机电回路断路器及阻断所述机电回路断路器中的电流的方法

摘要

一种用来建立并阻断主电路(3，4)中的电流的机电回路断路器，包括：固定的接触元件(5)和移动接触元件(6)，它们在第一位置彼此电接触，用于承载主电路(3，4)的电流。所述移动接触元件(6)适于设置在第二位置，在该位置所述移动接触元件与所述固定的接触元件(5)分离，从而主电路中的电流被切断。回路断路器设置有熔断设备(2)，包括磁流穿过的磁线圈(8)，用于产生适用于驱动所述两个接触元件(5，6)的分离所产生的电弧进入灭弧装置(1)中的磁场(26)。所述熔断设备(2)包括与所述磁线圈(8)电连接的并适于与所述电弧协作的电极装置(12)，从而电极装置在磁线圈(8)中产生所述磁流。用于驱动电弧的所述磁场是由所述电弧的动作产生的。所述电极装置(12)处于与所述接触元件(5，6)这样一种关系，从而所述两个接触元件的分离产生的电弧至少部分分成一个接触元件(5)和所述电极装置(12)之间的第一电弧(13a)，和所述电极装置(12)和另一个接触元件(6)之间的电二电弧(13b)，所述第一或第二电弧(13a，13b)设置成与一侧与所述电极装置(12)连接的、另一侧与所述接触元件(5，6)连接的所述磁线圈(8)并联。即使当中断较小电流时，这些特征允许获得高阻断效率和性能。

说明书

本发明涉及机电回路断路器，具体地但并不限于，适用于诸 如包括轨道车辆的牵引网络这样的DC设备的保护。这种网络大 体上具有750至3000V的额定电压。例如，回路断路器用于在设 备中某处出现短路情况下中断强电流。但是，回路断路器还具有 很多的其他工业应用。这些已知的机电回路断路器旨在建立和阻 断主回路中的电流，并且包括固定的接触元件和移动的接触元件， 它们在第一位置彼此电接触，以承载主电路的电流，所述移动接 触元件适于设置在第二位置，在该位置其与所述固定的接触元件 分离，从而主电路中的电流被切断，回路断路器设置有熔断 (blow-out)设备，该熔断设备包括磁流横贯的磁线圈，以产生 适用于在灭弧装置中，驱动由分离所述的两个接触元件产生的电 弧的磁场，所述熔断设备2包括电极装置，与所述磁线圈电连接， 并且适用于通过在磁线圈中电弧产生所述磁流的方式，与所述电 弧协作，用于驱动所述电弧的所述磁场是通过电弧的动作产生。

现今，回路断路器用在大部分的牵引系统中的馈送站和轨道 车辆中。这些机电回路断路器包括固定的接触元件，其与移动的 接触元件协作。在正常情况下，这些元件彼此相互接触，并且主 电路中的电流在元件之间引导。当阻断该电流时，这些接触元件 之间的物理距离通过能在两个接触元件之间产生电弧的某些类型 的机电调节器来增加。

必须消灭该电弧，以使电流的阻断有效。这通常是通过使用 现有类型的所谓的熄弧沟来实现的，在该熄弧沟中电弧由主电路 产生的磁场相关的力控制。在该熄弧沟内，电弧将被分成最终导 致分离的接触元件上的导电的最终停止的多个较小的电弧。

在DC回路断路器中用于将电弧放置在熄弧沟中的电磁力大 体是电流值平方的函数。当待中断的电流非常小时，出现了一个 特别的问题。在这种情况下，产生的力不足于将电弧放置在熄弧 沟中。

为了解决这个问题，这种类型的回路断路器提供有为电磁类 型的所谓的熔断设备，是指电磁力用来在诸如熄弧沟这样的灭弧 设备中驱动电弧。

例如，美国专利No.4302644提出了这样的方案，根据该方 案电线圈与接触元件串联，这样接收断路器的全电流。仅使用很 少数目的线圈，以保持安装空间在限制内，而很少数目的线圈将 会在阻断较小电流时限制效率。

众所周知地，现有技术中在一些情况中小电流中断比大电流 中断对中断性能的需求更多。

本发明的一个目的是提供对机电回路断路器的熔断设备的改 进的设计，该设计消除了已有设备的麻烦。

根据本发明通过提供具有附加的权利要求1特征的熔断设 备，来获得上述效果，权利要求1其特征在于所述电极装置与所 述接触元件处于这样一种关系，即由所述两个接触元件的分离所 产生的电弧至少局部分成一个接触元件与电极装置之间的第一电 弧，和电极装置与另一个接触元件之间的第二电弧；所述第一或 第二电弧与所述磁线圈并联，其中所述磁线圈一侧连接至所述电 极装置上的，并且另一侧连接至一个接触元件。

