用于真空断路器的真空中断器

摘要

一种用于真空断路器的真空中断器,借助于该真空中断器,在大电流被切断时,可以避免在接触表面上产生由电弧聚集引起的熔化现象,并且通过形成与电极分开时产生的电弧方向相同的强大的垂直磁场,而使电弧迅速熄灭,该中断器包括:真空容器;固定在真空容器的上部以致于被密封的固定圆柱电极;设置在真空容器的下部以致于沿垂直方向运动的可动圆柱电极;以及固定接触组件和可动接触组件,它们分别与固定圆柱电极和可动圆柱电极连接,引导电流向一个方向回转并形成合成的垂直磁场。

说明书

                        技术领域

本发明涉及一种回路断路器，更确切的讲，涉及一种利用形成垂直磁场的方法制成电极结构，改善电路切断功能、用在真空断路器中的真空中断器。

                        背景技术

通常，回路断路器是一种安装在电源和负载单元之间的电保护装置，用于保护负载单元和例如马达之类的负载线及变压器，免受例如传输/配电线路和专用的转换装置之类的电路上产生的异常电流(由例如短路和接地失效等偶然事故引起的大电流)的影响，以便并打开/关闭负载电路并完成将电源线转换到另一条线上的配电功能。

另外，根据使用的电弧熄灭介质，回路断路器可以分为用油的油回路断路器、用惰性气体SF6的气体回路断路器、用空气的空气回路断路器、用磁力的磁熄弧回路断路器和利用真空的真空断路器。

其中，真空断路器在10^-3乇真空状态下具有较高的绝缘强度，因此，这种断路器更频繁地用在中等电压回路断路器中。另外，已经着手进行将这种断路器用在高电压、大电流中以及使其小型化方面的开发。

作为真空回路断路器的主要结构元件的真空中断器的作用是，当异常电流产生时，如果机械致动器由在控制回路内检测到的异常电流的电信号驱动而操作，则真空回路断路器通过将可动电极和固定电极分开而切断电流。

用于切断大电流的真空中断器可以分为水平磁场型和垂直磁场型。在使用水平磁场型真空中断器的情况下，当接触面分开时，根据在垂直方向自然产生的电弧，移动水平产生的电弧磁场，使电弧熄灭。但是，在这种水平磁场的真空中断器中，当产生比40KA高的大电流时，电弧会聚集在接触面的一个点上，因此，接触面会被聚集的电弧熔化。另外，沿着聚集电弧移动路径的方向，接触面上会形成一条熔线。

因此，为了解决水平磁场的真空中断器存在的问题，在此提供一种由本发明专利权人申请的US6163002专利中公开的垂直磁场的真空中断器。在上述专利述及的真空中断器中，利用形成三或四个电流环路的可动电极和固定电极形成三或四个磁场，使电弧不会聚集在接触面上。然而，上述专利在三或四个垂直磁场中产生电弧，但只产生一个或两个电弧并且这些电弧可能在垂直磁场之间的周边部分产生的情况是有效的。因此，难于处理利用该三或四个垂直磁场集中产生一个或两个电弧，并且不能实现对垂直磁场之间的周边产生的电弧进行电弧分散操作。因此，不能解决现有技术中存在的接触面上的表面凝结问题。

                     发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种用于真空回路断路器的真空中断器，借助于该真空中断器，当一异常的大电流被切断时，通过形成一个与电极分开时产生的电弧平行、在垂直方向对接触面的整个表面均匀作用的磁场，就可以使电弧迅速熄灭，同时防止接触面熔化现象的发生。

为了实现本发明的目的，在此对本发明进行概括说明，本发明提供一种用于真空回路断路器的真空中断器，包括：真空容器，该容器被密封以保持其内的真空状态；固定在真空容器上部的固定圆柱电极，该电极被密封并与电源连接；与真空容器内的固定圆柱电极进行机械和电连接的固定盘形电极，在该固定盘形电极中多个切槽沿着把外圆周表面以预定角度分成三部分的位置向从中心偏心一预定角度的位置延伸；以及多个由切槽形成的多个电通道，从而形成垂直磁场。

