专利名称：高速断路器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种紧急开关，用来保护大电流和高电压的电路，例如在电力系统中为控制带电粒子(charged-power)加速器、热核反应堆和其它电子物理、电子工业设备而使用的电路。
背景技术：
这里有许多用来保护电路和用户设备免于受过负荷电流和短路电流破坏的现有技术设备，例如由一个或多个可熔元件组成的保险丝，它位于绝缘外壳中，其中充满了用来更好地冷却可熔元件和消弧的石英沙。保险丝连接在一个电路中，该电路在熔化了可熔元件的狭窄部分后断开。这种保险丝的动作时间在低过流时并不快，大约在过电流与正常电流比值IOVER/INOM＝10时为1s，IOVER/INOM＝100时为10-2c。这样的断开时间可能会不适应现代的电气系统。
在大功率的设施中，额定通电流容量为数个和数百个KA的大电流电路的允许中断时间在IOVER/INOM可能的最小比值下应不超过数个mc。普及的爆炸型断路器或多或少会满足上述要求，它利用炸药爆燃产生的能量破坏通电流元件(current carrying element)。但是，由于震激波阵面在不同时间到达可断裂元件的不同位置，这种破坏导致在元件上出现纵向裂纹，电弧穿过由此形成的间隙弧光放电，电弧随着无限制扩散的爆炸生成物扩散，大大减小了间隙的绝缘强度。
为了减轻或防止上述问题，曾尝试提供一个如Ferraz，Sehr SchnellWirkende Sprengsatzsicherung，NT PYRO 100-10/91，1991中所述的断路器，它包括一个旁路开关，与装有可熔元件的保险丝并联，当开关闭合时，流经开关的电流电阻要远远小于流经可熔元件的电流电阻，于是流经断路器的大部分电流从开关流过。开关包括一个用于通电流的铜棒，该铜棒在旋风炸药爆炸驱动的活塞冲击下被切断，装有叠氮化铅的雷管用来引爆旋风炸药。切断的铜棒进入与活塞对齐的接收室中。在开关打开时，电流快速切换到可熔元件，可熔元件熔化断开，从而在保险丝中形成电弧。这种已知的断路器具有一定的优点，即减少了消弧时间，并且由于切断的铜棒沿固定方向受到推动从而提高了旁路开关的电强度。但是也具有一些缺点。
首先，直到铜棒可断裂部分的绝缘强度恢复才能形成电弧，从而增加了断开一个电路的总时间。第二，电路中断后，电压偏位(standoff)限于由活塞冲击形成的开口间隙间所产生的。但是开口间隙的传导物(boarders)经常具有粗糙的边缘，可能促使继起的电弧发生，由此减小跨过该间隙的偏位能力。第三，所述的断路器只能在响应于用来检测电路故障电流或其它过电流的设备产生的信号的控制模式下运行。也就是说，它的功能受限，断路器的正常工作需要附加部件，例如电流检测装置、控制单元、互感器等等。
由于存在无意爆炸的风险，使用爆炸物就意味着潜在的危险。此外，爆炸本身充满了对断路器结构进行预想不到的破坏的危险。本领域的技术人员可以认识到，由爆炸产生的气体可能包含导电的、促进电弧产生的物质，会穿过开口间隙生成电流路径。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构更简单、使用更可靠和安全的高速断路器，包括具有至少一个可断裂部分的通电流更换元件(current-carryingreplacement element)；外壳，外壳的第一部分限定出至少一个圆筒形内腔，内腔内装有一个响应内腔内压强上升而轴向位移的活塞，外壳的第二部分限定出至少一个插孔，该插孔与圆筒形内腔和更换元件的可断裂部分轴向对齐；其中可断裂部分的截面允许其在活塞向所述插孔前进时断裂。
