权利要求1或2所述的气体绝缘高压或中压断路器(200)，其中所述缓冲分隔部件(250)是盘状的并且径向地延伸或者是有孔的圆柱形壳。
4.根据权利要求1或2所述的气体绝缘高压或中压断路器(100，200)，其中设置在所述缓冲分隔部件(150，250)上的所述一个或多个孔(152)的截面积在所述缓冲分隔部件(150)的总截面表面的20％至45％的范围内。
5.根据权利要求1或2所述的气体绝缘高压或中压断路器(100，200)，其中所述缓冲分隔部件(150，250)的总截面表面在80cm2至160cm2的范围内。
6.根据权利要求1或2所述的气体绝缘高压或中压断路器(100，200)，其中所述外壳(120)的至少一部分形成为标称电流路径的一部分，并且所述缓冲分隔部件(150，250)沿所述外壳(120)的内表面可滑动。
7.根据权利要求1或2所述的气体绝缘高压或中压断路器(100，200)，其中所述缓冲分隔部件(150，250)从所述缓冲体积(170)的一端延伸到所述缓冲体积(170)的另一端。
8.根据权利要求1所述的气体绝缘高压或中压断路器(100)，其中所述缓冲分隔部件(150)是沿所述缓冲体积(170)的轴向长度延伸的轴向地布置的壳。
9.根据权利要求1或2所述的气体绝缘高压或中压断路器(100，200)，其中所述断路器是适于中断12kV或更高、52kV或更高、或者高于72kV、或145kV或更高的中压到高压的气体绝缘断路器(100，200)。
10.根据权利要求1或2所述的气体绝缘高压或中压断路器(100，200)，其中所述缓冲分隔部件(150，250)连接到所述扩散器部分(114)的环状部分(216)。
11.根据权利要求1或2所述的气体绝缘高压或中压断路器(100，200)，其中在所述断路操作期间，所述灭弧气体经由所述缓冲体积(170)的所述第一缓冲子体积(171)从所述电弧区域流向所述第二缓冲子体积(173)，其中从所述第二缓冲子体积(173)，所述灭弧气体被释放到与所述电弧区域轴向地远离的所述缓冲体积(170)的一侧处的排气装置。
12.根据权利要求1或2所述的气体绝缘高压或中压断路器，还包括可操作地耦合到所述喷嘴(110)和所述第二电弧触头(103)的齿轮***，所述齿轮***用于提供所述喷嘴(110)与所述第二电弧触头(103)之间沿所述开关轴线(140)的相对移动。
13.根据权利要求1或2所述的气体绝缘高压或中压断路器(100，200)，其中所述气体绝缘高压或中压断路器(100，200)是以下断路器中的一种断路器：压气式断路器、自能式断路器或其组合。
14.根据权利要求1或2所述的气体绝缘高压或中压断路器(200)，其中所述缓冲分隔部件(250)形成为片。
15.一种操作气体绝缘高压或中压断路器(100，200)的方法，所述方法包括：
通过根据权利要求1至14中的任一项所述的气体绝缘高压或中压断路器(100，200)来分断电流。
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