此外，提供了一种用于真空回路断路器的真空中断器，包括：与固定盘形电极连接的固定接触板；第一屏蔽板，其安装在固定盘形电极和固定接触板之间，以切断固定盘形电极和固定接触板之间的电和磁；多个第一导电销，其安装在固定盘形电极和固定接触板之间的屏蔽板外侧的位置上，以使固定盘形电极和固定接触板电连接；可动接触板，其面对固定接触板安装，并可在与固定接触板接触和离开固定接触板的位置之间运动；可动盘形电极，其与可动接触板电连接，其中，可动盘形电极中有多个切槽，这些切槽沿着把外圆周表面以预定角度分成三部分的位置向从中心偏心预定角度的位置延伸；多个由切槽形成的电通道，从而通过将由固定盘形电极形成的磁场和电流的多个电通道形成的磁场合成而形成一个垂直磁场，其中电流的流向与在盘形电极电通道上电流的流向相同；第二屏蔽板，其安装在可动盘形电极和可动接触板之间，以屏蔽固定盘形电极和固定接触板之间的电和磁；多个第二导电销，其安装在可动盘形电极和可动接触板之间的屏蔽板外侧，使静止盘形电极和静止接触板电连接；以及可动圆柱形电极，其电机械连接到电负载的可动圆柱电极上，并且该电极安装到真空容器的下部且被密封。

下面，通过结合附图对本发明进行的详细说明，本发明的上述及其它的目的、特点、方面和优点将会更明显地显示出来。

                    附图说明

提供对本发明进一步理解并结合在该说明中而且构成该说明书一部分的附图用来说明本发明的实施例，并与说明书一起用来解释本发明的原理。附图中；

图1示出本发明中用于真空断路器的真空中断器的纵向剖视图；

图2示出本发明中用于真空断路器的真空中断器的分解透视图；

图3示出本发明中用于真空断路器的真空中断器内电流流动的盘形电极的前视图；

图4示出根据本发明中真空中断器内的电流流动而产生的磁场方向的操作状态图；

图5示出本发明第二实施例中真空中断器的分解透视图；

图6示出本发明第二实施例中真空中断器的连接状态的剖视图；

图7示出本发明第二实施例中真空中断器的操作状态视图；

图8示出本发明第三实施例中真空中断器的分解透视图；

图9示出本发明第三实施例中真空中断器的连接状态的剖视图；

图10示出本发明第三实施例中真空中断器的操作状态视图。

                    具体实施方式

下面参照附图中所示的示例，详细说明本发明的优选实施例。

本发明可以有用于垂直磁场的真空中断器的多个实施例，下面仅说明最优选的实施例。

图1示出本发明中用于真空断路器的真空中断器的剖视图；图2示出本发明中用于真空断路器的真空中断器的分解透视图；图3示出本发明中真空中断器内固定和可动线圈导体的前视图。

本发明垂直磁场的真空中断器包括：真空容器2；固定圆柱电极4，其固定在真空容器2的上部中心处；可动圆柱电极6，其设置在真空容器2的下部中心处，可以上下运动；以及固定接触组件8和可动接触组件10，它们分别设置在固定圆柱电极4和可动圆柱电极6上，形成垂直磁场，该磁场在接触面分开将大电流切断时，与沿垂直方向产生的电弧电流平行。

真空容器2由圆柱形绝缘材料制成。真空容器2包括：安装在上部的固定部壳体12，其上固定有固定圆柱电极4；以及安装在下部的可动部壳体14，其上设置有可线性运动的可动圆柱电极6。

固定圆柱电极4由具有高导电性的脱氧铜制成，其一端固定在固定部壳体12上并被密封。另外，固定端子16安装在固定圆柱电极4的上部，固定接触组件8安装在固定圆柱电极4的下部。

可动圆柱电极6安装在可动部壳体14上并被密封；波纹管18沿可动圆柱电极6的圆周方向安装，在可动圆柱电极6上下运动时保持密封状态；以及一固定接触组件10安装在上端。另外，用于密封的套筒20插在可动圆柱电极6和可动部壳体14之间。

当产生异常电流时，可动圆柱电极6根据外部机械致动器(未示出)的操作，而垂直地上下运动。

图2示出本发明中固定接触组件和可动接触组件的分解透视图。

固定接触组件8包括；固定盘形电极30，其放在固定圆柱电极4的下部，引导电流向径向流动；固定接触板32，其面对固定盘形电极30配置在固定盘形电极30上；屏蔽板34，安装在固定盘形电极30和固定接触板32之间，以屏蔽固定盘形电极30和固定接触板32之间流动的电流；以及多个导电销36，这些导电销以预定角度(理想的是120°)设置在比固定盘形电极30和固定接触板32之间的屏蔽板34的外圆周靠外的水平位置上，以形成固定盘形电极30和固定接触板32之间的电通道。

支承固定盘形电极30的支承板38，该支承板38安装在固定盘形电极30和固定圆柱电极4之间。

固定盘形电极30包括：在中心部分贯通形成的连接孔40，固定圆柱电极4的突出端部插入该连接孔并与之连接；以及三个切槽42，它们将来自固定圆柱电极4的电流分成三部分并按图3所示回转。所形成的各个切槽42从固定盘形电极30的外圆周表面朝着与固定盘形电极30的中心偏心45°的位置延伸。在由切槽分隔的各个电通道的端部，形成供导电销36插入的销孔46。