本发明的主要特点是通过将电弧夹在绝缘元件之间，使得穿过更换元件的可断裂部分中的间隙的电弧熄灭。这样消除了由爆炸生成物或自消弧产生的无法控制的消弧持续时间长的情况，从而避免了已知爆炸型断路器的最长动作过程。
另一个特点是提高了可断裂部分经受穿过该间隙的电压的有效绝缘强度，这样提高了断开电路后的断路器的整体电强度。
第三个特点是提供了在断路器的多个工作方式之间进行改变的可能性，从而满足操作人员的最少工作量下的电流要求。
第四个特点是用一种产生防爆气体的组合物代替常用爆炸物，由其产生的气体的导电率可忽略不计。
这样，对于第一个方面，本发明中的断路器的特征在于外壳的第一个部分还限定出一个与所述内腔连通的室，室内包含一种产生气体的组合物，所述插孔内至少部分地装有一种绝缘材料，用来固定地接收由绝缘材料制成的活塞的末端，当其固定在插孔中时该活塞填充可断裂部分上的间隙。更换元件还包括一个电驱动爆炸部分(electrically explosive portion)，与至少一个可断裂部分串联。选择电驱动爆炸部分的截面从而确保在电流达到预定值时产生爆炸破坏，并且电驱动爆炸部分至少部分地与所述室的内部相连，用来触发气体的产生。结果，圆筒形内腔中的压强上升，由此产生的力快速驱动绝缘的活塞经过可断裂部分进入接收插孔。
这样，电路断路器动作时间大部分由活塞经过可断裂部分进入接收插孔的位移所需要的时间决定。当固定在插孔内时，绝缘活塞确保了切断部分中的间隙的高绝缘强度，由于活塞的绝缘材料具有比已知方法中爆炸物引起的空气间隙的介电常数更大的绝缘常数，从而整体上提高了断路器的电强度。
在优选的实施例中，室内装有由控制脉冲驱动的气体产生触发装置。该脉冲可由本领域技术人员所知的任何方法形成。在最简单的方法中，触发装置可以是电驱动爆炸导体，例如铜或铜镍合金线。可以理解这样的装置可以使本发明中的断路器或者以自动方式驱动，即在更换元件的电驱动爆炸部分爆炸性熔化时驱动断路器，或者以控制方式驱动，如果例如所述部分由于某种原因没有爆破，提供一个控制脉冲驱动断路器。结果断路器使用更可靠。
在另一个优选实施例中，通过提供两个圆筒形内腔提高可靠性，每个内腔中装有绝缘活塞，对应地更换元件包括两个可断裂部分，位于电驱动爆炸部分的两侧。
优选地，接收插孔内填充绝缘材料，形成一个圆锥形内腔，活塞的末端部分切成对应于圆锥开口的一个角度，从而确保该末端部分楔入在插孔中。
绝缘活塞由适合的绝缘材料制成，例如玻璃粘合的绝缘材料，而用于填充接收插孔的绝缘材料的代表有例如聚乙烯。产生气体的组合物应当在触发后确保气体能够最快速地产生，适合的材料是以例如粉末状聚氯乙烯为基础。
对于本发明的第二个方面，本发明提供一种与对应于第一个方面的断路器相似的断路器，区别在于更换元件包括与至少一个可断裂部分串联的电驱动爆炸部分，或只有至少一个可断裂部分，包括产生气体的组合物的室内装有用来触发气体产生的装置。可以理解的是，上述任一种更换元件都可安置在外壳内，该断路器能够同时在自动和控制方式下工作，或者仅仅在控制方式下工作，从而满足操作人员的最小工作量下的电流要求。
附图1表示优选实施例中断路器的截面图；附图2表示产生控制脉冲的示意图。
具体实施例方式
如附图1所示，本发明中的断路器包括通电流更换元件2和具有两部分的外壳3。外壳的一部分限定出腔室1，其通过通道11与两个圆筒形内腔连通。腔内装有绝缘的、可沿轴向位移的活塞9。外壳3的另一部分限定出用来接收所述活塞末端部分的插孔10，插孔内部分地填充有绝缘材料，例如聚乙烯，从而形成圆锥形内腔，以对应于圆锥开口的一个角度切割每个活塞的末端部分，从而确保该末端部分楔入在插孔中。活塞9由适合的绝缘材料制成，例如玻璃粘合的绝缘材料。
