专利名称：具有用于在断路器的触点部件附近产生轴向磁场的同轴线圈的真空断路器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种真空断路器，该真空断路器有壳体，固定触点部件和活动触点部件以彼此电绝缘的方式分别安装在支承接触棒上并支承于该壳体中；以及线圈，该线圈与壳体同轴、环绕触点部件并具有端部接头，其中，第一端部接头与其中一个触点部件电连接。
类似的这种由欧洲专利申请EP0709867 A1可知。该已知装置的优点是借助于分流器，并不是全部电流都流过线圈，而是只有产生轴向磁场所需的电流部分流过该线圈，从而与线圈必须能够引导全部电流的情况相比，能够使该线圈的尺寸更小。
因此，对于已知的真空断路器，线圈的第一端部接头与一个触点部件电连接，例如与固定触点部件电连接，而线圈的第二端部接头布置成连接条。
在两个端部接头的末端之间有导电分流器，通过该分流器装置，只有真空断路器的总电流中的一部分流过将在触点部件点产生轴向磁场的线圈。该分流器有阻抗，并能够是电阻元件，且布置在线圈的端部接头之间。
通过使用分流器，线圈不再只是沿已知设计的真空断路器的线路串联在真空断路器的主电路中，而是使分流器并联连接，这样，只有一部分主电流流过该线圈，这能够限制线圈中的发散损失。
因为线圈自身的电阻抗很小，分流器将只需要相对较低的阻抗来获得合适效果，即限制流过线圈的主电流，因此，分流器的尺寸可以制成为较小。不过，根据国际标准，真空断路器必须能够瞬时承受10至80KA的连续短路电流1至3秒。由于该较大电流在非常短的时间内产生的热量，该分流器必须有一定热容量。为了满足该要求，由EP0709867 A1中已知的真空断路器可知，分流器也必须有较大轴向尺寸，以便满足热容的所需标准。这引起的缺点是使该线圈的端部接头必须远离布置，从而导致线圈沿轴向在端部接头的位置处占据更大空间。由于短路电流产生的力，因此连接导体也必须较坚固，从而导致更大空间损失。
分流器必须满足的附加要求是由于温度变化而引起的电阻变化必须等于线圈中由于线圈温度的变化而引起的电阻变化。这不仅在同等影响线圈和分流器的环境温度逐渐变化的情况下，而且在线圈和分流器之间产生突然和较大温度差的情况下都需要保证流过线圈的电流和流过分流器的电流之间的关系总是保持相同或大致相同。实际上，通过连续短路电流，在分流器中的温度变化远远高于在线圈中的温度变化。这主要是由于线圈的总热容大于分流器的总热容，因此，线圈比分流器更容易吸收由短路电流产生的热量。实际上，出现的温度差可以相当大，并能超过100℃。因此，分流器的材料选择必须同时满足多个要求，因此大大限制了可选材料。对于在欧洲专利申请EP0709867 A1中的装置，还有由于线圈的端部接头之间的物理定位而引起的附加限制。
本发明的一个目的是提供一种在引言中所述类型的真空断路器，它消除了上述缺点。
根据本发明，该目的通过以下装置实现。与线圈的第一端部接头相连的触点部件通过第一耦合元件与真空断路器的馈电线或输出器接头耦合，线圈的第二端部接头通过第二耦合元件与馈电线或输出器接头耦合。
本发明的优点是该分流器不再需要物理布置在线圈的端部接头之间，因此，可以采用更多的、用于调节流过线圈的电流的参数，从而使线圈的尺寸确定更自由，从而增加柔性。这可以更好地将电流产生的磁场调节至合适的最佳强度。由文献(包括H.C.W.Gundlach的文章“Interaction between a vacuum arc and an axial magnetic field”，包含于Proceedings 8thInt.Symposium Discharges and Electrical Insulationin Vacuum”，在Albuquerque，U.S.A.9月，5-7，1978 p.A2-1-11/见图2以及S.Yanabu等的文章“Vacuum arc under an axial magnetic field andits interrupting ability”，出版于Proc.IEE Vol.126，No.4，1979年4月/见图4、5和6)可知，根据几种参数，为了对真空断路器的中断能力进行有利操作，磁场有最佳值。更高和更低的值将减小该操作的有利性。通常，最佳值在3和10mT每kA之间。