如果从固定圆柱电极4输入电流，电流就从与固定圆柱电极4的突出端部连接的中心部分流向外侧。在用切槽分隔的各个电通道上流动着三分之一的电流，并通过导电销36引到固定接触板32上。

此时，在固定盘形电极30上三个弧形的各自电通道上流动的电流，彼此沿相同的方向回转并形成沿垂直方向的磁场。

圆形固定接触板32包括：六条切槽50，这些切槽从中心部分沿径向将固定接触板32分成六部分，在中心部分到圆周方向之间形成60°的间隔，从而当固定接触板32离开可动接触组件10时可减少摩擦；以及销孔52，它们在由切槽50分成的六个电通道中的三个电通道的末端部分上形成，该销孔供导电销36插入。

在上述固定接触板32上，当从固定盘形电极30通过导电销36供应电流时，电流就从销孔52所在的电通道的外侧流向固定接触板32的中心部分。

理想的情况是：屏蔽板34由作为高电阻的非磁性材料的不锈钢制成，除了在固定盘形电极30和固定接触板32之间的导电销36穿过的电通道外，上述屏蔽板能够屏蔽电流的流动，同时防止因为导入磁通而产生热量。

可动接触组件10包括：可动盘形电极60，其与可动圆柱电极6连接；可动接触板62，放在可动盘形电极60的一个表面上，并可运动到与固定接触板32接触或分开的位置；屏蔽板64，用于屏蔽可动接触板62和可动盘形电极60之间流动的电流；以及三个导电销66，它们安装在比可动盘形电极60和可动接触板62之间的屏蔽板64的外圆周靠外的水平位置上，从而提供从可动接触板62到可动盘形电极60的电通道。另外，可动盘形电极60由支承板68支承在可动圆柱电极6上。

可动盘形电极60具有贯通中心部分的连接孔74，因而可动圆柱电极6的突出端部插入该连接孔内与可动圆柱电极6连接；以及切槽70，这些切槽将从固定接触组件8穿过可动接触板62和导电销66传输的电流分成三个部分，并如图3下部视图所示向同向回转。

所形成的切槽70与固定盘形电极30上的切槽42相似，从把可动盘形电极60的外圆周表面分隔成三部分的各个位置向从可动盘形电极60的径向中心偏心45°的位置延伸。

在上述可动盘形电极上，如果从可动接触板62穿过导电销66供应电流，则电流就从与导电销66连接的外圆周部分流到径向中心。然后，在由切槽70分隔的各个电通道上的三分之一的电流，穿过可动圆柱电极6的突出端部被引导到可动圆柱电极。

此时，在可动盘形电极60上的各个弧形电通道上流动的电流彼此同向回转，并形成沿垂直方向的合成磁场。而且，如图3所示，在固定盘形电极30的电通道上流动电流的回转方向和在可动盘形电极60的电通道上流动电流的回转方向，在图中都是沿着逆时针方向。因此，固定盘形电极30和可动盘形电极60形成强大的垂直磁场。

另外，可动接触板62包括六个切槽76，这些切槽沿圆周方向将电通道分成六部分，从而，当可动接触板62通过降低摩擦而与固定接触板32分开时可以实现快速分离。切槽76设置在从固定接触板32的切槽50旋转60°的位置上。也就是说，安装有导电销36的固定接触板32的接触表面和没有安装导电销66的可动接触板62的接触表面是彼此面对着安装、接触或者分开的。

在固定接触板32和可动接触板62接触表面的中心部分上形成的凹入部80，用于分散电弧，使电弧不会聚集在接触板的中心部分上。

本发明用于真空断路器的垂直磁场的真空中断器的操作过程如下：

图4示出本发明真空中断器内电流流动和磁场形成方向的状态图。

当大电流产生时，外部机械致动器(未示出)启动，然后可动圆柱电极6后退，因此，固定接触板32和可动接触板62分开并在它们之间产生电弧。

另一方面，电流从固定圆柱电极4穿过固定盘形电极30和导电销36流到固定接触板32，并流到可动接触组件10，然后，电流从可动接触板62通过导电销66和可动盘形电极60、穿过可动圆柱电极6流到电负载(未示出)。

更详细地讲，当电流通过固定圆柱电极4输入时，流向导电销36的电流，是按照图4所示的P方向从固定盘形电极30的中心部分向外径方向流动而得到的。此时，固定盘形电极30由切槽42分成三部分，形成三个电通道。因此，在各个导电销36上流动着三分之一的电流。