更换元件2应由一种材料，例如由能够传送大电流而又基本上不发热或无能耗的铜制成。该元件包括与两个可断裂部分6串联的电驱动爆炸部分5。选择电驱动爆炸部分5的截面，以确保它在故障电流或其它过电流达到预定值时产生爆炸断裂。截面取决于更换元件所连接的电路中的额定电流。在额定电流为2～15kA，过电流为6～70kA时，截面的范围应为0.3到5mm2。可断裂部分6的截面在活塞9向插孔10位移时应该能够被切断，通常截面的范围为15到100mm2。
室1内容纳一种产生气体的组合物7。由多种本领域的技术人员公知的产生气体的组合物或混合物，例如粉末状聚氯乙稀基的。室1内还容纳一个触发气体产生的装置8。该装置最简单的方式是电驱动爆炸导体例如铜或铜镍合金线。
装配外壳3时，圆筒形内腔安置在接收插孔10的对面，并由更换元件2的可断裂部分将两者隔开，并且电驱动爆炸部分5与室1的内部连接，元件2应设置成确保在断路器动作后容易进行更换。
在使用中，更换元件2与电路相连，在电驱动爆炸部分5不产生大量热量下传送额定电流。一旦电流达到一预定值，部分5爆炸性熔化，形成激发气体产生步骤的电弧。气体的剧烈爆炸在室1中产生高压，由此绝缘活塞9上的圆筒形内腔内也具有高压。压力作用在活塞上，快速驱动活塞通过可断裂部分6向接收插孔10移动。结果，在所述部分6上的间隙上形成的电弧进入到接收插孔中，在这里通过将绝缘活塞楔入接收插孔的绝缘材料中，有效地将电弧熄灭，间隙之间由于活塞的插入实现电绝缘。
如上所述的是工作在自动方式下的断路器的动作。当工作在控制方式下时，通过向装置8作用控制脉冲实现启动气体产生过程。控制脉冲可以由附图2所示的电路产生，但对本领域的技术人员来说可以想到其它产生控制脉冲的方法，这个不是本发明的目的。如果装置8是直径为0.05mm2的铜或铜镍合金线，最佳的脉冲幅度范围是100到200A，脉冲时间大约为10-4s。
本发明中断路器的总动作时间由产生促使活塞9切断可断裂部分的压强所需的时间和活塞楔入接收插孔10内确保电弧熄灭的位移所需的时间的总和决定。减少动作时间的重点在于使用由实验决定的最佳数量的产生气体的组合物。由本领域的实验证实，当使用重量大约1g，体积大约1cm3的产生气体的组合物，产生40MPa的气体压强时，断路器的动作时间为10-3s。通过使更换元件的电驱动爆炸部分的截面形成所需的尺寸，可以实现过电流与额定电流的比值IOVER/INOM＝3～5。依照Ferraz制造的断路器的性能说明，电路断路时间大约为3×10-3s。动作时间的这种减小由下述内容决定，首先通过将电弧夹在绝缘元件之间减小了电弧放电时间，然后通过去掉预引弧(prearcing)阶段。在熔断时形成电弧所需的旁路开关的电强度在预引弧阶段恢复。
虽然根据本发明中的优选实施例允许断路器同时以控制和自动方式工作，但是，很明显，更换元件2可以不包括电驱动爆炸部分5，或本发明中的断路器可以不包括触发装置8。
权利要求
1.一种断路器，包括具有至少一个可断裂部分的通电流的更换元件；外壳，外壳的第一部分限定出至少一个圆筒形内腔，内腔内装有响应内腔内压强上升而轴向位移的活塞，外壳的第二部分限定出至少一个插孔，插孔与圆筒形内腔和更换元件的可断裂部分轴向对齐，其中，该可断裂部分的截面在活塞向所述插孔前进时能够发生断裂，其特征在于外壳的所述第一部分还限定出与所述圆筒形内腔连通的室，室内包含产生气体的组合物，所述插孔内至少部分地装有绝缘材料，用来固定地接收由绝缘材料制成的活塞的末端，当该活塞固定在插孔中时其填充可断裂部分上的间隙；所述更换元件包括电驱动爆炸部分，与至少一个可断裂部分串联连接；选择电驱动爆炸部分的截面，确保在电流达到预定值时产生爆炸破坏；电驱动爆炸部分至少部分地与所述室的内部相连，用来触发气体的产生，导致圆筒形内腔中的压强上升，由此产生的力快速驱动绝缘的活塞经过可断裂部分进入接收插孔。