即使在阻断较小电流时，这些特征还允许获得具有高效率的 回路断路器。而且，还能获得高可靠性、长使用寿命和低成本。

有利地，熔断设备被设置成，流过磁线圈的电流小于流过第 一或第二电弧的电流，其中所述第一或第二电弧设置成与电极装 置和其中一个接触元件之间的磁线圈并联。

因此，有可能使用具有相当大数目的圈数的磁线圈，这允许 即使在阻断小电流时增强熔断设备的性能和效率。

在有利的实施例中，移动的接触元件包括表面，在该移动接 触元件的预先设定的位置上，该表面与穿过设置在移动接触元件 的轨道两侧的电极的平面齐平，从而至少一部分电弧跳过电极， 来形成所述的第一电弧，并且从电极至移动接触元件来形成所述 的第二电弧。

这种结构允许获得回路断路器的非常精确的和安全的功能。

熔断设备有利地设置有磁回路，包括至少两个臂，每一个臂 端接有至少一个磁极，用于驱动电弧的所述磁场至少局部在所述 磁极之间产生。

这些特征允许产生尤其适用于在熄弧沟中驱动电弧的磁场， 因此获得了高阻断性能和高安全性。

此外，本发明涉及一种在机电回路断路器中阻断电流的方法， 该机电回路断路器旨在阻断主电路中的电流，并且该机电回路断 路器包括固定的接触元件和移动的接触元件，它们在第一位置彼 此之间电接触，以携带主电路上的电流，所述的移动接触元件适 于设置在第二位置，在该位置上其与固定的接触元件分离，从而 使主电路中的电流中断，通过熔断设备所述两个接触元件的分离 产生的电弧被驱动进入灭弧装置中，所述熔断设备包括磁流横贯 的磁线圈，用于产生适用于驱动所述电弧的磁场，用于驱动所述 电弧的所述磁场是通过电弧的动作产生的，该电弧被强制和与磁 线圈电连接的电极装置协作，从而在磁线圈中产生所述磁流，用 于将电弧驱动进入灭弧装置中，其特征在于，所述两个接触元件 的分离产生的电弧至少部分分成在一个接触元件与电极装置之间 的第一电弧，和电极装置与另一个接触元件之间的第二电弧，所 述第一或第二电弧设置成与一侧连接在电极装置和另一侧连接在 其中一个接触元件上的所述磁线圈并联。

从权利要求书和以下参见附图形成其一部分的说明书中，本 发明的其他特征、目的、用途和优点将会很明显；其中：

图1示出了本发明具有熔断设备和相关的熄弧沟的回路断路 器；

图2示出了图1熔断设备的结构的另一视图；

图3示出了本发明回路断路器中的电极的机械结构；

图4示出了所述熔断设备中的磁路的结构的实例；

图5示出了所述熔断设备中的磁路的细节；

图6示出了图5中描述的元件的侧视图；

图7示出了图5中描绘的一些元件的详细视图；

图8示出了多种在熔断设备中包括永磁体的回路断路器；

图9A、9B、9C和9D示意性地示出了本发明在回路断路器 中电弧的形成。

图1示意性地并以一般方式地示出了本发明具有熔断设备2 和相关的熄弧沟1的回路断路器。该熄弧沟是传统结构，并将不 会在说明书中进步说明。主电流路径穿过接触杆3至固定的机械 接触元件5，穿过相关的移动机械接触元件6和接触杆4。在正常 的情况下，这些接触元件携带着主电流彼此电接触。穿过机械接 触元件的电流在回路断路器激活时可在任一方向流动。

机械接触元件6的移动是由非常快的调节器(acuator)7控 制的，通过例如将接触元件拉开并加大元件之间的距离，产生需 要的物理移动来打开电接触的方式控制的。

回路断路器被激活的典型的情形是回路断路器连接的主回路 中的某些地方由于某些原因出现短路。

这种短路会很大地增加电流超过额定值，该电流将很明显地 损坏所述主回路中的部件和设备。

因此，尽可能快地将电流全部阻断是重要的，从而这是通过 回路断路器完成的，以最小化这种短路的影响。

但是，回路断路器还能阻断能引起较大设计问题的较小的电 流。

探测装置(未示出)例如设置在主回路中，并且旨在探测主 电路应阻断的情形。这种情形会出现在结果会是短路的电流增加 中。共同操作的控制装置(未示出)发送信号给回路断路器的调 节器7，该调节器7然后打开接触元件。但是，回路断路器还可 以手动启动，或者通过使用发送给调节器7的普通的控制信号来 启动而不探测异常情况。