引导到导电销36的电流，从固定接触板32的外侧流向径向中心，而后，流到与固定接触板32接触的可动接触板62。在可动接触板62的各个电通道上流动着三分之一的电流。

在此，在固定接触板32和可动接触板62接触部分的中心处形成凹入部80，因而当电弧产生时，电弧就不会聚集在中心上，而是向径向外侧分散。因此，在固定接触板32和可动接触板62上分别流动着较低的电弧电流。

引入可动接触板62的电流，按图中所示的T方向、从中心部分流向径向外侧，而后通过导电销66施加到可动盘形电极60上。然后，电流按图中所示的Q方向，从可动部分线圈导体60的三部分的外侧流向径向中心，而后通过可动圆柱电极6输出到负载。

此时，在固定盘形电极30的各个弧形电通道上流动的电流彼此沿着同一方向回转，从而形成一个沿垂直方向的合成磁场。而且，在可动盘形电极60的三个弧形电通道的每个上流动的电流和在固定盘形电极30的电通道上流动的电流都沿同一方向回转(逆时针方向)，从而形成沿垂直方向的强大的合成磁场。另一方面，随着大电流产生、真空中断器进行切断操作当中，在固定接触板32和可动接触板60之间沿垂直方向产生电弧。故当强大的磁场沿垂直方向施加到电弧上时，电弧不会聚集在固定接触板32和可动接触板60的某一位置上，而是均匀地散开，然后熄灭。

图5示出本发明第二实施例中真空中断器的分解透视图；图6示出本发明第二实施例中真空中断器的连接状态的剖视图。

本发明第二实施例中真空中断器的接触组件包括：固定盘形电极84，其与固定圆柱电极4连接，并由在圆周部分上、沿径向形成的三个切槽82将电通道分成三份；可动盘形电极85，其与可动圆柱电极6连接，并由在圆周部分上沿径向形成的三个切槽将电通道分成三份；盘形屏蔽板86，其与固定盘形电极84的一个表面连接，用于屏蔽固定盘形电极84和固定接触板93上的电和磁；盘形屏蔽板87，其与可动盘形电极85的一个表面连接，用于屏蔽可动盘形电极85和可动接触板94上的电和磁；三个导电销88，这些导电销连接在比屏蔽板86的外圆周靠外、在固定盘形电极84和固定接触板93之间、彼此间有预定间隔(120°)的位置上，从而在固定盘形电极84和固定接触板93之间形成了电通道；三个导电销89，这些导电销连接在比屏蔽板87的外圆周靠外、可动盘形电极85和可动接触板94之间、彼此间有预定间隔(120°)的位置上，从而在可动盘形电极85和可动接触板94之间提供了电通道；盘形固定接触板93，沿径向形成三个切槽90，并通过导电销88与固定盘形电极84实现电和磁连接；以及盘形可动接触板94，沿径向形成三个切槽91，并通过导电销89与固定盘形电极85实现电和磁连接。

在此，固定盘形电极84和可动盘形电极85的结构与第一实施例中的固定盘形电极30和可动盘形电极60的结构相同，不再赘述。

固定接触板93包括的切槽90，从把固定接触板93的外圆周表面分成120°的三个部分的各个位置，向从固定接触板93的中心偏心45°的位置延伸。另外，插入导电销88的销孔96，在由切槽90分隔的三个电通道的末端部分上形成。

此外，可动接触板94包括的切槽91，从把可动接触板94的外圆周表面分成120°的三个部分的各个位置，向从可动接触板94的中心偏心45°的位置延伸。

固定接触板93和可动接触板94的一对彼此相对的接触表面97，从各个中心伸出一定高度而形成。

图7示出本发明第二实施例中真空中断器的操作状态的视图。

当电流从固定圆柱电极4通过固定盘形电极84、导电销88和固定接触板93传输到可动接触板94时，电流向顺时针方向回转，通过由切槽91分隔的三个弧形电通道，并从接触面97流向导电销89。

而后，通过导电销89传输到可动盘形电极85的电流，向顺时针方向回转，通过由切槽83分隔的电通道，流到可动盘形电极85的中心部分，该中心部分供可动圆柱电极6的突出端部插入并连接。

此时，通过固定盘形电极84和固定接触板93流动的电流，向顺时针方向回转，因而在接触组件上形成一个沿垂直方向的强大磁场C。因此，按照第二实施例中的真空中断器，固定盘形电极84、固定接触板93、可动盘形电极85和可动接触板94都带有由三个切槽分隔的同向(顺时针方向)回转和流动的电通道，因而可以形成同向(垂直方向)磁场。因此，该垂直磁场的强度是第一实施例中形成的磁场强度的两倍。