2.如权利要求1所述的断路器，其特征在于，室内装有通过作用控制脉冲驱动的气体产生触发装置。
3.如权利要求2所述的断路器，其特征在于气体产生触发装置是电驱动爆炸导体，例如铜或铜镍合金线。
4.如上述任一项权利要求所述的断路器，其特征在于，外壳的第一部分限定出两个圆筒形内腔，每个内腔中装有绝缘活塞，更换元件包括两个可断裂部分，位于电驱动爆炸部分的两侧。
5.如上述任一项权利要求所述的断路器，其特征在于，接收插孔内填充绝缘材料，形成一个圆锥形内腔，以对应于圆锥开口的一个角度切割活塞的末端部分，从而确保该末端部分楔入到插孔中。
6.如上述任一项权利要求所述的断路器，其特征在于，绝缘活塞由玻璃粘合的绝缘材料制成；用于填充接收插孔的材料是聚乙烯。
7.如上述任一项权利要求所述的断路器，其特征在于，产生气体的组合物以粉末状聚氯乙稀为基础。
8.一种断路器，包括具有至少一个可断裂部分的通电流的更换元件；外壳，外壳的第一部分限定出至少一个圆筒形内腔，内腔内装有响应内腔内压强上升而轴向位移的活塞，外壳的第二部分限定出至少一个插孔，插孔与圆筒形内腔和更换元件的可断裂部分轴向对齐；其中，可断裂部分的截面在活塞向所述插孔前进时能够发生断裂，其特征在于外壳的所述第一部分还限定出与所述圆筒形内腔连通的室，室内包含一种产生气体的组合物和由提供的控制脉冲驱动的气体产生触发装置，所述插孔内至少部分地装有一种绝缘材料，用来固定地接收由绝缘材料制成的活塞的末端，当该活塞固定在插孔中时其填充可断裂部分上的间隙。
9.如权利要求8所述的断路器，其特征在于，更换元件包括电驱动爆炸部分，与至少一个可断裂部分串联连接；选择电驱动爆炸部分的截面，确保在电流达到预定值时产生爆炸破坏；电驱动爆炸部分至少部分地与所述室的内部相连，用来触发气体的产生。
10.如权利要求8或9所述的断路器，其特征在于，气体产生触发装置是电驱动爆炸导体，例如铜或铜镍合金线。
11.如权利要求9或10所述的断路器，其特征在于，外壳的第一部分限定出两个圆筒形内腔，每个内腔中装有绝缘活塞，更换元件包括两个可断裂部分，位于电驱动爆炸部分的两侧。
12.如权利要求8至11任一项所述的断路器，其特征在于，接收插孔内填充绝缘材料，形成一个圆锥形内腔，以对应于圆锥开口的一个角度切割活塞的末端部分，从而确保该末端部分楔入到插孔中。
13.如权利要求8至12任一项所述的断路器，其特征在于，绝缘活塞由玻璃粘合的绝缘材料制成；用于填充接收插孔的材料是聚乙烯。
14.如权利要求8至13任一项所述的断路器，其特征在于，产生气体的组合物以粉末状聚氯乙稀为基础。
全文摘要
一种高速断路器，包括通电流的更换元件，更换元件具有至少一个与电驱动爆炸部分串联的可断裂部分；外壳，外壳的第一部分限定出至少一个圆筒形内腔，内腔内装有活塞，外壳的第二部分限定出至少一个插孔，用来接收所述活塞；外壳的第一部分还限定出包含一种产生气体的组合物的室，所述插孔内至少部分地装有一种绝缘材料，用来接收固定由绝缘材料制成的活塞的末端，活塞固定在插孔中时填充可断裂部分上的间隙；电驱动爆炸部分至少部分地与所述室的内部相连，用来触发气体的产生，导致圆筒形内腔中的压强上升，由此产生的力快速驱动绝缘的活塞经过可断裂部分进入接收插孔。
文档编号H01H73/34GK1553465SQ03133098
公开日2004年12月8日 申请日期2003年6月4日 优先权日2003年6月4日
发明者米克黑尔·M·阿塔利科夫, 瑟奇杰·A·巴尔加科夫, 弗拉迪米尔·G·库钦斯基, 阿纳托利·A·鲁登科, 弗拉迪米尔·F·索伊金, A 巴尔加科夫, 利 A 鲁登科, 米克黑尔 M 阿塔利科夫, 米尔 F 索伊金, 米尔 G 库钦斯基 申请人:D.V.埃弗里莫夫电子物理装置研究院