图2示出了图1的熔断设备2的结构的另一个视图。在该图 中熄弧沟没有示出。指出了调节器7和接触杆3、4，以及将在下 面详细描述的两个磁极(pole piece)9。基本平的上表面15是相 关的熄弧沟的支持面。

图3示出了熔断设备2中的电极的机械结构。在支持面15 的中心部分的口16中，两个磁极9在熄弧沟1(未示出在该图中) 的方向上向上延伸。通过这个口16，还可看见安装在移动接触元 件6的每侧上的两个电极12。正如以下将描述的，这些电极形成 了本发明的主要部分。

而且，熔断设备2包括安装在移动接触元件6上的第一导向 角20，并且与其电连接，和安装在固定接触元件5顶上的第二导 向角21，并与其电连接。

图4示出了在熔断设备2中的磁路25的结构实施例。磁线圈 8在包括芯体8a和两个臂11的磁路中产生磁场，其中每一个臂 端接有磁极9。在磁路中还设置了两个磁极10，形成将安装在支 持面15的顶部上的熄弧沟1的一部分。

这些磁极10并不固定至磁极9，但是当熄弧沟1安装在熔断 设备2的顶部上时，会紧密连接或者接触这些磁极9。磁路的芯 体、臂和磁极适于由铁制成。这种结构还在图5中示意性地示出。

图5示出了熔断设备2中的磁路25的细节。应当注意的是图 5是示意性的，并且尤其用来示出在固定的和移动的接触元件5 和6之间的间隙中和在熄弧沟中的磁场26的产生。当被电流I_(B)激活时，磁线圈8产生磁流穿过磁路的臂11和在磁极9和10之 间的间隙间流过。从而磁极9和10的这种设计和结构使得在熄弧 区域27中获得更高的感应，并且在移动和固定的接触元件5和6 之间的区域28中产生较低的或者相当低的感应2。

图5还示出了形成电极装置的两个电极12以围绕移动接触元 件6的包围方式设置。电极12中的每一个电极在其上部包括相互 面对的凸起30。两个电极12通过电线31电连接。它们还通过电 线32与磁线圈8电连接，并且磁线圈通过电线33与移动接触元 件6电连接。

图6示出了在熔断设备2中的电极12的结构的侧视图。在示 意性的形式中，示出了上述的磁线圈8的激活电流I_(B)在阻断过 程中不需要回路断路器的外部的能量的输入地自动产生的方式。 固定和移动的接触元件5和6在侧视图中示出。协作的电路包括 移动接触元件6、磁线圈8和设置在移动接触元件6的任一侧上 的一对电极12。这些电极的结构还在图7中示出。

在正常情况下，固定和移动的接触元件携带着全主电流I_(M’)电接触。在示出的实施例中，尤其在图1和图6中，移动接触元 件6具有枢转移动35。这是指在正常条件下，接触元件6和5上 各自的面17和18是电接触的。

如果现在在主回路中探测到根据应用的策略应导致主电流切 断的一些预先定义的条件，则作用在移动接触元件6上的机电类 型的调节器7将接收控制信号。结果，移动接触元件6从固定的 接触元件5上分离。

但是，主电流I_(M’)将由于在固定接触元件5和移动接触元件 6之间产生的电弧13，不能立即降至零。回路断路器的挑战是现 在尽可能快地关闭电弧，以限制主回路中可能的损坏。

如上述的，这种类型的回路断路器使用熄弧沟1，在熄弧沟 中电弧13受到控制，以将其分裂并最终熄灭其。在图1和图6 中，熄弧沟1物理设置在图的上部。将电弧抓入熄弧沟中的驱动 力F由在接触元件5和6周围空间中的电弧和磁场26之间的相 互作用产生。然后，在图6中该驱动力F方向向上。

本实施例回路断路器中的电弧13上的合力理论上有将会在 下面描述的三个分量。根据图8另外的分量将以变量形式增加。

当接触元件5和6之间已经出现电弧13时，该电弧会暴露至 出现电弧的空间周围的钢部分的剩余的磁力。另外，电弧13本身 将产生试图偏转电弧的磁场。当接触元件5和6之间的距离增加 时，电弧13将会变更长，并且移动接触元件6将会达到移动接触 元件6的表面17与穿过安装在图6和7示出的移动接触元件6 的轨道两侧的电极12的平面齐平的位置。事实上电弧是等离子体 形式，并且在表面17和18上的碰撞点或者区域不好定义。当电 流I_(B)为零时，到此时，电极12上的电位与表面17上的相同。 电弧或者电弧的一部分现可以跳到接触元件6的一侧的其中一个 电极12上，这将会在固定接触元件5和电极12之间产生一个电 弧13a，和在电极12和表面17之间产生另一个电弧13b。电极 12和表面17之间的电弧上的电势差现将驱动电流穿过磁线圈8。 事实上根据本发明用于在接触元件5、6和磁极9、10之间的空间 中的创建磁场，确保电弧现在被迫使上升进熄弧沟1中。已示出 了这种结构带来了针对主电流上较低的值的非常好的效果。应当 理解的是结构在阻断的时候对主电流的两个方向有作用。