优选是，第一和第二耦合元件的阻抗设置成使产生最佳磁场量的电流引导通过线圈。
为了保证即使在工作过程中出现温度变化和差异的情况下，设置电阻都将使得线圈中的电流能够产生合适的最佳磁场，第一和第二耦合元件以及线圈的材料必须为电阻材料，这样，即使在出现温度变化和差异的情况下，第一和第二耦合元件以及线圈的电阻之间的设置关系保持相同或几乎相同。
优选是，第一和第二耦合元件以及线圈的材料选择为这样，即对于在工作电流情况下和故障电流情况下产生的温度变化，第一和第二耦合元件以及线圈的电阻之间的设置关系表现为相同或几乎相同的电阻关系。
本发明的其它实施例如从属权利要求中所述。
下面将通过附图进一步解释本发明，附图中
图1表示了根据本发明使用的优选真空断路器的局部剖视图。
图2是图1中所述的线圈的底视图。
图3表示了穿过图2的线圈的剖视图。
表1给出了在实际试验变化过程中的测量数据。
图1中所示的实施例截面是某种真空开关的实例；不过，本发明也可以用于各种其它类型的开关，其中，施加轴向场以便提高开关的电弧性能。
图1中所示的连接结构包括真空管1，该真空管1包括外罩2，该外罩2由处于彼此相对的两个端壁3和4封闭。
固定触点部件5固定在接触棒6上并形成与该接触棒6导电连接的接头。该接触棒6固定支承在真空管1的端壁4上。活动触点部件7固定在接触棒8上，并形成与该接触棒8导电连接的接头，该接触棒8特别通过波纹管(bellow)装置9支承，这样，它可以在该真空管1中运动。
而且，所示连接结构包括线圈10，该线圈10的一个端部接头11与固定触点部件5的接触棒6电连接。
而且，真空断路器形成与馈电线或输出器接头12导电连接的接头，通过该接头，该真空断路器可以包含在电路中。另一个这样的接头并未示出，它与活动接触棒8连接。
固定触点部件5的接触棒6通过第一耦合元件形成与馈电线或输出器接头12导电连接的接头，该第一耦合元件成图1中的杆14的形式。
线圈10的另一端部接头13基本上通过第二耦合元件与馈电线或输出器接头12耦合。该耦合元件例如可以为条带，或者可以为其它形式。
当具有线圈10的真空断路器包含在电路中时，该电路在一侧与接头12相连，在另一侧与上部接触棒8的未示出接头相连。主电流从接头12通过第一耦合元件(例如杆14)、固定触点部件5、活动触点部件7和活动接触棒8通向在真空断路器的上部接触棒8上的未示出接头。该真空断路器因为上部活动接触棒8向上运动使触点5和7分离而断开。这时，在两个触点部件5和7之间产生电弧，要中断的主电流的一部分随后将从接头12经过第一耦合元件、固定触点部件5、产生的电弧、活动触点部件7和活动接触棒8流向真空断路器的另一接头。主电流的另外部分从接头12通过第二耦合元件、线圈的端部接头13、线圈10、线圈的端部接头11、接触棒6而流过第二电流通路，并随后与前述主电流通路连接。流过线圈的电流在触点部件5和7处产生轴向磁场。由上述文献已知，轴向磁场有最佳值，流过线圈的电流应当使得轴向磁场尽可能接近该最佳值。因此，第一和第二耦合元件的电阻选择为保证流过线圈的电流为能够获得合适的最佳强度的轴向场。与已知开关相比，第二耦合元件还可以使正确大小的电流通过线圈，因此产生最佳磁场。
在另一实施例(未示出)中，第二端部接头13的端部15朝着第一耦合元件例如杆14横向延伸，但是在该杆14之前终止，这样，所述端部15并不与杆14接触。在未示出的实施例中，在线圈10的第二端部接头13的所述横向端部15和接头12之间可以提供第二耦合元件，这样，这三个部件，即端部15、第二耦合元件(例如成条带、杆等的形式)和接头12可以通过任意合适装置而彼此导电接触。