因此，当因为大电流而将电路切断时，在分开的固定接触板93和可动接触板94之间产生的电弧就会比第一实施例中分散和熄灭的更迅速。

图8示出本发明第三实施例中真空中断器内的可动接触组件和固定接触组件的分解透视图。图9是本发明第三实施例中真空中断器的可动接触组件和固定接触组件连接状态的剖视图。图10示出本发明第三实施例中真空中断器的操作状态的视图。

固定接触组件和可动接触组件彼此具有相同的结构，因此，下面只说明两者之中的固定接触组件。

固定接触组件包括：固定圆柱电极4，其与电源连接并带有突出端部；支承板38，从较低位置支承固定圆柱电极4；第一固定盘形电极51，其与固定圆柱电极4连接，从固定圆柱电极4向径向引导电流；第二固定盘形电极53，设置在第一固定盘形电极51的一个表面上而面对着第一固定盘形电极51；固定接触板55，其在面向可动接触板的第二固定盘形电极53的一个表面上；以及屏蔽板57和导电销59，分别设置在第一固定盘形电极51和第二固定盘形电极53之间。

固定圆柱电极4的突出端部插入第一固定盘形电极51的中心部分上形成的连接孔内。第一固定盘形电极51包括三个切槽61，这些切槽从把第一固定盘形电极51的外圆周表面分成120°的三个部分的各个位置，向从第一固定盘形电极51的中心偏心45°的位置延伸，同时插入导电销59的销孔63在由切槽61分隔的三个电通道的末端部分上形成。

另外，第二固定盘形电极53包括三个切槽65，这些切槽从把第二固定盘形电极53的外圆周表面分成120°的三个部分的各个位置，向从第二固定盘形电极53的中心偏心45°的位置延伸，同时插入导电销59的销孔67在由切槽65分隔的三个电通道的末端部分上形成。并且，突出部分69插入固定接触板55的安装凹部73并连接固定接触板55，第二固定盘形电极53在面向可动接触组件的一个表面上形成。

固定接触板55包括：六个沿径向、彼此间有预定间隔的切槽71；供第二固定盘形电极53的突出部分插入的凹入部73，在面向第二固定盘形电极53的表面上形成；以及凹入部75，用于防止电弧聚集在面对可动接触板的表面上形成的中心部分上。

在上述本发明第三实施例的真空中断器中，当接触点接触时，电流从固定圆柱电极4通过第一固定盘形电极51、导电销59、第二固定盘形电极53和固定接触板55传输到可动接触板。如图10所示，在第一固定盘形电极51上流动的电流，通过由切槽61分成的三个弧形电通道向顺时针方向回转，并且从连接有固定圆柱电极4的中心部分向导电销59流动。

然后，通过导电销59传输到第二固定盘形电极53的电流，通过由切槽65分成的三个弧形电通道、沿顺时针方向回转，并从导电销59流向插入并连接到固定接触板55的凹入部中的突出部69。

因此，在第一固定盘形电极51和第二固定盘形电极53中，它们中的电流同向(顺时针)回转，从而形成沿垂直方向的一个合成磁场。

此时，流过第一可动盘形电极和第二可动盘形电极的电流也沿顺时针方向回转。因此，在接触组件上形成沿垂直方向的一个强大磁场。

在上述真空中断器中，第一固定盘形电极51、第二固定盘形电极53、第一可动盘形电极和第二可动盘形电极都带有由三个切槽分隔的沿同向(顺时针方向)回转和流动的电通道，因而形成同向(垂直方向)的磁场。因此，可以形成其强度是第一实施例中磁场强度的两倍的垂直磁场。

因此，当因为大电流而将电路切断时，在被分开的固定接触板93和可动接触板94之间产生的电弧就会比第一实施例中更快地分散和熄灭。而且，在接触板的中心部分上形成防止电弧聚集在中心上的凹入部，因此，可以改善电弧的分散效果。

用于上述本发明的真空断路器中的中断器包括有电极，这些电极提供三个弧形电通道，且同向引导电流，因而形成强大的垂直磁场。因此，当电弧产生时，电弧就会在接触表面上迅速地散开并快速熄灭。

正如本发明所包括的几种型式都不偏离本发明的精神或本质特征一样，可以理解，除非特别指明，上述实施例也不局限于上面说明书中所述的任何细节，而是可以在权利要求书限定的精神和范围内给予广泛的解释，因此，所有的变化和改型都落在权利要求书界限内，或者落在与该界限等效的从属权利要求所限定的范围内。