一旦在熄弧沟1中，电弧离开了电极12。因此，通过磁路的 剩余感应来产生进一步推动电弧的力。感应等级越高，电弧被吹 入熄弧沟中就越快。

正如与图5相关描述中，由于这种结构，磁通量与靠近接触 元件5、6相比在磁极9和10之间和在熄弧沟1高得多，这是很 有利的。

图7示出了在熔断设备2中的电极12的结构的实施例的详细 视图。电极12紧紧地围绕着移动接触元件6，以使电弧13或者 至少一部分电弧便于跳过。仅在元件6的顶部，电极13提供有两 个彼此面对的凸起30。电极的这些部件将会高效地阻止电弧在电 极之间毫不接触彼此移动。

图8示出了图6中的实施例熔断设备2中包括额外永磁体 14的前一个实施例的变化。该永磁体14引起了接触元件5和6 之间的空间中的电弧区域中的额外的磁通量14a。该磁通量将造 成电弧13上的力F_p，从开始起这个力并不直接有助于电弧移动 进熄弧沟中，这个力将会是垂直于纸平面的方向，并且从而在初 期阶段会强制电弧横向地接触其中一个电极12。

图9A、9B、9C和9D示意性地示出了当中断在四个不同的 位置中的固定和移动接触元件5和6之间的电流I_(M’)时的电弧形 成。

在图9A中，电弧13出现在接触元件5和6之间，并且电流 I_(M’)驱动穿过所述的电弧。

在图9B中，随着移动接触元件6接近电极12，电弧13变长。

在图9C中，移动接触元件6包含在穿过电极12的平面36 中。电弧13或者一部分电弧横向地跳到其中一个电极12。

最后，在图9D中，电弧或者一部分电弧被分成固定接触元 件和其中一个电极112之间的第一电弧13a，和电极12和移动接 触元件6之间的第二电弧13b。

电流I_(M’)的一部分穿过第二电弧13b通道在电极12和移动 接触元件6之间建立。电流I_(M’)的另一部分将会以被驱动通过线 圈8并产生磁场26的方式从电极12流动到移动接触元件6。

穿过线圈8的电流I_(B)比穿过电弧13b的电流I_(M’)具有较 小的值。典型的I_(B)值为10至50A，并且I_(M’)值在1000与200000A 之间。因此I_(B)优选地至少小于I_(M’)的三倍。

电弧13b的阻抗比线圈8的阻抗低的多。所述线圈8设置成 与电弧13b并联。

由于电极12、移动和固定接触元件的特别结构，获得了并联 电弧或者一部分电弧和线圈8的优点。因此，有可能提供带有具 有相当数目个圈数的线圈8的熔断设备，这允许产生提高的磁场 26。因此，当与所有的电流流过线圈的现有的熔断设备相比，熔 断设备的效率更高。在现有的设备中，因此线圈仅具有非常局限 个数目个圈数。因此，在现有的设备中能获得非常有限的熔断效 率。

而且，在本发明中，线圈不承受高电流，并且因此设备具有 与现有设备相比较好的寿命和较低的成本。

如图5至9中所示的，电极12与接触元件5和6处于这样的 关系，即由两个接触元件的分离产生的电弧至少局部分成其中一 个接触元件(固定接触元件5)和电极12之间的第一电弧13a， 和电极12和另一个接触元件(移动接触元件6)之间的第二电弧 13b。第二或者第一电弧13b或13a设置成与一侧连接在电极12 上和另一侧连接在其中一个接触元件5和6上(如移动接触元件 6)的磁线圈8并联。尤其这些特征允许获得上述的优点。

当然，上述描述的实施例不是限制，并且能是在权利要求书 限定的框架中的所有想要的修改的主题。

如图9D中虚线所示，线圈8能在电极12和固定接触元件5 之间连接。

电极12可具有非常不同的形状。仅仅一个电极能提供电极装 置。这种单电极能以包围方式安装在移动接触元件5的周围。

回路断路器可以设有一个以上的移动和固定接触元件。

可以不同地选择磁路25、臂11和磁极9和10的结构。

熔断设备2可设置有一个以上的线圈，但是线圈与电弧或者 一部分电弧并联。