在图1中所示的优选实施例中，线圈10的第二端部接头13的横向端部15越过杆14延伸。该横向端部15和杆14必须不彼此接触，因此，线圈10的第二端部接头13的端部15有孔16，杆14穿过该孔16延伸，从而相互绝缘。第二耦合元件为衬套17的形式，该衬套17布置成与杆14同轴，并与该杆14绝缘，且该衬套可以是模制件。在图1所示的优选实施例中，杆14是连接杆，它在一端与接触棒6电连接，在另一端与接头12连接，这样，接触棒6、线圈10的端部接头11的端部18、绝缘层19(该绝缘层19可以是绝缘垫片)、线圈10的第二端部接头13的端部15、第二耦合元件衬套17以及接头12通过足够大的电接触压力而推靠在一起，并一个在另一个上面。这里，杆14起到电和机械的组合功能。另外，该设计实施例的优点是第一耦合元件14相对于第二耦合元件同心布置，从而能够用于形成所谓的“皮肤效应”，特别是，大的电流将沿端头的外边缘流过。因此，这也可以用于影响流过线圈的电流分布。
固定触点部件5和接头12之间的等效电路包括由杆14的阻抗以及串联连接的线圈10和第二耦合元件或衬套17的阻抗形成的并联电路。本发明可以从大量参数中选择，以便使流过线圈的电流设置成最佳值，从而产生最佳轴向磁场。这些参数为连接杆14的材料、同轴耦合元件17的材料、线圈10、以及连接杆14、同轴耦合元件17和线圈10的长度和截面尺寸。
表1给出了在开关的实际试验中记录的数据。它涉及这样的开关，即该开关根据国际标准必须能够抗16kA的连续短路电流1秒钟。在线圈10、连接杆14和耦合元件17的材料选择中，也考虑温度变化对电阻的影响以及对流过线圈10、连接杆14和耦合元件17的电流的相互关系的影响。由实际使用的材料可知，线圈10和耦合元件17选择铜合金，连接杆14选择黄铜合金。当然，也可以使用完全不同的材料，只要它们满足这样的要求，即由环境温度波动以及由于负载或故障电流引起的温度变化而导致的电阻变化不会或几乎不会影响流过线圈10、连接杆14和耦合元件17的电流的关系。
对于试验，采用了三种工作情况，即最低工作温度-40℃、正常工作温度20℃和最高工作温度105℃。随后，在所有三种情况中，故障电流情况模拟成使16kA电流流过该开关1秒钟。
对于最低工作温度，故障电流明显使连接杆14的温度升高118.2℃，使线圈10的温度升高26.3℃。该温度差使得电流关系偏差4.5％，因此，发现6.5mT每kA的初始轴向磁场强度升高至6.8mT每kA。
对于正常工作温度，发现温度分别升高146℃和29.2℃，因此，发现5.9mT每kA的初始轴向磁场强度升高至6.3mT每kA。
最后一种情况，对于最高工作温度，测量的温度分别升高184℃和33℃，因此，轴向磁场强度从5.3mT每kA升高至5.8mT每kA。
由这些测量值可知，正常工作温度的最佳轴向磁场设置为5.9mT每kA，在从最低工作温度到最高工作温度变化的过程中，只偏离0.6mT每kA，或者偏离最佳值大约10％。在故障电流情况下，偏离为从0.1至0.9mT每kA，即最大偏离为大约15％。由此可知，实际产生的磁场相对于最佳磁场的偏离在所有情况下都保持在可接受的界限内。
因为在流过线圈的电流和流过开关的电流之间的相移也影响轴向磁场，因此也在测量过程中进行观察。可以发现，几乎没有任何相移，因此对最佳轴向磁场没有负面影响。
因为只需要在线圈10的端部接头11、13之间施加绝缘层19，因此，端部接头之间的距离只为该绝缘层19的厚度。根据该绝缘层的材料，这只需要几毫米。还优选是可以在该位置使用弹簧垫片，该弹簧垫片可以吸收任何膨胀差异。因为测量数据显示在故障电流情况下短期温度差可以达到200℃，因此膨胀差异也相当大。对于已知开关，弹簧垫片不能很好地用于该位置，因为在线圈端部之间的会有引起前述高温增大的电流通过，从而影响弹簧垫片的弹性。
应当知道，在本发明中，分流器并不是物理布置在线圈10的端部接头11、13之间，而是在它们外部。这样的优点是不会影响线圈10的尺寸，因此，对于最佳电阻、温度系数和吸热能力，可以选择分流器的尺寸。尽管在所示实施例中第一耦合元件14完全安装在真空管1的外部，但是本发明并不局限于此，例如，当真空管的设计允许时，也可以使耦合元件部分或完全在真空管中，从而减小轴向尺寸。
图2表示了线圈10的底视图，而图3表示了该线圈的剖视图。
如图所示，线圈包括一圈20。不过，线圈也可以有多圈，或者包括多个部分圈，这些部分圈形成一圈或多圈。具有圈20的线圈提供有端部接头11和13，该端部接头11和13有垂直延伸到端部(分别为18和15)的圈20，这些圈展开成环21和22。
表1使用材料线圈10铜连接杆14黄铜耦合元件17铜
注意在触点之间的磁场和流过真空断路器的电流的相移可以忽略(Δt＜＝0.5ms)
权利要求
1.一种真空断路器，提供有壳体(1)，固定触点部件和活动触点部件(5、8)以彼此电绝缘的方式分别安装在支承接触棒上并支承于该壳体中；以及线圈(10)，该线圈与壳体同轴、环绕触点部件并具有端部接头(11、13)，其中，第一端部接头(11)与其中一个触点部件电连接；其特征在于与线圈(10)的第一端部接头(11)相连的触点部件通过第一耦合元件与真空断路器的馈电线或输出器接头(12)耦合，线圈(10)的第二端部接头(13)通过第二耦合元件与馈电线或输出器接头(12)耦合。
2.根据权利要求1所述的真空断路器，其中第一和第二耦合元件的电阻设置成使产生最佳磁场量的电流引导通过线圈。
3.根据权利要求2所述的真空断路器，其中第一和第二耦合元件的材料有这样的电阻，即在工作电流情况下和短路电流情况下产生温度差时，该电阻的变化与线圈在相同温度变化时的电阻变化相同或几乎相同。
4.根据权利要求1、2或3所述的真空断路器，其中第二端部接头(13)的端部(15)横向延伸，但并不与平行于真空断路器的中心线延伸的第一耦合元件接触；第二耦合元件也平行于真空断路器的中心线延伸，且一端与第二端部接头(13)的横向端部(15)连接。
5.根据权利要求4所述的真空断路器，其中第一耦合元件是杆(14)，第二端部接头(13)的横向端部(15)越过该杆(14)延伸，并设有孔(16)，该杆(14)穿过该孔(16)延伸并因此绝缘，且该第二耦合元件布置成与该杆同轴并绝缘。
6.根据权利要求5所述的真空断路器，其中杆(14)是连接杆，它通过足够的压力使上述支承连接第一端部接头(11)的触点部件(5)的接触棒(6)、朝着线圈(10)的第一端部接头(11)的杆(14)横向延伸的端部(18)、绝缘层(19)、线圈(10)的第二端部接头(13)的横向端部(15)、同轴耦合元件(17)以及馈电线或输出器接头(12)推靠在一起。
7.根据权利要求6所述的真空断路器，其中电绝缘弹簧垫片加在线圈(10)的端部接头(13、11)的端部(15、18)之间。
8.根据权利要求6或7所述的真空断路器，其特征在于通过选择连接杆(14)和/或同轴耦合元件(17)的长度和/或截面尺寸、或者选择连接杆(14)和/或同轴耦合元件(17)的材料，从而设置流过线圈的电流。
9.根据权利要求8所述的真空断路器，其特征在于对于由工作电流和故障电流情况导致的温度变化，连接杆(14)和同轴耦合元件(17)的材料产生电阻变化，从而使线圈在相同工作电流和故障电流情况下的电阻变化最大为15％。
全文摘要
一种真空断路器，提供有壳体，固定触点部件和活动触点部件以彼此电绝缘的方式分别安装在支承接触棒上并支承于该壳体中；以及线圈，该线圈与壳体同轴、环绕触点部件并具有端部接头。线圈的第一端部接头与其中一个触点部件电连接。与线圈的第一端部接头相连的触点部件通过第一耦合元件与真空断路器的馈电线或输出器接头耦合。线圈的第二端部接头通过第二耦合元件与馈电线或输出器接头耦合。
文档编号H01H33/664GK1509485SQ02809300
公开日2004年6月30日 申请日期2002年5月3日 优先权日2001年5月3日
发明者马丁·伯纳德斯·约翰内斯·洛伊森坎普, 约翰内斯·赫尔曼纳斯·劳伦丘斯·安东尼厄斯·希尔德因克, 斯 赫尔曼纳斯 劳伦丘斯 安东尼厄斯 希尔德因克, 马丁 伯纳德斯 约翰内斯 洛伊森坎普 申请人:霍莱茨荷兰公司